最近我去密歇根州参加了一个关于时间反演的会议。
时间反演？是的，时间反演。哇！你说。逆转时间流逝？
在现代物理学中，也许没有其他术语能像它一样，在公众中引起如此大的魅力和敬畏。想想《回到未来》一、二、三部、《终结者》和《佩吉·苏嫁人》等近期电影的巨大受欢迎程度。但那些好奇到图书馆去查阅高级物理学教材中“时间反演”一词的人——例如，我学生时代研读的J. J. Sakurai经典著作的第四章——注定会失望。物理学家们不知道如何安排你回到高中时代，用成年人的智慧去看青少年浪漫，就像凯瑟琳·特纳（Kathleen Turner）那样。他们也不能送你或迈克尔·J·福克斯回到过去，帮助你的父亲击败他的竞争对手，赢得你母亲的芳心。很抱歉让你失望，但我们物理学家对如何逆转时间流逝一无所知。
物理学家们正专注于一个更温和的问题，一个在你思考能否回到过去之前必须提出的问题。他们正在竭尽全力找出物理学的基本定律是否知道时间之箭。
我们都意识到心理上的时间之箭，一种时间无情地从过去流向未来的主观感受。物理学家们也谈到热力学时间之箭，沿着这条箭，物理系统不可避免地变得越来越无序。也许生理上的时间之箭，由我们身体的老化来衡量，只是这种热力学时间之箭的一种表现。宇宙的膨胀提供了另一个时间之箭。最大的问题是这些箭之间是否存在以及如何相互关联。特别是，我们都想知道我们的心理时间之箭是如何产生的，然后，当然，我们是否可以逆转这支箭。
好吧，亲爱的读者，关于这些时间之箭，已经有大量准哲学思辨和胡言乱语被说出来，那种胡言乱语是大多数物理学家根本不够聪明无法理解的。秉承其职业的悠久传统，物理学家倾向于一次回答一个问题，希望能从最简单的开始。
那么我们从一个简单的问题开始。物理定律中包含时间之箭吗？
等等，暂停一下。这串词语到底是什么意思？物理学家有一个奇怪的习惯，当被问到问题时，他们会要求提问者概述一个程序——如果你愿意的话，就是一系列操作——以便通过遵循该程序，他们能够以某种方式回答问题。我强烈向全世界推荐这种态度。这是一种操作性方法，保证能节省大量时间和精力，更不用说空话了。好吧，你想知道一根针尖上能跳多少个天使。请告诉我一个可以确定答案的程序，即使只是原则上而不是实际操作中。首先，找一些天使……你明白我的意思了。不幸的是，我在大学里修的哲学课成绩很糟糕，因为我一直缠着教授：给我一个可操作的程序，这样我才能确定你刚才告诉我是真的还是假的。
现在我将为你提供上述问题的操作性表述。拍摄一个物理过程的电影。将电影倒放。倒放电影中描绘的事件是否符合物理定律？换句话说，一群物理学家能否判断电影是正向播放还是倒放？如果不能，那么他们就说控制该过程的定律在时间反演下是不变的：这些定律对时间之箭一无所知。
这太荒谬了，你说，现在我明白了你们这些“针头”物理学家在说什么。当然，物理定律在时间反演下不是不变的。你邀请一群所谓的“针头”物理学家到你家，从你的老式棒球片段收藏中选出一盘录像带，然后放入你的录像机。泰·科布摇摇晃晃地走到本垒，挥杆——是的！——球棒与球实打实地接触。砰，咣。本垒打！你按下按钮，录像带倒转。一个球从体育场外飞进来。它越飞越快——啪！——它击中球棒和泰·科布的手臂，向后飞去。你当然能判断电影是正向播放还是倒放；你得意地笑了。
“没那么快，”物理学家们异口同声地回答。当然，一个球从停车场飞进来击中球棒的可能性很小，但并非不可能。物理定律并未禁止这种事情发生。一个以恰当速度移动的球确实可以把球棒往后推。
但是不，现在轮到你反对了：当我倒放录像带时，球飞得越来越快。这肯定是被已知物理定律禁止的。
“是的，”物理学家们喊道，“那是因为你忘记了空气分子的运动。如果你的电影足够清晰，能显示所有相关细节，你会看到泰·科布击球后，球不断与空气分子碰撞，因此在飞出场地时会减速。当你倒放电影时，如果你的电影足够清晰，我们会看到——数不清的空气分子串通一气，以精确的方式与球碰撞，将球推向球棒，使其越飞越快。也许只是为了愚弄我们，你以某种邪恶的方式安排空气分子恰好做了这件事。”
