?我們?cè)谇皫渍轮锌吹搅?，長期以來人們關(guān)于時(shí)間性*質(zhì)的觀點(diǎn)是如何變化的。直到本世紀(jì)初，人們還相信絕對(duì)時(shí)間。也就是說，每一事件可由一個(gè)稱為“時(shí)間”的數(shù)以唯一的方式來標(biāo)記，所有好的鐘在測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間間隔上都是一致的。然而，對(duì)于任何正在運(yùn)動(dòng)的觀察者光速總是一樣的這一發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了相對(duì)論；而在相對(duì)論中，人們必須拋棄存在一個(gè)唯一的絕對(duì)時(shí)間的觀念。代之以每個(gè)觀察者攜帶的鐘所記錄的他自己的時(shí)間測(cè)量——不同觀察者攜帶的鐘不必要讀數(shù)一樣。這樣，對(duì)于進(jìn)行測(cè)量的觀察者而言，時(shí)間變成一個(gè)更主觀的概念。

當(dāng)人們?cè)噲D統(tǒng)一引力和量子力學(xué)時(shí)，必須引入“虛” 時(shí)間的概念。虛時(shí)間是不能和空間方向區(qū)分的。如果一個(gè)人能往北走，他就能轉(zhuǎn)過頭并朝南走；同樣的，如果一個(gè)人能在虛時(shí)間里向前走，他應(yīng)該能夠轉(zhuǎn)過來并往后走。這表明在虛時(shí)間里，往前和往后之間不可能有重要的差別。另一方面，當(dāng)人們考察“實(shí)”時(shí)間時(shí)，正如眾所周知的，在前進(jìn)和后退方向存在有非常巨大的差別。這過去和將來之間的差別從何而來？為何我們記住過去而不是將來？

科學(xué)定律并不區(qū)別過去和將來。更精確地講，正如前面所解釋的，科學(xué)定律在稱作Ｃ、Ｐ和Ｔ的聯(lián)合作用（或?qū)ΨQ）下不變。（Ｃ是指將反粒子來替代粒子；Ｐ的意思是取鏡象，這樣左和右就互相交換了；Ｔ是指顛倒所有粒子的運(yùn)動(dòng)方向，也就是使運(yùn)動(dòng)倒退回去。）在所有正常情形下，制約物體行為的科學(xué)定律在ＣＰ聯(lián)合對(duì)稱下不變。換言之，對(duì)于其他行星上的居民，若他們是我們的鏡像并且由反物質(zhì)而不是物質(zhì)構(gòu)成，則生活會(huì)剛好是同樣的。

如果科學(xué)定律在ＣＰ聯(lián)合對(duì)稱以及ＣＰＴ聯(lián)合對(duì)稱下都不變，它們也必須在單獨(dú)的Ｔ對(duì)稱下不變。然而，在日常生活的實(shí)時(shí)間中，前進(jìn)和后退的方向之間還是有一個(gè)大的差異。想像一杯水從桌子上滑落到地板上被打碎。如果你將其錄像，你可以容易地辨別出它是向前進(jìn)還是向后退。如果將其倒回來，你會(huì)看到碎片忽然集中到一起離開地板，并跳回到桌子上形成一個(gè)完整的杯子。你可斷定錄像是在倒放，因?yàn)檫@種行為在日常生活中從未見過。如果這樣的事發(fā)生，陶瓷業(yè)將無生意可做。

為何我們從未看到碎杯子集合起來，離開地面并跳回到桌子上，通常的解釋是這違背了熱力學(xué)第二定律所表述的在任何閉合系統(tǒng)中無序度或熵總是隨時(shí)間而增加。換言之，它是穆菲定律的一種形式：事情總是趨向于越變?cè)皆悖鹤烂嫔弦粋€(gè)完整的杯子是一個(gè)高度有序的狀態(tài)，而地板上破碎的杯子是一個(gè)無序的狀態(tài)。人們很容易從早先桌子上的杯子變成后來地面上的碎杯子，而不是相反。

無序度或熵隨著時(shí)間增加是一個(gè)所謂的時(shí)間箭頭的例子。時(shí)間箭頭將過去和將來區(qū)別開來，使時(shí)間有了方向。至少有三種不同的時(shí)間箭頭：第一個(gè)，是熱力學(xué)時(shí)間箭頭，即是在這個(gè)時(shí)間方向上無序度或熵增加；然后是心理學(xué)時(shí)間箭頭，這就是我們感覺時(shí)間流逝的方向，在這個(gè)方向上我們可以記憶過去而不是未來；最后，是宇宙學(xué)時(shí)間箭頭，在這個(gè)方向上宇宙在膨脹，而不是收縮。

