《印度快报》网站5月6日刊登题为《为何时间一去不返：熵和不可逆性的科学》的文章，内容编译如下：

人为何会变老而青春不再？成舟之木为何不能复原？我们总是牢记昨天的错误，却不能“回忆”明天的成功？这些日常难题有着一个共同的答案：时间具有内在方向，其指向的是越来越多的混乱。

这个“时间之箭”的核心是熵，它衡量的是一个系统的微小部分——分子、原子或信息比特——在宏观看似一样的情况下可以有多少种排列方式。低熵状态，比如一张年轻光滑的脸庞或一块完整未破碎的玻璃，具有高度特异性且属于少数。高熵状态，比如皮肤粗糙褶皱或支离破碎的碎片，数量则要多得多。

就像打翻一副多米诺骨牌比把它们重新码起来要容易得多一样，自然发展几乎总是朝向更有可能出现的无序。

想要了解这一点，不妨试想一下孩子的游戏室：一个非常整洁的房间——每个玩具都在它该在的位置——这只是一种安排；而一个凌乱的房间——到处散落着玩具——则可能会以无数种不同的方式出现。如果不管它，房间就会一直乱糟糟，因为混乱是默认选项。要恢复秩序，就需要付出精力。

将奶油倒进咖啡里，看着两者融合。你再也无法看到它们分开的样子，因为对比最初的泾渭分明，奶油分子和咖啡分子混合起来的方式堪称天文数字。同样，饮料中的冰块融化，抑或是香水飘散至房间各个角落，这些过程自然会走向混合和扩散状态。

时间之箭

在19世纪中期，建造蒸汽机的工程师注意到一个令人困惑的现象：热量会自然而然地从热流向冷，没有任何机制可以完全逆转这种流向。当时的德国物理学家鲁道夫·克劳修斯捕捉到了这一点，并将其作为热力学第二定律——即热量的传递是单向的，而这个“单向”就标志着时间流逝的方向。

奥地利理论物理学家路德维希·玻尔兹曼将这个经验法则转化为了深度原理。他指出，这是由简单的计数产生的：粒子的混杂排列方式要比整齐排列方式多得多。如果是洗牌，会有约8乘10的67次方种可能的顺序，而正确的排列顺序只有一种。随机洗牌几乎永远无法恢复原始排列。

热流和分子运动遵循同样的原理：系统随机探索所有可能的结构，无序结构的数量远远超过有序结构。因为大自然呈压倒性地偏爱混乱，热量永远从较热区域流向较冷区域，绝不会反其道而行之。如此一来，时间本身就获得了这不可逆转之箭。

熵的机制

在玻尔兹曼看来，熵衡量的是系统在微观层面上的排列方式数量，同时保持宏观层面上看起来并无不同。低熵状态——比如一个整洁的房间，或是奶咖的清晰分层——对应的排列很少。高熵状态——比如一个凌乱的房间或是均匀混合的咖啡——则对应着无数种排列方式，因为玩具有无数种散落方式，咖啡也有数不清的混合方式。

当系统随时间演化时，它几乎肯定会走向高熵构型，因为高熵的数量要多得多。这种统计趋势是我们所观察到的所有单向过程的基础：例如冰融化、香水飘散以及记忆形成。

日常例子

覆水难收：牛奶一旦倒出来与谷物混合，牛奶的组成成分就会以各种可能的方式四散开来，以致它们永远回不到原始位置。

逆转衰老：人体内细胞和蛋白质的微小随机变化会逐渐积累。要想逆转这些精细的变化，即变年轻，也就是“回春”，则需要体内的每一个分子都能乖乖的沿原路返回，而这在统计学上是不可能的。

发动机和冰箱：只要是发动机，就会散发废热。“失去的”热量代表着能量分散至无数分子随机运动中。试图捕捉和再利用这些热量需将无数运动轨迹重新排列组合成单一精确模式——这又是一个永远不会发生的统计学天方夜谭。

实际收益

理解熵的含义并不局限于学术层面，还具有实际意义。

它能够指导工程师设计出更高效的发动机和冰箱，还能告诉计算机科学家如何管理数据中心的信息和热量。

在医学领域，它还可以帮助研究人员了解细胞分解过程以及衰老的产生机制，从而给出减缓或检测这一过程的方法。

宇宙尺度

玻尔兹曼将熵公式确立为S=klnΩ，其中Ω是对可能的原子排列方式的计数。这种观点认为，鉴于Ω通常随系统演化增加，因而会出现熵增。

在宇宙尺度上，大爆炸时的宇宙始于一个极低熵状态——物质和能量被挤压为高度有序的形式。自那刻起，引力和核反应将熵越推越高，从恒星形成到黑洞合并，每一步都为无序打开了无限的新领域。甚至黑洞物理学也利用熵来探测信息和蒸发的极限。

熵很重要

如此看来，下次当你的早餐烤面包变成焦黄色，咖啡慢慢变凉，或者本能告诉你杯中的水要洒出来了，你其实就是在见证熵的作用。时间之箭不是一股神秘力量，它只是超越有序并以无数种方式构建的无序的内置时钟。是的，就像烤好的面包不能复原，泼洒出去的牛奶无法倒流一样，你也不能逆转时光——所以我们最好充分珍惜每一个当下。（编译/文怡）