什么是时间？为什么时间会永远向前？
图片说明：为什么夜晚的天空能告诉我们很多关于时间的事情？图片来源： Arches National Park/Flickr, CC BY-ND
你可以想象一下时间倒流的场景：人们会越活越年轻，不断返老还童，逐渐地忘却他们曾经了解或记住的所有事情，最终成为一个婴儿，就像美国导演大卫·芬奇执导的《本杰明·巴顿奇事》一样，这也是美国科幻小说家菲利普·K·迪克的在一本书中描写的时间方向。尽管这种场景只会出现在科幻电影和小说中，但宇宙学家们也一直在研究有关时间方向的问题。
我们都认为时间是永远向前的，这对大多数人来说是理所当然的，但是对于物理学家们来说并不是这样。从时间的角度来讲，大多数的自然法则都是"可逆的"，即使时间被定义为是倒流的，这些自然法则仍然成立或能正常运转。但是为什么时间总是向前的呢？时间会永远向前吗？
时间出现的源头在哪儿？
任何有关时间的普遍概念都建立在宇宙自身的产生和发展之上，因为现代宇宙学理论认为，在宇宙大爆炸发生前没有时间可言。当你仰望宇宙，你看到的都是过去发生的事情，因为宇宙中发生的事情都是在数光时之后才能被地球人观测到。事实上，你稍稍观察一下世界就能理解宇宙时间这一概念。例如夜晚的天空为何是黑暗的？如果宇宙有无穷尽的过去，并且在范围上也是无穷尽的，那么即使在夜晚，天空也应该完全明亮，因为一直存在于宇宙中的无数恒星会将自身的光源源不断地传到地球。
长时间以来，包括爱因斯坦在内的科学家们都认为宇宙是静态且无界的，但后来的研究和观察发现，宇宙一直在加速膨胀，这就意味着宇宙最初的状态肯定比现在更紧密拥挤。科学家们把宇宙最初的状态称为"大爆炸"，这表示时间是有起源的。事实上，如果能找到存在时间足够长的光，你甚至可以看到宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的30万年，发生大爆炸时，宇宙的温度极高，之后温度慢慢降低，现在宇宙中大约还残留着3K左右的热辐射。认识到宇宙微波背景辐射是确定宇宙年龄的第一步。
但是还有一个问题。爱因斯坦的相对论认为，时间是相对的，举个例子：如果甲和乙两个人同时在走路，甲走的速度快，乙走的速度慢，那么甲概念中的时间就比乙概念中的时间过得慢。因此在宇宙中，不断膨胀的星系、旋转的恒星和旋转的行星经历的时间都是不同的，一切事物的过去、现在和将来都是相对的。那么，是否存在一个所有人都认同的宇宙时间？
图片说明：宇宙发展时间轴，由AlexMittelmann设计。图片来源：Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA
宇宙中确实存在一个“宇宙时间”，因为宇宙中的所有地方基本上都是相同的，并且无论从任何方向观察，宇宙看起来也都基本相同。如果想要衡量这个宇宙时间，就需要测定宇宙微波背景辐射的属性。通过这种方法，宇宙学家们确定了宇宙已经存在的时间——137.99亿年。
时间的方向
我们已经知道，时间很有可能起始于宇宙大爆炸时期，那么还有一个棘手的问题需要回答：时间究竟是什么？
为了解决这个问题，我们必须首先了解一下时间和空间的基本属性。在空间的维度中，事物可以向前和向后运动，就像那些每天上下班的人一样，早上从家到公司，晚上再从公司回到家中。但是时间不一样，时间只有一个方向——永远向前，从不会倒流。那么为什么时间的维度是不可逆的？这是物理学中至今未解决的一个主要问题。
想要解释为什么时间不可逆，我们需要发现自然界中还有哪些量或概念是不可逆的。在物理学（甚至生命体）中，这种量或概念极其少见，其中一个就是熵。熵是事物的一种物理性质，是一个系统中“无秩序”的程度，即随着时间的流逝，事物都会变得越来越无序。想象一下，如果在一瓶气体中，最初所有的粒子都被放在同一个角落，即处于一种有序的状态。慢慢地，瓶中的粒子会自然地逐渐散开，充满整个瓶体，不再挤在同一个角落，这是一种无序的状态。如果你想要把粒子从无序的状态变回有序的状态，就需要耗费能量，否则是不可逆的。这就像你为了煎蛋把鸡蛋打散，可一旦鸡蛋被打散，铺满整个煎锅，你就再也无法恢复它们原来的形状。宇宙也是一样的，随着它自身的发展，整个宇宙熵的总量都在增加。
通过熵这一概念可以很好解释时间的方向。尽管宇宙看起来是在变得越来越有序——从早期到处充满炙热的能量，到目前充满恒星、行星、人类和颗粒，然而宇宙有可能一直处在一种加速无序化的状态。我们眼中的宇宙之所以似乎正在变得更加有序，是因为大质量物体具有的引力正在使宇宙看起来很有秩序。但事实上，宇宙的无序程度一定在增加，只是这种无序以某种方式隐藏在引力场的深处而不为我们所见。
既然宇宙的本性是倾向于变得越来越无序，那么为何它在最初的阶段却是处于一种有序的状态中？一些研究人员认为，大爆炸也许并不是宇宙的开端，他们相信存在着其他的“平行宇宙”。在这些平行宇宙中，时间是沿着不同的方向前进的。
时间有终点吗？
时间是有开端的，但是时间是否有终点取决于宇宙中暗能量的本质。暗能量是消耗暗物质的能量，研究显示，一小部分的宇宙是由暗物质组成的。暗物质就像胶水一样把所有物质连接在一起，而暗能量会导致暗物质消失，从而导致宇宙加速膨胀。最终，这种加速膨胀可能会撕裂宇宙，促使宇宙在 "大撕裂"（Big Rip，"大撕裂"是一些科学家设想的宇宙终结事件，和“大爆炸”相对）中终结。在另一种设想中，暗能量可能会衰减，从而导致宇宙膨胀的速度降低并逐渐发生逆转。宇宙会重新开始缩小，并变得越来越拥挤，最终会终结于同样惨烈的 "大挤压"(Big Crunch)。这两种状态非此即彼，因为暗能量只会不断增加或逐步衰减，宇宙也只会不断加速膨胀或变得越来越拥挤。
但是"大撕裂"或"大挤压"会使时间终结吗？根据量子力学的原理，即使在真空中也会随时出现一些微小的粒子，因此完全的真空根本不存在。这样的现象虽然和我们的常识不同，但已经在许多粒子物理学实验中被观察到。一些科学家认为，暗能量可能会引发"量子起伏"，并导致新一轮的大爆炸，从而终结我们现有的宇宙发展时间轴，并开启一个全新的时间轴。尽管所有的这些理论都还只是猜测，并且这些宇宙终结事件发生的可能性极小。但我们能够确定的一点是，只有完全了解了暗能量，我们才会弄清宇宙的最终命运。
那么究竟哪一种猜想才更有可能是宇宙的最终结局呢？只有时间能揭晓答案了。
（文章来源：“科学之家”，转载已获得授权。）
中国科学院近代物理研究所