除了前面講的那些描述世界基本構(gòu)成的重要理論之外，物理學(xué)另有一座與眾不同的偉大城堡，它提出了一個(gè)讓人始料不及的問題，那就是：“什么是熱？”
直至19世紀(jì)中葉，物理學(xué)家們還認(rèn)為熱是一種流體，叫作“熱質(zhì)”，或者是兩種流體，一冷一熱，這種想法后來被證明是錯(cuò)誤的。最終，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋和奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）發(fā)現(xiàn)了熱的本質(zhì)。他們的發(fā)現(xiàn)美麗、奇異而又深刻，帶領(lǐng)我們進(jìn)入了一個(gè)人類至今仍知之甚少的領(lǐng)域。
他們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)熱的物質(zhì)并不會(huì)包含熱質(zhì)，它發(fā)熱僅僅是因?yàn)槠渲械脑舆\(yùn)動(dòng)速度更快。原子和原子團(tuán)組成的分子處在不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中，它們快速移動(dòng)、振動(dòng)、跳躍……冷空氣之所以冷是因?yàn)榭諝庵械脑?，更確切地說是分子，跑得比較慢；熱空氣之所以熱是因?yàn)榭諝庵械姆肿优艿帽容^快。這個(gè)解釋簡(jiǎn)潔而美妙，但故事還沒完。
我們知道，熱量總是從熱的物體跑到冷的物體上。一個(gè)冷茶匙放到一杯熱茶里會(huì)逐漸變熱；在天寒地凍的環(huán)境里，如果穿得不夠暖和，我們的身體會(huì)很快丟失熱量，感到寒冷。為什么熱量會(huì)從熱的物體跑到冷的物體上，而不是反過來呢？
這是一個(gè)關(guān)鍵的問題，因?yàn)樗P(guān)系到時(shí)間的本質(zhì)。在所有不發(fā)生熱交換，或熱交換可以忽略不計(jì)的情況下，我們看到的未來和過去是一模一樣的。例如，對(duì)于太陽系行星的運(yùn)轉(zhuǎn)而言，熱量幾乎是無關(guān)緊要的，所以行星即使逆向運(yùn)轉(zhuǎn)，也不會(huì)違反任何物理規(guī)律。可是一旦有熱量存在，未來就和過去不同了。舉個(gè)例子，如果沒有摩擦，鐘擺可以永遠(yuǎn)擺動(dòng)下去。如果我們把這個(gè)擺動(dòng)過程錄下來，倒著播放，也不會(huì)覺得有任何問題。但是，如果存在摩擦，鐘擺微微加熱了底座，損失了能量，運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)減慢。這就是摩擦生熱，這時(shí)我們立刻就能分辨未來（鐘擺變慢的方向）和過去。我們從來沒有看到過一個(gè)鐘擺吸收了底座的熱量，從靜止突然開始擺動(dòng)。
只有存在熱量的時(shí)候，過去和未來才有區(qū)別。能將過去和未來區(qū)分開來的基本現(xiàn)象就是熱量總是從熱的物體跑到冷的物體上。
那么，為什么熱量會(huì)從熱的物體跑到冷的物體上，而不是相反呢？
玻爾茲曼發(fā)現(xiàn)其中的原因驚人地簡(jiǎn)單：這完全是隨機(jī)的。玻爾茲曼的解釋非常精妙，用到了概率的概念。熱量從熱的物體跑到冷的物體上并非遵循什么絕對(duì)的定律，只是這種情況發(fā)生的概率比較大而已。原因在于：從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度看，一個(gè)快速運(yùn)動(dòng)的熱物體的原子更有可能撞上一個(gè)冷物體的原子，傳遞給它一部分能量；而相反過程發(fā)生的概率則很小。在碰撞的過程中能量是守恒的，但當(dāng)發(fā)生大量偶然碰撞時(shí)，能量?jī)A向于平均分布。就這樣，相互接觸的物體溫度會(huì)趨向于相同。熱的物體和冷的物體接觸后溫度不降反升的情況并非完全不可能，只是概率小得可憐罷了。
