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热力学是如何解释时间的本质的?为什么时间不可逆?穿越是个笑话

2021-09-22  老胡说科学
我们大多数人一想到时间就会联想到一些流动的东西,单向的东西等。与其他基本量不同的是,时间的定义很特殊,是一个抽象的概念。在这篇文章中,我将解释熵的热力学概念与时间的关系。

什么是熵?

  • 熵被定义为衡量一个系统的随机性的指标。
  • 一个系统的随机性越大,该系统所包含的信息就越多。
让我们试着理解以上两句话的含义。
考虑2个无限数列000000000000.... 和01010101.....现在,如果我问你这两个数列中哪个更随机,哪个有更多的信息,那么你的答案应该是第二个数列。第一个序列只有一个重复的信息'0',而第二个序列则更随机一些,并且有更多的信息,因为在这种情况下,数列'01'是重复的。用科学术语来说,我们会说第二个数列比第一个数列有更高的熵。
现在,这个宇宙中的一切,无论是生物还是非生物,小的还是大的都包含一些信息,即有特定数量的熵。这些信息是关于特定物体的状态。假设这个系统是一个孩子,那么所包含的信息可能是这个孩子的身高、体重、眼睛颜色等。
在这个宇宙的任何事件中,从一个微小的细菌移动到一个黑洞与另一个黑洞相撞,熵都会发生变化,即随机性的变化和所包含的信息的变化。熵可以增加、减少或保持不变。如果在一个事件之后,系统变得更加复杂,那么系统所包含的信息(因此熵)就会增加。

我们宇宙的熵

整个宇宙的熵总是在增加。
无序或熵的增加是区分过去和未来的原因,给了时间一个方向—— 斯蒂芬-霍金
众所周知,我们整个宇宙的熵在增加。而斯蒂芬-霍金在他的《时间简史》一书中指出,这种熵的增加是让我们感觉到时间在前进的原因。现在与过去早一秒的区别在于,那一刻宇宙中的熵的数量不同。这也是时间是单向的原因,因为我们不可能减少宇宙的熵而使时间倒流。
所以,宇宙中包含的信息是不断增加的,我们的宇宙也变得越来越复杂。而这个过程就是让我们感到时间存在的原因。
但是,为什么不能有一个熵值减少的宇宙呢?
其中一个简单的原因可能是,在这样一个熵减少甚至保持不变的宇宙中,像我们这样有意识的物种的进化将是不可能的。我们能够思考和抓取信息的能力是宇宙的熵在增加的事实的结果。
时间旅行
从熵的角度来理解时间,实际上可以在一定程度上帮助我们弄清时间旅行的问题。到目前为止,我们已经明白,宇宙的熵是不会减少的。这意味着我们不能回到过去,因为过去的熵会比现在小,任何这样的旅行都会打破自然设定的熵增定律。
2009年6月28日,霍金为时间旅行者举办了一个聚会。他在聚会结束后才发出邀请函,以便只有时间旅行者可以参加那个派对。他还在邀请函中提供了精确的GPS坐标位置,但没有人出现。
这证明了前往过去的时间旅行是不可能的。但前往未来是可能的吗?答案是肯定的!但这种旅行的过程是相当奇特的。
大多数科学家认同的旅行到未来的方式是,与宇宙其他地方相比,你的时间过得很慢。在这种情况下,熵定律并没有被违反,因为对于时间旅行者和宇宙来说,熵都在增加,但速度不同。而这种差异正是允许时间旅行的原因。
有两种情况下,与周围环境相比,时间过得很慢。
  • 当你以与光速相当的速度旅行时。
  • 当你接近非常重的天体,如太阳、恒星或黑洞时。

谁能预测未来?

答案是实际上没有人可以。我们宇宙的熵不断增加的事实证明,宇宙中发生的变化是不可逆的。任何有一点热力学知识的人都知道,对于不可逆的变化,系统的最终状态不仅取决于初始状态,而且还取决于过程中的路径。
通过一个例子来理解上述理论。假设你在水中混入糖。现在糖和水的颗粒处于随机运动中,搅拌后所有糖颗粒在水中的最终位置取决于搅拌过程中颗粒的运动方式。颗粒处于随机运动中,与其他颗粒随机碰撞。如果一些颗粒碰撞的方式不同,或者用棍棒而不是勺子进行搅拌,颗粒的最终位置就会不同。这是因为棍子会使颗粒的运动轨迹与勺子不同。最后的位置还取决于容器的类型、水粒子的温度、搅拌过程中的手部动作以及你能想到的一千种不同的东西
从这个实验中,我们可以得出结论,确定一个不可逆系统的最终状态/条件,路径或过程与系统的初始条件同样重要。
从上述事实中,我所理解的是,你将来会成为什么,取决于你今天是什么,以及你今天要做什么决定。因此,要继续努力工作,明智地做出决定!

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