《时间之箭》是2007年湖南科技出版社出版的图书，作者是（英）柯文尼。

Arrow of time 时间之箭，科学中最不可思议的事物之一就是区分过去和未来。在亚原子层次上，不论是经典力学的传统思想抑或量子力学的现代思想，都不能区别过去和未来。在涉及亚原子粒子的典型相互作用中，两个粒子可以会合到一起，并通过某种方式产生两个不同的粒子，后者随即又分开。物理学定律表明，几乎每种这样的相互作用都能同样有效地反过来运行，即“最后的”的两个粒子会合到一起并相互作用产生“最初的”两个粒子。在这一层次上，仅仅着眼于每对粒子是无法将过去与未来分开的。

但是在人能感知的层次上，过去和未来的区别是显而易见的。事物的变陈旧，人的变老。与粒子的相互作用相对应，我们可以想象一个在桌子边缘的酒杯，它摇摇晃晃坠落地面摔碎了。即使在酒杯摔碎时，酒杯内部原子之间每种相互作用按照已知物理定律是可以反转的，我们也永远看不到摔碎的杯子自己重新组装起来。如果让我们看两张静止照片，一张是桌子上的酒杯，另一张是地板上的玻璃碎块，我们也能毫无困难地指出，在时间上哪一张照片先拍，哪一张后拍。在我们考虑很多粒子的复杂关系时，存在着一个从过去指向未来的固有的时间之箭。

但是，区分指向未来的箭和向未来运动的箭是很重要的。这很像罗盘的指针，它指向北方，但根本不必向北方（或其他任何方向）运动。如果拍一部酒杯从桌子上坠落地面的电影，而不仅仅是在此“之前和之后”的两张照片；如果电影的个别画面割裂开来然后混在一起，我们也仍然能够把它们按正确顺序加以整理。不必真正放映电影，也能清楚区分过去和未来。

有些科学家（和哲学家）认为，我们关于时间流逝的印象不过是一种幻觉，因为我们的头脑审视我们亲身经历的事件，就像把电影放映在银幕上。潜在的事实，不论过去的还是未来的，可能仍然在那里，就像电影胶片的各个独立画面，即使我们的注意力不得不集中通过一个一个画面追随故事的连续。不管这是否真实（这是极具争议的问题），仍然真实的一点是，过去和未来可以用一个从过去指向未来的箭加以区别。

这种区别可以用数学来表示，热力学的基础是对我们从过去“运动”到未来的过程中事物变化方式的分析。关键是洞察到宇宙中的复杂程度总是在增加——酒杯破碎了，却不会自行聚合。物理学家用叫做熵的量来估量杂乱程度；物理学最基本的定律是，一个封闭系统的熵总是永远增加的（热力学第二定律）。

在一个有外部能量来源的开放系统中可以避开这条定律。第二定律似乎在地球上受到了破坏，因为生物在生长，人能够把一堆砖变成一种秩序得多的结构，如房屋。但所有者一切都依赖于能量的输入，去来源就是太阳。地球上的熵减少远小于与太阳内部的核聚变反应和太阳向空间辐射热量相联系的熵增加。整个宇宙的熵随时间的流逝而增加——也就是，同较低熵的宇宙状态相比，拥有较高熵的状态对应着未来方向。

同一个时间之箭以另一种方式表现在宇宙结构中。宇宙在膨胀（即红移），所以星系彼此分开越来越远。同星系靠得比较近的宇宙状态相比，星系分开比较远的状态就处在未来的方向。首要的时间之箭系大爆炸本身所规定——不管你在宇宙的何时何地，大爆炸总是在时间的过去方向。不知什么缘故，宇宙从大爆炸中浮现时，她的熵足够低，使得恒星、行星和人类得以形成；从那以后它就逐渐衰竭。热量不能从较冷的物体流向较热的物体（第二定律的另一种表述），所以明亮恒星的能量是单向流进冷的宇宙。当宇宙中所有恒星及其他能量来源停止提供热量，这个宇宙就将进入任何东西都不变化的温度均匀状态。宇宙将遭受“热寂”。

这突出了另一个考察时间之箭和熵概念的方法。一个封闭系统（或这个宇宙）中的能量是不会改变的——这是热力学第一定律。即使质量按照爱因斯坦公式E=mc^2转化为能量，但质量被认为是能量的一种储存形式，所以并没有创造“新”能量。于是，第二定律告诉我们的就是，封闭系统内的任一相互作用中的“有用”能量是减少的。

