當看到這個标題時，可能很多小夥伴以為要講相對論了，但你要知道，這個問題還可以從另一個角度來解釋。

先來看一個動畫。

你能發現這個動畫有什麼特别之處嗎？

顯然，這個動畫的過程是違反生活經驗的，煙霧總是不斷擴散開來，而不可能自動聚集，所以上面的動畫肯定是倒放的。

下面這個過程才是真實的，煙霧顆粒不斷向四周擴散，符合觀察經驗。

以上是我們所有人在日常觀察中形成的觀念。我們都相信：擴散是自發的，而重新聚集是不可能的。

那麼，從物理學的角度，如何解釋這個問題呢？

物理學認為，如果存在一種辦法，能消除一切由原過程造成的影響，使系統完全複原，那麼該過程可逆；若無論如何都無法使系統複原，并使原過程造成的對外影響完全消除，那麼該過程不可逆。

而實踐表明，煙霧顆粒一旦擴散，不可能重新反向聚集而複原。

所以，擴散過程不可逆！

然而，為什麼擴散不可逆呢？

擴散現象是由包含大量微觀粒子的宏觀體系所經曆的。在物理學中，這種體系屬于熱力學系統。根據分子運動能，熱力學系統内部大量分子在永不停息的做無規則熱運動。

既然是無規則運動，顧名思義，你沒辦法去規定每一個分子的運動情況，也就無法讓每個分子都回到初始狀态，所以你也無法讓系統複原。

即使你是上帝本人也不行，你沒那麼多手、眼睛和腦子去命令那麼多分子各個都按照你的指令來行動！換句話說，隻要是大量粒子——比如阿佛加德羅常數個粒子，你就隻能任憑它們混亂運動了。

推而廣之，不僅擴散過程，凡是包含有大量個體的體系所經曆的任何過程，一旦發生，沒有任何過程能使之複原。換句話說，一切宏觀體系經曆的實際過程都是不可逆的！

簡言之，一切宏觀過程不可逆！

溫馨提示：“宏觀體系經曆的實際過程”經常被簡稱為“宏觀過程”。

宏觀體系的這種一去不複返的特點，給人以時間流逝的體念。因此不可逆性表明時間是單向流動的，就像射出去的箭，有去無回。

李白的《将進酒》的頭兩句：“君不見，黃河之水天上來，奔流到海不複回。 君不見，高堂明鏡悲白發，朝如青絲暮成雪”，深刻的道出了這種時間之箭的不可逆性。

那麼，這背後起作用的是什麼物理規律呢？答案是：熱力學第二定律。

熱力學第二定律有兩個版本，其中克勞修斯提出的版本說：熱不可能自動的從低溫物體傳到高溫物體而不産生其他影響。

你可能會問：這裡說的隻是傳熱過程的不可逆性啊，又怎能說明一切宏觀過程都不可逆呢？

的确，熱力學第二定律的表述有點奇葩，它的兩個版本都是針對具體的現象來闡述的。這在物理規律中是很少見的。

這看起來好像挺不合理的，有點像張天翼的通話故事《大林和小林》中的法律條文那樣，它的第三萬八千八百六十四條規定：皮皮如果在地上拾得小林，小林即為皮皮所有。

然而，對熱力學第二定律來說。雖然它的表述看起來缺乏一般性，但卻是合理的。因為，所有的宏觀過程的不可逆性是相互等價的！

換句話說，隻要你承認一種宏觀過程不可逆，那麼所有其他的宏觀過程也都不可逆。例如，從“熱傳導的不可逆”可以推出“功變熱的不可逆性”，反之亦然。

所以，說某個宏觀過程不可逆，等于就說所有宏觀過程不可逆。正因為這樣，克勞修斯表述也好，開爾文表述也好，甚至千千萬萬個其它表述也好，實際上都表明了一個基本事實：一切宏觀過程不可逆。這正是熱力學第二定律所要說的事。

當然，如果你又問：熱力學第二定律是怎麼來的呢？

答案是：它是一條物理學的基本假設，是從物理實驗和經驗中總結出來的，并接受了充分的檢驗，所以是正确的。

如果從微觀的角度去探究熱力學第二定律，你會發現，它可以通過另一個物理概念來解釋，它就是熵！但這樣，你會面對另一個假設——等概率假設。

等概率假設告訴我們，對任何宏觀體系，它所包含的微觀态都以相同的概率出現。因此，對宏觀體系的某個狀态(即宏觀态)來說，它所擁有微觀态數越多，它出現的機會就越大。

所謂微觀态，指系統内全體成員的一種具體的分布。

打個比方，30個人正圍在一個正方形湖的邊上看風景，這是一種宏觀态。而30個人分别在什麼位置，對應一種微觀态。例如某時刻，東邊3個，西邊8個，南邊10個，北邊9個；而另一個時刻，東邊10個，西邊2個，南邊8個，北邊10個。這些不同時刻的分布就是一個個微觀态。

