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帜研缘恼秸蚬ひ导际醯乃ノ⒒崾刮颐俏拿魃缁嵬杲幔敲凑飧黾际跷拿骺赡艹中喑さ氖奔洌刮颐悄芄缓陀行巳し⒊鲂藕拧Ａ硪桓鲆蛩厥且豢判行悄芄蝗酶丛邮视ο低吃葑。ɡ缛死嘧≡诘厍颍┑母怕省Ｕ饫镉行矶辔⒚畹目悸强赡芑岵艉辖矗纾寤葑龋℉arold Morowitz），他研究地球大气中的前生命时期的化学反应，这些反应为产生生命提供条件。他认为有一些非常严格的条件，才使这些反应得以发生。但另外一些专家，却并不像他那样确定。为了取代有些可怕的“人择原理”，在给出基本粒子的基本理论和宇宙初始量子态后，我们在理论科学上似乎面临一系列有趣而又颇常见的问题，如复杂适应系统在不同历史分枝和不同时间地点演化所必需的条件。初始条件的作用
我们已经几次谈到初始条件的作用，初始条件将有序输入早期宇宙，使后续的演化（首先是银河、恒星、行星等天体，而后是复杂适应系统）得以发生。我们还讨论过初始条件最有戏剧性的一个结果，即时间恒定地穿过宇宙向前流驶。下面我们更详细地揭示时间的流动。第十五章 时间之箭——向前和向后的时间
我们回忆一下陨星穿过大气和落到地面上的情形。有一个影片把整个事件的顺序倒转过来，我们立即知道时间被颠倒了。我们知道，时间单向性的基本原因是在1010～1。5×1010 年以前，宇宙处于一种非常特殊的状态。我们顺着时间朝简单的组态看去，则我们正在思考所谓的过去（past）；我们朝另一个方向看去，则我们正注视伸向远处的未来（future）。初始态（即大爆炸的时刻）的致密性并没有充分描述出它的简单性。宇宙学家们认为有可能，甚至很可能，在未来遥远得几乎不可思议的时刻，宇宙将再次坍缩成非常小的结构。但是，即使这样，宇宙的结构与过去存在过的致密态十分不同。当再坍缩时，宇宙不会按膨胀的逆方向运动。宇宙膨胀和收缩彼此对称的观念，被霍金认为是他的“最大的错误”（greatestmistake）。辐射和记录
时间向前和向后是不同的，这一点很容易用许多方法确认。例如，热的物体如恒星和银河向外辐射能量，辐射能量最熟悉的形式是辐射光子——如光、无线电波、γ射线，正是由它们才出现了光学天文学、无线电天文学和γ射线天文学等等。除了观测光子以外，中微子天文学正在崛起，而且将来有一天我们会有引力波天文学。这都是建立在探测向外辐射能流的基础上，其能流形式或为波，或为粒子。同样，当我们看见从火里或电灯泡里射出的光，我们的眼睛就正探测到辐射的光子流。如果时间逆转，以上情形中的能将向光源流进去。流出的能流可以携带信号；如果一颗恒星变为一颗超新星，它会突然非常亮那么一会儿，这个信息，以光速向外传送。
过去和未来的另一个差别是过去的事有记录，例如，在很久很久以前当辐射核衰变时会辐射出带电粒子，而这将在云母上留下踪迹。而未来的衰变则明显没有记录。过去和未来的不对称性是如此的明显，因此我们不必详细讨论它。
人类利用辐射送出的信号和记录，知道过去。我们甚至自己制造和保留记录，但是，信号和记录的存在一般完全不依赖于复杂适应系统（如利用它们的人类）的存在。初始条件和因果关系
信号和记录的时间不对称性部分缘于物理学的因果关系，这是一个结果跟随它们的原因的原理。物理学的因果关系可以直接追溯到宇宙的一个简单的初始条件的存在。
可以得到宇宙可供选择的概率的物理量D，它的量子力学形式已经包含了过去和未来的不对称性。在对应于我们称之为过去的一端，它包含了对宇宙一个量子态的一个详细说明，我们称之为初始条件。在另一端对应于遥远的未来，包含了对宇宙所有可能态的一个求和。这个求出的和，可以描述为一个与遥远未来的宇宙状态完全无关的条件。如果初始条件也是完全无关中的一个，那就没有因果关系和没有那么多的历史。但情形恰好相反，初始条件是特殊和单独的一个。也许它正是哈特尔和霍金描述的那一个，它除了约束基本粒子系统的动力学定规以外，不需要任何信息。
如果未来的条件并不是完全无关的那一个，违背因果关系的事就会出现，一些用“过去”这个词无法解释（或至少极不可能解释）的事件也会出现，但是，却仍然需要（或近乎需要）对未来作详细描述的条件。当宇宙年龄增加时，这样的事件就越来越多。在这样一种情形下没有反映宿命论的证据，却有相当多的证据反对宿命论；因此，在没有任何可信的新论据的情形下，我们可以不考虑这种可能性，即未来的条件决不是无关的一种。但是，当把它归入到科学幻想和迷信时，我们仍然可以把未来的一个特殊的条件，看成是一个有趣的与事实矛盾的案例，与我们坚决相信是正确的因果情形形成鲜明对比。
