序（代导读）

序（代导读）

Preface

伊·普里戈金

1979年10月

本书的基本目的之一是向读者传达我的一个信念：我们正经历着一个科学革命的时期，这个时期涉及重新估价科学方法的地位和意义，这个时期有些类似于古希腊科学方法的诞生以及伽利略时代的科学思想的复兴。

序（代导读）
Preface - 图1

第一届索尔维会议。

本书是论述时间问题的。书名原打算定为《时间，被遗忘的维数》（Time，the Forgotten Dimension），这样的书名可能会使一些读者感到奇怪，时间不是从一开始就结合到动力学，即运动的研究中去了吗？时间不就是狭义相对论讨论的重点吗？这当然是对的。但是，在动力学描述中，无论是经典力学的描述，还是量子力学的描述，引入时间的方式有很大的局限性，这表现在这些方程对于时间反演t→－t是不变的。诚然，在特殊类型的相互作用，即所谓超弱相互作用中，这种时间对称性似乎是破缺的，但这种破缺对于本书所要讨论的问题并不起作用。

时间在动力学中不过是作为一个“几何参数”出现，达朗贝尔早在1754年就已注意到这个特点（d′Alembert，1754）。拉格朗日走得更远，他甚至把动力学叫作“四维几何”这比爱因斯坦（Einstein）和闵可夫斯基（Minkowski）的工作早了一百多年（Lagrange，1796）。按照这种观点，将来和过去起着同样的作用。组成我们宇宙的原子或粒子所沿着运动的“世界线”，也就是它们的轨道，即可以延伸到将来，也可以追踪到过去。

这种静止的世界观，其根源可以追溯到西方科学的发端时期（Sambursky，1963）。米利都学派把所谓“原始物质”的思想和物质不灭定律联系在一起。在该学派最杰出的创始人之一泰勒斯（Thales）看来，由单一物质（如水）构成了原始物质，因而自然现象中的一切变化，例如生长和衰亡，就必然只是一些幻象而已。

物理学家和化学家都知道，过去和将来起着同样作用的描述，并不适用于所有现象。人人都会观察到，把两种液体放入同一容器里，一般都会扩散成某种均匀的混合物。在这个实验中，时间的方向就是关键性的。我们观察到一个逐渐均匀化的过程，这时，时间的单向性就是很显然的了，因为我们不会观察到两种混合在一起的液体自发地分离。但是，这类现象很久以来都被排斥于物理学的基本描述之外。一切与时间方向有关的过程都被看做一种特殊的，“不可几”的初始条件的效果。

我们在第1章中将会看到，20世纪初，这种静止的观点几乎为科学界一致接受。但从那时起，我们便朝着离开静止观点的方向发展了。一种动态的观点（时间在其中起着重要的作用）已在几乎所有的科学领域中盛行。进化的概念好像成了我们认识物质世界的核心。这个概念在19世纪就完全形成了，值得注意的是，它几乎同时出现在物理学、生物学和社会学中，只是具有十分不同的特殊含义而已。在物理学中，它的引入是通过热力学第二定律，即著名的熵增加定律，这个定律是本书的主题之一。

按照经典看法，热力学第二定律表达了分子无序性的增加。正如玻耳兹曼（Boltzmann）所指出的，热力学平衡态相当于“概率”最大的态。但在生物学和社会学中，进化概念的基本含义正好相反，它描述向更高级别的复杂性的转变。在动力学中，时间被当做运动；在热力学中，时间与不可逆性联系在一起；在生物学和社会学中，时间作为历史，我们怎样把这些不同含义的时间相互联系起来呢？这显然不是一件轻而易举的事情。但是，我们生活在一个单一的世界之中。为了对我们居身的这个世界建立一个统一的观点，我们必须找到某种方法，使我们能够从一种描述过渡到另一种描述。

