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标  题: 论时空本性
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月29日16:06:36 星期五), 站内信件

论时空本性
作者：贾敬年 （ximenren@sina.com ）
关键词：空间 时间 能量[1] 熵 耗散系统宇宙模型
文摘：作者在分析大爆炸及稳态宇宙模型的基础上提出耗散系统宇宙模型，该模型认为
宇宙能量（或物质）并不守恒，而是存在动态的耗散。宇宙中不断有新的能量（或物质
）加入，同时又有一些能量（或物质）被耗散。宇宙产生、演化是由宇宙总能变化率决
定的。时空是物质系统的能量变化率决定的，因而不存在绝对的、普遍的、可逆对称的
时空。绝对时空是简单的物理系统的实用方便的假设。时空存在箭头，也就是过去是固
定的，未来是开放的不确定的，因此任何形式的决定论[2]都是错误的。
时间和空间无论在哲学、物理学和人们日常生活中都是很重要的概念之一。因实践的局
限，人们对时间和空间的认识仍有一些不协调甚至矛盾的观念。以时间尤为明显，如动
力学中运动的时间是对称的可逆的；热力学中时间是不可逆性的，存在时间之箭；历史
、生物学及社会学的时间也是不可逆的，然涉及主观因素往往被怀疑是人类的幻觉。空
间，随人类认识的进步，经古代朴素的空间到牛顿的绝对空间和爱因斯坦的相对论空间
，每一进步都是一质的飞跃。相对论将空间与空间化的时间统一描述为四维连续体。因
此相对论时空观使时间更直观地显现其对称及可逆的性质。尽管相对论是伟大的理论，
但也因绝对时空导致很多佯谬如双生子佯谬和新生儿自谋杀佯谬。再加上相对论自身不
足的“奇点”、相对论与量子力学之间的不协调性以及量子力学本身引起的问题如测量
问题，使得大多数理论物理学家意识到相对论及量子力学均不完备，现任牛津大学罗斯
。玻勒数学教授的罗杰。彭罗斯就是最有影响力的怀疑者。尽管如此，怀疑者们只是在
寻找某种数学技巧如量子引力理论来试图抹平相对论与量子力学之间的不协调，而并没
有怀疑动力学中的最基本的时空概念。事实上，正是时空概念的局限使得上述矛盾不可
调和。
现代物理学最大的长处是首先假设一前提如时空结构，然后在这前提（时空结构）之中
考察物体的运动或事件，而对系统结构的产生、稳定、演化缺乏适当的描述。宇宙是系
统结构的宇宙，如果仅仅从现有物理学的某一或组定律如相对论或量子力学或大统一论
或量子引力理论，就能推导出宇宙之所以为宇宙，那么物理学这些定律就能推导出人之
所以为人的规律，因为人体也是系统结构的。这两系统结构存在类似的规律，但这种规
律决不是现有的物理学规律。所以如果从物理学定律推导宇宙的结构，那么这种结构就
必须受到物理学假设的前提的限制，从而导致各种佯谬。现在让我们来考察物理学中最
基本的概念——时间和空间。
经典物理学中，时间和空间被牛顿规定为绝对的、普遍的，也就是说时间和空间如同戏
台，戏台上的人物道具（如牛顿和苹果、引力）与时间空间毫无关系。在常观,经典力学
的功用强大无比，可在宏观或微观领域，牛顿理论基本上失效了。于是在二十世纪初几
乎同时出现了相对论和量子力学。相对论基本上是爱因斯坦的功劳。它显然是否定了时
间和空间的绝对概念，但同时引进了绝对的时空概念，因而时空仅仅是所有事件的联络
；量子力学能很好地处理微观领域现象，尽管有人臆想时间有分立行为，但普遍的观念
中连续性的时空性质仍占据重要的地位（尤其在理解测量问题时）。在上述各理论中，
时间显然都是对称的而且可逆，空间仿佛一张铺着绿色厚毛尼的台球桌面，物质就如同
台球在厚毛尼上滚来滚去，如果台球很重，绿色的厚毛尼就被压成凹面，空间（或时空
