什麼是熱
除了我們前面已經講過的，那些描述世界基本構成的重要理論之外，物理學另有一座與眾不同的偉大城堡，它提出了一個讓人始料不及的問題，那就是：「什麼是熱？」
直至19世紀中葉，物理學家們還認為熱是一種叫作「熱質」的東西，或者是兩種東西，一冷一熱，這種想法後來被證明是錯誤的。最終，還是找到了熱的本質。這個發現美麗、奇異而又深刻，帶領我們進入了一個人類至今仍知之甚少的領域。
他們發現，一個熱的物質並不會包含什麼熱質，它發熱僅僅是因為其中的原子運動速度更快。原子和原子團組成的分子處在不斷運動的狀態中，它們快速移動、振動、跳躍……冷空氣之所以冷是因為空氣中的分子跑得比較慢；而熱空氣之所以熱是因為空氣中的分子跑得比較快。這個解釋是不是簡潔而美妙，但故事還沒完。
我們知道，熱量總是從熱的物體跑到冷的物體上。一個冷茶匙放到一杯熱茶裡會逐漸變熱；在天寒地凍的環境裡，如果穿得不夠暖和，我們的身體會很快丟失熱量，感到寒冷。那為什麼熱量會從熱的物體跑到冷的物體上，而不是反過來呢？
這是一個關鍵的問題，因為它關係到時間的本質。在所有不發生熱交換，或熱交換可以忽略不計的情況下，我們看到的未來將和過去是一模一樣的。
例如，對於太陽系行星的運轉而言，熱量幾乎是無關緊要的，所以行星即使逆向運轉，也不會違反任何物理規律。可是一旦有熱量存在，未來就和過去不同了。舉個例子，如果沒有摩擦，鐘擺可以永遠擺動下去。如果我們把這個擺動過程錄下來，倒著播放，也不會覺得有任何問題。
但是，如果存在摩擦，鐘擺微微加熱了底座，損失了能量，運動速度就會減慢。這就是摩擦生熱，這時我們立刻就能通過時鐘的擺動快慢來分辨未來和過去。
想想看，我們是不是從來沒有看到過哪一個鐘擺吸收了底座的熱量，而從靜止突然開始擺動。
只有存在熱量的時候，過去和未來才有區別。能將過去和未來區分開來的基本現象就是熱量總是從熱的物體跑到冷的物體上。
概率
那麼，為什麼熱量會從熱的物體跑到冷的物體上，而不是相反呢？
玻爾茲曼發現其中的原因驚人地簡單：這完全是隨機的。玻爾茲曼的解釋非常精妙，用到了概率的概念。就是熱量從熱的物體跑到冷的物體上並非遵循什麼絕對的定律，只是這種情況發生的概率比較大而已。
原因在於：從統計學的角度看，一個快速運動的熱物體的原子更有可能撞上一個冷物體的原子，傳遞給它一部分能量；而相反過程發生的概率則很小。在碰撞的過程中能量是守恆的，當發生大量偶然碰撞時，能量傾向於平均分布。
所以就這樣，相互接觸的物體溫度會趨向於相同。熱的物體和冷的物體接觸後溫度不降反升的情況並非完全不可能，只是概率小得可憐罷了。
將「概率」引入物理學的核心，直接用它來解釋熱動力學的基礎，這一做法起初被認為荒謬至極，所以沒人把玻爾茲曼當回事。1906年9月5日，玻爾茲曼自縊而亡，他沒有等到自己的理論被全世界認可的那一天。
那麼概率後來是如何進入物理學核心位置的呢？在某種程度上，將概率引入熱力學是由於我們的「無知」。
我不確定某件事是否會發生，但我可以分配給它或高或低的概率。
例如，我不知道要舉辦馬賽的場地明天是會下雨、天晴，還是會下雪，但我可以知道8月下雪的概率是很低的。
同樣，對於絕大多數物體，我們都只是略知一二，並非完全了解，所以只能基於概率做出預測。比如一個充滿氣的氣球，我可以測量它的形狀、體積、壓力、溫度……但是氣球中的空氣分子正在快速運動，而我不知道其中每一個分子的確切位置，所以無法對氣球接下來的運動做出準確的預測。
比方說，如果我解開氣球口上的結，然後放手，氣球就會一邊噗噗地洩氣一邊四處亂撞，我完全無法預見它的飛行方向。但即使如此，我還是可以預測氣球從我的手上飛走，飛出窗外，繞著遠處的燈塔轉一圈又飛回來落在我手上的情況基本不會發生，因為這樣的概率實在是太小了。有些情況發生的可能性會大些，而有些情況則幾乎不可能發生。
