概率与时间之矢——自然法则的新表述，本文主要内容关键词为：概率论文,法则论文,自然论文,时间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号O415 文献标识码A 文章编号1005—6408（2000 ）04—0035—05
1 为什么没有时间之矢？
“君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回，君不见，高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。”时间演变的不可逆性是人类经验中的最基本的事实。如果说，近代科学是经验科学，那么，科学如何能否认时间之矢这一最基本的经验事实？如何能对自然演变不可逆转的现象熟视无睹？
然而，近代科学的一个主要困惑，恰恰是使人确切地感觉到时间之矢是被排除于科学之外的。从牛顿力学到相对论、量子力学，物理学基本定律都是守恒律，都是时间可逆的，即无论t还是－t代入公式，物理学定律不变，都不违背科学所描述的自然规律。这里不包含过去与未来的任何区别，不存在什么时间之矢。
就此而言，几百年来，在科学中，时间成了被遗忘的维数！甚至被认为是“一种错觉”。没有时间演变的世界必然是确定的，因此爱因斯坦说：上帝不掷骰子。牛顿和爱因斯坦都以确定的自然法则，向我们描绘了一幅无时间的确定性的世界图景。
对科学确定性的信念有其深刻的原因，一方面，科学基于因果律，长期以来，人们认为普遍的因果律必然导出确定的自然律，自然律永恒不变才能保证知识的可靠性。另一方面，物理学定律的时间反演对称源于人类对永恒的信念，以及人类对永恒不变的存在的追求。而时间反演对称又保证了自然律的确定性和守恒性。
注意，近代科学的确立并不仅仅受限于经验事实，不依赖于人类的主观认识结构和理性范导，它的确立乃基于经验和理性的结合。此外，经典科学中时间的失落或许还植根于近代科学的提问方法 —— 即只问HOU，不问WHY，只问直接因，不问终极因，以及近代科学特定的研究对象和描述方法。不管怎样，一切终于造成了热力学与动力学、物理学与生物学、生命与非生命、科学与人文之间的深刻分裂与矛盾：
时间可逆→确定性--动力学
--退化-热力学
时间不可逆→不确定性
--进化-生物学
“从物理学描述的时间对称的世界如何产生时间之矢？这就是时间佯谬。”[1]
宇宙究竟是退化还是进化，这是又一个宇宙学佯谬。
追溯历史和文化的根源，普利高津指出，时间和决定论难题反映了西方文化传统中深刻的的二律背反。如今，随着科学对自然现象的认识日益深入，我们已在宇宙学、地质学、生物学、人类学、社会学等所有层次发现并面对不可逆演化过程。科学不能再回避时间之矢的问题。他问道：如果物理学不能将人类经验的最基本的事实包容在内，那么物理学的目的又是什么呢？他坚信科学定律应该包含不可逆时间流，因此，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。”[1]必须用物理学基本定律来描述自然界演化的统一性和多样性，并寻求科学与哲学、科学与文化的新型统一。
2 走向群体物理学
路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。50年如一日，普利高津毕生的努力就是要为世界的不可逆演化寻找科学依据，并以物理学定律来表达时间之矢。他清醒地认识到，根本性的进展，决不能仅仅依靠对经典理论修修补补，必须找到动力学与时间之矢的关系，并引入新的物理概念、新的数学工具，在新的观察经验和理论建构的基础上重建新的科学观念和科学体系。这意味着必须赋予物理学以新的文化内涵，意味着跨世纪的科学革命。
首先，普利高津指出，“时间流是一个全局的性质”[1 ]时间之矢是一种整体性现象。
为了在动力学中找到时间之矢和非决定论的原因。他考察了率先在科学中引入时间之矢的热力学第二定律和生物进化论。发现了它们与经典科学的根本不同在于：它们都是从研究群体而不是从研究个体开始的！
以往经典力学的研究只限于二体间的相互作用，涉及三体便出现不可积问题。而热现象却是大量分子运动的集体表现，熵增是粒子间大量碰撞造成的全局漂变。显然，生物进化也不能在个体层次上定义，进化是在个体变异基础上的种群的整体演变。统计物理学的奠基者吉布斯，正是将大量粒子所驱动的系统看作一个整体，并通过系统方法将群体动力学引入物理学的。可见，不可逆性是在全局或群体层次上产生的现象，时间之矢蕴涵于整体的观念和研究方法之中。
