讀懂時間簡史的第一本書：大科學家講時間的故事，帶你探索物理科學及宇宙生成的奧祕

第一講 關於時間的歷史
第二講 時間箭頭是怎麼回事
第三講 令人生畏的暴漲
第四講 宇宙中最長壽的是？


 

序

時間箭頭是怎麼回事？

　　在《哈利．波特》裡的魔法棒是一種非常神奇的東西，比如說，有一次鄧不利多校長帶著哈利．波特去找一個變成沙發的朋友，看到亂糟糟的房間，用魔法棒一揮，房間頓時被整理得乾乾淨淨。又有一次，哈利．波特用魔法棒指著一灘水，那灘水很快就結成了冰。

　　儘管我們會相信魔法故事裡這種神奇的事情，但現實生活裡會出現這些事嗎？我的答案是，根本不可能。比如說，我們現在都是手機一族，不論大人還是小孩，沒事就捧著手機。和手機搭配的耳機線，便經常給我們帶來不愉快的麻煩：我們將整理得好好的耳機線放在口袋裡，可是若沒有意外，每次從口袋裡掏出耳機，它又會變得亂糟糟的。

　　你有沒有見過這種事情發生：一團亂麻一樣的耳機線放進口袋裡，掏出來的時候變整齊了？我跟你打一塊錢的賭，你絕對沒有見過這種事情。同樣，一個亂糟糟的房間，如果我們不去耐心地慢慢整理，才不可能用魔法棒一揮，就會變得整整齊齊的。那你會問，魔法棒指一下水，它會結成冰嗎？回答是，永遠不會。原因是什麼？因為冰和水比起來，就像整齊的房間和亂糟糟的房間比起來一樣。我們慢慢談這個回答後面的道理。

　　原本有條理的東西會變得亂糟糟，而亂糟糟的東西不會變得有條理，這是我們這個世界的一個根本規律。再舉個例子，一只杯子掉到地上，水灑出來並滲入地板裡了，杯子也碎了。但我們從來沒有見過相反倒帶的情況，杯子的碎片會自動合攏成一個完整的杯子，地板裡的水跑回來，再跳進杯子，然後杯子從地板上跳到桌子上。這意味著什麼？這意味著我們這個世界是一部電影，它從來都是向著一個方向放映，而不能倒著放映，也就是說，時間有一個箭頭。

　　其實，中國古人早就注意到這個現象，成語「覆水難收」講的就是這個現象。這個成語來自漢代的一個故事，漢景帝的時候，有一個窮書生叫朱買臣，娶了個妻子崔氏，他平時除了讀書就是砍柴。後來崔氏實在受不了貧窮的生活，要和朱買臣離婚，朱買臣沒有辦法，只好離婚了。後來漢景帝的兒子漢武帝即位，過沒幾年，朱買臣獲得漢武帝賞識，做了會稽太守。崔氏得知這個消息，蓬頭垢面地跑到朱買臣面前，請求他允許自己回到朱家。朱買臣讓人端來一盆清水潑在馬前，告訴崔氏，若能將潑在地上的水收回盆中，他就答應讓她回來。當然，這件事是做不到的。

　　但是，要在很久很久以後，物理學家才找到這個道理背後的根本原因。發現根本原因是一個複雜的過程，有很多故事，我們先講發現這個根本原因的人。這個人就是奧地利物理學家路德維希．波茲曼（Ludwig Eduard Boltzmann，一八四四～一九○六年）。

　　要理解波茲曼發現的道理並不難。首先，你先準備一個盒子，再拿兩個玻璃球。將盒子隔成兩半，你閉起眼睛，將玻璃球一顆一顆扔進盒子裡。現在，要求你將兩顆玻璃球都扔進左邊那個盒子，你會發現，儘管這可以做到，但平均下來，每做四次才可能成功一次。原因很簡單，兩個玻璃球都在左邊是一種可能，兩個玻璃球都在右邊是一種可能，但還有兩個可能是兩個玻璃球一個在左邊一個在右邊：

