牛顿力学时间观念的现代转变，本文主要内容关键词为：力学论文,观念论文,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。
现代科学正在重新发现时间，1977年诺贝尔化学奖获得者普利高津如是说。这句话概括了现代科学诸领域正在发生的一次重大变革。时间观念在各个领域都不同程度地成了讨论的焦点，长期为人们所接受的牛顿力学的时间观念逐渐动摇。但各个领域中讨论时间的角度各不相同。本文主要围绕着以下几个方面的问题探讨时间观念转变。
一、时间的内禀性
十七世纪中叶，惠更斯成功发明第一部钟摆，人们开始了精确时间的计量。时钟技术的发展把时间从人类的事件中解开，从而使时间获得了外在性的特征。而真正科学时间的诞生，可以上溯到发现物体运动数学表达式的牛顿。随着他的思想的推广，牛顿力学中的时间观念也逐渐深入人心。牛顿认为时间是绝对的、真实的、数学的，它与外界事物无关地、均匀地流逝。在牛顿力学体系中，时间和空间一样，只是一个描述物体运动的几何参量，这是一种空间化的外在的时间。时间的增减描述了物体作为一个点在空间中的位移，并不涉及和影响物体的内部属性。
现代科学却指出了另外一种时间观念，认为牛顿力学中的时间观念将时间置于事物运动之外，实际上是对时间的漠视。时间的增减对一个物体而言，并不仅仅意味着其在空间位置上的移动，而更是意味着物体的特征甚至是本质的变化。时间的内禀性就是将时间从事物外部引入事物内部，指出时间并不仅仅是衡量事物运动状态的外部参数，而是决定事物性质状态的内在因素。
时间耗散结构理论指出了事物中存在着一个内部时间。“这个时间与以往经典科学作为外部几何参量的时间不同，它是对称破缺和不可逆的，与熵增加的方向一致，它表征系统作为活的有机体的产生和消亡和演化的过程。时间的推进就是生命的展开。时间是内在于生命结构中的，是实在的。决不是人和自然在时间之中，而是时间在人和自然之中”（注：杨志文：《时间与逻辑悖论》，《自然辩证法研究》1998年第4期。）。既然种种存在均是自然界进化在一定条件下的系统状态，那么，一切存在的真正的意义当然就是时间，这种内禀的时间在本质上是进化的度量，不同阶层上的存在实际上均是时间演化的不同表现形态。
然而即使在相对论中，时间仍未摆脱作为参量的特征。广义相对论提出的空间——时间结构虽然将时间和空间结合在一起，但仍然可以将这个结构视为外在于事物的新的框架。这种外在的时间导致了在解释双生子佯谬时出现困难。双生子佯谬指的是根据相对论尺缩钟慢的观点，作不同速度运动的两位孪生兄弟会彼此认为对方比自己年轻。这是因为在狭义相对论中，由于光速有限，导出两个不同速度参照系的测量时间不同，简单地说就是双方都可以认为自己的时钟走得比对方慢，因而双方都认为自己比对方年轻。由相对论可以得出钟表在不同的参照系里所标识的时间不同，但是，能不能凭借钟表在这两个参照系下的快慢不同就判定人的生命的长短，换言之，能不能由外在钟表快慢来决定内在生命的长短？虽然关于双生子佯谬现象的解释至今仍无定论，但有一点是明确的，生命的长短并不取决于外在钟表的快慢。因而内禀的时间成了解决问题的出路。“对于具有生命的有机体而言，如果由于外在的视觉测量而使生命节奏发生变化，这是不可思议的。因此，在理论上设定生命有机体有一个内禀时间是必要的”（注：郭垒：《视觉时间与内禀时间》，《科学技术与辩证法》2000年第5期。）。
二、时间的相对性
牛顿力学在原则上能使我们确定物体在整个过去和将来的行为，只要我们能够知道物体在某一个时刻的速度和位置。这种决定论，是牛顿数学方程的一个直接推论。按照牛顿方程，两个观测者一方面由于相对运动而有不同的位置，另一方面他们对时间却有同样的感觉，而这种感觉是与参考系无关的。在牛顿的宇宙中，相对作匀速运动的钟，不论我们的位置和速度如何，时间流逝的快慢都是一样的。这样的时间具有绝对的意义，它设想我们看到的宇宙深处所有角落发生的事件，都和地球上的时间同步。
牛顿方程的决定论存在着一个前提假设，它假设初始条件是绝对的、确定的，可以准确无误地测量出物体在初始条件下的速度和位置。但是在现代科学中，这一假设被推翻了。在微观领域，测量被认为是不可能达到精确程度的。首先，在量子力学中，海森伯指出存在着测不准原理，即在任何情况下，我们不可能同时知道一个亚原子粒子的位置和动量一样，能量与时间之间也存在同样的关系。对一个处在某一特定量子态的原子，能量的精确测量，必然要以原子处在这个量子态的时间（也就是它的寿命）的不确定性为代价。反之亦然。其次，测量所获得的数值并不是客观的。因为在测量过程中，人既是观察者，又是参与者。人的参与必然影响测量结果，测量结果将随着观察者的观测次数和参与程度而改变。因此，无法得到完全客观的测量结果。
