主题：Sean Carrol：从永恒到现在 -- 万年看客

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非常高兴能来到一家独立书店参加活动。此外我也很高兴看到这么多人都认为渡过周四晚上的最佳方式就是讨论宇宙与时间的源头，不过这一点已经不能再使我感到意外了。我必须解释一下问什么要问这个问题。我曾经向一名学生提到过我正在考虑为什么时间向前流逝而非向后流逝，他回答道：“您是不是还想讨论一下字母表为什么要像现在这样排序啊？”（笑声）时间不向前流逝还能向哪里流逝呢？

爱因斯坦曾经告诉我们，时间与空间是一体的。我们在日常生活中认为时间与空间不相关，爱因斯坦却指出时间与空间共同组成了四维时空结构。空间是三维的，有三个独立方向可供我们移动——前后、左右、上下。在空间中确定一点需要三个数字。但是假如你要与某人约会喝咖啡或者参加读书会，那么不仅要挑出一个空间点，还要确定一个时间点。所以在这样琐细的层面上，四维宇宙确实直接影响到了我们的生活。

但是实际情况还要更深刻一些。爱因斯坦不仅指出我们生活在四维时空当中，而且还指出将四维时空区分成为三维空间与一维时间的划分其实是完全任意的。在相隔许多光年的两端的两个人不可能生活在同一时刻当中。我今天不想讨论这一点。我想说的是，尽管爱因斯坦取得了如此之大的进展，尽管我们现在公认时间与空间是同一个基本现实的两个侧面，但是我们谁都不会混淆时间与空间。开车迷路的时候你可能会在本该向右拐的地方向左拐，但是想要前往明天的人却从不会一不小心前往昨天。所以显然时间并不能单纯地等同于空间。

那么为什么我们从不会在日常生活当中搞混时间与空间呢？取决于你想研究得多么深入，这个问题可以有很多回答。最常见的回答是时间是有指向性的。假如你漂浮在宇宙当中，远离地球或者一切物体，那么你就无法区分前后左右上下。但是即便你漂浮在宇宙当中，昨天与明天依然很有区别。宇宙没有指向性，时间却有。我们将这个方向称作“时间箭”，箭头从过去指向未来。时间箭有很多体现方式。例如我们记得昨天却不记得明天，我们生而年轻并且越来越老——无论《本杰明.巴顿奇事》怎么演这一点都不会变。在现实世界里所有人都指向同一个方向变老。科学家想要理解这种同一性的根源，为什么先有原因后有结果，为什么人会从小长到老，为什么我们会积累记忆，为什么我们会觉得自己渡过了过去来到现在。

一切的关键在于熵。熵的概念最早出现在一百五十年前的十九世纪后期，提出这一理论的根本原因则在于国家竞争。科学家们之所以提出熵理论，是因为法国人很眼红英国人的蒸汽机更强大。工业革命时期的英国拥有瓦特发明的当时最优秀的蒸汽机，许多法国科学家对此都觉得有点不爽。有一位萨迪.卡诺想知道如何建造全世界最完美的蒸汽机。他并没有思考宇宙起源之类的宏大问题，而是想要建造一台最好的蒸汽机，能够发挥出定量燃料的最大动力。在这种情况下人们总会越思考越抽象，卡诺意识到不存在彻底完美的蒸汽机，因为你不可能将燃料当中的全部能量都提取出来做有用功，因为宇宙本身具有不断松弛下去的倾向。宇宙就像一个发条玩具，越前进发条越松，最终停下来。卡诺的发现最终总结成为了热力学第二定律。热力学第一定律的内容是能量守恒，宇宙总体能量保持不变。第二定律则是宇宙的熵会不断增加。这就是时间箭的根源所在。未来与过去的根本区别在于未来的熵值更高。

