試論時間方向的層次性

1、文檔編碼 : CG4Y7U9H9X7 HS6C2R2Q5B10 ZC6K1N1N9N905-0006-05 1 時間方向的理論說明及其問題時間是人類最早關注的哲學和科學問題之一,其中尤以時間的方向問題令人困惑,千百年來,人們對它的懂得莫衷一是；就時間方向的表現(xiàn)而言,眾所周知, 人們現(xiàn)在將其大致分為如下四類現(xiàn)象：熱力學時間 主要指各類熱力學系統(tǒng)在特定條件下自發(fā)趨于平衡態(tài)的不行逆性；生物學時間全部生物個體由生到死的不行逆性；宇宙學時間天文觀看所證明的現(xiàn)有宇宙膨脹的單向性；心理學時間 人們只能感覺、記憶過去發(fā)生的大事,而將來原就上只是一個由過去的情形推斷出來的可能的世界；如何懂得上述現(xiàn)象在時間維度上

2、過去與將來的不對稱性？第一個為科學界普遍接受的理論說明是熱力學其次定律 它是那樣的與眾不同：其他全部的物理學定律在時間上都是可逆的,惟有它說明白系統(tǒng)演化的確定方向即時間之矢；正由于如此,有人將其稱為宇宙學第確定律；其次定律在科學界的特殊位置仍在于,盡管時間的方向性可以劃分為上述四類,但從歷史上看,有人始終在努力將不同的時間現(xiàn)象統(tǒng)一仍原為微觀層次的熱力學時間,把一切方向都歸結到宇宙大爆炸之初那個特殊的條件 1；而且在當今有關系統(tǒng)演化的自組織理論等成為一種近乎包涵一切的理論框架時,像生物和宇宙的演化等被從熱力學角度予以說明,也是順理成章的事情；可見,熱力學其次定律,對于人們懂得時間的方向性,具有舉

3、足輕重的作用；但是,其次定律對時間方向的說明也有許多地方不能令人中意；第一從理論層面上看, 洛施密特 J. Loschmidt, 1821-1895早在 1876年就提出了所謂 “可逆佯謬 ” ：假如全部現(xiàn)象最終都可歸結為原子之間的相互作用,而且支配這種相互作用的力學規(guī)律在 時間上中意反演對稱性,那么由熱力學其次定律所說明的宏觀不行逆性究竟源自何處？從仍原的角度講,這是不行思議的；其次,從現(xiàn)象上看,人們從來沒有觀看一具死尸從地上爬起來將生前的次序倒過來再活一遍,或者灰 燼會自發(fā)地再轉(zhuǎn)化為木頭；這些事實與其次定律的概率表述所賜予人們的小概率承諾完全相悖；許多人對 此都提出過嚴格的批判 2 ；第三

4、,其次定律本身的局限性仍在于,它并不能說明、包涵一切不行逆現(xiàn)象；例如,依據(jù)人們通常的 懂得,時間的方向、因果的方向與熵增的方向以及人們的心理方向都是一樣的,即緣由先于結果,而且在 從緣由到結果的過程中,緣由作為一種狀態(tài)其熵小于結果,由此人們可以對過程的方向做出判定,可這一 點現(xiàn)在也受到了質(zhì)疑；看下面這個簡潔的問題：你是如何判定一段電影是正著放仍是倒著放呢？其實在有 些情形下這是特殊簡潔的事情,像一個人跳水,你可以依據(jù)水波的傳播方式這樣的常識輕松做出判定；但 是,當我們觀看在地板上滾動的小球時,無論如何我們無法判定出影片是正放仍是倒放的；當然你可以爭 辯,考慮到實際的摩擦力的存在,人們可以說小球

