首页 > 冷门知识 > 关键词:冷门知识  日期:2022-07-05 11:28:18

时间性的发现:霍金与普里戈金

现代科学世界图景的分裂状态以“时间性”作为分野的标志。这个分裂状态由来已久。近代科学有两个传统,即数理科学传统与博物学(自然史)传统。它们最终的分野就在于前者以数学化的方式对待自然,后者则面向自然的历史性和时间性。但是长期以来,前一传统占据了人们的视野,科学革命主要被理解成伽利略-牛顿革命。近代自然观念的变革主要被理解成牛顿的机械论自然观从亚里士多德有机论自然概念中脱胎而出。新的自然概念强调质还原为量,数学定律代替目的论趋向,实验和预测代替沉思和理解。这些变化可以看成是机械论与有机论之对立的一个方面,但另一个方面,即历史性与非历史性的对立,一直没有引起重视。18世纪后期以来,在自然科学内部形成了一股新的思潮,即重新发现时间。这股思潮包括生物学、地质学中进化论的确立,物理科学中热力学不可逆定律的确立,社会思想领域出现的“进步”“发展”的观念。它们共同形成了19世纪思想史上所谓“时间的发现”。正是时间的发现,使我们有可能意识到现代自然科学的世界图景的不完全性。

以牛顿、爱因斯坦为代表的古典数理科学倾向于否定时间的真实性,它对待时间之矢的态度是,时间的方向性、过去与未来的不对称性,只是一种与人类这个特有物种相关的幻觉。爱因斯坦在悼念青年时代的好朋友贝索时写了这样一句话:“对于我们有信仰的物理学家来说,过去、现在和未来之间的分别只不过有一种幻觉的意义而已,尽管这幻觉很顽强。”相对论引入的流形概念,将整个宇宙变成了一个本质上没有演化、没有时间性的整块宇宙。

整块宇宙观念的典型代表是英国物理学家霍金。斯蒂芬·霍金1942年1月8日生于牛津,1962年进入剑桥,1963年被诊断患有运动神经病,此后身体每况愈下。他除了头脑活动如常,只能斜躺在轮椅上动动手指,通过为他特制的电脑系统与外界交流。他曾是皇家学会最年轻的会员,也曾担任剑桥大学的卢卡斯数学教席。1987年,他为了给女儿筹措学费,写了一本畅销世界的科普著作《时间简史——从大爆炸到黑洞》。在书的结尾部分,他特别加上了伽利略、牛顿和爱因斯坦三人的小传,强烈暗示自己是伽利略-牛顿-爱因斯坦这个科学传统的正宗传人,也是这条“路线”的代表。他的时间简史其实是宇宙简史。他的时间完全是坐标时间,时间的方向性在他那里并不重要。霍金一度把宇宙的膨胀作为时间的方向,而把宇宙的收缩当成时间的倒流。后来,英国物理学家彭罗斯发现,即使宇宙收缩时间也不可能倒流,他才放弃了这个想法。但是,他的宇宙模型建立在虚时间基础之上,而虚时间是对坐标时间的进一步坐标化,因而完全是非时间性的。

然而,物理科学内部从19世纪就在引入时间之矢。热力学第二定律揭示了物理世界的方向性和过程性,给出了一个时间箭头。如果知道一个系统的两个不同的热力学状态,根据第二定律我们就能辨别出哪一个状态在先,哪一个在后。而这种时间箭头在牛顿力学中是不存在的。只凭牛顿力学无法判断两个物理状态孰先孰后。

热力学第二定律所揭示的物理过程的方向性与牛顿方程所表明的世界的无方向性之间的矛盾,很快引起了人们的注意。如果热不过就是微观粒子大量运动的宏观表现,如果粒子运动服从牛顿无时间方向性的运动定律,那么,宏观上的热力学第二定律就是不可思议的,因为一个可逆的微观世界必定导致一个可逆的宏观世界。然而,在我们的生活经验中,在我们的物理经验中,时间的方向性如此显著,基础物理学怎能对此无动于衷?热力学和牛顿力学之间需要调解。

