一年又一年，时间都去哪了？

 编者按：

岁末年终，你是不是觉得这一年过的太快？时间就这样流走了，未来一分一秒地变成过去。为何过去不能再从头来过？今天我们就随一位“物理学家中的诗人、诗人中的物理学家”来看看背后的“熵增定律”。

就在刚刚过去的这个早晨，我在洗脸池边给吓了一跳。当时，我刚从一次阿尔卑斯山脉的漫长登山旅途中回来，旅途之中，我没有像往常一样刮胡子。在我正准备往刷子上挤剃须膏的时候，我的目光落在了镜子上， 一时间误以为自己已经擦过剃须膏了。镜子里我的下巴和脸颊白花花的，非常耀眼，仿佛厚厚地涂了一层剃须膏。我产生幻觉了吗？还是我的记忆力衰退了？我摸了摸脸颊，是干的——这点感知力我还是有的。于是我明白了，那些黑胡须上涂着的白色泡沫似的东西，是已经长出来的白胡子。

时间就这样流走了。未来一分一秒地变成过去，这样的事实在我们看来如此理所当然。我们完全无法想象一个没有时间的世界，但我们如此确定时间的存在，也是值得讶异的。毕竟我们本身并不能觉察时间，我们能够觉察得到的仅仅是事物变得和记忆中不一样了。或许，时间只是变化的另一种说法？我手里拿着刷子搅拌着剃须膏，脑海中浮现了这些想法。如果真是这样的话，那些哲学家几千年来对于时间属性的思考就是错误的。关于什么是时间的属性，我的答案很简单：就是变白的胡子。

（图片来源：veer图库）

过去与未来的差别

但这种变化从何而来？为什么昨天不同于今天？为什么我们会变老？答案并不是显而易见的，因为毕竟生活中有太多事情是能够挽回的。长出来的胡茬可以被剃掉，冲动消费的物品可以退回，迷路的人通常情况下还是能回到家里的。而时间的流逝，更像是永不停歇的变化。正是因为那些无法挽回的事情存在，我们才会体会到过去与未来的差别。干瘪的苹果没法再次变新鲜，一句欠考虑的话出了口就收不回来，那些关于人生体验的记忆也无法让我们重返17 岁。

有些事情发生了，就无法再重来了，因此，当下的体验是非常独特的。我不可能再有机会看到女儿一次又一次地尝试骑上自行车，在空旷的停车场摇摇晃晃地练习着，成功以后她欢呼呐喊的样子。这些画面和声音都成了回忆，只存在于我的脑海里，我无法再真切地重新经历一遍。过去仿佛永远地丢失了。虽然我们知道奥古斯都皇帝统治下的世界曾经存在过，但我们对那个世界的感知，并不比读一本幻想小说所感受到的更真实。为什么呢？因为我们并不是生活在那个世界里的人。我们所认为的真实世界只存在于一个瞬间，那就是“现在”。

（图片来源：veer图库）

这一点很不寻常。“这里”这个表示地点的词汇就不同于“现在”这种词汇。我用“这里”来表示我站立的位置，这是空间的概念，而不是时间的概念。当我在柏林的时候，我丝毫不会怀疑自己在其他任何什么地方。当然，即便我没有在另一座叫内罗毕的城市，那里的世界也还是存在的。毕竟，我想让我的“这里”变成内罗毕的话，只需要买一张飞机票。但我没有办法去庞贝古城的一座别墅参加盛宴，毕竟这座古老的城市已经在近两千年前被维苏威火山吞没了。因此，在我们看来，空间上的世界是非常宽广的，而时间上的世界紧紧地蜷缩在一个点上，这个点就是当下。

过去、现在、未来的分隔在我们看来似乎是颠扑不破的，以至于我们以为它们遵循着某种自然法则。但迄今为止，还从未有人发现过这样的自然法则。与之相反的是，自然中几乎所有的基本活动都是可以逆转来看的。钟摆从左往右，随后又从右往左，如果倒放这种往复运动的影片，甚至不会有人察觉。从北极观察的话，地球是逆时针旋转的，但没有一条物理定律规定行星不可以反向旋转，从金星上看太阳就是从西边升起的。我们之所以能够使用手机，是因为天线能够发射并接收电磁波。原子可以吞掉光子，也可以释放光子。以此类推，没有任何一条物理的基本方程式谈到时光的消逝。无论是解释了宇宙创生的相对论，还是洞悉了最小颗粒内部活动的量子理论都没法分辨过去和将来。昨天发生的一切， 今天同样可能发生。

