时间之箭

前言

序

第一章时间的形象

第二章牛顿物理学的兴起：时间失去了方向

第三章时间使爱因斯坦受挫

第四章时间的量子跃迁

第五章时间之箭：热力学

第六章创造性演化

第七章时间这箭与生命之箭

第八章统一的时间景象

第九章未结束的探索

前言

1977年诺贝尔化学奖获得者伊里亚.普里高津我十分高兴在此为彼得.柯文尼、罗杰.海菲尔德的这本书写篇前言。

时间有箭头吗?这问题自从苏格拉底以来，一直迷魅着西方的哲学家、科学家和艺术家。然而，在20世纪末期的今日，我们问这问题，情况与以前不同。对一个物理学家来说，20世纪的科学史可以分为三个阶段。首先是两项思想方案相对论和量子力学所产生的突破。其次是一些出入意料之外的事物的发现，包括“基本”粒子的不稳定性、演化宇宙论，以及包括诸如化学钟、决定性混沌等的非平衡结构。最后也就是现在，由于这些新的发展，我们必须对整个物理学作重新思考。

这里一个令人瞩目的特点是：所有这一切都强调着时间所扮演的角色。当然，在19世纪，人们都已经承认时间在生物学、社会科学等学科中的重要性。可是当时一般认为，物理描述的最基本层次是可以用决定性的、时间可逆的规律来表达，而时间箭头只相当于唯象层次的描述。这种立场在今日是很难站得住了。

现在我们知道，时间之箭在非平衡结构的形成之中，扮演着最重要的角色。近来的研究告诉我们，这些结构的演化可以在计算机上用按照动力学规律写的程序来模拟。因此很显然地，自我组织过程不会是某些唯象观假设的结果，而是内禀于某类动力系统之中的属性。

熵的意义，我们现在更能体会了。按照热力学第二定律，熵这个量总是在增加的，因此它赋予时间一个箭头。熵基本上是高度不稳定系统所具有的一个性质。这种系统，将在此书第六章和第八章详加讨论。要研究的东西还很多，许多问题仍是悬案。因此不足为奇，我不一定同意这本书里的每一句话。但是对作者所提倡的一般立场，我是同意的，即时间之箭是某些重要种类的动力系统中一个精确的性质。

这些问题是非常重要的，因此我热烈欢迎此书的写成。这本书科学水平很高，而同时能被较多的读者接受。彼得.柯文尼本人对此领域作过重要的贡献，因此撰写此书，尤其胜任。罗杰.海菲尔德的文笔流畅，使此书精彩可读。

1989年10月在明尼苏达州圣彼得城的古斯塔乌斯.阿道尔夫斯学院举行的诺贝尔会议，专门讨论了一个充满挑战性的题目：“科学的终结。”会议组织人写道：“越来越有这样的感觉……科学已不再能被当做一种统一的、普遍的客观努力。”他们接着写道：“如果科学只搞‘超历史的’普适的定律，而不理会社会性的、有时间性的、局部的事物，那我们就无法谈及科学本身以外某些的真情实况，而科学仅仅是反映而已。”这句话把“超历史的”规律和有时间性的知识对立起来。科学的确是在重新发现时间，这在某种意义上标志着对科学的传统看法的终结。但这难道是说科学本身完结了吗?的确，我上面已经提到，经典科学的研究方针是把全力集中在用决定性的、时间可逆的规律来描述世界。实际上，该计划从未完成过，这是因为，规律以外还需要事件，而事件在对自然的描述中引入时间之箭。屡次三番，经典科学的目的似乎就快完成了，但结果总是出了岔子。这种情况给予科学史几分戏剧性的紧张。例如，爱因斯坦的目的是把物理学表达为自然界的某种几何，可是广义相对论给现代宇宙论开路以后，遇到的却是所有事件中最惊人的事件：宇宙的诞生。

“规律一事件”二重性是西方思想史中一直在进行的争论的中心，这争论从苏格拉底以前的臆想，经过量子力学和相对论一直进行到我们这时代。伴随规律的是连续的展开，是可理解性，是决定性的预言，而最后是时间本身的否定。事件却意味着某种程度的任意性、概率以及不可逆的演化。我们必须承认我们是居住在一个二重性的宇宙里面，这宇宙既牵涉到规律，也牵涉到事件，既有必然，也有或然。我们所知道的事件之中，显然最关键的是和我们宇宙的创生和生命的形成有关联的事件。

“我们有一天能克服热力学第二定律吗?”阿西莫夫(Asimov)的科幻小说《最后的问题》中的世界文明不断地在问一台巨型计算机。计算机回答道：“资料不足。”亿万年过去了，星辰、星系都死了，而直接和时空联结的计算机仍在继续搜集资料。最后没有任何资料可以搜集了，不再“存在”任何事物了；可是计算机还是在那儿计算，在那儿找相关关系。

最后它得到答案了。那时候要知道这个答案的人也都不存在了，可是计算机知道了如何克服热力学第二定律。“于是光明出现……”对阿西莫夫来说，生命之出现、宇宙的诞生都是“反熵”的、非自然的事件。

此书是新思维框架的一个极好的介绍。这个新思维框架将导致一套既包括规律又包括事件的新物理学，将使我们对我们身处的世界有更好的了解。

　　“时间”仍是人类最难解答的谜之一，虽然当今重要科学理论都有它的踪迹，但是仍然缺乏明确的对"时间"的科学解释。例如：时间在很多重要的科学理论中没有方向，是“可逆的”。本书作者用精彩的语言，权威性地赋予时间方向感，并呼吁找出能涵盖时间箭头的全新理论。本书作者引导读者济览了所有企图解开时间奥秘的重要科学理论。他们探究时间的物理理论牛顿力学，爱因斯坦的相对论，量子理论与势力学以及考查更广泛的时间昭示：时间如何出现在诗、化学到生物学从“马维尔的双翼战车”和“生理时钟”到造成旅行时差和星期一早晨沮丧心情的原因。最后他们总结各种不同的时间阐释，描述出一种崭新方式赋予时间方向感，并呼吁要找出能涵盖时间箭头的全新理论。　　本书论证了现代科学理论关于时间的最普遍观点。时间就像一只箭，射向未知的前方，把过去永远留在后面。作者回顾了3个世纪的科学史，大胆地对牛顿力学、爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论、量子力学以及最近的混沌理论进行了重新解释。