為什么時間是單向的——宇宙物質世界無限性的第二個結果與不完全

2024年3月28日發(作者：好聽的詩詞)

〈三〉為什么時間是單向的——宇宙物質世界無限性的第二

個結果與不完全證明

“大江東去，浪淘盡、千古風流人物……”。

時間的往而不返，在人類的思想世界里是一個最基本的常識，然而我們把這一個基本

常識同物理學的基本規律相比較時，卻產生了巨大的問題。

物理學的基本規律——牛頓力學規律、相對論力學規律和量子力學規律，都是時間對

稱的。我們的物質世界是由量子化的物質粒子構成的，因而世界的變化發展，可以歸結為這

些物質粒子的集體行為。如果所有的物質粒子的運動都遵守物理學的基本規律——牛頓力學

規律、相對論力學規律或者量子力學規律，那么現實世界看來似乎應該是時間可逆的，它應

該允許大河東去，也應該允許水流從海洋中倒流而回回到原來的高山上，它應該允許動物越

活越老，也應該允許動物越活越年輕，它應該允許花朵生成果實，也應該允許果實反向變成

原來生成它的那朵花朵。但是現實世界不是這樣的，大河只能東去，動物只能越活越老，也

只能是花結果實，相反的過程從來不曾發生，世界具有確定的過去與未來，這就是現實世界

的時間單向性，它是客觀的，表面看來，現實世界的時間單向性和物理學基礎規律的時間對

稱性產生了巨大的沖突。

如何解決這一矛盾呢？

由于現實世界的時間單向性是不容置疑的，于是有的物理學家希望在微觀世界里找到

時間單向性產生的根源，他們認為微觀粒子的行為可能具有我們未曾發現的內稟的時間單向

性。這其實是一個錯誤的方向，在這個方向上我們不可能找到答案，雖然這個錯誤是合理的，

甚或是必需的。

時間的單向性產生于宇宙物質體系的無限性與普遍聯系的運動，它是構成宇宙的所有

粒子共同運動造就的宏觀現象。

時間的單向性的本質是什么？我們并沒有看到一個大河東去般的時間流單獨的一去

不復返的向前流逝。時間的單向性的本質是，宇宙不斷以新的形式存在并且其存在形式永不

重復。

波粒二象性的物質粒子構成的各種物體共同構成了宏觀上具有無限質量與無限的廣

延性的宇宙物質體系，這個宇宙物質體系處于普遍聯系的運動之中，雖然構成宇宙的各種物

質粒子的運動規律具有時間對稱性，但是普遍聯系的宇宙運動使得宏觀物體的存在形式不斷

變化并且永不重復，作為其存在形式，宇宙時間表現出了單向性。物理學規律的時間對稱性

與宇宙時間的單向性在此得到和諧的統一。

宇宙的無限性與普遍聯系的運動決定了較大規模的物質體系的存在形式是不可重復

的，韶華易逝，流水不復。但是微觀粒子也是具有內在結構與內在運動的，量子力學的基本

規律具有時間對稱性，據此我們可以推論，在不受外力的條件下，微觀粒子的內在運動必將

是周期式的，因為如果孤立的微觀粒子的內在運動不是周期式的而是時間單向性的，那么由

微觀粒子共同作用表現出的量子力學規律也必將是時間單向性的，這與量子力學的時間對稱

性相矛盾。微觀粒子的內在運動的周期可能極短，如果一個微觀粒子很幸運，在超過它的一

個運動周期的時間里沒有受到任何外在物質體系的力的作用，那么它就會完成一個周期式的

運動使自己的內在結構恢復到與原來完全相同的狀態，它恢復到了自己的過去，“返老還童”

