除了前面讲的那些描述世界基本构成的重要理论之外，物理学另有一座与众不同的伟大城堡，它提出了一个让人始料不及的问题，那就是：“什么是热？”
直至19世纪中叶，物理学家们还认为热是一种流体，叫作“热质”，或者是两种流体，一冷一热，这种想法后来被证明是错误的。最终，英国物理学家麦克斯韦和奥地利物理学家玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）发现了热的本质。他们的发现美丽、奇异而又深刻，带领我们进入了一个人类至今仍知之甚少的领域。
他们发现，一个热的物质并不会包含热质，它发热仅仅是因为其中的原子运动速度更快。原子和原子团组成的分子处在不断运动的状态中，它们快速移动、振动、跳跃……冷空气之所以冷是因为空气中的原子，更确切地说是分子，跑得比较慢；热空气之所以热是因为空气中的分子跑得比较快。这个解释简洁而美妙，但故事还没完。
我们知道，热量总是从热的物体跑到冷的物体上。一个冷茶匙放到一杯热茶里会逐渐变热；在天寒地冻的环境里，如果穿得不够暖和，我们的身体会很快丢失热量，感到寒冷。为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是反过来呢？
这是一个关键的问题，因为它关系到时间的本质。在所有不发生热交换，或热交换可以忽略不计的情况下，我们看到的未来和过去是一模一样的。例如，对于太阳系行星的运转而言，热量几乎是无关紧要的，所以行星即使逆向运转，也不会违反任何物理规律。可是一旦有热量存在，未来就和过去不同了。举个例子，如果没有摩擦，钟摆可以永远摆动下去。如果我们把这个摆动过程录下来，倒着播放，也不会觉得有任何问题。但是，如果存在摩擦，钟摆微微加热了底座，损失了能量，运动速度就会减慢。这就是摩擦生热，这时我们立刻就能分辨未来（钟摆变慢的方向）和过去。我们从来没有看到过一个钟摆吸收了底座的热量，从静止突然开始摆动。
只有存在热量的时候，过去和未来才有区别。能将过去和未来区分开来的基本现象就是热量总是从热的物体跑到冷的物体上。
那么，为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是相反呢？
玻尔兹曼发现其中的原因惊人地简单：这完全是随机的。玻尔兹曼的解释非常精妙，用到了概率的概念。热量从热的物体跑到冷的物体上并非遵循什么绝对的定律，只是这种情况发生的概率比较大而已。原因在于：从统计学的角度看，一个快速运动的热物体的原子更有可能撞上一个冷物体的原子，传递给它一部分能量；而相反过程发生的概率则很小。在碰撞的过程中能量是守恒的，但当发生大量偶然碰撞时，能量倾向于平均分布。就这样，相互接触的物体温度会趋向于相同。热的物体和冷的物体接触后温度不降反升的情况并非完全不可能，只是概率小得可怜罢了。
将“概率”引入物理学的核心，直接用它来解释热动力学的基础，这一做法起初被认为荒谬至极，所以没人把玻尔兹曼当回事。这样的事在历史上屡见不鲜。1906年9月5日，玻尔兹曼于的里雅斯特（Trieste）的杜伊诺镇（Duino）附近自缢而亡，他没有等到自己的理论被全世界认可的那一天。
那么概率后来是如何进入物理学核心位置的呢？在第二课，我提到过，量子力学认为，微观世界的粒子运动都是随机的。这里也引入了概率。但是，玻尔兹曼提出的和热有关的概率另有渊源，和量子力学没有关系。
在某种程度上，将概率引入热力学是由于我们的“无知”。我不确定某件事是否会发生，但我可以分配给它或高或低的概率。例如，我不知道马赛这里明天会下雨、天晴，还是会下雪，但我知道马赛8月下雪的概率很低。同样，对于绝大多数物体，我们都只是略知一二，并非完全了解，所以只能基于概率做出预测。比如一个充满气的气球，我可以测量它的形状、体积、压力、温度……但是气球中的空气分子正在快速运动，而我不知道其中每一个分子的确切位置，所以无法对气球接下来的运动做出准确的预测。比方说，如果我解开气球口上的结，然后放手，气球就会一边噗噗地泄气一边四处乱撞，我完全无法预见它的飞行方向，因为我只知道它的形状、体积、压力、温度。气球四处乱撞取决于它内部分子的分布情况，而我对此却不得而知。
