但是究竟熱力學(xué)時(shí)間箭頭為何必須存在呢？或換句話說(shuō)，在我們稱之為過(guò)去的時(shí)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(shí)間里處于完全無(wú)序的狀態(tài)呢？畢竟這似乎更為可能。還有，為何無(wú)序度增加的時(shí)間方向和宇宙膨脹的方向相同？

    在經(jīng)典廣義相對(duì)論中，因?yàn)樗幸阎目茖W(xué)定律在大爆炸奇點(diǎn)處崩潰，人們不能預(yù)言宇宙是如何開(kāi)始的。宇宙可以從一個(gè)非常光滑和有序的狀態(tài)開(kāi)始。這就會(huì)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(shí)間箭頭。

    但是，它也可以同樣合理地從一個(gè)非常波浪起伏的無(wú)序狀態(tài)開(kāi)始。在那種情況下，宇宙已經(jīng)處于一種完全無(wú)序的狀態(tài)，所以無(wú)序度不會(huì)隨時(shí)間增加。它要么保持常數(shù)，這時(shí)就沒(méi)有定義得很好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭；它要么會(huì)減小，這時(shí)熱力學(xué)時(shí)間箭頭就會(huì)和宇宙學(xué)時(shí)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(duì)論預(yù)言了它自身的崩潰。當(dāng)時(shí)空曲率變大時(shí)，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(kāi)始的。

    正如我們?cè)谏弦徽驴吹降?，在量子引力論中，為了指定宇宙的態(tài)，人們?nèi)匀槐仨氄f(shuō)清宇宙的可能歷史在過(guò)去的時(shí)空邊界是如何行為的。只有當(dāng)這些歷史滿足無(wú)邊界條件，人們才可能避免這個(gè)不得不描述我們不知道和無(wú)法知道的東西的困難：它們?cè)诔叨壬嫌邢?，但是沒(méi)有邊界、邊緣或奇點(diǎn)。在這種情形下，時(shí)間的開(kāi)端就會(huì)是規(guī)則的光滑的時(shí)空的點(diǎn)，并且宇宙在一個(gè)非常光滑和有序的狀態(tài)下開(kāi)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(wú)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(kāi)始時(shí)有一個(gè)指數(shù)膨脹或“暴脹”時(shí)期，在這期間它的尺度增加了一個(gè)非常大的倍數(shù)。在這個(gè)膨脹過(guò)程時(shí)，密度起伏起初一直很小，但是后來(lái)開(kāi)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(kāi)始時(shí)處于一個(gè)光滑有序的狀態(tài)，而隨時(shí)間演化成波浪起伏的無(wú)序的狀態(tài)。這就解釋了熱力學(xué)時(shí)間箭頭的存在。

    如果宇宙停止膨脹，并且開(kāi)始收縮，將會(huì)發(fā)生什么呢？

    熱力學(xué)箭頭會(huì)不會(huì)倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，而無(wú)序度開(kāi)始隨時(shí)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(mén)的類科學(xué)幻想的可能性。他們是否會(huì)看到杯子的碎片集合起來(lái)，離開(kāi)地板，并跳回到桌子上去呢？他們會(huì)不會(huì)記住明天的價(jià)格，并在股票市場(chǎng)上發(fā)財(cái)致富？由于宇宙至少要再等100億年之后才開(kāi)始收縮，憂慮那時(shí)會(huì)發(fā)生什么似乎有點(diǎn)學(xué)究氣。但是有一種更快的辦法去查明將來(lái)會(huì)發(fā)生什么：

    跳到黑洞里面去。恒星坍縮形成黑洞的過(guò)程和整個(gè)宇宙坍縮的后期相當(dāng)類似。這樣，如果在宇宙的收縮相無(wú)序度減小，可以預(yù)料它在黑洞里面也會(huì)減小。所以，一個(gè)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(pán)上球兒的走向而贏錢(qián)。（然而，不幸的是，玩不了多久，他就會(huì)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(qián)存入銀行，因?yàn)樗焕г诤诙吹氖录暯绾竺?。）起初，我相信在宇宙坍縮時(shí)無(wú)序度會(huì)減小。這是因?yàn)?，我認(rèn)為宇宙再次變小時(shí)，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(shí)間反演。處在收縮相的人們將以倒退的方式生活：他們?cè)诔錾凹匆阉廊?，并且隨著宇宙收縮變得更年輕。

    這個(gè)觀念是吸引人的，因?yàn)樗砻髟谂蛎浵嗪褪湛s相之間存在一個(gè)漂亮的對(duì)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(gè)觀念。問(wèn)題在于：無(wú)邊界條件是否隱含著這個(gè)對(duì)稱，或者它是否與這個(gè)條件不相協(xié)調(diào)？

