物理系列：时间之箭（新版）

　　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*大奥秘的科学旅程，《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*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*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。

　　特别说明：购买此电子书，无赠品，敬请谅解。

　　《第*推动·物理系列：时间之箭》论证了现代科学理论关于时间的*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。作者回顾了三个世纪的科学史，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*近的混沌理论进行了重新解释。作者引导读者浏览了所有企图解开时间奥秘的重要科学理论。他们探究时间的物理理论——牛顿力学，爱因斯坦的相对论，量子力学——以及考查更广泛的时间奥秘：时间如何出现在诗、化学以及生物学中——从“马维尔的双翼战车”和“生理时钟”到造成旅行时差和星期一早晨沮丧心情的原因。

　　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*佳年度医学报道记者，1988年*佳年度科学报道记者以及1989年*佳年度专业报道记者。现居伦敦格林威治。

版权信息
总序
再版序 一个坠落苹果的两面：极端智慧与极致想象
前言
序
第1章 时间的形象
文学中的时间
文化时间
哲学中的时间
时间：牛顿和爱因斯坦
量子时间
时间与热力学
创造性时间
混沌与箭头
第2章 牛顿物理学的兴起：时间失去了方向
希腊人，古代天文学和科学
科学大革命
牛顿和力学
牛顿方程式的剖析
电磁时间
关于场，以太，空间和时间
牛顿物理学的预言能力
庞加莱的回归论
牛顿物理学的局限
时间失去了方向
第3章 时间使爱因斯坦受挫
迈克耳孙——莫雷实验
通往狭义相对论之路
绝对时间被废弃
接近光速运动时的新世界
同时性和时间膨胀
双生子佯谬
时空
加速度和绝对空间
通往广义相对论之路
平直的和弯曲的空间
广义相对论
引力时间膨胀
宇宙学和时间
时间和宇宙的创生
黑洞，宇宙监察和时间弯曲
人存原理
时间旅行
相对论的不足之处
第4章 时间的量子跃迁
原子结构与经典物理学的失效
量子论的诞生
爱因斯坦出场
波和粒子
玻尔原子和量子论
新的力学
无处不在，同时又无处在
哥本哈根解释
海森伯不确定性原理
玻尔——爱因斯坦论战
时间：失而复得
量子猫佯谬
魏格纳的朋友
平行的宇宙
警告
EPR佯谬
当时间停滞了
物质和反物质
长寿K介子奇案
沸腾的真空
宇宙免费午餐
第5章 时间之箭：热力学
热力学的诞生
平衡态热力学
砸碎平衡
混沌中现出有序
极度远离平衡态
生机在远离平衡态时萌动
不可逆性佯谬
跨越鸿沟
玻尔兹曼的时间箭头
一切都在脑际：“粗粒化”
宇宙学的时间箭头
第6章 创造性演化
秩序和混沌
培养自组织
化学中的自组织
布鲁塞尔振子的诞生
化学图案与化学波
诱人的贝鲁索夫—扎孛廷斯基反应
漫谈分维、奇异吸引子、混沌
级连通向混沌
对有机世界的一个物理化学观点
分子演化，复制和生命的起源
遗传钟
时间与创造
第7章 时间之箭与生命之箭
生物学混沌
糖钟
细胞分裂的万能钟
黏菌社交
生物形态的起源
跳动的心脏
动力性疾病
性循环或硬激发
群体动态学
进化与深时
达尔文的理论
演化的步伐
混沌：性别存在的理由
生物界的节拍
第8章 统一的时间景象
时间的问题
决定论放手了
遍历性
宇宙尽头的电子
混沌粉碎了决定论
混沌与时间之箭
KAM来到
相对论混沌
量子论与不可逆性
时间与豹斑
熵与创生
第9章 未结束的探索

　　这本书科学水平很高，而同时能被较多的读者接受。彼得·柯文尼本人对此领域作过重要的贡献，因此撰写此书，尤其胜任。罗杰·海菲尔德的文笔流畅，使此书精彩可读。
　　——伊里亚·普利高津 （诺贝尔物理学奖得主）

