时光是否会倒流

    我们所观察到的一切现象表明，世界不可能永远保持在某个原有的状态上，变化过去了的东西不会一成不变地再变化回来。一块煤燃烧了，它的能量虽然没有消灭，但却散发到周围空间中去，再也不会自己重新聚集回来，完全恢复那块煤的原貌，重新再供燃烧一次；也没有任何办法使散布开去的热和烟重新会聚到烧焦了的火柴棍上，重新变回原先的火柴来。“覆水难收”“破镜难圆”，“死灰不能复燃”，“青春一去不复返”，……在这些人人皆知的谚语中，都包含着一个道理：自然界里的一切过程都是有方向性的，某些方向的转化是允许的，相反方向的转化却是受到限制。

热力学第二定律
    19世纪50年代初，德国物理学家鲁道夫．克劳修斯(1822-1888年)和英国物理学家开尔文(1824-1907年)分别就这些现象总结出了一个新的定律——热力学第二定律。克劳修斯说：热总要从较热的物体转移到较冷的物体，使存在的温度差消失而趋于平衡。后来他又进一步说：热从冷的物体转向热的物体，是不可能无偿地发生的。
    当时已被普遍使用的热机是蒸汽机，它只有在具备高温热源(锅炉)和低温热源(冷凝器)的条件下才可源源不断地把热转化为机械功。开尔文总结了蒸汽机的作用说：借助于非生物的物质机构，通过使物质的任何部分冷却到比周围物体的最低温度还要低的温度的方法而得到机械效应，是不可能的。这个说法后来又改述为。不可能从单一热源吸取热量，使它完全变为有用的功而不产生其他影响。
    克劳修斯和开尔文的这两种说法，都是以大量事实为根据的，人们从未看到过违反这个规律的现象。例如，在火炉上放一壶冷水，火炉中的热就会源源不断地流入凉水中，使水温逐渐上升；然而人们从未见到过热从凉水中传向火炉，炉火愈烧愈旺，而凉水则愈来愈冷结成冰块。这说明，热总是从高温物体向低温物体的传递是自动进行的；而相反的过程，就是热从低温物体传向高温物体却是不可能自动发生的，必须伴随以外界的其它过程。例如致冷机只当外界对它作功时才可把热从低温物体传向高温物体。又如倾倒的建筑物变成杂乱的堆积物，而这堆积物却不会自动恢复成为原先那个结构严整的建筑物。
    种种现象都说明了一个规律：自然界中的一切自发过程都是有方向性的；在它的自然方向上，过程可以自动发生；在相反的非自然方向上，过程不会自动发生，除非受到外界的某种作用。热力学第二定律指出了自然过程的不可逆性。

令人困惑的熵增加
    1852年开尔文指出，热力学第二定律的实质是说明，自然界有一个不可避免的倾向，就是能量趋于“耗散”、“退化”和“贬值”的倾向。在自然界所发生的种种转化过程中，能量的总值虽然保持不变，但是能量可被利用的价值却变小了；也就是说，能量总趋向于从较为有用的形式变为较为无用的形式。比如在蒸汽机中，从高温热源传出的热量，有一部分转变有用的机械功，剩余的部分则随着排放的废气散发到周围的低温环境中，难以或不能被用来得到有用的功了。一旦高温热溉与低温热源由于热的传递而消除了它们之间的温度差(相当于变成一个单一的热源)，那么无论这个系统还包含着多少能量(热)，它也不会驱动热机做功了。再如河水从高高的水坝上下落时，会带动水轮发电，水的一部分能量(落差势能)变成了有用的功(电)，但是落到坝底的水虽还蕴含着不少能量，却无法再让水轮做功了。这就是能量的“耗散”和“退化”。
    1865年，克劳修斯引进了一个新的物理量“熵”(以S表示)来表述能量耗散原理。他证明了只要有热从高温物体流向低温物体，或者只要有功变成了热，系统的总熵总是要变大。更一般地说，在自然界发生的任何过程中，总有一部分能量转化成为不能再做功的无效能量，这时系统的墒就要增大。所以，熵的增加就意味着自然界中有效能量的减少。这样，热力学第二定律就被说成“熵增加原理”。它指出：任何孤立系统，它的熵的总和永远不会减小；或者说，自然界里的一切自发过程，总是朝着熵不减小的方向进行。
    开尔文和克劳修斯坦这个定律准广到整个宇宙，得出了宇宙正在逐渐衰亡，最终会走向“热寂”的结论。开尔文于l852年指出，在自然界中占统治地位的趋向是其它能量转化为热，并通过热的传递使处处的温度趋于平衡；那时所有有用的能量都消耗一空，最终导致所有物体的做功能力减小到零。l865年，克劳修斯也提出宇宙中发生的全部变化必定愈来愈多地按一个方向进行，从而使宇宙不断地趋向于一个熵值最大的终态。

