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导读：

为什么一个杯子打破后不能恢复原状，青春时光无法再回？德国物理学家扎比内·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）尝试对这一现象进行了解释。

Sabine Hossenfelder ｜ 撰文

在艾萨克·阿西莫夫 1956 年的短篇小说《最后的问题》（）中，一个叫亚历山大·阿德尔的人在喝了酒之后，对宇宙的能源供应感到十分担忧。他的理由是，虽然能量本身是守恒的，但有用的那部分能量将不可避免被耗尽。物理学家将这种能带来变化的有用的能量称为自由能，这种能量是用来抗衡熵的量。随着熵的增加，自由能减少，变化也就不再发生。

在阿西莫夫的故事中，醉醺醺的阿德尔希望打败热力学第二定律，该定律宣称熵不会减少。他走向一台功能强大的自动计算机“穆尔蒂瓦克”（Multivac），问道：“如何才能使宇宙的总熵大幅度降低？”穆尔蒂瓦克顿了顿，答道：“数据不足，无法作答。”

你们可能不太知道阿德尔所担忧的热力学第二定律的具体内容，但是八成听说过这条定律的名字。这是我们在婴儿时期最先学到的事情之一：大部分东西都会损坏，而且有些东西坏了之后就无法再修复。会遭受这种悲惨命运的不只是妈妈最喜欢的杯子，你的车、你自己，甚至整个宇宙……一切事物最终都会损坏，而且无法修复。

生活经验告诉我们，事物的破损是不可逆转的，但是我们在上一章才刚刚说基本自然规律具有时间可逆性，二者之间似乎存在矛盾。在这种情况下，我们不能仅仅把这种不一致归咎于人类不可靠的感官，因为我们在许多比大脑要简单得多的系统中观察到了不可逆性。

例如，恒星在氢分子云中形成，它们会将氢聚合成更重的原子核，并以粒子的形式（主要是光子和中微子）释放出由此产生的能量。当一颗恒星耗尽所有原料时，它就会变暗，或者在某些情况下爆发，变成超新星。但我们从未见过相反的情况。我们从未见过一颗暗淡的恒星在吸收光子和中微子之后将重核裂变成氢，然后再扩散成氢云。自然界中像这样的过程比比皆是：煤的燃烧、铁的生锈、铀的衰变，我们从未见过相反的过程。

从表面上看，这一矛盾似乎无法调和。时间可逆定律怎么可能引发我们观察到的如此明显的时间不可逆现象呢？

要理解这是怎么回事，需要先明确问题是什么。我刚才描述的所有过程在某种意义上都是时间可逆的，也就是说我们可以从数学上回溯演化规律并恢复其初始状态。也就是说，问题不在于我们不能将电影倒放，而是当我们倒放电影的时候，会立马发现有些事情不太对劲：满地的玻璃碎片跳起来将窗户填满，汽车轮胎将道路上的橡胶颗粒吸附得干干净净，雨伞上的水滴则向上升到空中。数学可能允许这样的过程，但这显然与我们观察到的现象不符。

理论的预期与我们直觉的预期之间存在偏差，是因为我们忘记了解释观测结果所需要的另一个要素。除了演化规律之外，我们还需要初始条件，但并非所有初始条件都是同等的。

假设你现在需要准备面糊，用来烤蛋糕。你把面粉放进碗里，加入适量的糖和盐，也许还有一些香精。然后你又加入了黄油，打入几个鸡蛋，还倒了一些牛奶。现在你开始搅拌，碗里的各种成分很快就会变成一种平滑的、毫无特征的物质。一旦发生这种情况，面糊就不再发生变化了。就算你继续搅拌，虽然分子依然会在碗里来回移动，但平均而言，面糊保持不变。最终一切都混合在一起，而宇宙的结局差不多也是这样：所有物质尽可能地混为一体，总的来说不再发生变化。

在物理学中，我们把总体上不变的状态称为平衡态，我们刚刚搅拌好的面糊就处于这样的状态。在平衡态下，熵达到最大值，换言之，自由能已经耗尽了。为什么面糊会达到平衡？因为这很容易发生。如果你使用搅拌器，它大概率会把鸡蛋和面粉搅在一起，但不大可能将两者分开。即使没有搅拌器，情况也不会有什么不同，因为配料中的分子不会完全静止，只是需要花费更久的时间。搅拌器起到的只是快进键的作用。

