（時(shí)間管理）試論時(shí)間方向的層次性

1、（時(shí)間管理）試論時(shí)間方向的層次性6 / 6試論時(shí)間方向的層次性StudyontheHierarchyofDirectionofTime 論文作者董春雨論文關(guān)鍵詞熵/熱力學(xué)第二定律/時(shí)間方向/層次性,論文來源自然辯證法研究,論文單位京,點(diǎn)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(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-8934(2008)05-0006-051 時(shí)間方向的理論解釋及其問題時(shí)間是人類最早關(guān)注的哲學(xué)和科學(xué)問題之壹,其中尤以時(shí)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(shí)間方向的表現(xiàn)而言,眾所周知,人們當(dāng)下將其大致分為如下四類

2、現(xiàn)象：熱力學(xué)時(shí)間主要指各類熱力學(xué)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(xué)時(shí)間所有生物個(gè)體由生到死的不可逆性；宇宙學(xué)時(shí)間天文觀察 所證實(shí)的現(xiàn)有宇宙膨脹的單向性；心理學(xué)時(shí)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(gè)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(shí)間維度上過去和未來的不對稱性？第壹個(gè)為科學(xué)界普遍接受的理論解釋是熱力學(xué)第二定律它是那樣的和眾不同：其他所有的物理學(xué)定律于時(shí)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(shí)間之矢。正因?yàn)槿绱?有人將其稱為宇宙學(xué)第壹定律。第二定律于科學(xué)界的獨(dú)特地位仍于于,盡管時(shí)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(shí)間現(xiàn)象統(tǒng)壹仍原為微觀層次的熱力學(xué)時(shí)間,把壹切方向均歸結(jié)到宇宙大爆炸之初那個(gè)特殊的條件1。而且于當(dāng)今有關(guān)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(shí),像生物和宇宙的演化等被從熱力學(xué)角度予以解釋,也是順理成章的事情?？梢?熱力學(xué)第二定律,對于人們理解時(shí)間的方向性,具有舉足輕重的作用。可是,第二定律對時(shí)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(jié)為原子之間的相互作用,而且支配這種相互作用的力學(xué)規(guī)律于時(shí)間上滿足反演對稱性,那么由熱力學(xué)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(zhuǎn)化為木頭。這些事實(shí)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(yán)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(shí)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(jié)果,而且于從原因到結(jié)果的過程中,原因作為壹種狀態(tài)其熵小于結(jié)果,由此人們能夠?qū)^程的方向做ft判斷,可這壹點(diǎn)當(dāng)下也受到了質(zhì)疑。見下面這個(gè)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(shí)于有些情況下這是非常簡單的事情, 像壹個(gè)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(dāng)我們觀察于地板上滾動的小球時(shí),無論如何我們無法判斷ft影片是正放仍是倒放的。當(dāng)然你能夠爭辯,考慮到實(shí)際的摩擦力的存于,人們能夠說小球的速度減小時(shí)是正放,增加時(shí)是倒放?？尚∏蛴谧畛醣粧乫t時(shí)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(gè)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(dāng)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(jié)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(dāng)?shù)?。不過,有人強(qiáng)調(diào),我們這里應(yīng)該同時(shí)考慮沙灘之外的系統(tǒng)人的作用。那么設(shè)想讓人于有限的范圍內(nèi)繼續(xù)隨機(jī)地走下去,試問你仍能從那些零亂的腳步中判斷ft時(shí)間的方向來嗎？或者我們進(jìn)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(shí)間方向和熵變的對應(yīng)關(guān)系變得更加復(fù)雜起來3。至于和人關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的心理現(xiàn)象,壹是由于其中的壹些具體機(jī)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(guān)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(shí)際的熵增和時(shí)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(guān),所以也和實(shí)際的時(shí)間過程和熵增無關(guān),甚至仍表現(xiàn)ft壹定的可逆性4?？梢?人們于如何理解時(shí)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(shí)間方向?qū)哟涡缘母拍钣诋?dāng)今系統(tǒng)科學(xué)及整體論成為科學(xué)和哲學(xué)界主流思想的氛圍中,已經(jīng)成為人 們普遍接受的觀點(diǎn),它的核心思想,是強(qiáng)調(diào)整體和層次的獨(dú)立存于,反對壹味地徹底仍原。有壹個(gè)淺顯的例子是化學(xué)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(dú)立性早已不言自明。宏觀層次的獨(dú)立性仍表當(dāng)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(yù)言某壹時(shí)刻宇宙中所有基本粒子的運(yùn)動, 可是它也無法理解經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象,因?yàn)閮H有微觀仍原是不夠的,它仍需要懂得經(jīng)濟(jì)學(xué)才行。這里需要提及的和層次關(guān)聯(lián)的另壹個(gè)問題,就是層次的由來問題；這也牽涉到層次之間的關(guān)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(diǎn)是,于堅(jiān)持整體論和層次的前提下,強(qiáng)調(diào)整體和層次的可解釋性,從而消除了過去附著于有機(jī)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(qiáng)有力的思想

