確定性的終結(jié)——時間、混沌與新自然法則.doc

確定性的終結(jié)時間、混沌與新自然法則伊利亞.普利高津著湛敏譯中文版序我非常高興本書被譯成中文，將為中國讀者所接受。這也給我一個機會來強調(diào)本書的一個重要觀點科學(xué)與文化的聯(lián)系。日本科學(xué)家湯川秀樹指出：“聽起來也許奇怪，身為一名物理學(xué)家，我卻越來越強烈地感受到現(xiàn)代物理學(xué)與我自身的疏遠?！蔽鞣娇茖W(xué)強調(diào)“自然法則”思想，這與中國的傳統(tǒng)形成鮮明對照，因為，自然之中文字面意義是“天然”。西方科學(xué)和西方哲學(xué)一貫強調(diào)主體與客體之間的二元性，這與注重天人合一的中國哲學(xué)相悖。本書所闡述的結(jié)果把現(xiàn)代科學(xué)拉近中國哲學(xué)。自組織的宇宙也是“自發(fā)”的世界，它表達一種與西方科學(xué)的經(jīng)典還原論不同的整體自然觀。我們愈益接近兩種文化傳統(tǒng)的交匯點。我們必須保留已證明相當成功的西方科學(xué)的分析觀點，同時必須重新表述把自然的自發(fā)性和創(chuàng)造性囊括在內(nèi)的自然法則。本書的雄心正是以一種廣大讀者易于接受的方式闡述這一綜合。自本書于1996年問世以來，沿著這條思路又取得了更多的進展。在本世紀末，我們并非面對科學(xué)的終結(jié)，而是目睹新科學(xué)的萌生。我衷心希望，中國青年一代科學(xué)家能為創(chuàng)建這一新科學(xué)作出貢獻。最后，我要感謝湛敏女士對本書的翻譯，感謝上?？萍冀逃霭嫔绯霭姹緯闹形陌?。I普利高津1998年8月 5日于布魯塞爾致謝本書有著某種不尋常的歷史。起初，斯唐熱和我只想把我們合著的書在時間與永恒之間譯成英文出版。我們準備了若干個版本：一個是德文版，另一個是俄文版。但與此同時，在我們研究的數(shù)學(xué)表述方面取得了重要的進展。結(jié)果，我們放棄了原書的翻譯工作，著手寫一個新的版本，即最近出版的法文版確定性的終結(jié)。斯唐熱要求在這本新著中不作為合著者，而只作為合作者出現(xiàn)。我對她滿懷感激并尊重她的意愿，但我想強調(diào)指出，沒有她的幫助，本書是不可能寫就的。我要對她表示最誠摯的感謝。本書是布魯塞爾學(xué)派和奧斯丁學(xué)派數(shù)十年研究工作的結(jié)果。雖然物理思想早已明晰，但它們精確的數(shù)學(xué)表述只是在最近幾年才得到。在這里，我想對這個學(xué)派的年輕成員和熱心的合作者表達感激之情，他們對構(gòu)成本書基礎(chǔ)的時間之本性問題的新表述作出了重要貢獻。我要特別提到布魯塞爾的安東尼烏（Ioannis Antoniou），奧斯丁的德里貝（DeanDriebe）、長谷川（Hiroshi Hasegawa）和彼得羅斯基（Tomio Petrosky），以及京都的多崎（Shuichi Tasaki）。我還要提到我在布魯塞爾的老同事，他們奠定了使進一步進展成為可能的基礎(chǔ)。我感謝伯列斯庫（Radu Balescu），德哈恩（Michel de Haan），埃寧（Francoise Henin），喬治（Claude George），格雷科斯（Alkis Grecos）和邁內(nèi)（Femand Mayne）。遺憾的是，雷西博斯（Pierre Resibois）和羅森菲爾德（Leon Rosenfeld）不再和我們在一起了。沒有許多機構(gòu)的持續(xù)支持，本書呈現(xiàn)的工作是無法完成的。我特別感謝比利時的法蘭西共同體，比利時聯(lián)邦政府，布魯塞爾的國際索爾維研究所，美國能源部，歐洲聯(lián)盟，以及得克薩斯的韋爾奇基金會。