确定性的终结-普利高津.pdf

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1、北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/index.html2011-10-11 8:33:23 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 The End of CERTAINTY:Time,Chaos,and the New Laws of Nature By ILYA PRIGOGINE 确定性的终结 时间、混沌与新自然法则 伊利亚.普利高津 著 湛敏 译 中文版序 致谢 作者附言 引言 一种新的理性？ 第一章 伊壁鸠鲁的二难推理 第二章 仅仅是一种错觉？ 第三章 从概率到不可逆性 第四章 混沌定律 第五章 超越牛顿定

2、律 第六章 量子理论的统一表述 第七章 我们与自然的对话 第八章 时间先于存在？ 第九章 一条窄道 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certaintyIndex.htm2011-10-11 8:33:24 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 The End of CERTAINTY:Time,Chaos,and the New Laws of Nature By ILYA PRIGOGINE 确定性的终结 时间、混沌与新自然法则 伊利亚.普利高津 著 湛敏 译 中文版序

3、致谢 作者附言 引言 一种新的理性？ 第一章 伊壁鸠鲁的二难推理 第二章 仅仅是一种错觉？ 第三章 从概率到不可逆性 第四章 混沌定律 第五章 超越牛顿定律 第六章 量子理论的统一表述 第七章 我们与自然的对话 第八章 时间先于存在？ 第九章 一条窄道 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty01.htm2011-10-11 8:33:24 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 中文版序 我非常高兴本书被译成中文，将为中国读者所接受。这也给我一个机会来强调 本书的

4、一个重要观点科学与文化的联系。日本科学家汤川秀树指出：“听 起来也许奇怪，身为一名物理学家，我却越来越强烈地感受到现代物理学与我 自身的疏远。”西方科学强调“自然法则”思想，这与中国的传统形成鲜明对 照，因为，自然之中文字面意义是“天然”。 西方科学和西方哲学一贯强调主体与客体之间的二元性，这与注重天人合一的 中国哲学相悖。 本书所阐述的结果把现代科学拉近中国哲学。自组织的宇宙也是“自发”的世 界，它表达一种与西方科学的经典还原论不同的整体自然观。我们愈益接近两 种文化传统的交汇点。我们必须保留已证明相当成功的西方科学的分析观点， 同时必须重新表述把自然的自发性和创造性囊括在内的自然法则。本书

5、的雄心 正是以一种广大读者易于接受的方式阐述这一综合。自本书于1996年问世以 来，沿着这条思路又取得了更多的进展。 在本世纪末，我们并非面对科学的终结，而是目睹新科学的萌生。我衷心希 望，中国青年一代科学家能为创建这一新科学作出贡献。 最后，我要感谢湛敏女士对本书的翻译，感谢上海科技教育出版社出版本书的 中文版。 I普利高津 1998年8月 5日于布鲁塞尔 致谢 本书有着某种不寻常的历史。起初，斯唐热和我只想把我们合著的书在时间 与永恒之间译成英文出版。我们准备了若干个版本：一个是德文版，另一个 是俄文版。但与此同时，在我们研究的数学表述方面取得了重要的进展。结 果，我们放弃了原书的翻译工作

6、，着手写一个新的版本，即最近出版的法文版 确定性的终结。斯唐热要求在这本新著中不作为合著者，而只作为合作者 出现。我对她满怀感激并尊重她的意愿，但我想强调指出，没有她的帮助，本 书是不可能写就的。我要对她表示最诚挚的感谢。 本书是布鲁塞尔学派和奥斯丁学派数十年研究工作的结果。虽然物理思想早已 明晰，但它们精确的数学表述只是在最近几年才得到。在这里，我想对这个学 派的年轻成员和热心的合作者表达感激之情，他们对构成本书基础的时间之本 性问题的新表述作出了重要贡献。我要特别提到布鲁塞尔的安东尼乌（Ioannis Antoniou），奥斯丁的德里贝（DeanDriebe）、长谷川（Hiroshi Ha

7、segawa） 和彼得罗斯基（Tomio Petrosky），以及京都的多崎（Shuichi Tasaki）。我还 要提到我在布鲁塞尔的老同事，他们奠定了使进一步进展成为可能的基础。我 感谢伯列斯库（Radu Balescu），德哈恩（Michel de Haan），埃宁 （Francoise Henin），乔治（Claude George），格雷科斯（Alkis Grecos）和 迈内（Femand Mayne）。遗憾的是，雷西博斯（Pierre Resibois）和罗森菲尔 德（Leon Rosenfeld）不再和我们在一起了。 没有许多机构的持续支持，本书呈现的工作是无法完成的。我特别感

