理解时间方向复杂性的若干问题及其策略，本文主要内容关键词为：复杂性论文,若干问题论文,方向论文,策略论文,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：N031 文献标识码：A 文章编号：1000-8934(2015)12-0003-06 引言：常识与经典科学中的时间 从哲学上说，时空是物质的存在形式，是物质及其运动的舞台。单就时间而言，它是关于事物运动发展生灭过程的延续性和顺序性的度量。人类对时间的初步认识经历了从定性到定量的提升，其标志是各类计时工具的不断发明和提高。[1]2-4但更为重要的是，与此同时，人们对区别于与测量相联系的具体时间的时间的本质有了更深的体验和思考。例如在日常生活中就流行着这样一些关于时间的名言警句，像“一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴”等等。上面的感叹，多出于我们的无奈。而“无奈”就意味着时间的存在和消失是与我们无关的，是我们用任何物质手段都无法控制和把握的！人们在日常生活中对时间的感受，最终上升为科学的认识。在最早成熟起来的经典力学中，牛顿是这样定义时间的：“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地，与任何其他外界事物无关地流逝着。”[2]26这种关于时间本性的看法，今天被称之为绝对时空观，其要点是，时间的性质与物质及其运动是无关的，而且其流逝的节奏或速度是均匀的。需要注意的一点是，牛顿在这里虽然使用了“流逝”这样的字眼，但在经典力学中，时间在方向问题上实际是可逆的，因为在最基本的方程牛顿第二定律中，我们用“+t”和“-t”相互替代，其结果是没有区别的，即牛顿运动定律不涉及时间进行的方向；如果时间逆行，这些定律依然适用。而之后发现的其他领域的物理科学定律像光学以及化学等的科学定律中，结论都是一样的：那就是这些科学定律中没有关于时间箭头的规定性，时间在科学定律中都是可逆的，过去和未来是没有区别的！唯有热力学第二定律例外。 一、时间方向的表现及其理论解释 无论如何，长久以来人们早已习惯了时间特定的方向感，于是感叹时间如大江东去，逝者如斯！其实时间的方向问题，自古以来就是人们关注的主要哲学和科学问题之一。 我们现在一般从科学上将时间方向归为如下四类现象：热力学时间，即指热力学系统在孤立条件下趋于平衡态的不可逆性；宇宙学时间，当代天文学中广为科学界接受的大爆炸学说，强调了现有宇宙膨胀的单向性；生物学时间，生物个体由生到死的不可逆性；心理学时间，人们只能感觉、记忆过去发生的事件，而未来原则上是未知的；当然还有因果的时序性等。 可是，我们应该如何理解上面这些与时间的方向相关的现象呢？人们提出的第一个能够对时间方向进行合理解释的科学规律是热力学第二定律，与其他的物理学、化学甚至生物学的定律在时间上所具有的可逆性不同，熵的单调增加表明了系统演化具有确定不移的方向。也许正是因为如此，人们也一直试图把所有的时间现象还原为微观热力学时间，于是熵的概念就被不断丰富和推广，比如人们提出了负熵和信息熵等概念；与此同时，人们在理论上的进步也是有目共睹的，如今我们已经构建起了以自组织理论等为核心内容的对从宇宙到生物的近乎包容一切的解释框架。总之，熵概念以及热力学第二定律，对于理解时间的方向性是至关重要的，但也存在种种不足。 单从理论层面上考虑，首先遇到的困难就是所谓的“可逆佯谬”：假如热力学系统的宏观状态归根结底必须由在微观层面上的分子或原子之间的相互作用来解释，而且这些相互作用又满足时间上的反演对称性，那么从还原论的角度讲，由热力学第二定律所表明的系统宏观不可逆性就是令人不可思议的！ 