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发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标题: 3.5 时间的方向怎样?
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年12月26日19:51:09 星期三), 站内信件

亚原子粒子自旋与大尺度分子中的手性形成之间尽管有假说性的联系，但大多数科学家
仍旧相信，在小尺度量子领域与大尺度“经典”牛顿领域之间存在根本性差异。19世纪
在时间的悲观和乐观形式——熵和进化——中发现的不可逆时间，未能迫使物理学家放
弃他们的信念：在最基本的物质层次上，时间是可逆的，我们周围所见到的不可逆性，
正如爱因斯坦写给贝索遗孀的那样，是一种幻觉。这一信念来源于描述原子和基本粒子
运动的线性方程的时间可逆性。在19世纪70年代，玻尔兹曼提出答案在原子搅乱自身的
方式，这种搅乱使逐渐恢复原初秩序成为高度不可几的，这样就克服了原子尺度与经典
尺度间的明显悖论。他主张，由于系统经历的可逆碰撞非常复杂，原子好似梦游者，“
忘记了其初始条件”，变得杂乱无章，所以不可逆性进入了世界。玻尔兹曼把牛顿万有
引力经典科学与变化的热力学联系在一起，这一杰出的解决办法开拓了科学新领域——
统计力学。
由于玻尔兹曼的努力，热力学在19世纪后半叶风靡一时。它给还原论的逻辑实证主义形
式注入了活力。实证主义者认为，一切现象都可还原为力学动力学的描述，即对运动中
的物体的描述。热力学和能量转换被认为与这类力学动力学有关。
连弗洛伊德(Freud)都深受实证主义还原论思潮的影响。弗洛伊德思想最初是以热力学术
语提出的。弗洛伊德称精神分析为“把精神生活还原为冲动力和抑制力互相作用的动态
理论。 ”
然而，对热力学还原论来说，并非一切都光明美好。庞加莱就批评玻尔兹曼对可逆性
不可逆性两难推论的解答是一个魔术手法，这一手法在真正基本层次上并未解决问题。
玻尔兹曼或许接受此批评；他绝望地承认他的解释失败，不幸自杀身亡。
普里高津说他起初接受玻尔兹曼的解答，接受物理学基本定律时间可逆的信念。“同大
家一样，我相信存在不可逆性，但它必定来自我们被迫在时间可逆基本法则上作出的近
似；不可逆性来自无知，来自我们的近似。”然而，“远离平衡研究使我认识到，这个
观点不正确。不可逆性起〖HTH〗建设性作用。它创造形式，创造人类。我们对初始条
件的无知怎么能成为其理由?我们的无知不能成为我们存在的理由。”
他坚持认为，倘若我们仅仅增加我们的知识，造一台威力巨大的计算机，以使我们能够
列出组成系统的所有可逆的、概率性的个体分子的运动方程，我们的无知便会消失，不
可逆性幻觉行将破灭。有了这台计算机，生命、演化、死亡和时间本身都将化为乌有吗
?“这是荒谬的。”
如今，浑沌理论在这一意义上支持普里高津，因为如我们所见，没有任何计算机可以建
造得大到足以追踪不可逆系统。我们的无知表达了一件整体性事实：在创造星系和细胞
的动力学力的宇宙中，一切事物是互相联系的。这就是不可逆性的真正含义。
然而，有那么一些线性方程，它们告诉物理学家，剥离到赤裸裸的原子粒子时，可逆性
仍必须保持。普里高津不回避这个已确立的“事实”。在前几年，有些著名物理学家感
到，时间可逆性方程实质上行将解释我们想知道的原子事物如何运作等一切事情。正在
这个历史时期，他却对物理学基础发动了猛烈攻击。
与这一乐观信念相反，普里高津提出一个回溯至庞加莱的困扰人的常识命题。他指出，
甚至在微观层次上，可逆性也是幻觉。“你决不能做出这样的实验，其中对于原子粒子
的不稳定动力学系统，过去和将来是一回事。如果我们让具有相同速度的粒子进行碰撞
，它们将以随机速度告终。但我们不能做相反的实验。不存在什么可逆的实验。因此，
我们的世界是时间上有组织的世界。”对于时间，总是存在一个箭头。普里高津还指出
，爱因斯坦以空间和时间可逆性与可互变性的命题表述的相对论，促使建立了大爆炸理
论，而大爆炸理论实际上给宇宙一个不可逆的历史。他主张，在现今的量子物理学里，
不可逆性无处不在。