有用能量就是能够做功的能量。例如，当酒杯从桌子上跌落时，原则上可以将它与一个能够带动发电机的皮带轮系统连接，把下落酒杯的引力能转化为电能。但是，当杯子是自由下落是，这一潜在的有用引力能就转变为运动的能量（动能）。当杯子撞击地面而破碎时，杯子和地面的原子和分子将被激发而更快的振动，于是这一动能转化成热而浪费掉。最后，这一热能化为红外辐射，在空间耗散，永远不可能用来做有用的功。我们永远看不到从太空来的辐射能够使地面和杯子碎片的原子和分子恰如其分地摆动，把玻璃碎块结合成酒杯，并让它跳回到桌子上。就算我们能让下落的杯子带动发电机去做有用的功，一部分能量也将因摩擦生热而损失掉。任何能量转化过程都不是完全的，这就是为什么我们永远做不出永动机（比如用下落杯子发的电驱动一个马达将杯子重新提升到桌面上）。

但是我们仍然面对一个难题，就是当杯子掉下摔碎时，涉及一对原子或分子的每种相互作用原则上都是可以反转的。可实践中为什么从来不发生这样的情形呢？一种可能是，过程并非绝对不可能“反演”，只是必然反演的可能性微乎其微罢了。

将下落的酒杯放在一边，来考虑一个比较简单的系统——用隔板分成两半的箱子，隔板的一边有气体，另一边是真空。如果把隔板拿走，气体将扩散到充满整个箱子（随便说一下，气体扩散时将稍稍变冷——这是冰箱的工作原理）。不管你坐下来观察箱子多长时间，你永远别想看到气体的所有分子和原子返回到箱子的一半，而让另一半空着。然而箱子中任意两个粒子之间的每次碰撞原则上都是可以反转的。如果我们能挥动魔术棒将每个粒子的运动反转，气体就必定返回到它原来的地方。

19世纪时，法国物理学家亨利·潘加勒（Henri Poincare,1854-1912）证明，关闭在箱子中的这样一种“理想”气体最终必然通过热力学定律允许的所有可能的粒子排列。只要原子和分子来回蹦跳，它们迟早会采取任何允许的排列，包括全部气体仅仅占据一半箱子的排列。如果我们等待足够久，系统就将回到它的起始点，时间也就好像是反向流动了。

这里的关键是“足够久”，所有来自通过所有可能排列需要的时间叫做潘加勒周期，它与箱子中的粒子数量有关。即使小小一箱子气体也可能有1*10的二十二次方个个原子。如此多的原子要通过所有可能的排列，需要的时间将比宇宙年龄长得多。表示潘加勒周期典型值得数含有的零比全部已知星系的恒星加起来还要多，这就说明，你看到箱子中的气体按照某个特定方式排列或等到杯子跳回到桌面上的机会是多么的小。

所以，对世界为什么在微观尺度上可以反转而宏观上不能反转（为什么时间之箭只指着一个方向）这个难题的标准“答案”是，熵增加定律是一个统计定律；熵的减少并非完全被禁止，而是可能性极低。

这导致奥地利物理学家路德维格·波耳兹曼（Ludwig Boltzmann,1844-1906）——也是在19世纪——认为宇宙可能是一个巨大的统计怪物。设想一种热寂已经发生、一切事物都是均匀的场景，那么根据波耳兹曼对潘加勒工作的解释，宇宙一个部分中的所有粒子有时会偶然地正好走上能够产生恒星或大爆炸的正确道路。总之，在宇宙的这样一个区域中，时间暂时反向流动，从混乱中创造秩序。然后，这个低熵泡将在返回更可能的状态时“放松”。

这个思想没有得到当今宇宙学家的认真对待。虽然它与恒稳态假说中各种形式的模型有相似之处，却被大爆炸模型取代了；阿得雷德大学的保罗·戴维斯（Paul Davies）指出的，它仍然包含了洞察时间本质的极富魅力的见解。

如果时间之箭永远指向熵增加方向，在波耳兹曼泡增长时说时间“倒流”就没有意义。在令人感兴趣的宇宙区域中，一位智能观察者仍然能感受到指向高熵热寂状态的时间之箭。换言之，即使宇宙过去“真正”是坍缩而不是膨胀，是向奇点运动而不是离开它，像我们这样的智能观察者仍然能够领悟，“未来”是星系分开更远时的时间。

这并非单纯哲学上的吹毛求疵，因为大爆炸模型的若干变种认为，我们宇宙的膨胀将在某天停止，然后转为收缩。如果发生这种情况，时间本身会倒流吗？如果时间倒流，智能观察者能注意到吗？或者，在宇宙收缩时，他们仍将觉得是居住在膨胀宇宙中吗？也许，我们真是居住在一个收缩的宇宙中而一直没有察觉！

保罗·戴维斯著《奔逃的宇宙》；菲利普·狄克著《逆时钟世界》；伊利亚·普里果金和伊莎贝尔·斯坦格斯著《混乱中的秩序》。