8、谢比利时 的法兰西共同体，比利时联邦政府，布鲁塞尔的国际索尔维研究所，美国能源 部，欧洲联盟，以及得克萨斯的韦尔奇基金会。 英语不是我的母语，所以我非常感谢得克萨斯大学奥斯丁分校的苏达尚 （ECGeorge Sudarshan）博士和德里贝博士，以及伦敦的洛尔蒂默 （David Lortimer）博士，他们仔细阅读了本书。我还要感谢我的法国出版商 奥迪勒雅各布（Odile Jacob）女士，她鼓励我撰写这本新著。感谢我在美国 的编辑莫罗（Stophen Morrow）和肖布哈特（Judyth Schauhut），他们帮助我 准备本书的英文版。 我坚信，我们正处在科学史中的一个重要转折点上。我们

9、走到了伽利略和牛顿 所开辟的道路的尽头，他们给我们描绘了一个时间可逆的确定性宇宙的图景。 我们现在却看到确定性的腐朽和物理学定律新表述的诞生。 作者附言 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty01.htm2011-10-11 8:33:24 我力求本书通俗易懂，为广大读者所接受。然而，特别是在第五章和第六章， 我决定涉及较多的专门细节，因为我提交的许多结果显著偏离传统观点。尽管 本书是数十年研究的成果，却仍有许多问题有待解答。但考虑到我们每个人的 生命有涯，我的工作成果就如此奉献给大家。我不是想邀请

10、读者来参观考古博 物馆，而是想让读者领略科学探险的乐趣。 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty02.htm2011-10-11 8:33:25 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 引言 一种新的理性？ 本世纪初，波普尔（Karl Popper）在他所著的开放的宇宙关于非决定论 的论争一书中写道：“常识倾向于认为每一事件总是由在先的某些事件所引 起，所以每个事件是可以解释或预言的。另一方面，常识又赋予成熟而 心智健全的人在两种可能的行为之间自由选择的能力。”这

11、一詹姆斯 （Wlliam James）所称的“决定论的二难推理”与时间的含义密切相关。未来 是给定的还是不断变化的结构？这个二难推理对每个人都非常重要，因为时间 是我们存在的基本维度。正是把时间结合到伽利略物理学概念体系之中，标志 着近代科学的起源。 人类思想这一成就也是本书所述核心问题的根源，即对时间之失的否定。众所 周知，爱因斯坦（Albert Einstein）常常说：“时间是一种错觉。”的确，物理 学基本定律所描述的时间，从经典的牛顿动力学到相对论和量子力学，均未包 含过去与未来之间的任何区别。甚至对于今日的许多物理学家而言，这已是一 种信念：就自然的基本描述而言，不存在什么时间之矢。

12、 然而，无论在化学、地质学、宇宙学、生物学或者人文学科领域，处处都可以 见到未来和过去扮演着不同的角色。从物理学描述的时间对称的世界如何产生 时间之矢？这就是时间详谬本书的中心议题之一。 时间佯谬是在19世纪下半叶维也纳物理学家玻尔兹曼（Ludwig Boltzfmann） 的研究工作之后被确认的，他试图仿效达尔文（Charles Darwinn）在生物学中 的研究，系统阐述物理学中的演化方法。但在当时，牛顿物理学定律长期被公 认为客观知识的典范。由于牛顿定律隐含着过去与未来之间的等价性，因而， 任何赋予时间之矢以基本意义的尝试均因危及到这一典范而受到抵制。牛顿定 律在它适用的领域被认为是终极

13、完善的，这有点像今天许多物理学家把量子力 学看作是终极完善的一样。那么，在不破坏人类思想的这些惊人成就的情况 下，我们如何引入单向时间呢？ 自从玻尔兹曼以来，时间之矢被贬低到现象学范畴。我们人作为不完善的观测 者，通过我们对自然的描述中引入近似，造成了过去与未来之间的差异。这依 然是盛行的科学说法，有些专家悲叹我们立于科学无能为力和无法解决的奥秘 面前。我们相信不再会是这样了，原因在于最近的两个进展：一方面是非平衡 物理学，另一方面是肇始于混沌概念的不稳定系统动力学，二者都取得了长足 的进展。 在过去几十年间，一门新学科非平衡过程物理学诞生了。这门新学科 产生了像自组织和耗散结构这样一些概念，

