有趣的时间可逆性难题谁解决了能得诺贝尔

一、什么是时间可逆性

看武打电影，常见武林高手大战神威，平地纵身一跃，“嗖”地一声便跳上了屋顶。

这镜头是怎样拍摄的呢？很简单，只要将演员从屋顶跳到地面的过程全拍下来，再将其倒过来放映就可以了。

观众并不会感觉到这是一个倒放的镜头，感觉到的是演员惊人的弹跳力。这倒过来发生的事件虽然奇妙，但也并非不可理喻，因为它并不违反力学定律。

一个事件既可以按顺序发生，也可以倒过来发生，都可以用同一个物理学方程来描述，我们就说这物理方程是时间可逆的，也可以说这物理方程描述的事件（或过程）具有“时间可逆性”。

所有用牛顿力学定律描述的物理过程都是时间可逆过程。也就是说，这些事件的录像带若倒着放，人们无法区分是不是在倒放。

如果世界是时间可逆的，那可太美妙了。

这个世界的时间将失去方向，昨天和今天会变得不可区分。

世界可以从今天的模样，在可逆的力学定律驱使下，一天后就变成昨天的模样，一年就变成去年今天的模样，又一年可能变成前年的模样。

而我们自己，则可能从60岁的模样，一年后变成59岁的模样，40年后居然可以享受20岁时候的青春岁月了。随着时间的流逝，你一段时间会变得苍老，另一段时间你可能会返老还童。

二、世界是不可逆的：恐怖的热力学第二定律

不过经验告诉我们，世界是不可逆的。青春不再，过去的永远不会再来。打碎的杯子碎片不可能自动集中起来形成一个完整的杯子，屋子里的空气不可能突然挤到一个角落里去，倒塌的房子也不可能自动重新竖起来。

这个经验定律叫做“热力学第二定律”。

热力学第二定律有各种表述方式，其中德国物理学家克劳修斯的热力学第二定律是这么表述的：“热量由低温物体传给高温物体而不引起其它变化是不可能的”，意思是说，热量从高温传到低温处的过程可自发进行，反之，热量从低温传到高温处虽可以进行，但有条件。

为了定量计算的方便，克劳修斯引入了熵的概念。引人熵以后，热力学第二定律可以表述为“熵增原理”，即当热力学系统从一个平衡态经过绝热过程达到另一平衡态，它的熵永不减少。如果过程是可逆的，则熵值不变，如果过程是不可逆的，则熵值增加。

热力学第二定律实际上指出了一切涉及热现象的实际的宏观过程的不可逆性，我们只要选出一种与热现象有关的实际宏观过程，并指出其不可逆性，就可以用来作为热力学第二定律的一种表述，这就是热力学第二定律可以采用多种定性表述的原因。热力学第二定律告诉我们，自然界存在的自发过程，包括物理过程、化学过程、核力作用过程等一切过程，它们一旦发生，其后果是不能消除的。一切过程都是一次性的，任何事物一旦发生都不可以重来。

人们通常认为，熵代表系统的无序度，熵增的过程就是封闭系统无序度增加的过程。这样，热力学第二定律就揭示出：一切封闭的孤立系统，其运动和变化的趋势总是由非平衡态趋向平衡态，由有序趋向无序。

当然，宇宙中没有绝对的孤立系统，但宇宙本身却正是一个不折不扣的绝对孤立的系统。因此从热力学第二定律得到的一个惊人结论是：宇宙将最终趋于热平衡。所有的恒星都将耗尽其最后的余晖，所有的物质都将变成辐射，直到最后整个宇宙将成为一个死寂的没有任何变化的冰冷世界。这就是“热寂”。对单个的系统，可以借助外界输入的“负熵”来使之复活，但宇宙按照定义是没有外界的，因此没有什么力量能够挽救宇宙，使其免遭万劫不复之厄运。

三、基本科学定律描述的是可逆的世界

但奇怪的是，那些最“基本”的科学定律，包括牛顿第二定律、爱因斯坦广义相对论，甚至现代量子力学都在诉说同一件事：世界是时间可逆的。按照这些“基本”的科学定律，打碎的杯子碎片能够自动集中起来形成一个完整的杯子，屋子里的空气可能突然挤到一个角落里去，倒塌的房子也可以自动重新竖起来。物理学基本定律，不管是力学的，电磁学的，还是关于核力的，它们都不禁止这样的事情发生。如果这样的事情发生了，理智的人们会毫不犹豫断定它是魔术而不是现实，但科学定律却说：那也完全可能是真实的。时间之矢被排除于科学之外，这实在令人困惑。

已有的科学定律之所以并不区别过去和未来，原因在于这些科学定律都是时间对称的。从牛顿力学到相对论、量子力学，物理学基本定律都是守恒律，都是时间对称的，即无论t还是–t代入公式，物理学定律不变。

对一个服从牛顿定律（或其他时间对称的定律）的热力学过程而言，以－t取代t代入公式就意味着将所有分子的速度符号都颠倒过来（速度反演），这样系统就进入了它自己的“过去”。由于－t取代t后方程不变，这就意味着系统走向过去和走向未来都是一样的，无所谓熵增。这是洛施密特（JosephLoschmidt）的速度反演佯谬，说明时间对称的力学定律将“允许”系统违反热力学第二定律。