如果说，普里高津对他的同时代人提出的第一个挑战是针对可逆性的，那么，第二个挑
战则是对准简单性概念的。自德谟克利特和亚里士多德以来，科学家们就笃信在我们世
界的纷繁复杂性之下，必定潜存着简单物和简单力。起初，科学家们认为这些简单砖石
是原子。后来，发现原子可分时，砖石成为简单粒子(如质子和电子)。再后来，当量子
力学在亚原子层次意外发现令人惊愕的“粒子动物园”时，物理学家提出了大统一理论
，开始寻找单一的简单力——“超力”——据说是产生这一大堆乱七八糟的小粒子相互
作用的力。不过，超力尚未找到，至少迄今为止的研究表明，对每一次简单化，都至少
遇见两种新的复杂性。普里高津说，“简单性思想正在瓦解。你所能去的任何方向都存
在复杂性。”
那么，这一切又是怎么运作的呢?为了用他的革命性思想，把动力学与热力学、微观世界
与宏观世界、可逆性与不可逆性、存在与演化统一起来，普里高津作出时间是一种“
对称破缺”形式的论断。
科学家们把虚空空间想象为在所有方向都同等旋转对称的空间。然而，将地球那样的磁
体引入虚空空间，对称便被打破。这个磁体挑选北方为一个特殊方向，由此，它使空间
中的其它磁体定向成为可能。
普里高津以类似方式提出，复杂系统打破了使时间向前向后流逝的对称性。复杂系统给
时间一个方向。它们是怎样做到这一点的?
复杂系统——不管是浑沌的还是有序的——归根结底不可分解和不可还原成部分，因为
部分通过迭代和反馈彼此不断相互包容。所以，试图把两个粒子间的单个相互作用孤立
出来，并声称这一相互作用可以作逆时间追溯，是一个幻觉。任何相互作用都发生在较
大的系统中，并且作为整体的系统不断变化着、分岔着、迭代着。于是，系统及其一切
“部分”具有一个时间方向。
因此，时间成为系统整体相互作用的一种表达，并且这一相互作用向外扩展。每个复杂
系统都是变化着的更大整体的一个部分，一个套一个的越来越大的整体最终导致最为复
杂的动力学系统，即最终囊括我们用秩序和浑沌谈论的系统——宇宙本身。
普里高津指出，一旦出现复杂系统，复杂系统便通过他所说的“无限大熵垒”，与可逆
时间相分离。在逆转时间方向上运作的过程，不仅极大地不可能，正如玻尔兹曼说过的
，而且〖 HTH〗无限大地不可能。这可用想象波纹从掷入池塘的石块扩展开来，加以说
明。要想时间逆转，这一情形要求环绕池塘边缘的所有无穷小波纹都精确协调起来，它
们向内运动，幅度渐增，最后收敛为一个单一波纹。而产生孤波所需要的力的非线性耦
合是艰难的，此处力的线性协调就〖HTH〗无限大地困难。
由于一切系统对宇宙的其余是开放的，这一事实使得围绕池塘的事件的任何终极协调都
不可能。大自然沐浴在引力、电和磁的不间断流变以及温度和其它力的微小涨落之中。
甚至遥远恒星的运动都将对地球上感受的重力(引力)场产生细微变化。尽管测量这些涨
落全然是无望的，但是它们总是破坏初始相关性。因此，即使围绕池塘边缘能够建立合
适的初始条件，在收缩着的波纹收敛到中心以前许久，此种微妙的偶然性会很快将它们
抹去。原则上，孤立系统时间可以可逆，但在〖HTH〗真实系统中，时间对称性总是破
缺的。
普里高津认为，时间对称破缺在从量子到大象、到星系的所有自然层次上都存在。既有
一个时间，又有无穷多个时间。时间是把一切系统联系在一起的大箭头，是构成每个个
体系统分岔和变化的众多箭头。我们每个人都有他自己或她自己自发的不可逆箭头，但
那箭头与宇宙的不可逆箭头纠缠在一块。
运用这一逻辑，普里高津对大爆炸理论作了修正。他说：“宇宙肇始于熵(浑沌)的爆发
，这一过程使物质处于一种被组织的状态。以后，物质缓慢耗散，作为副产品，在耗散
中创造宇宙结构、生命及最终我们自己。你瞧，存在这么多耗散掉的熵，你可以用它来
建造某种东西。”因而克劳修斯视之为无规汤的熵，在普里高津看来，则是富有无穷营
养的汤，耗散结构从中出现。普里高津把经典熵(或消极浑沌)概念倒转为积极浑沌。他
说，“熵具有正面功用和负面功用。正面功用弥补了负面功用，并使整体保持有正面功
用”。
普里高津认为，主张可逆性和无时间方向性的经典动力学和量子力学乃是大自然的理想
化。正如我们在镜子另一边所看到的，系统决不会封在箱子里。“外界”(即整体)总是
通过插入小数位链条(即“遗失信息”)而钻进系统。因而，真实的自然总是熵变的、湍
