时间永远向前但没人知道为什么 从宇宙起源说起(2)

2015年06月16日08:06   新浪科技 微博    收藏本文     

  热力学与熵的本质

只有运用原子理论才能解释火焰的形成只有运用原子理论才能解释火焰的形成

  玻尔兹曼究竟发现了什么?他发现熵的本质是对原子排布方式的数量,以及它们所携带能量的度量。熵之所以会增加,是因为原子变得更加混乱了。

  根据玻尔兹曼的观点,这就是冰为何会在水里融化的原因。相比固体状态的冰,当水体处于液体状态时,水分子有多得多的排布方式,也有多得多的方式可以在分子间 传递热量。于是,便存在着太多的途径可以导致冰的融化,但只有相对较少的途径可以导致水的固结,也因此,冰最终消融的可能性是压倒性的。

  相似的,如果你将一滴奶油滴到你的咖啡里,这一滴奶油将会扩散到整杯咖啡里,因为那样才是熵更高的状态——相比局限在一个小区域内,存在更多的排布方式可以让这一滴奶油的成分粒子扩散到整杯咖啡。

  在玻尔兹曼看来,熵是有关概率大小的概念。具有低熵的物体显得整洁(有序),因此难以存在。高熵物体显得混乱(无序),也因此更有可能存在。熵总是增加的,因为物体显得混乱要比显得整洁容易得多。

  这听上去有些令人沮丧,尤其如果你是一个喜欢将自己住的屋子收拾的干干净净的人的话。但玻尔兹曼关于熵的认识却的的确确有着一个正面的意义:它似乎可以解释时间箭头的存在。

  玻尔兹曼对于熵值为何永远增加的问题的探索,反过来为寻找我们问题的答案提供了启发:为什么我们永远体会到时间向前流逝?如果宇宙作为一个整体从低熵状态逐渐向高熵状态演化,如果是那样,那么我们将永远无法目睹事物的反向发生。

把一块冰块投入一杯水里,它当然会融化把一块冰块投入一杯水里,它当然会融化

  我们无法目睹破碎的鸡蛋恢复如初,这是因为存在着无数中排布这些鸡蛋碎片的方式,而其中几乎所有的排布方式最终的结果都是一个破碎的鸡蛋而不是一个完整的鸡蛋。相似的,融化的冰不会倒回去,点燃的火柴不会倒回去,你擦伤的膝盖也不会倒回去。

  玻尔兹曼对于熵的定义甚至还可以解释为何我们可以记得过去而不是未来。请想象一下相反的情况:假设你拥有对某一事件的记忆,然后这一事件发生,再然后你对于这一事件的记忆消失。从概率上讲,你的大脑发生这种情况的可能性非常非常低。

  根据玻尔兹曼的理论,未来之所以看上去与过去不一样,仅仅是因为相比过去,未来的熵增加了。不过,他挑剔的反对者们从玻尔兹曼的理论中找出了一个推理上的“瑕疵”。

  “过去假设”与低熵宇宙

时间是宇宙的内在属性吗?时间是宇宙的内在属性吗?

  玻尔兹曼指出,随着我们逐渐向着未来滑去,熵将增加,这是如原子那样微小粒子行为概率学上导致的结果。然而这些微小粒子本身也是遵循基本物理学原理的,而那些基本物理学原理却并不区分过去和将来。

  于是玻尔兹曼的理论中便出现了一个棘手的悖论:如果你说朝未来发展,熵值将会增加,那么我也可以说,随着倒回过去,熵值将会增加。玻尔兹曼说,因为产生破碎 的鸡蛋要比产生一个完好的鸡蛋容易得多,因此有理由预期完好的鸡蛋将会变成破碎的鸡蛋。但这里同样存在另外一种解释:完好的鸡蛋是难以出现的小概率事件, 那么鸡蛋应当在大部分的时间里处于破碎状态,只有在非常偶发的情况下才会呈现出完好的状态,但也应该只能持续很短的时间,随后就应该再次回到破碎的“常见状态”才对。

事件一旦发生就不能倒回去事件一旦发生就不能倒回去

  简而言之,你可以运用玻尔兹曼有关熵的理论来证明:过去和未来应当看上去是相似的。但这并非我们的日常经验告诉我们的事实,于是我们又回到了最初的那个问题——为何时间会有方向?

