為什麼我們只能回憶過去，卻無法回到過去？

經驗告訴我們，時間無法倒流，就像熟透的蘋果，不會掉落到天空。

時間是鐐銬，囚禁著每一個人。從古至今，無數風流人物都感傷於光陰易逝，英雄遲暮。更有人渴望長生不老，甚至返老還童。但時間卻無情地證明，這一切嘗試都不過是夢幻泡影。

為什麼總是花開，然後花落？

為什麼星辰閃爍，最終也會消亡？

為什麼世間萬物，都擺脫不了時間的桎梏？

在加拿大圓周理論物理研究所的創始人，《時間重生》的作者李·斯莫林解釋道，這是因為熱力學第二定律的存在，給時間的流逝帶來了嚴重的不對稱性。今天，湛廬君就用3個案例，為你揭曉這個答案。

理解現代熱力學的關鍵，是要明白熱力學中存在著兩個層次的描述。一個是微觀層次，它關乎所有原子的位置和動量，我們稱之為系統的「微觀態」。另一個是宏觀層次或系統的「宏觀態」，它用很少幾個變數給出系統近似描述，比如氣體的溫度和壓強就屬於這樣的變數。

讓我們以一棟磚瓦建築為例。這個例子中的宏觀態就是建築的設計圖，微觀態就是磚塊的具體位置。建築設計師只需指定磚牆要多大，要不要開門、開窗，而無須細究磚塊的位置。大多數磚塊都差不多，交換兩塊磚不會影響整棟建築的結構。由此我們看出，一個宏觀態可能對應於許多不同的微觀態。

讓我們將這棟磚瓦建築同建築大師弗蘭克· 蓋里設計的建築作品做個對比。蓋里的代表作是畢爾巴鄂古根海姆博物館，其外牆由一片片特製的金屬板構成。想要實現蓋里設計的曲面，金屬板必須各不相同，每片金屬板的走向也相當重要。當且僅當每片金屬板都按照設計圖精確定位時，建築設計師理想中的建築才能成型。

在這個例子中，建築設計師在指定建築的宏觀態之外，還要指定建築的微觀態——每塊金屬板的走向。同傳統磚瓦建築不同，我們不再有篡改微觀態的自由，只有一種微觀態可以給出設計師預想的宏觀態。

到底有多少微觀態對應於同一個宏觀態？物理學家用一個專門術語來表示微觀態的多少，即「熵」。標準磚瓦建築的熵很高，而蓋里設計的建築熵為零，即只有一個微觀態對應。

上面的例子告訴我們，熵是信息的反面。所以，對一個充滿氣體的玻璃瓶，它的終極描述存在於微觀層次：微觀描述必須告訴我們每個氣體分子的位置和運動，這需要大量信息。但這個系統還有一個宏觀層次，在宏觀描述中，我們可以用密度、溫度、壓力來描述氣體。

指明氣體的密度和溫度所需的信息，遠遠少於指明每個氣體分子所處位置的信息。因此，把系統的微觀描述翻譯為宏觀描述相對簡單，而反過來則非常困難。如果你知道每個原子所處的位置，你就會知道氣體的密度和溫度，後者是氣體原子的平均動能。而宏觀描述卻不可能翻譯成微觀描述。這是因為給定一個氣體密度和壓強，可以有許多不同的分子排列方式。

氣體中的分子運動非常混沌，分子間經常碰撞。當碰撞發生後，兩個分子會互相遠離，運動的方向有著或多或少的隨機性。所以，隨著時間發展，微觀態更傾向於被推倒重來。即使初始時的微觀態並不隨機，很快，這個微觀態也會變得隨機。這意味著，如果初始態是個熵很低的非平衡態，那麼隨著時間發展，系統的微觀態很有可能會變得越來越隨機，系綜的熵也會不斷增加，即熵增。而這就是熱力學第二定律。

讓我們通過一個簡單的實驗看看熱力學第二定律的工作原理。我們需要一副紙牌和一個莊家。實驗開始時，牌依大小順序排列。此後，每過一秒鐘，莊家會洗一次牌。我們想要觀測的是，多次洗牌後，這副牌的順序會發生何種變化。

開始時，牌是按大小順序排列的。每洗一次，牌的順序就變得越發隨機，這副牌的熵不斷增加。洗了足夠多次牌以後，我們再也無法將牌的順序和隨機順序加以區別。於是，紙牌完全喪失了初始順序的記憶。

熱力學第二定律緊緊抓住了這一有序消散為無序的過程。在定理看來，洗牌的過程毀壞了實驗開始時牌堆的特殊順序，將其替換為隨機順序。

熵增不是永恆的。每過一段時間，紙牌的熵會在洗牌後下降，即紙牌回歸了初始狀態。洗牌後熵增加的概率要比洗牌後熵降低的概率多很多。牌堆中的牌越多，通過洗牌重現初態的概率就越小。

隨機性在洗牌中所起的作用完全可以照搬到氣體之中。無論初始時間的位形是多麼有序、多麼不平凡，一段時間之後，瓶中的原子將被隨機化，有均一的密度和溫度。這個狀態就是平衡態。氣體一旦抵達平衡態，就很有可能一直保持平衡態。

科學家們研究熱力學的過程中發現，熱力學描述了一個處於平衡態的宇宙。從定義上來，平衡態意味著終極定律的解具有「時間對稱性」——系統通過定域漲落，進入更有序狀態的概率和進入更無序狀態的概率一樣高。如果把平衡態宇宙的歷史倒放，其可能性和正常歷史可能性一樣，一般來說也具有時間對稱性。在這樣的宇宙中，全局時間箭頭並不存在。

我們會發現，在我們生存的宇宙卻截然不同。一杯熱咖啡能變冷，但很難再變熱；糖能溶入咖啡，但很難再析出；掉落的咖啡杯會摔成碎片，如果你什麼都不做的話，碎片永遠不可能自動復原。

一些跡象提醒我們，我們的宇宙尚未進入熱力學平衡態。最簡單的一個跡象便是時間箭頭的存在，我們的。時間的流逝蘊含著很強的不對稱性，我們感覺並發現自己總是從過去移向未來。這種時間的不對稱性讓我們無法回到過去，讓我們成為時間的奴隸。我們沿著時間的箭頭出生，成長，老去，然後死亡。如果某本書或電影講述一個人返老還童，那它一定是科幻片，不可能在現實生活中實現。

但在理論上來說，我們生存的宇宙中，物理學的基礎定律都具有時間對稱性。這些定律的任意解都存在一個魅影，後者的行為類似於前者的行為，是同一段過程（在互換左右、互換粒子和反粒子後）的倒放。一個人逆時而進、一杯售出的咖啡變燙、四散的碎片自發聚成完整的杯子，這些過程都沒有違反基本的物理定律。

可我們的宇宙中卻出現了強時間箭頭，時間箭頭都是關於我們這個宇宙的事實，需要我們去解釋。任何時間箭頭的解釋，都要假設時間的本質。

那麼時間究竟是什麼？這是人類未解的一個謎。在《時間重生》中，作者李·斯莫林不僅梳理了亞里士多德、伽利略、牛頓、愛因斯坦等人對時間的探索，而且基於科學的最新發展，用新穎獨特的方式解讀了量子力學、引力及宇宙學的終極大統一，並最終引領讀者穿過層層迷霧，感受時間真實性的回歸。

湛廬FM，

不喧嘩，自有聲。

每日一更，把世界說給你聽。

（朗讀者：美國紐約州立大學博士 鍾益鳴）

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