热力学第二定律本身的不足还有很多，突出地表现为它并不能像人们期待的那样，能逻辑一致地解释、包容所有的不可逆现象： (1)通常人们认为所有的时间的指向都应该是一致的，所以熵增的方向与因果的方向以及人们的心理方向等都是相同的，这也是热力学第二定律的内在一致性的要求所在。由此我们从逻辑上不难得出，对于一个因果过程，与原因对应的状态的熵应该小于结果的熵，据此人们就可对该过程的方向做出判断。但下面这个简单的例子对此提出了质疑。试问我们是如何判断一段影片是正着放还是倒着放的呢？比如一个人跳水，我们可从水波的传播样式来做出简单判断。但是，当我们观察一个在地板上滚动的小球时，也许你考虑到实际存在的摩擦力，可以说小球的速度减小时是正着放的，反之则是倒着放的。可小球在最初被抛出时的速度也是增加的呀？再看一个例子：如果我们看到在均匀的海滩上留有一串清晰的脚印，你会把它当成是由沙子组成的系统，经过足够长时间的演化而自发形成这样的图案吗？当然不会！其中的道理与历史上有名的钟表论证是一样的，即如果我们在广袤的沙漠中发现了一只手表，我们自然而然地认为，这是一只由人设计制造并被丢弃在沙漠中的手表，而不会认为这是一个足够复杂的沙漠系统经过长时间的“自组织”演化而形成的奇迹！[3]所以类似地，我们只能“合乎理性”地做出判断：一个人刚刚从沙滩上走过……但这里存在的问题是，刚开始时海滩的状态是均匀的，其熵显然要大于留有脚印的沙滩的熵，即因果过程的方向与熵增的方向是相反的！不过有人争辩说，如果我们把人也加入到沙滩系统中，就是把他们看成一个整体，而且假如我们让人在一个有限的范围内不停地走下去，你还能根据那些散乱的脚步来判断出时间的方向来吗？其实我们还可以进一步追问：人的行为是如何改变沙滩的宏观状态的熵的呢？可见，熵变与时间方向的对应关系变得更加复杂起来。[4]397-398 (2)我们的考察还是先从与熵联系最紧的热力学系统开始。首先按照热力学系统的准周期假设，只要时间足够长，系统的状态分布总会与以前的一个状态足够接近，这意味着熵是不可能永远单调增加的？[5]其次，就概率本身而言是不可以忽略涨落问题的：虽然热力学平衡态与其他状态相比实现的概率最大，但是每个偏离它的可能的小概率状态也是有实现的可能的，这恰恰是概率的本意。问题是，我们应该如何去看待这种涨落的意义呢？其实这在比较极端的情况下即当我们考虑只有几个粒子的“热力学系统”时，涨落造成的偏离就会非常明显。这种“极限”情况将揭示出涨落对时间方向的本意？即反向涨落是否意味着时间的倒流？[6]351-352有人争议说，热力学第二定律的本质是针对系统明显的热流的，而不是针对分子的随机涨落的，因此两者并不冲突！然而，明显的热流与涨落从数量的角度如何界定和区分呢？它们在现象上和本质上都应该是等价的？第三，如果热力学系统演化到了平衡态，理论上来讲这是系统的终态，这是否意味着时间的终点？尽管与平衡态相联系的时间停止是局部和暂时的，即它与具体的系统捆绑在一起而仅限于某一有限的时空范围内，但这实际上却在告诉人们，时间与不可逆性之间是有区别的？可见，用概率来规定时间的方向，也许从根本上就是错误的。 (3)天文学时间，如上所述是与宇宙的膨胀联系在一起的。根据热力学第二定律的解释，从逻辑上说，宇宙自发的演化应该是一个熵随时间增加的过程——这也是“热寂说”的基本思路，所以罗杰·彭罗斯(R.Penrose，1931-)等才提出了这样的假说：在宇宙产生之初，其熵最小。