熱力學第二定律說,大自然的一切自發過程(封閉系統)皆朝熵增加的方向變化。例如,生物總是從出生、成長到衰老、死亡,而不是相反;熱總是自動地從高溫傳到低溫,而不會自動地從低溫傳到高溫;瓶子從桌面掉在地上打碎,碎片不會自動地聚合成瓶子飛回桌面……。物理學家認為,自然界一切過程的單向性和不可逆性反映了時間的單向性。熵增加的方向就是時間的方向。
我們來看一看熵減少時的情況。如果一堆玻璃碎片在地上自動地重新組成完整的瓶子並飛上桌面,我們會怎麼說呢?我們不會說時間倒流,從現在回到過去。我們會說:剛才那一堆碎玻璃,現在重新變成一個瓶子了。“剛才…,現在…”這個句式反映了時間依然向前流逝。
或許有人會爭辯說,宇宙中絕大部分的進程皆朝熵增加的方向發展,只有一小部分的進程(如上述瓶子的例子)朝熵減少的方向發展,而我們正是以這些宇宙大多數進程的熵增加的方向做為時間的方向。
但假如宇宙中所有或大多數的過程皆朝熵減少的方向發展,情況會怎樣呢?我們會說時間倒流嗎?英國物理學家羅傑.彭羅斯認為,如果世界中的一切變化都朝熵減少的方向進行,
“則我們不會有任何問題。只要在我們所有的描述中把‘過去’和‘未來’,‘以前’和‘以後’等等術語互相交換一下就可以了。可以認為時間沿着和原先認定的相反的方向前進,那個世界就可以描述成和我們自己的世界一樣。”(羅傑.彭羅斯:《皇帝新腦》,湖南科學技術出版社,1994年,第357頁。)
但情況未必如此。如果我們還是使用我們現在的語言,我們就不會說時間倒流。假如每個人都從墳墓爬出來,返老還童,最後回到母親的子宮。我們依然可以說:你以前剛從墳墓爬出來的時候,滿頭白髮,現在看你多青春美麗。我們可以不矛盾地說:隨着時間的增加,熵不斷地減少。
我們是生活在熵增加的世界裏,我們的概念系統正是在熵增加的世界中發展起來的。我們的時間概念就是對應於熵增加的事實。但我們的語言系統與熵的增加或減少沒有必然關係。過去並非必然地對應於低熵狀態;未來也並非必然地對應於高熵狀態。假如我們生活在熵減少的世界裏,我們也可以將過去與高熵狀態相對應,將未來與低熵狀態相對應。
霍金企圖論證熱力學的時間箭頭與心理學的時間箭頭是一致的。他認為,假如我們生活在熵減少的世界中,我們就會記住未來的事件而不是過去的事件,以此來證明熵增加的方向符合我們對時間方向的主觀感覺。他以電腦作類比論證道:
“在電腦記憶體進行儲存之前,其記憶體處於無序態,……在記憶體和所要記憶的系統相互作用後,……記憶體就從無序態轉變成有序態。然而,為了保證記憶體處於正確的狀態,需要使用一定的能量……。這能量以熱的形式耗散了,從而增加了宇宙的無序度的量。人們可以證明,這個無序度增量,總比記憶體本身有序度的增量大。……電腦記憶過去的時間方向,和無序度增加的方向是一致的。”(Stephen Hawking, A Brief History of Time, Bantam Book, 1990, p.147.)
