為什么時間不會倒流

韓京辰

中央電視臺曾播放過一個關(guān)于時間倒流的公益廣告，這個公益廣告是由一首詩改編而成的：瀑布的水逆流而上，蒲公英種子從遠處飄回，聚成傘的模樣，太陽從西邊升起，落向東方。運動員回到起跑線上，轟鳴的火車退回家鄉(xiāng)……很明顯，這個公益廣告中的現(xiàn)象在現(xiàn)實中是不會發(fā)生的。那么，為什么不會發(fā)生呢？究竟是什么物理規(guī)律不允許時間倒流呢？

從力學與能量看時間倒流

我們先從力學規(guī)律看看時間問題。從力學規(guī)律看，時間倒流并非不可能，因為力學現(xiàn)象是可逆的。假設(shè)一個物體在做勻速直線運動，顛倒時間的方向，物體仍然做勻速直線運動，只不過方向相反而已。這完全在物理定律的允許之內(nèi)。這是勻速直線運動的情況，如果物體受力，情況又會是什么樣呢？這里以瀑布為例分析。在重力的作用下，瀑布的水加速下落。顛倒時間的方向，就會發(fā)現(xiàn)水向上運動，但速度越來越小，因此加速度的方向仍然向下，由此可知，重力的方向仍然向下。如果僅從力學的角度考慮，這也沒有什么問題。從這里可以知道，如果時間的方向顛倒，那么速度的方向就會顛倒，而加速度和力的方向不變，但無論如何都不違反力學規(guī)律。因此，力學規(guī)律不是決定時間方向的物理規(guī)律。

力學規(guī)律并不決定時間的方向，那么，什么物理規(guī)律決定了時間的方向？是能量守恒定律嗎？在這里，我們以煙花的爆炸為例，看看能量守恒定律是不是決定時間方向的物理規(guī)律。煙花內(nèi)筒爆炸時，火藥的化學能轉(zhuǎn)化為熱能、光能和動能（包括聲能），將熱能、光能和動能加在一起，總量和爆炸前火藥中儲存的化學能是相等的。如果顛倒時間的方向，就會發(fā)現(xiàn)熱能、光能和動能轉(zhuǎn)化成了化學能。在這個過程中，能量仍然是守恒的。也就是說，能量守恒定律不阻止時間倒流。由此可見，能量守恒定律也不是決定時間方向的物理規(guī)律。

從熵的角度看世界

力學規(guī)律和能量守恒定律都被排除了，那么，究竟是什么物理規(guī)律決定了時間的方向呢？

首先，讓我們分析一下蒲公英的種子。一開始，蒲公英的種子呈傘狀排布，這是一個高度有序的狀態(tài)，當蒲公英的種子被風吹散之后，就變得無序了。由此可見，物質(zhì)的排列總是越來越無序。

我們再來分析一下飯菜的香味。飯菜的香味來自分子，一開始，分子全部都在鍋里面，但在加熱之后，分子向外擴散，變得更加無序，從這個例子也能得知無序度在增加。

從能量的轉(zhuǎn)化中，我們也能得到相同的結(jié)論。以煙花為例，煙花爆炸時，內(nèi)部的化學能轉(zhuǎn)化為動能（包括聲能）、光能和熱能，動能和光能最終也轉(zhuǎn)化為熱能?；瘜W能是儲存在分子內(nèi)部高度有序的能量，而熱能是分子的無序運動。由此可見，當化學能轉(zhuǎn)化為熱能之后，無序度增加了。

根據(jù)墨菲定律：當一面涂著果醬、一面干凈的面包片落到地上時，先著地的一定是涂著果醬的那一面，即“事情向來沒有最壞，只有更壞”。這實際上就是指物質(zhì)的狀態(tài)總是趨向無序，物質(zhì)的無序度隨時間單調(diào)遞增，但“有序”和“無序”究竟是什么呢？這需要引入“宏觀態(tài)”和“微觀態(tài)”的概念。

