科普阅读系列（3）－《时间之箭》

frozenbug

科普阅读系列（3）－彼得·柯文尼、罗杰·海菲尔德《时间之箭》


    人生的悲哀归根到底来自时间的不可逆转。不言而喻，最后胜利属于死亡，凡是活着的都要死，这事实就是时间流逝的铁证。

    时间之箭对于保持科学的完整性是必不可少的。它是创造力的手段，用它，生命才能够被理解。只有通过对这些事实的认识，我们才能理性上开始沟通人文与科学两方面的经验。

—时间啊时间—

    “时间之箭”，是英国天体物理学家爱丁顿于1927年提出的。这个词非常形象地描绘了时间的特性——不可逆，正如脱离弓弦而出的箭，一直向前，永不回头。我们可以把时间和空间比较一下，空间有三个维度，你可以四面八方地走来走去，但时间却不行，你只能影响未来，对过去只有回忆。空间包围在我们四周，而时间却只能一点一点地体验。时间比空间多了一个特殊的方向。
    这似乎是个很平常的事情，我们每时每刻都在体验时间的方向性。香水从瓶子里散发出香气；玻璃杯掉到地上摔碎；死去的生物逐渐腐烂。我们对此再清楚不过，当我们看到跳水运动员头朝下从水池里钻出来、越过空气，站到跳板上，或者看到地面上一堆碎玻璃跳到桌子上变成完整的杯子，就立刻知道这是录像带在倒放。
    时间的方向性也不仅仅是一个心理感受和物理学问题。想想有多少文学作品描写时间流逝的残酷和人生的短暂，想想犹太－基督教文化中的线性（不可逆）时间对于西方思想的深刻影响，想想哲学家们对于时间做出的多种多样的解释。时间并不只是一个物理学的量度，无论在我们的内心还是外界，无论在自然科学还是社会科学，琐碎生活还是文学艺术，时间都扮演着关键的角色。
    不过奇怪的是，我们对于时间的了解，其实非常非常的少。


—物理学在时间面前败下阵来—

    普遍来说，我们都知道牛顿力学。它简单明了，而且适用于宇宙里任何物体。它甚至简洁到非常优美，比如万有引力公式，只要我们随便作个乘除法，你就立刻知道自己的引力状况，虽然这似乎没什么实际用途。对于宇宙学这就很有用，因为运用牛顿力学，我们可以算出任何一个星球在任何一个时刻的位置和速度。
    但是，牛顿力学却永远不会作一件事，那就是告诉我们时间的哪个方向是宇宙的过去，哪个是未来。牛顿方程从时间里把方向抽走了，没有为时间的不断前进性腾出任何地方。这种对称的时间，不论顺放也好，倒放也好，对于他的力学定律没有一点影响。
    当然，牛顿力学并不完美，现在我们都知道，在涉及接近光速运动、高引力场、原子尺度的时候，它并不适用。于是我们就会想到解决大尺度问题的相对论和解决小尺度问题的量子力学。可问题是，这两种理论，也是建立在时间无向的基础上，它们才不会告诉你哪个是过去，哪个是未来。而它们自身也都有着无法解决的难题。
    不过，也并不是所有的物理定律都对时间的问题置若罔闻或者故意回避，实际上，我们老早就在另一个层面描述时间的不可逆性了。


—热力学第二定律与世界末日—

    热力学描述的是热和功之间的关系，详细说明热如何转化为别种能量，如何跟别种能力进行交换。在热力学第二定律里，我们发现一种叫做“熵”的量，它量度一个系统的可变能力，它跟时间有密切关系。熵的增大是时间方向的指路标。
    于是，在热力学第二定律的规定下，时间不会反演，永动机不会存在，摔碎在地的杯子不会凭空变回完整的状态。爱丁顿说：“如果你的理论违背第二定律，那你就没有希望了，你的理论只有丢尽脸，垮台。”
    在牛顿力学里，过去、现在、未来的任何时刻都一样，因此，力学没有时间性，“演化”没有太深的意义。热力学就不同了，这里，熵把每个时刻加以区别，宇宙是真正在演化的。
    热力学第二定律更深刻的意义在于，它表明一个孤立系统里不论发生了什么事情，熵必然在增加，时间也沿着箭头前进，而当熵达到最大值时，时间便停止演化，这个孤立系统于是就达到了热力学平衡，并失去了发生变化的能力。
    而我们的宇宙，正是一个孤立系统。如果用宇宙学的语言来表述热力学，那么第一定律就是：宇宙的总能量是守恒的；第二定律就是：宇宙的总熵在无情地朝着它的极大值增长。
    于是，宇宙的命运定下了基调：它将逐渐退化，最后停止于热力学平衡，此时不再有任何变化发生，这时宇宙的熵达到最大，所有的生命也就随之死亡。有人曾经为此写了首诗：

