我們僅有的兩支「時間之箭」不匹配

我們 大多數人 都認為時間是固定的：總是在向前，以所有觀察者都能同意的易於測量的速度滴答作響。但是，當兩個觀察者將他們各自的經歷作為一秒鐘進行比較時，他們並不總是發現自己彼此同意。直到 1900 年代初，隨著愛因史坦相對論的到來，這才得到解釋：令人驚訝的是，長期以來被認為是基本和普遍的時間本身實際上是相對的。不同的觀察者，只要他們以不同的速度或不同的方向在空間中移動，就會以不同的方式體驗時間的流動。兩個事件是同時發生還是先發生，完全取決於觀察者的觀點。

然而，盡管時間是多麽模棱兩可，但有一些事實是所有觀察者都可以同意的。也許這些事實中最基本的——但也許也是其中最令人費解的——是每個人，在他們自己的慣性參考系中，總是看到時間以相同的速度向前移動：每秒一秒。這個事實被稱為時間之箭，或者說是我們感知的時間之箭。關於是什麽導致我們以我們的方式體驗它，有很多想法，其中一個被提出的想法是我們所知道的唯一另一個「時間之箭」：時間的熱力學箭頭，因為熵總是在增加。

不幸的是，這兩個箭頭不可能是同一個箭頭;熱力學的時間之箭並不能解釋我們感知到的時間之箭。盡管有些人會反駁，但科學對此非常清楚。原因如下。

隨著每一刻的流逝，無論我們周圍發生什麽，我們都會發現自己正在經歷最基本、最無聊、最平凡的時間旅行形式：隨著我們走向未來，時間的緩慢流逝。隨著時間的流逝，光繼續沿其移動的方向傳播，保持其恒定的速度（光速），因為它在每個給定的時間間隔內移動適當的距離，而不管周圍發生了什麽。在任何時候，在任何情況下，時間都不會停滯不前或倒流;它只能繼續走向未來。

換句話說，時間的箭頭總是指向我們宇宙中存在的任何東西的前進方向。但對於基礎物理學來說，這是一個難題，因為沒有解釋為什麽時間會以這種方式執行。自然法則，除了極少數例外，是完全時間對稱的。從牛頓到愛因史坦，從馬克士威到波耳，從狄拉克到費曼，支配現實的方程式式對時間流動的方向沒有偏好。任何系統的行為都可以用方程式來描述，這些方程式在正向方向上和在後向方向上同樣有效。然而，我們可以在三個空間維度中的任何一個維度上「向後」和向前移動。不知何故，時間不同了。

考慮到所有這些，那麽，我們的時間之箭從何而來？

根據許多人的說法，我們認為的時間之箭和稱為熵的量之間似乎存在暗示性的聯系。在物理系統中通常被稱為「無序的度量」，當涉及到熵的物理量時，實際上有兩種更準確的描述。

1. 熵可以看作是系統（量子）狀態的可能排列的數量。如果你有更多的選擇來排列你的系統，使其保持相同，那麽你的熵比更少的選項要高。一個有 20 個不同區域、20 個不同溫度的房間比每個位置都具有相同溫度的房間具有更低的熵;由隔板隔開的「熱」面和「冷」面的房間比隔板移除後混合良好的房間的熵要小。

2. 將熵視為可以轉化為有用的機械功的熱（熱）能量的量度也很有用。當你有大量的能量可用於做功時（例如一個有熱源和冷水槽的房間），你就有一個低熵系統，因為能量（或熱量，或粒子）的流動可以用來提取能量和執行工作。相反，如果你的可用能量很少（一個接近平衡的溫度室），你就有一個高熵系統。

每當我們討論熵時，我們必須記住，我們受到熱力學科學的約束，特別是熱力學定律的約束。特別是，第二定律具有極其重要的意義，它指出封閉 和隔離（自給自足）系統的 熵——一個不允許與外部環境交換物質或能量的系統——只能隨著時間的推移而增加或保持不變;它永遠不會倒下。盡管宇宙只是近似的封閉和隔離，但這種近似對於幾乎所有套用來說都是非常非常好的。換句話說，隨著時間的推移，整個宇宙的熵必須增加。這是唯一已知的物理定律，似乎表現出時間的首選方向。

