時(shí)間的形象
時(shí)間是給人神秘感最大的來(lái)源之一。它深?yuàn)W難測(cè)的性質(zhì)，是有史以來(lái)人們?nèi)找棺矫膶?duì)象。歷代的詩(shī)人、作家、哲學(xué)家都被時(shí)間迷惑過(guò)?？墒?，近代的科學(xué)家們卻沒(méi)有這樣。現(xiàn)代科學(xué)，尤其是物理學(xué)，即使沒(méi)有完全取消，也總在想降低時(shí)間在事物中的作用。因此有人稱(chēng)時(shí)間為被忘卻的維度。
我們都知道時(shí)間一去不返，覺(jué)得它的流逝好象支配著我們的存在，過(guò)去已不可改變，未來(lái)是一片空白。我們有時(shí)巴不得能扳回時(shí)針，能挽回過(guò)失，能重享美好的時(shí)光?？上В＠聿辉试S我們這么做。我們知道，時(shí)間是不等人的，時(shí)間不會(huì)倒流。
真不會(huì)嗎？奇怪的是，許多科學(xué)理論并不支持我們一般對(duì)時(shí)間的看法；在這些理論中，時(shí)間的方向無(wú)關(guān)緊要。如果時(shí)間倒走，現(xiàn)代科學(xué)的幾座大廈——牛頓力學(xué)、愛(ài)因斯坦的相對(duì)論、海森堡和薛定諤的量子力學(xué)，也都同樣站得住腳。對(duì)這些理論來(lái)說(shuō)，記錄在影片上的事件，不管影片順?lè)胚€是倒放，看上去都行得通。單向的時(shí)間，反而像是我們腦中產(chǎn)生的幻覺(jué)。研究這個(gè)問(wèn)題的科學(xué)家們，帶著幾分嘲笑的口氣，把我們?nèi)粘r(shí)間流逝的感覺(jué)，稱(chēng)為“心理時(shí)間”或者“主觀時(shí)間”。
宇宙會(huì)不會(huì)有這樣一個(gè)地方，那里時(shí)間的方向跟我們所熟悉的方向相反，那里的人們從墳?zāi)估锷?，皺紋從臉上消失，然后回進(jìn)母胎？在那個(gè)世界里，香氣神秘地凝結(jié)成香水，鉆入瓶中；池塘里的水波向中心匯聚，彈出石頭；屋里的空氣自發(fā)地把各種成分分解出來(lái)；破癟的橡皮膜自動(dòng)膨脹，密封成氣球；光從觀測(cè)者的眼睛里射出來(lái)，然后被星球吸收?？赡艿氖禄蛟S還不止這些。按照這個(gè)想法，地球上的時(shí)間也會(huì)開(kāi)倒車(chē)，我們也都會(huì)被過(guò)去所吞沒(méi)。
那樣就跟所有時(shí)間總朝一個(gè)方向走的大量事實(shí)完全矛盾了。讓我們比較一下時(shí)間和空間。空間包圍著我們四周，而時(shí)間總是一點(diǎn)一點(diǎn)地體驗(yàn)到。左右之間的差別，根本比不上過(guò)去和未來(lái)之間的差別。在空間中我們可以朝四面八方走來(lái)走去，而我們一切行動(dòng)只能對(duì)將來(lái)起作用，不能影響過(guò)去。我們只有回憶，但除非是千里眼，不能預(yù)知未來(lái)。物質(zhì)一般總是逐漸地腐爛下去，而不會(huì)自發(fā)地聚合。這樣看上去，特殊的方向，空間沒(méi)有，時(shí)間有。時(shí)間行走像一支箭。“時(shí)間之箭”——這意味深長(zhǎng)的詞，是英國(guó)天體物理學(xué)家愛(ài)丁頓（ Arthur Eddington）在1927年首先提出的。
本書(shū)探討時(shí)間在當(dāng)前科學(xué)理論中扮演的各種角色及其后果，并且指出我們的確能找到一個(gè)對(duì)時(shí)間的統(tǒng)一看法，這個(gè)看法和我們直接經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間一致、不矛盾。時(shí)間之箭甚至?xí)l(fā)我們：為了描述自然界，有必要建立一個(gè)比目前更深刻、更基本的理論框架。
文學(xué)中的時(shí)間
平常一般對(duì)時(shí)間的看法，在一些文學(xué)名著中得到極生動(dòng)的表達(dá)。單向的時(shí)間使我們覺(jué)得萬(wàn)事無(wú)常；這種感情，再好不過(guò)地流露在普魯斯特（Marcel Proust）自傳小說(shuō)的書(shū)名“重找失去的時(shí)光”里。這些作家腦子里轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去的，就是人生短促有限，光陰一去不返。時(shí)間不由自主地向前走，每個(gè)時(shí)刻我們都得搶?zhuān)嫉帽M情玩味。曇花一現(xiàn)，生命的神秘更加神奇；朝生暮死，更使我們覺(jué)得時(shí)間的不可逆。象征時(shí)間的老人，代表死亡的骷髏收割者，同樣帶有一把鐮刀、一瓶砂漏，這不是偶然的：時(shí)間到了，誰(shuí)也逃不過(guò)那把鐮刀。
多少詩(shī)、多少文章，是描述時(shí)間的流逝！古波斯哲學(xué)家兼詩(shī)人，奧瑪·哈央姆（Omar Khayysm，死于1123年）的冥思，在菲茲哲羅（Edward Fitzgerald）的意譯之中永存不朽：
不停前移的手指寫(xiě)字字一寫(xiě)完就向前去
不管你多虔誠(chéng)多聰明它不會(huì)回來(lái)改半句
你眼睛里所有的眼淚洗不掉它的一個(gè)字
人生的悲哀歸根到底來(lái)自時(shí)間的不可逆轉(zhuǎn)。不言而喻，最后勝利屬于死亡。凡是活著的都要死，這事實(shí)就是時(shí)間流逝的鐵證；這里就和科學(xué)開(kāi)始掛鉤。要想了解我們周?chē)氖澜?，這一點(diǎn)非解決不可。就如愛(ài)丁頓所說(shuō)：“在屬于內(nèi)心和外界的兩種經(jīng)驗(yàn)之間搭任何橋梁，時(shí)間都占著最關(guān)鍵的地位。”
