时间简说：流向与对称

如果物理学中的时间概念可以从属于空间概念，那么，我们必须以某种方式防止代表人们时间经验特征的过去和将来的不对称性的发生。虽然这是非常困难的问题，但人们的努力似乎还是实现了这一目标。

不管拉沃西和拉格朗日的成就如何大，但时间的自然流向并没有被19世纪热力学奠基者们所忽视。在19世纪中叶，热力学理论中存在着2个截然不同的原理。其一是，在任意封闭系统中，即可以孤立于静止宇宙的任意系统，总能量是常数。换句话说，系统中热量的消失，等于该系统中出现的其他能量的增加；反之亦然。能量守恒的这一定律（热力学第一定律）表明，在一个与其周围环境不发生相互作用的系统中，总能量保持不变。其二是热力学第二定律。它涉及该系统中可以做有用功的能量的品质，决定着热力学过程发生的方向，并代表着这样的事实，即虽然能量不会消灭，但它可以变为不可能做有效的机械功。由德国物理学家克劳修斯（R.Clausius）和英国物理学家汤姆森（W.Thomsom）以公式表示的这一定律，是对热本身不能由较冷物体向较热物体传导假说的概括和总结。我们可以从比周围物体较热的物体得到功，但是我们不可能从比周围较冷的物体得到功。克劳修斯（1850年）和汤姆森（1851年）建立该定律公式是以被人们忽视了的法国物理学家卡诺（S.Carnot）的先驱性工作（卡诺循环）为基础的。卡诺曾经指出，虽然能量可以被贮存，但它也可以变得对做机械功无用。

克劳修斯在1865年以熵的概念重新陈述了卡诺原理。熵是克劳修斯根据希腊文τροπη一词引出的。他从微分上把它定义为：熵的变化等于接收的热量除以接收该热量时的温度。他规定该热量不能产生任何可以觉察的温度变化。温度用绝对温标表示。因此，热力学第二定律也可以这样来陈述：孤立或封闭的系统的熵绝不会减少，一个封闭系统中发生的每一个可逆变化都将保持它总熵不变，某一部分熵的增加将由该系统中另一部分熵的减少来平衡；但是，该系统中的某一部分传递到温度较低的另一部分时，就会出现不可逆的变化。一般而论[8]，系统的物理或化学状态的任何自发变化都将导致熵的增加。

克劳修斯指出，热力学第二定律与宇宙总状态保持不变，它与在某些特定时间和空间的方向转换，将被在另外一些时间和空间的反方向转换所抵消的传统观点相矛盾。虽然热力学第一定律或许支持这种传统观点，但第二定律直截了当地否定了这种观点。按照第二定律必然得出这样的结论：宇宙状态在被测方向上的变化越来越大。

显然，在卡诺之前，似乎没有人真正地了解这一原理及其含义。卡诺原理是在非常勉强的情况下被接受的，而且当时也并没有注意到它的宇宙学结果。事实上宇宙在同一个方向上和在达到平衡之前是连续变化的思想与当时许多科学家的看法是相悖的。例如，德国科学家黑克尔（E.Haeckel）曾说：“如果熵的这种理论是正确的，那么，相应于假定的世界的‘终点’，我们将会有一个‘起点’。按照一元论和永恒宇宙创生过程的理论，‘终点’和‘起点’都是站不住脚的；它们同物质定律相抵触。……热力学的第二定律与第一定律相矛盾，因而必须被抛弃。”他认为，卡诺原理只能用于“区分过程”，不能用于条件迥异的大尺度宇宙。同样，瑞典物理化学家阿赫纽斯（S.Arrhenius）也认为，如果克劳修斯的观点是正确的，那么这一热量应该被解释为世界存在一个无限的时间；再者，我们也不可能想象“起点”的存在。因为能量不可创生。

