如果宇宙熵增热寂不可逆转，那曾经形成之初的有序（低熵状态）怎么来的？
然而，如果你将目光投向宇宙的开端，你看到的景象却截然相反。宇宙诞生之初，是一个何等奇特而有序的图景！那不是一个混乱、随机的混沌，而是一个密度极高、温度极高、但又异常“光滑”和“均匀”的状态。我们如今所说的“低熵”，并非意味着它已经失去了所有结构，而是说它相对于后来的复杂结构而言，其“无序性”或“可能性”更少。打个比方，一堆未切割的钻石，它比一堆已经打磨成各种形状的钻石，更“有序”——后者拥有了更多可以变化的、可能性更广的形态。
那么，这令人惊叹的初始有序，或者说低熵状态，是如何出现的呢？这个问题触及了宇宙学最前沿的研究，并且至今没有一个被普遍接受的、完全令人满意的答案。但我们可以从几个主流的理论和思考方向来深入探讨：
1. 宇宙膨胀与“量子涨落”的古老故事
我们所知的宇宙，起源于大约138亿年前的大爆炸。这并非一次发生在现有空间中的爆炸，而是空间本身的扩张，将一切都从一个极端致密、炽热的点（或者更准确地说，是一个奇点）推开。
在那个极早期，宇宙可能经历了一个被称为“暴胀”的阶段。这是一个极其短暂但极其关键的时期，宇宙以超乎想象的速度急剧膨胀。而在这个暴胀过程中，一个关键的物理机制发挥了作用：量子涨落。
即使在看似“空无一物”的真空中，也充满了微小的、随机的能量波动。这些涨落如同水面泛起的微小涟漪，在量子世界是普遍存在的。在暴胀时期，这种极速的膨胀将这些本应微不足道的量子涨落，以一种惊人的方式“放大”了。
想象一下，你有一个极其光滑的表面，但表面存在着微小的瑕疵。如果你以极快的速度拉伸这个表面，那些原本难以察觉的瑕疵，就会被拉伸成巨大的波纹。暴胀就是这样一种“拉伸”机制。
这些被放大的量子涨落，在宇宙最早期，表现为密度和引力势能的微小差异。它们是宇宙物质分布的“种子”。虽然在暴胀的极早期，宇宙整体上是异常平坦和均匀的（这意味着一个低熵状态），但这些微小的、局部的量子涨落，就是我们在如今宇宙中看到的星系、星团以及更宏大的宇宙结构形成的“蓝图”。
为什么说这是低熵？
从统计力学的角度看，低熵意味着一种“不寻常”的、可能性较低的状态。一个完全均匀、没有结构的状态，其可能的微观排列方式比一个包含大量复杂结构的宇宙要少得多。
我们可以这样理解：当宇宙从一个极其致密的奇点开始膨胀时，它内部的能量和物质虽然高度集中，但却几乎是完美均匀的。这种均匀本身，就像一个被压缩到极致的弹簧，它蕴含着巨大的能量，但它的“内部自由度”——也就是它可能存在的不同状态——相对较少。
而量子涨落，即便在那个早期，也意味着在完美均匀的表面上存在着微小的“偏差”。这些偏差，从宏观上看，是宇宙“非均匀”的起点，是产生结构的可能性。但是，从更基础的熵概念来看，一个“充满所有可能性”的无序状态（高熵）是更容易出现的，而一个“高度均匀、高度对称”的状态（低熵）反而需要一个特殊的机制来“设定”它。
2. “宇宙出生证明”中的低熵线索
我们能够观测到宇宙早期的痕迹，最直接的证据来自宇宙微波背景辐射（CMB）。CMB 是大爆炸的“余晖”，它记录了宇宙大约38万岁时的样子。CMB 的温度在各个方向上极其均匀，偏差只有十万分之一量级。这种极度的均匀性，本身就证明了宇宙早期是一个高度有序（低熵）的状态。
同时，CMB 上也精确地测量到了那些由早期量子涨落放大而形成的微小温度起伏（称为“各向异性”）。这些起伏的统计性质，与暴胀理论的预言高度吻合。它们告诉我们，宇宙最初的“不完美”，恰恰是其低熵特性的体现，并且这些“不完美”正是催生我们今天所见的复杂结构的“种子”。
3. 另一种可能性：循环宇宙模型
当然，也有一些理论模型试图从不同的角度来解释这个“初始低熵”问题，其中一个引人入胜的方向是“循环宇宙”或“周期宇宙”模型。
