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这里有一种对称性蕴含在量子场论中,任何已知的进程都不会干扰到它。这就是所谓的CPT(电荷奇偶时间)对称性,它表示如果将宇宙中的所有物体都放在一起并翻转电荷(C),则所有物体会像通过反射镜一样反转(P),并反转时间方向(T),那么所有基本物理定律都将继续以相同的方式工作。
(照片来自DeanMouhtaropoulos/Getty拍摄)
我们所谓的反粒子是电荷和奇偶校验(CP)反转粒子,因此其行为完全类似于时间反转的普通粒子。只是在大爆炸之后,某种程度上我们现在称之为“常规”粒子的部分过剩,因此我们将这些短期CP的反向版本放置前缀“anti”。对于我们来说,宇宙中被认为是常规粒子的事物同样可以被视为其他较不规则版本的反粒子。当一个正常粒子遇到其反粒子时,它们便会一同湮灭。
所有物理定律在正向推理推的同时也可用相同的方式反推。从统计学上讲,所有的能量形式实际上是混乱无序的,这也是我们的大脑之所以遵循特定的时间方向的唯一原因。
例如,当我们射击水池中心的三角形内的有序台球时,熵(一种无序度)最有可能增加。但是,如果所有这些球以某种方式发生了完全相反的速度和方向运动,那么在我们进行第一次射击后,它们实际上将再次在一个较低的熵三角形形状里相遇。
根据物理学,没有什么可以说反向状态是不可能存在的情况,但它确实极不可能。想象一下,对于组成我们宇宙的粒子来说,这多么不可能!当我们观看倒放的视频时,所有我们看到的奇怪现象只是显示出熵的自然降低。反向一词解释了我们看到的所有奇怪现象。所有的。
球刚开始是静止的,突然蹦得越来越高,是因为地板上分子(热量)的混沌运动在恰当的时刻突然同步进入了球的另一个方向。将温水倒入浴缸中,一侧换成热水,另一侧换成凉水。摇晃带有黑白球的盒子,结果黑色球整齐地分开在左边,白色球整齐地分开在右边。婴儿解决魔方的问题。鸡蛋不能油炸的问题。等等等等。
尽管从技术上讲,所有这些不自然地减少熵的现象在物理上都可能像现实生活中发生的那样,其实这是非常荒谬的,类似于台球碰到有序三角形的情况(即使这种可能性更高)。但是,如果我们真的放大了这些怪异的反向熵的例子中的仅几个粒子,那么它实际上看起来再正常不过。几个粒子之间每一次的交互总是看起来很自然,无论是顺序还是倒序,就像两个台球之间的任何碰撞在顺序播放或倒序播放时总是看上去都很正常。这全都与整个系统有更多的可能性增加熵而不是减少熵有关。
图解:熔冰——增熵的经典例子,年被鲁道夫·克劳修斯描写为冰块中分子分散性的増加
为什么增加无序状态有更多的可能性,为什么我们总是看到熵的增加,以及为什么我们是在经历这个时间的方向的唯一原因是因为在时间维度的一侧有这种极低的状态的熵的存在——在我们称之为“宇宙大爆炸”之后。在“时间”维度的另一端有了“大爆炸”后,我们会容易地体验到时间从低熵的方向流走,但是我们当前的粒子看起来像是CP反转的反粒子。也许在大爆炸之前的所有时间里,熵都朝着另一个方向增加,而这正是我们所有缺失的反粒子所经过的那一侧。
时间似乎是具有基本方向的,这与空间也对我们也具有方向性(接近引力源)相似。
图解:从大爆炸形成的宇宙演化图解(左)。在这幅图中宇宙以二维呈现,第三维度是时间,向右是时间流动的方向。
它之所以让我们更容易了解过去的细节,而不是未来的细节,是因为它朝着较低熵方向计算可以最终变得更精确更容易,即使仅处理一个信息片段也是如此,例如一小部分光反射在物体表面。
另一方面,时间向较高熵方向的计算准确度要低得多,尤其是在仅处理少部分信息的时候。只需很小的计算误差,即使忽略了我们现实中的量子力学概率性质,这种差异也可能会升级,从而使其他未被考虑的事物开始运动。如果只是一个台球碰到桌上的其他有序三角形的台球,那么在将来的时间里,我们会看到完全不同的情况。但是计算另一种方法要简单得多。
图解:波动光学在短波长极限成为几何光学,类似地,量子力学在普朗克常数趋零极限成为经典力学。基本而言,在普朗克常数趋零极限,可以从量子力学的薛定谔方程推导出经典力学的哈密顿-亚可比方程。详尽细节,请参阅条目哈密顿-亚可比方程。
当我们看到地上破碎的蛋,就能马上知道它之前是完好的。但是当我们看到一颗完整的鸡蛋时,我们不知道它之后是会掉下来,会被吃掉还是在某个地方最终腐化:繁多的细枝末节情况需要更详细的信息来进行计算。当然,我们的大脑既计算了未来,也计算了过去。但是,尽管我们丢失了许多历史细节,只要走得更远,其中一边的信息就会比另一边要清晰得多。
只是我们很快就会失去有关未来的细节,很快。
相关知识延伸阅读
反物质(英语:antimatter)在粒子物理学中是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的,如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子〈正电子〉能形成一个反氢原子,如同电子和质子形成一般物质的氢原子。此外,物质与反物质的结合,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭,且因而释放出高能光子(伽马射线)或是其他能量较低的正反粒子对。正反物质湮灭所造成的粒子,赋予的动能等同于原始正反物质对的动能,加上原物质静止质量与生成粒子静质量的差,后者通常占大部分。(爱因斯坦相对论指出,质量与能量是等价的。)
图解:想像中用反物质当燃料的反物质火箭
化学及热力学中所谓熵(英语:entropy),是一种测量在动力学方面不能做功的能量总数,也就是当总体的熵增加,其做功能力也下降,熵的量度正是能量退化的指标。熵亦被用于计算一个系统中的失序现象,也就是计算该系统混乱的程度。熵是一个描述系统状态的函数,但是经常用熵的参考值和变化量进行分析比较,它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用,在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义,是各领域十分重要的参量。
参考资料
1.维基百科全书
2.天文学名词
3.forbes-歌诗小
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