进食也让人累觉不爱……各种食物大口大口地回到我嘴里。用舌头
和牙齿熟练按摩之后，我再将这些食物吐到盘子里，用刀叉汤勺精雕细
刻。这个过程至少还有点儿让人感到安慰，但如果你是在喝汤或是别的
什么，那就真成了十大酷刑了。接下来你要面对耗时费力的冷却、配
菜、储存的过程，再将这些食品送回小超市，在那里我得承认，我的痛
苦得到了及时、慷慨的报偿。接下来，你推着推车或是提着篮子在货架
间徜徉，将每个罐头或包装盒放回合适的地方。
——马丁·埃米斯（Martin Amis），《时间之箭》[19]
忘了太空船、火箭炮以及与外星文明的冲突吧。如果你打算讲一个
故事来强烈唤醒身处陌生环境的感觉，你就得倒转时间的方向。
当然，你也可以直接把一个普普通通的故事倒着讲，从结尾讲到开
头。这是一种叫作“倒叙”的文学手法，似乎早在维吉尔（Virgil）的
《埃涅阿斯纪》当中就有了。但要是真想让读者大跌眼镜、再也无法洋
洋自得的话，你还是得让有些角色经历时间倒流。当然，这能让人大跌
眼镜的原因是，我们这些非虚构人物全都是在以同一个方式经历时间。
而这种方式又要归因于熵在整个宇宙中持续增长，并定义了时间之箭。
镜中奇遇记
司各特·菲茨杰拉德（F.Scott Fitzgerald）的短篇小说《本杰明·巴顿
奇事》最近拍成了电影，主演是布拉德·皮特（Brad Pitt）。小说主人公
出生的时候是个老人，随着时间流逝逐渐变得越来越年轻。可以理解，
在本杰明出生的那家医院，护士们有些惊慌失措。
用宽大的白色毛毯裹着，被勉强塞进婴儿床的，是一个明显有
七十来岁的男人。他坐在那里，稀疏的头发几乎全白了，从下巴垂
下的长长的烟灰色胡须，被窗外进来的微风吹得前后飘荡。他用黯
淡无光的眼睛望着巴顿先生，眼中深藏着疑虑。
“是要气死我吗？”巴顿先生暴跳如雷，他的恐惧变成了愤
怒：“这是不是医院在搞什么恶作剧？”
“我们可不觉得这是恶作剧，”护士厉声回答：“我不知道你
会不会气死——但那千真万确是你的孩子。”
更多冷汗从巴顿先生的额头上冒了出来。他紧闭双眼，然后再
睁开。没错——他正盯着一个七十岁的男人——
一个七十岁的婴儿，双足悬在他应该用来安睡的婴儿床的栏杆
外面。[20]
这一刻可怜的巴顿夫人是什么感受，书中并未提及。（在电影中，
刚出生的本杰明尽管又老又皱，但至少确实是婴儿般大小。）
让某些角色经历时光倒流实在是太古怪了，因此在故事里常常用于
达到喜剧效果。在刘易斯·卡罗尔（Lewis Carroll）的《爱丽丝镜中奇遇
记》中，爱丽丝与白女王第一遭见面就惊讶万分，因为白女王的生活在
时间的两个方向上都左右逢源。女王正大喊大叫，因为护痛晃动着手
指：
“究竟是怎么回事？”一有机会能让人听见自己的时候，（爱
丽丝）就问道：“你扎伤自己的手指了吗？”
“我暂时还没扎伤，”王后说，“不过我马上就会——哦，
哦，哦！”
“那你想在什么时候扎伤呢？”爱丽丝问道，感觉自己马上要
笑出声来。
“在我重新把披肩别起来的时候，”可怜的王后唉声叹气地
说：“胸针会自己打开。哦，哦！”就在这当儿，胸针打开掉了下
来，王后手忙脚乱地拼命想抓住它，试图让它再合上。
“小心！”爱丽丝叫起来：“你都把它捏弯了！”于是她伸手
去拿那枚胸针，但还是晚了一步，胸针已经滑落，王后也已经扎伤
了手指。[21]
卡罗尔（跟我一不沾亲二不带故[22]）是在拿时间深层的本质特征
——原因先于结果的事实——开玩笑。上述场景会让我们莞尔，同时也
提醒我们，时间之箭对我们在这个世界上的经历来说有多重要。
时间倒转不仅可以服务于喜剧，也可以服务于悲剧。就算考虑到时