）就被弯曲。暂且不评价这种时空的是非。现在的问题是既然规定了时间和空间的存在
，那么时间和空间是怎么产生的，或者时间和空间就一直存在？
现代物理学认为时空应有一开端，而不是一直存在，也就是宇宙有一开端。这开端是源
于一次无法想象的大爆炸。那些经爆炸产生的热能逐渐冷却下来，经物理学家牵强附会
解释就形成现在的秩序井然的宇宙。如果我们机体的一个肝细胞偶然心血来潮发现各个
肝细胞都在相互远离，并且测得某种类似与彭齐亚斯和威尔逊发现的神秘辐射，就告诉
它的朋友们(其它肝细胞)：伙计们，肝脏或机体是起源于大爆炸！这似乎有点荒唐。且
不考虑神秘的辐射、光线红移和氦丰度。大爆炸的宇宙观隐含着我们所处的宇宙是孤立
的，这显然是符合热力学第二定律的，也就是说熵最终会使宇宙毁于热寂。但物理学家
总是有办法的，英国理论物理学家保罗。戴维斯认为低熵的引力系统从几何学看要比处
于高熵状态的引力系统简单得多，因此引力容易自动地生长出结构来[3]；牛津大学物理
学教授罗杰。彭罗斯认为大爆炸时产生一个高度有序的低熵的引力场，使宇宙具备某种
程度的自组织行为[4]；但剑桥的大名鼎鼎霍金教授并不同意罗杰的观点，他坚持奇点最
终是不可知的，从奇点处大爆炸出来的东西都是无序的、混沌的，即熵处最大值[5]。显
然大爆炸模型仍然存在很多问题，尤其是负熵的来源。与大爆炸理论相对的另一宇宙模
型是弗雷德。霍伊尔等人提出的稳态理论，但基本上已被遗忘。该理论认为假定新的低
熵物质在被不断地创造出来。这样，物质就不是一下子从大爆炸中产生，而是在极其漫
长的时间里逐渐地、或很可能是零星分散地在多次小爆炸中出现的。新物质出现的平均
比率是受某种反馈机制调节的。当宇宙膨胀，现存物质的密度降低时，新出现的物质就
会填充空挡，因而维持了大致均衡的宇宙物质密度。从总体来看，众星系离散形成的越
来越大的空地方会被新创生的星系填补，宇宙的总体面貌无论经历多少时代而基本保持
不变。而且时间和空间是一直存在的。稳态理论相当优美、简洁，但天文学的进展并不
支持它，尤其1965年宇宙背景热辐射的发现使决大多数物理学家放弃了稳态理论。大爆
炸模型明确了时间和空间有一个开端，但没有告诉它们是怎样被创造出来的；稳态模型
虽然否认时空有一开端，但从系统理论角度，其假设的新型的、携带负能量的场持续不
断地产生物质，是富有新意的。尽管如此，上述模型中时空概念并没有出现新的突破。

类比[6]作为一种方法无疑是非常有价值的，而且往往作为科学研究和科学观念的基础。
人体与宇宙同样作为系统结构，了解人体负熵的来源对理解宇宙负熵的来源是有助益的
。罗杰。彭罗斯在?皇帝新脑?中解释人体的自组织是不断地摄取低熵的化合物，而不是
通常所说的能量，因为能量是守恒的[7]，也就是说机体摄取多少能量，往往要消耗多少
能量。当摄取大于消耗时，机体能量的确要增加，但他认为那是多余的。对于机体由儿
童到成年，能量增加了很多，他却回避了。实际上，这正是问题的关键。对于我们机体
来说，负熵的化合物无疑是糖类、脂类和蛋白质等。它一方面补充耗散的能量，一方面
满足机体生长的需要。耗散的能量的确是无序的，但只是相对机体而言，如果把这些相
对无序的热能收集起来并对两片夹有一薄层液体的玻璃加热，玻片之间的液体就会因对
流而产生由规则的六角形对流单元组成的蜂巢结构[8]。这热能对该液体是无序的吗？如
果是的，形成蜂巢结构的负熵从那里来的呢？再以太阳和地球系统为例，罗杰。彭罗斯
认为地球没有从太阳中吸取能量（光能和热能），只是吸收低熵的能量，并以高熵的能
量辐射回太空。阳光光子的能量对我们机体（除视觉外）来说，一般是无序的，高熵的
。但对绿色植物来说，就是低熵的，因为绿色植物能识别并利用它。显然，罗杰。彭罗
