112-Sean Carrol：從永恆到現在

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非常高興能來到一家獨立書店參加活動。此外我也很高興看到這麼多人都認為渡過周四晚上的最佳方式就是討論宇宙與時間的源頭，不過這一點已經不能再使我感到意外了。我必須解釋一下問什麼要問這個問題。我曾經向一名學生提到過我正在考慮為什麼時間向前流逝而非向後流逝，他回答道：「您是不是還想討論一下字母表為什麼要像現在這樣排序啊？」（笑聲）時間不向前流逝還能向哪裡流逝呢？

愛因斯坦曾經告訴我們，時間與空間是一體的。我們在日常生活中認為時間與空間不相關，愛因斯坦卻指出時間與空間共同組成了四維時空結構。空間是三維的，有三個獨立方向可供我們移動——前後、左右、上下。在空間中確定一點需要三個數字。但是假如你要與某人約會喝咖啡或者參加讀書會，那麼不僅要挑出一個空間點，還要確定一個時間點。所以在這樣瑣細的層面上，四維宇宙確實直接影響到了我們的生活。

但是實際情況還要更深刻一些。愛因斯坦不僅指出我們生活在四維時空當中，而且還指出將四維時空區分成為三維空間與一維時間的劃分其實是完全任意的。在相隔許多光年的兩端的兩個人不可能生活在同一時刻當中。我今天不想討論這一點。我想說的是，儘管愛因斯坦取得了如此之大的進展，儘管我們現在公認時間與空間是同一個基本現實的兩個側面，但是我們誰都不會混淆時間與空間。開車迷路的時候你可能會在本該向右拐的地方向左拐，但是想要前往明天的人卻從不會一不小心前往昨天。所以顯然時間並不能單純地等同於空間。

那麼為什麼我們從不會在日常生活當中搞混時間與空間呢？取決於你想研究得多麼深入，這個問題可以有很多回答。最常見的回答是時間是有指向性的。假如你漂浮在宇宙當中，遠離地球或者一切物體，那麼你就無法區分前後左右上下。但是即便你漂浮在宇宙當中，昨天與明天依然很有區別。宇宙沒有指向性，時間卻有。我們將這個方向稱作「時間箭」，箭頭從過去指向未來。時間箭有很多體現方式。例如我們記得昨天卻不記得明天，我們生而年輕並且越來越老——無論《本傑明.巴頓奇事》怎麼演這一點都不會變。在現實世界裡所有人都指向同一個方向變老。科學家想要理解這種同一性的根源，為什麼先有原因後有結果，為什麼人會從小長到老，為什麼我們會積累記憶，為什麼我們會覺得自己渡過了過去來到現在。

一切的關鍵在於熵。熵的概念最早出現在一百五十年前的十九世紀後期，提出這一理論的根本原因則在於國家競爭。科學家們之所以提出熵理論，是因為法國人很眼紅英國人的蒸汽機更強大。工業革命時期的英國擁有瓦特發明的當時最優秀的蒸汽機，許多法國科學家對此都覺得有點不爽。有一位薩迪.卡諾想知道如何建造全世界最完美的蒸汽機。他並沒有思考宇宙起源之類的宏大問題，而是想要建造一台最好的蒸汽機，能夠發揮出定量燃料的最大動力。在這種情況下人們總會越思考越抽象，卡諾意識到不存在徹底完美的蒸汽機，因為你不可能將燃料當中的全部能量都提取出來做有用功，因為宇宙本身具有不斷鬆弛下去的傾向。宇宙就像一個發條玩具，越前進發條越松，最終停下來。卡諾的發現最終總結成為了熱力學第二定律。熱力學第一定律的內容是能量守恆，宇宙總體能量保持不變。第二定律則是宇宙的熵會不斷增加。這就是時間箭的根源所在。未來與過去的根本區別在於未來的熵值更高。

那麼熵究竟是什麼呢？卡諾發明了熵這個概念，但卻並不清楚熵究竟是什麼。很多年之後我們才搞清楚這一點。熵的本質就是無序。辦公桌上有一疊方方正正的紙張，這就是有組織的低熵狀態。假如你不去主動收拾，在人來人往的辦公室里總會有人過來亂動，這疊紙張早晚會變得散亂無序，這樣熵就增加了。熵體現了物體有多麼混亂，物體的組織性有多麼差。假如不加干預，熵必然增加。整齊的一疊紙張灑滿一桌並不會令人驚訝，灑滿一桌的紙張被來來往往的人們你碰一下我碰一下地碰成整齊的一疊紙張則會非常令人驚訝。這就是時間箭的體現。從整齊走向混亂很容易，從混亂走向整齊則很困難。

