非線性物理學與複雜性研究
遠離平衡態的自組織開放係統的研究
1．“時間之箭”的再發現
“時間”是物理學中最重要的基本概念之一。關於是否存在“時間箭頭”，即時間是否確實具有單向性的問題，自古希臘的蘇格拉底以來，一直迷惑著各個曆史時期的哲學家和科學家。甚至在一些文學作品中，也出現有關於時間倒流的構想。在牛頓力學、相對論和量子力學中，都否定了時間的方向性。決定論和因果論與這些理論的可逆性是緊密聯係的。牛頓力學的基本定律，就是機械決定論的最堅實的科學基礎；愛因斯坦建造他十分成功的引力的幾何理論，其動機就是出於對因果性的根本地位的堅定信仰。在這些決定性的理論中，時間被降到次要的地位，時間t隻是描述運動的一個參量，不具有演化方向的意義。不管時間朝哪個方向走，整個的未來和整個的過去都包含在現在之中；過去、未來和現在都隻不過是同一整體的幾個不同方麵而已。在這些方程中，沒有內在的時間箭頭，它們對時間反演是完全對稱的；無論時間向前進行還是向後倒退，所發生的運動沒有質的差異。在這些物理理論中，時間的變化並不影響運動的性質，“正的時間”和“負的時間”沒有本質的差異。而且情況比這還更糟，在這些理論中，時間不僅無向，它還必須循環，曆史必須按照“龐加萊回歸”無限重複。但是，當我們把思考轉向真實的世界和現實生活時，就明明白白地得出結論：時間是不對稱的。“時光不會倒流”，“機不可失，時不再來”，“少小不努力，老大徒悲傷”……這些經驗和體驗，都包含著“時間不可逆轉”這個平凡而顛撲不破的真理。19世紀誕生的達爾文的進化論，更令人信服地表明時間是有箭頭的。生物進化的過程是不可逆的，生物的進化由低級到高級、從簡單到複雜，其結構愈來愈精致，功能愈來愈完善，它從最小、最簡單的微生物一直進化到結構高度有序的人體。差不多和達爾文的進化論同時，演化的觀點也已經進入到物理學之中。在19世紀50年代所完成的熱力學理論中，描述係統熱運動的方程不具有時間反演的對稱性；當以-t去代替t時，方程的形式也就不同了，表明“過去”與“未來”是不等同的。例如，一個係統初始時溫度不均勻，處於不平衡狀態，隨著時間的推移，係統將趨於溫度均勻的平衡狀態；而反方向的過程卻不可能自動出現，已達到溫度均勻的平衡狀態，不可能自行倒轉回去形成冷熱懸殊的非平衡狀態。這種對稱性的破壞，表明時間是和係統的演化緊密聯係著的；時間隻能向前流逝。於是，具有實質內容的“時間箭頭”就進入了物理學理論，“存在物理學”的一統天下被“演化物理學”所打破。
這種演化物理學的最基本的定律，就是1865年由德國物理學家克勞修斯(Clausius，R.E.1822～1888)所提出的“熵增加原理”、“熵”是決定於係統的熱力學狀態的物理量，用它的變化可以表述自發過程的方向。一個係統經過一個絕熱過程由一個態變化到另一個態的時候，它的熵永不減少，這就是熵增加原理。這個原理的最重要的意義是，它顯示了“時間箭頭”的存在。它體現著能量從集中到耗散，從有效到無效，從高值到低值。我們時時感受到我們周圍世界的熵增加：火焰慢慢燃盡，留下一堆灰燼；青草漸漸枯黃，在寒風中破碎飛散；瀑布飛流直下，沿著河川流向大海；山石滾落平川，經水衝刷、風化變成泥漿……而相反的過程卻從未自動發生過。從一件件自然事物的變化中，我們體驗著時光的流逝。熵增加原理決定了時間的方向性，人們無法阻止熵的增加，因而也無法逆轉時間的推移；這樣，“曆史”也就具有了實質性的意義。克勞修斯還由此預言了宇宙將走向“熱寂”的最終結局。
