试论时间方向的层次性（doc）

试论时间方向的层次性（doc） 试论时间方向的层次性 Study on the Hierarchy of Direction of Time 论文作者 董春雨 论文关键词 熵/热力学第二定律/时间方向/层次性 ,论文来源 自然辩证法研究,论文单位 京,点击次数 198,论文页数 6:10页2008年2008月论文网 中图分类号:N031 文献标志码:A 文章编号:1000-8934(2008)05-0006-05 1 时间方向的理论解释及其问 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迷惑，千百年来，人们对它的理解莫衷一是。就时间方向的现而言，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可逆性,生物学时间——所有生物个体由生到死的不可逆性,宇宙学时间——天文观察所证实的现有宇宙膨胀的单向性,心理学时间——人们只能感觉、记忆过去发生的事件，而未来原则上 只是一个由过去的情形推断出来的可能的世界。 如何理解上述现象在时间维度上过去与未来的不对称性,第一个为科学界普遍接受的理论解释是热力学第二定律——它是那样的与众不同:其他所有的物理学定律在时间上都是可逆的，惟有它表明了系统演化的确定方向即时间之矢。正因为如此，有人将其称为宇宙学第一定律。第二定律在科学界的独特地位还在于，尽管时间的方向性可以划分为上述四类，但从历史上看，有人一直在努力将不同的时间现象统一还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容一切的理论框架时，像生物和宇宙的演化等被从热力学角度予以解释，也是顺理成章的事情。可见，热力学第二定律，对于人们理 解时间的方向性，具有举足轻重的作用。 但是，第二定律对时间方向的解释也有许多地方不能令人满意。首先从理论层面上看，洛施密特(J. Loschmidt, 1821-1895)早在1876年就提出了所 谓“可逆佯谬”:假如所有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满足反演对称性，那么由热力学第二定律所表明的宏观不可逆性究 竟源自何处,从还原的角度讲，这是不可思议的。 其次，从现象上看，人们从来没有看见一具死尸从地上爬起来将生前的顺序倒过来再活一遍，或者灰烬会自发地再转化为木头。这些事实与第二定律的概率表述所给予人们的 小概率承诺完全相悖。许多人对此都提出过严厉的批评[2]。 第三，第二定律本身的局限性还在于，它并不能解释、包容一切不可逆现象。例如，按照人们通常的理解，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致的，即原因先于结果，而且在从原因到结果的过程中，原因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断，可这一点现在也受到了质疑。看下面这个简单的问题:你是如何判断一段电影是正着放还是倒着放呢,其实在有些情况下这是非常简单的事情，像一个人跳水，你可以根据水波的传播方式这样的常识轻松做出判断。但是，当我们观察在地板上滚动的小球时，无论如何我们无法判断出影片是正放还是倒放的。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)还讨论过一个例子，如果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，而判断出一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，作为原因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，我们这里应该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围内继续随机地走下去，试问你还能从那些零乱的脚步中判断出时间的方向来吗,或者我们进一步追问，人的行为改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具体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具体关系,二是大脑所具有的记忆与联想能力，意味着我们在与实际的 熵增与时间过程相脱节的情况下可以去想像一些事物——比如 想像中的疼痛，由于与具体的神经刺激无关，所以也与实际的时间过程与熵增无关，甚至 还表现出一定的可逆性[4]。 可见，人们在如何理解时间的方向问题上还面临着许多困难，本文试图从层次论的角 度对上述问题做出逻辑一致的理解。 2 层次性与时间方向 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，反对一味地彻底还原。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，从还原的角度看，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。宏观层次的独立性还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所有基本粒子的运动，但是它也无法理解经济现象，因为仅有微观还原是不够的，它还需要懂得经济学才 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。本人曾专门探讨过这一问题[5]，金吾伦先生则撰写过一本专著，系统阐述了这一思想[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解释性，从而消除了过去附着在有机论上面的 神秘色彩。 