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8.热力学中的时间箭头

牛顿力学体系是以宇宙机器为世界观典范的，牛顿力学的方程在时间的过去和未来两个方向是完全对称的，如同爱因斯坦指出的那样，时间的不可逆性不过是人类固有的与物种相关联的幻觉.对牛顿力学的宇宙机器思想和物理规律的时间可逆理想提出挑战的是热学理论.19世纪50年代，在傅立叶关于热传导的不可逆性研究和卡诺关于理想热机效率与温度差有关的原理的基础上，经过进一步的数学运演和观念洗练，克劳修斯和威廉?汤姆逊（后来的开尔文勋爵）表述了更普遍更一般的不可逆性原理，即热力学第二定律.克劳修斯的版本是：“热量不可能自动地从较冷的物体转向到较热的物体”，汤姆逊的版本是：“从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响是不可能的.”后来，克劳修斯引入熵（系统热含量与其绝对温度之比）的概念，证明了孤立系统的熵永不会减少.热力学第二定律也被称为熵的定律：一个孤立系统的熵总趋于增大.

热力学第二定律所揭示的物理过程的方向性与牛顿方程所表明的世界的无方向性之间的矛盾，很快引起了人们的注意.如果热不过就是微观粒子大量运动的宏观表现，如果粒子运动服从牛顿无时间方向性的运动定律，那么，宏观上的热力学第二定律就是不可思议的.1874年，热力学第二定律的重要制定者之一威廉.汤姆逊在爱丁堡皇家学会的年会上发表的著名讲演中指出了这一困难：“如果宇宙中每一个粒子的运动在某任意时刻全都正好逆转过来，那么从此以后自然界的过程将永远沿相反的方向进行.瀑布在其底端溅起的泡沫将会重新聚集并落入水中；热运动将会聚集它们的能量，使落下的水滴重新组成一股上升的水流.由固体相互摩擦而产生，因传导、辐射及吸收而消耗的热，将会复返固体相接触的地方，并使运动物体抵抗它先前受到的力做反向运动.泥土将会再变成烁石，烁石将会恢复它们原来参差不齐的，最后重新结合成原先它们由之而碎裂的山峰.而且如果关于生命的唯物主义假说是正确的，那么生命将返老还童，它们所记忆的是将来而不是过去，最后会变成未出生时的状态.但是，真正的生命现象无限地超出人类科学的能力；关于它们的逆转过程的后果假想的推测是完全无益的.”

一个可逆的微观世界必定导致一个可逆的宏观世界.然而，在我们生活的经验中，在我们的物理经验中，时间的方向性如此显著，因此热力学和牛顿力学之间需要调解.热力学第二定律出现之后，物理学家做的主要工作都是力图添加某些条件，使宏观的不可逆性还原为微观的可逆性，由经典力学来整合热力学.整合的主要成就是发展了以概率学说为核心内容的统计力学.统计力学将概率论运用于大量分子的统计行为，得出它们的平均值，而这个平均值就是宏观可观测值.对系统的平衡态而言，统计力学十分成功，而对正在演化之中的非平衡态则比较麻烦.基于几率分布函数而写出的系统演化方程即刘维方程，与牛顿方程一样是可逆性的，热力学第二定律没有得到说明.

最重要的突破是由玻尔兹曼作出的，1872年玻尔兹曼对单粒子气体的演化进行了研究，得到了一个时间不可逆的演化方程即波尔兹曼方程.他构造了一个新的数学函数即H函数，它随时间而减少.实际上，H函数给出了熵增的方向，它的数值与熵值相等，但符号相反，这就使得热力学第二定律在微观层次上得到了解释.