文化時(shí)間
時(shí)間有向的概念，并不是一直都有的。潮水、冬夏二至、季節(jié)、星辰的循環(huán)往來(lái)，這些現(xiàn)象使許多原始社會(huì)把時(shí)間看作一種基本上不斷循環(huán)的有機(jī)節(jié)奏。他們想，既然時(shí)間跟天體的循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)分不開(kāi)，時(shí)間本身也應(yīng)該是循環(huán)的。白天跟隨黑夜，新月代替舊月，冬天過(guò)了是夏天，為什么歷史就不這樣？中美洲的瑪雅人相信歷史每二百六十年重復(fù)一次，這個(gè)周期他們叫拉馬特，是他們?nèi)諝v的基本單元。他們認(rèn)為災(zāi)難也有周期：1698年，西班牙人入侵登陸，伊嚓部落聞風(fēng)而逃，因?yàn)樗麄兿嘈胖芷跐M(mǎn)了，災(zāi)難來(lái)到。這點(diǎn)他們并沒(méi)有搞錯(cuò)，但并不是什么預(yù)言，連巧合都算不上：原因是入侵八十年前，西班牙人從傳教士那邊得知瑪雅人相信時(shí)間有周期，所以侵略者本來(lái)就預(yù)料到對(duì)方的反應(yīng)。
時(shí)間的循環(huán)模式是希臘各宇宙學(xué)派的一個(gè)共同點(diǎn)。亞里士多德在他的《物理學(xué)》中說(shuō)：“凡是具有天然運(yùn)動(dòng)和生死的，都有一個(gè)循環(huán)。這是因?yàn)槿魏问挛锒际怯蓵r(shí)間辨別，都好像根據(jù)一個(gè)周期開(kāi)始和結(jié)束；因此甚至?xí)r間本身也被認(rèn)為是個(gè)循環(huán)。”斯多葛（Stoics）學(xué)派的人相信，每當(dāng)行星回到它們初始相對(duì)位置時(shí)，宇宙就重新開(kāi)始。公元四世紀(jì)的尼梅修斯（Nemesius）主教說(shuō)過(guò)：“蘇格拉底也好，柏拉圖也好，人人都會(huì)復(fù)生，都會(huì)再見(jiàn)到同樣的朋友，再和同樣的熟人來(lái)往。他們將再有同樣的經(jīng)驗(yàn)，從事同樣的活動(dòng)。每個(gè)城市、每個(gè)村莊、每塊田地、都要恢復(fù)原樣。而且這種復(fù)原不僅是一次，而是二次三次，直到永遠(yuǎn)。”好像所有歷史的事件都裝在一個(gè)大輪子上一樣，循環(huán)不已。這不斷回返的觀念重新出現(xiàn)在現(xiàn)代數(shù)學(xué)里面，叫“龐加萊循環(huán)”；龐加萊（Henri Poincaré）是世界偉大數(shù)學(xué)家之一，活躍于上世紀(jì)末、本世紀(jì)初。
時(shí)間之箭引起我們內(nèi)心的恐懼，因?yàn)樗馕吨环€(wěn)定和變遷。它所指向的是世界的末日，而不是世界的重新再生。羅馬尼亞人類(lèi)學(xué)者、宗教史學(xué)者埃里阿德（Mircea Eliade）在他有關(guān)時(shí)間之箭和時(shí)間循環(huán)，名為《永恒回返的神話(huà)》的書(shū)里，認(rèn)為世上從有人類(lèi)以來(lái)，多半的人都覺(jué)得循環(huán)時(shí)間更令人安慰，而將它緊抱不放；這樣，過(guò)去也是將來(lái)，沒(méi)有真正的“歷史”可言，死心塌地地承認(rèn)再生和更新。請(qǐng)注意他寫(xiě)的：“遠(yuǎn)古人的生命……雖然發(fā)生在時(shí)間里面，并不記錄時(shí)間的不可逆性；換句話(huà)說(shuō)，對(duì)時(shí)間意識(shí)中最明確的特征，它反而置之不理。”
是猶太基督教傳統(tǒng)把“線(xiàn)性”（不可逆）的時(shí)間，一下子直截了當(dāng)?shù)亟⒃谖鞣轿幕锩妗?/span>埃里阿德寫(xiě)道：“這種‘無(wú)盡循環(huán)’的老調(diào)，基督教企圖一下子將它超越。”由于基督教相信耶穌的生、死、和他的上十字架受難，都是唯一的事件，都是不會(huì)重復(fù)的，西方文化終于把時(shí)間看成是穿越在過(guò)去和未來(lái)之間的一條線(xiàn)。基督教出現(xiàn)以前，只有猶太人和信仰拜火教的波斯人認(rèn)同這種前進(jìn)式的時(shí)間。
不可逆時(shí)間深刻地影響了西方思想。對(duì)“進(jìn)步”和地質(zhì)學(xué)所謂的“深時(shí)”——指人類(lèi)進(jìn)化只是新上地球舞臺(tái)不久的一出戲的那項(xiàng)驚人發(fā)現(xiàn)，不可逆時(shí)間給我們做了心理準(zhǔn)備。它為達(dá)爾文的進(jìn)化論開(kāi)辟了道路，從而把我們和原始生物在時(shí)間上連接起來(lái)。總之，線(xiàn)性時(shí)間概念的出現(xiàn)，和因之而起的思想改變，為現(xiàn)代科學(xué)以及其改善地球上生命的保證，打下了基礎(chǔ)。
文化時(shí)間的循環(huán)模式和線(xiàn)性模式，在生物時(shí)間中可以找到對(duì)應(yīng)。細(xì)胞的分裂，以及體內(nèi)各種不同節(jié)奏——從高頻的神經(jīng)脈沖到悠閑的細(xì)胞更新——所組成的交響樂(lè)，都牽涉到循環(huán)式時(shí)間；而不可逆的時(shí)間則體現(xiàn)于從生到死的老化過(guò)程之中。日常用的鐘表也具有這兩個(gè)不同的時(shí)間面貌。一方面，不停的鐘擺或晶體振蕩累積成一般所謂的“時(shí)間”，在地球上這時(shí)間就表示為十二小時(shí)或二十四小時(shí)的周期。另一方面，各種耗散現(xiàn)象，諸如電池的干涸，發(fā)條的松弛，鐘錘的下降，都告訴我們時(shí)間是一去不回頭的。
