时间的可逆与不可逆性思考.docx

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1、时间的可逆与不可逆性思考时间的可逆与不可逆性思考 长期以来人类通过观察天体的自然规律，如昼夜交替，四季更换，大都认为时间是一种基本上不断循环的现象。多年来，在分析物理问题时，都认为时间是可逆的，甚至确信牛顿力学也是可逆的。很少觉察到时间是以单一方向流动着，从过去流向未来，不能倒流，不可逆转。 时间反演的不对称性是普遍存在的，在电磁学中也同样存在。电磁现象由麦克斯韦微分方程组决定，麦克斯韦方程具有时间反演的不变性。电磁波传播服从于波动方程，是一个关于时间的二阶偏微分方程，其推迟解、超前解同样都是这个方程的解，它不具有时间箭头，即时间不具有方向性。从电台发出的无线电波，总是推迟一段时间才能达到，因

2、此，收到的信号不可能早于电台发出信号的时刻。这里就必须确定由推迟波定义的时间方向箭头。不可逆性不仅在宏观世界有，在微观世界也同样存在。以原子的自发辐射为例，原子内部的电子从高激发态能级自发即迁到低能级将产生自发辐射，放出光子，这是不可逆过程。因为电子要从低能级跃迁到高能级，必须受到外界的激发，从外界吸收能量，而且在自发辐射过程中，整个体系包括发光的原子，发出的光子和吸收这些光子的环境总的熵要增加。但是，描述电子运动的薛定锷方程，一般认为是可逆的，具有时间反演不变性。在没有时间箭头的薛定锷方程中必须选择具有自发辐射定义的量子力学的时间箭头。由此可见，时间是有方向的，是不可逆的，称为“时间之矢”。

3、热力学第二定律指出：自然界中的一切宏观自发过程都具有不可逆性，热量只能自发地从高温物体流向低温物体，物质总是自动地从高密度区域扩散到低密度区域，而不是相反。要出现相反的过程，必须靠外来的作用，即这些过程的正过程和逆过程是不等价的。正过程可以自发进行，逆过程不能自发进行，即有一种时间方向性，也就是“时间之矢”。 时间不可逆性思想以及与其相关的运动、演化、发展不可逆思想的科学价值和意义主要表现在以下方面。 1 从科学的角度提出了新的时间观 在以绝对时空观为基础的经典力学以及量子力学和相对论研究中，时间被约化为一个常数、描述运动的一个几何参量。“经典的或量子的动力学所表述的基本物理定律，在时间上是对

4、称的。”传统时间观认为不存在时间之矢，时间并不反映运动在过去和未来的差别，t与-t是等价的,就连爱因斯坦也认为:“过去现在与未来之间的差别只是一种幻觉，虽然是种长久不变的幻觉。”因此经典物理学被称为无时间的科学。 经典物理学和传统的无时间观念是以可逆过程为基础的，热力学第二定律第一次把时间观念引入物理学，紧紧抓住了时间背后的不可逆过程，对传统的时间观提出了挑战。它确认了时间不是一个无关紧要的参数，而是一种与物理系统相联系的内部属性的概念，一个物理世界演化的内在尺度，时间之矢真正成为有物理内容的“内部时间”。这样就实现了时间概念的一次革命，重建了一种植根于现代科学发展的时间观。我们看到“不可逆性

5、正在引起空间、时间和动力学概念上的巨大变化”，“我们远远离开了传统的时空静止观。” 2 拓宽了科学研究领域和对象 传统科学认为，由于时间是可逆的，一切运动过程都可以反演、重复，物理对象是按照固定不变的轨道在运行。传统科学“主要关心稳定的周期性行为，基本上是以封闭的时空为参照”其目标就是认识我们可观察到的、能够应用动力学的世界。正如普利高津所说:“从牛顿起，物理学就设想自己的任务是要达到一种没有时间的实在性，在这个层次实在性中没有什么真正的变化”。 但是牛顿力学只描述了我们物理经验的一部分，它适用于和我们自身尺度差不多的现象，其质量用克或吨来量度，其速度远小于光速。量子力学、相对论使科学认识对象