英語不是我的母語，所以我非常感謝得克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的蘇達尚（ECGeorge Sudarshan）博士和德里貝博士，以及倫敦的洛爾蒂默（David Lortimer）博士，他們仔細閱讀了本書。我還要感謝我的法國出版商奧迪勒雅各布（Odile Jacob）女士，她鼓勵我撰寫這本新著。感謝我在美國的編輯莫羅（Stophen Morrow）和肖布哈特（Judyth Schauhut），他們幫助我準備本書的英文版。我堅信，我們正處在科學(xué)史中的一個重要轉(zhuǎn)折點上。我們走到了伽利略和牛頓所開辟的道路的盡頭，他們給我們描繪了一個時間可逆的確定性宇宙的圖景。我們現(xiàn)在卻看到確定性的腐朽和物理學(xué)定律新表述的誕生。作者附言我力求本書通俗易懂，為廣大讀者所接受。然而，特別是在第五章和第六章，我決定涉及較多的專門細節(jié)，因為我提交的許多結(jié)果顯著偏離傳統(tǒng)觀點。盡管本書是數(shù)十年研究的成果，卻仍有許多問題有待解答。但考慮到我們每個人的生命有涯，我的工作成果就如此奉獻給大家。我不是想邀請讀者來參觀考古博物館，而是想讓讀者領(lǐng)略科學(xué)探險的樂趣。引言一種新的理性？本世紀初，波普爾（Karl Popper）在他所著的開放的宇宙關(guān)于非決定論的論爭一書中寫道：“常識傾向于認為每一事件總是由在先的某些事件所引起，所以每個事件是可以解釋或預(yù)言的。另一方面，常識又賦予成熟而心智健全的人在兩種可能的行為之間自由選擇的能力?！边@一詹姆斯（Wlliam James）所稱的“決定論的二難推理”與時間的含義密切相關(guān)。未來是給定的還是不斷變化的結(jié)構(gòu)？這個二難推理對每個人都非常重要，因為時間是我們存在的基本維度。正是把時間結(jié)合到伽利略物理學(xué)概念體系之中，標志著近代科學(xué)的起源。人類思想這一成就也是本書所述核心問題的根源，即對時間之失的否定。眾所周知，愛因斯坦（Albert Einstein）常常說：“時間是一種錯覺?！钡拇_，物理學(xué)基本定律所描述的時間，從經(jīng)典的牛頓動力學(xué)到相對論和量子力學(xué)，均未包含過去與未來之間的任何區(qū)別。甚至對于今日的許多物理學(xué)家而言，這已是一種信念：就自然的基本描述而言，不存在什么時間之矢。然而，無論在化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、宇宙學(xué)、生物學(xué)或者人文學(xué)科領(lǐng)域，處處都可以見到未來和過去扮演著不同的角色。從物理學(xué)描述的時間對稱的世界如何產(chǎn)生時間之矢？這就是時間詳謬本書的中心議題之一。時間佯謬是在19世紀下半葉維也納物理學(xué)家玻爾茲曼（Ludwig Boltzfmann）的研究工作之后被確認的，他試圖仿效達爾文（Charles Darwinn）在生物學(xué)中的研究，系統(tǒng)闡述物理學(xué)中的演化方法。但在當時，牛頓物理學(xué)定律長期被公認為客觀知識的典范。由于牛頓定律隱含著過去與未來之間的等價性，因而，任何賦予時間之矢以基本意義的嘗試均因危及到這一典范而受到抵制。牛頓定律在它適用的領(lǐng)域被認為是終極完善的，這有點像今天許多物理學(xué)家把量子力學(xué)看作是終極完善的一樣。那么，在不破壞人類思想的這些驚人成就的情況下，我們?nèi)绾我雴蜗驎r間呢？自從玻爾茲曼以來，時間之矢被貶低到現(xiàn)象學(xué)范疇。我們?nèi)俗鳛椴煌晟频挠^測者，通過我們對自然的描述中引入近似，造成了過去與未來之間的差異。