间倒转是个非常小的文学类型[23]，也可以说马丁·埃米斯的小说《时间
之箭》是该类型的经典之作。小说的叙述者是一个没有实体的意识，住
在另一个名叫奥迪罗·翁弗多尔本（Odilo Unverdorben）的人的身体里。
宿主的生活是正常的，时间向前流动；但寄宿的小小叙述者经历的一切
都是向后的——他最早的记忆是翁弗多尔本的死亡。他无法控制翁弗多
尔本的行为，也无法进入宿主的记忆，只能被动地反向经历宿主的人
生。一开始翁弗多尔本在我们面前出现的时候是个医生，这个职业给叙
述者的印象相当病态——病人们拖着脚走进急诊室，医护人员从他们体
内吸出药物，解开他们身上的绷带，把他们扔回黑灯瞎火的大街上，任
他们血流不止，鬼哭狼嚎。一直到该书最后我们才了解到，翁弗多尔本
是奥斯维辛的一名助手，他在那里创造生命，谁都没这么干过——将化
学品、电流和尸体变成活人。到这时叙述者才觉得，这个世界终于有意
义了。
时间之箭
为什么倒转时间的相对方向是放飞想象力的有效工具，有一个极好
的理由：在真实的、非假想的世界中，这种情形从来不会发生。时间有
方向，并且每天的方向都是一样的。我们中间没有谁见过像白王后那样
的角色，她记得住我们看起来是“将来”的东西，而非“过去”（或者说
在“过去”之外）。
要说时间有方向，有一个箭头从过去指向将来，到底是什么意思？
想一想，假设我们在看一部倒着放的电影。一般来讲，如果我们看到的
东西在时间上是在“逆行”，我们会很清楚这一点。经典例子就是跳水的
人和泳池。跳水的人跳下来，就会有一大片水花，接着会有水波在水上
起伏散开，一切都很正常。但如果我们首先看到的是一个有水波的泳
池，水波汇集到一起形成大水花，再托起一个跳水的人一直送到跳板
上，这个人还一脸心平气和，我们就会知道有什么地方出了问题：电影
在倒着放。
现实世界中的特定事件总是以同样的顺序发生。只能是跳水、水
花、波浪，永远不会有波浪、水花、托出一个跳水的人。牛奶可以掺进
黑咖啡里，但不可能将搅好的咖啡和牛奶再分成这两种液体。这类序列
就叫作不可逆过程。我们可以自由想象这种序列如何反向呈现，但就算
我们真的看到了反向序列，也只会觉得这是电影里的花招，而非现实的
忠实再现。
不可逆过程是时间之箭的核心。事件以某些序列而非其他序列发
生，而且就我们所知在整个可观测宇宙中，这些顺序都互相吻合。有一
天我们也许会发现某个遥远的太阳系有颗行星上有智慧生命，但没有人
会觉得在新发现的行星上，那些外星人一般都能拿个勺子随便搅和几下
就将牛奶和咖啡（或该星球上的等价物）分开。这个结论为什么并不意
外？这个宇宙可是大得很呢，事情以任意序列发生应该都有可能。但并
非如此。对某些类型的进程——大致来讲，有大量部件都在各自运动的
复杂行动，就似乎都有根植在世界基本结构中的特定顺序。
汤姆·斯托帕德（Tom Stoppard）的话剧《阿卡迪亚》以时间之箭为
中心隐喻来组织情节。下面就是托马西娜（Thomasina）这位远远超前
于时代的年轻奇才是如何向自己的导师解释时间之箭的概念的：
托马西娜：赛普蒂默斯（Septimus），你搅动你这碗大米布丁
的时候，这勺果酱就会四下散开，留下红色尾迹，就像我的天文图
集里流星的照片一样。但如果你反着搅，果酱也不会重新聚拢来。
实际上，布丁才不管你怎么搅，只会跟之前一样继续变成粉色。你
不觉得很奇怪吗？
赛普蒂默斯：不觉得。
托马西娜：我反正是这么觉得。你没办法靠搅拌把东西分开。
赛普蒂默斯：你也只能做到这儿了，要不时间就必须得倒流
了。但是时间可不会倒流，我们只能继续搅拌混合，越来越无序，
最后完全变成粉色，再也不变了，也没法再变了，这样才算完全搞
