试论时间方向的层次性

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处论文作者摔董春雨

及论文关键词壶熵/热力嫌学第二定律剩/时间方向骑/层次性

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死中图分晨类号：N0击31文献含标志码：A俩文章编号阴：1000弊-8934阴(20答08)坚05-00仙06-05

块1时域间方向的理继论解释及其局问题

景时间是余人类最早关璃注的哲学和脾科学问题之喊一，其中尤盯以时间的方精向问题令人佳迷惑，千百方年来，人们绿对它的理解圾莫衷一是。崇就时间方向塘的表现而言迅，众所周知摔，人们现在丢将其大致分市为如下四类喂现象：热力速学时间——卸主要指各类幻热力学系统窗在特定条件括下自发趋于浇平衡态的不徐可逆性；生姑物学时间—就—所有生物绝个体由生到贩死的不可逆漆性；宇宙学括时间——天模文观察所证掀实的现有宇夕宙膨胀的单家向性；心理这学时间——平人们只能感挨觉、记忆过圣去发生的事吗件，而未来途原则上只是塔一个由过去障的情形推断圈出来的可能历的世界。

禽如何理斩解上述现象支在时间维度质上过去与未贼来的不对称犬性？第一个祥为科学界普虑遍接受的理帖论解释是热纽力学第二定柳律——它是诱那样的与众戴不同：其他卷所有的物理摘学定律在时兔间上都是可骆逆的，惟有成它表明了系稻统演化的确畏定方向即时网间之矢。正洽因为如此，纪有人将其称坑为宇宙学第宋一定律。第颈二定律在科机学界的独特点地位还在于汗，尽管时间肆的方向性可佩以划分为上尿述四类，但臂从历史上看哀，有人一直支在努力将不卧同的时间现抢象统一还原地为微观层次追的热力学时煤间，把一切酸方向都归结甘到宇宙大爆均炸之初那个折特殊的条件锣[1]。而捏且在当今有滑关系统演化晚的自组织理桥论等成为一枝种近乎包容虹一切的理论尘框架时，像弄生物和宇宙常的演化等被袄从热力学角缓度予以解释著，也是顺理呆成章的事情追。可见，热议力学第二定舞律，对于人样们理解时间袖的方向性，真具有举足轻烂重的作用。

或但是，动第二定律对奥时间方向的议解释也有许顺多地方不能欲令人满意。什首先从理论这层面上看，全洛施密特(齐J.Lo副schmi贪dt,1韵821-1耍895)早晴在1876零年就提出了为所踢谓“可逆佯识谬”：假如杰所有现象最毒终都可归结把为原子之间括的相互作用且，而且支配落这种相互作戴用的力学规征律在时间上环满足反演对怠称性，那么位由热力学第伪二定律所表方明的宏观不鲜可逆性究竟易源自何处？泥从还原的角际度讲，这是京不可思议的喊。

样其次，天从现象上看周，人们从来画没有看见一粮具死尸从地边上爬起来将议生前的顺序所倒过来再活泡一遍，或者脸灰烬会自发辛地再转化为侍木头。这些砌事实与第二风定律的概率为表述所给予子人们的小概风率承诺完全键相悖。许多颈人对此都提访出过严厉的定批评[2]歌。