我將在這一章論斷，宇宙的無邊界條件和弱人擇原理一起能解釋為何所有的三個(gè)箭頭指向同一方向。此外，為何必須存在一個(gè)定義得很好的時(shí)間箭頭。我將論證心理學(xué)箭頭是由熱力學(xué)箭頭所決定，并且這兩種箭頭必須總是指向相同的方向。如果人們假定宇宙的無邊界條件，我們將看到必然會(huì)有定義得很好的熱力學(xué)和宇宙學(xué)時(shí)間箭頭。但對(duì)于宇宙的整個(gè)歷史來說，它們并不總是指向同一方向。然而，我將指出，只有當(dāng)它們指向一致時(shí)，對(duì)于能夠發(fā)問為何無序度在宇宙膨脹的時(shí)間方向上增加的智力生命的發(fā)展，才有合適的條件。

首先，我要討論熱力學(xué)時(shí)間箭頭?？偞嬖谥扔行驙顟B(tài)更多得多的無序狀態(tài)的這一事實(shí)，是使熱力學(xué)第二定律存在的原因。譬如，考慮一盒拼板玩具，存在一個(gè)并且只有一個(gè)使這些小紙片拼成一幅完整圖畫的排列。另一方面，存在巨大數(shù)量的排列，這時(shí)小紙片是無序的，不能拼成一幅畫。

假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)從這少數(shù)的有序狀態(tài)之中的一個(gè)出發(fā)。隨著時(shí)間流逝，這個(gè)系統(tǒng)將按照科學(xué)定律演化，而且它的狀態(tài)將改變。到后來，因?yàn)榇嬖谥嗟臒o序狀態(tài)，它處于無序狀態(tài)的可能性*比處于有序狀態(tài)的可能性*更大。這樣，如果一個(gè)系統(tǒng)服從一個(gè)高度有序的初始條件，無序度會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大。

假定拼板玩具盒的紙片從能排成一幅圖畫的有序組合開始，如果你搖動(dòng)這盒子，這些紙片將會(huì)采用其他組合，這可能是一個(gè)不能形成一幅合適圖畫的無序的組合，就是因?yàn)榇嬖谌绱酥嗟枚嗟臒o序的組合。有一些紙片團(tuán)仍可能形成部份圖畫，但是你越搖動(dòng)盒子，這些團(tuán)就越可能被分開，這些紙片將處于完全混亂的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下它們不能形成任何種類的圖畫。這樣，如果紙片從一個(gè)高度有序的狀態(tài)的初始條件出發(fā)，紙片的無序度將可能隨時(shí)間而增加。

然而，假定上帝決定不管宇宙從何狀態(tài)開始，它都必須結(jié)束于一個(gè)高度有序的狀態(tài)，則在早期這宇宙有可能處于無序的狀態(tài)。這意味著無序度將隨時(shí)間而減小。你將會(huì)看到破碎的杯子集合起來并跳回到桌子上。然而，任何觀察杯子的人都生活在無序度隨時(shí)間減小的宇宙中，我將論斷這樣的人會(huì)有一個(gè)倒溯的心理學(xué)時(shí)間箭頭。這就是說，他們會(huì)記住將來的事件，而不是過去的事件。當(dāng)杯子被打碎時(shí)，他們會(huì)記住它在桌子上的情形；但是當(dāng)它是在桌子上時(shí)，他們不會(huì)記住它在地面上的情景。

由于我們不知道大腦工作的細(xì)節(jié)，所以討論人類的記憶是相當(dāng)困難的。然而，我們確實(shí)知道計(jì)算機(jī)的記憶器是如何工作的。所以，我將討論計(jì)算機(jī)的心理學(xué)時(shí)間箭頭。我認(rèn)為，假定計(jì)算機(jī)和人類有相同的箭頭是合理的。如果不是這樣，人們可能因?yàn)閾碛幸慌_(tái)記住明年價(jià)格的計(jì)算機(jī)而使股票交易所垮臺(tái)。