那么熵究竟是什么呢？卡诺发明了熵这个概念，但却并不清楚熵究竟是什么。很多年之后我们才搞清楚这一点。熵的本质就是无序。办公桌上有一叠方方正正的纸张，这就是有组织的低熵状态。假如你不去主动收拾，在人来人往的办公室里总会有人过来乱动，这叠纸张早晚会变得散乱无序，这样熵就增加了。熵体现了物体有多么混乱，物体的组织性有多么差。假如不加干预，熵必然增加。整齐的一叠纸张洒满一桌并不会令人惊讶，洒满一桌的纸张被来来往往的人们你碰一下我碰一下地碰成整齐的一叠纸张则会非常令人惊讶。这就是时间箭的体现。从整齐走向混乱很容易，从混乱走向整齐则很困难。

问题在于我们能够量化这个趋势吗？能够科学地描述这个趋势吗？做到这一点的人名叫路德维希.玻尔兹曼，时间是1870年。与同时期的其他物理学家相比，玻尔兹曼的优势在于他率先接受了原子理论。直到十九世纪七十年代还有很多物理学家不相信原子的存在。他们认为物理学不该讨论无法观测的事物。玻尔兹曼则认为，假如你相信原子组成万物，那么我们就可以将纸张原则推广到整个宇宙。所谓熵与混乱就是有多少种不同方式重新安排特定物体的全部原子的位置。比方说有一杯水，水里有个冰块。那么时间箭的体现方式之一就是冰块会融化。在温水当中放一个冰块，冰块会融化并且降低水温，十分钟之后你就有了一杯凉水。但是假如你倒一杯凉水再等十分钟，水里并不会自动出现一个冰块。时间箭从冰块指向凉水，却不会逆行。所以假如我刚才说的都是真的，那么熵值就会随着冰块的融化而增大。玻尔兹曼认为，冰块是原子组成的，水也是原子组成的。但是冰块原子比水原子更冷，因此冰与水的组织性具有程度差异。冰块融化之后，水杯当中原子的地位要比之前更加平等。换句话说我能用更多的方式来安排水杯当中原子的位置且使你察觉不出差异。在给定温度下我无法衡量水杯中每一个原子的位置，因此我只能转而衡量水杯本身的温度。

像这样衡量熵的方式可以推广作用于一切事物，从而体现过去与未来的差异。这是一个很惊人的事实，不过并没有什么争议。假如你思考一下过去与未来的一切差异，那么这些差异全都可以归结于过去的组织性比未来更高，随着时间进行而变得越发无序。那么这一点能解释记忆吗？我记得昨天而不是明天，这一点与组织、原子以及熵又有什么关系呢？假设你在街上走，看见马路上砸了一个鸡蛋。那么你对这个鸡蛋的未来有什么看法呢？接下里二十四小时这个鸡蛋会怎样呢？鸡蛋上可能会长出霉菌，可能会被雨水冲走，可能会被狗舔掉。在未来可能的情况非常多。然后你又问自己，二十四小时之前这个蛋的情况如何呢？假如这个蛋足够新鲜的话，二十四小时之前应该有一个囫囵鸡蛋。这是唯一的可能。狗不会将新鲜鸡蛋吐在街上。在过去可能的情况很有限。鸡蛋从有组织的低熵状态——蛋黄、蛋白、蛋壳层次分明——变成了打碎在街头的中熵状态，未来熵值还会继续增加。知道熵值会增加，我们才能考察事物在过去的状态。在鸡蛋的未来很多事都有可能发生，因为事物变得越发混乱的方式有很多。但是在过去鸡蛋肯定有过没打破的时候。我们知道在过去的某个时刻这个蛋的熵值很低。

接下来的这条推论就连很多物理学家都还没有完全领悟，但是这条推论绝对是不容辩驳的，只是需要非常认真的思考才能接受：根据玻尔兹曼对于熵的定义——熵就是重新安排某一体系且不被人发现的不同方式的数量——很容易就能解释为什么宇宙在明天的熵值会比在今天更高，因为高熵值的存在方式要比低熵值的存在方式更多。假设将宇宙比作一个蛋，那么打碎蛋很容易，让鸡蛋恢复有组织状态很难。无论宇宙今天是怎样的状态，明天肯定会更加混乱。玻尔兹曼还拿出了公式用来预测宇宙熵增与时间之间的函数关系。但是，自牛顿以来的基本物理学，无论是经典力学、量子力学还是弦理论全都与时间箭头无关。假如我们姑且不考虑冰水、鸡蛋与记忆这样乱糟糟的东西，只考虑两个基本粒子或者两颗弹球，两个弹球相互撞击并且反向运动的全过程都是可逆的。换个说法，假设不考虑声音与摩擦力之类的细节，我可以拍摄一部两个弹球相撞并分开的影片，而你根本看不出这部影片是在正放还是在倒放。假如我拍摄一部月球绕地球转或者地球绕太阳转的影片并且倒放，看上去也没什么奇怪的。可是如果我将打碎一个蛋的影片倒放，你立刻就能看出来。

