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第97篇 耗散结构理论（5）— 耗散结构理论中的时间问题
第97篇 耗散结构理论（5）— 耗散结构理论中的时间问题
作者：
中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智
一 普利高津时间与霍金时间
作者：吴国盛 2003-6-22 16:47:57
博客中国(Blogchina.com) 原始出处： 崔思龄主页
普利高津和霍金在当今的读书界，这两个在世科学家的名字正越来越为读者所熟知，也许，在所有在世的外国科学家中他们的知名度是最高的。我一向认为，他们的知名度主要来自他们在“时间”问题上独树一帜。
80年代初，普利高津的耗散结构理论被引进中国，湛垦华等编译的《普利高津与耗散结构理论》（陕西科技1982年版）功不可没。从那以后，他的《从存在到演化》（上海科技1986）、《探索复杂性》（四川教育1986）、《从混沌到有序》（上海译文1987）中译本相继出版。最近，上海科技教育出版社又推出了他的新著《确定性的终结》, 《时间、混沌与新自然法则》。普利高津的著作旁征博引、纵横摆阖，把新的科学思想与西方哲学、西方历史文化交织在一起叙述，颇有开风气之先的大哲风范。他的新科学与东方思想富有亲和性，特别容易为中国学界所接受。普利高津毫不隐讳地宣称，他的工作是在发起一场科学革命，而这场革命的主题就是“时间性的发现”。
霍金作为一个古典科学家，公众本来并不熟悉。1987年，他为了给自己的女儿筹措学费，写了一本科普著作《时间简史》, 《从大爆炸到黑洞》。由于媒体炒作得当，该书一下子成了畅销书，自1988年出版以来至少发行了1000万册，使霍金成了世界性的知名人物。但霍金的确也是一个富有传奇色彩的有炒头的人物。他曾经是英国皇家学会最年轻的会员，他目前担任的剑桥大学卢卡逊数学教席曾经是牛顿的位置，更引人注目的是，他还是一个高度残疾人，除了头脑活动如常之外，只能斜躺在轮椅上动动手指。《时间简史》出版后，中国大陆很快就出现了两个中译本，但销售情况极为惨淡。90年代初，湖南科技出版社购买了版权，并由霍金的中国学生吴忠超翻译，推出了正版《时间简史》。由于湖南科技经营得当，使《时间简史》逐步热销，并以此为龙头带动了“第一推动丛书”。此后，该社又相继出版了《时间简史续编》、《霍金讲演录》。在这些著作中，霍金通俗介绍了他的宇宙模型：一个无中生有的模型，其中，时间有开端。
普利高津和霍金都关涉“时间”这个主题，但他们的“时间哲学”却是截然不同的。从牛顿到爱因斯坦的古典科学都把时间当做坐标，而忽视了时间的“不可逆性”。牛顿力学方程对时间是可反演的。爱因斯坦也说过：“对于我们物理学家来说，过去、现在和未来的区别只不过是一种顽固坚持着的幻觉。”霍金自然禀承这条“路线”。他在他的《时间简史》后面特别加上了伽利略、牛顿和爱因斯坦三人的小传，强烈的暗示自己是伽利略-牛顿-爱因斯坦这个科学传统的正宗传人，也是这条“路线”的代表。霍金的时间依然是坐标时间，“时间的方向性”在他那里并不重要。一度，霍金曾经把宇宙的膨胀作为时间的方向，而把宇宙的收缩当成时间的倒流，后来他的学生发现，即使宇宙收缩，时间也不可能倒流。由于在古典科学那里没有“时间方向性”即“时间之矢”的地位，霍金能够假定时间的倒流，以及“虚时间”---一个对坐标时间进一步“坐标化”的概念。借助虚时间，霍金提出了“无中生有”的宇宙模型。
在我看来，霍金时间完全是“非时间性的”。这也是一切“坐标时间”的命运---只强调时间之坐标性的时间很快就被“空间化”，堕落为空间的一个维度。“时间简史”这个书名富有讽刺性地说明了一切。说时间有“历史”，已经不再把时间当时间看待，因为“时间的时间”是毫无意义的说法。霍金时间是宇宙的某种坐标维度，而宇宙整体上并没有“时间性”、“历史性”和“演化”，它是一个流形（manifold），一个整块的宇宙（Block Universe）。
