接上一篇文章：對物理學的重新思考，建立時間之箭的現實

一滴墨水在水中散開，它永遠不會自發凝聚成一滴墨水；熱量從熱流向冷，不會自動從冷流向熱；因産生果，不會倒過來。這些都是經驗觀察，說明了時間之箭的順序（方向）。

經典物理學建立在經驗觀察的基礎上，但它認為物理過程是可逆的，并且是确定的。相對論将宇宙描述為四維時空中的一個靜态塊。當我們在每一個新的“現在”中遇到一個新的3D“切片”時，我們就會感知到變化，但就像電影的幀一樣。經典物理學描述了一個世界，在這個世界裡，過去永遠不會消失，未來已經确定，而這兩者都是同樣真實的。宇宙隻是存在，在時空中不變，過去、現在和未來之間沒有根本的區别。

那麼，物理學是如何解釋時間的可逆性的？這是與我們的經驗直覺是相悖的。

牛頓力學

決定論是經典力學的推論。将牛頓力學定律應用于精确定義的初始物理狀态，就決定了所有未來的狀态。牛頓力學是一種基于動量和力的經驗模型。牛頓力學并沒有暗示時間的可逆性。機械能也隻是在理想情況下守恒（忽略摩擦力）。在牛頓力學中，時間隻有一個方向，由機械能的摩擦耗散和勢能的損失來定義。

卡諾定理和熱力學第二定律

19世紀初，工業革命開始了。工廠用煤發電。當時主流的觀點認為熱是一種流體，稱為熱量。就像氣态流體從高壓流向低壓一樣，熱量隻從高溫流向低溫。就像水和空氣一樣，熱量的流動可以被用來做功。

随着工業革命的不斷深入，人們繼續提高蒸汽機的性能。薩迪·卡諾對蒸汽機的效率進行了系統的研究。1824年，他出版了《火的原動力》。在這篇論文中，他得出結論，熱機的理論效率隻與熱源的溫度和散熱器有關。

卡諾認識到，在蒸汽機中，摩擦和不可逆的熱洩漏導緻效率降低。在不了解熱的性質的情況下，卡諾描述了不可逆耗散過程中“功勢（work potential）”的損失。這是後來被稱為熱力學第二定律的基本思想。第二定律通過“功勢”的不可逆耗散來定義時間的熱力學箭頭。

哈密頓經典力學

1832年，威廉·羅文·哈密頓重新表述了經典力學。他把系統分解成點粒子，這些點粒子有質量，但沒有内能。哈密頓将熱解釋為系統中粒子的機械能。焦耳後來通過一系列實驗證實了熱能和機械能的等價性。1850年，魯道夫·克勞修斯發表了熱力學第一定律，正式确立了總能量守恒，其中包括機械能和熱量。

哈密頓力學認為熱是微觀的機械能，因此熱力學第一定律是指機械能守恒。由于沒有功勢的耗散，任何過程都可以在不增加功的情況下逆轉。這就是熱力學可逆性的定義。哈密頓力學将熱力學可逆性确立為物理學的基本性質。這使得熱力學第二定律成為觀測的經驗定律，而不是基本的物理定律。

經典統計力學

熱力學的不可逆性對哈密頓力學的可逆性提出了挑戰。哈密頓力學不承認環境熱的耗散是基本的物理性質。物理學根據熵的增加而不是耗散重新定義了第二定律。

路德維希·玻爾茲曼試圖通過将熵定義為“無序性”來調和熱力學和哈密頓力學。他用“微觀狀态”的數量來定義無序。微觀狀态精确地描述了系統的底層物理狀态。他把熵的增加描述為最初大量的有序粒子的分散和變得無序的統計趨勢。

統計力學将熵的增加解釋為系統從低概率走向高概率的趨勢。如果我們從一個低概率狀态開始，熱力學時間箭頭統計上指向更高的概率。以台球為例，開球前，台球整齊地排列在三角形中，這種情況隻有一種（有序）；但當它們分散在桌子上時，我們稱之為“無序”，這種分散的狀态有很多種。如果無序的所有可能的排列都是随機的，并且是等概率的，那麼無序的概率就會比有序的概率高得多。

