为何高高的松树

与灰白的白杨

枝丫纠缠在一起

为我们提供如此甜美的阴凉？

为何流水

在湍流中

创造了生机勃勃的漩涡？

推动世界的不是能量，而是熵

在学校里，我被告知让世界运转的是能量。我们需要获得能量，比如从石油、太阳或核能那里。能量使机器运转，让植物生长，让我们每天早上起来充满活力。

但还有些东西没有被考虑进去。我在学校里还被告知，能量是守恒的，它既不会被创造，也不会被毁灭。如果它是守恒的，为什么还需要不断补充呢？为什么我们不能一直使用相同的能量？

真相是有很多能量，而且没有被消耗掉。世界运转需要的不是能量，而是低熵。

能量（无论是机械能、化学能、电能还是势能）都会把自己转化为热能，即热量，它会传到冷的物体。但要想把它取回来，重新用来让植物生长，或驱动发动机，这样的免费方式并不存在。在这个过程中，能量保持不变，但熵增加了，熵无法回转。这是热力学第二定律要求的。

让世界运转的不是能源，而是低熵源。没有低熵，能量会稀释成相同的热量，世界会在热平衡态中睡去——过去与未来不再有分别，一切都不会发生。

在地球附近，我们有着丰富的低熵源——太阳。太阳给我们送来炙热的光子，然后地球向黑暗的天空辐射热量，发射冷的光子。输入的能量与输出的能量大致相等，因此，在交换过程中，我们并没有得到能量（在交换过程中得到能量对我们而言是灾难性的，将会导致全球变暖）。但对于每个到来的热光子，地球会发射十个冷光子，因为来自太阳的一个热光子与地球发射的十个冷光子具有相同的能量。一个热光子比十个冷光子具有的熵更少，因为一个（热）光子状态的数量比十个（冷）光子状态的数量要少。因而，太阳对我们而言，是个丰富且持续不断的低熵源。我们拥有充足的低熵可以使用，能够让动植物成长，让我们建造汽车与城市，以及思考和写书。

太阳的低熵来自何处呢？原来，太阳诞生于一个熵更低的状态，形成太阳系的原始星云甚至有着更低的熵，如此，一直向过去追溯，直到宇宙最初极低的熵。

正是这个熵的增加驱动了宇宙的伟大故事。

但宇宙熵的增加并不迅速，不像盒子里的气体突然爆炸那样，它是渐进的，需要时间。即便有个巨大的汤勺，要搅拌宇宙这样大的东西，也需要时间。首先，宇宙熵增加的路上有很多阻碍和关闭的门，只有经历极大的困难才能出现通道。

比如，一堆木头如果放着不管，可以存在很久。它不处于熵最大的状态，因为构成它的元素——比如碳和氢——以一种非常特殊的方式（有序的）结合在一起，从而形成木头。如果这些特殊的结合破裂了，熵就会增加。这就是木头燃烧时会出现的情况：这些元素会从构成木头的特殊结构中脱离，熵大幅增加（事实上，燃烧是个显著的不可逆过程）。但木头不会自己燃烧起来，它会在低熵状态维持很久，直到有东西打开一扇门，让它进入更高熵的状态。一堆木头就像一副牌，处于不稳定状态，但除非有某样东西让它进入更高熵的状态，否则它不会瓦解。比如说，这种东西可以是一根火柴点燃的火焰，这个过程会开启一个通道，木头可以由此进入更高熵的状态。

有些阻碍的情况存在，进而减缓整个宇宙熵的增加。例如，在过去，宇宙基本上是一大片氢，氢会结合为氦，氦比氢的熵要高。但这一情况的出现需要开启一个通道：得有星星燃烧，让氢燃烧成为氦。什么会使星星燃烧呢？这就需要另一个熵增加的过程——环行星系的氢云引力造成的收缩。收缩的氢云比分散的氢云具有更高的熵[这是另一个常见的令人困惑之处，因为收缩的云看似比分散的更“有序”。但并非如此，因为分散的云分子运动速度都很小（以有序的方式）。然而，当云收缩时，分子速度会增加，在相空间中扩散。在物理空间中聚集的分子在相空间中分散，这才是相关的一点。]，但氢云太大了，需要数百万年才能收缩。只有集中起来以后，它们才能加热到某个点，引发核聚变过程。引燃核聚变为熵的进一步增加打开了大门：氢燃烧为氦。

