科學(xué)百科71期丨熵和時(shí)間之間有什么關(guān)系？

本期為大家?guī)恚?/p>

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問題》

本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對(duì)這些問題的來龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒有希望得到解決等問題均作了回答。

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第七十一個(gè)問題：熵和時(shí)間之間有什么關(guān)系？

假定我們從空間中很遠(yuǎn)的地方，拍下一部地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的電影，然后把它放映得很快，使我們可以看到地球似乎在沿著它的軌道骨碌骨碌地轉(zhuǎn)動(dòng)著。再假定我們先把這部影片順著從頭到尾放映一遍，然后又倒過來從尾到頭放映一遍。那時(shí)，我們能夠說出哪一種放映法正好看起來同地球在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候一樣嗎？

你也許會(huì)說，從太陽的北極上方往下看，地球是逆時(shí)針方向繞著太陽轉(zhuǎn)的。如果看起來地球是在順時(shí)針方向運(yùn)轉(zhuǎn)，那么，我們就知道影片是在倒過來放映，因而時(shí)間是在向后退。

但是，如果你這時(shí)是從太陽南極的上方去觀察地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)，地球就會(huì)是順時(shí)針方向繞著太陽運(yùn)動(dòng)。這樣一來，如果你看到的是順時(shí)針方向的運(yùn)動(dòng)，你怎樣知道你是在太陽北極上方看到時(shí)間在往后退，還是在太陽南極的上方看到時(shí)間在向前進(jìn)呢？

你是無法回答這個(gè)問題的。就是在只牽涉到很少幾個(gè)物體的、非常簡(jiǎn)單的過程中，也不可能說出時(shí)間到底是在前進(jìn)還是在后退。對(duì)于這兩種情形，自然規(guī)律都是同樣成立的。如果你所考慮的是亞原子粒子，情況也是這樣。

大家全都知道，沿著某一彎曲的路徑隨著向前推移的時(shí)間而運(yùn)動(dòng)的電子，可以看成沿著同一彎曲的路徑隨著向后推移的時(shí)間而運(yùn)動(dòng)的正電子。如果你所考慮的僅僅是那個(gè)粒子，那么，你就不可能確定其中哪一種說法是正確的。

在你無法說出時(shí)間究竟是在前進(jìn)還是在后退的那些非常簡(jiǎn)單的過程中，熵是不改變的（或者是改變得非常少，因而可以略去不計(jì)）。但是，在牽涉到許多粒子的一般過程中，熵總是會(huì)增大，換句話說，無序程度總是會(huì)增大。一個(gè)跳水運(yùn)動(dòng)員跳入游泳池而濺起大量水花，一個(gè)花瓶掉在地上面碎成片片，許多樹葉從樹上掉落而散布在地面上——所有這些和我們周圍所發(fā)生的其他事情，我們都可以證明它們是會(huì)使熵增大的。我們習(xí)慣于看到熵在增大，并且往往用熵的增大來說明一切都在正常地進(jìn)行，說明我們?cè)跁r(shí)間中正在向前推進(jìn)。要是我們突然看到熵在減小，那么，我們唯一能做出的解釋就是：我們正在時(shí)間中往后退。

例如，假定我們正在看一部由日常生活構(gòu)成的影片。倘若我們看到了濺起的水滴匯集在一起，而跳水運(yùn)動(dòng)員從水里向上升到跳板上；倘若我們看到花瓶的碎片湊成花瓶并通過空氣跳回桌子上原來的地方；倘若我們看到地上的落葉自己集中起來并飛回樹上各個(gè)枝枝椏椏上，那么，由于這一切都表明熵降低了，所以我們就知道，這一切完全同事物的正常次序相反，而那個(gè)影片肯定是倒過來放映的。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)間顛倒過來的時(shí)候，各種事件會(huì)變得那么古怪，因此，那種場(chǎng)面會(huì)使我們發(fā)笑。

由于這個(gè)緣故，熵有時(shí)也被稱為“時(shí)間的箭頭”，因?yàn)樗姆€(wěn)步上升可以作為時(shí)間的“前進(jìn)方向”的標(biāo)志。不過，如果物體中的全部原子都正好以同樣的方式運(yùn)動(dòng)，那么，所有這些顛倒的事情就是可能發(fā)生的。但發(fā)生這種事情的機(jī)會(huì)是如此之小，所以我們完全可以把這種可能性略去不計(jì)。