麦克斯韦小妖
    熵增加原理以及由它得出的宇宙热寂的结论，在19世纪下半叶引起了科学界的极大关注，并引发了一股关于一切事物将走向更大的无秩序和混乱的“世界末日”的悲观情绪。所以不少人一直努力去寻找一个逃避熵增加原理的方法。l871年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831～I879年)设想，一个能够识别单个分子运动的“小妖”，也许能够破坏热力学第二定律。假设一个盛有气体的容器波隔板分为左室和右室两个部分。由于热传导或做功等原因．两部分达到了热平衡状态。现在想象麦克斯韦小妖站在隔板的小孔边，他可以用一个没有质量的滑块来打开和关闭小孔。在小妖的识别选择下，右边速度较大的分子可以通过小孔飞进左边，左边速度较小的分子可以通过小孔飞进右边。这样一来，虽然两边分子的数目相等，总的能量也未变；但是，左边的能量(温度)增加了，右边的能量(温度)减少了。这个被称为“麦克斯韦妖”的东西虽然不能创造能量，却能打破已经实现了的平衡状态，并且使热的部分更热，冷的部分更冷，使耗散开来的废热重新变成能够做功的有效能量，于是熵增加的趋势就会逆转过来。
    很明显，在现实生活里，人们从来未曾找到过“麦克斯韦妖”。但是，许多杰出的物理学家一直不愿意丢弃这个令人兴奋的设想；因为它能将废弃的能量重新复原，从而使人们得到永不枯竭的原动力。20世纪40年代末，法国物理学家玛塞尔·路易斯。布里渊(1854～1948年)对麦克斯韦妖这一有趣的设想作出了否定性的判决。布里渊论证说，“小妖”进行“开”、“关”小门的操作之前，必须首先对分子的运动进行识别，或者说先要“看清”分子的运动。而“看清”本质上是一种非平衡现象。布里渊通过计算得出，小妖造成的熵的增加，将超过小妖“努力工作”所产生的熵的减少，总的说来仍然得出熵增加的结果。
    奥地利物理学家路德维希-玻耳兹曼(1844～1906年)从分子运动论的统计观点，揭示了熵的更一般的意义，同时也否定了熵增加原理的绝对性，把这个原理看作是一个统计规律。他在1887年指出，非平衡态或有序状态肯较小的概率，平衡状态或无序状态有最大的概率。熵增加原理无非是说，自然过程总是从概率较小的状态向概率更大的状态转化，或者说是从较为有序的状态向混乱度增大的状态转化，最终达到概率最大、也就是说混乱度最大的平衡状态，也就是墒值最大。所以，“熵”所表示灼就是系统的无序程度。
    根据统计的观点，自然过程的不可逆性不是绝对的，任何一个过程完全可能逆转过来，使系统内外都恢复刹原来的初始状；一堆灰烬完全可能变回为原来的燃料重新加热锅炉；一具尸体也可能重新爬起来，倒回去变向幼年。只是这种概率微乎其微而已。英国科学家阿瑟·斯坦利·埃丁顿爵士(1882～1944年)举例说，一个被隔成两部分的容器，均匀地分布着亿亿万万个空气分子，这些分子的随机运动完全可能在某一时刻，一下子都进入容器的左边而使右边恢复到原初的真空状态。这个可能性有多大呢?他形象地比喻说：“如果有一群猴子在一个打字机上乱蹦乱跳，它们也‘可能，会碰巧写出大英博物馆的所有藏书。然而就是这样的可能性，也要比分子回到容器中的一半空间的可能性要大得多。”
    玻耳兹曼根据这种观点指出，宇宙的永恒热寂是不可能的，因为仍然存在着出现重大涨落的极小概率。这种涨落对全宇宙而言是极小的，但在局部领域内却可能是极大的；它可以使一个局域的能量重新集中而不是耗散，使这个部宇宙空间重新呈现非平衡的状态。于是一个有声有色、生机勃勃的世界又诞生出来。我们目前所处的这个世界，可能就是一次重大涨落所产生的。
    近几十年来出现的“天体物理革命学派”，把热力学第二定律所确定的自然过程的不可逆性同大爆炸宇宙学和广义相对论联系起来。这个学说指出，宇宙中的一切本来都是可逆的，时间也是各向同性的。只是由于附加了一个“初始条件”，即l00多亿年前发生的宇宙大爆炸，产生了宇宙的膨胀过程，才使时间有了特殊的方向，引发了一系列不可逆过程。
    天体物理革命学派根据“膨胀空间是最基本的宇宙箭头”的主张，提出了一幅宇宙演化图式：从大爆炸开始，发生了宇宙空间膨胀，从而产生了第一宇宙不可逆性；然后均匀冷却，l由于温度还很高，宇宙将以辐射为主，产生了第二宇宙不可逆性；当温度继续下降时，辐射则逐步凝聚为实体物质和各种天体，宇窗交得透明，不可逆辐射流进入无反射空间，并产生红移现象，于是便出现了第三字宙不可逆性；局域宏观不对称性开始。以后随着银河系、太阳系等非膨胀，局域的自引力系统，出现了局域的热力学不可逆性。这样，自然界中各种具体的不可逆过程都起源于宇宙的原始爆炸。世界作为一个整体，必须看作是一个在变化着的引力场中的非平衡体系。“红移效应”也证明，在膨胀宇宙的广大区域内，热力学平衡不占优势。所以。天体物理革命学派断言，不可逆性不应当存在于规律自身之中，而应存在于时间对称规律和边界(初始)条件的组合中；这种组合决定了微观尺度上自然规律是可逆的，而字宙的宏观区域现象却是不可逆的，
    如果赞成这种观点，那么按照“脉动宇宙学说”，在宇宙物质平均密度足够大的情况下，终有一天，我们这个宇宙会达到它膨胀的终点，然后又在自身引力的作用下开始往回收缩，返回到一个越来越有秩序，能量越来越被集中的状态，直到整个宇宙被坍缩封当初的。原始火球”状态。在那个阶段上，即当宇宙转回到收缩的整个演化过程中，虽然自然过程的“不可逆性”依然存在，但它的含义却与我们现在理解的环可逆性”正好相反了。那时所说的“不可逆性”将不是指能量的“耗散”、“退化”以及万事万物从有序走向无序，而是宇宙中能量走向“集中”、“进化”以及一切事物从混乱走向越来越高的有序；或者说一切自然过程将向着“熵减小”的方向进行了。事情会不会是这样呢?那时的世界将会是什么样一番景象呢?……人们正在思索着。

原作：申先甲 

http://www.wlsyw.com   整理：占礼葵　

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