我們以氣體的擴散分析。假設(shè)有一個非常小的容器，內(nèi)部只有4個氣體分子，我們暫且稱其為A、B、C和D。容器的中心有一個隔板，上面有一個閥門。一開始，4個分子都處于隔板的一側(cè)，這就是一個宏觀態(tài)。宏觀態(tài)是分子的數(shù)量分布，而微觀態(tài)就是分子具體的位置。如A、B、C、D都在隔板的一側(cè)。如果4個分子都在隔板一側(cè)，則對應(yīng)的微觀態(tài)只有一個。打開閥門后，分子擴散至整個容器。這時，就是另一個宏觀態(tài)：隔板兩側(cè)各有兩個分子。這個宏觀態(tài)對應(yīng)的分子排列有6種，也就是對應(yīng)6個微觀態(tài)。當氣體從隔板一側(cè)擴散至整個容器時，無序度會增加。由此可知，一個宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)越多，無序度就越大?？梢哉f，所有有序的微觀態(tài)都是相似的，而無序的微觀態(tài)各不相同。

在等溫的物態(tài)變化過程中（例如晶體的熔化、液體的沸騰以及對應(yīng)的逆過程），物質(zhì)要吸收（或放出）熱量，這樣就可以得到一個變量，即熱量的變化量除以溫度，這就是“熵”，而對于質(zhì)量一定的某種物質(zhì)來說，不同物態(tài)對應(yīng)的分子排列方式是不同的，因此，對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目也是不同的。固態(tài)物質(zhì)的分子整齊排列，只能在平衡點附近振動，不能自由移動；液態(tài)物質(zhì)的分子可以移動位置，但仍然受到分子間作用力的約束，而氣態(tài)物質(zhì)的分子則不受約束。由此可知，液態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)多于固態(tài)，氣態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)又多于液態(tài)。根據(jù)這一點，就可以推測到熵和無序度是有關(guān)的。它們的關(guān)系是：在一個宏觀態(tài)中，熵正比于微觀態(tài)數(shù)目的對數(shù)，即：S=klnΩ（S是熵，Ω是微觀態(tài)的數(shù)目，k為常數(shù)）。如果以J/K（焦耳每開爾文，開爾文是溫度單位，等于攝氏度加273.15）作為熵的單位，那么，常數(shù)k的值就是1.38×10^-23。通過這種定義，熵就不僅限于用來分析等溫的物態(tài)變化過程了。實際上，熵也可以用來分析任何物質(zhì)狀態(tài)。從無序度不斷增加的現(xiàn)象，可以推測到熵隨時間單調(diào)遞增。

熵為什么會增加

物質(zhì)的狀態(tài)總是趨向于無序。通過引入“熵”這個物理量，無序的程度得以量化，就得到了一條物理定律，這就是熵增原理。時間之所以具有方向性，就是因為熵增原理。

不過，這里還有一個問題，那就是：熵為什么會增加呢？

實際上，只要分析一下彩票，就可以找出熵增加的原因。假如彩票搖獎機內(nèi)部有12個球，搖獎時出兩個球。買彩票時，在12個號碼中選兩個號碼。如果兩個號碼和出球的號碼完全一致，則中一等獎，如果1個號碼和出的某個球一致，則中二等獎。從熱力學角度看，一等獎、二等獎、不中獎這三種狀態(tài)中，每一種都是一個宏觀態(tài)，但它們對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目是不同的。在一次開獎中，搖獎機出的兩個球只有一種排列方式。因此，中一等獎的彩票號碼排列方式只有一種，也就是說，一等獎對應(yīng)一個微觀態(tài)。二等獎對應(yīng)的微觀態(tài)不止一種，因為二等獎要求只有一個號碼與開獎號碼一致，另一個號碼不一致，對應(yīng)的微觀態(tài)只有20個，因此，二等獎的熵大于一等獎。不中獎的彩票對應(yīng)45個微觀態(tài)，熵最高。

只要分析一下各個宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率，就能得知熵為什么會增加。一等獎的中獎概率只有1/66（約1.5%），二等獎的概率為10/33（約30%），而不中獎的概率為15/22（約68.5%）。由此可見，熵越高的宏觀態(tài)，出現(xiàn)的概率就越高，這就是熵增加的原因。

