时间之箭

时间有箭头吗？宇宙会不会有这样一个地方，那里时间的方向跟我们所熟悉的方向相反，那里的人们从坟墓里升出，皱纹从脸上消失，然后回到母胎？香气神秘地凝结成香水，钻入瓶中；池塘里的水波向中心汇聚，弹出石头；屋里的空气自发地把各种成分分解出来……《时间之箭》里有你熟悉的众多理论：牛顿力学、相对论、量子力学，柯文尼博士将带你进行一段揭开时间优选奥秘的科学旅程，《时间之箭》由诺贝尔物理学奖得主普利高津郑重推荐并撰写前言。《时间之箭》是《第一推动丛书》物理系列其中之一，这是一本严肃但文笔优美的科普书，读完会有醍醐灌顶之感，即使不能读完也受益匪浅。2018年新版的《第一推动丛书》全新设计了版式、封面，提升了阅读体验，让读科普不再艰难。随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。

《时间之箭》论证了现代科学理论关于时间的最普遍观点。时间就像一只箭，射向未知的前方，把过去永远留在后面。作者回顾了3个世纪的科学史，大胆地对牛顿力学、爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论、量子力学以及最近的混沌理论进行了重新解释。

彼得·柯文尼博士，在威尔斯大学担任物理化学教授，曾是牛津凯博学院的研究员。曾经和诺贝尔化学奖得主伊里亚曾里高金教授一起从事研究工作。现居北威尔斯的可温湾。
罗杰·海菲尔德博士，伦敦通讯日报的科学编辑。曾当选1987年很好年度医学报道记者，1988年很好年度科学报道记者以及1989年很好年度专业报道记者。现居伦敦格林威治。

前言
序
第一章时间的形象
第二章牛顿物理学的兴起：时间失去了方向
第三章时间使爱因斯坦受挫
第四章时间的量子跃迁
第五章时间之箭：热力学
第六章创造性演化
第七章时间之简与生命之箭
第八章统一的时间景象
第九章未结束的探索

