为什么时间是单向的——宇宙物质世界无限性的第二个结果与不完全

2024年3月28日发(作者：好听的诗词)

〈三〉为什么时间是单向的——宇宙物质世界无限性的第二

个结果与不完全证明

“大江东去，浪淘尽、千古风流人物……”。

时间的往而不返，在人类的思想世界里是一个最基本的常识，然而我们把这一个基本

常识同物理学的基本规律相比较时，却产生了巨大的问题。

物理学的基本规律——牛顿力学规律、相对论力学规律和量子力学规律，都是时间对

称的。我们的物质世界是由量子化的物质粒子构成的，因而世界的变化发展，可以归结为这

些物质粒子的集体行为。如果所有的物质粒子的运动都遵守物理学的基本规律——牛顿力学

规律、相对论力学规律或者量子力学规律，那么现实世界看来似乎应该是时间可逆的，它应

该允许大河东去，也应该允许水流从海洋中倒流而回回到原来的高山上，它应该允许动物越

活越老，也应该允许动物越活越年轻，它应该允许花朵生成果实，也应该允许果实反向变成

原来生成它的那朵花朵。但是现实世界不是这样的，大河只能东去，动物只能越活越老，也

只能是花结果实，相反的过程从来不曾发生，世界具有确定的过去与未来，这就是现实世界

的时间单向性，它是客观的，表面看来，现实世界的时间单向性和物理学基础规律的时间对

称性产生了巨大的冲突。

如何解决这一矛盾呢？

由于现实世界的时间单向性是不容置疑的，于是有的物理学家希望在微观世界里找到

时间单向性产生的根源，他们认为微观粒子的行为可能具有我们未曾发现的内禀的时间单向

性。这其实是一个错误的方向，在这个方向上我们不可能找到答案，虽然这个错误是合理的，

甚或是必需的。

时间的单向性产生于宇宙物质体系的无限性与普遍联系的运动，它是构成宇宙的所有

粒子共同运动造就的宏观现象。

时间的单向性的本质是什么？我们并没有看到一个大河东去般的时间流单独的一去

不复返的向前流逝。时间的单向性的本质是，宇宙不断以新的形式存在并且其存在形式永不

重复。

波粒二象性的物质粒子构成的各种物体共同构成了宏观上具有无限质量与无限的广

延性的宇宙物质体系，这个宇宙物质体系处于普遍联系的运动之中，虽然构成宇宙的各种物

质粒子的运动规律具有时间对称性，但是普遍联系的宇宙运动使得宏观物体的存在形式不断

变化并且永不重复，作为其存在形式，宇宙时间表现出了单向性。物理学规律的时间对称性

与宇宙时间的单向性在此得到和谐的统一。

宇宙的无限性与普遍联系的运动决定了较大规模的物质体系的存在形式是不可重复

的，韶华易逝，流水不复。但是微观粒子也是具有内在结构与内在运动的，量子力学的基本

规律具有时间对称性，据此我们可以推论，在不受外力的条件下，微观粒子的内在运动必将

是周期式的，因为如果孤立的微观粒子的内在运动不是周期式的而是时间单向性的，那么由

微观粒子共同作用表现出的量子力学规律也必将是时间单向性的，这与量子力学的时间对称

性相矛盾。微观粒子的内在运动的周期可能极短，如果一个微观粒子很幸运，在超过它的一

个运动周期的时间里没有受到任何外在物质体系的力的作用，那么它就会完成一个周期式的

运动使自己的内在结构恢复到与原来完全相同的状态，它恢复到了自己的过去，“返老还童”

