前言
——芝加哥乐队，《真的有人知道现在是什么时间了吗？》
这本书要讲的是时间的本质、宇宙的开端及物理现实的深层结构。我们不是要小打小闹。我们要解决的问题十分古老，也十分荣耀：时间和空间，都是从哪里来的？我们看到的宇宙就是全部，还是在我们目力所及之外还有别的“宇宙”？将来和过去，到底有什么不同？
《牛津英语词典》的研究人员透露，在英语中用得最多的名词，就是时间。我们生活在时间当中，如痴如醉地追寻着时间，并且每天都在和时间赛跑——但出乎意料的是，很少有人能给出时间究竟是什么的简单解释。
在网络时代，我们也许会转而向维基百科寻求指引。在本书写作时，“时间”这个词条是这样起头的：
嗯，开始啦。到这本书结尾的时候，我们就会以能应用于所有领域的方式来精确定义时间。但是很不幸，关于时间为何有那些特性，就没那么清楚了——不过我们会仔细研究一下某些有趣的想法。
宇宙学就是研究整个宇宙的学问，这门学问在过去的几百年里取得了非凡进展。140亿年前，我们的宇宙（或至少是我们能观测到的这部分宇宙）处于无法想象的炎热、致密的状态，我们管这个状态叫“大爆炸”。从那时起，宇宙就一直在膨胀、冷却，并且在我们看得到的未来还会一直这样进行下去，很可能还会永远如此。
一个世纪以前，我们对此还一无所知——除了银河系，科学家说不上对宇宙结构有任何了解。现在，我们已经摸清了可观测宇宙的底细，能详细描述其大小和形状，对其组成和历史轮廓也能说个大概。但还是有些重要问题我们没法回答，尤其是与大爆炸早期有关的。我们会发现，那些问题在我们对时间的理解中将起到关键作用——不只是在遥不可及的宇宙中，在我们地球上的实验室中，乃至我们的日常生活中，都是如此。
大爆炸以来的时间
宇宙随着时间流逝而演化，这一点已经很清楚了——早期宇宙炎热、致密，现在的宇宙则寒冷、稀疏。不过我打算说说更深层次的关联。关于时间，最神秘的一点就是它有方向：过去和将来是不一样的。这就是时间之箭。空间中的方向都是以完全等价的方式创造出来的，但时间与此不同，宇宙在时间上不容置疑地有一个首选方向。本书的一大主题就是，时间之箭之所以存在，是因为宇宙在以特定的方式演化。
时间有方向的原因在于，宇宙中充满了不可逆过程——事件在时间的某个方向发生，但绝不会是另一个方向。就像那个老生常谈的例子里说的，你可以让鸡蛋变成鸡蛋饼，但是没办法让鸡蛋饼变成鸡蛋。牛奶在咖啡里散开；汽油燃烧，变成废气；人们出生、长大，最后死亡。在自然界里的任何地方我们都能找到事件序列，其中总有一件事情发生在前，另一件在后；这些事件放在一起，就定义了时间之箭。
值得注意的是，有一个概念是我们理解不可逆过程的基础。这个概念叫作熵，用来度量物体或物体集合的“无序程度”。随着时间推移，熵会顽固地倾向于增加，或至少保持不变，这就是著名的热力学第二定律[2]。熵总是会增加的原因表面看来似乎挺简单：处于无序状态的方式比有序的要多，因此（其他条件相同时）有序状态就会自然而然地倾向于变成无序。把鸡蛋分子炒成鸡蛋饼的样子没什么难的，但要把这些分子小心翼翼地重组成鸡蛋就不是我们能办到的了。
物理学家讲给自己听的传统故事通常到此为止。但是，还有一个绝对至关重要的因素没有得到足够重视：如果宇宙中的一切都在向更加无序的状态演化，那么宇宙肯定是从一个极度有序的状态出发的。这整个逻辑链条号称能够解释为什么不能将鸡蛋饼变成鸡蛋，显然是基于一个关于宇宙初始状态的重要假设：这个状态的熵非常低，非常有序。
时间之箭将早期宇宙与我们生命所经历的每一个时刻联系了起来。这不只是打破鸡蛋，或是把牛奶混进咖啡，又或是无人打理的房间如何倾向于随着时间流逝而变得更加杂乱无章之类的不可逆过程。时间之箭就是为什么时间看起来就像在我们身边流动的原因，或者说（如果你更喜欢这个说法）为什么我们似乎在穿过时间。这就是为什么我们会记得过去，但不会记得将来。这就是为什么我们会演化、会新陈代谢，并最终死亡。这也是为什么我们会相信因果，而这一点对我们关于自由意志的观念也至关重要。
而且，这些全都是因为大爆炸。
我们看到的并非全部
时间之箭的奥秘可以归结为这样一点：为什么早期宇宙中的条件会以非常特殊的方式设置？这个结构的熵非常低，使得所有有趣的、不可逆的过程都能够实现。这就是本书试图解答的问题。但不幸的是，还没有人知道正确答案。但现代科学的发展已经到了一个阶段，现在我们有办法认真对待这个问题了。
