19世纪的奥地利诞生了一位举世闻名的物理学者,路威玻尔兹曼。为了彰显他对科学界的卓越贡献,人们在他离世后,特地刻上了一方程式于他的墓碑顶端,这是一个被广为称颂的理论——熵。
在日常生活中,熵的理念与我们熟悉的有序性或规律性相关。这个概念极其关键,它指出了宇宙万物趋向于从有序转为无序。以一本书为例,那569页的排布整齐之书,页页有序相接,然而一旦交由熵来介入,书页就将陷入无序的混沌之中。因为尽管书页恰好有序散落的情形只有一种,但杂乱落地却有无数可能,因此混沌状态的概率更高,这也是与我们的生活经验相吻合的——事物自然地走向混乱。
环顾四周,无序与熵随处可见。
时间的流逝似乎伴随着无序性的递增:蛋液四溅,冰块溶化为形态不定的水,滚滚浓烟散逸得更加混乱。有序状态向无序状态转变,时间仿佛沿着这一方向推移。
我们所见的混乱程度,似乎总是随着事件的进行而逐渐扩大。玻尔兹曼推测,正是这种向无序发展的趋势塑造了时间的流向。
然而,这个理论看似合理,却存在一个小小的难题。物理法则对未来与过去并无区别,那么熵不只应在未来增加,同样也在过去有所增长。这便引发了一个矛盾:回顾过去,熵应是递增的,而展望未来,熵也应上升。如果书页在过去是无序的,那么它们本应聚集为有序的书本!
为何我们的直观经验与物理定律产生了如此巨大的分歧?其中必有我们尚未意识到的环节。如果我们确信过去更加有序,一切似乎都是向无序发展的,这正好符合了熵的公式。除了物理法则之外,是否还有别的解释呢?
想象一下棒球场上的场景,物理定律可以帮助你预测球的落点,但要准确预见,你还需要知道初始条件,比如击球的力度。同样,若物理法则无法说明时间的流逝,我们或许需要探究宇宙的初始状态,即大爆炸。
如果将宇宙史比作一部倒放的电影,我们会看到时间倒流,万物愈发有序。如今广袤宇宙中数以亿计的星系,都将逐渐还原为星云与尘埃,在收缩中聚集,直至我们在遥远的过去找到一个静止点——奇点。在这一刻,所有的空间与时间似乎都还未诞生,因此,有序和低熵的源头无疑是诞生时的大爆炸。
大爆炸是宇宙最为有序的时刻,一切自此开始向无序演变。大爆炸揭示了,当我们回溯过去与展望未来,宇宙为何会呈现出截然不同的面貌。而且,当我们倒回到过去,宇宙不仅与现今判若两物,而且极度有序。
为何熵在那时如此之低?我们尚不得而知,但我们至少明了,在宇宙诞生之初,熵的确处于极低水平。我们可以将大爆炸想象成一个上紧的发条,就像一个发条钟,在发条放松、释放储能之后,宇宙便不断松弛,走向无序。
尽管我们对于宇宙在诞生时为何处于高度有序状态仍一知半解,但现实正是如此。每次玻璃杯破裂,其实都在履行一项自数十亿年前大爆炸起就开始的程序。玻璃杯无法复原,因为它们遵循着从有序到无序的自然法则。我们仅能从过去走向未来,我们所见证的万物变迁,无论是星辰的形成还是生命的繁衍,不过是宇宙无序化浪潮中的微小波动,将过去与未来分隔开来。