宇宙中真的存在另一个自己吗？时间是一条线还是一个圆？

海风肆虐着布列塔尼的海岸，一块小小的石头在海岸上掉了下来。法国革命家路易斯-奥古斯特·布朗基(Louis-Auguste Blanqui)被囚禁在托罗(Taureau)的堡垒里，他因为其在社会主义运动(这场运动最后导致了1871年的巴黎公社起义)中所扮演的角色而被捕，他凝视着星空，当他这样做的时候，他从其他世界的可能性中找到了一丝安慰。他在《 Eternity by the Stars》中写道，虽然在地球上的生命是短暂的，但我们可以在其他的地方寻求安慰，在某个地方有着无数个地球，这些地球上都充满着与我们这个地球相似的生物;所有的事件，他说，“不管是发生了或者还没有发生的，在我们的地球消亡之前，都以完全相同的方式在其他无数的地球上发生。”在这些遥远的世界上，某些灵魂也可能被囚禁在监狱里了吗?也许吧。但布朗基希望，通过一些偶然的突变，那些在地球上坐着冤狱的人有可能会在其他世界获得自由。

布朗基这个关于复制世界的设想似乎太过异想天开，也许是由于长期的牢狱而产生的一种一厢情愿的想法。然而，这个想法反映了一个至今仍困扰着物理学家和宇宙学家的古老难题。宇宙会在空间或者时间中重复自己吗?还是我们只会不停地向前奔腾，永远都不会重复当下这个时刻或当下发生的事情，永远都不会走回头路?

按照布朗基的设想，人类历史会在空间中自我复制，而按照19世纪的德国哲学家弗里德里希•尼采(Friedrich Nietzsche)的设想，这种重复发生在时间中。他称之为“永恒的轮回”，也称“永恒的回归”。在浮夸和深深的沮丧之间摇摆不定的尼采，为自己的这个“发现”而感到自豪：他和世界上的其他人，将永远重复地过着一样的生活。不过这未必是值得庆祝的事情。他在1882年出版的《快乐的科学》(Gay Science)一书中写道：“如果在某天或者某个晚上，一个恶魔尾随着你，进入你内心最孤独的境地，并对你说：‘你现在过的这种生活，过去的你已经经历过，但你将不得不再多经历一次，两次，无数次，而且这种生活不会与上一次有任何的不同，所有的痛苦、所有的快乐、所有的思想所有的叹息都一模一样。’”但尽管如此，这种穿越万古回到地球的永生，在某种程度上也不失为对不得不重新体验忧郁、疾病和绝望的恐惧的一种补偿。

布朗基和尼采的想法，至少有部分归功于牛顿的运动定律和机械能守恒定律。这些原理展示了控制物体加速度的引力是如何将行星引导到围绕太阳的轨道上的。1814年，法国科学家皮埃尔-西蒙•拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)证明，应用于封闭系统的牛顿物理学，可以让你近乎完美地预测接下来会发生什么。拉普拉斯在1814年发表的《 A Philosophical Essay on Probabilities》中写道，我们可以把宇宙的当前状态看作是过去的结果，也是未来的原因。拉普拉斯说，如果你能完全了解适用于“宇宙中最大的物体和最小的原子物体”的位置、速度和力，那么对于这样的你来说，没有什么是不确定的，未来就像过去一样展现在现在的眼前。”

然而，这种决定论却自食其果。在牛顿物理学中，空间是一个物体运动的静态场所。但假设这些物体本身是由有限数量和多种成分组成的(例如，任何一块冰都是由氢原子和氧原子构成的)，如果有足够的时间的话，成分的可能组合必然会在时间和空间上重复。

这种情况有点像一盘没完没了的圈叉棋。因为有一个有限的场所(九宫格)和有限数量的元素(零和叉)，最终任何给定的结果都一定会重新出现。当然，任何一个空间区域都会比圈叉棋拥有多得多的组成部分，但这一原则仍然成立：时间周期或空间重复可能会被无序地分散，但机会重组依然将使它们不可避免地发生。

机械能守恒直接遵循牛顿定律。而这条定律指出，在没有摩擦和空气阻力的情况下，能量可以自由地从一种势能(物体保持在某一位置的能量)转换为另一种动能(运动的能量)。这是一种自然的能量循环方式。所以驱动落地钟的钟摆会来回摆动，在摆动过程中一遍又一遍地把摆杆最高点的势能，转变成摆杆最低点的动能。(当然了，在现实生活中，除非受到外部重启的作用，空气阻力会逐渐减缓这个过程。)月球在绕地轨道上的相对稳定运动就证明了守恒定律所产生的规律性和重复性。

