韓京辰

中央電視臺(tái)曾播放過(guò)一個(gè)關(guān)于時(shí)間倒流的公益廣告，這個(gè)公益廣告是由一首詩(shī)改編而成的：瀑布的水逆流而上，蒲公英種子從遠(yuǎn)處飄回，聚成傘的模樣，太陽(yáng)從西邊升起，落向東方。運(yùn)動(dòng)員回到起跑線(xiàn)上，轟鳴的火車(chē)退回家鄉(xiāng)……很明顯，這個(gè)公益廣告中的現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)中是不會(huì)發(fā)生的。那么，為什么不會(huì)發(fā)生呢？究竟是什么物理規(guī)律不允許時(shí)間倒流呢？

從力學(xué)與能量看時(shí)間倒流

我們先從力學(xué)規(guī)律看看時(shí)間問(wèn)題。從力學(xué)規(guī)律看，時(shí)間倒流并非不可能，因?yàn)榱W(xué)現(xiàn)象是可逆的。假設(shè)一個(gè)物體在做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，顛倒時(shí)間的方向，物體仍然做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，只不過(guò)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)的情況，如果物體受力，情況又會(huì)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(shí)間的方向，就會(huì)發(fā)現(xiàn)水向上運(yùn)動(dòng)，但速度越來(lái)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(xué)的角度考慮，這也沒(méi)有什么問(wèn)題。從這里可以知道，如果時(shí)間的方向顛倒，那么速度的方向就會(huì)顛倒，而加速度和力的方向不變，但無(wú)論如何都不違反力學(xué)規(guī)律。因此，力學(xué)規(guī)律不是決定時(shí)間方向的物理規(guī)律。

力學(xué)規(guī)律并不決定時(shí)間的方向，那么，什么物理規(guī)律決定了時(shí)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(shí)間方向的物理規(guī)律。煙花內(nèi)筒爆炸時(shí)，火藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、光能和動(dòng)能（包括聲能），將熱能、光能和動(dòng)能加在一起，總量和爆炸前火藥中儲(chǔ)存的化學(xué)能是相等的。如果顛倒時(shí)間的方向，就會(huì)發(fā)現(xiàn)熱能、光能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了化學(xué)能。在這個(gè)過(guò)程中，能量仍然是守恒的。也就是說(shuō)，能量守恒定律不阻止時(shí)間倒流。由此可見(jiàn)，能量守恒定律也不是決定時(shí)間方向的物理規(guī)律。

從熵的角度看世界

力學(xué)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(shí)間的方向呢？

首先，讓我們分析一下蒲公英的種子。一開(kāi)始，蒲公英的種子呈傘狀排布，這是一個(gè)高度有序的狀態(tài)，當(dāng)蒲公英的種子被風(fēng)吹散之后，就變得無(wú)序了。由此可見(jiàn)，物質(zhì)的排列總是越來(lái)越無(wú)序。

我們?cè)賮?lái)分析一下飯菜的香味。飯菜的香味來(lái)自分子，一開(kāi)始，分子全部都在鍋里面，但在加熱之后，分子向外擴(kuò)散，變得更加無(wú)序，從這個(gè)例子也能得知無(wú)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(shí)，內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（包括聲能）、光能和熱能，動(dòng)能和光能最終也轉(zhuǎn)化為熱能。化學(xué)能是儲(chǔ)存在分子內(nèi)部高度有序的能量，而熱能是分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，當(dāng)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能之后，無(wú)序度增加了。

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

我們以氣體的擴(kuò)散分析。假設(shè)有一個(gè)非常小的容器，內(nèi)部只有4個(gè)氣體分子，我們暫且稱(chēng)其為A、B、C和D。容器的中心有一個(gè)隔板，上面有一個(gè)閥門(mén)。一開(kāi)始，4個(gè)分子都處于隔板的一側(cè)，這就是一個(gè)宏觀(guān)態(tài)。宏觀(guān)態(tài)是分子的數(shù)量分布，而微觀(guān)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(gè)分子都在隔板一側(cè)，則對(duì)應(yīng)的微觀(guān)態(tài)只有一個(gè)。打開(kāi)閥門(mén)后，分子擴(kuò)散至整個(gè)容器。這時(shí)，就是另一個(gè)宏觀(guān)態(tài)：隔板兩側(cè)各有兩個(gè)分子。這個(gè)宏觀(guān)態(tài)對(duì)應(yīng)的分子排列有6種，也就是對(duì)應(yīng)6個(gè)微觀(guān)態(tài)。當(dāng)氣體從隔板一側(cè)擴(kuò)散至整個(gè)容器時(shí)，無(wú)序度會(huì)增加。由此可知，一個(gè)宏觀(guān)態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀(guān)態(tài)越多，無(wú)序度就越大?？梢哉f(shuō)，所有有序的微觀(guān)態(tài)都是相似的，而無(wú)序的微觀(guān)態(tài)各不相同。