同樣，當分子發生碰撞時，熱量從熱的物體傳遞到冷的物體上的概率是可以計算的，結果顯示，這個概率比熱量從冷的物體傳遞到熱的物體的概率要大得多得多。
物理學中研究上述內容的分支叫統計物理學，它的成果之一就是從玻爾茲曼開始研究的熱量和溫度的概率特性，也就是熱力學。
我們的「無知」暗含著世界運行方式的某些線索，這乍看很不合理。冷的茶匙在熱茶裡面會變熱，氣球放氣的時候就會四處亂飛，與我知道與否毫無關係。支配世界的物理原理和我們知不知道有什麼關係呢？這個問題理直氣壯，答案卻很微妙。
茶匙和氣球的運動遵從物理規律，具有必然性，與我們知道與否毫不相干；它們行為的可預測性或不可預測性，與它們的具體狀態無關，只與它們和我們相互作用的那一部分屬性比方說溫度和壓力有關。具體是哪些屬性，取決於我們與茶匙、氣球相互作用的方式。因此，概率同物體自身的演化無關，只與物體跟我們相互作用的特定屬性的變化有關。這又一次表明，我們用以組織這個世界的概念之間有著深刻的關聯。
冰涼的茶匙在熱茶裡面變熱，因為在無數個可以標示茶匙和茶的微觀狀態的變量中，它們只通過有限的變量與我們發生相互作用。這些變量的值雖然不足以準確推斷未來，比如說氣球的運動軌跡，但是對於預測茶匙變熱綽綽有餘。
希望在這番細碎的講解之後，諸位讀者還有興趣聽我說話……
在20世紀的進程中，熱力學就是研究熱的科學和統計力學就是研究各種運動的概率的科學。他們都延伸到了電磁場和量子現象的領域。
不過，當把它們延伸到引力場時，卻出現了問題。溫度升高時，引力場會如何變化，仍是一個未解的難題。我們知道電磁場加熱後會發生什麼：比如在用烤箱時，餡餅會被熱的電磁輻射加熱，我們知道怎樣描述它，電磁波會振動，隨機分配能量。我們可以把電磁波想像成由光子組成的氣體，這些光子像熱氣球裡面的分子一樣運動。但是熱引力場是什麼？我們在第一課說到過，引力場就是空間本身，或者說是時空，因此，當熱量在引力場擴散開來的時候，空間和時間也應該發生振動……但是我們還不知道如何描述它，我們還沒有發現可以描述熱時空的熱振動的方程。
時間
這些問題把我們引向時間問題的核心：時間的流動究竟是什麼？
經典物理學中已經提到了這個問題，19、20世紀的哲學家十分重視它，但在現代物理學中，這個問題變得更加棘手。物理學通過公式來描述世界，告訴我們物體是如何隨「時間」而變化的。但是，我們也可以用另一些公式解釋物體如何隨「位置」的改變而變化，或者，燴飯的口味如何隨「黃油的用量」而變化。
時間看起來是在「流動」，但是黃油的量和空間中的位置不會「流動」。那麼區別在哪裡？
我要說一個深刻的問題，請仔細聽：
我們可以問問自己，什麼是「現在」？我們說存在的事物是「現在」的事物：過去不再存在了，未來也還沒有到來。但是，在物理學中，沒有任何東西可以對應「現在」這個概念。對比一下「此刻」和「此處」。「此處」是指說話人所在的位置：如果有兩個不同的人，「此處」就是指兩個不一樣的地方。因此，「此處」的意思取決於說話的地點，用術語表達就叫作指示性。
而「此刻」呢？也是指說話的這一瞬間，也具有指示性。沒有人會說「此處」的東西是存在的，不在「此處」的東西就不存在。那麼，為什麼我們可以說「此刻」的東西是存在的，不在「此刻」的東西就不存在呢？究竟「此刻」是客觀的，它的「流動」讓物體一個接著一個地「存在」，還是，它和「此處」一樣，是主觀的？
這似乎是個深奧的腦力題，但解決這個問題卻是現代物理學的當務之急，因為狹義相對論告訴我們「現在」的概念也是主觀的。物理學家們和哲學家們得出結論：全宇宙共有同一個「現在」的觀念是種幻覺，時間在宇宙中同步「流逝」這種概括也是行不通的。