整部宇宙史都由这种断断续续的或急剧的熵增组成，既不迅速也不均匀，因为一切会一直陷在低熵的凹地里（木头、氢云），直到某样东西把大门打开，让熵增过程出现。熵增本身也会打开新的大门，由此熵继续增加。比如，山里的水坝可以存水，直到它随着时间推移逐渐损坏，水会再流到山下，使得熵增加。在这个毫无规律的过程中，宇宙中或大或小的部分会在相对稳定的状态下保持孤立，并且可能会持续很久。

生物也由类似错综复杂的过程组成。光合作用把来自太阳的低熵储存在植物里，动物则“进食”低熵。（如果我们所需能量胜于低熵的话，那我们就会向撒哈拉的热量进发，而不是去吃下一顿饭了。）在每个活的细胞内，化学过程的复杂网络都是个可以开关大门的结构，低熵可以由此增加。分子的功能是扮演让过程交织在一起的催化剂，或是反过来阻碍这些过程。每个单独过程的熵增使得整体能够运转。生命就是熵增过程的网络，这些过程可以作为彼此的催化剂。[尤其可参考S. A. Kauffman, Humanity in a Creative Universe, Oxford University Press, New York, 2016 。]有时人们会说，生命会产生特别有序的结构，或是在局部熵会减少，这些说法并不正确。生命仅仅是分解与消耗食物低熵的过程，它的结构本身就是无序的，和宇宙其余部分一样。

即便最平淡无奇的现象都由热力学第二定律掌管。石头会落到地面，为什么呢？人们经常解读说，这是因为石头会把自己置于“较低能量的状态”，因而最终会停在较低位置。但为什么石头会让自己处于较低能量的状态呢？如果能量是守恒的，为什么它会失去能量呢？答案是当石头撞击地球时，会加热地球：它的机械能会转化为热量，并且热量无法收回。如果热力学第二定律不存在，如果热量不存在，如果微观聚集不存在，石头就会永远反弹下去，永远不会停下来。

让石头停在地面以及让世界运转的，是熵，而不是能量。

宇宙的形成就是个逐渐无序的过程，就像那副牌，一开始有序，洗牌之后变得无序。并没有一双巨大的手在洗宇宙这副牌，它自己就能进行混合，在逐步混合的过程中，各部分之间会开启与关闭，并进行相互作用。广阔的区域会一直维持有序的状态，直到到处都有新的通道开启，无序由此扩散开来。[宇宙中这种相互作用的分支结构的存在对于理解局部熵增的重要性的相关讨论可见Hans Reichenbach，The Direction of Time, University of California Press,Berkeley, 1956 。对于任何对这些论证有怀疑，或是有兴趣更深入地研究的人，赖欣巴哈的文章都是必读的。]

让世界上的事件得以发生的，让世界书写其历史的，是万物不可遏止的混合——从少数有序的状态变为无数无序的状态。整个宇宙就像一座缓慢倒塌的山，像个逐渐瓦解的结构。

从最微小的事件到更复杂的情况，都是这一不断增加的熵的舞蹈，是毁灭者湿婆的真实舞蹈，被宇宙最初的低熵滋养孕育。

痕迹与原因

熵在过去比较低这一事实导致了一个重要结果，它对过去与未来之间的区别十分普遍也很关键：过去会在现在留下痕迹。

痕迹到处都有。月球上的坑证实了过去的冲击，化石展现出很久以前生物的模样，望远镜可以证明星系在过去有多远，书本记载着我们的历史，我们的脑海中充满记忆。

存在的是过去的痕迹，而非未来的痕迹，仅仅是因为过去的熵较低。不可能有其他原因，因为过去与未来之间区别的唯一来源就是过去的低熵。

为了留下痕迹，必须有什么东西被捕获，停止运动，而这只能发生在不可逆的过程中——也就是把能量变为热量。这样，电脑会变热，大脑也会变热，落在月球表面的流星会加热它，甚至本笃会修道院中世纪抄写员的鹅毛笔都会把他正在书写的那一页加热一点。在没有热量的世界，一切都会有弹性地回弹，不留下痕迹。[关于痕迹与熵的具体关系，参考Hans Reichenbach, The Direction of Time, op. cit.，特别是关于熵、痕迹、常见原因的讨论，还有 D. Z. Albert, Time and Chance, op.cit.。最近的研究可见 D. H. Wolpert, ‘Memory Systems,Computation and the Second Law of Thermodynamics’,International Journal of Theoretical Physics, 31, 1992:743—785。]

