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时间为什么只能向前流逝?

2018-06-04  |  火星一号 原创 收藏(68)  | 


我们知道,时间只会向前流逝,我们无法回到已经发生的昨天,等着我们的永远是还没有发生的明天。物理学中最大的谜团之一就是为什么时间之箭指向前方。时间之箭是1927年由英国物理学家亚瑟?爱丁顿(用日全食验证了广义相对论)提出的一个概念,用它来描述时间似乎只朝着一个方向流逝。我们可以从过去走向未来,但不能回到过去。如果空间和时间一起构成了四个维度,那么时间就是唯一一个只能朝一个方向行进的维度。

物理学家用来描述宇宙的所有方程式,比如描述引力和电磁学的方程式,它们在任一方向上都完全奏效。这些方程式被认为是对称的,而且似乎不会受到时间箭头方向的影响。然而,时间确实有一个箭头,为什么会这样?

熵增原理


答案是热力学第二定律,它表示熵总是在增加。熵意味着无序或不可用的能量。在一个封闭系统中,无序度总是在自发地增加,这就是熵增原理。想象一下,一堆分子会自发地变成一团乱糟糟的分子,而不会结合在一起形成一个人。

如把熵增原理应用在现实生活中,这意味着如果把牛奶从罐子里洒出来,牛奶就不会再回到罐子里;或者如果从手上掉了一个玻璃杯子,它就会碎掉,不会再重新组装起来,并回到的手里。如果我们经历了这些事件中的任何一个,我们就能知道时间是在向前还是向后,而不像上面提到的对称方程。由于这种熵增的原理,就意味着时间只在一个方向上流逝。

热力学第二定律的不可逆性可能与宇宙本身的起源有关,宇宙的起点非常小且密度大——奇点,宇宙从138亿年前诞生起就一直在膨胀。在大爆炸刚发生时,宇宙的熵值非常低,随着时间推移,它的熵在增加,这被称为宇宙的时间之箭。

宇宙的最终一种可能结局是会变成具有最大熵值的完全无序结构,这意味着所有的物质和能量都将被均匀地分布。可用的能量最终会稀疏地分散在整个宇宙中,所以到处都很寒冷,这种结局被称为宇宙热寂说。另一种结局是宇宙将停止膨胀并进入相反的状态,称为宇宙大坍缩。在宇宙大坍缩中,熵可能会减少,时间也许在热力学上会改变方向。

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