熵增是因为宇宙需要记忆？

白熊1

熵增是因为宇宙需要记忆？

时间:2014-05-15 10:29 来源:环球科学（huanqiukexue.com）

真实世界的演化总是朝着熵增的方向，尽管很多物理规律都没有这个限制。一项新理论研究表明，我们从来看不到熵减事件（译者注：局部的熵减是常见的，但这总是伴随着熵流，即在一个更大系统上熵总是增加的）的理由是：它们不留下任何存在过的痕迹。

　　


咖啡中的熵：无论你调多少杯牛奶咖啡，
你永远不会看到有它们会在杯子里自发分离开来——这都归功于宇宙持续熵增的努力。
然而物理学基本规律并没有预言一个特殊的时间箭头。
如今一项新的理论表明熵减事件也是可能的，然而它们不留下任何痕迹，使得我们无法感知。
（图片来源：iStockphoto/danesteffes）


把所有事情在时间上倒过来发生也不违反物理规律。然而真实的世界中永远不会有一杯热咖啡能自动分离出冷牛奶。针对这个物理规律的时间对称性与日常生活中的时间单向箭头的冲突，一位理论物理学家于8月21日在《物理评论快报》上发表了新的解释。以量子论的观点来看，熵增的事件能够在周遭环境中留下其曾经发生的痕迹。研究者提出，假如把事件按时间轴回放，减少熵，将没有任何的记录留下，这样“不为人知”的事件倒相当于从来没有发生过了。



从热力学的角度来看，当不同温度的两样物体接触，它们之间会发生能量流动直至它们达到热平衡。伴随着这股热流的便是熵的增加。在我们的认知范围里，热量从来不会反过来流动，宇宙的熵未曾减少过。



让时间反向将相当于熵减，比方说让一个均一温度的物体自发变成一端冷一端热。在19世纪有一个著名的思想实验：一个被称作“麦克斯韦妖”的精灵知晓盒子当中每一个气体分子的位置和速度，一块隔板把盒子分成两个腔室，精灵在隔板上开了一个小洞，并操控着小洞的门，这样一来它可以通过有选择性地开门让高能分子聚集到一边而把低能分子聚集到另一个腔室。虽然气体分子的熵减少了，然而其实精灵本身也需要耗费能量和增加熵，结果是整体的熵仍然不可避免地增加。



在量子世界里，熵减精灵换了一份工作，因为量子力学版本的熵并非源自热流而是信息流。来自意大利帕威亚大学以及麻省理工学院的Lorenzo Maccone给出了一个思维实验来诠释宇宙熵减的后果：一个实验家Alice对好友Bob发送过来的一个原子进行了自旋测量（除此以外Bob与Alice的实验室系统毫无关联）。此前该原子处于上自旋与下自旋的叠加态，只有等到Alice进行测量时才会坍缩为其中一个状态。



在Alice看来，她的实验室从外界得到了一个比特的新信息，这信息然后被复制和记录到她的大脑和电脑硬盘中。在她看来，信息从原子流向实验室，这伴随着熵的增加。Maccone说，然而Bob并不知道这结果，他认为那原子仍旧处于叠加态中，并且与Alice的实验室的量子态发生了量子力学上的关联，即所谓的“纠缠”。他并没有看到信息流动，也没有熵变。



正是Bob扮演了麦克斯韦妖的角色。他对Alice实验室有着完全的控制——通过进行一个复杂的变换来使Alice实验室与原子挣脱“纠缠”，他可以让Alice以为她大脑以及硬盘中的原子自旋的记录被擦除了，Alice会觉得产生了一股逆行的信息流，减少了她的实验室体系的熵。



Maccone写道，这并没有违反量子规律。事实上在实验室外的Bob看来，无论Alice实验室与原子纠缠与否，她们的熵都是一样的——从外面看进去根本没有熵的变化。Maccone说，这样的逆行信息流动和熵减在现实世界中是可行的，问题是我们无法“感知”到这类事件——把宇宙比作为Alice实验室的话，逆行的结果是没有任何的记忆和记录，Alice无法感知到底发生了什么，所以我们对这个世界的感知是没有包括这类事件的。Maccone在他的文章中进一步用更加数学的语言来进行了更一般的论证——论证的对象从Alice推广到了宇宙。



荷兰乌特勒支大学的Jos Uffink部分地认可该理论工作。他不完全信服的理由是：在熵减过程之后，“那个观测者或许还可以保存着对事件的部分记忆”。尽管如此，他还是赞许该文章“相当新颖”而且其结论很让人“惊叹”。世界上发生在我们身边的种种事情都具备明显的“不可逆性”，它与作为客观物理实体的信息之间到底是什么关系呢？Uffink说未来还会有更多围绕着这个关系的热烈讨论。（翻译：朱国毅   审稿：王忻怡）



原文链接：http://physics.aps.org/story/v24/st7
转载声明：本文来自环球科学（huanqiukexue.com），转载请注明出处。