晶第三，随第二定律本缓身的局限性祖还在于，它驾并不能解释加、包容一切犯不可逆现象避。例如，按暴照人们通常枝的理解，时去间的方向、例因果的方向小与熵增的方肯向以及人们果的心理方向钟都是一致的训，即原因先红于结果，而犹且在从原因异到结果的过滨程中，原因多作为一种状左态其熵小于沾结果，由此短人们可以对逐过程的方向行做出判断，区可这一点现事在也受到了购质疑。看下病面这个简单厘的问题：你伞是如何判断套一段电影是侄正着放还是渠倒着放呢？痛其实在有些下情况下这是拔非常简单的金事情，像一挽个人跳水，纷你可以根据滨水波的传播贤方式这样的葡常识轻松做犹出判断。但部是，当我们抗观察在地板反上滚动的小狐球时，无论吵如何我们无净法判断出影浸片是正放还样是倒放的。狮当然你可以众争辩，考虑泉到实际的摩绢擦力的存在既，人们可以深说小球的速科度减小时是陪正放，增加启时是倒放。摊可小球在最职初被抛出时隙的速度也是瓶增加的呀？烛另外，赖欣捎巴哈(H.刻Reic蜂henba昌ch,1蚊891-1膜953)还森讨论过一个治例子，如果奔我们看到均损匀的海滩上兄有一串清晰典的脚印，我或们决不会把宵它当成是成堂千上万的沙高子组成的系壳统由于自身招涨落自发形驳成的图案，筝而判断出一呈定是有人刚慧刚从沙滩上光走过。但是晚赖欣巴哈指呼出，从类比磁的角度看，驳作为原因的固均匀状态的船熵要大于作足为结果的有管脚印的熵，榆所以将因果脑过程的方向壁与熵的增减锣联系在一起婆是不恰当的不。不过，有尝人强调，我悉们这里应该颜同时考虑沙单滩之外的系寄统——人的发作用。那么瓶设想让人在贪有限的范围璃内继续随机袍地走下去，铸试问你还能止从那些零乱飞的脚步中判头断出时间的笔方向来吗？崭或者我们进言一步追问，逢人的行为改荡变沙滩的宏同观状态的熵群的方式是怎痛样的呢？于招是，时间方粮向与熵变的灯对应关系变向得更加复杂柿起来均[3]。至点于与人相关含的复杂的心口理现象，一牵是由于其中盗的一些具体海机制尚不完坡全为人所知谱，我们无法井确定心理过他程、对神经歇的物理刺激净与熵增之间快的具体关系秤；二是大脑兴所具有的记足忆与联想能巡力，意味着冠我们在与实躲际的熵增与野时间过程相曲脱节的情况范下可以去想滤像一些事物糟——比如续想像中的疼赞痛，由于与杂具体的神经堵刺激无关，共所以也与实千际的时间过围程与熵增无弃关，甚至还取表现出一定径的可逆性[逗4]。

不可见，昂人们在如何王理解时间的筋方向问题上横还面临着许逗多困难，本牲文试图从层租次论的角度剃对上述问题饥做出逻辑一共致的理解。

贼2层订次性与时间消方向

谊层次性绑的概念在当增今系统科学娘及整体论成敞为科学与哲会学界主流思奸想的氛围中殃，已经成为恩人们普遍接骄受的观点，虹它的核心思毫想，是强调腹整体和层次锡的独立存在程，反对一味寨地彻底还原永。有一个浅警显的例子是捆化学中的同里素异形体如骗金刚石和石衫磨，从还原告的角度看，众它们的微观甩组成都是碳票原子，那么巴其间的宏观逆差别究竟源叨于什么？在衫这里，事物者的宏观属性南相对于其微福观组成的独捏立性早已不山言自明。宏奥观层次的独污立性还表现忽在不同层次拘上特有的一震些崭新的规湖律方面，例路如即使拉普散拉斯妖能够饮知道和预言鞠某一时刻宇从宙中所有基汽本粒子的运屋动，但是它毕也无法理解借经济现象，疮因为仅有微挪观还原是不允够的，它还稻需要懂得经声济学才行。

绣这里需征要提及的与页层次相关的正另一个问题矛，就是层次吉的由来问题互；这也牵涉厕到层次之间彼的关系是怎游样的？回答厚这一问题的葡，是所谓的亦生成论。本组人曾专门探橡讨过这一问怠题[5]，脆金吾伦先生赵则撰写过一恋本专著，系级统阐述了这平一思想[6乐]。生成论皱的基本观点阻是，在坚持份整体论和层答次的前提下次，强调整体骄和层次的可线解释性，从践而消除了过休去附着在有遭机论上面的掀神秘色彩。

悼无论如持何，层次论搜及生成论已淹经成为我们丰理解世界强堪有力的思想索武器——对牛时间方向的橡理解也不例睬外。

静首先看怀一下熵概念形及第二定律立的层次性。

猎熵概念辅的提出和热乏力学第二定抹律的发现，贼是19世纪磨下半叶热学畜与统计物理蹄研究的重要矛成果之一。岁由于第二定蜂律是当时唯四一一个与系键统演化的方略向相关的物古理学定律，初加之科学界岗盛行的还原混论思潮，熵寄及其增加几瞧乎成了人们应最普遍使用价的解释一切浩与事物演化峰方向及时间趣问题相关的月理论工具，积这种局面至缎今也没有太氏大的改变。找但是，由于椅人们一直没闯有注意到熵员概念及第二救定律的层次像性问题，我脏们在理解事彩物演化与时匀间方向的问滩题上遇到了剥许多难以克剥服的困惑。匹除了本文第鸭一部分提到弦的那些，下轮面再看一些颜事例：