存在于宏观世界的时间箭却不存在于微观世界。如果只有一个原子或者两三个原子，就无法显现出时间箭。只有千万亿个原子聚集在一起才能显现出时间箭。物理学家很想通过基本物理定律将熵增现象推导出来。好比说这间房间里的空气都是由原子组成的，我可以通过分析原子的特性推导出空气具有压强与温度。假如水杯里有冰块，我可以推导一段时间之后冰块会化掉，因为冰化成水比水结成冰的方式更多。我推导不出来的是，假如我有一杯冷水，那么一段时间之前水里有没有冰块。仅仅根据原子的特性——这些特性在时间上都是可逆的——我无法推导出宇宙在昨天的熵值比今天更低。我们能推导出宇宙的熵值到了明天会更高，但我们并不认为今天的熵值就是最低的原点，而是认为昨天的熵值更低。这一理念依靠基本物理学是推导不出来的。玻尔兹曼也意识到了这一点，并且试图否认这一点。他写了很多论文试图证明熵值在未来一定增加。朋友们却说：“未来是什么意思？基本物理在正反两个方向不是都能生效吗？你这是作弊啊，你在向基本物理当中添加并不存在的原料。”

那么这个问题的答案是什么呢？答案其实我们都知道。以今天为原点，明天的熵值会更高，这很好理解。问题在于为什么昨天的熵值更低。答案很简单：因为前天的熵值比昨天更低——我希望你们都能对这个答案感到满意（笑声）。有人要是问：“为什么前天的熵值比昨天更低？”因为大前天的熵值比前天更低。首先，这是我们对于这个问题的最佳答案；其次，这根推理链条可以一直延伸下去，直到可观测宇宙的开始时刻。生活在十九世纪七十年代的玻尔兹曼并不知道大爆炸理论。我们现在知道我们生活的星系拥有千亿颗恒星，而可观测宇宙当中又有千亿个星系，可观测宇宙诞生于大爆炸，距今约有140亿年。140亿年前，组成所有星系与恒星的物质全都聚集于一个点上。这个点温度极高，密度极高，用爱因斯坦的话来说极大地扭曲了时空结构。这就是故事的开始或者结束，取决于你的视角。玻尔兹曼可以解释熵增的前提是宇宙的熵值一开始非常非常低。一切不同于过去的未来之所以能够存在，都是因为熵增。熵是衡量宇宙无序程度的标准，因此宇宙必然曾经极其有序。

这是关于宇宙的惊人事实之一：大爆炸并不是混乱无序的，而是极其有序的。宇宙肇始于某种非常不可能存在的状态，各种基本粒子曾经以非常不可能的排列方式聚合在一起。对于像我这样的宇宙学家来说，我们想知道为什么宇宙会以如此特别的有序状态开始。宇宙开始之后我们就什么都能解释了。比方说在地球上大家可能会遇到神创论者质问你们：“既然地球的初始状态非常混乱，那么生物圈、人体、能够处理信息的复杂生物体之类的结构是怎样出现的呢？这难道不违反了热力学第二定律吗？宇宙的秩序难道不是增加了吗？”这是个很有道理的问题，不过我们的存在本身就在为整个宇宙增加熵值，唯此才能降低地球上的熵值。我们接收阳光并且辐射回宇宙当中，太阳提供给我们多少能量，我们就会向宇宙释放多少能量——当然由于温室效应我们多少克扣了一点。我们每从太阳接受一个光子，就会向宇宙释放二十个光子，每个光子携带的能量是太阳光子的二十分之一。在这个过程中我们极大地增加了阳光的熵值，整整翻了二十番。与整个宇宙的熵值增加相比，我们人类所体现出来的这一点点熵值降低实在不值一提。