科学家和现代科学出现以前的思想家总在试图理解时间。在古希腊，苏格拉底以前的哲学家赫拉克利特（Heraclitus）和巴门尼德（Parmenides）对于时间的本质有相当不同的看法。赫拉克利特强调改变的重要性，而巴门尼德完全否定改变的现实。19世纪是统计力学的黄金时代，人们从微观组成出发，推导出了宏观物体的性能。其中涌现了像是路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）以及约西亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）等英雄人物，想出了熵的意义及其在不可逆过程中的作用。但他们并不知道爱因斯坦的广义相对论或量子力学，当然也不可能了解现代宇宙学。在科学史上还是第一次，我们至少有了将时间的合理理论与宇宙的演化放在一起的机会。
为了找到出路，我打算给出如下提议：大爆炸并非宇宙的开端。宇宙学家有时候会说，大爆炸代表着时间和空间的真正边界，在大爆炸之前一无所有——实际上，就连时间本身都还不存在，因此“之前”这个概念严格来讲也并不适用。但是，我们对物理学的终极定律还不够了解，还没有信心做出类似这样的陈述。科学家越来越多地认真考虑，有没有可能大爆炸并不是一个真正的开端，而只是宇宙（或至少是我们这部分宇宙）所经历的一个阶段。如果真有这种可能，我们的宇宙一开始熵如此之低的问题就变成了另一种类型：不再是“为什么宇宙以这么低的熵开始”，而成了“为什么我们这部分宇宙经历了熵这么低的一个时期”。
这个问题听起来一点儿也不容易，但好歹是个不一样的问题，可能也开启了一系列新的答案。也许我们看到的宇宙只是比这还要大得多的多重宇宙的一部分，而这个多重宇宙完全不是从低熵状态开始的。我会证明，多重宇宙最合理的模型是，在多重宇宙中熵在增加是因为熵可以永远增加，没有一个熵最大的状态。额外好处是，多重宇宙在时间上完全可以是对称的：从中间某个熵很高的时刻开始，它可以向过去、向未来演化到熵更高的状态。我们看到的宇宙只是沧海一粟，而我们从致密的大爆炸到无穷无尽的虚空的特别之旅，也只不过是更为广阔的多重宇宙追求熵增加的一小部分。
不过，这只是可能性之一。我在这里提出来，是作为宇宙学家需要考虑的设想之一——如果他们想认真看待由时间之箭带来的问题的话。但无论这个特别的想法有没有脱线，这些问题本身都有趣又有料。本书将有大量篇幅从不同角度审视这些问题：时间旅行、信息论，量子力学，永恒的本质。如果我们无法确定终极答案，那我们就理应以尽可能多的方式来提出这些问题。
总有人疑神疑鬼
并不是每一个人都认为，如果想要理解时间之箭，宇宙学应该扮演极为重要的角色。有一次，我在一所大学的物理系就这个话题在大量听众面前做了一次讲座。系里有位老教授觉得我讲的没有什么说服力，还用尽浑身解数让在座的每一个人都知道了他有多不爽。第二天，这位老教授给系里的教职员工发了一封公开信，还十分贴心地抄送给了我：
我希望他读一下这本书。本书包含了很多听起来很激动人心的言论，不过我会尽最大努力将这些言论仔细分成三种类型：（1）听起来有点石破天惊，但还是作为真理被普遍认可的现代物理学的显著特点；（2）理应但并未被大量活跃的物理学家广泛接受的重大声明，因为毫无疑问这些声明都是正确的；（3）超越当代科学界前沿、令人不安的猜测性想法。我们当然不会避免做出推测，但这些推测都会清晰标明。当所有该说的都说了、该做的也都做了，你就应该有了全副武装，可以自己来判断这个故事哪些部分是真的了。
时间这个话题涉及大量思想，有的来自日常生活，有的会让人想破脑袋。我们会审视热力学、量子力学、狭义和广义相对论、信息论、宇宙学、粒子物理，还有量子引力。本书第一部分可以看成是对这个辽阔疆域的闪电之旅——熵和时间之箭，宇宙的演化，及关于“时间”本身这个想法的不同概念。接下来我们会变得更系统化一点；第二部分中我们会深入思考时空和相对论，以及让时间倒流的可能性；第三部分中我们则会对熵进一步考察，从生命的演化到神秘的量子力学，在多重背景下探索其意义；本书第四部分我们会将这些都集中起来，直接面对熵在现代宇宙学家面前表现出的神秘：宇宙看起来应该是什么样子，这跟它现在真正看起来的样子相比又如何？我会在详细讨论这个问题的含义之后证明，这个宇宙看起来完全不是我们“应该”看到的样子——至少在我们看到的就是整个宇宙的情况下。如果我们的宇宙始于大爆炸，这个宇宙就需要有个细微调整过的边界条件，而我们对此还没有合理的解释。但如果观测到的宇宙只是更大的总体（多重宇宙）的一部分，那我们就得有能力解释，为什么这个总体的一小部分，见证了熵从时间的一头到另一头要有这样的巨变。
所有这些都是“虽千万人吾往矣”的大胆猜测，但值得认真对待。赌注很大——时间，空间，宇宙，全押上了——而我们这一路走来，无疑也有可能犯下天大的错误。即使我们的终极目标是回到地球解释厨房里发生的事情，让我们的想象力放飞一下，有时候也是有用的。