为什么我们不会变得更加年轻？
Hossenfelder
中科院物理所
2023-09-04 12:09:01
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图源：Paul Barlow from Pixabay
导读：为什么⼀个杯⼦打破后不能恢复原状，⻘春时光⽆法再回？德国物理学家扎⽐内·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）尝试对这⼀现象进⾏了解释。
在艾萨克·阿⻄莫夫 1956 年的短篇⼩说《最后的问题》中，⼀个叫亚历⼭⼤·阿德尔的⼈在喝了酒之后，对宇宙的能源供应感到⼗分担忧。他的理由是，虽然能量本身是守恒的，但有⽤的那部分能量将不可避免被耗尽。物理学家将这种能带来变化的有⽤的能量称为⾃由能，这种能量是⽤来抗衡熵的量。随着熵的增加，⾃由能减少，变化也就不再发⽣。
在阿⻄莫夫的故事中，醉醺醺的阿德尔希望打败热⼒学第⼆定律，该定律宣称熵不会减少。他⾛向⼀台功能强⼤的⾃动计算机“穆尔蒂瓦克”（Multivac），问道：“如何才能使宇宙的总熵⼤幅度降低？”穆尔蒂瓦克顿了顿，答道：“数据不⾜，⽆法作答。”
你们可能不太知道阿德尔所担忧的热⼒学第⼆定律的具体内容，但是⼋成听说过这条定律的名字。这是我们在婴⼉时期最先学到的事情之⼀：⼤部分东⻄都会损坏，⽽且有些东⻄坏了之后就⽆法再修复。会遭受这种悲惨命运的不只是妈妈最喜欢的杯⼦，你的⻋、你⾃⼰，甚⾄整个宇宙……⼀切事物最终都会损坏，⽽且⽆法修复。
⽣活经验告诉我们，事物的破损是不可逆转的，但是我们在上⼀章才刚刚说基本⾃然规律具有时间可逆性，⼆者之间似乎存在⽭盾。在这种情况下，我们不能仅仅把这种不⼀致归咎于⼈类不可靠的感官，因为我们在许多⽐⼤脑要简单得多的系统中观察到了不可逆性。
例如，恒星在氢分⼦云中形成，它们会将氢聚合成更重的原⼦核，并以粒⼦的形式（主要是光⼦和中微⼦）释放出由此产⽣的能量。当⼀颗恒星耗尽所有原料时，它就会变暗，或者在某些情况下爆发，变成超新星。但我们从未⻅过相反的情况。我们从未⻅过⼀颗暗淡的恒星在吸收光⼦和中微⼦之后将重核裂变成氢，然后再扩散成氢云。⾃然界中像这样的过程⽐⽐皆是：煤的燃烧、铁的⽣锈、铀的衰变，我们从未⻅过相反的过程。
从表⾯上看，这⼀⽭盾似乎⽆法调和。时间可逆定律怎么可能引发我们观察到的如此明显的时间不可逆现象呢？要理解这是怎么回事，需要先明确问题是什么。我刚才描述的所有过程在某种意义上都是时间可逆的，也就是说我们可以从数学上回溯演化规律并恢复其初始状态。
也就是说，问题不在于我们不能将电影倒放，⽽是当我们倒放电影的时候，会⽴⻢发现有些事情不太对劲：满地的玻璃碎⽚跳起来将窗户填满，汽⻋轮胎将道路上的橡胶颗粒吸附得⼲⼲净净，⾬伞上的⽔滴则向上升到空中。数学可能允许这样的过程，但这显然与我们观察到的现象不符。
理论的预期与我们直觉的预期之间存在偏差，是因为我们忘记了解释观测结果所需要的另⼀个要素。
除了演化规律之外，我们还需要初始条件，但并⾮所有初始条件都是同等的。假设你现在需要准备⾯糊，⽤来烤蛋糕。你把⾯粉放进碗⾥，加⼊适量的糖和盐，也许还有⼀些⾹精。然后你⼜加⼊了⻩油，打⼊⼏个鸡蛋，还倒了⼀些⽜奶。现在你开始搅拌，碗⾥的各种成分很快就会变成⼀种平滑的、毫⽆特征的物质。⼀旦发⽣这种情况，⾯糊就不再发⽣变化了。就算你继续搅拌，虽然分⼦依然会在碗⾥来回移动，但平均⽽⾔，⾯糊保持不变。
最终⼀切都混合在⼀起，⽽宇宙的结局差不多也是这样：所有物质尽可能地混为⼀体，总的来说不再发⽣变化。
在物理学中，我们把总体上不变的状态称为平衡态，我们刚刚搅拌好的⾯糊就处于这样的状态。在平衡态下，熵达到最⼤值，换⾔之，⾃由能已经耗尽了。为什么⾯糊会达到平衡？因为这很容易发⽣。如果你使⽤搅拌器，它⼤概率会把鸡蛋和⾯粉搅在⼀起，但不⼤可能将两者分开。即使没有搅拌器，情况也不会有什么不同，因为配料中的分⼦不会完全静⽌，只是需要花费更久的时间。搅拌器起到的只是快进键的作⽤。
