可逆与不可逆：我们为什么回不到从前？

文章来源：大学物理学作者：薛徳堡

当看到这个标题时，可能很多小伙伴以为要讲相对论了，但你要知道，这个问题还可以从另一个角度来解释。

先来看一个动画。

你能发现这个动画有什么特别之处吗？

显然，这个动画的过程是违反生活经验的，烟雾总是不断扩散开来，而不可能自动聚集，所以上面的动画肯定是倒放的。

下面这个过程才是真实的，烟雾颗粒不断向四周扩散，符合观察经验。

以上是我们所有人在日常观察中形成的观念。我们都相信：扩散是自发的，而重新聚集是不可能的。

那么，从物理学的角度，如何解释这个问题呢？

物理学认为，如果存在一种办法，能消除一切由原过程造成的影响，使系统完全复原，那么该过程可逆；若无论如何都无法使系统复原，并使原过程造成的对外影响完全消除，那么该过程不可逆。

而实践表明，烟雾颗粒一旦扩散，不可能重新反向聚集而复原。

所以，扩散过程不可逆！

然而，为什么扩散不可逆呢？

扩散现象是由包含大量微观粒子的宏观体系所经历的。在物理学中，这种体系属于热力学系统。根据分子运动能，热力学系统内部大量分子在永不停息的做无规则热运动。

 

既然是无规则运动，顾名思义，你没办法去规定每一个分子的运动情况，也就无法让每个分子都回到初始状态，所以你也无法让系统复原。

即使你是上帝本人也不行，你没那么多手、眼睛和脑子去命令那么多分子各个都按照你的指令来行动！换句话说，只要是大量粒子——比如阿佛加德罗常数个粒子，你就只能任凭它们混乱运动了。

推而广之，不仅扩散过程，凡是包含有大量个体的体系所经历的任何过程，一旦发生，没有任何过程能使之复原。换句话说，一切宏观体系经历的实际过程都是不可逆的！

简言之，一切宏观过程不可逆！

温馨提示：“宏观体系经历的实际过程”经常被简称为“宏观过程”。

宏观体系的这种一去不复返的特点，给人以时间流逝的体念。因此不可逆性表明时间是单向流动的，就像射出去的箭，有去无回。

李白的《将进酒》的头两句：“君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回。 君不见，高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪”，深刻的道出了这种时间之箭的不可逆性。

那么，这背后起作用的是什么物理规律呢？答案是：热力学第二定律。

热力学第二定律有两个版本，其中克劳修斯提出的版本说：热不可能自动的从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。

你可能会问：这里说的只是传热过程的不可逆性啊，又怎能说明一切宏观过程都不可逆呢？

的确，热力学第二定律的表述有点奇葩，它的两个版本都是针对具体的现象来阐述的。这在物理规律中是很少见的。

这看起来好像挺不合理的，有点像张天翼的通话故事《大林和小林》中的法律条文那样，它的第三万八千八百六十四条规定：皮皮如果在地上拾得小林，小林即为皮皮所有。

然而，对热力学第二定律来说。虽然它的表述看起来缺乏一般性，但却是合理的。因为，所有的宏观过程的不可逆性是相互等价的！

换句话说，只要你承认一种宏观过程不可逆，那么所有其他的宏观过程也都不可逆。例如，从“热传导的不可逆”可以推出“功变热的不可逆性”，反之亦然。

所以，说某个宏观过程不可逆，等于就说所有宏观过程不可逆。正因为这样，克劳修斯表述也好，开尔文表述也好，甚至千千万万个其它表述也好，实际上都表明了一个基本事实：一切宏观过程不可逆。这正是热力学第二定律所要说的事。

当然，如果你又问：热力学第二定律是怎么来的呢？

答案是：它是一条物理学的基本假设，是从物理实验和经验中总结出来的，并接受了充分的检验，所以是正确的。

如果从微观的角度去探究热力学第二定律，你会发现，它可以通过另一个物理概念来解释，它就是熵！但这样，你会面对另一个假设——等概率假设。

等概率假设告诉我们，对任何宏观体系，它所包含的微观态都以相同的概率出现。因此，对宏观体系的某个状态(即宏观态)来说，它所拥有微观态数越多，它出现的机会就越大。

所谓微观态，指系统内全体成员的一种具体的分布。

打个比方，30个人正围在一个正方形湖的边上看风景，这是一种宏观态。而30个人分别在什么位置，对应一种微观态。例如某时刻，东边3个，西边8个，南边10个，北边9个；而另一个时刻，东边10个，西边2个，南边8个，北边10个。这些不同时刻的分布就是一个个微观态。