了，但是它没有进入宇宙的过去，它的客观环境的存在形式改变了，宇宙的时间依然在向前

发展。

如果宇宙物质体系是有限的，它的时间特性会是怎么样的呢？它有两种情况：

一种情况是宇宙物质体系是有限闭合的，在此情况下宇宙的总质量和粒子数是有限

的，而且整个宇宙物质体系只能在有限的体积范围内运动，依据庞加莱回归论，此种形式的

宇宙的运动与存在形式必将是周期性重复的，作为其存在形式，其时间发展也必然是周期式

重复的，此种形式的时间或者说宇宙的运动无法区分过去与未来，犹如沿地球赤道一直向前

走的人无法判定他去的地方在自己的身前还是身后，时间在此是可逆的。

另一种情况是宇宙物质体系是有限开放的，宇宙物质体系一开始由有限多个互相远离

的不发生力的相互作用的更小的物质体系构成，它们相向运动形成一个互相联系的大的物质

体系，经过一段有限长的时间后它们又互相远离形成有限多个互相独立的互不发生力的作用

的小物质体系。在此种类型的宇宙中，宇宙物质体系在聚合之前和分离之后以有限多个互相

独立的小物质体系的形式存在，每一个小物质体系相当于一个有限闭合的小宇宙，在做着周

期式的运动，不能区分过去和未来。在宇宙物质体系的聚合阶段，宇宙物质体系的存在形式

很可能是不能重复的因而时间是单向的，有着确定的过去与未来，但是如以后我们将阐释的，

我们的世界不是此种类型的世界，因为此种类型的宇宙中的物质体系不能保持稳定的引力场

的存在。

现实宇宙的时间单向性产生于宇宙物质体系的无限性与普遍联系的运动，表现出时间

单向性的热力学第二定律在我们的宇宙中如此好的成立，也是因为我们的物质世界是无限

的并处于普遍联系的运动之中。

热力学第二定律的开尔文描述是：不可能从单一热源吸取热量，使它完全变为有用的

功而不引起其它变化。

热力学第二定律的克劳修斯描述是：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起

其它变化。

对热力学第二定律的更深刻的揭示与描述是熵增加原理：物质体系的总熵只能增加或

不变，不能减少。“熵是一定空间区域内所有原子和分子在不改变区域宏观表现情况下的分

布方式的数目的对数。”（《黑洞与时间弯曲》392页）一个物质体系拥有更高的熵意味着它

拥有更多可能的微观分布结构，因而它显得更复杂，在一般情况下，更高的熵意味着更高的

存在机率。

从动力学的角度，热力学第二定律并不是绝对真理，时间对称的动力学基本规律（牛

顿力学、相对论力学和量子力学）并不绝对支持热力学第二定律，在某些情况下却会否定它。

依照动力学规律的时间对称性，如果我们宇宙中的每一个物质点在某一时刻严格的取

相反的运动方向，那么我们的宇宙必然严格的向初始态回归，回到我们的过去。这就意味着，

如果我们的宇宙现在正在向越来越高的熵态发展，那么假设在某一时刻所有的物质点都取相

反的运动方向，现实世界必将向熵越来越低的方向发展，这是动力学规律所允许的，也是必

然的。

同样，动力学规律也不支持热力学第二定律的开尔文描述与克劳修斯描述。如果现实

世界存在一个物体对外界物质做功使之全部变为外界物质的热能的情况，那么如果所有的物

质点运动取反向，动力学规律也将允许物质环境的热能完全返还变为物体的动能而使所有的

物质体系都恢复到过去的状态，开尔文描述被违反。如果现实世界存在热能从高温物体向低

温物体传递的现象，假设所有的物质点的运动取反向，动力学规律将允许以前从高温物体传

递给低温物体的能量再自发的从低温物体传递给高温物体，一切都恢复到原来的状态，克劳

修斯描述被违反。

以上这种利用动力学规律的时间对称性对热力学第二定律的诘难称为洛施密特诘难。

而且我们可以分析，如果我们的宇宙在物质上是有限的，它就不能绝对的支持热力学

第二定律：