了，但是它沒有進入宇宙的過去，它的客觀環境的存在形式改變了，宇宙的時間依然在向前

發展。

如果宇宙物質體系是有限的，它的時間特性會是怎么樣的呢？它有兩種情況：

一種情況是宇宙物質體系是有限閉合的，在此情況下宇宙的總質量和粒子數是有限

的，而且整個宇宙物質體系只能在有限的體積范圍內運動，依據龐加萊回歸論，此種形式的

宇宙的運動與存在形式必將是周期性重復的，作為其存在形式，其時間發展也必然是周期式

重復的，此種形式的時間或者說宇宙的運動無法區分過去與未來，猶如沿地球赤道一直向前

走的人無法判定他去的地方在自己的身前還是身后，時間在此是可逆的。

另一種情況是宇宙物質體系是有限開放的，宇宙物質體系一開始由有限多個互相遠離

的不發生力的相互作用的更小的物質體系構成，它們相向運動形成一個互相聯系的大的物質

體系，經過一段有限長的時間后它們又互相遠離形成有限多個互相獨立的互不發生力的作用

的小物質體系。在此種類型的宇宙中，宇宙物質體系在聚合之前和分離之后以有限多個互相

獨立的小物質體系的形式存在，每一個小物質體系相當于一個有限閉合的小宇宙，在做著周

期式的運動，不能區分過去和未來。在宇宙物質體系的聚合階段，宇宙物質體系的存在形式

很可能是不能重復的因而時間是單向的，有著確定的過去與未來，但是如以后我們將闡釋的，

我們的世界不是此種類型的世界，因為此種類型的宇宙中的物質體系不能保持穩定的引力場

的存在。

現實宇宙的時間單向性產生于宇宙物質體系的無限性與普遍聯系的運動，表現出時間

單向性的熱力學第二定律在我們的宇宙中如此好的成立，也是因為我們的物質世界是無限

的并處于普遍聯系的運動之中。

熱力學第二定律的開爾文描述是：不可能從單一熱源吸取熱量，使它完全變為有用的

功而不引起其它變化。

熱力學第二定律的克勞修斯描述是：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起

其它變化。

對熱力學第二定律的更深刻的揭示與描述是熵增加原理：物質體系的總熵只能增加或

不變，不能減少。“熵是一定空間區域內所有原子和分子在不改變區域宏觀表現情況下的分

布方式的數目的對數。”（《黑洞與時間彎曲》392頁）一個物質體系擁有更高的熵意味著它

擁有更多可能的微觀分布結構，因而它顯得更復雜，在一般情況下，更高的熵意味著更高的

存在機率。

從動力學的角度，熱力學第二定律并不是絕對真理，時間對稱的動力學基本規律（牛

頓力學、相對論力學和量子力學）并不絕對支持熱力學第二定律，在某些情況下卻會否定它。

依照動力學規律的時間對稱性，如果我們宇宙中的每一個物質點在某一時刻嚴格的取

相反的運動方向，那么我們的宇宙必然嚴格的向初始態回歸，回到我們的過去。這就意味著，

如果我們的宇宙現在正在向越來越高的熵態發展，那么假設在某一時刻所有的物質點都取相

反的運動方向，現實世界必將向熵越來越低的方向發展，這是動力學規律所允許的，也是必

然的。

同樣，動力學規律也不支持熱力學第二定律的開爾文描述與克勞修斯描述。如果現實

世界存在一個物體對外界物質做功使之全部變為外界物質的熱能的情況，那么如果所有的物

質點運動取反向，動力學規律也將允許物質環境的熱能完全返還變為物體的動能而使所有的

物質體系都恢復到過去的狀態，開爾文描述被違反。如果現實世界存在熱能從高溫物體向低

溫物體傳遞的現象，假設所有的物質點的運動取反向，動力學規律將允許以前從高溫物體傳

遞給低溫物體的能量再自發的從低溫物體傳遞給高溫物體，一切都恢復到原來的狀態，克勞

修斯描述被違反。

以上這種利用動力學規律的時間對稱性對熱力學第二定律的詰難稱為洛施密特詰難。

而且我們可以分析，如果我們的宇宙在物質上是有限的，它就不能絕對的支持熱力學

第二定律：