从历史概率的基本量子力学公式出发，加上一个适当的初始条件，有可能推演出所有熟悉的因果关系，如信号和记录，它们从过去指向未来。所有的时间之箭对应于宇宙粗粒化历史的不同特性，而公式则显示出所有这些箭指向未来的倾向，而不是指向过去的任何地方。熵和第二定律
在区分过去和未来的时间之箭中，有一个最著名的箭是称为熵（entropy）的量在一个封闭系统里有增加的趋向（至少不会增加），这个原理就是人们熟知的热力学第二定律。（按一位老年物理学家说的笑话，热力学第一定律说你不能获胜，而第二定律说你不能不输不赢。两个定律都挫败想发明永动机的人。）第一定律只是说能量是守恒的：一个封闭系统的总能量总是一样。第二定律要求熵增加（或不变），这就有些难以理解，但其实熵在我们日常生活中是非常熟悉的一种概念。它是无序性的一种量度，谁不知道在一个封闭系统里无序性趋向于增加？如果你整个下午坐在桌子旁把分币按年代分类，或把钉子按大小分类，后来什么东西把桌子弄翻了，这些不同的分币或钉子绝对会混在一起，不是吗？如果一个盒子被一个隔层分成两部分，左边的部分放入氧气，右边的部分放入等量的氮气。抽掉隔板后，两部分的气体将立即混到一起，不是吗？
对以上现象的解释是，分币或钉子混在一起的方式多于它们分开的方式；同样，氧气和氮气混合在一起的方式要多于它们分离的方式。这儿机会在起作用，在一个封闭系统里，有序向无序运动的可能性要大得多。微观态和宏观态
这些可能性如何计算呢？在一个完全封闭的系统里，可精确地描述出大量的态，我们常称之为微观态（microstate）。在量子力学里，这就是系统可能的量子态。这些微观态根据粗粒化区分的不同性质，分类聚集到一块儿（有时可称之为宏观态）。在一给定宏观态中的微观态可以看成是彼此等价的，所以我们只关心微观态的数目。
还是以盒子为例。抽掉隔板后，两部分等量的氮气和氧气开始运动。现在，所有氮、氧气分子可能的微观态都聚集而形成这样的一些宏观态：盒子右边的氮气少于10％，而右边的氧气少于10％；含量各少于10％～20％；20％～30％；等等。两边气体各占40％～50％（或50％～60％）的宏观态是最常见的微观态分布。这显然也是最无序的宏观态，在这种情形下气体在最大限度上混合在一起。
实际上，在一个封闭系统处于某一特定宏观态有不同的计数方法，这与熵的专门定义有密切关系（玻尔兹曼常数是最方便的测量单位）。粗略地讲，一个给定宏观态的系统的熵是信息的总量，它应该详细描述处于这种宏观态中的一个微观态，这些微观态我们都看成完全相同。
“20 个问题的游戏”如果玩得很彻底，那么，除去野兽、蔬菜或者矿物是否为未知以外，我们还可以得到20 比特的信息。20 比特相当于需要区别1048676 个不同的信息，即有220 种可能的选择方案。同样， 3 比特为8 种可能性，因为8=23；4 比特为16 种可能性；5 比特为32 种可能性，等等。如果可能性在16 和32 之间，则比特数在4 和5 之间。这样，如果宏观态中微观态的数目是32，那么这个宏观系统的熵是5个单位；如果微观态数为16，则熵是4 个单位，等等。熵就像是无知熵和信息有紧密的关系。事实上，熵可以看作是一种无知的度量。当我们知道的只是一个系统处于一个给定的宏观态，这宏观态的熵测量有关微观系统无知的程度，其方法是对需要详细阐述附加信息的比特进行计数，而且如以前所说，宏观态中的所有微？态出现的概率都看成是同样的。现在我们假定不处于一个确定的宏观态，而是以不同的概率占据不同的宏观态。那么，宏观态的熵则根据它们各自的概率求出平均值。另外，熵还有另外的功能，从信息的比特数，熵将引出固定宏观态。这样，熵可以认为是一个宏观态内对微观态无知的平均，加上对宏观态自身的无知。详细的阐述相应于有序，而无知则相应于无序。热力学第二定律仅仅告诉我们，一个低熵（相当高的无序性）封闭系统（在其他情形相同时）在一个相当长的时间里，将会向较高的熵运动（即更加无序）。既然产生无序的方法多于有序，所以运动的趋势是指向无序。最终的解释：过去的有序性
有一个更深刻的问题是，为什么同样的论证不能用到时间逆转的方向？为什么一个系统的电影胶片倒转时，不能显示它向可能的无序性运动，而只能向有序运动？这个问题的最终解释在于几十亿年以前宇宙开始膨胀时简单的初始条件，这与量子力学概率公式中应用到遥远未来无