筛例如，好从目前非常毁流行的熵与干对称性和序另的关系来看萄，即越对称盼的状态越无栋序，其熵越跑大，那么冰倒作为水的晶苹体，与水相搂比是有序还物是无序呢？脉熵是大还是烟小呢？如果武忽视了宏观大与微观的不敏同角度，就都会得出完全芬不同的结论火，从而使人梯们陷入到理静论解释牌的困境之中糊。另外，从南在解释系统弄演化机制中阿占有举足轻箱重地位的负屯熵概念来看帮，也存在同足样的问题：温有人笼统地屯把负熵流当抓作流入系统我内部的一种顽东西，那么网设想让食草恐动物和食肉叛动物互换一完下食物，为贼什么食物中严的能量不能坑被吸收？或醋者说为什么枯没有维持生暑命的“负熵济”流入这些姥动物的体内动？归根结底林，这些都是券没有注意到参不同系统的兔区别或层次耗造成的误解跃。因此，我嘴们很早就提帐出，要注意肥熵概念的层舍次性[7]海。

冠既然熵栽概念具有层举次性，那么唤第二定律的文层次性就是忘顺理成章的餐事情。第二久定律有宏观董和微观两种孟形式。从其致宏观表述来蛛看，当克劳趋修斯(R.巴Clau价sius,葱1822灰-1888节)开始系统国阐述第二定游律的时候，蒙他所依据的嫂仅仅是热传洁导的方向性捏，因此他所长揭示的也仅层仅是热力学台层次上的以万及和热力学芬有关的一类止不可逆现象蹦的规律。但惜是，不同的质运动形式对灾应于不同层软次的不可逆趋性，不同层乞次的不可逆易机制则可能天由完全不同税的规律所支胶配，这就意府味着，在将单其推广到对涛其他层次的障不可逆过程挠的描述时，猜一般会受到食限制，或者载不处于支配精地位。第二山定律的宏观旷表述的局限死性在其微观隆表述中得到趟了一定的克痰服，那是由板于热力学概垦率的数学本稿质，已赋予灭熵一种崭新令的普适含义罢，但同时它河也给人们理产解不可逆现卡象带来了一追些新的问题盯，例如上面俩提到的，它班并没有禁止馅对一些“不笨可违背的铁当的法则”的责自然规律的种违反，而是顾说那种违反锈的发生只是兽概率极小而碰已。但这微寺不足道的机于遇却容易给侧人造成一种抚错觉，或者特说第二定律桨的微观表述扯使人们对不去可逆性的理别解产生了严俱重偏差，其裂中得失，我暮们已作过详促细讨论[8斜]。除此之泉外，有关这构方面问题的妙其他讨论，把我们下面还红会谈到。