    路德维格·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)那时在亚得里亚海边的一个村庄里度假。这假期的用意是让他从在维也纳的研究工作中散散心，帮他康复已有一段时期的病和排遣心情的忧闷。可是玻尔兹曼心绪还是很不安宁。人的心理中有一个基本假设，那就是，时间一去不回头。对此假设，只存在一个科学证据。玻尔兹曼自从他20来岁时当了教授以来，多年来就是为了了解这证据而苦斗。此项伟大的追求，他没有成功。他有关“熵”的工作(熵是衡量变化的一个物理量，它总是随时间增长的)非常精彩，可是没有得到确定的结果。时间方向之谜始终是科学的缺陷。而对玻尔兹曼来说，时间已经到了尽头了。玻尔兹曼身材魁梧，一脸的大胡子，可是人不可貌相，其实他性格柔弱，容易受人伤害。他工作过度，疾病缠身。那年他62岁，双目差不多接近失明，剧烈的头痛使他坐卧不安。起伏的情绪曾一度把他带到绝望的边缘，使他在慕尼黑附近的一个疯人院里住过一段时期。一点不顺心的事也会使他大大伤心——例如今天他夫人为了要把他的外套拿去洗衣店干洗，因而坚持让他晚一些时候再回维也纳。玻尔兹曼夫人拿走了外套，和她女儿一同去西司提亚纳海湾游泳去了。就是在那个时候，她丈夫做了天下最不可逆转的事。他把一根短绳子系在窗框的横木上，围着自己的脖子打了一个死结。然后，就在那间租住的屋子里，他自杀了。他女儿艾勒萨回来，看见父亲在那儿上了吊。玻尔兹曼的自杀，再次生动地表现了时间是如何在捉弄想揭示时间秘密的人。他的丧生深深地震撼了人们的心灵。他在莱比锡的一个学生嘉菲(George Jaffé)写道：“玻尔兹曼的死是科学史中的悲剧之一，就像拉瓦锡(Lavoisier)上断头台，迈耶(R．J．Mayer)进疯人院，皮耶尔·居里(Pierre Curie)惨死在货车轮下一样。尤其可悲的是：这事就发生在他的思想将取得最后胜利的前夕。”玻尔兹曼的思想牵涉到原子是否存在。有些评论家把玻尔兹曼看作一个智力的“三十年战争”的受难者，这战争是和不肯接受原子论的人打的。他的对手包括一大批19世纪思想界中的知名人士，其中有法国的督黑姆(Pierre Duhem)、孔德(Auguste Comte)和庞加莱(Henri Poincaré)，德国的奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald)、荷耳姆(Goerg Helm)，以及其他在美国和英国的诸如兰金(William Rankine)、史大罗(John Stallo)等人。他优选的敌手是他的同胞马赫(Ernst Mach)，他们之间的论战使玻尔兹曼在知识界中形势孤立。玻尔兹曼有一次曾向一个同事表白，说懂他理论的人，实在是一个也没有。玻尔兹曼对原子和分子的看法，终于占到上风。可是他希望能进一步解释时间的方向。对于自然界的这个特点，玻尔兹曼比其他任何科学家都下了更大的工夫。他这方面的雄心，终被狂躁抑郁症所击败，使他自杀。下面我们将要看到，玻尔兹曼在原子分子的概念和时间的方向之间，成功地建立了一个决定性的关联。可是他的伟大梦想，在他生前始终没有实现。在努力想用原子分子语言来表达时间箭头和我们这世界其他特性的人中，玻尔兹曼还不是最后一个死于悲惨结果的人。加州工学院的古德斯坦(David Goodstein)在他的《物质的状态》一书的开头写道：“一生中大部分时间花在研究统计力学的路德维格·玻尔兹曼，1906年自杀身亡。艾伦菲斯特(Paul Ehrenfest)继续了这项工作，但也以类似的方式而死。现在轮到我们了……也许研究此项课题，谨慎为妙。”第一章 时间的形象失败教我这样想来想去，时间要来把我所爱带走，这念头好像死亡，不得不为所害怕的丧失而哭。——莎士比亚《十四行诗》时间是给人神秘感优选的来源之一。它深奥难测的性质，是有史以来人们日夜捉摸的对象。历代的诗人、作家、哲学家都被时间迷惑过。可是，近代的科学家们却没有这样。现代科学，尤其是物理学，即使没有接近取消，也总在想降低时间在事物中的作用。因此有人称时间为被忘却的维度。我们都知道时间一去不返，觉得它的流逝好像支配着我们的存在，过去已不可改变，未来是一片空白。我们有时巴不得能扳回时针，能挽回过失，能重享美好的时光。可惜，常理不允许我们这么做。我们知道，时间是不等人的，时间不会倒流。真不会吗?奇怪的是，许多科学理论并不支持我们一般对时间的看法；在这些理论中，时间的方向无关紧要。如果时间倒走，现代科学的几座大厦——牛顿力学、爱因斯坦的相对论、海森堡和薛定谔的量子力学，也都同样站得住脚。对这些理论来说，记录在影片上的事件，不管影片顺放还是倒放，看上去都行得通。单向的时间，反而像是我们脑中产生的幻觉。研究这个问题的科学家们，带着几分嘲笑的口气，把我们日常时间流逝的感觉，称为“心理时间”或者“主观时间”。宇宙会不会有这样一个地方，那里时间的方向跟我们所熟悉的方向相反，那里的人们从坟墓里升出，皱纹从脸上消失，然后回进母胎?在那个世界里，香气神秘地凝结成香水，钻入瓶中；池塘里的水波向中心汇聚，弹出石头；屋里的空气自发地把各种成分分解出来；破瘪的橡皮膜自动膨胀，密封成气球；光从观测者的眼睛里射出来，然后被星球吸收。