    正如我說(shuō)過(guò)的，我起先以為無(wú)邊界條件確實(shí)意味著無(wú)序度會(huì)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(kāi)初對(duì)應(yīng)于北極，那么宇宙的終結(jié)就應(yīng)該類似于它的開(kāi)端，正如南極之與北極相似。然而，南北二極對(duì)應(yīng)于虛時(shí)間中的宇宙的開(kāi)端和終結(jié)。在實(shí)時(shí)間里的開(kāi)端和終結(jié)之間可有非常大的差異。

    我還被我做過(guò)的一項(xiàng)簡(jiǎn)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(shí)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(wú)邊界條件沒(méi)有要求收縮相必然是膨脹相的時(shí)間反演。我的一個(gè)學(xué)生雷蒙?拉夫勒蒙進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)稍復(fù)雜的模型中，宇宙的坍縮和膨脹非常不同。我意識(shí)到自己犯了一個(gè)錯(cuò)誤：無(wú)邊界條件意味著，事實(shí)上在收縮相時(shí)無(wú)序度繼續(xù)增加。當(dāng)宇宙開(kāi)始收縮時(shí)或在黑洞中，熱力學(xué)和心理學(xué)時(shí)間箭頭不會(huì)反向。

    當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己犯了像這樣的錯(cuò)誤后該如何辦？有些人從不承認(rèn)他們是錯(cuò)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(ài)丁頓在反對(duì)黑洞理論時(shí)之所為。另外一些人首先宣稱，從來(lái)沒(méi)有真正支持過(guò)不正確的觀點(diǎn)，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(lái)，如果你在出版物中承認(rèn)自己錯(cuò)了，那會(huì)好得多并少造成混亂。愛(ài)因斯坦即是一個(gè)好的榜樣，他在試圖建立一個(gè)靜態(tài)的宇宙模型時(shí)引入了宇宙常數(shù)，他稱此為一生中最大的錯(cuò)誤。

    回頭再說(shuō)時(shí)間箭頭，余下的問(wèn)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(wú)序度增加的時(shí)間方向正是宇宙膨脹的時(shí)間方向？如果人們相信，按照無(wú)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(gè)問(wèn)題。

    人們可以在弱人存原理的基礎(chǔ)上回答這個(gè)問(wèn)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(gè)問(wèn)題：為何無(wú)序度增加的時(shí)間方向和宇宙膨脹的時(shí)間方向相同？無(wú)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才不至于坍縮。到那時(shí)候所有的恒星都會(huì)燒盡，而在其中的質(zhì)子和中子可能會(huì)衰變成輕粒子和輻射。宇宙將處于幾乎完全無(wú)序的狀態(tài)，這時(shí)就不會(huì)有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間箭頭。由于宇宙已經(jīng)處于幾乎完全無(wú)序的狀態(tài)，無(wú)序度不會(huì)增加很多。然而，對(duì)于智慧生命的行動(dòng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)強(qiáng)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(wú)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(shí)間箭頭指向一致。并不是宇宙的膨脹導(dǎo)致無(wú)序度的增加，而是無(wú)邊界條件引起無(wú)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(jìn)和后退的時(shí)間方向。

    然而，至少存在三個(gè)時(shí)間箭頭，將過(guò)去和將來(lái)區(qū)分開(kāi)來(lái)。它們是熱力學(xué)箭頭，這就是無(wú)序度增加的時(shí)間方向；心理學(xué)箭頭，即是在這個(gè)時(shí)間方向上，我們能記住過(guò)去而不是將來(lái)；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(wú)邊界設(shè)想預(yù)言了存在定義得很好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭，因?yàn)橛钪姹仨殢墓饣挠行虻臓顟B(tài)開(kāi)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?yàn)樵谑湛s相那里沒(méi)有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間箭頭，所以不適合智慧生命的存在。

    人類理解宇宙的進(jìn)步，在一個(gè)無(wú)序度增加的宇宙中建立了一個(gè)很小的有序的角落。如果你記住了這本書(shū)中的每一個(gè)詞，你的記憶就記錄了大約200萬(wàn)單位的信息――你頭腦中的有序度就增加了大約200萬(wàn)單位。然而，當(dāng)你讀這本書(shū)時(shí)，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(duì)流和出汗釋放到你周圍空氣中的熱量的形式，換成為無(wú)序能量。這就將宇宙的無(wú)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(shū)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^(guò)的部分理論結(jié)合在一起，形成一個(gè)完備的統(tǒng)一理論，這個(gè)理論將適用于宇宙中的任何東西。