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世界图景的重建

2015-11-29 09:47 大数据实验室

古典科学,无论是牛顿力学还是爱因斯坦的相对论,正像爱因斯坦本人所说,在许多主要的方面保持着一致。而新兴的系统科学、非线性科学,特别是生态科学,试图改变古典的还原论、原子论、决定论的世界图景,向古典科学发起了根本性的挑战。与古典科学注重世界的简单性和原子构成性形成对照,整体的观念、非还原的观念、非决定论的观念、复杂性观念、不可逆性的观念被突出出来,与自然界生命的原则、有机的原则相衔接。

尽管与以相对论和量子力学为代表的新古典科学相比,新范式尚显势单力薄,但是它们所代表的研究纲领极有思想魅力,呼应了这个时代人类对自身存在方式的反省。它们也正寻找旧范式中的革命性力量可以联合的部分,继续扩大自己的影响力和说服力。这正是“转折点”的理论背景。

1. 经典框架的内部冲突

四大理论模型可以看成是以物理学革命为先导的理论自然科学的主要成就,但是,它们并不是自然科学的全部成就,也不足以展开今日科学世界图景的全貌。四大理论模型所代表的,主要是物理世界图景的变迁,这从某种意义上印证了“20世纪是物理学的世纪”的说法。 这里面,由于分子生物学的诞生而促成的物理学范式向生命科学的侵入,格外说明了物理科学在全部自然科学中的核心地位。

物理科学的核心地位决定了今日主流世界图景的物理学性质,这被许多人称为“大物理沙文主义”。著名生物学家迈尔强调指出,达尔文的进化论的出现显示了物理世界图景的不完善性。它引入了物理学世界图景所轻视或缺少的一些思想,如变异、多样性、概率、不确定性、目的性、历史性。确实,以达尔文进化论为支柱的生物学构成了一幅生物学的世界图景,它展示了控制事物运演过程的各种力量之间相互作用的图景。迈尔认为,几个世纪以来,人们习惯于以物理学的眼光看待科学史、评价其他的学科,习惯于把物理学看成是科学的模范,而“科学哲学”就一直等同于“物理学哲学”。但是,生命是最为复杂和最为高级的物质形式,一个统一的科学应该以“生命”为研究中心才有可能建立一个起来。一个物理学为核心的科学必定是不统一的,因为它只是从不同的侧面逼近“生命”。

当代自然科学的世界图景事实上并不是完整的、统一的,相反,它处于一种非常明显的分裂状态。哈佛的天体物理学家大卫·雷泽尔将这种分裂状态概括为四种原则上不相容的世界图景的并存(1) 。按所描述的自然过程是否是时间性的可以分出两类,其中由量子物理学所表述的微观世界是无时间的,这是第一种图景。在有时间性的自然过程中,按向低熵发展还是向高熵发展又可分出两类,其中由热力学第二定律所表述的热力学过程是熵增(序减)的,这是第二种图景。在有时间性而且是熵减序增的过程中,还可以按是否可预测分出两类:由现代宇宙学(相对论宇宙学)所表述的宇宙演化进程,属于有时间性的、熵减序增的且可以预测的自然过程,是为第三种图景;而由进化生物学所表述的生命世界的发展道路,属于有时间性的、熵减序增的且不可能预测的自然过程,是为第四种图景。存在科学和演化科学并立,是当代理论自然科学的一个基本格局,对它们的整合将是世界图景的另一次重建。

世界图景的多元格局

无时间性图景(以量子力学为代表)

高熵发展(以热力学第二定律为代表)

有时间性图景——可预测的(以相对论宇宙学为表)

低熵发展——不可预测的(以生物进化论为表)

2. 时间性的发现:霍金与普里戈金(2)

