回顾了数学的重要和美妙之后,我们再来看时间的问题。时间可以变慢、变快吗?时间可逆吗?
这是热力学第二定律讨论的问题。
我们先回顾一下大家熟知的热力学第一和第三定律,再来讨论与时间有关的第二定律。
热力学第一定律是能量守恒定律:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其他物体,而能量的总量保持不变,孤立系统的总能量保持不变。
(物体内能量的增量=物体从外界吸收的热量+外界对物体做的功)
经典物理里还有一个质量守恒定律:在化学反应中,参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和。这个规律也叫物质不灭定律。
我们知道,当物体运动的时候,质量是会改变的,在高速运动的时候质量是不守恒的。因此,能量守恒和质量守恒定律就合并为质能守恒定律:在一个孤立系统内,所有粒子的相对静能与动能之和在相互作用过程中保持不变。
所以牛顿力学很多东西是有局限的。它在人类大部分的活动范围内可以发挥作用,但还是一个近似。
热力学第三定律讲的是另一个我们到不了的事情——绝对零度到不了。
热力学第三定律:不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。
而什么是绝对零度呢?空气受热时,体积和压强都随温度的增加而增加,在某个温度下空气的压力将等于零,这个温度为-273.15℃。
空气的压力不可能为零,所以物体到不了绝对零度。
我们重点看一下热力学第二定律——熵增原理:孤立热力学系统的熵不减少,总是增大或者不变。
熵被用来衡量一个系统的有序度,热力学第二定律就是说孤立系统总是从有序到无序,最多是不变,无法从无序倒回到有序状态。
热力学三大定律都让我们显得无能和绝望,第一定律告诉我们无法改变物体的质能,第三定律告诉我们到不了绝对温度的零度,第二定律是最绝望的,甚至可以说规定了宇宙的命运。
不妨把一个人看成一个孤立系统,一家公司、一棵树、一朵花,甚至把宇宙都看成孤立系统。在一个孤立系统里,熵总是增大的,不会减少,也就是说,总是从有序到无序。因此,人总要慢慢老去,企业终会衰败,树总要枯萎,花总要凋谢,而我们所在的宇宙也有自己终极的归属。这本来是一个热力学理论,但社会学和物理学最后都是相通的,整个宇宙、整个社会和人本身都是相通的。这个第二定律,就决定了我们的终极命运。因此,不存在什么海枯石烂,不存在什么天长地久,太阳也会毁灭,这都是因为熵增。
如何才能熵减呢?还是有机会的。
首先,信息可以熵减。
每个系统都具有三象性:物质性、能量性和信息性。任何系统状态上物质性、能量性、信息性共存,但物质(质量)和能量是守恒的,而信息不守恒。信息是可以让系统有序的。比如经营者可以对企业进行有序化管理,比如针灸可以让身体变好……这些都可以让一个系统有序化,都是信息的作用,所以说信息是负熵。
其次是万有引力。在星际尺度下,万有引力倾向于聚合的有序状态,使恒星能够向外输出负熵流。
大星球产生大引力,使所有的物质有序化。就像一个磁铁,让周围的铁粉有序化。地球上所有的能量都来自太阳,所有负熵也都来自太阳,太阳是负熵和能量唯一的来源。
生命是个有序的平衡态,一旦失衡,生命体就不复存在了。地球上的生物是开放系统,通过从环境摄取低熵物质(有序高分子)、释放高熵物质(无序小分子),来让自身处于低熵有序状态。
封闭系统总是熵增的。地球很幸运,是一个开放系统。举一个简单的例子:我们吃的水果、饭,都是有序高分子;我们排出的大便和小便,出的汗,散发的热量,都属于无序小分子。在这样的循环下,身体处于一个低熵有序状态。如果不吃东西不喝水了,人会死掉,因为生物键、化学键、离子键没有力气绑在一块儿了,自然而然就混乱离散了。“离”是一个绝对的力量,“合”是一个相对的力量,当你没有补充、不让它有序的时候,它就“离”,有一天就断了,而断了就崩溃了,没有了。
但是,所有有序行为都是以熵增为代价的。
比如,为了保持健康我们必须运动,这就需要消耗能量。这些能量可能来自面包或者牛肉。做面包的麦子和产肉的牛(通过吃草)在生长过程中吸收太阳的能量。太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应,从一个有序的太阳变成一个无序的太阳。
所有的熵减一定伴随着其他地方的熵增,一环套一环,人类、地球、太阳、宇宙。太阳是不停在熵增的,它牺牲自己照耀大家,真的很伟大。
当太阳的核聚变不能再继续的时候,也就是太阳的熵大到不能再大的时候,它就会达到热动平衡,就会死亡。
宇宙中每个局部系统的熵减,都需以其他地方的熵增为代价。
然后呢?
在一个封闭的系统里,熵总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部就达到一种完全均匀的热动平衡状态,不会再发生任何变化,除非外界给系统提供新的能量。
假如宇宙是一个独立的存在,没有“外界”,一旦到达热动平衡状态,就会完全死亡。我们称之为——热寂。
宇宙的命运就是太阳系的命运,太阳系的命运就是地球的命运,地球的命运就是人类的命运,人类的命运就是细胞的命运。粒子、量子、细胞、人类、地球、太阳、宇宙,其实是一以贯之、相互关联的,是一个东西。宇宙的命运就是我们的命运,我们的命运就是宇宙的命运。
我认为,在“道”的层面,现代和古代,东方和西方,科学、哲学和宗教都是相通的。比如老子说的“天之道,损有余而补不足”就是熵增,“人之道则不然,损不足以奉有余”就是熵减(在一个快速上升的社会中,贫富差距必然是在不断增加的)。“孰能有余以奉天下?唯有道者。”
热力学第二定律其实告诉我们的是:进程不可逆。人不可能同时踏进同一条河流,也就是说,时间不可逆。
光速不可超,时间不可逆,这似乎就是我们人类的“结界”。一个是空间,一个是时间,我们就被限制在这个“时空盒子”里。
有可能突破这个“时空结界”吗?黑洞也许是一种可能。
根据广义相对论,当密度足够大的时候,光无法逃逸,时间形成了一个点,那个地方没有时间没有空间,也就是时间和空间趋近于零,质量密度趋近于无穷大。那就是黑洞。黑洞是一个奇点,也许是能突破时空结界的奇点。
另外,宇宙=2/3的暗能量+1/3的物质,物质里85%是暗物质。暗能量、暗物质是人类无法检测、知道、理解的东西,跟黑洞一样。我们能探知到的东西其实很少。黑洞、暗物质、暗能量,这些不可知的地方藏着什么?意味着什么?我们也无从得知。
时间是相对的,可以快,可以慢,时间也是不可逆的。那到底时间是个啥东西?我认为时间是人类的幻象。
跟空间一样,时间是人类在脑子里建立的一种概念,是一种相对性的概念,其基础并不牢靠。我们每天睡觉,其实是一种时间的“重启”;在全身麻醉的过程中你会丧失时间感,那就是时间的“失去”。