为此他还从宇宙在刚诞生那一刻所处的特殊的初始条件，专门“计算”过产生我们这样一个宇宙的概率大约为1/(10[10])[123] [7]395，当然与此概率相对应的熵也最低。但按照大爆炸的宇宙模型，所有基本粒子在宇宙极早期的状态应该是近乎均匀分布的，与此对应的熵却应该是最大的，而不是像彭罗斯说的那么小！所以从热力学第二定律出发解释宇宙从最初的“基本粒子汤”这样一个混沌的世界走出，并逐步形成了今天这样一个“有序性”不断增加的丰富发展的世界，至今仍然是一个令人困惑的问题。物理学家们为了消弭这一矛盾，认为宇宙刚开始的时候其尺度是非常小的，这种情况下熵的最大值与后来扩展宇宙所允许的熵相比是微不足道的，即随着尺度膨胀，宇宙可允许的最大熵值也不断增加，但是宇宙中实际的熵远远落在允许的最大值后面。由于实际的熵总是拼命去追赶允许的最大值，所以产生了第二定律。[8]无论如何，这仅仅是一家之言。其次，从未来的角度看，宇宙演化的另外一种可能是，也许有一天它会从膨胀逆转而开始收缩；这意味着，宇宙在时间上将最终呈现出对称的特征，即意味着时间的倒流？更进一步，它是否也意味着宇宙在后半段时间里熵会不断减少？显而易见，这两个结果都与热力学第二定律所指示的方向相反。考虑到目前天文学界的研究热点暗物质、暗能量的情况，我们的宇宙的未来充满着不确定性，这给我们从足够大的时空尺度哪怕是想象中的范围来考虑时间方向的问题都带来了不小的困难。 (4)再看生物学时间。由于生命系统运转的具体过程及其内在机制处于比物理化学运动更加丰富和复杂的层次上，用熵去刻画这一过程就变得越发困难了，不过人们从代表混乱无序的熵概念出发提出了负熵思想，之后更有普利高津在解释耗散结构的有序化过程时引入了最小熵产生原理和负熵流的原理，现在负熵(流)在解释系统演化的一般机制中发挥着重要作用[9]28-30。但它同样存在着困难：我们假设让食草动物和食肉动物互换一下食物，从原初的含义来讲，这些食物都含有营养和能量等，可为什么调换之后食物中的能量就不能被动物所吸收呢？或者从更抽象的理论层面上说，这种情况下为什么没有“负熵”流入这些动物的体内而维持其生命呢？可见，用负熵(流)的观点来理解生命现象也存在着难以理解的问题。 (5)关于心理时间，首先与生物过程相比，有关思维的一些具体细节我们就更不了解了，比如我们甚至无法确定，像针刺对神经的物理刺激与其所引起的神经心理过程和熵增之间的具体关系到底是怎样的？也许这需要从以下几个角度来分析：一是针刺本身的物理刺激即物质能量流的作用；二是我们在感受刺激和进行思考时必须消耗一定的物质和能量；三是这些流入的物质、能量与疼的心理想象之间的对应关系！显然，这三个方面之间缺乏连续的一一对应的关系！例如我们可以不通过具体直接的神经刺激去想象疼吗？众所周知，人的大脑所具有的记忆与联想能力，允许我们在任意时间和没有实际物理过程发生的情况下去想象一些事物——比如想象中针刺的疼痛，这意味着由于记忆和想象与具体的神经刺激无关，也就与实际的熵增过程脱离了一一对应的关系，同时也表现出了时间上一定程度的可逆特征。其次，无论如何，人只能知道过去发生了什么，却永远不会知道未来是什么样子的！也就是说在过去与未来之间，永远横亘着一条人们无法逾越的鸿沟，这里丝毫不存在热力学小概率所允许的那种可逆性。所以我们不能将心脑问题完全归结为热力学统计熵。 可见，试图从熵理论出发对时间的方向问题做出逻辑一致的理解，在许多方面都面临着困难，出路何在呢？ 二、时间方向的复杂性 如何理解熵以及第二定律在刻画时间方向上的局限性，我们是这样考虑到： 1.