公益广告中的物理学

公益广告中的物理学在昼夜更替中，人类发现了时间之后，人们根据感觉，发现 了时间的单向流逝到了 17 世纪，经典力学创立了根据经典力学， 时间流逝的快慢是固定的，这就是人们的固有时间概念直到今天， 我们仍然信奉这个观念20 世纪初，相对论的发表震惊了全世界，我们固有的时间观念 原来并不正确根据相对论，时空和物质的状态有关时间可以加 快或减慢，在某些情况下，时间甚至可以停止然而，有一件事似乎从来没有发生过，那就是时间倒流时间 为什么只向一个方向流动？相对论也无法解释对这个问题的思考， 早在相对论发布之前就开始了假如时间倒流，究竟会发生什么呢？ 物理定律为什么不允许时间倒流呢？首先，我们先来看看文学作品描述的时间倒流这里以一首诗 为例这首诗作于 2014 年，在 2015 年，央视还把这首诗拍成了公 益广告这首诗是这样写的：瀑布的水逆流而上，蒲公英种子从远处飘回，聚成伞的模样，太阳从西边升起，落向东方子弹退回枪膛，运动员回到起跑线上，我交回录取通知书，忘了十年寒窗饭菜的香飘回厨房，笔迹淡去，在你签好名字的试卷上你关掉电视，帮我把书包背上你还在我身旁很明显，这首诗描述的现象在现实中是不会发生的。

那么，为 什么不会发生呢？究竟是什么物理规律不允许时间倒流呢？我们先分析力学规律力学规律是允许时间倒流的，因为力学 现象是可逆的假设一个物体在做匀速直线运动，颠倒时间的方向， 物体仍然做匀速直线运动，只不过方向相反而已这完全在物理定 律的允许之内这是匀速直线运动的情况，如果物体受力，情况又 会是什么样呢？这里以瀑布为例分析在重力的作用下，瀑布的水 加速下落颠倒时间的方向，就会发现水向上运动，但速度越来越 小，因此加速度的方向仍然向下，由此可知，重力的方法仍然向下 如果仅从力学的角度考虑，这也没有什么问题从这里可以知道， 如果时间的方向颠倒，那么速度的方向就会颠倒，而加速度和力的 方向不变但无论如何，都不违反力学规律因此，力学规律不是 决定时间方向的物理规律力学规律并不决定时间的方向，那么，什么物理规律决定了时 间的方向？是能量守恒定律吗？在这里，我们以烟花的爆炸为例， 来分析一下能量守恒定律是不是决定时间方向的物理规律烟花内 筒爆炸时，火药的化学能转化为热能、光能和动能（包括声能），将 热能、光能和动能加在一起，总量和爆炸前火药中储存的化学能是 相等的如果颠倒时间的方向，就会发现热能、光能和动能转化成 了化学能。

在这个过程中，能量仍然是守恒的也就是说，能量守 恒定律不阻止时间倒流由此可见，能量守恒定律也不是决定时间 方向的物理规律力学规律和能量守恒定律都被排除了，那么，究竟是什么物理 规律决定了时间的方向呢？让我们继续深入分析首先，让我们分析一个熟悉的现象：一开始，台球呈三角形紧 密排列在一起，这是一个有序的状态游戏开始后，球就变得无序 但如果只打一棍，球是不可能排成三角形的只有收拾（介入外力） 之后，球才能排列成三角形（但是，介入外力就要消耗能量，产生 热能，使分子的无序度增加，而且远远超过介入外力导致的无序度 减小）由此可见，物质的排列总是越来越无序我们再来分析一下另一个熟悉的现象：玻璃杯从桌子上掉到地 板上时，就会摔碎但被子的碎片却不会自发聚合成完整的杯子， 并自发跳到桌子上完整的杯子是相对有序的状态，而杯子的碎片 则是相对无序的状态从这里也能得知无序度在增加从能量的转化中，我们也能得到相同的结论以电阻丝为例， 电阻丝通电后，电能会转化成热能但加热电阻丝并不能产生电流 电流是电子的定向运动，而热量是分子的无序运动因此，电能转 化成热能后，无序度增加了墨菲定律有云：当一面涂着果酱、一面干净的面包片落到地上 时，先着地的一定是涂着果酱的那一面，即“事情向来没有最坏， 只有更坏”。

