时间为何永远向前？

如果有一天你在家感到无聊，在你头上放几个鸡蛋，表演一场综艺节目。但是你的表演不太成功，鸡蛋打碎了，烫伤了你的脸。现在你必须洗脸，洗澡，换上一套新衣服。这时，你可能会问，为什么时光不能倒流，让破碎的鸡蛋复原？

打破一个鸡蛋只需要几秒钟，所以为什么不把整个过程颠倒过来呢？你所要做的就是把蛋黄和蛋白扔回去，然后再关上蛋壳。这样，你会有一张干净的脸，干净的衣服，没有蛋黄在你的头发里，一切都会像从未发生过一样。

为什么时间会永远持续？从物理学的角度来看

听起来很荒谬？但是你清楚这种荒谬吗？为什么我们不能“打破鸡蛋，让它再次圆”？事实上，自然界中没有阻止我们修复破鸡蛋的基本法则。事实上，物理学家认为，我们日常生活中发生的任何事件在任何时候都可能发生在相反的方向。那么，为什么我们不能让破碎的鸡蛋重新圆起来，让点燃的火柴回到未点燃的状态，或者让我们擦伤的膝盖回到没有擦伤的状态呢？既然没有基本法禁止，为何没有被推翻呢？为什么未来不同于过去？

这个问题听起来并不复杂，但要回答它，我们必须回到宇宙诞生的那一刻，进入原子的世界，并走到物理研究的前沿去寻找答案。

艾萨克·牛顿的成就

像许多与物理学有关的小故事一样，这个故事也应该从艾萨克·牛顿开始。1666年，由于黑死病的爆发，牛顿不得不中止他在剑桥大学的学业，并和他的母亲搬到了林肯郡的乡下。那里的生活几乎是孤立的，非常无聊，所以牛顿沉浸在物理研究中。

在这里，他逐渐发展了三个主要的运动定律，包括著名的断言，即每种力都有一个大小相等但方向相反的反作用力。他还想象了一个关于重力如何工作的解释。牛顿定律在描述现实世界方面非常成功。它可以解释为什么苹果会从树上掉到地上，以及为什么地球会绕着太阳转。但是牛顿定律有一个奇怪的问题:在它的体系下，如果时间颠倒，同样成立。也就是说，根据牛顿的理论，如果一个鸡蛋可以打破，理论上它可以是圆形的。

为什么时间会永远持续？从物理学的角度来看

但是实践经验告诉我们，这显然是错误的。但事实是，自牛顿以来，几乎所有的物理理论都有同样的问题——物理定律似乎不在乎时间是向前还是向后流动，就像它不在乎你是左撇子还是右撇子一样。

但我们在乎。根据我们的日常经验，时间有一个指向未来的箭头。加州理工学院的物理学家西恩卡罗尔说:“你可能会混淆东西方向，但你绝对不会混淆昨天和明天。但是奇怪的是，物理学的基本定律没有区分过去和未来。

路德维希·玻尔兹曼的发现

为什么时间有方向？第一个认真考虑这个问题的人是生活在19世纪末的奥地利物理学家路德维希·波尔兹曼。

第一个认真思考这个问题的人是生活在19世纪晚期的奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼。在他的一生中，我们今天认为是真理的许多观点在当时仍有争议。特别是，当时的物理学家不相信物质是由叫做原子的微小粒子组成的。许多物理学家指出，关于原子的理论是无法检验的。

但是玻尔兹曼坚信原子是真实的。所以他开始尝试解释生活中的各种事情，比如为什么火焰会发光，我们的肺是如何工作的，以及为什么对着一杯茶吹气可以让它更快冷却。他认为他可以从原子的角度理解所有这些事物的本质。一些物理学家对玻尔兹曼的工作印象深刻，但大多数物理学家对此嗤之以鼻。不久之后，玻尔兹曼因为他的非正统观点而被物理学开除。

为什么时间会永远持续？从物理学的角度来看

由于玻尔兹曼对热的本质的研究，他正处于漩涡之中。这听起来似乎与时间的本质无关，但玻尔兹曼即将证明这两者密切相关。

热力学和熵的本质

玻尔兹曼发现了什么？他发现熵的本质是衡量原子排列的数量和它们携带的能量。熵增加是因为原子变得更加混乱。

根据玻尔兹曼的说法，这就是冰在水中融化的原因。与固态的冰相比，当水处于液态时，水分子有更多的排列和更多的方式在分子间传递热量。因此，有太多的方法可以使冰融化，但是只有相对较少的方法可以导致水的凝结。因此，冰融化的可能性是巨大的。

根据玻尔兹曼，熵是概率的概念。低熵的物体看起来整洁有序，所以它们很难存在。高熵物体看起来很混乱，因此更有可能存在。熵总是增加，因为物体看起来比整洁更容易混乱。

这听起来有点令人沮丧，尤其是如果你是一个喜欢打扫房间的人。但是玻尔兹曼对熵的理解确实有积极的意义:它似乎解释了时间箭头的存在。

为什么时间会永远持续？从物理学的角度来看

玻尔兹曼对熵为什么会永远增加这个问题的探索，反过来又为我们找到这个问题的答案提供了灵感:为什么我们总是意识到时间在流逝？如果宇宙作为一个整体从低熵状态逐渐演化到高熵状态，如果是这样，那么我们将永远无法目睹事物的逆转。

玻尔兹曼对熵的定义甚至可以解释为什么我们能记得过去而不是未来。请想象相反的情况:假设你有一个事件的记忆，然后这个事件发生，然后你对这个事件的记忆消失。就概率而言，这发生在你大脑中的概率非常非常低。

根据玻尔兹曼的理论，未来看起来与过去不同，只是因为未来的熵与过去相比增加了。然而，他的批评者从玻尔兹曼的理论中发现了一个“缺陷”。

“过去假说”与低熵宇宙

为什么时间会永远持续？从物理学的角度来看

玻尔兹曼指出，随着我们滑向未来，熵会增加，这是像原子这样的微小粒子的概率行为的结果。然而，这些微小的粒子本身也遵循物理学的基本原理，这些原理不能区分过去和未来。

因此，玻尔兹曼的理论提出了一个棘手的悖论:如果你说熵值在未来会增加，那么我也可以说熵值会随着你回到过去而增加。玻尔兹曼说，因为生产一个破鸡蛋比生产一个好鸡蛋容易得多，所以有理由期待一个好鸡蛋会变成一个破鸡蛋。然而，这里还有另一种解释:完整的蛋是很难发生的小概率事件，因此蛋应该在大部分时间处于破碎状态，并且它们只会在非常偶然的情况下处于完美状态，但是它们应该只持续很短的时间，然后它们应该再次回到破碎的“普通状态”。

简而言之，你可以用玻尔兹曼的熵理论来证明过去和未来应该是相似的。但这不是我们日常经验告诉我们的，所以我们回到最初的问题——为什么时间有方向？

也许我们已经习惯了时间的流逝，习惯了过去的事情只能成为回忆。但是为什么时间总是向前移动而不是*地向后移动呢？这个问题看起来很荒谬，但它有很大的研究价值。总有一天，人们会发现时间“行走”的秘密。