时间箭头之谜何时解开？

自然界中一切自发的宏观热过程都是不可逆的，热总是自发地从高温物体传到低温物体，物质总是自发地由密度大的地方向密度低的地方扩散。要发生相反的过程，则必须有外界的作用。然而描述组成宏观体系的个别粒子的牛顿运动方程却是对时间完全对称的，如果把时间反演（即把t换成－t），则牛顿运动方程形式不变。换言之，描述个别粒子的运动方程是可逆的，而由这些个别粒子组成的宏观体系却表现出不可逆性，这就是著名的“可逆佯谬”。

这种可逆佯谬不仅在热力学中存在，而且在电磁学中也存在，描述电磁场运动的麦克斯韦方程是完全可逆的，然而在日常生活中所遇到的电磁现象却都是不可逆的。例如，从电台中发出的无线电波总要推迟一段时间才能到达我们这里，而从来不会发生在电台讯号还未发出之前就有人收到了无线电波，但这在理论上却是完全允许的，为什么可逆的麦克斯韦方程偏偏要选择不可逆的推迟解呢？

不仅宏观现象中存在着不可逆性，连微观过程也存在可逆佯谬。例如，原子总是自发地从高能级跃迁到低能级并释放出光子，就像水总是自发地从高处下落到低处并释放能量一样，要发生相反过程，必须吸收外界能量。然而，描写微观粒子运动的薛定谔方程却是可逆的，为什么没有时间箭头的薛定谔方程必须选择有方向的量子力学箭头解呢？为了解决热力学中的可逆佯谬，玻尔兹曼曾试图用几率来解释不可逆性。他认为，热从低温物体自发地向高温物体传播是可能的，只是可能性极小，可以忽略。但这一解释并未能很好地说明时间箭头之谜。20世纪初，厄仑菲斯特等人证明：一个包括大量粒子但有限而又孤立的系统在时间的演化上是完全对称的。于是就出现了著名的“再现佯谬”。即：一方面，描写热现象的吉布斯统计是建立在近似的时间对称的假定上的；另一方面，吉布斯统计却是有时间箭头的。这就不能不令人提出：我们到底在理论的什么地方引进了时间箭头？

为什么可逆方程偏要选择有时间箭头的不可逆解？不可逆性究竟从何而来？各种不可逆性之间究竟存在着什么联系？时间箭头之谜成为20世纪物理学的四大难题之一。

一种看法认为，不可逆性来源于宇宙，1967年，美国的戈尔德等人提出，不可逆性起源于宇宙大爆炸。他们认为，宇宙中最根本的方程是可逆的引力场方程，加上大爆炸的初始条件选择了宇宙膨胀解，从而产生了宇宙学箭头。以后，在宇宙膨胀的不同阶段相继产生了电磁学箭头、热力学箭头、生物学箭头等。戈尔德等人的想法引起了普遍的注意。另一种认为不可逆性始于宇宙的观点则与戈尔德等人的看法不同，他们认为宇宙是有边界的不可逆性来源于宇宙的边界条件。但这种看法是建立在稳恒态宇宙学基础上的，需要假定物质不断创生，这与许多观测是相矛盾的。

除了把不可逆性归结于宇宙外，还有不少科学家从统计方法上寻找原因。有的认为不可逆性来源于热力学极限，有的利用“粗粒平均值”或“时间光滑化”来解释时间箭头，有的则认为不可逆性来源于因果要求；也有的认为是系统不绝对孤立导致不可逆性，因为在绝对意义下的孤立系统是根本无法感知的。诸如此类的从统计方法上寻找不可逆性起源的方案还有很多，但许多看法是互相矛盾的，一时难以得出最后结论。

除了在宏观上找原因外，还有的科学家把不可逆性归结于微观过程，他们认为，微观世界本身就存在着时间箭头，1964年发现的K介子衰变过程中时间反演不守恒就说明了这一点。

综上所述，在解释时间箭头之谜这一问题上可谓是百家争鸣，各显神通，但各种解释离自己预定的目标都还很遥远，时间箭头至今仍是一个谜。