定它。这就叫自由意志，或是自决权。[24]
因此，时间之箭是我们宇宙的一个基本事实，甚至可以说是我们宇
宙最基本的事实。事情会以一种顺序发生而不会反着来，这一事实深刻
影响了我们如何在这个世界上生活。为什么会这样呢？为什么我们生活
的宇宙中X后面总是跟着Y，而Y后面永远不可能跟着X？
答案就在我们前面提到过的“熵”这个概念里。跟能量、温度一样，
熵能告诉我们物理系统处于特殊状态时的某些信息，描述的是这个系统
究竟有多无序。一沓纸一张叠一张整整齐齐放在那里，熵就很低；同样
这一沓纸如果在桌子上杂乱无章到处都是，熵就会很高。一杯咖啡，旁
边单独放着一勺牛奶，熵就很低，因为分子处于有序分离的特殊状态，
各自组成了“牛奶”和“咖啡”；要是把这两样混在一起，熵相对就变大
了。所有这些不可逆过程都反映了时间之箭——我们可以把鸡蛋摊成鸡
蛋饼，没法把鸡蛋饼变成鸡蛋；香味可以在房间里扩散开来，但永远不
会收回到瓶子里；冰块可以在水里融化，但一杯热水绝对不会自动结出
冰块。这些过程也都有个共同特征：随着系统从有序向无序发展，熵一
直在增加。无论什么时候，只要我们扰动宇宙，就倾向于令宇宙的熵增
加。
在本书中我们的重要任务之一，就是解释为何熵这样一个概念就能
将如此各不相同的一组现象都维系起来，并深入挖掘所谓的“熵”究竟是
什么以及为什么熵总倾向于增加。最终任务——在现代物理学中仍然是
个深奥难解、没有答案的问题——就是，为什么熵在过去会那么低，以
至于能从那时起就一直在增加。
过去和将来对比上和下
首先，我们得好好想想另一个更优先的问题：某些事情在时间的一
个方向上发生，而绝不会是另一个方向，我们真的应该为此感到惊讶
吗？到底有谁说过什么事情都得是可逆的啊？
把时间看成是事件发生时的标记，这是让时间看起来就像空间的方
式之一——时间和空间都有助于我们在宇宙中定位事物。但从这个视角
来看，时间和空间也还是有一个关键的地方不一样——空间中的方向都
是平等的，但时间的方向（也就是“过去”和“将来”）就很不一样。在地
球上，空间的方向很容易区分——指南针就可以告诉我们哪儿是南，哪
儿是北，而且谁也不会有搞错上和下的风险。但这并没有反映出自然界
的深层基本规律，而只是因为我们生活在一颗巨大的行星上。有了这颗
行星，我们就能定义不同的方向了。如果你是身穿太空服漂浮在远离任
何行星的太空中，那么空间的所有方向就都完全区分不出来了——不会
有什么“上”或者“下”的首选概念。
专业说法是自然规律有其对称性——空间中任意方向都跟别的方向
一样。要“调换空间的方向”易如反掌——拍一张照片，反着冲印出来，
或者就从镜子里看也是一样的。大部分情况下，镜子里的景象看起来都
没什么特别。显而易见的反例是书写，很容易就能分辨出我们看到的有
字的图片是不是反着的；这是因为书写和地球一样，有一个首选方向
（你读这本书是从左往右读，对吧）。但是大部分没有多少人造物的场
景，无论是直接看还是从镜子里看，对我们来说都显得同样“自然”。
我们来跟时间对比一下。“从镜子里看一张图”（倒转空间的方向）
就等价于“倒着放一部电影”（倒转时间的方向）。这种情形下，很容易
看出时间是否倒置了——定义时间之箭的不可逆过程突然之间以错误的
顺序发生。时间和空间的这种深刻差异来自哪里？
图5 地球定义了空间的首选方向，而大爆炸定义了时间的首选方向
虽然我们脚下的地球确实通过区分上和下选出了“空间之箭”，但是
也很清楚，这只是局部现象，并不是自然界基本法则的反映。很容易想
象出来，我们可以身处没有首选方向的外太空。但是，自然界的基本法
