自从热大爆炸开始以来，时间就随着宇宙的膨胀而滴答作响。但是时间真的可以倒流吗？
在我们的传统经验中，时间总是向前运行，并且总是以相同的速度向前运行：每秒一秒。但是，如果熵和时间之间存在联系，并且我们可以倒转热力学时间箭头，那么所有这一切都会改变吗？
关键要点
在我们的宇宙中，对于所有观察者来说，自热大爆炸开始以来，时间一直在向前发展。
有一些“时间之箭”与此相吻合，包括宇宙一直在膨胀，并且从热力学角度来看，熵一直在增加。
如果宇宙相反收缩和坍缩，是否会导致时间倒流？这个问题连史蒂芬霍金都感到困惑，但我们今天可以回答。
随着宇宙中每一个过去的时刻，我们都在不断地向前迈进。每一个连续的瞬间都让位于下一个，时间似乎不断地朝着同一个方向流动向前。然而，为什么会这样还不是特别清楚。尽管如此，如果我们寻找它，我们会发现许多事情也恰好总是朝着同一个方向移动，从一个时刻到另一个时刻，就像时间一样。物体在宇宙中的移动与其速度成正比。由于重力和其他力的影响，它们会改变运动。在大尺度上，宇宙膨胀。无论我们看向哪里，宇宙的熵总是在上升。
随着我们宇宙演化故事的继续，我们认为所有这些事情都将继续：物理定律仍然适用，就像今天一样，暗能量的存在确保宇宙将继续膨胀，熵将继续增加，因为由热力学定律决定。许多人推测——尽管没有证据，但热力学之箭和时间之箭可能是相关的。还有一些人推测，暗能量可能会随着时间的推移而演变，而不是保持不变，这为它有朝一日可能抵消和逆转我们宇宙的膨胀的可能性敞开了大门。那么，如果我们将这些猜测放在一起会发生什么？
我们最终会想象宇宙可能会停止膨胀，而是开始坍缩，然后我们不得不问这是否意味着熵会减少和/或时间甚至会开始倒退？这是一种令人费解的可能性，需要物理定律来回答。让我们看看他们是怎么说的！
弹跳中的球的过去和未来轨迹由物理定律决定，但时间只会流向我们的未来。虽然无论您将时钟向前或向后运行，牛顿运动定律都是相同的，但如果您将时钟向前或向后运行，则并非所有物理规则的行为都相同，这表明违反了时间反演 (T) 对称性发生。
所有物理学中最重要的对称性之一被称为时间反演对称性。简而言之，它表示无论您将时钟向前或向后运行，物理定律都遵循相同的规则。有很多例子，如果你将时钟向前运行，一种现象对应于如果你向后运行时钟，则同样有效的现象。例如：
纯弹性碰撞，如两个台球碰撞，如果你向前和向后运行时钟，其行为将完全相同，一直到球将以何种速度和角度发生碰撞。
纯非弹性碰撞，两个物体相互碰撞并粘在一起，与纯非弹性反向爆炸完全相同，其中材料吸收或释放的能量是相同的。
引力相互作用向前和向后都是一样的。
电磁相互作用在时间上向前和向后表现相同。
即使是将原子核结合在一起的强核力，在时间上向前和向后也是相同的。
唯一的例外，也是唯一已知的违反对称性的时间，发生在弱核相互作用中：导致放射性衰变的力。如果我们忽略那个异常值，那么无论时间向前还是向后，物理定律都是一样的。
单个质子和中子可能是无色实体，但其中的夸克是有色的。胶子不仅可以在质子或中子内的单个胶子之间交换，还可以在质子和中子之间的组合中交换，从而导致核结合。然而，每一次交换都必须遵守全套量子规则，而这些强相互作用是时间反转对称的：你无法判断这里的动画电影是在时间上向前移动还是向后移动。
这意味着，如果您在任何时刻处于任何最终状态，只要您以正确的顺序应用正确的一系列交互，总有办法回到您的初始状态。唯一的例外是，如果您的系统足够复杂，您必须知道诸如粒子的精确位置和动量之类的事情， 其精度要高于量子力学可能实现的精度。撇开弱相互作用和这种微妙的量子规则不谈，自然法则确实是时间反演不变的。
但我们所经历的一切似乎并非如此。有些现象清楚地显示出时间之箭，或对特定单向方向的偏好。如果你拿一个鸡蛋，打碎它，炒它，煮它，那很容易；但是，无论您尝试多少次，您都永远无法将鸡蛋生开、打乱和打碎。如果你把一个玻璃杯从架子上推下来，看着它在地板上碎裂，你永远不会看到那些玻璃碎片升起并自发地重新组合起来。对于这些示例，事物显然有一个首选方向：事物流动的箭头。