哲學(xué)中的時(shí)間
時(shí)間是哲學(xué)家不斷思索研究的一項(xiàng)課題。數(shù)學(xué)家惠特羅（Gerald Whitrow）在他的名著《時(shí)間的自然哲學(xué)》里面，強(qiáng)調(diào)阿基米德和亞里士多德是對(duì)時(shí)間兩個(gè)極端看法的代表人：亞里士多德認(rèn)為時(shí)間是內(nèi)稟的，對(duì)宇宙說(shuō)來(lái)是基本的，而阿基米德的看法就完全相反。兩千年來(lái)，這個(gè)爭(zhēng)論，以不同的形式一直在進(jìn)行。
柏拉圖在他講宇宙學(xué)的著作《狄瑪尤斯》(Timaeus)里說(shuō)，太初混沌，神工強(qiáng)加以形序，時(shí)間乃生。《狄瑪尤斯》一開(kāi)頭就講“實(shí)存”(eing)和“將然”(ecoming)的區(qū)別；這兩個(gè)概念，以各種形式重新出現(xiàn)于近代科學(xué)理論之中。對(duì)柏拉圖，“實(shí)存”的世界是真正的世界，“此世界永恒不變，由智慧借助論證而得知”；而“將然”的世界（時(shí)間的領(lǐng)域），則是“意見(jiàn)與非理智感覺(jué)之客體，既生又滅，從未完全真實(shí)過(guò)”。他把“將然”比作旅途，把“實(shí)存”比作終點(diǎn)，說(shuō)只有后者才是真實(shí)的。這樣，具有時(shí)間的物理世界只有次等的真實(shí)性。這種區(qū)別，支配著柏拉圖哲學(xué)的全部。
擁有這種看法的人，在柏拉圖以前是帕爾米尼笛斯（Pa-rmenides）。他相信實(shí)際是既不可分，也沒(méi)有時(shí)間的。他的學(xué)生，意大利南部埃里亞的芝諾（Zeno），為了整個(gè)推翻我們對(duì)時(shí)間的觀念，創(chuàng)造了一批著名的佯謬來(lái)捉弄我們。其中最有名的一個(gè)叫勇士和烏龜，企圖用來(lái)證明：“如果時(shí)間可以無(wú)窮地分而再分，運(yùn)動(dòng)將是不可能。”設(shè)想勇士在追烏龜：當(dāng)勇士達(dá)到當(dāng)初烏龜在的地方，烏龜又走了一（?。┒温?；當(dāng)勇士把那段路走完后，烏龜又走了一段，這樣下去，永無(wú)止境。
究竟芝諾這個(gè)佯謬和他別的佯謬意義多大，眾論不一。自從芝諾在二十四個(gè)世紀(jì)以前把它們提出以來(lái)，至今已有大批文獻(xiàn)問(wèn)世，有的說(shuō)是無(wú)稽之談，有的卻認(rèn)為非常高深。惠特羅仔細(xì)分析的結(jié)論是：要解開(kāi)這些佯謬，只有兩條路。一條是否定“將然”這個(gè)概念，于是時(shí)間便有真正屬于空間的性質(zhì)；另一條路是不承認(rèn)時(shí)間像空間那樣可以分而再分。
就像紅顏色給不同的人有不同的主觀印象，而仍然是視覺(jué)中不可少的一部分，哲學(xué)家康德同樣認(rèn)為，時(shí)間固然是我們經(jīng)驗(yàn)中不可缺少的一個(gè)成份，它其實(shí)是沒(méi)有客觀意義的：“時(shí)間并不是什么客觀的東西，它既不是實(shí)體，也不是偶發(fā)，也不是關(guān)系；它是因?yàn)槿祟?lèi)心靈的本性而必然產(chǎn)生的主觀條件。”康德的“主觀主義”看法，和有些科學(xué)家對(duì)今日科學(xué)中時(shí)間的解釋?zhuān)窒嗨?。一個(gè)簡(jiǎn)單的，顯而易見(jiàn)的，被歷代的唯心主義者們——帕爾米尼笛斯、柏拉圖、斯賓諾扎、黑格爾、布拉德里（radley）、麥克太戈特（M’Taggart）等——所樂(lè)于采取的辦法，是說(shuō)時(shí)間充滿(mǎn)矛盾，所以不會(huì)是真實(shí)的。對(duì)這種形而上學(xué)的遁詞，邏輯學(xué)家克琉（M．Cleugh）老實(shí)不客氣地說(shuō)道：“說(shuō)時(shí)間由于自相矛盾便只是表面現(xiàn)象，非但沒(méi)有解決問(wèn)題，連答案都說(shuō)不上。”
玻爾茲曼（Ludwigoltzmann）給形而上學(xué)起了個(gè)渾名，叫它“人腦中的偏頭疼”。他說(shuō)：“最平常的東西一到哲學(xué)便成為不可解決的難題。哲學(xué)以無(wú)上的技巧建造了空間和時(shí)間的概念，然后又發(fā)現(xiàn)這樣的空間里不可能有物體，這樣的時(shí)間里不可能有過(guò)程發(fā)生……。把這個(gè)叫做邏輯，我看就像一個(gè)想去山區(qū)旅行的人，穿著長(zhǎng)而累贅的衣服，在平地上沒(méi)走三步就被絆倒了一樣。這種邏輯來(lái)源于對(duì)所謂的思想規(guī)律的盲目信任。”玻爾茲曼尖刻地批判了一群包括黑格爾、叔本華、康德的哲學(xué)家，他說(shuō)：“為了追究到底，我拜讀了黑格爾；可是那里我看到的是滔滔不絕、不清不楚而又毫無(wú)思想的一番空話(huà)！從他那里總算我倒楣，我又去找叔本華……。就是在康德那里，也有不少話(huà)，叫我莫名其妙；以至令我懷疑，像他這樣腦筋靈敏的人，是否在跟讀者開(kāi)玩笑，還是在存心欺騙讀者。”
時(shí)間：牛頓和愛(ài)因斯坦
