时间箭や头

物理ぶつり学がく在ざい微ほろ观的てき层次几乎完全かんぜん是ぜ时间对称的てき，这意味いみ着物きもの理学りがく定律ていりつ在ざい时间流りゅう易えき的てき方向ほうこう倒たおせ转之后きさき仍然保持ほじ为真。但ただし是ぜ在ざい宏ひろし观层次却显得とく并不是ぜ那な么回事ごと：时间存在そんざい着ぎ明あきら显的方向ほうこう性せい。時間じかん箭や頭あたま（又また稱たたえ時間じかん之の箭や）就是用よう于描述じゅつ这种不ふ对称的てき现象。

所ところ谓“在ざい微ほろ观的てき层次几乎完全かんぜん是ぜ时间对称的てき”，通俗つうぞく地ち说意指ゆび：随ずい着ぎ尺度しゃくど的てき减小，事件じけん逆ぎゃく向こう发生的てき概がい率りつ逐渐趋近于正向こう发生的てき概がい率りつ。当とう尺度しゃくど非常ひじょう小しょう时，我わが们认为两者しゃ是ぜ近似きんじ相等そうとう的てき。

预备知ち识

时间对称性せい可か以通过一个简单的模拟实现来理解。如果时间是ぜ对称的てき，你可以将影かげ片へん的てき一段镜头倒过来放，也能理解りかい到いた发生的てき事情じじょう。例れい如引力いんりょく是ぜ对称的てき，你可以将一个行星围绕太阳运转的轨道倒过来放，这个路ろ径みち仍然符合ふごう万有引力ばんゆういんりょく定律ていりつ。我わが们也可か以想象ぞう在ざい月つき球だま上面うわつら往上扔一个球体到高點的录像回放。正せい着き放ひ的てき时候，我わが们看到いた球たま向上こうじょう移うつり动的过程中ちゅう因いん為ため引力いんりょく逐渐慢下来らい。如果反はん过来的てき话，则球往下掉的速度そくど越来ごえく越えつ快かい。這两种情况下球だま都と是ぜ向むこう着ぎ月がつ亮あきら加速かそく（也就是ぜ背せ着ぎ月がつ亮あきら的てき方向ほうこう减速），因いん此引力りょく始はじめ终还是ぜ对称的てき。

大だい多数たすう物理ぶつり定律ていりつ都と是ぜ类似上述じょうじゅつ引力いんりょく的てき例れい子こ，但ただし是ぜ有ゆう时间箭や头的情じょう况就不同ふどう了りょう。

时间箭や头

什么是ぜ时间箭や头

广义地ち说，时间箭や头是为我们指明あかり时间方向ほうこう的てき一いち些规律りつ。依よ据すえ这些规律，我わが们可以明确指出で事件じけん发生的てき先さき后きさき顺序。

狭せま义上，时间箭や头指那な些非时间对称的てき物理ぶつり规律。由よし于这些物理ぶつり规律是非ぜひ时间对称的てき（非ひ时间对称并不意味いみ着ぎ和わ时间相しょう关），因いん而可在ざい物理ぶつり学がく上じょう据すえ此明确地指出さしで时间的てき方向ほうこう。一般いっぱん地ち认为，这些狭せま义上的てき时间箭や头是其他所有しょゆう时间箭や头的本ほん质。

例れい如著名めい的てき熵增定理ていり（热力学がく第だい二定律的另一种表述形式）指出さしで，一个孤立系统的熵不会减小。因よし而我们可以通过测量りょう一个孤立系统的熵来确定时间的方向（包含ほうがん较大熵的系けい统有大概たいがい率りつ处在时间轴上较"靠もたれ后きさき"的てき位置いち）。

热力学がく时间箭や头

主しゅ条目じょうもく：熵 (热力学がく)

热力学がく时间箭や头来自じ热力学がく第だい二に定律ていりつ，这一定律认为一个孤立こりつ系けい统的てき熵只ただ能のう随ずい着ぎ时间流りゅう易えき不断ふだん增加ぞうか，而不会かい减少。熵被认为是ぜ无序的まと量りょう度ど，因いん此第二に定律ていりつ隐含着ぎ一种由孤立系统的有序度变化所指定的时间方向（也就是ぜ说，随ずい着ぎ时间流りゅう易えき，系けい统总是ぜ越来ごえく越えつ无序）。这种不ふ对称性せい可用かよう于区分くぶん过去和わ未来みらい。换句话说，孤立こりつ系けい统在未来みらい将はた越来ごえく越えつ无序。