物理學将熵解釋為一種信息屬性和一種測量觀察者對系統精确狀态的無知。熵的增加是由于确定性混沌導緻的小測量誤差和不确定性的放大。

上面的分形圖是确定性混沌。它是由一個簡單的函數創建的，它确定地為每個點分配一個顔色。該函數可以将相鄰的點映射到非常不同的顔色，無論距離有多近，這就創建了一個有無限細節的分形圖像，無論放大程度如何。

統計力學将熵的增加歸因于系統初始狀态的不确定性的放大。然而，對于完美的測量，不存在初始不确定性。一個精确定義的狀态會确定性地演變成另一個确定的狀态，不确定性或概率不會不可逆轉地增加。

理論上，一個完美的觀測者能夠精确地測量和操縱粒子。這就是麥克斯韋惡魔背後的思想，它可以操縱氣體分子來減少熵，而不需要做額外的功，也不違反任何物理定律。統計力學認為熵是對觀察者不确定性的一種度量，但不是一種基本的狀态屬性。它認為熱力學第二定律是一個有效的經驗原理，但不是一個基本的物理定律。

• 麥克斯韋惡魔

超越經典力學

随着20世紀早期量子現象的發現，經典力學定律對非常小的粒子失效的事實變得清晰起來，需要一個新的理論。量子力學通過薛定谔波函數定義量子微觀狀态，它描述了系統中所有可測量和可知的東西。

單個量子的測量依賴于特定的實驗設置，但是量子力學通過對所有可能的實驗設置的總和來定義波函數。

當放射性粒子最初被制備時，波函數将其描述為未衰變的确定狀态。制備後的放射性粒子的單個測量結果本質上是随機的（有時衰變，有時未衰變），但量子力學确定地定義了波函數，将其定義為所有潛在可測量狀态的無限疊加。一個疊加的波函數定義了測量的概率，但是這個概率和波函數本身是确定的，并且它們的變化遵循确定性的規則。然而，在觀測時，疊加的波函數随機“坍塌”為一個觀測結果。波函數和量子微觀狀态的确定性，但測量結果的随機性，描述了量子力學的測量問題。

形而上學的意義

波函數和量子微态的定義是可逆和确定的。然而，底層物理狀态是否可逆和确定，是一個有争議的問題。哥本哈根解釋出現于20世紀20年代，至今仍是主流的解釋，它遵循經典力學，假設量子微觀狀态是基本物理狀态的完整描述。因此，波函數微觀狀态的可逆性和确定性意味着物理狀态也可逆和确定性地演化。

薛定谔試圖通過“一隻貓的實驗”來說明哥本哈根解釋的荒謬性。一開始，系統的波函數描述了一隻與放射性粒子在一起的活貓。一段時間後，它描述了貓是死是活的概率。波函數是時間的确定性函數。如果貓與外部隔離，那麼通過波函數的完備性，貓也會确定性地進化，從一個确定的活貓狀态進化到一個疊加的活貓狀态。在觀察中，疊加的貓要麼變成觀察到的死貓，要麼變成活貓。薛定谔否定了貓疊加的可能性，他提出這個實驗來說明哥本哈根解釋的荒謬性。

哥本哈根解釋接受疊加狀态，當系統的孤立性被打破時，它将疊加狀态的坍塌歸因于外部交互的影響。外部交互包括測量或觀察。

宇宙沒有外部環境，也沒有外部的相互作用，所以不可能有坍塌。休·埃弗雷特利用這一想法提出了另一種解釋，避免了疊加貓的可能性。從本質上說，他的“多重世界解釋”認為，所有可能發生的事情都發生在宇宙的不同分支中。在一個分支中，薛定谔的貓活了下來，而在另一個分支中，它死了。即使是我們，作為觀察者，也有分支。我們感知到随機波函數的坍縮，但從整個宇宙的客觀角度來看，沒有随機選擇，宇宙是确定性地進化的。

超決定論是另一種解決波函數坍塌的方法。超級決定論隻不過是決定論對非分裂宇宙的應用。測量和波函數坍縮的結果對我們來說隻是随機的，因為我們不知道的隐藏屬性決定了測量結果。超決定論暗示，宇宙的整個曆史，甚至包括我們自己的思想和選擇，都是在時間開始時決定的。否定超級決定論和斷言物理随機性的代價是巨大的。如果我們否定超決定論，承認物理随機性，就需要用物理的确定性定律來解釋物理狀态的随機性。

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