则不只是没有在空间中选个首选方向而已，同样也没有在时间中选一个
方向（图5）。如果我们将注意力集中在非常简单的系统中，只有少数
几个部分在运动，其运动反映的是物理学的基本法则而非我们乱糟糟的
本地环境，那就不会有时间之箭——我们不能分辨电影是否在倒着放。
就说伽利略那盏老老实实前后摆动的大吊灯，要是有人只给你看这个吊
灯的一段影片，你恐怕就没法说出它到底是在正着放还是在倒着放。吊
灯的运动足够简单，因此在时间的随便哪个方向上都同样说得通。
因此，至少就我们现在知道的来说，时间之箭并不是物理学基本法
则的特征。就像空间的上下方向是由地球选出的一样，时间的首选方向
也是我们环境特征的结果。就时间的例子来讲，并不是我们生活在有影
响力的物体的邻近空间，而是我们生活在有影响力的事件的邻近时间，
这个有影响力的事件就是宇宙的诞生。我们这个可观测宇宙的起点，那
个叫作大爆炸的炎热、致密的状态，熵非常低。这起事件影响了我们在
时间中的方向，正如地球的存在决定了我们在空间中的方向一样。
大自然最可靠的定律
不可逆过程的基本原则可以总结为热力学第二定律：
孤立系统的熵要么保持不变，要么随时间增加。
（第一定律则声称能量守恒。[25]）第二定律可以说是物理学当中
最可靠的定律。如果有人叫你预测一下，现在人们认可的物理学原理中
有什么在一千年以后还能站得住脚，第二定律估计是个好选择。20世纪
初杰出的天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）就曾断
言：
如果有人指出，你钟爱的宇宙理论跟麦克斯韦方程（关于电和
磁的定律）不符，那对麦克斯韦方程来说可就糟糕了。如果你的理
论还被发现跟观测有冲突——那么，那些实验学家确实有时候会笨
手笨脚把事情搞砸。但要是你的理论被发现跟热力学第二定律相
悖，我就只能说没希望了，结局只能是颜面扫地、完全失败。[26]
英国学者、物理学家、小说家查尔斯·珀西·斯诺（C.P.Snow）最著
名的事迹可能是，他坚持认为科学和人文“两种文化”已经分道扬镳，但
二者本应都成为我们共同文明的一部分。他在举荐每个受过教育的人都
应当懂得的最基本的科学知识时，选择了第二定律：
我曾多次出席按传统文化标准会被视为受过良好教育的人的聚
会，他们也都以极大热情表达过，搞科学不可怕，就怕科学家没文
化。有那么一两回我被激怒了，于是问他们当中有多少人能描述热
力学第二定律，也就是关于熵的定律。回应很冷淡，也是否定的。
然而我只不过问了在科学领域相当于“你有没有读过莎翁剧作”的
问题。[27]
我敢说，斯诺男爵在剑桥鸡尾酒会上肯定语惊四座。（为公平起
见，他后来倒是也承认，就连物理学家也并非真的理解第二定律。）
我们对于熵的现代定义是1877年由奥地利物理学家路德维希·玻尔
兹曼提出的，但提出熵的概念并将其用于热力学第二定律，可以追溯到
1865年的德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）。第二定律
本身甚至还可以追溯到更早——是法国军事工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨
迪·卡诺（Nicolas Lé onard Sadi Carnot）在1824年提出来的。克劳修斯
不知道熵的定义，那他是如何将熵应用到第二定律中的呢？卡诺甚至完
全没有用到熵的概念，他又到底是怎样确切表达出第二定律的？
19世纪是热力学（研究热及其性质的学问）的黄金时代。热力学先
驱们研究了温度、压力、体积和能量之间的相互作用。他们的兴趣也绝
