洞悉多重宇宙的时间之箭
" 真正的问题并不是时间的开始，而是时间之箭。" 美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔说。卡罗尔是一位在学术界内外都享有盛誉的宇宙学思想家。按照他的观点，问题不应该是在大爆炸以前发生了什么，而是" 之前" 和" 以后" 这两个概念本身。" 我们真正必须要摘清楚的事情是，" 他说∶" 为什么宇宙的时间总有一个方向" 。对于卡罗尔而言，永恒暴涨的多重宇宙提供了一个放大版的新形式稳态模型。
时间之箭是物理学中最深刻的问题之一。大爆炸宇宙学也无法逃脱它的魔掌。这个问题简单地存活于热力学第二定律和物理学其他部分交界的地方。自牛顿开始，描述物理学的方程在时间上都是可逆的。支配不同物体的定律并不在乎时间的方向。想象一下一段两个台球相撞的影片。你真的没有办法区分它是正放还是倒放的。两个原子的碰撞也是如此。和牛顿方程一样，量子物理的方程也没有内建的时间方向。
然而，如果你把无数原子混合到一起，形成了诸如一打鸡蛋这样的东西，一切就会不同了。突然之间，过去和未来看起来会截然不同。众所周知，你无法让煎蛋卷复原成鸡蛋。由于原子的大量聚集，热力学进入了这一图像，随之而来引入了最重要的量——熵。我们已经知道了认识熵的不同方式，这其中包括了它作为一个系统无序程度的度量。这个定义在另一个侧面是考察熵与一个系统可排列方式总数之间是如何直接相关的。这些定义把重要的热力学第二定律与时间的方向联系了起来。
在一个大的空房间里戳破一个气球，其原子会充满整个空间。加热一杯咖啡，它会慢慢冷却到室温。在这两个例子中，系统在变化中改变，直至达到平衡态。但在物理学中，平衡和最大熵表述的是相同的事情，两者代表系统达到了最大的无序状态。最大无序意味着什么? 这恰恰是排列系统的方式达到最大数目的另一种说法。举个例子，把原子压缩到房间的一个角落里的方法只有几种。这些原子不得不被紧密地压在一起，彼此之间没有很大的空间。另一方面，把同样多的原子散布到整个房间却有很多种方法。因此从低熵（集中在一个角落里的所有原子）到高熵（充满整个房间的原子）的路径定义了时间之箭。到达平衡态的道路也区分了什么是" 之前" 及什么是" 以后" 。一旦达到平衡，一切就不会再改变，过去和未来的区别也不再有任何意义。
根据这个定义，大爆炸的熵问题可以简单地表述如下; 我们的宇宙已经演化了130 亿年，因此它不可能已经开始进入平衡态。不知什么原因，宇宙中的所有物质——能量、空间和时间——都始于一个低熵状态。这是变化和演化可以发生进行的唯一方式。这也是宇宙能始于大爆炸并形成今天所见的恒星、行星和人类这样一个丰富多彩宇宙的唯一方式。
乍看之下，大爆炸具有低熵的想法似乎很奇怪。它是一团炙热而混沌的东西，不是吗? 我们今天所处的空荡而冰冷的宇宙，一个充满了恒星、行星和白蚁的宇宙，怎么会是高熵的呢? 其关键在于引力。宇宙不是一个装着原子的盒子，它是一个充满了引力效应的膨胀时空°。通过在计算中纳入引力，从平滑的原初粒子汤到我们今天所见的星系成团的宇宙都可以被理解成是熵增加的。但是你不必费劲搞明白这些细节来建立起演化、熵及平衡态之间的联系。如果宇宙演化了（就像它已经和正在做的），那么它必定始于比现在更低的熵。
正如数学物理学家罗杰·彭罗斯在20 世纪70 年代所指出的，一旦你认识到这一点，你就有麻烦了。如果熵等价于一个系统可排列方式的总数，那么由大爆炸所暗示的低熵起点是极其不可能的。
如果你有一个装了100 万颗黑色弹珠和仅几颗白色弹珠的袋子，那么当你伸手从袋子里抓出一颗白色弹珠时就会感到相当的惊讶。这就是试图解释低熵大爆炸的宇宙学家们所面对的情形。" 实际上，有无穷多种方式来设定初始宇宙，" 肖恩·卡罗尔说∶" 但几乎所有的方式都有着高熵。" 这些大量的高熵宇宙在开始时便会处于平衡态，进而使得宇宙的演化和变化成为不可能。
我们的宇宙始于低熵状态的可能性低到令人吃惊的接近不可能，这着实让人为难。因为缺乏一个令人信服的解释，物理学家不得不承认我们的大爆炸必定以某种方式被精调了。它开始时出奇地远离平衡态，因此能把时间之箭指向一个方向。我们之前在粒子物理标准模型中已经遇到过精调问题。回想一下，标准模型对其所需的约20 个常数极其敏感。如果自然界" 选择" 了值稍有不同的这些常数，那么宇宙看起来会截然不同，我们所知的生命也永远不会出现。低熵大爆炸也需要一个类似的精调。有那么多的方式来使得宇宙始于高熵，我们怎么样才能最终让其中一个始于低熵呢? 对于物理学家们而言，精调等同于奇迹——它并不为绝大多数科学家所接受。对于这个世界来说科学方法之美在于其对理性和纯粹物理学解释的强调，即便是在宇宙学这样一个领域也是。因此，对于卡罗尔和其他人而言，真正的问题不仅仅是解释大爆炸之前发生了什么，而且还要解释令时间之箭朝前的我们宇宙几乎不可能的低熵起源。
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