试论时间方向的层次性

1、文档编码 : CG4Y7U9H9X7 HS6C2R2Q5B10 ZC6K1N1N9N905-0006-05 1 时间方向的理论说明及其问题时间是人类最早关注的哲学和科学问题之一,其中尤以时间的方向问题令人困惑,千百年来,人们对它的懂得莫衷一是；就时间方向的表现而言,众所周知, 人们现在将其大致分为如下四类现象：热力学时间 主要指各类热力学系统在特定条件下自发趋于平衡态的不行逆性；生物学时间全部生物个体由生到死的不行逆性；宇宙学时间天文观看所证明的现有宇宙膨胀的单向性；心理学时间 人们只能感觉、记忆过去发生的大事,而将来原就上只是一个由过去的情形推断出来的可能的世界；如何懂得上述现象在时间维度上

2、过去与将来的不对称性？第一个为科学界普遍接受的理论说明是热力学其次定律 它是那样的与众不同：其他全部的物理学定律在时间上都是可逆的,惟有它说明白系统演化的确定方向即时间之矢；正由于如此,有人将其称为宇宙学第确定律；其次定律在科学界的特殊位置仍在于,尽管时间的方向性可以划分为上述四类,但从历史上看,有人始终在努力将不同的时间现象统一仍原为微观层次的热力学时间,把一切方向都归结到宇宙大爆炸之初那个特殊的条件 1；而且在当今有关系统演化的自组织理论等成为一种近乎包涵一切的理论框架时,像生物和宇宙的演化等被从热力学角度予以说明,也是顺理成章的事情；可见,热力学其次定律,对于人们懂得时间的方向性,具有举

3、足轻重的作用；但是,其次定律对时间方向的说明也有许多地方不能令人中意；第一从理论层面上看, 洛施密特 J. Loschmidt, 1821-1895早在 1876年就提出了所谓 “可逆佯谬 ” ：假如全部现象最终都可归结为原子之间的相互作用,而且支配这种相互作用的力学规律在 时间上中意反演对称性,那么由热力学其次定律所说明的宏观不行逆性究竟源自何处？从仍原的角度讲,这是不行思议的；其次,从现象上看,人们从来没有观看一具死尸从地上爬起来将生前的次序倒过来再活一遍,或者灰 烬会自发地再转化为木头；这些事实与其次定律的概率表述所赐予人们的小概率承诺完全相悖；许多人对 此都提出过严格的批判 2 ；第三

4、,其次定律本身的局限性仍在于,它并不能说明、包涵一切不行逆现象；例如,依据人们通常的 懂得,时间的方向、因果的方向与熵增的方向以及人们的心理方向都是一样的,即缘由先于结果,而且在 从缘由到结果的过程中,缘由作为一种状态其熵小于结果,由此人们可以对过程的方向做出判定,可这一 点现在也受到了质疑；看下面这个简洁的问题：你是如何判定一段电影是正着放仍是倒着放呢？其实在有 些情形下这是特殊简洁的事情,像一个人跳水,你可以依据水波的传播方式这样的常识轻松做出判定；但 是,当我们观看在地板上滚动的小球时,无论如何我们无法判定出影片是正放仍是倒放的；当然你可以争 辩,考虑到实际的摩擦力的存在,人们可以说小球

5、的速度减小时是正放,增加时是倒放；可小球在最初被 抛出时的速度也是增加的呀？另外,赖欣巴哈 H. Reichenbach, 1891-1953 仍争辩过一个例子,假如我们看 到均匀的海滩上有一串清晰的脚印,我们决不会把它当成是成千上万的沙子组成的系统由于自身涨落自发形成的图案,而判定出确定是有人刚刚从沙滩上走过；但是赖欣巴哈指出,从类比的角度看,作为缘由的 均匀状态的熵要大于作为结果的有脚印的熵,所以将因果过程的方向与熵的增减联系在一起是不恰当的；不过,有人强调,我们这里应当同时考虑沙滩之外的系统 人的作用；那么设想让人在有限的范畴内继续随机地走下去,试问你仍能从那些零乱的脚步中判定出时间的方

