科学百科71期丨熵和时间之间有什么关系？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。

作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。

其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。

作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第七十一个问题：熵和时间之间有什么关系？

假定我们从空间中很远的地方，拍下一部地球绕太阳运转的电影，然后把它放映得很快，使我们可以看到地球似乎在沿着它的轨道骨碌骨碌地转动着。再假定我们先把这部影片顺着从头到尾放映一遍，然后又倒过来从尾到头放映一遍。那时，我们能够说出哪一种放映法正好看起来同地球在运动的时候一样吗？

你也许会说，从太阳的北极上方往下看，地球是逆时针方向绕着太阳转的。如果看起来地球是在顺时针方向运转，那么，我们就知道影片是在倒过来放映，因而时间是在向后退。

但是，如果你这时是从太阳南极的上方去观察地球绕太阳的运动，地球就会是顺时针方向绕着太阳运动。这样一来，如果你看到的是顺时针方向的运动，你怎样知道你是在太阳北极上方看到时间在往后退，还是在太阳南极的上方看到时间在向前进呢？

你是无法回答这个问题的。就是在只牵涉到很少几个物体的、非常简单的过程中，也不可能说出时间到底是在前进还是在后退。对于这两种情形，自然规律都是同样成立的。如果你所考虑的是亚原子粒子，情况也是这样。

大家全都知道，沿着某一弯曲的路径随着向前推移的时间而运动的电子，可以看成沿着同一弯曲的路径随着向后推移的时间而运动的正电子。如果你所考虑的仅仅是那个粒子，那么，你就不可能确定其中哪一种说法是正确的。

在你无法说出时间究竟是在前进还是在后退的那些非常简单的过程中，熵是不改变的（或者是改变得非常少，因而可以略去不计）。但是，在牵涉到许多粒子的一般过程中，熵总是会增大，换句话说，无序程度总是会增大。一个跳水运动员跳入游泳池而溅起大量水花，一个花瓶掉在地上面碎成片片，许多树叶从树上掉落而散布在地面上——所有这些和我们周围所发生的其他事情，我们都可以证明它们是会使熵增大的。我们习惯于看到熵在增大，并且往往用熵的增大来说明一切都在正常地进行，说明我们在时间中正在向前推进。要是我们突然看到熵在减小，那么，我们唯一能做出的解释就是：我们正在时间中往后退。

例如，假定我们正在看一部由日常生活构成的影片。倘若我们看到了溅起的水滴汇集在一起，而跳水运动员从水里向上升到跳板上；倘若我们看到花瓶的碎片凑成花瓶并通过空气跳回桌子上原来的地方；倘若我们看到地上的落叶自己集中起来并飞回树上各个枝枝桠桠上，那么，由于这一切都表明熵降低了，所以我们就知道，这一切完全同事物的正常次序相反，而那个影片肯定是倒过来放映的。事实上，当时间颠倒过来的时候，各种事件会变得那么古怪，因此，那种场面会使我们发笑。

由于这个缘故，熵有时也被称为“时间的箭头”，因为它的稳步上升可以作为时间的“前进方向”的标志。不过，如果物体中的全部原子都正好以同样的方式运动，那么，所有这些颠倒的事情就是可能发生的。但发生这种事情的机会是如此之小，所以我们完全可以把这种可能性略去不计。