6、扩展到微观和宇观世界，但还不能达到所谓的“拥有一套完整的、协调的、能够描述所有可能观测的理论”的地步。正是时间不可逆性，使我们的兴趣从“实体”转移到“关系”、“信息”、“时间”上，从存在转移到演化和生成上，从单纯研究有序和可逆过程推进到研究占绝大多数的包括自然变更、生物进化、社会发展在内的无序的、不可逆的过程,从而大大拓宽了以往狭隘的科学研究领域。用普利高津的话就是:“我们的研究必须既包括定律，也包括博弈，既包括时间，又包括永恒性。” 3 改变了传统科学的方法论 以时间可逆为理论基础,经典科学“为人们揭示了一个僵死的被动的自然,其行为就象一个自动机，一旦给它编好程序,它就按程序描述的规则不停地

7、运行下去”。经典科学否认人在认识和研究客体过程中的地位和作用，观察者被排除在它们描述的客观性之外，用笛卡尔的话就是:“在世界上所演出的一切喜剧中只作观众而不作演员。” 时间不可逆性的思想大大扩增了科学研究的深度和广度。知识的边界，一方面扩展到以0秒到10-38秒为时间尺度的可观测的宇宙起源，另一方面延伸到揭开人脑的功能和机理，了解精神现象的生理基础，追问“自我”的深层奥秘。这使得科学研究日益远离我们的日常生活，科学家的研究方法和思维方式也因而发生了改变。现代科学不再认为科学认识中主体完全可以同客体分离，可以超然于客观世界之外；而是认为科学认识对象的客观性与认识主体的先天结构和后验作用有着不可分

8、割的紧密联系。在某些研究领域，必须有认识主体的积极参与，改变事物的原有形态和面貌，才能使其本质清晰地展现出来。所有的研究过程中，认识主体的背景知识、实验操作、思维推理甚至心理、情绪状态无不影响到观测、研究的结果。普利高津指出:“各种不可逆性的证明都向我们表明了自然界不能从外面来加以描述,不能好象是被一个旁观者来描述。我们是被嵌入在物理世界中的存在物。”“观察者的活动，不能从我们恰好身在其中的宇宙环境中分离出来。”科学的发展有力地证明了玻尔的名言：在许多戏剧中既是演员又是观众。这种科学方法论的变革，在很大程度上是由时间不可逆思想引起的。 4 推动了现代横断科学的产生和发展 科学发展到二十世纪，一

9、个显著特点就是它不再仅以特定的物质形态和运动形式为研究对象，而是撇开各种事物、现象、过程的具体特性，用抽象的方法研究它们所共有的某一方面规律，这就是信息论、系统论、控制论、协同学等横断科学的诞生。时间不可逆性思想对横断科学的产生和发展起了酵母和催化剂的作用。信息的输出、接受、反馈、控制遵循的是不可逆的时间；系统内部要素的结构性、层次性、生长性、竞争性及其组建和破坏都体现了变化的不可逆过程；耗散结构理论研究的一个系统从混沌向有序的转化，协同学研究的系统经过其子系统的非线性相互作用而形成具有一定功能的自组织结构，突变论研究的系统在临界点发生的不确定的偶然突变，都同时间不可逆性有着不可分割的联系。时间不可逆性改变了科学研究和思维的死角，促成和推进了新兴横断科学的产生和发展。如果没有时间不可逆性思想养料的滋润，很难想象这些学科的诞生。 时间的不可逆性还表现在彻底改变了自然和科学图景和促成了科学与哲学的融合等许多方面。 总之，时间不可逆性思想在现代以科学原理形式的提出,改变了人们传统的自然观和科学观，拓宽了科学研究领域和人类认知范围，实现了科学认识论和方法论的变革，为我们描绘了一幅崭新的科学图景，这对人类科学发展和社会进步有着深远的意义。