有人寄望于量子力学，那么量子力学能解决问题吗？很遗憾，即便在量子理论中，时间对称性依然存在！在量子理论中，微观粒子以波函数的形式运动，当我们不去观察它的时候，它以几率波的形式在整个宇宙弥漫开来。波函数在物理上对应概率幅，由薛定谔方程描述。薛定谔方程通过概率幅预言事件发生的概率，也就是说，通过薛定谔方程我们可以推算，假如人们某一时刻对一个微观粒子，比如电子进行观察（这导致波函数塌变），我们在某个位置将得到一个电子的概率会是多少。和牛顿定律和广义相对论一样，薛定谔方程也是时间对称的，波函数随时间的演化也没有方向性，当我们用－t取代t代入薛定谔方程，薛定谔方程保持不变。因此在量子理论中，电子（包括所有的微观粒子）的运动和演化也没有时间方向。

也许我们忽略了一个重要的方面，与薛定谔方程相联系，量子力学还包含一个奇怪的称为“波函数塌缩”的理论。虽然这个理论似乎赋予“观测”以特别重要的主观意义，但它或许与时间不可逆性有关联。

但很遗憾，对一个宏观系统，如果我们将波函数塌缩归结为“观测”，那么量子力学仍不能给我们提供一个不可逆的、熵增的宇宙，不能为我们提供时间箭头。因为薛定谔方程是时间可逆的，那么我两次对系统进行观察，系统可能从低熵状态变成高熵状态，也可能反过来从高熵变成底熵，系统的走向并无优势的时间方向。

四、悲催的玻尔兹曼

维也纳物理学家玻尔兹曼曾经试图通过牛顿定律“推导”出热力学第二定律。年，玻尔兹曼发表了著名的H定理。它表明，孤立热力学系统内粒子的相互碰撞导致粒子群体的速度分布趋于平衡态（这被称为麦克斯韦—玻尔兹曼分布）。随着粒子群体趋近平衡态，H函数减小，在平衡态时达到其最小值，这个最小值意味着碰撞不再改变速度的分布。所以，对玻尔兹曼而言，粒子碰撞就是导致系统趋于平衡的机理。

玻尔兹曼的理论和经验符合得很好。那么，玻尔兹曼真的从时间可逆的牛顿定律“推导”出了时间不可逆的热力学第二定律吗？

法国著名哲学家、数学家庞加莱毫不客气地指出，靠时间可逆过程来解释不可逆性，虽然努力不计其数，但显然是一个纯粹的逻辑错误。玻尔兹曼试图从个体的可逆的动力学轨道描述开始，来理解热力学第二定律及其所预言的熵的自发增加，这实际上是不可能做到的。

很显然，在玻尔兹曼的理论中，玻尔兹曼一定引入了额外的假定，正是这一假定导入了时间不可逆性。他所引入的假定是：热力学系统的所有微观状态都具有相同的概率（与此类似，美国科学家吉布斯在其系综理论中亦提出了“遍历性”假定）。但这一假定是先验的，没有任何的微观动力学依据。

玻尔兹曼的理论在当时遭到了猛烈抨击，这些批评击中了要害。玻尔兹曼不得不退缩了，他的尝试终以失败告终。忧郁的他后来悲剧性地选择了自杀。

五、谁来拯救科学？

我们看到，科学为我们提供了两个相互矛盾的自然观，即以动力学定律为基础的时间可逆观点和以熵为基础的不可逆演化观点。我们不能不问：世界是由微观粒子组成的，而微观粒子的运动又是时间可逆的，为什么由微观粒子组成的宏观物体的运动和变化却都是时间不可逆过程呢？热力学第二定律到底是从哪里来的呢？过了这么多年，这个问题在今天依然没有令人满意的答案。

针对这一困难，很多科学家都选择接受时间可逆的科学“基本”定律而抛弃热力学，认为热力学定律导致的时间不可逆性只是幻觉。爱因斯坦常说：“时间是一种错觉。”玻恩断言：“不可逆性是无知介入物理学基本定律的后果”（从而熵可以被认为是无知的量度）。霍金在其名著《时间简史》中写道：“我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头，是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像一台计算机，我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。这几乎使热力学定律变成无聊的东西。无序度随时间的增加乃是因为我们是在无序度增加的方向上测量时间。你不可能有比这更具胜算的打赌了！”（史蒂芬·霍金著《时间简史》第页，许明贤、吴忠超译，湖南科学技术出版社）

然而，我们自己的生命历程就是典型的不可逆过程，鹤发不复青丝，人死不能再生，将不可逆性看成幻觉，就如同将生与死的区别看成幻觉，这多少有点自欺欺人的味道。

如果霍金的说法正确，无序度随时间的增加乃是因为我们是在无序度增加的方向上测量时间，那么，为什么我们将在无序度增加的方向上所测量到的“时间”应用到那些“基本”的科学定律中时，那些“基本”的科学定律却仍然没有时间的方向性呢？或者问，为什么“基本”科学定律不支持我们的幻觉呢？普利高津在《确定性的终结──时间、混沌与新自然法则》一书中认为，为了克服时间可逆性难题，我们需要的不是将热力学第二定律贬为现象学，相反，我们的动力学理论需要扩展。

目前我们的基本科学定律是有问题的，谁能解决这个问题，谁就将成为比爱因斯坦更伟大的科学家！

赞赏

长按







































北京看白癜风大概多少钱
北京市哪里治疗白癜风最好