许多令人感兴趣的和十分重要的发现，扩大了我们的科学视野。这里仅举几例：基本粒子物理学中的夸克，天文学中像脉冲星那样的奇妙天体，分子生物学的惊人进展等。这些都是我们时代的里程碑，我们的时代是一个特别富有重要发现的时代。然而，当我说到科学革命的时候，我想到的却是另一些东西，也许是更难捉摸的一些东西。自从西方科学兴起以来，我们一直相信所谓微观世界——分子、原子、基本粒子的“简单性”。于是，不可逆性和进化就表现为一些幻象，这些幻象与自身简单的客体的集体行为所具有的复杂性联系在一起。这种简单性的概念在历史上曾经是西方科学的一个推动力，然而今天却很难再维持下去了。我们所熟悉的基本粒子，就是一些复杂的客体，它们既可产生，也会衰变。如果说物理学和化学中还存在简单性的话，那它不会存在于微观模型之中。它倒是可能存在于理想化的宏观模型中，如谐振子或二体问题的简单运动模型。但是，如果我们用这些模型去描述大系统或非常小的系统的行为，这个简单性就会消失。只要我们不再相信微观世界的简单性，就必须重新估价时间所起的作用。于是我们就遇到了本书的主题，这个主题可以表述如下：

第一，不可逆过程和可逆过程一样实在，不可逆过程同我们不得不加在时间可逆定律上的某些附加近似并不相当。

第二，不可逆过程在物质世界中起着基本的建设性的作用；它们是一些重要的相干过程的基础，这些相干过程在生物学的水准上显现得特别清晰。

第三，不可逆性深深扎根于动力学中。人们可以说，在不可逆性开始的地方经典力学和量子力学的基本概念（如轨道或波函数）不再是可观察量。不可逆性并不相当于在动力学定律中引进某种附加的近似，而是相当于把动力学纳入更为广泛的形式体系中去。因此，如我们将要指出的，存在一个微观表述，它超出经典力学和量子力学的传统表述，明显地表示出不可逆过程的作用。

这种表述导致一个统一的图景，使得我们可以在许多方面把从物理系统观察到的和从生物系统所观察到的联系起来。这并非意味着要把物理学和生物学都“约化”为一种单纯的格式，而是要清晰地规定不同级别的描述，并为从一种描述过渡到另一种描述提供条件。

经典物理学中，几何表象的作用是众所周知的。经典物理学以欧几里得几何为基础，相对论及其他领域的现代发展，则与几何概念的扩展紧密相连。但是，我们这里考察的是另一个极端：场论已被胚胎学家用来描述有关形态发生学的复杂现象。观看描写诸如小鸡胚胎发育过程之类电影的经验是令人难忘的，尤其对于不是研究生物学的人更是如此。我们看到一个逐渐组织起来的生物空间，每个事件都在某个瞬时和某个区域进行，从而使过程的整体协调成为可能。这种生物空间是具有机能的空间，而不是一个几何空间。标准的几何空间，即欧几里得空间，对于平移或旋转是不变的。生物空间就不是这样。在生物空间里，事件是局域于空间和时间的过程。而不是仅仅局域于轨道。我们很接近亚里士多德（Aristotle）的宇宙观（参见Sambursky，1963）。我们知道，亚里士多德认为，神圣和永恒的轨道的世界同所谓“月下世界” ⁽¹⁾ 完全不同，月下世界的描述显然受到了生物学观察结果的影响。他写道：

“天体的壮观，比起我们去观察这些低矮之物，无疑使我们得到更多的快乐；因为太阳和星辰不生也不灭，而是永恒的和神圣的。但是天国高远，我们的感官所赋予我们的有关天国事物的知识，贫乏而模糊。另一方面，活的生物就在我们门前，只要我们愿意，我们可以得到它们每个以及全体的广泛而确定的知识。我们在雕像的美中得到喜悦，难道活的东西就不会使我们得到快乐吗？并且，假使我们在哲学精神中能够寻找出原因，能够认出设计的证据，情况就越发如此。于是，自然界的目的和她那深藏的法则，必将在各处被揭露出来，一切都在她的各式各样的工作中达到这种形式或那种形式的美。”（参见Haraway所引Aristotle的话，1976）

虽然，把亚里士多德的生物学观点应用到物理学中，曾经造成过灾难。但是，通过现代的分支理论和不稳定性理论，我们开始看到，这两个概念，也就是几何的世界和有组织、有机能的世界，并非是不相容的。正是这个进展将会产生深远的影响。