在等溫的物態(tài)變化過(guò)程中（例如晶體的熔化、液體的沸騰以及對(duì)應(yīng)的逆過(guò)程），物質(zhì)要吸收（或放出）熱量，這樣就可以得到一個(gè)變量，即熱量的變化量除以溫度，這就是“熵”，而對(duì)于質(zhì)量一定的某種物質(zhì)來(lái)說(shuō)，不同物態(tài)對(duì)應(yīng)的分子排列方式是不同的，因此，對(duì)應(yīng)的微觀(guān)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(diǎn)附近振動(dòng)，不能自由移動(dòng)；液態(tài)物質(zhì)的分子可以移動(dòng)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(duì)應(yīng)的微觀(guān)態(tài)多于固態(tài)，氣態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀(guān)態(tài)又多于液態(tài)。根據(jù)這一點(diǎn)，就可以推測(cè)到熵和無(wú)序度是有關(guān)的。它們的關(guān)系是：在一個(gè)宏觀(guān)態(tài)中，熵正比于微觀(guān)態(tài)數(shù)目的對(duì)數(shù)，即：S=klnΩ（S是熵，Ω是微觀(guān)態(tài)的數(shù)目，k為常數(shù)）。如果以J/K（焦耳每開(kāi)爾文，開(kāi)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(guò)這種定義，熵就不僅限于用來(lái)分析等溫的物態(tài)變化過(guò)程了。實(shí)際上，熵也可以用來(lái)分析任何物質(zhì)狀態(tài)。從無(wú)序度不斷增加的現(xiàn)象，可以推測(cè)到熵隨時(shí)間單調(diào)遞增。

熵為什么會(huì)增加

物質(zhì)的狀態(tài)總是趨向于無(wú)序。通過(guò)引入“熵”這個(gè)物理量，無(wú)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(shí)間之所以具有方向性，就是因?yàn)殪卦鲈怼?/p>

不過(guò)，這里還有一個(gè)問(wèn)題，那就是：熵為什么會(huì)增加呢？

實(shí)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(jiǎng)機(jī)內(nèi)部有12個(gè)球，搖獎(jiǎng)時(shí)出兩個(gè)球。買(mǎi)彩票時(shí)，在12個(gè)號(hào)碼中選兩個(gè)號(hào)碼。如果兩個(gè)號(hào)碼和出球的號(hào)碼完全一致，則中一等獎(jiǎng)，如果1個(gè)號(hào)碼和出的某個(gè)球一致，則中二等獎(jiǎng)。從熱力學(xué)角度看，一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、不中獎(jiǎng)這三種狀態(tài)中，每一種都是一個(gè)宏觀(guān)態(tài)，但它們對(duì)應(yīng)的微觀(guān)態(tài)的數(shù)目是不同的。在一次開(kāi)獎(jiǎng)中，搖獎(jiǎng)機(jī)出的兩個(gè)球只有一種排列方式。因此，中一等獎(jiǎng)的彩票號(hào)碼排列方式只有一種，也就是說(shuō)，一等獎(jiǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)微觀(guān)態(tài)。二等獎(jiǎng)對(duì)應(yīng)的微觀(guān)態(tài)不止一種，因?yàn)槎泉?jiǎng)要求只有一個(gè)號(hào)碼與開(kāi)獎(jiǎng)號(hào)碼一致，另一個(gè)號(hào)碼不一致，對(duì)應(yīng)的微觀(guān)態(tài)只有20個(gè)，因此，二等獎(jiǎng)的熵大于一等獎(jiǎng)。不中獎(jiǎng)的彩票對(duì)應(yīng)45個(gè)微觀(guān)態(tài)，熵最高。