  对此,玻尔兹曼考虑了几种解决的方式。其中效果最好的一种被称之为“过去假设”(past hypothesis)。这一理论非常简单:在遥远的过去的某一时刻,宇宙曾经处于低熵状态。

  如果这一假设成立,那么玻尔兹曼理论框架中的“瑕疵”将不复存在。过去和未来看上去将会很不一样,因为过去的状态熵值要比未来的状态低得多。因此,鸡蛋一旦打破将无法恢复。

  这样的解决方式非常简洁有力,但却会引出一个全新的问题,那就是:你怎么知道所谓“过去假设”理论是正确的?既然低熵状态是难以出现的,那么为何在遥远的过去宇宙竟然会处于这样一种“难以出现”的状态?

  玻尔兹曼未能解决这个问题。玻尔兹曼本身是一名狂躁抑郁症患者,在自己的观点被主流物理学界多次拒绝之后,他确信自己毕生的工作都将会被人们所遗忘。1906年在的里雅斯特附近的一次家庭度假期间,玻尔兹曼用上吊的方式结束了自己悲剧的一生。

  他的自杀尤其具有悲剧色彩,因为就在他死后不到10年时间里,物理学界开始认识并接受他有关原子的理论观点。另外,在接下来的数十年间,新的发现表明或许存在着一种方法,可以解释“过去假设”所设想的情形。

   宇宙大爆炸

混乱的宇宙。一个拥有星系,恒星和行星的宇宙实际上比充斥着高温致密气体物质的原始宇宙具有更高的熵值  混乱的宇宙。一个拥有星系,恒星和行星的宇宙实际上比充斥着高温致密气体物质的原始宇宙具有更高的熵值

  在20世纪,我们对于宇宙的认识发生了彻底的改变,我们发现宇宙是有开端的。

  在玻尔兹曼的年代,大多数物理学家相信宇宙是永恒的——它一直是存在的,过去是,将来也是。但在20世纪20年代,天文学家们发现所有的星系都在远离我们而去。他们意识到,宇宙正在膨胀。这就意味着,在过去的某一时刻,宇宙曾经聚集在一起。

  在接下来的几十年间,物理学家们逐渐达成一致意见,我们的宇宙是从一个极度高温致密的“点”开始的。这个“点”快速膨胀并冷却,形成了我们所知的一切事物。这一从微小的一个点开始发生的迅速膨胀过程被称为“大爆炸”。

  这似乎可以支持“过去假设”理论。卡罗尔表示:“人们会说,好吧,很显然早期宇宙是处于低熵状态的。但为何从一开始,在大约距今140亿年前的宇宙初期会处于低熵状态,这个问题我们目前还无法解答。”

我们现在知道宇宙的年龄大约有140亿年我们现在知道宇宙的年龄大约有140亿年

  平心而论,一次巨大的宇宙大爆炸事件听起来并不像是某种能够与低熵相联系起来的事物。毕竟,爆炸的规模是巨大的。在早期宇宙中存在许多不同的方式可以重新安 排物质和能量,使之仍旧能够保持高温,微小并处于膨胀状态。但正如事实已经证明了的那样,在周围存在大量物质的情况下,熵可能会有所不同。

  请想象一个巨大的空旷空间,在它的中央位置时一团质量与太阳相当的气体云。引力将把气体物质聚集到一起,最终这些气体物质将逐渐形成团块并发生塌缩,新的恒 星诞生了。但如果熵是永远增加的,那么所有这些又怎么可能发生?因为很显然,气体物质处于稀疏和分散状态下的可能方式远多于聚集。

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文章关键词: 宇宙理论物理学时间

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