這依然是盛行的科學(xué)說法，有些專家悲嘆我們立于科學(xué)無能為力和無法解決的奧秘面前。我們相信不再會是這樣了，原因在于最近的兩個進展：一方面是非平衡物理學(xué)，另一方面是肇始于混沌概念的不穩(wěn)定系統(tǒng)動力學(xué)，二者都取得了長足的進展。在過去幾十年間，一門新學(xué)科非平衡過程物理學(xué)誕生了。這門新學(xué)科產(chǎn)生了像自組織和耗散結(jié)構(gòu)這樣一些概念，如今它們廣泛應(yīng)用于許多學(xué)科，包括宇宙學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)以及生態(tài)學(xué)和社會科學(xué)。非平衡過程物理學(xué)描述了單向時間效應(yīng)，為不可逆性這一術(shù)語給出了新的含義。過去，時間之矢只是通過像擴散或粘性這樣的簡單過程出現(xiàn)在物理學(xué)中，在通常的時間可逆動力學(xué)未作任何擴展的情況下，這是可以理解的。但今天已非同以往。我們現(xiàn)在知道，不可逆性導(dǎo)致了諸如渦旋形成、化學(xué)振蕩和激光等許多新現(xiàn)象，所有這些現(xiàn)象都說明了時間之矢至關(guān)重要的建設(shè)性作用。不可逆性再也不會被認為是一種如果我們具備了完善的知識就會消失的表象。不可逆性導(dǎo)致了相干，其影響包含億萬個粒子。形象地說：不具備時間之矢的平衡態(tài)物質(zhì)，是“盲目的”；具備了時間之矢，它才開始“看見”。沒有這種起因于不可逆非平衡過程的相干，很難想象地球上會出現(xiàn)生命。因此，斷言時間之矢“僅僅是現(xiàn)象學(xué)的”，或者是主觀的，皆屬荒謬。我們確實是時間之矢之子、演化之子，而不是其祖先。修正時間概念的第二個重要進展是不穩(wěn)定系統(tǒng)的物理學(xué)表述。經(jīng)典科學(xué)強調(diào)有序和穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，反過來，我們在觀測的所有層次上都看到了漲落、不穩(wěn)定性、多種選擇和有限可預(yù)測性，像混沌這樣的思想已變得相當流行，影響著從宇宙學(xué)到經(jīng)濟學(xué)，實際上所有科學(xué)領(lǐng)域的思想。我們將要表明，我們現(xiàn)在可以擴展經(jīng)典物理學(xué)和量子物理學(xué)以包括不穩(wěn)定性和混沌。這樣，我們會得到適合于描述我們的演化宇宙的自然法則的一種表述，其中包含時間之矢，而過去和未來也不再扮演對稱的角色。從經(jīng)典觀點包括量子力學(xué)和相對論來看，自然法則表達確定性。只要給定了適當?shù)某跏紬l件，我們就能夠用確定性來預(yù)言未來，或“溯言”過去。一旦包括了不穩(wěn)定性，情況就不再是這樣了，自然法則的意義發(fā)生了根本變化，因為自然法則現(xiàn)在表達可能性或概率。我們在此與西方思想的基本傳統(tǒng)之一（對確定性的信念）相抵觸。如同吉熱澤（gerd Gigerenzer）等人在機遇帝國一書中所述，“盡管2000年來的科學(xué)劇變把亞里士多德（Aristotle）與巴黎的貝爾納（Claude Bernard）分開，他們至少共享一種信念：科學(xué)與原因有關(guān)，與機遇無涉。康德（Kant）甚至鼓吹構(gòu)成所有科學(xué)知識必要條件的普適的因果決定論?！比欢?，也存在反對的呼聲。大物理學(xué)家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）就談到“一種新型的知識”會克服決定論的偏見。