众所周知，由于在经典科学中个体层次与整体层次具有等价性。整体可以通过部分相加而得到。而系统论已经告诉我们，对具有结构的系统，“整体大于部分之和”，系统整体具有突现性和非加和性，关键是整体增加了部分所不具有的各部分之间的相互作用，这种长程相干作用使整体突现出部分所不具有的新的特性，从而打破了个体层次与整体层次间的等价性。
普利高津的研究则进一步揭示了：经典的“个体物理学”处理的是瞬时相互作用，如小球碰撞等等，而“群体物理学”必须考虑持续相互作用，譬如气体或液体中，粒子不断碰撞，被散射后又再次碰撞，并由此形成相互作用、不可割裂的“网”，它意味着我们不能将“个体”从系统中孤立出来进行研究，因此整体具有不可分性。从系统论和控制论的角度看，正是由于各部分间的持续相互作用而形成结构，组成整体的；反之，一切具有自我调节作用的系统内部，必然存在诸如反馈等“强”持续相互作用。而不可逆性正是与日益高阶的“关联”相联系的，因为在这种高阶“关联”中，持续相互作用不仅不可忽略和消除，而且会产生新事件，使系统出现新质，正是新事件和新质区分了系统的过去和未来，使得未来不再是确定的。未来不再包含在过去之中，在这个意义上我们可以说，时间反演对称被打破了。这种时间对称破缺正是持续相互作用造成的整体效应。
3 “概率化革命”
普利高津的目标在于提出一种新的物理学表述，使之能包含时间之矢。其设想是：以“基于自然的概率描述来包含我们宇宙演化特性的描述。”[1]
概率，从一开始就与时间之矢有着不解之缘，普利高津“坚信宏观不可逆性是微观尺度上随机性的表现。”[1 ]因为正是在概率描述中打破了过去与未来的对称性，从而引入了时间之矢。为了赋予概率以内在动力学意义，并进而使之获得实在论的诠释，普利高津再度追寻随机性的起源。
我们知道，迄今为止，物理学有二个描述层次：一是确定的对应于单个轨道的个体层次，一是概率的对应于系统的统计层次。因此若要追问随机性的起源，首先要问是什么破坏了轨道描述？普利高津的回答是：不稳定性。
在耗散结构理论中，不稳定性是形成新结构的必要条件之一，它是由内外涨落引起的，本文不作详论。而目前混沌学已经证明，由于不稳定性的存在，即便是确定性方程也有“蝴蝶效应”，初始条件的微小扰动将会被放大，从动力学的角度，也就是说无论初始条件的精度如何，最终轨道都会被破坏而出现不确定性。因此“对于不稳定动力系统来说，基本的创新之处是：我们必须走出希尔伯特空间。”[1 ]放弃轨道描述而借助整体的非局域描述。
普利高津近年来的研究进一步追溯到庞加莱共振，并通过庞加莱共振来考虑不稳定性，他指出，共振不仅是造成不可积的原因，而且由于共振导致了扩散，扩散又产生了长程相干，因此共振本身便蕴涵着非局域描述。它们在个体与群体层次具有不同作用，简示如下：
共振扩散项描述
个体层次 发散 瞬时相互作用 可忽略 局域：轨道、波函数
统计层次 扩散 持续相互作用 支配作用 非局域：系统、概率
由上可知，对不稳定系统，个体描述与统计描述的等价性被无可挽回地打破了，由此，我们可不附加非动力学假设，而将不可约的概率描述引入动力学，它植根于动力学不稳定性的自洽的描述中。在物理学的新表述中，基本概念不再是轨道，基本参量也不再是波函数，而是概率本身，概率打破了决定论和确定性，由于未来不再由过去确定，不可逆性才结合到自然法则之中。
普利高津指出，这一科学的新表述使我们不再需要以确定性的时间可逆的自然法则来解释自然现象的不可逆性和不确定性，而将我们最基本的经验事实归结为“无知”或“错觉”。现在可以说：“我们生活在一个演化的宇宙之中，这个演化宇宙的根源隐含在物理学的基本定律之中。”[1]概率来于自然现象本身，它是构成科学的基本方面。 “概率化革命”深刻改变了我们的“实在观”和自然观，并向我们展示了与经典科学大异其趣的，具有多样性和复杂性，对未来是开放的世界图景。
4 “时间先于存在”
对于经典科学来说，古希腊“原子论”曾提供了科学研究的基本方法，即找到构成世界的最基本物质单元，并以之解释所有的自然现象。那么，对于不可逆演化的世界，最基本而又能解释万物演化的是什么呢？普利高津的回答是：时间之矢。作为不可逆演化的最终依据，最基本的自然不应是固定的实体，而且它还应该是生成我们宇宙的原因。普利高津为此给出了宇宙学证明。令人震惊的是，他不仅证明不可逆性具有与我们宇宙创生相联系的宇宙学起源。而且证明时间之矢先于宇宙创生，更进而证明物质是从时间之矢转化或生成的。
笔者认为，不管其证明是否充分和严谨，普利高津的探索是建构科学的“演化实在论”的重要尝试，其哲学意义或许比科学意义更重要。