6、始终吗？或者我们进一步追问,人的行 为转变沙滩的宏观状态的熵的方式是怎样的呢？于是,时间方向与熵变的对应关系变得更加复杂起来 3 ；至于与人相关的复杂的心理现象,一是由于其中的一些详细机制尚不完全为人所知,我们无法确定心理过 程、对神经的物理刺激与熵增之间的详细关系；二是大脑所具有的记忆与联想才能,意味着我们在与实际 的熵增与时间过程相脱节的情形下可以去想像一些事物 比如想像中的疼痛,由于与详细的神经刺激无关,所以也与实际的时间过程与熵增无关,甚至仍表现出确定的 可逆性 4 ；可见,人们在如何懂得时间的方向问题上仍面临着许多困难,本文试图从层次论的角度对上述问题做 出规律一样的懂得；2 层次性

7、与时间方向 层次性的概念在当今系统科学及整体论成为科学与哲学界主流思想的氛围中,已经成为人们普遍接受 的观点,它的核心思想,是强调整体和层次的独立存在,反对一味地完全仍原；有一个浅显的例子是化学 中的同素异形体如金刚石和石磨,从仍原的角度看,它们的微观组成都是碳原子,那么其间的宏观差别究 竟源于什么？在这里,事物的宏观属性相对于其微观组成的独立性早已不言自明；宏观层次的独立性仍表 现在不同层次上特有的一些崭新的规律方面,例如即使拉普拉斯妖能够知道和预言某一时刻宇宙中全部基 本粒子的运动,但是它也无法懂得经济现象,由于仅有微观仍原是不够的,它仍需要懂得经济学才行；这里需要提及的与层次相关的另一个

8、问题,就是层次的由来问题；这也牵涉到层次之间的关系是怎样 的？回答这一问题的,是所谓的生成论；本人曾特地探讨过这一问题 5 ,金吾伦先生就撰写过一本专着,6 ；生成论的基本观点是,在坚持整体论和层次的前提下,强调整体和层次的可说明 系统阐述了这一思想 性,从而排除了过去附着在有机论上面的奇妙颜色；无论如何, 层次论及生成论已经成为我们懂得世界强有力的思想武器 对时间方向的懂得也不例外；第一看一下熵概念及其次定律的层次性；熵概念的提出和热力学其次定律的发觉,是 19 世纪下半叶热学与统计物理争辩的重要成果之一；由于其次定律是当时唯独一个与系统演化的方向相关的物理学定律,加之科学界盛行的仍原论思潮

9、,熵及其增 加几乎成了人们最普遍使用的说明一切与事物演化方向准时间问题相关的理论工具,这种局面至今也没有 太大的转变；但是,由于人们始终没有留意到熵概念及其次定律的层次性问题,我们在懂得事物演化与时 间方向的问题上遇到了许多难以克服的困惑；除了本文第一部分提到的那些,下面再看一些事例：例如,从目前特殊流行的熵与对称性和序的关系来看,即越对称的状态越无序,其熵越大,那么冰作 为水的晶体,与水相比是有序仍是无序呢？熵是大仍是小呢？假如忽视了宏观与微观的不同角度,就会得 出完全不同的结论,从而使人们陷入到理论说明的困境之中；另外,从在说明系统演化机制中占有举足轻重位置的负熵概念来看,也存在同样的问题

10、：有 人笼统地把负熵流当作流入系统内部的一种东西,那么设想让食草动物和食肉动物互换一下食物,为什么 食物中的能量不能被吸取？或者说为什么没有保护生命的“负熵 ” 流入这些动物的体内？归根结底,这些都是没有留意到不同系统的区分或层次造成的误会；因此,我们很早就提出,要留意熵概念的层次性 7 ；既然熵概念具有层次性,那么其次定律的层次性就是顺理成章的事情；其次定律有宏观和微观两种形 式；从其宏观表述来看,当克劳修斯 R. Clausius, 1822-1888 开头系统阐述其次定律的时候,他所依据的仅 仅是热传导的方向性,因此他所揭示的也仅仅是热力学层次上的以及和热力学有关的一类不行逆现象的规 律

11、；但是,不同的运动形式对应于不同层次的不行逆性,不同层次的不行逆机制就可能由完全不同的规律 所支配,这就意味着,在将其推广到对其他层次的不行逆过程的描述时,一般会受到限制,或者不处于支 配位置；其次定律的宏观表述的局限性在其微观表述中得到了确定的克服,那是由于热力学概率的数学本 质,已赐予熵一种崭新的普适含义,但同时它也给人们懂得不行逆现象带来了一些新的问题,例如上面提到的,它并没有禁止对一些“不行违反的铁的法就”的自然规律的违反,而是说那种违反的发生只是概率极小而已；但这微不足道的机遇却简洁给人造成一种错觉,或者说其次定律的微观表述使人们对不行逆性的 懂得产生了严肃偏差,其中得失,我们已作过