5、的速度減小時是正放,增加時是倒放；可小球在最初被 拋出時的速度也是增加的呀？另外,賴欣巴哈 H. Reichenbach, 1891-1953 仍爭辯過一個例子,假如我們看 到均勻的海灘上有一串清晰的腳印,我們決不會把它當成是成千上萬的沙子組成的系統(tǒng)由于自身漲落自發(fā)形成的圖案,而判定出確定是有人剛剛從沙灘上走過；但是賴欣巴哈指出,從類比的角度看,作為緣由的 均勻狀態(tài)的熵要大于作為結果的有腳印的熵,所以將因果過程的方向與熵的增減聯(lián)系在一起是不恰當?shù)?；不過,有人強調(diào),我們這里應當同時考慮沙灘之外的系統(tǒng) 人的作用；那么設想讓人在有限的范疇內(nèi)繼續(xù)隨機地走下去,試問你仍能從那些零亂的腳步中判定出時間的方

6、始終嗎？或者我們進一步追問,人的行 為轉(zhuǎn)變沙灘的宏觀狀態(tài)的熵的方式是怎樣的呢？于是,時間方向與熵變的對應關系變得更加復雜起來 3 ；至于與人相關的復雜的心理現(xiàn)象,一是由于其中的一些詳細機制尚不完全為人所知,我們無法確定心理過 程、對神經(jīng)的物理刺激與熵增之間的詳細關系；二是大腦所具有的記憶與聯(lián)想才能,意味著我們在與實際 的熵增與時間過程相脫節(jié)的情形下可以去想像一些事物 比如想像中的疼痛,由于與詳細的神經(jīng)刺激無關,所以也與實際的時間過程與熵增無關,甚至仍表現(xiàn)出確定的 可逆性 4 ；可見,人們在如何懂得時間的方向問題上仍面臨著許多困難,本文試圖從層次論的角度對上述問題做 出規(guī)律一樣的懂得；2 層次性

7、與時間方向 層次性的概念在當今系統(tǒng)科學及整體論成為科學與哲學界主流思想的氛圍中,已經(jīng)成為人們普遍接受 的觀點,它的核心思想,是強調(diào)整體和層次的獨立存在,反對一味地完全仍原；有一個淺顯的例子是化學 中的同素異形體如金剛石和石磨,從仍原的角度看,它們的微觀組成都是碳原子,那么其間的宏觀差別究 竟源于什么？在這里,事物的宏觀屬性相對于其微觀組成的獨立性早已不言自明；宏觀層次的獨立性仍表 現(xiàn)在不同層次上特有的一些嶄新的規(guī)律方面,例如即使拉普拉斯妖能夠知道和預言某一時刻宇宙中全部基 本粒子的運動,但是它也無法懂得經(jīng)濟現(xiàn)象,由于僅有微觀仍原是不夠的,它仍需要懂得經(jīng)濟學才行；這里需要提及的與層次相關的另一個

8、問題,就是層次的由來問題；這也牽涉到層次之間的關系是怎樣 的？回答這一問題的,是所謂的生成論；本人曾特地探討過這一問題 5 ,金吾倫先生就撰寫過一本專著,6 ；生成論的基本觀點是,在堅持整體論和層次的前提下,強調(diào)整體和層次的可說明 系統(tǒng)闡述了這一思想 性,從而排除了過去附著在有機論上面的奇妙顏色；無論如何, 層次論及生成論已經(jīng)成為我們懂得世界強有力的思想武器 對時間方向的懂得也不例外；第一看一下熵概念及其次定律的層次性；熵概念的提出和熱力學其次定律的發(fā)覺,是 19 世紀下半葉熱學與統(tǒng)計物理爭辯的重要成果之一；由于其次定律是當時唯獨一個與系統(tǒng)演化的方向相關的物理學定律,加之科學界盛行的仍原論思潮

9、,熵及其增 加幾乎成了人們最普遍使用的說明一切與事物演化方向準時間問題相關的理論工具,這種局面至今也沒有 太大的轉(zhuǎn)變；但是,由于人們始終沒有留意到熵概念及其次定律的層次性問題,我們在懂得事物演化與時 間方向的問題上遇到了許多難以克服的困惑；除了本文第一部分提到的那些,下面再看一些事例：例如,從目前特殊流行的熵與對稱性和序的關系來看,即越對稱的狀態(tài)越無序,其熵越大,那么冰作 為水的晶體,與水相比是有序仍是無序呢？熵是大仍是小呢？假如忽視了宏觀與微觀的不同角度,就會得 出完全不同的結論,從而使人們陷入到理論說明的困境之中；另外,從在說明系統(tǒng)演化機制中占有舉足輕重位置的負熵概念來看,也存在同樣的問題

