來源：原理

凡是具有天然運動和生死的，都有一個循環。這是因爲任何事物都是由時間辨別，都好像根據一個週期開始和結束；因此，甚至時間本身也被認爲是個循環。

——亞里士多德《物理學》

人們最早對時間的直觀認識或許來自對自然的觀察。太陽東昇西落，四季更迭，花開花落，這些循環的現象讓人們形成了一種最初的時間觀，認爲萬物循環，時間本身也是一個循環。

循環的時間觀或許更能給人帶來一些寬慰，輪迴與重生或許能消除些許恐懼。但是在日常生活中，我們最直觀的體驗是線性的時間。我們可以在空間中向前走兩步，再向後退回到原處，但我們卻無法在時間流逝兩秒後，再回到兩秒之前。時間本身真的像我們感受的這樣具有方向嗎？

對我們這些堅信物理學的人來說，過去、現在和未來之間的區別……不過是一個幻覺而已……

——愛因斯坦

從科學的角度來說，“時間概念的誕生”可以追溯到17世紀，也就是牛頓和以他爲代表的經典力學體系的出現。在牛頓體系中，時間和空間都是絕對的，任何事情都發生在某個時刻的某個地方，換句話說，牛頓的體系反映了一種決定性的世界觀，世界變得可以被預測。但牛頓的理論沒有解決的是，經典力學的方程無法斷定哪裏是過去，哪裏是未來，時間的方向被抽走了。

牛頓體系完全符合我們日常對世界的認知，在很長一段時間裏，它一直是科學界的主導。但現在，當我們的認知不斷突破極大和極小的邊界，我們已經認識到，在宇宙尺度上，或者聚焦在原子和亞原子尺度上，牛頓的理論就不再適用。

相對論和量子力學是20世紀物理學的兩大革命。或者可以這麼理解，牛頓的理論是廣義相對論在弱引力場下的近似。它符合我們日常的認知，是因爲在非相對論性運動和弱引力場下，廣義相對論可以簡化爲牛頓理論。

愛因斯坦的相對論打破了牛頓絕對的時間觀念。在相對論的體系下，三維空間和一維時間被合併成了四維時空。但是和牛頓的理論所面臨的問題相似，相對論同樣建立在“無方向的時間”的概念上。

20世紀中後期，一些科學家試圖將相對論和量子力學統一，建立起量子引力理論，它能夠解釋時間的單向演化。這其中不乏一些人們熟知的名字，比如彭羅斯。但這種統一的實現似乎還需要走很長一段路。

既然目前物理定律中的時間似乎並沒有方向性，我們爲何仍會覺得時間“一去不復返”？

我們對時間流逝的感覺，一面固然被經典力學、相對論、量子力學搞亂，另一面卻從熱力學中得到支持。

——柯文尼&海菲爾德《時間之箭》

科學家同樣試着在宏觀層面上來討論這個問題。熱力學第二定律告訴我們，一個孤立系統的熵（一種系統無序性的度量）在後來時刻的值，將大於（或者至少是不小於）它在之前時刻的值。

這條定律關上了永動機幻想的大門，卻開闢了一條理解時間流逝的路。

1927年，物理學家愛丁頓最早提出了“時間之箭”（Arrow of Time，又譯“時間之矢”）的概念，認爲時間的單向性可能與熱力學中的熵存在某種聯繫。

但問題並沒有那麼簡單，因爲熱力學第二定律並不能真正解釋時間之箭，它說的僅僅是，高熵的狀態比低熵的狀態更有可能出現。因此，其中一種解釋還需要一種假設，那就是宇宙恰好以一種極不可能的低熵狀態開始的，如果不是這樣，時間就會被“卡住”，任何有趣的事情都不會發生。羅韋利（Carlo Rovelli）認爲，如果宇宙是在一個隨機狀態下啓動的，那過去和未來就不會有區別了。

事實上，觀測證據表明，宇宙確實始於一種低熵的狀態。宇宙學家認爲，在時間的開端後的一瞬間，宇宙可能經歷了一次快速而劇烈的膨脹，被稱爲暴脹。暴脹可能發生過不止一次，它會導致無限的多元宇宙的誕生。在多元宇宙中，一些宇宙存在時間之箭，一些則沒有。可以說我們是幸運的，因爲只有在存在時間之箭的宇宙，纔有機會演化出生命。

事實上，就在今年，曾出現一些媒體的“小道消息”說，在南極的科學家找到了平行宇宙的證據。這種說法的來源可以追溯到三篇相關的學術論文。最初一篇來自2016年，南極脈衝瞬變天線（ANITA）發現了奇怪的高能粒子信號，那些粒子並不是由太空自上而下的“掉落”的，而是反向“向上升起”的。

一些科學家認爲，觀測的結果可以爲“CPT對稱鏡像宇宙”提供證據，這個鏡像的宇宙和我們所在的宇宙完全相反，時間也是倒退的，因此纔會出現“向上”的高能粒子運動。後來，還有一篇相關論文采用了南極“冰立方”中微子天文臺（IceCube）的證據，認爲需要考慮其他方向來解釋ANITA的數據。

因此，從科學層面來說，我們真正能得出的結論其實只有“‘異常’高能粒子信號”，以及“現有的理論無法解釋這次觀測的罕見事件”。而所謂“找到時間倒流的平行宇宙的證據”，只是一種過度延伸的解讀。

這種過度解讀或許和人們對“時光倒流”的興趣密不可分，這種情況也並非第一次發生。2019年，莫斯科物理技術學院的研究人員曾發表論文稱，他們在實驗中將量子計算機的狀態倒流回了幾分之一秒之前，論文作者表示，“這是人爲創造的一種狀態，它朝着與熱力學時間之箭相反的方向演化”（詳見《科學家逆轉了時間之箭？》）。

但物理學界並不接受這種說法。一個形象的比方是，如果將錄像倒放，我們或許能看到蒸汽流回茶壺，這看起來似乎是“時光倒流”，但時間其實並沒有被逆轉。批評者認爲，研究涉及的技術的確對測試量子計算機程序有用，但它遠沒有“時間機器”那麼吸引眼球。

即使多元宇宙與時間之箭確有關聯，仍有許多問題沒有解決。各個領域的科學家仍在努力尋找着各種可能的解釋。

2009年，一些量子物理學家提出，時間之箭也許可以用量子糾纏來解釋。當一個物理系統與周圍環境發生糾纏時，它會向平衡點靠近，這種單向的演化決定了時間之箭。

直到今天，我們依舊沒能完全回答這個問題。時間之箭出現在衆多場景和事件中——進化、衰老、記憶、因果……它的背後仍有廣闊的天地等待我們揭示。

參考來源：

彼得·柯文尼，羅傑·海菲爾德，《時間之箭》，湖南科技出版社，2018年1月

羅傑·彭羅斯，《宇宙的輪迴》，湖南科技出版社，2018年1月

https://www.newscientist.com/article/mg21128330-500-about-time-why-does-times-arrow-fly-only-one-way/

https://www.newscientist.com/article/mg24532770-400-we-may-have-spotted-a-parallel-universe-going-backwards-in-time/

https://www.newscientist.com/article/mg23831740-200-quantum-time-is-this-where-the-flow-of-existence-comes-from/

https://www.quantamagazine.org/what-is-time-a-history-of-physics-biology-clocks-and-culture-20200504/

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