14、如今它们广泛应用于许多学科，包 括宇宙学，化学，生物学以及生态学和社会科学。非平衡过程物理学描述了单 向时间效应，为不可逆性这一术语给出了新的含义。过去，时间之矢只是通过 像扩散或粘性这样的简单过程出现在物理学中，在通常的时间可逆动力学未作 任何扩展的情况下，这是可以理解的。但今天已非同以往。我们现在知道，不 可逆性导致了诸如涡旋形成、化学振荡和激光等许多新现象，所有这些现象都 说明了时间之矢至关重要的建设性作用。不可逆性再也不会被认为是一种如果 我们具备了完善的知识就会消失的表象。不可逆性导致了相干，其影响包含亿 万个粒子。形象地说：不具备时间之矢的平衡态物质，是“盲目的”；具备了时 间之矢

15、，它才开始“看见”。没有这种起因于不可逆非平衡过程的相干，很难想 象地球上会出现生命。因此，断言时间之矢“仅仅是现象学的”，或者是主观 的，皆属荒谬。我们确实是时间之矢之子、演化之子，而不是其祖先。 修正时间概念的第二个重要进展是不稳定系统的物理学表述。经典科学强调有 序和稳定性。现在，反过来，我们在观测的所有层次上都看到了涨落、不稳定 性、多种选择和有限可预测性，像混沌这样的思想已变得相当流行，影响着从 宇宙学到经济学，实际上所有科学领域的思想。我们将要表明，我们现在可以 扩展经典物理学和量子物理学以包括不稳定性和混沌。这样，我们会得到适合 于描述我们的演化宇宙的自然法则的一种表述，其中包含

16、时间之矢，而过去和 未来也不再扮演对称的角色。从经典观点包括量子力学和相对论来 看，自然法则表达确定性。只要给定了适当的初始条件，我们就能够用确定性 来预言未来，或“溯言”过去。一旦包括了不稳定性，情况就不再是这样了，自 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty02.htm2011-10-11 8:33:25 然法则的意义发生了根本变化，因为自然法则现在表达可能性或概率。我们在 此与西方思想的基本传统之一（对确定性的信念）相抵触。如同吉热泽（gerd Gigerenzer）等人在机遇帝国一书中所述，“

17、尽管2000年来的科学剧变把 亚里士多德（Aristotle）与巴黎的贝尔纳（Claude Bernard）分开，他们至少共 享一种信念：科学与原因有关，与机遇无涉。康德（Kant）甚至鼓吹构成所有 科学知识必要条件的普适的因果决定论。” 然而，也存在反对的呼声。大物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）就谈 到“一种新型的知识”会克服决定论的偏见。但总的来说，盛行的观点是，概 率是心智的状态，不是世界的状态。尽管量子力学已把统计概念囊括于物理学 核心之中，如今仍然如此，但量子力学的基本对象波函数却满足确定性的时间 可逆方程。要引人概率和不可逆性，量子力学的正统表述需要一个观

18、测者。 观测者可以通过观测在时间对称的宇宙中引入不可逆性。再者，像在时间样谬 中一样，从某种意义上说，我们对宇宙的演化模式负有责任。观测者的这种作 用，给量子力学涂上了主观色彩。这也是妨碍爱因斯坦认可量子力学的主要原 因。它引起了无休止的争论。 把不可逆性或者时间流引入到量子理论中，观测者的作用是一个必要的概念。 然而，一旦证明不稳定性破坏了时间对称性，观测者就不再重要了。解决了时 间样谬，我们也就解决了量子佯谬，从而得到一个新的、量子论的实在论表 述。这并不意味着回到经典决定论的正统观念，恰恰相反，我们超出了与传统 量子论定律相联系的确定性，强调概率的基本作用。无论在经典物理学还是在 量子物

19、理学中，基本定律现在表达概率。我们不仅需要定律，而且需要把完全 新颖的要素引入自然描述的事件。这种新要素使我们得到麦克斯韦所期望 的“新型的知识”。对于经典概率论的奠基人之一棣莫弗（Abraham De Moivre）来说，机遇既无法定义也难以理解。我们将表明，我们现在能够把概 率包括到物理学基本定律的表述之中。只要做到这一点，牛顿确定论就破产 了；未来不再由过去所确定，过去与未来之间的对称性被打破了。这使我们面 对最困难的问题：什么是时间之源？时间起源于大爆炸，还是先于我们的宇宙 而存在？ 这些问题把我们置于空间和时间的边缘。详细解释我们主张的宇宙学含义，需 要写一本专著。扼要地说，我们认为

20、，“大爆炸”是与产生我们宇宙的介质内的 不稳定性相联系的一个事件，它标志着我们宇宙的起源，但不代表时间的起 源。尽管我们的宇宙有年龄，但产生我们宇宙的介质却没有年龄。时间没有开 端，也许亦无终点。 但是在这里，我们开始涉足臆测的世界。本书的主要目的是提出低能区内自然 法则的表述。这是宏观物理学、化学和生物学的领域，亦是人类存在实实在在 发生的领域。 时间和决定论难题，自从前苏格拉底学者以来一直是西方思想的核心。在一个 确定性世界里，我们如何构想人的创造力或行动准则呢？ 这一问题反映了西方人文主义传统中存在的深刻的矛盾，这个传统强调两个方 面，即知识和客观性的重要性，以及个体责任和民主理想所蕴含

