物理学家很早就发现了一个非常奇怪的现象,物理定律其实是双向的,它既允许时间向前,也允许时间向后。举个例子,我们在一个封闭的空间中观察电子在时间中移动,当他们相互靠近时,会因为静电斥力而弹开,用牛顿力学定律和库仑定律就可以描述电子在空间中的运动。
问题来了,如果我们把图像倒过来,让时间倒流,用上面的两个定律同样可以精准的计算电子的位置。这就是让科学家迷惑的地方,物理定律根本不关心时间的方向,也就是说,宇宙法则允许时间倒流。时间能够倒流吗?时间倒流对人类有什么意义?
如果时间倒流,在这颗蓝色的星球上,我们应该能够感知两件事。第一,因果倒置,比如说碎了的杯子自动复合,打破的鸡蛋恢复如初,盛开的花朵变成花蕾,水中逆行的鱼,落山的太阳重新升起,人们死而复生。但是到目前为止,还没有发现这种因果倒置的现象。
第二,未来记忆,人类应该拥有未来的记忆,比如说,我将于五年零三个月后结婚,我在40年后生过一场大病,我会死于65年之后。但是这些记忆都没有,我们只有过去的记忆,没有未来的记忆。
在表象上看,时间不可逆转,我们中国人有句老话叫做“开弓没有回头箭”,时间之间是单向的。有科学理论能证明这件事吗?有一位了不起的科学家说,我可以来试试。
今天,在瑞士利马特湖右岸有一座美轮美奂的大学,瑞士苏黎世联邦理工学院,这是欧洲最著名的学府之一,爱因斯坦、冯诺依曼\提出泡利不相容原理的泡利,发现X射线的伦琴,他们都是这所学院的毕业生。
时间要回到1855年,苏黎世理工学院刚刚建校的那一年,学校聘请了一位德国科学家教授热力学,他的名字叫克劳修斯。同一年,就在这优美的利马特湖畔,克劳修斯突然悟出了一条神秘的宇宙法则,熵增原理,世界的无序度在增加。
就好比我们的屋子,为什么屋里的一切总会变得混乱,为什么脏衣服自己不会变干净,为什么冷水不能自己沸腾,为什么所有的混乱不能自动恢复到有序?克劳修斯说,这是由热力学第二定律决定的。他告诉我们,每当能量从一种状态转化到另一种状态时,我们就会得到相应的惩罚。比如说烧木头,木头释放了能量,相应的惩罚就是变成了灰,不可能重新再烧一次了,木头从有序变成了无序,这个过程就是熵增。
有的朋友会说,不对啊,我看到的是大量的有序,城市里高楼林立,街道上车水马龙,饭馆里菜香飘逸,冰箱里充满了吃的。其实并不是这样的,这些有序不是自然产生的,是耗费了大量的能量做了大量的功才产生的。这些有序都是以消耗能源为代价的。地球是一个相对封闭的系统,它终会用光所有的物质。
那个时候,地球上的无序将达到最大化,地球将变成一个死寂的星球。我们最熟悉的邻居月球就是这样一个地方,上面只有无尽的月尘与陨石坑,那里是一个熵含量远远大于地球的地方。
克劳修斯的熵增定律,惊世骇俗,这不但是一个物理学的定律,它其实也是一种哲学上的思辨。这个理论似乎指出了宇宙的终极命运,如果宇宙也是一个封闭的系统,随着时间的流逝,宇宙中的无序程度将达到最大化,宇宙也终会死亡。科学家将这种情景称为热寂。
但是下一个问题立刻就产生了,如果宇宙正处在熵增之中,那说明曾经存在着一个熵为零,即绝对有序的时间点,那个点会是什么呢?我不用说,大家都能猜到,那个点就是宇宙大爆炸。
有很多人说宇宙大爆炸是假的,这个问题其实应该这样回答,宇宙大爆炸是一种理论,至今还没有被证实,但是有很多科学观察和物理实验都支持这个理论。比如说熵增定律,就可以完美的与大爆炸理论结合在一起。到目前为止,宇宙大爆炸仍然是最科学的,最有力的有关宇宙起源的理论。
当然,在克劳修斯的时代还没有宇宙大爆炸的概念,但是克劳修斯的熵增定律第一次科学地解释了时间箭头的问题。熵是有方向的,时间也必然有方向,因为熵只能增加,不会减少,所以时间不能倒流。在克劳修斯的时代,这么讲似乎没有问题,也符合人类对客观世界的观察。但是不久后就有一位科学家提出了异议,他说,熵增定律的解释有漏洞,时间完全可以倒流,只是我们需要换一种视角来看待问题。
时间来到1877年,奥地利物理学家波尔兹曼正在绞尽脑汁地寻找原子。当时几乎所有的德国科学家都认为原子不存在,那个时代也没有精密的仪器可以观测原子。怎样才能证明这件事呢?波尔兹曼灵光一闪,既然无法观察,能不能使用纯数学的方法,用统计学计算出原子存在的概率呢?