問題在於我們能夠量化這個趨勢嗎？能夠科學地描述這個趨勢嗎？做到這一點的人名叫路德維希.玻爾茲曼，時間是1870年。與同時期的其他物理學家相比，玻爾茲曼的優勢在於他率先接受了原子理論。直到十九世紀七十年代還有很多物理學家不相信原子的存在。他們認為物理學不該討論無法觀測的事物。玻爾茲曼則認為，假如你相信原子組成萬物，那麼我們就可以將紙張原則推廣到整個宇宙。所謂熵與混亂就是有多少種不同方式重新安排特定物體的全部原子的位置。比方說有一杯水，水裡有個冰塊。那麼時間箭的體現方式之一就是冰塊會融化。在溫水當中放一個冰塊，冰塊會融化並且降低水溫，十分鐘之後你就有了一杯涼水。但是假如你倒一杯涼水再等十分鐘，水裡並不會自動出現一個冰塊。時間箭從冰塊指向涼水，卻不會逆行。所以假如我剛才說的都是真的，那麼熵值就會隨著冰塊的融化而增大。玻爾茲曼認為，冰塊是原子組成的，水也是原子組成的。但是冰塊原子比水原子更冷，因此冰與水的組織性具有程度差異。冰塊融化之後，水杯當中原子的地位要比之前更加平等。換句話說我能用更多的方式來安排水杯當中原子的位置且使你察覺不出差異。在給定溫度下我無法衡量水杯中每一個原子的位置，因此我只能轉而衡量水杯本身的溫度。

像這樣衡量熵的方式可以推廣作用於一切事物，從而體現過去與未來的差異。這是一個很驚人的事實，不過並沒有什麼爭議。假如你思考一下過去與未來的一切差異，那麼這些差異全都可以歸結於過去的組織性比未來更高，隨著時間進行而變得越發無序。那麼這一點能解釋記憶嗎？我記得昨天而不是明天，這一點與組織、原子以及熵又有什麼關係呢？假設你在街上走，看見馬路上砸了一個雞蛋。那麼你對這個雞蛋的未來有什麼看法呢？接下里二十四小時這個雞蛋會怎樣呢？雞蛋上可能會長出黴菌，可能會被雨水沖走，可能會被狗舔掉。在未來可能的情況非常多。然後你又問自己，二十四小時之前這個蛋的情況如何呢？假如這個蛋足夠新鮮的話，二十四小時之前應該有一個囫圇雞蛋。這是唯一的可能。狗不會將新鮮雞蛋吐在街上。在過去可能的情況很有限。雞蛋從有組織的低熵狀態——蛋黃、蛋白、蛋殼層次分明——變成了打碎在街頭的中熵狀態，未來熵值還會繼續增加。知道熵值會增加，我們才能考察事物在過去的狀態。在雞蛋的未來很多事都有可能發生，因為事物變得越發混亂的方式有很多。但是在過去雞蛋肯定有過沒打破的時候。我們知道在過去的某個時刻這個蛋的熵值很低。

接下來的這條推論就連很多物理學家都還沒有完全領悟，但是這條推論絕對是不容辯駁的，只是需要非常認真的思考才能接受：根據玻爾茲曼對於熵的定義——熵就是重新安排某一體系且不被人發現的不同方式的數量——很容易就能解釋為什麼宇宙在明天的熵值會比在今天更高，因為高熵值的存在方式要比低熵值的存在方式更多。假設將宇宙比作一個蛋，那麼打碎蛋很容易，讓雞蛋恢復有組織狀態很難。無論宇宙今天是怎樣的狀態，明天肯定會更加混亂。玻爾茲曼還拿出了公式用來預測宇宙熵增與時間之間的函數關係。但是，自牛頓以來的基本物理學，無論是經典力學、量子力學還是弦理論全都與時間箭頭無關。假如我們姑且不考慮冰水、雞蛋與記憶這樣亂糟糟的東西，只考慮兩個基本粒子或者兩顆彈球，兩個彈球相互撞擊並且反向運動的全過程都是可逆的。換個說法，假設不考慮聲音與摩擦力之類的細節，我可以拍攝一部兩個彈球相撞並分開的影片，而你根本看不出這部影片是在正放還是在倒放。假如我拍攝一部月球繞地球轉或者地球繞太陽轉的影片並且倒放，看上去也沒什麼奇怪的。可是如果我將打碎一個蛋的影片倒放，你立刻就能看出來。

