为什么时间不会倒流

韩京辰

中央电视台曾播放过一个关于时间倒流的公益广告，这个公益广告是由一首诗改编而成的：瀑布的水逆流而上，蒲公英种子从远处飘回，聚成伞的模样，太阳从西边升起，落向东方。运动员回到起跑线上，轰鸣的火车退回家乡……很明显，这个公益广告中的现象在现实中是不会发生的。那么，为什么不会发生呢？究竟是什么物理规律不允许时间倒流呢？

从力学与能量看时间倒流

我们先从力学规律看看时间问题。从力学规律看，时间倒流并非不可能，因为力学现象是可逆的。假设一个物体在做匀速直线运动，颠倒时间的方向，物体仍然做匀速直线运动，只不过方向相反而已。这完全在物理定律的允许之内。这是匀速直线运动的情况，如果物体受力，情况又会是什么样呢？这里以瀑布为例分析。在重力的作用下，瀑布的水加速下落。颠倒时间的方向，就会发现水向上运动，但速度越来越小，因此加速度的方向仍然向下，由此可知，重力的方向仍然向下。如果仅从力学的角度考虑，这也没有什么问题。从这里可以知道，如果时间的方向颠倒，那么速度的方向就会颠倒，而加速度和力的方向不变，但无论如何都不违反力学规律。因此，力学规律不是决定时间方向的物理规律。

力学规律并不决定时间的方向，那么，什么物理规律决定了时间的方向？是能量守恒定律吗？在这里，我们以烟花的爆炸为例，看看能量守恒定律是不是决定时间方向的物理规律。烟花内筒爆炸时，火药的化学能转化为热能、光能和动能（包括声能），将热能、光能和动能加在一起，总量和爆炸前火药中储存的化学能是相等的。如果颠倒时间的方向，就会发现热能、光能和动能转化成了化学能。在这个过程中，能量仍然是守恒的。也就是说，能量守恒定律不阻止时间倒流。由此可见，能量守恒定律也不是决定时间方向的物理规律。

从熵的角度看世界

力学规律和能量守恒定律都被排除了，那么，究竟是什么物理规律决定了时间的方向呢？

首先，让我们分析一下蒲公英的种子。一开始，蒲公英的种子呈伞状排布，这是一个高度有序的状态，当蒲公英的种子被风吹散之后，就变得无序了。由此可见，物质的排列总是越来越无序。

我们再来分析一下饭菜的香味。饭菜的香味来自分子，一开始，分子全部都在锅里面，但在加热之后，分子向外扩散，变得更加无序，从这个例子也能得知无序度在增加。

從能量的转化中，我们也能得到相同的结论。以烟花为例，烟花爆炸时，内部的化学能转化为动能（包括声能）、光能和热能，动能和光能最终也转化为热能。化学能是储存在分子内部高度有序的能量，而热能是分子的无序运动。由此可见，当化学能转化为热能之后，无序度增加了。

根据墨菲定律：当一面涂着果酱、一面干净的面包片落到地上时，先着地的一定是涂着果酱的那一面，即“事情向来没有最坏，只有更坏”。这实际上就是指物质的状态总是趋向无序，物质的无序度随时间单调递增，但“有序”和“无序”究竟是什么呢？这需要引入“宏观态”和“微观态”的概念。

我们以气体的扩散分析。假设有一个非常小的容器，内部只有4个气体分子，我们暂且称其为A、B、C和D。容器的中心有一个隔板，上面有一个阀门。一开始，4个分子都处于隔板的一侧，这就是一个宏观态。宏观态是分子的数量分布，而微观态就是分子具体的位置。如A、B、C、D都在隔板的一侧。如果4个分子都在隔板一侧，则对应的微观态只有一个。打开阀门后，分子扩散至整个容器。这时，就是另一个宏观态：隔板两侧各有两个分子。这个宏观态对应的分子排列有6种，也就是对应6个微观态。当气体从隔板一侧扩散至整个容器时，无序度会增加。由此可知，一个宏观态对应的微观态越多，无序度就越大。可以说，所有有序的微观态都是相似的，而无序的微观态各不相同。

在等温的物态变化过程中（例如晶体的熔化、液体的沸腾以及对应的逆过程），物质要吸收（或放出）热量，这样就可以得到一个变量，即热量的变化量除以温度，这就是“熵”，而对于质量一定的某种物质来说，不同物态对应的分子排列方式是不同的，因此，对应的微观态的数目也是不同的。固态物质的分子整齐排列，只能在平衡点附近振动，不能自由移动；液态物质的分子可以移动位置，但仍然受到分子间作用力的约束，而气态物质的分子则不受约束。由此可知，液态对应的微观态多于固态，气态对应的微观态又多于液态。根据这一点，就可以推测到熵和无序度是有关的。它们的关系是：在一个宏观态中，熵正比于微观态数目的对数，即：S=klnΩ（S是熵，Ω是微观态的数目，k为常数）。如果以J/K（焦耳每开尔文，开尔文是温度单位，等于摄氏度加273.15）作为熵的单位，那么，常数k的值就是1.38×10^-23。通过这种定义，熵就不仅限于用来分析等温的物态变化过程了。实际上，熵也可以用来分析任何物质状态。从无序度不断增加的现象，可以推测到熵随时间单调递增。