　　前言
　　1977年诺贝尔化学奖获得者
　　伊里亚·普里高津
　　我十分高兴在此为彼得·柯文尼、罗杰·海菲尔德的这本书写篇前言。
　　时间有箭头吗？这个问题自从苏格拉底以来，一直迷魅着西方的哲学家、科学家和艺术家。然而，在20世纪末期的今日，我们问这个问题，情况与以前不同。对一个物理学家来说，20世纪的科学史可以分为三个阶段。首先是两项思想方案——相对论和量子力学——所产生的突破。其次是一些出人意料的事物的发现，包括“基本”粒子的不稳定性、演化宇宙论，以及包括诸如化学钟、决定性混沌等的非平衡结构。最后——也就是现在，由于这些新的发展，我们必须对整个物理学作重新思考。
　　这里一个令人瞩目的特点是：所有这一切都强调时间所扮演的角色。当然，在19世纪，人们都已经承认时间在生物学、社会科学等学科中的重要性。可是当时一般认为，物理描述的最基本层次是可以用决定性的、时间可逆的规律来表达，而时间箭头只相当于唯象层次的描述。这种立场在今日是很难站得住了。
　　现在我们知道，时间之箭在非平衡结构的形成之中，扮演着最重要的角色。近来的研究告诉我们，这些结构的演化可以在计算机上用按照动力学规律写的程序来模拟。因此很显然地，自我组织过程不会是某些唯象观假设的结果，而是内禀于某类动力系统之中的属性。
　　熵的意义，我们现在更能体会了。按照热力学第二定律，熵这个量总是在增加的，因此它赋予时间一个箭头。熵基本上是高度不稳定系统所具有的一个性质。这种系统，将在此书第6章和第8章详加讨论。要研究的东西还很多，许多问题仍是悬案。因此不足为奇，我不一定同意这本书里的每一句话。但是对作者所提倡的一般立场，我是同意的，即时间之箭是某些重要种类的动力系统中一个精确的性质。
　　这些问题是非常重要的，因此我热烈欢迎此书的问世。这本书科学水平很高，而同时能被较多的读者接受。彼得·柯文尼对此领域作过重要的贡献，因此他撰写此书，尤其胜任。罗杰·海菲尔德的文笔流畅，使此书精彩可读。
　　1989年10月在明尼苏达州圣彼得城的古斯塔乌斯·阿道尔夫斯学院举行的诺贝尔会议，专门讨论了一个充满挑战性的题目：“科学的终结”。会议组织人写道：“越来越有这样的感觉……科学已不再能被当做一种统一的、普遍的客观努力。”他们接着写道：“如果科学只搞‘超历史的’普适的定律，而不理会社会性的、有时间性的、局部的事物，那我们就无法谈及科学本身以外的某些真情实况，而科学仅仅是反映而已。”这句话把“超历史的”规律和有时间性的知识对立起来。科学的确是在重新发现时间，这在某种意义上标志着对科学的传统看法的终结。但这难道是说科学本身完结了吗？
　　的确，我上面已经提到，经典科学的研究方针是把全力集中在用决定性的、时间可逆的规律来描述世界。实际上，该计划从未完成过，这是因为，规律以外还需要事件，而事件在对自然的描述中引入时间之箭。屡次三番，经典科学的目的似乎就快完成了，但结果总是出了岔子。这种情况给予科学史几分戏剧性的紧张。例如，爱因斯坦的目的是把物理学表达为自然界的某种几何，可是广义相对论给现代宇宙论开路以后，遇到的却是所有事件中最惊人的事件：宇宙的诞生。
　　“规律——事件”二重性是西方思想史中一直在进行的争论的中心，这争论从苏格拉底以前的臆想，经过量子力学和相对论一直进行到我们这时代。伴随规律的是连续的展开，是可理解性，是决定性的预言，而最后是时间本身的否定。事件却意味着某种程度的任意性、概率以及不可逆的演化。我们必须承认我们是居住在一个二重性的宇宙里面，这宇宙既牵涉到规律，也牵涉到事件，既有必然，也有或然。我们所知道的事件之中，显然最关键的是和我们宇宙的创生和生命的形成有关联的事件。
　　“我们有一天能克服热力学第二定律吗？”——阿西莫夫（Asimov）的科幻小说《最后的问题》中的世界文明不断地在问一台巨型计算机。计算机回答道：“资料不足。”亿万年过去了，星辰、星系都死了，而直接和时空联结的计算机仍在继续搜集资料。最后没有任何资料可以搜集了，不再“存在”任何事物了；可是计算机还是在那儿计算，在那儿找相关关系。最后它得到答案了。那时候要知道这个答案的人也都不存在了，可是计算机知道了如何克服热力学第二定律。“于是光明出现……”对阿西莫夫来说，生命之出现、宇宙的诞生都是“反熵”的、非自然的事件。
　　此书是新思维框架的一个极好的介绍。这个新思维框架将导致一套既包括规律又包括事件的新物理学，将使我们对我们身处的世界有更好的了解。

　　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，双目差不多完全失明，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。他最大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》
　　时间是给人神秘感最大的来源之一。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，即使没有完全取消，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完全矛盾了。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，都是唯一的事件，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。