    热就是工作（功），而工作是该死的东西。
    宇宙中所有的热，
    因为不能再增加，
    都在逐渐冷下去。
    此后，不会再有任何工作了，
    将是天下太平，永远的休息。
    真的吗？
    真的！老兄，这就是熵，
    所有这些都是因为
    热力学第二定律！

我们的文明，我们的艺术，我们的一切的一切最终就是这个下场。真悲惨啊，不是吗？不过，实际上，热力学第二定律其实也有它面临的问题。下面，我们就看看这个问题，对我们来说，这个问题恐怕极其重要。


—该死的，生命是怎么来的？—

    宇宙是一个孤立、封闭的系统，就像一杯糖水；如果宇宙从最开始就是以一种单调无序的状态增加熵，那么从最初诞生到最终灭亡，宇宙将只是一团混沌的粒子。但显然不是这样，无论是星球，还是生命，都是一种有序的形式，那么，一个无序的宇宙是怎么产生出极其有序的生命来的呢？这就好像一杯糖水里突然冒出来一个固体糖块一样。
    难道是热力学定律出了问题？
    其实，并不是热力学定律出了问题，而是我们对于热力学理解得太不够了。传统的热力学只描述平衡态，而此时的它就像是一个算命先生，虽然他不一定知道你明天会去约会，但他肯定知道你将来会死。可实际上，膨胀的宇宙、细胞分裂、心脏跳动，所有这些过程都不是平衡态过程。而当一个系统远离平衡时，它会产生局部热点，对于宇宙来说，这些局部热点产生了很多有趣的结果，例如天上闪烁的星星，例如生命的出现。
    所以，光靠热力学也是不够的，增熵倾向描述了时间之箭，但它仅仅指向平衡态，它告诉我们一个系统的结局，但却不会告诉我们一个系统是如何在时间上演化。于是，人们又寻找其他的手段和技巧。


—非平衡态热力学和非线性动力学—

    我们传统的热力学是平衡态的，我们传统的力学是线性的，现在，我们把它们统统砸碎，创造了非平衡态的热力学和非线性的动力学。而在这些理论中，时间的方向性是不可或缺的一环。
    但我不打算详细讲这些东西是怎么来的，因为这涉及到概率论、统计学、微分方程等等困难的东西，相当多的方程只有依靠大型计算机才能解决，最著名的例子就是天气预报。
    我要谈的是这些方程的各式各样众多的解，不过首先，我们最好先看看什么叫“非线性”。书里说得很明白，“非线性”的意思就是“所得非所望”。一个线性关系中的量是成比例的：十枚橘子的价钱是一枚的十倍。非线性意味着批发价格是不成比例的：一大箱橘子的价钱比一枚的价钱乘以橘子的个数要少。这里重要的观念是“反馈”——折扣的大小反过来又影响顾客购买的数量。
    非线性中的互为因果，使系统变得不稳定，使它容易达到一个临界状态，而一个系统被驱赶到远离平衡的临界状态之外，就会产生很多有趣的、奇妙的结果。


—有序、混沌和自组织—

    我们可以设想一个狼－羊系统，如果狼的出生率与死亡率相等，羊的出生率也和死亡率相等，我们就可以说这个系统是有序的、平衡的。但显然，这个平衡很容易被打破。
    如果狼多了，那么它们就会更多捕食羊群，结果羊变得更少，狼变得更多，但到了一定程度上，当羊的数量不足以维持狼的数量时，狼便会减少，然后羊在这样的情况下再慢慢恢复数量。
    如果狼少了，那么羊就会大量繁殖，从而狼的数量也会增加，但供羊吃的食物有限，于是在达到饱和状态后，食物减少，羊的数量随即开始减少，相应的狼的数量就相对太多了，于是我们又回到了上一个循环中。
    很多观察结果表明，狼－羊系统（或者山猫－兔子系统）呈现一种非线性的波动发展，也就是一种不断持续变化的混沌状态。   
    从另一个角度看，这个狼－羊系统具有自我调节能力，在不需要外界的干预下就可以显示出规律性。而这就叫做自组织。自组织其实就是远离平衡态的表现。生物学的自组织容易理解，而物理学上的自组织也已经被实验所证实了。1900年贝纳发现，夹在两片玻璃之间的一薄层液体，在加热到合适的温度时，液体会出现六角形的蜂巢结构。
    实际上，我们所知的任何系统，都可以用有序、混沌，自组织来描述。这个范围非常广，基本粒子，细胞分裂，生物群落数量的涨落，股票，发酵过程，粘菌组织，豹子身上斑点的变化，心脏纤维性颤动，性别的产生，社会变革，等等等等。
    而其中最重要的，就是进化。
    现在我们可以认为，所有的生物都来自一个祖先，问题是，这个祖先是怎么来的？达尔文可没有回答。后来，也就是在1953年，芝加哥大学的学生米勒把模拟的原始地球大气和水混合在一起，然后用电火花模拟闪电，接着把那一罐子混合物放了几天，结果在里面化验出了氨基酸，而氨基酸是组成蛋白质的材料。
    当然，实际情况可没这么简单，可这毕竟提出了一种答案。如果用自组织原则，那么这种从无机的浑汤里产生有机分子的事情就有可能发生。或许，生命的产生是件既简单，又普遍的事情。