这实际上就是指物质的状态总是趋向无序物质的无序 度随时间单调递增，但“有序”和“无序”究竟是什么呢？这需要 引入“宏观态”和“微观态”的概念我们以气体的扩散分析假设有一个非常小的容器，内部只有 四个气体分子，我们暂且称其为A、B、C和D容器的中心有一个 隔板，上面有一个阀门一开始，四个分子都处于隔板的一侧，这 就是一个宏观态宏观态是分子的数量分布，而微观态就是分子具 体的位置如A、B、C、D都在隔板的一侧如果四个分子都在隔板 一侧，则对应的微观态只有一个打开阀门后，分子扩散至整个容 器这时，就是另一个宏观态：隔板两侧各有两个分子这个宏观 态对应的分子排列有6 种，也就是对应6个微观态当气体从隔板 一侧扩散至整个容器时，无序度会增加由此可知，一个宏观态对 应的微观态越多，无序度就越大引用某部名著的开篇，那就是： 所有有序的微观态都是相似的，而无序的微观态各不相同在等温的物态变化过程中（例如晶体的熔化、液体的沸腾，以 及对应的逆过程），物质要吸收（或放出）热量，这样就可以得到一 个变量，即热量的变化量除以温度，这就是“熵”，而对于质量一定 的某种物质来说，不同物态对应的分子排列方式是不同的，因此， 对应的微观态的数目也是不同的。

固态物质的分子整齐排列，只能 在平衡点附近振动，不能自由移动；液态物质的分子可以移动位置， 但仍然受到分子间作用力的约束，而气态物质的分子则不受约束 由此可知，液态对应的微观态多于固态，气态对应的微观态又多于 液态根据这一点，就可以推测到熵和无序度是有关的它们的关 系是：在一个宏观态中，熵正比于微观态数目的对数，即：S=kln Q （S是熵，Q是微观态的数目，k为常数）如果以J/K （焦耳每 开尔文，开尔文是温度单位，等于摄氏度加 273.15）作为熵的单位， 那么，常数的值就是1.38x10-2通过这种定义，熵就不仅限于用 来分析等温的物态变化过程了实际上，熵也可以用来分析任何物 质状态从无序度不断增加的现象，可以推测到熵随时间单调递增物质的状态总是趋向于无序通过引入“熵”这个物理量，无 序的程度得以量化，就得到了一条物理定律，这就是熵增原理时 间之所以具有方向性，就是因为熵增原理不过，这里还有一个问题，那就是：熵为什么会增加呢？实际上，只要分析一下彩票，就可以找出熵增加的原因假如 彩票摇奖机内部有12个球，摇奖时出2 个球买彩票时，在12 号 码中选 2 个号码如果2 个号码和出球的号码完全一致，则中一等 奖，如果 1 个号码和出的某个球一致，则中二等奖。

从热力学角度 看，一等奖、二等奖、不中奖这三种状态中，每一种都是一个宏观 态，但它们对应的微观态的数目是不同的在一次开奖中，摇奖机 出的 2个球只有一种排列方式因此，中一等奖的彩票号码排列方 式只有一种，也就是说，一等奖对应1 个微观态二等奖对应的微 观态不止一种，因为二等奖要求只有一个号码与开奖号码一致，另 一个号码不一致，对应的微观态只有20 个，因此，二等奖的熵大于 一等奖不中奖的彩票对应45 个微观态，熵最高只要分析一下各个宏观态出现的概率，就能得知熵为什么会增 加一等奖的中奖概率只有1/66（约 1.5％），二等奖的概率为10/33 （约 30％），而不中奖的概率为15/22（约68.5％）由此可见，熵 越高的宏观态，出现的概率就越高，这就是熵增加的原因还以 4 个气体分子的扩散为例一开始，4 个分子都在隔板的 一侧，阀门打开后，气体扩散到整个容器，隔板两侧各有2 个分子 在这个过程中，熵增加了实际上，气体分子不一定均匀分布到整 个容器（隔板两侧各2个），也可能是隔板一边1个，另一边 3个， 还有可能 4 个分子全扩散到隔板另一侧，但这三种状态的概率比为 6:4:1，分子均匀分布的概率是集中在隔板一侧的6 倍。