这样的话科学就可以和某种神秘主义携手合作。布朗基和尼采都是唯物主义者，他们认为人类的思想和感情只是化学机制的副产品，一切事物都是由原子构成的，包括制造灵魂幻象的那些机制。因此，他们相信物理循环将不可避免地导致思想和情感的重现。

唯物主义与原子主义是紧密联系在一起的，原子主义认为一切事物都是由有限的不可分解的组成部分组成的。最早的原子学家是古希腊的留基伯(Leucippus)和他的门徒德谟克利特(Democritus)，他们都生活在公元前5世纪。虽然一些古代哲学家信奉原子论，但他们对时间是循环往复的这一观点有更强烈的共识。然而，与尼采的永恒轮回不同的是，经典的循环观并没有那么精确。在大多数版本中，人类的生命不会完全重现。相反，一般的历史(人类和宇宙的历史)都将经历创造和毁灭的无尽循环，就像一个命运的巨轮一样。许多古人认为，地球文明会从过去社会的灰烬中上升，上升到权力和财富的黄金时代，最后走向颓废，陷入灾难，最终被其他崛起中的文明所取代。

以公元前5世纪著名哲学家恩培多克勒斯的观点为例。他认为，除了四大经典元素之外，世界是两种基本力量的混合体：爱和冲突。爱是一种吸引的力量，它能使各种元素和谐相处，而冲突则会使它们分裂。恩培多克勒斯说，历史在爱占主导地位的时代、冲突占主导地位的时代、以及爱与冲突等量混合的中间时代循环往复。

在后来的几个世纪里，绘制周期图在观测天文学中发挥了关键作用(天文学是古代世界为数不多的精确科学之一)。天文学家们以一种不可思议的能力给他们的君主们留下了深刻的印象，这种能力就是能够预测天上的行星和恒星在它们路径上的位置。他们能够预测日蚀和行星连珠(当两个或更多的行星排成一线时)等天体事件。由于有这样的预测能力，统治者认为他们是先贤，并向他们寻求个人建议(什么时候是开战的最佳时间，举行婚礼的黄道吉日又是哪天)以及星体的预测。就这样，把天体知识和人类的建议结合起来的这种伪科学，占星学就这样诞生了。

季节、植物的生长周期、动物的迁徙，都使古代的人们把周期看作是至关重要的性质

柏拉图坚定地相信不精确循环历史的概念，他认为这与星体间的事件(如行星连珠)是密切相关的。他相信圆圈是神的完美象征，认为每一个过程最终都会回到起点。历史将在黄金时代和灾难时代中循环往复。他认为，终极的周期是大年(又称柏拉图年)，在大年这一年，水星到土星(尽管这还不包括太阳和月亮)这五颗当时已知的行星将会在天空中整齐地排成一线。

古代世界的许多其他文化都相信并不总是严格重复的周期性时间安排，作为狩猎采集者或农业群落，巴比伦人、古代中国人、玛雅人、早期印度人和许多美洲土著社会，他们必然地密切关注着自然运作的方式：季节、植物的生长周期、动物的定期迁移和冬眠。部分出于这个原因，这些民族把周期看作是历史的一个重要组成部分，因此，死亡也成为了再生或者其他某种形式新生的开始。到头来，没有什么东西被真正摧毁过;腐烂的土壤总会孕育出新的生命。

不过并不是每个人都信奉这样的教条。古代希伯来人就信奉一种更有顺序的时间观。根据他们圣经的教导，世界是在一个独特的时刻开始的，那就是圣经创世记。人类社会同样也在一个特定的时刻开始，就是亚当和夏娃被创造的那一刻。随着疾病和死亡的迫近，圣经中“人类的堕落”的故事成为了时间方向现实的缩影。人类与神之间不断变化的关系以新律法的启示为标志，如《十诫》。这些事件表明，历史是一条稳定的河流，从人类的堕落一直流到世界末日。基督徒和穆斯林都将这些神圣启示的概念融入了他们的信仰中，这导致了类似的遵循原罪和救赎顺序的年表。因此，亚伯拉罕宗教的神学世界观为时间设定了一个不断向前的性质，重复的可能性为零。

