宇宙中真的存在另一個自己嗎?時間是一條線還是一個圓?

海風肆虐著布列塔尼的海岸，一塊小小的石頭在海岸上掉了下來。法國革命家路易斯-奧古斯特·布朗基(Louis-Auguste Blanqui)被囚禁在託羅(Taureau)的堡壘裡，他因為其在社會主義運動(這場運動最後導致了1871年的巴黎公社起義)中所扮演的角色而被捕，他凝視著星空，當他這樣做的時候，他從其他世界的可能性中找到了一絲安慰。他在《 Eternity by the Stars》中寫道，雖然在地球上的生命是短暫的，但我們可以在其他的地方尋求安慰，在某個地方有著無數個地球，這些地球上都充滿著與我們這個地球相似的生物;所有的事件，他說，「不管是發生了或者還沒有發生的，在我們的地球消亡之前，都以完全相同的方式在其他無數的地球上發生。」在這些遙遠的世界上，某些靈魂也可能被囚禁在監獄裡了嗎?也許吧。但布朗基希望，通過一些偶然的突變，那些在地球上坐著冤獄的人有可能會在其他世界獲得自由。

布朗基這個關於複製世界的設想似乎太過異想天開，也許是由於長期的牢獄而產生的一種一廂情願的想法。然而，這個想法反映了一個至今仍困擾著物理學家和宇宙學家的古老難題。宇宙會在空間或者時間中重複自己嗎?還是我們只會不停地向前奔騰，永遠都不會重複當下這個時刻或當下發生的事情，永遠都不會走回頭路?

按照布朗基的設想，人類歷史會在空間中自我複製，而按照19世紀的德國哲學家弗裡德裡希•尼採(Friedrich Nietzsche)的設想，這種重複發生在時間中。他稱之為「永恆的輪迴」，也稱「永恆的回歸」。在浮誇和深深的沮喪之間搖擺不定的尼採，為自己的這個「發現」而感到自豪：他和世界上的其他人，將永遠重複地過著一樣的生活。不過這未必是值得慶祝的事情。他在1882年出版的《快樂的科學》(Gay Science)一書中寫道：「如果在某天或者某個晚上，一個惡魔尾隨著你，進入你內心最孤獨的境地，並對你說：『你現在過的這種生活，過去的你已經經歷過，但你將不得不再多經歷一次，兩次，無數次，而且這種生活不會與上一次有任何的不同，所有的痛苦、所有的快樂、所有的思想所有的嘆息都一模一樣。』」但儘管如此，這種穿越萬古回到地球的永生，在某種程度上也不失為對不得不重新體驗憂鬱、疾病和絕望的恐懼的一種補償。

布朗基和尼採的想法，至少有部分歸功於牛頓的運動定律和機械能守恆定律。這些原理展示了控制物體加速度的引力是如何將行星引導到圍繞太陽的軌道上的。1814年，法國科學家皮埃爾-西蒙•拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)證明，應用於封閉系統的牛頓物理學，可以讓你近乎完美地預測接下來會發生什麼。拉普拉斯在1814年發表的《 A Philosophical Essay on Probabilities》中寫道，我們可以把宇宙的當前狀態看作是過去的結果，也是未來的原因。拉普拉斯說，如果你能完全了解適用於「宇宙中最大的物體和最小的原子物體」的位置、速度和力，那麼對於這樣的你來說，沒有什麼是不確定的，未來就像過去一樣展現在現在的眼前。」

然而，這種決定論卻自食其果。在牛頓物理學中，空間是一個物體運動的靜態場所。但假設這些物體本身是由有限數量和多種成分組成的(例如，任何一塊冰都是由氫原子和氧原子構成的)，如果有足夠的時間的話，成分的可能組合必然會在時間和空間上重複。

這種情況有點像一盤沒完沒了的圈叉棋。因為有一個有限的場所(九宮格)和有限數量的元素(零和叉)，最終任何給定的結果都一定會重新出現。當然，任何一個空間區域都會比圈叉棋擁有多得多的組成部分，但這一原則仍然成立：時間周期或空間重複可能會被無序地分散，但機會重組依然將使它們不可避免地發生。

機械能守恆直接遵循牛頓定律。而這條定律指出，在沒有摩擦和空氣阻力的情況下，能量可以自由地從一種勢能(物體保持在某一位置的能量)轉換為另一種動能(運動的能量)。這是一種自然的能量循環方式。所以驅動落地鐘的鐘擺會來回擺動，在擺動過程中一遍又一遍地把擺杆最高點的勢能，轉變成擺杆最低點的動能。(當然了，在現實生活中，除非受到外部重啟的作用，空氣阻力會逐漸減緩這個過程。)月球在繞地軌道上的相對穩定運動就證明了守恆定律所產生的規律性和重複性。