大量过去痕迹的存在产生了那种熟悉的感觉，认为过去是确定的。而不存在任何与之相似的未来痕迹让我们产生了一种感觉：未来是开放的。痕迹的存在让我们的大脑可以创造大量过去的地图，未来却没有与此相似的东西。这一事实是我们能够在世界上自由活动这种感觉的根源：在不同的未来之间做出选择，虽然我们无法对过去做些什么。

在进化的历程中，面对我们无法直接感知的事物（“我不懂为什么我这样忧郁。”安东尼奥在《威尼斯商人》一开头咕哝道），大脑的庞大机制已经经过设计，以便对可能的未来做出计算。这就是我们所说的“决定”。因为大脑可以根据现在详细描述出未来可能的样子（除了细节稍有出入），这样我们就会自然倾向于按照“原因”先于“结果”的逻辑来思考：过去的事件是未来事件的原因，如果没有这个原因，未来的事件就不会以完全相同的样子出现在我们的世界里。[关于“原因”对我们而言是什么含义这个难题，参考N.Cartwright, Hunting Causes and Using Them, Cambridge University Press, New York, 2007 。]

在我们的经验里，原因的概念在时间中是不对称的，原因先于结果。当我们发现两个事件“具有相同的原因”时，我们发现这个共同原因[“共同原因”，赖欣巴哈的术语。]在过去，而非未来。如果一场海啸的两股波浪同时到达邻近的岛屿，我们会认为在过去有一个事件引起了这两股波浪，我们不会去未来寻找。但那不是因为有一种从过去到未来的神奇的“因果”力量，而是因为两个事件之间关联的不可能性需要一些不可能之事，而只有过去的低熵才能提供这种不可能性。不然还有什么能提供这种不可能性呢？换句话说，那些存在于过去的原因只不过是过去低熵的显现。在热平衡态，或是在纯粹的力学系统中，由因果关系确定的时间方向并不存在。

基本物理法则并不讨论“原因”，只讨论规律，而这些规律在过去与未来中是对称的。伯特兰·罗素（Bertrand Russell）在一篇著名的文章中谈到了这点，他着重写道：“因果关系法则……是一个过去时代的遗迹，它的存在就像君主立宪制，被错误地认为无伤大雅。”[Bertrand Russell, ‘On the Notion of Cause’, Proceedings of the Aristotelian Society, N. S., 13, 1912—1913:1—26.]当然他有些夸张了，因为在基本层次不存在“原因”这一事实，并不能成为废弃原因这一概念的充分理由。[N. Cartwright, Hunting Causes and Using Them, op.cit.]在基本层次也没有猫，但我们并不会因此为猫感到担忧。过去的低熵使得原因的概念变得有效。

但记忆、原因与结果、流动、过去的确定性以及未来的不确定性，这些只不过是我们给一个统计事实的结果所起的名字，这一事实就是宇宙过去状态的不可能性。

原因、记忆、痕迹、世界生成的历史不止横跨了人类历史的几百年、几千年，而是宇宙故事的几十亿年。这一切都只源于这样一个事实：几十亿年前事物的结构是“特殊的”。[对于时间方向问题的清晰讨论，详见 H. Price, Time's Arrow and Archimedes' Point, Oxford University Press,Oxford, 1996 。]

而“特殊”是个相对的说法：相对于一种视角才特殊。它是一种模糊，由一个物理系统与世界其他部分的相互作用决定。因此因果关系、记忆、痕迹、世界以及发生的历史，都只是一种视角的结果，就像天空的旋转只是我们奇怪的视角的结果一样。于是，时间的研究不可避免地要回到我们自身。