如果我們的宇宙是有限閉合的，并且物質是不生不滅的因而是永恒的存在，那么必將

形成龐加萊周期循環式的運動，從最近一次宇宙大爆炸開始到現在的一百多億年的歷史只不

過是這個周期式運動的一部分，在此種類型的宇宙中要么整個宇宙的熵有增有減，要么整個

宇宙的熵一直保持不變，不會形成整個宇宙的熵只增不減的情況，熱力學第二定律的熵描述

在此被違反。

同樣，有限閉合的宇宙不允許熱力學第二定律的開爾文描述與克勞修斯描述。

假設宇宙是有限閉合的，它的運動周期為T，設宇宙中有一物體比它的客觀環境溫度

低，假設從t

1

時刻開始到t

2

時刻為止周圍的環境向物體傳遞能量Q，到t

2

時刻物體仍然比

它的物質環境溫度低，但是再經過T－（t

2

－t

1

）時間長度，整個宇宙又回到與t

1

時刻完全

相同的態，低溫物體又把高溫物質環境在t

1

到t

2

時刻傳遞給它的能量Q完全可逆的返還回

去，熱力學第二定律的克勞修斯描述被違反。

假設我們的宇宙是有限閉合的，它的運動周期為T，設在宇宙中有一把錘子，從t

1

時

刻開始到t

2

時刻為止錘子敲擊它的物質環境使它的動能W變為物質環境的熱能Q，但是再

經過T－（t

2

－t

1

）的時間長度，宇宙又恢復到與t

1

時刻完全相同的態，物質環境的Q又完

全變成了錘子的動能W并且未引起其它的變化，開爾文描述被違反。

這種利用龐加萊回歸論對熱力學第二定律的詰難稱為策爾梅洛詰難。

只要宇宙物質體系是有限閉合的，并且物質是不生不滅的永恒存在，則龐加萊回歸必

將形成，那種認為宇宙從上一次大爆炸到現在不過才一百多億年的歷史，遠遠小于宇宙的龐

加萊回歸周期，因而可以不考慮宇宙的龐加萊回歸效應在現實世界中的影響的觀點，是違背

了科學的無限精確的精神的。

如果我們的宇宙是有限開放的，則它的存在可以分為三個階段：起初宇宙以有限多個

互相獨立的不互相發生力的作用的小物質體系的形式存在，每一個小物質體系相當于一個閉

合的小宇宙，單獨的作龐加萊回歸式的運動；中間所有的物質存在相聚合形成一個相互聯系

相互作用的大物質體系，并再漸漸互相分離；最后所有的物質又互相遠離形成有限多個互相

獨立互不發生力的作用的小物質體系，每一個小物質體系相當于一個閉合的小宇宙，單獨的

作龐加萊回歸式的運動。很明顯這種宇宙的起始態和終結態不支持熱力學第二定律的存在。

而中間所有的物質相互聚合再互相分離的階段，恰恰適用洛施密特詰難，依據動力學規律的

時間對稱性，能量從低溫物體向高溫物體傳遞和從高溫物體向低溫物體傳遞在此是對等的，

沒有哪一種行為更優先；一個物體的動能完全轉變為其它物體的熱能與從單一熱源吸取熱能

使其完全變成一個物體的動能而不影響其它存在，兩種行為的地位在此是對等的，沒有哪一

個更優先；同樣，整個宇宙物質體系從高熵態向低熵態發展和從低熵態向高熵態發展兩種行

為的地位在此也是對等的，沒有哪一個更優先，熱力學第二定律在此不受支持。

物質有限的宇宙并不支持熱力學第二定律，熱力學第二定律在現實宇宙中宏觀尺度上

如此好的成立，是因為我們的物質世界是無限的并處于普遍聯系的運動之中。

熱力學第二定律的克勞修斯描述并不是絕對真理，構成熱體的物質粒子的運動的隨機

性決定了有可能在某一較小的空間范圍內和極短的時間長度內有更多的熱量從低溫物體流

向高溫物體，但是物質世界的無限性和普遍聯系的運動使得克勞修斯描述在較大的物質體系

中和較長的時間長度內如此好的成立，幾乎成了一個絕對真理。

宇宙物質體系的無限性與普遍聯系的運動使得紛繁蕪雜的大量物質粒子的熱運動所

帶的熱能偶然的匯聚到某一方向完全成為某一較大物體的動能而不影響其它存在成為幾乎

不可能，熱力學第二定律的開爾文描述在此很好的成立。在此加上一個“大量粒子的熱能”

