时间之箭射向何方？物理学家正在揭开“时间箭头”的奥秘

迄今为止，人们对时间的认知，从来都只有一个方向，那就是任何事情从过去到未来，包括生命，总是从小慢慢长大，从年轻到壮年，再逐渐衰老。这似乎是个固定不变的规律。然而，在这一现象的背后，却蕴含着复杂而深奥的物理学问题——“时间箭头”。所谓“时间箭头”，是指时间流动的单一方向，即社会发展从过去到未来，并不会倒流回到过去。这是自然界中一种极其基本的现象。

存在明显方向性的时间箭头，只停留在宏观层次，而在微观层次物理学时间却几乎完全对称。通俗地说，随着尺度的减小，事件逆向发生的概率逐渐趋近于正向发生的概率。当尺度非常小时，物理学家认为两者近似相等，即时间是对称的，并不存在“过去”和“未来”。 例如，引力如果就是对称的话，你可以将一个行星围绕太阳运转的轨道倒过来，这个路径仍然符合万有引力定律。大多数物理定律都有类似引力对称的假设，但是有时间箭头的情况就不同了。想象一下，如果时间在宏观层次也是对称的话，那么你可以将影片的一段镜头倒过来播放，也能理解发生的事情，但事实并非如此。

物理学家从更基础的层面，对时间进行了定义，得到的共识是，时间箭头是热力学第二定律——著名“熵增定理”的衍生规律，即随着时间的流逝，任何一个物质系统的无序度总是在增加，而系统的无序程度越高就越难回到以前的有序状态，“时间箭头”就越显著。

因此，物理学家总结说，这个宇宙内物质总是朝着无序的方向发展，让人们感觉到时间只朝一个方向流逝。

最近，物理学家在揭开“时间箭头”这个谜团的研究中，取得了一些令人兴奋的进展。6月24日，国际学术期刊《物理评论快报》上发表一项研究成果。论文主要作者之一、纽约市立大学理论科学研究中心博士后研究员克里斯托弗·林恩说，这项新研究涉及到物质世界最微小的组成部分，包括粒子、原子、分子，以及生命中最基本的单位细胞。他们通过深入探究这些微观层面的相互作用，试图解释时间箭头的起源。

研究人员首先探索了如何通过观察系统内特定的组成区块，以及它们之间的互动分解时间箭头。研究称，“分析显示，在两个视频的试验中，时间箭头都是从两个一组的神经元区块中产生，没有见到更复杂的区块结构”。

在他们的研究中，一个关键焦点就是深入研究微观尺度下粒子的行为。他们所关注的问题之一是微观尺度下粒子之间的相互作用，能否有助于解释时间箭头。其中一个重要观点，是时间箭头可能与粒子碰撞时的不对称性有关。这就意味着，在碰撞过程中，粒子更有可能沿着某个方向分散，而不是以相反的方式碰撞。这种微观不对称性可能会在宏观尺度上积累，从而形成时间箭头的方向。

另一个发现更令研究人员感到惊讶：观看随机移动物体视频的视网膜所体现的时间的方向性更高。研究员林恩说，这次发现对生物体内部如何与外在世界保持一致的认知提出了挑战。神经科学领域的研究者可能会对这些发现很感兴趣。

这份研究的另一位主要研究者、物理学和生物学教授大卫·施瓦布认为，把时间箭头进行分解的理论，是一个巧妙而且具有普遍意义的理论框架，为探索很多具有多维度空间、没有达到平衡状态的系统，提供了一个创新的思路。

林恩总结说，日常生活中所感受到的时间箭头，在微观世界的体现是怎样的？我们的研究为理解这个问题迈出了第一步。

尽管他们的研究已取得一些进展，但要完全解开时间箭头奥秘仍是一个复杂深奥的问题，这需要跨越多个学科领域的合作，包括物理学、化学、生物学和哲学。理解时间箭头的本质，将有助于我们更深刻地理解自然界，为未来的科学研究和技术发展提供新的方向。

（作者陈思进 系科幻作家）