21、的自由选择。 波普尔和其他许多哲学家都指出，只要自然单纯由确定性科学所描述，我们就 面临无法解决的难题。把我们与自然界分离开来，是现代精神难以接受的一种 二元论。我们在本书中的目标是显示我们现在能够克服这一障碍。倘若如塔纳 斯（Richard Tarnas）所述，“西方世界的激情在于与其存在的基础重新统 一”，那么说我们正在接近我们激情的目标也许并不为过。 人类正处于一个转折点上，正处于一种新理性的开端。在这种新理性中，科学 不再等同于确定性，概率不再等同于无知。我们完全赞同勒克莱尔（YVor Leclerc）的看法，他说：“在本世纪，我们遇到继牛顿物理学在18世纪取得胜 利以来科学与哲学的分

22、离。”布罗诺夫斯基（Jacob Bronowski）如是很好表达 了同样的思想：“认识人性和认识自然界内的人类境况，是科学的一个中心课 题。” 在本世纪末，常常有人问科学的未来可能是什么样子。对于某些人，比如霍金 （Stephen WHawking），他在所著的时间简史中指出，我们接近终 结，即到了接近了解“上帝意志”的时刻。相反，我们认为，我们确实处于一 个新科学时代的开端。我们正在目睹一种科学的诞生，这种科学不再局限于理 想化和简单化情形，而是反映现实世界的复杂性，它把我们和我们的创造性都 视为在自然的所有层次上呈现出来的一个基本趋势。 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:

23、/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty02.htm2011-10-11 8:33:25 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty1.htm2011-10-11 8:33:27 确定性的终结 上页 下页 北极星书库 第一章 伊壁鸠鲁的二难推理 I 宇宙是否由确定性定律所支配？时间的本质是什么？这些问题在西方理性的萌发时 期即已被前苏格拉底学者阐述过了。2500年之后，它们依然与我们同在。然而，与 混沌和不稳定性相联系的物理

24、学和数学最新进展，却开辟了不同的研究道路。我们 正开始用一种新的观点审视这些涉及到人类在自然界中的地位的难题。我们现在可 以避开过去的那些矛盾了。 希腊哲学家伊壁鸠鲁（Epicurus）第一个表述了一个根本性的二难推理。作为德谟克 利特（Democritus）的追随者，他认为世界由原子和虚空组成。而且，他断言原子 以相同的速度平行地通过虚空下落。那么，它们怎么发生碰撞？与原子的组合密切 相关的新奇性又如何出现呢？对伊壁鸠鲁来说，科学的问题、自然的可理解性问题 以及人的命运问题是不可分离的。在确定性的原子世界里，人类自由的含义是什么 呢？伊壁鸠鲁在给梅内苏斯（Meneceus）的信中写道：“我们

25、的意志是自主的和独 立的，我们可以赞扬它或指责它。因此，为了保持我们的自由，保持对神的信仰比 成为物理学家命运的奴隶更好。前者给予我们通过预言和牺牲以赢得神的仁慈的希 望；后者相反，它带来一种不可抗拒的必然性。”这一引语听上去是多么现代呀！ 西方传统中最伟大的思想家们，像康德。怀特海（Alfred North Whitehead）和海德 格尔(Martin Heidegger），都一而再地感到，他们不得不在异化的科学与反科学的哲 学之间作出悲剧性的选择。他们试图找到一些折衷办法，但没有一个办法证明令人 满意。 伊壁鸠鲁认为，他找到了解决这个二难推理困境的办法，他称之为倾向。卢克莱修 （Lucr

26、etius）指出：“当一些物体因它们自身的重量而通过虚空直线下落，在十分不 确定的时间和不确定的地点，它们就会稍稍偏离其轨道，称之为改变了方向是恰如 其分的。”然而，没有任何机制可以解释这种倾向。毫不奇怪，它总是被看作是一 种外来的、随意的因素。 但我们的确需要这种新奇性吗？照波普尔的理解，对于赫拉克利特（Heraclitus）来 说，“真理就是抓住自然的基本演化，即把它作为内在的无限之物，作为它自身的 过程加以表述”。巴门尼德（Palmnides）则持相反观点。他在其关于存在独特实在 的名诗中写道：“它不是过去，也不是将来，正是现在，才是一切。” 有趣的是，伊壁鸠鲁的倾向在本世纪的科学中反复