完全變為“較大物體的動能”這一限定是必須的，因為一個非常微小的物體，如布朗運動中

用的花粉粒子或更小的原子或分子從熱體中吸取熱量完全變為自己的動能是很正常的。因而

熱力學第二定律的開爾文描述是大規模物質體系的統計學描述。

宇宙物質體系的無限性與普遍聯系的運動使得波粒二象性的粒子構成的宇宙物質體

系存在形式越來越復雜，呈現出越來越高的熵態，而且宇宙物質體系的無限性決定了在客觀

現實中這種過程不可能反轉，熱力學第二定律的熵增加原理因此而產生。

宇宙物質體系的熵值越來越高，存在形式越來越復雜，用穆菲定理來說，事情總是趨

向于越變越糟，是必須以無限的宇宙物質體系的普遍聯系的運動為基礎的，無限的宇宙物質

體系的普遍聯系的運動使得每一個物質體系的存在形式都因為不斷受到外力的作用而變得

越來越復雜，“越變越糟”。

“常識告訴我們，如果不進行外力干涉，事物總是傾向于增加它的無序度（你只要停

止保養房子，看會發生什么）。”（《時間簡史》130頁）這是史蒂芬·霍金的一個錯誤觀點，

一所房子的破敗，恰恰是由于日積月累的風雨的外力的剝蝕。

一個不受任何外力作用的有限的物質體系，當如前面我們所述的有限閉合的宇宙或有

限開放的宇宙，是不可能支持熱力學第二定律的。

根據熱力學第二定律，在每一個能量轉化的過程中，都會有因為產生熱而出現的能量

耗散，而耗散的熱不可能再完全轉化成原來的形式，這種現象產生的根源是，作為一個普遍

聯系的無限的量子化的物質體系，宇宙物質體系的運動是不可逆的。

熱的不可屏蔽，是因為構成宇宙的所有物質粒子都在運動中產生直接或間接的聯系，

這也是熱力學第二定律得以產生的關鍵。

宇宙物質體系的無限性與普遍聯系的運動必然的產生了時間的單向性，而熱力學第二

定律是以宇宙物質體系的無限性與普遍聯系的運動為條件和產生的基礎的，熱力學第二定律

和宇宙的無限性是統一的，因而在所有的物理學規律中，只有熱力學第二定律表現出了時間

的單向性。

宇宙的無限的熵增并不意味著過去如何存在的信息的喪失，物質的不生不滅與質的不

變性產生的運動過程中的嚴格的因果相應決定了一切存在都將在宇宙中永恒的留下它們存

在的印跡，一切信息永不喪失，但是普遍聯系的宇宙運動與無限的發展使得宇宙過去如何存

在的信息隱藏得越來越深，越來越難以為智慧生命所解讀。

如羅杰·彭羅斯所述，假設我們目前觀測到的這部分物質體系構成的宇宙泡經由大爆

炸產生我們目前生活的這種狀態并最終產生大坍縮，那么為了保證熱力學第二定律在我們這

部分物質體系中持續的成立，大爆炸狀態的熵必須比大坍縮態的熵值低得多，假設我們這個

宇宙泡由10

80

個重子構成，那么相比大坍縮狀態，大爆炸態隨機出現的概率低于e的10

123

次方分之一。如果宇宙中只有我們這么一個物質泡，那么大爆炸如此低的熵態是如何產生的

是一個非常奇怪的問題，但是如果假設宇宙是無限的，并且假設熱力學第二定律只因宇宙的

無限性而存在，我們不需要假設熱力學第二定律在我們這個宇宙泡的最近的大爆炸過程中持

續成立，只需要假設熱力學第二定律在無限的宇宙中成立，則不再存在上述彭羅斯揭示的問

題。

如果宇宙是無限的，并且已經存在了無限長的時間，在宇宙中熱量總是自發的從高溫

區流向低溫區，為什么到現在整個宇宙還沒有形成處處溫度相等的熱平衡狀態？因為在宇宙