但即使不能精准地预测所有事，我还是可以预测这种情况或者那种情况发生的概率。比如，气球从我的手上飞走，飞出窗外，绕着远处的灯塔转一圈又飞回来落在我手上的概率就非常小。有些情况发生的可能性会大些，而有些情况则几乎不可能发生。同样，当分子发生碰撞时，热量从热的物体传递到冷的物体上的概率是可以计算的，结果显示，这个概率比热量从冷的物体传递到热的物体的概率要大得多。
物理学中研究上述内容的分支叫统计物理学，它的成果之一就是从玻尔兹曼开始研究的热量和温度的概率特性，也就是热力学。
我们的“无知”暗含着世界运行方式的某些线索，这乍看很不合理。冷的茶匙在热茶里面会变热，气球放气的时候就会四处乱飞，与我知道与否毫无关系。支配世界的物理原理和我们知不知道有什么关系呢？这个问题理直气壮，答案却很微妙。
茶匙和气球的运动遵从物理规律，具有必然性，与我们知道与否毫不相干；它们行为的可预测性或不可预测性，与它们的具体状态无关，只与它们和我们相互作用的那一部分属性（如温度、压力）有关。具体是哪些属性，取决于我们与茶匙、气球相互作用的方式。因此，概率同物体自身的演化无关，只与物体跟我们相互作用的特定属性的变化有关。这又一次表明，我们用以组织这个世界的概念之间有着深刻的关联。
冰凉的茶匙在热茶里面变热，因为在无数个可以标示茶匙和茶的微观状态的变量中，它们只通过有限的变量与我们发生相互作用。这些变量的值虽然不足以准确推断未来（例如气球的运动轨迹），但是对于预测茶匙变热绰绰有余。
在20世纪的进程中，热力学（研究热的科学）和统计力学（研究各种运动的概率的科学）都延伸到了电磁场和量子现象的领域。
不过，当把它们延伸到引力场时，却出现了问题。温度升高时，引力场会如何变化，仍是一个未解的难题。我们知道电磁场加热后会发生什么：比如在用烤箱时，馅饼会被热的电磁辐射加热，我们知道怎样描述它——电磁波会振动，随机分配能量。我们可以把电磁波想象成由光子组成的气体，这些光子像热气球里面的分子一样运动。但是热引力场是什么？我们在第一课说到过，引力场就是空间本身，或者说是时空，因此，当热量在引力场扩散开来的时候，空间和时间也应该发生振动……但是我们还不知道如何描述它，我们还没有发现可以描述热时空的热振动的方程。
这些问题把我们引向时间问题的核心：时间的流动究竟是什么？
经典物理学中已经提到了这个问题，19、20世纪的哲学家十分重视它，但在现代物理学中，这个问题变得更加棘手。物理学通过公式来描述世界，告诉我们物体是如何随“时间”而变化的。但是，我们也可以用另一些公式解释物体如何随“位置”的改变而变化，或者，烩饭的口味如何随“黄油的用量”而变化。时间看起来是在“流动”，但是黄油的量和空间中的位置不会“流动”。那么区别在哪里？
或者我们可以问问自己：什么是“现在”？我们说存在的事物是“现在”的事物：过去不再存在了，未来还不存在。但是，在物理学中，没有东西对应“现在”这个概念。对比一下“此刻”和“此处”。“此处”是指说话人所在的位置：如果有两个不同的人，“此处”就是指两个不一样的地方。因此，“此处”的意思取决于说话的地点，用术语表达就叫作指示性。“此刻”指说话的这一瞬间，也具有指示性。没有人会说“此处”的东西是存在的，不在“此处”的东西就不存在。那么，为什么我们可以说“此刻”的东西是存在的，不在“此刻”的东西就不存在呢？究竟“此刻”是客观的，它的“流动”让物体一个接着一个地“存在”，还是，它和“此处”一样，是主观的？
