62、不可逆过程（1/1）

科学的逻辑62、不可逆过程：准备有声小说在线收听

在自然现象与基本物理规律之间一直存在着一个矛盾，也就是可逆过程与不可逆过程之间的对立。本篇我们不考虑弱相互作用及其导致的时间反演不对称造成的影响，这样，基础物理规律无论沿着时间的正向还是反向，都是一样的，例如牛顿力学、相对论场方程、薛定谔方程等，都是对可逆过程的描述。而在一些现实的自然现象中，往往会存在不可逆的过程。对这些现象中产生不可逆过程的原因进行分析，以期望从中找出一些能够让人们接受的合理的解释，或许能让我们有新的发现。

最常见的一个不可逆过程是热力学第二定律标出的时间箭头，我们可以很容易的通过常识判断出一段影片是正放的还是倒放的，因为真实的物理过程一定是向着熵增加的方向进行的。玻尔兹曼发现的熵与微观状态数之间的基本关系使我们可以深入理解热力学第二定律的本质，在微观状态等概率假设的支持下，系统的宏观性质总是向包含微观状态数最多的方向演化，也就是小概率事件向大概率事件演化。通过引入概率和统计的方式的确可以化解可逆过程与不可逆过程之间的矛盾，可逆的物理量一般是严格定义的基础物理量，而不可逆的物理量则一般是具有统计属性的宏观量。像气体的压强、温度等概念实际上是一种统计属性，对单个粒子来说是没有意义的，不平衡的温度与压力分布演化到均一稳定的平衡态，对基础物理量来说是可逆的，而从宏观的统计量演化来看，则是不可逆的。从这个角度来说，我们能够感受到时间的方向更像是一种错觉。基础物理规律对时间的方向是对称的，因此时间的方向是一个不可观测量，然而我们通过观察建立在统计概念上的宏观量的实际演化过程，却可以实际上观测到这样一个时间方向。那么时间的方向到底是可观测还是不可观测呢？仔细分析其中的差别我们可以发现，统计实际上是一种人为的行为，例如，在经典理想气体的图像中，温度概念是对分子的动能做统计平均得到的，如果将分子的速度、动量、动能等称为基础物理量，那么温度概念则是另一个层次上的导出量，它遵从的是统计规律而不是力学规律，因此它的规律可以不满足时间反演对称性，从而可以观测并区分时间的两个方向。统计行为的人为性导致时间在客观上没有方向，而在主观上有方向。在解决不可观测与可观测这对矛盾的过程中，我们发现了规律与物理量存在层次上的区别，原来力学量与统计量、力学规律与统计规律尽管描述的是同一个体系，却属于不同的层次，如果混淆这种层次关系，自然会产生时间到底有没有方向这样的矛盾。在广义相对论中还有一种不可逆过程，就是黑洞内部的空间方向，物体在黑洞内部只能向中心掉落而不能反过来。这实际上体现了黑洞内外的某种时空对称性，与时间方向的不可逆性是类似的，难怪许多物理学家相信黑洞与热力学存在某种深刻的联系。

我们经常遇到的另一个不可逆过程是量子测量过程，测量导致波函数坍缩，而坍缩后的波函数不会自动还原。可是如果从多世界解释的角度理解，实验装置能够实现的所有可能的可观测量构成相互正交的希尔伯特空间中的基矢，测量后坍缩的波函数实际上是整体波函数在某个基矢上的投影。由于整体波函数在所有基矢上都有投影，作为整体仍然是可逆的，因此从多世界的角度看，量子测量过程仍然是一个客观上可逆，主观上不可逆的过程。如果将实验装置替换为观察者，整体波函数包含观察者与被测体系，那么所有可能的相互正交的可观测量，实际上就是观察者在某个环境中可能获得的所有互斥的概念，例如对错、好坏、长短等。这样，我们将完全客观的物理演化体系替换成了主观体系，电子自旋向上或向下这些客观的测量本征态，替换成了观察者对欣赏一幅画觉得美或丑的判断。没有观察者的客观独立的实验装置在测量电子自旋方向时，在两个相互正交的自旋方向上都有投影，它们可以合成整体，因此是可逆的。而观察者欣赏一幅画的过程或许是在一个世界里他觉得画很美，而另一个平行世界中他认为很丑。量子论的观念模糊了主观与客观的界限，至少从多世界的角度，我们很难区分一台实验仪器和一个观察者有什么区别。如果硬是寻找它们之间的区别，那就是不同的实验仪器或观察者具有不同的可观测量构成的基矢（或者说具有不同的信息分辨率）。将主观与客观融合之后，不仅解决了测量过程中可逆过程与不可逆过程中的矛盾，而且可观测量的集合也被扩充了。起初仅仅是物理可观测量，其本征值是实数，可现在我们的观察者还可以区分真假、善恶、美丑、以及猫的死活等等。只是如同经典理论中温度的概念一样，尽管像善恶这样的概念在某种主观程度上是可观测量，但是我们需要小心层次上的混淆可能导致的矛盾。人的确是一种更高级的测量仪器，他有着更高的信息分辨率，可以测量和区分经典仪器或者猫无法理解的概念。包含着观察者的整个客观世界与基础规律是优美的、可逆的、高度对称的，它所张开的抽象数学空间各基矢之间也是不可观测无法区分的，但是从观察者的角度，他可以在基础规律的基础上获取类似统计规律的不同层次上的新规律，从而在主观上破坏了这种高度的对称性，观察者眼中的世界也变得复杂、可分辨与不可逆起来。

我们可以从中发现不同的不可逆性之间的联系，那就是客观上可逆而主观上不可逆。由于在基础规律支配下的世界中，同时存在某些统计上或其它层次上的规律，这些规律往往没有那么高的对称性，使我们得以发现不可逆过程和可观测量，并且让我们将似乎彼此矛盾的概念融合到一个统一的框架之中。