一个基本的物理学矛盾

物理定律的不兼容性

为什么在自然界中发生的过程只能朝一个方向发展？例如，为什么我们不能让一杯放在冰箱里的咖啡变热，或者阻止一滴墨水在水中自发扩散？

这是困扰了许多代物理学家的问题，它源于物理定律的不兼容性，特别是那些主导宏观系统与微观系统行为的定律之间的不兼容性。宏观系统可以用肉眼看到，它们由大量原子和分子组成。微观系统则代表了一个截然不同的世界，我们看不见，但其中每个原子或分子的行为都可以被描述。

物理学家可以简单地解释为什么宏观系统的过程无法自发地逆转。这归结于热力学第二定律，其核心是宏观系统的能量性质。这则定律提供了一个标准，通过熵的概念，也就是衡量物质秩序的一种标准，预测自发过程的方向。

举个例子，液体比晶体的有序性更低，而气体的有序性则还要低一些。更热或更分散的物质的熵更高。简单来讲，熵总是增加的，系统在自发的进程中总会变得更无序，除非我们提供能量，否则它们就无法倒退。

但在观察构成微观系统的单个原子和分子时，却存在一套不一样的物理定律。但它们并不能解释这个系统中的过程一定会往什么方向发展。

物质和过程是一样的，从宏观角度和微观角度进行研究时，结果却有可能出现矛盾。这显然是一个问题。

近日，在一篇新论文中，物理学家Emil Roduner和Tjaart Krüger认为他们找到了一种解决这个难题的办法。答案的关键在于区分两种类型的可逆性，分别是时间可逆性（time-reversibility）和热力学可逆性（thermodynamic reversibility）。

平衡和梯度

我们可以想象一个理想钟摆。它在不存在摩擦的情况下可以一直来回摆动。如果这种运动被记录下来，然后被倒放，它看起来没有任何区别。这就是一个时间可逆的过程，钟摆的运动在时间反演（即时间的逆转）上是对称的。

但是，从一杯热咖啡中散失的热量永远不会流回去。热量不可避免地从热咖啡流进了较冷的空气中，当咖啡和周围的空气具有相同温度时，热流便停止了。这个最终状态被称为平衡。由于它不像钟摆那样可以被反转，所以这个过程是时间不可逆的。如果倒放它的录像，看起来就极不自然。这种最终达到平衡的自发过程方向就是著名的时间之箭。

另一个概念是热力学可逆性。热耗散就是一个例子，它是由热梯度驱动的，总是从较热的地方到较冷的地方。事实上，所有自发过程都由某种类型的梯度驱动，无论是温度、浓度或是压力差。这些过程沿着梯度“下坡”发展，从较高温度到较低温度，从较高浓度到较低浓度，或者从较高压力到较低压力。梯度提供了过程的驱动力。宇宙中任何由某种梯度驱动的过程在热力学上都是不可逆的。

梯度支配着小型和大型系统中事件的进程。地球接收来自太阳热表面的辐射能量，并以更低的温度将能量耗散到宇宙的冷背景中。生命过程，包括植物、动物和人类，以及其他生物，也是由梯度驱动的。它们的能量来源最终都可以追溯到来自太阳的微小光包——光子。所有的生物都以较冷的光子的形式消散能量，最终都会被释放到外太空中。

分子的“记忆”

两位物理学家认为，目前问题的实质在于，我们通常默认热力学不可逆和时间不可逆具有相同的概率起源，这在很多情况下是事实，但并非一定如此。两种可逆性实际上有着本质的不同。

时间可逆性和熵梯度没有任何关系。简单来说，它是关于“记忆”的。如果所有的分子都能“记住”它们在每个时间点上的位置和运动速度，从而使每个分子的运动都能被逆转并恢复到初始状态，那么这个过程就是时间可逆的。如果一个系统不是特别大，这种过程已经可以被现代计算机模拟出来。随着计算机技术的发展，越来越大、越来越复杂的系统可以在其单个原子和分子水平上被描述出来。

也就是说，微观和宏观系统之间明显的不兼容性与系统大小无关，而是与过程的类型有关，以及这一过程是否抹去了分子的“记忆”。

两种类型的可逆性有着本质不同，时间之箭可以被分成达到热平衡状态的耗散之箭，以及导致时间可逆性丧失的热化之箭。｜参考来源：Roduner & Krüger (2022)

在热（或者更广泛地说，能量）的例子中，用于合成一个糖分子的能量大小，在这个分子为我们体内的一个过程提供燃料，并衰变为其最初的组成分子时会被释放。这是热力学的观点，但它忽略了时间的方面。

如果合成分子需要5分钟，这并不意味着这个分子在5分钟后也会衰变。我们无法预测分子衰变的确切时间，因为衰变过程受到了单位时间内一定概率的支配。而且，重要的是，概率过程从来都不是时间可逆的，因为它们并不包含对更早期状态的记忆。对概率过程的完整描述需要考虑到能量和时间两个方面。

在这个例子中，糖分子的合成和它们的衰变都是热力学不可逆的过程，因为必须注入大量能量才能逆转它们。但这与涉及“记忆”的时间可逆性截然不同。也就是说，在这种情况下，热力学可逆性和时间可逆性并不具有相同的起源。

两位物理学家相信，这两种类型的不可逆性的平稳过渡将为一个统一的理论铺平道路，而这个统一理论能够基于一套单一的原则来描述所有物质状态和过程。这正是科学家所期待的。

#创作团队：

原文作者：

Tjaart Krüger（比勒陀利亚大学生物物理学副教授）

Emil Roduner（斯图加特大学教授）

编译：Gaviota

排版：雯雯

#参考来源：

https://theconversation.com/unpacking-a-mystery-of-physics-why-processes-in-nature-operate-only-in-one-direction-177556

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0370157321004038

#图片来源：

封面图：Pixabay

首图：Pixabay

关键词：一个基本的物理学矛盾物理定律