如果我们的宇宙是有限闭合的，并且物质是不生不灭的因而是永恒的存在，那么必将

形成庞加莱周期循环式的运动，从最近一次宇宙大爆炸开始到现在的一百多亿年的历史只不

过是这个周期式运动的一部分，在此种类型的宇宙中要么整个宇宙的熵有增有减，要么整个

宇宙的熵一直保持不变，不会形成整个宇宙的熵只增不减的情况，热力学第二定律的熵描述

在此被违反。

同样，有限闭合的宇宙不允许热力学第二定律的开尔文描述与克劳修斯描述。

假设宇宙是有限闭合的，它的运动周期为T，设宇宙中有一物体比它的客观环境温度

低，假设从t

1

时刻开始到t

2

时刻为止周围的环境向物体传递能量Q，到t

2

时刻物体仍然比

它的物质环境温度低，但是再经过T－（t

2

－t

1

）时间长度，整个宇宙又回到与t

1

时刻完全

相同的态，低温物体又把高温物质环境在t

1

到t

2

时刻传递给它的能量Q完全可逆的返还回

去，热力学第二定律的克劳修斯描述被违反。

假设我们的宇宙是有限闭合的，它的运动周期为T，设在宇宙中有一把锤子，从t

1

时

刻开始到t

2

时刻为止锤子敲击它的物质环境使它的动能W变为物质环境的热能Q，但是再

经过T－（t

2

－t

1

）的时间长度，宇宙又恢复到与t

1

时刻完全相同的态，物质环境的Q又完

全变成了锤子的动能W并且未引起其它的变化，开尔文描述被违反。

这种利用庞加莱回归论对热力学第二定律的诘难称为策尔梅洛诘难。

只要宇宙物质体系是有限闭合的，并且物质是不生不灭的永恒存在，则庞加莱回归必

将形成，那种认为宇宙从上一次大爆炸到现在不过才一百多亿年的历史，远远小于宇宙的庞

加莱回归周期，因而可以不考虑宇宙的庞加莱回归效应在现实世界中的影响的观点，是违背

了科学的无限精确的精神的。

如果我们的宇宙是有限开放的，则它的存在可以分为三个阶段：起初宇宙以有限多个

互相独立的不互相发生力的作用的小物质体系的形式存在，每一个小物质体系相当于一个闭

合的小宇宙，单独的作庞加莱回归式的运动；中间所有的物质存在相聚合形成一个相互联系

相互作用的大物质体系，并再渐渐互相分离；最后所有的物质又互相远离形成有限多个互相

独立互不发生力的作用的小物质体系，每一个小物质体系相当于一个闭合的小宇宙，单独的

作庞加莱回归式的运动。很明显这种宇宙的起始态和终结态不支持热力学第二定律的存在。

而中间所有的物质相互聚合再互相分离的阶段，恰恰适用洛施密特诘难，依据动力学规律的

时间对称性，能量从低温物体向高温物体传递和从高温物体向低温物体传递在此是对等的，

没有哪一种行为更优先；一个物体的动能完全转变为其它物体的热能与从单一热源吸取热能

使其完全变成一个物体的动能而不影响其它存在，两种行为的地位在此是对等的，没有哪一

个更优先；同样，整个宇宙物质体系从高熵态向低熵态发展和从低熵态向高熵态发展两种行

为的地位在此也是对等的，没有哪一个更优先，热力学第二定律在此不受支持。

物质有限的宇宙并不支持热力学第二定律，热力学第二定律在现实宇宙中宏观尺度上

如此好的成立，是因为我们的物质世界是无限的并处于普遍联系的运动之中。

热力学第二定律的克劳修斯描述并不是绝对真理，构成热体的物质粒子的运动的随机

性决定了有可能在某一较小的空间范围内和极短的时间长度内有更多的热量从低温物体流

向高温物体，但是物质世界的无限性和普遍联系的运动使得克劳修斯描述在较大的物质体系

中和较长的时间长度内如此好的成立，几乎成了一个绝对真理。

宇宙物质体系的无限性与普遍联系的运动使得纷繁芜杂的大量物质粒子的热运动所

带的热能偶然的汇聚到某一方向完全成为某一较大物体的动能而不影响其它存在成为几乎

不可能，热力学第二定律的开尔文描述在此很好的成立。在此加上一个“大量粒子的热能”

