“时间之箭”的再发现(3)

那么就会产生这样的疑问：在膨胀过程中，时间箭头是从高度有序的大爆炸奇点，指向某种无序性最大的中间态；然后当宇宙开始向大坍缩——它看上去和大爆炸是同样高度有序的——收缩时，时间箭头便反转过来，即出现时间逆转的现象。这个看法受到了牛津大学数学家、第一个从事奇点研究的彭罗塞(Penrose，R.)的反驳。彭罗塞认为，即使在大坍缩的过程中，熵也是不断增加的，时间箭头依然不变。因为，“大爆炸”和“大坍缩”这两个宇宙奇点的结构是不等价的，即不对称的。虽然它们都是物质无限密集的火球，但原始火球的时空奇点具有一个限制条件，它不适用于黑洞或大坍缩奇点；大爆炸奇点相对于大坍缩奇点来说，有序程度要高得多，熵也低得多。对于大爆炸和大坍缩，时空在奇点附近的几何结构是完全不同的。
     观测表明，大爆炸奇点是各向同性的、受到高度约束的、具有高序的低熵状态。但是在走向大坍缩的过程中，却会产生像黑洞那样的时空缺陷，在大坍缩中凝聚成质量巨大的杂乱无序的一团，它必然也具有相应的高熵。当然，彭罗塞的这些看法，还只是一种有价值的猜想。他期望创立一种令人满意的量子引力理论，这个理论“必须含有关于时空几何本质的某种根本性的新思想”，它应当同时对时间演化和初始条件做出解释。普里戈金所看重的第三个事实，是关于非平衡系统中一致性和相干性的发现。在已往的物理学中，主要是研究平衡结构。但 70年代以来的研究表明，平衡态中的结构是一种静止的“死”结构，非平衡态中的结构才是具有演化潜质的结构。
     当系统处于远离平衡的状态时，有可能产生自组织现象，自发地产生时空有序结构。这是数以亿计的分子遥相呼应、相互协同合作的结果，这就是所谓的“相干性”。这一发现把人们对不可逆过程和有序、无序问题的认识大大推进一步，认识到不可逆过程在有序的形成中可以起到积极作用。这样，热力学第二定律和达尔文生物进化论这两种演化学说之间的矛盾，也可以得到解决。当代最著名的广义相对论学家和宇宙论学家、英国剑桥大学的霍金(Hawking，S.W.1942～)在 1988 年出版的《时间简史》（ABriefHistoryofTime）中提出：“时间箭头将过去和将来区别开来，使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头：第一个，是热力学时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。”①霍金讨论了为什么三种时间箭头指向同一方向。首先他指出，“总存在着比有序状态更多得多的无序状态的这一事实，是使热力学第二定律存在的原因”。这也就是热力学时间箭头得以存在的根据。
     由于我们对大脑工作的细节尚知之不多，所以霍金转而讨论计算机的心理学时间箭头。他指出，为了保证记忆器处于正常的状态，就要消耗一定的能量；这部分能量以热的形式耗散了，从而增加了宇宙的无序度的量，这个量大于记忆器本身有序度的增量。因此，计算机记忆过去的时间方向和无序度增加的方向是一致的。“我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头，是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像一个计算机，我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。”②关于宇宙学时间箭头，霍金指出，根据量子引力理论，必须满足无边界条件的要求去讨论宇宙历史的开始。即宇宙开始时在尺度上有限，但是没有边界或边缘。“在这种情形下，时间的开端就会是规则的、光滑的空间-时间的点，并且宇宙在一个非常光滑和有序的状态下开始它的膨胀。
     它不可能是完全均匀的，否则就违反了量子理论不确定性原理。必然存在密度和粒子速度的小起伏，然而无边界条件意味着，这些起伏又是在与不确定性原理相一致的条件下尽可能的小。”①这样，“宇宙开始时处于一个光滑有序的状态，随时间演化成波浪起伏的无序的状态。这就解释了热力学时间箭头的存在”。②霍金也讨论了如果宇宙膨胀停止并开始收缩后的时间箭头问题。他指出，“无边界条件”意味着在收缩相时无序度继续增加；所以当宇宙开始收缩时或在黑洞中热力学和心理学时间箭头不会反向。他还以“弱人择原理”为基础指出，收缩相的条件不适合于智慧人类的存在。“对于智慧生命的行为来说，一个强的热力学箭头是必需的。为了生存下去，人类必须消耗能量的一种有序形式——食物，并将其转化成能量的一种无序形式——热量，所以智慧生命不能在宇宙的收缩相中存在。
     这就解释了，为何我们观察到热力学和宇宙学的时间箭头指向一致。并不是宇宙的膨胀导致无序度的增加，而是无边界条件引起无序度的增加，并且只有在膨胀相中才有适合智慧生命的条件。”③普里戈金根据耗散结构理论的新成就，也深入地探讨了这一问题。他认为，热力学第二定律表述为一个选择原则表明，时间对称破缺意味着存在着一个熵垒，即存在不允许时间反演不变的态。如同相对论中光垒限制了信号的传播速度一样。无限大的熵垒保证了时间方向的单一性，保证了生命与自然的一致性，使认识成为可能。生命系统是耗散的自组织系统，存在内禀生命节律；生物体借助于这种内禀生命节律机制内在地产生时间的方向性的感觉。耗散自组织系统具有历史和分叉，通过某种滞后返回时表现出某种对历史的“记忆”。