摘要：在我们日常经验中，大多数物理事件都沿着单一的时间方向发生。我们看到气球爆裂，却从不见它“未爆裂”；烟雾从火焰中袅袅升起，却从不倒流回火焰；静止的球可以滚下山坡，却从不上坡。这些现象都遵循着“时间的箭头”。物理学家用这个术语来描述我们在宏观现实层面观察到的单向活
心理物理学的新科学能否帮助解决物理学中最深奥的谜团之一：为什么时间似乎只朝一个方向流动？
在我们日常经验中，大多数物理事件都沿着单一的时间方向发生。我们看到气球爆裂，却从不见它“未爆裂”；烟雾从火焰中袅袅升起，却从不倒流回火焰；静止的球可以滚下山坡，却从不上坡。这些现象都遵循着“时间的箭头”。物理学家用这个术语来描述我们在宏观现实层面观察到的单向活动流。在这一层面，物理过程往往涉及众多粒子之间的复杂相互作用。
然而，在这看似显而易见的事件进程背后，隐藏着一个长期困扰物理学家的深刻谜团。当我们考察微观尺度或少量粒子的相互作用时，时间的箭头不再单向流动。描述两个钢球碰撞的物理学并不具备固有的时间方向性；这样的碰撞视频无论是正放还是倒放，看起来都同样合理，而气球爆裂的视频则不然。
基本的物理定律被认为是“时间反转对称”的，这意味着粒子间的任何相互作用——例如两个钢球的碰撞——无论正向还是逆向发生，在理论上都同样有效。这些定律并未解释我们在日常世界中体验到的“时间反转不对称”。目前，这种基本定律与时间箭头单向性之间的矛盾仍未得到解释，或者更准确地说，常规的解释存在问题。
统计学解释方法
对此谜团最常见的解释诉诸热力学第二定律及相关的熵概念。根据这一定律的主流解释，系统倾向于从“有序”状态（熵较低）转变为更“无序”状态（熵较高）。例如，一个装有气体粒子的盒子，若粒子最初排列有序，它们往往会逐渐变得无序。
这种方向性趋势——根据该解释——纯粹是统计效应。拿一副扑克牌这样的多粒子系统来说，随机洗牌后，牌最终呈现无序排列的可能性远远大于有序排列。因此，观察到的系统几乎总是趋向无序状态。
熵常被比喻为一个整洁的卧室不可避免地变得越来越凌乱。因为“无序”状态的可能性远超“有序”状态，前者比后者更可能发生。此外，该解释还假设早期宇宙处于极低熵状态（相对高度“有序”），此后熵不断增加（变得越来越“无序”），从而为时间的箭头提供了统计学解释。
然而，这一解释至少有两个原因令人不满意。首先，它依赖于早期宇宙状态的假设，这些假设无法通过实验验证。其次，它并未触及支配粒子行为的基本物理定律的内在对称性。正如一些人指出的（改编自计算机科学的格言“垃圾进，垃圾出”）：“时间反转对称进，时间反转对称出。”
新的心理物理学框架
《物质的感受》一书中提出了一种完全不同且可能更简单的解释时间箭头的方法。这一心理物理学框架与热力学第二定律及熵增趋势一致，但不依赖于“有序”或“无序”的统计概念，也不依赖于无法验证的早期宇宙状态假设。相反，它将物质沿单一时间方向行为的倾向归因于其内在的心理偏好。
让我们来看看这种解释是如何运作的。
能量与体验
心理物理学框架的核心主张是，所有物质系统在获得能量时会获得一种称为“体验”（Experience，大写 E）的属性。能量是物质的已知属性，我们通过观察其外在行为来测量。而新定义的“体验”属性仅存在于物质的内在视角。我们无法直接观察系统的体验，但可以根据其能量的外在观察推断其存在及其量。
在这一框架中，体验与能量被视为物质的平行或互补属性——一个是心理的，一个是物理的——两者在量上等价，并随时间同步变化，如下图所示。
需要注意的是，该模型如图所示是时间反转对称的。无论时间箭头的方向如何逆转，系统的演化方式没有差异，因此该模型符合所有基本物理过程的时间反转对称性。
内在的不对称性