深為進化論思想所吸引的玻耳茲曼(Boltzmann，L.1844～1906)決心要找到熵的力學解釋，即找到熵增加原理的微觀機製。他使用的方法也與生物進化論的方法相同。因為生物進化中的自然選擇是對一個大的生物群體而言的，是一個統計概念；玻耳茲曼也是從分子群體的角度去探討可逆與不可逆過程的差別。他提出了熵增加原理的統計解釋，指出自然界的自發過程是係統從概率較小的有序狀態向概率較大的無序狀態的過渡，平衡態即具有最大概率的最無序的狀態。熱力學第二定律（熵增加原理）把時間與有序性和無序性（隨機性）這樣的概念聯係起來，時間的流逝方向就變得顯而易見了：任何孤立係統中都有一種不容改變的傾向，使係統的有序度不斷降低而無序度不斷增加，這就是物理過程不可逆性的實質。
不過，熱力學第二定律所確言的演化方向似乎與達爾文生物進化論所言的演化方向正好相反。前者斷言自然物質中存在著從有序到無序，終結於最大元序狀態的演化趨勢；後者指出生命係統中存在著的是一類熵減少的過程。19世紀中葉這兩種理論所揭示的“演化悖論”，深深地困擾著科學家們的認識；再加上物理學家們牢固地被牛頓力學決定論思想所束縛，幾乎在所有的地方都把單向時間的概念排除在他們的科學之外，堅信自然過程的可逆性是深藏於自然事物的深層原因之中的；因此，他們對玻耳茲曼的理論和觀點，展開了猛烈的攻擊。玻耳茲曼開始時曾認為他已成功地從動力學角度確定了熵增大的機製，亦即確定了“熱力學的時間箭頭”；但在強大的反對勢力麵前，“他放棄了證明有一個客觀的時間之矢存在的打算，而引入了另外一種思想，這種思想在某種意義上把熵增大定律約化成一種同義反複。現在他認為時間之矢不過是一種約定，是我們（或許可以說，是所有活著的生物）把它引進到一個在過去與未來之間沒有客觀差別的世界中來的”。當時其他一些著名的物理學家，對時間的不可逆性也都持否定態度。愛因斯坦就認為“不可逆的時間”隻是人類的幻覺。1917年，當他用廣義相對論討論宇宙模型時，就為了維護宇宙在大尺度上的特征不隨時間變化的傳統科學觀點，而引進了一個稱為“宇宵斥力”的宇宙項，得到了一個沒有時間方向的、靜態的宇宙模型。後來當天體物理學家弗裏德曼(Friedmann，A.1888～1925)和勒梅特(LeMaitre，G.1894～1966)對這個靜態宇宙模型提出批評後，愛因斯坦承認自己犯了平生最大的一個錯誤。但當後來勒梅特希望和愛因斯坦討論更精確的宇宙初始狀態的問題時，愛因斯坦卻表示對此沒有興趣。著名物理學家玻恩(Born，Max1882～1970)甚至提出“不可逆性是無知進入物理學基本定律的結果”。
但是，也有人堅持著熵增加原理的根本重要性。如英國天體物理學家愛丁頓(Eddington，A.S.1882～1944)就說：“熵增原則——即熱力學第二定律——是自然界所有定律中至高無上的。如果有人指出你所鍾愛的宇宙理論與麥克斯韋方程不符——那麼麥克斯韋方程就算倒楣。如果發現它與觀測相矛盾——那一定是觀測的人把事情搞糟了。但是如果發現你的理論違背了熱力學第二定律，我就敢說你沒有指望了，你的理論隻有丟盡臉、垮台。”他同樣肯定熵增加原理顯示了“時間箭頭”的存在；他說“熵是時光之箭”。
