（時間管理）試論時間方向的層次性

1、（時間管理）試論時間方向的層次性6 / 6試論時間方向的層次性StudyontheHierarchyofDirectionofTime 論文作者董春雨論文關鍵詞熵/熱力學第二定律/時間方向/層次性,論文來源自然辯證法研究,論文單位京,點擊次數(shù) 198,論文頁數(shù) 610 頁 2008 年 2008 月論文網(wǎng)中圖分類號：N031 文獻標志碼：A 文章編號：1000-8934(2008)05-0006-051 時間方向的理論解釋及其問題時間是人類最早關注的哲學和科學問題之壹,其中尤以時間的方向問題令人迷惑,千百年來,人們對它的理解莫衷壹是。就時間方向的表現(xiàn)而言,眾所周知,人們當下將其大致分為如下四類

2、現(xiàn)象：熱力學時間主要指各類熱力學系統(tǒng)于特定條件下自發(fā)趨于平衡態(tài)的不可逆性；生物學時間所有生物個體由生到死的不可逆性；宇宙學時間天文觀察 所證實的現(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)生的事件,而未來原則上只是壹個由過去的情形推斷ft來的可能的世界。如何理解上述現(xiàn)象于時間維度上過去和未來的不對稱性？第壹個為科學界普遍接受的理論解釋是熱力學第二定律它是那樣的和眾不同：其他所有的物理學定律于時間上均是可逆的,惟有它表明了系統(tǒng)演化的確定方向即時間之矢。正因為如此,有人將其稱為宇宙學第壹定律。第二定律于科學界的獨特地位仍于于,盡管時間的方向性能夠劃分為上述四類,但從歷史上見,有人壹直于

3、努力將不同的時間現(xiàn)象統(tǒng)壹仍原為微觀層次的熱力學時間,把壹切方向均歸結到宇宙大爆炸之初那個特殊的條件1。而且于當今有關系統(tǒng)演化的自組織理論等成為壹種近乎包容壹切的理論框架時,像生物和宇宙的演化等被從熱力學角度予以解釋,也是順理成章的事情?？梢?熱力學第二定律,對于人們理解時間的方向性,具有舉足輕重的作用?？墒?第二定律對時間方向的解釋也有許多地方不能令人滿意。首先從理論層面上見,洛施密特(J.Loschmidt,1821-1895) 早于 1876 年就提ft了所謂“可逆佯謬”：假如所有現(xiàn)象最終均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)律于時間上滿足反演對稱性,那么由熱力學第二定

4、律所表明的宏觀不可逆性究竟源自何處？從仍原的角度講,這是不可思議的。其次,從現(xiàn)象上見,人們從來沒有見見壹具死尸從地上爬起來將生前的順序倒過來再活壹遍,或者灰燼會自發(fā)地再轉化為木頭。這些事實和第二定律的概率表述所給予人們的小概率承諾完全相悖。許多人對此均提ft過嚴厲的批評2。第三,第二定律本身的局限性仍于于,它且不能解釋、包容壹切不可逆現(xiàn)象。例如,按照人們通常的理解,時間的方向、因果的方向和熵增的方向以及人們的心理方向均是壹致的, 即原因先于結果,而且于從原因到結果的過程中,原因作為壹種狀態(tài)其熵小于結果,由此人們能夠對過程的方向做ft判斷,可這壹點當下也受到了質疑。見下面這個簡單的問題： 你是如

5、何判斷壹段電影是正著放仍是倒著放呢？其實于有些情況下這是非常簡單的事情, 像壹個人跳水,你能夠根據(jù)水波的傳播方式這樣的常識輕松做ft判斷?？墒?當我們觀察于地板上滾動的小球時,無論如何我們無法判斷ft影片是正放仍是倒放的。當然你能夠爭辯,考慮到實際的摩擦力的存于,人們能夠說小球的速度減小時是正放,增加時是倒放?？尚∏蛴谧畛醣粧乫t時的速度也是增加的呀？另外,賴欣巴哈(H.Reichenbach,1891-1953) 仍討論過壹個例子,如果我們見到均勻的海灘上有壹串清晰的腳印,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,而判斷ft壹定是有人剛剛從沙灘上走過?？墒琴囆腊?/p>

