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9 能否逆转的箭头（第2页）

也就是说，只有同时进行CPT三重变换，即将粒子换成反粒子，反转空间坐标，再让所有粒子反向运动来逆转时间，物理法则才不区分过去和未来。任何物理过程似乎都不会打破这种复合变换的对称。

CPT对称就像全世界物理学家寻找已久的“圣杯”。三重变换形成一个紧密而坚固的整体，似乎没有任何物理过程能将其打破。所有基本相互作用都遵守CPT对称，无一例外。这进一步告诉我们，有一种深层的东西将时间和空间联系在一起，并将二者与物质及反物质相连。这种联系在基本层面上起作用，从而让时间在微观世界中也扮演极其重要的角色。

诗和美酒的奥秘

我们的日常环境以宏观物体为主，所谓宏观物体也可说是由巨量基本粒子组成的物质系统。尽管表面上看，给我们带来那么多痛苦的新型冠状病毒很小，但它也是宏观物体。它是一段被蛋白质聚合壳包裹和保护的RNA片段，包含两亿多个原子，每个原子又由夸克、胶子、电子组成。然而，这还是小到人眼看不见的系统。只要是人眼能看见的，比如阳光下闪烁的一粒沙，其原子数量轻易就超过千万亿。

这些系统中无数粒子中的每一个都遵循物理规律，但如果要每时每刻都详细了解每个粒子的位置、速度、相互作用才能预测物体的运动，那我们的日子就过不下去了。

幸好，控制复杂物体的规律，即我们所说的经典物理、化学、生物学等，精确到足以让我们组织好日常生活。不需要太精密的设备，我们也可以去上班、吃饭、探亲访友。不知道无穷小世界里发生着什么，不了解日常器物稳固的外表下隐藏着什么，我们也可以过得很好。

但还是有一些总体原则，虽然根源于对我们的生活似乎毫无影响的微观世界，却决定了宏观物体的运动变化。不了解它们，就无法解释日常经验中的许多自然现象。其中的一些，比如衰老和死亡，会深深触及我们，以至会深刻影响所有人的人生和世界观。熵增便是这些总体原则之一，它是使时间不可逆成为常识的关键。

如果要用一句话来概括整个宇宙的运动变化，我们可以说：这是一个封闭系统，其中各部分运动发展、相互作用，系统总能量保持不变而总熵不断增加。

我们比较熟悉能量这个概念，因为在很多地方都会用到。能量不能无中生有也是大家都知道的规则。熵则神秘得多，在科学界之外，人们不太明白它代表什么，更重要的是不清楚为什么它一定要增加。说到熵，经常被提到的是有序和无序，这种描述虽然很接近基本概念，但还是藏有相当多误导人的地方。

为了真正理解熵，我们要再次踏入微观世界，即基本粒子的世界。从某些角度说，熵最能体现原子及基本粒子的微观世界对于决定宏观世界——包括我们人类在内的一切多么重要。

首先要看到，微观世界只受概率和物理法则的控制，正是这种强大的耦合作用建立了最完美的民主。

假设我们请朋友来家里吃晚饭，聚餐接近尾声时，大家还在畅聊，厨房里煮着咖啡，杯子已摆在桌上。杯子是再寻常不过的物件，它的每一个粒子都遵守物理学定律，它无数个原子中的每一个都被其他关联原子围绕着，并受到地球引力的影响。此外，杯子还和桌子的原子相互作用，企图以自己的重量使桌子变形。每个原子都有机械振动，浸没在复杂的电磁场中，它们有质子和中子组成的原子核，其间还有一些多出来的强相互作用，而质子和中子本身也由夸克和胶子组成，夸克和胶子同样经历着非常复杂的运动。

幸好大自然等级森严：要弄清蛋白质的三维结构无须考虑夸克，计算以多快的速度过马路才不会被车撞也不用想着原子。总之，就算不知道周围物体内部的具体情况，也可以得到关于它们的重要信息。如果一定要考虑到原子的层面，大部分时候只要考虑粗略的近似情况就足够了，就像量子电动力学之父理查德·费曼说的：“可以把原子当成一直飞来飞去的小粒子，当它们靠得足够近时相互吸引，但当它们挤到一起时又相互排斥。”

在任何情况下，来参加聚会的朋友都能清楚看见杯子稳稳立在桌上，尽管组成它的无数原子正在做各种运动，经历着无限多略有差别的微观状态。关键就在于此：一个宏观状态——杯子立在桌上并与周围环境达到热平衡——对应许许多多不同的微观状态。只要将某个原子稍微移动一点点，或将它与其他原子交换，或略微增加它的振动动能，那在微观层面上立刻就是一个不同的状态，但和我们聊天的朋友没有一个人会察觉。

组成杯子的原子那么多，可以有那么多不同的组合，想想就会发现我们在谈论的是数量巨大的不同状态。这时就该概率出场了。我们先假设概率均等：给定一个平衡的孤立系统，无数微观状态中的每一个都有一样的出现概率，这就是我们之前提到的“民主”。系统以同样长的时间经历每一个可能的状态。只要物理学定律允许，最不可能、最出奇怪异的状态也迟早会被随机抽到，迎来自己的光辉一刻。没有特权，大家机会平等。在微观世界中，大家轮流掌权，哪怕其统治只持续一瞬间。