霍金以上的論證犯了竊取論題或循環論證的謬誤。他先假設了熵增加原理,即假設在記憶的過程中熵增加了,然後以此來證明記憶過去的時間方向與熵增加的方向是一致的。我們可以想像存在着一個這樣的可能世界,在這個世界裏,無論人腦還是電腦在記憶的過程中,宇宙中熵的總量不是增加而是減少。在這個世界裏,記憶過去的時間方向,和無序度減少的方向是一致的。
熵增加的方向與時間的方向沒有必然關係。熵增加並不是必然的,熵減少的可能性存在,只是幾率極小;而時間的單向性卻是必然的。時間必然地從過去走向未來,在邏輯上時間不可能倒流。熵增加反映了經驗事實,而時間的單向性反映的是語法規則,反映了我們如何使用“時間”這個詞。時間之所以必然地從過去流向未來,是因為“時間”一詞的用法使然,我們就是這樣使用“時間”這個詞的。“時間總是從過去走向未來”這句話或無意義或只是一句重言句,“時間從未來走向過去”這句話或無意義或是自相矛盾的句子。前一句不陳述這個世界,它只反映了我們對“時間”、“未來”、“過去”等詞的用法。而人們往往誤以為它陳述了一種經驗事實,描述了宇宙的一種客觀規律。
“時間流逝的方向”、“時間的發展是單向的”“時間沿相反的方向前進”等,這種說話方式有很大的誤導性,它混淆了前景語詞與背景語詞。
當我們描述事物的發展變化時,總預設了時間,因為一切的發展變化都是在時間中進行的。當我們說“中國的經濟發展很快”時,相對於“發展”、“快”等前景語詞,“時間”是背景語詞。當我們談論熵增加或減少時,我們的意思是說:熵在時間中增加(或減少)。或者說,熵隨着時間的增加而增加(或減少)。可見當我們談論熵增加或減少時,我們也已經預設了時間。因此,如果某些物理學家認為:如果宇宙的一切過程皆朝熵減少的方向發展,那麼時間就朝相反的方向前進。他的思想就自相矛盾了。因為他一方面肯定熵是在時間的正方向上減少,然後又說時間朝反方向前進。
但當我們使用“時間流逝的方向……”等句式時,我們將“時間”這個背景語詞也同時用作前景語詞,似乎時間本身也在另一個更基本的時間中發展和變化。這使人容易誤以為“時間的發展是單向的”這句話,也正如“中國的經濟發展很快”這句話那樣,描述了客觀事物的進程。這就是被語法表面上的相似性所誤導。但上述分析顯示,它們的邏輯結構是不同的。
我們只能說某個過程是可逆的或不可逆的,例如我們可以說一個化學反應是可逆的或不可逆的。但不能說時間的發展是不可逆的,因為可逆或不可逆都是在時間之中。我們可以說熵的變化是單向性的,但不能在類似的意義上說時間是單向性的。熵在時間中不可逆地增加,它本來就預設了時間。
本來“時間流逝”等作為一種比喻或簡約的說法,在日常生活中經常使用,一般不會引起誤解。我們有時也會說“時光一去不復返”,這是一句對人生的感慨,而不是一個認知語句。我們有時也會說“時間過得真快,轉眼已經三十年了。”“時間怎麼過得這樣慢,真難熬。”等等。但這些都只是情感的表達,不描述客觀事實。
但不小心就容易被上述的說話方式所誤導,陷入語法陷阱。奧古斯丁就陷入這個陷阱而無法自拔。時間之謎困惑着一代又一代的思想家。當代物理學家在熱力學第二定律中如獲至寶,以為熵增加原理深刻地反映了時間的本質。物理學上關於時間的許多說法和問題皆源於語言的誤用。時間之謎實際上是語言之謎,時間奧妙之難解在於我們迷失於語法的迷宮。
——張海澎《分析邏輯》第218-221頁。









精彩!
但情況未必如此。如果我們還是使用我們現在的語言,我們就不會說時間倒流。
假如每個人都從墳墓爬出來,返老還童,最後回到母親的子宮。
我們依然可以說:你以前剛從墳墓爬出來的時候,滿頭白髮,現在看你多青春美麗。
我們可以不矛盾地說:隨着時間的增加,熵不斷地減少。
細讀重溫,精彩依然。
Ha.. cool!! Another
Ha.. cool!!
Another position that I personally like is that the meanings of time that we have in physics are not that consistent. The one based on the second law of thermodynamics is a time associated with the physical state of say a many particle ("complicated") system (so this "time" is actually meaningless for a single particle system), while "t" as used in writing the differential equations of evolution is simply an abstract parameter. Here, why do they have to be identical or striclty identified?! In what sense does an arrow of time be associated? In reality, most discussions of the time arrow problem are more precisely and meaningfully re-interpreted as "Why are "complicated" physical processes irreversible? while our fundamental physical equations are all time reversible." This is the real problem which a statistical interpretation might not suffice.