6、哈指ft,從類比的角度見,作為原因的均勻狀態(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和熵的增減聯(lián)系于壹起是不恰當?shù)?。不過,有人強調,我們這里應該同時考慮沙灘之外的系統(tǒng)人的作用。那么設想讓人于有限的范圍內(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斷ft時間的方向來嗎？或者我們進壹步追問,人的行為改變沙灘的宏觀狀態(tài)的熵的方式是怎樣的呢？于是,時間方向和熵變的對應關系變得更加復雜起來3。至于和人關聯(lián)的復雜的心理現(xiàn)象,壹是由于其中的壹些具體機制尚不完全為人所知,我們無法確定心理過程、對神經(jīng)的物理刺激和熵增之間的具體關系；二是大腦所具有的記憶和聯(lián)想能力,意味著我們于和實際的熵增和時間過

7、程相脫節(jié)的情況下能夠去想像壹些事物比如想像中的疼痛,由于和具體的神經(jīng)刺激無關,所以也和實際的時間過程和熵增無關,甚至仍表現(xiàn)ft壹定的可逆性4?？梢?人們于如何理解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ft邏輯壹致的理解。2 層次性和時間方向層次性的概念于當今系統(tǒng)科學及整體論成為科學和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,是強調整體和層次的獨立存于,反對壹味地徹底仍原。有壹個淺顯的例子是化學中的同素異形體如金剛石和石磨,從仍原的角度見,它們的微觀 組成均是碳原子,那么其間的宏觀差別究竟源于什么？于這里,事物的宏觀屬性相對于其 微觀組成的

8、獨立性早已不言自明。宏觀層次的獨立性仍表當下不同層次上特有的壹些嶄新 的規(guī)律方面,例如即使拉普拉斯妖能夠知道和預言某壹時刻宇宙中所有基本粒子的運動, 可是它也無法理解經(jīng)濟現(xiàn)象,因為僅有微觀仍原是不夠的,它仍需要懂得經(jīng)濟學才行。這里需要提及的和層次關聯(lián)的另壹個問題,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？回答這壹問題的,是所謂的生成論。本人曾專門探討過這壹問題5,金吾倫先生則撰寫過壹本專著,系統(tǒng)闡述了這壹思想6。生成論的基本觀點是,于堅持整體論和層次的前提下,強調整體和層次的可解釋性,從而消除了過去附著于有機論上面的神秘色彩。無論如何,層次論及生成論已經(jīng)成為我們理解世界強有力的思想

9、武器對時間方向的理解也不破例。首先見壹下熵概念及第二定律的層次性。熵概念的提ft和熱力學第二定律的發(fā)現(xiàn),是 19 世紀下半葉熱學和統(tǒng)計物理研究的重要成果之壹。由于第二定律是當時唯壹壹個和系統(tǒng)演化的方向關聯(lián)的物理學定律,加之科學界盛行的仍原論思潮,熵及其增加幾乎成了人們最普遍使用的解釋壹切和事物演化方向及時間問題關聯(lián)的理論工具,這種局面至今也沒有太大的改變?？墒?由于人們壹直沒有注意到熵概念及第二定律的層次性問題,我們于理解事物演化和時間方向的問題上遇到了許多難以克服的困惑。除了本文第壹部分提到的那些,下面再見壹些事例：例如,從目前非常流行的熵和對稱性和序的關系來見,即越對稱的狀態(tài)越無序,其熵越

10、大, 那么冰作為水的晶體,和水相比是有序仍是無序呢？熵是大仍是小呢？如果忽視了宏觀和微觀的不同角度,就會得ft完全不同的結論,從而使人們陷入到理論解釋的困境之中。另外,從于解釋系統(tǒng)演化機制中占有舉足輕重地位的負熵概念來見,也存于同樣的問題：有人籠統(tǒng)地把負熵流當作流入系統(tǒng)內(nèi)部的壹種東西,那么設想讓食草動物和食肉動物互換壹下食物,為什么食物中的能量不能被吸收？或者說為什么沒有維持生命的“負熵”流入這些動物的體內(nèi)？歸根結底,這些均是沒有注意到不同系統(tǒng)的區(qū)別或層次造成的誤解。因此,我們很早就提ft,要注意熵概念的層次性7。既然熵概念具有層次性,那么第二定律的層次性就是順理成章的事情。第二定律有宏觀和微

11、觀倆種形式。從其宏觀表述來見,當克勞修斯(R.Clausius,1822-1888)開始系統(tǒng)闡述第二定律的時候,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壹類不可逆現(xiàn)象的規(guī)律?？墒?不同的運動形式對應于不同層次的不可逆性,不同層次的不可逆機制則可能由完全不同的規(guī)律所支配,這就意味著,于將其推廣到對其他層次的不可逆過程的描述時,壹般會受到限制,或者不處于支配地位。第二定律的宏觀表述的局限性于其微觀表述中得到了壹定的克服,那是由于熱力學概率的數(shù)學本質,已賦予熵壹種嶄新的普適含義,但同時它也給人們理解不可逆現(xiàn)象帶來了壹些新的問題,例如上面提到的,它且沒有禁