可能的事或许还不止这些。按照这个想法，地球上的时间也会开倒车，我们也都会被过去所吞没。那样就跟所有时间总朝一个方向走的大量事实接近矛盾了。让我们比较一下时间和空间。空间包围着我们四周，而时间总是一点一点地体验到。左右之间的差别，根本比不上过去和未来之间的差别。在空间中我们可以朝四面八方走来走去，而我们一切行动只能对将来起作用，不能影响过去。我们只有回忆，但除非是千里眼，不能预知未来。物质一般总是逐渐地腐烂下去，而不会自发地聚合。这样看来，特殊的方向，空间没有，时间有。时间行走像一支箭。“时间之箭”——这意味深长的词，是英国天体物理学家爱丁顿(Arthur Eddington)在1927年首先提出的。本书探讨时间在当前科学理论中扮演的各种角色及其后果，并且指出我们的确能找到一个对时间的统一看法，这个看法和我们直接经验的时间一致、不矛盾。时间之箭甚至会启发我们：为了描述自然界，有必要建立一个比目前更深刻、更基本的理论框架。文学中的时间平常一般对时间的看法，在一些文学名著中得到极生动的表达。单向的时间使我们觉得万事无常；这种感情，再好不过地流露在普鲁斯特(Marcel Proust)自传小说的书名“重找失去的时光”里。这些作家脑子里转来转去的，就是人生短促有限，光阴一去不返。时间不由自主地向前走，每个时刻我们都得抢，都得尽情玩味。昙花一现，生命的神秘更加神奇；朝生暮死，更使我们觉得时间的不可逆。象征时间的老人，代表死亡的骷髅收割者，同样带有一把镰刀、一瓶沙漏，这不是偶然的：时间到了，谁也逃不过那把镰刀。多少诗、多少文章，是描述时间的流逝!古波斯哲学家兼诗人奥玛·哈央姆(Omar Khayyam,死于1123年)的冥思，在菲兹哲罗(Edward Fitzgerald)的意译之中永存不朽：不停前移的手指写字字一写完就向前去不管你多虔诚多聪明它不会回来改半句你眼睛里所有的眼泪洗不掉它的一个字人生的悲哀归根结底来自时间的不可逆转。不言而喻，最后胜利属于死亡。凡是活着的都要死，这事实就是时间流逝的铁证；这里就和科学开始挂钩。要想了解我们周围的世界，这一点非解决不可。就如爱丁顿所说：“在属于内心和外界的两种经验之间搭任何桥梁，时间都占着最关键的地位。”文化时间时间有向的概念，并不是一直都有的。潮水、冬夏二至、季节、星辰的循环往来，这些现象使许多原始社会把时间看做一种基本上不断循环的有机节奏。他们想，既然时间跟天体的循环运转分不开，时间本身也应该是循环的。白天跟随黑夜，新月代替旧月，冬天过了是夏天，为什么历史就不这样?中美洲的玛雅人相信历史每260年重复一次，这个周期他们叫拉马特，是他们日历的基本单元。他们认为灾难也有周期：1698年，西班牙人入侵登陆，伊嚓部落闻风而逃，因为他们相信周期满了，灾难来到。这点他们并没有搞错，但并不是什么预言，连巧合都算不上。原因是此次入侵80年前，西班牙人从传教士那边得知玛雅人相信时间有周期，所以侵略者本来就预料到对方的反应。时间的循环模式是希腊各宇宙学派的一个共同点。亚里士多德在他的《物理学》中说：“凡是具有天然运动和生死的，都有一个循环。这是因为任何事物都是由时间辨别，都好像根据一个周期开始和结束；因此甚至时间本身也被认为是个循环。”斯多葛(Stoics)学派的人相信，每当行星回到它们初始相对位置时，宇宙就重新开始。4世纪的尼梅修斯(Nemesius)主教说过：“苏格拉底也好，柏拉图也好，人人都会复生，都会再见到同样的朋友，再和同样的熟人来往。他们将再有同样的经验，从事同样的活动。每个城市、每个村庄、每块田地，都要恢复原样。而且这种复原不仅是一次，而是二次三次，直到永远。”好像所有历史的事件都装在一个大轮子上一样，循环不已。这不断回返的观念重新出现在现代数学里面，叫“庞加莱循环”。庞加莱(Henri Poincaré）是世界伟大数学家之一，活跃于19世纪末、20世纪初。时间之箭引起我们内心的恐惧，因为它意味着不稳定和变迁。它所指向的是世界的末日，而不是世界的重新再生。罗马尼亚人类学者、宗教史学者埃里阿德(Mircea Eliade)在他有关时间之箭和时间循环、名为《永恒回返的神话》的书里，认为世上从有人类以来，多半的人都觉得循环时间更令人安慰，而将它紧抱不放，死心塌地地承认再生和更新。这样，过去也是将来，没有真正的“历史”可言。请注意他写的：“远古人的生命……虽然发生在时间里面，并不记录时间的不可逆性；换句话说，对时间意识中最明确的特征，它反而置之不理。”是犹太基督教传统把“线性”(不可逆)的时间，一下子直截了当地建立在西方文化里面。埃里阿德写道：“这种‘无尽循环’的老调，基督教企图一下子将它超越。”由于基督教相信耶稣的生、死和他的上十字架受难，都是专享的事件，都是不会重复的，西方文化终于把时间看成是穿越在过去和未来之间的一条线。基督教出现以前，只有犹太人和信仰拜火教的波斯人认同这种前进式的时间。不可逆时间深刻地影响了西方思想。对“进步”和地质学所谓的“深时”——指人类进化只是新上地球舞台不久的一出戏的那项惊人发现，不可逆时间给我们做了心理准备。它为达尔文的进化论开辟了道路，从而把我们和原始生物在时间上连接起来。总之，线性时间概念的出现，和因之而起的思想改变，为现代科学以及其改善地球上生命的保证打下了基础。