一个状态的熵衡量对应某一宏观状态的微观状态数量。熵低表示只有少量的等效微观状态，熵高则意味着有许多在宏观层面上不可区分的微观状态。

我们可以用贾科莫·莱奥帕尔迪的著名诗篇《无限》来打个比方。此诗一共有104个词，用电脑打乱再排出所有可能的排列并不太难，但绝大部分时候排出来的都是毫无意义的文字，偶然有一点意义时可能也毫无诗意或自相矛盾，可见，莱奥帕尔迪那样灿烂的诗意和完美无比的诗句在那么多可能性中只会出现一次。也就是说，《无限》中的104个词的所有可能排列中，成诗的排列独特而唯一。

演奏一首名曲，比如约翰·塞巴斯蒂安·巴赫的《马太受难曲》，或酿造香气和口感无与伦比的美酒，比如“西施佳雅”（Sassicaia）、拉度（ChateauLatour），也都是一样。只要合唱团稍有差池，或不该下雨的那周下了几天雨，就会无法挽回地打破那神奇的平衡——那是最小的细节也必须到位才能达成的平衡。

熵与时间的不可逆

让我们再回到聚餐的场景中：咖啡煮好了，并被倒入杯子里。行家会说要趁热喝，冷了就没了香味。那不勒斯的小餐吧有着世界上最好的咖啡，就因为它们以用预热到滚烫的杯子来盛咖啡。可惜我们因为聊天聊得太欢快了，耽误了一会儿，等开始喝的时候咖啡已经凉了，杯子倒变热了。这是一个自发的变化，熵会告诉我们原因。

在新形成的平衡中，杯子和咖啡达到了差不多的温度，这个状态对应的熵大于初始状态的熵。初始状态中，沸腾的咖啡分子出于激烈的热运动，而杯子的分子是常温的，其分子的能量较小，此状态的熵也就较小。

系统的两部分相接触，其中一部分（咖啡）的能量密度比另一部分（杯子）高，这样系统的熵就较低。每当咖啡的一个分子撞击杯子分子时，一部分能量就会在撞击中转移，于是咖啡冷却而杯子升温。如果热能不是一直聚集于系统的某一部分，而是分散到整个系统中，那对应相同宏观状态的微观组合数目就会大大增加。这是一个典型的不可逆的转变。

理论上，杯子的所有分子可以像商量好了似的一下把收到的所有热能都还给咖啡，但这样的宏观状态非常特殊，因此可能性极低。要在无数可能性组成的抽奖中中奖非常难得。它可以发生，但概率极低，低到可能等几十亿年还等不到。

也正是由于这一原理，如果我们向一桶蒙达奇诺布鲁奈罗（1）中倒入一杯臭水，那一整桶好酒都将被毁掉。反过来，如果向一桶臭水中倒入一杯蒙达奇诺布鲁奈罗，将不会有任何作用。如果没有阻碍，熵值低的状态总要被熵值高的状态取代。

这个机制决定了我们看到的现象有先后之别。熵增解释了为何微观上的可逆法则产生宏观上的不可逆变化。时间流逝只向前不向后，开弓没有回头箭，这些常识都来自经验。因为自发过程不可逆，所以才有了宇宙的演化——这是一个孤立系统，一路不回头地走向熵最大的状态。这种现象有自然的时间先后，不是由于基础物理规则不对称，而是因为微观层面上的可逆性被宏观系统的复杂性掩盖了。

幸好，这并不意味着不能局部降低系统的熵。这是可以做到的，但有两个条件：一是要消耗能量，二是局部熵减要被其余部分的熵增补偿。最常见的例子就是家里的冰箱，它冷却食物减少了它们的熵，但也消耗了能量并让房间升温。

更重要的是，被我们称为“生命体”的复杂化学形式也应归于局部熵减。种在地里的小麦种子有了水和阳光就会发芽，长出植株，又产生新的种子。从土地中吸收的原子被组织成有机物分子，熵值降低，但这个过程需要能量，因此土地的熵增加了，土地中的无机分子被分解，以形成植株并滋养它。提供能量的太阳、提供水分的雨，都参与了熵增的过程。所有生命体都要不停地消耗能量，从而增加它们所在环境的熵值。

让生命存在的机制也定好了生命的归宿，因为就是这些机制导致损耗、衰老和死亡。有人因此开玩笑地说：生命就像鲑鱼，总要逆流而上。

在我们的世界中，基本粒子可以一直疯狂地存在，所有宏观物体却都会损耗消亡。山石变化得慢，动植物等生命形式的衰败则快得多。主导这一切的依然是熵增。

如果多洛米蒂山脉的某一峭壁坠入下方峡谷中碎成千万块，那是因为对应这种情况的微观状态比对应峭壁耸立的微观状态多得多。

在生命体中，这种衰败也无法避免。有机物是有序、脆弱、要消耗能量的物质组织形式，生命的各种循环要持续，就要不停更新和修复。这种运转可以维持一段时间，但熵增迟早会占上风。最长寿的动物能活几百年，某些特殊植物可以活几千年，但万物都会有那一刻：复杂的有机结构损伤得越来越严重，已很难看出最初的样子；它们无可挽回地被氧化，因为和氧气化合能形成更简单、更稳定的基础化合物，这些化合物不需要能量也能存在下去，相应的熵也大得多。在人类文明中，我们给这种突然加速的氧化过程起了一个特别的名字：死亡。

我们终于来到了最经典的不可逆：人死不能复生。日常经验加上对衰老和生命有终的意识，让我们坚定地认为时间一去不回头，时间不可逆的观念主宰了我们的世界观。

（1）。?即意大利托斯卡纳大区蒙达奇诺镇附近产的一种上好红酒。——译注