物理学上的经典原理（物理学是如何解释时间的可逆的）

接上一篇文章：对物理学的重新思考，建立时间之箭的现实

一滴墨水在水中散开，它永远不会自发凝聚成一滴墨水；热量从热流向冷，不会自动从冷流向热；因产生果，不会倒过来。这些都是经验观察，说明了时间之箭的顺序（方向）。

经典物理学建立在经验观察的基础上，但它认为物理过程是可逆的，并且是确定的。相对论将宇宙描述为四维时空中的一个静态块。当我们在每一个新的“现在”中遇到一个新的3D“切片”时，我们就会感知到变化，但就像电影的帧一样。经典物理学描述了一个世界，在这个世界里，过去永远不会消失，未来已经确定，而这两者都是同样真实的。宇宙只是存在，在时空中不变，过去、现在和未来之间没有根本的区别。

那么，物理学是如何解释时间的可逆性的？这是与我们的经验直觉是相悖的。

牛顿力学

决定论是经典力学的推论。将牛顿力学定律应用于精确定义的初始物理状态，就决定了所有未来的状态。牛顿力学是一种基于动量和力的经验模型。牛顿力学并没有暗示时间的可逆性。机械能也只是在理想情况下守恒（忽略摩擦力）。在牛顿力学中，时间只有一个方向，由机械能的摩擦耗散和势能的损失来定义。

卡诺定理和热力学第二定律

19世纪初，工业革命开始了。工厂用煤发电。当时主流的观点认为热是一种流体，称为热量。就像气态流体从高压流向低压一样，热量只从高温流向低温。就像水和空气一样，热量的流动可以被用来做功。

随着工业革命的不断深入，人们继续提高蒸汽机的性能。萨迪·卡诺对蒸汽机的效率进行了系统的研究。1824年，他出版了《火的原动力》。在这篇论文中，他得出结论，热机的理论效率只与热源的温度和散热器有关。

卡诺认识到，在蒸汽机中，摩擦和不可逆的热泄漏导致效率降低。在不了解热的性质的情况下，卡诺描述了不可逆耗散过程中“功势（work potential）”的损失。这是后来被称为热力学第二定律的基本思想。第二定律通过“功势”的不可逆耗散来定义时间的热力学箭头。

哈密顿经典力学

1832年，威廉·罗文·哈密顿重新表述了经典力学。他把系统分解成点粒子，这些点粒子有质量，但没有内能。哈密顿将热解释为系统中粒子的机械能。焦耳后来通过一系列实验证实了热能和机械能的等价性。1850年，鲁道夫·克劳修斯发表了热力学第一定律，正式确立了总能量守恒，其中包括机械能和热量。

哈密顿力学认为热是微观的机械能，因此热力学第一定律是指机械能守恒。由于没有功势的耗散，任何过程都可以在不增加功的情况下逆转。这就是热力学可逆性的定义。哈密顿力学将热力学可逆性确立为物理学的基本性质。这使得热力学第二定律成为观测的经验定律，而不是基本的物理定律。

经典统计力学

热力学的不可逆性对哈密顿力学的可逆性提出了挑战。哈密顿力学不承认环境热的耗散是基本的物理性质。物理学根据熵的增加而不是耗散重新定义了第二定律。

路德维希·玻尔兹曼试图通过将熵定义为“无序性”来调和热力学和哈密顿力学。他用“微观状态”的数量来定义无序。微观状态精确地描述了系统的底层物理状态。他把熵的增加描述为最初大量的有序粒子的分散和变得无序的统计趋势。

统计力学将熵的增加解释为系统从低概率走向高概率的趋势。如果我们从一个低概率状态开始，热力学时间箭头统计上指向更高的概率。以台球为例，开球前，台球整齐地排列在三角形中，这种情况只有一种（有序）；但当它们分散在桌子上时，我们称之为“无序”，这种分散的状态有很多种。如果无序的所有可能的排列都是随机的，并且是等概率的，那么无序的概率就会比有序的概率高得多。