愛因斯坦在他的好朋友米凱萊去世之後，給他的妹妹寫了一封信，他說：「米凱萊從這個奇怪的世界離開了，比我先走一步，但這沒什麼。像我們這樣相信物理的人都知道，過去、現在和未來之間的分別只不過是持久而頑固的幻覺罷了。」
不管是不是幻覺，如何解釋對我們而言時間在「流逝」呢？時間的流逝對我們每個人來說都是顯而易見的：我們想的事情、說的話都存在於時間當中，就連語言本身的結構都離不開時間——一件事情「正在」發生、「已經」發生或者「將要」發生。
我們可以想像一個沒有顏色、沒有物質，甚至沒有空間的世界，卻很難想像一個沒有時間的世界。德國哲學家海德格爾強調，我們「棲居於時間之中」。但是會不會被海德格爾視為根本的時間流逝這一特徵，根本不就存在呢？
一些哲學家認定，物理沒有能力描述現實最根本的面向，甚至斥之為誤導人的知識。
但是歷史已經多次證明，我們的直覺是不準確的。如果被困在直覺中，我們還想著地球是平的，太陽繞著地球轉呢。直覺建立在我們有限的經驗之上。當我們能夠看得更遠時，我們會發現世界並不是原先看上去那樣：地球是圓的，人是頭朝下、腳在上的。相信直覺而罔顧科學家們理性、嚴謹、智慧的集體驗證，是不明智的。
這就像那種老頭子的偏見：他不相信外面的大千世界跟自己住的小村莊有什麼差別，不相信那裡生活著他從未見過的人。
那麼，時間流逝這個鮮活的經驗從何而來？
我認為答案就在熱量和時間的緊密聯繫中：只有當熱量發生轉移時，才有過去和未來的區別。熱量與概率相關，而概率又決定了：我們和周圍世界的互動無法追究到微小的細節。
這樣一來，「時間的流逝」便在物理學中出現了，但並不是在精確地描述物體的真實狀況時，而是更多地出現在統計學與熱力學中。這可能就是揭開時間之謎的鑰匙。「此刻」並不比「此處」更加客觀，但是世界內部微觀的相互作用促使某系統，比如說我們自己的內部出現了時間性的現象，這個系統只通過無數變量相互作用。
我們的記憶和意識都建立在這些概率性的現象之上。假如存在一種超感覺的生物，那麼對它來說，就不存在時間的「流逝」，宇宙會是沒有過去、現在、未來之分的一整塊。但是，由於我們意識的局限性，我們只能看到一幅模糊的世界圖景，並棲居於時間之中。有一句話說：「看不清的比看得清的更加廣闊。」正是這種對世界的模糊觀察孕育了我們時光流逝的觀念。
黑洞的熱
那麼，這就把一切說清楚了嗎？並沒有，還有好多問題有待解決。在引力、量子力學和熱力學三者的交叉地帶，許多問題糾纏在一起，而時間就位於這團亂麻的中心。我們還在黑暗中摸索。我們也許已經開始理解量子引力了，但它也只結合了三塊拼圖中的兩塊。我們還沒有找到一個理論，把我們對世界的這三塊基本理解拼到一起。
英國著名物理學家史蒂芬·霍金完成的一個計算給解決這個問題提供了一條線索。他身患重疾，只能縮在輪椅上，並藉助輔助儀器說話，但仍在物理學研究上成就卓著。
霍金利用量子力學成功地證明了黑洞總是「熱的」，像火爐一樣放熱。這是關於「熱空間」性質的第一個具體跡象。從來沒有人觀測到這種熱，因為在我們觀測到的真實的黑洞中，這種熱非常微弱。但是霍金的計算令人信服，在各種場合被人們引用，黑洞的熱也被普遍認為是真實存在的。
黑洞的熱是發生在黑洞這種物體上的量子效應，而黑洞本質上是引力性的。一個個空間量子，空間的基本顆粒，就是那些振動的「分子」加熱了黑洞的表面，使黑洞放熱。這個現象同時涉及問題的三個方面：量子力學、廣義相對論和熱力學。
黑洞的熱如同物理學中的羅塞塔石碑，它用量子、引力和熱力學三種語言寫就，仍在等待解讀，以告訴我們時間的本質。
後面的最後一課，作者所談論的是我們人類自己，是本書最精彩的部分。