這是否意味著，由於熱力學第二定律，我們可能只能以我們的方式體驗時間？

如果是這樣，那就表明時間之箭和熵之間存在著根本的深刻聯系。雖然哲學界的許多人（包括涉足哲學的物理學家）認為可能存在這種聯系，但這不僅僅是哲學的問題。相反，我們可以檢視熵增加的系統的物理證據，熵保持不變，甚至我們在外部操縱（不再封閉和隔離的）系統，以人為地降低內部的熵。如果感知到的時間之箭總是向前跑，無論系統內部的熵發生什麽變化，這個建議的聯系就會被證偽。

事實證明，逆轉大多數系統內部的熵流說起來容易做起來難。當然，您可以炒雞蛋和煮雞蛋，與時間倒轉的過程相比，這是一個非常簡單的過程：拆雞蛋和解炒雞蛋。盡管從實際的角度來看，這可能是可能的，但這是一個非常不可能的前景：一個在這個宇宙中永遠不會自然發生的前景，並且需要仔細操作（在分子水平上）來誘導。當您將鮮奶油倒入咖啡中並攪拌時，同樣的情況也適用;將咖啡/鮮奶油混合物均質化比將混合咖啡/鮮奶油分離成其單個成分要容易得多。實際上，熵逆轉過程永遠不會自發發生。

正如你所懷疑的那樣，熱力學和熵在這兩個過程中都起著巨大的作用。我們可以測量初始狀態（未加擾和未煮熟，或未攪拌和未混合）和最終狀態（加擾和煮熟，或混合）之間的熵的明顯差異，並且發現，不出所料，最終狀態是比初始狀態更高的熵狀態。這些案例是工作熵的一個具體例子，其中最初的低熵狀態（具有更多的可用能量能夠執行工作）過渡到最終的高熵狀態（具有較少的可用能量來執行工作）。您可能已經註意到，熵增加的時間熱力學箭頭的方向確實與感知到的時間向前流逝相吻合。

自然界中充滿了這樣的例子，例如咖啡和鮮奶油的混合或雞蛋的炒煮：我們在物理學中通常稱之為「不可逆反應」。將冰塊放入熱飲中，冰塊會融化，從而產生冷飲，其溫度均勻，低於將冰塊放入其中之前的溫度。另一方面，冷飲永遠不會自發地分離成熱飲和冰塊;這是熱力學第二定律所禁止的。同樣，如果你建立一個房間，在它的兩半之間有一個屏障，一半保持熱，另一半保持低溫，你可以預測如果你在屏障內開啟一扇門會發生什麽：允許兩半之間的粒子混合。

隨著時間的流逝，房間將達到平衡，在足夠晚的時候，你會發現兩半現在都充滿了中等溫度的顆粒。不管你等了多久，兩半都不會自發地分開，進入一個在大門一側半熱，在大門另一側半冷的房間。這是熱力學定律隨時間推移從宇宙中提取的代價：封閉和孤立系統的總熵永遠不會減少。我們在這裏描述的交互作用不是自發可逆的。

除了，如果你把「自發的」和「封閉和隔離的」一起扔掉，一個單獨的系統終究會被哄騙經歷熵逆轉。

當談到熱力學第二定律和看似不可避免的熵增時，大多數人都忘記了一個警告：只有當我們將其套用於封閉和孤立的系統時，該定律才成立。只要我們有一個系統，沒有外部能量輸入或提取，沒有粒子加入或從中取出，並且相對於外部世界沒有熵的增加或減少，熱力學第二定律是強制性的。對於封閉和隔離系統，熱力學第二定律沒有已知的例外。