斯并没有真正理解熵的概念。他把熵理解为独立于能量或物质的一种实在或实体。熵是
相对于信息概念的，信息是指物质或能量的有序性；熵是指物质与能量的无序、混沌性
。所以熵首先是物质或能量，它是能被系统识别的物质或能量的量度或测度。也就是说
低熵的物质或能量易被系统识别并加以利用；高熵的物质或能量不能被系统识别。如机
体耗散的热能相对机体来说是高熵的，看起来相当无序的食物对我们机体却是低熵的，
因为机体细胞能识别如糖类、脂类和蛋白质等化合物。相对我们视觉秩序井然的金刚石
或铝合金对机体组织细胞却是高熵的。儿童长成成人，体格不断壮大，是因为机体摄取
的能量大于耗散的能量；成人体重及体格基本保持不变是因为摄取的和耗散的能量基本
相等；老年体格及体重不断减小、减轻是因为摄取的能量小于耗散的。但摄取的能量在
性质上不同于耗散的能量，前者是低熵的，后者是高熵的；也就是说前者能被机体识别
、利用，后者不能被机体识别、利用。对地球系统来说，从太阳吸收的能量至少大于或
等于辐射的能量，尤其在生物系统刚刚形成时，其吸收的能量要大于辐射的能量，否则
地球就会如同太阳系其它的行星，没有生物。地球之所以防止能量的耗散是因为严密而
厚实的大气层。所以考察一个星球是否有生物，具备持续的能量来源和防止能量的耗散
机制是基本前提；同样，这也是一般系统结构的形成基本前提。显然大爆炸模型并不符
合上述前提，该模型是不可能形成系统结构的，孤立的系统受热力学第二定律的严格制
约。稳态模型假设了低熵物质能不断地被创造出来，但被创造出的物质是因为用来填充
扩大了的时空间隙，因而从总体上看宇宙物质密度基本保持不变。但根据耗散系统理论
，当系统输入与输出之差的能量恒定时，系统结构基本保持不变，而稳态模型中的能量
只有增加没有耗散，也就是系统的总能量是不断增加的，因此系统结构就不可能保持不
变。另一基本概念，也就是本文重点讨论的时间和空间，在上述模型中均没有得到很好
的描述，仿佛时空与宇宙结构之间没有必然的联系。现实主义者是不会过分关注时空概
念的，但一个有责任心的物理学家或哲学家必然会对时空及宇宙开始之前感到迷惑不安
，因为相对论在奇点处失效了。
现在让我们考察一个假定的绝对混沌的宇域[9]。绝对混沌不仅相对人类理性，而且相对
一切物质系统。在上述宇域中存在这样一些物质，它们状态都不相同，均相对独立，之
间没有任何作用。现在存在一个观察者（假定是全能的高级物质系统或人）#发现该宇域
中任何区域都是相同的，没有任何的差别。无限大的宇域等于无限小的宇域。如果观察
者从有序的宇宙中观察（实际上是观察不到的）该宇域就会发现一小点处却蕴涵着无穷
大的能量，物质密度无穷大；因为该宇域从整体上说并不存在变化，因而时间也不存在
，也就是说时间间隔无穷大。这与所谓的奇点很相似。如果该宇域偶然出现挠动在理论
上是可能的，该挠动使一些相互独立的基本物质结构发生了作用而出现某些共同的行为
，于是一个新的结构的诞生是非常可能的，如大西洋中的飓风。新的结构开始是小区域
的，但某些共同行为的影响会使更多的物质加入进来，其越来越壮大，其本身结构也在
不断的更新变化。由于能量不断的增加，结构中心处的压力、能量也在不断的增加，因
此变得极不稳定，从而为新结构的产生创造了机会。显然新结构的出现必然存在自身能
量的耗散（耗散的能量是高熵的）。在绝对混沌的宇域中不存在时空概念，当挠动使混
沌中出现有序的结构及有序行为时，时空便产生了。也就是说物质之间存在了相互作用
，（这种包括强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力等）这种作用的共同基础就是空
间或者说作用场。显然空间或作用场是相互作用的物质本身即能量的变化决定的，不是