10、：有 人籠統(tǒng)地把負熵流當作流入系統(tǒng)內(nèi)部的一種東西,那么設想讓食草動物和食肉動物互換一下食物,為什么 食物中的能量不能被吸??？或者說為什么沒有保護生命的“負熵 ” 流入這些動物的體內(nèi)？歸根結底,這些都是沒有留意到不同系統(tǒng)的區(qū)分或?qū)哟卧斐傻恼`會；因此,我們很早就提出,要留意熵概念的層次性 7 ；既然熵概念具有層次性,那么其次定律的層次性就是順理成章的事情；其次定律有宏觀和微觀兩種形 式；從其宏觀表述來看,當克勞修斯 R. Clausius, 1822-1888 開頭系統(tǒng)闡述其次定律的時候,他所依據(jù)的僅 僅是熱傳導的方向性,因此他所揭示的也僅僅是熱力學層次上的以及和熱力學有關的一類不行逆現(xiàn)象的規(guī) 律

11、；但是,不同的運動形式對應于不同層次的不行逆性,不同層次的不行逆機制就可能由完全不同的規(guī)律 所支配,這就意味著,在將其推廣到對其他層次的不行逆過程的描述時,一般會受到限制,或者不處于支 配位置；其次定律的宏觀表述的局限性在其微觀表述中得到了確定的克服,那是由于熱力學概率的數(shù)學本 質(zhì),已賜予熵一種嶄新的普適含義,但同時它也給人們懂得不行逆現(xiàn)象帶來了一些新的問題,例如上面提到的,它并沒有禁止對一些“不行違反的鐵的法就”的自然規(guī)律的違反,而是說那種違反的發(fā)生只是概率極小而已；但這微不足道的機遇卻簡潔給人造成一種錯覺,或者說其次定律的微觀表述使人們對不行逆性的 懂得產(chǎn)生了嚴肅偏差,其中得失,我們已作過

12、詳細爭辯 8 ；除此之外,有關這方面問題的其他爭辯,我們 下面仍會談到；總之,熵概念和其次定律的層次性的核心,是強調(diào)不同層次的不行逆性之間的區(qū)分；以此為前提,我 們來探討與不行逆性親熱相關的時間問題；如上所述,時間不行逆現(xiàn)象大致可以分為四類,我們先看熱力學時間：大家最熟識的熱力學時間方向,是由大量分子或原子組成的孤立的熱力學系統(tǒng)從非平穩(wěn)走向平穩(wěn)的過 程,即平穩(wěn)態(tài)作為平常吸引子成了時間之矢的箭靶；但是,自組織理論等已從多方面為我們揭示出更為普 遍的開放系統(tǒng)處在非平穩(wěn)態(tài)的情形,即耗散系統(tǒng)中可以有眾多類型的吸引子,特殊是混沌這種奇妙吸引子 引起了人們的廣泛關注和爭辯；這說明,被克勞修斯當年認定為唯獨

13、吸引中心的熱力學平穩(wěn)態(tài),其實只扮 演了一個一般角色,平穩(wěn)態(tài)并非全部過程的歸宿；系統(tǒng)經(jīng)過不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,完全有可能趨向新的吸引中心；總之,這些吸引子的存在,引入了新的時間的箭靶,進一步說明白平穩(wěn)的局限性,從而在更普遍的意義上表達了準備物質(zhì)隨時間演化的新的基本外形及其豐富 性,而且不同系統(tǒng)、不同吸引子的形成條件和作用機理,實質(zhì)上也蘊涵了不行逆的層次性,即時間的層次 性；這種時間的層次性在下面天文、生物和心理時間的詳細情形中得到了更充分的表達；天文學時間,是與宇宙的發(fā)生與進展相聯(lián)系的；依據(jù)熱力學的說明,宇宙的演化是熵隨時間不斷增加的過程,所以羅杰 彭羅斯 R. Penrose, 1931- 等才