无论如何，层次论及生成论已经成为我们理解世界强有力的思想武器——对时间方向 的理解也不例外。 首先看一下熵概念及第二定律的层次性。 熵概念的提出和热力学第二定律的发现，是19世纪下半叶热学与统计物理研究的重要成果之一。由于第二定律是当时唯一一个与系统演化的方向相关的物理学定律，加之科学界盛行的还原论思潮，熵及其增加几乎成了人们最普遍使用的解释一切与事物演化方向及时间问题相关的理论工具，这种局面至今也没有太大的改变。但是，由于人们一直没有注意到熵概念及第二定律的层次性问题，我们在理解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，从目前非常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，与水相比是有序还是无序呢,熵是大还是小呢,如果忽视了 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解释 的困境之中。另外，从在解释系统演化机制中占有举足轻重地位的负熵概念来看，也存在同样的问题: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收,或者说为什么没有维持生命的“负熵”流入这些动物的体内,归根结底，这些都是没有注意到不同系统的区别或层次造成 的误解。因此，我们很早就提出，要注意熵概念的层次性[7]。 既然熵概念具有层次性，那么第二定律的层次性就是顺理成章的事情。第二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)开始系统阐述第二定律的时候，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可逆现象的规律。但是，不同的运动形式对应于不同层次的不可逆性，不同层次的不可逆机制则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可逆过程的描述时，一般会受到限制，或者不处于支配地位。第二定律的宏观表述的局限性在其微观表述中得到了一定的克服，那是由于热力学概率的数学本质，已赋予熵一种崭新的普适含义，但同时它也给人们理解不可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“不可违背的铁的法则”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容易给人造成一种错觉，或者说第二定律的微观表述使人们对不可逆性的理解产生了严重偏差，其中得失，我们已作过详细讨论[8]。除此之外，有关这方面问题的其他讨论，我们下面还会谈到。 总之，熵概念和第二定律的层次性的核心，是强调不同层次的不可逆性之间的区别。 以此为前提，我们来探讨与不可逆性密切相关的时间问题。 如上所述，时间—不可逆现象大致可以分为四类，我们先看热力学时间: 大家最熟悉的热力学时间方向，是由大量分子或原子组成的孤立的热力学系统从非平衡走向平衡的过程，即平衡态作为寻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衡态的情况，即耗散系统中可以有众多类型的吸引子，特别是混沌这种奇异吸引子引起了人们的广泛关注和研究。这表明，被克劳修斯当年认定为唯一吸引中心的热力学平衡态，其实只扮演了一个普通角色，平衡 态并非所有过程的归宿,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，进一步表明了平衡的局限性，从而在更普遍的意义上表达了决定物质随时间演化的新的基本形态及其丰富性，而且不同系统、不同吸引子的形成条件和作用机理，实质上也蕴涵了不可逆的层次性，即时间的层次性。这种时间的层次性在下面天文、生物 和心理时间的具体情形中得到了更充分的体现。 天文学时间，是与宇宙的发生与发展相联系的。按照热力学的解释，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-)等才提出了在宇宙演化之初其熵最小的假说。他曾经专门“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/(10[10])123[9]，与此概率相联系的熵当然也最低。实际上，宇宙诞生的初始条件的特殊性本身就赋予了天文学时间区别于其他时间的性质。另外现有的宇宙中还有类似于暗能量、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也许是我 们相当长时间内需要研究的课题。 再看生物学时间，根据目前不完全的研究，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最高次数的限制。当然这都是从惟象的角度讲的，从更深入的微观角度看，生物的一切性状都由其遗传基因所决定，即决定生物学时间的最终原因应该是DNA，显然，这种机制完全不同于热力学，也不同于化学，从而表明了生物学时间自身的特性所在。至于心理学时间，众所周知，在过去与未来之间，横亘着一条永远无法逾越的鸿沟，那就是人们只能知道过去发生了什么，但永远不会知道未来是什么样子的,当然这里丝毫不存在热力学小概率所允许 的那种可逆性。 上述已经充分表明，不同的时间方向，其机制、表现等具有一定程度的不可比性，甚至是完全不同的。我们将不同时间之间的区别称之为时间的层次性。这种区分的合理性还在于，像热力学，生物学，心理学等现象也确实处在物质运动形式的不同层面上，而且 有低级与高级之分。 如果承认了时间的层次性，我们就需要在这一新的基础上来理解时间，或者说需要重 新看待我们过去对时间方向的理论解释，这正是本文下面将要探讨的问题。 