“时间之箭”的再发现

“时间”是物理学中最重要的基本概念之一。关于是否存在“时间箭头”，即时间是否确实具有单向性的问题，自古希腊的苏格拉底以来，一直迷惑着各个历史时期的哲学家和科学家。甚至在一些文学作品中，也出现有关于时间倒流的构想。在牛顿力学、相对论和量子力学中，都否定了时间的方向性。决定论和因果论与这些理论的可逆性是紧密联系的。牛顿力学的基本定律，就是机械决定论的最坚实的科学基础；爱因斯坦建造他十分成功的引力的几何理论，其动机就是出于对因果性的根本地位的坚定信仰。在这些决定性的理论中，时间被降到次要的地位，时间t只是描述运动的一个参量，不具有演化方向的意义。不管时间朝哪个方向走，整个的未来和整个的过去都包含在现在之中；过去、未来和现在都只不过是同一整体的几个不同方面而已。
     在这些方程中，没有内在的时间箭头，它们对时间反演是完全对称的；无论时间向前进行还是向后倒退，所发生的运动没有质的差异。在这些物理理论中，时间的变化并不影响运动的性质，“正的时间”和“负的时间”没有本质的差异。而且情况比这还更糟，在这些理论中，时间不仅无向，它还必须循环，历史必须按照“庞加莱回归”无限重复。但是，当我们把思考转向真实的世界和现实生活时，就明明白白地得出结论：时间是不对称的。“时光不会倒流”，“机不可失，时不再来”，“少小不努力，老大徒悲伤”……这些经验和体验，都包含着“时间不可逆转”这个平凡而颠扑不破的真理。
     19 世纪诞生的达尔文的进化论，更令人信服地表明时间是有箭头的。生物进化的过程是不可逆的，生物的进化由低级到高级、从简单到复杂，其结构愈来愈精致，功能愈来愈完善，它从最小、最简单的微生物一直进化到结构高度有序的人体。差不多和达尔文的进化论同时，演化的观点也已经进入到物理学之中。在 19世纪50年代所完成的热力学理论中，描述系统热运动的方程不具有时间反演的对称性；当以-t去代替t 时，方程的形式也就不同了，表明“过去”与“未来”是不等同的。例如，一个系统初始时温度不均匀，处于不平衡状态，随着时间的推移，系统将趋于温度均匀的平衡状态；而反方向的过程却不可能自动出现，已达到温度均匀的平衡状态，不可能自行倒转回去形成冷热悬殊的非平衡状态。这种对称性的破坏，表明时间是和系统的演化紧密联系着的；时间只能向前流逝。
     于是，具有实质内容的“时间箭头”就进入了物理学理论，“存在物理学”的一统天下被“演化物理学”所打破。这种演化物理学的最基本的定律，就是1865年由德国物理学家克劳修斯(Clausius，R.E.1822～1888)所提出的“熵增加原理”、“熵”是决定于系统的热力学状态的物理量，用它的变化可以表述自发过程的方向。一个系统经过一个绝热过程由一个态变化到另一个态的时候，它的熵永不减少，这就是熵增加原理。这个原理的最重要的意义是，它显示了“时间箭头”的存在。它体现着能量从集中到耗散，从有效到无效，从高值到低值。我们时时感受到我们周围世界的熵增加：火焰慢慢燃尽，留下一堆灰烬；青草渐渐枯黄，在寒风中破碎飞散；瀑布飞流直下，沿着河川流向大海；山石滚落平川，经水冲刷、风化变成泥浆……而相反的过程却从未自动发生过。
     从一件件自然事物的变化中，我们体验着时光的流逝。熵增加原理决定了时间的方向性，人们无法阻止熵的增加，因而也无法逆转时间的推移；这样，“历史”也就具有了实质性的意义。克劳修斯还由此预言了宇宙将走向“热寂”的最终结局。深为进化论思想所吸引的玻耳兹曼(Boltzmann，L.1844～1906)决心要找到熵的力学解释，即找到熵增加原理的微观机制。他使用的方法也与生物进化论的方法相同。因为生物进化中的自然选择是对一个大的生物群体而言的，是一个统计概念；玻耳兹曼也是从分子群体的角度去探讨可逆与不可逆过程的差别。他提出了熵增加原理的统计解释，指出自然界的自发过程是系统从概率较小的有序状态向概率较大的无序状态的过渡，平衡态即具有最大概率的最无序的状态。热力学第二定律（熵增加原理）把时间与有序性和无序性（随机性）这样的概念联系起来，时间的流逝方向就变得显而易见了：任何孤立系统中都有一种不容改变的倾向，使系统的有序度不断降低而无序度不断增加，这就是物理过程不可逆性的实质。
     不过，热力学第二定律所确言的演化方向似乎与达尔文生物进化论所言的演化方向正好相反。前者断言自然物质中存在着从有序到无序，终结于最大元序状态的演化趋势；后者指出生命系统中存在着的是一类熵减少的过程。19世纪中叶这两种理论所揭示的“演化悖论”，深深地困扰着科学家们的认识；再加上物理学家们牢固地被牛顿力学决定论思想所束缚，几乎在所有的地方都把单向时间的概念排除在他们的科学之外，坚信自然过程的可逆性是深藏于自然事物的深层原因之中的；因此，他们对玻耳兹曼的理论和观点，展开了猛烈的攻击。玻耳兹曼开始时曾认为他已成功地从动力学角度确定了熵增大的机制，亦即确定了“热力学的时间箭头”；但在强大的反对势力面前，“他放弃了证明有一个客观的时间之矢存在的打算，而引入了另外一种思想，这种思想在某种意义上把熵增大定律约化成一种同义反复。