非纸上谈兵——这是工业时代的黎明期，他们的大量工作都是因为渴望
造出更好的蒸汽机而激发的。
今天物理学家已经知道，热是能量的一种形式，物体的温度就是物
体中原子平均动能的表征。但回到1800年，科学家还并不相信原子，对
能量也知之甚少。英国在蒸汽机技术方面领先于法国，这一事实令卡诺
的自尊受到了深深的伤害。因此，他给自己下达任务，要搞清这种机器
究竟能有多大效率——燃烧一定量的燃料，能做多少有用功？他证明，
这种提取有个根本限制。卡诺做了一次智力上的飞跃，将真实机器理想
化为“热机”，证明有一种最好的机器，在给定温度下，使用给定数量的
燃料，做功的值可以达到最大。不出所料，诀窍就是让产生的废热最
少。我们可能会觉得，冬天热量还是挺有用的，可以让房子暖和起来，
但在物理学家想要的“做功”（让活塞或者飞轮之类的东西从一处移动到
另一处）上，废热可就一无是处了。卡诺认识到，就算是最有效率的机
器也并非完美，总有些能量会在做功过程中消耗掉。换句话说，蒸汽机
的运转是不可逆过程。
因此，卡诺认识到，机器做的事情是不能撤销的。1850年则是由克
劳修斯搞明白，这反映了一条自然法则。他将自己的这条法则阐述
为“热量不会自发从低温物体流向高温物体”。将一个气球装满热水并浸
入冷水中，地球人都知道温度会趋于平均：气球里的水会凉下来，同时
气球周围的液体会变暖。反过来就绝对不会发生。物理系统会朝着平衡
态演化——尽可能均一的静态布局，所有组成部分的温度都一样。从这
个见解出发，克劳修斯就能重新推导出卡诺关于蒸汽机的结果了。
那么，克劳修斯的定律（热量绝对不会自发从低温物体流向高温物
体）和第二定律（熵绝对不会自发减少）有什么关系呢？答案就是，这
是同一个定律。1865年，克劳修斯设法用一个新的量重新阐释他原来的
真理，并将这个量命名为“熵”。假设有一个物体正在逐渐冷却，也就是
正向周围环境散发热量，在这个过程中，考虑每一时刻物体丧失的热
量，并除以此刻物体的温度。熵就是将整个过程中的这个商数（用失去
的热量除以温度）累加起来的数值。克劳修斯指出，热量从高温物体流
向低温物体的倾向，就正好相当于封闭系统的熵只会增加不会降低的说
法。平衡态就是熵已经达到最大值的状态，也不会再变成别的状态了：
所有互相接触的物体都是同样的温度。
要是这样听起来有点儿抽象，也有个简单的说法来总结关于熵的这
一观点：熵可以度量一定量能量的无用之处[28]。1升汽油里边有能量，
这能量也是有用的，我们可以用来做功。燃烧这1升汽油让发动机运转
的过程不会改变能量总数：只要我们认真追踪整个过程，就能看到能量
总是守恒的[29]。但在这个过程中，能量也在变得越来越没用。除了用
发动机带动汽车运动，这些能量还会转变成热量和噪声，就连汽车的运
动最终也会因为摩擦力慢慢停下来。随着能量从有用变成无用，熵一直
在增加。
第二定律并不意味着一个系统的熵永远不会减少。比如说，我们可
以发明一台机器将牛奶从咖啡中分离出来。但问题在于，我们只能通过
在别的地方产生更多的熵来降低某件物品的熵。我们人类，及我们打算
用来分离牛奶和咖啡的机器，还有我们消耗的食物、机器消耗的燃料
——全都有熵，这些熵在操作中也都必然会增加。物理学家在开放系统
（物体与外界明显有相互作用，会交换熵和能量）和封闭系统（物体与
外部影响完全隔绝）之间做了明确区分。在开放系统中，就比如我们放
进机器里的咖啡和牛奶，熵当然可以减少。但在封闭系统中，比如说包
括咖啡、牛奶、机器、人类操作员、燃料等在内的整个系统，熵总是会
增加，最多也就是保持不变。
原子论的兴起