27、出现。爱因斯坦在他关于光子发 射与原子能级间跃迁的经典论文（1916）里，清楚地表达了他对科学确定论的信 念，尽管他假设这些发射由机遇所支配。 希腊哲学不能解决这个二难推理。柏拉图（Plato）将真理与存在联系在一起，即与 演化之外不变的实在相联系。然而他感到了这种状况的二难特征，因为它贬低生命 和思想。在智者篇中，柏拉图断言我们既需要存在也需要演化。 这种二元性直到现在仍在困扰着西方思想。如法国哲学家瓦尔（Jean Wahl）所强调 的，西方哲学史总的来说是一个不愉快的历史，其特征是在作为自动机的世界与上 帝主宰宇宙的神学之间不断地摇摆。两者都是确定论形式。 这场争论在18世纪随着“自然法则

28、”的发现发生了转折。最重要的例子就是牛顿的力 和加速度关系定律。这一定律是确定性的，更重要的是，它是时间可逆的。一旦知 道了初始条件，我们既可以推算出所有的后继状态，也可以推演出先前的状态。此 外，过去和未来扮演着相同的角色，因为牛顿定律在时间t-t反演下具有不变性。这 导致了拉普拉斯妖的出现：拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）想象这个小妖有能 力去观察宇宙的现今状态并预言其演化。 众所周知，牛顿定律在20世纪已被量子力学和相对论所取代。然而牛顿定律的基本 特性确定性和时间对称性却幸存下来。不错，量子力学不再涉及轨道而是与波 函数相关（参见本章第IV节和第六章），但重要

29、的是，我们注意到量子力学的基本 方程式薛定谔方程同样是确定性的和时间可逆的。 依靠此种方程，自然法则导致了确定性。一旦初始条件给定，一切都是确定了的。 自然是一个至少在原则上我们可以控制的自动机。新奇性、选择和自发行为仅仅从 人类的角度来看是真实的。 许多历史学家认为，在这种自然观中，17世纪作为全能立法者的基督教上帝扮演了 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty1.htm2011-10-11 8:33:27 一个基本角色。神学和科学都对此表示许可。莱布尼兹（Gottfried von Leibni

30、z）写 道：“对一点点物质，如上帝之目那样锐利的眼睛可以洞察宇宙中事物的整个过 程，包括那些现存的、过去的和未来将发生的。”自然之确定性定律的发现，就这 样引导人们的知识更接近于神授的。不受时间影响的观点。 受确定性时间可逆定律支配的被动自然概念对西方世界来说是非常明确的。在中国 和日本，自然意味着“天然”。李约瑟（Joseph Needham）在其杰作东方与西方的 科学和社会中用反语告诉我们，中国学者欢呼耶稣会士宣告现代科学的胜利。对 他们来说，自然受简单、可知的法则所支配的思想简直是人类中心蠢行的范例。按 照中国传统，自然是自发的和谐；所以，谈论“自然法则”就是让某种外部权威凌驾 于自然之

31、上。 在给伟大的印度诗人泰戈尔（Rabindranath Tagore）的信中，爱因斯坦写道： 如果月亮在其环绕地球运行的永恒运动中被赋予自我意识，它就会完全确信，它是 按照自己的决定在其轨道上一直运行下去。 这样，会有一个具有更高的洞察力和更完备智力的存在物，注视着人和人的所作所 为，嘲笑人以为他按照自己的自由意志而行动的错觉。 这就是我的信条，尽管我非常清楚它不完全是可论证的。如果有人想到了最后一个 精确知道和了解的结论，那将几乎没有能不受那种观点影响的人类个体，只要他的 自爱不进行干扰。人防止自己被认为是宇宙过程中的一个无能为力的客体。但发生 的合法性，例如它在无机界中多多少少地展露出来

32、的，会停止在我们大脑的活动中 起作用吗？ 对爱因斯坦来说，这似乎是与科学成就相一致的唯一主张。但这一结论现在如同它 对伊壁鸠鲁一样难以接受。时间是我们基本的存在维度。自从19世纪以来，哲学变 得越来越以时间为中心，我们在黑格尔（Georg Wilhelm Hegel）、胡塞尔（Edmund Husserl）、詹姆斯、柏格森（Henri Bergson）、海德格尔和怀特海等人的工作中不 难看到这一点。对于像爱因斯坦这样的物理学家来说，这个难题已经解决了。但对 哲学家而言，在人类存在的最基本意义上，它仍是认识论的中心问题。 波普尔在开放的宇宙关于非决定论的论争中写道：“我认为，拉普拉斯决定 论似乎

