為什麼時間的箭頭總是指向未來？

作者 |Ethan Siegel

翻譯 | 山寺小沙彌

審校 | yangfz

來源 | 中科院物理所（ID：cas-iop）

我們發現，無論是從過去到現在，還是從現在到未來，時間都只朝著一個方向流逝。在任何時刻，時間的腳步都不會停滯不前或是向後倒退，「時間的箭頭」總是朝向未來。但如果我們認真審視物理定律，我們會發現，無論從牛頓到愛因斯坦，還是從麥克斯韋到玻爾，抑或是從狄拉克到費曼，他們提出的物理定律似乎是關於時間對稱的。換句話說，用來描述現實的方程貌似並不待見時間流逝的方式。正如我們所理解的那樣，物理定律得到的關於某個系統的解，對於時間是從過去流向未來還是從未來流向過去都是有效的。但是由現實生活中的經驗，我們知道時間只有一種流動方式，那就是一直向前。我們不禁要問，時間的箭頭是從哪裡來的呢？

拋出去的籃球有過去和未來的軌跡，這是由物理定律決定的，然而對我們來說，之間只能向前流逝。

來源：Wikimedia commons users MichaelMaggs and (edited by) Richard Bartz

許多人認為，時間之箭和熵之箭可能存在著聯繫。雖然很多人將「無序」與熵等同起來，但其實這是一種偷懶的描述方式，而且也不是特別準確。相反，應該把熵看作有多少熱能可以轉化成有用的機械功的度量。如果你有很多能量可以用來做功，那麼這就是一個低熵系統；如果這樣的能量很少，那麼這就是一個高熵系統。熱力學第二定律是物理學中非常重要的一個定律，它指出，閉合系統的熵只能隨著時間增加或者保持不變。換句話說，隨著時間的增加，整個宇宙的熵必須增加。這是物理學中唯一一個有時間傾向的定律。

Clarissa Sorensen-Unruh在講解熵的概念。

來源：C.Sorensen-Unruh, Youtube

那麼，這是否意味著，我們之所以會有這樣的時間體驗，是由於它受制於熱力學第二定律？換句話說，時間的箭頭和熵之間是否存在著深層的聯繫呢？一些物理學家確實是這麼認為的，這當然是一種可能性。Youtube上的《分鐘物理》和物理學家Sean Carroll合作拍攝了一個視頻，他們嘗試回答為什麼時間不會倒流。不出所料，他們的答案直指熵。

誠然，在很多情況下，熵的確可以解釋為什麼時間不能倒流，例如，牛奶和咖啡混合在一起就不能分開，炒雞蛋再也無法回到未煮熟時蛋黃蛋清分開的樣子。在這些情況里，隨著時間的推移，最初的低熵系統（包含更多可以做功的能量）已經變成了高熵系統（只有少量可以做功的能量）。其實，在自然界中還有很多類似的例子，如，在一個充滿著某種分子的房間里，房間的其中一邊是溫度低、運動慢的分子，而另一邊則是溫度高、快速移動的分子，只要有充足的時間，房間里就會混合成能量處於兩者之間的分子，這就代表著整個系統熵的增加以及在這段時間裡發生的過程的不可逆性。

左邊是某個系統的初始狀態，右邊是經過一段時間後系統所處的狀態。

來源：Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm

然而，它也並不是完全不可逆的。很多人都忘了熱力學第二定律只涉及封閉系統的熵，換句話說，這個系統必須不與外界發生能量和物質的交換。然而，19世紀70年代，偉大的物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋假想了一個實驗：一個絕熱容器被等分為兩部分，中間是由一隻小妖精控制著的門，這個妖精可以通過控制這個門，可以讓運動較慢的分子和運動較慢的分子分居在容器的兩部分。這就是著名的「麥克斯韋妖」，它可以讓你減少系統的熵。

「麥克斯韋妖」的示意圖。

來源：Wikimedia Commons user Htkym

當然，你不能說「麥克斯韋妖」是違背熱力學第二定律的，因為這個妖需要花費相當大的能量才能使粒子分離。這個系統在這個小妖精的影響下，其實已經不是一個封閉系統了。如果把小妖精也考慮進去，形成一個封閉系統，這時候你會發現整個系統的熵隨著時間的推移還是增加的。但這裡有個很巧妙的地方：如果你就住在這個容器里，同時你也無法察覺到這隻小妖精的存在——換句話說，就算你住在宇宙中某個地方，並觀察到這個地方的熵隨著時間的推移在逐漸變小——時間依然會向前流逝，熱力學中的時間箭頭並不能決定我們感知時間的流逝方向。

無論我們如何改變我們所處宇宙的熵，時間還是一秒一秒的向前流逝著。

來源：public domain

那麼，時間的箭頭究竟來自哪裡呢？我們不知道，但是，我們知道的是，熱力學中的時間箭頭並不能給出滿意的答案。我們對宇宙中熵的測量只能獲悉，宇宙歷史上可能經歷過一次熵大幅減少的時期：宇宙暴脹結束繼而轉變到大爆炸的時期（然而這也可能代表著熵增，即從膨脹狀態到充滿物質和輻射的狀態）。我們知道，在所有恆星燃盡之後，宇宙會變得越來越冷，所有的黑洞也會蒸發，暗能量會使星系之間的距離越來越遠。這種熵最大的熱力學狀態被稱之為宇宙的「熱死亡」。奇怪的是，在我們的宇宙剛誕生的時候和它有著類似的性質，只是在暴脹期間的膨脹率要比現在暗能量主導的時期更大。

暴脹的量子本性意味著它會在宇宙的某個角落停止，並在其它地方繼續。但是我們不理解在暴脹期間熵的總量是多少，以及它如何在大爆炸開始時轉變成低熵狀態。

來源：E. Siegel / Beyond the Galaxy

暴脹是如何結束的呢？宇宙的真空能量又是如何轉化成粒子、反粒子和輻射的？宇宙在暴脹結束到大爆炸的過程中，是熵減小的過程嗎？還是說因為宇宙最終可以做功使得暴脹期間的熵更小？目前，只有理論可以指引我們，我們尚未發現一些可以告訴我們答案的實驗和觀測結果。

從暴脹結束到大爆炸開始，熵總是增加的。

來源：E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research

我們可以從熱力學的角度理解時間的箭頭，這是非常有價值且有趣的思考方式。但是你如果想知道為什麼「時間一去不復返」，「明日復明日」，「活在當下」，熱力學並不能給你一個滿意的答案。事實上，目前還沒有人知道這究竟是怎麼回事。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/03/09/we-still-dont-understand-why-time-only-flows-forward/#34469e2445a1

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