现代科学世界图景的分裂状态以“时间性”作为分野的标志。这个分裂状态由来已久。近代科学有两个传统,即数理科学传统与博物学(自然史)传统。它们最终的分野就在于前者以数学化的方式对待自然,后者则面向自然的历史性和时间性。但是长期以来,前一传统占据了人们的视野,科学革命主要被理解成伽利略一牛顿革命。近代自然观念的变革主要被理解成牛顿的机械论自然观从亚里士多德有机论自然概念中的脱胎而出。新的自然概念强调质还原为量,数学定律代替目的论趋向,实验和预测代替沉思和理解。这些变化可以看成是机械论与有机论之对立的一个方面,但另一个方面即历史性与非历史性的对立一直没有引起重视。18世纪后期以来,在自然科学内部形成了一股新的思潮,即重新发现时间。这股思潮包括生物学、地质学中进化论的确立,物理科学中热力学不可逆定律的确立,社会思想领域出现的“进步”、“发展”的观念。它们共同形成了19世纪思想史上所谓“时间的发现”。正是时间的发现,使我们有可能意识到现代自然科学的世界图景的不完全性。

以牛顿一爱因斯坦为代表的古典数理科学倾向于否定时间的真实性,它对待时间之矢的态度是,时间的方向性、过去与未来的不对称性,只是一种与人类这个特有物种相关的幻觉。爱因斯坦在悼念青年时代的好朋友贝索时写了这样一句话:“对于我们有信仰的物理学家来说,过去、现在和未来之间的分别只不过有一种幻觉的意义而已,尽管这幻觉很顽强。”(3) 相对论引入的流形( manifold)概念,将整个宇宙变成了一个本质上没有演化、没有时间性的整块宇宙(block universe)。

整块宇宙观念的典型代表是英国物理学家霍金。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking) 1942年1月8日生于牛津,1962年进入剑桥,不久开始生病。目前,他除了头脑活动如常之外,只能斜躺在轮椅上动动手指,通过为他特制的电脑系统与外界交流。他曾经是皇家学会最年轻的会员,目前担任剑桥大学的卢卡斯数学教席。1987年,他为了给女儿筹措学费,写了一本畅销世界的科普著作《时间简史——从大爆炸到黑洞》。在书的结尾部分,他特别加上了伽利略、牛顿和爱因斯坦三人的小传,强烈地暗示自己是伽利略一牛顿一爱因斯坦这个科学传统的正宗传人,也是这条“路线”的代表。他的《时间简史》,其实是宇宙简史。他的时间完全是坐标时间,时间的方向性在他那里并不重要。霍金曾经一度把宇宙的膨胀作为时间的方向,而把宇宙的收缩当成时间的倒流,只是后来另一位物理学家彭罗斯发现,即使宇宙收缩时间也不可能倒流,他才放弃了这个想法。但是,他的宇宙模型建立在虚时间基础之上,而虚时间是对坐标时间的进一步坐标化,因而完全是非时间性的。

然而,物理科学内部从19世纪就在引入时间之矢。热力学第二定律揭示了物理世界的方向性和过程性,给出了一个时间箭头。如果知道一个系统的两个不同的热力学状态,根据第二定律我们就能辨别出哪一个状态在先,哪一个在后。而这种时间箭头,在牛顿力学中是不存在的。只凭牛顿力学无法判断两个物理状态孰先孰后。

热力学第二定律所揭示的物理过程的方向性与牛顿方程所表明的世界的无方向性之间的矛盾,很快引起了人们的注意。如果热不过就是微观粒子大量运动的宏观表现,如果粒子运动服从牛顿无时间方向性的运动定律,那么,宏观上的热力学第二定律就是不可思议的,因为一个可逆的微观世界必定导致一个可逆的宏观世界。然而,在我们的生活经验中,在我们的物理经验中,时间的方向性如此显著,基础物理学怎能对之无动于衷?热力学和牛顿力学之间需要调解。

牛顿力学在此后几百年的运用实践中所表现的极度有效和成功,使人们不会想到去修正它。热力学第二定律出现之后,物理学家做的主要工作都是力图添加某些条件,使宏观的不可逆性还原成微观的可逆性,由经典力学来整合热力学。

整合的主要成就是发展了以概率学说为核心内容的统计力学。统计力学将概率论运用于大量分子的统计行为,得出它们的平均值,而这个平均值就是宏观可观测值。对系统的平衡态而言,统计力学十分成功,而对正在演化之中的非平衡态则比较麻烦。

1890年,彭加勒证明了,遵循牛顿力学的粒子系统在经过足够长的时间之后总会回到它的初始状态。彭加勒意识到,这个定理用于分子层次,将使热力学第二定律失效,而用于宇宙学中,则可以破除宇宙热寂说。彭加勒的回归定理,宣告了热力学还原到动力学的企图暂告失败。

