撰文 | 鞠強
公元5世紀，羅馬帝國神學家奧古斯丁寫過一本《懺悔錄》。他在書中指出，討論宇宙誕生之前沒有意義，因為在宇宙誕生之時才有時間，所以不存在所謂的“之前”。這本1600多年前的書中的觀點在字面意思上似乎與現代大爆炸宇宙學的觀點不謀而合。
大爆炸是時空的起點，這是現代宇宙學的主流觀點，也是我們在大部分科普書中讀到的內容。但是，加州理工學院教授肖恩·卡羅爾（Sean Michael Carroll）並不認為這已成定論。他認為很有可能時空在大爆炸之前已經存在，我們叫作大爆炸的這個節點，只是從一個階段到另一個階段的一種過渡。
卡羅爾在自己的作品《從永恆到此刻：追尋時間的終極奧秘》（From Eternity to Here：The Quest for the Ultimate Theory of Time）中詳細論證了以上看法。他寫這本書意在從生活中最平常的現象入手，引導我們瞭解宇宙中最大的謎團之一併羅列出可能的答案，而他對於大爆炸的看法正是這些答案中的一個。
卡羅爾從事理論物理、宇宙學和引力理論的研究工作，除了是加州理工學院的物理學教授外，他還是著名的科普作家，出版過《尋找希格斯粒子》（The Particle at the End of the Universe）、《大圖景》（The Big Picture: On the Origins of Life, Meaning, and the Universe itself）和《隱藏的宇宙》（Something Deeply Hidden: Quantum World and the Emergence of Spacetime）等作品。
有意思的是，還有一位我們譯作肖恩·卡羅爾的著名學者（英文名是Sean B. Carroll）也是科普作家，這位是美國威斯康星大學分子生物學和遺傳學教授，美國國家科學院和美國藝術與科學學院的“兩院院士”。（這二位的中文版圖書的封面上都印著“肖恩·卡羅爾”，所以各位選書的時候一定分辨清楚，按需購買。）
言歸正傳，說回這位從事物理學研究的肖恩·卡羅爾。2013年，彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）因為對希格斯玻色子的理論研究而獲得了諾貝爾物理學獎，“上帝粒子”引發了更大的關注，卡羅爾的《尋找希格斯粒子》不久之後就在國內出版。而與這本書相比，他的其他書關注的多是更加宏大的主題，比如《從永恆到此刻》關注的就是“時間之箭”。
時間之箭，顧名思義，就是說時間像一支箭一樣，有向前的方向——從過去到現在再到未來，這對我們而言習以為常。比如說，我們記得，這本《從永恆到此刻》的英文版出版於2010年，中文版出版於2021年5月，也就是幾個月前，相隔大約11年。但是，我們卻不“記得”再過11年（也就是2032年），卡羅爾的哪本書的哪個版本會出版。
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也許你會說，我們當然不知道2032年卡羅爾會出什麼書，而且怎麼能用“記得”呢？我們能“記得”的是過去的事情，而不是未來的事情。但是，為什麼呢？過去和未來的區別究竟在哪裡？時間是不對稱的嗎？我們的記憶有一個方向嗎？這些看似無厘頭的問題，實則都是卡羅爾在這本書中嘗試要解答的問題。
我們先把卡羅爾以後出書的事情放到一邊，來看生活中常見的例子：我們可以把雞蛋做成美味的雞蛋餅，也可以把牛奶加到咖啡裡慢慢享受；但是，從來沒有人見過雞蛋餅可以自己再變回一枚完好的雞蛋，也沒人見過牛奶和咖啡在杯子裡自動分開。所以，這些事情看起來都有一個特定的方向，反過來就不行，似乎有一個暗藏的箭頭指示著事件發生的順序。
雖然對基本物理規律一無所知並不影響我們的日常生活，也不妨礙我們品嚐美味的雞蛋餅和咖啡，但是物理學家卻對這些現象感到困惑。當然，物理學家也不是束手無策，他們手上有現成的解釋：熱力學第二定律，它決定了這個箭頭的方向。
這個定律說的是，熵會增加或者至少保持不變，而熵指的是物體或者物體集合的無序程度。在通常情況下，有序狀態會自然而然地傾向於變成無序。所以，把雞蛋做成雞蛋餅很容易，但是把雞蛋餅的分子重新組裝成一個雞蛋就做不到。同樣，這也能解釋為什麼我們收拾好的辦公桌面過一段時間就又會變得亂糟糟——這是宇宙中最基本的規律在起作用（我們為自己找到了一個很科學的理由）。
小到雞蛋，大到宇宙，都遵循熱力學第二定律，只能從有序向無序的狀態演化，也就是從低熵向高熵演化，這就是時間之箭的方向。但這裡蘊含著一個關於宇宙初始狀態的重要假設：宇宙在最初時刻熵非常低，非常有序。如果我們自動接受這樣的設定，那就可以高枕無憂。但是，我們並不滿足，至少卡羅爾不滿足，他在書中就試圖要解釋為什麼會這樣。