3 理解时间方向 的若干策略 时间的层次性问题的提出，使我们必须重新审视有关时间现象的熵描述与第二定律在科学界的地位问题——熵描述是最普遍和最基本的理论解释吗,第二定律还是宇宙学第 一定律吗, 我们的考察先从与熵联系最紧的热力学系统开始。大家知道，按照概率或统计的本意，统计效应是不能回避统计涨落的。例如，尽管热力学平衡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衡态都存在着实现的概率——也许很小。这意味着，假定系统开始处于非平衡态，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，偏离常常会非常明显。如果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背第二定律，因为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。第二，即使在忽略涨落的条件下，第二定律的概率形式对时间的指向性的规定亦有局限。显然，热力学平衡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，这是否意味着平衡一旦达到，时间就停止了,尽管与平衡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围，但它却暗含了时间与不可逆性之间的区别。另外还有人分析道，平衡态中既然不出现时间坐标，它就不可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，“平衡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。对于一个基于第二定律及其对变化的解释的理论，这样一个结论看来是非常令人失望的”[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:“不可逆性是玻尔兹曼引进的概率概念的一种后果”，因为“概 率事先假定了一个时间方向”[12]，所以不能用来导出时间之矢。 第二定律在天文学时间上的应用也遇到了不小的困难。按照的宇宙模型，极早期宇宙应该是所有基本粒子处在近平衡的均匀分布的状态，换言之，这时的熵应该是最大，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，但也许有一天这种趋势会发生逆转而开始收缩,特别是考虑到目前天文学界的研究热点暗物质、暗能量的情况 ，这种可能也许会更大。这意味着，宇宙在时间上将最终呈现出对称的特征，即像在科学界流行的看法预测的那样，除却宇宙大爆炸这样一个不同寻常的开头，宇宙将迎来一个类似的大坍缩的结局。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，首先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减少，这两个结果都与热力学第二定律所指示的方向相反。 至于生物学，由于系统的具体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，特别地，如果试图将心脑问题完全归结为热力学统计熵，这种做法显然是荒谬的，因为我们可以不通过具体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征一点也没有～虽然我们在思考时需要我们自己活着——必须消耗一定的物质和能量——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地位，尽管熵概念的概率形式扩 展了它的含义和适用范围，但用统一的熵描述来表达所有的时间现象是不恰当的，这是因为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渐生成的，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，特别地，这些新的性质和规律才是高级运动形式特点的真正体现，所以我们应该从层次论的角度出发，坚决摒弃过去还原论的方法论。 在明确了熵和第二定律在刻画时间方向上的局限性以后，我们必须在一种更加宽广的背景中去理解时间的方向性。 其一，像上面提到的，在忽略涨落的条件下，当热力学系统一旦演化到它的平衡态时，系统就失去了变化的可能，于是与变化相联系的时间也无法度量了。其实，更为普遍地，每个具体的系统的寿命都是有限的，如生命个体，甚至我们的宇宙都是如此。当一个系统停止发展了，甚至彻底瓦解、消亡了，那么与该系统联系在一起的具体时间也终止了。可见，我们在这里强调时间的层次性，恰恰是在强调时间的具体性，在强调时间作为物质运动形式与物质运动不可分离的本性，这与关于时间的一般哲学观念达到了高度一致。 其二，时间的这种具体性又迫使我们更加深入地思考时间与“方向”之间的关系。其实，自然界中的方向有很多，如地球引力的方向，还有因果的方向等，其中任何一种在过去和未来之间呈现出来的不对称特征都可以和时间的方向进行类比，由此展现出来的时间方向的不同特征，恰恰体现了时间的层次性，体现了物质运动的层次性。但同时我们也要清醒地意识到，由于时间与这些不同的方向之间所建立起来的对应关系，也许仅仅是一种偶然的巧合——像在过去，由于第二定律是第一个定量化的与方向有关的科学定律，人们才有了用熵增来解释所有方向的做法，才有了把第二定律当作宇宙学第一定律的说法。现在看来，这种做法显得有些短视，或者至少是不得已而为之吧。无疑，这种偶然性使时间与其他方向之间多元化的对应关系变得更加复杂了。尽管如此，我们依然需要追问:这些不同的时间之间有什么样的关系,哪种时间是最基本的,哪些时间又是派生出来的,[14]由此，有关时间的研究将会更加走向深入，让我们共同期待～ 收稿日期:2008-01-21