物理学家们，其中大多数是大学教授，此时可能忍不住要给你上一堂关于摩擦力的说教课。在宏观物体的日常世界中，我们看到摩擦力使物体减速，这似乎提供了一个时间之箭。但这当然是由于我们忽略追踪的过程（例如我们例子中球与空气分子的碰撞）造成的。
我这个有点傻的故事意在强调，为了研究时间反演，物理学家们只是一个接一个地检查物理过程，看看时间反演后的过程是否符合物理定律。他们很早就意识到，显然，不必观察像本垒打这样复杂的运动。为了研究物理定律的时间反演不变性，只要将复杂的运动简化为更简单的运动，当它们组合在一起时，就能构成我们感兴趣的任何复杂运动。因此，从研究球和球棒之间的碰撞，物理学家们转向研究分子之间、原子之间以及亚原子粒子之间的碰撞。
例如，早在1951年，加州大学伯克利分校的一些物理学家撞击了两个质子，观察到一个π介子和一个氘核从碰撞中产生。（为了我们的目的，你不需要知道这些粒子是什么。）时间反演的电影显示一个π介子和一个氘核碰撞并产生两个质子。于是哥伦比亚大学和罗切斯特大学的物理学家们正是这样做的：他们将一个π介子撞击一个氘核，并观察到两个质子产生。他们所看到的，看起来与他们加州同事实验的倒放电影一模一样。控制那个特定过程的定律似乎是完美的时间反演不变的。
在过去的几十年里，物理学家们看了很多正放和倒放的电影，他们从未在物理学的基本定律中发现任何时间之箭的蛛丝马迹。这非常奇怪，因为我们周围随处可见时间之箭。
当然，物理学家绝不会愚蠢到说他们什么都没看到。他们会说，我们没有在受到我们的设备限制、华盛顿的人们给我们多少资金等等因素限制的情况下，看到这个或那个达到某个精确程度。多年来，一些异常执着和勤奋的实验者绞尽脑汁，将他们的聪明才智发挥到极致，以提高他们未能在物理定律中看到时间之箭的精确度。
物理学家很快意识到，撞击粒子并不是研究时间反演的最佳方式。在我们的例子中，东海岸的实验者必须确保π介子和氘核以与西海岸观察到的相同的能量和动量结合。在现实世界中，你根本无法做到如此高的精确度。
1956年，物理学家们找到了更好的方法。为了解释这一点，我必须请你回忆一下你小时候玩陀螺是多么有趣。每个孩子都知道，当陀螺旋转时，其旋转轴会绕圈移动：它会进动。让我们拍摄旋转的陀螺。现在倒放电影。我们看到陀螺向相反方向进动，但陀螺也在向相反方向旋转。如果你是一个观察力强的孩子，你会注意到如果你以一种方式旋转陀螺，它会以一种方式进动；如果你以另一种方式旋转陀螺，它会以另一种方式进动。换句话说，你确定控制陀螺运动的定律在时间反演下是不变的。
事实上，电子也会自旋。由于微观世界中没有摩擦，电子会永远以相同的速率持续自旋。自旋的电子就像一个小磁体，在磁场中，它会像旋转的陀螺在地球引力场中一样进动。这种电子在磁场中的进动在实验室中是例行观察到的——没什么大不了的。电子进动的方向取决于磁场的方向。如果我们反转磁场，电子会向另一个方向进动。
进动的电子知道时间之箭吗？那些物理学家，他们立刻拍了一部电影并倒放——他们就是为了做这种事而拿薪水的。如果你在高中学过物理，你可能还记得磁场只由移动的电荷产生。静止的电荷不产生磁场，只产生电场。
好的，在复习了这点高中物理知识后，我们现在可以打开投影仪，放入一段电子进动的电影，然后倒放。电子向另一个方向进动。我们兴奋起来！这会是时间之箭吗？通过观察电子进动的方向，我们能判断电影是正向播放还是倒放吗？但是等等，磁场也反转了方向，因为在倒放的电影中，产生磁场的移动电荷向另一个方向移动。我们无法判断电影是正向播放还是倒放。根本没有时间之箭的踪迹。
闪光！你的脑海中灵光一现。如果电子在电场中进动呢？如果你拍摄一段这样的电影并倒放，电场不会反转方向。为什么？因为它是由静止的电荷产生的。但电子会向另一个方向进动。正向播放的电影和倒放的电影看起来不同：电场在两者中指向相同的方向，但电子进动的方向不同。如果你看到电子在电场中进动，你就会发现时间之箭。
你冲进实验室，推开同事。你设置了一个电场，然后把一个电子放进去。当你看到它进动的那一刻，你就可以买去斯德哥尔摩的机票了！为那些在物理学基本定律中发现时间之箭的人带来名声和荣耀！
我刚刚给你一个相当冗长的解释，还掺杂了那些高中物理知识——毕竟我是一名物理教授。但我想强调的是，基本思想再简单不过了。在时间反演下，磁场会反转方向，但电场不会。如果物理定律在时间反演下是不变的，那么电子就不可能在电场和磁场中同时进动。
