王晓真
郑秀妍个人资料物理系 应用物理2010—1班 2220101698
摘 要：物理学在微观的层次几乎完全是时间对称的，这意味着物理学定律在时间流逝的方向倒转之后仍然保持为真。但是在宏观层次却显得并不是那么回事：时间存在着明显的方向。时间箭头（又称时间之箭）就是用于描述这种不对称的现象。所谓“在微观的层次几乎完全是时间对称的”，通俗地说意指：随着尺度的减小，事件逆向发生的概率逐渐趋近于正向发生的概率。当尺度非常小时，我们认为两者是近似相等的。
一，时间箭头
广义地说，时间箭头是为我们指明之间方向的一些规律。依据这些规律，我们可以明确指
出事件发生的先后顺序。狭义上，时间箭头指那些非时间对称的物理规律。由于这些物理规律是非时间对称的（非时间对称并不意味着时间相关），因而可在物理学上据此明确地指出时间的方向。一般地认为，这些狭义上的时间箭头是其他所有时间箭头的本质。
例如著名的熵增定理（热力学第二定律的另一种表述形式）指出，一个封闭系统的熵不会减小。因而我们可以通过测量一个封闭系统的熵来确定时间的方向（包含较大熵的系统有大概率处在时间轴上较"靠后"的位置）。
二，几种时间箭头
（1）热力学时间箭头
热力学时间箭头来自热力学第二定律，这一定律认为一个孤立系统的熵只能随着时间流逝不断增加，而不会减少。熵被认为是无序的量度，因此第二定律隐含着一种由孤立系统的有序度变化所指定的时间方向（也就是说，随着时间流逝，系统总是越来越无序）。这种不对称性可用于区分过去和未来。换句话说，孤立系统在未来将越来越无序。
尽管任何孤立系统随时间流逝越来越无序，系统的各部分却存在着关联。一个简单的例
子是玻璃杯被打碎的过程：最终状态（碎了的杯子）比初始状态（完整的杯子）更无序，但在杯子的各部分之间存在关联——两块相邻碎片的边缘可以准确吻合。于是，一个孤立系统在过去是有序的且其各部分是无关的，而将来则是无序的但各部分是相关的。
第二定律并不是精确的，任何系统都可能通过涨落到达更低熵的状态（参见庞加莱各态遍历定理）。然而，第二定律描述的是系统向高熵状态转化的整体趋势（统计意义上）。
（2）宇宙学时间箭头
教师转正申请 宇宙学时间箭头指向宇宙膨胀的方向。它可能跟热力学箭头有关，这个箭头指向一个自由能耗尽后宇宙热寂或者高寒的结局。一种另类的观点是，也许这个箭头会在引力的作用下逆转成大挤压，并在反复的膨胀-挤压中进化到适合人类的出现（参见人择原理）。
如果这个箭头与其他时间箭头有关，那么未来的方向取决于整个宇宙是否越来越大。也就是说，宇宙正在膨胀而不是收缩，这只是一个定义的问题。
（3）辐射时间箭头
波，包括无线电波以及声波或甚至扔到水中的石头激发的水波，都从它们的源头处向四周扩散，尽管波动方程除了这种形式的扩散波之外，也允许从四周聚拢到中间的收敛波。在很仔细地调整实验条件后，可以扭转这个时间箭头产生收敛波，因此这个时间箭头可能源于热力学箭头，因为要产生收敛波，需要比产生扩散波更有序地排列波源。因此，自发产生一个收敛波的可能性要比产生一个扩散波小得多。实际上，一个扩散波的传播往往会增加，而收敛波则会减少熵，而后者是违反热力学第二定律的。
（4）因果时间箭头
原因一般被认为发生在结果之前。我们可以控制未来，但无法控制过去。有人认为这并没有给出一个明确的箭头。如果热力学箭头扭转，那么我们会觉得地上的碎瓷片是原因，而跳进我们手掌的盘子是结果了。事实上，根据第二定律，初始状态（更有序而更少自相关）比最终状态总是要简单些，因此把开始的情况看成两件事情中的原因部分总是容易些。
心理学时间箭头也与因果时间箭头有关，因为我们总是记得过去同时能够影响将来（而不是相反），因此我们把过去看成是将来的原因。
