20171103轉(zhuǎn)述《七堂極簡物理課》4

提出問題:除了我們前面已經(jīng)講過的擂错,那些描述世界基本構(gòu)成的重要理論之外,物理學(xué)另有一座與眾不同的偉大城堡篮洁,它提出了一個(gè)讓人始料不及的問題帽芽,那就是:“什么是熱删掀?”

答案:一個(gè)熱的物質(zhì)并不會(huì)包含什么熱質(zhì),它發(fā)熱僅僅是因?yàn)槠渲械脑舆\(yùn)動(dòng)速度更快导街。原子和原子團(tuán)組成的分子處在不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中披泪,它們快速移動(dòng)、振動(dòng)搬瑰、跳躍……冷空氣之所以冷是因?yàn)榭諝庵械姆肿优艿帽容^慢款票;而熱空氣之所以熱是因?yàn)榭諝庵械姆肿优艿帽容^快

時(shí)間的本質(zhì):在所有不發(fā)生熱交換,或熱交換可以忽略不計(jì)的情況下泽论,我們看到的未來將和過去是一模一樣的艾少。只有存在熱量的時(shí)候,過去和未來才有區(qū)別佩厚。能將過去和未來區(qū)分開來的基本現(xiàn)象就是熱量總是從熱的物體跑到冷的物體上姆钉。

那么,為什么熱量會(huì)從熱的物體跑到冷的物體上,而不是相反呢潮瓶?原因在于:從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度看陶冷,一個(gè)快速運(yùn)動(dòng)的熱物體的原子更有可能撞上一個(gè)冷物體的原子,傳遞給它一部分能量毯辅;而相反過程發(fā)生的概率則很小埂伦。在碰撞的過程中能量是守恒的,當(dāng)發(fā)生大量偶然碰撞時(shí)思恐,能量傾向于平均分布沾谜。所以就這樣,相互接觸的物體溫度會(huì)趨向于相同胀莹。熱的物體和冷的物體接觸后溫度不降反升的情況并非完全不可能基跑,只是概率小得可憐罷了。

我不確定某件事是否會(huì)發(fā)生描焰,但我可以分配給它或高或低的概率媳否。例如,我不知道要舉辦馬賽的場地明天是會(huì)下雨荆秦、天晴篱竭,還是會(huì)下雪,但我可以知道8月下雪的概率是很低的步绸。比方說掺逼,如果我解開氣球口上的結(jié),然后放手瓤介,氣球就會(huì)一邊噗噗地泄氣一邊四處亂撞吕喘,我完全無法預(yù)見它的飛行方向。但即使如此惑朦,我還是可以預(yù)測氣球從我的手上飛走兽泄,飛出窗外,繞著遠(yuǎn)處的燈塔轉(zhuǎn)一圈又飛回來落在我手上的情況基本不會(huì)發(fā)生漾月,因?yàn)檫@樣的概率實(shí)在是太小了病梢。有些情況發(fā)生的可能性會(huì)大些,而有些情況則幾乎不可能發(fā)生

茶匙和氣球的運(yùn)動(dòng)遵從物理規(guī)律梁肿,具有必然性蜓陌,與我們知道與否毫不相干;它們行為的可預(yù)測性或不可預(yù)測性吩蔑,與它們的具體狀態(tài)無關(guān)钮热,只與它們和我們相互作用的那一部分屬性比方說溫度和壓力有關(guān)。具體是哪些屬性烛芬,取決于我們與茶匙隧期、氣球相互作用的方式飒责。因此,概率同物體自身的演化無關(guān)仆潮,只與物體跟我們相互作用的特定屬性的變化有關(guān)宏蛉。這又一次表明,我們用以組織這個(gè)世界的概念之間有著深刻的關(guān)聯(lián)性置。

冰涼的茶匙在熱茶里面變熱拾并,因?yàn)樵跓o數(shù)個(gè)可以標(biāo)示茶匙和茶的微觀狀態(tài)的變量中,它們只通過有限的變量與我們發(fā)生相互作用鹏浅。這些變量的值雖然不足以準(zhǔn)確推斷未來嗅义,比如說氣球的運(yùn)動(dòng)軌跡,但是對于預(yù)測茶匙變熱綽綽有余隐砸。

我們可以問問自己之碗,什么是“現(xiàn)在”?我們說存在的事物是“現(xiàn)在”的事物:過去不再存在了季希,未來也還沒有到來继控。但是,在物理學(xué)中胖眷,沒有任何東西可以對應(yīng)“現(xiàn)在”這個(gè)概念。對比一下“此刻”和“此處”霹崎∩翰螅“此處”是指說話人所在的位置:如果有兩個(gè)不同的人,“此處”就是指兩個(gè)不一樣的地方尾菇。因此境析,“此處”的意思取決于說話的地點(diǎn),用術(shù)語表達(dá)就叫作指示性派诬。

而“此刻”呢劳淆?也是指說話的這一瞬間,也具有指示性默赂。沒有人會(huì)說“此處”的東西是存在的沛鸵,不在“此處”的東西就不存在。那么缆八,為什么我們可以說“此刻”的東西是存在的曲掰,不在“此刻”的東西就不存在呢?究竟“此刻”是客觀的奈辰,它的“流動(dòng)”讓物體一個(gè)接著一個(gè)地“存在”栏妖,還是,它和“此處”一樣奖恰,是主觀的吊趾?

我認(rèn)為答案就在熱量和時(shí)間的緊密聯(lián)系中:只有當(dāng)熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)宛裕,才有過去和未來的區(qū)別。熱量與概率相關(guān)论泛,而概率又決定了:我們和周圍世界的互動(dòng)無法追究到微小的細(xì)節(jié)揩尸。

這樣一來,“時(shí)間的流逝”便在物理學(xué)中出現(xiàn)了孵奶,但并不是在精確地描述物體的真實(shí)狀況時(shí)疲酌,而是更多地出現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)與熱力學(xué)中。這可能就是揭開時(shí)間之謎的鑰匙了袁±士遥“此刻”并不比“此處”更加客觀,但是世界內(nèi)部微觀的相互作用促使某系統(tǒng)载绿,比如說我們自己的內(nèi)部出現(xiàn)了時(shí)間性的現(xiàn)象粥诫,這個(gè)系統(tǒng)只通過無數(shù)變量相互作用。

我們的記憶和意識都建立在這些概率性的現(xiàn)象之上崭庸。假如存在一種超感覺的生物怀浆,那么對它來說,就不存在時(shí)間的“流逝”怕享,宇宙會(huì)是沒有過去执赡、現(xiàn)在、未來之分的一整塊函筋。但是沙合,由于我們意識的局限性,我們只能看到一幅模糊的世界圖景跌帐,并棲居于時(shí)間之中首懈。有一句話說:“看不清的比看得清的更加廣闊〗髁玻”正是這種對世界的模糊觀察孕育了我們時(shí)光流逝的觀念究履。

黑洞的熱如同物理學(xué)中的羅塞塔石碑,它用量子脸狸、引力和熱力學(xué)三種語言寫就最仑,仍在等待解讀,以告訴我們時(shí)間的本質(zhì)肥惭。

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