［序言——物理課程哪一門學得最糊塗？答曰：熱力學。
物理概念哪一個最不清楚？答曰：時間。
如果有人說熱力學和時間是緊密相關的，也許您更迷惑。
“京師物理”公眾號特邀請趙崢老師解讀熱力學四個定律以及它們與時間的緊密關係，本文是最後一篇。］
物理學的發展大大推動了時空觀念的發展，促進了人類對時間和空間的認識。可以說，物理學對哲學功不可沒。然而，近年來，物理學中的時間觀念卻受到哲學家的猛烈批判。最大的指責是“物理學家把時間概念空間化”了，只強調了時間與空間的共性，沒有強調兩者的區別。主要是沒有強調時間的“流逝性”，即“不可逆性”。
這種批評意見對物理學的大多數領域是正確的。包括各種場論、相對論和量子論在內的幾乎物理學的所有領域，都只考慮了時間的均勻性、持續性，沒有考慮時間的流逝性。然而，在熱力學領域，這一批評意見不成立。熱力學第二定律明確指出了時間的方向性、流逝性和不可逆性。正是這條定律，成為了哲學界探討時間流逝性的科學基礎，而且到目前為止，它幾乎是唯一的科學基礎。
物理學有兩個分支非常值得注意，一個是廣義相對論，另一個是熱力學。除廣義相對論以外所有的物理領域（包括熱力學），都把時空看成是平直的背景，不考慮物質運動與時空背景之間的相互作用，只有廣義相對論認為物質與時空背景有相互作用，物質的存在會使時空背景彎曲，彎曲的時空背景又會反過來影響物質的運動。除熱力學之外的所有物理領域（包括相對論），都不考慮時間的流逝性，都認為物理理論在時間反演（或CPT變換）下不變。只有熱力學第二定律顯示出時間箭頭，指出了時間的流逝性和不可逆性。
看來，未來的物理學家應該把“時空彎曲”和“時間箭頭”的概念滲透到本學科的所有領域，形成一個能夠同時反映時間均勻性、持續性和流逝性的統一的物理理論。
除去熱學理論之外，任何物理理論都不考慮研究物件的溫度。這些物理理論，實際上都是絕對零度下的理論。例如牛頓力學、電磁學、量子力學、廣義相對論都是絕對零度下的理論。而且這些理論對於時間都是可逆的，也就是說，把時間過程倒過來，上述理論（除熱學外）仍然成立。可以說，這些理論都取得了巨大的成功，但也都蘊藏著一定的危機。這種危機對於引力理論（廣義相對論）尤為嚴重。
讓我們站在一個新的高度來認識熱與引力的關係。熱和引力是任何物質都有的兩種最普遍的屬性。而且，只有這兩種屬性是任何物質都有的，找不出第三種。
電磁相互作用只出現在帶有電荷、磁荷的物體之間，強作用只出現在強子之間，弱作用也不是任何微觀粒子之間都存在。但是，萬有引力是萬有的、任何物質都有的。熱運動也是萬有的、任何物質都有的。萬有引力不可遮蔽，熱運動也不可遮蔽，所謂的絕熱壁只不過是一種想象的東西。恆星和星系之所以能夠存在，是靠著萬有引力把物質凝聚在一起，又靠著熱運動的排斥作用使物質不至於在引力下無限制地塌縮。熱與引力，是維持恆星和星系生存的一對矛盾，一個起排斥作用，另一個起吸引作用，最後達到一定的平衡。特別值得注意的是，當通常的熱運動停止下來，星體只剩下萬有引力的吸引作用而徹底塌縮時，形成的黑洞居然會有溫度出現。本系列第六篇的討論又表明，萬有引力作用發展到極端而形成的奇點，與違背熱力學第三定律、完全不考慮熱效應有關。可見，熱與引力具有深刻的本質聯絡。不能把引力與電磁力、強力、弱力等同看待，引力不是真正的力，它不僅是時空的彎曲，而且與熱不可分割。因此我們認為，任何不考慮“熱”的引力研究都會碰到不可逾越的困難。廣義相對論中的奇點困難就是其中之一。廣義相對論的場方程本質上是絕對零度的方程。在不考慮熱效應的情況下，得出了奇性定理，導致了嚴重的奇點困難。廣義相對論中的另一個基本困難，引力場量子化的困難，也可能與不考慮“熱”有關。如果討論有限溫度下的引力理論，也許能克服引力場量子化中碰到的困難。