14、提出了在宇宙演化之初其熵最小的假說；他曾經(jīng)特地“計算”過宇宙在大爆炸發(fā)生時所處條件的特殊性,指出產(chǎn)生我們這樣一個宇宙的概率是極其微小的,大約為 1/10101239 ,與此概率相聯(lián)系的熵當然也最低；實際上,宇宙產(chǎn)生的初始條件的特殊性本身就賜予了 天文學時間區(qū)分于其他時間的性質(zhì)；另外現(xiàn)有的宇宙中仍有類似于暗能量、暗物質(zhì)之類的許多未解之謎,這些因素對宇宙學時間的影響現(xiàn)在也是無法預知的；所以,宇宙學時間的特殊性或曰層次性或許是我們相 當長時間內(nèi)需要爭辯的課題；再看生物學時間,依據(jù)目前不完全的爭辯,生物的生長發(fā)育在很大程度上取決于各種激素的分泌,另外生物體的壽命也受制于某些細胞老化及細胞分裂所能達到的

15、最高次數(shù)的限制；當然這都是從惟象的角度 講的,從更深化的微觀角度看,生物的一切性狀都由其遺傳基因所準備,即準備生物學時間的最終緣由應 該是 DNA ,明顯,這種機制完全不同于熱力學,也不同于化學,從而說明白生物學時間自身的特性所在；至于心理學時間,眾所周知,在過去與將來之間,橫亙著一條永久無法逾越的鴻溝,那就是人們只能知道 過去發(fā)生了什么,但永久不會知道將來是什么樣子的！當然這里絲毫不存在熱力學小概率所答應的那種可 逆性；上述分析已經(jīng)充分說明,不同的時間方向,其機制、表現(xiàn)等具有確定程度的不行比性,甚至是完全不 同的；我們將不同時間之間的區(qū)分稱之為時間的層次性；這種區(qū)分的合理性仍在于,像熱力學,

16、生物學,心理學等現(xiàn)象也的確處在物質(zhì)運動形式的不同層面上,而且有低級與高級之分；假如承認了時間的層次性,我們就需要在這一新的基礎上來懂得時間,或者說需要重新看待我們過去 對時間方向的理論說明,這正是本文下面將要探討的問題；3 懂得時間方向的如干策略 時間的層次性問題的提出,使我們必需重新凝視有關時間現(xiàn)象的熵描述與其次定律在科學界的位置問 題 熵描述是最普遍和最基本的理論說明嗎？其次定律仍是宇宙學第確定律嗎？我們的考察先從與熵聯(lián)系最緊的熱力學系統(tǒng)開頭；大家知道,依據(jù)概率或統(tǒng)計的本意,統(tǒng)計效應是不 能回避統(tǒng)計漲落的；例如,盡管熱力學平穩(wěn)態(tài)與偏離它的任何狀態(tài)相比無疑是最可幾的,但是任何可能的 非平穩(wěn)態(tài)

17、都存在著實現(xiàn)的概率 或許很?。贿@意味著,假定系統(tǒng)開頭處于非平穩(wěn)態(tài),雖然我們可以預期 系統(tǒng)變化的方向,但是仍然存在反向漲落,而且當我們考慮只有幾個粒子的微觀系統(tǒng)時,偏離常常會特殊 明顯；假如像通常所認為的那樣,熵增標志著時間的流向,那么反向漲落是否意味著時間的倒流？10 有 人爭議道, 這種隨機漲落并沒有違反其次定律,由于它實質(zhì)上是描寫明顯的熱流而不是分子的隨機漲落的；但是,從統(tǒng)計的觀點看,明顯的熱流與漲落在現(xiàn)象上是等價的；其次,即使在忽視漲落的條件下,其次定 律的概率形式對時間的指向性的規(guī)定亦有局限；明顯,熱力學平穩(wěn)態(tài)涉及的只是熱力學系統(tǒng)演化的終態(tài),因而也就是時間的終點,這是否意味著平穩(wěn)一旦達