正当热力学的时间之矢在纳入经典框架时受阻时,在动力学的框架之内新的时间之矢出现了。首先,以相对论为基础的现代宇宙学给出了宇宙的整体膨胀图景,而膨胀就意味着宇宙的整体演化,同时也给出了演化的方向性。

导致时间之矢突现出来的,除了相对论宇宙学之外,还有量子力学。表面看来,由于时间并不是量子力学中的可观测量,因此,量子力学对于时间概念并无新的贡献。然而,量子力学由于它的某种本性使得不可逆性成为一个不可回避的问题,这就是测量在量子理论构架中的特殊地位。首先,测量对于量子力学具有根本的意义,量子世界的一切奇妙性都是由测量来给出的,正是因为对于测量的过于依赖,量子力学曾经被看成唯象理论。其次,量子力学的理论结构之中也浸透了对测量的依赖,矩阵力学中矩阵代数的不可对易运算,显示的就是不同的测量次序将会带来不同的结果。

有意义的是,尽管测量在量子力学中占据那么重要的位置,但对测量本身的描述和解释却没有纳入量子理论之中,因为量子理论本质上是关于微观世界的,而测量涉及的是微观世界与宏观世界的相互作用。

测量问题的不可回避反映了量子力学的不完备性、非封闭性,反映了量子力学以可逆性动力学方程为主干的经典框架的局限性。测量问题提醒着时间之矢。

由于广义相对论的宇宙学无法逃避有一个起点(霍金曾经严格地证明了这一点),量子论与引力论终于会合到一起来了。在宇宙起始的一个极短时间内,量子论开始起作用。一个对于宇宙的完备的物理描述和解释,取决于引力论与量子论的统一。在这个未来的统一理论中, 应该有一个内禀的时间之矢,这个时间之矢应该与热力学的时间之矢相一致,它将使热力学第二定律成为像爱丁顿所说的“在自然定律中占有至高无上的地位”。

引力论与量子论相统一的理论还遥遥无期,宇宙学和量子论的时间之矢已然浮现,但远未被澄清。但是,对热力学第二定律的理解却在进一步深化,这特别应归功予以普里戈金为首的布鲁塞尔学派的工作。

耗散结构理论的创立者普里戈金1917年1月25日生于莫斯科的一个工程师家庭,当时正是十月革命的前夜。此后俄国社会翻天覆地的变化,使普里戈金一家过上了漂泊不定的旅居生活。他们1921年离开祖国到达德国,再于1929年定居比利时。普里戈金在布鲁塞尔受教育,从小热爱音乐。在大学,他起初学习古典语言、历史和考古学,使他具备深厚的人文修养和对时间性的特有感觉。当时法国哲学家柏格森的影响极大,普里戈金读他的《创造进化论》,对时间和创造问题十分着迷。当他后来转入物理和化学研究之后,物理定律的无时间性给他留下极深的印象。沟通时间性的人文科学和非时间性的物理科学,构成了普里戈金日后科学生涯的一个主导动机。1941年,普里戈金在布鲁塞尔自由大学获博士学位,1949年加入比利时国籍,1951年任自由大学理学院教授,1959年担任索尔威国际物理和化学研究所所长, 1967年兼任美国得克萨斯大学统计力学研究中心主任,长年往来于布鲁塞尔和得克萨斯之间。在这两处工作的各国科学家形成了一个非常有实力的研究群体,人们称其为非平衡统计物理的布鲁塞尔学派。

普里戈金的科学生涯一开始,就对时间之矢有着刻骨铭心的感觉。他回忆说:“在我年轻的时候,我就读了许多哲学著作,在阅读柏格森的《创造进化论》时所感到的魔力至今记忆犹新。尤其是他评论的这样一句话:‘我们越是深入地分析时间的自然性质,我们就会越加懂得时间的延续就意味着发明,就意味着新形式的创造,就意味着一切新鲜事物连续不断地产生。’这句话对我来说似乎包含着一个虽然还难以确定,但是却具有重要作用的启示。”(4) 物理学中重新确立时间之矢的基础地位,是普里戈金毕生的目标。


(来源:金融投资智库)





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