玻爾茲曼認為，所有的微觀态都是平權的，一個宏觀态總是以相同的概率遍曆它所擁有的所有微觀态。因此，擁有的微觀态數量越多的宏觀态，出現的概率越大。

這使得，任意宏觀體系在變化時，它總是朝着微觀态數更多的方向演化。

基于這個微觀态數 ，玻爾茲曼定義的熵 為 根據此定義，熵與微觀态數正相關，因此，熵越大的宏觀态出現的機會越大。換句話說，變化中的系統，總是朝着熵增大的那個方向演化，這就是熵增加原理。

因此，熱力學第二定律對宏觀過程的不可逆性的約束，也可以理解為是熵增加原理的作用。換句話說，熱力學第二定律本質上就是熵增加原理。

好了，現在知道了，宏觀現象不可逆，這是受一條物理定律支配的結果。

那麼，可逆過程呢？是不是不存在可逆過程呢？倘若真如此，那這個詞語不是多餘的嗎？

答案是：一般來說，對宏觀體系，可逆過程隻在理論上存在，那就是無耗散的準靜态過程。說的直白一點就是：沒有摩擦力的、進行的無限緩慢的過程。不過，這個話題扯得有點遠，本文暫且按下不表。

但若你關注的不是宏觀體系，實際上，可逆過程是存在的！

那麼問題就來了，不是宏觀體系的體系是什麼樣的？

隻要體系不存在微觀組份，或不需要考慮它是由大量微觀粒子構成的事實，那麼該體系就不是宏觀體系。

例如，若是少數幾個粒子，或者一個沒有内部結構的質點或剛體，那麼它就不是宏觀體系，它的運動就是可逆的。

當你觀察一個蹦來蹦去的跳蚤時，它的運動看起來也是可逆的，因為你沒有關注它體内的能量消耗的細節，它在你眼裡就是一個沒有結構的質點。

實際上，牛頓力學中的一個質點或者剛體，如果我們将它的運動過程拍成影片，然後倒放，你不會産生什麼特别的感覺。

就像下面的這個，是否倒放？你無法知道。

或者像下面這種，你大概也不會懷疑視頻是不是倒放的。

同樣，受電磁力作用的帶電粒子的運動若反向進行，你也不會覺得有什麼不妥。

更别說光學，既然光路可逆，那光反射回來，絲毫不差，若把它當作入射光有沒什麼問題。

這意味着，在這些情況下，你無法意識到時間到底朝那個方向走——因為正反方向對你來說沒有孰優孰劣，都是合理的。若你全神貫注的觀察這些現象，可以體驗到一種時間倒流的錯覺。

所以，質點或帶電粒子所經曆的過程都滿足時間反演不變性，這一點你可以從那些著名的方程中窺見。例如，牛頓方程、電磁波的波動方程中，若時間反号，方程保持不變。 我們經常說，力是改變物體運動狀态的原因。若沒有外力，質點的運動狀态不會變化。這說明，質點不會自發的改變狀态，正因為它不能自發的改變，所以它經曆的過程也無所謂方向——你想要它咋的，它就咋的，它本身沒有任何傾向性。

但宏觀系統則不同，你不作用它，它也會自發的沿着一個方向變化！換句話說，它根本不需要接受什麼指令，它有它自己的選擇！如果你想改變它的行進方向，那你就要付出額外代價。

當然，你可能會說，那個蕩秋千的實驗中，由于受到阻力，擺動的幅度隻可能越來越小，如果發現影片中它的擺幅越來越大，那肯定是不合理的，因此能判斷此時影片是倒放的。

沒錯！但上面這些例子沒有涉及擺幅的變化。也就是說，摩擦阻力很小或可忽略。

摩擦阻力是什麼？是一種耗散力，它做功會導緻熱的産生。所以隻要考慮了摩擦力，那就涉及到熱學了，就不再是純粹的牛頓力學、電磁學和光學了，其過程不再具有可逆性。而相反，隻要沒有涉及到熱學，一切過程倒過來不會有什麼問題。

實際上，按照前面所說，凡是由大量微粒組成的系統，就是一個宏觀系統，或者說熱力學系統。而摩擦力涉及接觸面處的大量微粒的相互作用，所以摩擦力做功本身就是一種宏觀的熱力學過程。

總之，隻要是大量粒子組成的體系，必然導緻熱現象，所經曆的一切過程都是不可逆的。無論生物還是非生物，都是如此。

現在你知道了，你周圍的一切，包括你自己，為什麼不能回到過去？

簡單的說，因為你和你看到的那些東西都太大了！如果你能縮小到幾個分子那麼大，你就可以随意回到過去。但那樣的話，你的結構太過簡單，不要以為你會變成一隻麥克斯韋小妖，因為你将無法思考，也無事可做。

END

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不代表中科院物理所立場

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來源：大學物理學

編輯：荔枝果凍

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