但心理物理学框架不仅限于此。它还提出物质系统体验随时间变化的内在不对称性。根据该框架，当系统获得能量（从而获得体验）时，会被推离其平衡状态，如上图所示。框架认为，从心理视角看，物质更喜欢处于平衡状态，而不喜欢因能量流入（从物理视角看）而被扰动。
反过来，当系统失去能量（从而失去体验）并回归平衡时，从心理视角看，它更倾向于这样做。因此，系统对能量变化的反应具有内在偏好，倾向于能量损失，而不利于能量增加。
在心理物理学框架中，系统获得体验（净能量流为正）的属性称为“困扰”（Distress），而失去体验（净能量流为负）的属性称为“缓解”（Relief）。当系统完全没有体验（能量为零）时，称为“安宁”（Repose）。
这些心理属性——困扰、缓解和安宁——不仅是量化的，还具有质的差异，从系统的视角看，每种属性的感受是不同的。
这些新定义的心理物理属性的关系如下图所示。体验波的粉色阶段代表系统的困扰，蓝色阶段代表其缓解。
该模型显然不是时间反转对称的。虽然图表的能量维度无论时间箭头指向左或右都无区别，但体验维度包含困扰和缓解的不同阶段，二者不可互换。从系统视角看，它们在量和质上都是不同的。
方向偏好
《物质的感受》中提出的心理物理学框架的基石之一是物质行为的动机，即它寻求最小化困扰并最大化缓解。用能量术语来说，这意味着物质总是寻求在给定条件下尽可能的最低能量状态，这与物理学中已确立的原则一致。
我们可以在日常世界的简单系统中看到这种动机的体现，例如弹簧抗拒被拉伸或压缩，倾向于回到松弛状态；或者球在自身作用下滚下山坡，却从不自发上坡。传统物理学只考虑被研究的系统的外在视角及其受力驱动的行为。而《物质的感受》中提出的框架还允许我们研究物质的内在视角及其心理动机。
因此，当我们分析一个发生运动变化的系统时，可以计算其困扰或缓解的相应变化，并根据上述偏好和动机预测其行为。对于简单系统，如弹簧和球，这一过程较为直接。而对于复杂多粒子系统，如气体或化学试剂，计算所有粒子及其相互作用的心理物理属性则几乎不可能。
新的心理物理热力学：心理动力学
传统上，研究气体和化学反应等复杂系统的能量活动采用热力学方法。像所有物理学分支一样，热力学迄今仅关注物质系统的外在视角。本文介绍的心理物理学方法自然延伸至研究更复杂系统的心理，称之为“心理动力学”。
若将心理动力学应用于研究盒中气体的扩散行为（传统热力学预测气体随时间扩散至整个盒子），我们会将每个粒子的变化及整个系统的变化归因于系统的心理物理偏好。我们预测，系统因所有粒子的综合动机，会以最小化困扰、最大化缓解的方式行动。这种内在心理活动在外在表现为粒子的更“无序”排列。
数学建模与实验预测
尽管心理物理学框架可能对许多人来说高度推测（有些人甚至可能认为它极其怪异），但它有三个优点值得我们认真对待。
首先，与热力学一样，心理动力学可以被严格且精确地数学化。其次，它可以使用传统技术和工具进行实验验证，如《物质的感受》中所述。最后，它提出了新颖且可验证的预测，关于系统按照心理物理原则行为时我们应观察到的现象。例如，与经典热力学建模相比，心理动力学建模的系统行为应存在细微差异。
心理物理学框架及其提出的心理动力学领域并非旨在取代传统物理学方法，而是丰富和扩展它们。通过为现实的物理维度增加可量化的心理维度，我们有望获得更大的解释力，尤其是在理解自然界中“心智”的位置方面。
心理物理的时间箭头
总之，这里提出的时间箭头解释与标准热力学解释并不冲突，但可能提供对自然界最基本运作方式的更深层、更令人满意的理解。我们无需依赖纯统计效应（这无法消除物理定律的时间对称性与日常经验的矛盾），而是诉诸物质的内在属性，使系统以一种方式而非另一种方式演化。《物质的感受》中深入讨论的心理物理学框架的因果面向，是这一新方法潜在解释力的核心所在。
来源：老胡科学一点号