尽つき管かん任にん何なん孤立こりつ系けい统随时间流りゅう易えき越来ごえく越えつ无序，系けい统的各かく部分ぶぶん却存在そんざい着ぎ关联。一个简单的例子是玻璃杯被打碎的过程：最さい终状态（碎了的てき杯はい子こ）比ひ初はつ始はじめ状じょう态（完かん整せい的てき杯はい子こ）更さら无序，但ただし在ざい杯はい子こ的てき各かく部分ぶぶん之の间存在そんざい关联——两块相しょう邻碎片へん的てき边缘可か以准确吻合ふんごう。于是，一个孤立系统在过去是有序的且其各部分是无关的，而将来しょうらい则是无序的てき但ただし各かく部分ぶぶん是ぜ相しょう关的。

就微观个例れい而言，第だい二定律并不是确定性的，因いん任にん何なん系けい统都可能かのう通どおり过涨落到达更低てい熵的状じょう态（参まいり见庞加莱各态遍历定理ていり）。然しか而，第だい二定律描述的是系统向高熵状态转化的整体趋势（统计意い义上）。

宇宙うちゅう学がく时间箭や头

宇宙うちゅう学がく时间箭や头指向しこう宇宙うちゅう膨胀的てき方向ほうこう。宇宙うちゅう学がく时间箭や头认为从当とう前ぜん指向しこう宇宙うちゅう热寂结局的てき方向ほうこう是ぜ时间方向ほうこう。因よし热寂宇宙うちゅう是ぜ热力学がく第だい二に定律ていりつ的てき推论之の一いち，故こ宇宙うちゅう学がく时间箭や头的方向ほうこう也是热力学がく时间箭や头的方向ほうこう，是ぜ故ゆえ它是热力学がく时间箭や头的一いち个等效こう。相あい较于热力学がく时间箭や头，宇宙うちゅう学がく时间箭や头在实践中易なかやす于明确判定はんてい方向ほうこう。

一种另类的观点是，也许这个箭や头会在ざい引力いんりょく的てき作用さよう下か逆ぎゃく转成大だい挤压，并在反はん复的膨胀-挤压中ちゅう进化到いた适合人じん类的出で现（参まいり见人ひと择原理げんり）。

如果这个箭や头与其他时间箭や头有关，那な么未来みらい的てき方向ほうこう取と决于整せい个宇宙うちゅう是ぜ否ひ越来ごえく越えつ大だい。也就是ぜ说，宇宙うちゅう正ただし在ざい膨胀而不是ぜ收おさむ缩，这只是ぜ一个定义的问题。

辐射时间箭や头

波なみ，包括ほうかつ无线电波以及声こえ波は或ある甚至扔到水中すいちゅう的石まといし头激发的水すい波は，都と从它们的源げん头处向こう四よん周しゅう扩散，尽つき管かん波なみ动方程ほど除じょ了りょう这种形式けいしき的てき扩散波は之の外そと，也允许从四周聚拢到中间的收敛波。在ざい很仔细地调整实验条件じょうけん后きさき，可か以扭转这个时间箭头产生せい收おさむ敛波，因いん此这个时间箭头可能かのう源げん于热力学りきがく箭や头，因いん为要产生收おさむ敛波，需要じゅよう比ひ产生扩散波は更さら有ゆう序じょ地ち排列はいれつ波は源げん。因よし此，自じ发产生せい一个收敛波的可能性要比产生一个扩散波小得多。由よし于一个扩散波的传播往往会增加熵，而收敛波则会减少熵，因いん此通过波的てき传播收おさむ敛方向ほうこう来らい判定はんてい时间方向ほうこう也是热力学がく第だい二に定律ていりつ的てき应用。因よし此辐射时间箭や头也是ぜ热力学がく时间箭や头的一いち个等效こう。

弱じゃく力ちから时间箭や头

已やめ经证实某些由于弱じゃく核かく力りょく引起的てき亚原子げんし反はん应违反はん了りょう宇称对称性せい，但ただし这种情じょう况很少しょう发生。根ね据すえCPT定理ていり，这意味いみ着ぎ它们同どう时是时间不可ふか逆ぎゃく的てき，由ゆかり此产生せい一个时间箭头。这类过程可能かのう是ぜ质子在ざい早期そうき宇宙うちゅう产生的てき原因げんいん。

尚なお没ぼっ有ゆう任にん何なん理り论说明あかり这个箭や头和其他箭や头有关，如果它反向むこう的てき话，使つかい我わが们的宇宙うちゅう有ゆう所しょ区く别的就只是ぜ那な个世界かい充たかし满了反はん质子而不是ぜ质子。更さら准じゅん确地说，对质子こ和わ反はん质子的てき定てい义将刚好相反あいはん。

