無關主旨的前言:本篇文可以跳過,因為內含大量有害頭腦的物理名詞與物理學家,如果使用時發生不適請即刻停止,這篇文章唯一的用處是證明整理房間是毫無意義的行為。
同樣的河水你無法涉足兩次。
-Heraclitus,540-480B.C.,古希臘哲學家
時間是讓人們困惑的東西。
對於時間,古來有許多的譬喻,在這其中,用的最久也最多的,是將時間比擬作河流。這個象徵非常有力卻也讓人傷腦筋,因為河水流動是以物體的速度作為喻依,是可量測的,可是,我們該怎麼測量時間流動的速度?每秒鐘流過一秒嗎?這是完全沒有意義的單位。而河中的魚可以溯溪而上,我們卻無法回到過去。針對這點,霍金有個有趣的說法:假如時間旅行是可能的,地球早就被大量來自未來的觀光客塞滿了。時間這種徹底的非對稱性,有什麼物理依據呢?
事實上,對於這個問題,早期的物理學家間並沒有太多的共識,在1964年之前,任何的物理方程式、理論、定理,包含相對論與量子理論,都可以用-t來取代t,而且不會造成任何錯誤,定理依然適用這個世界。
然而,很多理論上會發生的事情在現實裡並不曾發生,物理學家們困惑了,他們發現必需找出一種根本的基礎來決定時間的箭頭究竟指向何方,因為哲學家辯稱所謂時間只是由人類的觀感而造成的錯覺。一顆電燈泡的光芒會向四面八方散去,然而從來沒有人觀察到四面八方的光線往電燈泡上集中吧?這種情況在物理學理論上絕對可成立,只是很難想像要怎麼發生。
得找到一種「不對稱」的基礎來解釋時間的方向。
重力是一種單向的力,只會吸引而不會排斥,於是有些人認為可以這樣解釋:在重力的作用下物體不可能以相反的方式運動,否則就違反基本定理。但是假如將地球繞行太陽的方向逆轉過來,地球也會乖乖的繞著太陽轉的。那麼,一顆隕石從天而降這種事情總不可能倒回吧?不,可能的,只要在合適的情況下使方圓數里的地面分子以合適的力衝擊在一起,也就是將隕石落地、發生爆炸、煙塵四散的分子運動全部往反方向進行,將所有的動能都集中到一點上,我們就可以把這顆隕石送回太空去了,而且不會違反任何基本定理(除了統計法則以外),只是這牽涉到超過數千兆的分子,要他們全部符合時間反轉的方向運動,機率實在過小,沒有人會相信。
廢話了這麼多,時間的方向究竟朝向何方?
其實上文已經說到關鍵詞了,十九世紀的物理學家們發現,他們可以透過「機率」來找到時之箭的方向,機率可以解釋這類難以發生的逆轉現象不太可能發生,像是把方糖丟入咖啡溶解就是不可逆的(除非你看過一顆方糖從咖啡裡跳出來),機率可以解釋熱力學第二定律:熱永遠從高溫流向低溫處,使系統的熵增加。愛丁頓於是宣稱:「時間的方向是有可能找到的......讓我們任意的畫一個箭頭,順著這箭頭,如果我們能在各種狀態找到越來越多的隨機元素,那麼這箭頭便是指向未來......這是物理學所知的唯一區隔方法。」
所謂的隨機元素,姑且以「凌亂程度」,也就是熵來表示吧,當時間前進時這個值只會增加而不會減少,意即指整個宇宙的凌亂只會不斷增加,趨向混亂,所以你的房間只會隨著時間前進而越來越亂,而不會越來越整齊,除非你進行房間掃除,而這個過程勢必花費你相當大的能量,這些能量用以違逆自然變亂法則,在某種意義上,這代表了一個迷思。
是否可能用足夠的能量將時之箭倒回?(也就是整理房間)
直到最近發現時間的不變性違逆之前,最常替時間倒流所下的定義是:想像在某個世界裡,洗牌過程會逆返進行,從無序變為有序。
最後的最後,也替下一個世界E鋪路,來談談十九世紀波茲曼的一個有趣猜想。
在封閉隔絕的容器裡,氣體達成熱平衡之後,他發現熵在某些區域會減少,但是其他區域的熵會增加,所以可以達到平衡,這些熵減少的區域會形成一個袋狀空間,波茲曼於是設想有個廣大無比的宇宙,時間與空間皆無盡,而宇宙整體的熵是最大值,但是在熵暫時減少的地方形成袋狀區域,這個區域可能包含數十億個星系,而所謂暫時減少的暫時可能是數十億年。若說人類所在的位置是熵增加區,因此時間朝向熵增加是正常的方向,那麼可不可以說,熵減少區的時間箭頭正往反向進行?或更乾脆說這個區域在時間中往前流動時,房間會越來越整齊?
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