大體來說，計(jì)算機(jī)的記憶器是一個(gè)包含可存在于兩種狀態(tài)中的任一種狀態(tài)的元件的設(shè)備，算盤是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。其最簡(jiǎn)單的形式是由許多鐵條組成；每一根鐵條上有一念珠，此念珠可呆在兩個(gè)位置之中的一個(gè)。在計(jì)算機(jī)記憶器進(jìn)行存儲(chǔ)之前，其記憶器處于無序態(tài)，念珠等幾率地處于兩個(gè)可能的狀態(tài)中。（算盤珠雜亂無章地散布在算盤的鐵條上）。在記憶器和所要記憶的系統(tǒng)相互作用后，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，它肯定處于這種或那種狀態(tài)（每個(gè)算盤珠將位于鐵條的左邊或右邊。）這樣，記憶器就從無序態(tài)轉(zhuǎn)變成有序態(tài)。然而，為了保證記憶器處于正確的狀態(tài)，需要使用一定的能量（例如，移動(dòng)算盤珠或給計(jì)算機(jī)接通電源）。這能量以熱的形式耗散了，從而增加了宇宙的無序度的量。人們可以證明，這個(gè)無序度增量總比記憶器本身有序度的增量大。這樣，由計(jì)算機(jī)冷卻風(fēng)扇排出的熱量表明計(jì)算機(jī)將一個(gè)項(xiàng)目記錄在它的記憶器中時(shí)，宇宙的無序度的總量仍然增加。計(jì)算機(jī)記憶過去的時(shí)間方向和無序度增加的方向是一致的。

所以，我們對(duì)時(shí)間方向的主觀感覺或心理學(xué)時(shí)間箭頭，是在我們頭腦中由熱力學(xué)時(shí)間箭頭所決定的。正像一個(gè)計(jì)算機(jī)，我們必須在熵增加的順序上將事物記住。這幾乎使熱力學(xué)定律變成為無聊的東西。無序度隨時(shí)間的增加乃是因?yàn)槲覀兪窃跓o序度增加的方向上測(cè)量時(shí)間。拿這一點(diǎn)來打賭，準(zhǔn)保你會(huì)贏。

但是究竟為何必須存在熱力學(xué)時(shí)間箭頭？或換句話說，在我們稱之為過去時(shí)間的一端，為何宇宙處于高度有序的狀態(tài)？為何它不在所有時(shí)間里處于完全無序的狀態(tài)？畢竟這似乎更為可能。并且為何無序度增加的時(shí)間方向和宇宙膨脹的方向相同？

在經(jīng)典廣義相對(duì)論中，因?yàn)樗幸阎目茖W(xué)定律在大爆炸奇點(diǎn)處失效，人們不能預(yù)言宇宙是如何開始的。宇宙可以從一個(gè)非常光滑和有序的狀態(tài)開始。這就會(huì)導(dǎo)致正如我們所觀察到的、定義很好的熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間箭頭。但是，它可以同樣合理地從一個(gè)非常波浪起伏的無序狀態(tài)開始。在那種情況下，宇宙已經(jīng)處于一種完全無序的狀態(tài)，所以無序度不會(huì)隨時(shí)間而增加?；蛘咚３殖?shù)，這時(shí)就沒有定義很好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭；或者它會(huì)減小，這時(shí)熱力學(xué)時(shí)間箭頭就會(huì)和宇宙學(xué)時(shí)間箭頭相反向。任何這些可能性*都不符合我們所觀察到的情況。然而，正如我們看到的，經(jīng)典廣義相對(duì)論預(yù)言了它自身的崩潰。當(dāng)空間－時(shí)間曲率變大，量子引力效應(yīng)變得重要，并且經(jīng)典理論不再能很好地描述宇宙時(shí)，人們必須用量子引力論去理解宇宙是如何開始的。

正如我們?cè)谏弦徽驴吹降?，在量子引力論中，為了指定宇宙的態(tài)，人們?nèi)匀槐仨氄f清在過去的空間－時(shí)間的邊界的宇宙的可能歷史是如何行為的。只有如果這些歷史滿足無邊界條件，人們才可能避免這個(gè)不得不描述我們不知道和無法知道的東西的困難：它們?cè)诔叨壬嫌邢?，但是沒有邊界、邊緣或奇點(diǎn)。在這種情形下，時(shí)間的開端就會(huì)是規(guī)則的、光滑的空間－時(shí)間的點(diǎn)，并且宇宙在一個(gè)非常光滑和有序的狀態(tài)下開始它的膨脹。它不可能是完全均勻的，否則就違反了量子理論不確定性*原理。必然存在密度和粒子速度的小起伏，然而無邊界條件意味著，這些起伏又是在與不確定性*原理相一致的條件下盡可能的小。

