2022年03月07日 11:09
【科學快訊】
來源：原理
物理定律的不兼容性
為什麼在自然界中發生的過程只能朝一個方向發展？例如，為什麼我們不能讓一杯放在冰箱裏的咖啡變熱，或者阻止一滴墨水在水中自發擴散？
這是困擾了許多代物理學家的問題，它源於物理定律的不兼容性，特別是那些主導宏觀系統與微觀系統行為的定律之間的不兼容性。宏觀系統可以用肉眼看到，它們由大量原子和分子組成。微觀系統則代表了一個截然不同的世界，我們看不見，但其中每個原子或分子的行為都可以被描述。
物理學家可以簡單地解釋為什麼宏觀系統的過程無法自發地逆轉。這歸結於熱力學第二定律，其核心是宏觀系統的能量性質。這則定律提供了一個標准，通過熵的概念，也就是衡量物質秩序的一種標准，預測自發過程的方向。
舉個例子，液體比晶體的有序性更低，而氣體的有序性則還要低一些。更熱或更分散的物質的熵更高。簡單來講，熵總是增加的，系統在自發的進程中總會變得更無序，除非我們提供能量，否則它們就無法倒退。
但在觀察構成微觀系統的單個原子和分子時，卻存在一套不一樣的物理定律。但它們並不能解釋這個系統中的過程一定會往什麼方向發展。
物質和過程是一樣的，從宏觀角度和微觀角度進行研究時，結果卻有可能出現矛盾。這顯然是一個問題。
近日，在一篇新論文中，物理學家Emil Roduner和Tjaart Krüger認為他們找到了一種解決這個難題的辦法。答案的關鍵在於區分兩種類型的可逆性，分別是時間可逆性（time-reversibility）和熱力學可逆性（thermodynamic reversibility）。
平衡和梯度
我們可以想象一個理想鐘擺。它在不存在摩擦的情況下可以一直來回擺動。如果這種運動被記錄下來，然後被倒放，它看起來沒有任何區別。這就是一個時間可逆的過程，鐘擺的運動在時間反演（即時間的逆轉）上是對稱的。
但是，從一杯熱咖啡中散失的熱量永遠不會流回去。熱量不可避免地從熱咖啡流進了較冷的空氣中，當咖啡和周圍的空氣具有相同溫度時，熱流便停止了。這個最終狀態被稱為平衡。由於它不像鐘擺那樣可以被反轉，所以這個過程是時間不可逆的。如果倒放它的錄像，看起來就極不自然。這種最終達到平衡的自發過程方向就是著名的時間之箭。
另一個概念是熱力學可逆性。熱耗散就是一個例子，它是由熱梯度驅動的，總是從較熱的地方到較冷的地方。事實上，所有自發過程都由某種類型的梯度驅動，無論是溫度、濃度或是壓力差。這些過程沿著梯度「下坡」發展，從較高溫度到較低溫度，從較高濃度到較低濃度，或者從較高壓力到較低壓力。梯度提供了過程的驅動力。宇宙中任何由某種梯度驅動的過程在熱力學上都是不可逆的。
梯度支配著小型和大型系統中事件的進程。地球接收來自太陽熱表面的輻射能量，並以更低的溫度將能量耗散到宇宙的冷背景中。生命過程，包括植物、動物和人類，以及其他生物，也是由梯度驅動的。它們的能量來源最終都可以追溯到來自太陽的微小光包——光子。所有的生物都以較冷的光子的形式消散能量，最終都會被釋放到外太空中。
分子的「記憶」
兩位物理學家認為，目前問題的實質在於，我們通常默認熱力學不可逆和時間不可逆具有相同的概率起源，這在很多情況下是事實，但並非一定如此。兩種可逆性實際上有著本質的不同。
時間可逆性和熵梯度沒有任何關系。簡單來說，它是關於「記憶」的。如果所有的分子都能「記住」它們在每個時間點上的位置和運動速度，從而使每個分子的運動都能被逆轉並恢複到初始狀態，那麼這個過程就是時間可逆的。如果一個系統不是特別大，這種過程已經可以被現代計算機模擬出來。隨著計算機技術的發展，越來越大、越來越複雜的系統可以在其單個原子和分子水平上被描述出來。
也就是說，微觀和宏觀系統之間明顯的不兼容性與系統大小無關，而是與過程的類型有關，以及這一過程是否抹去了分子的「記憶」。
兩種類型的可逆性有著本質不同，時間之箭可以被分成達到熱平衡狀態的耗散之箭，以及導致時間可逆性喪失的熱化之箭。|參考來源：Roduner & Krüger （2022）
在熱（或者更廣泛地說，能量）的例子中，用於合成一個糖分子的能量大小，在這個分子為我們體內的一個過程提供燃料，並衰變為其最初的組成分子時會被釋放。這是熱力學的觀點，但它忽略了時間的方面。
如果合成分子需要5分鐘，這並不意味著這個分子在5分鐘後也會衰變。我們無法預測分子衰變的確切時間，因為衰變過程受到了單位時間內一定概率的支配。而且，重要的是，概率過程從來都不是時間可逆的，因為它們並不包含對更早期狀態的記憶。對概率過程的完整描述需要考慮到能量和時間兩個方面。
在這個例子中，糖分子的合成和它們的衰變都是熱力學不可逆的過程，因為必須注入大量能量才能逆轉它們。但這與涉及「記憶」的時間可逆性截然不同。也就是說，在這種情況下，熱力學可逆性和時間可逆性並不具有相同的起源。
兩位物理學家相信，這兩種類型的不可逆性的平穩過渡將為一個統一的理論鋪平道路，而這個統一理論能夠基於一套單一的原則來描述所有物質狀態和過程。這正是科學家所期待的。
#創作團隊：
原文作者：
Tjaart Krüger（比勒陀利亞大學生物物理學副教授）
Emil Roduner（斯圖加特大學教授）
編譯：Gaviota
排版：雯雯
#參考來源：
#圖片來源：
封面圖：Pixabay
首圖：Pixabay