因此，气体 从某个状态扩散后，最有可能变为均匀分布的状态分子的数量越 大，气体全部集中到隔板一侧的概率就越小实际情况下，分子的 数量大得惊人，气体全部扩散到隔板另一侧的概率小到可以忽略 因此，我们从未观察到熵减小的现象熵增加原理是统计定律，只 有观察大量分子，这个定律才成立如果只观察一个分子，是无法 确定时间的方向的时间只有在宏观世界中才有方向无序度的增加只是物质发展的总体趋势实际上，物理定律并 不阻止熵减小，只不是熵减小是局部现象如果将外界算进来，总 熵仍然是增加的给电冰箱通电，冰箱内外出现温差，这就是局部 的熵减小但是，冰箱的压缩机需要能量才能工作，输入压缩机的 电能最终会转化成热能，耗散到空气中这个过程中，熵是增加的， 这个熵增大于冰箱内外温差带来的熵减因此，将外界考虑进来， 总熵仍是增大的前面，我们分析过，热不能完全转化为其他种类的能量那么， 热究竟是什么呢？这里，我们要深入微观世界来分析热的本质我 们都知道物质是由分子组成的，组成物质的分子并不是固定不动的 它们在不断运动即使是固体中，分子也在振动温度越高，分子 运动得越剧烈，由此可知热的本质是分子的运动热能也被称为内 能，单位是焦耳。

一个物体具有的内能等于组成该物体的所有分子 的动能总和，而温度就代表了每个分子的平均动能在一个物体内， 每个分子的动能并不相同，但每个分子动能的平均值却只有一个 温度这个物理量就是描述分子平均动能的大小的它的标准单位是 开尔文(K),等于摄氏度加273.15温度的下限是0K (-273.15C), 也就是绝对零度在绝对零度下，分子的动能等于零实际上，绝 对零度是不可能达到的，但可以无限逼近由于分子运动是无序的，因此，宏观物体虽然受到分子的撞击， 但各个方向上分子的撞击力相互抵消，所以物体的动能并不会增加 这就是内能不会自发转化为动能的原因但是，物体越小，在单位 时间内，它受到的分子撞击次数就越小如果物体足够小，那么， 在一个时刻，它受到的分子撞击力就会显出不平衡，物体就会因分 子的撞击而运动，这就是布朗运动物体越小，布朗运动就越剧烈 由于分子的运动是无序的，因此布朗运动也是无序的分子非常小， 用一般的显微镜根本无法观察到而产生布朗运动的微粒比分子大 得多，用一般的显微镜就能观察到布朗运动是分子运动的有力证 据热的本质是分子的无序运动，根据熵增原理，我们就可以得知 为什么其他种类的能量可以完全转化为热，而热不能完全转化为其 他种类的能量。

熵增加决定了时间的方向，这引出了另一个问题：主观时间和 物理时间究竟有什么关系？在我们的感觉中，时间在单向流动但是，物理时间却并不一 定会流动熵增原理决定了时间的方向性，但并不代表时间一定在 流动时间到底去哪里了？要解开这个问题，首先要分析主观时间和物理时间的关系我 们感受时间的流动是通过记忆因为我们只能记住过去，不能记住 未来，所以我们感觉时间从过去流向未来而我们之所以只能记住 过去，正是因为熵增原理现在”是一个确定的微观态，向过去推 测熵越来越小，因此，过去的某一时刻的物质状态是确定的，这就 是我们能记住过去的原因从现在向未来推测，熵越来越大因此，虽然“现在”是确定 的，但在未来的某一时刻，物质有很多可能的状态（微观态），也就 是说，未来是不确定的，因此我们无法记住未来以杯子摔碎的过 程为例，当杯子在桌子上时，我们无法记住它摔碎的样子，因为杯 子摔碎后有很多可能的形态当杯子落到地上摔碎时，杯子的形态 为摔碎后众多的可能之一是确定的，这时，我们就记住了杯子摔碎 的样子也就是说，从某一个时间点看，在这个时间点之后，物质 的状态有多种可能，因此我们无法记住但当物质发展到这个时间 点之后的某个时间点时，它的状态就确定了，是众多可能的状态之 一，这时，我们就记住了物质发展后的状态。

由此可见，时间流逝 这种感觉的本质就是记忆的过程过去是我们能够记住的时间，未 来是我们无法记住的时间，而过去和未来的分界就是现在如果颠倒物。