你是否曾经希望通过时间倒流。可以让你回到过去，以改变一些让你后悔莫及的事情呢？那么，今天我要告诉你一个好消息，物理定律似乎表明了，时间的倒流或是向前是相同的。但是，为什么我们似乎被困在了不可逆转的时间流中，为什么时间只能够向未来前进呢？今天我们就以科学的角度来解决这些问题。物理定律描述了宇宙，如何在一瞬间就演化成了下一个瞬间的宇宙，而这些定律并没有区分未来和过去。无论是量子力学的微观领域，还是爱因斯坦广义相对论的宇宙领域，逆转时间的流动都在物理方程中得到了完整的描述。然而，尽管物理学中，并没有对时间方向偏好的选择，为什么时间却只能向前走，而不是向后走呢？这一切可以通过我们对时间单向性的两种感知方式来解释。
首先是外部感知。当我们掉落一颗鸡蛋时，它可能会碎裂，但它永远不会自行重新组合。随着时间的推移，整个宇宙都在不可逆的熵增过程中衰减。这种外部现象使我们感知到时间的单向性。第二种感知方式是内部的。我们按照事件发生的顺序来排列记忆。我们记得过去的事情，但不记得未来的事情。在我们的大脑中，我们以先前事件的顺序组织记忆。这种内部感知进一步强化了时间的单向性。在接下来的探索中，我们将深入研究熵如何打破时间的对称性，导致未来与过去的差异。我们还将通过一系列的讨论，探索为什么宇宙尺度上的时间对称性打破定义了我们在自己大脑中所经历的时间体验。
与此同时，当我们说物理定律不关心时间的方向时，我们的意思是物理定律在描述宇宙演化时并没有偏好或偏向某个时间方向。换句话说，如果我们将宇宙中所有粒子的运动逆转，并根据物理定律计算它们的行为，我们会发现物理定律在逆转的情况下同样适用，能够准确预测粒子会按照它们的轨迹返回到它们来时的状态，甚至可以追溯到宇宙大爆炸之前。让我们来了解一个简单的例子，通过使用一个常见的“块宇宙”图像，其中我们有二维空间和一维时间。随着时间向上流动，块宇宙的存在只是短暂的。我们通过按照特定顺序查看时间切片的方式来感知时间的流逝。
现在，想象两个相互运动的粒子，例如电子。随着时间的推移，它们在空间中相互移动。当它们靠近时，由于静电排斥力，它们会偏离原来的轨道。牛顿的运动定律结合库仑定律完美地描述了电子位置随时间变化的规律。但是，如果我们将时间流逆转，将图像翻转过来，我们会看到电子仍然像互相弹开一样运动。同样的物理方程依然能够准确描述这两种方向上的反弹，似乎并不偏好其中一种方向。物理定律并不关心时间的流向，它们只是描述了我们在块宇宙时间切片之间的关系。时间具有对称性，因为物理定律对过去和未来没有区别。这些定律甚至不要求时间必须流动，它只是像空间中的另一个维度一样存在。
然而，在这方面有一个强有力的例外，即热力学第二定律。该定律指出，熵必须始终增加或保持不变，而不会随时间减少。因此，第二定律确实规定了时间的方向，它打破了对称性。为了理解其中的原因，我们需要回顾一下熵的概念，这将是一个很好的复习插曲。有几种方法可以思考熵，而今天我们将从能量分布的角度来探讨它。能量可以以多种形式存在，并在不同形式和物体之间转移。
例如，当电子碰撞时，动能会在它们之间转移。随着时间的推移，由于碰撞，能量倾向于以尽可能均匀的方式分布。因此，如果一个盒子里有很多电子，其中一半电子具有很高的动能且移动得很快，而另一半没有动能，那么很快速的电子会与其他电子发生碰撞，将能量分享出去，而不是一直集中在它们之间。通过随机碰撞，能量会被逐渐分散，使得一半电子获得所有能量，而另一半电子没有能量的情况非常不可能。因此，如果我们从能量分布不是完全随机的情况开始，随着时间的推移，能量将变得更加均匀分散。
