什么是时间？天体物理学家解释时间之箭

虽然我们想当然地认为时间有一个给定的方向，但物理学家们却不这么认为：大多数自然定律都是“时间可逆”的，这意味着如果时间被定义为倒退，它们也同样有效。那么为什么时间总是向前走呢？它会一直这样下去吗？

时间有开始吗

任何普遍的时间概念最终都必须以宇宙自身的进化为基础。当你仰望宇宙时，你看到的是过去发生的事件，因为光需要时间才能到达我们这里。事实上，即使是最简单的观测也能帮助我们理解宇宙时间，例如夜空是黑暗的。如果宇宙有无限的过去和无限的范围，夜空将是完全明亮的。

很长一段时间以来，包括爱因斯坦在内的科学家们都认为宇宙是静止的、无限的。自那以后的观测表明，它实际上正在加速膨胀。这意味着它一定起源于一个更紧凑的状态，我们称之为大爆炸，这意味着时间确实有一个开始。事实上，如果我们寻找足够古老的光，我们甚至可以看到大爆炸的残余辐射：宇宙微波背景。

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相对论

爱因斯坦的狭义相对论表明时间是相对的：相对于我，你移动得越快，相对于我对时间的感知，你的时间就会过得越慢。因此，在我们这个由不断膨胀的星系、旋转的恒星和旋转的行星组成的宇宙中，时间的体验是不同的，过去、现在和未来都是相对的。

因为宇宙在每个地方平均都是一样的，在每个方向上平均看起来都是一样的，所以确实存在一个宇宙时间。要测量它，我们所要做的就是测量宇宙微波背景的特性。宇宙学家用这个来确定宇宙的年龄：宇宙有137.99亿年的历史。

时间的箭头

我们知道时间很可能是从大爆炸开始的，但还有一个挥之不去的问题，时间到底是什么？

要解开这个问题，我们必须看看空间和时间的基本性质。在空间维度中，你可以上下左右前后移动。但是时间是不同的，它只有一个方向，永远是向前的，而不会反向。那么为什么时间的维度是不可逆的呢？这是物理学中尚未解决的主要问题之一。

要解释为什么时间本身是不可逆的，我们需要找到自然界中同样不可逆的过程。在物理学中这样的概念是，随着时间的推移，事物往往变得不那么“整齐”。我们用一种叫作熵的物理特性来描述它，它编码了事物的有序程度。

事实证明熵是一个很好的解释时间箭头的方法。随着宇宙的发展，总熵会增加，这意味着宇宙从有序慢慢到无序。为什么宇宙一开始就处于这样有序的状态呢？这仍然被认为是一个谜。一些研究人员认为，大爆炸甚至可能不是开始，实际上可能存在平行宇宙，在那里时间朝不同的方向运行。

时间会结束吗

时间有一个开始，但它是否会结束取决于暗能量的性质，正是暗能量使宇宙加速膨胀。这种膨胀的速度最终可能会撕裂宇宙，迫使它以大撕裂告终；或者，暗能量可能会衰减，逆转大爆炸，以大收缩结束宇宙。

但这些未来场景会终结时间吗？根据量子力学的奇怪规则，微小的随机粒子可以瞬间从真空中弹出，这在粒子物理实验中经常看到。一些人认为暗能量可能导致这样的“量子波动”，引发新的大爆炸，结束我们的时间线，开始新的时间线。虽然这是一种极端的推测，而且极不可能，但我们知道的是，只有当我们了解了暗能量，我们才能知道宇宙的命运。

那么最有可能的结果是什么？只有时间会给出答案。

本文作者为伦敦大学学院天体物理学家Thomas Kitching。