要是哲學(xué)里的時(shí)間使人失望，科學(xué)里的又如何？十七世紀(jì)中葉，惠更斯（Christiaan Huygens）發(fā)明成功第一部擺鐘，隨后“計(jì)時(shí)”的精度不斷提高，逐漸令人覺(jué)得自然界是機(jī)械性的，是可預(yù)言的。時(shí)鐘技術(shù)的發(fā)展把時(shí)間從人類(lèi)的事件中解開(kāi)，使我們更相信獨(dú)立的科學(xué)世界。十七、十八世紀(jì)產(chǎn)生的“經(jīng)典”科學(xué)所描繪的宇宙里面，自由意旨和偶發(fā)事件都是多余的；那個(gè)宇宙從各種觀點(diǎn)來(lái)看，都無(wú)異于一座機(jī)器。
真正“科學(xué)時(shí)間”的誕生，我們可以上溯到發(fā)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)表達(dá)式的牛頓。他的成就的確令人驚嘆。他的運(yùn)動(dòng)公式，從蘋(píng)果到月亮都能適用；地球上的動(dòng)力學(xué)，天空上的動(dòng)力學(xué)，被他融匯成一體。如此有力的表達(dá)式僅僅牽涉到很少幾個(gè)假設(shè)，給人十分優(yōu)美的感覺(jué)，因此人們很快地接受了牛頓的思想。于是，牛頓成為現(xiàn)代科學(xué)的奠基者。
牛頓無(wú)疑受到數(shù)學(xué)家巴羅（ Isaac arrow）的影響。 1669年巴羅從劍橋著名的盧卡遜教授席退休時(shí)，設(shè)法保證該席由牛頓繼任。巴羅曾說(shuō)過(guò)，“既然數(shù)學(xué)家經(jīng)常講時(shí)間，他們對(duì)該詞的意義應(yīng)有明確的觀念，否則他們不過(guò)是江湖術(shù)士罷了”。然而，盡管牛頓的科學(xué)成就如此輝煌，他方程式里的時(shí)間卻只是一個(gè)未經(jīng)定義的原始量。就像牛頓的空間一樣，牛頓的時(shí)間也是絕對(duì)的。這就是說(shuō)，所有任何事件，都在空間里有個(gè)一定的位置，都發(fā)生在時(shí)間里某個(gè)特定的時(shí)刻。格林威治天文臺(tái)也好，遠(yuǎn)處旋渦星系的一個(gè)角落也好，每個(gè)地方都被現(xiàn)在這個(gè)同一時(shí)刻所連接。牛頓的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》說(shuō)：“絕對(duì)的、真實(shí)的、數(shù)學(xué)的時(shí)間，由于它自身的本性……，與任何外界事物無(wú)關(guān)地、均勻地流逝。”
牛頓力學(xué)具有極高的預(yù)測(cè)能力，它使每個(gè)時(shí)刻都有能力提供宇宙過(guò)去未來(lái)所有可能的信息。我們只要把宇宙某個(gè)時(shí)刻所有星球的位置、速度，放入一個(gè)解牛頓方程的巨大計(jì)算機(jī)就行了。凍結(jié)在那個(gè)時(shí)刻的，是整個(gè)的過(guò)去和未來(lái)：計(jì)算機(jī)能算出別的任何時(shí)刻星球的位置和速度。但是牛頓方程式不會(huì)做的是，它不能斷定時(shí)間的哪個(gè)方向是我們宇宙的過(guò)去，哪個(gè)是未來(lái)。牛頓方程式從時(shí)間里把方向抽走了，沒(méi)有為時(shí)間的不斷前進(jìn)性騰出任何地方。他這種對(duì)稱(chēng)式的時(shí)間，可以用拍攝行星運(yùn)動(dòng)的影片來(lái)闡明，好比說(shuō)，用1977年發(fā)射的探測(cè)外太陽(yáng)系的旅行者二號(hào)飛船拍的影片。牛頓首次對(duì)這種運(yùn)動(dòng)定下了數(shù)學(xué)規(guī)律；然而，順?lè)乓埠?，倒放也好，影片總是符合他的天體力學(xué)定律的。過(guò)去和未來(lái)都是預(yù)先注定的世界，對(duì)這種決定性世界的信仰，在物理學(xué)發(fā)展上起過(guò)極大的作用。它的影響可以從愛(ài)因斯坦接到他終生好友貝索（Michelangelo esso）死訊時(shí)說(shuō)的一句話(huà)里看出來(lái)。在他1955年3月21日的信里，愛(ài)因斯坦用他“物理定律沒(méi)有時(shí)間性”這個(gè)堅(jiān)強(qiáng)的信仰，試著給貝索的家人少許安慰。死并非終點(diǎn)，他寫(xiě)道：“對(duì)我們這些堅(jiān)信物理學(xué)的人來(lái)說(shuō)，過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)之間的區(qū)別，盡管老纏著我們，不過(guò)是一個(gè)幻覺(jué)而已……。”或許寫(xiě)這封信時(shí)，愛(ài)因斯坦也有意安慰自己，因?yàn)?/span>他又加了這么一句：“貝索向這個(gè)奇怪的世界告別，只比我稍早一點(diǎn)。”一個(gè)月后，愛(ài)因斯坦就去世了。
現(xiàn)在我們知道，牛頓的運(yùn)動(dòng)理論，在有些場(chǎng)合之下不適用：當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，它不適用；在大質(zhì)量、高引力場(chǎng)，包括黑洞的情況下，它也不適用；它也不適用于牽涉到原子和亞原子粒子的極小尺度上?？墒侵鞴苓@些場(chǎng)合的二十世紀(jì)兩大革命，即愛(ài)因斯坦的相對(duì)論和量子力學(xué)，也同樣建立在時(shí)間無(wú)向的概念上面。因此，要想在歷史文學(xué)的不可逆時(shí)間和牛頓定律的對(duì)稱(chēng)時(shí)間之間搭橋梁，這兩套理論同樣是束手無(wú)策。