这里有一点术语：在电场中进动的粒子被称为具有电偶极矩。到目前为止，我一直专注于电子，但讨论中没有任何内容是专门针对电子的。如果任何粒子具有电偶极矩，那么物理学的基本定律就会违反时间反演不变性。实验人员也一直在努力观察中子是否具有电偶极矩。寻找电子和中子电偶极矩的工作已经进行了近40年，由一群执着、甚至可以说英勇的实验人员进行，他们多年来运用自己的聪明才智来提高测量精度。
寻找自然界中电偶极矩的故事很好地说明了理论物理学和实验物理学之间的区别。理论家们坐着想象电子在电场中进动太容易了；而实验者们想出一种实际观察它的方法则完全是另一回事。当伯克利实验小组的负责人吉恩·科明斯来到我工作的大学做时间反演的讲座时，他说像托尼·泽（Tony Zee）这样的理论家下午想到的东西，我需要20年的辛勤工作才能证明或证伪，这引起了听众的赞赏的笑声。
首先，你不能仅仅将一个电子放入电场中；电场对电子施加的电力会在瞬间将电子推出实验设备。这个实验实际上是在原子上进行的。原子当然是电子和原子核的电中性集合。如果电子具有电偶极矩，那么原子也将具有电偶极矩。多年来，实验人员不得不克服大量的技术问题，更不用说华盛顿日益微薄的资助所造成的问题了。（科明斯和他的朋友们总是梦想着私人资助。如果时间反演电影的利润中一小部分能用于时间反演的研究呢？有人知道迈克尔·J·福克斯的电话号码吗？）
说了这么多，我应该告诉你电偶极矩是用什么来测量的——厘米、克，还是什么。让我们把电子想象成一个微小的球。再想想我们童年时期的陀螺，它有一个不平衡的、逐渐变尖的形状。不平衡的形状是必需的；否则陀螺就不会进动。没有孩子玩过完美的圆形陀螺。因此，粗略地说，电子的电偶极矩是衡量电子可能不完全圆的程度。想象电子略呈蛋形。那么长轴和短轴长度之差就衡量了不平衡度。电偶极矩以长度单位测量。
现在我可以给你一个概念，多年来实验人员付出了多少努力。早在1959年，实验人员就能够断定电子的电偶极矩小于10^-15厘米。在大约30年间，测量精度已提高到10^-27厘米。换句话说，如果电子不对称而非完美圆形，那么它的不对称性小于0.000000000000000000000000001厘米，这远是科学家测量过的最小长度。就我个人而言，我对实验人员所能做到的事情感到惊叹。
与此同时，时间反演的理论仍然相当原始。理论家们很容易将时间之箭纳入各种基本相互作用理论中。几年前，在我拜访了华盛顿大学的实验物理学家诺瓦尔·福特森之后，我决定当场编造一个理论来鼓舞他，在这个理论中电子有一个很大的电偶极矩，大到诺瓦尔很快就能发现它。这个可怜的人已经花了很多年寻找电偶极矩。
存在许多违反时间反演的理论，但理论家们常常甚至没有意识到其中一些理论可能包含巨大的电偶极矩。几年前，杰出的理论家史蒂夫·温伯格在一次物理学家聚会上说，根据某个理论，中子可能具有相当大的电偶极矩。这让听众感到惊讶和尴尬；这个理论已经流传了大约十年，各种聪明的类型都研究过它，却没有发现存在巨大电偶极矩的可能性。温伯格演讲后，我和我的同事史蒂夫·巴尔立即意识到电子也应该有一个大的电偶极矩，可能不会比10^-27厘米小太多。
讽刺的是，你肯定没有错过：实验人员称之为需要多年才能测量到的极其微小的长度，而理论家们却称之为“大”。这就是物理学社会学的一个缩影。一群人辛苦地耗费一生，在稻草堆中翻找着传说中的那根针。另一些人则在一旁观望，时不时地进行一番啦啦队式的鼓劲：“加油，伙计们，再努力找找！”得到的回复是：“我们找不到！我们已经找了30多年了！如果它在这里，它肯定比10^-27厘米还要短。”嗯——旁观的家伙们挠挠头，然后喊道：“嘿，根据这里的计算，它可能比10^-27厘米还要短一点点。别放弃！”
时间反演不变性更加神秘的是，自1957年以来，物理学家们已经知道物理定律不遵守空间反演。时间反演交换过去和未来，而空间反演则交换左右。事实上，每次我们照镜子，我们都在安排空间反演，物理学家称之为宇称。你所做的是向一群物理学家展示一部在镜子中反射的电影。1957年，物理学家们发现了如何判断他们是否在镜子中看电影。那么为什么他们不能判断电影是否在倒放呢？