宇称的てき破やぶ坏是非常ひじょう轻微的てき，这个箭や头只是ぜ勉つとむ勉强べんきょう强きょう地ち指向しこう某ぼう一方向いちほうこう。这将它与其他很容易ようい观察到的てき时间箭や头区分くぶん开来。

量子りょうし时间箭や头

量子りょうし演えんじ化か由よし薛定谔方程ほど和わ波なみ函数かんすう坍缩描述，前者ぜんしゃ是ぜ时间对称的てき，而后者しゃ却否。波なみ函数かんすう坍缩的てき具体ぐたい机つくえ制せい还不清楚せいそ，因いん此也不知ふち道どう这个箭や头与其他的てき有ゆう何なん关系。尽つき管かん在ざい微ほろ观层次じ，坍缩似に乎不会かい增加ぞうか或ある者もの减少熵，有人ゆうじん相しょう信しん其中有ちゅうう一种与热力学箭头有关的宏观原理在起作用。根ね据すえ量子りょうし去さ相あい干ひ的てき理り论，如果假定かてい波なみ函数かんすう坍缩只ただ是ぜ表面ひょうめん现象，量子力学りょうしりきがく箭や头就是ぜ热力学がく箭や头的一いち个自然しぜん结果。

因果いんが时间箭や头

原因げんいん一般被认为发生在结果之前。我わが们可以控制せい未来みらい，但ただし无法控ひかえ制せい过去。这种判ばん别时间方向ほうこう的てき方式ほうしき被ひ一些人认为是因果时间箭头。本ほん质上，因果いんが时间箭や头仰赖人的てき经验，以判定はんてい什么是ぜ原因げんいん，而什么是结果。而人这种经验是ぜ在ざい长期观察热力学がく第だい二定律的现象中总结而来的。如果热力学がく箭や头扭转，那な么人类会先さき观察到地上ちじょう的てき碎瓷片へん而后观察到跳とべ进我们手掌てのひら的てき盘子。长期进行这样的てき观察会かい让我们觉得とく地上ちじょう的てき碎瓷片へん是ぜ原因げんいん，而跳进我们手掌てのひら的てき盘子是ぜ结果了りょう，所以ゆえん因果いんが时间箭や头会因いん热力学がく时间箭や头的扭转而被扭转。事こと实上，根ね据すえ第だい二に定律ていりつ，初はつ始はじめ状じょう态（更さら有ゆう序じょ而更少しょう自じ相あい关）比ひ最さい终状态总是ぜ要よう简单些，因いん此把开始的てき情じょう况看成なり两件事情じじょう中ちゅう的てき原因げんいん部分ぶぶん总是容易ようい些。所以ゆえん因果いんが时间箭や头本质上是ぜ一种人类对时间方向的经验，这种经验来き自じ于对热力学がく现象的てき总结。

心理しんり学がく时间箭や头也与因果いんが时间箭や头有关，因いん为我们总是ぜ记得过去同どう时能够影响将来らい（而不是ぜ相反あいはん），因いん此我们把过去看み成なり是ぜ将来しょうらい的てき原因げんいん。

心理しんり学がく时间箭や头

这是人じん类的经验中ちゅう最さい显著的てき箭や头：我わが们觉得とく自己じこ似に乎正从过去さ走はし向こう未来みらい；我わが们觉察到并记得とく过去而不是ぜ将来しょうらい（尽つき管かん两者有ゆう时候被ひ认为只ただ是ぜ错觉）。心理しんり上じょう的てき时间方向ほうこう被ひ认为是ぜ热力学がく时间箭や头及其各种表现形式しき被ひ意い识归纳总结获得とく的てき经验，因いん而人通どおり过这种经验判别记忆中事件じけん发生的てき顺序从而获得时间的てき概念がいねん。

也有やゆう人じん（如史ふみ蒂芬·霍金）认为时间箭や头是在ざい人ひと脑受到热力学がく第だい二に定律ていりつ影かげ响的结果，因いん此心理学りがく箭や头是热力学がく时间箭や头在意い识中的てき一いち个反映はんえい。为了记住事情じじょう，我わが们的头脑会かい从一个无序状态转变到一个更有序的状态，或ある者もの从一个有序状态变成另一个同样有序的状态。为了确保新しん状じょう态的正せい确，必须消耗しょうもう能のう量りょう，因いん此便增加ぞうか了りょう宇宙うちゅう其余部分ぶぶん的てき无序程度ていど。这个无序度ど上じょう升ます的てき程度ていど总是比ひ我わが们头脑的有ゆう序じょ度ど增加ぞうか的てき程度ていど大だい，因いん此我们就从宇宙うちゅう的てき无序度ど增加ぞうか过程中ちゅう记住了りょう事情じじょう，我わが们记住じゅう的てき事情じじょう也就总是在ざい过去。霍金指出さしで，人にん們不知道ともみち大腦だいのう工作こうさく的てき細ほそ節ぶし，討論とうろん人じん腦のう的てき記憶きおく是ぜ相當そうとう困難こんなん的てき，然しか而「假定かてい计算机つくえ和人わじん类有相しょう同どう的てき箭や头是合理ごうり的てき。如果不ふ是ぜ这样，人にん们可能因のういん为有一台记住明天价格的计算机而使股票交易所垮台。」