20世紀以來物理學以及相關學科的發展，把存在和演化兩種科學觀點的衝突推進到一個新的轉折點，迎來了一個關於時間的本質的新的綜合。1986年7月，耗散結構理論的創始人普裏戈金(Prigogine，Ilya1917～)以《時間的再發現》為題做了一次演講；他麵對倍感驚奇的聽眾，對這個題目做出解釋說：“實際上對時間這個概念的理解，人們在最近10年或20年中已經有了重大的變化；完全可以說，時間是又一次被發現了。”他明確指出：“我們已開始破譯著名的熱力學第二定律所傳達出來的深刻的信息。無處不在的、或稱為萬有的時間箭頭，即時間對稱性破缺，正是第二定律的核心；正是從這裏再度發現時間。”在普裏戈金看來，19世紀提出的熱力學第二定律，已經把不可逆的演化和時間之矢的問題提到了顯著的地位；而20世紀以來的一係列科學進展，特別是基本粒子不穩定性的發現，現代宇宙學演化觀念的發展，以及非平衡成為有序之源的發現，都標誌著時間之矢的再發現。所謂“時間的再發現”，即關於時間對稱破缺、不可逆性作為自然界的一種建設性因素的發現，這標誌著一種新的科學觀念的產生。普裏戈金寫道：“時間不僅貫穿到生物學、地質學和社會科學之中，而且貫穿到傳統上一直把它排除在外的兩個層次，即微觀層次和宇觀層次之中。不但生命有曆史，而且整個宇宙也有一個曆史，這一點具有深遠的含義。”我們具體來看一看現代科學關於時間對稱破缺的三個重大發現。
第一個是關於基本粒子不穩定性的發現。“基本粒子”理所當然地被認為是“宇宙之磚”，即構成宇宙萬物的最基本的層次；它的“基本性”也包含著永恒不變之意。它們不生不滅，是一種沒有曆史的“存在”。但近幾十年的研究表明，“時間之矢”也深藏於基本粒子的本性之中。大統一理論斷言，過去被認為是最穩定的質子，也會發生衰變。理論預測，質子、中子衰變後成為輕子和介子。例如質子在衰變後產生正電子和中性π介子；中子在衰變後產生電子和帶正電的π子。還可能有其它不同的衰變方式。質子的衰變是極其緩慢的，其壽命大約為1031～1032年。這個理論預言正在世界各國許多實驗室裏經受檢驗，目前已經發現了幾個可能是質子衰變的事例。
第二個是關於宇宙學演化觀念的發展。早在1929年，美國天文學家哈勃(Hubble，E.P.1889～1953)就發現了星係譜線紅移的哈勃定律，表明宇宙不是靜態的，而是隨著時間在膨脹。1965年，美國貝爾電話公司的彭齊亞斯(Penzias，A.A.1933～)和威耳孫(Wilson，R.W.1936～)發現了彌漫全部天空的3K微波背景輻射。其它還有星係氦豐度為30%以及星係分子中有出乎意料多的氘等重要發現。這些觀測結果，都支持了“大爆炸宇宙學”關於宇宙是從一個非常致密、極端的熱的原始火球發生爆炸而產生，並一直膨脹開來的學說。這個學說認為在物質密度無窮大、時空曲率也無窮大的這個“奇點”狀態之前，是沒有時間和空間的。大爆炸的發生，就是宇宙時間的起始。大爆炸發出的輻射隨著宇宙的膨脹而冷卻下來，這就是彭齊亞斯和威耳孫所發現的3K宇宙背景輻射。
膨脹的宇宙當然是一個演化著的、有曆史的宇宙。可以認為自然界所有過程的不可逆性都來自於宇宙的原始爆炸和隨後發生的宇宙膨脹。這樣就可以把熱力學第二定律所論證了的“時間箭頭”和宇宙聯係起來。膨脹的宇宙本身就是一個永不停息的大鍾；或者如愛丁頓爵士所說，時間的指針是由星係的退離自行帶動的。