绝对的独立于物质系统而存在着的；物质之间存在相互作用就构成结构，而结构是不断
变化的，从而为时间的创生提供的基础，也就是说，时间也是物质系统结构能量变化率
决定的，不是绝对的独立于物质系统而存在着的。因此，时空是物质系统的能量变化率
决定的，开始于有序结构产生的同时，终止于有序结构的消解之时，但结构的形成与消
解不是个对称过程，故而时空从开始到结束也不是对称的。绝对的时间认为时间在均匀
地流逝，这是时间的一个特例即在能量守恒的系统中成立；同样绝对的空间也只能在能
量守恒的系统成立。狭义相对论中时空变换之所以是洛伦兹变换，而不是伽利略变换，
就是因为伽利略变换只适合低速运动系统，不同的低速运动的系统可以被近似地考虑它
们的时空是等效的，也就是说低速运动系统的能量变化率是近似相等的。在高速运动系
统中，系统能量的变化率便不能作近似处理，也就是说各系统的时空不是等效的而存在
差异。
上述宇宙模型预示着时空有个开端，但似乎没有结束，因为绝对混沌的宇域似乎是无限
的，如果是有限的，那么肯定有个结束。但不管宇宙有没有结束即趋向绝对混沌，在开
端和结束之间，时空存在箭头。因此动力学、相对论、量子力学等的时空概念都是错误
的。错误的根本原因就在于绝对性。正是绝对时空导致了决定论、双生子佯谬、新生儿
自谋杀及电子的无处在又无处不在等的古怪特性。在经典力学甚至相对论中，客观实在
的概念非常重要，因为物理过程或物理定律是独立于人的意识的，即物理过程或定律不
受观察者的影响。但在量子力学中观察者似乎变得相当重要，以至这被量子力学怀疑者
作为攻击的靶子。爱因斯坦就是其中最重要攻击者。在经典力学中，如测量子弹的飞行
速率时，只要测得子弹飞行一定距离所需的时间就行了。故无论谁测量，该子弹的速率
是恒定的。观察者似乎的确无关紧要。在观察者与运动的子弹组成的系统中，这里隐含
着绝对时空概念，即观察者、靶1和靶2处的时空是等效的，即空间被认为是绝对不变的
，时间是均匀地流逝。在狭义相对论中，如果测量光子火箭的速率，不同能量系统的观
察者不考虑洛伦兹变换时得到的光子火箭速率是不一样的，因为此时的时空不能近似处
理。实际上相对论中观察者已影响了物理过程，但为了保证物理定律的普适性而做了修
正如狭义相对论中的洛伦兹变换，从而使观察者又成为多余。但量子力学彻底地恢复了
观察者的地位，一个绝对客观的实在是不存在的[10]。如波函数一遇到测量就塌缩，由
波函数描述的薛定谔的“猫”，在测量之前，“猫系统”所处的时空与观察者的时空不
同。波函数，只是观察者利用自身时空性质对“猫”或量子时空的状态或性质进行整体
的描述。当观察时，两者时空通过特殊的介质（如光线、加速器等）发生了作用，显然
波函数失去了意义而塌缩，猫是死的或活的，即刻分明。但我观察时，猫可能是死的；
薛定谔观察时，猫可能是活的。所以观察者的确影响了物理系统。那么存不存在某种修
正，使物理过程变得相对客观呢？答案是明确的，但这是物理学家的事。尽管如此，经
典的决定论是不会死灰复燃的。因为时空始终存在箭头，也就是物理过程不应是时间对
称的。可经典力学、相对论甚至量子力学中有名的薛定谔方程的时间都是可逆的对称的
。这些物理理论都是建立在绝对的时空（或时间和空间）的概念基础之上，因而物理过
程也成了绝对的客观实在。上述物理理论往往在理想的条件下来对物理系统进行考察而
得到的，即除绝对时空概念外，物理系统本身不存在能量耗散，也就是物理系统时空并
没有被考虑，如经典力学中的质点，狭义相对论的度规及广义相对论的几何曲率等。如
果考虑到物质系统都存在能量耗散，那么时空箭头非常明显。但在简单的物理系统中，
能量的耗散是可以被忽略，绝对时空便成为很实用的概念。可实用并不代表真理，因此