—时间之箭的意义—

    时间的不可逆性所揭示的结果是非凡的，尽管它提醒我们死亡和腐朽，但它也让我们面对一个充满可能性、难以预料的未来。只有在一个不可逆的世界里因果才能分明，一个合乎逻辑的对事件的陈述才可能成立。
    不可逆性容许有一系列令人兴奋的可能性，因为只有有了不可逆性，才会有生命，才会有天地万物。


—关于本书的一点想法—

    首先，这本书虽然很有趣，但还是适合有一定物理学基础的人去看，否则绝对会被那些物理定律、公式、图表弄得昏昏然。并不是所有的科普书籍都会写得特别简单明了，像前面提到过的《万物简史》主要侧重的是基础，而《时间之箭》这本书说的是些前沿问题。
    然后，对翻译有点儿意见。谁知道泰雅德沙丁（Teihard de Chardin）是什么人物？可是，我要说出他的另一个名字，德日进，恐怕就会有人立刻恍然大悟：哎呀，这不就是那个被从巴黎流放到中国、在中国搞古生物学研究的耶稣会神父嘛。不过考虑到翻译者可能对古生物学和宗教不是很熟悉，倒也可以原谅。

julius0147

如果这都是正确的，我会为我的无知感到高兴（虽说这是件糟糕的事情，幸亏人的生命有够短，勉强还可以说服自己别去想这些该死的东西）

我翻过一本关于弦理论的书:《宇宙的琴弦》,虽然我基本上不明白它到底是什么东西，不过单从字面来看，它提到了一些关于多维的东西，虽然主要说的是空间，但也提到了时间多维的可能性，不知道你是怎么看的。

关于时间，你似乎认为不但这个宇宙框架内的时间是一维的，而且更大范围也是一维的。
虽然不知道事实如何（把科学家的观点和事实当作两件事是个方便的工具，随时可以筛去不想接受的理论）
我总觉得这种确定性的一维，有点不大正常。

顺便说下，以上的什么弦理论，如果你要批判的话，尽管不留情面好了，我并不是因为理解才相信的，单纯是因为愿意相信才相信的。

如果有个事实的话，我还是愿意知道的，虽然善后处理比较麻烦。

frozenbug

弦理论目前争议很多，所以我也说不出什么。
我们所处的宇宙的时间是线性的，这个其实你自己就可以验证，你见过自动拼和到一起的碎玻璃杯吗？如果我们处在一个收缩态宇宙里，时间会反演，但已经证明了时间反演的意思不是彻底回到过去，而是在另一个道路上的演化。
你的意思是可能有其他宇宙，目前也的确有人在研究这个，但问题是，对于我们而言，即使其他宇宙真的存在，我们也不可能观察到或者到那里去，因为那个宇宙和我们的宇宙从根本基础上就是不同的。
另外，关于多维空间问题，现在有一种理论，叫时空塌缩（非宇宙范围内），结果就是，一旦我们的宇宙中有一点开始塌缩，那么这样传遍整个宇宙。我们都知道，生命处在三维空间和一维时间里，如果时空开始塌缩，将意味着一切的一切，包括基本粒子，都将消亡，所以，还是别期待多维空间吧。哈哈。

我们只能生活在我们这个宇宙里，或许我们可以猜测其他的宇宙和智慧物种，但那与我们这个宇宙已经没有关系了。

真相总是不受欢迎的，因为真相并不会因你的喜好而改变它残酷的面貌。

[ 本帖最后由 frozenbug 于 2006-8-20 10:44 AM 编辑 ]

cocteau

冻教授的文章我一直都非常喜欢……尽管数学和物理学得很烂，但再也不需要考试之后，突然发现自己对这两门学科充满兴趣~~~^_^
《万物简史》和《寂静的春天》都是看过的，后者在我幼小的心灵里留下了难以磨灭的印象~~但这本书，我想大概是看不懂>_<

紫色的游隼

时光倒流的遐想只是一个梦罢了。

liuyuhuy

哎，任何现在不可在科学上证明的命题，未必就是不可能的

frozenbug

如果你愿意做梦的话，那就做好了。

寒一鱼

热力学第二定律……高中时我妈每次骂我房间乱，我就会一本正经地告诉她：亲爱的老妈，根据热力学第二定律，一个孤立的系统中熵总是要增加的，也就是事物总会朝着无续的方向发展，所以房间乱并不是我的错……

紫色的游隼

真会学为所用啊！！！