时间的另一个箭头

( 英国科学家亚瑟·爱丁顿 )

在绝大多数的物理定律中并不包含时间的箭头，也就是说，无论时间是从过去流向未来还是从未来到过去的反演，并没有任何区别，物理定律同样成立。可是为什么在生活中，时间从来不会倒流呢？为时间的流向加上一个箭头的是热力学第二定律，它描述一个孤立的系统总会单方向地趋向于热平衡状态，其总熵值会一直增大。

“熵”可以被理解为一个描述孤立系统混乱程度的量，熵值越大，系统的混乱程度，也就是热平衡程度就越高。一个孤立系统的熵值总是会逐渐增大，逐渐趋于一个热平衡的稳定态，这个单向的过程也就决定了时间箭头的方向——只能是从过去到未来，作为一个孤立系统的宇宙，它的总熵值会一直增大，最终会达到宇宙各处温度都相同的热平衡状态。

史蒂芬·霍金在他的畅销科普书《时间简史》中，用了一章的篇幅来论述时间的方向，并且总结出了三种不同的时间箭头：首先是心理学的时间箭头，人们只会记住过去而不是未来，并且可以由此感受到时间的流逝，人们也很容易凭借生活经验看出电影是正放还是倒放。其次是热力学规定的时间箭头，即热力学第二定律所描述的时间的方向性。还有宇宙学中的时间箭头，宇宙在一个高度有序的状态下创生，在宇宙大爆炸之后，整个宇宙处于加速膨胀的过程，混乱度逐渐增加。正如地球引力并非永远指向人们的脚下，而是指向地心，时间箭头的方向也一直指向宇宙扩张的方向。霍金随后总结出，这三个时间箭头具有相同的指向，并且具有相同的本质。

明确了时间箭头的方向性，多少可以令科学家们心安，但无论是对于时间箭头的热力学或是宇宙学解释，都是从宏观的角度出发。到了亚原子领域的微观世界，时间箭头再一次变得不清晰。一个围绕原子核旋转的电子，可以释放出一个光子然后跃迁到更低的能级，而这个过程完全也可以反过来，这个电子可以吸收一个光子之后跃迁到更高的能级，在这个过程中时间是对称的。在微观领域，各种粒子间发生相互作用，产生新的粒子，时间箭头似乎并不存在，微观粒子间的相互作用大多都是可逆的过程。

在宏观世界里存在明确的时间箭头，那么在微观世界必定也存在与宏观世界方向一致的时间箭头。寻找微观世界的时间箭头，起源于CPT对称定理。这个定理最初是由美国理论物理学家朱利安·施温格（Julian Schwinger）在1951年提出的，用来描述自旋与统计定理之间的联系。德国理论物理学家格哈特·吕德尔斯（Gerhart Luders）、奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）和爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）随后在1954年完善了这个理论。CPT对称定理描述，在量子理论和洛伦兹不变性正确的基础上，所有物理现象在电荷、宇称和时间这三个物理量上具有对称性。

( 美国物理学家瓦尔·菲奇 )

科学家们最初认为，物理现象对于这三个物理量都分别具有不言自明的对称性（电荷守恒，方向对称，时间对称）。在1956年，华裔理论物理学家杨振宁与李政道最先提出了宇称不守恒假说（他们因此在1957年获得诺贝尔物理奖），假说认为，宇称在电磁作用和强相互作用中守恒，但是在弱相互作用条件下并不守恒。也就是说，当翻转一个物理系统的坐标时（相当于取这个物理系统上下、左右、前后都相反的镜像），在弱相互作用中这个系统并不对称——如果把这个情况类比于宏观世界，就相当于一个人和他在镜子中的影像并不完全相同。1957年，华裔实验物理学家吴健雄与她的同事们通过钴60在磁场中的衰变实验验证了这个假说。

宇称守恒被破坏之后，科学家们随后寄希望于CP对称（电荷共轭宇称守恒），也就是说，当一个物理系统的宇称和电荷同时反转——这个系统取其自身的镜像，同时系统中的每一个粒子都变为其自身的反粒子，那么一切物理现象都保持不变。但是在1964年，美国物理学家詹姆斯·克罗宁（James Cronin）与瓦尔·菲奇（Val Fitch）发现了CP对称性被破坏的证据（他们因此在1980年获得诺贝尔物理奖）——物理系统并不具备CP对称性，很多科学家认为，正是因为这个原因，宇宙中的正物质才远远多于反物质。

( 美国物理学家詹姆斯·克罗宁 )

CPT对称定理最终把电荷、宇称和时间这三个物理量联系在一起，根据量子场论和洛伦兹不变性，科学家们得出结论，当一个物理系统的这三个物理量同时反转，所有物理现象将保持不变。同时，这个理论说明，当这三个物理量中某个（或某两个）物理量的对称性被破坏，其他物理量将通过自身对称性的破坏进行补偿，因此保持CPT整体的对称性。

根据这个理论，在微观领域中CP（电荷和宇称）的对称性被破坏，那么T（时间）自然也不具备对称性，这样才能保持CPT整体的对称性。时间在微观领域不对称，说明在微观领域同样存在一个时间箭头，但是科学家们观测到CP不对称，这只是微观领域存在时间箭头的间接证据，颠倒微观粒子相互作用的起始状态和最终状态，直接观察到微观领域时间的不对称性非常困难。

1998年，在欧洲核子中心（CERN）CPLEAR合作项目进行的实验中，科学家们在粒子加速器中将反质子和氢原子进行对撞，对撞产生出K介子和反K介子。K介子和反K介子都具有自发转变为自身反粒子的性质，但是科学家们观测到，其中反K介子转变的速度高于K介子，这说明这个转变并不可逆。也就是说，在微观世界中，时间的不对称性被直接观测到，这个结果在1998年10月发表于《物理快报B》（Physics Letters B）杂志上。但这个实验也遭到了一些批评：一些科学家认为，这个结果并不能清晰地区分CP对称性的破坏与T对称性的破坏；也有一些科学家认为，对于这个结果可以有不同的理解，因此这个观察结果并非是决定性的。

科学家们继续寻找更加清晰的时间箭头。2012年，BaBar合作项目分析在美国斯坦福大学的国家直线粒子加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）进行粒子对撞实验的数据，在分析了近10年内进行的数十亿个粒子碰撞试验的数据之后，BaBar合作项目的科学家们终于声明，他们以极高的确定度直接观测到了在微观领域的时间不对称性。

BaBar合作项目的科学家们分析了5亿对B介子和反B介子的行为，根据标准粒子模型的描述，这些粒子会自发地转变为自身的反粒子。但是大量的数据显示，B介子与反B介子相互转变的速度不同，这标志着在微观领域时间同样不可逆转，科学家们第一次明确地发现了微观世界的时间箭头。一篇论述这个实验结果的包括370个作者、77家研究机构的论文《B介子系统中时间反演破坏的观测》（Observation of Time-Reversal Violation in the B Meson System）在2012年11月发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

科学家们终于找到了寻求已久的微观世界的时间箭头，与宏观世界一样，这个箭头也指向了未知的未来。除了物理学上的意义，这个发现也许更能让人们理解时间的流逝并非幻觉。如同河流流淌，时间在这个世界留下痕迹之后终将一去不复返。（文 / 苗千） 科学一个科普时间箭头