这样，也就无法得到一个确定的初始条件，相反，只存在一个有条件的相对的初始条件。如果开始是一个单一的点，那么可以求助于牛顿力学，若是面对一个系统，初始条件的不确定性就不可避免了。初始条件的稍微变化，时间上的演化就会迥然不同。这也就决定了牛顿方程只能作短期预言。因为要从运动方程中对未来作准确的预言，初始条件必须以无穷高的精度得知才行。这工作即使原则上能做，也不是任何人脑、任何容量小于无穷的计算机所能做的。现代科学为了解决这个难题，提出了以概率论代替决定论。概率论认为，我们所能做的只是给出事件在给定地点发生的概率。
决定论的受置疑意味着绝对时间观念基础的动摇。在决定论中，时间扮演着一个几何参量的角色，时间对任何事物都是公正的，在宇宙的任何位置，时间的流逝都是均匀的。在这个体系中“人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都是一样的”（注：霍金：《时间简史》，湖南科学技术出版社，1994年，第27页。）。随着决定论基础的动摇，时间观念也就从绝对转变为相对。
相对论时间的伸长收缩，量子力学时间测量的不确定性，以及耗散结构理论的自组织的内部时间，都包含着相对的时间观念。爱因斯坦的相对论提出了这种相对性的时间观念。爱因斯坦证明，时间实际上是有弹性的，可以被运动伸长或压缩。每一个观察者都带着他自己的时间尺度，而他的时间尺度在一般情况下是与别人的不一样的。在我们自己的参照系中，时间从来也不会发生什么异常，但相对于另一个以不同的方式运动的观察者而言，我们的时间就可能被扭曲了，与他们的时间不同步了。相对论在我们的时间观念中引发的革命，可用如下的话做出概括。就是说，从前，时间被认为是绝对的，不变的，普遍的，是独立于物体和观察者的。现在，时间被认为是能动的，时间能够伸长收缩，弯曲，甚至可以在奇点处停止。时间的快慢不是绝对的，也不是在宇宙的任何地点都是均匀的，而是与运动状态和引力状况相对的。
量子力学对牛顿时间观念的冲击，在某种意义上说较之相对论给予的更大。如果说，相对论修正了牛顿所说的绝对虚无的绝对时间的概念，那么，量子力学揭示的运动规律同牛顿决定论的冲突，则使许多物理学家开始认识到，微观粒子可能存在于一种同宏观时间完全不同，而与微观客体之间相互作用的性质相对应的时间中，他们将这种时间称为“量子时间”。可见，时间在宏观领域和微观领域具有各自的相对性特征。
三、时间的不可逆性
在牛顿力学中，时间和空间都是描述粒子体系的框架，牛顿第二定律方程中t换为—t有相同的结果，无所谓过去和未来。牛顿的运动方程式把一个物体的加速度直接与作用力联系在一起，在加速度的方程式中，时间出现了两次：加速度是速度随时间的变化率，而速度是位置随时间的变化率。在微积分中，这样一个量被称为位置对时间的二阶导数。这就在牛顿的运动方程中产生了一个重要的后果，即时间是作为两次幂，也就是平方的形式出现在方程中的。因而牛顿力学中是不能区分不同的时间方向的。这种可逆的时间观念与我们日常感受格格不入。在现实生活中，我们感受到的是时间的流逝和不可逆性。
为了解释时间的方向问题，有人提出应该考虑实现时间倒转所需的初始条件。公牛把瓷器打碎可以有多种方式，而要把瓷器重新复原却只有一种方式。实现时间倒转的初始条件的实现的几率是如此之小，这样，时间箭头便出现了。但是这个说法仍有缺陷。根据这个说法，时间的箭头不是内禀的，而是由于这家瓷器店起初特别整齐有序，因而导向无序的时间箭头比导向更加有序的时间箭头出现的概率大得多。这种说法假设任何“一组初始条件，即可以作为时间向前的事件的出发点，也同样可以作为时间向后的事件的出发点”（注：彼得·柯文尼、罗杰·海菲尔德：《时间之箭》，湖南科学技术出版社，2000年，第38页。）。这等于说一个放在斜坡上的球既有可能滚上山坡，也有可能滚上山顶。因为滚下山坡和滚下山坡的可能性是相同的，各占一半。这种说法显然没能解决问题。