在展開關於時間之箭、熵與熱力學第二定律的討論之前，卡羅爾還為讀者進行了準備。因為這一切討論（包括使這本書的書名中的“永恆”和“此刻”有意義）其實都基於一個最基本的前提——我們知道什麼是時間。
“時間”這個概念在我們的生活中無處不在，也可能是人類創造的最偉大的概念之一。我們以為對時間瞭如指掌，但是隻要問問朋友、翻一下詞典再查一下搜尋引擎，我們就發現大家對時間的定義其實相去甚遠。卡羅爾在書中列出了時間的三個定義：時間標記了宇宙中的時刻；時間度量事件之間的間隔；時間是我們移動的媒介。
簡單地說，“現在是中午12:00”對應第一個定義，“晚飯後散步1小時”對應第二個定義，我們寫文章常會用到的“時光如水”對應第三個定義。前兩個定義很簡潔，第三個定義則有些含糊。卡羅爾在書中提到，為什麼時間看起來就像在我們身邊流動，即時間像水流一樣，或者說為什麼我們似乎在穿過時間，就像我們在水中划船一樣，正是因為存在時間之箭。
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不過，這些我們通常理解的時間概念都隨著相對論的出現被改寫。在相對論中，三維的空間和一維的時間結合成四維時空，牛頓的絕對空間和絕對時間不復存在。我們開始以全新的方式理解時間，這也成為研究時間之箭的基礎。
既然我們瞭解到在宇宙中（以及在我們的生活中）存在一個從過去到現在指向未來的時間之箭，那無論是出於大膽的想象還是出於懷舊的本能，我們都想了解是否存在反其道而行之的可能性。時間旅行是很多讀者（以及科幻作品的作者）感興趣的內容，廣義相對論從理論上並不排斥時間旅行令人欣喜。卡羅爾在書中也用了不小的篇幅來解讀時間旅行，但是他的解讀方式並不是很多科幻作品中出現的各式各樣的時間機器（比如椅子、飛船或者神秘博士Dr. Who的電話亭），而是一道物理學定律允許我們在時間中來回穿越的“時間之門”。
卡羅爾介紹的“時間之門”對有些讀者來說也許並不陌生。科幻作家特德·姜（Ted Chiang，就是被改編成電影《降臨》的科幻小說《你一生的故事》的原作者）寫過一篇名為《商人和鍊金術士之門》的科幻小說，其中就利用了“時間之門”的概念，而他也在小說的後記裡提到了他創作的靈感來自基普·索恩（Kip Throne）對時間機器的研究。
索恩因為研究引力波而獲得了2017年諾貝爾物理學獎，他也是克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan）的電影《星際穿越》（Interstellar）的科學顧問。諾蘭的最新作品是2020年上映的《信條》（Tenet），這部電影以時間旅行為核心框架，自然又再次找到索恩擔任科學顧問。《信條》上映後，各種解讀鋪天蓋地，令很多觀眾雲裡霧裡，其實《從永恆到此刻》就是非常適合的參考讀物。
既然說到特德·姜，我們可以再多說一句。他還寫過一篇精彩的短篇科幻小說《呼吸》（他的第二部中文版科幻小說集也是這個名字），他在後記中提到，這篇小說受到了羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）的研究的影響。彭羅斯因為“發現黑洞形成是廣義相對論的有力預言”而獲得了2020年諾貝爾物理學獎，他早期和霍金共同完成的研究對黑洞及宇宙學研究產生了深遠影響。
不過，彭羅斯影響特德·姜的是關於時間之箭的觀點：正是因為宇宙誕生在一個高度有序的狀態（即低熵的狀態），我們（人類）才能夠存在。彭羅斯在他的科普名著《皇帝新腦》（The Emperor’s New Mind）中詳細論述了這個觀點，感興趣的讀者可以拿來作為卡羅爾這本書的對照。
卡羅爾在書中帶著我們在“時間之門”的兩側穿來穿去，但（對有些讀者來說）遺憾的是，他透過一系列論證最終告訴我們，理論上看似可行的這道門實際上無法存在。這樣，我們就不能穿越到過去，也不必再受祖父悖論的困擾。
在討論時間旅行的時候，卡羅爾主要是以狹義相對論和廣義相對論作為工具。他隨後帶領我們探索時間之箭的主要工具還有玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）、麥克斯韋（James Clerk Maxwell）等人建立起的熱力學（以及進一步發展的統計力學）和一批傑出科學家在20世紀初期建立起的量子力學。
