但是究竟熱力學(xué)時間箭頭為何必須存在呢？或換句話說，在我們稱之為過去的時間的一端，宇宙為何處于高度有序的狀態(tài)呢？它為何不在所有時間里處于完全無序的狀態(tài)呢？畢竟這似乎更為可能。還有，為何無序度增加的時間方向和宇宙膨脹的方向相同？

    在經(jīng)典廣義相對論中，因為所有已知的科學(xué)定律在大爆炸奇點處崩潰，人們不能預(yù)言宇宙是如何開始的。宇宙可以從一個非常光滑和有序的狀態(tài)開始。這就會導(dǎo)致正如我們觀察到的，定義很好的熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時間箭頭。

    但是，它也可以同樣合理地從一個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)，所以無序度不會隨時間增加。它要么保持常數(shù)，這時就沒有定義得很好的熱力學(xué)時間箭頭；它要么會減小，這時熱力學(xué)時間箭頭就會和宇宙學(xué)時間箭頭反向。這些可能性的任一種都不符合我們觀察到的情況。然而，正如我們看到的，經(jīng)典廣義相對論預(yù)言了它自身的崩潰。當(dāng)時空曲率變大時，量子引力效應(yīng)變得重要，而經(jīng)典理論不再能很好地描述宇宙。人們必須用量子引力論去理解宇宙是如何開始的。

    正如我們在上一章看到的，在量子引力論中，為了指定宇宙的態(tài)，人們?nèi)匀槐仨氄f清宇宙的可能歷史在過去的時空邊界是如何行為的。只有當(dāng)這些歷史滿足無邊界條件，人們才可能避免這個不得不描述我們不知道和無法知道的東西的困難：它們在尺度上有限，但是沒有邊界、邊緣或奇點。在這種情形下，時間的開端就會是規(guī)則的光滑的時空的點，并且宇宙在一個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的不確定性原理。必然存在粒子密度和速度的微小起伏，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。

    宇宙剛開始時有一個指數(shù)膨脹或“暴脹”時期，在這期間它的尺度增加了一個非常大的倍數(shù)。在這個膨脹過程時，密度起伏起初一直很小，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、恒星以及像我們這樣的生命。宇宙開始時處于一個光滑有序的狀態(tài)，而隨時間演化成波浪起伏的無序的狀態(tài)。這就解釋了熱力學(xué)時間箭頭的存在。

    如果宇宙停止膨脹，并且開始收縮，將會發(fā)生什么呢？

    熱力學(xué)箭頭會不會倒轉(zhuǎn)過來，而無序度開始隨時間減少呢？

    這為從膨脹相存活到收縮相的人們留下了五花八門的類科學(xué)幻想的可能性。他們是否會看到杯子的碎片集合起來，離開地板，并跳回到桌子上去呢？他們會不會記住明天的價格，并在股票市場上發(fā)財致富？由于宇宙至少要再等100億年之后才開始收縮，憂慮那時會發(fā)生什么似乎有點學(xué)究氣。但是有一種更快的辦法去查明將來會發(fā)生什么：

    跳到黑洞里面去。恒星坍縮形成黑洞的過程和整個宇宙坍縮的后期相當(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減小。所以，一個落到黑洞里去的航天員在下賭注之前，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，或者甚至將他贏的錢存入銀行，因為他被困在黑洞的事件視界后面。）起初，我相信在宇宙坍縮時無序度會減小。這是因為，我認(rèn)為宇宙再次變小時，它必須回到光滑和有序的狀態(tài)。

    這表明，收縮相就像是膨脹相的時間反演。處在收縮相的人們將以倒退的方式生活：他們在出生之前即已死去，并且隨著宇宙收縮變得更年輕。

    這個觀念是吸引人的，因為它表明在膨脹相和收縮相之間存在一個漂亮的對稱。然而，人們不能置有關(guān)宇宙的其他觀念于不顧，而只采用這個觀念。問題在于：無邊界條件是否隱含著這個對稱，或者它是否與這個條件不相協(xié)調(diào)？

    正如我說過的，我起先以為無邊界條件確實意味著無序度會在收縮相中減小。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，南北二極對應(yīng)于虛時間中的宇宙的開端和終結(jié)。在實時間里的開端和終結(jié)之間可有非常大的差異。

    我還被我做過的一項簡單的宇宙模型的研究誤導(dǎo)，在此模型中坍縮相似乎是膨脹相的時間反演。然而，我的一位合作者，賓夕法尼亞州立大學(xué)的唐?佩奇指出，無邊界條件沒有要求收縮相必然是膨脹相的時間反演。我的一個學(xué)生雷蒙?拉夫勒蒙進一步發(fā)現(xiàn)，在一個稍復(fù)雜的模型中，宇宙的坍縮和膨脹非常不同。我意識到自己犯了一個錯誤：無邊界條件意味著，事實上在收縮相時無序度繼續(xù)增加。當(dāng)宇宙開始收縮時或在黑洞中，熱力學(xué)和心理學(xué)時間箭頭不會反向。

    當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己犯了像這樣的錯誤后該如何辦？有些人從不承認(rèn)他們是錯誤的，而繼續(xù)去找新的往往相互不協(xié)調(diào)的論據(jù)為自己辯解――如愛丁頓在反對黑洞理論時之所為。另外一些人首先宣稱，從來沒有真正支持過不正確的觀點，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)自己錯了，那會好得多并少造成混亂。愛因斯坦即是一個好的榜樣，他在試圖建立一個靜態(tài)的宇宙模型時引入了宇宙常數(shù)，他稱此為一生中最大的錯誤。

    回頭再說時間箭頭，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？或者換言之，為何無序度增加的時間方向正是宇宙膨脹的時間方向？如果人們相信，按照無邊界設(shè)想似乎隱含的那樣，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，這就成為一個問題。

    人們可以在弱人存原理的基礎(chǔ)上回答這個問題。收縮相的條件不適合智慧人類的存在，而正是他們能夠提出這個問題：為何無序度增加的時間方向和宇宙膨脹的時間方向相同？無邊界設(shè)想預(yù)言的宇宙在早期階段的暴脹意味著，宇宙必須以非常接近為恰好避免坍縮所需要的臨界速率膨脹，這樣它在很長的時間內(nèi)才不至于坍縮。到那時候所有的恒星都會燒盡，而在其中的質(zhì)子和中子可能會衰變成輕粒子和輻射。宇宙將處于幾乎完全無序的狀態(tài)，這時就不會有強的熱力學(xué)時間箭頭。由于宇宙已經(jīng)處于幾乎完全無序的狀態(tài)，無序度不會增加很多。然而，對于智慧生命的行動來說，一個強的熱力學(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，這樣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)分前進和后退的時間方向。

    然而，至少存在三個時間箭頭，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間方向；心理學(xué)箭頭，即是在這個時間方向上，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。宇宙的無邊界設(shè)想預(yù)言了存在定義得很好的熱力學(xué)時間箭頭，因為宇宙必須從光滑的有序的狀態(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。因為在收縮相那里沒有強的熱力學(xué)時間箭頭，所以不適合智慧生命的存在。

    人類理解宇宙的進步，在一個無序度增加的宇宙中建立了一個很小的有序的角落。如果你記住了這本書中的每一個詞，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，你至少將以食物為形式的1千卡路里（1熱化學(xué)卡焦）的有序能量，以對流和出汗釋放到你周圍空氣中的熱量的形式，換成為無序能量。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1000億億倍。我試圖在下面各章再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)合在一起，形成一個完備的統(tǒng)一理論，這個理論將適用于宇宙中的任何東西。