爱因斯坦就是这么认为的。在他青年时期的朋友米歇尔·贝索过世后，爱因斯坦给这位朋友身后的亲人写信安慰道：“他告别了这个特别的世界，还是比我先走一步。但这没什么，对于我们这些虔诚的物理学人来说， 关于过去、现在和未来的分别不过是些执念和幻觉。”

时间的流逝真的只是幻觉吗？爱因斯坦当然知道， 为什么他从此无法再见到他的朋友，即便这有悖于所有基本的自然法则。爱因斯坦赞赏的一位物理学家给出了答案，他就是出生于维也纳的路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）。他认为，我们之所以会感受到时间的流逝，是因为我们对这个世界知道得太少。

时间看似在流逝，但其实……

在玻尔兹曼生活的时代，这样的观点简直是不可思议、闻所未闻。他宣称自己已经接近时光流逝这一古老谜团的答案了。不仅如此，他的论据还令其他同行大为光火。他认为，世界是由原子组成的，时间看似在流逝，但其实在它背后隐藏着人类无法干涉的原子运动。在1877年，这样的言论对于当时地位显赫的维也纳和柏林物理学家来说，完全是在亵渎优良的科学传统：他们认为，一位严肃的研究人员所探讨的必须是人类能够感知的内容。每当玻尔兹曼提到原子的时候，反对者们总是诘问道：“您亲眼见过一个原子吗？”这些学者在攻击玻尔兹曼时是异常愤慨的，完全不留情面，激烈程度堪比斗牛，以致当这些科学家后来不得不放下偏激情绪时，他们仍然抱持着拒绝的态度。

不过，玻尔兹曼也有一些赫赫有名的追随者。比如弗朗茨·约瑟夫（Franz Joseph）皇帝就十分推崇他的观点，甚至想要将他封为贵族。但玻尔兹曼厌恶当时奥地利的专制，便拒绝道：“我的先祖、我的父亲都对玻尔兹曼这个姓氏十分满意，我、我的孩子和我的子孙也不会例外。”蜚声宫廷对他本身并没有带来任何帮助，学界的敌意并未消退，他的身体状况也每况愈下，他时常感到疲惫不堪。1906 年9 月，玻尔兹曼终于不堪严重抑郁症的折磨，在的里雅斯特（Trieste）附近的酒店中自缢身亡。因此，玻尔兹曼最终未能亲眼看到自己的观点被全世界接纳的那一天。

如今，原子的存在就如同地球自转一样理所当然。但时至今日，玻尔兹曼对于时间的阐释仍然挑战着人们的接受能力，这一阐释质疑了人类感受的直接性。人类认为所有看得见的、听得见的、尝得到的，理所当然都是存在的，所以很容易理解胡子、面包等物品。反之，人类对于无法触摸的东西就会感到复杂、难以理解，比如原子。对玻尔兹曼来说却恰恰相反：原子才算得上是简单的事物。只需要了解几个参数，人们就可以对原子了如指掌。钟摆运动、行星自转、手机天线的电磁波也都属于简单现象。相反，胡子和面包就复杂多了，胡子的生长或者面包的味道，需要通过许多原子进行复杂的共同作用才得以实现。但具体发生了什么，我们无从得知。这不单单超出了人类理解的范围，即便是宇宙中所有可能存在的智慧生命，也无法掌握关于胡子与面包内部原子的一切。这一点我们在第4章中已经借助天气预报的例子探讨过了。

（图片来源：veer图库）

但是，这种不了解对我们每时每刻的体验和感受影响不大。不必了解原子，人们也可以看得到胡子，尝得出面包的味道。每一种事物都拥有能够被感知或被测量的状态，因而人们可以毫不费力地感知外观、形状、味道、压强和温度。因为我们可以感受到这些特性，所以“现在”显得非常直观。我们不需要更深入地观察，就可以感受“现在”，因此“现在”这个时刻是特别的。但我们看到的、感受到的、品尝到的都只是世界的表象—是我们给各种原子贴的标签，我们把这些原子称为新鲜的面包，把那些原子称为黑色的胡子、湿冷的空气等。

然而，当我们想知道这些状态是如何发生变化的时候，就不得不透过表象一探究竟了。当面包里的水分蒸发以后，面包就变硬了；当发根的色素细胞失活以后， 胡子就变白了。这一切都与原子的活动有关，但我们无法准确地了解，只好抓住“概率”这根救命稻草。

