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對物理學(xué)的重新思考，建立時(shí)間之箭的現(xiàn)實(shí)

2022.03.22

物理學(xué)發(fā)展到今天已經(jīng)超越了牛頓經(jīng)典力學(xué)，但它理解現(xiàn)實(shí)的框架仍然停留在19世紀(jì)，宇宙是永恒的，未來已經(jīng)被決定，時(shí)間和自由意志只是幻覺。

這篇文章，我想建立時(shí)間之箭的現(xiàn)實(shí)，重新思考物理。時(shí)間之箭包括：

因果之箭——原因總是先于結(jié)果。
熱力學(xué)之箭——有用的能量是不可逆地耗散（熵增加）。
宇宙之箭——當(dāng)空間膨脹時(shí)，它會(huì)冷卻。
功能復(fù)雜性之箭——對能源開放的系統(tǒng)自發(fā)地自組織耗散結(jié)構(gòu)。

建立時(shí)間之箭的真實(shí)性，將物理、熱力學(xué)和復(fù)雜性的演化統(tǒng)一在一個(gè)單一的概念框架內(nèi)。

也許自然最顯著的屬性是它對自組織復(fù)雜性的驅(qū)動(dòng)。自組織可以在“云的形成”中看到，在沙洲中像波浪一樣的漣漪中看到，最引人注目的是，在結(jié)構(gòu)、功能和生物及其生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化中看到。為什么我、生命和這個(gè)龐大的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)存在？

要想對自組織的復(fù)雜性進(jìn)行物理解釋，至少需要對物理現(xiàn)實(shí)進(jìn)行基本的想象。熱力學(xué)原理可以解釋為什么能量能維持生命及其進(jìn)化。而我們也知道，系統(tǒng)趨向于最大熵和無序。我覺得科學(xué)中缺少了一些重要而基本的東西。

伊利亞·普里格金因?yàn)檠芯?/span>自組織耗散結(jié)構(gòu)而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。耗散結(jié)構(gòu)可以像水分子在受熱時(shí)從隨機(jī)碰撞中自發(fā)組織成連貫的對流那樣簡單，也可以像生命的起源和進(jìn)化那樣復(fù)雜。

一定存在某種理論來解釋復(fù)雜性的進(jìn)化。尋找這種理論需要深入到熱力學(xué)和量子力學(xué)中。

熱力學(xué)建立在經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證的假設(shè)和原則之上。它包含了基本的不可逆性和隨機(jī)性。它將不可逆的能量耗散和復(fù)雜性的自組織確立為自然和基本過程。此外，它還為量子力學(xué)中許多惱人的問題提供了常識(shí)性的解釋。

今天的物理學(xué)狀態(tài)

科學(xué)的核心是基于觀察和測量的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)。三個(gè)很容易觀察到的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是：

總能量守恒的（熱力學(xué)第一定律）
當(dāng)一個(gè)孤立的系統(tǒng)做功時(shí)，它做功的能力下降，即使它的總能量守恒（熱力學(xué)第二定律）
如果有足夠多的外部能量，一個(gè)開放系統(tǒng)會(huì)自發(fā)地自組織耗散結(jié)構(gòu)。

第一個(gè)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是能量守恒，用熱力學(xué)第一定律來表示。它是經(jīng)驗(yàn)性的，被公認(rèn)為是物理學(xué)的基本定律。

第二個(gè)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是熱力學(xué)第二定律。正如最初設(shè)想的那樣，第二定律只是簡單地說明可用的能量被耗散為周圍的熱量，而這些熱量不能用于做功。這等價(jià)于熵的增加，熵是無序的一種度量。第二定律解釋了為什么我們必須給汽車的油箱加油或給電池充電。它解釋了為什么熱量從高溫流向低溫，而不是相反；它解釋了為什么水往下流而不是往上流。第二定律是一個(gè)公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則。它準(zhǔn)確地描述了觀測結(jié)果。

第三個(gè)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)描述了自然對自我組織的驅(qū)動(dòng)，也通過經(jīng)驗(yàn)觀察得到了證實(shí)。自組織可以像從傳導(dǎo)熱流到對流熱流的過渡一樣簡單。自組織也描述了生命的進(jìn)化，這是由陽光的耗散維持的，符合熱力學(xué)第二定律。自組織在物理系統(tǒng)中被認(rèn)可，從量子到天文尺度；在生物學(xué)中，從分子到生態(tài)尺度；在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)體系中也是如此。

然而，盡管有這些經(jīng)過充分驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，物理學(xué)已在最基本的層面上描述了世界是可逆的和時(shí)間對稱的。這便是還原論。這一觀點(diǎn)認(rèn)為，一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)可以通過將其分解成孤立的基本結(jié)構(gòu)來理解。分解是可逆的，因此整體也是可逆的。物理學(xué)承認(rèn)人的感知時(shí)間流向未來，原因先于結(jié)果，但物理定律并不區(qū)分過去和未來。物理學(xué)雖然承認(rèn)“宇宙的熵在增加”的熱力學(xué)第二定律，但并不認(rèn)為熵增和熱力學(xué)的時(shí)間箭頭是基本定律。它承認(rèn)對能源開放的系統(tǒng)可以自發(fā)地自組織復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但它不能提供任何解釋。

物理學(xué)被認(rèn)為是最基礎(chǔ)的科學(xué)，它深刻地影響著其他科學(xué)描述世界的方式。例如，生物學(xué)把生命的進(jìn)化歸結(jié)為對適者生存的選擇，它將自然選擇簡化為一種自我實(shí)現(xiàn)的重復(fù)，消除了選擇過程中相對價(jià)值的任何作用。

物理學(xué)也影響著人們對科學(xué)的一般認(rèn)知。物理學(xué)沒有承認(rèn)時(shí)間的流動(dòng)是基本的，沒有承認(rèn)我們做出選擇的自由意志的結(jié)果，也沒有承認(rèn)價(jià)值觀的作用，這與我們的個(gè)人經(jīng)歷形成了鮮明的對比。物理學(xué)和人類經(jīng)驗(yàn)之間的這種不協(xié)調(diào)可能會(huì)導(dǎo)致公眾普遍對科學(xué)持懷疑態(tài)度。

（未完）

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