12、止對壹些“不可違背的鐵的法則”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容易給人造成壹種錯覺,或者說第二定律的微觀表述使人們對不可逆性的理解產(chǎn)生了嚴重偏差,其中得失, 我們已作過詳細討論8。除此之外,有關這方面問題的其他討論,我們下面仍會談到?？傊?熵概念和第二定律的層次性的核心,是強調不同層次的不可逆性之間的區(qū)別。以此為前提,我們來探討和不可逆性密切關聯(lián)的時間問題。如上所述,時間不可逆現(xiàn)象大致能夠分為四類,我們先見熱力學時間：大家最熟悉的熱力學時間方向,是由大量分子或原子組成的孤立的熱力學系統(tǒng)從非平衡走向平衡的過程,即平衡態(tài)作為尋常吸引子成了時間之矢的箭靶。

13、可是,自組織理論等已從多方面為我們揭示ft更為普遍的開放系統(tǒng)處于非平衡態(tài)的情況,即耗散系統(tǒng)中能夠有眾多類型的吸引子,特別是混沌這種奇異吸引子引起了人們的廣泛關注和研究。這表明,被克勞修斯當年認定為唯壹吸引中心的熱力學平衡態(tài),其實只扮演了壹個普通角色,平衡態(tài)且非所有過程的歸宿；系統(tǒng)經(jīng)過不同狀態(tài)之間的轉換,完全有可能趨向新的吸引中心?？傊?這些吸引子的存于,引入了新的時間的箭靶,進壹步表明了平衡的局限性,從而于更普遍的意義上表達了決定物質隨時間演化的新的基本形態(tài)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, 實質上也蘊涵了不可逆的層次性,即時間的層次性。這種時間的層次性于下面天文、生物

14、和心理時間的具體情形中得到了更充分的體現(xiàn)。天文學時間,是和宇宙的發(fā)生和發(fā)展相聯(lián)系的。按照熱力學的解釋,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-)等才提ft了于宇宙演化之初其熵最小的假說。他曾經(jīng)專門“計算”過宇宙于大爆炸發(fā)生時所處條件的特殊性,指ft產(chǎn)生我們這樣壹個宇宙的概率是極其微小的,大約為 1/(1010)1239,和此概率相聯(lián)系的熵當然也最低。實際上,宇宙誕生的初始條件的特殊性本身就賦予了天文學時間區(qū)別于其他時間的性質。另外現(xiàn)有的宇宙中仍有類似于暗能量、暗物質之類的許多未解之謎,這些因素對宇宙學時間的影響當下也是無法預知的。所以,宇宙

15、學時間的特殊性或曰層次性也許是我們相當長時間內(nèi)需要研究的課題。再見生物學時間,根據(jù)目前不完全的研究,生物的生長發(fā)育于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最高次數(shù)的限制。當然這均是從惟象的角度講的,從更深入的微觀角度見,生物的壹切性狀均由其遺傳基因 所決定,即決定生物學時間的最終原因應該是 DNA,顯然,這種機制完全不同于熱力學,也不同于化學,從而表明了生物學時間自身的特性所于。至于心理學時間,眾所周知,于過去和未來之間,橫亙著壹條永遠無法逾越的鴻溝,那就是人們只能知道過去發(fā)生了什么, 但永遠不會知道未來是什么樣子的！當然這里絲毫不存于熱力學小

16、概率所允許的那種可逆性。上述分析已經(jīng)充分表明,不同的時間方向,其機制、表現(xiàn)等具有壹定程度的不可比性,甚至是完全不同的。我們將不同時間之間的區(qū)別稱之為時間的層次性。這種區(qū)分的合理性仍于于,像熱力學,生物學,心理學等現(xiàn)象也確實處于物質運動形式的不同層面上,而且有低級和高級之分。如果承認了時間的層次性,我們就需要于這壹新的基礎上來理解時間,或者說需要重新見待我們過去對時間方向的理論解釋,這正是本文下面將要探討的問題。3 理解時間方向的若干策略時間的層次性問題的提ft,使我們必須重新審視有關時間現(xiàn)象的熵描述和第二定律于科學界的地位問題熵描述是最普遍和最基本的理論解釋嗎？第二定律仍是宇宙學第壹定律嗎？我