18、到,時間就停止了？盡管與平穩(wěn)態(tài)相聯(lián)系的時間停止是 局部和暫時的,僅限于某一孤立系統(tǒng)的范疇,但它卻暗含了時間與不行逆性之間的區(qū)分；另外仍有人分析 道,平穩(wěn)態(tài)中既然不顯現(xiàn)時間坐標,它就不行以用來描述能使時間明顯表現(xiàn)的過程；一個更有意思的說法 是,“ 平穩(wěn)態(tài)熱力學所做的預言,就像一個算命先生對你說將來會死,但是他根本就不知道你馬上要和你的 情人約會；對于一個基于其次定律及其對變化的說明的理論,這樣一個結論看來是特殊令人敗興的”11；其實,上面這些概率對時間的規(guī)定所遇到的困難,歸結到一點,即是愛因斯坦所斷言的：“ 不行逆性是玻爾 茲曼引進的概率概念的一種后果”,由于 “概率事先假定了一個時間方向”12

19、,所以不能用來導出時間之矢；其次定律在天文學時間上的應用也遇到了不小的困難；依據(jù)標準的宇宙模型,極早期宇宙應當是全部 基本粒子處在近平穩(wěn)的均勻分布的狀態(tài),換言之,這時的熵應當是最大,而不是像彭羅斯說的那么小,從 而也不會有宇宙的熵隨時間變得越來越大的演化趨勢 13 ；其次考慮到宇宙演化的另外一種可能,即現(xiàn)今 的宇宙雖然是膨脹的,但或許有一天這種趨勢會發(fā)生逆轉(zhuǎn)而開頭收縮；特殊是考慮到目前天文學界的爭辯 熱點暗物質(zhì)、暗能量的情形,這種可能或許會更大；這意味著,宇宙在時間上將最終顯現(xiàn)出對稱的特點,即像在科學界流行的看法推測 的那樣,除卻宇宙大爆炸這樣一個不同平常的開頭,宇宙將迎來一個類似的大坍縮的結

20、局；一般地,對于宇宙演化膨脹的每一時刻的狀態(tài),在宇宙收縮的過程中都有一個與之對應的狀態(tài)；這種可能的對稱狀態(tài)的存在,有兩種含義,第一是對應狀態(tài)的熵是相等的,這是否意味著時間的倒流？另外這種對應的結果是宇宙在后半 段時間里熵變的趨勢是削減,這兩個結果都與熱力學其次定律所指示的方向相反；至于生物學,由于系統(tǒng)的詳細機制更加豐富和復雜,用熵去描述這一過程變得更加困難了,特殊地,如 果試圖將心腦問題完全歸結為熱力學統(tǒng)計熵,這種做法明顯是荒謬的,由于我們可以不通過詳細直接的神經(jīng) 刺激去想象疼嗎？并且這個過程與統(tǒng)計熵相關的偶然特點一點也沒有！雖然我們在摸索時需要我們自己活著 必需消耗確定的物質(zhì)和能量 有人常將這一過程泛指為輸入了負熵,但這些流入的物質(zhì)、能量與疼的 想象之間根本不會有任何直接的關系！綜上所述,盡管熱力學運動在物質(zhì)運動形式中處于基礎位置,盡管熵概念的概率形式擴展了它的含義和 適用范疇,但用統(tǒng)一的熵描述來表達全部的時間現(xiàn)象是不恰當?shù)?這是由于不同的時間其本質(zhì)是不同的盡管物質(zhì)運動的層次性是由下而上逐步生成的,可這同時也意味著,在這一過程中總有一些新的性質(zhì)和規(guī)律 會涌現(xiàn)出來,特殊地,這些新的性質(zhì)和規(guī)律才是高級運動形式特點的真正表達,所以我們應當從層次論的角 度動身,堅決摒棄過去仍原論的方法論；在明確了熵和其次定律在刻畫時間方向上的局限性以后,我們必