熵为什么会增加

物质的状态总是趋向于无序。通过引入“熵”这个物理量，无序的程度得以量化，就得到了一条物理定律，这就是熵增原理。时间之所以具有方向性，就是因为熵增原理。

不过，这里还有一个问题，那就是：熵为什么会增加呢？

实际上，只要分析一下彩票，就可以找出熵增加的原因。假如彩票摇奖机内部有12个球，摇奖时出两个球。买彩票时，在12个号码中选两个号码。如果两个号码和出球的号码完全一致，则中一等奖，如果1个号码和出的某个球一致，则中二等奖。从热力学角度看，一等奖、二等奖、不中奖这三种状态中，每一种都是一个宏观态，但它们对应的微观态的数目是不同的。在一次开奖中，摇奖机出的两个球只有一种排列方式。因此，中一等奖的彩票号码排列方式只有一种，也就是说，一等奖对应一个微观态。二等奖对应的微观态不止一种，因为二等奖要求只有一个号码与开奖号码一致，另一个号码不一致，对应的微观态只有20个，因此，二等奖的熵大于一等奖。不中奖的彩票对应45个微观态，熵最高。

只要分析一下各个宏观态出现的概率，就能得知熵为什么会增加。一等奖的中奖概率只有1/66（约1.5%），二等奖的概率为10/33（约30%），而不中奖的概率为15/22（约68.5%）。由此可见，熵越高的宏观态，出现的概率就越高，这就是熵增加的原因。

我们还以4个气体分子的扩散为例。一开始，4个分子都在隔板的一侧，阀门打开后，气体扩散到整个容器，隔板两侧各有2个分子。在这个过程中，熵增加了。实际上，气体分子不一定均匀分布到整个容器（隔板两侧各2个），也可能是隔板一边1个，另一边3个，还有可能4个分子全扩散到隔板另一侧，但这三种状态的概率比为6∶4∶1，分子均匀分布的概率是集中在隔板一侧的6倍。因此，气体从某个状态扩散后，最有可能变为均匀分布的状态。分子的数量越大，气体全部集中到隔板一侧的概率就越小。实际情况下，分子的数量大得惊人，气体全部扩散到隔板另一侧的概率小到可以忽略。因此，我们从未观察到熵减小的现象。熵增加原理是统计定律，只有观察大量分子，这个定律才成立。如果只观察一个分子，是无法确定时间的方向的。可见，时间只有在宏观世界中才有方向。

无序度的增加只是物质发展的总体趋势。实际上，现实中也会出现很多“熵减小”的情形，只不过熵减小是局部现象。如果将外界算进来，总熵仍然是增加的。给电冰箱通电，冰箱内外出现温差，这就是局部的熵减小。但是，冰箱的压缩机需要能量才能工作，输入压缩机的电能最终会转化成热能，耗散到空气中。这个过程中，熵是增加的，这个熵增大于冰箱内外温差带来的熵减。因此，将外界考虑进来，总熵仍是增大的。

可见，热不能完全转化为其他种类的能量。那么，热究竟是什么呢？这里，我们要深入微观世界来分析热的本质。我们都知道物质是由分子组成的，组成物质的分子并不是固定不动的，它们在不断运动。即使是固体，其分子也在振动。温度越高，分子运动得越剧烈，由此可知热的本质是分子的运动。热能也被称为内能，单位是焦耳。一个物体具有的内能等于组成该物体的所有分子的动能总和，而温度就代表了每个分子的平均动能。在一个物体内，每个分子的动能并不相同，但每个分子动能的平均值却只有一个。温度这个物理量就是描述分子平均动能的大小的。它的标准单位是开尔文（K），温度的下限是0K（-273.15℃），也就是绝对零度。在绝对零度下，分子的动能等于零。实际上，绝对零度是不可能达到的，但可以無限逼近。

由于分子运动是无序的，因此，宏观物体虽然受到分子的撞击，但各个方向上分子的撞击力相互抵消，所以物体的动能并不会增加，这就是内能不会自发转化为动能的原因。但是，物体越小，在单位时间内，它受到的分子撞击次数就越小。如果物体足够小，那么，在一个时刻，它受到的分子撞击力就会显出不平衡，物体就会因分子的撞击而运动，这就是布朗运动。物体越小，布朗运动就越剧烈。由于分子的运动是无序的，因此布朗运动也是无序的。分子非常小，用一般的显微镜根本无法观察到。而产生布朗运动的微粒比分子大得多，用一般的显微镜就能观察到。布朗运动是分子运动的有力证据。

热的本质是分子的无序运动，根据熵增原理，我们就可以得知为什么其他种类的能量可以完全转化为热，而热不能完全转化为其他种类的能量。这就是时间不能倒流的原因。