《时间的箭头》
经常有人想知道,有一天我们能回到过去吗?也许在这里我会说没有这个可能,那是因为时间有不可逆的性质。

大家都知道,动力学方程都是方向或时间对称的,可现实世界中,三维的方向上都是可逆的,只有时间这个维度上反演从未实现过(不要给我说在电影上看到过)。

为什么会这样呢?到底时间的箭头指向什么?这跟我们的进化又有什么关系呢?

在这里我们先说一下“熵”,熵表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度,能量分布得越均匀,即无序度越高,熵就越大。

热力学第二定律:孤立系统的一切自发过程均向着其微观状态更无序的方向发展,如果要使系统回复到原先的有序状态是不可能的,除非外界对它做功;也叫做“熵增原理”。

理解了这个原理的人也许马上会想到,那我们生物的进化是向有更有序(熵减)的方向,岂不是跟该定律冲突?

其实是不冲突的,我们进化得更有序是因为从更低熵的源获取了低熵。人们经常听到这样的说法,即我们从食物和氧气的摄入中得到能量。但是只要想得更清晰一些就会发现这不是完全正确的。的确,我们消耗的食物和吸收到身体中来的氧气的化合为我们提供了能量。但是,大多数情况下,该能量又重新以热的形式离开我们的身体。由于能量是守恒的,在我们整个成年的生活中,身体实际上的能量含量或多或少是维持着一个常量,我们身体一点也没有必要再添加能量。我们不需要比我们已具有的更多的能量。事实上,当我们的体重增加时我们的确添加了能量,但通常这是多余的!还有,当我们从儿童长大,体格变健壮时,能量含量增加了相当多;这不是我在这里所关心的。问题在于我们如何使自己在正常(主要成年的)生活中存活。我们不必为此增加自身的能量含量。然而,我们确需要取代以热的形式连续损失的能量。事实上,我们越是“有精力”,则实际上以这种方式损失的能量越多。所以这能量都必须有所取代。热量是能量的最无序的形式,也就是说,它是能量的最高熵的形式。我们吸收低熵形式的能量(食物和氧气)并以高熵形式(热、二氧化碳、排泄物)排泄出去。我们没必要从我们的环境获取能量,因为能量是守恒的。但是,我们是在连续地对抗热力学第二定律。熵不守恒,它无时无刻地增加着。我们必须使自身的熵降低才能存活。为此我们从食物和大气氧气中吸收低熵的化合物,让它们在我们身体内化合,以高熵的形式释放能量,否则我们的体重就会增加。用这种方式,我们可维持我们身体内的熵不增加,并能保持(并甚至增加)我们的内部组织。

那么这些低熵源是从何而来的呢?我们的食物大多数是植物,绿色植物吸收大气的二氧化碳,把氧气从碳中分离开来,而利用碳来建造它们自身的结构。这一光合作用的过程导致大量的熵降低。我们自己实际上在身体内把氧和碳重新简单地结合,用这种办法利用低熵的这种分离。阳光给地球带来了相当低熵形式的能量,即是可见光光子的能量。地球,包括它上面的居住者,不能保留此能量,而是把它全部重新辐射回到太空去。然而重新幅射的能量具有高熵的形式并被称为“辐射热”。和普遍的印象正相反,地球(和居住者)并不从太阳获得能量!地球所进行的只不过是取来低熵形式的能量,然后以高熵的形式全部把它吐回到太空去。太阳对我们所做的是给我们提供了巨大的低熵源。我们(通过植物)利用了这些低熵,石油和天然气是来自于史前植物的生命,也是通过植物利用了这些低熵,最终抽取某一极小的部分将其转换成惊人的、错综复杂的、有组织的结构,这就是我们自身。并且还建造了房子,制造了工具,消耗石油的汽车等。

为什么有太阳这个热点存在呢?这个温度不平衡的低熵热点是怎么来的呢?它从原先均匀分布的气体(主要是氢气)的引力收缩形成的。在其形成的早期阶段,当它收缩时,太阳被加热上去。在到它的温度和压力达到一定点之前,也即除了引力收缩外,它还找到另一种叫作热核反应的能源,它会继续收缩并变得更热。热核反应使氢核聚变成氦核,并同时释放能量。如果没有热核反应,太阳会变得比目前的更热得多和小得多,直到最终消逝。热核反应使太阳不再继续收缩以免过热,从而使它稳定在适合于我们的温度上,能在更长久的时间里持续发光,否则的话早已熄灭。意识到这一点是很重要的。虽然热核反应在决定从太阳辐射来的能量的性质和多少方面无疑极具意义,但是引力才是关键之所在。没有引力,甚至太阳根本就不会存在!没有热核反应太阳仍然发光——虽然不以适合我们的方式——但是没有引力就根本没有发光的太阳,的确需要引力来聚合物质,并提供所需要的温度和压力。若无引力,代替太阳之处我们只会有一团冷而弥散的气体,在天空中不会有热点!

结束语:宇宙大爆炸处的熵的“最低值”为我们提供了低熵的总来源,热力学第二定律决定了时间的箭头。
 
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