从存在到演化 学生版

时间的维度 普里戈金 比利时物理化学家,1977 年诺贝尔化学奖获得者 本书是论述时间问题的。书名原打算定为“ 时间———被遗忘的维数”(Time, the Forgotten Dimension),这样的书名可能会使一些读者感到奇怪,时间不是从一开始就结合到动力学,即运动的研究中去了吗? 时间不就是狭义相对论讨论的重点吗? 这当然是对的。但是,在动力学描述中,无论是经典力学的描述,还是量子力学的描述,引入时间的方式有很大的局限性,这表现在这些方程对于时间反演t→-t 是不变的。诚然,在特殊类型的相互作用,即所谓超弱相互作用中,这种时间对称性似乎是破缺的,但这种破缺对于本书所要讨论的问题并不起作用。 时间在动力学中不过是作为一个“几何参数”出现,达朗贝尔(d’Alembert)早在1754 年就已注意到这个特点。拉格朗日(Lagrange)走得更远,他甚至把动力学叫作“四维几何”,这比爱因斯坦(Einstein)和闵可夫斯基(Minkowski)的工作早了一百多年。按照这种观点,将来和过去起着同样的作用。组成我们宇宙的原子或粒子所沿着运动的“世界线”,也就是它们的轨道,既可以延伸到将来,也可以追踪到过去。 这种静止的世界观,其根源可以追溯到西方科学的发端时期。米利都学派把所谓“原始物质”的思想和物质不灭定律联系在一起。该学派*杰出的创始人之一泰勒斯(Thales)认为,由单一物质(如水)构成了原始物质,因而自然现象中的一切变化,例如生长和衰亡,就必然只是一些幻象而已。 物理学家和化学家都知道,过去和将来起着同样作用的描述,并不适用于所有现象。我们可以观察到,把两种液体放入同一容器里,一般都会扩散成某种均匀的混合物。在这个实验中,时间的方向就是关键。我们观察到一个逐渐均匀化的过程,这时,时间的单向性就是很显然的了,因为我们不会观察到两种混合在一起的液体自发地分离。但是,这类现象很久以来都被排斥在物理学的基本描述之外。一切与时间方向有关的过程都被看作一种特殊的,“不可几”(improbable)的初始条件的效果。 我们看到,20 世纪初,这种静止的观点几乎为科学界一致接受。但从那时起,我们便朝着远离静止观点的方向发展了。一种动态的观点(时间在其中起着重要的作用)已在几乎所有的科学领域中盛行。进化的概念好像成了我们认识物质世界的核心。这个概念在19 世纪就完全形成了,值得注意的是,它几乎同时出现在物理学、生物学和社会学中,只是具有十分不同的特殊含义而已。在物理学中,它的引入是通过热力学第二定律,即著名的熵增加定律,这个定律是本书的主题之一。 按照经典看法,热力学第二定律表达了分子无序性的增加。正如玻耳兹曼(Boltzmann)所指出的,热力学平衡态相当于“概率”*大的态。但在生物学和社会学中,进化概念的基本含义正好相反,它描述向更高级别的复杂性的转变。在动力学中,时间被当作运动;在热力学中,时间与不可逆性联系在一起;在生物学和社会学中,时间作为历史,我们怎样把这些不同含义的时间相互联系起来呢? 这显然不是一件轻而易举的事情。但是,我们生活在一个单一的世界之中。为了对我们居身的这个世界建立一个统一的观点,我们必须找到某种方法,使我们能够从一种描述过渡到另一种描述。 本书的基本目的之一是向读者传达我的一个信念:我们正经历着一个科学革命的时期,这个时期涉及重新评估科学方法的地位和意义,这个时期有些类似于古希腊科学方法的诞生以及伽利略时代的科学思想的复兴。 许多有趣的和十分重要的发现,扩大了我们的科学视野。这里仅举几例:基本粒子物理学中的夸克,天文学中像脉冲星那样的奇妙天体,分子生物学的惊人进展等。这些都是我们时代的里程碑,我们的时代是一个特别富有重大发现的时代。然而,当我说到科学革命的时候,我想到的却是另一些东西,也许是更难以捉摸的一些东西。自从西方科学兴起以来,我们一直相信所谓微观世界———分子、原子、基本粒子的“简单性”。于是,不可逆性和进化就表现为一些幻象,这些幻象与自身简单的客体的集体行为所具有的复杂性联系在一起。这种简单性的概念在历史上曾经是西方科学的一个推动力,然而今天却很难再维持下去了。我们所熟悉的基本粒子,就是一些复杂的客体,它们既可产生,也会衰变。如果说物理学和化学中还存在简单性,那它不会存在于微观模型之中。它倒是可能存在于理想化的宏观模型中,如谐振子或二体问题的简单运动模型。但是,如果我们用这些模型去描述大系统或非常小的系统的行为,这个 简单性就会消失。只要我们不再相信微观世界的简单性,就必须重新评估时间所起的作用。于是我们就遇到了本书的主题,这个主题可以表述如下: **,不可逆过程和可逆过程一样实在,不可逆过程同我们不得不加在时间可逆定律上的某些附加近似并不相当。 第二,不可逆过程在物质世界中起着基本的建设性的作用;它们是一些重要的相干过程的础,这些相干过程在生物学的水准上显现得特别清晰。 第三,不可逆性深深扎根于动力学中。人们可以说,在不可逆性开始的地方,经典力学和量子力学的基本概念(如轨道或波函数)不再是可观察量。不可逆性并不相当于在动力学定律中引进某种附加的近似,而是相当于把动力学纳入更为广泛的形式体系中去。因此,如我们将要指出的,存在一个微观表述,它超出经典力学和量子力学的传统表述,明显地揭示出不可逆过程的作用。 这种表述导致一个统一的图景,使得我们可以在许多方面把从物理系统观察到的和从生物系统观察到的联系起来。这并非意味着要把物理学和生物学都“约化”为一种单纯的格式,而是要清晰地规定不同级别的描述,并为从一种描述过渡到另一种描述提供条件。 经典物理学中,几何表象的作用是众所周知的。经典物理学以欧几里得几何为基础,相对论及其他领域的现代发展,则与几何概念的扩展紧密相连。但是,我们这里考察的是另一个极端: 场论已被胚胎学家用来描述有关形态发生学的复杂现象。观看描写诸如小鸡胚胎发育过程之类电影的经历是令人难忘的,尤其对于不研究生物学的人更是如此。我们看到一个逐渐组织起来的生物空间,每个事件都在某个瞬时和某个区域进行,从而使过程的整体协调成为可能。这种生物空间是具有机能的空间,而不是一个几何空间。标准的几何空间,即欧几里得空间,对于平移或旋转是不变的。生物空间就不是这样。在生物空间里,事件是局域于空间和时间的过程,而不是仅仅局域于轨道。我们很接近亚里士多德(Aristotle)的宇宙观。