以正确的频率振动时，酒杯会碎裂。这是一个显着增加系统熵的过程，并且在热力学上是有利的。相反的过程，即玻璃碎片将自身重新组合成一个完整的、未破裂的玻璃，这种情况不太可能发生，因此在实践中从未自发发生过。然而，只要存在足够的自由可用能量，无序系统就可以变得有序，但代价是增加彼此接触的整个系统的总熵。
诚然，这些都是复杂的宏观系统，经历着一系列极其复杂的相互作用。然而，所有这些相互作用的组合会产生一些重要的东西：我们所知 的热力学时间箭头。热力学定律基本上表明，系统中的粒子排列方式有限，并且具有最大数量可能配置的方式——我们称之为热力学平衡的方式- 随着时间的推移，所有系统都将趋向于那些。
您的熵是衡量特定配置在统计上的可能性或可能性的量度（最有可能 = 最高熵；非常不可能 = 低熵），总是随着时间的推移而增加。只有当你已经处于最有可能的、最高的熵配置时，你的熵才会随着时间的推移保持不变；在任何其他状态下，您的熵都会增加。
我最喜欢的例子是想象一个中间有隔板的房间：一侧充满热气体粒子，另一侧充满冷气体粒子。如果拆下隔板，两侧将混合并在各处达到相同的温度。时间倒转的情况，即你在一个温度均匀的房间里，在中间放一个隔板，自然地得到一个热的一面和一个冷的一面，这种情况在统计上是不可能的，考虑到宇宙的年龄有限，它永远不会发生。
在左边的初始条件下建立并允许进化的系统，如果门保持关闭，则熵比门打开时要小。如果允许粒子混合，则在相同平衡温度下排列两倍数量的粒子的方法比在两个不同温度下排列一半粒子的方法多。
但是如果你愿意足够复杂地操纵这些粒子，可能会发生什么 ， 你可以将足够的能量泵入系统以将粒子分为热粒子和冷粒子，将一侧降级为包含所有热粒子而另一侧包含所有热粒子冷的。这个想法大约在 150 年前提出，一直追溯到将电学和磁学统一为我们现在所知的电磁学的人：詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell)。用通俗的话说，它被称为麦克斯韦妖。
想象一下，你有一个充满冷热粒子的房间，并且有一个中央分隔器，但粒子均匀分布在两侧。只是，有一个恶魔控制着分隔器。每当一个热粒子要从“冷”侧撞击分隔器时，恶魔就会打开一扇门，让热粒子通过。同样，恶魔也让冷粒子从“热”的一面穿过。恶魔必须将能量注入系统才能实现这一点，如果您将恶魔视为盒子/分隔系统的一部分，则总熵仍然会上升。然而，仅就盒子/分隔器而言，如果你忽略恶魔，你会看到只有那个盒子/分隔器系统的熵下降。
麦克斯韦妖的代表，它可以根据盒子两侧的能量对粒子进行分类。通过打开和关闭两侧之间的分隔物，可以精确控制粒子的流动，从而降低盒子内系统的熵。但是，恶魔必须发挥能量才能做到这一点，盒子+恶魔系统的整体熵仍然增加。
换句话说，通过从外部适当地操纵系统，这总是涉及将能量从系统外部泵入系统本身，你可以人为地导致这个非孤立系统的熵减少。
在我们进入宇宙之前，最大的问题是想象除了这些冷热粒子之外，系统内部还有一个时钟。如果你在系统内部，对这个恶魔一无所知，但看到门在不同的地方快速打开和关闭——似乎是随机的——并且经历了房间的一侧越来越热而另一侧越来越冷，你会得出什么结论？
会不会显得时间倒流了？您手表上的指针会开始向后而不是向前滴答作响吗？在你看来，时间的流动会发生逆转吗？
我们从未进行过此实验，但据我们所知，答案应该是否定的。我们经历过熵的情况：
迅速增加，
缓慢增加，
或保持不变，
无论是在地球上的系统中还是整个宇宙中，据我们所知，时间总是继续以与以往相同的速度前进：每秒一秒。
由光子在两个镜子之间弹跳形成的光钟将为任何观察者定义时间。尽管这两个观察者可能不会就时间流逝达成一致，但他们会同意物理定律和宇宙常数，例如光速。当正确应用相对论时，将发现它们的测量值彼此等效，因为正确的相对论变换将使一个观察者理解另一个观察者的观察结果。
