玻璃杯打碎后不能复原,到底为什么?其中隐藏着深刻宇宙奥秘!

宇宙时空 2024-11-30 13:49:33

路德维希·玻尔兹曼是十九世纪奥地利的一位杰出的物理学家。为了向这位科学巨擘的成就致敬,在他辞世后,后人为他雕刻了一座石碑,石碑顶端铭刻着一个数学方程式:

这是描述一个被称为熵的重要概念的数学公式。

简单来说,熵代表了我们周遭事物的无序度,这一概念的根本之处在于,我们周围的世界似乎总是在从有序向无序的方向演变。

以一本书为例,一本有569页的书是遵循一定秩序的,每一页在特定的位置,然而,一旦书页被撕下,交给“熵”来处理,那么结果必然是一片混乱。这是因为,唯一的一种方式可以让书页有序落地,但无序的方式却有无数种,因此,无序状态出现的概率自然就大了。这与我们的实际经验相符,即事物更易从有序走向无序。

在世界的每个角落,我们都可以观察到无序和熵的身影:鸡蛋打碎,四处散落的蛋液;冰块融化后,不再保持原有的整齐形态;还有那滚滚浓烟,在空中越发散漫。有序的世界不断向无序的方向演变,时间仿佛沿着这样的路径不断前行。我们所见证的混乱范围,似乎总是随着时间的推移而扩大。玻尔兹曼认为,正是这种趋势,塑造了时间的箭头。答案可能在于,自然界有一种朝向更加混乱无序发展的倾向。

虽然事物的演变似乎确实如此,但这一理论却存在一个小小的问题。由于物理法则在时间的过去与未来之间没有区别,按照理论,熵不仅应在未来增强,在向过去的方向也应如此。然而,这似乎并不合理。如果熵在两向都增强,回顾过去,我们应看到增强的熵,展望未来,熵也应增强。这会导致一个悖论:那本书的书页在聚集成一本整齐的书之前,先是在过去处于混乱无序的状态!

日常经验与物理法则之间为何有如此巨大的鸿沟?显然,我们在某个环节上出了差错。如果过去的世界相对有序,且事物往往朝着无序的方向发展,那么除了物理法则,还有什么可以解释这一现象呢?

设想一个棒球场上的场景,物理法则可以帮助我们预测球的落地点,但我们不仅需要这些法则,还需要初始条件,比如击球的力度。同理,如果物理法则无法解释时间的箭头,我们或许需要深入了解宇宙的初始状态,即宇宙大爆炸。

假设宇宙就像一部倒放的电影,随着时间回溯,我们看到的景象越来越有序。如今,遍布亿万星系的宇宙,将逐渐回归到气云和尘埃,万物收缩,气云和尘埃愈发接近,当我们追溯到遥远的过去,这些云体的体积不断缩小,最终,我们来到一个所有变化都停止的地方——奇点。如果这个瞬间代表了整个空间,那么在此之前,空间和时间都不存在。因此,有序和低熵的最初源头,无疑是刚刚诞生的宇宙——大爆炸。

大爆炸是一次极为有序的事件,可能是最有序的物理过程,随后一切开始变得越来越无序。大爆炸揭示了,为何我们回首过去或展望未来,看到的宇宙会如此不同。如果我们追溯到过去,宇宙不仅与现在不同,而且非常有序。

为何熵在那时如此之低?我们尚不清楚确切答案,但我们至少知道,在宇宙的初始时刻,熵极低。因此,我们只知道是大爆炸启动了时间的箭头。如同一个上紧了发条的钟,随着发条的放松,释放出之前储存的能量,宇宙自大爆炸之后就不断放松,逐渐变得更加无序。

尽管我们还不清楚为何宇宙在形成之初处于高度有序的状态,但这一事实意味着,每当一个玻璃杯破碎,其实都是在推进一项始于数十亿年前的过程。玻璃杯的破碎无法复原,因为它遵循着从有序到无序的自然进程,我们只可能从过去走向未来,我们所见的一切变化,无论是恒星的诞生还是生命的历程,都只是这一过程中的微小副产品,就像是在宇宙的混乱浪潮中乘风破浪的冲浪者,这些浪潮划分了过去与未来!

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