为什么时间的箭头总是指向未来？

2025-03-13 16:07:22

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回答1：

科学无国界

我们是知识的搬运工

福利时间

今天我们将送出三本由图灵新知提供的优质科普书籍《时间旅行简史》。

可以说，这是一个穿越横行的时代。层出不穷的穿越题材的小说、动漫、影视剧，引发了人们的持续关注，也激起了人们的无尽想象。并且不只是穿越回到过去，在另一个方向上，我们也可以一跃进入未来，想象出或昌明或晦暗的前景。那么为什么我们会被时间旅行的概念所深深吸引？它从何而来，又经过了怎样的发展演变？

成功地在信息时代为信息作传（《信息简史》）后，詹姆斯格雷克再次将在一个穿越横行的时代为时间旅行作传。通过追溯这个概念的起源、它在文学和科学中的演化，以及它对我们对于时间本身理解的影响，《时间旅行简史》将带领我们踏上一段极富启迪的追寻“时间旅行”的时间之旅。

如何才能得到这本《时间旅行简史》呢？参与的方式非常简单！只要你认真阅读下面的这篇文章，思考文末提出的问题，严格按照［互动：你的答案］的格式在评论区留言，就有机会获得奖品！（PS：格式不符合要求者无效）截止到本周四中午12点，点赞数前三名的朋友将获得一本《时间旅行简史》。

【互动问答示例】

互动：这里就可以自由发挥你的答案啦~

作者：Ethan Siegel

翻译：山寺小沙弥

审校：yangfz

我们发现，无论是从过去到现在，还是从现在到未来，时间都只朝着一个方向流逝。在任何时刻，时间的脚步都不会停滞不前或是向后倒退，“时间的箭头”总是朝向未来。但如果我们认真审视物理定律，我们会发现，无论从牛顿到爱因斯坦，还是从麦克斯韦到玻尔，抑或是从狄拉克到费曼，他们提出的物理定律似乎是关于时间对称的。换句话说，用来描述现实的方程貌似并不待见时间流逝的方式。正如我们所理解的那样，物理定律得到的关于某个系统的解，对于时间是从过去流向未来还是从未来流向过去都是有效的。但是由现实生活中的经验，我们知道时间只有一种流动方式，那就是一直向前。我们不禁要问，时间的箭头是从哪里来的呢？

抛出去的篮球有过去和未来的轨迹，这是由物理定律决定的，然而对我们来说，之间只能向前流逝。

来源：Wikimedia commons users MichaelMaggs and (edited by) Richard Bartz

许多人认为，时间之箭和熵之箭可能存在着联系。虽然很多人将“无序”与熵等同起来，但其实这是一种偷懒的描述方式，而且也不是特别准确。相反，应该把熵看作有多少热能可以转化成有用的机械功的度量。如果你有很多能量可以用来做功，那么这就是一个低熵系统；如果这样的能量很少，那么这就是一个高熵系统。热力学第二定律是物理学中非常重要的一个定律，它指出，闭合系统的熵只能随着时间增加或者保持不变。换句话说，随着时间的增加，整个宇宙的熵必须增加。这是物理学中唯一一个有时间倾向的定律。

Clarissa Sorensen-Unruh在讲解熵的概念。

来源：C.Sorensen-Unruh, Youtube

那么，这是否意味着，我们之所以会有这样的时间体验，是由于它受制于热力学第二定律？换句话说，时间的箭头和熵之间是否存在着深层的联系呢？一些物理学家确实是这么认为的，这当然是一种可能性。Youtube上的《分钟物理》和物理学家Sean Carroll合作拍摄了一个视频，他们尝试回答为什么时间不会倒流。不出所料，他们的答案直指熵。

诚然，在很多情况下，熵的确可以解释为什么时间不能倒流，例如，牛奶和咖啡混合在一起就不能分开，炒鸡蛋再也无法回到未煮熟时蛋黄蛋清分开的样子。在这些情况里，随着时间的推移，最初的低熵系统（包含更多可以做功的能量）已经变成了高熵系统（只有少量可以做功的能量）。其实，在自然界中还有很多类似的例子，如，在一个充满着某种分子的房间里，房间的其中一边是温度低、运动慢的分子，而另一边则是温度高、快速移动的分子，只要有充足的时间，房间里就会混合成能量处于两者之间的分子，这就代表着整个系统熵的增加以及在这段时间里发生的过程的不可逆性。

左边是某个系统的初始状态，右边是经过一段时间后系统所处的状态。

来源：Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm

然而，它也并不是完全不可逆的。很多人都忘了热力学第二定律只涉及封闭系统的熵，换句话说，这个系统必须不与外界发生能量和物质的交换。然而，19世纪70年代，伟大的物理学家詹姆斯克拉克麦克斯韦假想了一个实验：一个绝热容器被等分为两部分，中间是由一只小妖精控制着的门，这个妖精可以通过控制这个门，可以让运动较慢的分子和运动较慢的分子分居在容器的两部分。这就是著名的“麦克斯韦妖”，它可以让你减少系统的熵。

“麦克斯韦妖”的示意图。

来源：Wikimedia Commons user Htkym

当然，你不能说“麦克斯韦妖”是违背热力学第二定律的，因为这个妖需要花费相当大的能量才能使粒子分离。这个系统在这个小妖精的影响下，其实已经不是一个封闭系统了。如果把小妖精也考虑进去，形成一个封闭系统，这时候你会发现整个系统的熵随着时间的推移还是增加的。但这里有个很巧妙的地方：如果你就住在这个容器里，同时你也无法察觉到这只小妖精的存在——换句话说，就算你住在宇宙中某个地方，并观察到这个地方的熵随着时间的推移在逐渐变小——时间依然会向前流逝，热力学中的时间箭头并不能决定我们感知时间的流逝方向。

无论我们如何改变我们所处宇宙的熵，时间还是一秒一秒的向前流逝着。

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