为什么时间总是朝一个方向流逝?

来源:今日头条发布时间:2017-01-12

暴胀的量子本性意味着它会在宇宙的某个地方停止,并在其它地方继续。但是我们不理解在暴胀期间熵的总量是多少,以及它如何在热大爆炸开始时转变成低熵状态。

为什么时间总是朝一个方向流逝?

 宇宙的历史和时间的方向。(© NASA/GSFC)

  从过去到现在再到未来,时间总是朝着一个方向流逝。它不会在某个点静止或者倒流,对我们来说”时间的箭头“总是朝未来的方向。但如果我们认真审视一下物理定律——从牛顿到爱因斯坦,从麦克斯韦到玻尔,从狄拉克到费恩曼——它们看起来都是时间对称的。换句话说,这些支配现实的方程对于时间往哪个方向流逝并没有偏好。就我们的理解,这些描述任何系统行为的解,对于时间是向过去流逝或者向未来流逝都是有效的。而从经验中我们知道,时间总是朝着一个方向流逝:向前。为什么?

为什么时间总是朝一个方向流逝?

 在半空的篮球有过去和未来的轨迹,并由物理定律决定,但是对我们来说时间只会向未来流逝。(© Wikimedia commons)

  许多人相信时间的箭头跟一个称为”熵“的量有关。虽然大多数人通常用”无序“来描述熵,但这其实是一种比较懒的描述,而且也并不那么准确。应该把熵想成测量究竟有多少热能可能被转化成有用的、机械功的量。如果有许多的能量可以做功,那么系统的熵就比较低,而如果做功能力下降,那么系统的熵就会增加。热力学第二定律是物理学中非常重要的一个定律,它表述了一个孤立系统的熵只能保持一致或增加。换句话说,随着时间流逝,整个宇宙的熵必须增加。这是唯一一个物理定律有一个偏好的时间方向。

为什么时间总是朝一个方向流逝?

 Clarissa Sorensen-Unruh在讲解熵的概念。(© C.Sorensen-Unruh, Youtube)

  所以,这是否意味着我们对时间的体验之所以是这样的是因为热力学第二定律?时间的方向与熵之间有着基本深层的联系?有一些物理学家对此深信不疑。《分钟物理》和物理学家Sean Carroll合作拍摄了一个视频,他们尝试回答为什么时间不会倒流。不出所料,他们的答案直指熵。(可观看如下短视频)

  熵的确在许多情况下可以解释时间的箭头,比如为什么咖啡和牛奶会混合在一起后就不会重新分离,以及为什么炒蛋不会重新回到蛋黄和蛋白分明的状态。在这两个例子中,系统都是从最初的低熵状态(包含更多可以做功的能量)转移到高熵状态(只有少量可以做功的能量)。在自然界中也有许多相同的例子,包括一个充满了分子的房间:一边是温度低、运动慢的分子,而另一边是温度高,快速移动的分子。只要给定足够时间,房间就会混合了中间能量粒子,代表着熵的增加以及不可逆的反应。

为什么时间总是朝一个方向流逝?

 在这个系统的,左边是最初条件,右边是该系统的自发演化,在这个过程中获得了熵。(© Wikipedia Commons)

  但是,它并不是完全不可逆的。当我们在描述热力学第二定律和熵增的时候,我们提到它只适用于孤立系统,即系统完全不与外界交换能量。麦克斯韦是第一个想到如何逆向操作的科学家,他设想了这样一个简单的实验:一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由一只“妖”控制着一扇小“门”,容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击,妖可以选择性的将速度较快的分子放入一格,而较慢的分子放入另一格,其中的一格就会比另一格温度高,可以利用此温差,驱动热机做功。这就是著名的“麦克斯韦妖”,它允许系统的能量减少。

为什么时间总是朝一个方向流逝?

 一只可以控制门的麦克斯韦妖。(© Wikipedia)

  当然,你不可能通过这个来违反热力学第二定律。其问题在于妖需要巨大的能量才能把粒子分离成这样。该系统在妖的影响下,其实是一个开放系统;如果在粒子总系统中包括了妖本身的熵,就会发现总熵还是增加的。但是,想想看:即使你住在盒子里面,并且无法察觉妖的存在——换句话说,如果你所做的只是住在宇宙中的某个地方并观察到熵在减少——时间依然会向前流逝。热力学时间的箭头并不决定我们所感知的时间流逝的方向。

  那么,时间的箭头究竟是从何而来的?我们不知道。但是,我们知道的是热力学的时间箭头并不是最终答案。在宇宙的历史中,我们所测量唯一可能经历熵在大量减少的是在宇宙暴胀结束且转变到热大爆炸的时候。我们知道宇宙正变得越来越冷,恒星会全部燃烧殆尽,所有的黑洞也会蒸发,暗能量会使星系之间的距离越来越远。这种状态,即当宇宙的熵达到最大值时,被称为”热寂“。奇怪的是,我们宇宙刚诞生的时候——宇宙暴胀状态——跟它有一样的性质,只是在暴胀期间的膨胀率要比现在暗能量主导的时期更大。

为什么时间总是朝一个方向流逝?

  暴胀的量子本性意味着它会在宇宙的某个地方停止,并在其它地方继续。但是我们不理解在暴胀期间熵的总量是多少,以及它如何在热大爆炸开始时转变成低熵状态。(© E.Siegel)

  暴胀是如何结束的?宇宙中的真空能,即空间内在的能量,是如何转换成一锅热腾腾的粒子、反粒子和辐射的?宇宙是从暴胀期间的极度高熵状态到热大爆炸期间的低熵状态吗?目前,只有理论能指引我们,能告诉我们答案的实验和观测还没有被揭开。

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 Sean Carroll的新书。

  从热力学的角度我们确实能够理解时间的箭头,这也是非常有价值和有意思的观点。但是如果你想知道为什么昨天是不可改变的过去,明天即将到来,以及现在是你正在生活的,热力学不会告诉你答案。事实上,没有人知道。

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