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你是否曾經(jīng)希望通過時間倒流。可以讓你回到過去，以改變一些讓你后悔莫及的事情呢？那么，今天我要告訴你一個好消息，物理定律似乎表明了，時間的倒流或是向前是相同的。但是，為什么我們似乎被困在了不可逆轉(zhuǎn)的時間流中，為什么時間只能夠向未來前進(jìn)呢？今天我們就以科學(xué)的角度來解決這些問題。物理定律描述了宇宙，如何在一瞬間就演化成了下一個瞬間的宇宙，而這些定律并沒有區(qū)分未來和過去。無論是量子力學(xué)的微觀領(lǐng)域，還是愛因斯坦廣義相對論的宇宙領(lǐng)域，逆轉(zhuǎn)時間的流動都在物理方程中得到了完整的描述。然而，盡管物理學(xué)中，并沒有對時間方向偏好的選擇，為什么時間卻只能向前走，而不是向后走呢？這一切可以通過我們對時間單向性的兩種感知方式來解釋。

首先是外部感知。當(dāng)我們掉落一顆雞蛋時，它可能會碎裂，但它永遠(yuǎn)不會自行重新組合。隨著時間的推移，整個宇宙都在不可逆的熵增過程中衰減。這種外部現(xiàn)象使我們感知到時間的單向性。第二種感知方式是內(nèi)部的。我們按照事件發(fā)生的順序來排列記憶。我們記得過去的事情，但不記得未來的事情。在我們的大腦中，我們以先前事件的順序組織記憶。這種內(nèi)部感知進(jìn)一步強(qiáng)化了時間的單向性。在接下來的探索中，我們將深入研究熵如何打破時間的對稱性，導(dǎo)致未來與過去的差異。我們還將通過一系列的討論，探索為什么宇宙尺度上的時間對稱性打破定義了我們在自己大腦中所經(jīng)歷的時間體驗(yàn)。

與此同時，當(dāng)我們說物理定律不關(guān)心時間的方向時，我們的意思是物理定律在描述宇宙演化時并沒有偏好或偏向某個時間方向。換句話說，如果我們將宇宙中所有粒子的運(yùn)動逆轉(zhuǎn)，并根據(jù)物理定律計算它們的行為，我們會發(fā)現(xiàn)物理定律在逆轉(zhuǎn)的情況下同樣適用，能夠準(zhǔn)確預(yù)測粒子會按照它們的軌跡返回到它們來時的狀態(tài)，甚至可以追溯到宇宙大爆炸之前。讓我們來了解一個簡單的例子，通過使用一個常見的“塊宇宙”圖像，其中我們有二維空間和一維時間。隨著時間向上流動，塊宇宙的存在只是短暫的。我們通過按照特定順序查看時間切片的方式來感知時間的流逝。

現(xiàn)在，想象兩個相互運(yùn)動的粒子，例如電子。隨著時間的推移，它們在空間中相互移動。當(dāng)它們靠近時，由于靜電排斥力，它們會偏離原來的軌道。牛頓的運(yùn)動定律結(jié)合庫侖定律完美地描述了電子位置隨時間變化的規(guī)律。但是，如果我們將時間流逆轉(zhuǎn)，將圖像翻轉(zhuǎn)過來，我們會看到電子仍然像互相彈開一樣運(yùn)動。同樣的物理方程依然能夠準(zhǔn)確描述這兩種方向上的反彈，似乎并不偏好其中一種方向。物理定律并不關(guān)心時間的流向，它們只是描述了我們在塊宇宙時間切片之間的關(guān)系。時間具有對稱性，因?yàn)槲锢矶蓪^去和未來沒有區(qū)別。這些定律甚至不要求時間必須流動，它只是像空間中的另一個維度一樣存在。

然而，在這方面有一個強(qiáng)有力的例外，即熱力學(xué)第二定律。該定律指出，熵必須始終增加或保持不變，而不會隨時間減少。因此，第二定律確實(shí)規(guī)定了時間的方向，它打破了對稱性。為了理解其中的原因，我們需要回顧一下熵的概念，這將是一個很好的復(fù)習(xí)插曲。有幾種方法可以思考熵，而今天我們將從能量分布的角度來探討它。能量可以以多種形式存在，并在不同形式和物體之間轉(zhuǎn)移。例如，當(dāng)電子碰撞時，動能會在它們之間轉(zhuǎn)移。隨著時間的推移，由于碰撞，能量傾向于以盡可能均勻的方式分布。因此，如果一個盒子里有很多電子，其中一半電子具有很高的動能且移動得很快，而另一半沒有動能，那么很快速的電子會與其他電子發(fā)生碰撞，將能量分享出去，而不是一直集中在它們之間。通過隨機(jī)碰撞，能量會被逐漸分散，使得一半電子獲得所有能量，而另一半電子沒有能量的情況非常不可能。因此，如果我們從能量分布不是完全隨機(jī)的情況開始，隨著時間的推移，能量將變得更加均勻分散。

