大[179]。想想我们在第8章打过交道的那个一分为二的气体盒子,其中的
单个粒子每秒有很小的概率从盒子一侧跳到另一侧。很明显,如果只有
两三个粒子,系统不用花多长时间就能回归到初始状态。但如果我们考
虑的是一共有60个粒子的盒子,就会发现回归时间变得跟可观测宇宙目
前的年龄一样长。
真实世界里的物品包含的粒子数通常远远超过60个。对典型的宏观
物体来说,回归时间将至少为101000000000000000000000000秒。这个时间挺
长的。对可观测宇宙中的所有粒子来讲,回归时间还要更长——但是谁
会在意这个啊?对任何我们关心的较大物品来说,回归时间都比跟我们
的经验有关系的任何时间要长得多。可观测宇宙的年龄约为1018秒。哪
个实验物理学家要是在经费申请里提出,他会把一勺牛奶倒进咖啡里然
后就坐等回归时间过后牛奶自己从咖啡里解析出来,那他恐怕很难申请
到经费。
但要是等的时间够长,这事儿确实会发生。尼采的幽灵并没有错,
它想的只不过是长期结果罢了。
策梅洛对阵玻尔兹曼
庞加莱用来证明回归定理的那篇原始论文主要是在讲牛顿力学的清
晰、可预测的世界。不过他对统计力学也了如指掌,很快他就认识到,
永恒回归的想法乍一看与热力学第二定律的推导并不相容。不管怎么
说,第二定律说的是熵永远只会往一个方向变化——增加。但从回归定
理似乎可以推断出,如果一个低熵状态演变为高熵状态,我们只需要坐
等足够长的时间,系统就会回到低熵的起点。也就是说,在演变过程
中,必须有个地方熵在减少。
1893年,庞加莱写了篇短文,更细致地讨论了这一明显矛盾。他指
出,回归定理可以推断出宇宙的熵最终会开始降低:
我不知道有没有人说过,英国人的动力学理论能从这个矛盾中
全身而退。根据那些理论,这个世界一开始会倾向于变成一个很长
时间都不会再有明显变化的状态;这个结论跟日常经验也是一致
的;但如果依循上述定理,世界不会永远保持那个样子;它只是会
在非常长的时间里都保持这个状态,分子数越多,这个时间就会越
长。这个状态不是宇宙最后的死寂,而是一种沉睡;在多少万亿个
世纪之后,宇宙会从这种沉睡中醒来。按照这个理论,想看到热量
从低温物体传给高温物体的话,你不需要像麦克斯韦妖那样明察秋
毫、智力超群又身手敏捷,而只需要有点儿耐性就够了[180]。
庞加莱所谓的“英国人的动力学理论”很可能是指麦克斯韦、汤姆森
及其他人的工作——并没有提到玻尔兹曼(还有吉布斯)。不知道是因
为没被提及,还是因为没见过这篇论文,玻尔兹曼没有对庞加莱做出任
何直接回应。
但这个想法可没那么容易被忽略掉。1896年,策梅洛提出了与庞加
莱类似的异议(他参照的是庞加莱1890年提出回归定理的那篇长文,而
不是1893年的短文),现在叫作“策梅洛回归异议”[181]。尽管玻尔兹曼
声望卓著,原子论和统计力学在19世纪的德语世界里却没有像在英语世
界里那样得到广泛认可。跟很多德国科学家一样,策梅洛认为第二定律
是自然界的绝对真理;封闭系统的熵总是会增加或保持不变,而不仅仅
是多数时候。但回归定理清楚表明,如果熵一开始增加了,总有一天还
会随着系统回到初始布局而减少。策梅洛得出的结论是统计力学体系根
本就是错的,热和熵的表现不会因为分子运动遵循牛顿定理而降低。
策梅洛后来因在数学中创造了集合论而名满天下,但在当时他只是
个马克斯·普朗克门下的无名小卒,玻尔兹曼也没有把这个初生牛犊的
异议很当回事。他确实拨冗回应了,但话里话外可没显出多少耐心:
策梅洛的论文表明拙作被误解了;但无论如何,这似乎是拙作
在德语世界第一次有人关注,令我深感欣慰。策梅洛在论文开头阐
释的庞加莱的定理显然是对的,但将其应用于热学理论就不对了
[182]。
哎哟喂。策梅洛又写了一篇文章回应玻尔兹曼,然后玻尔兹曼又回
应了一篇[183]。但俩人实在是鸡同鸭讲,似乎也从未达成令人满意的结
论。
对于第二定律只是自然界的统计规律而非绝对真理的想法,这时的
玻尔兹曼完全没觉得有什么不妥。他对策梅洛的回应主要是指出应区分
理论和实际。理论上,整个宇宙可以始于低熵状态并向热平衡态演化,
最终还会再次演化回低熵状态;这是庞加莱定理的推论,玻尔兹曼也承
认这个结论。但需要等待的真实时间极为漫长,比我们现在知道的“宇
宙年龄”都还要长得多,当然也比19世纪的科学家能构想出来的任何时
间尺度都要长得多。玻尔兹曼论证道,我们应该将回归理论的推论作为
数学上刨根究底的趣味游戏接受下来,但它确实跟我们的真实世界没有
任何关系。
永恒宇宙的麻烦