確定性的終結(jié)——時(shí)間、混沌與新自然法則.doc

確定性的終結(jié)時(shí)間、混沌與新自然法則伊利亞.普利高津著湛敏譯中文版序我非常高興本書(shū)被譯成中文，將為中國(guó)讀者所接受。這也給我一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)強(qiáng)調(diào)本書(shū)的一個(gè)重要觀點(diǎn)科學(xué)與文化的聯(lián)系。日本科學(xué)家湯川秀樹(shù)指出：“聽(tīng)起來(lái)也許奇怪，身為一名物理學(xué)家，我卻越來(lái)越強(qiáng)烈地感受到現(xiàn)代物理學(xué)與我自身的疏遠(yuǎn)?！蔽鞣娇茖W(xué)強(qiáng)調(diào)“自然法則”思想，這與中國(guó)的傳統(tǒng)形成鮮明對(duì)照，因?yàn)椋匀恢形淖置嬉饬x是“天然”。西方科學(xué)和西方哲學(xué)一貫強(qiáng)調(diào)主體與客體之間的二元性，這與注重天人合一的中國(guó)哲學(xué)相悖。本書(shū)所闡述的結(jié)果把現(xiàn)代科學(xué)拉近中國(guó)哲學(xué)。自組織的宇宙也是“自發(fā)”的世界，它表達(dá)一種與西方科學(xué)的經(jīng)典還原論不同的整體自然觀。我們愈益接近兩種文化傳統(tǒng)的交匯點(diǎn)。我們必須保留已證明相當(dāng)成功的西方科學(xué)的分析觀點(diǎn)，同時(shí)必須重新表述把自然的自發(fā)性和創(chuàng)造性囊括在內(nèi)的自然法則。本書(shū)的雄心正是以一種廣大讀者易于接受的方式闡述這一綜合。自本書(shū)于1996年問(wèn)世以來(lái)，沿著這條思路又取得了更多的進(jìn)展。在本世紀(jì)末，我們并非面對(duì)科學(xué)的終結(jié)，而是目睹新科學(xué)的萌生。我衷心希望，中國(guó)青年一代科學(xué)家能為創(chuàng)建這一新科學(xué)作出貢獻(xiàn)。最后，我要感謝湛敏女士對(duì)本書(shū)的翻譯，感謝上?？萍冀逃霭嫔绯霭姹緯?shū)的中文版。I普利高津1998年8月 5日于布魯塞爾致謝本書(shū)有著某種不尋常的歷史。起初，斯唐熱和我只想把我們合著的書(shū)在時(shí)間與永恒之間譯成英文出版。我們準(zhǔn)備了若干個(gè)版本：一個(gè)是德文版，另一個(gè)是俄文版。但與此同時(shí)，在我們研究的數(shù)學(xué)表述方面取得了重要的進(jìn)展。結(jié)果，我們放棄了原書(shū)的翻譯工作，著手寫一個(gè)新的版本，即最近出版的法文版確定性的終結(jié)。斯唐熱要求在這本新著中不作為合著者，而只作為合作者出現(xiàn)。我對(duì)她滿懷感激并尊重她的意愿，但我想強(qiáng)調(diào)指出，沒(méi)有她的幫助，本書(shū)是不可能寫就的。我要對(duì)她表示最誠(chéng)摯的感謝。本書(shū)是布魯塞爾學(xué)派和奧斯丁學(xué)派數(shù)十年研究工作的結(jié)果。雖然物理思想早已明晰，但它們精確的數(shù)學(xué)表述只是在最近幾年才得到。在這里，我想對(duì)這個(gè)學(xué)派的年輕成員和熱心的合作者表達(dá)感激之情，他們對(duì)構(gòu)成本書(shū)基礎(chǔ)的時(shí)間之本性問(wèn)題的新表述作出了重要貢獻(xiàn)。我要特別提到布魯塞爾的安東尼烏（Ioannis Antoniou），奧斯丁的德里貝（DeanDriebe）、長(zhǎng)谷川（Hiroshi Hasegawa）和彼得羅斯基（Tomio Petrosky），以及京都的多崎（Shuichi Tasaki）。