时间流向秩序

T几乎所有的科学家都相信永远不会被发现是错误的物理学定律是热力学第二定律。尽管有着崇高的地位，但长期以来，它一直与巨大的神秘和黯淡的含义联系在一起。神秘之处在于，所有已知的自然法则，除了一条以外，都不能区分时间的方向。然而，第二定律断言，在整个宇宙中所有事件展开的方式中，存在着一种全能的单向性。根据标准的解释，第二定律说，熵，被描述为一种无序的度量，总是会增加(最多是小的波动)。这就是问题所在:时间之箭指向热死。

令人惊讶的是，我们需要一个更微妙的解释的证据却隐藏在显而易见的地方:宇宙本身。大爆炸后不久，宇宙处于一种极其均匀的状态，从那时起，宇宙变得更加多样化和结构化。即使一致性等同于秩序，最初的状态肯定是乏味而乏味的。谁能看到结构惊人的星系或秋天树木的颜色和形状的混乱?事实上，科学上两个最伟大的发现的先后顺序解决了一个悖论:第二定律是在宇宙膨胀的80年前被发现的。

因为一个简单的原因，时间延迟是至关重要的。1850年，威廉·汤姆森(后来被授予开尔文勋爵)和鲁道夫·克劳修斯发现了热力学定律。1824年，萨迪·卡诺(拿破仑最伟大将军的儿子)发表了一篇杰出的研究论文，从此诞生了热力学定律。在一本薄薄的小册子里，他列出了除热力学基本原理外的所有原理，试图建立蒸汽机能达到的最高效率。蒸汽机只有在其工作介质被限制在汽缸内时才能运转。这使得所有关于热力学的早期工作都是基于概念性框架中的系统。克劳修斯对熵的发现和定义——科学的奇迹之一——完全依赖于从一个受限系统的一种平衡状态到另一种平衡状态的微小变化。统计力学的先驱,克劳修斯上面创建的理论框架,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和路德维希玻耳兹曼提供一个微观原子论的热力学解释现象学,总是认为是气体分子的模型被困在一个盒子里,被迫反弹的墙壁和对方。

在这个简单模型的基础上发展出了一个丰富的概念框架，它对受限系统完全有效且富有成果，并在J. Willard Gibbs的著作中达到了它的最终形式。这个模型证明了原子和分子的存在，确定了它们的大小，确定了一粒沙子中原子和分子的惊人数量，并敲响了牛顿经典物理学的丧钟。1900年，普朗克发现了第一个量子效应。更重要的是，第一和第二定律似乎都建立在一个坚如磐石的原则之上:创造永动机是不可能的。

我不否认时间之箭。但是，“盒子心态”导致我们误解了宇宙中正在发生的事情。

因此，很少有(如果有的话)科学家不同意伟大的天体物理学家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)的警告就不足为奇了:“如果发现你的理论违反热力学第二定律，我就不能给你任何希望;除了在深深的羞辱中崩溃，别无他法。”爱因斯坦无疑是比爱丁顿更伟大的科学家，但他更谨慎。在他去世前几年，爱因斯坦曾这样评价热力学:“这是唯一一个我相信在其基本概念的适用性框架内永远不会被推翻的具有普遍内容的物理理论。”重要的是:膨胀宇宙的条件是否仍在适用性的框架内?

这正是我所质疑的。我不认为我们能改变汤姆森和克劳修斯最先揭露的事实。你我都不会变年轻也不会看到打碎的杯子奇迹般地重新组装起来，跳回到桌子上。宇宙中发生的事情，有一种普遍的单向性，一种时间之箭。开尔文，第一个认识到它的重要性，把它称为“机械能耗散的自然界的普遍趋势”。我并不否认箭的存在，但我确实认为，“盒子心态”导致了我们对宇宙正在发生的事情的误解，甚至使我们对它所创造的美视而不见。一条单行道不一定通向废料场;它可能会把我们带到一个风景优美的公园。

比较两种情况。首先是盒子里的分子。如果你时不时地打开盒子看它们，你肯定会发现它们均匀地填满盒子，并按照它们的习惯——用随机的结果互相碰撞。没有什么有趣的事情发生。然而，这是用来解释压力和温度测量的模型。它导致了所有那些伟大的发现和许多我们今天所依赖的技术。难怪它激发了信心。