对于时间的流逝，我们体会良多。保持事物特定状态的方式很少，但摧毁它的方式很多。此刻，我们能品尝面包的美味，得益于面包皮与瓤分别含有恰到好处的水分，得益于其内部原子的特定排序。但我们知道一周后这些原子都在哪里吗？没有答案。原子不停地运动—具体如何运动，我们却不知道。不管怎么说，一周以后的面包是不怎么好吃了。毕竟，面包里的水分子蒸发到空气之中的概率比乖乖留在原地的概率要高得多， 水分子扩散的方式也多种多样。总之，面包变干的概率是百分之一百。这些原子就像是花园里的田鼠：即便最美丽的草皮也要被它们拱得面目全非。

为什么这个世界始终在发生着变化

玻尔兹曼天才的创造在于借助人类常识和概率阐释现在与未来的区别。我们对于现在的了解超过我们对于未来的了解。现在的面包是新鲜的，我们能够调动各种感官来确认这一点。但是当我们想象未来时，却束手无策，因为我们不知道原子将如何运动。对于这种与日俱增或不增不减且难以言说的混乱，玻尔兹曼找到了一个物理量——这个量明确地表明了有多少关于原子运动的信息是我们所不知道的，叫作熵。虽然我们无法直接感知熵的存在，但它或许比能量更为重要。因为，熵解释了为什么这个世界始终在发生着变化。

（图片来源：http://www.kierandkelly.com/）

当糖在水中溶化时，熵就增加了。（溶化之前，糖分在糖块之中，溶化以后，糖分就分散到水里的各种地方去了。）当苹果萎缩时，熵也增加了。（果肉中的一部分水分通过各种尚不明确的途径跑到了房间里。）当车突然发动不起来的时候，熵也增加了。（真讨厌，这到底是为什么？）当我们变老的时候，熵也增加了。

黑色的胡子其实也处于一种特殊的状态中。一根胡须之所以是黑色或金色的，是因为须根里的色素细胞具有染色的功能。为了保持这种细胞的活性，需要海量的化学反应参与其中。所以，当我们下次看到一根黑色胡须时，就知道里头有十几亿个原子正在根据特定的组织模式工作着，否则染色就无法完成。

只要有一处出错，整个系统就会瘫痪。比如只是缺少了一种物质，或者细胞核内遗传物质中的几个原子发生了位移，整个细胞就会死亡。但无论我们是否确切地了解其中的原因，这根毛发都会变白。只要有一处出错， 就会处处出错：这就是玻尔兹曼的理论。

当毛发变白的时候，我们就失去了对系统的掌握， 熵就会增大：胡子就从一个出现概率低的状态转向了出现概率高的状态。总之，胡子的色素细胞完成使命的概率要比它失灵的概率低得多。这就好比彩票的六个号码全中的概率是最低的，因为对应的数字组合只有一种。而彩票中四个号码的可能性就大多了，因为对应的数字组合更多。从生理学角度来看，黑色的胡子就相当于一张六个号码全中的彩票。

那么，花白的胡子有可能变回黑色吗？理论上是可能的。自然法则向来认为事件的逆转是可能的。但是，细胞的构造实在是太过复杂了。成千上万甚至上百万个原子突然重新组合复原，使色素细胞能够重新产生色素—这种概率有多大？这种偶然性是难以测算的。要想等待胡子变回黑色，仅仅等上人的一辈子可远远不够——即便是等上宇宙的一辈子也不够。

存在概率低的状态消失后，存在概率高的状态就会出现。一种状态存在的概率越低，它的稳定性就越低；一种状态存在的概率越高，它就越稳定，回到原来状态的可能性就越小。当这种变化只能不断向前而无法逆转的时候，我们就会感受到时间的流逝。

熵低则混乱度低，熵高则混乱度高（图片来源：和讯网）

要是人类能够将宇宙中发生的一切过程都逆转的话，时间对我们来说就没有那么重要了。因为，这样我们就可以使一切都回归到它们曾经的状态，也就完全无法区分过去与现在了。这样一来，或许真的就会有“神”游离于时间之外。不过我们人类仍将被困在时间之中，因为我们无法掌控大多数事件，甚至无法预测那些事件能否发生。时间之谜的背后是小概率事件—是各种原子无法被预测的舞蹈。这就解释了为什么爱因斯坦将人们区分过去、现在与未来视作一种幻想。因为爱因斯坦坚信偶然事件是完全不存在的，他是一名决定论者。他相信，世间一切事物的发生都是由自然法则提前设定好的。他认为，只是因为我们对这一过程缺乏全面的了解，所以才会觉得时间在流逝。

人类往往难以反驳决定论者的观点，因为他们站在了上帝视角。但是认同这种观点又能带来什么呢？毕竟， 我们是以人类的眼光去理解世界的，而作为人类，在很大程度上就处于这种对世界的无知状态。不过，通过玻尔兹曼的帮助，我们已经能精确地定义这种无知状态了：熵越大，我们所不知道的信息就越多，重现过去的难度就越大，我们在时间面前就越显得弱小无力。

