我們需要有一條自然定律禁止對因果性的破壞。然而，這是一條什麼定律卻眾說紛紜。自然界的基本定律不會太多，這條我們希望存在的定律很可能是一條我們已知的定律。它很可能就是熱力學第二定律。這條定律指出時間有一個流逝的方向，只能從過去流向未來，絕不可能從未來返回過去。在討論黑洞的面積定理和信息疑難的時候，我們都曾談到這一定律。
在學術上，熱力學第二定律有幾個等價的表述：①熱量只能自發地從高溫物體流向低溫物體；不可能從低溫物體流向高溫物體而不引起其他變化。②不能從單一熱源吸熱，把熱量全部轉化為功，而不產生其他影響。
熱力學第一定律保證了一個守恆的、重要的物理量——能量的存在。它指出能量可以從一種形式轉變為另一種形式（例如從機械能轉換成熱能、電能、光能等），但其總量保持不變。所以這一定律又叫做「能量守恆與轉換定律」。
研究發現，熱力學第二定律保證了另一個重要的物理量——熵的存在。但熵與能量不同，熵不是守恆量，熵是「混亂度」的量度。在自然界中，熵只能增加，不能減少。正是熵的增加，體現了時間的流逝。
熱力學定律的重要之處在於它們是普適的，適用於力學、電磁學、光學、原子物理、核物理等所有物理過程，也適用於化學、生物學等所有自然科學領域。這是其他學科和理論都望塵莫及的。電磁理論只適用於電磁領域，力學理論只適用於力學領域這些理論，都是各自獨立、互不約束的，但熱力學卻滲透到所有這些領域中。
熱力學定律如此重要，應用如此廣泛，但它們的提出卻歷盡辛酸。
熱力學第一定律的發現者一共有3個人：邁爾、焦耳和赫姆霍茲。
邁爾是德國的生物學家。他提出了能量的概念，並指出能量可以從一種形式轉換為另一種形式，但總量守恆。他把論文投給一個物理雜誌，但由於他的思想非常新穎，而他又不是物理專業出身，論文中的語言名詞並非物理專業所用，因此雜誌社沒有人能看懂，也就無法發表。於是他轉而求助於一家生物學雜誌，他的一個朋友在這家雜誌社當編輯。他說服朋友刊登了他的文章。但當他又寫了第2篇文章再次請朋友幫忙的時候，朋友告訴他，由於刊登他的文章，自己遭到許多生物學家的指責，他實在無法再幫忙了。後來，邁爾的弟弟因搞革命活動被捕，兩個兒子夭折，自己的成果又無人理解。在悲痛與失望的情緒下，他跳樓自殺，摔斷了雙腿。人們認為他有精神病，把他送進了精神病院。不過若干年後，邁爾的偉大成就終於被世人認可了。
焦耳是英國人，他是一個啤酒廠廠主的兒子，自己後來也繼承父業，成為了啤酒廠的老闆。不過他的主要興趣不在啤酒生意，而在物理學上。他在對物理現象，特別是電和熱的研究中，獨立地發現了熱力學第一定律。但由於他非物理專業出身，論文沒能得到物理學家的支持，只好把文章刊登在小報上。幸運的是物理學家開爾文看到了他的文章，覺得很有意思，並拜訪了焦耳。開爾文認識到焦耳的工作非常有創新性，非常重要，於是向物理界推薦了焦耳的工作。焦耳終於被允許參加了一次物理研討會，開爾文對焦耳的工作作了解釋說明，大家才終於接受了焦耳的重大發現。
赫姆霍茲也是德國人，他是物理學家，他的論文對第一定律作了最清楚的表述。
熱力學第二定律的發現者有2位，他們是法國的卡諾和德國的克勞修斯。
卡諾生活在法國大革命時期，當時能量概念尚未提出，流行的熱學理論是「熱質說」，認為熱機就像被水推動的水輪機一樣，被從高溫熱源流向低溫熱源的熱質所推動。卡諾用錯誤的熱質說證明了他的著名定理——卡諾定理。這一定理，其實也是熱力學第二定律的一種表述。但卡諾非常不幸，在他36歲那一年，患了猩紅熱、腦膜炎、霍亂，不治身亡。他死後，由於怕傳染，家中把他的所有遺物，包括筆記、論文手稿全部燒毀。幸運的是，他的一個筆記本被遺忘在閣樓上，而於40年後被他的弟弟發現。從這本筆記中可以看到，卡諾當時已對熱質說產生了懷疑，他已經認識到熱可能是能量。
