一个基本的物理学矛盾

浏览 1005 · 点赞 0 · 评论 0 · 3年前 (2022-03-13)

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”。