這并不是說(shuō)它們沒(méi)有對(duì)于時(shí)間提出新的、引人入勝的觀念。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論砸碎了牛頓絕對(duì)時(shí)間的通常觀念——宇宙中任何事件都發(fā)生在空間的某一點(diǎn)、時(shí)間的某個(gè)時(shí)刻，而那時(shí)刻是到處一樣的。愛(ài)因斯坦認(rèn)為存在是四維的，是在合并三維空間和一維時(shí)間的四維時(shí)空中的存在，而不是一個(gè)三維存在外加它在時(shí)間上的演化。我們的時(shí)間感會(huì)被疾病或者藥物搞亂。而愛(ài)因斯坦的相對(duì)論說(shuō)，時(shí)間對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀況的觀察者是不同的：對(duì)某個(gè)觀察者來(lái)說(shuō)，一臺(tái)鐘如果鐘本身移動(dòng)得越快，它的時(shí)針、分針、秒針就走得越慢。
盡管如此，愛(ài)因斯坦驚人的相對(duì)論對(duì)時(shí)間的單向性，還是無(wú)話(huà)可說(shuō)。就跟牛頓方程式一樣，如果我們知道一個(gè)系統(tǒng)——例如圍繞一個(gè)黑洞的一顆星，或者整個(gè)宇宙——在某個(gè)時(shí)刻的所有細(xì)節(jié)的話(huà)，那么愛(ài)因斯坦方程式的結(jié)構(gòu)便能使我們知道它的整個(gè)過(guò)去和未來(lái)。可是，究竟哪個(gè)方向是過(guò)去，哪個(gè)是將來(lái)，它并未留下任何線(xiàn)索。此外，與它有關(guān)的數(shù)學(xué)中出現(xiàn)令人為難的“奇點(diǎn)”，在那里，空間、時(shí)間和物質(zhì)無(wú)法描述，因而引起對(duì)它基本性的懷疑。最有名的奇點(diǎn)就是所謂的“大爆炸”——那個(gè)普遍被認(rèn)為產(chǎn)生宇宙的超高密度火球。在這個(gè)奇點(diǎn)，巨大的能量都集中到一點(diǎn)，理論中的可測(cè)量都變?yōu)闊o(wú)窮大，從而變?yōu)闊o(wú)意義。正如宇宙學(xué)家西亞瑪（Dennis Sciama）所說(shuō)：“廣義相對(duì)論孕含著自戕的種子。”
量子時(shí)間
在我們給時(shí)間的方向?qū)ふ铱茖W(xué)依據(jù)時(shí)，統(tǒng)治原子分子世界的量子論看上去似乎較有希望。量子論很成功地，同時(shí)也很令人不解地，描述了原子分子的各種奇行性跡。它能解釋激光、核反應(yīng)器中的亞原子、計(jì)算機(jī)里的電子，和許多其它東西的行為。我們從組成這個(gè)世界的原子分子大聚合的量子描述里，也許可以給我們有切膚感受的時(shí)間之箭，找到一個(gè)量子描述。這個(gè)想法來(lái)自一個(gè)很輝煌的傳統(tǒng)。自從希臘文化的黃金時(shí)代以來(lái)，用組成世界的原子分子來(lái)描述世界——這部名為“歸化原子法”的哲學(xué)遺產(chǎn)，在科學(xué)思想的發(fā)展中，占有至高無(wú)上的地位。
本書(shū)第四章將提到有兩個(gè)棘手的問(wèn)題：一是名為“長(zhǎng)壽K粒子”的奇案，二是量子論中測(cè)量本身就是一個(gè)難解之迷。從這兩點(diǎn)我們似乎能瞥見(jiàn)到一個(gè)時(shí)間的量子箭頭?？墒?，量子論的中心思想是跟隨其它“基本”理論的，是不分時(shí)間的兩個(gè)方向的。就和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論一樣，量子論也有嚴(yán)重的內(nèi)癥：用它處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)，譬如原子如何吸光、如何發(fā)光，它就會(huì)爆出許多令人頭疼的無(wú)窮大。雖然物理學(xué)家已理出一套能躲開(kāi)這些無(wú)窮大的訣竅，我們也難免覺(jué)得內(nèi)中大有蹊蹺。
量子力學(xué)和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論兩虎不能容于一山。有些科學(xué)家像牛津大學(xué)的彭羅斯（Roger Penrose）相信，這兩門(mén)理論如果真正統(tǒng)一了，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)量子引力理論，或者什么新的理論，其中時(shí)間之箭是明文規(guī)定的。這一步看上去一時(shí)還不能實(shí)現(xiàn)，并且很可能仍有不足之處。這是因?yàn)槟壳坝幸粋€(gè)危險(xiǎn)，就是把我們的科學(xué)世界觀，死死地建造在具有時(shí)間可逆性的，原子、分子、粒子和場(chǎng)的微觀層次上，而這個(gè)層次到底不是直接觀測(cè)到的。正如諾貝爾獎(jiǎng)獲得者普里高金（Ilya Prigogine）所說(shuō)：“盡管物理大師跟我說(shuō)了，我總還是不明白，怎么能從可逆性里得出我們宇宙、文化和生命的演化形式。”
時(shí)間與熱力學(xué)
另一種描述，牽涉到科學(xué)家所謂的宏觀層次。這個(gè)層次的現(xiàn)象是我們看得到、嘗得到、碰得到和感覺(jué)得到的。熱力學(xué)也就是探討這個(gè)層次。十九世紀(jì)，這門(mén)學(xué)問(wèn)隨著蒸汽動(dòng)力的出現(xiàn)而問(wèn)世，布萊克（lack）、卡諾（Carnot）、克勞修斯（Clausius）、玻爾茲曼、吉布斯（Gis）等人將它發(fā)展；它當(dāng)時(shí)注意的是熱機(jī)的功能。在一個(gè)形式的理論框架之下，熱力學(xué)列出熱和功之間的關(guān)系，詳細(xì)說(shuō)明了熱如何轉(zhuǎn)化為別種能量，如何跟別種能量交換。
