作者 | Ethan Siegel
翻译 | 山寺小沙弥
审校 | yangfz
来源 | 中科院物理所（ID：cas-iop）
我们发现，无论是从过去到现在，还是从现在到未来，时间都只朝着一个方向流逝。在任何时刻，时间的脚步都不会停滞不前或是向后倒退，“时间的箭头”总是朝向未来。但如果我们认真审视物理定律，我们会发现，无论从牛顿到爱因斯坦，还是从麦克斯韦到玻尔，抑或是从狄拉克到费曼，他们提出的物理定律似乎是关于时间对称的。换句话说，用来描述现实的方程貌似并不待见时间流逝的方式。正如我们所理解的那样，物理定律得到的关于某个系统的解，对于时间是从过去流向未来还是从未来流向过去都是有效的。但是由现实生活中的经验，我们知道时间只有一种流动方式，那就是一直向前。我们不禁要问，时间的箭头是从哪里来的呢？
抛出去的篮球有过去和未来的轨迹，这是由物理定律决定的，然而对我们来说，之间只能向前流逝。
来源：Wikimedia commons users MichaelMaggs and (edited by) Richard Bartz
许多人认为，时间之箭和熵之箭可能存在着联系。虽然很多人将“无序”与熵等同起来，但其实这是一种偷懒的描述方式，而且也不是特别准确。相反，应该把熵看作有多少热能可以转化成有用的机械功的度量。如果你有很多能量可以用来做功，那么这就是一个低熵系统；如果这样的能量很少，那么这就是一个高熵系统。热力学第二定律是物理学中非常重要的一个定律，它指出，闭合系统的熵只能随着时间增加或者保持不变。换句话说，随着时间的增加，整个宇宙的熵必须增加。这是物理学中唯一一个有时间倾向的定律。
Clarissa Sorensen-Unruh在讲解熵的概念。
来源：C.Sorensen-Unruh, Youtube
那么，这是否意味着，我们之所以会有这样的时间体验，是由于它受制于热力学第二定律？换句话说，时间的箭头和熵之间是否存在着深层的联系呢？一些物理学家确实是这么认为的，这当然是一种可能性。Youtube上的《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。
诚然，在很多情况下，熵的确可以解释为什么时间不能倒流，例如，牛奶和咖啡混合在一起就不能分开，炒鸡蛋再也无法回到未煮熟时蛋黄蛋清分开的样子。在这些情况里，随着时间的推移，最初的低熵系统（包含更多可以做功的能量）已经变成了高熵系统（只有少量可以做功的能量）。其实，在自然界中还有很多类似的例子，如，在一个充满着某种分子的房间里，房间的其中一边是温度低、运动慢的分子，而另一边则是温度高、快速移动的分子，只要有充足的时间，房间里就会混合成能量处于两者之间的分子，这就代表着整个系统熵的增加以及在这段时间里发生的过程的不可逆性。
左边是某个系统的初始状态，右边是经过一段时间后系统所处的状态。
来源：Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm
然而，它也并不是完全不可逆的。很多人都忘了热力学第二定律只涉及封闭系统的熵，换句话说，这个系统必须不与外界发生能量和物质的交换。然而，19世纪70年代，伟大的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦假想了一个实验：一个绝热容器被等分为两部分，中间是由一只小妖精控制着的门，这个妖精可以通过控制这个门，可以让运动较慢的分子和运动较慢的分子分居在容器的两部分。这就是著名的“麦克斯韦妖”，它可以让你减少系统的熵。
“麦克斯韦妖”的示意图。
来源：Wikimedia Commons user Htkym
当然，你不能说“麦克斯韦妖”是违背热力学第二定律的，因为这个妖需要花费相当大的能量才能使粒子分离。这个系统在这个小妖精的影响下，其实已经不是一个封闭系统了。如果把小妖精也考虑进去，形成一个封闭系统，这时候你会发现整个系统的熵随着时间的推移还是增加的。但这里有个很巧妙的地方：如果你就住在这个容器里，同时你也无法察觉到这只小妖精的存在——换句话说，就算你住在宇宙中某个地方，并观察到这个地方的熵随着时间的推移在逐渐变小——时间依然会向前流逝，热力学中的时间箭头并不能决定我们感知时间的流逝方向。
无论我们如何改变我们所处宇宙的熵，时间还是一秒一秒的向前流逝着。
来源：public domain
那么，时间的箭头究竟来自哪里呢？我们不知道，但是，我们知道的是，热力学中的时间箭头并不能给出满意的答案。我们对宇宙中熵的测量只能获悉，宇宙历史上可能经历过一次熵大幅减少的时期：宇宙暴胀结束继而转变到大爆炸的时期（然而这也可能代表着熵增，即从膨胀状态到充满物质和辐射的状态）。我们知道，在所有恒星燃尽之后，宇宙会变得越来越冷，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。这种熵最大的热力学状态被称之为宇宙的“热死亡”。奇怪的是，在我们的宇宙刚诞生的时候和它有着类似的性质，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。
暴胀的量子本性意味着它会在宇宙的某个角落停止，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，以及它如何在大爆炸开始时转变成低熵状态。
来源：E. Siegel / Beyond the Galaxy
暴胀是如何结束的呢？宇宙的真空能量又是如何转化成粒子、反粒子和辐射的？宇宙在暴胀结束到大爆炸的过程中，是熵减小的过程吗？还是说因为宇宙最终可以做功使得暴胀期间的熵更小？目前，只有理论可以指引我们，我们尚未发现一些可以告诉我们答案的实验和观测结果。
从暴胀结束到大爆炸开始，熵总是增加的。
来源：E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research
我们可以从热力学的角度理解时间的箭头，这是非常有价值且有趣的思考方式。但是你如果想知道为什么“时间一去不复返”，“明日复明日”，“活在当下”，热力学并不能给你一个满意的答案。事实上，目前还没有人知道这究竟是怎么回事。
原文链接：
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/03/09/we-still-dont-understand-why-time-only-flows-forward/#34469e2445a1
发表于 2018-4-4 03:19
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