　　一、第一個玻璃球在左邊，第二個玻璃球在右邊；

　　二、第一個玻璃球在右邊，第二個玻璃球在左邊。

　　我們再繼續做這個實驗，現在，玻璃球越來越多，要求你閉起眼睛將所有玻璃球都扔進左邊，你會發現越來越難。原因很簡單，所有玻璃球都扔進左邊只有一種可能，而有很多很多可能是玻璃球亂七八糟地分布在兩邊。

　　你看，相較於玻璃球亂七八糟地分布，玻璃球同時在一邊看上去更整齊，而越整齊的情況越難做到。這個道理說起來非常簡單，但是我們可以用這個道理解釋前面提到的耳機線的問題：相對於耳機線亂七八糟的樣子，耳機線被整理得有條有理比較罕見。

　　那麼，波茲曼是怎麼解釋其他問題，比如說「覆水難收」呢？波茲曼說，任何物體都是由分子構成的，而分子就像我們剛剛做實驗的玻璃球。當分子排列得整齊時，我們將這種情況叫作「有序」，而當分子排列得亂七八糟時，我們將這種情況叫作「無序」。相對於無序，有序的可能性更小，所以不容易做到。他說，任何物體一定是從「有序」變成「無序」，而不是相反，因為「無序」發生的機率總是更高的。他的這種理論叫統計力學，是建立在大量的原子和分子的統計基礎上的。

　　這麼簡單的道理，我們現在很容易接受。可是，波茲曼卻因為當時很多科學家不接受他的理論而自殺了。

　　今天，我們都覺得物質是由分子和原子構成的，這已經是常識了，但在波茲曼的時代，原子論只是古希臘人的一種哲學，這種哲學因為沒有直接證據，根本不被大家接受。科學的好處在於，科學的一切假說都必須有實驗來支持。但這個觀點有時也有很大的缺陷，就是很多科學家會被當時的實驗限制，不敢大膽地提出假說。原子和分子真實存在的第一個證據和愛因斯坦有關，我們後面會談一下這個證據。

　　儘管波茲曼非常成功地用分子和原子假說解釋了不少重要的物理現象，同時也得到了大學的教職，卻因為別的科學家拒絕接受他的理論，一生都很不快樂。對他打擊最大的是，當時最重要的科學家兼哲學家恩斯特．馬赫（Ernst Mach，一八三八～一九一六年），支持一位比波茲曼年輕的德國物理化學家威廉．奧斯特瓦爾德（Friedrich Wilhelm Ostwald，一八五三～一九三二年）。奧斯特瓦爾德是一位很有成就的化學家，後來還在一九○九年獲得了諾貝爾化學獎。可見，不論是馬赫還是奧斯特瓦爾德，在當時的影響力都很大，他們都一致反對波茲曼的原子論。

　　他們為什麼會激烈反對原子論呢？因為當時有一種哲學觀點特別流行，就是認為所有物質都是由能量構成的，並不存在什麼原子和分子，這種觀點叫「唯能論」。我們在上一講中談到赫茲發現了電磁波，這個發現讓很多科學家認為：物質和電磁波一樣，都是連續的能量。而原子和分子，一來我們看不見，二來都是一個一個的，不是連續的，所以不可信。

　　波茲曼五十歲以後，一直和馬赫及以奧斯特瓦爾德為代表的唯能論辯論，後者的勢力非常強大，而且還以哲學為背景。為了駁倒唯能論，波茲曼甚至自己去研究哲學，也成了哲學家。波茲曼還做了妥協，他說，可以將原子和分子看成一種有用但不真實的模型，這樣他對物理現象的統計力學解釋就成立了。但是，還是有很多人反對他。

　　到了一九○四年，情況變得對波茲曼更加不利了，那時他已經六十歲了。那一年，在美國聖路易斯舉辦了一個物理學會議，參加這個會議的很多物理學家反對原子論，波茲曼甚至沒有被邀請參加這個會議的物理學部分，他只參加了一個叫「應用數學」的部分。一九○六年，波茲曼精神崩潰了，他辭掉了教授職位，在杜伊諾城堡中上吊自殺。

　　右邊這張圖片是波茲曼的墓地，他的雕像上方寫著波茲曼發現的最重要的公式，公式左邊那個S，代表了一個非常重要的物理量，叫作熵。下面，我們就談談關於熵的故事。