关于时间方向的“具体性” 其实早在爱因斯坦提出相对论之后，牛顿的绝对时空观就破产了，像人们在哲学上所概括的，时间已经成为物质存在的形式，是由物质及其运动的性质所决定的，更具体地说就是，相对论所揭示的四维时空的一体化特征以及有物质存在的区域的时空曲率将取决于周边的物质密度分布这一思想，其本质即意味着时空的具体特征与物质存在本身是密切相关的，但这一内涵的深刻性并没有被人们全面领会而长期被忽略了，主要原因是，包括在相对论以及量子力学的理论中，时间依旧是可逆的而非演化的，即相对论在四维时空连续体框架下对所有的“事件”进行描述的微分方程中，“+t”和“-t”依然是等价的，这是经典物理学传统思维的某种延续。这种局面的实质性改变，一直到普利高津提出了“内部时间”的概念才算完成。 普利高津在讨论耗散系统的不可逆性时注意到，耗散结构的不可逆性与空间对称性的破缺是密切相关的，即系统在临界点处借助于不可控的涨落的帮助，通过分岔行为可从某个均一的完全对称状态进入到某个相对于前者“更高级”的不对称的分支，亦即实现所谓的“对称破缺”。由于这种对称破缺是不可重复的或不可逆的，他就把状态的这种不可重复性与时间深化联系起来，提出了内部时间概念来刻画复杂系统的动态特征。他主张，如果把对称破缺现象视为对系统实施某种变换即他所说的“面包师变换”，则变换后系统的状态因其特有的性质可被赋予“年龄”的意义，亦即内部时间能够表征系统特定的发展阶段，一如人类的童年、少年、青年、中年、老年之区分。[10]225-242内部时间意义的强调，是时空史上继相对论之后的又一次飞跃，它把时间与物质及其运动的内在联系更加深刻地揭示出来，把时间的阶段性与系统状态的演化特征更加紧密地联系起来，从而突出了时间方向的具体性和特殊性。 其实，关于时间的具体性也可以从更一般的意义上来理解：一是当热力学系统达到平衡时，系统状态就不再变化，因此与该变化联系在一起的时间也就无法度量了。二是像众所周知的，新陈代谢是宇宙的根本规律，任何一个具体事物比如生命个体以及“我们的宇宙”的寿命都是有限的，如果当一个系统的发展停止了，那么与这一系统联系在一起的时间势必也停止了。显见，本文在这里所强调的时间的具体性，恰恰是强调了时间与物质运动及其形式的不可分离性，这与我们关于时间的一般哲学认识达到了高度的一致。 2.关于时间方向的层次性 注意到时间的具体性和特殊性，自然就是要强调不同的时间方向的差异性，我们把它们之间存在的本质区别称之为时间方向的层次性。而像上面谈到的热力学、天文学、生物学、心理学等时间现象，恰恰明显地处在物质运动从低级到高级的不同形式的层面上，从而很好地表明了这种区分的合理性。 今天的人们对层次性的概念并不陌生，因为系统科学及其哲学早已成为思想界的主流。系统科学的核心主张是整体论，而强调整体就意味着反对一味地彻底还原，于是层次的内涵便彰显出来。其实很早在化学中就有一个典型的例子，那就是金刚石和石磨都有相同的微观组成，但其宏观性质却有天壤之别。其间的差别究竟源于何处？从还原论的观点是无法解释的！可见，无论是从理论上，还是从经验的角度，事物的宏观属性之于其微观组成的独立性早已是昭然若揭的东西。[11] 与层次相关的问题还有，一是层次的由来问题？二是层次之间的关系问题？回答这些问题的基本观点，是当今广为学术界认同的所谓的生成论。生成论的基本观点是强调我们可用分析的方式来理解和说明整体性和层次性的由来，从而将过去西方有机论者附会于整体与层次之上的神秘色彩彻底消除。 层次论及生成论的观点，为我们更加深入地思考时间方向与其他“方向”之间的内在关系提供了更加丰富的思想资源。 