在这些模型中，宇宙并非只有一个起点，而是经历着一系列的扩张、收缩、反弹的循环。想象一下，一个宇宙在经历过漫长的“热寂”之后，可能进入一种非常低熵、稀疏的状态。然而，某些尚未完全理解的物理机制，可能导致这个宇宙在某种程度上“收缩”并“反弹”，重新进入一个高密度、高温度的时期，但这一次，它可能带有一些“记忆”或者“重塑”的痕迹，从而又以一个相对有序的状态开始新的循环。
这种模型试图回避“无中生有”的低熵问题，而是将其解释为前一个宇宙的“遗留”或者“重组”。但这些模型在数学上和物理上都面临着巨大的挑战，例如如何解释每一次循环的“重置”以及如何避免熵在每一次循环中累积而无法重新获得低熵。
4. “宇宙的初始条件”：一个尚未解答的谜团
目前，最被广泛接受的解释仍然是，宇宙的低熵初始条件本身，就是宇宙论中的一个“初始条件”，或者说是一个基本事实。正如我们无法解释为什么我们存在于这个物理定律下一样，我们也无法完全解释为什么宇宙从一个如此“光滑”、“均匀”且“充满可能性”的状态开始。
一些理论物理学家将其归因于我们理解宇宙的局限性。也许在我们目前的理论框架之外，存在着我们尚未掌握的物理原理，能够自然而然地导致宇宙在诞生之初就处于这样一个低熵状态。
总结一下，宇宙初期的低熵状态，可以理解为：
极端均匀性： 宇宙诞生之初，物质和能量的分布异常均匀，几乎没有显著的密度或温度差异。
量子涨落的放大： 在宇宙极早期经历的暴胀阶段，这些微小的、固有的量子不确定性被急剧放大，形成了后来结构形成的“种子”。
“可能性”的限制： 相对于一个充满无限复杂结构和随机性的高熵宇宙，这个初始的、均匀的状态，其“微观状态”的可能性实际上是更少的，因此被认为是低熵的。
所以，我们今天所见证的宇宙，从一个极其“有序”（均匀、光滑）的状态开始，随着时间的推移，在引力的作用下，那些早期的微小涨落被放大，形成了恒星、星系、星系团，物质变得更加分散，但局部区域的复杂性大大增加。这个过程，是第二定律指引下的熵增过程，但它的起点，却是一个令人难以置信的、仿佛被精心“设定”过的低熵状态。
这个“设定”是如何发生的，仍然是宇宙学中最深刻、最迷人的未解之谜之一，它促使我们不断探索更深层次的物理规律，试图理解宇宙最开始的“呼吸”。
网友意见
居然在知乎上被问到了罗杰·彭罗斯所谓“物理学上最大的谜”（出自《宇宙新物理学中的时尚、信仰和幻想》）
1 初始熵问题
首先来看宇宙初始低熵的假设是否成立。
按照热力学第二定律，宇宙的熵是始终增加的，这也就是常说的热力学时间箭头。由此自然可以倒推得到诞生之初宇宙的熵是很低的，这在物理学里被称为过去假设。
但是，现在观察到的宇宙微波背景辐射在平均温度2.7K左右上下浮动只有十万分之一，非常接近于稳定态黑体辐射波谱，这显示宇宙在形成之初是很接近于热和化学平衡、熵达到最高值的状态。这一矛盾即彭罗斯所谓的“最大谜团”，被称为初始熵问题
2 引力熵
彭罗斯本人于1979年对这一问题提出了解决的方案。在人们熟悉的热力学熵之上引入了引力熵的概念。
在热力学主导的系统内，当粒子高度集中时，系统熵很低，随着粒子逐渐均匀扩散开来，热力熵也越来越高，这和我们最常理解的熵切合。彭罗斯提出在引力主导的系统内，情况正好相反，当物质均匀分布时，引力熵是最低的，但是随着物质越来越集中，引力熵就会越来越高，最终黑洞的引力熵是极为巨大的。后来，霍金证明同等大小的物体中，没有物质的熵可以比黑洞大。所以现在宇宙中虽然存在大量有序的星系、恒星、行星乃至低熵体生命，但这些在质量上来说不过是九牛一毛。宇宙整体熵的最大贡献者就是大量的超巨黑洞。目前尚未发现能完整表达引力熵演变的方程。
回到初始熵问题，引入引力熵后，这个矛盾就很好解释了。微波背景辐射最大熵只是热力熵的理论极限，实际上加入引力熵后熵的最大值会显著提高（注意熵是否会有最大值，即热寂说是否成立在物理学中还很有争议，不过在此不做讨论），那么实际演化变为下图。
3 为什么宇宙初始是低熵态？
解释了初始熵理论之后，问题就变成了为什么宇宙初始的熵这么低？现在比较流行的有两套理论。
3.1 暴胀理论
内事不决问波函，外事不决问暴胀