** "Complicated" is just my shorthand, used just in contrast with simple things like motion of a single particle which is reversible.
Statistical interpretation
//"Why are "complicated" physical processes irreversible? while our fundamental physical equations are all time reversible." This is the real problem which a statistical interpretation might not suffice.//
I think the statistical interpretation is the most ultimate interpretation, isn't it?
統計解釋是最本質的
物理定律在單粒子系統中的時間對稱性,與在複雜系統中的時間不對稱性,其最根本的原因就是機率。因此,我認為統計解釋充分地解釋了複雜系統中時間的不對稱性,它完全解決智性上對有關問題的困惑。除此之外,我們還需要什麼“更深刻”的解釋呢?
Aha.. depending on how you
Aha.. depending on how you use the word statistics and the context being used. For instance, we do have of course a fundamental indeterminism in quantum mechanics, but this doesn't lead to that kind of irreversibility that the physicists are talking about, since the single particle Schrodinger equation is time reversible. Further, irreversibility that I mentioned applies to both classical and quantum mechanical systems.
For simplicity, I take here statistics as a consequence of the theoretical language being used. Say specifically, statistics in classical statistical mechanics is nothing more than a convenient description, nothing truly intrinsic; so to say that "statistics explains" here would need some suitable qualification. So, I treat here statistics as just a mode of description of the known fact, rather than "explaining why" irreversibility doesn't show up . However, this is the "why" and the related "how" that intrigue the physicists.
** I guess there may be some interesting thing that the cosmologists might have said on the relationship between time-travel and time-arrow. I forget really, is there any?
我指的是經典物理學
我認為熱力學第二定律不僅僅只是描述熵如何增加,還解釋了熵為何增加--機率。
即熵減少的可能性極小,以至於我們沒有機會觀察到。這正是熵增加的本質。
所以我認為統計解釋足以解釋熵增加原理。
aha... A problem is that the
aha... A problem is that the second law of thermodynamics as stated is not a fundamental physical law at the microscopic level when one is talking in terms of particle by particle. When the physicists talk about the irreversibility problem, they are treating the "paradox" presented between microscopic physics and macroscopic physics.
paradox?
有paradox嗎?我看不出有任何paradox。一個處理的是單個粒子,另一個處理的是大群粒子。它們針對的是不同的問題。
aha
But obviously, "aha" is reversible although it is complicated.
Huh... Aha... Huh.... Aha.. ha.. ..
That's why it is "paradox"; to some degree that depends on how you view the roles of physical theories. However, if one simply treats them as separate theories, then the following questions are no less challenging: when do they break down individually? And what is the intermediate? This constitutes another frontier of modern research.
願聞其詳
//This constitutes another frontier of modern research.//
可否簡單介紹一下?
謝謝!
A fundeamental problem here
A fundeamental problem here is really on how micro-physics is connected to macro-physics. But one thing that is important to note is that no matter whether we believe there is truly a paradox or not, practically we have to look at the same thing, do the same types of calcualations at the intermediate scales. So, for a graduate student working on this problem, whether the existence of a paradox is true or not is something more ideological than practical... ha.. of course, it carries different impetus to methodological advancement though..
There have been a huge number of research efforts at the connecting interemediate scales. For the show up of irreversibility, some people may propose that complicated behavior as in chaos destroys reversibility (note: chaos is not necessarily irreversible, but in the face that measurements do always carry uncertainty and limited accuracy, so for reasonably complicated macroscopic systems that exhibits chaos, as far as measurements are concerned, are practically irreversibile).... Or some may simply state that the fundamental equations simply break down at the interemediate scales when non-linearity is non-negligible, new effects needed to be accounted, etc; thereby we simply need to rewrite the equations, maybe by adding some terms, etc. Some goes even further and assert directly that changes are needed in the fundamental equation itself that "seem" to destroy reversibility even at the microscopic scale (http://order.ph.utexas.edu/research/threebody3.html , I don't really know their work, but that center is beyond all doubts one of the world major research centers on such things)!!
I'm sure that there are still many others which I am just too ignorant to know..