打碎这个整块的宇宙，是以普利高津为代表的新生代科学的目标。这个新生代科学还没有统一的名称，系统科学、复杂性科学、非线性科学、生态主义科学、后现代科学、时间性科学、整体性科学等等，都曾经被用来作为它的名字。名称的不确定性正反映了它还没有完全成型，正处在激烈的动荡和整合过程中。
新生代科学的思想深处是向人文精神回归的强大趋势。把历史性、不可逆性、内在性、多样性、整体性、不确定性、目的性以及解释学这些人文性的特征，引入自然的描述之中，从而促成科学与人文的和解、人与自然的和解，是新生代科学发展的主旋律。但是，并不是所有的新生代科学家都听到了这个高亢的旋律。半个多世纪来，来自几乎所有学科的科学家们共同推进新科学的发展，但他们中的许多人只是以为自己在创造古典科学的一个新的分支，而没有意识到他们的工作是在寻求古典科学的一个“替代”。我之所以把普利高津列为新生代科学的主要代表，不仅因为他的工作十分出色，更因为他最自觉、最明确地意识到自己工作的深远意义。
在普利高津科学生涯的一开始，“时间的方向性”就是一个刻骨铭心的主题。他自己坦言与他深受法国哲学家柏格森的影响有关。几十年的研究工作，已使“突现时间性”这个哲学理念的涓涓细流，汇成了“探索复杂性”的科学之大江大河，正朝着“从存在到演化”的“新的理性”大海奔流。
普利高津时间代表的是一种“新的自然律”，一种“新的理性”形式。这种新的自然律和理性形式，既是对伽利略-牛顿-爱因斯坦的古典科学的一种替代，也是对“知识就是力量”的培根纲领、数学化的价值普遍主义、工业革命、殖民市场和掠夺自然等人类存在方式的一种替代。迄今为止的科学革命，真正说来只有一次，那就是哥白尼-伽利略-牛顿所完成的那一次革命，爱因斯坦的工作仍然属于这个古典的范式。我认为，新生代科学所指示的将是又一次真正的革命，与前一次一样，革命也许得延续一两个世纪，而新生代究竟处在革命的前夜还是处在革命的高潮时期，“身在此山中”的我们无法知道。
如果说16、17世纪科学革命的真正意义在于大地的太空化（地球成为宇宙飞船），那么新的科学革命所带来的就将是地球的大地化。新的科学范式不只表现在对自然的描述上（由线性到非线性、由还原论到整体论、由简单性到复杂性等），更在于引导人与自然一种新型关系的建立，它将推进由操纵性知识向理解性知识转变，由对自然的控制和征服向维护自然作为母亲和力量源泉的神秘性转变；它将倡导顺应自然的生活态度。我相信，普利高津这位当代最伟大的自然哲学家，以及他的新生代的科学同行们，将会被历史地认定为这场科学革命的先驱，尽管他们像一切先驱者那样总会遭到传统科学共同体的敌视，也无法真正摆脱自己的出身（比如人们总要强调普利高津是一个诺贝尔奖获得者）。
二 “时间之箭”的再发现
徐善谦个人网页
http://gexsq396264.anyp.cn/22/articles/040709081208406.aspx?sv=1
“时间”是物理学中最重要的基本概念之一。关于是否存在“时间箭头”，即时间是否确实具有单向性的问题，自古希腊的苏格拉底以来，一直迷惑着各个历史时期的哲学家和科学家。甚至在一些文学作品中，也出现有关于时间倒流的构想。在牛顿力学、相对论和量子力学中，都否定了时间的方向性。决定论和因果论与这些理论的可逆性是紧密联系的。牛顿力学的基本定律，就是机械决定论的最坚实的科学基础；爱因斯坦建造他十分成功的引力的几何理论，其动机就是出于对因果性的根本地位的坚定信仰。在这些决定性的理论中，时间被降到次要的地位，时间t只是描述运动的一个参量，不具有演化方向的意义。不管时间朝哪个方向走，整个的未来和整个的过去都包含在现在之中；过去、未来和现在都只不过是同一整体的几个不同方面而已。在这些方程中，没有内在的时间箭头，它们对时间反演是完全对称的；无论时间向前进行还是向后倒退，所发生的运动没有质的差异。在这些物理理论中，时间的变化并不影响运动的性质，“正的时间”和“负的时间”没有本质的差异。而且情况比这还更糟，在这些理论中，时间不仅无向，它还必须循环，历史必须按照“庞加莱回归”无限重复。但是，当我们把思考转向真实的世界和现实生活时，就明明白白地得出结论：时间是不对称的。