我還要提到我在布魯塞爾的老同事，他們奠定了使進(jìn)一步進(jìn)展成為可能的基礎(chǔ)。我感謝伯列斯庫(kù)（Radu Balescu），德哈恩（Michel de Haan），埃寧（Francoise Henin），喬治（Claude George），格雷科斯（Alkis Grecos）和邁內(nèi)（Femand Mayne）。遺憾的是，雷西博斯（Pierre Resibois）和羅森菲爾德（Leon Rosenfeld）不再和我們?cè)谝黄鹆?。沒(méi)有許多機(jī)構(gòu)的持續(xù)支持，本書(shū)呈現(xiàn)的工作是無(wú)法完成的。我特別感謝比利時(shí)的法蘭西共同體，比利時(shí)聯(lián)邦政府，布魯塞爾的國(guó)際索爾維研究所，美國(guó)能源部，歐洲聯(lián)盟，以及得克薩斯的韋爾奇基金會(huì)。英語(yǔ)不是我的母語(yǔ)，所以我非常感謝得克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的蘇達(dá)尚（ECGeorge Sudarshan）博士和德里貝博士，以及倫敦的洛爾蒂默（David Lortimer）博士，他們仔細(xì)閱讀了本書(shū)。我還要感謝我的法國(guó)出版商奧迪勒雅各布（Odile Jacob）女士，她鼓勵(lì)我撰寫這本新著。感謝我在美國(guó)的編輯莫羅（Stophen Morrow）和肖布哈特（Judyth Schauhut），他們幫助我準(zhǔn)備本書(shū)的英文版。我堅(jiān)信，我們正處在科學(xué)史中的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)上。我們走到了伽利略和牛頓所開(kāi)辟的道路的盡頭，他們給我們描繪了一個(gè)時(shí)間可逆的確定性宇宙的圖景。我們現(xiàn)在卻看到確定性的腐朽和物理學(xué)定律新表述的誕生。作者附言我力求本書(shū)通俗易懂，為廣大讀者所接受。然而，特別是在第五章和第六章，我決定涉及較多的專門細(xì)節(jié)，因?yàn)槲姨峤坏脑S多結(jié)果顯著偏離傳統(tǒng)觀點(diǎn)。盡管本書(shū)是數(shù)十年研究的成果，卻仍有許多問(wèn)題有待解答。但考慮到我們每個(gè)人的生命有涯，我的工作成果就如此奉獻(xiàn)給大家。我不是想邀請(qǐng)讀者來(lái)參觀考古博物館，而是想讓讀者領(lǐng)略科學(xué)探險(xiǎn)的樂(lè)趣。引言一種新的理性？本世紀(jì)初，波普爾（Karl Popper）在他所著的開(kāi)放的宇宙關(guān)于非決定論的論爭(zhēng)一書(shū)中寫道：“常識(shí)傾向于認(rèn)為每一事件總是由在先的某些事件所引起，所以每個(gè)事件是可以解釋或預(yù)言的。另一方面，常識(shí)又賦予成熟而心智健全的人在兩種可能的行為之間自由選擇的能力?！边@一詹姆斯（Wlliam James）所稱的“決定論的二難推理”與時(shí)間的含義密切相關(guān)。未來(lái)是給定的還是不斷變化的結(jié)構(gòu)？這個(gè)二難推理對(duì)每個(gè)人都非常重要，因?yàn)闀r(shí)間是我們存在的基本維度。正是把時(shí)間結(jié)合到伽利略物理學(xué)概念體系之中，標(biāo)志著近代科學(xué)的起源。人類思想這一成就也是本書(shū)所述核心問(wèn)題的根源，即對(duì)時(shí)間之失的否定。眾所周知，愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）常常說(shuō)：“時(shí)間是一種錯(cuò)覺(jué)?！钡拇_，物理學(xué)基本定律所描述的時(shí)間，從經(jīng)典的牛頓動(dòng)力學(xué)到相對(duì)論和量子力學(xué)，均未包含過(guò)去與未來(lái)之間的任何區(qū)別。