动的、不可逆的。通过完全彻底地审视不可逆性，普里高津意欲消除大尺度宇宙与小尺
度宇宙之间传统的科学鸿沟。“假如不植根于微观世界，那我们的世界从何而来呢?我
们的时间从何而来?…… 这是一个十分严峻的事实。如果你在最近两个世纪中取一些伟
大人物——柏格森(Bergson) 、海德格尔(Heidegger)、爱因斯坦——他们全都会说经由
物理学找不到不可逆性。不可逆性要么由形而上学找到，要么它是我们强加给自然的某
种东西。如果你持这种观点，时间就把我们与宇宙分离开来。但如果你认为，不可逆性
是一个自然现象，那么时间不再把我们与自然相分离。”
后来他沉思着(几乎忧心仲仲地)说：“倘若我必须倒转经典概念，并非因为我想这么做
，而是因为我试图强调我所发现的不可逆过程的建设性作用。……我开始工作时，可没
有说我想引入新概念。”
兴许如此，但普里高津的观点尚未被他同时代的人所接受。海因茨·佩格斯(Heinz Pag
els) 对他最近一部著作评论说，“舆论对普里高津工作最贴近的看法是，它落入由负责
任的科学和统一场的马哈里斯·马赫什(Maharishi Mahesh)瑜伽术所界定的谱序上的某
个地方。”已故的佩格斯补充道，“只有普里高津和少数几位同道抱住这些猜测不放，
虽然他们作出了努力，但这些猜测却继续在科学可信性的半明半暗区中存活。”
佩格斯是一位物理学家，也是名著《宇宙密码》(The Cosmic Code)(此书有两个中译本
：(1)郭竹弟译，赵凯华校，上海教育出版社1989年；(2)朱栋培、陈宏芳译，中国科技
大学出版社1988年。——译者注)的作者，他是一位正统量子物理学家。他的严厉批评
反映了这样的态度：物理学家有时候研究化学，而普里高津的主要领域就是化学。物理
学乃科学之王后，因为物理学探讨自然界最基本的规律。化学研究派生的问题，这一推
理思路行得通。但这一极端态度正受到普里高津对科学体制的第三个挑战的攻击。大自
然传统上被视为始于原子结构、终于复杂生物体的一个等级体系。每个层次的科学描述
想当然地建立在深一层次的描述之上，而最基本层次的描述——物理学——居优先地位
。但对普里高津而言，大自然并非从底而上地确立。自然靠所有层次间的反馈而建立。
所以他的自然之科学描述思想“不假定任何基本描述模式；每一描述层次都被另一个描
述层次所隐含，也隐含着其它描述层次。我们需要的是多重化的层次，它们都联系在一
起，没有一个层次享有优越性。”
这种陈述自然而然激怒了某些物理学家。与之伴随的表述甚至更加带有挑衅性。普里高
津认为自然规律(包括物理学定律)一开始就未被全部“给定”，抑或甚至未被逻辑上内
含。它们以不同物种演化的方式演化。随着事物愈益复杂，出现分岔和放大，也出现新
的规律。“ 如果不存在什么生命系统，你如何谈论生物学规律?行星运动则是很晚近的
事情了。”
这是关于大自然的创造性的一种断言。每个层次的组织产生本质上新颖的事物，产生前
一个层次的构件或“部分”中未曾出现的事物。例如，水并非在氢和氧的混合物中出现
。它具有实际上牺牲其“部分”(氢和氧)的新统一性。返回这些部分的唯一途径是，破
坏水。
鉴于无任何宇宙定律比其它的更基本，更无任何宇宙的“部分”在线性程度上和等级层
次上更具优先性，于是普里高津主张，科学必须梳理和描述介入一切层次的定律与过程
的网络。大自然应被看作是一个动态变迁的网，而不是一座机械的、等级森严的金字塔
。
佩格斯是致力于发现构成一切物质基础的超力的大统一工程的积极鼓吹者和参加者。他
对普里高津的探索略感担忧。普里高津对大统一工程却有自己的评语：“大统一想达到
宇宙乃是统一的这一描述，但如果宇宙是统一的，你就没有什么热力学第二定律［熵
增加定律—— 时间］了。宇宙不是恒同的，所有粒子不能融合为一。如果你有恒同体，
你就没有时间箭头，可时间箭头确确实实存在。”

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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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