这似乎是个深奥的脑力题，但解决这个问题却是现代物理学的当务之急，因为狭义相对论告诉我们“现在”的概念也是主观的。物理学家们和哲学家们得出结论：全宇宙共有同一个“现在”的观念是种幻觉，时间在宇宙中同步“流逝”这种概括也是行不通的。爱因斯坦在他的意大利好友米凯莱·贝索（Michele Besso）去世后给他的妹妹写了一封感人至深的信：“米凯莱从这个奇怪的世界离开了，比我先走一步，但这没什么。像我们这样相信物理的人都知道，过去、现在和未来之间的分别只不过是持久而顽固的幻觉。”
不管是不是幻觉，如何解释对我们而言时间在“流逝”、“流动”和“过去”呢？时间的流逝对我们每个人来说都是显而易见的：我们想的事情、说的话都存在于时间中，就连语言本身的结构都离不开时间——一件事情“正在”、“已经”或者“将要”发生。我们可以想象一个没有颜色、没有物质，甚至没有空间的世界，却很难想象一个没有时间的世界。德国哲学家海德格尔（Martin Heidegger）强调，我们“栖居于时间之中”。会不会海德格尔视为根本的时间流逝这一特征，根本不存在？
一些哲学家，其中不乏海德格尔忠实的追随者，认定物理没有能力描述现实最根本的面向，甚至斥之为误导人的知识。但是历史已经多次证明，我们的直觉是不准确的。如果被困在直觉中，我们还想着地球是平的，太阳绕着地球转呢。直觉建立在我们有限的经验之上。当我们能够看得更远时，我们会发现世界并不是原先看上去那样：地球是圆的，开普敦的人是头朝下、脚在上的。相信直觉而罔顾科学家们理性、严谨、智慧的集体验证，是不明智的。这就像那种老头子的偏见：他不相信外面的大千世界跟自己住的小村庄有什么差别，不相信那里生活着他从未见过的人。
那么，时间流逝这个鲜活的经验从何而来？
我认为答案就在热量和时间的紧密联系中：只有当热量发生转移时，才有过去和未来的区别。热量与概率相关，而概率又决定了：我们和周围世界的互动无法追究到微小的细节。
这样一来，“时间的流逝”便在物理学中出现了，但并不是在精确地描述物体的真实状况时，而是更多地出现在统计学与热力学中。这可能就是揭开时间之谜的钥匙。“此刻”并不比“此处”更加客观，但是世界内部微观的相互作用促使某系统（比如我们自己）内部出现了时间性的现象，这个系统只通过无数变量相互作用。
我们的记忆和意识都建立在这些概率性的现象之上。假如存在一种超感觉的生物，那么对它来说，就不存在时间的“流逝”，宇宙会是没有过去、现在、未来之分的一整块。但是，由于我们意识的局限性，我们只能看到一幅模糊的世界图景，并栖居于时间之中。请容许我引用本书编辑的一句话：“看不清的比看得清的更广阔。”正是这种对世界的模糊观察孕育了我们时光流逝的观念。
这就把一切说清楚了吗？并没有，还有好多问题有待解决。在引力、量子力学和热力学三者的交叉地带，许多问题纠缠在一起，而时间就位于这团乱麻的中心。我们还在黑暗中摸索。我们也许已经开始理解量子引力了，但它也只结合了三块拼图中的两块。我们还没有找到一个理论，把我们对世界的这三块基本理解拼到一起。
英国著名物理学家史蒂芬·霍金完成的一个计算给解决这个问题提供了一条线索。他身患重疾，只能缩在轮椅上，并借助辅助仪器说话，但仍在物理学研究上成就卓著。
霍金利用量子力学成功地证明了黑洞总是“热的”，像火炉一样放热。这是关于“热空间”性质的第一个具体迹象。从来没有人观测到这种热，因为在我们观测到的真实的黑洞中，这种热非常微弱。但是霍金的计算令人信服，在各种场合被人们引用，黑洞的热也被普遍认为是真实存在的。
黑洞的热是发生在黑洞这种物体上的量子效应，而黑洞本质上是引力性的。一个个空间量子，空间的基本颗粒，即那些振动的“分子”加热了黑洞表面，使黑洞放热。这个现象同时涉及问题的三个方面：量子力学、广义相对论和热力学。
黑洞的热如同物理学中的罗塞塔石碑，它用量子、引力和热力学三种语言写就，仍在等待解读，以告诉我们时间的本质。
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