33、是由物理学中自明的确定论理论及它们那令人难以置信的成功所巩固的，它 是我们认识和确证人的自由本性、创造性和责任中最顽固、最严重的困难。”对波普 尔来说，“时间和变化的实在性是实在论的症结。” 柏格森在一篇短文“可能与现实中质问：“时间的角色是什么？时间阻止了所有 事物同时给出。它难道不是创造性和选择的载体吗？时间的存在难道不是自然 界中非决定论的证明吗？”对波普尔和柏格森而言，我们需要“非决定论”。但在决定 论之外我们还能怎么做呢？詹姆斯在“决定论的困境”一文中透彻地分析了这一困 难。”决定论符合于精确定义的机械论，就像被牛顿、薛定谔和爱因斯坦所表述的自 然法则所显示的那样，它是“可数学化的”

34、。相反，对决定论的偏离似乎是引入了像 机会或者机遇这样一些拟人的概念。 时间可逆的物理学观点与以时间为中心的哲学之间的矛盾，已经导致了一场公开的 冲突。如果科学不能将人的经验的一些基本方面结合在一起，那么科学的目的是什 么呢？海德格尔的反科学态度是众所周知的。尼采（Friedrich Nietzsche）断言，没 有事实，只有解释。瑟尔（John RSearle）指出，后现代哲学以其解构观点对西方 关于真理性、客观性和实在性的传统提出了挑战。此外，演化和事件在我们关于自 然的描述中的作用稳步增加。那么，我们怎么维持时间可逆的物理学观点呢？ 1994年10月，科学美国人杂志出了一期“宇宙中的生命

35、”专刊。在所有层次上， 无论是宇宙学、地质学、生物学，还是人类社会，我们都看到了与不稳定性和涨落 相关的演化过程。因而我们不能回避这个问题：这些演化模式如何建立在物理学基 本定律的基础之上？只有一篇由著名物理学家温伯格（Steven Weinberg）写的文 章，与这一问题有关。他写道：“我们虽然喜欢采用一种统一的自然现，但在宇宙 中智慧生命的作用中仍遇到一个棘手的二元论。一方面，薛定谔方程以一种完美 的确定论方法描述了任何系统的波函数如何随时间而变化；另一方面，相当不同的 一个方面，当有人进行测量时，又有一组原则规定如何用波函数推算各种可能结局 的概率。” 难道这表明，通过我们的测量，我们能

36、回到宇宙演化的初始状态吗？温伯格谈到一 个棘手的二元性，一种在现在的许多出版物中都能找到的观点。例如，霍金在时 间简史中鼓吹一种宇宙学的纯粹几何学解释。简括言之，时间就是空间的机遇。 但霍金也明白这一解释是不够的。我们需要一个时间之矢来研究智慧生命。因此， 像其他许多宇宙学家一样，霍金引入了所谓人存原理。但这一原理与伊壁鸠鲁的倾 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty1.htm2011-10-11 8:33:27 向一样武断，霍金对于人存原理如何能从静态的几何宇宙中产生出来没有作任何说 明。 如上所

37、述，爱因斯坦试图以我们被视为纯粹的自动机为代价，来维护包括人类在内 的自然的统一。这也是斯宾诺莎（Baruch Spinoza）的观点。但也是在 17世纪，笛 卡儿（Rene Descartes）提出了另一种途径，它涉及二元论的概念：一方面是由几何 学描述的物质 res extensa（广延物）；另一方面是与res cogitans（思想物）相联系 的心智。“笛卡儿通过这种方法阐述了简单物理系统（如无摩擦的摆）的行为与人 脑的运作之间的显著差异。奇怪的是，人存原理把我们带回到了笛卡儿的二元论。 在皇帝的新意中，彭罗斯（Roger Penrose）写道：“正是我们目前缺乏对物理 学基本定律的认识

38、，妨碍了我们用物理学或逻辑学术语去掌握心智这一概 念。”我们相信彭罗斯是对的：我们需要一种物理学基本定律的新表述。自然的演 化方面必须用物理学基本定律来表达。只有这样，我们才能给伊壁鸠鲁的二难推理 一个满意的回答。非决定论和时间不对称都必须在动力学中找到原因。那些不包含 这些特征的表述是不完备的，正如那些忽略引力或电磁相互作用的物理学表述一样 不完备。 概率在从经济学到遗传学的大多数学科中起着至关重要的作用。然而，认为概率不 过是一种心智状态的思想依然存在。我们现在必须走得更远，必须显示概率如何进 入物理学（不管是经典物理学还是量子物理学）基本定律。目前，提出自然法则的 新表述是可能的。我们通