圖1 熱質說：熱機與水輪機的對比
1850年，克勞修斯提出了第二定律的標準說法，即「熱量只能自發地從高溫物體流向低溫物體，而不能自發地從低溫物體流向高溫物體」。實際上，開爾文也幾乎與此同時發現了第二定律，他的表述形式是「不能從單一熱源吸熱做功，而不對外界產生影響」。開爾文的表述發表在1851年。開爾文對熱學的貢獻很多，包括提出絕對溫標，預見到可能有熱力學第三定律的存在。開爾文是一位品德高尚、才華橫溢的謙虛學者，從不與人爭奪名利，並樂於提攜幫助別人，他推薦過焦耳，後來還推薦過皮埃爾·居裡。
熱力學第三定律說「不可能用任何操作使系統的溫度降到絕對零度」。實際上就是說「絕對零度不可能達到」。提出這條定律的只有1個人，那就是德國的能斯特。
有趣的是，能斯特最初是從熱力學第二定律推出上述結論的。在能斯特作報告時，年輕的愛因斯坦指出，他的結論是正確的，但推導有問題。愛因斯坦認為，能斯特的結論是一條獨立的熱力學基本定律，不可能從第二定律推出。能斯特起初還不服氣，後來終於弄清楚了自己的發現的重大意義。
之前我們曾談到過的奇點定理斷言，在廣義相對論成立的任何一個物理時空中，只要因果性在其中成立，而且有一點物質存在，那麼在其中就一定存在時間有開始或結束的過程。筆者花了很多時間思考這個問題，並很快注意到黑洞理論中的一個情況：凡是奇點存在的場合，都會伴隨溫度發散或達到絕對零度的情況出現。實際的物理系統，溫度不可能達到無窮大，絕對零度又是熱力學第三定律所禁止的。於是筆者提出一個大膽的猜想：熱力學第三定律會禁止奇點存在，也就是說，第三定律會禁止時間有開始和結束。
有人開玩笑說，熱力學第一定律的發現者有3個人，第二定律的發現者有2個人，第三定律的發現者只有1個人。按此規律，不應該有熱力學第四定律存在，因為第四定律的發現者人數應該是0。不過，熱力學雖然沒有第四定律，卻有一個第零定律。該定律說「熱平衡是可以傳遞的」，也就是說，「如果系統A與B達到熱平衡，B與C也達到熱平衡，那麼A與C就一定達到了熱平衡」。
人們逐漸認識到「熱平衡具有傳遞性」應該是一條基本定律，但這是在第一定律和第二定律確立之後。由於沒有這條新定律，就不能定義熱學中最重要的概念——溫度，所以這條定律不僅重要，而且從邏輯上看應該排在第一定律和第二定律之前，因此，人們只好稱它為熱力學第零定律。
愛因斯坦在他開創相對論的第1篇論文中曾經討論過，在同一參考系中位於不同地點的鐘如何校準的問題。他提出一條公理：A點的鐘如果與B點的鐘校準，B點的鐘再與C點的鐘校準，那麼A、C兩點的鐘就自然校準了。也就是說，他假定「同時」這個概念具有傳遞性。後來，前蘇聯物理學家朗道指出，這條看似當然成立的「公理」，其實不一定在任何參考系中都成立。他指出：只有在時軸正交系，也就是說時間軸和三條空間軸都垂直的參考系中才成立。在非時軸正交系中，「同時」不具有傳遞性。例如轉動的圓盤，時間軸就與空間軸不都垂直，因此「同時」不具有傳遞性。在轉盤上不能定義統一的時刻。
從上述討論可以看出，廣義相對論中的信息疑難、蟲洞疑難和奇點疑難，都把我們對時空的研究引向了熱力學。看來，「熱」與「時間」之間很可能存在我們尚不清楚的深刻的本質聯繫。物理學研究早就指出，能量守恆，也就是熱力學第一定律可以保證時間流逝的均勻性；熱力學第二定律指出了時間的方向性和流逝性。我們這裡談到的探索又表明，熱力學第三定律似乎能夠保證時間沒有開始和結束；第零定律則可以保證空間各點存在流逝速率相同的時間。
這是一個令人感興趣的領域，有待人們進一步探索。■
本文節選自上海教育出版社出版的《愛因斯坦與相對論——寫在廣義相對論創建100周年之際》，有刪改。