他指出：“为什么存在一个共同的未来？为什么时间之矢总指向同一方向，这只能说明我们的宇宙是一个整体，它有一个包含着时间对称性破缺的共同起源。“[1 ]他认为”我们宇宙的创生只是整个宇宙历史中的一个事件，“存在着我们称之为量子真空的前宇宙来的不可逆相变，这种不可逆是引力和物质相互作用引起的前宇宙中的不稳定性造成的。”[1]我们、我们的文明，我们的宇宙有年龄， 它们的内部时间是有限的，但时间本身却是无穷无尽的。“甚至在我们的宇宙诞生之前，就存在着时间之矢，这个箭头将永远继续。”[1]
根据特赖恩“免费午餐”的思想，普利高津论证道：我们的宇宙具有两种能量形式。一种与引力有关，是负能量，一种与质量有关，是正能量。宇宙的总能量可能是零，对应于宇宙空无一物时的状态，即正负能量相等。由于不稳定性的存在，便有可能从引力场的负能库中提取能量而产生物质，由于引力是与时空曲率相联系的，因此时空可以产生物质。他证明，宇宙大爆炸可能与保持能量守恒的真空中的涨落有关，在宇宙创生的“普朗克时代”，爱因斯坦方程可以产生合作过程，即物质和弯曲时空同时出现，时空转化为物质对应于产生熵的不可逆耗散过程。因此可以说：物质本身是不可逆性的结果，因为从宇宙的起源始，时间之矢就铭刻在物质之中了。笔者认为，这一结论与曼德尔布罗特关于空隙的思想是一致的，而且，根据曼德尔布罗特空集理论，产生物质的空间应该具有负分数维数。[2]
从整体演化的角度，“一开始宇宙就呈现为一个远离平衡的具有不稳定性和分岔的热力学系统。”而如今，“我们在所有层次均发现了涨落、不稳定性和演化模式。”[1]在自然界演变的过程中， 永恒不变的恰恰是“时间之矢”，是“不可逆演化”。根据普利高津的理论，时间之矢正是宇宙演化的本原，它在自然演化中起着重要的“建设性作用”，并且是“秩序的源泉”。
笔者认为：作为一种“演化实在论”（可以归于过程实在论），普利高津以时间之矢取代了自古希腊以来“原子”的地位，并以演化论取代了原子论。他正在将“演化先于存在”，[3 ]和“时间先于存在”[1]的大字写入科学和科学哲学，特别是系统哲学的历史。
5 一种新理性的开端
在人类走向21世纪之际，科学也正处于新的分支点上，时间的对称破缺和“确定性的终结”，意味着传统科学理性的终结和一种新的科学理性的开端。
笔者认为，因果律和时空构造本来源于人类固有的能力，正因它们是先验的，因而永远是开放的。随着经验的改变，人类所建构的特定的因果关系和时空关系是不断演变的，特别在科学革命时期，更需要“摄所归能”、“转识成智”，以重新理解并重构因果关系和时空结构。人们对因果律和时空观理解的改变，也同时标志着科学的重大规范转换。
如今，普利高津已宣布他与自然之经典描述的决裂。他指出：“生命和物质在这个世界里沿时间方向不断演化，……确定性的终结是科学与文化之自然法则全新表述的诞生”。[1]
他尖锐地批判：“科学始于肯定理性之力量，但它看来却终于异化——对赋予人的生命以意义的一切事物的否定。”[1]因为， “时间是我们存在的基本维度”。[1]否定时间就是否定实在。 宇宙万物的演化本身就是一只钟，其指针是由宇宙生命的节律带动的，因此时间之矢与实在有着不可分割的联系，否定时间之矢就意味着否定现实世界。实际上，“时间佯谬”正是内在于经典科学的最深刻的二律背反，它深刻表明了传统理性的限度。
他指出，在沿着确定性与偶然性之间的“激动人心抉择的窄道时，科学再次发现了在此之前‘从科学的网孔中滑过’的我们周围的大部分具体世界。”[1]从而希望与人类存在的基础获得新的统一。
笔者认为，每一种科学都带着创造它的那种精神，系统论、自组织理论、非线性科学的奠基者们，都是从批判机械论，并试图解决由之带来的西方文化危机起步的，他们是深富哲理和人文精神的科学家，他们开创了科学的新时代。从贝塔朗菲、普利高津到曼德尔布罗特，关心的是人不是物，其最终目的不是制造更复杂的机器，不是征服自然，而是人和人类社会的健全发展，人和自然的和谐一致。整体、演化和复杂性是这一新兴科学的主要特点，而深切的人文关怀正是这一新兴科学的精神之源。
普利高津不仅从科学的角度揭示了时间之矢的意义，更以其全副生命的探索和创造体现了我们确实是“时间之矢之子，演化之子”。科学对人类最基本经验——演化的肯定，意味着科学从理想化的抽象世界向人性的某种回归，即由简单的服从机械运动的“月上世界”回到复杂的千变万化的“月下世界”，由抽象概念回到现实世界，由物质回到生命。归根到底，新理性的开端是科学回归其主体，回归科学得以创立的最终根源——人本身的开端。
收稿日期：2000—01—20