以某种片面的理论来推导宇宙的终极将是荒谬的，如霍金在?时间简史?之中预言宇宙开
始于大爆炸终止于大塌缩。开始塌缩时，时间倒流，人越来越年轻直至回到母体的子宫
。物质因为普遍联系性决定物质系统都是开放的。一个开放的系统过去是固定的，未来
是开放的即不确定性。这在耗散系统如生物学、气象学及经济学等复杂系统中再明显不
过了。也多亏这不确定性，为自由的意志留存余地。
总之，世界是普遍联系的系统结构的世界，从而物质系统都是开放的。过去是固定的，
未来是不确定的，也就是时空存在箭头。一个联系宇宙中一切的绝对时空是不存在的，
这只是因为以人类为中心的简单的物理系统的实用方便的产物。时空是物质系统的能量
变化率决定的，因此时空随物质系统的产生而产生，消亡而消亡。而且“天上一日，人
间十年”，此言不虚。
参考文献与注释
1、 这里的能量不仅仅指物理学中各种形式的能，而且泛指宇宙中的一切物质。作者认
为宇宙的一切有序的行为，从本质上均是能量的变化使然；
2、 决定论是经典物理学必然的推论。尤其拉普拉斯将它推至极至：只要知道宇宙的初
始条件，就能预言宇宙未来一切行为。然在耗散系统中，决定论便失去绝大部分的价值
。主要参考书目：普里高津的?确定性的终结?和?从混沌到有序?，[美]E。N。洛伦兹的
?混沌的本质?，[美]M。克莱因的?数学：确定性的丧失?，[英]保罗。戴维斯的?上帝与
新物理学?；
3、 [英]保罗。戴维斯（徐培译）：?上帝与新物理学?， 湖南科技出版社， 1996：10
， 56-57；
4，5、关于奇点处的信息是有序或无序，罗杰。彭罗斯与霍金的观点鲜明但截然相反。
相关书目：?皇帝新脑?（罗杰。彭罗斯） ?时空本性?（罗杰。彭罗斯和霍金）?霍金讲
演录?（霍金）?上帝与新物理学?（保罗。戴维斯）；
6、类比在科学实践和社会实践中之重要性是不言而喻的，如控制论与协调心理学的类比
；电子计算机与人类大脑的类比；宇宙与人体“小宇宙”的类比。类比对科学研究和科
学观念的作用，可参考：?协调心理学与控制论?（斯特凡。奥多布莱扎）?皇帝新脑?（
罗杰。彭罗斯）?倾斜的真理?（林恩。马古利斯 多里昂。萨根）；
7、能量守恒是物理学最基本的定律。它是一切对称性质的基础。欲了解能量守恒在物理
学中的作用，请参阅：?完美的对称?（吉姆。巴戈特） ?可怕的对称?（阿。热）然在耗
散系统中，能量守恒遭到质疑。但这并不是说我们现有的知识体系尤其物理知识体系应
被否弃，仅说明现有的物理知识存在适用范围而不是普适的；
8、[英]彼德。柯文尼 罗杰。海菲尔德(江涛 向守平译)：?时间之箭?， 湖南科技出版
社， 1995：10，185-186；
9、绝对混沌的宇域是一假设性概念以便对宇宙从“无”到“有”进行描述。“无”只是
相对“有”而无；“无”本身是“有”的最基本元素，因此“无”是结构的，是更基本
的“有”。绝对混沌在我们所处的宇宙之中不存在，不被有序的宇宙识别的绝对混沌会
逐渐脱离宇宙。之所以名为“宇域”是欲与“区域”相区别，绝对混沌体中，无大无小
、无远无近，无空间无时间，只有相互毫无作用的孤立的物或能；
10、绝对的客观实在和绝对的因果观念，在爱因斯坦哲学思想中极其重要而且根深蒂固
，这也是他脱离量子力学并转而攻击之的基本依据之一。然在量子力学和耗散宇宙系统
中，绝对的客观实在是不存在的。系统的规律是由系统的能量变化决定的，当系统与观
察者组成另一系统时，观察者影响了原来系统的能量，从而原来的系统规律演变为新系
统的规律。
#、一个绝对混沌的体系是不可能被感知的，因为没有相互作用即没有信息交流。

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