但现在想象一下，在太空中的盒子，它的墙壁突然被拆除了。分子会怎么做?答案就在齐格弗里德·沙逊的诗《人人歌唱》中:

就像被囚禁的鸟儿必须找到自由一样，在白色的天空疯狂地飞翔
果园和深绿色的田野;在-在-在-在视线之外。

用数学而不是诗意的术语来说，分子很快就会停止相互作用，飞离，永远保持它们的释放速度，彼此之间越来越远。事实上，一个简单的计算可能会让你惊讶:分子分离的速度越来越接近于哈勃在1929年宣布的银河衰退定律。这个简单的大爆炸模型看起来并不像无序增加。

T在熵无序和牛顿万有引力理论的核心现实之间存在着更大的不匹配。他不仅因为解释了开普勒行星运动定律，还因为解释了苹果落地定律而出名。然而，三个物体的问题——他认为是地球、太阳和月球在相互的重力场中运动——让他头疼。尽管这是一个出了名的难题，但在1772年，伟大的数学家约瑟夫-路易斯·拉格朗日取得了一些进展，包括一个关于“三体宇宙”行为的重大发现，该发现后来被证明适用于任何数量的物体。它与现在所说的质心惯性矩有关，我．这衡量了系统的范围——对于蜜蜂来说，它大约是一个蜂群的直径——如果满足一个条件:系统的总能量不是负的，那么它就会以一种典型的普遍方式运行。

美在于比例，即使在不断膨胀的宇宙中，比例也永远存在。

为了理解这种行为是什么，假设时间从过去永远向前流动到未来。然后拉格朗日发现我从遥远的过去的无限减少，经过一个独特的最小值，并在遥远的未来增长到无限。我称这个唯一最小值为双面点。罗马的神性可以被援引，因为他同时看向两个相反的时间方向。他所看到的是惊人的。在他传统所站的临界值附近的区域，粒子的分布(尤其是当有很多粒子时)比宇宙时间轴上的任何其他地方都要均匀。然后，在两个方向上，粒子聚集在一起，呈现出更有序的形状，形成“星系”。从他的有利位置，雅努斯可以看到这一点，但如果你，作为一个凡人，在这样一个宇宙中，你必然会站在雅努斯点的一边或另一边，而不能“透过它”看到另一边。你会发现，你周围的自然法则并没有区分时间的方向，而是你的宇宙在一个方向上变得越来越团块。

有一个精确的，数学上有意义的量，它可以被称为复杂性，并且从双面神的两个方向增加(伴随着小波动)。与熵的最大区别在于复杂性的增长反映的是有序的增加，而不是无序的增加。在封闭系统和非封闭系统中的影响是完全相反的。此外，非受限系统复杂性的增加直接遵循支配动力学定律，而受限系统的熵增加则是由于统计原因。

传统观点认为，由于某种至今仍无法理解的原因，宇宙处于一种特殊的低熵和相应的高阶状态，然后被无情地摧毁。通常给出的模型是，分子被限制在一个大盒子角落里的一个小盒子里。这就是特殊的初始条件。现在打开小盒子的盖子;动力学定律允许两种完全不同的结果。这是可以想象的，但几乎是不可能的，分子会聚集在小盒子的角落里，然后处于一种更特殊的状态。但从统计学上讲，更有可能的是，分子会分散到大盒子里，并最终均匀地填满它。这是熵箭头的统计解释。将这种特殊的初始条件应用于整个宇宙，科学哲学家大卫·阿尔伯特称之为“过去假说”。困难在于，在已知的自然规律中，没有任何东西可以解释这种特殊的初始条件。

l现在我们来思考一下两面神。它是唯一的，一个特殊的点。因为某种无法解释的原因，它不在那里。牛顿定律说它一定存在。即使能量的弱条件是放松的，一些非常像它的“双面区域”的形式几乎总是会出现。复杂性将从两个方向增加。顺序的增加有一个动力学的解释，是时间的方向。此外,人类的两侧Janus点会认为他们今后在时间和通常会有同样的经历,就像两个人走日本富士山的两端会发现地形和植被的变化一样。

