小時候我們常常會想像時光倒流的樣子——河水逆向流動,太陽從西邊升起,東邊落下,掛在牆上鐘錶的指針逆時針旋轉。對於眾多物理定律而言,時光倒流並非完全說不過去,但是有一條物理規律限制了這種時光倒流的發展,那就是熵增定律。
在分析熵增定律之前,我們先通過其它物理角度思考時光倒流將會怎麼樣。
從經典力學角度看時光倒流
假如有一個小球在作勻速直線運動時,那麼它受到的合外力為零,只存在大小和方向都固定的一個速度,當時光倒流之後,那麼這個小球將會反方向勻速直線運動,這對於小球來說這個情況完全可以實現,只是速度換了一個方向而已。
再假如有一個小球作自由落體運動,由於它受到的重力向下,加速度也向下,因此小球向下做勻加速直線運動,而在時光倒流過程中,小球受到的重力向下,速度向上,因此會作勻減速直線運動直到回到原來的位置,這些完全符合力學規律。對於經典力學來說,力的方向,加速度的方向都與時間無關,因此,即使時光倒流也能完全符合經典力學規律,因此從這個角度看時光倒流並不是沒有可能。
從能量角度看時光倒流
上面講到過,時光倒流,小球逆向勻速直線運動,只是速度的方向變為與原來相反的方向,因此它的總能量是一直保持不變的,而第二個例子中,小球作自由落體運動時,將重力勢能轉化成動能,而當時光倒流,於是將動能轉化為重力勢能,能量依舊是守恆的。當我們給手機充電,電能轉化為電池的化學能,反過來之後,化學能減小,轉化為電能,這一切都符合能量守恆定律,能量每時每刻是守恆的,能量只會從一種形式轉化成另一種形式,而不會憑空消失。因此,它與時間無關,從能量的觀點來看,完全沒有理由否定時光倒流。
因此,從力學與能量來看,這些並不能決定時間的方向,因為當我們從這兩個角度進行觀察的話,根本辨別不了時間是在正向流逝還是在逆向回溯。
熵增定律與時光倒流
時間本身也是一個相對的概念,那麼時間的方向到底是由什麼物理規律決定的?這個世界似乎總是會朝著某個方向變化,在這個變化的過程中,讓我們感受到了時間的流逝,它好像在無形的推動著我們運動。它就是時間的主角——熵。
在這個世界中,熵總是讓物質的狀態朝著更加無序的方向運動,這就是熵增原理。
什麼是熵?熵的物理意義是體系混亂程度的度量,簡單解釋一下就是分子排列越有序的體系,熵會越小。
體系的混亂度越大,熵就會越大。在一個孤立的體系中,熵永遠是朝著增大的方向進行,也就是說,一個孤立系統一定會朝著混亂度增加的方向進行。熵是一個統計學概念。如果時光倒流,那麼,物質將會從無序狀態自發地向有序狀態運動。例如,你放的一個屁本來在空氣中已經擴散,那麼假如時光倒流,這些與空氣已經混為一體的屁分子將會自動從這些混合氣體中分離出來並聚集在一起回到你的體內,這個過程中,熵減少了!而這違背了整個宇宙的通用定律。正是熵的變化推動了時間的發展,當我們發現一個孤立體系的熵在減小,說明時光就在倒流,因為熵會隨著時間單調遞增。
上面說的是針對整個體系而言,對於這個世界某些部分的確可以朝著熵減少的方向進行,但這部分熵的減少需要其它物質增大更多的熵才能用於彌補,而這整個體系的熵實際上是增加了。比如我們用冰箱製冷時,冰箱內的溫度降低 了,溫度降低分子熱運動也會減慢,水會液化或者凝固,對於內部的體系來說,它們的熵減少了,但由於冰箱製冷消耗了電能,向冰箱外釋放了大量的熱量,而這整個體系的熵是增大的。因此,熵增定律是萬物發展方向的定律,它也決定了時間的方向,因此,想要穿越時空,請先打破熵增定律。