只要分析一下各個(gè)宏觀(guān)態(tài)出現(xiàn)的概率，就能得知熵為什么會(huì)增加。一等獎(jiǎng)的中獎(jiǎng)概率只有1/66（約1.5%），二等獎(jiǎng)的概率為10/33（約30%），而不中獎(jiǎng)的概率為15/22（約68.5%）。由此可見(jiàn)，熵越高的宏觀(guān)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(gè)氣體分子的擴(kuò)散為例。一開(kāi)始，4個(gè)分子都在隔板的一側(cè)，閥門(mén)打開(kāi)后，氣體擴(kuò)散到整個(gè)容器，隔板兩側(cè)各有2個(gè)分子。在這個(gè)過(guò)程中，熵增加了。實(shí)際上，氣體分子不一定均勻分布到整個(gè)容器（隔板兩側(cè)各2個(gè)），也可能是隔板一邊1個(gè)，另一邊3個(gè)，還有可能4個(gè)分子全擴(kuò)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(gè)狀態(tài)擴(kuò)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(shí)際情況下，分子的數(shù)量大得驚人，氣體全部擴(kuò)散到隔板另一側(cè)的概率小到可以忽略。因此，我們從未觀(guān)察到熵減小的現(xiàn)象。熵增加原理是統(tǒng)計(jì)定律，只有觀(guān)察大量分子，這個(gè)定律才成立。如果只觀(guān)察一個(gè)分子，是無(wú)法確定時(shí)間的方向的?？梢?jiàn)，時(shí)間只有在宏觀(guān)世界中才有方向。

無(wú)序度的增加只是物質(zhì)發(fā)展的總體趨勢(shì)。實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)中也會(huì)出現(xiàn)很多“熵減小”的情形，只不過(guò)熵減小是局部現(xiàn)象。如果將外界算進(jìn)來(lái)，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(jī)需要能量才能工作，輸入壓縮機(jī)的電能最終會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，耗散到空氣中。這個(gè)過(guò)程中，熵是增加的，這個(gè)熵增大于冰箱內(nèi)外溫差帶來(lái)的熵減。因此，將外界考慮進(jìn)來(lái)，總熵仍是增大的。

可見(jiàn)，熱不能完全轉(zhuǎn)化為其他種類(lèi)的能量。那么，熱究竟是什么呢？這里，我們要深入微觀(guān)世界來(lái)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(dòng)的，它們?cè)诓粩噙\(yùn)動(dòng)。即使是固體，其分子也在振動(dòng)。溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)得越劇烈，由此可知熱的本質(zhì)是分子的運(yùn)動(dòng)。熱能也被稱(chēng)為內(nèi)能，單位是焦耳。一個(gè)物體具有的內(nèi)能等于組成該物體的所有分子的動(dòng)能總和，而溫度就代表了每個(gè)分子的平均動(dòng)能。在一個(gè)物體內(nèi)，每個(gè)分子的動(dòng)能并不相同，但每個(gè)分子動(dòng)能的平均值卻只有一個(gè)。溫度這個(gè)物理量就是描述分子平均動(dòng)能的大小的。它的標(biāo)準(zhǔn)單位是開(kāi)爾文（K），溫度的下限是0K（-273.15℃），也就是絕對(duì)零度。在絕對(duì)零度下，分子的動(dòng)能等于零。實(shí)際上，絕對(duì)零度是不可能達(dá)到的，但可以無(wú)限逼近。

由于分子運(yùn)動(dòng)是無(wú)序的，因此，宏觀(guān)物體雖然受到分子的撞擊，但各個(gè)方向上分子的撞擊力相互抵消，所以物體的動(dòng)能并不會(huì)增加，這就是內(nèi)能不會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的原因。但是，物體越小，在單位時(shí)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(gè)時(shí)刻，它受到的分子撞擊力就會(huì)顯出不平衡，物體就會(huì)因分子的撞擊而運(yùn)動(dòng)，這就是布朗運(yùn)動(dòng)。物體越小，布朗運(yùn)動(dòng)就越劇烈。由于分子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)序的，因此布朗運(yùn)動(dòng)也是無(wú)序的。分子非常小，用一般的顯微鏡根本無(wú)法觀(guān)察到。而產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)的微粒比分子大得多，用一般的顯微鏡就能觀(guān)察到。布朗運(yùn)動(dòng)是分子運(yùn)動(dòng)的有力證據(jù)。

熱的本質(zhì)是分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)，根據(jù)熵增原理，我們就可以得知為什么其他種類(lèi)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(lèi)的能量。這就是時(shí)間不能倒流的原因。