39、过提出新表述获得了更能接受的描述，在这一描述中有自 然法则的位置，也有新奇性和创造性的位置。 本章开头，我们提到过前苏格拉底学者。事实上，我们受益于人类历史形成以来古 希腊人的两个理念：第一，是自然的“可理解性”，或用怀特海的话：“建立一个有条 理的、逻辑的、关于普遍思想的必不可少的系统，使我们经验的每个要素都能得到 解释。”第二，是建立在人的自由、创造性和责任感前提之上的民主思想。只要科学 仍将自然描述为一架自动机，那么，这两个理念就是相互矛盾的。这正是我们要着 手克服的矛盾。 II 在第1节里，我们强调了时间和决定论难题形成了科学与哲学之间，或换言之，斯诺 （CPSnow）的“两种文化”之

40、间的分界线。但科学远不是坚如磐石的集团。事 实上，19世纪给我们留下了双重遗产：诸如牛顿定律那样描述了一个时间可逆宇宙 的自然定律；以及与熵相关联的一种演化描述。 熵是热力学的一个重要组成部分，热力学是专门研究有时间方向的不可逆过程的一 门学科。每个人在某种程度上都熟悉这些不可逆过程，像放射性衰变，或者是使流 体的流动变慢的粘性。在时间可逆过程中，例如无摩擦摆的运动，未来和过去起着 相同的作用（我们可以用未来的“+t”替换过去的“-t”）；不可逆过程与可逆过程相 反，它有一个时间方向。过去准备的一块放射性物质会在将来消失。由于粘性，液 体的流动将会随时间变慢。 时间方向的原初作用在我们研究的宏

41、观层次上，如化学反应或输运过程中，是很明 显的。我们从会起反应的化学化合物开始。随着时间的推移，它们达到平衡，反应 停止。与此相似，如果我们从一种不均匀的状态开始，扩散会将该系统引致均匀。 太阳辐射就是不可逆核过程的结果。如果不考虑不计其数的决定天气和气候变化的 不可逆过程，就不可能对生态圈进行描述。自然界既包括时间可逆过程，又包括时 间不可逆过程，但公平地说，不可逆过程是常规，而可逆过程是例外。可逆过程对 应于理想化：我们必须忽略摩擦以使摆可逆地摆动。此种理想化是成问题的，因为 自然界中不存在绝对的虚空。如上所述，时间可逆过程由不因时间反演而改变的运 动方程所描述，经典力学中的牛顿方程或量子

42、力学中的薛定谔方程皆如此。然而对 不可逆过程而言，我们需要一个打破时间对称性的描述。 可逆过程和不可逆过程之间的差异，是通过与所谓热力学第二定律相联系的熵的概 念引入的。早在1865年熵就由克劳修斯（Rudolf Julius Clausius）所定义（熵在希腊 文中就指“演化”）。按照热力学第二定律，不可逆过程产生熵。相反，可逆过程使 熵保持不变。 我们将反复回到这个第二定律上来。现在，我们先回忆一下克劳修斯著名的表 述：“宇宙的能量守恒。宇宙的熵增加。”熵的增加为发生在宇宙中的不可逆过程所 致。克劳修斯的陈述是第一个以不可逆过程的存在为基础的宇宙演化观点的表述。 爱丁顿（Arthur St

43、anley Eddington）把熵称作“时间之矢”。但从物理学基本定律来 看，却不应当存在任何不可逆过程。因此，我们看到，我们从19世纪继承了两个相 互矛盾的自然观，即以动力学定律为基础的时间可逆观点和以熵为基础的演化观 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty1.htm2011-10-11 8:33:27 点。怎样调和这些矛盾的观点呢？过了这么多年，这个难题依然与我们同在。 对维也纳物理学家玻尔兹曼来说，19世纪是达尔文的世纪。达尔文在这个世纪把生 命确立为一个永无终结的进化过程的结果，从而将演化

44、置于我们对自然的认识的中 心。然而，对大多数物理学家来说，玻尔兹曼的名字如今却与和达尔文的结论完全 对立的结论联系在一起：玻尔兹曼被错怪为证明了不可逆性仅仅是一种错觉。玻尔 兹曼的悲剧在于，试图在物理学中取得达尔文在生物学中取得的成就却陷于绝 境。 乍看起来，19世纪的这两个巨人所用方法的相似之处是很显著的。达尔文表明，如 果我们从研究群体而不是从研究个体开始，就可以理解依赖于选择压力的个体易变 性如何产生漂变。对应地，玻尔兹曼认为，从个体的动力学轨道开始，我们就不能 理解热力学第二定律及其所预言的熵的自发增加；我们必须从大的粒子群体开始。 熵增是这些粒子间大量碰撞造成的全局漂变。 1872年