另一个线索来自数学推理。一个称为CPT定理的数学定理断言，物理定律，以物理学家们已知的方式来表述，必须在空间反演、时间反演和一种称为电荷共轭（这里我不会深入探讨）的组合操作下保持不变。例如，如果我们制定一个尊重电荷共轭但违反空间反演的定律，那么它也必须违反时间反演。1964年，实验物理学家发现，一种称为K介子的亚核粒子的衰变以一种方式违反了空间反演和电荷共轭，根据数学定理，这种衰变也必须违反时间反演。
因此，超过四分之一个世纪以来，物理学家们已经有了间接证据表明物理定律确实违反了时间反演不变性。物理学家们一直在徒劳地寻找时间反演不变性被违反的直接证据，而无需诉诸于某些花哨的数学定理。物理学家是一群真正的怀疑论者，他们从不完全满足于数学定理。数学推理本身不会出错，但定理必须从某个地方，从假设开始；而CPT定理的证明所依据的假设，虽然在绝大多数物理学家看来是合理的，但仍然让一些物理学家彻夜难眠、汗流浃背。
总结这个谜团，我们知道管家以前也犯过类似的错误：他曾对镜子做过一些事情。我们怀疑管家，但就是找不到他做过这件事的证据。我们甚至有一位专家——那位证明了数学定理的人——发誓管家一定做了，但法官不接受这位专家的法庭证词。所以那些侦探们只好继续梳理地毯。
最后，我应该提到时间反演是物理学家们称之为物理定律中的一种对称性。左右对称，或者说镜面反射对称，当然是最为人所熟知，也是艺术家和建筑师所钟爱的。时间反演是过去和未来之间的一种对称性。当我写我的科普物理书《可怕的对称》（Fearful Symmetry）时，我一直把时间反演推迟到最后一章，因为我真的不理解，现在也仍然不理解时间的本质。其他人也一样。
本世纪初，爱因斯坦告诉我们空间和时间是密切相关的。然而，作为一个有意识的生命，我清楚地知道我可以自由地向左或向右移动，却不能随心所欲地进入过去。如果我没有更好的知识，我会认为物理定律，也许在左右之间是对称的，但在过去和未来之间则不对称。实验者发现的恰恰相反：定律知道左右之分，却不知道过去和未来之分。
瞧，我提到了物理科学家们最害怕的词——“有意识的存在”。时间是物理学中一个概念，我们无法在某种程度上不牵扯到意识而谈论它。
“那么，当吉恩·科明斯、诺瓦尔·福特森和他们的朋友们看到电偶极矩时，他们能告诉我们如何建造时间机器吗？”你问道。几乎肯定不能，至少不会马上。在基本定律中发现时间反演的违反很可能代表了揭开时间之谜的关键一步。最终，谁知道它会带来什么？然而，从逻辑上讲，在基本定律中发现时间反演的违反与时间机器的建造之间并没有必然的联系。想想空间反演的情况。我们可以想象一个星球上的文明，没有水，没有镜子。可以想象，这个文明中的物理学家最终可能发现了物理学的基本定律在空间反演下并非不变，但他们仍然不知道如何制造镜子。
很抱歉让你失望，但物理学家们仍然没有弄清楚过去和未来之间的区别，而且他们肯定不能很快送你和迈克尔·J·福克斯一起去旅行。事实上，很久以前一位物理学家就指出了一个针对时间逆行的逻辑悖论，被称为“祖父悖论”。实际上，所有关于时间旅行的流行电影都基本围绕着这个悖论展开。如果福克斯不能打倒恶霸并帮助他的父亲约会，他会身在何处？如果迈克尔·比恩不能从终结者手中救出反抗军领袖的母亲，他又会变成什么样？嗯，你总是可以援引平行宇宙的概念，现实在每一刻都分支成不同的现实，但这对我来说太疯狂了。嘿，我是一个物理学家，不是一个形而上学家。
回到那个关于物理学如何运作的小图景。在那里我们看到干草堆。那些写科普文章和书籍的人在哪里？他们像在左外野，向大众叫卖爆米花。像其他所有东西一样，科普书籍也涵盖了整个范围：好的、坏的和丑陋的。为了持续销售，有些人觉得他们必须不断炒作。我去书店，看到关于平行宇宙、大爆炸之前的宇宙、时间之前的宇宙的书，我感到畏缩。我们不要忘记那些在干草堆里辛勤劳作、视力受损、与老鼠搏斗的真正英雄们。
本文节选自《生命与宇宙之谜》，该书将于下月由Harcourt Brace Jovanovich出版。该书的收入将用于国家预防婴儿死亡委员会。