存在於宏觀世界的時間箭卻不存在於微觀世界。如果只有一個原子或者兩三個原子，就無法顯現出時間箭。只有千萬億個原子聚集在一起才能顯現出時間箭。物理學家很想通過基本物理定律將熵增現象推導出來。好比說這間房間里的空氣都是由原子組成的，我可以通過分析原子的特性推導出空氣具有壓強與溫度。假如水杯里有冰塊，我可以推導一段時間之後冰塊會化掉，因為冰化成水比水結成冰的方式更多。我推導不出來的是，假如我有一杯冷水，那麼一段時間之前水裡有沒有冰塊。僅僅根據原子的特性——這些特性在時間上都是可逆的——我無法推導出宇宙在昨天的熵值比今天更低。我們能推導出宇宙的熵值到了明天會更高，但我們並不認為今天的熵值就是最低的原點，而是認為昨天的熵值更低。這一理念依靠基本物理學是推導不出來的。玻爾茲曼也意識到了這一點，並且試圖否認這一點。他寫了很多論文試圖證明熵值在未來一定增加。朋友們卻說：「未來是什麼意思？基本物理在正反兩個方向不是都能生效嗎？你這是作弊啊，你在向基本物理當中添加並不存在的原料。」

那麼這個問題的答案是什麼呢？答案其實我們都知道。以今天為原點，明天的熵值會更高，這很好理解。問題在於為什麼昨天的熵值更低。答案很簡單：因為前天的熵值比昨天更低——我希望你們都能對這個答案感到滿意（笑聲）。有人要是問：「為什麼前天的熵值比昨天更低？」因為大前天的熵值比前天更低。首先，這是我們對於這個問題的最佳答案；其次，這根推理鏈條可以一直延伸下去，直到可觀測宇宙的開始時刻。生活在十九世紀七十年代的玻爾茲曼並不知道大爆炸理論。我們現在知道我們生活的星系擁有千億顆恆星，而可觀測宇宙當中又有千億個星系，可觀測宇宙誕生於大爆炸，距今約有140億年。140億年前，組成所有星系與恆星的物質全都聚集於一個點上。這個點溫度極高，密度極高，用愛因斯坦的話來說極大地扭曲了時空結構。這就是故事的開始或者結束，取決於你的視角。玻爾茲曼可以解釋熵增的前提是宇宙的熵值一開始非常非常低。一切不同於過去的未來之所以能夠存在，都是因為熵增。熵是衡量宇宙無序程度的標準，因此宇宙必然曾經極其有序。

這是關於宇宙的驚人事實之一：大爆炸並不是混亂無序的，而是極其有序的。宇宙肇始於某種非常不可能存在的狀態，各種基本粒子曾經以非常不可能的排列方式聚合在一起。對於像我這樣的宇宙學家來說，我們想知道為什麼宇宙會以如此特別的有序狀態開始。宇宙開始之後我們就什麼都能解釋了。比方說在地球上大家可能會遇到神創論者質問你們：「既然地球的初始狀態非常混亂，那麼生物圈、人體、能夠處理信息的複雜生物體之類的結構是怎樣出現的呢？這難道不違反了熱力學第二定律嗎？宇宙的秩序難道不是增加了嗎？」這是個很有道理的問題，不過我們的存在本身就在為整個宇宙增加熵值，唯此才能降低地球上的熵值。我們接收陽光並且輻射回宇宙當中，太陽提供給我們多少能量，我們就會向宇宙釋放多少能量——當然由於溫室效應我們多少剋扣了一點。我們每從太陽接受一個光子，就會向宇宙釋放二十個光子，每個光子攜帶的能量是太陽光子的二十分之一。在這個過程中我們極大地增加了陽光的熵值，整整翻了二十番。與整個宇宙的熵值增加相比，我們人類所體現出來的這一點點熵值降低實在不值一提。