1876年德国物理学家洛希米特（Loschmidt）对H函数提出了疑问，如果微观运动是可逆的，而H函数又是由微观分布决定的，为什么H函数会随着时间的改变而减少呢？将微观领域明显的可逆性，与宏观领域明显的不可逆性构成的尖锐矛盾，概括为不可逆佯谬.这一佯谬要求一个解释.1877年玻尔兹曼重新解释了H定理，使H定理从绝对有效的力学定理转变为统计有效的定理：H函数不再是一定减少，而是几乎总是减少；H函数增加不是不可能，而是不可几；H的单向性，并非由力学规律引起，也不是由分子间力的相互作用规律引起的，因而与微观可逆性并不矛盾.很明显，在一个决定论的可逆的经典力学框架中，若不引入力学以外，甚至与力学基础矛盾的假设，是不可能推导出不可逆的H定理的.几率概念，这一非力学因素，在解释不可逆性起了决定性的作用.但是，更重要的是分子运动几率分布在过去和未来的不对称性.事实上，玻尔兹曼在构造H函数的时候引入了所谓“分子混沌”假定，他假定分子在碰撞之前彼此互不相干，只是在碰撞之后才变得相干的.碰撞改变了混沌局面.也就是说，碰撞前后是不对称的.玻尔兹曼之所以能在遵从动力学定律的条件下导出一个不可逆的演化方程，原因在于，他引为前提的“分子混沌”假定已经隐含了时间的不对称性.1894年英国的伯贝里发现分子混沌假设与经典力学不相容：在力学上，碰撞分子之间是必有关联的.而且，对于时间完全对称的动力学方程而言，分子混沌假设只有有限的意义，考虑一种理想情况即分子速度完全反演的情况，碰撞前后的不对称性就不再存在.玻尔兹曼方程并不总是成立的.英国科学哲学家胡?普赖斯指出，分子混沌假设是一个看起来更普遍的原理的特例，即向内影响独立原理，简称PI3：相互作用的系统在其首次相互作用之前没有关联，独立性涉及的是过去而不是未来.从所谓的超时间观点看，用PI3来解释熵的增加是一种空洞的循环论证，归根到底，初始状态导致熵向未来增加的条件就是最终状态使给定熵不像过去减少的条件 .

玻尔兹曼为了把他的方程置于严格的理论基础上，提出了各态历经假说，用体系可能初始条件的相空间平均代替确定初始条件的时间平均，进一步探索自然界中观测到的不可逆性的起源.

对玻尔兹曼最致命的打击来自彭加勒的回归定律.1890年彭加勒证明了，遵循牛顿力学的粒子系统在经过足够长的时间之后总会回到它的初始状态.彭加勒意识到，这个定理用于分子层次，将使热力学第二定律失效，而用于宇宙学中，则可以破除宇宙热寂说.彭加勒说：“只受力学定律支配的充满约束的世界，总会经历一种很接近于它的初始状态的状态.另一方面，按照公认的经验法则（如果这些法则绝对有效并加以无限外推），宇宙趋于一定的最终状态而永不复返.在这个最终热寂状态里，一切物体都在相同温度下静止不动……“……分子运动论能够使他们自己解脱这个矛盾.按照这个理论，世界最初趋于长久保持明显不变的状态；而这是跟经验一致的；但这个状态不会永远保持下去；……它不过是在那里停留的时间极长，时间愈长，分子就愈多.这个状态不会是宇宙的最终死寂，而是一种沉睡状态，亿万年后它会苏醒过来.

“按照这个理论，就可以看到热量从冷物体传递到热的物体，并不需要麦克斯韦小妖的敏锐视觉，智力和灵巧，只要有耐心就足够了.” 彭加勒回归定理的出现，大大强化了不可逆性佯谬的不可解性.1896年普朗克的学生策梅洛根据彭加勒的回归定理，指出微观运动的可回归性，指出玻尔兹曼的H函数经过一段时间也会回到其初始值，而不会保有单向性的减少趋势.

洛希米特和策梅洛的诘难使玻尔兹曼陷入了极度的困境和痛苦之中，将热力学还原为动力学的理想看起来只是一个幻想，对热力学的真正解释只有求助于概率论了.玻尔兹曼早就认识到，熵的本质是分子运动混乱的程度.从概率统计的角度看，粒子分布越是混乱无序，它的配容数（即可能的分布方式的数目）就越大，实现的概率就越大.因此最混乱无序的分布对应着最大的实现概率，最可几状态.熵增定律的本质是概率论的：事物总是趋向其最大概率状态.