將“概率”引入物理學(xué)的核心，直接用它來解釋熱動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，這一做法起初被認(rèn)為荒謬至極，所以沒人把玻爾茲曼當(dāng)回事。這樣的事在歷史上屢見不鮮。1906年9月5日，玻爾茲曼于的里雅斯特（Trieste）的杜伊諾鎮(zhèn)（Duino）附近自縊而亡，他沒有等到自己的理論被全世界認(rèn)可的那一天。
那么概率后來是如何進(jìn)入物理學(xué)核心位置的呢？在第二課，我提到過，量子力學(xué)認(rèn)為，微觀世界的粒子運(yùn)動(dòng)都是隨機(jī)的。這里也引入了概率。但是，玻爾茲曼提出的和熱有關(guān)的概率另有淵源，和量子力學(xué)沒有關(guān)系。
在某種程度上，將概率引入熱力學(xué)是由于我們的“無知”。我不確定某件事是否會(huì)發(fā)生，但我可以分配給它或高或低的概率。例如，我不知道馬賽這里明天會(huì)下雨、天晴，還是會(huì)下雪，但我知道馬賽8月下雪的概率很低。同樣，對(duì)于絕大多數(shù)物體，我們都只是略知一二，并非完全了解，所以只能基于概率做出預(yù)測(cè)。比如一個(gè)充滿氣的氣球，我可以測(cè)量它的形狀、體積、壓力、溫度……但是氣球中的空氣分子正在快速運(yùn)動(dòng)，而我不知道其中每一個(gè)分子的確切位置，所以無法對(duì)氣球接下來的運(yùn)動(dòng)做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。比方說，如果我解開氣球口上的結(jié)，然后放手，氣球就會(huì)一邊噗噗地泄氣一邊四處亂撞，我完全無法預(yù)見它的飛行方向，因?yàn)槲抑恢浪男螤?、體積、壓力、溫度。氣球四處亂撞取決于它內(nèi)部分子的分布情況，而我對(duì)此卻不得而知。
但即使不能精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)所有事，我還是可以預(yù)測(cè)這種情況或者那種情況發(fā)生的概率。比如，氣球從我的手上飛走，飛出窗外，繞著遠(yuǎn)處的燈塔轉(zhuǎn)一圈又飛回來落在我手上的概率就非常小。有些情況發(fā)生的可能性會(huì)大些，而有些情況則幾乎不可能發(fā)生。同樣，當(dāng)分子發(fā)生碰撞時(shí)，熱量從熱的物體傳遞到冷的物體上的概率是可以計(jì)算的，結(jié)果顯示，這個(gè)概率比熱量從冷的物體傳遞到熱的物體的概率要大得多。
物理學(xué)中研究上述內(nèi)容的分支叫統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，它的成果之一就是從玻爾茲 曼開始研究的熱量和溫度的概率特性，也就是熱力學(xué)。
我們的“無知”暗含著世界運(yùn)行方式的某些線索，這乍看很不合理。冷的茶匙在熱茶里面會(huì)變熱，氣球放氣的時(shí)候就會(huì)四處亂飛，與我知道與否毫無關(guān)系。支配世界的物理原理和我們知不知道有什么關(guān)系呢？這個(gè)問題理直氣壯，答案卻很微妙。
茶匙和氣球的運(yùn)動(dòng)遵從物理規(guī)律，具有必然性，與我們知道與否毫不相干；它們行為的可預(yù)測(cè)性或不可預(yù)測(cè)性，與它們的具體狀態(tài)無關(guān)，只與它們和我們相互作用的那一部分屬性（如溫度、壓力）有關(guān)。具體是哪些屬性，取決于我們與茶匙、氣球相互作用的方式。因此，概率同物體自身的演化無關(guān)，只與物體跟我們相互作用的特定屬性的變化有關(guān)。這又一次表明，我們用以組織這個(gè)世界的概念之間有著深刻的關(guān)聯(lián)。
冰涼的茶匙在熱茶里面變熱，因?yàn)樵跓o數(shù)個(gè)可以標(biāo)示茶匙和茶的微觀狀態(tài)的變量中，它們只通過有限的變量與我們發(fā)生相互作用。這些變量的值雖然不足以準(zhǔn)確推斷未來（例如氣球的運(yùn)動(dòng)軌跡），但是對(duì)于預(yù)測(cè)茶匙變熱綽綽有余。
希望在這番細(xì)碎的講解之后，諸位讀者還有興趣聽我說話……
在20世紀(jì)的進(jìn)程中，熱力學(xué)（研究熱的科學(xué)）和統(tǒng)計(jì)力學(xué)（研究各種運(yùn)動(dòng)的概率的科學(xué)）都延伸到了電磁場(chǎng)和量子現(xiàn)象的領(lǐng)域。
