• 【宇宙迷宮】破解「逆熵」迷思(李偉才)
  • 2020-10-03    

 

電影《天能》之中,假設未來的人類可以製造出一些「逆熵」的物體(包括子彈),並且用以進行時空穿梭。不少觀眾都好奇地問:這真的可能嗎?今天,就讓我們認真地探討一下。

筆者在上兩星期的文章,介紹了又稱為「熵值遞增原理」(Principle of Increasing Entropy)的熱力學第二定律(Second Law of Thermodynamics),指出對於任何封閉的體系,任何自發性的變化(spontaneous changes)皆會沿著「熵值增加」的方向,或說必然從擁有較高「秩序」的狀態,朝較低「秩序」(較混亂)的狀態發展。但我也指出,對於一些開放的系統如生命或雪花,局部的逆熵(reverse entropy)並沒有違反這條定律。

不錯,一些物理學家曾經認為「熵值遞增」的趨勢正是「時間箭向」(Arrow of Time)之源。所謂「時間箭向」,是指時間永遠只能從「過去」到「現在」再到「未來」的單向流動,而不似空間般,沿那個方向都可以去而復返。問題是,究竟「熵值遞增」是因而「時間箭向」是果,還是「時間箭向」是因而「熵值遞增」是果,本身就是一個難以定奪的問題。在更根本的一個層次,大家認為是「運動」產生「時間」,還是「時間」產生「運動」的呢?(我小學六年級時已提出這個疑問,並且選擇了前一個答案。)

從統計力學(statistical mechanics)的角度看,所謂「熵值遞增」只不過是系統處於不同微觀狀態的或然率吧了。我曾經以書桌表面的整齊程度來說明「熵增」的趨勢,但進一步的分析表示,由於可以被歸類為「整齊」的桌面狀態數目,比起會被歸類為「混亂」的狀態數目少很多很多,所以後者出現的或然率,自然比前者遠遠為高。而所謂「從秩序走向混亂」(熵值遞增)的趨勢,只不過是這種或然率差別的宏觀表現吧了。同樣的分析,也可以應用到所有物理知化學的系統之中。

情況清楚了,「第二定律」並非什麼神秘的東西,而「逆熵」也不可能成為時光倒流甚至穿梭時空的手段。可以這麼說,《天能》的編劇和導演只是利用一個普通人不大熟悉的物理學名詞將大家耍了!

不錯,局部的「逆熵」是一個十分引人入勝的課題。過去數十年來,科學家已經對「混沌邊沿的自組織」(Self-organization at the edge of chaos)和「複雜適應系統的演化」(evolution of Complex Adaptive Systems)等現象取得了重大的研究成果。但有一點是肯定的,雪花的形成(以及實驗室中所有晶體的結晶過程)不會帶來時光倒流,生命的形成和演化(包括一顆受精卵變成一個呱呱落地的嬰兒)也不會帶來時光倒流,而這些都是每一刻都在地球上發生的「逆熵」現象。

真的要從現代物理學中尋找時光倒流的可能,我們必須有請愛因斯坦出場。這將是下一個星期的主題。

李偉才

科普達人

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