陈丽霞-时间为何只前进不后退

时间为何只“前进”不“后退”陈丽霞倪成俊（浙江师范大学数理与信息工程学院物理082班08180203 0222）摘要有很多的物理学基本定律都指出事物是具有对称性的。

时间同样有着对称性，就像《哈利波特与阿兹卡班的囚徒》中的时间器，可以把现在的人带到过去或者是未来。

但这些都知识科幻片的剧情而已，我们从来没有在现实生活中出现过时间的逆转。

这就是我们要来探索的内容——量子力学的“健忘症”。

从爱因斯坦的相对论引出时间确实具有对称性，即时间可以前进也可以后退。

通过量子力学的角度剖析时间箭头只有一个方向。

正是这种量子力学的“健忘症”忘记了时间后退所留下的痕迹。

关键词时间相对论熵热力学第二定律牛顿力学量子对称性 K介子双生子佯论1、引言物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）在美国科学促进会（American Assoc iation forthe Advancement of Science）的年会上作了关于时间之箭（the arrow of time）的报告，很多科学家对他的时间之箭很感兴趣。

简单地说，时间之箭是指：我们能记住过去但是我们不能记住未来，而且这是一个不可逆的过程。

很显然这与“相对论和量子力学共同建立混沌暴胀宇宙模型”中时间即可向前也可往后的理论相违背。

我们运用热力学第二定律熵增加原理和量子化了的宇宙空间来解释这个问题，同时对于没有解决的一些难题，我们也提出了自己的猜想。

1.1时间之箭时间一直以来都是困扰历代诗人、作家、哲学家以及科学家的问题。

它给人带来神秘感和恐惧感，因为时间是我们所不能控制的，我们总感觉是时间支配直我们的存在。

我们没有看见过一个人从坟墓中出来慢慢变年轻然后进入母亲肚子中的，也没有看见过一家店内部一团混乱然后玻璃门破碎最后一只牛冲进了店里。

这种客观感觉上不可能发生的事在空间上是绝对不可以的，但对时间而言没有人知道它可不可以。

正是时间的这种与常理相违背的事或者是时间的不可预知性才让我们感到恐惧。

1.1.1时间时间在文学、文化、哲学、科学等方面都有着不同的见解。

对牛顿力学、爱因斯坦相对论、海森堡和薛定谔的量子力学而言，不论时间的方向，这些理论都是可以成立的。

如果硬要说成时间是单向行驶的反倒有些过意不去，只能说这是人的心理作用引起的。

时间在文人的笔下显得是那么的美，充满诗情画意。

古波斯诗人奥玛·马央姆（Orar Khayysm）的冥思，在费兹哲罗（Edward Fitzgerald）的意译中得到真谛：不停前移的手指写字，字一写完就向前去；不管你多虔诚多聪明它也不会回来改半句。

时间的最后胜利者则是死亡，正如爱丁顿所说：“在属于内心和外界的两种经验之间搭任何桥梁，时间都占着最关键的地位”。

文化时间确定了时间的有向性。

根据潮水、冬夏二至、季节、星辰的循环往来，这些现象使得许多原始社会尤其是中美洲的玛雅人都把时间看作一种基本上不断循环的有机节奏。

而他们把这种自然的循环与时间联系在了一起，他们认为时间也是循环的，也就有了一天白天黑夜的循环，一年365的循环。

哲学时间中波尔兹曼（Ludwig Boltzmann），牛顿，爱因斯坦都对时间进行了一定的讨论。

波尔兹曼认为最平常的东西一到哲学就变成了不可解决的难题，哲学对逻辑有很高的要求。

牛顿的运动数学表达式使得真正“科学时间”的诞生。

牛顿的时间是绝对的，所有的任何事件都在空间里有个一定的位置，都发生在时间里某个特定的时刻。

在牛顿力学中，不论时间是前进的（0>t）还是后退的（0t）牛顿的方程式都是成立的。

爱因斯坦惊人的相对论对时间的单向性能>使我们知道它的整个过去和未来。

但是，哪个方向是指向将来的，哪个是指向过来的我们并不知道。

时间总是困扰着我们，而量子力学的出现给继续寻找时间方向的依据。

量子力学统治原子分子世界，在这些微观领域中我们看似得到了时间之箭。

长寿K 粒子以及量子论中的测量都是难解之谜。

从这两点中我们似乎能见到时间的量子箭头。

量子力学与爱因斯坦的相对论是不相容的，或许有一天我们可以找到两者之间的联系点，运用量子论和相对论真正解决时间箭头的方向。

1．1.2时间之箭时间之箭的概念英国天体物理学家爱丁顿（Arthur Eddington）在1927年首先提出来的。

旨在说明时间的行走就像是一根向前走的箭一样，它是具有方向性的量。

正是因为时间之箭的出现说明了我们不可能从一个整齐的办公室出去，一段时间后回来办公室却看见所有的一切都变得乱七八糟的。

1.2时间、热力学第二定律与量子力学量子力学当中的海森堡不确定性、爱因斯坦的相对论、牛顿力学等理论说明时间的方向是无关紧要的，但是热力学第二定律却体现说时间并不是混沌的，它是具有方向的。

这让我们对热力学第二定律充满了好奇。

1.2.1热力学第二定定律热力学第二定定律主要是说不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。

这句话是说，物体的机械能可以100%地转化为内能，比如粗糙水平面上的运动物体最终会停下来，那么它的动能就100%的转化为内能了。

但是，内能是不能100%的转化为机械能，而不引起其他变化（即不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功）。