甚至對(duì)于今日的許多物理學(xué)家而言，這已是一種信念：就自然的基本描述而言，不存在什么時(shí)間之矢。然而，無(wú)論在化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、宇宙學(xué)、生物學(xué)或者人文學(xué)科領(lǐng)域，處處都可以見(jiàn)到未來(lái)和過(guò)去扮演著不同的角色。從物理學(xué)描述的時(shí)間對(duì)稱的世界如何產(chǎn)生時(shí)間之矢？這就是時(shí)間詳謬本書(shū)的中心議題之一。時(shí)間佯謬是在19世紀(jì)下半葉維也納物理學(xué)家玻爾茲曼（Ludwig Boltzfmann）的研究工作之后被確認(rèn)的，他試圖仿效達(dá)爾文（Charles Darwinn）在生物學(xué)中的研究，系統(tǒng)闡述物理學(xué)中的演化方法。但在當(dāng)時(shí)，牛頓物理學(xué)定律長(zhǎng)期被公認(rèn)為客觀知識(shí)的典范。由于牛頓定律隱含著過(guò)去與未來(lái)之間的等價(jià)性，因而，任何賦予時(shí)間之矢以基本意義的嘗試均因危及到這一典范而受到抵制。牛頓定律在它適用的領(lǐng)域被認(rèn)為是終極完善的，這有點(diǎn)像今天許多物理學(xué)家把量子力學(xué)看作是終極完善的一樣。那么，在不破壞人類思想的這些驚人成就的情況下，我們?nèi)绾我雴蜗驎r(shí)間呢？自從玻爾茲曼以來(lái)，時(shí)間之矢被貶低到現(xiàn)象學(xué)范疇。我們?nèi)俗鳛椴煌晟频挠^測(cè)者，通過(guò)我們對(duì)自然的描述中引入近似，造成了過(guò)去與未來(lái)之間的差異。這依然是盛行的科學(xué)說(shuō)法，有些專家悲嘆我們立于科學(xué)無(wú)能為力和無(wú)法解決的奧秘面前。我們相信不再會(huì)是這樣了，原因在于最近的兩個(gè)進(jìn)展：一方面是非平衡物理學(xué)，另一方面是肇始于混沌概念的不穩(wěn)定系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，二者都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。在過(guò)去幾十年間，一門新學(xué)科非平衡過(guò)程物理學(xué)誕生了。這門新學(xué)科產(chǎn)生了像自組織和耗散結(jié)構(gòu)這樣一些概念，如今它們廣泛應(yīng)用于許多學(xué)科，包括宇宙學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)以及生態(tài)學(xué)和社會(huì)科學(xué)。非平衡過(guò)程物理學(xué)描述了單向時(shí)間效應(yīng)，為不可逆性這一術(shù)語(yǔ)給出了新的含義。過(guò)去，時(shí)間之矢只是通過(guò)像擴(kuò)散或粘性這樣的簡(jiǎn)單過(guò)程出現(xiàn)在物理學(xué)中，在通常的時(shí)間可逆動(dòng)力學(xué)未作任何擴(kuò)展的情況下，這是可以理解的。但今天已非同以往。我們現(xiàn)在知道，不可逆性導(dǎo)致了諸如渦旋形成、化學(xué)振蕩和激光等許多新現(xiàn)象，所有這些現(xiàn)象都說(shuō)明了時(shí)間之矢至關(guān)重要的建設(shè)性作用。不可逆性再也不會(huì)被認(rèn)為是一種如果我們具備了完善的知識(shí)就會(huì)消失的表象。不可逆性導(dǎo)致了相干，其影響包含億萬(wàn)個(gè)粒子。