但總的來說，盛行的觀點是，概率是心智的狀態(tài)，不是世界的狀態(tài)。盡管量子力學(xué)已把統(tǒng)計概念囊括于物理學(xué)核心之中，如今仍然如此，但量子力學(xué)的基本對象波函數(shù)卻滿足確定性的時間可逆方程。要引人概率和不可逆性，量子力學(xué)的正統(tǒng)表述需要一個觀測者。觀測者可以通過觀測在時間對稱的宇宙中引入不可逆性。再者，像在時間樣謬中一樣，從某種意義上說，我們對宇宙的演化模式負有責任。觀測者的這種作用，給量子力學(xué)涂上了主觀色彩。這也是妨礙愛因斯坦認可量子力學(xué)的主要原因。它引起了無休止的爭論。把不可逆性或者時間流引入到量子理論中，觀測者的作用是一個必要的概念。然而，一旦證明不穩(wěn)定性破壞了時間對稱性，觀測者就不再重要了。解決了時間樣謬，我們也就解決了量子佯謬，從而得到一個新的、量子論的實在論表述。這并不意味著回到經(jīng)典決定論的正統(tǒng)觀念，恰恰相反，我們超出了與傳統(tǒng)量子論定律相聯(lián)系的確定性，強調(diào)概率的基本作用。無論在經(jīng)典物理學(xué)還是在量子物理學(xué)中，基本定律現(xiàn)在表達概率。我們不僅需要定律，而且需要把完全新穎的要素引入自然描述的事件。這種新要素使我們得到麥克斯韋所期望的“新型的知識”。對于經(jīng)典概率論的奠基人之一棣莫弗（Abraham De Moivre）來說，機遇既無法定義也難以理解。我們將表明，我們現(xiàn)在能夠把概率包括到物理學(xué)基本定律的表述之中。只要做到這一點，牛頓確定論就破產(chǎn)了；未來不再由過去所確定，過去與未來之間的對稱性被打破了。這使我們面對最困難的問題：什么是時間之源？時間起源于大爆炸，還是先于我們的宇宙而存在？這些問題把我們置于空間和時間的邊緣。詳細解釋我們主張的宇宙學(xué)含義，需要寫一本專著。扼要地說，我們認為，“大爆炸”是與產(chǎn)生我們宇宙的介質(zhì)內(nèi)的不穩(wěn)定性相聯(lián)系的一個事件，它標志著我們宇宙的起源，但不代表時間的起源。盡管我們的宇宙有年齡，但產(chǎn)生我們宇宙的介質(zhì)卻沒有年齡。時間沒有開端，也許亦無終點。但是在這里，我們開始涉足臆測的世界。本書的主要目的是提出低能區(qū)內(nèi)自然法則的表述。這是宏觀物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的領(lǐng)域，亦是人類存在實實在在發(fā)生的領(lǐng)域。時間和決定論難題，自從前蘇格拉底學(xué)者以來一直是西方思想的核心。在一個確定性世界里，我們?nèi)绾螛?gòu)想人的創(chuàng)造力或行動準則呢？這一問題反映了西方人文主義傳統(tǒng)中存在的深刻的矛盾，這個傳統(tǒng)強調(diào)兩個方面，即知識和客觀性的重要性，以及個體責任和民主理想所蘊含的自由選擇。波普爾和其他許多哲學(xué)家都指出，只要自然單純由確定性科學(xué)所描述，我們就面臨無法解決的難題。把我們與自然界分離開來，是現(xiàn)代精神難以接受的一種二元論。我們在本書中的目標是顯示我們現(xiàn)在能夠克服這一障礙。倘若如塔納斯（Richard Tarnas）所述，“西方世界的激情在于與其存在的基礎(chǔ)重新統(tǒng)一”，那么說我們正在接近我們激情的目標也許并不為過。人類正處于一個轉(zhuǎn)折點上，正處于一種新理性的開端。在這種新理性中，科學(xué)不再等同于確定性，概率不再等同于無知。我們完全贊同勒克萊爾（YVor Leclerc）的看法，他說：“在本世紀，我們遇到繼牛頓物理學(xué)在18世紀取得勝利以