如果熵增定律只是概率论的，玻尔兹曼的H定理当然也只能一个统计学意义上的定理.玻尔兹曼对洛希米特的回答是：H定理只说明了H减少的概率最大，并不排斥H增加的可能，只是增加的机会非常小而已.对策梅洛的回答是：彭加勒回归的时间周期远远比超出日常观测的时间，因此在宏观可观测的范围内，运动回到初始状态的概率是非常小的.可以看出，引入熵以及H函数的概率解释之后，热力学就变得相当脆弱了.某种熵减过程被允许了，单一的时间之矢被破坏了.晚些时候，玻尔兹曼甚至相信，我们的宇宙早就已经达到了热寂，我们只是偶尔生活在宇宙的某个涨落的区域，暂时享受一下这个区域特有的时间之矢，这意味着，在宇宙的不同区域，存在着不同的涨落和不同的时间之矢.当然，这些不同的区域必须是无关联的，因为按照控制论创始人维纳的观点，相互作用特别是有信息交流的系统的时间箭头是一致的.

玻尔兹曼悲剧性的退却了，想使热力学还原到动力学的企图暂告失败.热力学的本质是微观概率性的宏观表现.概率往往是被视为统计过程中信息不够或丧失造成的，这就导致了用“粗粒化”和“时间光滑化”来解释不可逆性的观点.这种观点贯彻到底，就是主张不可逆性来自我们对微观状态的无知，最终走向主观主义.著名物理学家玻恩曾经有一句名言：“不可逆性是把无知引入物理学基本定律的结果.”在微观层次上，是否存在热力学不可逆定律，成了未决的疑案.

另外，还有人相信，热力学系统本质上是开放的，分子运动状态的微观信息不断耗散到外界并衰减，导致熵增加.这并不要求宇宙必须是膨胀的或开放的，只要承认各种不可控制的微扰就行.当然按照量子论，微观信息不可能无限制地衰减为虚无，但从宏观的粗粒化的角度看，微观信息不再像宏观信息那样显示出差别.美国哈佛大学的雷瑟认为，热力学过程是一个信息从宏观自由度到微观自由度的转移过程，由于任何系统本质上是开放的，微观信息被各种微观扰动耗散掉，因而表现为宏观信息衰减的单向过程.一个系统中信息量I=S最大-S，潜熵S最大随着宇宙演化在增长.我们认为，宇宙中粒子数不恒定是S最大不断增长的根源，在可逆佯谬与回归佯谬的论证中都预设了分子数目的恒定；如果分子数恒定，就像牌的数目和打法恒定一样，未来的状态会无限多次地接近出现过的某一状态.如果分子数不恒定，就像牌的数目和打法不断改变一样，要重复出现几乎是不可能的，也就是说，只要宇宙间物质的粒子数是不确定的，宇宙相空间的状态总数必然趋向于无穷，相轨迹不会闭合（有限相空间才闭合，反之也然），即可以认为，在绝对意义上，宇宙和足够大的系统不可能返回其历史上的任一状态.

