物理学界未解决的难题：本质上 物理学是如何解释时间的可逆的

物理学界未解决的难题：本质上 物理学是如何解释时间的可逆的随着工业革命的不断深入，人们继续提高蒸汽机的性能。萨迪·卡诺对蒸汽机的效率进行了系统的研究。1824年，他出版了《火的原动力》。在这篇论文中，他得出结论，热机的理论效率只与热源的温度和散热器有关。19世纪初，工业革命开始了。工厂用煤发电。当时主流的观点认为热是一种流体，称为热量。就像气态流体从高压流向低压一样，热量只从高温流向低温。就像水和空气一样，热量的流动可以被用来做功。牛顿力学决定论是经典力学的推论。将牛顿力学定律应用于精确定义的初始物理状态，就决定了所有未来的状态。牛顿力学是一种基于动量和力的经验模型。牛顿力学并没有暗示时间的可逆性。机械能也只是在理想情况下守恒（忽略摩擦力）。在牛顿力学中，时间只有一个方向，由机械能的摩擦耗散和势能的损失来定义。卡诺定理和热力学第二定律

接上一篇文章：对物理学的重新思考，建立时间之箭的现实

一滴墨水在水中散开，它永远不会自发凝聚成一滴墨水；热量从热流向冷，不会自动从冷流向热；因产生果，不会倒过来。这些都是经验观察，说明了时间之箭的顺序（方向）。

经典物理学建立在经验观察的基础上，但它认为物理过程是可逆的，并且是确定的。相对论将宇宙描述为四维时空中的一个静态块。当我们在每一个新的“现在”中遇到一个新的3D“切片”时，我们就会感知到变化，但就像电影的帧一样。经典物理学描述了一个世界，在这个世界里，过去永远不会消失，未来已经确定，而这两者都是同样真实的。宇宙只是存在，在时空中不变，过去、现在和未来之间没有根本的区别。

那么，物理学是如何解释时间的可逆性的？这是与我们的经验直觉是相悖的。

牛顿力学

决定论是经典力学的推论。将牛顿力学定律应用于精确定义的初始物理状态，就决定了所有未来的状态。牛顿力学是一种基于动量和力的经验模型。牛顿力学并没有暗示时间的可逆性。机械能也只是在理想情况下守恒（忽略摩擦力）。在牛顿力学中，时间只有一个方向，由机械能的摩擦耗散和势能的损失来定义。

卡诺定理和热力学第二定律

19世纪初，工业革命开始了。工厂用煤发电。当时主流的观点认为热是一种流体，称为热量。就像气态流体从高压流向低压一样，热量只从高温流向低温。就像水和空气一样，热量的流动可以被用来做功。

随着工业革命的不断深入，人们继续提高蒸汽机的性能。萨迪·卡诺对蒸汽机的效率进行了系统的研究。1824年，他出版了《火的原动力》。在这篇论文中，他得出结论，热机的理论效率只与热源的温度和散热器有关。

卡诺认识到，在蒸汽机中，摩擦和不可逆的热泄漏导致效率降低。在不了解热的性质的情况下，卡诺描述了不可逆耗散过程中“功势（work potential）”的损失。这是后来被称为热力学第二定律的基本思想。第二定律通过“功势”的不可逆耗散来定义时间的热力学箭头。

哈密顿经典力学

1832年，威廉·罗文·哈密顿重新表述了经典力学。他把系统分解成点粒子，这些点粒子有质量，但没有内能。哈密顿将热解释为系统中粒子的机械能。焦耳后来通过一系列实验证实了热能和机械能的等价性。1850年，鲁道夫·克劳修斯发表了热力学第一定律，正式确立了总能量守恒，其中包括机械能和热量。

哈密顿力学认为热是微观的机械能，因此热力学第一定律是指机械能守恒。由于没有功势的耗散，任何过程都可以在不增加功的情况下逆转。这就是热力学可逆性的定义。哈密顿力学将热力学可逆性确立为物理学的基本性质。这使得热力学第二定律成为观测的经验定律，而不是基本的物理定律。

经典统计力学

热力学的不可逆性对哈密顿力学的可逆性提出了挑战。哈密顿力学不承认环境热的耗散是基本的物理性质。物理学根据熵的增加而不是耗散重新定义了第二定律。

路德维希·玻尔兹曼试图通过将熵定义为“无序性”来调和热力学和哈密顿力学。他用“微观状态”的数量来定义无序。微观状态精确地描述了系统的底层物理状态。他把熵的增加描述为最初大量的有序粒子的分散和变得无序的统计趋势。