中的熱量不斷的從高溫區流向低溫區使溫度差趨于減小的同時，還有一種起相反效應的運

動：引力坍縮。大質量物體形成的強烈的引力場會把它周圍大范圍內的物質連同能量拉到一

起，從而阻礙宇宙向熱平衡態發展的趨勢，一方面，質量與能量在很小的范圍內高度集中，

另一方面，又在它的周圍形成低溫區。至少現在我們的物理天文學理論中有兩種這樣的模型，

一個是黑洞，另一個是宇宙大爆炸模型中宇宙的初態。如果我們相信我們現在看到的這個角

落的物質體系的現在的形態是由一百幾十億年前的一次大爆炸發展而來的，而且如果我們不

相信大爆炸起源于無中生有，那么也許我們應該認為那個產生大爆炸的高溫高質量高密度物

質體系產生于更早的一次或者多次大范圍內的物質坍縮，這樣的大坍縮產生一個極小的能量

密集區，并在周圍產生極大范圍的近乎真空的低溫區，宇宙的熱平衡效應會如此的不斷被引

力坍縮消除。

為什么熱力學時間箭頭、心理學時間箭頭、宇宙學時間箭頭三者是統一的？因為人要

能越來越好的認識無限的不斷運動發展的宇宙，必然要求人體這一有限的物質體系的內在結

構與運動形式能產生無限豐富與發展的變化，這就要求我們的宇宙沿時間發展的方向熵是增

加的，只有如此才可能產生智慧生命，熱力學時間箭頭、心理學時間箭頭和宇宙學時間箭頭

就是如此統一的。（也就是說，我們只能生活在沿時間方向熵增加的宇宙中。）

然而我們終究還是要面對一個強勢的洛施密特詰難，對于任意一個沿時間方向熵不斷

增加的宇宙形態，比如就是我們現實生活的這個宇宙，將構成它的每一個物質點的運動精確

反轉，必將得到一個沿時間方向熵不斷減少的宇宙，可是現實世界為什么沒有形成一個沿時

間方向熵減少的宇宙呢？

先看一個例子，我們玩的魔方，剛買來的時候每種顏色的格子單獨的分布在魔方的一

個面上，一通亂轉之后，就形成了各色格子錯雜相居的局面，如果我們想使魔方繼續保持這

種各色格子錯雜相居的局面，只要繼續不假思索的亂轉就可以了，它總能很好的保持這種錯

雜的局面，但是如果我們想使魔方恢復到原來每個面上只有一種顏色的格子的局面，可能應

該有不止一種的方法可以使我們達到這一目的，但卻是極其的困難，因為這要求每一步的旋

轉方式都要精確設定，轉錯一個旋轉就會使我們達不成目的，事實上很少有人能做到這一點，

據傳有一個執著的愛好玩魔方的朋友努力了二十多年才成功。

類似的，雖然每一個沿時間方向熵增的宇宙形態都對應著一個相反的沿時間方向熵減

的宇宙形態，但是要形成一個熵減的宇宙卻是極其的困難，它要求構成宇宙的所有的物質點

的相對位移關系、以及它們的相對運動形式都必須精確的設定，稍有差池，蝴蝶效應就會把

它拋入一個沿時間方向熵增的宇宙形態，在宇宙物質體系是無限的情況下，它的產生機率為

無窮小！

熱力學第二定律和時間的單向性預示著我們的物質世界是無限的，卻也不能完全的證

明它，天知道我們的宇宙會不會有一天時光倒流，在那時我們越活越年輕，熱量從低溫物體

流向高溫物體，宇宙的熵越來越低呢？

（在這里似乎另一種觀點也成立，如果將任意一個沿時間方向熵增加的宇宙的每一個

物質點的運動嚴格的反演，必將得到一個熵減的宇宙，這似乎意味著熵增加的宇宙和熵減少

的宇宙一樣多，它們擁有同等大小的存在機率，如此分析，則和前面的分析大相徑庭，但這

很可能是一個悖論，猶如那個“偶數和整數一樣多”的悖論一樣，希望精通數學的朋友指點。）