45、，玻尔兹曼发表了著名的H定理，它包括熵的一个微观类似物H函数。H定理 说明每一个瞬间都会改变粒子速度的碰撞的结果。它表明，碰撞导致粒子群体的速 度分布接近于平衡态（这被称为麦克斯韦一玻尔兹曼分布）。随着粒子群体趋近平 衡态，玻尔兹曼的H函数减小，且在平衡态时达到其最小值，这个最小值意味着碰 撞不再改变速度的分布。所以，对玻尔兹曼而言，粒子碰撞就是导致系统平衡的机 理。 玻尔兹曼和达尔文都用对群体的研究取代了对“个体”的研究，并表明细微的变化 （个体的易变性或微观的碰撞）在发生了一段长时间之后会在一个集体层次上产生 进化。（在后面的章节里，我们还要回到群体的作用上来。）恰如生物进化不能在 个体层

46、次上加以定义，时间流也是一个全局的性质（参见第五、第六章）。但在达 尔文力图解释新物种的出现时，玻尔兹曼描述了趋向于平衡和均匀的演化。意味深 长的是，这两种理论的命运呈鲜明对照。达尔文的进化论顶住猛烈的攻击而获胜， 它仍然是我们认识生命的基础。相反，玻尔兹曼对不可逆性的解释却屈服于对它的 批评，玻尔兹曼逐渐被迫退缩了。他不能排除“反热力学”进化的可能性，这种进化 是熵减少和非均匀性自发增加（而不是被抹平）的结果。 玻尔兹曼所面临的局面确实是激动人心的。他确信，为了认识自然，我们必须包括 进化的特征，并且热力学第二定律所描述的不可逆性是迈向这一方向的关键一步。 然而他又是动力学优良传统的继承人，

47、认识到这个传统阻碍了他赋予时间之矢一个 微观意义。 从今天的有利观点来看，玻尔兹曼必须在他那物理学应当认识演化的信念和他对物 理学传统的忠诚之间作出选择，这显得特别痛心。他的尝试以失败告终的事实在今 天看来不言而喻。每个大学生都学过，轨道是时间可逆的，它允许未来和过去没有 差别。正如庞加莱（Hedri Poincare）所述，靠时间可逆过程的轨道来解释不可逆 性，虽然努力不计其数，但显然是一个纯粹的逻辑错误。假设我们将所有分子的速 度符号都颠倒过来，于是系统进入它自己的“过去”。即使熵在速度反演之前是增加 的，现在它也将会减少。这就是洛施密特（Joseph Loschmidt）的速度反演佯谬，

48、它 是玻尔兹曼不能排除反热力学行为的原因。面对严厉的批评，玻尔兹曼用一个基于 我们缺乏信息的概率的解释取代了他对热力学第二定律的微观解释。 在由大量的分子（1023个或阿伏伽德罗常量数量级）形成的复杂系统中，如气体或 液体，显然我们不能计算每一个分子的行为。因此，玻尔兹曼引入了一个假设，即 此种系统的所有微观状态都具有相同的先验概率。差异与由温度、压强和其他参量 所描述的宏观状态有关。玻尔兹曼用计算产生宏观状态的微观状态的数量来定义每 一个宏观状态的概率。 玻尔兹曼可能让我们想象，例如，一个容器被分成彼此相通的两个相等的室，这个 容器包含了数目众多的分子，设为N个。尽管我们不能跟踪每一个分子的

49、轨迹，但 通过测量一个宏观量，如每个室的压强，我们可以确定它所包含的分子数目。我们 还可以设一个起点，即物理学家通常所称的“初态”，这里，两个室中的一个几乎是 空的，我们能预期观察到什么呢？随着时间的推移，分子将向那个空室迁移。事实 上，绝大多数所有可能的微观状态相当于那种每个室包含相同数目分子的宏观状 况。这些状态就相当于平衡态，即两个室的压强相等。一旦达到了这种状态，分子 将会继续从一个室迁移到另一个室，但平均来说，迁移到右室和迁移到左室的分子 数将是相等的。撇开一些小的、短暂的涨落不谈，两个室中的分子数将随时间保持 不变，平衡态将得以保持。不过，在这种论证中有一个根本的弱点，即自发的、长 时期偏离平衡态并非是不可能的，纵如玻尔兹曼所言乃是“不大可能的”。 玻尔兹曼以概率为基础的解释，使我们观察的宏观特征成为我们观察到的不可逆性 北极星书库-Nobel_EcoIndex file:/F|/temp/管理励志系列合集/D/确定性的终结-普利高津/certainty1.htm2011-10-11 8:33:27 的原因。假如我们能够跟踪分子的个