说句玩笑话，在量子物理中，凡是反常识搞不懂的东西，大多都用波函数暴力计算诠释。而在宇宙学里，凡是说不清楚的东西也大多可以一律丢锅给大暴胀。大概模式是：“暴胀时期内现有物理学不适用……所以如何如何……”
当然，我们对于暴胀理论的认识在最近几十年有很大的增长，它也从1980年发明以来从一个边缘理论逐渐变成了物理界的主流认识，但是对于暴胀的理解今天还很初步，特别是其中的再加热步骤。根据这一理论预测，在暴胀时期再加热步骤大量能量在空间形成均匀的相对论粒子，产生极低的引力熵初始态。讽刺的是，彭罗斯本人是拒绝接受暴胀论的。
暴胀理论的最大问题在于它并没有完全回答问题，因为暴胀发生需要高度特定的宇宙初始参数。人们完全可以接着问，为什么宇宙初始参数这么“不自然”，正好触发暴胀形成极低引力熵初始状态？因此，有些物理学家提出了一个更为“自然”的理论。
3.2 平衡态波动
在后波美拉尼亚有座钻石山，这座山有两英里高，两英里宽，两英里深；每隔一百年有一只鸟飞来，用它的嘴来啄山，等整个山都被啄掉时，永恒的第一秒就结束了
平衡态理论最早来源于鼎鼎大名的玻尔兹曼，他提出宇宙不过是在熵已经达到最大的背景之下昙花一现的局部低熵波动。
举个例子，房间里所有的空气分子都在随机移动，会不会所有分子都正好移到房间左半，而右半变为真空呢？当然，这样的几率极低，低到不可估计。但是如果给予无穷无尽的时间会怎样？会不会有那么一瞬间这样的情况发生了？从统计学的角度来看只要时间无限，不为零几率的事件发生的概率总会趋于一，而熵只不过是概率的另一种说法罢了。
这么看来，宇宙一直以最高熵的状态处于热寂，但是随机的波动无处不在。在某个瞬间，在宇宙的某个局部，熵随机浮动到较低的状态，并很快恢复到最高熵的常态。那个瞬间、那个局部就是我们所能理解的全部“宇宙”。
当然，这个理论自从提出后就受到很多质疑。鼎鼎大名的费曼和保罗·戴维斯都曾亲自表示过不同意这一观点。
这一理论最大的问题在于它有很强的人择论意味。原则上，只要波动制造出足够一个太阳系容身的泡沫，那么里面就可以演化出人类并提出初始低熵疑问。而我们今天提出这个疑问时能够观测到的宇宙是非常浩瀚的，而且到目前还没有发现宇宙结构上不同的“背景”区域。那么我们是不是很“幸运”地正好生活在一个非常大尺度的波动内呢？因为在平衡态周围随机产生小波动的概率比大波动的概率要大得多得多，我们正好处于这样一个大波动中从概率上来说实在是太碰巧了。
到底哪一种假说才是正确的？现在当然还无从知晓，关键可能还在高能粒子物理中，如果我们能更好地理解普朗克尺度下的物理学，也许能对暴胀模型提出更全面的解释，并稍稍推开宇宙起源的门。
我记得之前在知乎看过有篇科普，大概内容是某些类型的量子纠缠结构可以“驱动”局部的熵减少，一但有一个生成就可以阻止全面热寂，而其生成几乎是必然的。但是刚才找了找，找不到原文章了。。记不清是不是 @傅铁强 @qfzklm @贾明子 三位大神谁写的。不过我也觉得从量子纠缠的方面去解释宇宙整体的熵的问题本身就太数学，难以预测出可验证的现象，不太靠谱。
我个人也觉得，如果宇宙早期涨落刚好生成了某种近平衡的偏态结构，而这个结构可以驱动例如暴胀这样现象的发生，那么从这个近平衡结构开始完全可能自发扩大为像我们所在可观测宇宙这样远平衡的大尺度结构。
霍金大神去世前最后一篇论文中与合作者提出认为宇宙早期的一些物理量可以被证明是不受随机涨落影响的，而是在某种物理性的规律下被确定的，永恒暴胀产生的不同区域的物理参数应该是相似的，从而可以否定弱人择原理而把哥白尼原理宇宙在物理定律上的各向同性扩大到暴胀前的宇宙，如果霍金这个假设可以被验证，或许从中也可以发现并完善某个近平衡态自发扩展为远平衡态的机制，从最近的一些新发表的论文来看(我也看不懂)，似乎通过ds-CFT对应(不是Ads-CFT)作为数学工具研究中微子质量和手性的关系与早期宇宙的联系可能是一个突破口。
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