我们仅有的两支「时间之箭」不匹配

我们 大多数人 都认为时间是固定的：总是在向前，以所有观察者都能同意的易于测量的速度滴答作响。但是，当两个观察者将他们各自的经历作为一秒钟进行比较时，他们并不总是发现自己彼此同意。直到 1900 年代初，随着爱因斯坦相对论的到来，这才得到解释：令人惊讶的是，长期以来被认为是基本和普遍的时间本身实际上是相对的。不同的观察者，只要他们以不同的速度或不同的方向在空间中移动，就会以不同的方式体验时间的流动。两个事件是同时发生还是先发生，完全取决于观察者的观点。

然而，尽管时间是多么模棱两可，但有一些事实是所有观察者都可以同意的。也许这些事实中最基本的——但也许也是其中最令人费解的——是每个人，在他们自己的惯性参考系中，总是看到时间以相同的速度向前移动：每秒一秒。这个事实被称为时间之箭，或者说是我们感知的时间之箭。关于是什么导致我们以我们的方式体验它，有很多想法，其中一个被提出的想法是我们所知道的唯一另一个「时间之箭」：时间的热力学箭头，因为熵总是在增加。

不幸的是，这两个箭头不可能是同一个箭头;热力学的时间之箭并不能解释我们感知到的时间之箭。尽管有些人会反驳，但科学对此非常清楚。原因如下。

随着每一刻的流逝，无论我们周围发生什么，我们都会发现自己正在经历最基本、最无聊、最平凡的时间旅行形式：随着我们走向未来，时间的缓慢流逝。随着时间的流逝，光继续沿其移动的方向传播，保持其恒定的速度（光速），因为它在每个给定的时间间隔内移动适当的距离，而不管周围发生了什么。在任何时候，在任何情况下，时间都不会停滞不前或倒流;它只能继续走向未来。

换句话说，时间的箭头总是指向我们宇宙中存在的任何东西的前进方向。但对于基础物理学来说，这是一个难题，因为没有解释为什么时间会以这种方式运行。自然法则，除了极少数例外，是完全时间对称的。从牛顿到爱因斯坦，从麦克斯韦到玻尔，从狄拉克到费曼，支配现实的方程式对时间流动的方向没有偏好。任何系统的行为都可以用方程来描述，这些方程在正向方向上和在后向方向上同样有效。然而，我们可以在三个空间维度中的任何一个维度上「向后」和向前移动。不知何故，时间不同了。

考虑到所有这些，那么，我们的时间之箭从何而来？

根据许多人的说法，我们认为的时间之箭和称为熵的量之间似乎存在暗示性的联系。在物理系统中通常被称为「无序的度量」，当涉及到熵的物理量时，实际上有两种更准确的描述。

1. 熵可以看作是系统（量子）状态的可能排列的数量。如果你有更多的选择来排列你的系统，使其保持相同，那么你的熵比更少的选项要高。一个有 20 个不同区域、20 个不同温度的房间比每个位置都具有相同温度的房间具有更低的熵;由隔板隔开的「热」面和「冷」面的房间比隔板移除后混合良好的房间的熵要小。

2. 将熵视为可以转化为有用的机械功的热（热）能量的量度也很有用。当你有大量的能量可用于做功时（例如一个有热源和冷水槽的房间），你就有一个低熵系统，因为能量（或热量，或粒子）的流动可以用来提取能量和执行工作。相反，如果你的可用能量很少（一个接近平衡的温度室），你就有一个高熵系统。

每当我们讨论熵时，我们必须记住，我们受到热力学科学的约束，特别是热力学定律的约束。特别是，第二定律具有极其重要的意义，它指出封闭 和隔离（自给自足）系统的 熵——一个不允许与外部环境交换物质或能量的系统——只能随着时间的推移而增加或保持不变;它永远不会倒下。尽管宇宙只是近似的封闭和隔离，但这种近似对于几乎所有应用来说都是非常非常好的。换句话说，随着时间的推移，整个宇宙的熵必须增加。这是唯一已知的物理定律，似乎表现出时间的首选方向。

这是否意味着，由于热力学第二定律，我们可能只能以我们的方式体验时间？

如果是这样，那就表明时间之箭和熵之间存在着根本的深刻联系。虽然哲学界的许多人（包括涉足哲学的物理学家）认为可能存在这种联系，但这不仅仅是哲学的问题。相反，我们可以查看熵增加的系统的物理证据，熵保持不变，甚至我们在外部操纵（不再封闭和隔离的）系统，以人为地降低内部的熵。如果感知到的时间之箭总是向前跑，无论系统内部的熵发生什么变化，这个建议的联系就会被证伪。

事实证明，逆转大多数系统内部的熵流说起来容易做起来难。当然，您可以炒鸡蛋和煮鸡蛋，与时间倒转的过程相比，这是一个非常简单的过程：拆鸡蛋和解炒鸡蛋。尽管从实际的角度来看，这可能是可能的，但这是一个非常不可能的前景：一个在这个宇宙中永远不会自然发生的前景，并且需要仔细操作（在分子水平上）来诱导。当您将奶油倒入咖啡中并搅拌时，同样的情况也适用;将咖啡/奶油混合物均质化比将混合咖啡/奶油分离成其单个成分要容易得多。实际上，熵逆转过程永远不会自发发生。

正如你所怀疑的那样，热力学和熵在这两个过程中都起着巨大的作用。我们可以测量初始状态（未加扰和未煮熟，或未搅拌和未混合）和最终状态（加扰和煮熟，或混合）之间的熵的明显差异，并且发现，不出所料，最终状态是比初始状态更高的熵状态。这些案例是工作熵的一个具体例子，其中最初的低熵状态（具有更多的可用能量能够执行工作）过渡到最终的高熵状态（具有较少的可用能量来执行工作）。您可能已经注意到，熵增加的时间热力学箭头的方向确实与感知到的时间向前流逝相吻合。