另一方面，狹義相對論的熱力學理論至今存在問題，更不用說廣義相對論的熱力學了。一個勻速運動的物體，與靜止的同種物體相比，其溫度升高、降低還是不變？現在居然有三種答案，而且誰也說服不了誰。實際上，熱學理論至今未能納入相對論的框架。愛因斯坦在1905年之後，碰到了萬有引力定律納不進相對論框架的困難。今天我們碰到了類似的困難，並且也許是更大的困難。
廣義相對論告訴我們，引力與時間有關，上面又談到引力與熱有關，熱與時間有關。我們朦朧地看到一個重要的三角關係（如下圖）。
特別值得注意的是，本系列的討論表明，熱力學的四條定律都與時間的本性有關：第零定律表明時間是可以定義的；第一定律表明時間是均勻的；第二定律表明時間是有方向的，是流逝的；第三定律表明時間是無窮無盡的，既沒有開始，又沒有結束。
時間就像一條既沒有源頭，又沒有終點的河流，向著特定的方向均勻地流逝著，遠看起來，它十分平靜，好像“長溝流月去無聲”。但近看起來，會發現它有量子效應導致的漣漪、浪花、波濤與飛沫。
經過一個世紀的努力，物理學似乎再次處於重大變革的前夜。建立有限溫度的引力理論，搞清楚熱、時間與引力之間的三角關係，很可能是新變革的起點。自然界的秘密是無限的，人類探求知識的能力也是無止境的。我們不禁想起屈原的詩句，“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。
相關文獻
［1］劉遼，趙崢，田貴花，張靖儀。 黑洞與時間的性質。 北京：北京大學出版社 （2008）。
［2］趙崢。 黑洞的熱性質與時空奇異性。 合肥：中國科學技術大學出版社（2016）。
［3］P。L。 Landsberg。 Thermodynamics and Statistical Mechanics。 OxfordUniversity Press （1978）。
作者簡介：趙崢，1967年畢業於中國科技大學物理系，1981年於北京師範大學天文係獲碩士學位，1987年於布魯塞爾自由大學獲博士學位。曾任北京師範大學研究生院副院長、物理系主任、《大學物理》雜誌副主編、中國引力與相對論天體物理學會理事長、中國物理學會理事。現任《大學物理》雜誌主編會顧問，北京師範大學物理系教授，理論物理博士生導師、教育學博士生導師。趙崢教授長期從事理論物理的教學與研究，為本科生和研究生講授過統計物理、量子力學、廣義相對論、黑洞物理學和彎曲時空量子場論等課程。參加和承擔過多項國家自然科學基金專案，在相對論、黑洞物理等領域發表論文100餘篇。1986年、1996年兩次獲國家教委科技進步二等獎，2008年獲湯姆孫—路透科學前沿—中國卓越研究獎﹒2008（ThomsonReuters ResearchFronts Award 2008）。主要著作有《黑洞的熱性質與時空奇異性》、《黑洞與彎曲的時空》、《黑洞與時間的性質》、《廣義相對論基礎》、《物理學與人類文明十六講》、《相對論百問》；《探求上帝的秘密》、《物含妙理總堪尋》、《看不見的星—黑洞與時間之河》、《愛因斯坦與相對論》，其中《探求上帝的秘密》和《黑洞的熱性質與時空奇異性》分獲第11屆和第12屆中國圖書獎。
［本文根據《物理學與人類文明十六講》16。4和16。16改編。］
［本文責任編輯：塗展春；文字編輯：謝曉芝］
附錄“熱力學與時間”系列（1-6超連結）