热力学理论为时间箭头提供了一个比较合理的解释。这个理论认为耗散是区分可逆和不可逆过程的一个关键特征。在瓷器被公牛撞碎的过程中，摩擦力或者其它的力起作用，使能量在瓷器碎片和周围环境之间转移，瓷器使一部分动能转化为热能。而热能只能消耗不能增加，因此这一过程具有了不可逆的特征。热力学把时间与无序性这样的概念联系起来。时间的流动变得显而易见，这是因为在任何孤立系统中都有一种不可改变的倾向，就是有序程度的降低和无序程度的增加。热力学第二定律指出，所有的物理过程都是不可逆的，因为一部分能量总是要作为热而散失掉。这种能量的耗散即熵，熵是热力学中一个重要概念，它提供了一个明显的时间箭头：熵的增加正好与时间的前进一致。
熵指示的时间箭头是一个从有序到无序的方向。而在非平衡状态下，可能出现一种令人惊奇的有序状态，如雪花的形成。这种现象的存在是否推翻了前面所提的有序指向无序的时间箭头。为了解释自然界中有序结构存在的现象，耗散结构理论提出了自组织结构理论。该理论指出了有序的组织可以从无序状态中形成。普利高津把这称作“耗散结构”，这些导致耗散结构生成的复杂而相互作用的过程，称为自组织。从分子到宇宙的整个世界中都可以找到自组织现象。因而，热力学并不禁止有序结构的产生，在通往无序的时间箭头之上，也可能存在有序的结果。时间箭头的存在是毫无疑问的，时间的不可逆性指出的是这样的一种特征，时间一去不复返，而并不规定事物究竟去向何处。
四、时间观念转变之内在根源
时间观念在现代产生了深刻的变化，牛顿力学的外在的、绝对的、可逆的时间观念转变为内禀的、相对的、不可逆的时间观念，这种变化有其深刻的时代背景。
在哲学界，这种潮流体现为对形而上学思维方式的批判。从19世纪下半叶开始，哲学史上掀起了一场“拒斥形而上学”的思潮。在这里“形而上学”代表着传统哲学的理性独断主义、先定本质主义和客体决定主义，也是指二元对立、追求永恒绝对的思维方式。反形而上学是现代哲学运动的普遍思潮，不论哪一个派别，也不论它们之间有着怎样的分歧，只要它们把矛头指向传统哲学，首先都是从否定传统意义的“形而上学”发端的。他们认为形而上的哲学观追求的是处于现象背后的一种稳秘的存在，这种存在属于超越经验世界，是人们的经验所不能达到的，是永恒不变的理念世界。时间作为描述这个永恒不变的理念世界的一个参数，自然也具备了这个理念世界所具备的种种特征，那就是脱离经验世界而又先验决定经验世界。
恩格斯在《自然辩证法》中也批判了这种形而上学的自然观。恩格斯从物质世界永恒发展变化，即演化绝对性的观点来阐述辩证自然观，批判自然界绝对不变、无时间、无历史，即把存在绝对化的形而上学自然观。牛顿的力学体系正是这种形而上学形式的代表，其体系的绝对性、决定论以及静态的思维方式在这个时期自然成了批判的对象。
在科学界，信息论、系统论、控制论等理论的发展使科学研究从个体研究走向了系统研究。而正是系统研究决定了时间获得了不同于牛顿力学的不同特征。牛顿力学处理的是瞬时相互作用，如小球碰撞等等，而现代科学则必须考虑持续相互作用、不可割裂的关系网络。它意味着我们不能将个体从系统中孤立出来进行研究，因为整体具有不可分性。在系统性的研究中，要考虑到个体间相互影响和作用，这种作用具有随机性且不可重复，从而产生了系统的新的特性，打破了时间的反演对称，进而区分了系统的过去和未来。这种从孤立的个体到相互联系的系统的研究方式的转变，导致了时间观念的改变，时间具备了内禀性、相对性和方向性，也改变了人们的世界图景，人类认识的自然从存在的自然转变到了演化的自然。
人类对物质领域认识的扩展也决定了时间观念的转变。时间是物质本身禀赋的属性。我们批判牛顿力学的时间观念，并不是说这种时间观念一无是处，因为这个时间观念仍适用于宏观的物质领域，而是说当人们的视野扩展到宇观和微观领域时，这种观念已经不适用。因此，时间观念相对于不同的物质领域而言具有不同的特征。
另外，时间作为一个范畴，自身有其内在的演变逻辑。笔者在另外一篇文章中论述了时间范畴在历史演变过程中存在着的辩证逻辑。（注：郑文标：《时间观念辩证发展探析》，《华侨大学学报》2000年第4期。）文中认为时间观念在发展过程中，大致经历了具体时间知觉、抽象时间概念以及多样化时间观念三个阶段。本文则尝试着对这种多样化的时间观念作了概括性的描述。时间范畴在经历了抽象时间概念也正是牛顿时间观念的阶段后，存在着向多样化时间观念发展的逻辑性，这正是人类认识深化的体现。也正是因为人类认识的不断深化，决定了人类对时间范畴的认识必将不断取得新的突破。