在人类的日常体验中，时间似乎有着明确的方向：它总是向前推进。未来对我们来说永远充满未知，而过去则被牢牢锁在身后，无法重新触及。然而，如果从物理学的角度来看，情况却显得有些奇怪。绝大多数基础物理定律似乎并不在意时间究竟朝哪个方向流动。从描述亚原子粒子运动的方程，到计算行星轨道的公式，这些规律在数学上几乎无法区分时间是向前还是向后演化。
这就带来了一个令人困惑的问题：如果自然规律本身不区分时间方向，那么我们所感受到的“时间之箭”究竟从何而来？
越来越多的物理学家开始认为，这个答案或许与引力有关。但若要解释这一点，可能需要对爱因斯坦建立的广义相对论框架进行某种程度的重构。在这种背景下，一种被称为“形状动力学”的新理论逐渐受到关注，有人甚至认为，它可能代表未来研究引力的一种全新路径。
在过去一个多世纪里，物理学家通常把时间箭头与“熵”联系在一起。熵是热力学中的一个核心概念，大致可以理解为系统无序程度的度量。根据热力学第二定律，在一个封闭系统中，熵总是倾向于增加，这意味着系统会从较为有序的状态逐渐走向更加混乱的状态。这个规律不仅适用于物理系统，也和人们的生活经验十分吻合——比如，把房间弄乱很容易，但要把它重新整理整齐却往往要花费不少精力。
不过，如果时间的方向完全由熵的增长决定，就会出现一个令人头疼的问题：宇宙在最初必须处于一个极端低熵、极度有序的状态，否则就无法解释为什么之后熵会持续上升。许多物理学家认为，这种假设显得有些勉强，因为按照目前对宇宙起源的主流理解，大爆炸本身应该是一种极其剧烈和混乱的事件，而不是一个高度有序的开端。
2014年，物理学家朱利安·巴伯博士与同事提出了一种颇具吸引力的思路，试图化解这一看似矛盾的局面。他们把注意力重新放回到引力上，但并不是传统意义上广义相对论中的引力。在爱因斯坦的理论里，物质和能量会让时空发生弯曲，而这种弯曲表现为引力效应。巴伯则尝试用一种不同的语言来描述这一切，即“形状动力学”。
在这种理论框架中，关注的重点不再是物体所处的时空结构，而是物体之间的相对关系。换句话说，宇宙的核心不再是统一的时空背景，而是各种物体之间不断变化的“形状关系”。在这一思想指导下，巴伯进行了一些简化模型的研究。他发现，如果从一组随机分布的粒子出发，让它们只通过相互之间的引力进行作用，那么在系统的演化过程中，时间方向会自然地显现出来。
在这些模型中，粒子之间的引力相互作用会逐渐形成更复杂的结构。随着系统演化，熵确实会增加，但在这一过程中，系统会先经历一个相对有序、低熵的阶段，然后才逐渐走向更加复杂的状态。整个过程似乎并不需要人为设定一个特殊的低熵起点，而是从粒子之间的引力动力学中自然地产生出一种“时间箭头”。换句话说，虽然引力本身并不区分时间的方向，但系统整体的演化却会自发形成一种单向发展的趋势。
当然，巴伯的模型本身非常理想化。他把宇宙想象成一群只通过引力相互作用的粒子集合，而现实宇宙显然要复杂得多。实际上，自然界中存在着多种粒子，它们不仅受到引力影响，还通过电磁力、强相互作用和弱相互作用这三种基本力彼此作用。因此，一个仅包含引力的简化模型距离真实宇宙仍然有很大差距。
自从这一想法在十多年前提出以来，学界对它既有兴趣也保持谨慎。许多物理学家承认，我们目前对时间流动以及它与熵之间关系的理解可能并不完整，但要让整个领域接受一种全新的解释框架仍然需要大量证据。因此，人们往往以一种带着怀疑的好奇心来看待这种理论：不断从不同角度检验它，看看它是否能够经受住科学的严格考验。
首先需要确认的是，形状动力学是否能够成为一个真正有效的物理理论。在科学研究中，提出新的数学框架并不困难，但关键在于它必须能够与现实宇宙的观测结果相符合。目前来看，形状动力学在很多方面与广义相对论是一致的，但两者之间也存在一些重要差别。例如，在某些涉及黑洞性质的问题上，这种理论会给出与传统理论不同的数学预测。
这些差异究竟意味着形状动力学更接近真实宇宙，还是表明它本身存在问题，目前仍然没有定论。相关研究仍在继续，不过不少学者认为这一方向至少值得进一步探索。
在确认理论基础之后，研究人员还尝试把这种思想扩展到更加接近真实宇宙的情境。近期的一些研究表明，形状动力学背后的核心理念——即物理相互作用本身就可能自然地产生时间箭头，而不完全依赖于熵的概念——或许也可以应用到亚原子层面的系统中。还有研究指出，在某些模型中，系统的整体演化甚至会呈现出类似于传统大爆炸宇宙学的行为。
不过到目前为止，还没有人能够利用形状动力学建立一个像广义相对论那样详细而完整的宇宙演化模型。相比之下，从事这一方向研究的科学家数量也不算多，因此短时间内取得突破性进展并不现实。
即便如此，这一理论依然颇具吸引力。它提出了一种不同的可能性：我们之所以会体验到时间的流动，也许并不是因为宇宙最初拥有某种特殊的低熵状态，而是因为在更深层的物理规律中，系统的相互作用本身就会自然地生成时间的方向。如果这一思路最终被证明成立，那么我们对时间本质的理解也许将迎来一次重要的改变。
本文译自：popularmechanics，由olaola编辑发布
封面图片：unsplash/Serafin Reyna