从统计力学出发的另一种主张是热力学系统的初始态是“禁止盲目回测”的，就象在宏观波理论中边界条件“禁止超前波”一样.而统计方法本身并不导致不可逆性，不可逆性来自初态和终态的内在不对称性.普里高津提出的熵的微观不可逆过程认为，终态回到初态要跨越极大的熵垒，即从终态恢复到初态需要极大的信息量.统计学方法解释不可逆过程似乎停留在现象水平，对微观过程的内在不可逆性以及量子水平上可能存在的不可逆性没有作出合理的理解.热力学第二定律的本质在于：在系统内部非平衡因素的作用下，内约束（限制运动自由的各种内部因素）被撤除，达到新的平衡，使包括它的系统相空间轨迹的状态总数增加的过程.也就是说，一孤立系的内约束消除后，其闭合的相轨迹必然变化，而其中的状态总数比内约束消除前大；如系统内约束状况不变，则相轨迹不变.正如彭罗斯所说，当气体向更远处扩散时，相空间的点继续进入越来越大的体积，新的体积以一个绝对巨大的因子使该点以前所在的体积完全相形见绌.在每一种情况下，一旦点进入更大的体积，（实际上）就根本没有在更小的体积中找到它的机会.最后它迷失在相空间中最大的体积中——这相应于热平衡.这个体积实际上占领了整个相空间.由于相空间的点在真正随机的徘徊中，在任何可以想象的时刻都不可能处在更小的体积中，也就是说，热平衡态是稳定的，倒退演化的概率极低.从粗粒化的角度看，热平衡态的相空间中微观信息是无差别的，一杯温水无论是由沸水和冰块演化而来，还是有热水和冷水混合合成，在演化的终态是不可区分的，初始态的信息和差别被遗忘了.这种观点又把热力学第二定律的根源归结为相互作用导致的约束方式的变化，以及概率和信息在时间反演下的不对称性，那么为什么约束方式变化导致的后果是不可逆转的呢？彭罗斯自己也指出，对于一个给定的低熵的状态（譬如将气体限制在一个角落里，那么在不存在任何约束此系统的外在因素时，则可期望熵从给定的状态在时间的两个方向增加.为什么过去的熵很低呢？这是因为过去有某种东西在约束这个系统，某种东西强迫熵在过去取低的值；熵在将来增加的趋势不足为奇，在某种意义上，高熵的态就是自然的“态”.实际上，彭罗斯所谓的黑洞导致流线合并，量子测量导致流线分叉，也是一种约束方式变化引起的不可逆性，但彭罗斯的这种立场是被霍金否定的.我们认为，约束的变化，最好视为势的变化，正是势能分布特别是稳定性在过去和未来的不对称性，与热力学时间箭头有关.

彭罗斯认为，对于普通物质体系远离熵极大的平衡态，我们只要假设它从外部取得低熵物质和能量就行，比如人和动物吸纳食物，植物依靠来自低熵态的高能光子进行光合作用，散发大量高熵态的低能光子而维持低熵态的生命活动，等等.万物生长靠太阳，而太阳光能的低熵态又是由于引力作用下导致的热核反应，最后宇宙的低熵起源必须追溯到宇宙开端特殊的引力约束，这就是所谓的魏尔曲率接近为零的初始奇点.也就是说，不可逆性来自宇宙大爆炸这一初始条件.这种观点又有很多不同的说法.霍金对时间机器提出了严厉的批评.他幽默地说：“我们还不清楚在一个黑洞中究竟会发生什么.广义相对论的方程允许这样的解，允许人们进入一个黑洞并从其它地方的一个白洞里出来.白洞是黑洞的时间反演.这似乎为星际的快速旅行提供了可能性.麻烦在于这种旅行的速度太快了，以致于如果通过黑洞的旅行成为可能，则似乎无法阻拦你在出发之前已经返回.那时你可以做一些事，比如杀死你的母亲，因为她一开始就反对你进入黑洞.看来物理学定律严禁这种时间旅行，这也许对于我们（以及我们的母亲们）的存活是个幸事.似乎有一种时序保护机构，不允许向过去旅行，这使得这世界对于历史学家是安全的.如果一个人向过去旅行，将会发生的是不确定原理的效应在那里产生大量的辐射，这辐射要么把时空卷曲得太厉害以致不可能在时间中倒退回去，要么使时空在类似于大爆炸和大挤压的奇性处终结.不管哪种情况，我们的过去都不会受到居心叵测之徒的威胁.最近我进行的一些计算支持这个时序保护假设.其实，我们不能进行时间旅行的最好证据是，我们从来没有遭受到从未来来的游客的侵犯.”

当我们想做时间机器时，不论用什么样的事物（例如虫洞、旋转柱、宇宙弦或其它什么东西），在它成为时间机器前，总会有一束真空涨落穿过它，并破坏它.”他还说：“自由意志的概念和科学定律属于不同的范畴.如果人们想从科学定律推出人类行为的话，他就会在自参考系统的逻辑二律背反中陷入困境.这正如时间旅行若可能的话人们会遇到的麻烦，我认为永远不可能作时间旅行.