不ふ可逆かぎゃく性せい示しめせ例れい

试考虑一个巨大的容器充满了两种不同的液体，例れい如一边是一种染料而另一边是水。如果没ぼつ有ゆう东西在中ざいちゅう间分隔へだた这两种液体たい，其分子ぶんし的てき布ぬの朗ろう运动会かい导致它们随ずい着ぎ时间推移すいい开始混合こんごう在ざい一いち起おこり。然しか而，当とう它们完全かんぜん混合こんごう之の后きさき，你不能ふのう期待きたい染料せんりょう和水わすい能のう自じ动重新しん分ぶん开。

现在我わが们重复上面めん的てき实验，但ただし这次我わが们用一いち个非常ひじょう小しょう的てき、只ただ能のう容よう纳几个分子こ（大概たいがい10个）的てき容器ようき。给定一个相对较短的时间，人にん们可以想象ぞう那な些分子ぶんし会かい有ゆう机つくえ率りつ重じゅう新しん分ぶん离，所有しょゆう的てき染料せんりょう分子ぶんし在ざい一边而水分子在另一边。正式せいしき叙述じょじゅつ请参见漲みなぎ落定理ていり。

对于大だい点てん的てき容器ようき，不能ふのう自じ动分离只是ぜ因いん为这太ふと不可能ふかのう发生了りょう，甚至耗尽整せい个宇宙うちゅう的てき寿命じゅみょう也不够。这些液体えきたい开始于一个高有序度的状态，其熵（有ゆう时候这个字じ定てい义成“无序”）随ずい时间增加ぞうか。

如果从某种较早期そうき的てき混合こんごう状じょう态开始はじめ观察较大的てき容器ようき，可能かのう发现它只是ぜ部分ぶぶん混合こんごう。有ゆう足あし够的理由りゆう认为，如果没ぼつ有ゆう外部がいぶ的てき介入かいにゅう，这些液体えきたい目前もくぜん达到这个状じょう态是因いん为过去它更为有序じょ，那な时候它的分ぶん离度更さら大だい，并且在ざい将来しょうらい则更无序，混合こんごう度ど更さら高だか。

参まいり见

• 人ひと择原理げんり
• 时间倒たおせ流りゅう
• 时间对称性せい
• 洛らく夫おっと悖もと论

延伸えんしん阅读

• 胡えびす·普ふ赖斯. 时间之の矢や与あずか阿おもね基もと米まい德之のりゆき点てん——物理ぶつり学がく时间的てき新しん方向ほうこう (M). 上海しゃんはい: 上海しゃんはい科学かがく技わざ术出版しゅっぱん社しゃ. 2001. ISBN 978-7-5323-5737-6. 
• Halliwell, J.J. et.al. Physical Origins of Time Asymmetry. Cambridge. 1994. ISBN 978-0-521-56837-1.  (technical).
• Boltzmann, Ludwig. Lectures On Gas Theory. University Of California Press. 1964.  Translated from the original German by Stephen G. Brush. Originally published 1896/1898.
• Peierls, R. Surprises in Theoretical Physics. Princeton. 1979.  Section 3.8.
• Feynman, Richard. The Character of Physical Law. BBC Publications. 1965.  Chapter 5.
• Penrose, Roger. The Emperor's New Mind. Oxford University Press. 1989. ISBN 978-0-19-851973-7.  Chapter 7.
• Penrose, Roger. The Road to Reality. Jonathan Cape. 2004. ISBN 978-0-224-04447-9.  Chapter 27.
• Price, Huw. Time's Arrow and Archimedes' Point. 1996. ISBN 978-0-19-510095-2.  Website （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）
• Zeh, H. D. The Physical Basis of The Direction of Time. 2001. ISBN 978-3-540-42081-1.  该书的てき网页
• 柯文尼あま 译者：江こう涛. 时间之の箭や. 湖南こなん: 湖南こなん科学かがく技わざ术出版しゅっぱん社しゃ. ISBN 978-7-5357-1580-7. 

外部がいぶ链接

• 罗杰-爱因斯坦从同意どうい到いた反はん对 电动力学りきがく时间箭や头，热力学がく第だい二に定律ていりつ的てき起源きげん。