直到19世纪初，物理学才规定时间没有特定的方向。例如，牛顿定律无论是向前或者向后，运行都完全相同——这意味着，原则上，机器应该能够永远运行下去。在工业革命的鼎盛时期，制造商希望通过制造完美无瑕的发动机来达到这种完美的效率，这种发动机不会因为摩擦和热量而损失能量。某个足够聪明的发明家肯定能消除这种浪费的吧?与此同时，铁路和工厂的崛起要求更精确的计时、标准化的机械和更快的生活节奏。这几乎就好像历史必然是向前和向上，朝着进步和精确前进的——永远都不会后退。

然而，在追求完美效率的过程中，浪费仍然是一个挥之不去的问题。法国物理学家萨迪·卡诺(Sadi Carnot)在其影响深远的著作《Reflection on The Motive Power of Fire》中论述了永动机的问题。他考虑了蒸汽机的工作原理：一种在独立加热和得以冷却的过程中，利用水的膨胀和压缩来驱动活塞上下运动的装置。连接在移动活塞上的连杆通常与曲柄或车轮(如机车的驱动轮)相连，进而使曲柄或车轮运动。这使得引擎可以做功(功是一个力把物体从一点移动到另一点的能力的计算单位)。

蒸汽机从冷盆里取水，在锅炉里加热，然后把热水和蒸汽排到热盆里，让热水和蒸汽冷却。

卡诺发现，冷热盆之间的温差越大，发动机所做的功就越大。然而，在这个过程中无可避免地会有大量的能源浪费。换句话说，不管设计师有多聪明，他或者她永远都不可能开发出一台完美高效的机器：总会有一些无法使用的能量，并且随着时间的推移会逐渐增加。

19世纪50年代和60年代，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)将卡诺关于能量浪费的结果归纳为热力学第二定律，也称为非减熵定律。熵衡量的是任何系统中有多少能量不能做功。例如，汽车尾气散发到大气中的热量不能被收集起来给摩托车提供动力。随着时间的推移，第二定律广义地表明，熵的总量必须自然地增加，或者至少会保持不变，但它永远不会减少。熵与温度差成反比，热量会自然地从热的储层流向冷的储层，并且可能在这个过程中做功(比如驱动涡轮)。因此，明显的温差符合高效、低熵的情况。

而另一方面，如果系统各部件之间没有温差，也就是热平衡，那么系统就不能做功。因此，熵会变得非常大。例如，虽然海洋由于分子的运动而具有丰富的能量，但只有当热量从海洋流到更冷的物质时这些能量才能转化为功。在当时，这并不是一个现实的解决方案，因此海洋的大部分能量几乎没有机会被提取出来。

热力学第二定律意味着随着时间的推移，自然过程的效率会越来越低，因为任何在热储层和冷储层之间交换热量的过程最终都会使它们的温度趋于相等。也就是说，它们的熵趋于上升。最终，当两者温度趋于平衡，达到热平衡状态时，这个过程就不再做功。

另一种表述第二定律的方式是封闭系统自然趋向于热平衡。这种行为定义了一个不同的时间箭头。如果你把冰块放在一杯热茶里，你会观察到温度的平衡，从而得到一杯微温的茶;但你永远不会看到一块冰从微温的茶中自发地冒出来，把自己的能量让给液体，让微温的茶变得热气腾腾。如果你看到一部剧情这么奇怪的电影，你就会正确地得出结论：它是在倒放。就这样，第二定律规定了时间有一个明确的方向：它是线性的，而不是周期性的。

克劳修斯的结论针对的是封闭系统，比如引擎。但是如果对于宇宙本身来说呢?1852年，英国物理学家开尔文勋爵(Lord Kelvin)提出，一旦宇宙中所有的恒星都燃烧殆尽，宇宙作为一个整体最终将达到一个热平衡的状态。一旦达到这种“热死”的状态，太空中的任何地方都不会再有功发生。

在当时，没有人知道为恒星提供动力的核聚变过程，因此人们对恒星寿命的估计比现在要低得多——并且即将到来的“热死”也确实非常令人可怕。而今天，我们知道恒星可以发光几十亿年，即使在它们消亡之后，恒星仍然会留下一些遗迹，比如白矮星、中子星和黑洞，它们以不同的速率散发着辐射(无可否认，黑洞的辐射极其缓慢)。然而，最终(在一个比开尔文勋爵预想要长得多的时间范围内)如果宇宙继续按照它一贯的方式来运行的话，它将达到一种静止状态。换句话说，熵不递减的时间箭头似乎是宇宙通用的。

在当代仪器和方法的帮助下，现代科学正在努力地尝试解开时间的本质。对于补充了非递减熵定律的时间箭头，现代科学发现了理解它的新方法。20世纪20年代，美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)等人证明，宇宙正在膨胀。这一事实表明，宇宙时间正在向前推进，与宇宙的发展步调一致。