到目前為止我所說的一切都是絕對正確的，你們沒有不同意的權力（笑聲）。但是接下來我就不知道自己是否正確了，因為我們將要討論尚且不知道答案的問題：為什麼140億年前的宇宙熵值這麼低呢？既然熵值代表著以不同方式重新安排某一體系且不被人發現，低熵值就意味著當時的宇宙處於某種極其有序、微妙且特殊的組態。你當然可以說宇宙本來就是這樣的。很多物理學家也認為大爆炸是宇宙的開端，大爆炸之前不存在時間，詢問大爆炸之前如何就好比詢問北極的北邊在哪裡一樣無謂。這些說法確實有可能是真的，但我無法根據現有知識向你們保證這些說法確實是真的。所謂大爆炸實際上是人類知識邊界的界碑，未必一定是宇宙的開始，但卻的確是知識的終結。很可能大爆炸確實是宇宙的開始，但大爆炸同樣也很可能只是宇宙的一個階段，就像青春期是人生的一個階段一樣。在我看來，為了解釋時間箭與早期宇宙的低熵特質，最方便的手段就是設想大爆炸並不是宇宙的開端。

不管怎麼說，宇宙當中總還存在著雞蛋。雞蛋有碎裂混亂的傾向，但是你總還能在冰箱里發現囫圇雞蛋。為什麼？因為雞蛋並不是孤立封閉的體系，而是雞生出來的。推而廣之，為什麼宇宙的初始熵值這麼低呢？或許是因為宇宙也是由一隻宇宙雞生出來的。這隻宇宙雞的學名就是多重宇宙。設想一下，假如在我們的宇宙存在之前就存在著時間與空間，但是這裡的時空卻空空蕩蕩，什麼都沒有。不過最近的宇宙學研究表明就算空間本身也並不平靜，因為研究表明宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹。就在不久前的二十世紀九十年代，我們發現星系正在遠離我們，產生了紅移現象。當時我才剛剛開始學習宇宙學，當時的理論認為星系雖然在相互遠離，但是彼此之間依然有吸引力。所有一千億個星系之間都在依靠萬有引力相互拉扯，因此他們彼此遠離的速度應該越來越慢。有兩支團隊試圖測量宇宙膨脹的減速度，其中一支隊伍乾脆自稱「測量宇宙減速高紅移超新星團隊」。尷尬的是，他們的測量結果卻表明宇宙膨脹正在加速。這是自從二十世紀六十年代以來最重要的宇宙學實驗。我們依然不理解這是怎麼一回事，不過我們有一個最喜歡的假說：空間本身也具有能量，而且空間能量是空間本質屬性的一部分，不會消散。面對不包含任何物質與輻射的一立方厘米空間，你依然可以問自己：「這個空間包含多少能量？」根據愛因斯坦的理論，這個問題的答案未必是零。假如答案當真不是零，那就意味著空間包含著正能量，正是這份能量驅動了宇宙的永續膨脹。宇宙膨脹之所以加速，是因為隨著星系相互遠離，星系之間的空間越來越大，空間提供的推力也越來越大。這個理論確實能解釋很多我們觀測到的宇宙現象，但是同樣也有助於解釋宇宙的起源以及時間箭的存在基礎。

這項理論目前還是徹頭徹尾的推測，你們沒必要百分百相信。但是為了解釋宇宙，這就是我們的前進方向。如果沒有大爆炸，只有預先存在的時空，而且空間當中還存在著能量，那麼按照史蒂芬.霍金的理論，空間也應該具有有溫度。假如將溫度計放在空間里，那麼在很偶然的情況下這個溫度計應該能接收到一點點輻射。這個溫度大約是現今宇宙溫度的10的30次方分之一。現今宇宙的溫度已經很低了，大約只是室溫的百分之一而已。假如你等待著宇宙徹底冷卻下來，宇宙的溫度還會遠遠更低，但是依然達不到絕對零度。宇宙永遠不可能徹底寂靜下來。記住這一點，再來想想量子力學。根據量子力學，假如有一個亞原子粒子，例如電子，那麼正確的問題並不是「這個電子在哪裡？」而是「假如我想尋找這個電子，那麼在這裡找到的概率與在那裡找到的概率分別是多少？」電子的位置不可能有準確的答案，只有一系列在不同地點發現這個電子的概率。你不可能確定一個基本粒子在宇宙當中的精確位置。推而廣之，你也不可能確定一個宇宙的絕對時空組態，因為時空會波動。只要等待得足夠久——在一個沒有任何事件發生的時空結構當中你可以等待得無限久——時空波動就會產生一個全新的宇宙。這個新生宇宙的形狀宛如淚滴，一頭尖一頭圓，然後就會脫離原本的宇宙，形成所謂的子宇宙。子宇宙越小就越容易形成，因為所需要的波動要比橫跨幾千億光年的大型宇宙更小。這些小小的時空泡會膨脹，而讓它們膨脹的最佳方式就是讓時空泡當中充滿不會消散的能量，這就是暗能量。假如你等得最後久，那麼暗能量也會在宇宙膨脹的過程中衰變成為物質與輻射，就像冰塊融化成水一樣。因為暗能量非常充足，因此宇宙各處的物質與輻射的性質都是一致的。