這樣的話科學就可以和某種神秘主義攜手合作。布朗基和尼採都是唯物主義者，他們認為人類的思想和感情只是化學機制的副產品，一切事物都是由原子構成的，包括製造靈魂幻象的那些機制。因此，他們相信物理循環將不可避免地導致思想和情感的重現。

唯物主義與原子主義是緊密聯繫在一起的，原子主義認為一切事物都是由有限的不可分解的組成部分組成的。最早的原子學家是古希臘的留基伯(Leucippus)和他的門徒德謨克利特(Democritus)，他們都生活在公元前5世紀。雖然一些古代哲學家信奉原子論，但他們對時間是循環往復的這一觀點有更強烈的共識。然而，與尼採的永恆輪迴不同的是，經典的循環觀並沒有那麼精確。在大多數版本中，人類的生命不會完全重現。相反，一般的歷史(人類和宇宙的歷史)都將經歷創造和毀滅的無盡循環，就像一個命運的巨輪一樣。許多古人認為，地球文明會從過去社會的灰燼中上升，上升到權力和財富的黃金時代，最後走向頹廢，陷入災難，最終被其他崛起中的文明所取代。

以公元前5世紀著名哲學家恩培多克勒斯的觀點為例。他認為，除了四大經典元素之外，世界是兩種基本力量的混合體：愛和衝突。愛是一種吸引的力量，它能使各種元素和諧相處，而衝突則會使它們分裂。恩培多克勒斯說，歷史在愛佔主導地位的時代、衝突佔主導地位的時代、以及愛與衝突等量混合的中間時代循環往復。

在後來的幾個世紀裡，繪製周期圖在觀測天文學中發揮了關鍵作用(天文學是古代世界為數不多的精確科學之一)。天文學家們以一種不可思議的能力給他們的君主們留下了深刻的印象，這種能力就是能夠預測天上的行星和恆星在它們路徑上的位置。他們能夠預測日蝕和行星連珠(當兩個或更多的行星排成一線時)等天體事件。由於有這樣的預測能力，統治者認為他們是先賢，並向他們尋求個人建議(什麼時候是開戰的最佳時間，舉行婚禮的黃道吉日又是哪天)以及星體的預測。就這樣，把天體知識和人類的建議結合起來的這種偽科學，佔星學就這樣誕生了。

季節、植物的生長周期、動物的遷徙，都使古代的人們把周期看作是至關重要的性質

柏拉圖堅定地相信不精確循環歷史的概念，他認為這與星體間的事件(如行星連珠)是密切相關的。他相信圓圈是神的完美象徵，認為每一個過程最終都會回到起點。歷史將在黃金時代和災難時代中循環往復。他認為，終極的周期是大年(又稱柏拉圖年)，在大年這一年，水星到土星(儘管這還不包括太陽和月亮)這五顆當時已知的行星將會在天空中整齊地排成一線。

古代世界的許多其他文化都相信並不總是嚴格重複的周期性時間安排，作為狩獵採集者或農業群落，巴比倫人、古代中國人、瑪雅人、早期印度人和許多美洲土著社會，他們必然地密切關注著自然運作的方式：季節、植物的生長周期、動物的定期遷移和冬眠。部分出於這個原因，這些民族把周期看作是歷史的一個重要組成部分，因此，死亡也成為了再生或者其他某種形式新生的開始。到頭來，沒有什麼東西被真正摧毀過;腐爛的土壤總會孕育出新的生命。

不過並不是每個人都信奉這樣的教條。古代希伯來人就信奉一種更有順序的時間觀。根據他們聖經的教導，世界是在一個獨特的時刻開始的，那就是聖經創世記。人類社會同樣也在一個特定的時刻開始，就是亞當和夏娃被創造的那一刻。隨著疾病和死亡的迫近，聖經中「人類的墮落」的故事成為了時間方向現實的縮影。人類與神之間不斷變化的關係以新律法的啟示為標誌，如《十誡》。這些事件表明，歷史是一條穩定的河流，從人類的墮落一直流到世界末日。基督徒和穆斯林都將這些神聖啟示的概念融入了他們的信仰中，這導致了類似的遵循原罪和救贖順序的年表。因此，亞伯拉罕宗教的神學世界觀為時間設定了一個不斷向前的性質，重複的可能性為零。

直到19世紀初，物理學才規定時間沒有特定的方向。例如，牛頓定律無論是向前或者向後，運行都完全相同——這意味著，原則上，機器應該能夠永遠運行下去。在工業革命的鼎盛時期，製造商希望通過製造完美無瑕的發動機來達到這種完美的效率，這種發動機不會因為摩擦和熱量而損失能量。某個足夠聰明的發明家肯定能消除這種浪費的吧?與此同時，鐵路和工廠的崛起要求更精確的計時、標準化的機械和更快的生活節奏。這幾乎就好像歷史必然是向前和向上，朝著進步和精確前進的——永遠都不會後退。