我們對(duì)時(shí)間流逝的感覺(jué)，一面固然被經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論、量子力學(xué)搞亂，另一面卻從熱力學(xué)中得到支持。就像我們覺(jué)得到時(shí)間是有方向的，熱力學(xué)第二定律也說(shuō)熱只能從較熱的物體流到較冷的物體，說(shuō)雪人會(huì)融化，雕像會(huì)粉碎。第二定律和我們的時(shí)間感之間的關(guān)聯(lián)可以用瓷器店和公牛的影片來(lái)說(shuō)明。如果時(shí)間是朝正的方向走，影片就一定會(huì)顯示出：完好的瓷器到處亂飛，碗碟被牛蹄踩碎。但如果我們看到公牛先倒走進(jìn)被破壞得爛糟糟的店里，等到最後一個(gè)茶杯都好好地飛回架上以后又倒走出來(lái)，那我們就知道影片放倒了。第二定律規(guī)定這種事不會(huì)發(fā)生，永動(dòng)機(jī)不可能存在，證明任何過(guò)程中，能量都要轉(zhuǎn)化成熱而被消耗掉；這里，掉下來(lái)的碗碟的能變?yōu)樵僖膊荒軓?fù)原的熱和聲。這種不能倒過(guò)來(lái)的損失是跟我們時(shí)間流逝的感覺(jué)連在一起的：從第二定律里面，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)叫做“熵”的量，它度量一個(gè)系統(tǒng)可變的能力，它跟時(shí)間有密切關(guān)系。熵的增大是時(shí)間方向的指路標(biāo)。愛(ài)丁頓為了強(qiáng)調(diào)第二定律的至尊地位，發(fā)出了這樣的警告：“……如果你的理論違背第二定律，那你就沒(méi)有希望了，你的理論只有丟盡臉、垮臺(tái)。”
上面我們看到，牛頓力學(xué)里過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)的任何時(shí)刻都是一樣的；因此，力學(xué)沒(méi)有時(shí)間性，“演化”沒(méi)有太深的意義。熱力學(xué)就不同了，這里，熵把每個(gè)時(shí)刻加以區(qū)別，宇宙是真正在演化的。
就像古代的人，談到不可逆時(shí)間就害怕，而一些哲學(xué)家們說(shuō)時(shí)間是幻覺(jué)，草草地將它放在一邊，很多科學(xué)家也很想把第二定律的含義簡(jiǎn)單埋葬了事。他們說(shuō)不可逆時(shí)間，是和我們的頭腦如何理解時(shí)間有關(guān)，而不是客觀流逝。因?yàn)榭赡鏁r(shí)間的理論如此成功，所以這些科學(xué)家們想盡方法說(shuō)第二定律中的時(shí)間之箭只不過(guò)是種幻覺(jué)?？墒窍旅嫖覀儗?huì)看到，這個(gè)說(shuō)法如果對(duì)，那差不多所有的東西，連生命本身的節(jié)奏和過(guò)程，都變成我們個(gè)人的局限和近似的結(jié)果；這是因?yàn)榻忉層袡C(jī)過(guò)程的數(shù)學(xué)工具里面，時(shí)間之箭是基本的一部分。
一個(gè)常取的辦法是，不講別的，只問(wèn)力學(xué)定律在實(shí)際上是怎樣應(yīng)用的。應(yīng)用一個(gè)物理定律時(shí)，除掉這個(gè)定律以外，我們還得輸入一些數(shù)字，代表初始條件，或者邊界條件，例如宇宙中所有粒子的位置和速度。許多物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)的時(shí)間之箭不知怎么搞的只是跟這些初始條件有關(guān)，而不是物理定律本身的一部分。
按照這個(gè)想法，如要了解時(shí)間之箭，應(yīng)該考慮所有初始條件的老祖宗——宇宙的誕生。他們說(shuō)，宇宙最初很小，很密，處于高度組織、低熵狀態(tài)；于是時(shí)間的流逝就一定和熵的增大、混亂的增大對(duì)應(yīng)，而宇宙一直在膨脹，能量不斷消耗成一片廢熱——所謂“宇宙熱寂”的過(guò)程。但如果宇宙有朝一日開(kāi)始縮小，這想法不是就不行了嗎？那時(shí)候，熵不是就要開(kāi)始降低了嗎？時(shí)間不是就要開(kāi)倒車(chē)了嗎？下面我們會(huì)看到，這種牽涉到邊界條件的論調(diào)，說(shuō)好一點(diǎn)，是主觀性的，說(shuō)壞一點(diǎn)，就是與題風(fēng)馬牛不相及。僅用初始條件顯然解釋不了時(shí)間之箭。另外有些人，其中包括數(shù)學(xué)物理學(xué)家霍金（Stephen Hawking），想把初始條件解釋成宇宙論本身的結(jié)果。他的辦法是把現(xiàn)今純理論的對(duì)稱(chēng)時(shí)間的宇宙學(xué)理論推到盡頭，然后說(shuō)邊界條件就是沒(méi)有邊界條件。這樣一來(lái)，就不會(huì)出現(xiàn)不守規(guī)矩的奇點(diǎn)，空間時(shí)間也不會(huì)有“邊緣”，宇宙將是獨(dú)立自足的，猶如一個(gè)球面。
宇宙學(xué)中這類(lèi)論調(diào)，南安普頓大學(xué)的蘭茲堡（Peter La-ndserg）不以為然，他寫(xiě)道：“諸如牛奶在咖啡中擴(kuò)散這種‘日常’現(xiàn)象，反而要用本身比這些現(xiàn)象更有問(wèn)題的，講述宇宙的理論來(lái)‘解釋’，這做法也未免太奇怪。一般人總認(rèn)為一套東西應(yīng)該用比它更肯定的另一套來(lái)解釋?zhuān)徽２豢赡娴默F(xiàn)象用宇宙膨脹來(lái)解釋?zhuān)粚儆谶@個(gè)辦法。”