12、详细争辩 8 ；除此之外,有关这方面问题的其他争辩,我们 下面仍会谈到；总之,熵概念和其次定律的层次性的核心,是强调不同层次的不行逆性之间的区分；以此为前提,我 们来探讨与不行逆性亲热相关的时间问题；如上所述,时间不行逆现象大致可以分为四类,我们先看热力学时间：大家最熟识的热力学时间方向,是由大量分子或原子组成的孤立的热力学系统从非平稳走向平稳的过 程,即平稳态作为平常吸引子成了时间之矢的箭靶；但是,自组织理论等已从多方面为我们揭示出更为普 遍的开放系统处在非平稳态的情形,即耗散系统中可以有众多类型的吸引子,特殊是混沌这种奇妙吸引子 引起了人们的广泛关注和争辩；这说明,被克劳修斯当年认定为唯独

13、吸引中心的热力学平稳态,其实只扮 演了一个一般角色,平稳态并非全部过程的归宿；系统经过不同状态之间的转换,完全有可能趋向新的吸引中心；总之,这些吸引子的存在,引入了新的时间的箭靶,进一步说明白平稳的局限性,从而在更普遍的意义上表达了准备物质随时间演化的新的基本外形及其丰富 性,而且不同系统、不同吸引子的形成条件和作用机理,实质上也蕴涵了不行逆的层次性,即时间的层次 性；这种时间的层次性在下面天文、生物和心理时间的详细情形中得到了更充分的表达；天文学时间,是与宇宙的发生与进展相联系的；依据热力学的说明,宇宙的演化是熵随时间不断增加的过程,所以罗杰 彭罗斯 R. Penrose, 1931- 等才

14、提出了在宇宙演化之初其熵最小的假说；他曾经特地“计算”过宇宙在大爆炸发生时所处条件的特殊性,指出产生我们这样一个宇宙的概率是极其微小的,大约为 1/10101239 ,与此概率相联系的熵当然也最低；实际上,宇宙产生的初始条件的特殊性本身就赐予了 天文学时间区分于其他时间的性质；另外现有的宇宙中仍有类似于暗能量、暗物质之类的许多未解之谜,这些因素对宇宙学时间的影响现在也是无法预知的；所以,宇宙学时间的特殊性或曰层次性或许是我们相 当长时间内需要争辩的课题；再看生物学时间,依据目前不完全的争辩,生物的生长发育在很大程度上取决于各种激素的分泌,另外生物体的寿命也受制于某些细胞老化及细胞分裂所能达到的

15、最高次数的限制；当然这都是从惟象的角度 讲的,从更深化的微观角度看,生物的一切性状都由其遗传基因所准备,即准备生物学时间的最终缘由应 该是 DNA ,明显,这种机制完全不同于热力学,也不同于化学,从而说明白生物学时间自身的特性所在；至于心理学时间,众所周知,在过去与将来之间,横亘着一条永久无法逾越的鸿沟,那就是人们只能知道 过去发生了什么,但永久不会知道将来是什么样子的！当然这里丝毫不存在热力学小概率所答应的那种可 逆性；上述分析已经充分说明,不同的时间方向,其机制、表现等具有确定程度的不行比性,甚至是完全不 同的；我们将不同时间之间的区分称之为时间的层次性；这种区分的合理性仍在于,像热力学,

16、生物学,心理学等现象也的确处在物质运动形式的不同层面上,而且有低级与高级之分；假如承认了时间的层次性,我们就需要在这一新的基础上来懂得时间,或者说需要重新看待我们过去 对时间方向的理论说明,这正是本文下面将要探讨的问题；3 懂得时间方向的如干策略 时间的层次性问题的提出,使我们必需重新凝视有关时间现象的熵描述与其次定律在科学界的位置问 题 熵描述是最普遍和最基本的理论说明吗？其次定律仍是宇宙学第确定律吗？我们的考察先从与熵联系最紧的热力学系统开头；大家知道,依据概率或统计的本意,统计效应是不 能回避统计涨落的；例如,尽管热力学平稳态与偏离它的任何状态相比无疑是最可几的,但是任何可能的 非平稳态