完全变为“较大物体的动能”这一限定是必须的，因为一个非常微小的物体，如布朗运动中

用的花粉粒子或更小的原子或分子从热体中吸取热量完全变为自己的动能是很正常的。因而

热力学第二定律的开尔文描述是大规模物质体系的统计学描述。

宇宙物质体系的无限性与普遍联系的运动使得波粒二象性的粒子构成的宇宙物质体

系存在形式越来越复杂，呈现出越来越高的熵态，而且宇宙物质体系的无限性决定了在客观

现实中这种过程不可能反转，热力学第二定律的熵增加原理因此而产生。

宇宙物质体系的熵值越来越高，存在形式越来越复杂，用穆菲定理来说，事情总是趋

向于越变越糟，是必须以无限的宇宙物质体系的普遍联系的运动为基础的，无限的宇宙物质

体系的普遍联系的运动使得每一个物质体系的存在形式都因为不断受到外力的作用而变得

越来越复杂，“越变越糟”。

“常识告诉我们，如果不进行外力干涉，事物总是倾向于增加它的无序度（你只要停

止保养房子，看会发生什么）。”（《时间简史》130页）这是史蒂芬·霍金的一个错误观点，

一所房子的破败，恰恰是由于日积月累的风雨的外力的剥蚀。

一个不受任何外力作用的有限的物质体系，当如前面我们所述的有限闭合的宇宙或有

限开放的宇宙，是不可能支持热力学第二定律的。

根据热力学第二定律，在每一个能量转化的过程中，都会有因为产生热而出现的能量

耗散，而耗散的热不可能再完全转化成原来的形式，这种现象产生的根源是，作为一个普遍

联系的无限的量子化的物质体系，宇宙物质体系的运动是不可逆的。

热的不可屏蔽，是因为构成宇宙的所有物质粒子都在运动中产生直接或间接的联系，

这也是热力学第二定律得以产生的关键。

宇宙物质体系的无限性与普遍联系的运动必然的产生了时间的单向性，而热力学第二

定律是以宇宙物质体系的无限性与普遍联系的运动为条件和产生的基础的，热力学第二定律

和宇宙的无限性是统一的，因而在所有的物理学规律中，只有热力学第二定律表现出了时间

的单向性。

宇宙的无限的熵增并不意味着过去如何存在的信息的丧失，物质的不生不灭与质的不

变性产生的运动过程中的严格的因果相应决定了一切存在都将在宇宙中永恒的留下它们存

在的印迹，一切信息永不丧失，但是普遍联系的宇宙运动与无限的发展使得宇宙过去如何存

在的信息隐藏得越来越深，越来越难以为智慧生命所解读。

如罗杰·彭罗斯所述，假设我们目前观测到的这部分物质体系构成的宇宙泡经由大爆

炸产生我们目前生活的这种状态并最终产生大坍缩，那么为了保证热力学第二定律在我们这

部分物质体系中持续的成立，大爆炸状态的熵必须比大坍缩态的熵值低得多，假设我们这个

宇宙泡由10

80

个重子构成，那么相比大坍缩状态，大爆炸态随机出现的概率低于e的10

123

次方分之一。如果宇宙中只有我们这么一个物质泡，那么大爆炸如此低的熵态是如何产生的

是一个非常奇怪的问题，但是如果假设宇宙是无限的，并且假设热力学第二定律只因宇宙的

无限性而存在，我们不需要假设热力学第二定律在我们这个宇宙泡的最近的大爆炸过程中持

续成立，只需要假设热力学第二定律在无限的宇宙中成立，则不再存在上述彭罗斯揭示的问

题。

如果宇宙是无限的，并且已经存在了无限长的时间，在宇宙中热量总是自发的从高温

区流向低温区，为什么到现在整个宇宙还没有形成处处温度相等的热平衡状态？因为在宇宙