9、武器對時(shí)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(xué)第二定律的發(fā)現(xiàn),是 19 世紀(jì)下半葉熱學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理研究的重要成果之壹。由于第二定律是當(dāng)時(shí)唯壹壹個(gè)和系統(tǒng)演化的方向關(guān)聯(lián)的物理學(xué)定律,加之科學(xué)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(shí)間問題關(guān)聯(lián)的理論工具,這種局面至今也沒有太大的改變。可是,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(shí)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(guān)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(jié)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(jī)制中占有舉足輕重地位的負(fù)熵概念來見,也存于同樣的問題：有人籠統(tǒng)地把負(fù)熵流當(dāng)作流入系統(tǒng)內(nèi)部的壹種東西,那么設(shè)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(fù)熵”流入這些動物的體內(nèi)？歸根結(jié)底,這些均是沒有注意到不同系統(tǒng)的區(qū)別或?qū)哟卧斐傻恼`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(dāng)克勞修斯(R.Clausius,1822-1888)開始系統(tǒng)闡述第二定律的時(shí)候,他所依據(jù)的僅僅是熱傳導(dǎo)的方向性,因此他所揭示的也僅僅是熱力學(xué)層次上的以及和熱力學(xué)有關(guān)的壹類不可逆現(xiàn)象的規(guī)律?？墒?不同的運(yùn)動形式對應(yīng)于不同層次的不可逆性,不同層次的不可逆機(jī)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(shí),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(xué)概率的數(shù)學(xué)本質(zhì),已賦予熵壹種嶄新的普適含義,但同時(shí)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(jī)遇卻容易給人造成壹種錯(cuò)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(yán)重偏差,其中得失, 我們已作過詳細(xì)討論8。除此之外,有關(guān)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(qiáng)調(diào)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(guān)聯(lián)的時(shí)間問題。如上所述,時(shí)間不可逆現(xiàn)象大致能夠分為四類,我們先見熱力學(xué)時(shí)間：大家最熟悉的熱力學(xué)時(shí)間方向,是由大量分子或原子組成的孤立的熱力學(xué)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(shí)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(guān)注和研究。這表明,被克勞修斯當(dāng)年認(rèn)定為唯壹吸引中心的熱力學(xué)平衡態(tài),其實(shí)只扮演了壹個(gè)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(zhuǎn)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(shí)間的箭靶,進(jìn)壹步表明了平衡的局限性,從而于更普遍的意義上表達(dá)了決定物質(zhì)隨時(shí)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(jī)理, 實(shí)質(zhì)上也蘊(yùn)涵了不可逆的層次性,即時(shí)間的層次性。這種時(shí)間的層次性于下面天文、生物

14、和心理時(shí)間的具體情形中得到了更充分的體現(xiàn)。天文學(xué)時(shí)間,是和宇宙的發(fā)生和發(fā)展相聯(lián)系的。按照熱力學(xué)的解釋,宇宙的演化是熵隨時(shí)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(jì)算”過宇宙于大爆炸發(fā)生時(shí)所處條件的特殊性,指ft產(chǎn)生我們這樣壹個(gè)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(dāng)然也最低。實(shí)際上,宇宙誕生的初始條件的特殊性本身就賦予了天文學(xué)時(shí)間區(qū)別于其他時(shí)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(xué)時(shí)間的影響當(dāng)下也是無法預(yù)知的。所以,宇宙

15、學(xué)時(shí)間的特殊性或曰層次性也許是我們相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)需要研究的課題。再見生物學(xué)時(shí)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(xì)胞老化及細(xì)胞分裂所能達(dá)到的最高次數(shù)的限制。當(dāng)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(xué)時(shí)間的最終原因應(yīng)該是 DNA,顯然,這種機(jī)制完全不同于熱力學(xué),也不同于化學(xué),從而表明了生物學(xué)時(shí)間自身的特性所于。至于心理學(xué)時(shí)間,眾所周知,于過去和未來之間,橫亙著壹條永遠(yuǎn)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(yuǎn)不會知道未來是什么樣子的！當(dāng)然這里絲毫不存于熱力學(xué)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(shí)間方向,其機(jī)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(shí)間之間的區(qū)別稱之為時(shí)間的層次性。這種區(qū)分的合理性仍于于,像熱力學(xué),生物學(xué),心理學(xué)等現(xiàn)象也確實(shí)處于物質(zhì)運(yùn)動形式的不同層面上,而且有低級和高級之分。如果承認(rèn)了時(shí)間的層次性,我們就需要于這壹新的基礎(chǔ)上來理解時(shí)間,或者說需要重新見待我們過去對時(shí)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(shí)間方向的若干策略時(shí)間的層次性問題的提ft,使我們必須重新審視有關(guān)時(shí)間現(xiàn)象的熵描述和第二定律于科學(xué)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(xué)第壹定律嗎？我