当粒子从Janus点的混战中出现时——它们通常会朝所有可能的方向运动——其中一些粒子聚集在一起，形成“开普勒对”时，我们就会对反复声称的宇宙无序增长产生更大的怀疑。除了与其他粒子的相遇(随着模型宇宙的膨胀以及粒子之间的典型距离变得越来越大，这种相遇变得异常罕见)，这些粒子对永远结合在一起，围绕共同的质心进行越来越完美的椭圆运动。它们是精密的棒、指南针和钟表的合体。它们的主轴定义了一个天文长度单位和一个固定的罗盘方向(真北)，而它们的运动周期定义了一个时间单位。这看起来像混乱吗?

“双面点”解决了无法区分时间方向的定律和能够区分时间方向的解决方案之间的不匹配。

威廉·布莱克讨厌牛顿的发条宇宙，这后来被称为发条宇宙。诗人认为它是还原的，但那是基于太阳系的外观，它确实像发条。事实上，牛顿对它的美丽和秩序惊叹不已，他无法相信他的定律可以解释它的存在——上帝一定是这样建立它的，并一直仔细地观察它，以确保秩序不被打乱。事实上，开普勒对是微型太阳系，是牛顿定律在混沌中创造出来的。他的宇宙首先制造时钟，然后让它们显示时间。

在19世纪，没有人对宇宙会膨胀有丝毫的想法，尽管拉格朗日的发现可能已经承认了这种可能性。宇宙膨胀的意义在于它为事物的发生创造了空间。威廉·汤姆森在谈到机械能的普遍耗散时，可能无意中使人们产生了错误的想法。在众多天才中，他是一位杰出的工程师，就像卡诺研究蒸汽机一样，他总是在寻找改善人类命运的方法。“耗散”有消极的含义;如果汤姆森使用中性词“扩散”，就可能看到积极和消极的可能性。

下午在我家附近散步时，我经常看到一种美丽的效果。一棵树悬挂在小溪上，小溪的水在浅滩上平稳地流过。如果下雨了，水滴就会从树上落在水面上，形成圆形的波浪，在流动的水面上扩散开来。如果你需要继续工作，你可能会看到很长时间的效果。水滴在不同的地方撞击水面，形成的波浪相遇并穿过彼此，每一个都完好无损地出现。如果小溪没有河岸，河水没有粘性，就会创造出辐射在我们不断膨胀的宇宙的广阔空间中找到的条件，而这些图案将永远保持美丽。这就是开放系统和封闭系统的区别。

在河岸对小溪产生影响之前，机械能首先完全在每一滴水中，然后在圆形波浪中扩散开来。除了在平衡或接近平衡时，克劳修斯的熵是一个难以定义和测量的量;汤姆森耗散是一种普遍且容易识别的定性效应。他提到摩擦产生的热作为一个消散的例子;这个例子被不断地重复。但汤姆逊热爱格拉斯哥的开尔文河，并以它为自己的男爵名字。他一定经常看到水滴落在河里。如果在他1852年那篇影响深远的论文的标题中，他把“耗散”改成了“传播”——这应该是一个更好的描述——谁能说这将如何改变对第二定律的解释，尤其是在哈勃的重大发现之后呢?

圆是最完美的几何图形，圆周率(圆周率与圆周率之间的关系)是最完美的数字。“啊，”你说，“一件美丽的东西也许已经诞生了，但它会随着海浪越来越浅而消失。”我的回答是，你忘记了格列佛游记以及大小的相对性。只有比率才有物理意义。美在于比例，即使在不断膨胀的宇宙中，比例也永远存在。

我将结束说Janus点的概念,解决法律之间的不匹配,不区分方向的时间和解决方案,可能会显著低于宇宙膨胀的如何改变我们解释宇宙第二定律看看。我这么说是因为我所描述的场景假设宇宙的大小在双子星点是有限的。但在牛顿理论中，它实际上可以变成零，在爱因斯坦的广义相对论中也是如此。这开启了非常有趣的可能性，可能会导致一个真正新的时间理论。

朱利安·巴伯是独立理论物理学家，曾任牛津大学物理学客座教授。他的新书《双面点:一种新的时间理论》，可以在基础书籍中找到。

主导图像:turgaygundogdu / Shutterstock