其实，“方向性”在自然界中有很多具体表现，如前面提到的因果的方向，还有人们常见的地球引力的方向等。从类比的角度看，如果一种方向具有这样的特征，它能够表现出一个过程的延续性和顺序性，即能够在在过去和未来之间做出区分，那么它就可以和时间的方向联系在一起。而这些方向的具体性和特殊性，就充分体现了我们这里所强调的时间方向的层次性。但我们也必须指出，人们在将时间与这些不同的方向之间建立对应关系的时候，却受到了很大限制——它也许仅仅是我们不得已而为之的“机缘巧合”而已——一是由于热力学第二定律是第一个与方向有关的定量化的科学定律，二是由于我们过去习惯于用还原论的观点来思考问题——详见下面的讨论，但这种不得已却似乎成了我们的“唯一”，使我们在理解时间与其他方向之间多元化的对应关系时变得眼界狭隘起来。无论如何，我们现在必须追问：这些不同的时间方向之间的关系是怎样的？抑或哪种时间是最基本的？哪些时间又是派生出来的？[12]这正是我们下面需要讨论的问题—— 3.时间方向的可还原性 上述分析已经充分表明，如果承认了时间的层次性，我们就需要在这一新的基础上来理解不同时间方向之间的关系，而理解这一问题的核心，是如何看待时间方向的可还原性问题。 应该说，在整体论和系统科学深入人心的今天，机械的还原的思想似乎早已衰落了。其实不然，如今的人们依然自觉不自觉地陷入在它的泥潭之中。 所谓的还原就是指人们总是想依据因果原理，把作为结果的一个现象归结为产生它的某种原因即一个比它更低层或更深层的现象加以理解的做法，这一理念及方法几千年来屡试不爽，如从古代中国的阴阳五行学说，到古希腊的四元素说、原子论等，特别是今天物理学的统一场论和生物学的遗传学说等，都是如此。总之，这种思想方法的有效性早已随着近代科学的发展而成为一种文化现象并深入人心。这种局面，在整体论兴起的大背景下其实也很难有大的改观，人们对时间方向问题的理解事实上也是一直循着这样的思路在摸索，即受着机械观的长期困扰——如上所述，人们长期以来根本就没有注意到时间方向的层次性问题，就是明证。 时间方向的可还原性从更深的基础上看也是与牛顿力学中的严格决定性的观念密切联系在一起的，而决定性观念又离不开“轨道”的概念——所谓轨道的最初含义，是一个物体在特定时刻同时具有确定的位置和速度即位置变化的快慢。之后在统计物理的相空间理论中，这一概念得到推广，人们可以建立一个多维空间，将系统的状态表达为该空间中的一个点，于是系统的演化就被形象地表示为相空间当中的一条轨迹或轨道。也就是说，只有系统状态遵循一条确定的轨道变化时，我们才能说时间的变化是可逆的，在这一点上，人们过去认为自己是成功的。 但是，当今的复杂系统理论已经告诉我们，当复杂系统处于多态并存的临界状态时，这些吸引态的边界不是清晰的，而是具有混杂的参差不齐的分形结构。分形的无穷嵌套自相似结构意味着，无论我们测量的精度能提高到什么程度，都无法确定地知道系统将最终归于哪个状态，这样轨道的概念事实上已经失效了——“由于我们不仅在实践上而且在理论上不能利用轨道来描述一个系统，而不得不运用相空间中有限的小区域所对应的分布函数，所以我们只能预言系统的统计性的未来。”[13]317总之，结论竟是这样明显：初始条件的这种不确定性使我们无法决定复杂系统的未来状态，当然也无法精确地回到过去的特定状态，即不可逆性是从非决定性中直接产生出来的结果！而初值敏感特性恰恰是复杂系统的最重要的一种反应能力或特征！于是，与在经典模式中决定性观念下的情形完全不同，初始条件不再受我们的意愿摆布了！如果把每一个初始条件与一个信息容量联系在一起，信息容量越高，实现的可能就越困难。