例如，燃料在内燃机中燃烧，内燃机利用这些内能来做功，使汽车运动。

但是，内燃机永远都不可能做到将燃料燃烧释放的内能100%的转化为汽车动能。

总之，在不引起其他变化的情况下，机械能能够完全转化为内能，但内能不能完全转化为机械能。

这表明，能量转化是有一定方向的。

为了能表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，我们引进了熵。

熵是由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出的。

在一个系统当中能量的分布越均匀熵的值就越大。

但是究竟熵和量子力学又有什么关系呢？原来波尔兹曼将熵定义为是一种特殊状态的概率：原子聚集方式的数量。

可精确表示为：S=K㏑WK是比例常数，现在称为波尔兹曼常数。

在量子力学当中，这种概率某一程度上表现为海森堡的不确定性，也可以理解成事一个事件发生的概率。

1.2.2熵增加原理熵增加原理：在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵的不断增加的方向进行，这就是熵增加原理（principleof entropy increase）。

熵增加原理是热力学第二定律的又一种表述，它比开尔文、克劳修斯表述更为概括地指出了不可逆过程的进行方向；同时，更深刻地指出了热力学第二定律是大量分子无规则运动所具有的统计规律，因此只适用于大量分子构成的系统，不适用于单个分子或少量分子构成的系统。

由此说来，我们不妨假设用能量的该变量代表事件的发展形式，而事件的发展又可以说明时间的方向问题，利用熵增加的原理来说明一个事件的不可逆性，从而确定时间的方向。

2、时间的双向性2.1狭义相对论基本内容2.1.1狭义相对论的两个基本原理1.相对性原理对所有惯性系，物理规律都是相同的。

2.光速不变原理在任何惯性系中，光在真空中的速率都等于同一数值C。

这两点是爱因斯坦狭义相对论中的基础，如果脱离了这两点，我们下面的结论会比较难证明。

2.1.2狭义相对论的同时性因为不论在s系还是在,s系，光速都是不变的所以,s系看到：闪光同时到达 A 、B 壁。

s系看到：闪光先到达 B壁，后到达A 壁。

设：光到达A为事件1，光到达B为事件2对,s系：两事件是同时发生的，对s系：两事件并不是同时发生的。

既“同时”是相对的。

对于有因果关系的关联事件（如：发送与接收，出生与死亡，栽种与收获等）必有)(>-因果tt。

这是物质运动速度及信号传播速度不能大于光速的必然结果。

2.2时间的延缓效应为简明起见，假设某一过程发生在 约定坐标系的 ,s 系原点，而且，当两坐标系原点重合0,==t t 时过程开始 。

到过程结束时，,s 系测得所经历的时间为固有时间,t ∆=τ，原地结束0,=∆x ，s 系观察此过程在x 处结束，所经历的时间为非固有时间t ∆=0τ。

其中位移t v x ∆=∆量子力学也如牛顿力学一样有适用的范围？究竟是经典的理论出了问题还是这也像双生子问题一样是一个佯论。

下面我们就来解释这个问题。

3、时间的双向性前面我们说明了时间的向前性，那么时间是否可以后退呢？我们是否可以回到过去呢？其实这个问题一直困扰着很多科学家，如果我们真的可以回到过去那就是太奇妙了，很多历史问题都会因为时间可以倒退而得到解决。

许在未来我们可以实现吧，现在的我们只可以臆断一下这个问题了。

3.1熵、量子力学与时间的关系在一个由大型物体构成的世界，不断提高的熵伴随着热量流动出现，热量总是从高温物体传向低温物体。

此外，熵的变化也可以被描述为一种信息流动：系统内的熵越高，所包含的信息就越少。

在量子世界，当在更大程度上与外部世界纠结在一起时，一满盒粒子将在熵增加的同时失去信息。

在外部观察这个盒子的人可能在更大程度上与之纠缠在一起。

这种纠缠涉及到粒子所含信息的流失，提高了观察者获取的信息量。

在这种情况下，熵的不断升高以及热力学第二定律可能只是一种假象，一种量子力学产物。

对于时间箭头的存在，量子力学给了我们饶有兴趣的启示。

如我们将会看到的，它认为时间的流逝是由某种非常简单的事情决定的：即我们自己对于变化的观测。

它揭开了原子世界的奥秘，显示了有一种极其微小的粒子（长寿K 介子），其存在表示时间是不可逆的。

比较厉害的量子力学的测不准。

现代物理认为，正是由于我们的意识干预了一个由时间对称定律支配的时间，导致了时间方向的出现，在知识的获取中就会因为任何测量仪器本身蕴含的一个不可逆的过程而变得自相矛盾。

如果我们想了解关于一个时间可逆的客体的任何知识，无论是在仪器水平还是我们自己的感官机理水平，我们都无法回避测量的不可逆过程。

因此在经典力学中的大成功，在量子力学中的情况则截然不同。

量子理论的结构明确表示，在我们对自然的基本描述中必须包含测量。

因此，我们现在拥有1个不可约的2元性：一方面是时间可逆的薛定谔方程，一方面是波函数的坍塌。

玻尔回避了基本问题：何种动力学过程造成了波函数的坍塌。

而罗森菲尔德清醒的意识到了哥本哈根诠释的局限。

他认为，这仅仅是第一步，下一步应是给测量仪器的作用一个动力学解释。

后面探索太复杂了。

3.1.1熵增加原理熵增加原理：在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵的不断增加的方向进行，这就是熵增加原理。

3.1.2熵与时间的关系我们知道在热力学第二定律中，熵是只会向高的地方运动的，就是我们所说的熵增加原理。

也就是说我们的熵只会像高的地方变化，也就是像单一的方向运动。

就像我们所感觉到的时间一样，时间只向前运动。

虽然科学家们在时间之箭的来源方面并未达成完全一致，但大部分科学家认为时间之箭与熵有关，也就是热力学第二定律所要求的事物不断增长的失序。

随着时间的推移，在与外部影响隔离的任何系统中，失序会增加。