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【科學講堂】時間只向一方流動?

2017-11-15

墨滴水中擴散概率大 反之並非不可能

早前跟大家淺談過時間旅行,當時作了一個很自然的假設:時間是只向同一個方向(也就是未來)流動的。試想像兩幅圖片:在一張圖片中,一滴藍色墨水凝聚在水池表面,而在另一幅中,整個池塘都被染藍了。倘若我們看到這兩幅圖片,可能會很快判定它們的時間先後順序,這是因為在我們的日常生活中,經常會看見一滴墨水慢慢地在水池中擴散開來;反而好像沒有目擊過本來佈滿池塘的墨水,如同找尋夥伴般聚集在一起。為什麼?

墨水不「相聚」僅是因為概率低

還記得我們上星期談及如何分辨「左」與「右」嗎?大自然的定律本來就並不是對「左」與「右」平等對待的,因此大自然「左右有別」聽來完全合理。時間的順序就好像不是這樣了。比方說在牛頓的運動定律(Newton's Law of Motion)裡,倒轉了時間的方向並不會引起什麼根本上的問題:一個足球員能將皮球踢到守門員的手中。

反過來說,只要守門員有足夠的力量,也能夠把皮球沿茩鴩茠滬y跡拋回足球員的腳邊,而不會給我們違和的感覺。不過如前所述,為什麼我們會見到水滴向四方散去,卻沒有看過四散的水滴重聚一點呢?

玻爾茲曼提出 難如擲骰全「1」

著名奧地利物理學家及哲學家玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann,1844-1906)從機會率的角度去解釋為什麼有些現象好像只會依從一個方向進行。在一個池塘裡,一顆小小的墨水滴可以流到任何地方,而且墨水滴的數量以億以萬來計算還不止,因此所有墨水滴齊聚一起的機會率是微乎其微(卻不是完全不可能);反過來說,各顆水滴散佈在池塘各處的可能性就大得多了。

因此在正常情況下,我們會見到藍色墨水向四處擴散開去,而不會死死地聚在一起。當然實際上並沒有什麼機制去阻止這個狀況發生,不過發生的機會率實在是太低了。這就好像我們在擲一億枚骰子,要全部擲得「1」,並非完全不可能,只不過需要的運氣大得驚人,我連想也不敢想了;相比之下,骰子各面的點數都擲到的可能性高很多,幾乎是必定會出現的了。

或許我們應該慶幸世界是這樣運作的。沒有機制阻止房間中的空氣粒子全聚到房間的一角,如果這個狀態經常出現,我可能早已窒息昏迷,無法完成這篇稿子了。

小 結

在他的一生中,玻爾茲曼致力研究組成物件的粒子的運動與物件本身特徵的關係(比方說空氣粒子移動的速度,跟空氣本身的溫度有什麼關係),成功地在微觀的粒子世界和宏觀的物料世界中築起一道橋樑,進一步擴闊我們的視野。只可惜與玻爾茲曼同時代的物理學家並不完全接受「粒子」的想法,因而對玻爾茲曼的理論也是興趣缺缺。最終玻爾茲曼選擇了結束自己的生命。 ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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