我们需要有一条自然定律禁止对因果性的破坏。然而，这是一条什么定律却众说纷纭。自然界的基本定律不会太多，这条我们希望存在的定律很可能是一条我们已知的定律。它很可能就是热力学第二定律。这条定律指出时间有一个流逝的方向，只能从过去流向未来，绝不可能从未来返回过去。在讨论黑洞的面积定理和信息疑难的时候，我们都曾谈到这一定律。
在学术上，热力学第二定律有几个等价的表述：①热量只能自发地从高温物体流向低温物体；不可能从低温物体流向高温物体而不引起其他变化。②不能从单一热源吸热，把热量全部转化为功，而不产生其他影响。
热力学第一定律保证了一个守恒的、重要的物理量——能量的存在。它指出能量可以从一种形式转变为另一种形式（例如从机械能转换成热能、电能、光能等），但其总量保持不变。所以这一定律又叫做“能量守恒与转换定律”。
研究发现，热力学第二定律保证了另一个重要的物理量——熵的存在。但熵与能量不同，熵不是守恒量，熵是“混乱度”的量度。在自然界中，熵只能增加，不能减少。正是熵的增加，体现了时间的流逝。
热力学定律的重要之处在于它们是普适的，适用于力学、电磁学、光学、原子物理、核物理等所有物理过程，也适用于化学、生物学等所有自然科学领域。这是其他学科和理论都望尘莫及的。电磁理论只适用于电磁领域，力学理论只适用于力学领域这些理论，都是各自独立、互不约束的，但热力学却渗透到所有这些领域中。
热力学定律如此重要，应用如此广泛，但它们的提出却历尽辛酸。
热力学第一定律的发现者一共有3个人：迈尔、焦耳和赫姆霍兹。
迈尔是德国的生物学家。他提出了能量的概念，并指出能量可以从一种形式转换为另一种形式，但总量守恒。他把论文投给一个物理杂志，但由于他的思想非常新颖，而他又不是物理专业出身，论文中的语言名词并非物理专业所用，因此杂志社没有人能看懂，也就无法发表。于是他转而求助于一家生物学杂志，他的一个朋友在这家杂志社当编辑。他说服朋友刊登了他的文章。但当他又写了第2篇文章再次请朋友帮忙的时候，朋友告诉他，由于刊登他的文章，自己遭到许多生物学家的指责，他实在无法再帮忙了。后来，迈尔的弟弟因搞革命活动被捕，两个儿子夭折，自己的成果又无人理解。在悲痛与失望的情绪下，他跳楼自杀，摔断了双腿。人们认为他有精神病，把他送进了精神病院。不过若干年后，迈尔的伟大成就终于被世人认可了。
焦耳是英国人，他是一个啤酒厂厂主的儿子，自己后来也继承父业，成为了啤酒厂的老板。不过他的主要兴趣不在啤酒生意，而在物理学上。他在对物理现象，特别是电和热的研究中，独立地发现了热力学第一定律。但由于他非物理专业出身，论文没能得到物理学家的支持，只好把文章刊登在小报上。幸运的是物理学家开尔文看到了他的文章，觉得很有意思，并拜访了焦耳。开尔文认识到焦耳的工作非常有创新性，非常重要，于是向物理界推荐了焦耳的工作。焦耳终于被允许参加了一次物理研讨会，开尔文对焦耳的工作作了解释说明，大家才终于接受了焦耳的重大发现。
赫姆霍兹也是德国人，他是物理学家，他的论文对第一定律作了最清楚的表述。
热力学第二定律的发现者有2位，他们是法国的卡诺和德国的克劳修斯。
卡诺生活在法国大革命时期，当时能量概念尚未提出，流行的热学理论是“热质说”，认为热机就像被水推动的水轮机一样，被从高温热源流向低温热源的热质所推动。卡诺用错误的热质说证明了他的著名定理——卡诺定理。这一定理，其实也是热力学第二定律的一种表述。但卡诺非常不幸，在他36岁那一年，患了猩红热、脑膜炎、霍乱，不治身亡。他死后，由于怕传染，家中把他的所有遗物，包括笔记、论文手稿全部烧毁。幸运的是，他的一个笔记本被遗忘在阁楼上，而于40年后被他的弟弟发现。从这本笔记中可以看到，卡诺当时已对热质说产生了怀疑，他已经认识到热可能是能量。