“时光不会倒流”，“机不可失，时不再来”，“少小不努力，老大徒悲伤”……这些经验和体验，都包含着“时间不可逆转”这个平凡而颠扑不破的真理。19世纪诞生的达尔文的进化论，更令人信服地表明时间是有箭头的。生物进化的过程是不可逆的，生物的进化由低级到高级、从简单到复杂，其结构愈来愈精致，功能愈来愈完善，它从最小、最简单的微生物一直进化到结构高度有序的人体。差不多和达尔文的进化论同时，演化的观点也已经进入到物理学之中。在19世纪50年代所完成的热力学理论中，描述系统热运动的方程不具有时间反演的对称性；当以-t去代替t时，方程的形式也就不同了，表明“过去”与“未来”是不等同的。例如，一个系统初始时温度不均匀，处于不平衡状态，随着时间的推移，系统将趋于温度均匀的平衡状态；而反方向的过程却不可能自动出现，已达到温度均匀的平衡状态，不可能自行倒转回去形成冷热悬殊的非平衡状态。这种对称性的破坏，表明时间是和系统的演化紧密联系着的；时间只能向前流逝。于是，具有实质内容的“时间箭头”就进入了物理学理论，“存在物理学”的一统天下被“演化物理学”所打破。
这种演化物理学的最基本的定律，就是1865年由德国物理学家克劳修斯(Clausius，R.E.1822～1888)所提出的“熵增加原理”、“熵”是决定于系统的热力学状态的物理量，用它的变化可以表述自发过程的方向。一个系统经过一个绝热过程由一个态变化到另一个态的时候，它的熵永不减少，这就是熵增加原理。这个原理的最重要的意义是，它显示了“时间箭头”的存在。它体现着能量从集中到耗散，从有效到无效，从高值到低值。我们时时感受到我们周围世界的熵增加：火焰慢慢燃尽，留下一堆灰烬；青草渐渐枯黄，在寒风中破碎飞散；瀑布飞流直下，沿着河川流向大海；山石滚落平川，经水冲刷、风化变成泥浆……而相反的过程却从未自动发生过。从一件件自然事物的变化中，我们体验着时光的流逝。熵增加原理决定了时间的方向性，人们无法阻止熵的增加，因而也无法逆转时间的推移；这样，“历史”也就具有了实质性的意义。克劳修斯还由此预言了宇宙将走向“热寂”的最终结局。
深为进化论思想所吸引的玻耳兹曼(Boltzmann，L.1844～1906)决心要找到熵的力学解释，即找到熵增加原理的微观机制。他使用的方法也与生物进化论的方法相同。因为生物进化中的自然选择是对一个大的生物群体而言的，是一个统计概念；玻耳兹曼也是从分子群体的角度去探讨可逆与不可逆过程的差别。他提出了熵增加原理的统计解释，指出自然界的自发过程是系统从概率较小的有序状态向概率较大的无序状态的过渡，平衡态即具有最大概率的最无序的状态。热力学第二定律（熵增加原理）把时间与有序性和无序性（随机性）这样的概念联系起来，时间的流逝方向就变得显而易见了：任何孤立系统中都有一种不容改变的倾向，使系统的有序度不断降低而无序度不断增加，这就是物理过程不可逆性的实质。
不过，热力学第二定律所确言的演化方向似乎与达尔文生物进化论所言的演化方向正好相反。前者断言自然物质中存在着从有序到无序，终结于最大元序状态的演化趋势；后者指出生命系统中存在着的是一类熵减少的过程。19世纪中叶这两种理论所揭示的“演化悖论”，深深地困扰着科学家们的认识；再加上物理学家们牢固地被牛顿力学决定论思想所束缚，几乎在所有的地方都把单向时间的概念排除在他们的科学之外，坚信自然过程的可逆性是深藏于自然事物的深层原因之中的；因此，他们对玻耳兹曼的理论和观点，展开了猛烈的攻击。玻耳兹曼开始时曾认为他已成功地从动力学角度确定了熵增大的机制，亦即确定了“热力学的时间箭头”；但在强大的反对势力面前，“他放弃了证明有一个客观的时间之矢存在的打算，而引入了另外一种思想，这种思想在某种意义上把熵增大定律约化成一种同义反复。现在他认为时间之矢不过是一种约定，是我们（或许可以说，是所有活着的生物）把它引进到一个在过去与未来之间没有客观差别的世界中来的”。①当时其他一
作者：杨鸿智
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