值得注意的是，熵是用来衡量系统中能量分布的随机性程度的。较高的熵表示更多的随机性。热力学第二定律告诉我们，熵必须随着时间的推移而增加，这意味着一个处于非常特定、非随机状态的系统将变得更加随机。这是统计效应的结果。虽然存在微小的波动可能导致熵局部下降，但随着系统规模的增大，逆转熵的可能性变得极小。那么，为什么时间似乎只朝一个方向前进呢？实际上，并没有什么特定的原因。第二定律只是告诉我们系统在任何时间方向上从低熵状态改变的可能性。要理解为什么最终选择了一个特定的方向，我们需要回到块状宇宙的概念。
我们可以从一小团具有低熵的粒子开始。低熵可以通过奇特的速度分布实现，也可以通过将粒子聚集在可用空间的一个点来实现。让我们给这些粒子随机分配速度，并观察接下来的时间步骤会发生什么。即使速度指向随机的方向，这个团体也不可避免地会分散。熵随着能量扩散到所有可能的状态而增加，这在这种情况下意味着扩散到粒子可能占据的所有可能位置。在这种情况下，我们将块状宇宙中的向上方向定义为朝向未来的方向。但是，如果我们反转时间，它会是什么样子呢？事实上，完全相同的随机速度方向会倾向于在两个时间方向上分散该团体。同样地，如果你拿一个低熵的系统并查看它之前或之后的步骤，随着时间的推移，熵可能会变得更高。
而且，与其他物理定律相比，熵实际上不再关心时间的方向。它只是关注相邻时间步骤中熵的增加。然而，如果你处于起始低熵点的两侧，你会感知到时间的不对称性。粒子会膨胀，一侧熵增加，或者粒子会收敛，另一侧熵减少。当我们将焦点放在单个粒子的相互作用上时，我们会看到物理定律的完美可逆性。然而，当我们将焦点缩小到更大尺度时，时间箭头就显现出来了。熵的存在于最小值两侧决定了时间的方向。在这个最小值两侧，宇宙极有可能以一种非常特殊的方式演化。这个图所代表的真实世界情况被称为熵涨落。由于粒子轨迹的随机排列或能量的其他移动，我们偶尔会经历熵的减少，通常是在非常小的尺度上。熵可以减小，达到最小值，然后在最小值的时间点两侧会看到熵的增加。
那么，这一切对于我们的宇宙和时间的箭头意味着什么呢？以膨胀的粒子来说明熵的演化并非偶然。当我们以星系的形式观察宇宙中粒子的速度时，我们并不看到随机运动。相反，我们看到星系相互远离，这意味着它们曾经紧密聚集在一起。这就是宇宙膨胀的表现，也是第二定律在最大尺度上的体现。我们知道过去的熵更低，因为我们可以回溯星系的位置和组成它们的粒子，并计算出更密集、更特殊的排列。
事实上，一个令人难以置信的低熵排列就是大爆炸的起点。有了这些知识，我们就不足为奇地看到熵在我们所理解的宇宙时间前进方向上增加。因此，这是关于时间箭头方向的一个论点。如果我们将时间视为物理定律连接的块宇宙切片的序列，那么我们可以打破时间方向的对称性。如果其中一个切片有一个非常特殊的排列，那么宇宙在任何方向上都必须变得不那么特殊。因此，观察宇宙从熵极小值的两侧的人会看到时间的有限性。
那么在我们的宇宙中，是什么导致了这个最初的特殊排列，即大爆炸的极端密度和对应的荒谬低熵？这实际上是物理学中一个未解决的问题。但是可能的结果之一是，如果你将所有粒子回溯到这个原始的特殊切片，在这个切片上，它们的速度是随机的，然后继续追溯到另一侧，你会看到熵再次增加，但这次是逆向的。想象一下一个对称的宇宙，其中这些粒子再次分散，就像是反向的大爆炸一样，这并不是不可思议的。
如果大爆炸是由一个不可思议的宇宙规模的入口波动引起的，情况可能是这样的。尽管没有证据表明这是真实的，但如果是真的，我们将会看到一个有趣的场景。如果熵在大爆炸之前增加，那是否意味着时间在大爆炸之前是倒转的？大爆炸的逆转是否会导致宇宙的时间逆转？宇宙的时间逆转是否就意味着一切都会重新开始，开始一个无限的循环呢？如果可以回到过去，你们想做点什么？在评论区说出你们的想法。关注我们，下期再见。
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