宇宙剛開始時(shí)有一個(gè)指數(shù)或“暴漲”的時(shí)期，在這期間它的尺度增加了一個(gè)非常大的倍數(shù)。在膨脹時(shí)，密度起伏一開始一直很小，但是后來開始變大。在密度比平均值稍大的區(qū)域，額外質(zhì)量的引力吸引使膨脹速度放慢。最終，這樣的區(qū)域停止膨脹，并坍縮形成星系、恒星以及我們這樣的人類。宇宙開始時(shí)處于一個(gè)光滑有序的狀態(tài)，隨時(shí)間演化成波浪起伏的無序的狀態(tài)。這就解釋了熱力學(xué)時(shí)間箭頭的存在。

如果宇宙停止膨脹并開始收縮將會(huì)發(fā)生什么呢？熱力學(xué)箭頭會(huì)不會(huì)倒轉(zhuǎn)過來，而無序度開始隨時(shí)間減少呢？這為從膨脹相存活到收縮相的人們留下了五花八門的科學(xué)幻想的可能性*。他們是否會(huì)看到杯子的碎片集合起來離開地板跳回到桌子上去？他們會(huì)不會(huì)記住明天的價(jià)格，并在股票市場(chǎng)上發(fā)財(cái)致富？由于宇宙至少要再等一百億年之后才開始收縮，憂慮那時(shí)會(huì)發(fā)生什么似乎有點(diǎn)學(xué)究氣。但是有一種更快的辦法去查明將來會(huì)發(fā)生什么，即跳到黑洞里面去。恒星坍縮形成黑洞的過程和整個(gè)宇宙的坍縮的后期相當(dāng)類似；這樣，如果在宇宙的收縮相無序度減小，可以預(yù)料它在黑洞里面也會(huì)減小。所以，一個(gè)落到黑洞里去的航天員能在投賭金之前，也許能依靠記住輪賭盤上球兒的走向而贏錢。（然而，不幸的是，玩不了多久，他就會(huì)變成意大利面條。他也不能使我們知道熱力學(xué)箭頭的顛倒，或者甚至將他的贏錢存入銀行，因?yàn)樗焕г诤诙吹氖录暯绾竺妗＃?br/>
起初，我相信在宇宙坍縮時(shí)無序度會(huì)減小。這是因?yàn)?，我認(rèn)為宇宙再變小時(shí)，它必須回到光滑和有序的狀態(tài)。這表明，收縮相僅僅是膨脹相的時(shí)間反演。處在收縮相的人們將以倒退的方式生活：他們?cè)诔錾凹匆阉廊ィ⑶译S著宇宙收縮變得更年輕。

這個(gè)觀念是吸引人的，因?yàn)樗砻髟谂蛎浵嗪褪湛s相之間存在一個(gè)漂亮的對(duì)稱。然而，人們不能置其他有關(guān)宇宙的觀念于不顧，而只采用這個(gè)觀念。問題在于：它是否由無邊界條件所隱含或它是否與這個(gè)條件不相協(xié)調(diào)？正如我說過的，我起先以為無邊界條件確實(shí)意味著無序度會(huì)在收縮相中減小。我之所以被誤導(dǎo)，部分是由于與地球表面的類比引起的。如果人們將宇宙的開初對(duì)應(yīng)于北極，那么宇宙的終結(jié)就應(yīng)該類似于它的開端，正如南極之與北極相似。然而，北南二極對(duì)應(yīng)于虛時(shí)間中的宇宙的開端和終結(jié)。在實(shí)時(shí)間里的開端和終結(jié)之間可有非常大的差異。我還被我作過的一項(xiàng)簡(jiǎn)單的宇宙模型的研究所誤導(dǎo)，在此模型中坍縮相似乎是膨脹相的時(shí)間反演。然而，我的一位同事，賓夕凡尼亞州立大學(xué)的當(dāng)·佩奇指出，無邊界條件沒有要求收縮相必須是膨脹相的時(shí)間反演。我的一個(gè)學(xué)生雷蒙·拉夫勒蒙進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)稍復(fù)雜的模型中，宇宙的坍縮和膨脹非常不同。我意識(shí)到自己犯了一個(gè)錯(cuò)誤：無邊界條件意味著事實(shí)上在收縮相時(shí)無序度繼續(xù)增加。當(dāng)宇宙開始收縮時(shí)或在黑洞中熱力學(xué)和心理學(xué)時(shí)間箭頭不會(huì)反向。