早总之，迹熵概念和第不二定律的层赴次性的核心汁，是强调不做同层次的不次可逆性之间赶的区别。以坊此为前提，玩我们来探讨昏与不可逆性质密切相关的章时间问题。

短如上所渡述，时间—犹不可逆现象砖大致可以分怖为四类，我育们先看热力羡学时间：

牺大家最拉熟悉的热力顾学时间方向烂，是由大量堆分子或原子晓组成的孤立闷的热力学系嘉统从非平衡弟走向平衡的购过程，即平脂衡态作为寻锯常吸引子成薄了时间之矢客的箭靶。但陡是，自组织堂理论等已从饱多方面为我厚们揭示出更厦为普遍的开造放系统处在垮非平衡态的园情况，即耗恼散系统中可宰以有众多类植型的吸引子忌，特别是混昏沌这种奇异防吸引子引起泳了人们的广亿泛关注和研碰究。这表明毅，被克劳修宇斯当年认定阳为唯一吸引梁中心的热力梅学平衡态，坑其实只扮演该了一个普通福角色，平衡腹态并非所有择过程的归宿俱；系统经过筋不将同状态之间罩的转换，完咳全有可能趋旧向新的吸引太中心。总之乓，这些吸引胶子的存在，悲引入了新的锁时间的箭靶荐，进一步表垄明了平衡的汤局限性，从鼓而在更普遍烫的意义上表壤达了决定物肌质随时间演革化的新的基湖本形态及其强丰富性，而宴且不同系统拒、不同吸引缸子的形成条棕件和作用机翼理，实质上跳也蕴涵了不昂可逆的层次事性，即时间返的层次性。掉这种时间的笛层次性在下排面天文、生扩物和心理时店间的具体情赠形中得到了曲更充分的体克现。

君天文学冈时间，是与赢宇宙的发生元与发展相联护系的。按照失热力学的解献释，宇宙的雪演化是熵随判时间不断增圾加的过程，勇所以罗杰·志彭罗斯(R誓.Pen聪rose,绕1931淹-)等才提蒸出了在宇宙君演化之初其乖熵最小的假窄说。他曾经尼专门“计算棋”过宇宙在加大爆炸发生卫时所处条件决的特殊性，搏指出产生我置们这样一个课宇宙的概率回是极其微小胶的，大约为纷1/(10泼[10])罩123[9缝]，与此概扛率相联系的勺熵当然也最热低。实际上啄，宇宙诞生靠的初始条件恶的特殊性本刚身就赋予了煎天文学时间搁区别于其他糟时间的性质侨。另外现有帝的宇宙中还动有类似于暗骆能量、暗物乳质之类的许渣多未解之谜谎，这些因素啦对宇宙学时朋间的影响现支在也是无法轨预知的。所视以，宇宙学父时间的特殊素性或曰层次猛性也许是我闭们相当长时谅间内需要研广究的课题。

桌再看生尺物学时间，召根据目前不膏完全的研究混，生物的生比长发育在很独大程度上取骡决于各种激热素的分泌，笋另外生物体丈的寿命也受敢制于某些细掘胞老化及细员胞分裂所能好达到的最高伍次数的限制档。当然这都摧是从惟象的内角度讲的，退从更深入的堵微观角度看婆，生物的一掘切性状都由承其遗传基因奔所决定，即舱决定生物学寨时间的最终脑原因应该是瞒DNA，显先然，这种机抵制完全不同德于热力学，构也不同于化割学，从而表曲明了生物学餐时间自身的因特性所在。蝴至于心理学驻时间，众所迁周知，在过出去与未来之末间，横亘着获一条永远无挺法逾越的鸿协沟，那就是凑人们只能知涝道过去发生且了什么，但欠永远不会知霸道未来是什您么样子的！火当然这里丝同毫不存在热山力学小概率摄所允许的那添种可逆性。

牙上述分佣析已经充分腥表明，不同亦的时间方向汤，其机制、射表现等具有川一定程度的乓不可比性，孔甚至是完全夸不同的。我钥们将不同时丧间之间的区择别称之为时吹间的层次性休。这种区分陆的合理性还膝在于，像热问力学，生物贺学，心理学洞等现象也确矩实处在物质偿运动形式的培不同层面上束，而且有低赌级与高级之芝分。

针如果承篇认了时间的纸层次性，我斧们就需要在包这一新的基馋础上来理解交时间，或者冒说需要重新块看待我们过妖去对时间方低向的理论解盲释，这正是构本文下面将谁要探讨的问虑题。

可3理华解时间方向踩的若干策略

辛时间的捎层次性问题夏的提出，使鲜我们必须重局新审视有关揪时间现象的绪熵描述与第鹊二定律在科店学界的地位番问题——熵姑描述是最普改遍和最基本计的理论解释消吗？第二定骄律还是宇宙乐学第一定律留吗？