牛顿力学在此后几百年的运用实践中所表现的极度有效和成功,使人们不会想到去修正它。热力学第二定律出现之后,物理学家做的主要工作都是力图添加某些条件,使宏观的不可逆性还原成微观的可逆性,由经典力学来整合热力学。

整合的主要成就是发展了以概率学说为核心内容的统计力学。统计力学将概率论运用于大量分子的统计行为,得出它们的平均值,而这个平均值就是宏观可观测值。对系统的平衡态而言,统计力学十分成功,而对正在演化之中的非平衡态则比较麻烦。

1890年,彭加勒证明了,遵循牛顿力学的粒子系统在经过足够长的时间之后总会回到它的初始状态。彭加勒意识到,这个定理用于分子层次,将使热力学第二定律失效,而用于宇宙学中,则可以破除宇宙热寂说。彭加勒的回归定理宣告了热力学还原到动力学的企图暂时失败。

正当热力学的时间之矢在纳入经典框架受阻时,在动力学的框架之内新的时间之矢出现了。首先,以相对论为基础的现代宇宙学给出了宇宙的整体膨胀图景,而膨胀就意味着宇宙的整体演化,同时也给出了演化的方向性。

导致时间之矢突现出来的,除了相对论宇宙学之外,还有量子力学。表面看来,时间并不是量子力学中的可观测量,因此,量子力学对于时间概念并无新的贡献。然而,量子力学已经让不可逆性成为一个不可回避的问题,这就是测量在量子理论构架中的特殊地位。首先,测量对于量子力学具有根本的意义,量子世界的一切奇妙性都是由测量来给出的,正是因为对测量的过于依赖,量子力学曾经被看成唯象理论。其次,量子力学的理论结构之中也浸透了对测量的依赖,矩阵力学中矩阵代数的不可对易运算,显示的就是不同的测量次序将会带来不同的结果。

有意义的是,尽管测量在量子力学中占据那么重要的位置,但对测量本身的描述和解释却没有被纳入量子理论之中,因为量子理论本质上是关于微观世界的,而测量涉及的是微观世界与宏观世界的相互作用。

测量问题的不可回避反映了量子力学的不完备性、非封闭性,反映了量子力学以可逆性动力学方程为主干的经典框架的局限性。测量问题提醒着时间之矢。

由于广义相对论的宇宙学无法逃避有一个起点(霍金曾经严格地证明了这一点),量子论与引力论终于会合到一起来了。在宇宙起始的一个极短时间内,量子论开始起作用。一个对于宇宙完备的物理描述和解释,取决于引力论与量子论的统一。在这个未来的统一理论中,应该有一个内禀的时间之矢,这个时间之矢应该与热力学的时间之矢相一致,它将使热力学第二定律成为像爱丁顿所说的“在自然定律中占有至高无上的地位”。

引力论与量子论相统一的理论还遥遥无期,宇宙学和量子论的时间之矢已然浮现,但远未被澄清。但是,对热力学第二定律的理解却在进一步深化,这特别应归功于以普里戈金为首的布鲁塞尔学派的工作。

耗散结构理论的创立者普里戈金生于莫斯科的一个工程师家庭,当时正是十月革命的前夜。此后俄国社会翻天覆地的变化使普里戈金一家过上了漂泊不定的旅居生活。他们1921年离开祖国到达德国,再于1929年定居比利时。普里戈金在布鲁塞尔接受教育,从小热爱音乐。在大学,他起初学习古典语言、历史和考古学,这使他具备了深厚的人文修养和对时间性的特有感觉。当时法国哲学家柏格森的影响极大,普里戈金读他的《创造进化论》,对时间和创造问题十分着迷。当他后来转入物理和化学研究之后,物理定律的无时间性给他留下极深的印象。沟通时间性的人文科学和非时间性的物理科学,构成了普里戈金日后科学生涯的一个主导动机。1941年,普里戈金在布鲁塞尔自由大学获博士学位,1949年加入比利时国籍,1951年任自由大学理学院教授,1959年担任索尔维国际物理和化学研究所所长,1967年兼任美国得克萨斯大学统计力学研究中心主任,长年往来于布鲁塞尔和得克萨斯之间。在这两处工作的各国科学家形成了一个非常有实力的研究群体,人们称其为非平衡统计物理的布鲁塞尔学派。

