运动箭物理定律不兼容性解析：为何自然界过程只能单向发展？

物理定律的不相容性

为什么自然界中发生的过程只朝着一个方向发展？例如，为什么我们不能在冰箱里煮一杯热咖啡，或者阻止一滴墨水在水中自发扩散？这是一个困扰了

几代物理学家的问题，它源于物理定律的不兼容性，尤其是那些支配宏观和微观系统行为的定律。宏观系统可以用肉眼看到，它们由大量的原子和分子组成。微观系统代表了一个我们看不到的非常不同的世界，但在这个世界中可以描述每个原子或分子的行为。

物理学家可以简单地解释为什么宏观系统的过程不能自发逆转。这是由于热力学第二定律，其核心是宏观系统的能量性质。该定律提供了一个通过熵的概念预测自发过程方向的标准，熵是物质顺序的量度。

例如，液体的有序性低于晶体，而气体的有序性甚至更低。更热或更分散的物质具有更高的熵。简单来说，熵总是在增加，系统在自发过程中总是变得更加无序，除非我们提供能量，否则它们无法倒退。

但是，当涉及到观察构成微观系统的单个原子和分子时，有一套不同的物理定律。但它们没有解释系统中的进程必然要去哪里。

物质和过程是相同的，当从宏观和微观的角度进行研究时，结果可能会相互矛盾。这显然是一个问题。

在一篇新论文中，物理学家 Emil Roduner 和 Tjaart Krüger 相信他们已经找到了解决这一困境的方法。答案的关键在于区分两种类型的可逆性，即时间可逆性和热力学可逆性。

平衡和渐变

我们可以想象一个理想的钟摆。它可以一直来回摆动而不会产生摩擦。如果这个动作被录制下来，然后倒置播放，看起来没有任何区别。这是一个时间可逆的过程，钟摆的运动在时间倒转（即时间倒转）中是对称的。

然而，一杯热咖啡散失的热量永远不会流回。热量不可避免地从热咖啡流入较冷的空气中，当咖啡和周围的空气处于相同温度时，热流就会停止。这种结束状态称为平衡。由于它可以像钟摆一样反转，因此该过程是不可逆的。如果你倒着玩，它看起来非常不自然。最终达到平衡的自发过程的这个方向被称为时间之箭。

另一个概念是热力学可逆性。散热就是一个例子，它由热梯度驱动，并且总是从较热的地方进入较凉爽的地方。事实上，所有自发过程都是由某种类型的梯度驱动的，无论是温度、浓度还是压差。这些过程沿着“下坡”梯度发展，从高温到低温，从高浓度到低浓度，或从高浓度到低压。梯度提供了该过程的驱动力。宇宙中由某种梯度驱动的任何过程在热力学上都是不可逆的。

梯度控制小型和大型系统中的事件进程。地球从太阳的热表面接收辐射能，并在较低的温度下将能量耗散到宇宙的寒冷背景中。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可以追溯到来自太阳的微小光包——光子。所有生物都以较冷的光子的形式耗散能量，这些光子最终被释放到外太空。

分子的 “记忆”

两位物理学家认为，问题的本质在于，我们通常假设热力学不可逆性和时间不可逆性具有相同的概率起源，这在许多情况下是正确的，但不一定。这两种类型的可逆性实际上是根本不同的。

时间可逆性和熵梯度彼此无关。简单来说，就是关于“记忆”。如果所有分子都能“记住”它们在每个时间点的位置和运动速度，那么这个过程就是时间可逆的，这样每个分子的运动就可以逆转并恢复到其初始状态。如果系统不是特别大，这个过程已经可以由现代计算机模拟。随着计算机技术的发展，更大、更复杂的系统可以用单个原子和分子的水平来描述。

也就是说，微观和宏观系统之间的明显不相容与系统的大小无关，而是与过程的类型以及这个过程是否抹去了分子的“记忆”有关。