然而，在追求完美效率的過程中，浪費仍然是一個揮之不去的問題。法國物理學家薩迪·卡諾(Sadi Carnot)在其影響深遠的著作《Reflection on The Motive Power of Fire》中論述了永動機的問題。他考慮了蒸汽機的工作原理：一種在獨立加熱和得以冷卻的過程中，利用水的膨脹和壓縮來驅動活塞上下運動的裝置。連接在移動活塞上的連杆通常與曲柄或車輪(如機車的驅動輪)相連，進而使曲柄或車輪運動。這使得引擎可以做功(功是一個力把物體從一點移動到另一點的能力的計算單位)。

蒸汽機從冷盆裡取水，在鍋爐裡加熱，然後把熱水和蒸汽排到熱盆裡，讓熱水和蒸汽冷卻。

卡諾發現，冷熱盆之間的溫差越大，發動機所做的功就越大。然而，在這個過程中無可避免地會有大量的能源浪費。換句話說，不管設計師有多聰明，他或者她永遠都不可能開發出一臺完美高效的機器：總會有一些無法使用的能量，並且隨著時間的推移會逐漸增加。

19世紀50年代和60年代，德國物理學家魯道夫·克勞修斯(Rudolf Clausius)將卡諾關於能量浪費的結果歸納為熱力學第二定律，也稱為非減熵定律。熵衡量的是任何系統中有多少能量不能做功。例如，汽車尾氣散發到大氣中的熱量不能被收集起來給摩託車提供動力。隨著時間的推移，第二定律廣義地表明，熵的總量必須自然地增加，或者至少會保持不變，但它永遠不會減少。熵與溫度差成反比，熱量會自然地從熱的儲層流向冷的儲層，並且可能在這個過程中做功(比如驅動渦輪)。因此，明顯的溫差符合高效、低熵的情況。

而另一方面，如果系統各部件之間沒有溫差，也就是熱平衡，那麼系統就不能做功。因此，熵會變得非常大。例如，雖然海洋由於分子的運動而具有豐富的能量，但只有當熱量從海洋流到更冷的物質時這些能量才能轉化為功。在當時，這並不是一個現實的解決方案，因此海洋的大部分能量幾乎沒有機會被提取出來。

熱力學第二定律意味著隨著時間的推移，自然過程的效率會越來越低，因為任何在熱儲層和冷儲層之間交換熱量的過程最終都會使它們的溫度趨於相等。也就是說，它們的熵趨於上升。最終，當兩者溫度趨於平衡，達到熱平衡狀態時，這個過程就不再做功。

另一種表述第二定律的方式是封閉系統自然趨向於熱平衡。這種行為定義了一個不同的時間箭頭。如果你把冰塊放在一杯熱茶裡，你會觀察到溫度的平衡，從而得到一杯微溫的茶;但你永遠不會看到一塊冰從微溫的茶中自發地冒出來，把自己的能量讓給液體，讓微溫的茶變得熱氣騰騰。如果你看到一部劇情這麼奇怪的電影，你就會正確地得出結論：它是在倒放。就這樣，第二定律規定了時間有一個明確的方向：它是線性的，而不是周期性的。

克勞修斯的結論針對的是封閉系統，比如引擎。但是如果對於宇宙本身來說呢?1852年，英國物理學家開爾文勳爵(Lord Kelvin)提出，一旦宇宙中所有的恆星都燃燒殆盡，宇宙作為一個整體最終將達到一個熱平衡的狀態。一旦達到這種「熱死」的狀態，太空中的任何地方都不會再有功發生。

在當時，沒有人知道為恆星提供動力的核聚變過程，因此人們對恆星壽命的估計比現在要低得多——並且即將到來的「熱死」也確實非常令人可怕。而今天，我們知道恆星可以發光幾十億年，即使在它們消亡之後，恆星仍然會留下一些遺蹟，比如白矮星、中子星和黑洞，它們以不同的速率散發著輻射(無可否認，黑洞的輻射極其緩慢)。然而，最終(在一個比開爾文勳爵預想要長得多的時間範圍內)如果宇宙繼續按照它一貫的方式來運行的話，它將達到一種靜止狀態。換句話說，熵不遞減的時間箭頭似乎是宇宙通用的。