17、們的考察先從和熵聯(lián)系最緊的熱力學系統(tǒng)開始。大家知道,按照概率或統(tǒng)計的本意,統(tǒng) 計效應是不能回避統(tǒng)計漲落的。例如,盡管熱力學平衡態(tài)和偏離它的任何狀態(tài)相比無疑是 最可幾的,可是任何可能的非平衡態(tài)均存于著實現(xiàn)的概率也許很小。這意味著,假定 系統(tǒng)開始處于非平衡態(tài),雖然我們能夠預期系統(tǒng)變化的方向,可是仍然存于反向漲落,而 且當我們考慮只有幾個粒子的微觀系統(tǒng)時,偏離常常會非常明顯。如果像通常所認為的那 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 種隨機漲落且沒有違背第二定律,因為它實質上是描寫明顯的熱流而不是分子的隨機漲落 的?？墒?從統(tǒng)計的觀點見,明顯的熱流和漲落于現(xiàn)

18、象上是等價的。第二,即使于忽略漲 落的條件下,第二定律的概率形式對時間的指向性的規(guī)定亦有局限。顯然,熱力學平衡態(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,這是否意味著平衡壹旦達到, 時間就停止了？盡管和平衡態(tài)相聯(lián)系的時間停止是局部和暫時的,僅限于某壹孤立系統(tǒng)的 范圍,但它卻暗含了時間和不可逆性之間的區(qū)別。另外仍有人分析道,平衡態(tài)中既然不ft 現(xiàn)時間坐標,它就不能夠用來描述能使時間明顯表現(xiàn)的過程。壹個更有意思的說法是,“平 衡態(tài)熱力學所做的預言,就像壹個算命先生對你說將來會死,可是他根本就不知道你馬上 要和你的情人約會。對于壹個基于第二定律及其對變化的解釋的理論,這樣壹個結論見來

19、是非常令人失望的”11。其實,上面這些概率對時間的規(guī)定所遇到的困難,歸結到壹點, 即是愛因斯坦所斷言的：“不可逆性是玻爾茲曼引進的概率概念的壹種后果”,因為“概 率事先假定了壹個時間方向”12,所以不能用來導ft時間之矢。第二定律于天文學時間上的應用也遇到了不小的困難。按照標準的宇宙模型,極早期宇宙應該是所有基本粒子處于近平衡的均勻分布的狀態(tài),換言之,這時的熵應該是最大,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壹種可能,即現(xiàn)今的宇宙雖然是膨脹的,但也許有壹天這種趨勢會發(fā)生逆轉而開始收縮；特別是考慮到目前天文學界的研究熱點暗物質、暗

20、能量的情況,這種可能也許會更大。這意味著,宇宙于時間上將最終呈現(xiàn)ft對稱的特征,即像于科學界流行的見法預測的那樣,除卻宇宙大爆炸這樣壹個不同尋常的開頭,宇宙將迎來壹個類似的大坍縮的結局。壹般地,對于宇宙演化膨脹的每壹時刻的狀態(tài),于宇宙收縮的過程中均有壹個和之對應的狀態(tài)。這種可能的對稱狀態(tài)的存于,有倆種含義,首先是對應狀態(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于后半段時間里熵變的趨勢是減少,這倆個結果均和熱力學第二定律所指示的方向相反。至于生物學,由于系統(tǒng)的具體機制更加豐富和復雜,用熵去描述這壹過程變得更加困難了, 特別地,如果試圖將心腦問題完全歸結為熱力學統(tǒng)計熵,這種做

21、法顯然是荒謬的,因為我們能夠不通過具體直接的神經(jīng)刺激去想象疼嗎？且且這個過程和統(tǒng)計熵關聯(lián)的偶然特征壹點也沒有！雖然我們于思考時需要我們自己活著必須消耗壹定的物質和能量有人常將這壹過程泛指為輸入了負熵,但這些流入的物質、能量和疼的想象之間根本不會有任何直接的關系！綜上所述,盡管熱力學運動于物質運動形式中處于基礎地位,盡管熵概念的概率形式擴展了它的含義和適用范圍,但用統(tǒng)壹的熵描述來表達所有的時間現(xiàn)象是不恰當?shù)?這是因為不同的時間其本質是不同的盡管物質運動的層次性是由下而上逐漸生成的,可這同時也意味著,于這壹過程中總有壹些新的性質和規(guī)律會涌現(xiàn)ft來,特別地,這些新的性質和規(guī)律才是高級運動形式特點的真正體現(xiàn),所以我們應該從層次論的角度ft發(fā),堅決摒棄過去仍原論的方法論。于明確了熵和第二定律于刻畫時