17、都存在着实现的概率 或许很小；这意味着,假定系统开头处于非平稳态,虽然我们可以预期 系统变化的方向,但是仍然存在反向涨落,而且当我们考虑只有几个粒子的微观系统时,偏离常常会特殊 明显；假如像通常所认为的那样,熵增标志着时间的流向,那么反向涨落是否意味着时间的倒流？10 有 人争议道, 这种随机涨落并没有违反其次定律,由于它实质上是描写明显的热流而不是分子的随机涨落的；但是,从统计的观点看,明显的热流与涨落在现象上是等价的；其次,即使在忽视涨落的条件下,其次定 律的概率形式对时间的指向性的规定亦有局限；明显,热力学平稳态涉及的只是热力学系统演化的终态,因而也就是时间的终点,这是否意味着平稳一旦达

18、到,时间就停止了？尽管与平稳态相联系的时间停止是 局部和暂时的,仅限于某一孤立系统的范畴,但它却暗含了时间与不行逆性之间的区分；另外仍有人分析 道,平稳态中既然不显现时间坐标,它就不行以用来描述能使时间明显表现的过程；一个更有意思的说法 是,“ 平稳态热力学所做的预言,就像一个算命先生对你说将来会死,但是他根本就不知道你马上要和你的 情人约会；对于一个基于其次定律及其对变化的说明的理论,这样一个结论看来是特殊令人败兴的”11；其实,上面这些概率对时间的规定所遇到的困难,归结到一点,即是爱因斯坦所断言的：“ 不行逆性是玻尔 兹曼引进的概率概念的一种后果”,由于 “概率事先假定了一个时间方向”12

19、,所以不能用来导出时间之矢；其次定律在天文学时间上的应用也遇到了不小的困难；依据标准的宇宙模型,极早期宇宙应当是全部 基本粒子处在近平稳的均匀分布的状态,换言之,这时的熵应当是最大,而不是像彭罗斯说的那么小,从 而也不会有宇宙的熵随时间变得越来越大的演化趋势 13 ；其次考虑到宇宙演化的另外一种可能,即现今 的宇宙虽然是膨胀的,但或许有一天这种趋势会发生逆转而开头收缩；特殊是考虑到目前天文学界的争辩 热点暗物质、暗能量的情形,这种可能或许会更大；这意味着,宇宙在时间上将最终显现出对称的特点,即像在科学界流行的看法推测 的那样,除却宇宙大爆炸这样一个不同平常的开头,宇宙将迎来一个类似的大坍缩的结

20、局；一般地,对于宇宙演化膨胀的每一时刻的状态,在宇宙收缩的过程中都有一个与之对应的状态；这种可能的对称状态的存在,有两种含义,第一是对应状态的熵是相等的,这是否意味着时间的倒流？另外这种对应的结果是宇宙在后半 段时间里熵变的趋势是削减,这两个结果都与热力学其次定律所指示的方向相反；至于生物学,由于系统的详细机制更加丰富和复杂,用熵去描述这一过程变得更加困难了,特殊地,如 果试图将心脑问题完全归结为热力学统计熵,这种做法明显是荒谬的,由于我们可以不通过详细直接的神经 刺激去想象疼吗？并且这个过程与统计熵相关的偶然特点一点也没有！虽然我们在摸索时需要我们自己活着 必需消耗确定的物质和能量 有人常将这一过程泛指为输入了负熵,但这些流入的物质、能量与疼的 想象之间根本不会有任何直接的关系！综上所述,尽管热力学运动在物质运动形式中处于基础位置,尽管熵概念的概率形式扩展了它的含义和 适用范畴,但用统一的熵描述来表达全部的时间现象是不恰当的,这是由于不同的时间其本质是不同的尽管物质运动的层次性是由下而上逐步生成的,可这同时也意味着,在这一过程中总有一些新的性质和规律 会涌现出来,特殊地,这些新的性质和规律才是高级运动形式特点的真正表达,所以我们应当从层次论的角 度动身,坚决摒弃过去仍原论的方法论；在明确了熵和其次定律在刻画时间方向上的局限性以后,我们必