與其鉆這個(gè)牛角尖，不如直接回到第二定律。對(duì)支持可逆（“不真實(shí)的”）時(shí)間的人來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)最大的缺點(diǎn)是它只牽涉到世界的皮毛，它不像相對(duì)論和牛頓力學(xué)那樣能跟“基層的”，看不見(jiàn)的微觀世界打交道。要對(duì)付這種批評(píng)，我們?cè)O(shè)想冰如何在可樂(lè)中融化的情況，辦法是使可樂(lè)分子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，以及諸如熵、體積、溫度這類(lèi)描述這杯可樂(lè)的宏觀量，和第二定律相一致。在這方面，玻爾茲曼作了出色的貢獻(xiàn)，盡管許多他的同輩不相信他從原子分子的行為中，重新發(fā)現(xiàn)了時(shí)間之箭。玻爾茲曼震驚了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家，他把熵和概率連在一起，成為世上第一個(gè)給一項(xiàng)基本物理定律一個(gè)統(tǒng)計(jì)性解釋的人。他的開(kāi)創(chuàng)性工作沒(méi)有白做。例如，現(xiàn)在我們就可以用它來(lái)估計(jì)水分子在室溫下，保持冰狀態(tài)的概率：冰是個(gè)低熵狀態(tài)，概率遠(yuǎn)小于水存在于液態(tài)的概率——液態(tài)是隨機(jī)性更大的高熵狀態(tài)。表示這個(gè)關(guān)系的嚴(yán)密數(shù)學(xué)公式，愛(ài)因斯坦稱(chēng)它為“玻爾茲曼原則”；它已成為目前物理研究者廣泛應(yīng)用的一個(gè)工具。維也納中區(qū)公墓里玻爾茲曼的墳上，就刻了這個(gè)公式，作為裝飾紀(jì)念。雖然它沒(méi)有回答我們的問(wèn)題，但它為我們確立了研究方向。
乍看上去，第二定律和十九世紀(jì)驚動(dòng)全世界的另一發(fā)現(xiàn)——達(dá)爾文的進(jìn)化論相沖突。經(jīng)典力學(xué)把宇宙看成一個(gè)不折不扣的機(jī)器，熱力學(xué)似乎說(shuō)這機(jī)器步步走向絕對(duì)的混亂?？墒沁_(dá)爾文證明的是，簡(jiǎn)單的生物逐漸演化成復(fù)雜的生物，生命隨時(shí)間是越來(lái)越有組織，而不是越來(lái)越亂。天上飛的，水里游的，地上爬的，如此豐富多采，它們的演化似乎跟主張世界越來(lái)越亂的理論，不能相容。事實(shí)上，這里并不存在矛盾。這是因?yàn)闊崃W(xué)第二定律里面藏著一套妙計(jì)，它能使創(chuàng)造性的演化發(fā)生，而不僅只是純破壞性的演化。早在1878年，玻爾茲曼可能已經(jīng)看到了端倪，不過(guò)正式發(fā)展要等到近年來(lái)對(duì)第二定律的重新估價(jià)以后。新估價(jià)證明了第二定律并不意味著單調(diào)退化到無(wú)序，證明了宇宙反過(guò)來(lái)可以利用熱力學(xué)來(lái)創(chuàng)造，來(lái)進(jìn)化，來(lái)發(fā)展。這個(gè)新估價(jià)賦予第二定律的時(shí)間之箭新的微妙的意義，甚至更高的可信性。
創(chuàng)造性時(shí)間
主要是布魯塞爾自由大學(xué)一群研究者，以普里高金為首，創(chuàng)造了一套二十世紀(jì)的熱力學(xué)。由此我們可以借助“自組織”這個(gè)新的科學(xué)法則，來(lái)理解秩序?yàn)槭裁纯梢栽诨靵y中出現(xiàn)。他們的論點(diǎn)和通常對(duì)第二定律的理解不同，說(shuō)第二定律并不等于千篇一律地朝著混亂一直消沉?；靵y固然可能是物質(zhì)的最后狀態(tài)，在時(shí)間終點(diǎn)的宇宙固然會(huì)是一片傾圮，但是第二定律絕不是說(shuō)這個(gè)過(guò)程均勻地發(fā)生在空間的每一點(diǎn)、時(shí)間的每一點(diǎn)。
首先我們必須區(qū)別變化潛能已耗盡的“平衡熱力學(xué)”和“非平衡熱力學(xué)”。一杯咖啡已經(jīng)冷到室溫，不能再冷的時(shí)候，應(yīng)該用平衡熱力學(xué)；當(dāng)牛奶才加進(jìn)去，還沒(méi)有攪勻的時(shí)候，就應(yīng)該用非平衡熱力學(xué)。如果我們把第二定律應(yīng)用在事物不斷在變的實(shí)際世界，而不應(yīng)用在僵化的熱力學(xué)平衡狀態(tài)，那么自組織就會(huì)很自然地從第二定律中產(chǎn)生。平衡與非平衡熱力學(xué)之間的對(duì)比，猶如實(shí)存和將然之間的區(qū)別，猶如這句話(huà)里面的字和句尾的句號(hào)之間的不同。在所謂宇宙向熱寂退化的過(guò)程中，我們可以找到許多自動(dòng)產(chǎn)生秩序的出色例子?？Х壤锩婕优Ｄ蹋詈鬆顟B(tài)固然是那個(gè)常見(jiàn)的灰色渾湯，但是在達(dá)到那個(gè)狀態(tài)以前，白牛奶在黑咖啡里排演了多少瞬息萬(wàn)變的漩渦花樣和結(jié)構(gòu)！