不過，當(dāng)把它們延伸到引力場(chǎng)時(shí)，卻出現(xiàn)了問題。溫度升高時(shí)，引力場(chǎng)會(huì)如何變化，仍是一個(gè)未解的難題。我們知道電磁場(chǎng)加熱后會(huì)發(fā)生什么：比如在用烤箱時(shí)，餡餅會(huì)被熱的電磁輻射加熱，我們知道怎樣描述它——電磁波會(huì)振動(dòng)，隨機(jī)分配能量。我們可以把電磁波想象成由光子組成的氣體，這些光子像熱氣球里面的分子一樣運(yùn)動(dòng)。但是熱引力場(chǎng)是什么？我們?cè)诘谝徽n說到過，引力場(chǎng)就是空間本身，或者說是時(shí)空，因此，當(dāng)熱量在引力場(chǎng)擴(kuò)散開來的時(shí)候，空間和時(shí)間也應(yīng)該發(fā)生振動(dòng)……但是我們還不知道如何描述它，我們還沒有發(fā)現(xiàn)可以描述熱時(shí)空的熱振動(dòng)的方程。
這些問題把我們引向時(shí)間問題的核心：時(shí)間的流動(dòng)究竟是什么？
經(jīng)典物理學(xué)中已經(jīng)提到了這個(gè)問題，19、20世紀(jì)的哲學(xué)家十分重視它，但在現(xiàn)代物理學(xué)中，這個(gè)問題變得更加棘手。物理學(xué)通過公式來描述世界，告訴我們物體是如何隨“時(shí)間”而變化的。但是，我們也可以用另一些公式解釋物體如何隨“位置”的改變而變化，或者，燴飯的口味如何隨“黃油的用量”而變化。時(shí)間看起來是在“流動(dòng)”，但是黃油的量和空間中的位置不會(huì)“流動(dòng)”。那么區(qū)別在哪里？
或者我們可以問問自己：什么是“現(xiàn)在”？我們說存在的事物是“現(xiàn)在”的事物：過去不再存在了，未來還不存在。但是，在物理學(xué)中，沒有東西對(duì)應(yīng)“現(xiàn)在”這個(gè)概念。對(duì)比一下“此刻”和“此處”?！按颂帯笔侵刚f話人所在的位置：如果有兩個(gè)不同的人，“此處”就是指兩個(gè)不一樣的地方。因此，“此處”的意思取決于說話的地點(diǎn)，用術(shù)語表達(dá)就叫作指示性?！按丝獭敝刚f話的這一瞬間，也具有指示性。沒有人會(huì)說“此處”的東西是存在的，不在“此處”的東西就不存在。那么，為什么我們可以說“此刻”的東西是存在的，不在“此刻”的東西就不存在呢？究竟“此刻”是客觀的，它的“流動(dòng)”讓物體一個(gè)接著一個(gè)地“存在”，還是，它和“此處”一樣，是主觀的？
這似乎是個(gè)深?yuàn)W的腦力題，但解決這個(gè)問題卻是現(xiàn)代物理學(xué)的當(dāng)務(wù)之急，因?yàn)楠M義相對(duì)論告訴我們“現(xiàn)在”的概念也是主觀的。物理學(xué)家們和哲學(xué)家們得出結(jié)論：全宇宙共有同一個(gè)“現(xiàn)在”的觀念是種幻覺，時(shí)間在宇宙中同步“流逝”這種概括也是行不通的。愛因斯坦在他的意大利好友米凱萊·貝索（Michele Besso）去世后給他的妹妹寫了一封感人至深的信：“米凱萊從這個(gè)奇怪的世界離開了，比我先走一步，但這沒什么。像我們這樣相信物理的人都知道，過去、現(xiàn)在和未來之間的分別只不過是持久而頑固的幻覺?！?br> 不管是不是幻覺，如何解釋對(duì)我們而言時(shí)間在“流逝”、“流動(dòng)”和“過去”呢？時(shí)間的流逝對(duì)我們每個(gè)人來說都是顯而易見的：我們想的事情、說的話都存在于時(shí)間中，就連語言本身的結(jié)構(gòu)都離不開時(shí)間——一件事情“正在”、“已經(jīng)”或者“將要”發(fā)生。我們可以想象一個(gè)沒有顏色、沒有物質(zhì)，甚至沒有空間的世界，卻很難想象一個(gè)沒有時(shí)間的世界。德國(guó)哲學(xué)家海德格爾（Martin Heidegger）強(qiáng)調(diào)，我們“棲居于時(shí)間之中”。會(huì)不會(huì)海德格爾視為根本的時(shí)間流逝這一特征，根本不存在？
