时间是可逆的,只是量子力学不允许我们,感知

来源:力学学报 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2020-11-03
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摘要:我把水放在一个杯子里,然后把杯子放在微波炉里加热2分钟,使其完全沸腾。我把茶包放进了开水里,然后放在柜台上泡。 假设我现在把它倒放回去。我从柜台上拿了滚烫的茶。我把

我把水放在一个杯子里,然后把杯子放在微波炉里加热2分钟,使其完全沸腾。我把茶包放进了开水里,然后放在柜台上泡。

假设我现在把它倒放回去。我从柜台上拿了滚烫的茶。我把它放在微波炉里,然后拿出茶袋。当里面的茶从沸点冷却到室温时,微波炉会发出哔哔声,时钟会运行2分钟。内部的微波辐射将热量转移并以电能的形式储存起来。水现在是室温,我拿出杯子,水跳入水龙头。

为什么这一过程在一个时间方向上有意义,而在另一个方向上却没有意义?这一切都有因果关系。微波炉是水加热的原因。水变热是效果。如果你把它们颠倒过来,就没有意义了。

事物之所以能在由因至果的特定顺序中有意义,与热力学第二定律有关。该定律认为,熵(即系统的无序程度)必须不断增加。

假如我把杯茶掉在地板上。杯子摔成了碎片。茶喷得满地都是。杯子和茶的熵因为被允许打碎和溢出而增加。一个必然是另一个的原因。

热力学是在18世纪末发展起来的,可归纳为一套定律。其中两个主要的定律是:

能量不能被创造也不能被毁灭。

熵必然随时间增加。

定律1是绝对的物理定律。它被严格遵守,甚至在量子力学中也是如此。然而,定律2只是一个“事实上”的物理定律。相反,严格的物理定律都是“时间可逆”的,也就是说,原因和结果实际上是可以互换的。从理论上讲,在一个封闭的系统中,杯子是有可能跳起来重新组装自己的。实际上这是不可能的。

对于任何物理爱好者来说,这都是常识,但不为人所知的是为什么必须如此。为什么熵在一个时间方向增加而不能再另一个时间方向上也增加?如果所有的物理过程都是时间可逆的,那么它应该允许一些过程在一个方向上熵增加,而另一些过程在相反的时间方向上熵增加。

然而,我们并没有看到这种情况真的发生。所有物理过程的熵只在一个方向上增加。

最重要的问题是:为什么?

这个问题叫做时间之箭问题。

针对这一困境,人们提出了好几种解释:

宇宙只是从低熵状态开始的。很难解释为什么总是观察到熵的增加。

宇宙的膨胀迫使热力学时间箭头只能朝着一个方向。为什么会这样是未知的,因为热力学箭头适用于所有的系统,无论多小。

物理定律是不完整的,应该反映不可逆过程,不对称的时间。目前的物理定律依赖于这种对称性,因此发现时间对称性将是一个重大突破。

量子退相干——纯量子态(像孤立的粒子)与宏观物体的相互作用——导致了时间之箭。对我来说,这只是把问题从熵转移到消相干。当量子力学是时间可逆的时候,为什么在一个方向解码而不是另一个方向?

然而,对这个问题最有力的解决方案,不是关注物理定律的缺陷,而是关注我们自己,或者更恰当地说,任何基于信息的系统。

这是基于信息或记忆的时间分辨率箭头,它表示一个系统的信息内容,它的记忆随熵的增加而增加。因此,尽管时间是可逆的,但所有信息存储系统都经历着时间流向熵增加的过程。

就像《神秘博士》中的沉默一样,任何向低熵进化的过程都不会被记住。1950年,量子力学的创始人之一薛定谔用统计力学描述了这一观点。假设你有一个非平衡的系统,例如一个晶体已经获得了能量并且正在融化成液体的过程。现在,在它达到平衡之前,你把它分成四个独立的部分。

薛定谔指出,这些系统中的每一个都会选择一个时间方向,并在这个方向上进化到平衡状态。封闭和孤立系统的演化将为它自己定义一个时间方向。因此,爱因斯坦、牛顿甚至玻尔兹曼的时间都不同于现象学的,即观察到的时间之箭是t或-t。与物理时间不同,现象学时间——我们所经历的时,是一种熵梯度,一种通过时空定义的增长路径。

时间的信息论结合了薛定谔的熵梯度箭头和香农的信息论。克劳德·香农只是贝尔实验室研究电话系统的一名研究员。鉴于电话系统与信息的传递密切相关,他开始思考如何用熵来描述信息。他提出了一种理论,认为熵与系统所能携带的二进制0和1的位数有关。这与系统可以拥有的不同配置的数量有关。一个低熵系统只能有几个构型,所以只有几个位元。一个高熵系统可以有很多构型,很多位元。

文章来源:《力学学报》 网址: http://www.lxxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1103/390.html



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