但是由于观点太新奇了,一开始并不为许多著名的学者接受。波尔茨曼为此付出了重大的代价,他被很多人攻击和冷落,这也成为他日后自杀的重要原因。这就是著名的波尔兹曼熵公式,人们将这个公式刻在波尔兹曼的墓碑上。他使用统计学的方法重新诠释了热力学第二定律,这个公式改变了我们对宇宙的认知。
简单地介绍一下波尔兹曼熵的含义。假设现在有两个小球,我们把它们放进两个盒子里,无非就是以下四种情况。第一是两个小球都在左边,第二是两个小球一左一右,第三是一左一右的小球调个个,第四是两个小球都在右边。现在我们提问,在左边盒子里找到两个小球的可能性是多少呢?这个心算都行,1/4的可能性就是25%。我们在这个基础上稍微增加一点难度,如果有四个球,左边盒子里存在两个球的可能性是多少?就是二的四次方等于16,可能性是1/16。如果是五个球呢?可能性就降到了1/32。如果是16个球呢?可能性就降到了1/65536。
如果是128个球呢?可能性就是一个巨大的数字了,这个数字念起来不好念。那如果我们有100万个球呢?其中有两个球在左边盒子里的可能性是多少?2的100万次方,这更是一个天文数字了。100万个小球听上去很大,其实,在现实生活中,这个数字小到可以忽略不计。我们喝的每一口水里存在着10的22次方个水分子,吸一口气,大概有6.02乘以十的20次方个氧原子。我们接触到的所有事物都包含着大量的粒子。如果我们把一切都交给大自然,让其自发地演变,结果就是趋于无序,因为无序要比有序容易得多。
波尔兹曼告诉我们,物理法则其实并没有规定一定要有序或者一定要无序,决定有序与无序的是概率。一切都是概率,被孙悟空打倒的人参果树能不能长回来,这种可能性不是没有,只是概率非常非常的低。可能直到宇宙热寂的那一天,我们也无法观测到一次人参果倒转的现象。当然那是一个神话故事,但是吴承恩很有想象力,他设想了一个时间倒流的经典场景。
波尔兹曼的统计熵非常有意义,他告诉我们,时间之间可以回头,只是概率非常的低。但是在70多年以后,另一位科学家说,统计熵对宇宙的认知还是太简单了,时间完全可以倒流。关键点在于我们如何获取信息。
时间来到1948年,信息论之父香农首次提出了信息熵的概念。他给信息做了个定义,信息的本质就是消除事物的不确定性。所以在我们尝试了解新事物时,就像在一个黑盒子的外面,此时的信息熵达到了最大。我们对事物了解的越多,越趋向于认清事物的本质,信息熵就越小。
举个例子,当我们发现事物存在规律的时候,像是字母abc在不断的重复排列,这个信息就可以被压缩表达为25组abc,大家就明白了。但如果是一组随机的,没有任何结构的字符排列就无法压缩了,因为找不到规律,就需要把每一个字符都复制粘贴,然后发送出去。这就占据了更多的比特,所以这些字符的信息熵就远远大于25组abc。顺便说一句,比特这个单位就是香农定义的。
与前两个定律一样,信息熵同样可以解释为什么时间倒流很困难。对于每一个粒子来说,都有一个初始的信息与之相对应。随着时间流逝,粒子越来越无序,我们越来越无法预测它们下一次会出现在哪里。如果想把时间方向倒转过来,就需要拥有巨大的信息量,因为例子太多了,所以这种信息量大到根本无法计算,我们就认为这是无限的信息量,也就是信息熵达到了最大。
可以说,信息熵是一个革命性的理念,有越来越多的科学家认为宇宙的基本属性,除了质量与能量外,还有第三个量就是信息量,而质量与能量终将归于信息量。有的朋友不理解,这怎么可能呢?质量与能量是看得见,摸得着的东西,信息量是一个抽象的东西,信息怎么会是宇宙的本质呢?其实,一切归于信息化的过程已经开始了。
前几年提出的万物互联,就是一切信息化的起步阶段。这几年特别火的人工智能,脑机互联,这些都是万物归信息化的进程。有人会问,地球上有人类,人类是智慧生物,所以可以归信息化,但是宇宙是个冰冷的,无意识的地方,宇宙怎么归信息化呢?
时间来到1972年,著名物理学家史蒂芬·霍金用数学证明了黑洞世界的表面积永远不会减少。随后,物理学家雅各布·贝肯斯坦提出了黑洞熵的概念,黑洞吞噬的物质信息并没有消失,他会将信息保留在黑洞的表面。虽然科学家们已经拍摄了黑洞的照片,但是因为黑洞的距离太遥远,所以我们无法对黑洞的表面进行观察,现阶段我们也无法理解黑洞是如何保存这些信息的。
让我们放开脑洞想一想,假设现在地球被黑洞吞噬了,根据贝肯斯坦的理论,我们在地球上创造的一切都不会消失,而是被黑洞以信息的形式保存下来。换个说法,黑洞的实质也许就是宇宙的超大硬盘。如果这个理论是真的,这将是多么奇妙的一件事情啊。
物理法则告诉我们,时间是有对称性的,也就是说时间可以倒流,但是熵增定律、统计熵与信息熵又告诉我们,想让时间倒流是非常非常困难的。
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