普里戈金在其科学生涯一开始,就对时间之矢有着刻骨铭心的感觉。他回忆说:“在我年轻的时候,我就读了许多哲学著作,在阅读柏格森的《创造进化论》时所感到的魔力至今记忆犹新。尤其是他评论的这样一句话:‘我们越是深入地分析时间的自然性质,我们就会越加懂得时间的延续就意味着发明,就意味着新形式的创造,就意味着一切新鲜事物连续不断地产生。’这句话对我来说似乎包含着一个虽然还难以确定,但是却具有重要作用的启示。”在物理学中重新确立时间之矢的基础地位,是普里戈金毕生的目标。

普里戈金的理论展示了全新的概念结构:第一,热力学第二定律并不是在经典动力学基础之上的宏观近似,而是动力学的基本原理,可以从它开始建立动力学的更一般的形式体系;第二,热力学第二定律并不意味着热力学系统的单向退化,它也是进化的原动力,熵最大状态只是演化的终态,而在演化过程中,不可逆性会导致自组织的出现。在远离平衡态的系统中,如果系统对外界开放,系统本身所产生的高熵将被及时地输送到外界,而自身保持在有序状态。这种通过与外界保持开放而将自己维持在远离平衡态的有序状态的系统被称为耗散结构。

耗散结构理论表明生物进化论如何可能与热力学第二定律相一致,因为在远离平衡态的条件下,物理系统会自发地产生高度有组织的行为。地球太初时期处处会发生的偶然涨落,被不断地放大成越来越高级的自组织行为,可能就是地球生命进化的真正奥秘。

在越来越远离平衡态的情况下,我们越过了越来越多的分叉点,分叉点之后可选择的可能性也越来越多,此时,我们就进入了完全不可预测的状态,即所谓的决定性混沌(determinsticchaos)状态。对决定性混沌的研究,已经或正在形成一个热火朝天、朝气蓬勃的新兴领域,有人说,一场新的科学革命将在这里掀起。

决定性混沌区别于一般混乱无序的所谓随机性混沌在于,它是由遵循决定论的动力学系统在并无外部随机性干扰的情况下,自发产生的内禀性混沌现象。它虽然完全不可预测,但内部依然隐藏着结构和规则。在传统观点看来,混沌只能是随机性混沌,决定性混沌是不可思议的。词典上,“混沌”一词的释义一般有二:“1.(常大写)据认为在有秩序的宇宙之前就已存在的无秩序、无定形的物质;2.完全的无序,彻底的混乱。”1986年,英国皇学学会在伦敦召开的一次有影响的关于混沌的国际会议上,又提出了新的定义:“3.数学上指确定性(determinstic)系统中出现的随机性态。”因此,决定性混沌确实是新近被发现的。它的发现立刻引起对传统的机械论世界图景最严峻的挑战,成了普里戈金发起的以“时间的再发现”为主题的科学革命的生力军。

混沌学已经展示了世界图景即将面临的革命性变化。这其中最重要的革命性因素是确立了“开放的未来”的概念。在牛顿的钟表式宇宙图景中,未来与过去一样已然预定。而混沌显示,未来是纯粹的“未定”。开放未来的概念真正揭示了时间之矢的本质。

以上是17辞职网为大家整理的“时间性的发现:霍金与普里戈金”,如您想了解更多关于“冷门知识”的信息,欢迎访问www.17cizhi.com查看更多相关信息。

转载请注明:https://www.17cizhi.com/zhishi/55388.html