一些哲學(xué)家，其中不乏海德格爾忠實(shí)的追隨者，認(rèn)定物理沒有能力描述現(xiàn)實(shí)最根本的面向，甚至斥之為誤導(dǎo)人的知識(shí)。但是歷史已經(jīng)多次證明，我們的直覺是不準(zhǔn)確的。如果被困在直覺中，我們還想著地球是平的，太陽繞著地球轉(zhuǎn)呢。直覺建立在我們有限的經(jīng)驗(yàn)之上。當(dāng)我們能夠看得更遠(yuǎn)時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)世界并不是原先看上去那樣：地球是圓的，開普敦的人是頭朝下、腳在上的。相信直覺而罔顧科學(xué)家們理性、嚴(yán)謹(jǐn)、智慧的集體驗(yàn)證，是不明智的。這就像那種老頭子的偏見：他不相信外面的大千世界跟自己住的小村莊有什么差別，不相信那里生活著他從未見過的人。
那么，時(shí)間流逝這個(gè)鮮活的經(jīng)驗(yàn)從何而來？
我認(rèn)為答案就在熱量和時(shí)間的緊密聯(lián)系中：只有當(dāng)熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，才有過去和未來的區(qū)別。熱量與概率相關(guān)，而概率又決定了：我們和周圍世界的互動(dòng)無法追究到微小的細(xì)節(jié)。
這樣一來，“時(shí)間的流逝”便在物理學(xué)中出現(xiàn)了，但并不是在精確地描述物體的真實(shí)狀況時(shí)，而是更多地出現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)與熱力學(xué)中。這可能就是揭開時(shí)間之謎的鑰匙?！按丝獭辈⒉槐取按颂帯备涌陀^，但是世界內(nèi)部微觀的相互作用促使某系統(tǒng)（比如我們自己）內(nèi)部出現(xiàn)了時(shí)間性的現(xiàn)象，這個(gè)系統(tǒng)只通過無數(shù)變量相互作用。
我們的記憶和意識(shí)都建立在這些概率性的現(xiàn)象之上。假如存在一種超感覺的生物，那么對(duì)它來說，就不存在時(shí)間的“流逝”，宇宙會(huì)是沒有過去、現(xiàn)在、未來之分的一整塊。但是，由于我們意識(shí)的局限性，我們只能看到一幅模糊的世界圖景，并棲居于時(shí)間之中。請(qǐng)容許我引用本書編輯的一句話：“看不清的比看得清的更廣闊?！闭沁@種對(duì)世界的模糊觀察孕育了我們時(shí)光流逝的觀念。
這就把一切說清楚了嗎？并沒有，還有好多問題有待解決。在引力、量子力學(xué)和熱力學(xué)三者的交叉地帶，許多問題糾纏在一起，而時(shí)間就位于這團(tuán)亂麻的中心。我們還在黑暗中摸索。我們也許已經(jīng)開始理解量子引力了，但它也只結(jié)合了三塊拼圖中的兩塊。我們還沒有找到一個(gè)理論，把我們對(duì)世界的這三塊基本理解拼到一起。
英國(guó)著名物理學(xué)家史蒂芬·霍金完成的一個(gè)計(jì)算給解決這個(gè)問題提供了一條線索。他身患重疾，只能縮在輪椅上，并借助輔助儀器說話，但仍在物理學(xué)研究上成就卓著。
霍金利用量子力學(xué)成功地證明了黑洞總是“熱的”，像火爐一樣放熱。這是關(guān)于“熱空間”性質(zhì)的第一個(gè)具體跡象。從來沒有人觀測(cè)到這種熱，因?yàn)樵谖覀冇^測(cè)到的真實(shí)的黑洞中，這種熱非常微弱。但是霍金的計(jì)算令人信服，在各種場(chǎng)合被人們引用，黑洞的熱也被普遍認(rèn)為是真實(shí)存在的。
黑洞的熱是發(fā)生在黑洞這種物體上的量子效應(yīng)，而黑洞本質(zhì)上是引力性的。一個(gè)個(gè)空間量子，空間的基本顆粒，即那些振動(dòng)的“分子”加熱了黑洞表面，使黑洞放熱。這個(gè)現(xiàn)象同時(shí)涉及問題的三個(gè)方面：量子力學(xué)、廣義相對(duì)論和熱力學(xué)。
黑洞的熱如同物理學(xué)中的羅塞塔石碑，它用量子、引力和熱力學(xué)三種語言寫就，仍在等待解讀，以告訴我們時(shí)間的本質(zhì)。