值得注意的是，熵是用來衡量系統(tǒng)中能量分布的隨機(jī)性程度的。較高的熵表示更多的隨機(jī)性。熱力學(xué)第二定律告訴我們，熵必須隨著時間的推移而增加，這意味著一個處于非常特定、非隨機(jī)狀態(tài)的系統(tǒng)將變得更加隨機(jī)。這是統(tǒng)計效應(yīng)的結(jié)果。雖然存在微小的波動可能導(dǎo)致熵局部下降，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，逆轉(zhuǎn)熵的可能性變得極小。那么，為什么時間似乎只朝一個方向前進(jìn)呢？實(shí)際上，并沒有什么特定的原因。第二定律只是告訴我們系統(tǒng)在任何時間方向上從低熵狀態(tài)改變的可能性。要理解為什么最終選擇了一個特定的方向，我們需要回到塊狀宇宙的概念。我們可以從一小團(tuán)具有低熵的粒子開始。低熵可以通過奇特的速度分布實(shí)現(xiàn)，也可以通過將粒子聚集在可用空間的一個點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。讓我們給這些粒子隨機(jī)分配速度，并觀察接下來的時間步驟會發(fā)生什么。即使速度指向隨機(jī)的方向，這個團(tuán)體也不可避免地會分散。熵隨著能量擴(kuò)散到所有可能的狀態(tài)而增加，這在這種情況下意味著擴(kuò)散到粒子可能占據(jù)的所有可能位置。在這種情況下，我們將塊狀宇宙中的向上方向定義為朝向未來的方向。但是，如果我們反轉(zhuǎn)時間，它會是什么樣子呢？事實(shí)上，完全相同的隨機(jī)速度方向會傾向于在兩個時間方向上分散該團(tuán)體。同樣地，如果你拿一個低熵的系統(tǒng)并查看它之前或之后的步驟，隨著時間的推移，熵可能會變得更高。

而且，與其他物理定律相比，熵實(shí)際上不再關(guān)心時間的方向。它只是關(guān)注相鄰時間步驟中熵的增加。然而，如果你處于起始低熵點(diǎn)的兩側(cè)，你會感知到時間的不對稱性。粒子會膨脹，一側(cè)熵增加，或者粒子會收斂，另一側(cè)熵減少。當(dāng)我們將焦點(diǎn)放在單個粒子的相互作用上時，我們會看到物理定律的完美可逆性。然而，當(dāng)我們將焦點(diǎn)縮小到更大尺度時，時間箭頭就顯現(xiàn)出來了。熵的存在于最小值兩側(cè)決定了時間的方向。在這個最小值兩側(cè)，宇宙極有可能以一種非常特殊的方式演化。這個圖所代表的真實(shí)世界情況被稱為熵漲落。由于粒子軌跡的隨機(jī)排列或能量的其他移動，我們偶爾會經(jīng)歷熵的減少，通常是在非常小的尺度上。熵可以減小，達(dá)到最小值，然后在最小值的時間點(diǎn)兩側(cè)會看到熵的增加。

那么，這一切對于我們的宇宙和時間的箭頭意味著什么呢？以膨脹的粒子來說明熵的演化并非偶然。當(dāng)我們以星系的形式觀察宇宙中粒子的速度時，我們并不看到隨機(jī)運(yùn)動。相反，我們看到星系相互遠(yuǎn)離，這意味著它們曾經(jīng)緊密聚集在一起。這就是宇宙膨脹的表現(xiàn)，也是第二定律在最大尺度上的體現(xiàn)。我們知道過去的熵更低，因?yàn)槲覀兛梢曰厮菪窍档奈恢煤徒M成它們的粒子，并計算出更密集、更特殊的排列。事實(shí)上，一個令人難以置信的低熵排列就是大爆炸的起點(diǎn)。有了這些知識，我們就不足為奇地看到熵在我們所理解的宇宙時間前進(jìn)方向上增加。因此，這是關(guān)于時間箭頭方向的一個論點(diǎn)。如果我們將時間視為物理定律連接的塊宇宙切片的序列，那么我們可以打破時間方向的對稱性。如果其中一個切片有一個非常特殊的排列，那么宇宙在任何方向上都必須變得不那么特殊。因此，觀察宇宙從熵極小值的兩側(cè)的人會看到時間的有向性。

那么在我們的宇宙中，是什么導(dǎo)致了這個最初的特殊排列，即大爆炸的極端密度和對應(yīng)的荒謬低熵？這實(shí)際上是物理學(xué)中一個未解決的問題。但是可能的結(jié)果之一是，如果你將所有粒子回溯到這個原始的特殊切片，在這個切片上，它們的速度是隨機(jī)的，然后繼續(xù)追溯到另一側(cè)，你會看到熵再次增加，但這次是逆向的。想象一下一個對稱的宇宙，其中這些粒子再次分散，就像是反向的大爆炸一樣，這并不是不可思議的。如果大爆炸是由一個不可思議的宇宙規(guī)模的入口波動引起的，情況可能是這樣的。盡管沒有證據(jù)表明這是真實(shí)的，但如果是真的，我們將會看到一個有趣的場景。如果熵在大爆炸之前增加，那是否意味著時間在大爆炸之前是倒轉(zhuǎn)的？大爆炸的逆轉(zhuǎn)是否會導(dǎo)致宇宙的時間逆轉(zhuǎn)？宇宙的時間逆轉(zhuǎn)是否就意味著一切都會重新開始，開始一個無限的循環(huán)呢？如果可以回到過去，你們想做點(diǎn)什么？在評論區(qū)說出你們的想法。關(guān)注我們，下期再見。

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