到目前为止我所说的一切都是绝对正确的，你们没有不同意的权力（笑声）。但是接下来我就不知道自己是否正确了，因为我们将要讨论尚且不知道答案的问题：为什么140亿年前的宇宙熵值这么低呢？既然熵值代表着以不同方式重新安排某一体系且不被人发现，低熵值就意味着当时的宇宙处于某种极其有序、微妙且特殊的组态。你当然可以说宇宙本来就是这样的。很多物理学家也认为大爆炸是宇宙的开端，大爆炸之前不存在时间，询问大爆炸之前如何就好比询问北极的北边在哪里一样无谓。这些说法确实有可能是真的，但我无法根据现有知识向你们保证这些说法确实是真的。所谓大爆炸实际上是人类知识边界的界碑，未必一定是宇宙的开始，但却的确是知识的终结。很可能大爆炸确实是宇宙的开始，但大爆炸同样也很可能只是宇宙的一个阶段，就像青春期是人生的一个阶段一样。在我看来，为了解释时间箭与早期宇宙的低熵特质，最方便的手段就是设想大爆炸并不是宇宙的开端。

不管怎么说，宇宙当中总还存在着鸡蛋。鸡蛋有碎裂混乱的倾向，但是你总还能在冰箱里发现囫囵鸡蛋。为什么？因为鸡蛋并不是孤立封闭的体系，而是鸡生出来的。推而广之，为什么宇宙的初始熵值这么低呢？或许是因为宇宙也是由一只宇宙鸡生出来的。这只宇宙鸡的学名就是多重宇宙。设想一下，假如在我们的宇宙存在之前就存在着时间与空间，但是这里的时空却空空荡荡，什么都没有。不过最近的宇宙学研究表明就算空间本身也并不平静，因为研究表明宇宙不仅在膨胀，而且还在加速膨胀。就在不久前的二十世纪九十年代，我们发现星系正在远离我们，产生了红移现象。当时我才刚刚开始学习宇宙学，当时的理论认为星系虽然在相互远离，但是彼此之间依然有吸引力。所有一千亿个星系之间都在依靠万有引力相互拉扯，因此他们彼此远离的速度应该越来越慢。有两支团队试图测量宇宙膨胀的减速度，其中一支队伍干脆自称“测量宇宙减速高红移超新星团队”。尴尬的是，他们的测量结果却表明宇宙膨胀正在加速。这是自从二十世纪六十年代以来最重要的宇宙学实验。我们依然不理解这是怎么一回事，不过我们有一个最喜欢的假说：空间本身也具有能量，而且空间能量是空间本质属性的一部分，不会消散。面对不包含任何物质与辐射的一立方厘米空间，你依然可以问自己：“这个空间包含多少能量？”根据爱因斯坦的理论，这个问题的答案未必是零。假如答案当真不是零，那就意味着空间包含着正能量，正是这份能量驱动了宇宙的永续膨胀。宇宙膨胀之所以加速，是因为随着星系相互远离，星系之间的空间越来越大，空间提供的推力也越来越大。这个理论确实能解释很多我们观测到的宇宙现象，但是同样也有助于解释宇宙的起源以及时间箭的存在基础。