“化學(xué)鐘”是自組織的一個(gè)實(shí)驗(yàn)例子。這是一種特別的化學(xué)反應(yīng)，里面的顏色很有規(guī)則地變來(lái)變?nèi)ィ矔?huì)顯出美麗的漩渦結(jié)構(gòu)。為了保持花紋，化學(xué)反應(yīng)必需不斷地得到補(bǔ)充。它的組織也很特別：是連鎖在一起的一串化學(xué)反應(yīng)，牽涉到反饋，其中一個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)品又參加同一個(gè)反應(yīng)，甚至做它自己的催化劑。令人驚訝的是，化學(xué)鐘里成千上萬(wàn)不計(jì)其數(shù)的分子，好像都精確地知道彼此在做什么，它們好像能彼此“交換信息”。
這些概念對(duì)生物界的含義非常重要。對(duì)生物來(lái)說(shuō)，變化完結(jié)的平衡態(tài)就是死亡。熱力學(xué)提供了一套自然語(yǔ)言，用它可以描述生物學(xué)的過(guò)程：只有遠(yuǎn)離平衡的過(guò)程，變化才能發(fā)生。我們能活著，完全是因?yàn)榇嬖谥粋€(gè)由許多精密諧和的節(jié)奏組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。以這些節(jié)奏進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，跟化學(xué)鐘屬于同一類(lèi)。參與這些反應(yīng)的就是生命的精髓——鏈狀遺傳分子DNA和RNA，它們能間接地催化本身的自我產(chǎn)生。這樣，在經(jīng)典熱力學(xué)和達(dá)爾文進(jìn)化論之間的鴻溝上，非平衡熱力學(xué)搭了一座橋。它可以大致說(shuō)明，為什么在一個(gè)熵遞增的宇宙里，像人這樣具有極其微妙結(jié)構(gòu)的生物，仍然可以出現(xiàn)。
更引人入勝的是關(guān)于時(shí)間的含義。像化學(xué)鐘這樣的自組織告訴我們，第二定律不僅提供了一個(gè)時(shí)間箭頭，并且它里面也有我們到處可以看到的各種循環(huán)、各種花樣的種子。時(shí)間的這兩個(gè)方面都很重要。時(shí)間的箭頭代表時(shí)間的前進(jìn)，每個(gè)時(shí)刻都帶有自己的烙印。可是另一方面，就如噪聲和音樂(lè)的區(qū)別在于拍子和節(jié)奏，因此要在服從同一規(guī)律的現(xiàn)象里找出花樣款式，時(shí)間的循環(huán)模式是至關(guān)重要的。第二定律為這兩個(gè)最重要的時(shí)間形象打下了基礎(chǔ)。
然而，即使我們承認(rèn)第二定律的時(shí)間之箭意義深?yuàn)W，根基牢固，不可能是幻覺(jué)，我們的主要問(wèn)題仍舊沒(méi)有得到解答。我們?nèi)绾文苁惯@個(gè)不可逆時(shí)間，和用“無(wú)時(shí)間性力學(xué)”描述的微觀世界和諧一致？這個(gè)謎，玻爾茲曼只解答了一部分。本書(shū)第八章將講述，答案可能從正在萌芽的一門(mén)新學(xué)科里得到。這門(mén)新學(xué)科就是自組織的姊妹科目：動(dòng)力學(xué)混沌。
混沌與箭頭
在有關(guān)不可逆過(guò)程的討論中，混沌并不等于全盤(pán)的天下大亂，而是指一種奇妙的秩序。描述化學(xué)鐘行為的方程，解起來(lái)可以得到各式各樣的解，不僅包括自組織，而且有“確定性混沌”。這是一種似非而是、可預(yù)言的偶發(fā)性。在化學(xué)鐘的情況下，混沌表現(xiàn)為一連串顏色的隨機(jī)變化。它之所以叫做“確定性的”，是因?yàn)榛煦鐚W(xué)專(zhuān)家們從這種隨機(jī)行為里面，整理出來(lái)了一個(gè)微妙的基層組織。一般相信天氣就是由混沌主宰，所以天氣預(yù)報(bào)短期有效，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就不靈了。目前科學(xué)界掀起一股混沌熱，到處找混沌，吉普賽蛾數(shù)目的起伏，羊癲瘋的發(fā)作，以及許多其它的現(xiàn)象，從政治到經(jīng)濟(jì)，全是混沌研究的對(duì)象。
時(shí)間對(duì)稱(chēng)的牛頓運(yùn)動(dòng)方程里，也存在有混沌。這項(xiàng)頗為驚人的發(fā)現(xiàn)，含義極為深刻。據(jù)說(shuō)，自命為“混沌福音傳道士”的物理學(xué)家福特（Joseph Ford）曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“一個(gè)大革命正在開(kāi)始。我們對(duì)宇宙的整個(gè)看法，都會(huì)改變。”研究結(jié)果表明，在最簡(jiǎn)單如僅僅三個(gè)粒子相互作用的情況之下，都會(huì)出現(xiàn)混沌。可預(yù)言性、確定性，這些幾百年傳下來(lái)的神話(huà)，這一來(lái)再也站不住腳，一個(gè)鐘表式的宇宙就更不用談了。在這個(gè)世界里，動(dòng)力學(xué)混沌是主導(dǎo)，不是例外。過(guò)去是固定的，而未來(lái)是開(kāi)放的；這樣，我們重新發(fā)現(xiàn)了時(shí)間之箭。
我們終于開(kāi)始理解，不但是復(fù)雜的體系，就是物理學(xué)中最簡(jiǎn)單的情況，未來(lái)都是開(kāi)放式的。牛頓力學(xué)和量子力學(xué)跟時(shí)間之箭配合，從而使創(chuàng)造性的演化成為可能，這看上去離不開(kāi)混沌。自從玻爾茲曼以來(lái)困擾科學(xué)界的一個(gè)難題，現(xiàn)在答案總算有了點(diǎn)眉目。 （選自[英]彼得·柯文尼《時(shí)間的形象》）
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