（图片来源：veer图库）

既然我们无法掌控时间，事物就会走上由小概率状态转变为大概率状态的轨道，没有任何回还的余地。特殊的状态将会被更加普遍的状态淹没，“从前、过去”就永远不会再回来。

当我们让没有生命的事物自生自灭时，我们就会体验到与时间相伴的衰朽。面包不再新鲜，建筑变得破落， 山体因为侵蚀而日渐消逝。虽然生命体拥有对抗时光消逝的能力，但这种对抗也持续不了多久。无论如何，在生存的过程中，生命体的有序状态都会渐渐消逝。所谓熵只会增大不会减小，就是对这种现象的解释。物理学家称之为“热力学第二定律”，其内涵是孤立系统的熵永远不会自动减少，小概率事件只会渐渐让位于大概率事件。到目前为止，从未有任何违背这一定律的现象出现。

宇宙中的一切都会变老，宇宙本身也不例外。在遥远的将来，太阳会熄灭，行星系统会解体，连银河系和河外星系也会消失。因为，如今群星闪耀的宇宙确实是处在各种物质各得其序的一种特殊状态中，而所有特殊的状态都是易逝的。混沌则是一种概率更大更稳定的状态。

但是，从另一个角度来看：所有围绕着我们的事物都处于特殊状态。水中的糖块、苹果、人类、恒星—这些事物是如何与概率法则和谐共生的呢？特殊的状态从来都不能长久。在漫长的时间轴上胜出的永远都是大概率事件，是混沌。于是，关于时间的秘密引出了一个更大的谜团：世界上为什么会存在结构体？为什么糖块、苹果、恒星会出现？为什么人类会存在？

存在黑色的胡子，这件事本身就已经够不可思议了。毕竟须根上的色素粒子需要其中各种原子精密的协作才能形成色素，而只要出一点小问题，整个系统就会瘫痪， 所以色素粒子失效的可能性要高得多。事实上也是如此， 如同人体其他器官的几乎所有细胞一样，这些色素细胞也无时无刻不在死亡。但人体能够产生新的细胞来代替这些死亡的细胞，人类具有自我再生的能力，因此我们没有在年纪轻轻的时候就头发花白。

那么，我们能够暂时摆脱熵增定律吗？

毫无可能。

在我们阻止自身衰老的同时，一定在别处制造了更大的无序。我们需要饮食和呼吸，吃进去的面包和苹果的状态比我们排泄出来的更有序。我们每天为了再生零点零几克的细胞，需要消耗的食物和水多达几千克。此外， 人体器官每天还需要消耗足足1 500 升的氧气才能将食物转化为二氧化碳、水和热量。所以，在再生有序结构物质的过程中，我们将几十万倍的物质从特殊的状态转化为普遍的状态，从极小概率的状态转变为更大概率的状态。人类在世界上的每一天，都会增加周围环境的熵。

（图片来源：veer图库）

即便是种植上一大片苹果树，也无法挽救环境的熵增。如果算上养分的制造和氧的产生，那么产生的熵还要更多。无论是养分还是氧，都得益于植物对二氧化碳和水分的转化。当然，树叶和果实的生长也有相应的代价，只是我们不能像感受体内的活动那样，察觉植物产生的无序。在植物通过光合作用将太阳光转化为自身质量和热量的过程中，熵也产生了。说到此，大家会感到惊讶：为什么热量会比光无序呢?这两种辐射类型都由光子组成，但是性质截然不同。在强度相同的条件下，光由少量高能量光子组成，而热则由许多低能量光子组成。因此，热是相比之下更无序的状态。太阳光和热辐射的关系就好比歌唱与吼叫的关系—把声音谱成美妙歌曲的方式不多，但用声音制造噪声的方式数不胜数。

光线从宇宙到达地球，而热量从地球回到宇宙。假如地球不能扩散热量，那么它早就变成一颗荒漠星球了。人类的活动使地球上的熵增加，而植物的活动使整个太阳系的熵增加。

但要是光比热量的存在概率更低，那么，为什么会有光呢？光子产生于太阳内部发生氢核聚变的过程，然后被送入宇宙空间，一去不复返—这又是一个不可逆的过程。太阳也会变老，而且，它的存在比黑色胡子的存在还要令人惊奇。因为整个宇宙都处在一个存在概率极低的状态，所以才会产生太阳。整个宇宙内部的质量是巨大的，而质量相互吸引，那为什么这些物质没有早早都坍缩到一起？为什么在太阳系的中心是一颗光芒万丈的恒星，而不是一个黑洞？