这项理论目前还是彻头彻尾的推测，你们没必要百分百相信。但是为了解释宇宙，这就是我们的前进方向。如果没有大爆炸，只有预先存在的时空，而且空间当中还存在着能量，那么按照史蒂芬.霍金的理论，空间也应该具有有温度。假如将温度计放在空间里，那么在很偶然的情况下这个温度计应该能接收到一点点辐射。这个温度大约是现今宇宙温度的10的30次方分之一。现今宇宙的温度已经很低了，大约只是室温的百分之一而已。假如你等待着宇宙彻底冷却下来，宇宙的温度还会远远更低，但是依然达不到绝对零度。宇宙永远不可能彻底寂静下来。记住这一点，再来想想量子力学。根据量子力学，假如有一个亚原子粒子，例如电子，那么正确的问题并不是“这个电子在哪里？”而是“假如我想寻找这个电子，那么在这里找到的概率与在那里找到的概率分别是多少？”电子的位置不可能有准确的答案，只有一系列在不同地点发现这个电子的概率。你不可能确定一个基本粒子在宇宙当中的精确位置。推而广之，你也不可能确定一个宇宙的绝对时空组态，因为时空会波动。只要等待得足够久——在一个没有任何事件发生的时空结构当中你可以等待得无限久——时空波动就会产生一个全新的宇宙。这个新生宇宙的形状宛如泪滴，一头尖一头圆，然后就会脱离原本的宇宙，形成所谓的子宇宙。子宇宙越小就越容易形成，因为所需要的波动要比横跨几千亿光年的大型宇宙更小。这些小小的时空泡会膨胀，而让它们膨胀的最佳方式就是让时空泡当中充满不会消散的能量，这就是暗能量。假如你等得最后久，那么暗能量也会在宇宙膨胀的过程中衰变成为物质与辐射，就像冰块融化成水一样。因为暗能量非常充足，因此宇宙各处的物质与辐射的性质都是一致的。

这套假设所描述的宇宙与我们的宇宙已经很相似了，这套假设的宇宙起源与大爆炸也已经很相似了。我们有空间，空间中有我们绝对无法摆脱的波动，这些波动偶尔会产生新的宇宙。这个宇宙刚刚产生的时候温度极高、密度极大而且十分平滑，然后就开始膨胀冷却，以至于本身也成为了空间并且永远持续下去。但是这样的过程并非仅仅发生一次，而是会反复发生。换句话说，根据量子力学理论，空间不会无所事事地永远待在那里，不可能让宇宙永远循规蹈矩。空间会产生新的宇宙，而新生宇宙就像大爆炸时的宇宙那样火热致密。这样说来，我们的宇宙也是某个空旷安静的母宇宙生出来的。这是让母宇宙沿着时间箭前进的情况，那么逆着时间箭来观察母宇宙又会如何呢？由于物理学基本定律在时间层面上是完全对称的，同样的故事也会指向过去发生，在无限遥远的过去母宇宙同样会产生无数子宇宙，只不过这些子宇宙的时间箭指向与我们相反。整个体系是完全对称的，并不存在人为设置的时间箭，时间箭是从自然法则当中自动浮现出来的。

这些想法确实很有趣，可是我们怎样才能知道这一切是不是真的呢？我们为什么要关心这种事呢？我也不知道像这样的理念应当如何测试。我们怎么知道在我们的宇宙之前还有一个母宇宙并且孕育了很多兄弟宇宙呢？目前我们无法回答这个问题。我甚至都无法告诉你们应当从哪些方面入手来解答这个问题。不过我可以告诉你们两件事。首先，就算不去直接观测其他宇宙，我们也可以整合一套足够严密的物理法则来宣称其他宇宙必然存在。如果我们充分理解了我们现在能做的实验所提供的物理法则，而这些法则又预测了其他宇宙的存在，那么我们肯定应当认真对待这些预测。我们目前还没走到这一步，但是已经越来越接近了。其次，我们或许可以依据类似的场景来预测我们的宇宙的走向。有朝一日我们观测宇宙的技术或许会达到足够高的程度，从而观察到大爆炸之前的时代在我们这个宇宙留下的残余痕迹。实际上这样的痕迹确实存在。我不想故意炒作，但是当我们观察真正的宇宙时，我们看到的景象与我们以为自己应该看到的景象并不完全一致。或许这一点暗示了在我们以为自己已经理解了的宇宙纪元之前真的还有另一个纪元。但是我们目前还没走到这一步。科学并不知道一切答案，否则就会停滞不前了。

让我惊讶的是，当我们将整个故事整合起来之后，就会发现我们一开始只想理解水杯里的冰块为什么会自动融化而不是凝结，为什么鸡蛋打碎了以后囫囵不起来。理解这些现象的努力最终却让我们接触到了多元宇宙的存在。假如我们能想出比多元宇宙更好的解释，我会很高兴的，但是眼下还不行。眼下这就是我们所拥有的最好解释。对我来说这一切的寓意非常重大：我们人类并非与物理法则以及宇宙法则相隔绝。我们所享受的日常生活当中的一切特质全都基于140亿年前发生的事情。假如在给我们两三年，等我们把这一切都想明白之后，我们将会更加完整地整合这个故事，做出更多预言，并且更加深入地理解自然法则。谢谢大家。