换句话说，有一个可感知的时间箭头，也有一个热力学的时间箭头，它们都始终指向前方。这是因果关系吗？虽然有些人比如说是肖恩卡罗尔推测它们以某种方式联系在一起，但我们应该记住这纯粹是猜测，没有任何联系被揭露或证明过。据我们所知，热力学时间箭头 是统计力学的结果，是多体系统出现的一个属性。（你可能至少需要三个。）然而，感知到的时间箭头似乎在很大程度上独立于熵或热力学可能做的任何事情。
如果将膨胀的宇宙带入方程式，会发生什么？
的确，自（至少）热大爆炸以来的所有时间里，宇宙一直在膨胀。同样真实的是，虽然时间是线性的，以每秒一秒的恒定感知速率流逝，但宇宙膨胀的速率却不是。宇宙在过去膨胀得更快，今天膨胀得更慢，并将渐近到一个有限的正值。据我们所知，这意味着不受引力束缚的遥远星系将继续从我们的视野中后退，速度越来越快，直到我们本星系群的剩余部分成为我们唯一可以接触到的东西。
遥远的宇宙命运提供了多种可能性，但如果暗能量真的如数据所示那样是一个常数，它将继续沿着红色曲线移动，导致《从爆炸开始》中经常描述的长期情景: 宇宙最终的热寂。如果暗能量随时间演化，大撕裂或大收缩仍然是可以接受的，但我们没有任何证据表明这种演化只是无稽之谈。
但如果不是这样呢？如果像在演化暗能量的一些理论变体中那样，膨胀继续减慢，最终完全停止，然后引力会导致宇宙收缩怎么办？这仍然是一个似是而非的场景，尽管没有证据表明它存在，而且如果它成功了，宇宙在遥远的未来仍可能以大收缩结束。
现在，如果你采用一个膨胀的宇宙并将早期的对称性应用于它——时间反转对称性——你将从中得到一个收缩的宇宙。扩张的反面是收缩；如果你对膨胀的宇宙进行时间反转，你会得到一个收缩的宇宙。但在那个宇宙中，我们必须看看仍在发生的事情。
引力仍然是一种吸引力，落入（或形成）束缚结构的粒子仍然通过弹性和非弹性碰撞交换能量和动量。正常物质粒子仍会释放角动量并坍缩。它们仍将经历原子和分子跃迁，并发出光和其他形式的能量。坦率地说，今天使熵增加的所有事物仍将在收缩的宇宙中使熵增加。
今天宇宙中出现的全套事物都起源于热大爆炸。更根本的是，我们今天拥有的宇宙只能由于时空的特性和物理定律而产生。没有它们，我们就无法以任何形式存在。
所以如果宇宙收缩，熵仍然会上升。事实上，我们宇宙中熵的最大驱动力是超大质量黑洞的存在和形成。在宇宙的历史上，我们的熵增加了大约 30 个数量级；仅银河系中心的超大质量黑洞的熵就比热大爆炸后 1 秒整个宇宙的熵还多！
就我们所知，时间不仅会继续向前运行，而且大挤压之前的那一刻的熵也会比热大爆炸开始时宇宙的熵大得多。在那些极端条件下，所有的物质和能量都会开始融合在一起，因为所有超大质量黑洞的事件视界都开始重叠。如果有引力波和量子引力效应可以在宏观尺度上出现的场景，那就是它了。将所有物质和能量压缩到如此微小的体积中，我们的宇宙将形成一个超大质量黑洞，其事件视界跨越数十亿光年。
正如黑洞在事件视界外持续以霍金辐射的形式产生低能量热辐射一样，具有暗能量（以宇宙常数的形式）的加速宇宙将持续以完全类似的形式产生辐射：Unruh由于宇宙视界而产生的辐射。
这种情况的有趣之处在于，当你处于强引力场中时，时钟的运行方式会有所不同：你与足够大的质量之间的距离足够小。如果宇宙要重新坍缩并接近大收缩，我们将不可避免地发现自己接近黑洞事件视界的边缘，而正如我们所做的那样，时间将开始为我们膨胀：将我们的最后时刻拉向无限。当我们落入黑洞的中心奇点时，将会发生某种竞赛，并且当所有奇点合并导致我们的宇宙在大收缩中最终消亡时。
之后会发生什么？宇宙会不会像一个复杂的结一样突然消失，突然以一种被解开的方式被操纵？它会导致新宇宙的诞生，而这次大收缩会导致另一次大爆炸吗？会不会有某种截断，在宇宙反弹之前我们只能进入紧缩场景，从而在没有达到奇点的情况下产生某种重生？
这些都是理论物理的一些前沿问题，虽然我们不知道答案，但有一点似乎在所有情况下都是正确的：整个宇宙的熵仍在增加，时间总是向前运行。如果事实证明这是不正确的，那是因为有一些深奥的东西对我们来说仍然难以捉摸，仍在等待被发现。