物理学将熵解释为一种信息属性和一种测量观察者对系统精确状态的无知。熵的增加是由于确定性混沌导致的小测量误差和不确定性的放大。

上面的分形图是确定性混沌。它是由一个简单的函数创建的，它确定地为每个点分配一个颜色。该函数可以将相邻的点映射到非常不同的颜色，无论距离有多近，这就创建了一个有无限细节的分形图像，无论放大程度如何。

统计力学将熵的增加归因于系统初始状态的不确定性的放大。然而，对于完美的测量，不存在初始不确定性。一个精确定义的状态会确定性地演变成另一个确定的状态，不确定性或概率不会不可逆转地增加。

理论上，一个完美的观测者能够精确地测量和操纵粒子。这就是麦克斯韦恶魔背后的思想，它可以操纵气体分子来减少熵，而不需要做额外的功，也不违反任何物理定律。统计力学认为熵是对观察者不确定性的一种度量，但不是一种基本的状态属性。它认为热力学第二定律是一个有效的经验原理，但不是一个基本的物理定律。

• 麦克斯韦恶魔

超越经典力学

随着20世纪早期量子现象的发现，经典力学定律对非常小的粒子失效的事实变得清晰起来，需要一个新的理论。量子力学通过薛定谔波函数定义量子微观状态，它描述了系统中所有可测量和可知的东西。

单个量子的测量依赖于特定的实验设置，但是量子力学通过对所有可能的实验设置的总和来定义波函数。

当放射性粒子最初被制备时，波函数将其描述为未衰变的确定状态。制备后的放射性粒子的单个测量结果本质上是随机的（有时衰变，有时未衰变），但量子力学确定地定义了波函数，将其定义为所有潜在可测量状态的无限叠加。一个叠加的波函数定义了测量的概率，但是这个概率和波函数本身是确定的，并且它们的变化遵循确定性的规则。然而，在观测时，叠加的波函数随机“坍塌”为一个观测结果。波函数和量子微观状态的确定性，但测量结果的随机性，描述了量子力学的测量问题。

形而上学的意义

波函数和量子微态的定义是可逆和确定的。然而，底层物理状态是否可逆和确定，是一个有争议的问题。哥本哈根解释出现于20世纪20年代，至今仍是主流的解释，它遵循经典力学，假设量子微观状态是基本物理状态的完整描述。因此，波函数微观状态的可逆性和确定性意味着物理状态也可逆和确定性地演化。

薛定谔试图通过“一只猫的实验”来说明哥本哈根解释的荒谬性。一开始，系统的波函数描述了一只与放射性粒子在一起的活猫。一段时间后，它描述了猫是死是活的概率。波函数是时间的确定性函数。如果猫与外部隔离，那么通过波函数的完备性，猫也会确定性地进化，从一个确定的活猫状态进化到一个叠加的活猫状态。在观察中，叠加的猫要么变成观察到的死猫，要么变成活猫。薛定谔否定了猫叠加的可能性，他提出这个实验来说明哥本哈根解释的荒谬性。

哥本哈根解释接受叠加状态，当系统的孤立性被打破时，它将叠加状态的坍塌归因于外部交互的影响。外部交互包括测量或观察。

宇宙没有外部环境，也没有外部的相互作用，所以不可能有坍塌。休·埃弗雷特利用这一想法提出了另一种解释，避免了叠加猫的可能性。从本质上说，他的“多重世界解释”认为，所有可能发生的事情都发生在宇宙的不同分支中。在一个分支中，薛定谔的猫活了下来，而在另一个分支中，它死了。即使是我们，作为观察者，也有分支。我们感知到随机波函数的坍缩，但从整个宇宙的客观角度来看，没有随机选择，宇宙是确定性地进化的。

超决定论是另一种解决波函数坍塌的方法。超级决定论只不过是决定论对非分裂宇宙的应用。测量和波函数坍缩的结果对我们来说只是随机的，因为我们不知道的隐藏属性决定了测量结果。超决定论暗示，宇宙的整个历史，甚至包括我们自己的思想和选择，都是在时间开始时决定的。否定超级决定论和断言物理随机性的代价是巨大的。如果我们否定超决定论，承认物理随机性，就需要用物理的确定性定律来解释物理状态的随机性。