自然界中充满了这样的例子，例如咖啡和奶油的混合或鸡蛋的炒煮：我们在物理学中通常称之为「不可逆反应」。将冰块放入热饮中，冰块会融化，从而产生冷饮，其温度均匀，低于将冰块放入其中之前的温度。另一方面，冷饮永远不会自发地分离成热饮和冰块;这是热力学第二定律所禁止的。同样，如果你创建一个房间，在它的两半之间有一个屏障，一半保持热，另一半保持低温，你可以预测如果你在屏障内打开一扇门会发生什么：允许两半之间的粒子混合。

随着时间的流逝，房间将达到平衡，在足够晚的时候，你会发现两半现在都充满了中等温度的颗粒。不管你等了多久，两半都不会自发地分开，进入一个在大门一侧半热，在大门另一侧半冷的房间。这是热力学定律随时间推移从宇宙中提取的代价：封闭和孤立系统的总熵永远不会减少。我们在这里描述的相互作用不是自发可逆的。

除了，如果你把「自发的」和「封闭和隔离的」一起扔掉，一个单独的系统终究会被哄骗经历熵逆转。

当谈到热力学第二定律和看似不可避免的熵增时，大多数人都忘记了一个警告：只有当我们将其应用于封闭和孤立的系统时，该定律才成立。只要我们有一个系统，没有外部能量输入或提取，没有粒子加入或从中取出，并且相对于外部世界没有熵的增加或减少，热力学第二定律是强制性的。对于封闭和隔离系统，热力学第二定律没有已知的例外。

但是，如果我们以违反这些条件的方式建立我们的物理系统呢？事实证明，当我们向系统输入能量时，或者当我们在系统中添加或删除物质时，突然有可能违反热力学第二定律。再次考虑一个具有热面和冷面的盒子，由隔板隔开，而同一个盒子的两面混合良好，并且温度相同。有没有办法扭转「盒子的两半」反应，我们可以从混合良好的状态开始，最终得到盒子的「热面」和「冷面」？

确实，有一种方法。早在 1870 年代，伟大的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 （James Clerk Maxwell） 就首次提出了它。通过假设一个外部实体能够在关键的适当时刻快速打开或关闭房间两侧之间的隔板或门，「冷」分子可以被收集到一侧并拒绝通过到另一侧，而「热」分子同样被收集和维持在另一侧。这个想法现在被称为 麦克斯韦的恶魔 ，它使你能够降低系统的熵，但只是要付出代价：消耗监控系统所需的能量和打开和关闭分隔两侧的门的成本。

然而，遵循这个程序并不违反热力学第二定律，因为盒子不再是一个封闭和隔离的系统。相反，你必须考虑盒子的总熵加上恶魔的熵（或恶魔的行为），两者加在一起，才能发现它们的熵总是增加，就像你所期望的那样。只有当你只看系统的一部分，比如盒子（而忽略恶魔和它的行为），你才会感觉到熵的减少。

但这个盒子里的情况正是我们需要反驳时间的热力学箭头和时间的感知箭头之间的假设联系。即使你住在盒子里，恶魔是无法察觉的——类似于你生活在宇宙的一个口袋里，你不封闭和孤立的系统的局部熵会减少——时间仍然会为你前进。这足以得出一个大结论：热力学时间之箭并不能决定我们感知的时间之箭。

为了负责任地进行这样的实验，或者甚至以负责任的方式设置这样的实验，你必须仔细控制系统的能量和熵输入和输出。如果你被允许将能量（或转移粒子）输入到你的系统中，那么我们之前标记为不可逆的所有早期反应都可能突然发生，包括：

就像打扫房间或订购一副混合纸牌可以降低其熵一样，但只能以牺牲您为创建该订单而投入的能量为代价，这些行为必须以外部成本为代价。然而，无论系统内的熵是上升、下降还是保持不变——即使你以（局部）反转熵的方式使这些反应发生——你系统内的所有时钟仍然会向前运行。在熵保持不变的自然系统中，例如绝热膨胀的无碰撞物质云，时间仍然向前流逝。此外，对于所有观察者来说，时间不仅向前运行，而且 总是以完全相同的速度向前运行 ，无论它们的熵是否或如何变化：以每秒一秒的速度。

据我们所知，热力学第二定律是正确的：宇宙中任何封闭和孤立的系统，包括整个可观测宇宙本身的熵永远不会减少。同样，正如任何人所感知的那样，时间总是只朝着一个方向运行：向前，对所有观察者来说，对每个人来说都是以相同的经验速度。然而，许多人没有意识到的是，这两种类型的箭头——熵的热力学箭头和时间的感知箭头——是不可互换的。

在热大爆炸之前的宇宙膨胀时期，熵保持低且恒定，时间仍在向前运行。当最后一颗恒星燃烧殆尽，最后一个黑洞衰变，最终空虚的宇宙完全被暗能量所支配时，时间仍然会向前流逝。在两者之间的任何地方，无论宇宙中发生了什么，或者宇宙中任何系统的熵如何，对于所有观察者来说，时间仍然会以完全相同的普遍速率向前运行：每秒一秒。如果你想知道为什么昨天是一成不变的过去，明天会在一天内到来，而现在就是你现在正在经历的，你有很好的陪伴;没有人知道为什么时间有这些特性。然而，我们所知道的是，热力学虽然很有趣，但并不能解决这个难题。