经验告诉我们，时间无法倒流，就像熟透的苹果，不会掉落到天空一样。
经验告诉我们，时间无法倒流，就像熟透的苹果，不会掉落到天空一样。
时间是镣铐，囚禁着每一个人人。从古至今，无数风流人物都感伤于光阴易逝，英雄迟暮。更有人渴望长生不老，甚至返老还童。但时间却无情地证明，这一切尝试都不过是梦幻泡影。
为什么总是花开，然后花落？
为什么星辰闪烁，最终也会消亡？
为什么世间万物，都摆脱不了时间的桎梏？
在加拿大圆周理论物理研究所的创始人，《时间重生》的作者李·斯莫林解释道，这是因为热力学第二定律，给时间的流逝带来了严重的不对称性。今天，湛庐君就用3个案例，为你揭晓这个答案。
熵，决定万物信息的命门
理解现代热力学的关键，是要明白热力学中存在着两个层次的描述。一个是微观层次，它关乎所有原子的位置和动量，我们称之为系统的“微观态”。另一个是宏观层次或系统的“宏观态”，它用很少几个变量给出系统近似描述，比如气体的温度和压强就属于这样的变量。
让我们以一栋砖瓦建筑为例。这个例子中的宏观态就是建筑的设计图，微观态就是砖块的具体位置。建筑设计师只需指定砖墙要多大，要不要开门、开窗，而无须细究砖块的位置。大多数砖块都差不多，交换两块砖不会影响整栋建筑的结构。由此我们看出，一个宏观态可能对应于许多不同的微观态。
让我们将这栋砖瓦建筑同建筑大师弗兰克· 盖里设计的建筑作品做个对比。盖里的代表作是毕尔巴鄂古根海姆博物馆，其外墙由一片片特制的金属板构成。想要实现盖里设计的曲面，金属板必须各不相同，每片金属板的走向也相当重要。当且仅当每片金属板都按照设计图精确定位时，建筑设计师理想中的建筑才能成型。
在这个例子中，建筑设计师在指定建筑的宏观态之外，还要指定建筑的微观态——每块金属板的走向。同传统砖瓦建筑不同，我们不再有篡改微观态的自由，只有一种微观态可以给出设计师预想的宏观态。
到底有多少微观态对应于同一个宏观态？物理学家用一个专门术语来表示微观态的多少，即“熵”。标准砖瓦建筑的熵很高，而盖里设计的建筑熵为零，即只有一个微观态对应。
热力学第二定律，不断增大的熵
上面的例子告诉我们，熵是信息的反面。所以，对一个充满气体的玻璃瓶，它的终极描述存在于微观层次：微观描述必须告诉我们每个气体分子的位置和运动，这需要大量信息。但这个系统还有一个宏观层次，在宏观描述中，我们可以用密度、温度、压力来描述气体。
指明气体的密度和温度所需的信息，远远少于指明每个气体分子所处位置的信息。因此，把系统的微观描述翻译为宏观描述相对简单，而反过来则非常困难。如果你知道每个原子所处的位置，你就会知道气体的密度和温度，后者是气体原子的平均动能。而宏观描述却不可能翻译成微观描述。这是因为给定一个气体密度和压强，可以有许多不同的分子排列方式。
气体中的分子运动非常混沌，分子间经常碰撞。当碰撞发生后，两个分子会互相远离，运动的方向有着或多或少的随机性。所以，随着时间发展，微观态更倾向于被推倒重来。即使初始时的微观态并不随机，很快，这个微观态也会变得随机。这意味着，如果初始态是个熵很低的非平衡态，那么随着时间发展，系统的微观态很有可能会变得越来越随机，系综的熵也会不断增加，即熵增。而这就是热力学第二定律。
让我们通过一个简单的实验看看热力学第二定律的工作原理。我们需要一副纸牌和一个庄家。实验开始时，牌依大小顺序排列。此后，每过一秒钟，庄家会洗一次牌。我们想要观测的是，多次洗牌后，这副牌的顺序会发生何种变化。
开始时，牌是按大小顺序排列的。每洗一次，牌的顺序就变得越发随机，这副牌的熵不断增加。洗了足够多次牌以后，我们再也无法将牌的顺序和随机顺序加以区别。于是，纸牌完全丧失了初始顺序的记忆。
热力学第二定律紧紧抓住了这一有序消散为无序的过程。在定理看来，洗牌的过程毁坏了实验开始时牌堆的特殊顺序，将其替换为随机顺序。
熵增不是永恒的。每过一段时间，纸牌的熵会在洗牌后下降，即纸牌回归了初始状态。洗牌后熵增加的概率要比洗牌后熵降低的概率多很多。牌堆中的牌越多，通过洗牌重现初态的概率就越小。
随机性在洗牌中所起的作用完全可以照搬到气体之中。无论初始时间的位形是多么有序、多么不平凡，一段时间之后，瓶中的原子将被随机化，有均一的密度和温度。这个状态就是平衡态。气体一旦抵达平衡态，就很有可能一直保持平衡态。
不平衡的宇宙，不对称的时间
科学家们研究热力学的过程中发现，热力学描述了一个处于平衡态的宇宙。从定义上来，平衡态意味着终极定律的解具有“时间对称性”——系统通过定域涨落，进入更有序状态的概率和进入更无序状态的概率一样高。如果把平衡态宇宙的历史倒放，其可能性和正常历史可能性一样，一般来说也具有时间对称性。在这样的宇宙中，全局时间箭头并不存在。
我们会发现，在我们生存的宇宙却截然不同。一杯热咖啡能变冷，但很难再变热；糖能溶入咖啡，但很难再析出；掉落的咖啡杯会摔成碎片，如果你什么都不做的话，碎片永远不可能自动复原。
一些迹象提醒我们，我们的宇宙尚未进入热力学平衡态。最简单的一个迹象便是时间箭头的存在，我们宇宙时间的流逝蕴含着很强的不对称性，我们感觉并发现自己总是从过去移向未来。这种时间的不对称性让我们无法回到过去，让我们成为时间的奴隶。我们沿着时间的箭头出生，成长，老去，然后死亡。如果某本书或电影讲述一个人返老还童，那它一定是科幻片，不可能在现实生活中实现。
但在理论上来说，我们生存的宇宙中，物理学的基础定律都具有时间对称性。这些定律的任意解都存在一个魅影，后者的行为类似于前者的行为，是同一段过程（在互换左右、互换粒子和反粒子后）的倒放。一个人逆时而进、一杯售出的咖啡变烫、四散的碎片自发聚成完整的杯子，这些过程都没有违反基本的物理定律。
可我们的宇宙中却出现了强时间箭头，时间箭头都是关于我们这个宇宙的事实，需要我们去解释。任何时间箭头的解释，都要假设时间的本质。
那么时间究竟是什么？这是人类未解的一个谜。在《时间重生》中，作者李·斯莫林不仅梳理了亚里士多德、伽利略、牛顿、爱因斯坦等人对时间的探索，而且基于科学的最新发展，用新颖独特的方式解读了量子力学、引力及宇宙学的终极大统一，并最终引领读者穿过层层迷雾，感受时间真实性的回归。
