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時光之箭

孔二同學站在河邊曾經感歎過「逝者如斯夫,不捨晝夜」,是說時間的流逝,像水流一樣。這句話自然是感歎年華逝去不可復得。擱在今天,深層的含義就是時光機器的不可能,人不可能返老還童,也不可能乘坐時光機器回到過去、一切從頭來過。

時間只能從過去流向未來,是熱力學的原因,就是說給定一個孤立系統,熵不會變小。我們通常看到的例子是:覆水難收,熱從高溫處流到低溫處,雞蛋在一定條件下變成小雞,而小雞在幾乎任何條件下都變不回雞蛋。前兩個例子是熵增大的直接例子,而雞蛋和小雞的例子是熵增大的間接例子。人的生命過程以及記憶,也是熵增大的間接例子,和雞蛋變成小雞一樣。生命過程和時間箭頭一樣,指向未來:人從出生、成長到衰老到死亡,是從過去到未來的過程,而不是相反。我們當然可以將生命過程拍成電影,然後倒過來放映,這樣我們會看到人從老逐漸變年輕最後變成嬰兒這種魔術性的過程,但實際生活中永遠不會發生。雖然生命本身的演變不一定是熵減少過程,但維持生命的發展需要消耗能量和外界的有序性,也就是說,將生命和它的環境加起來,熵是增大的。所以,熱力學第二定律禁止人的返老還童現象,因為將環境算進去這是一個熵減少的過程。

同樣,記憶和生命過程類似。我們只記得過去,不能「記得」未來。我們可以將人腦看成一個系統,它儲存的記憶越多,某種意義上就越有序。一個完全沒有記憶的大腦是渾沌的大腦,完全無序。這樣,在人的成長過程中,通過經驗的積累和學習的積累,我們記憶越來越豐富,這當然指的是過去,因為過去的時間越來越多。大腦逐漸有序化的代價是我們消耗能量以及環境的熵增大,所以,記憶的時間箭頭和熱力學的時間箭頭是吻合的。假如,我們拍一部一個人的成長歷史,然後倒過來放映,我們會看到,這個人會越來越年輕,而記憶會越來越少,他/她的記憶是關於未來的(這裡未來就是原來正著放的電影的過去),這樣的事在現實中肯定是不會發生的。當然,我們可以假想在現實生活中,也許存在著一種奇怪的生物或人類,雖然會由年輕變老,但他們記得的事情是未來,而不是過去。隨著年紀的變大,未來的時間變少,他們的記憶也越變越少。我同樣猜測這種過程和熱力學第二定律矛盾,從而是不可能的。人不能「記得」未來,我相信這和小雞不能變成雞蛋一樣正確,雖然我還想不到一個證明。困難在於,這個證明要列出許多條件,比如我們要將白癡排除(既不記得過去,也不記得未來),等等。

熱力學第二定律非常容易理解。假定在一個箱子裡放上一些原子,假如開始的時候原子都在一個角落裡,隨著時間過去,原子逐漸分散到箱子中,這是擴散過程,也是熵增大過程。熵是態的數目(嚴格地說是態數目的對數)。開始的時候,原子待在角落裡,可能的狀態數目自然小,而後來可以待在整個箱子中,狀態數目大多了。我們在咖啡中加一點牛奶,開始的時候牛奶聚在一起,後來逐漸擴散開來和整個咖啡混在一起,這同樣是擴散過程,也是熵增大過程。我們不可能看到牛奶和咖啡在開始的時候充分混合,後來牛奶逐漸聚在一起,這和再收覆水一樣不可能。

現在問題來了,既然熵是增大的,那麼宇宙在過了很長時間後,為什麼熵沒有達到極大,從而熵保持固定,從而我們不可能看到熵增過程?在我們前面的例子中,為什麼開始的時候原子都待在箱子的角落,牛奶聚在一起?對這個問題的追問,最終都回到一個「終極」回答,就是,宇宙的壽命是有限的,而宇宙在開始的時候熵幾乎處於極小狀態。所以,即使經過了大約140億年,宇宙的熵還在增加,從而我們可以看到熱力學第二定律在起作用,我們可以看到與這個定律相關的現象,生命不斷地從生成到死亡,雞蛋不斷地變成小雞,而我們總是一成不變地記得過去不記得未來。注意,記得過去非常重要,因為物理學實驗和觀測,特別是宇宙學觀測,總是觀測到過去而不是未來,這歸根結底和我們的記憶方式有關。我們如果只記得未來,那麼我們就觀測到未來;如果我們既記得過去也記得未來,觀測就會有點混亂了,我們要小心區分因果,也許這樣的超人反而做不了科學。謝天謝地,宇宙的壽命是有限的,宇宙在開始的時候的熵非常小,這樣不僅使生命和智慧成為可能,研究科學也成為可能。

大家現在知道終極問題是什麼了,就是為什麼宇宙開始於一個熵極小狀態,為什麼宇宙不開始於一個極為混亂的狀態?這的確非常難以理解,因為熵非常小就意味著狀態非常特別,比草堆裡的一根針還要特別得多。是誰選擇了這樣一種特別的狀態?假如是上帝,他為什麼閉著眼睛就能將針從草堆裡輕易地找出來?卡洛爾(Sean Carroll)最近在《科學美國人》的一篇文章宣揚他的一個觀點。他認為,宇宙的確開始於大爆炸,而在大爆炸發生之前,也的確存在過一個極為短暫的暴漲過程。正是這個暴漲過程難以理解,因為它的熵非常小。卡洛爾假定,在暴漲發生之前,宇宙處於一個非常特別的真空狀態(其中有一定的暗能量),由於暗能量的存在,量子漲落可以使得這裡或那裡出現暴漲過程。如果他的理論是正確的,那麼我們的宇宙就是漲落出來的,開始的熵很小就是因為量子漲落不需要熵。我們有今天,我們能夠擁有生命和智慧,都和量子漲落有關。可是,卡洛爾的理論同時帶來巨大的包袱,既然我們的宇宙從更大真空中漲落出來,當然也有其他宇宙漲落出來,所以多宇宙是不可避免的。這是一個有爭議的話題。另外,卡洛爾聲稱在別的宇宙中時光箭頭可以反過來,這是一個錯誤的解釋,因為他也承認,在那些宇宙中熱力學第二定律同樣成立。不同的宇宙之間時間是不可比較的,所以說時光箭頭反向是一種誤導。