可能的答案只有一个：远在太阳形成之前，物质就已经处于一种近乎神奇的低概率状态了。在宇宙刚刚形成不久的时候，产生的物质就已非常有序地均匀地分布其间，从而对抗引力的作用。这一点我们可以从宇宙微波背景辐射中推测出来，这些辐射是在大爆炸30 万年以后原子形成的过程中发散出来的。鉴于宇宙就像气球一样不断膨胀，所有物质之间的距离都越来越远，这些物质就没有凝聚成黑洞，而形成黑洞是比均匀分布更加无序的状态。正因如此，星际云、各大星系、所有恒星包括我们的太阳、植物和黑色的胡子才得以出现。

这是一个关于低概率事件的无底洞，一个不可思议的深渊。宇宙中有人类，这是个不可思议的事实，只能通过更古老且更加惊人的事物才能解释。在过往的时间长河中溯流而上，越往回走，宇宙的状态就越不可思议。我起初只是为了了解黑胡子为什么会变白，渐渐地就探索到了宇宙的开端。这个开端与我们惯常的想象截然不同：如今的宇宙并不是由大概率状态而来的，或者说不是由混沌而来的，而恰恰是从极低概率的状态中演化而来的。混沌恐怕会终于黑洞，而宇宙的开端却充满了井井有条的秩序。

乍看之下，这种宇宙学观点是难以接受的，因为它不仅与大多数文明的创世神话背道而驰，也不符合我们的世界观。人们很容易如此反驳：宇宙中的一切事物—各大星系、各个恒星和行星以及生命本身，它们看起来都是有序的，而这一切都是几十亿年的历史发展而来的结果。但这种反驳恰恰是错误的。我们今天所见的秩序仅仅是世界开端时更大秩序的一抹余晖。如果没有这最初始的秩序，我们如今在宇宙中发现的各种秩序和结构是断不会出现的。所有这些有序，恰恰是以其他地方的无序为代价的。熵的总量随着时间流逝而增加，整个宇宙也从最初概率极低的状态发展为概率更高的状态，也就是更加无序的状态。

（图片来源：veer图库）

牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）曾经通过计算得出，如今这样的宇宙形成概率到底有多低。他运算得出的概率为10^10^123 分之一。这个数字如果用常规形式写到纸上，这张纸的长度都得有好几个光年，而且，整张纸几乎都会被小数点后的零填满。只有坐上宇宙飞船冲向这张纸最后一行的末端，才能发现一个不是零的数字。可见，这个宇宙诞生的概率低到了极点，而宇宙开端的秩序高出了天际。

不过，这种秩序从何而来？目前还没有人敢妄作揣测，即便是最天才的理论家也对此保持缄默。这种赋予了我们一切的秩序究竟源于何方，我们仍一无所知。不过，胡子的变化让我得以看到这迷雾森林的第一叶绿意。因此，胡子已然变白的我不由地感到些许宽慰。

本期我们送这本书

亲爱的粉丝们，哪一瞬间，或者哪些事让你突然觉得时间过得特别快？欢迎在留言区分享。

截止到1月22日中午12点，留言点赞前3名的幸运读者们，大院er将为你送上这本书：《诗意的宇宙》。本期文章正是节选自此书（编辑略有改动）。

斯特凡·克莱因是物理学家中的诗人、诗人中的物理学家，他的这册小书如同写给宇宙的情书。在他笔下，宇宙像蔷薇一样美丽，这美丽以科学为依傍——他从蔷薇生长所需的阳光讲到光子与强核力，从滋润了蔷薇的水讲到撞击地球的彗星和小行星，从蔷薇扎根的土地讲到暗物质。量子纠缠、暴胀理论、弦论等抽象的思索变成了扣人心弦的侦探小说、精妙的比喻。

20世纪堪称物理学的黄金时代，在这本书中，我们不仅能看到20世纪那些划时代的发现，还能看到最近20年间的新进展——沿着历代大师的足迹，21世纪物理学正在勾勒出这个世界的新地图，改变我们对世界与自身的看法。

而要踏入这个神奇的世界，你需要的不是多么深厚的知识储备，当你凝视一朵蔷薇或仰观群星时，你已经做好了准备。

版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！

注意啦！微信又更新啦！用户可以设置常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示，为了不错过大院每天的精彩文章，请按下列操作“星标”我们吧：

进入“科学大院”公众号——点击右上角的…菜单——选择“设为星标”

---

大院热门文章top榜

点击文章标题，可直接阅读哦~

科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。

转载授权、合作、投稿事宜请联系[e-mail]

我知道你在看我