這套假設所描述的宇宙與我們的宇宙已經很相似了，這套假設的宇宙起源與大爆炸也已經很相似了。我們有空間，空間中有我們絕對無法擺脫的波動，這些波動偶爾會產生新的宇宙。這個宇宙剛剛產生的時候溫度極高、密度極大而且十分平滑，然後就開始膨脹冷卻，以至於本身也成為了空間並且永遠持續下去。但是這樣的過程並非僅僅發生一次，而是會反覆發生。換句話說，根據量子力學理論，空間不會無所事事地永遠待在那裡，不可能讓宇宙永遠循規蹈矩。空間會產生新的宇宙，而新生宇宙就像大爆炸時的宇宙那樣火熱緻密。這樣說來，我們的宇宙也是某個空曠安靜的母宇宙生出來的。這是讓母宇宙沿著時間箭前進的情況，那麼逆著時間箭來觀察母宇宙又會如何呢？由於物理學基本定律在時間層面上是完全對稱的，同樣的故事也會指向過去發生，在無限遙遠的過去母宇宙同樣會產生無數子宇宙，只不過這些子宇宙的時間箭指向與我們相反。整個體系是完全對稱的，並不存在人為設置的時間箭，時間箭是從自然法則當中自動浮現出來的。

這些想法確實很有趣，可是我們怎樣才能知道這一切是不是真的呢？我們為什麼要關心這種事呢？我也不知道像這樣的理念應當如何測試。我們怎麼知道在我們的宇宙之前還有一個母宇宙並且孕育了很多兄弟宇宙呢？目前我們無法回答這個問題。我甚至都無法告訴你們應當從哪些方面入手來解答這個問題。不過我可以告訴你們兩件事。首先，就算不去直接觀測其他宇宙，我們也可以整合一套足夠嚴密的物理法則來宣稱其他宇宙必然存在。如果我們充分理解了我們現在能做的實驗所提供的物理法則，而這些法則又預測了其他宇宙的存在，那麼我們肯定應當認真對待這些預測。我們目前還沒走到這一步，但是已經越來越接近了。其次，我們或許可以依據類似的場景來預測我們的宇宙的走向。有朝一日我們觀測宇宙的技術或許會達到足夠高的程度，從而觀察到大爆炸之前的時代在我們這個宇宙留下的殘餘痕迹。實際上這樣的痕迹確實存在。我不想故意炒作，但是當我們觀察真正的宇宙時，我們看到的景象與我們以為自己應該看到的景象並不完全一致。或許這一點暗示了在我們以為自己已經理解了的宇宙紀元之前真的還有另一個紀元。但是我們目前還沒走到這一步。科學並不知道一切答案，否則就會停滯不前了。

讓我驚訝的是，當我們將整個故事整合起來之後，就會發現我們一開始只想理解水杯里的冰塊為什麼會自動融化而不是凝結，為什麼雞蛋打碎了以後囫圇不起來。理解這些現象的努力最終卻讓我們接觸到了多元宇宙的存在。假如我們能想出比多元宇宙更好的解釋，我會很高興的，但是眼下還不行。眼下這就是我們所擁有的最好解釋。對我來說這一切的寓意非常重大：我們人類並非與物理法則以及宇宙法則相隔絕。我們所享受的日常生活當中的一切特質全都基於140億年前發生的事情。假如在給我們兩三年，等我們把這一切都想明白之後，我們將會更加完整地整合這個故事，做出更多預言，並且更加深入地理解自然法則。謝謝大家。