因果时间箭头被认为是热力学时间箭头的一种表现形式。
（5）弱力时间箭头
已经证实某些由于弱核力引起的亚原子反应违反了宇宙对称性，但这种情况很少发生。根据CPT定理，这意味着它们同时是时间不可逆的，由此产生一个时间箭头。这类过程可能是质子在早期宇宙产生的原因。
没有任何机制能说明这个箭头和其他箭头有关，如果它反向的话，使我们的宇宙有所区别的就只是那个世界充满了反质子而不是质子。更准确地说，对质子和反质子的定义将刚好相反。
记得 张惠妹 宇称的破坏是非常轻微的，这个箭头只是勉勉强强地指向某一方向。这将它与其他很容易观察到的时间箭头区分开来。
（六)量子时间箭头
量子演化由薛定谔方程和波函数坍缩描述，前者是时间对称的，而后者却否。波函数坍缩
的具体机制还不清楚，因此也不知道这个箭头与其他的有何关系。尽管在微观层次，坍缩似乎不会增加或者减少熵，有人相信其中有一种与热力学箭头有关的宏观原理在起作用。根据量子退相干的理论，如果假定波函数坍缩只是表面现象，量子力学箭头就是热力学箭头的一个自然结果
（七）心理学时间箭头
这是人类的经验中最显著的箭头：我们觉得自己似乎正从过去走向未来；我们觉察到并记得过去而不是将来（尽管两者有时候被认为只是错觉）。可是物理学的时间箭头如何产生这种知觉还不清楚，因为意识的运作太过复杂，时至今日我们仍只有浅薄的了解。也许因果箭头影响了我们对原因的学习探求过程，从而形成这种知觉。
闫学晶的老公是是谁也有人认为时间箭头是在人脑的知觉进化过程中受到热力学第二定律影响的结果，因此心理学箭头源自热力学。为了记住事情，我们的头脑会从一个无序状态转变到一个更有序的状态，或者从一个有序状态变成另一个同样有序的状态。为了确保新状态的正确，必须消耗能量，因此便增加了宇宙其余部分的无序程度。这个无序度上升的程度总是比我们头脑的有序度增加的程度大，因此我们就从宇宙的无序度增加过程中记住了事情，我们记住
的事情也就总是在过去。
让我们进一步说明心理学箭头和热力学箭头之间的关系，以便理解。前面提到热力学第二定律指出在系统不同部分之间的关联会在将来的方向上逐渐增加（而不是向过去的方向）。既然记忆就是我们的脑细胞（或者计算机中的二进制数位）和外部世界的联系，记忆为何应该随着时间流逝（向着将来方向）增多而不是减少，原因就很明显了。此外，我们的行为可能影响将来而不是过去，是因为影响外部世界意味着在我们自己（我们的身体或者脑袋）和外部世界之间建立关联。
三，不可逆性示例
试考虑一个巨大的容器充满了两种不同的液体，例如一边是一种染料而另一边是水。如果没有东西在中间分隔这两种液体，其分子的布朗运动会导致它们随着时间推移开始混合在一起。然而，当它们完全混合之后，你不能期待染料和水能自动重新分开。
现在我们重复上面的实验，但这次我们用一个非常小的、只能容纳几个分子（大概10个）的容器。给定一个相对较短的时间，人们可以想象那些分子会有机会重新分离，所有的染料分子在一边而水分子在另一边。正式叙述汪苏泷靳梦佳恋情
请参见波动定理。
对于大点的容器，不能自动分离只是因为这太不可能发生了，甚至耗尽整个宇宙的寿命也不够。这些液体开始于一个高有序度的状态，其熵（有时候这个字定义成“无序”）随时间增加。
如果从某种较早期的混合状态开始观察较大的容器，可能发现它只是部分混合。有足够的理由认为，如果没有外部的介入，这些液体目前达到这个状态是因为过去它更为有序，那时候它的分离度更大，并且在将来则更无序，混合度更高。
四，宇宙论中时间箭头的争论
解除限制速度一种观点认为，宇宙学时间箭头是由相对论时间对称场方程加初始条件产生的，宇宙空间的膨胀使得电磁扩散波相对于电磁收缩波占了上风，即滞后波远多于超前波，这就形成了电磁学时间箭头，从热力学时间箭头派生出信息论和生物学的时间箭头。在涉及到嫡的增加时，多数物理学家认为， 初始火球在刚开始时实际上是处于热平衡状态，但是那个时刻的宇宙是非常微小的。火球所代表的是那一微小尺度的宇宙所能允许的最大嫡的状态，但