17、們的考察先從和熵聯(lián)系最緊的熱力學(xué)系統(tǒng)開始。大家知道,按照概率或統(tǒng)計(jì)的本意,統(tǒng) 計(jì)效應(yīng)是不能回避統(tǒng)計(jì)漲落的。例如,盡管熱力學(xué)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(shí)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(yù)期系統(tǒng)變化的方向,可是仍然存于反向漲落,而 且當(dāng)我們考慮只有幾個(gè)粒子的微觀系統(tǒng)時(shí),偏離常常會非常明顯。如果像通常所認(rèn)為的那 樣,熵增標(biāo)志著時(shí)間的流向,那么反向漲落是否意味著時(shí)間的倒流？10有人爭議道,這 種隨機(jī)漲落且沒有違背第二定律,因?yàn)樗鼘?shí)質(zhì)上是描寫明顯的熱流而不是分子的隨機(jī)漲落 的?？墒?從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)見,明顯的熱流和漲落于現(xiàn)

18、象上是等價(jià)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(shí)間的指向性的規(guī)定亦有局限。顯然,熱力學(xué)平衡態(tài) 涉及的只是熱力學(xué)系統(tǒng)演化的終態(tài),因而也就是時(shí)間的終點(diǎn),這是否意味著平衡壹旦達(dá)到, 時(shí)間就停止了？盡管和平衡態(tài)相聯(lián)系的時(shí)間停止是局部和暫時(shí)的,僅限于某壹孤立系統(tǒng)的 范圍,但它卻暗含了時(shí)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(shí)間坐標(biāo),它就不能夠用來描述能使時(shí)間明顯表現(xiàn)的過程。壹個(gè)更有意思的說法是,“平 衡態(tài)熱力學(xué)所做的預(yù)言,就像壹個(gè)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(gè)基于第二定律及其對變化的解釋的理論,這樣壹個(gè)結(jié)論見來

19、是非常令人失望的”11。其實(shí),上面這些概率對時(shí)間的規(guī)定所遇到的困難,歸結(jié)到壹點(diǎn), 即是愛因斯坦所斷言的：“不可逆性是玻爾茲曼引進(jìn)的概率概念的壹種后果”,因?yàn)椤案?率事先假定了壹個(gè)時(shí)間方向”12,所以不能用來導(dǎo)ft時(shí)間之矢。第二定律于天文學(xué)時(shí)間上的應(yīng)用也遇到了不小的困難。按照標(biāo)準(zhǔn)的宇宙模型,極早期宇宙應(yīng)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(shí)的熵應(yīng)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(shí)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(zhuǎn)而開始收縮；特別是考慮到目前天文學(xué)界的研究熱點(diǎn)暗物質(zhì)、暗

20、能量的情況,這種可能也許會更大。這意味著,宇宙于時(shí)間上將最終呈現(xiàn)ft對稱的特征,即像于科學(xué)界流行的見法預(yù)測的那樣,除卻宇宙大爆炸這樣壹個(gè)不同尋常的開頭,宇宙將迎來壹個(gè)類似的大坍縮的結(jié)局。壹般地,對于宇宙演化膨脹的每壹時(shí)刻的狀態(tài),于宇宙收縮的過程中均有壹個(gè)和之對應(yīng)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(yīng)狀態(tài)的熵是相等的,這是否意味著時(shí)間的倒流？另外這種對應(yīng)的結(jié)果是宇宙于后半段時(shí)間里熵變的趨勢是減少,這倆個(gè)結(jié)果均和熱力學(xué)第二定律所指示的方向相反。至于生物學(xué),由于系統(tǒng)的具體機(jī)制更加豐富和復(fù)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(jié)為熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)熵,這種做

21、法顯然是荒謬的,因?yàn)槲覀兡軌虿煌ㄟ^具體直接的神經(jīng)刺激去想象疼嗎？且且這個(gè)過程和統(tǒng)計(jì)熵關(guān)聯(lián)的偶然特征壹點(diǎn)也沒有！雖然我們于思考時(shí)需要我們自己活著必須消耗壹定的物質(zhì)和能量有人常將這壹過程泛指為輸入了負(fù)熵,但這些流入的物質(zhì)、能量和疼的想象之間根本不會有任何直接的關(guān)系！綜上所述,盡管熱力學(xué)運(yùn)動于物質(zhì)運(yùn)動形式中處于基礎(chǔ)地位,盡管熵概念的概率形式擴(kuò)展了它的含義和適用范圍,但用統(tǒng)壹的熵描述來表達(dá)所有的時(shí)間現(xiàn)象是不恰當(dāng)?shù)?這是因?yàn)椴煌臅r(shí)間其本質(zhì)是不同的盡管物質(zhì)運(yùn)動的層次性是由下而上逐漸生成的,可這同時(shí)也意味著,于這壹過程中總有壹些新的性質(zhì)和規(guī)律會涌現(xiàn)ft來,特別地,這些新的性質(zhì)和規(guī)律才是高級運(yùn)動形式特點(diǎn)的真正體現(xiàn),所以我們應(yīng)該從層次論的角度ft發(fā),堅(jiān)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(shí)