想不到离开校园这么多年才解此一惑。想当年看到热力学第二定律便惊为天人。

我一直觉得熵的讨论必须加个空间独立和最大值的概念才行

比如用一个保温瓶（假设是绝对保温），我们在里面放了水，然后放一块冰，盖上盖子。结果大家都可以想到，就是里面的冰会升高温度，而水就会降温，当达到保温瓶里面温度不再变化时候，这个保温瓶里面的熵达到最大值，那么是否可以理解为这个保温瓶里面的时间已经停止了。

也就是因为这保温瓶是绝对保温的，无论外面春夏秋冬对里面的熵都是该空间中最大和恒定的，这样我们是否也可以确认为保温瓶里面的已经不是同一个时空呢？

然后突然有天我们把保温瓶的盖子打开，独立空间被打破了进入或者与另外一个空间合成新的空间，保温瓶里面的水的熵又从新发生变化。

由此我们也可以认为，空间中熵的最大值时，均匀的状态下的无序，而时空是静止的。

而冰块在水里面之间温度变化到温度停止变化过程（熵的变化），产生了时空。

另外一个就是，空间中熵的变化的原因是一个独立空间被打破。

那么回到宇宙上来，可以理解为宇宙大爆炸之前，宇宙是处于熵最大值，均匀无序状态的独立空间，但由于外因导致它的独立空间给打破，或者另外一个空间合并，而发生大爆炸，宇宙大爆炸是熵变化的表现，熵的变化过程就是时间。

一直搞不清楚，这下明白点了。

宇宙能不能使用热力学第二定律，一直就有争议。因为我们不能确认宇宙是不是孤立有限大的。

我想不明白。

保温瓶内的熵值达到最大后，宏观状态好像时间是停止了；但只要水温还没到绝对零度，水分子就还有布朗运动，那末，各分子的位置还是在不断变化；即是说，水体的状态还是在变化的，保温瓶内的时间不是还在走吗？

球摆

同一规律却有各自的周期，多个单体组成新系统有新的周期。

有序似无序

物理体系内部分子的运动和体系的运动不是一回事。单个分子的运动没有熵的概念。布朗运动是时间可逆的，不会在最大熵达到之后再产生熵变（确切地说，其实是有的，有物理实验现象和理论证明，但和你说的无关）。

熵增说的是物质要尽量分散在空间里

引力的作用却是要物质要尽量集中

我不是学理科的。自从大一普通物理考过关以后，就几十年再没摸过热力学了。这是见到河里大牛科普到时间与熵的本质联系，开了眼界，脑筋才跟着转了转。要想思考得真像物理科班生那末透彻，我这辈子恐怕是做不到了。好在现在闲暇时间非常充足，就再请教请教。

还是说回前述的那个保温瓶。在达到最大熵值的状态，分子以上的宏观体系，不再变化了，因此，时间是停止了。但在水体内部，若任选一个分子A来看，都还有运动。它会撞到邻近的分子B；然后， B又会撞到分子C，……。这一切，还是依次发生的。那末，时间不还是在进行吗？除非观测者为了对他所观测的体系进行时间度量的需要，人为地将时间零点定为系统达到最大熵值状态的时刻，否则，单纯从可以把有事件次序存在，作为时间进行的依据来看，时间不还是没到尽头吗？？？

我晕……

根据广义相对论，引力不是力，而是物质对物质时空分布的影响。

量子论都是在闵可夫斯基时空讨论的，默认屏蔽了引力。

本质还是个线性系统，真正的无序是非线性系统，无法预测。

你说的状态应该指的是保温瓶和外界处于热平衡状态，内部有布朗运动很正常。

如果把这个热水瓶看成宇宙，如果宇宙是封闭的，那么达到这种状态时一定会是绝对零度；如果宇宙不封闭，见前一段。

但还有一个问题，即使是绝对零度，依然存在巨大的真空零点能，这个不知道该怎么解释。