卡诺、克劳修斯以及跟他们同时代的人对热力学的伟大见解都发生
在“现象学”的框架内。他们知道整体情况，但并不了解深层机制。尤其
是他们不知道原子，因此不会把温度、能量和熵看成是某些微观基础的
特性，而是都当成了本即如此的真实存在的东西。特别是，那个年代人
们常常把能量看成一种流体，可以从一个对象流到另一个对象。这种能
量流甚至还有个名字，叫作“热质”。这种理解水平用来解释那些热力学
定律已经足够。
但是同样在19世纪，物理学家也逐渐开始相信，我们在这个世界上
发现的很多物质都可以看成是一些基本元素的不同排列组合，这些基本
元素叫作“原子”，种数是固定的。（实际上，物理学家接受原子论比化
学家要晚。）这种思想很古老，可以追溯到德谟克利特（Democritus）
及其他古希腊人，但它在19世纪开始时兴的原因很简单：原子的存在能
够解释很多在化学反应中观测到的特征，要不然的话那些解释都会很牵
强。当一个简单概念就能解释大量各式各样的观测现象时，科学家总是
乐见其成的。
今天扮演德谟克利特的原子角色的，是夸克、轻子这样的基本粒
子，但思想仍然是一样的。现代物理学家称为“原子”的，是仍然能被视
为个别化学元素的物质的最小可能单位，比如碳原子、氮原子等。但现
在我们已经知道，这样的原子并非不可再分：原子里有电子在绕着原子
核旋转，原子核由质子和中子构成，而质子和中子又是由夸克的不同组
合得到的。物质的这些基本模块会遵循哪些法则？研究这些法则的学问
常常被叫作“基础”物理，虽说叫“基本”物理可能还要更准确些（也可以
说就显得不那么自吹自擂）。从现在开始，我会用原子表示建立于19世
纪的作为化学元素的这层意思，而不是古希腊人所理解的基本粒子。
物理学的基本定律有一个迷人的特征：尽管它们控制着宇宙中所有
物质的表现，但你仍然并不需要知道这些就能过好这一生。事实上，仅
以你的直接经验为基础，你很难发现这些定律。原因在于，大量粒子的
集合遵循的行为规范清晰可见、独立自主，也并不会依赖于较小的底层
结构。底层规则会被叫作“微观”或仅仅是“基础”，而只适用于大型系统
的独立的规则会被叫作“宏观”或是“涌现”。温度、热量等的表现当然可
以用原子来理解，这就是名叫“统计力学”的领域。但这些现象也可以在
完全不知道何谓原子的情况下得到同样好的理解，这就是我们一直在讨
论的现象学方法，名叫“热力学”。在复杂的宏观系统中，由底层微观法
则动态产生有规律的模式，在物理学中已属司空见惯。基本物理和对表
层现象的研究之间并不存在竞争，尽管有时候会被描述成这个样子；两
种研究都很迷人，也都对我们理解大自然至关重要。
最早倡导原子论的物理学家当中有一位苏格兰人，名叫詹姆斯·克
拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），也是他最终系统阐述了现代电
磁学理论。麦克斯韦跟奥地利的玻尔兹曼一起（也是追随着其他很多人
的脚步），根据所谓的“动力学理论”，用原子的思想解释了气体的表
现。麦克斯韦和玻尔兹曼得以弄清楚，容器中的气体所包含的原子在处
于某个温度时会有确定的速度分布——这个原子可能运动得很快，那个
可能就比较慢了，等等。这些原子自然也会一直撞击容器壁，每次撞击
都会对容器壁施加小小的作用力。这些小小的作用力的累加后果有个名
字，就是气压。这样一来，动力学理论就用简单的法则解释了气体的特
征。
熵与无序
图6 路德维希·玻尔兹曼之墓，位于维也纳中央公墓。刻写在上面的方程（S=k lgW）是玻尔兹
曼关于熵的公式，其中用到了能对系统的微观组分重排而又不改变其宏观表现的方式总数（细