形象地說(shuō)：不具備時(shí)間之矢的平衡態(tài)物質(zhì)，是“盲目的”；具備了時(shí)間之矢，它才開(kāi)始“看見(jiàn)”。沒(méi)有這種起因于不可逆非平衡過(guò)程的相干，很難想象地球上會(huì)出現(xiàn)生命。因此，斷言時(shí)間之矢“僅僅是現(xiàn)象學(xué)的”，或者是主觀的，皆屬荒謬。我們確實(shí)是時(shí)間之矢之子、演化之子，而不是其祖先。修正時(shí)間概念的第二個(gè)重要進(jìn)展是不穩(wěn)定系統(tǒng)的物理學(xué)表述。經(jīng)典科學(xué)強(qiáng)調(diào)有序和穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，反過(guò)來(lái)，我們?cè)谟^測(cè)的所有層次上都看到了漲落、不穩(wěn)定性、多種選擇和有限可預(yù)測(cè)性，像混沌這樣的思想已變得相當(dāng)流行，影響著從宇宙學(xué)到經(jīng)濟(jì)學(xué)，實(shí)際上所有科學(xué)領(lǐng)域的思想。我們將要表明，我們現(xiàn)在可以擴(kuò)展經(jīng)典物理學(xué)和量子物理學(xué)以包括不穩(wěn)定性和混沌。這樣，我們會(huì)得到適合于描述我們的演化宇宙的自然法則的一種表述，其中包含時(shí)間之矢，而過(guò)去和未來(lái)也不再扮演對(duì)稱的角色。從經(jīng)典觀點(diǎn)包括量子力學(xué)和相對(duì)論來(lái)看，自然法則表達(dá)確定性。只要給定了適當(dāng)?shù)某跏紬l件，我們就能夠用確定性來(lái)預(yù)言未來(lái)，或“溯言”過(guò)去。一旦包括了不穩(wěn)定性，情況就不再是這樣了，自然法則的意義發(fā)生了根本變化，因?yàn)樽匀环▌t現(xiàn)在表達(dá)可能性或概率。我們?cè)诖伺c西方思想的基本傳統(tǒng)之一（對(duì)確定性的信念）相抵觸。如同吉熱澤（gerd Gigerenzer）等人在機(jī)遇帝國(guó)一書(shū)中所述，“盡管2000年來(lái)的科學(xué)劇變把亞里士多德（Aristotle）與巴黎的貝爾納（Claude Bernard）分開(kāi)，他們至少共享一種信念：科學(xué)與原因有關(guān)，與機(jī)遇無(wú)涉。康德（Kant）甚至鼓吹構(gòu)成所有科學(xué)知識(shí)必要條件的普適的因果決定論?！比欢?，也存在反對(duì)的呼聲。大物理學(xué)家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）就談到“一種新型的知識(shí)”會(huì)克服決定論的偏見(jiàn)。但總的來(lái)說(shuō)，盛行的觀點(diǎn)是，概率是心智的狀態(tài)，不是世界的狀態(tài)。盡管量子力學(xué)已把統(tǒng)計(jì)概念囊括于物理學(xué)核心之中，如今仍然如此，但量子力學(xué)的基本對(duì)象波函數(shù)卻滿足確定性的時(shí)間可逆方程。要引人概率和不可逆性，量子力學(xué)的正統(tǒng)表述需要一個(gè)觀測(cè)者。觀測(cè)者可以通過(guò)觀測(cè)在時(shí)間對(duì)稱的宇宙中引入不可逆性。再者，像在時(shí)間樣謬中一樣，從某種意義上說(shuō)，我們對(duì)宇宙的演化模式負(fù)有責(zé)任。觀測(cè)者的這種作用，給量子力學(xué)涂上了主觀色彩。這也是妨礙愛(ài)因斯坦認(rèn)可量子力學(xué)的主要原因。它引起了無(wú)休止的爭(zhēng)論。把不可逆性或者時(shí)間流引入到量子理論中，觀測(cè)者的作用是一個(gè)必要的概念。