熵永远不会衰减

Leonard Susskind　李奥纳特·苏士侃

弦论创始人之一，斯坦福大学理论物理研究院主任，著有《黑洞战争》（The Black Hole War）。

“你最心仪的那个深邃、美妙而优雅的科学理论是什么？”对一位理论物理学家而言，这真是个棘手的问题。理论物理学包罗了世间所有深邃、美妙而优雅的科学理论，并且世间还有许多阐释与解答等待着从理论物理学中甄选出来。

就我个人而言，我所钟爱的阐释与解答都能以小明大、见微知著。在物理学中，这相当于一个简单的方程式或是一个非常普通的原理。但我必须承认，世上还没有任何一个方程式或原理能够与达尔文的进化论并驾齐驱，它是以自私基因的机制来呈现的。在我看来，达尔文进化论拥有无可匹敌的物理学阐释，它具有一种精确的必然性。其实，有很多人能比我更好地解释进化论，所以我还是坚守在我最擅长的领域里吧。

作为一名物理学家，指引我的启明星是路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）的热力学第二定律。这个定律指出，熵永远不会衰减。对19世纪末的物理学家们来说，这条定律完全就是一个悖论。大自然里的不可逆现象比比皆是，事物总是那么轻而易举地就发生了，但绝无可能逆向反转。然而，物理学的基本法则却完全可逆：牛顿方程式的任何解答都能够反向计算，并且其经过反向计算后仍然是一个成立的答案。因此，如果熵增加了，物理定律会得出熵也必能降低。但实际经验则否定了这个结论。举例来说，如果你看到电影里有反向进行的核爆炸，你很清楚这都是假象。作为一条法则，天地万物只能按一个方向前行发展，不会反向而行。熵在增加。

玻尔兹曼意识到，作为热力学第二定律的熵永远不会衰减和牛顿的万有引力定律或法拉第的电磁感应理论截然不同。玻尔兹曼第二定律是一条概率性定律，它与下面这个情况类似：如果你掷硬币达到100万次，得到硬币正面的次数不会也是100万次。显而易见，这根本不会发生。但它可能会发生吗？答案是肯定的。这并没有违反物理学的任何一条法则。它真的可能吗？实际上根本不可能。玻尔兹曼第二定律的构想与上述状况非常相似。不是说熵不会衰减，而是强调熵很有可能不会衰减。但如果你在一个封闭的环境里待了足够久，你最终将看到熵的确衰减了下来，这就像在非常偶然的情况下，粒子与灰尘会集合在一起，并形成一个组装好了的炸弹一样。这需要多长时间？根据玻尔兹曼的原理，答案是炸弹爆炸时所产生熵的指数。这是一个相当漫长的时间，远比连续掷100万次硬币的时间还要长。

我给你举个简单的例子，虽说两种情形的可能性都存在，但其中一种的可能性远远大于另外一种。假设我们来到一座高山的山顶上，这山顶非常狭小，如针眼一般。接下来，假设一个保龄球被放在这个针眼般的山顶上，一阵微风袭来，保龄球从山顶上滚落下来，最后你在山脚下接到了球。再然后，我们逆向反转一下：保龄球离开你的手，又滚向了山顶，以无限的精准性到达了山顶，然后它停住了！这有可能会发生吗？答案是肯定的。但实际上这真的可能吗？绝对不可能。你必须有近乎完美的精准性才能保证把球放在山顶上，更不用说还能让球在山顶上保持绝对平衡了。以上这个例子同样适用于解释炸弹那个例子。如果你能够以足够的精确性让每个原子和粒子进行反向扭转，那么你也可以让爆炸物重新再自行组装起来。但只要有一个单一粒子在运动过程中存在微小的误差，你就会功亏一篑。

接下来是另一个例子：把一滴黑墨水滴到一缸水里。墨水慢慢弥散开来，最终让这缸水变成了灰色。这缸灰色的水最终能否净化，然后又成为一小滴墨水呢？这不是不可能，但可能性相当小。

玻尔兹曼是理解第二定律统计基础的第一人，也是第一个清楚自己的构想存在不足的人。假设你来到一个水缸前，这水缸的水是自盘古开天辟地之时便注入的，且一直未被外界干扰。你注意到一个奇怪的事情，水中有一团墨水。你可能最先问的一个问题是：“接下来会发生什么？”答案是这团墨水肯定会扩散。出于同样的原因，如果说在你发问的这一刻之前，最有可能发生了什么，答案还是与之前的一模一样：这团墨水可能之前会比现在还要弥散。针对这个现象最可能的阐释与解答应该是：一个散开的墨水滴仅仅是一个瞬间的波动。

事实上，我认为你根本得不到上述结论。一个更为合理的解释是：不知为何，水缸在不久之前被注入了一滴墨水，墨水随之扩散开来。理解墨水和水缸里的水同走一条“路”，构成了“初始条件”（initial condition）的问题。究竟是什么让墨水在初始阶段就浓缩在了一起？

在回答熵为什么会增加这个问题上，水和墨水起到了类比的作用。熵增加的原因在于它拥有增加的可能性，但是方程式则会表述为：熵也可能朝着过去的方向增加。为了理解这种方向感，就必须问一个玻尔兹曼曾提出的问题：为什么熵在开端时非常小？究竟是什么以一种如此特别的低熵方式创造了宇宙？这是一个事关宇宙论的问题，而我们人类目前仍然不得其解。

在这篇文章里，我用自己最心仪的科学理论来开篇，又用自己最钟爱的未解之谜来结尾。抱歉我没有循规蹈矩，但所有睿智的解释皆如此。解释得越好，随之而来的问题就越多。