在當代儀器和方法的幫助下，現代科學正在努力地嘗試解開時間的本質。對於補充了非遞減熵定律的時間箭頭，現代科學發現了理解它的新方法。20世紀20年代，美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)等人證明，宇宙正在膨脹。這一事實表明，宇宙時間正在向前推進，與宇宙的發展步調一致。

20世紀90年代，幾個天文學家團隊的發現表明，宇宙的膨脹正在加速，這顯然是由一種未被觀測到的、名為暗能量的實體所導致的。在一些理論中，暗能量被認為是隨著時間的推移而增強的。最終，這種暗能量將會變得非常強大，以至於它會壓倒自然界中的所有其他力量，並在宇宙「熱死」之前，把宇宙的結構撕裂，這種狀態被稱為大撕裂。

大多數科學家認為，宇宙膨脹是不可逆的。但少數科學家，如新澤西州普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特，安大略省圓周理論物理研究所的尼爾·圖羅克和牛津大學的羅傑·彭羅斯都設想過宇宙重新開始周期的可能方式。他們的每一個模型都處於高度假設的情況。斯坦哈特和圖羅克的方法被稱為「循環宇宙」，描繪了三維空間與另一個三維空間在更高維度(建立在一定的理論模型中)上的周期性碰撞——就像兩片麵包啪的一聲合在一起形成一個三明治一樣。每一次高維碰撞都會產生一次能量大爆炸，這種爆炸會抹去上一個周期的所有證據。彭羅斯的觀點則被稱為「共形循環宇宙學」，其中涉及一種特殊的數學變換，稱為保角映射，它將宇宙的開始和結束像莫比烏斯帶一樣扭曲在一起。

宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測和分析被證明是理解宇宙學的一種重要方法。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸38萬年後發射出來的殘餘輻射，在整個宇宙中，各個點的輻射溫度略有不同。通過對宇宙微波背景輻射(CMB)的溫度分布應用強大的統計方法，這種微小的波動產生了有關空間和時間本質的寶貴數據。

首先，經過分析的數據幫助天體物理學家更精確地確定了宇宙的年齡和幾何形狀。科學家們現在正在研究宇宙微波背景輻射，尋找早前宇宙周期的線索，以及宇宙不同區域間的原始碰撞留下的傷痕。如果我們發現到這種傷痕，它們將會為「泡泡宇宙」模型提供可信的證據，該模型認為，目前可觀測的宇宙是由無數其它膨脹空間的泡泡組成的。每一個氣泡都成長為它自己所在的宇宙區域，包括我們現在所看到的在我們附近的區域。因此，與一次大爆炸不同，在條件合適的地方，宇宙泡沫可能會同時產生無數次爆炸。這種原始碰撞留下的傷痕將會為這種理論提供證據，證明我們這一片宇宙並不孤單。

在量子物理的亞原子領域，研究人員曾經認為，所有的過程在時間上都是完全可逆的，比如電子相互之間的散射，無論散射是向前還是向後，看起來都是一樣的。然而，在1964年，美國物理學家詹姆斯·克羅寧(James Cronin)和瓦爾·費奇(Val Fitch)證明，在極少數情況下，基本粒子(稱為中性介子)的某些衰變模式違反了一種被稱為荷宇稱或CP的條件，即相當於時間對稱性。

簡而言之這意味著，如果在相互作用中交換所有粒子的電荷(從正到負，反之亦然)和在空間上逆轉這個過程(就像是反映在鏡子裡一樣)，結果會類似於最初的相互作用——只不過在時間上這個過程會被逆轉。在這樣的轉換之後，一個負電子往右向一個正質子移動，看起來就像一個正正電子(電子的反物質對應物)往左向一個負反質子移動一樣。如果將後一個過程在時間上倒過來，你會看到正電子和反質子會相互吸引，這是完全合理的過程。在時間上無論是向前還是向後，過程都同樣合理。

但是，如果對Cronin和Fitch的K中介子(在這種情況下，則是一個衰變過程)嘗試相同的步驟，你將看到時間向前和時間向後這兩個過程的可能性之間存在的差異。也就是說，一個比另一個更常見。大自然，即使是在最本質的地方，可能也偏愛單一的時間方向。

我們在自然界中觀察到的時間方向(熵的增長、宇宙的膨脹和粒子物理學中的某些物理過程)使得人類事件在時間中重現的可能性極小。就我們所知，宇宙正在老化;尼採的永恆再現理論似乎與世界的基本原理相矛盾。而另一方面，如果宇宙在太空中是無限的，那麼在數不清的光年之外，仍有可能存在與地球幾乎相同的行星。假如我們設想一個無限的宇宙，世界在空間上的重複可能僅僅只是偶然的，也許在其中一顆與地球相似、但由於距離太遠我們永遠都無法觀察的行星上，另外一個布朗基正在呼吸著自由的空氣。

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