是这种允许的嫡和在今天宇宙尺度下能允许的嫡相比较是微不足道的。随着宇宙膨胀，可允许的最大嫡随着宇宙尺度增加，但是宇宙中实际的嫡远远落在允许的最大值后面。由于实际的嫡总是拼命去追赶允许的最大值，所以产生了第二定律。
而彭 罗 斯 认为，这不可能是对热力学第二定律的正确解释。如果真是如此，在一个最终塌缩到大挤压的空间闭合的宇宙模型中，该论证在时间的颠倒方向上最终将又能适用。适合于膨胀宇宙极早期并给予了我们低嫡的同一限制，应该又能适用于收缩宇宙的最后阶段。“时间开端”处的嫡限制给出了热力学第二定律。如果把同一低嫡的限制应用于时间的终结处，则我们应该在那里发现和热力学第二定律的严重冲突。彭罗斯指出，我们有充分的理由怀疑在塌缩的宇宙中会有这种嫡的反转。其中最有力的原因是黑洞相当于一个塌缩宇宙的微观模型;如果宇宙塌缩时嫡要反转，那么，在一个黑洞附近必须能观察到第二定律的严重违反。然而，黑洞热力学与量子效应的研究都使人相信第二定律强有力地支配着黑洞。
霍金认为，宇宙起源于一个光滑和有序的状态，这是一个非常特殊而又自然的初始边界条件。彭罗斯认为，宇宙的初始奇点与终极奇点是不对称的，初始奇点(大爆炸)的魏尔曲率
必须为零，而终结奇性的魏尔曲率会发散，在一个开放宇宙中所产生的黑洞也具有发散的魏尔张量。在彭罗斯看来，初始奇点是非常特殊的，为了产生一个和我们生活其中的相类似的宇宙，造物主必须瞄准可能宇宙的相空间中的不可思议的小体积— 在所考虑的情况下大约为总体积的1/1010",o彭 罗斯已经把宇宙的开端归结为奇迹。从普赖斯提出的超时间观点看，宇宙的嫡增过程的确应当像彭罗斯那样理解为为什么宇宙开端的嫡那么低，而宇宙开端嫡很低的问题又等价于我们是否能够重新形成低嫡的未来。
彭 罗斯 的 想法看来已经给出了时间箭头的正确条件。但还有一个问题没有解决:为什么不从大塌缩开始向大爆炸走呢?这就是根据超时间观点提出的问题。彭罗斯用粗粒化方法计算嫡，这里面包含着主观主义的各种问题。他承认不同的粗粒化会给出不同的结果，但他认为这在实际上不会造成很大差别，因为在开始和结束时刻所涉及的这两个嫡值是有“夭壤之别”的。实际上，对于嫡的计算，我们并不一定采用统计力学中的粗粒化方法，直接根据热量变化和温度的关系就可以计算，按照彭罗斯的设想，我们则需要搞清引力嫡的性质如何。
霍金 指 出 ，魏尔曲率假设在给出宇宙学时间的两端具有不同的边界条件这一点上有合理
之处。是，他同时又提出批评:(1)它不是CPT不变的;(2)魏尔张量不能一度准确为零，也不能解释小起伏。霍金认为，宇宙早期的魏尔张量接近为零，同时允许有小的涨落，这可以从无边界条件中推出;宇宙演化晚期的魏尔曲率发散，与量子宇宙论的场方程(一般是惠勒— 德维特方程)具有两个复数解有关。其中的一个解就是半个欧氏四维球和洛氏德西特解的一个小部分相连接;另一个可能的解释是以同样的半欧氏四维球连接到一个洛氏解上，该洛氏解膨胀到非常大的半径，然后再收缩到给定边界上的小半径。这两个解对应着宇宙论时间的两端:在第一个仅具有很短的洛氏时期的解的情形，三度规hij的微扰衰减得很厉害，相当于魏尔张量接近于零并有微小涨落的情形;在第二个解中，宇宙膨胀又收缩，微扰可以非常大并且不显著衰减，宇宙演化的末期会非常无规而且混沌。魏尔张量极其巨大。这意味着用魏尔曲率假设表述的宇宙论时间箭头可以从无边界条件推出。
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