當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己犯了這樣的錯(cuò)誤后該如何辦？有些人從不承認(rèn)他們是錯(cuò)誤的，而繼續(xù)去找新的往往互相不協(xié)調(diào)的論據(jù)為自己辯解—— 正如愛丁頓在反對(duì)黑洞理論時(shí)之所為。另外一些人首先宣稱，從來沒有真正支持過不正確的觀點(diǎn)，如果他們支持了，也只是為了顯示它是不協(xié)調(diào)的。在我看來，如果你在出版物中承認(rèn)自己錯(cuò)了，那會(huì)好得多并少造成混亂。愛因斯坦即是一個(gè)好的榜樣，他在企圖建立一個(gè)靜態(tài)的宇宙模型時(shí)引入了宇宙常數(shù)，他稱此為一生中最大的錯(cuò)誤。

回頭再說時(shí)間箭頭，余下的問題是；為何我們觀察到熱力學(xué)和宇宙學(xué)箭頭指向同一方向？或換言之，為何無序度增加的時(shí)間方向正是宇宙膨脹的時(shí)間方向？如果人們相信，按照無邊界假設(shè)似乎所隱含的那樣，宇宙先膨脹然后重新收縮，那么為何我們應(yīng)在膨脹相中而不是在收縮相中，這就成為一個(gè)問題。

人們可以在弱人擇原理的基礎(chǔ)上回答這個(gè)問題。收縮相的條件不適合于智慧人類的存在，而正是他們能夠提出為何無序度增加的時(shí)間方向和宇宙膨脹的時(shí)間方向相同的問題。無邊界假設(shè)預(yù)言的宇宙在早期階段的暴漲意味著，宇宙必須以非常接近為避免坍縮所需要的臨界速率膨脹，這樣它在很長的時(shí)間內(nèi)才不至坍縮。到那時(shí)候所有的恒星都會(huì)燒盡，而在其中的質(zhì)子和中子可能會(huì)衰變成輕粒子和輻射。宇宙將處于幾乎完全無序的狀態(tài)，這時(shí)就不會(huì)有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間箭頭。由于宇宙已經(jīng)處于幾乎完全無序的狀態(tài)，無序度不會(huì)增加很多。然而，對(duì)于智慧生命的行為來說，一個(gè)強(qiáng)的熱力學(xué)箭頭是必需的。為了生存下去，人類必須消耗能量的一種有序形式—— 食物，并將其轉(zhuǎn)化成能量的一種無序形式——熱量，所以智慧生命不能在宇宙的收縮相中存在。這就解釋了，為何我們觀察到熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間箭頭指向一致。并不是宇宙的膨脹導(dǎo)致無序度的增加，而是無邊界條件引起無序度的增加，并且只有在膨脹相中才有適合智慧生命的條件。

總之，科學(xué)定律并不能區(qū)分前進(jìn)和后退的時(shí)間方向。然而，至少存在有三個(gè)時(shí)間箭頭將過去和將來區(qū)分開來。它們是熱力學(xué)箭頭，這就是無序度增加的時(shí)間方向；心理學(xué)箭頭，即是在這個(gè)時(shí)間方向上，我們能記住過去而不是將來；還有宇宙學(xué)箭頭，也即宇宙膨脹而不是收縮的方向。我指出了心理學(xué)箭頭本質(zhì)上應(yīng)和熱力學(xué)箭頭相同。宇宙的無邊界假設(shè)預(yù)言了定義得很好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭，因?yàn)橛钪姹仨殢墓饣?、有序的狀態(tài)開始。并且我們看到，熱力學(xué)箭頭和宇宙學(xué)箭頭的一致，乃是由于智慧生命只能在膨脹相中存在。收縮相是不適合于它的存在的，因?yàn)槟莾簺]有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間箭頭。

人類理解宇宙的進(jìn)步，是在一個(gè)無序度增加的宇宙中建立了一個(gè)很小的有序的角落。如果你記住了這本書中的每一個(gè)詞，你的記憶就記錄了大約200 萬單位的信息——你頭腦中的有序度就增加了大約200萬單位。然而，當(dāng)你讀這本書時(shí)，你至少將以食物為形式的１千卡路里的有序能量，轉(zhuǎn)換成為以對(duì)流和汗釋放到你周圍空氣中的熱量的形式的無序能量。這就將宇宙的無序度增大了大約20億億億單位，或大約是你頭腦中有序度增量——那是如果你記住這本書的每一件事的話——的１千億億倍。我試圖在下一章更增加一些我們頭腦的有序度，解釋人們?nèi)绾螌⑽颐枋鲞^的部分理論結(jié)合一起，形成一個(gè)完整的統(tǒng)一理論，這個(gè)理論將適用于宇宙中的任何東西。