我們還以4個氣體分子的擴散為例。一開始，4個分子都在隔板的一側(cè)，閥門打開后，氣體擴散到整個容器，隔板兩側(cè)各有2個分子。在這個過程中，熵增加了。實際上，氣體分子不一定均勻分布到整個容器（隔板兩側(cè)各2個），也可能是隔板一邊1個，另一邊3個，還有可能4個分子全擴散到隔板另一側(cè)，但這三種狀態(tài)的概率比為6∶4∶1，分子均勻分布的概率是集中在隔板一側(cè)的6倍。因此，氣體從某個狀態(tài)擴散后，最有可能變?yōu)榫鶆蚍植嫉臓顟B(tài)。分子的數(shù)量越大，氣體全部集中到隔板一側(cè)的概率就越小。實際情況下，分子的數(shù)量大得驚人，氣體全部擴散到隔板另一側(cè)的概率小到可以忽略。因此，我們從未觀察到熵減小的現(xiàn)象。熵增加原理是統(tǒng)計定律，只有觀察大量分子，這個定律才成立。如果只觀察一個分子，是無法確定時間的方向的?？梢?，時間只有在宏觀世界中才有方向。

無序度的增加只是物質(zhì)發(fā)展的總體趨勢。實際上，現(xiàn)實中也會出現(xiàn)很多“熵減小”的情形，只不過熵減小是局部現(xiàn)象。如果將外界算進來，總熵仍然是增加的。給電冰箱通電，冰箱內(nèi)外出現(xiàn)溫差，這就是局部的熵減小。但是，冰箱的壓縮機需要能量才能工作，輸入壓縮機的電能最終會轉(zhuǎn)化成熱能，耗散到空氣中。這個過程中，熵是增加的，這個熵增大于冰箱內(nèi)外溫差帶來的熵減。因此，將外界考慮進來，總熵仍是增大的。

可見，熱不能完全轉(zhuǎn)化為其他種類的能量。那么，熱究竟是什么呢？這里，我們要深入微觀世界來分析熱的本質(zhì)。我們都知道物質(zhì)是由分子組成的，組成物質(zhì)的分子并不是固定不動的，它們在不斷運動。即使是固體，其分子也在振動。溫度越高，分子運動得越劇烈，由此可知熱的本質(zhì)是分子的運動。熱能也被稱為內(nèi)能，單位是焦耳。一個物體具有的內(nèi)能等于組成該物體的所有分子的動能總和，而溫度就代表了每個分子的平均動能。在一個物體內(nèi)，每個分子的動能并不相同，但每個分子動能的平均值卻只有一個。溫度這個物理量就是描述分子平均動能的大小的。它的標準單位是開爾文（K），溫度的下限是0K（-273.15℃），也就是絕對零度。在絕對零度下，分子的動能等于零。實際上，絕對零度是不可能達到的，但可以無限逼近。

由于分子運動是無序的，因此，宏觀物體雖然受到分子的撞擊，但各個方向上分子的撞擊力相互抵消，所以物體的動能并不會增加，這就是內(nèi)能不會自發(fā)轉(zhuǎn)化為動能的原因。但是，物體越小，在單位時間內(nèi)，它受到的分子撞擊次數(shù)就越小。如果物體足夠小，那么，在一個時刻，它受到的分子撞擊力就會顯出不平衡，物體就會因分子的撞擊而運動，這就是布朗運動。物體越小，布朗運動就越劇烈。由于分子的運動是無序的，因此布朗運動也是無序的。分子非常小，用一般的顯微鏡根本無法觀察到。而產(chǎn)生布朗運動的微粒比分子大得多，用一般的顯微鏡就能觀察到。布朗運動是分子運動的有力證據(jù)。

熱的本質(zhì)是分子的無序運動，根據(jù)熵增原理，我們就可以得知為什么其他種類的能量可以完全轉(zhuǎn)化為熱，而熱不能完全轉(zhuǎn)化為其他種類的能量。這就是時間不能倒流的原因。