白熊1

补无关图.........话说为什么要补一张无关的图，这是熵增吗

woaimm123

neverbn13

楼上的id好应景啊

ugo

熵的增减是参照时间而言的吧  ”熵只在增加“是从我们的时间轴上观察得出的结论  假如能逆转时间轴 从其他角度上观察 熵实际上就是在减少的   是的 这里又来了个老套的理论：时间旅行（假如时间旅行不会造成熵增的话  ——但是我猜会的 因为时间旅行本身把整个系统扩大了 以前的系统只考虑现在 而时间旅行后 过去将来都算进一个系统了 大概吧）

最近在看doctor who 这剧虽然不是硬科幻( 很多地方感觉一点都不科学 )但是还是有很多令人惊叹的奇思妙想 因此伟大的时间领主才会在银幕上活跃了50年长盛不衰  时间旅行和外星人妹子 夫复何求哇

剧中出现的神秘生物silence 每当你的视线从它身上移开时你会马上忘记曾经见过它  因此这种生物实际上早已占领了地球千百年 人类却对此却一无所知——你的卧室里可能有100只silence 只不过你不记得罢了！
所以说  真正的恐怖片就是要“科幻”才行啊 现代人已经不信牛鬼蛇神了嘛

……好吧 扯回来 有个问题 文章之前也说了 麦克斯韦妖的理论本身并没有打破熵增的铁律 妖精造成的熵减实际上也只是局部的而已 为什么信息流的例子中却声称熵减了呢  难道消除记忆不需要能量么不需要熵增么

吸血鬼王

无关图好评
文章太长，看不下去，也看不懂- -

cuiran0627

纳尼？

tood

综合维基、百度：

热力学第二定律（The second law of thermodynamics），热力学基本定律之一，内容为不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。

如果将热力学第一、第二定律运用于宇宙，这一典型的孤立系统，将得到这样的结论：1.宇宙能量守恒，2.宇宙的熵不会减少。那么将得到，宇宙的熵终将达到极大值，即宇宙将最终达到热平衡，称热寂。

开尔文：“热力学第二个伟大定律孕含着自然的某种不可逆作用原理，这个原理表明虽然机械能不可灭，却会有一种普遍的耗散趋向，这种耗散在物质的宇宙中会造成热量逐渐增加和扩散，以及势的枯竭。如果宇宙有限并服从现有的定律，那么结果将不可避免地出现宇宙静止和死亡状态。但是，对宇宙中的物质广延设想一个界限是不可能的……”

“热寂说”是热力学第二定律的宇宙学推论，这一推论是否正确，引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题，因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界，成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。

在十九世纪，对于热寂说有两个较为有影响的驳斥，一个是由玻尔兹曼提出的“涨落说”（1872），另一个是恩格斯利用运动不灭在《自然辩证法》中进行的驳斥（1876）。现今对于宇宙的理解（1.宇宙在膨胀；2.宇宙，作为自引力系统，是具有负热容的不稳定系统）指出宇宙是不稳定的热力学系统，并不像静态宇宙模型所设想的那样具有平衡态，因而其熵亦无最大值，即热寂并不存在。

恩格斯指出，“热寂说”由于断言宇宙中的一切运动都将最后转化为热，因而违反了辩证唯物主义的基本原理——运动不灭原理（它所对应的科学定律是能量守恒和转化定律，即热力学第一定律），“克劳修斯的第二原理等等，无论以什么形式提出来，都不外乎是说：能消失了，如果不是在量上，那也是在质上消失了。熵不可能用自然的方法消灭，但可以创造出来。宇宙钟必须上紧发条，然后才走动起来，一直达到平衡状态，而要使它从平衡状态再走动起来，那只有奇迹才行。上紧发条时所耗费的能消失了，至少是在质上消失了，而且只有靠外来的推动才能恢复”。[14]在这个分析的基础上，恩格斯联系科学史指出，“作为冷却的起点的最初的炽热状态自然就绝对无法解释，甚至无法理解，因此，就必须设想有上帝存在了。牛顿的第一推动就变成了第一炽热”。

……………………………………

个人理解，“热寂说”的盖棺论定，取决于另一问题的解决：宇宙从何而来？
（而这一问题的解决，估计大家有生之年是看不到的,所以把注意力放到无关图上就好了……）

意外感染

可以将熵看做一个常量，时间是一条线，无论向量如何，起始点永远是过去。通俗的解释就是：因为时间是从无序到有序，必然熵。因为是无序到有序，所以我们已知发生的事而不能预测未来。时间不可能逆流因为会熵减，但假设时间旅行，从无序到有序和从有序到无序之间能量平衡，时间旅行所用的能量即是熵。但因为从有序到无序所以不能被感知，从而得出不可能改变历史。

不西木瓜

谁说时间旅行的熵增就一定大于熵减呢？假如时间本身稳定状态仅只悬崖一点，我付出轻推一指的熵增，就能达成清空熵值的巨大熵减

greendamseed

我觉得说记忆就是熵反而显得贴切，记忆有时就像垃圾

damahu79

当初学的熵焓的蝻就光想到伤寒！现在看见这些字就反胃！

asmodeus

看了一楼的贴不知道该说些什么直到下拉看到二楼。。。

クオリア

我为什么一个字都看不懂