20世纪90年代，几个天文学家团队的发现表明，宇宙的膨胀正在加速，这显然是由一种未被观测到的、名为暗能量的实体所导致的。在一些理论中，暗能量被认为是随着时间的推移而增强的。最终，这种暗能量将会变得非常强大，以至于它会压倒自然界中的所有其他力量，并在宇宙“热死”之前，把宇宙的结构撕裂，这种状态被称为大撕裂。

大多数科学家认为，宇宙膨胀是不可逆的。但少数科学家，如新泽西州普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特，安大略省圆周理论物理研究所的尼尔·图罗克和牛津大学的罗杰·彭罗斯都设想过宇宙重新开始周期的可能方式。他们的每一个模型都处于高度假设的情况。斯坦哈特和图罗克的方法被称为“循环宇宙”，描绘了三维空间与另一个三维空间在更高维度(建立在一定的理论模型中)上的周期性碰撞——就像两片面包啪的一声合在一起形成一个三明治一样。每一次高维碰撞都会产生一次能量大爆炸，这种爆炸会抹去上一个周期的所有证据。彭罗斯的观点则被称为“共形循环宇宙学”，其中涉及一种特殊的数学变换，称为保角映射，它将宇宙的开始和结束像莫比乌斯带一样扭曲在一起。

宇宙微波背景辐射(CMB)的观测和分析被证明是理解宇宙学的一种重要方法。宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸38万年后发射出来的残余辐射，在整个宇宙中，各个点的辐射温度略有不同。通过对宇宙微波背景辐射(CMB)的温度分布应用强大的统计方法，这种微小的波动产生了有关空间和时间本质的宝贵数据。

首先，经过分析的数据帮助天体物理学家更精确地确定了宇宙的年龄和几何形状。科学家们现在正在研究宇宙微波背景辐射，寻找早前宇宙周期的线索，以及宇宙不同区域间的原始碰撞留下的伤痕。如果我们发现到这种伤痕，它们将会为“泡泡宇宙”模型提供可信的证据，该模型认为，目前可观测的宇宙是由无数其它膨胀空间的泡泡组成的。每一个气泡都成长为它自己所在的宇宙区域，包括我们现在所看到的在我们附近的区域。因此，与一次大爆炸不同，在条件合适的地方，宇宙泡沫可能会同时产生无数次爆炸。这种原始碰撞留下的伤痕将会为这种理论提供证据，证明我们这一片宇宙并不孤单。

在量子物理的亚原子领域，研究人员曾经认为，所有的过程在时间上都是完全可逆的，比如电子相互之间的散射，无论散射是向前还是向后，看起来都是一样的。然而，在1964年，美国物理学家詹姆斯·克罗宁(James Cronin)和瓦尔·费奇(Val Fitch)证明，在极少数情况下，基本粒子(称为中性介子)的某些衰变模式违反了一种被称为荷宇称或CP的条件，即相当于时间对称性。

简而言之这意味着，如果在相互作用中交换所有粒子的电荷(从正到负，反之亦然)和在空间上逆转这个过程(就像是反映在镜子里一样)，结果会类似于最初的相互作用——只不过在时间上这个过程会被逆转。在这样的转换之后，一个负电子往右向一个正质子移动，看起来就像一个正正电子(电子的反物质对应物)往左向一个负反质子移动一样。如果将后一个过程在时间上倒过来，你会看到正电子和反质子会相互吸引，这是完全合理的过程。在时间上无论是向前还是向后，过程都同样合理。

但是，如果对Cronin和Fitch的K中介子(在这种情况下，则是一个衰变过程)尝试相同的步骤，你将看到时间向前和时间向后这两个过程的可能性之间存在的差异。也就是说，一个比另一个更常见。大自然，即使是在最本质的地方，可能也偏爱单一的时间方向。

我们在自然界中观察到的时间方向(熵的增长、宇宙的膨胀和粒子物理学中的某些物理过程)使得人类事件在时间中重现的可能性极小。就我们所知，宇宙正在老化;尼采的永恒再现理论似乎与世界的基本原理相矛盾。而另一方面，如果宇宙在太空中是无限的，那么在数不清的光年之外，仍有可能存在与地球几乎相同的行星。假如我们设想一个无限的宇宙，世界在空间上的重复可能仅仅只是偶然的，也许在其中一颗与地球相似、但由于距离太远我们永远都无法观察的行星上，另外一个布朗基正在呼吸着自由的空气。