科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)“時(shí)間倒流”的地方

閱讀時(shí)長(zhǎng)：5分鐘 | 先說(shuō)結(jié)論，免得標(biāo)題把人帶偏了?？茖W(xué)家并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)可以讓人回到昨天的地方，所謂“時(shí)間倒流”，更準(zhǔn)確的說(shuō)，是一個(gè)關(guān)于時(shí)間箭頭的物理問(wèn)題：在某些極端引力環(huán)境的數(shù)學(xué)模型里，描述引力熵變化方向的量，竟然和我們熟悉的熱力學(xué)時(shí)間方向相反。

這話(huà)聽(tīng)起來(lái)繞，換成日常一點(diǎn)的說(shuō)法就是：平時(shí)我們判斷時(shí)間往前走，很大程度上依賴(lài)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)——東西會(huì)從有序變得更混亂。熱咖啡會(huì)冷掉，玻璃杯會(huì)摔碎，房間不收拾就會(huì)亂。你沒(méi)見(jiàn)過(guò)一地碎玻璃自己跳回桌上，拼成完整杯，也沒(méi)見(jiàn)過(guò)牙膏自己乖乖縮回管里。

這就是熱力學(xué)第二定律給我們的直覺(jué)：孤立系統(tǒng)的熵傾向于增加。熵這個(gè)詞有點(diǎn)抽象，但先把它粗略理解成混亂程度也夠用了。

麻煩在于，宇宙里有一種力量并不喜歡熵增，它就是引力。

普通熱運(yùn)動(dòng)喜歡把東西攪散，引力卻喜歡把東西往一起拽。星云會(huì)收縮，恒星會(huì)誕生，星系會(huì)聚集，黑洞會(huì)把物質(zhì)吞進(jìn)去。你看，換到宇宙尺度上，越來(lái)越亂未必總是像廚房變臟那樣表現(xiàn)出來(lái)。有時(shí)候，引力制造的結(jié)構(gòu)反而越來(lái)越緊、越來(lái)越集中。

這次研究的有趣之處，就在這里。

研究團(tuán)隊(duì)把目光放到一種極端天體上：正在坍縮的不穩(wěn)定中子星。他們不是去望遠(yuǎn)鏡里直接看“時(shí)間倒流”，這事目前也看不了，而是建立了一個(gè)相對(duì)論模型，研究坍縮過(guò)程中若干描述時(shí)空曲率與結(jié)構(gòu)的標(biāo)量如何變化。

結(jié)果呢？

隨著坍縮推進(jìn)，這些與引力時(shí)間箭頭相關(guān)的量呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)。按照研究者的解釋?zhuān)@意味著：在這個(gè)模型里，引力時(shí)間箭頭與熱力學(xué)時(shí)間箭頭指向相反。

它不是說(shuō)中子星內(nèi)部有一臺(tái)宇宙級(jí)倒放機(jī)，更不是說(shuō)那里真的存在可以讓人返老還童的時(shí)間隧道。它說(shuō)的是，在某種數(shù)學(xué)定義下，引力熵的方向和我們?nèi)粘Ｊ煜さ撵卦龇较虬l(fā)生了沖突。

中子星是一個(gè)好惹的地方。

它通常是大質(zhì)量恒星死亡后留下的核心。恒星晚年燃料耗盡，核心撐不住自身重力，外層爆成超新星，剩下的核心被壓縮到極其恐怖的密度。一個(gè)典型中子星的直徑可能只有二三十公里，差不多一座城市大小，但質(zhì)量卻能接近甚至超過(guò)太陽(yáng)。

這是什么概念？

如果你真能從中子星上挖一勺物質(zhì)拿回地球，那一勺東西可能重到難以想象。別說(shuō)拿勺子舀了，勺子還沒(méi)靠近，大概已經(jīng)沒(méi)有勺子這個(gè)概念了。

更麻煩的是它的引力。中子星表面附近的重力場(chǎng)極端強(qiáng)大，時(shí)空被壓彎到人類(lèi)日常經(jīng)驗(yàn)完全失效的程度。它常常還會(huì)高速自轉(zhuǎn)，如果磁場(chǎng)和輻射束掃過(guò)地球，我們就會(huì)看到規(guī)律的脈沖信號(hào)，這類(lèi)中子星也被叫作脈沖星。蟹狀星云中心的蟹狀脈沖星，就是一個(gè)經(jīng)典例子：一顆恒星爆炸后的殘骸，像宇宙里的燈塔一樣旋轉(zhuǎn)、閃爍。

所以，把“時(shí)間箭頭”問(wèn)題放進(jìn)中子星坍縮里，某種意義上很合理。要找引力和熵之間最容易打架的地方，普通房間不行，太陽(yáng)表面也不夠。你得去這種幾乎把物質(zhì)壓到極限的地方。

不過(guò)，問(wèn)題又來(lái)了：為什么引力會(huì)讓時(shí)間箭頭變得這么別扭？

我們平時(shí)說(shuō)熵增加，常常想的是氣體擴(kuò)散、熱量傳遞、東西打碎。它們有一個(gè)共同特點(diǎn)：物質(zhì)和能量從集中狀態(tài)走向更分散、更不可逆的狀態(tài)?？梢ο到y(tǒng)很反直覺(jué)。引力會(huì)讓物質(zhì)集中，集中之后又可能釋放能量，釋放能量之后反而讓坍縮更深入。星系、恒星、黑洞，很多宇宙結(jié)構(gòu)都是這樣來(lái)的。

也就是說(shuō)，熱力學(xué)熵和引力熵不是同一種直覺(jué)。

熱力學(xué)那邊像是把一盒整齊的拼圖倒在地上。引力這邊卻像是把漫天灰塵越捏越緊，最后捏成一顆星，甚至一個(gè)黑洞。

一個(gè)要散，一個(gè)要聚。

這項(xiàng)研究說(shuō)的，正是這種在極端坍縮模型里表現(xiàn)出來(lái)的矛盾：當(dāng)普通熱力學(xué)箭頭仍然指向輻射外流、耗散增強(qiáng)的方向時(shí)，引力相關(guān)的函數(shù)卻給出相反的指示。研究者還特別指出，這并不意味著已經(jīng)徹底解決了時(shí)間箭頭問(wèn)題，反而說(shuō)明某些引力熵定義在局部坍縮場(chǎng)景下可能會(huì)遇到麻煩。

這可能提示，相關(guān)引力熵方案不能簡(jiǎn)單地在所有局部天體場(chǎng)景中使用；或者至少說(shuō)，我們還沒(méi)完全弄清楚引力、熵、時(shí)空曲率和時(shí)間方向之間的關(guān)系。

直白點(diǎn)講，這不是給“穿越小說(shuō)”提供了理論依據(jù)，而是物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)目前無(wú)法解答的新領(lǐng)域。