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我們現在知道，熵的增加指明瞭時間之箭的方向，但是最早研究熵、熱力學第二定律的科學家可沒想這麼多。卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot）、克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）等人最初只是想造出效率更高的蒸汽機，但在這個過程中，他們逐漸發現了熱力學的規律（熱力學第一、第二、第三和第零定律）。玻爾茲曼的研究揭示了微觀世界的變化規律，並給出了衡量微觀狀態的定量公式，他也洞察出隱藏在熱力學第二定律背後的時間之箭。在大爆炸理論甚至現代宇宙學還未誕生的時候，玻爾茲曼已經開始思考宇宙的演化以及最終的結局。
需要注意的是，對於一些宏大的主題，古人與今人有類似的看法並不意外，但神學家、哲學家和科學家的出發點完全不同，所以我們決不能把奧古斯丁的想法和大爆炸理論混為一談，認為科學的想法早已有之。玻爾茲曼等人的努力，才是思考時間之箭的真正開端。
和相對論一樣，量子力學徹底改變了我們認識世界的方式，當然包括我們理解時間之箭的方式。時間有了量子屬性，變得不確定，而是由機率所描述，而同樣有了量子屬性的還有黑洞。雖然我們看不見黑洞，但是確信黑洞真的存在。2020年，萊茵哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·吉茲（Andrea Ghez）因為“發現了銀河系中心的超大質量緻密天體”（也就是黑洞）而和彭羅斯分享了諾貝爾物理學獎。
史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）對黑洞研究作出了革命性的貢獻。他利用量子力學和狹義相對論結合而成的量子場論研究黑洞，發現“黑洞不黑”，而是能發出輻射。這表明黑洞也有熵，這種輻射後來被稱為霍金輻射。不過，霍金輻射即使真的存在，我們現有的探測手段也遠不能探測到如此微弱的輻射，否則霍金有生之年就能獲得諾貝爾獎。霍金的黑洞輻射理論把熱力學、量子力學和相對論融合到一起，這正是他的偉大之處。
霍金等人對黑洞的研究，幫助物理學家更好地理解時間之箭，因為黑洞為熵和引力之間的聯絡提供了關鍵的線索。在此基礎上，物理學家又發展出暴脹和多重宇宙的理論。霍金去世前最後一篇完成的論文在他去世一個多月後（2018年5月2日）發表，這篇他和他以前的博士生、比利時魯汶大學教授托馬斯·赫託格（Thomas Hertog）合作完成的論文，討論的正是永恆暴脹和多重宇宙的問題。
簡而言之，在大爆炸發生後的極短時間內，宇宙以驚人的速度膨脹，這就是暴脹。在宇宙的某些區域內，暴脹永遠不會停止，這就是永恆暴脹。我們的“宇宙”（也稱作可觀測宇宙）只是一個暴脹已經停止而恆星和星系得以形成、生命得以出現的區域性區域而已。這樣一來，整個宇宙就是一個“多重宇宙”。
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多重宇宙為解釋時間之箭和宇宙的演化提供了一種可能性，因為我們的宇宙起始熵很低只是單純因為熵可以更低。但正如卡羅爾在書中所說，這也只是一種可能性而已，擺在物理學家面前的還有其他很多候選方案。在《從永恆到此刻》中，卡羅爾反覆強調，我們有值得信賴的理論（熱力學、相對論和量子力學），也在探索不甚瞭解的理論（比如統一量子力學和廣義相對論的量子引力），更有天馬行空、完全猜測的理論（比如反衝宇宙和多重宇宙）。即使在研究過程中會走歧路甚至被證明完全錯誤，我們都應該大膽地面對這些猜想，不放過任何可能性，這是科學研究的本質特徵。
在《從永恆到此刻》的最後，在經過一番充滿熵、時間之箭和宇宙演化這些概念的頭腦風暴後，我們卻發現自己仍不知道那個解釋時間之箭為何存在的答案究竟是什麼。不過，這一點都不令人失望，因為在一趟旅程中欣賞沿途風景的意義可能不亞於最終抵達目的地。再樂觀一點，沒有找到答案未必是壞事，這恰恰證明了宇宙的價值，畢竟前不久去世的傑出物理學家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）就曾說過：“宇宙越是看起來可以理解，就越是顯得毫無意義。”
就個人而言，面對書中不斷出現的天文數字，我們不得不承認自己的渺小，從這些冷冰冰的事實和規律中我們也很難找到目的和意義。但是，人類進化的歷史已經證明，我們正是在發現這些事實、尋找這些規律的過程中賦予自身以目的和意義。卡羅爾說，他曾經在一傢俱樂部裡因為解釋暗能量而得到了一杯免費飲品，這是他研究宇宙的額外收穫。我們讀過《從永恆到此刻》，會發現我們為了解時間所付出的時間絕對值得，也肯定會獲得一份意想不到的收穫。