然而，一旦證明不穩(wěn)定性破壞了時(shí)間對(duì)稱性，觀測(cè)者就不再重要了。解決了時(shí)間樣謬，我們也就解決了量子佯謬，從而得到一個(gè)新的、量子論的實(shí)在論表述。這并不意味著回到經(jīng)典決定論的正統(tǒng)觀念，恰恰相反，我們超出了與傳統(tǒng)量子論定律相聯(lián)系的確定性，強(qiáng)調(diào)概率的基本作用。無(wú)論在經(jīng)典物理學(xué)還是在量子物理學(xué)中，基本定律現(xiàn)在表達(dá)概率。我們不僅需要定律，而且需要把完全新穎的要素引入自然描述的事件。這種新要素使我們得到麥克斯韋所期望的“新型的知識(shí)”。對(duì)于經(jīng)典概率論的奠基人之一棣莫弗（Abraham De Moivre）來(lái)說(shuō)，機(jī)遇既無(wú)法定義也難以理解。我們將表明，我們現(xiàn)在能夠把概率包括到物理學(xué)基本定律的表述之中。只要做到這一點(diǎn)，牛頓確定論就破產(chǎn)了；未來(lái)不再由過(guò)去所確定，過(guò)去與未來(lái)之間的對(duì)稱性被打破了。這使我們面對(duì)最困難的問(wèn)題：什么是時(shí)間之源？時(shí)間起源于大爆炸，還是先于我們的宇宙而存在？這些問(wèn)題把我們置于空間和時(shí)間的邊緣。詳細(xì)解釋我們主張的宇宙學(xué)含義，需要寫一本專著。扼要地說(shuō)，我們認(rèn)為，“大爆炸”是與產(chǎn)生我們宇宙的介質(zhì)內(nèi)的不穩(wěn)定性相聯(lián)系的一個(gè)事件，它標(biāo)志著我們宇宙的起源，但不代表時(shí)間的起源。盡管我們的宇宙有年齡，但產(chǎn)生我們宇宙的介質(zhì)卻沒(méi)有年齡。時(shí)間沒(méi)有開(kāi)端，也許亦無(wú)終點(diǎn)。但是在這里，我們開(kāi)始涉足臆測(cè)的世界。本書(shū)的主要目的是提出低能區(qū)內(nèi)自然法則的表述。這是宏觀物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的領(lǐng)域，亦是人類存在實(shí)實(shí)在在發(fā)生的領(lǐng)域。時(shí)間和決定論難題，自從前蘇格拉底學(xué)者以來(lái)一直是西方思想的核心。在一個(gè)確定性世界里，我們?nèi)绾螛?gòu)想人的創(chuàng)造力或行動(dòng)準(zhǔn)則呢？這一問(wèn)題反映了西方人文主義傳統(tǒng)中存在的深刻的矛盾，這個(gè)傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)兩個(gè)方面，即知識(shí)和客觀性的重要性，以及個(gè)體責(zé)任和民主理想所蘊(yùn)含的自由選擇。波普爾和其他許多哲學(xué)家都指出，只要自然單純由確定性科學(xué)所描述，我們就面臨無(wú)法解決的難題。把我們與自然界分離開(kāi)來(lái)，是現(xiàn)代精神難以接受的一種二元論。我們?cè)诒緯?shū)中的目標(biāo)是顯示我們現(xiàn)在能夠克服這一障礙。倘若如塔納斯（Richard Tarnas）所述，“西方世界的激情在于與其存在的基礎(chǔ)重新統(tǒng)一”，那么說(shuō)我們正在接近我們激情的目標(biāo)也許并不為過(guò)。人類正處于一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，正處于一種新理性的開(kāi)端。在這種新理性中，科學(xué)不再等同于確定性，概率不再等同于無(wú)知。我們完全贊同勒克萊爾（YVor Leclerc）的看法，他說(shuō)：“在本世紀(jì)，我們遇到繼牛頓物理學(xué)在18世紀(jì)取得勝利以