中的热量不断的从高温区流向低温区使温度差趋于减小的同时，还有一种起相反效应的运

动：引力坍缩。大质量物体形成的强烈的引力场会把它周围大范围内的物质连同能量拉到一

起，从而阻碍宇宙向热平衡态发展的趋势，一方面，质量与能量在很小的范围内高度集中，

另一方面，又在它的周围形成低温区。至少现在我们的物理天文学理论中有两种这样的模型，

一个是黑洞，另一个是宇宙大爆炸模型中宇宙的初态。如果我们相信我们现在看到的这个角

落的物质体系的现在的形态是由一百几十亿年前的一次大爆炸发展而来的，而且如果我们不

相信大爆炸起源于无中生有，那么也许我们应该认为那个产生大爆炸的高温高质量高密度物

质体系产生于更早的一次或者多次大范围内的物质坍缩，这样的大坍缩产生一个极小的能量

密集区，并在周围产生极大范围的近乎真空的低温区，宇宙的热平衡效应会如此的不断被引

力坍缩消除。

为什么热力学时间箭头、心理学时间箭头、宇宙学时间箭头三者是统一的？因为人要

能越来越好的认识无限的不断运动发展的宇宙，必然要求人体这一有限的物质体系的内在结

构与运动形式能产生无限丰富与发展的变化，这就要求我们的宇宙沿时间发展的方向熵是增

加的，只有如此才可能产生智慧生命，热力学时间箭头、心理学时间箭头和宇宙学时间箭头

就是如此统一的。（也就是说，我们只能生活在沿时间方向熵增加的宇宙中。）

然而我们终究还是要面对一个强势的洛施密特诘难，对于任意一个沿时间方向熵不断

增加的宇宙形态，比如就是我们现实生活的这个宇宙，将构成它的每一个物质点的运动精确

反转，必将得到一个沿时间方向熵不断减少的宇宙，可是现实世界为什么没有形成一个沿时

间方向熵减少的宇宙呢？

先看一个例子，我们玩的魔方，刚买来的时候每种颜色的格子单独的分布在魔方的一

个面上，一通乱转之后，就形成了各色格子错杂相居的局面，如果我们想使魔方继续保持这

种各色格子错杂相居的局面，只要继续不假思索的乱转就可以了，它总能很好的保持这种错

杂的局面，但是如果我们想使魔方恢复到原来每个面上只有一种颜色的格子的局面，可能应

该有不止一种的方法可以使我们达到这一目的，但却是极其的困难，因为这要求每一步的旋

转方式都要精确设定，转错一个旋转就会使我们达不成目的，事实上很少有人能做到这一点，

据传有一个执着的爱好玩魔方的朋友努力了二十多年才成功。

类似的，虽然每一个沿时间方向熵增的宇宙形态都对应着一个相反的沿时间方向熵减

的宇宙形态，但是要形成一个熵减的宇宙却是极其的困难，它要求构成宇宙的所有的物质点

的相对位移关系、以及它们的相对运动形式都必须精确的设定，稍有差池，蝴蝶效应就会把

它抛入一个沿时间方向熵增的宇宙形态，在宇宙物质体系是无限的情况下，它的产生机率为

无穷小！

热力学第二定律和时间的单向性预示着我们的物质世界是无限的，却也不能完全的证

明它，天知道我们的宇宙会不会有一天时光倒流，在那时我们越活越年轻，热量从低温物体

流向高温物体，宇宙的熵越来越低呢？

（在这里似乎另一种观点也成立，如果将任意一个沿时间方向熵增加的宇宙的每一个

物质点的运动严格的反演，必将得到一个熵减的宇宙，这似乎意味着熵增加的宇宙和熵减少

的宇宙一样多，它们拥有同等大小的存在机率，如此分析，则和前面的分析大相径庭，但这

很可能是一个悖论，犹如那个“偶数和整数一样多”的悖论一样，希望精通数学的朋友指点。）