图1 热质说：热机与水轮机的对比
年，克劳修斯提出了第二定律的标准说法，即“热量只能自发地从高温物体流向低温物体，而不能自发地从低温物体流向高温物体”。实际上，开尔文也几乎与此同时发现了第二定律，他的表述形式是“不能从单一热源吸热做功，而不对外界产生影响”。开尔文的表述发表在年。开尔文对热学的贡献很多，包括提出绝对温标，预见到可能有热力学第三定律的存在。开尔文是一位品德高尚、才华横溢的谦虚学者，从不与人争夺名利，并乐于提携帮助别人，他推荐过焦耳，后来还推荐过皮埃尔·居里。
热力学第三定律说“不可能用任何操作使系统的温度降到绝对零度”。实际上就是说“绝对零度不可能达到”。提出这条定律的只有1个人，那就是德国的能斯特。
有趣的是，能斯特最初是从热力学第二定律推出上述结论的。在能斯特作报告时，年轻的爱因斯坦指出，他的结论是正确的，但推导有问题。爱因斯坦认为，能斯特的结论是一条独立的热力学基本定律，不可能从第二定律推出。能斯特起初还不服气，后来终于弄清楚了自己的发现的重大意义。
之前我们曾谈到过的奇点定理断言，在广义相对论成立的任何一个物理时空中，只要因果性在其中成立，而且有一点物质存在，那么在其中就一定存在时间有开始或结束的过程。笔者花了很多时间思考这个问题，并很快注意到黑洞理论中的一个情况：凡是奇点存在的场合，都会伴随温度发散或达到绝对零度的情况出现。实际的物理系统，温度不可能达到无穷大，绝对零度又是热力学第三定律所禁止的。于是笔者提出一个大胆的猜想：热力学第三定律会禁止奇点存在，也就是说，第三定律会禁止时间有开始和结束。
有人开玩笑说，热力学第一定律的发现者有3个人，第二定律的发现者有2个人，第三定律的发现者只有1个人。按此规律，不应该有热力学第四定律存在，因为第四定律的发现者人数应该是0。不过，热力学虽然没有第四定律，却有一个第零定律。该定律说“热平衡是可以传递的”，也就是说，“如果系统A与B达到热平衡，B与C也达到热平衡，那么A与C就一定达到了热平衡”。
人们逐渐认识到“热平衡具有传递性”应该是一条基本定律，但这是在第一定律和第二定律确立之后。由于没有这条新定律，就不能定义热学中最重要的概念——温度，所以这条定律不仅重要，而且从逻辑上看应该排在第一定律和第二定律之前，因此，人们只好称它为热力学第零定律。
爱因斯坦在他开创相对论的第1篇论文中曾经讨论过，在同一参考系中位于不同地点的钟如何校准的问题。他提出一条公理：A点的钟如果与B点的钟校准，B点的钟再与C点的钟校准，那么A、C两点的钟就自然校准了。也就是说，他假定“同时”这个概念具有传递性。后来，前苏联物理学家朗道指出，这条看似当然成立的“公理”，其实不一定在任何参考系中都成立。他指出：只有在时轴正交系，也就是说时间轴和三条空间轴都垂直的参考系中才成立。在非时轴正交系中，“同时”不具有传递性。例如转动的圆盘，时间轴就与空间轴不都垂直，因此“同时”不具有传递性。在转盘上不能定义统一的时刻。
从上述讨论可以看出，广义相对论中的信息疑难、虫洞疑难和奇点疑难，都把我们对时空的研究引向了热力学。看来，“热”与“时间”之间很可能存在我们尚不清楚的深刻的本质联系。物理学研究早就指出，能量守恒，也就是热力学第一定律可以保证时间流逝的均匀性；热力学第二定律指出了时间的方向性和流逝性。我们这里谈到的探索又表明，热力学第三定律似乎能够保证时间没有开始和结束；第零定律则可以保证空间各点存在流逝速率相同的时间。
这是一个令人感兴趣的领域，有待人们进一步探索。■
本文节选自上海教育出版社出版的《爱因斯坦与相对论——写在广义相对论创建周年之际》，有删改。