閱讀時長:5分鐘 | 先說結論,免得標題把人帶偏了。科學家并沒有發現一個可以讓人回到昨天的地方,所謂“時間倒流”,更準確的說,是一個關于時間箭頭的物理問題:在某些極端引力環境的數學模型里,描述引力熵變化方向的量,竟然和我們熟悉的熱力學時間方向相反。
這話聽起來繞,換成日常一點的說法就是:平時我們判斷時間往前走,很大程度上依賴一個經驗——東西會從有序變得更混亂。熱咖啡會冷掉,玻璃杯會摔碎,房間不收拾就會亂。你沒見過一地碎玻璃自己跳回桌上,拼成完整杯,也沒見過牙膏自己乖乖縮回管里。
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這就是熱力學第二定律給我們的直覺:孤立系統的熵傾向于增加。熵這個詞有點抽象,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。
普通熱運動喜歡把東西攪散,引力卻喜歡把東西往一起拽。星云會收縮,恒星會誕生,星系會聚集,黑洞會把物質吞進去。你看,換到宇宙尺度上,越來越亂未必總是像廚房變臟那樣表現出來。有時候,引力制造的結構反而越來越緊、越來越集中。
這次研究的有趣之處,就在這里。
研究團隊把目光放到一種極端天體上:正在坍縮的不穩定中子星。他們不是去望遠鏡里直接看“時間倒流”,這事目前也看不了,而是建立了一個相對論模型,研究坍縮過程中若干描述時空曲率與結構的標量如何變化。
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結果呢?
隨著坍縮推進,這些與引力時間箭頭相關的量呈現出持續下降的趨勢。按照研究者的解釋,這意味著:在這個模型里,引力時間箭頭與熱力學時間箭頭指向相反。
它不是說中子星內部有一臺宇宙級倒放機,更不是說那里真的存在可以讓人返老還童的時間隧道。它說的是,在某種數學定義下,引力熵的方向和我們日常熟悉的熵增方向發生了沖突。
中子星是一個好惹的地方。
它通常是大質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,但質量卻能接近甚至超過太陽。
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這是什么概念?
如果你真能從中子星上挖一勺物質拿回地球,那一勺東西可能重到難以想象。別說拿勺子舀了,勺子還沒靠近,大概已經沒有勺子這個概念了。
更麻煩的是它的引力。中子星表面附近的重力場極端強大,時空被壓彎到人類日常經驗完全失效的程度。它常常還會高速自轉,如果磁場和輻射束掃過地球,我們就會看到規律的脈沖信號,這類中子星也被叫作脈沖星。蟹狀星云中心的蟹狀脈沖星,就是一個經典例子:一顆恒星爆炸后的殘骸,像宇宙里的燈塔一樣旋轉、閃爍。
所以,把“時間箭頭”問題放進中子星坍縮里,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,太陽表面也不夠。你得去這種幾乎把物質壓到極限的地方。
不過,問題又來了:為什么引力會讓時間箭頭變得這么別扭?
我們平時說熵增加,常常想的是氣體擴散、熱量傳遞、東西打碎。它們有一個共同特點:物質和能量從集中狀態走向更分散、更不可逆的狀態。可引力系統很反直覺。引力會讓物質集中,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,很多宇宙結構都是這樣來的。
也就是說,熱力學熵和引力熵不是同一種直覺。
熱力學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,甚至一個黑洞。
一個要散,一個要聚。
這項研究說的,正是這種在極端坍縮模型里表現出來的矛盾:當普通熱力學箭頭仍然指向輻射外流、耗散增強的方向時,引力相關的函數卻給出相反的指示。研究者還特別指出,這并不意味著已經徹底解決了時間箭頭問題,反而說明某些引力熵定義在局部坍縮場景下可能會遇到麻煩。
這可能提示,相關引力熵方案不能簡單地在所有局部天體場景中使用;或者至少說,我們還沒完全弄清楚引力、熵、時空曲率和時間方向之間的關系。
直白點講,這不是給“穿越小說”提供了理論依據,而是物理學家發現了一個目前無法解答的新領域。
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