其他的过程也是一样的：它们大概率只会朝一个方向发展。当破碎的窗玻璃掉落在地面上时，它们的动量一方面在地面上转化成微小的波纹，另一方面在空气中转化为冲击波，但地面和空气中的涟漪不大可能刚好以特定的方式自发地将玻璃碎片弹回正确的位置。当然，这在数学上是可能的，但是在现实中概率极低，我们从未见过这样的事情。

平衡态是你大概率最终达到的状态，同时大概率达到的状态又是熵最高的状态——这就是熵的定义。因此，热力学第二定律几乎只是同义反复而已。它仅仅说明，一个系统最有可能展现出可能性最大的结果，也就是熵增加。之所以说它几乎是冗余的，是因为我们可以计算出熵和其他可测量的量（比如压力或密度）之间的关系，从而量化并预测系统逐渐弛豫到平衡态的过程。

这些事情听起来好像稀松平常。罐子的破裂不可逆转，因为罐子自身无法愈合。嘁，这也算得上是重大发现？但你如果更加深入地思考这个问题，就会意识到一个重要问题。只有在不大可能回到先前的状态时，系统才会向可能性更大的状态演化。换句话说，初始状态一定要处于非平衡态。你能完成搅拌面糊这一工序的唯一原因就是鸡蛋、黄油和面粉还没有达到平衡。你能操作搅拌器的唯一原因就是你和你房间里的空气还没有达到平衡，并且我们的太阳和星际空间也没有达到平衡。所有这些系统的熵都远没有想象中那么高，换句话说，宇宙并不处于平衡态。

为什么呢？我们不知道，但我们给它起了个名字：初始条件假说（past-hypothesis）。该假说认为宇宙一开始处于一种低熵态，这是一种出现概率极低的状态。从那之后宇宙的熵就一直在上升，并将继续升高，直到宇宙达到可能性最大的状态，并且总体上不再发生任何变化。

目前，在宇宙的某些地方，熵依然维持在较低的水平——比如你的冰箱里（实际上，我们的地球整体上的熵也不算高）——前提是这些低熵的区域会从其他地方获取自由能。目前地球获得的大部分自由能都来自太阳，有一些来自放射性物质的衰变，还有一些来自平凡而古老的引力。我们利用这些自由能带来了很多变化：学习、成长、探索、建设和维护。也许在未来的某个时刻，我们将成功地利用核聚变创造能源，这将大幅提升我们引发变化的能力。如此一来，假如我们能够英明地利用现有的自由能，就可以尽可能地把熵维持在较低的水平，让我们的文明存活数十亿年。但是自由能最终依然会被耗尽。

这就是为什么宇宙在时间上有一个前行的方向——时间之箭指向的正是熵增的方向，而非相反。熵的增加不是演化规律自身的性质带来的，因为演化规律是时间可逆的。只是演化规律把我们从一个不大可能的状态引向了一个可能性很大的状态，并且这一转变发生的可能性很大。如果要朝向另一方向发展，那就要让规律把可能性很大的状态变成不大可能的状态——这（几乎）不可能发生。

那么为什么我们不会变得更加年轻呢？涉及衰老的生物过程以及导致衰老的确切原因仍然是目前科学研究的一大主题，但是粗略地说，我们变老是因为身体内不断积累着很可能发生但不大可能自发逆转的错误。细胞修复机制不能无限制地、完美地纠正这些错误。因此，我们的身体一点一点地缓慢老化——我们器官的运作效率逐渐降低，皮肤的弹性逐渐下降，伤口的愈合速度也逐渐变慢。我们可能会患上慢性疾病、痴呆或癌症。最终，我们的身体会产生无法修复的损坏，某个重要脏器完全衰竭，某种病毒击溃了我们脆弱的免疫系统，或是某个血栓切断了大脑的氧气供应。你可以在死亡证明上找到许多不同的诊断，但它们只是细枝末节而已。

真正杀死我们的是熵增。

本文摘编自《存在主义物理学》，【德】扎比内·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder） 著，柏江竹 译，中信出版社 2023年6月出版。《赛先生》获授权发表。