上我们的它考察先从与越熵联系最紧惩的热力学系岗统开始。大倒家知道，按转照概率或统奏计的本意，戏统计效应是吃不能回避统汽计涨落的。飞例如，尽管稿热力学平衡落态与偏离它涝的任何状态芒相比无疑是能最可几的，贡但是任何可拾能的非平衡买态都存在着仅实现的概率鞭——也许很迷小。这意味肾着，假定系框统开始处于欺非平衡态，饿虽然我们可轮以预期系统质变化的方向恶，但是仍然解存在反向涨臣落，而且当拒我们考虑只鹅有几个粒子摘的微观系统桨时，偏离常粒常会非常明留显。如果像顺通常所认为己的那样，熵暑增标志着时醒间的流向，穷那么反向涨译落是否意味召着时间的倒城流？[10创]有人争议标道，这种随散机涨落并没球有违背第二脊定律，因为袄它实质上是萝描写明显的纯热流而不是挡分子的随机酸涨落的。但粘是，从统计胜的观点看，茫明显的热流惧与涨落在现桨象上是等价尘的。第二，泡即使在忽略重涨落的条件挣下，第二定闸律的概率形柳式对时间的厌指向性的规豆定亦有局限姐。显然，热锁力学平衡态奉涉及的只是骑热力学系统匠演化的终态狠，因而也就贴是时间的终嘉点，这是否希意味着平衡蒙一旦达到，冈时间就停止送了？尽管与谷平衡态相联怎系的时间停惑止是局部和北暂时的，仅述限于某一孤剃立系统的范展围，但它却谱暗含了时间屿与不可逆性书之间的区别诱。另外还有趣人分析道，何平衡态中既岂然不出现时努间坐标，它栏就不可以用红来描述能使泰时间明显表蹄现的过程。昨一个更有意桶思的说法是斜，“平衡态坐热力学所做牵的预言，就甜像一个算命稠先生对你说坊将来会死，辩但是他根本贫就不知道你甘马上要和你幅的情人约会订。对于一个盲基于第二定个律及其对变棚化的解释的某理论，这样雷一个结论看戚来是非常令及人失望的”凭[11]。辣其实，上面善这些概率对镇时间的规定检所遇到的困狂难，归结到不一点，即是粉爱因斯坦所昌断言的：“适不可逆性是龄玻尔兹曼引辨进的概率概节念的一种后榴果”，因为绍“概率事先染假定了一个方时间方向”慢[12]，流所以不能用斯来导出时间到之矢。

群第二定圆律在天文学搜时间上的应议用也遇到了蛋不小的困难奥。按照标准醒的宇宙模型群，极早期宇胆宙应该是所跌有基本粒子若处在近平衡羊的均匀分布衰的状态，换腹言之，这时璃的熵应该是材最大，而不葬是像彭罗斯形说的那么小扣，从而也不卸会有宇宙的杨熵随时间变芒得越来越大校的演化趋势传[13]。庄其次考虑到绘宇宙演化的暗另外一种可供能，即现今慕的宇宙虽然灾是膨胀的，邮但也许有一奸天这种趋势锦会发生逆转粉而开始收缩役；特别是考谣虑到目前天劝文学界的研商究热点暗物慎质、暗能量饱的情况，这种可能也许会更大。这意味着，宇宙在时间上将最终呈现出对称的特征，即像在科学界流行的看法预测的那样，除却宇宙大爆炸这样一个不同寻常的开头，宇宙将迎来一个类似的大坍缩的结局。一般地，对于宇宙演化膨胀的每一时刻的状态，在宇宙收缩的过程中都有一个与之对应的状态。这种可能的对称状态的存在，有两种含义，首先是对应状态的熵是相等的，这是否意味着时间的倒流？另外这种对应的结果是宇宙在后半段时间里熵变的趋势是减少，这两个结果都与热力学第二定律所指示的方向相反。至于生物学，由于系统的具体机制更加丰富和复杂，用熵去描述这一过程变得更加困难了，特别地，如果试图将心脑问题完全归结为热力学统计熵，这种做法显然是荒谬的，因为我们可以不通过具体直接的神经刺激去想象疼吗？并且这个过程与统计熵相关的偶然特征一点也没有！虽然我们在思考时需要我们自己活着——必须消耗一定的物质和能量——有人常将这一过程泛指为输入了负熵，但这些流入的物质、能量与疼的想象之间根本不会有任何直接的关系！综上所述，尽管热力学运动在物质运动形式中处于基础地位，尽管熵概念的概率形式扩展了它的含义和适用范围，但用统一的熵描述来表达所有的时间现象是不恰当的，这是因为不同的时间其本质是不同的——