各种“时间箭头”

人们在回忆过去的岁月时，总会无限感慨地说道：“时光一去不复返。”真奇怪，人走过的老地方还可以一再重复地走，而人经历过的岁月却再也不可能重现了。例如，一个人的20岁生日在他的一辈子中只可能有一次，谁也不可能在过了自己的20岁生日后，再过一次20岁生日。时间过程的这种不可逆特点带有明显的方向性，就像出弦之箭上的箭头，所以被称为“时间箭头”。

其实，在自然界中这种带有不可逆性的过程几乎到处存在。例如，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小的地方扩散，就像一点墨水滴进一缸清水中，总是迅速向四周扩散。谁也没有看见过已经均匀分布在一缸水中的墨汁，会自动浓缩成一点。这样的例子不胜枚举，人们把这些自发热运动过程中的不可逆性，称为“热力学箭头”。

不仅热运动中存在着不可逆性，电磁运动中也存在。例如，从广播电台发出的无线电波总要经过一段时间（哪怕只有极短的一瞬间），才能到达我们这里的收音机。从来不会发生在广播电台的信号还没有发出之前，就有人收到了无线电波的怪事。这种电磁运动中的不可逆性，被称为“电磁学箭头”。

不仅种种宏观现象中存在着不可逆性，而且在微观过程中也存在着不可逆性。我们知道，原子发光就是一种微观过程。原子物理学告诉我们，原子中的电子总是自发地从高能级跃迁到低能级，并释放出光子来（即发光）。要发生相反的过程，原子必须吸收外界的能量。微观过程的这种不可逆性，被称为“量子力学箭头”。

最令人称奇的大概要数“宇宙学箭头”了。1929年，美国天文学家哈勃发现，河外星系（我们所在的银河系之外的星系）的光谱，普遍有“红移”现象。所谓“红移”，就是光谱线的波长变长了。产生“红移”的原因是多普勒效应。多普勒效应告诉我们：凡光源离观测者而去时，观测者所看到的由该光源所发出的光谱的波长会变长。反过来，如果发现某一光源发出的光谱存在红移现象，那就意味着这个光源离我们而远去。由此推测，河外星系光谱的红移现象，意味着众多的星系都远离银河系而去。其中有十几个星系竟以每秒数百千米的高速飞驰而去！哈勃还指出，一个星系离开我们的速度称为退行速度，这个退行速度同这个星系离我们的距离成正比，呈有规律增大的态势。如果星系A离我们比星系B远一倍，那么星系A的退行速度也比星系B的大一倍。这就是“哈勃定律”。

为什么会发生这种情况呢？设想有一个气球，它的表面上画着许多小点。当我们用打气筒把气球打得膨胀起来时，气球表面的各个小点就彼此分开。而且，气球膨胀得越厉害，这些小点彼此分得越开。各星系的行为就像这些气球上的小点那样，而容纳所有星系的宇宙则是那个气球，正在不断地膨胀。膨胀着的宇宙也具有不可逆性，因此它形成了“宇宙学箭头”。

无论是“热力学箭头”、“电磁学箭头”，还是“量子力学箭头”、“宇宙学箭头”，虽然它们的不可逆性的表现各不相同，但是，它们本质上还是时间箭头的一种，因为它们所表现出来的不可逆性，主要是某种物理状态在时间反演时不可能重复出现。