但是，如果我們以違反這些條件的方式建立我們的物理系統呢？事實證明，當我們向系統輸入能量時，或者當我們在系統中添加或刪除物質時，突然有可能違反熱力學第二定律。再次考慮一個具有熱面和冷面的盒子，由隔板隔開，而同一個盒子的兩面混合良好，並且溫度相同。有沒有辦法扭轉「盒子的兩半」反應，我們可以從混合良好的狀態開始，最終得到盒子的「熱面」和「冷面」？

確實，有一種方法。早在 1870 年代，偉大的物理學家詹姆士·克拉克·馬克士威 （James Clerk Maxwell） 就首次提出了它。透過假設一個外部實體能夠在關鍵的適當時刻快速開啟或關閉房間兩側之間的隔板或門，「冷」分子可以被收集到一側並拒絕透過到另一側，而「熱」分子同樣被收集和維持在另一側。這個想法現在被稱為 馬克士威的惡魔 ，它使你能夠降低系統的熵，但只是要付出代價：消耗監控系統所需的能量和開啟和關閉分隔兩側的門的成本。

然而，遵循這個程式並不違反熱力學第二定律，因為盒子不再是一個封閉和隔離的系統。相反，你必須考慮盒子的總熵加上惡魔的熵（或惡魔的行為），兩者加在一起，才能發現它們的熵總是增加，就像你所期望的那樣。只有當你只看系統的一部份，比如盒子（而忽略惡魔和它的行為），你才會感覺到熵的減少。

但這個盒子裏的情況正是我們需要反駁時間的熱力學箭頭和時間的感知箭頭之間的假設聯系。即使你住在盒子裏，惡魔是無法察覺的——類似於你生活在宇宙的一個口袋裏，你不封閉和孤立的系統的局部熵會減少——時間仍然會為你前進。這足以得出一個大結論：熱力學時間之箭並不能決定我們感知的時間之箭。

為了負責任地進行這樣的實驗，或者甚至以負責任的方式設定這樣的實驗，你必須仔細控制系統的能量和熵輸入和輸出。如果你被允許將能量（或轉移粒子）輸入到你的系統中，那麽我們之前標記為不可逆的所有早期反應都可能突然發生，包括：

就像打掃房間或訂購一副混合紙牌可以降低其熵一樣，但只能以犧牲您為建立該訂單而投入的能量為代價，這些行為必須以外部成本為代價。然而，無論系統內的熵是上升、下降還是保持不變——即使你以（局部）反轉熵的方式使這些反應發生——你系統內的所有時鐘仍然會向前執行。在熵保持不變的自然系統中，例如絕熱膨脹的無碰撞物質雲，時間仍然向前流逝。此外，對於所有觀察者來說，時間不僅向前執行，而且 總是以完全相同的速度向前執行 ，無論它們的熵是否或如何變化：以每秒一秒的速度。

據我們所知，熱力學第二定律是正確的：宇宙中任何封閉和孤立的系統，包括整個可觀測宇宙本身的熵永遠不會減少。同樣，正如任何人所感知的那樣，時間總是只朝著一個方向執行：向前，對所有觀察者來說，對每個人來說都是以相同的經驗速度。然而，許多人沒有意識到的是，這兩種型別的箭頭——熵的熱力學箭頭和時間的感知箭頭——是不可互換的。

在熱大霹靂之前的宇宙膨脹時期，熵保持低且恒定，時間仍在向前執行。當最後一顆恒星燃燒殆盡，最後一個黑洞衰變，最終空虛的宇宙完全被暗能量所支配時，時間仍然會向前流逝。在兩者之間的任何地方，無論宇宙中發生了什麽，或者宇宙中任何系統的熵如何，對於所有觀察者來說，時間仍然會以完全相同的普遍速率向前執行：每秒一秒。如果你想知道為什麽昨天是一成不變的過去，明天會在一天內到來，而現在就是你現在正在經歷的，你有很好的陪伴;沒有人知道為什麽時間有這些特性。然而，我們所知道的是，熱力學雖然很有趣，但並不能解決這個難題。