波尔兹曼曾经做过这样推测：宇宙中可能存在已经达到热平衡的一些区域，而在另外一些区域，时间以我们想象的反向流向恒星系统。他试图以此避开卡诺原理的宇宙学结果。他认为，就整个宇宙来说，时间的2个方向是不可区分的，正如空间不存在“较上”也不存在“较下”一样。在20世纪30年代英联邦的一次“宇宙演化”讨论会上，有人指出，人们过分强调了热力学第二定律，认为熵总是在增加并最终达到最大值只是一种狂热梦呓，是一种幻觉影像，哲学家们对此无须折腰俯就。也就是在这次会议上米尔（E.A.Milne）指出，作为整体宇宙，熵自动趋于最大值，这在逻辑上是讲不通的。建立热力学第二定律必须要有这样的附加定理：一个宇宙过程无论什么时候出现，都有可能把宇宙分为2部分，其中一部分完全不受该过程影响。我们看到，如果附加定理成立，那它本身就否定了宇宙过程的存在。尽管如此，米尔还是谨慎地指出，我们还不能说宇宙的熵不存在由局部不可逆过程引起的增加，我们能够说的只是我们无法确定整个宇宙的熵的变化，因为我们只能相对于“封闭系统”之外的某些东西去计算该系统的熵，而宇宙在它之外便没有什么实际的东西。(www.xing528.com)

否定在物理世界中存在单一时间流向的最大胆、最彻底的努力是由美国著名物理学家刘易斯（G.N.Lewis）在20世纪30年代初做出的。他认为“时间箭头”概念差不多完全是来自意识现象和记忆现象；“对称”时间满足整个物理学和化学科学的需要。他声称在物理学和化学的差不多每一个地方都已经消除了单向时间和单一因果关系概念；物理学家似乎已经意识到这些概念并引进了一个不相干的“拟人因素”。然而，在某些地方必须援引这些概念时，刘易斯认为这是支持某些虚假教义的需要。热力学的统计学解决必将导出这样的结论：如果宇宙是有限的，那么它的目前状态在过去就已经存在并将再现于将来，而每一种情况都出现在有限的时间之内。对于在一个带有中间隔墙的且配备有照相快门的封闭圆柱体内存在可以相互区别的三个分子的简单情况，刘易斯试图证明，这些分子总的未知分布的熵要大于其他任何已知分布的熵。例如，两个分子在左边，另一个分子在右边的这种分布的熵。他指出，当我们打开快门，捕获到任一已知分布时，才出现熵的增加。然而，如果我们打开快门，让所有各种可能的分布一个接一个地出现，然后关掉快门，这样就得到一个特定的分布而熵不发生变化。因此，他认为，熵的增加只在系统由已知分布向未知分布过渡时发生，代表不可逆过程特征的减少就是信息的减少，而不会有更多的别的东西。显示不可逆过程不需要更多的东西，它既不意味着有单向时间，也没有任何其他的时间纠缠，时间不是热力学的一个不变的东西。

刘易斯还分析了时间在光学和电磁学现象中的情况。按照他的观点，光学定向相对于光的发射和接收是对称的。如果他把时间流向想象为发射物和吸收物交换作用的反转，光学定律就不会发生改变。然而，粒子辐射似乎同他的时间对称观点相抵触。他承认在遇到吸收物之前，球面能量连续辐射本质上是不可逆的，球面各部分的能量都是向外流出的。有些部分可能长期遇不到吸收物，而另外一些部分可能会常常遇到吸收物。因此，处于不同距离上的许多物体，每一个都会在适当的时间和适当的方向上辐射出适当的能量。所有这些辐射都会在粒子周围形成一个连续的特定球壳。刘易斯并没有被这种特征所困惑，相反他还欢迎这些特征。他认为时间对称概念将直接导出这样的结论，基本辐射必须是单一辐射粒子只对一个吸收粒子发射能量。

在电磁理论情况下，可能看到，麦克斯韦方程同经典力学方程一样，在时间方向反转时不发生改变。那么，人们会问，从本身与时间对称相容的方程式怎么能够推导出单向辐射的理论呢？刘易斯认为这是向某些物理学家发难的最好的例子，因为由他们的方程引出的结果与他们的单向时间理论并不一致。

恒定温度下物质和辐射平衡理论以所谓的“细致平衡”（detailed balancing）原理为基础。波尔兹曼以有限方式使用这一原理，而刘易斯却从他的时间对称观点出发，把它推演为一条宇宙定律。细致平衡原理认为，在热力学平衡的封闭系统中发生的每一个变换过程都具有方向反转能力，而且2个方向的变换都以相同频次出现，由任何过程引起的增加都被它逆过程的减少所平衡。因此，如果时间方向反转，在恒定温度下的平衡系统中，过程变化的任何统计学结果都是一致的。这样，在任一封闭系统中，时间必然会失去在时间概念发展中起重要作用的单向性特征。