其他的过程也是⼀样的：它们⼤概率只会朝⼀个⽅向发展。当破碎的窗玻璃掉落在地⾯上时，它们的动量⼀⽅⾯在地⾯上转化成微⼩的波纹，另⼀⽅⾯在空⽓中转化为冲击波，但地⾯和空⽓中的涟漪不⼤可能刚好以特定的⽅式⾃发地将玻璃碎⽚弹回正确的位置。当然，这在数学上是可能的，但是在现实中概率极低，我们从未⻅过这样的事情。
平衡态是你⼤概率最终达到的状态，同时⼤概率达到的状态⼜是熵最⾼的状态——这就是熵的定义。因此，热⼒学第⼆定律⼏乎只是同义反复⽽已。它仅仅说明，⼀个系统最有可能展现出可能性最⼤的结果，也就是熵增加。之所以说它⼏乎是冗余的，是因为我们可以计算出熵和其他可测量的量（⽐如压⼒或密度）之间的关系，从⽽量化并预测系统逐渐弛豫到平衡态的过程。
这些事情听起来好像稀松平常。
罐⼦的破裂不可逆转，因为罐⼦⾃身⽆法愈合。嘁，这也算得上是重⼤发现？但你如果更加深⼊地思考这个问题，就会意识到⼀个重要问题。只有在不⼤可能回到先前的状态时，系统才会向可能性更⼤的状态演化。换句话说，初始状态⼀定要处于⾮平衡态。你能完成搅拌⾯糊这⼀⼯序的唯⼀原因就是鸡蛋、⻩油和⾯粉还没有达到平衡。你能操作搅拌器的唯⼀原因就是你和你房间⾥的空⽓还没有达到平衡，并且我们的太阳和星际空间也没有达到平衡。
所有这些系统的熵都远没有想象中那么⾼，换句话说，宇宙并不处于平衡态。
为什么呢？我们不知道，但我们给它起了个名字：初始条件假说（past-hypothesis）。该假说认为宇宙⼀开始处于⼀种低熵态，这是⼀种出现概率极低的状态。从那之后宇宙的熵就⼀直在上升，并将继续升⾼，直到宇宙达到可能性最⼤的状态，并且总体上不再发⽣任何变化。
⽬前，在宇宙的某些地⽅，熵依然维持在较低的⽔平——⽐如你的冰箱⾥（实际上，我们的地球整体上的熵也不算⾼）——前提是这些低熵的区域会从其他地⽅获取⾃由能。⽬前地球获得的⼤部分⾃由能都来⾃太阳，有⼀些来⾃放射性物质的衰变，还有⼀些来⾃平凡⽽古⽼的引⼒。我们利⽤这些⾃由能带来了很多变化：学习、成⻓、探索、建设和维护。也许在未来的某个时刻，我们将成功地利⽤核聚变创造能源，这将⼤幅提升我们引发变化的能⼒。
如此⼀来，假如我们能够英明地利⽤现有的⾃由能，就可以尽可能地把熵维持在较低的⽔平，让我们的⽂明存活数⼗亿年。但是⾃由能最终依然会被耗尽。
这就是为什么宇宙在时间上有⼀个前⾏的⽅向——时间之箭指向的正是熵增的⽅向，⽽⾮相反。熵的增加不是演化规律⾃身的性质带来的，因为演化规律是时间可逆的。只是演化规律把我们从⼀个不⼤可能的状态引向了⼀个可能性很⼤的状态，并且这⼀转变发⽣的可能性很⼤。如果要朝向另⼀⽅向发展，那就要让规律把可能性很⼤的状态变成不⼤可能的状态——这（⼏乎）不可能发⽣。
那么为什么我们不会变得更加年轻呢？
涉及衰⽼的⽣物过程以及导致衰⽼的确切原因仍然是⽬前科学研究的⼀⼤主题，但是粗略地说，我们变⽼是因为身体内不断积累着很可能发⽣但不⼤可能⾃发逆转的错误。细胞修复机制不能⽆限制地、完美地纠正这些错误。因此，我们的身体⼀点⼀点地缓慢⽼化——我们器官的运作效率逐渐降低，⽪肤的弹性逐渐下降，伤⼝的愈合速度也逐渐变慢。我们可能会患上慢性疾病、痴呆或癌症。
最终，我们的身体会产⽣⽆法修复的损坏，某个重要脏器完全衰竭，某种病毒击溃了我们脆弱的免疫系统，或是某个⾎栓切断了⼤脑的氧⽓供应。你可以在死亡证明上找到许多不同的诊断，但它们只是细枝末节⽽已。真正杀死我们的是熵增。
本⽂摘编⾃《存在主义物理学》，【德】扎⽐内·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）著，柏江⽵译，中信出版社 2023年6⽉出版。《赛先⽣》获授权发表。转载内容仅代表作者观点不代表中科院物理所⽴场如需转载请联系原公众号
来源：赛先⽣
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