“时间去哪儿了”的热力学诠释（上）

时间的流逝朝向一个方向，单向流动性是时间的一个最明显的特征，物理学家找到了“时间去哪儿了”问题的根源，时间从过去向未来，几乎没有一个事实会比时间的单向流动更为明显，人们从过去走向未来，却不能从未来走向过去，过去消失了，过去的事情成了人们大脑中记忆的符号，回忆难忘的时光，歌曲“时间去哪儿了”表达了人们的记忆体验。时间之河永恒地向前流动，科学家和哲学家将时间流动的方向称为时间的“心理箭头”或心理向量。设想一下，人们将一杯咖啡放在桌上，热的咖啡自然地冷却，但不可能发生逆向的过程，冷咖啡不能自然而然地变成热咖啡。物体温度在封闭体系中发生从高到低的变化，热力学的时间箭头成了物理学家最关心的问题之一。

《物理学评论E》杂志近日发表了一篇有关“时间之箭”的分析文章，两位物理学家在文章中讨论了长期分离的两种时间概念，一是心理学含义的时间概念；一是热力学含义的时间概念，可以将心理学和热力学的两种时间概念永久地合并为一个整体。热力学的本质原理揭示了大集群粒子的行为，比如：一杯咖啡饮料含有数以万亿个液态分子。热运动每次朝向无序甚至杂乱无章的组织体系移动，将咖啡杯放置在一间冷的房间，热水分子有了更高的秩序或更高的组织结构，依据热力学的时间箭头或时间的方向性原理，热咖啡饮料逐渐地冷却，最终达到了与房间周围同样的温度。

热力学物理学家用高熵值表示低秩序的组织状态，用低熵值表示高秩序的组织状态，热咖啡有相对较低的熵值，冷咖啡有相对高的熵值。热力学的时间之箭表明了熵值从低到高的变化过程，但有些热力学物理学家不完全认同热力学的时间箭头原理，他们习惯于描述物体的同时性运动，大数量粒子的时间之箭向前和向后的移动同等有效，无论时间箭头如何流向，任何复杂的物质组织系统都在变化过程中增加了系统的熵值。宇宙大爆炸学说得到了越来越多证据的支持，在宇宙大膨胀的极早j期，原初的宇宙微观结构有十分低的熵值，但科学家目前不能检测到宇宙极早期十分低的熵值。

有些物理学家不赞成最低熵值的假设，有些物理学家则认为，宇宙热力学的时间箭头从大膨胀的极早时刻开始向前飞驰，宇宙从过去的低熵值向未来的高熵值转变。天文学家观测天体的运动和演变，大众人士有了“时间去哪儿了”的心理感受，过去的岁月在不经意间就消失了。时间箭头的两种概念十分直观，人们几乎很难注意到两者的差别，心理的时间之箭好似热力学的时间之箭，洛杉矶南加州大学的物理学家托德·布朗解释说，人类经历了千年时间，现在才能认识到，人们对两种概念的时间流逝比过去的理解更加清晰。在过去的几个世纪，物理学家和哲学家开始将热力学和心理学含义的时间之箭合二为一。

有很多的科研人士注意到，现实世界中有些储存记忆的物体，比如：人类大脑和计算机硬盘，这些物体在运转过程中变得更热，运行生热的过程相当于增加了系统的熵值，时间不可逆的过程好似热力学定律指明的一样，存储记忆的物体只能从过去移动到未来，沿着一个时间之维向前运动。布朗和加州理工学院的物理学家伦纳德·蒙洛迪诺有不同的看法，他们认为记忆物体的运行并非必然伴随了生热现象，例如：水池面的涟漪记录了一块石头落水的事件，涟漪“记忆”在原则上可以有相反方向的传播。

人的大脑是不是不仅有记忆过去，而且有记忆未来的功能？问题的关键是解开记忆的“时间之谜”，蒙洛迪诺和布朗尝试了物理学中所谓的“思想实验”，他们的设想不是十分复杂，可以想象一下将两间空室组成一个封闭的系统，一间空室充满了气体状的粒子，这些粒子可以在室内自由地跳动和移动，一间同样尺寸的空室则没有粒子，在充满粒子的空室和没有粒子的空室之间，开设了一条便于粒子进出的通道。充满粒子的空室处于低熵值的结构状态，大量的粒子挤成一团，好似宇宙极早期的状态，大量的粒子浓缩在一起，处于高密度的能态。相互挤压的粒子从一个空室沿着通道进入另一个空室。根据热力学的基本原理，两个相互连通的空室最终分布了数量相同的粒子。

（编译：2021-5-9 ）