玻尔兹曼认为，所有的微观态都是平权的，一个宏观态总是以相同的概率遍历它所拥有的所有微观态。因此，拥有的微观态数量越多的宏观态，出现的概率越大。

这使得，任意宏观体系在变化时，它总是朝着微观态数更多的方向演化。

基于这个微观态数  ，玻尔兹曼定义的熵  为 根据此定义，熵与微观态数正相关，因此，熵越大的宏观态出现的机会越大。换句话说，变化中的系统，总是朝着熵增大的那个方向演化，这就是熵增加原理。

因此，热力学第二定律对宏观过程的不可逆性的约束，也可以理解为是熵增加原理的作用。换句话说，热力学第二定律本质上就是熵增加原理。

好了，现在知道了，宏观现象不可逆，这是受一条物理定律支配的结果。

那么，可逆过程呢？是不是不存在可逆过程呢？倘若真如此，那这个词语不是多余的吗？

答案是：一般来说，对宏观体系，可逆过程只在理论上存在，那就是无耗散的准静态过程。说的直白一点就是：没有摩擦力的、进行的无限缓慢的过程。不过，这个话题扯得有点远，本文暂且按下不表。

但若你关注的不是宏观体系，实际上，可逆过程是存在的！

那么问题就来了，不是宏观体系的体系是什么样的？

只要体系不存在微观组份，或不需要考虑它是由大量微观粒子构成的事实，那么该体系就不是宏观体系。

例如，若是少数几个粒子，或者一个没有内部结构的质点或刚体，那么它就不是宏观体系，它的运动就是可逆的。

当你观察一个蹦来蹦去的跳蚤时，它的运动看起来也是可逆的，因为你没有关注它体内的能量消耗的细节，它在你眼里就是一个没有结构的质点。

实际上，牛顿力学中的一个质点或者刚体，如果我们将它的运动过程拍成影片，然后倒放，你不会产生什么特别的感觉。

就像下面的这个，是否倒放？你无法知道。

或者像下面这种，你大概也不会怀疑视频是不是倒放的。

同样，受电磁力作用的带电粒子的运动若反向进行，你也不会觉得有什么不妥。

更别说光学，既然光路可逆，那光反射回来，丝毫不差，若把它当作入射光有没什么问题。

这意味着，在这些情况下，你无法意识到时间到底朝那个方向走——因为正反方向对你来说没有孰优孰劣，都是合理的。若你全神贯注的观察这些现象，可以体验到一种时间倒流的错觉。

所以，质点或带电粒子所经历的过程都满足时间反演不变性，这一点你可以从那些著名的方程中窥见。例如，牛顿方程、电磁波的波动方程中，若时间反号，方程保持不变。 我们经常说，力是改变物体运动状态的原因。若没有外力，质点的运动状态不会变化。这说明，质点不会自发的改变状态，正因为它不能自发的改变，所以它经历的过程也无所谓方向——你想要它咋的，它就咋的，它本身没有任何倾向性。

但宏观系统则不同，你不作用它，它也会自发的沿着一个方向变化！换句话说，它根本不需要接受什么指令，它有它自己的选择！如果你想改变它的行进方向，那你就要付出额外代价。

当然，你可能会说，那个荡秋千的实验中，由于受到阻力，摆动的幅度只可能越来越小，如果发现影片中它的摆幅越来越大，那肯定是不合理的，因此能判断此时影片是倒放的。

没错！但上面这些例子没有涉及摆幅的变化。也就是说，摩擦阻力很小或可忽略。

摩擦阻力是什么？是一种耗散力，它做功会导致热的产生。所以只要考虑了摩擦力，那就涉及到热学了，就不再是纯粹的牛顿力学、电磁学和光学了，其过程不再具有可逆性。而相反，只要没有涉及到热学，一切过程倒过来不会有什么问题。

实际上，按照前面所说，凡是由大量微粒组成的系统，就是一个宏观系统，或者说热力学系统。而摩擦力涉及接触面处的大量微粒的相互作用，所以摩擦力做功本身就是一种宏观的热力学过程。

总之，只要是大量粒子组成的体系，必然导致热现象，所经历的一切过程都是不可逆的。无论生物还是非生物，都是如此。

现在你知道了，你周围的一切，包括你自己，为什么不能回到过去？

简单的说，因为你和你看到的那些东西都太大了！如果你能缩小到几个分子那么大，你就可以随意回到过去。但那样的话，你的结构太过简单，不要以为你会变成一只麦克斯韦小妖，因为你将无法思考，也无事可做。

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编辑：六块钱的鱼