这样，对于一个不稳定的复杂系统，其初始条件原则上是不可穷尽的，也就是说它具有无限的信息容量，当然也是无法实现的。这就等价于“无限的熵垒把可能存在的初始条件与不允许的初始条件分隔开。由于这个壁垒是无限的，所以技术的进步永远也不可能克服它”[13]332。 至此，我们已经讨论了时间方向复杂性的表现——具体性、本质——层次性及其成因——不确定性，从中我们不难得出：时间方向的本质——在最一般的意义上的概括，就是事物发展的不可逆性，即过去和未来区别的根本所在！这与“宇宙”或“自然”的本性是“演化”而不仅仅是“变化”的表象是一致的——自然界从根本上讲是演化的，正是这种演化的不可逆性，使得“太阳每天都是新的”，从而造就了一个从低级向高级、由简单到复杂、直至产生出人类的“生成”的丰富多彩的世界！既然演化的表象是复杂的、多层次的和非还原的，那么时间的本性也应如此。过去许多人以为，唯一能够确定时间前进方向的基础理论就是热力学第二定律，其实这是一种彻底的还原论的思想。事实上，像本文前面提到的，这种做法引起了许多不自洽的争议。要避免时间方向在理论上的困难，首先就是要克服机械论的影响，即需要强调不同系统、不同层次演化的不可逆性的区别，这是否意味着我们将放弃对时间方向的统一描述？ 就目前的情况看，人们对不可逆现象所作的科学描述是统一的熵描述，于此，笔者的意见是这样的： 首先现在流行的熵与第二定律的表述是以热力学概率为基础的，概率抽象的数学普遍性，为熵概念的泛化提供了方便，使其可以用于不同的不可逆现象的描述中。但这种描述也有自身的不足，一是秉承还原论的思路忽略了不同系统的不可逆性之间存在的本质区别，或者说忽略了不同层次不同系统的熵实际上有着本质的不同，例如生物的生长发育在很大程度上取决于DNA，显然，这种机制是不可能完全用热力学或化学来解释的。二是由于概率本身的不确定性，给人们正确理解不可逆性带来了不小的困难乃至误解，以为灰烬会自发地再回复为草木，或者只要僵尸足够多时，总会有一个能从地上爬起来将生前的顺序倒过来再活一遍。[14]38-39 综上所述，不同层次的系统所具有的不可逆性原则上是由不同的规律支配的；而这种支配作用的表现现在可由系统科学中的“吸引子”这样一个概念来表达，例如大家最熟悉的孤立热力学系统演化的方向是从一个非平衡态指向平衡态，或者说平衡态作为寻常吸引子成为所有非平衡态的共同归宿即时间之矢的导向。但是，复杂系统理论等早已告诉我们，不同的耗散系统可以有完全不同的吸引子。这说明，热力学平衡态并非所有系统的归宿；系统经过复杂的演化，有可能形成新型的吸引中心，从而表明：决定系统随时间演化的新的机制及其形态是极其丰富的。其实，从系统哲学的高度上来讲，吸引子的作用可以进一步归结为系统演化的整体性的必然表现，而贝塔朗菲将其概括为“果决性”，它强调的是非现存的系统的未来状态对现存的系统状态的演化趋向的决定作用，当然：“过程走向最终状态的针对性，与因果关系的过程并没有什么不同，它只是因果关系的另一种表达方式。将来所要达到的最终状态并不是神秘地吸引着系统的‘vis a fronte’(拉力)，而只是因果‘vires a tergo’(推力)的另一种表示。”[15]66当然，这原则上也不是一个新的话题，哲学上对“目的性”的讨论有着悠久的历史，只不过，我们在这里将“目的性”、“整体性”、“果决性”、“不可逆性”的关系摆在了同一个讨论的平台上，不仅深化了人们对这些古老话题的理解，而且也开阔了人们对时间方向问题的理论视野，从而使未来有关时间方向问题的探讨在一个更广阔的背景得以展开并受到启发！