相信微观范围的“简单性”已经成为过去的事。但是，使我确信我们正处在科学革命之中，还有第二个原因。经典的科学观常称“伽利略”（Galilei）科学观。它试图把物质世界描述成一个我们不属其中的分析对象。按照这种观点，世界成了一个好像是被从世界之外看到的对象。这种看问题的方法在过去已经获得了巨大成功，但是，现在我们遇到了这个伽利略观点的局限性（Koyré，1968）。为了继续前进，必须更好地认识我们的地位，认识我们开始描述物质世界的着眼点。这并不是说，我们必须恢复主观主义的科学观；而是说，在某种意义上，我们必须把认识与生命的特征联系起来。雅克·莫诺（Jacques Monod）曾把活的系统叫做“这些陌生的对象”，它们和“无生命”的世界相比，的确是陌生的（Monod，1970）。因此，我的目标之一，就是试图使这些对象的某些一般特性从混乱中摆脱出来。在分子生物学中已经有了十分重要的进展，没有这个进展，我们的讨论就是不可能的。但是，我想强调一下其他方面：活的有机体是远离平衡的对象，它是以其不稳定性与平衡世界相区别的；活的有机体必然是包含物质相干态的“大”的宏观对象，这物质的相干态则是产生复杂生物分子以使生命能够永存所必不可少的。

这些一般特点应体现在下面问题的答案之中：我们描述物质世界的意义是什么？我们从什么观点出发去描述物质世界？答案只能是：我们从一个宏观级别的描述开始，而我们测量的一切结果，甚至微观世界的测量结果，都在某点反过来影响这个宏观级别的描述。正如玻尔曾强调过的，存在着一些原始概念，这些概念并不能认为是先验的，但是每种描述都必须被表明是和这些原始概念的存在相容的（Bohr，1948）。这就为我们描述物质世界引入了自洽性要素。例如，生命系统具有对时间方向性的感觉。实验表明，即使最简单的单细胞生物也有这种感觉。这个时间的方向性就是上述“原始概念”中的一种。没有它，任何科学，不论是关于动力学中可逆时间行为的科学，还是关于不可逆过程的科学，都是不可能的。因此，耗散结构理论（关于耗散结构，我们将在第4章和第5章研究）最使人感兴趣的一个方面就是：我们现在能在物理学和化学的基础上发现这个时间方向性的根源。这个发现反过来又以自洽的方式证明我们认为自己所具有的对时间的感觉是合理的。时间的概念比我们所想的要复杂得多。与运动联在一起的时间只是时间的第一个方面，它可以协调地纳入如经典力学或量子力学这样的理论结构框架中。

我们还可以更进一步。在本书的叙述中，最引人注意的新成果之一是出现了一个所谓的“第二时间”，这个时间深深扎根于微观的动力学级别上的涨落现象之中。这个新的时间不再如经典力学或量子力学中的时间那样是一个简单的参数，而是有点像量子力学中用来表征物理量的一个算符！为什么我们需要用算符来描述微观级别的料想不到的复杂性，这是我们将在本书研讨的最有兴趣的方面之一。

近来科学的发展，可能会使科学观点更好地结合在西方文化的框架之中。姑且不谈科学的全部成就，科学的发展无疑也导致了某种形式的文化压力（Snow，1964）。“两种文化”之所以存在，不仅是由于彼此间的求知欲不够，而且也至少部分原因是因为如下事实，即对于时间及其变化这类与文学和艺术有关的问题，科学上探讨得实在太少了。在本书中，我们将不讨论这种涉及哲学和人类科学的一般问题，对这些问题我和我的同事伊萨贝尔·斯唐热（Isabelle Stengers）将在另一本书《新的同盟》（La nouvelle alliance，Gallimard，1979年版，已有英译本，英译本书名为 Order out of Chaos，即《从混沌到有序》）里讨论。不过，无论在欧洲还是在美国，现在有一股很强的潮流，要把哲学论题和科学论题更紧密地连在一起，注意到这一点是很有意思的。我们援引几个例子：在法国，有塞里斯（Serres）、莫斯柯维西（Moscovici）、莫林（Morin）以及其他人的著作；在美国，有罗伯特·布鲁斯坦（Robert Brustein）新近引起争论的文章《爱因斯坦时代的戏剧》，这篇发表在1977年8月7日《纽约时报》上的文章重新估价了因果性在文学中的作用。

西方文明是以时间为中心的，这个提法大概不算夸大。这也许是与《旧约全书》和《新约全书》观点的基本特色有关吧！

无论如何，经典物理学的“没有时间的”（timeless）概念与西方世界的形而上学的概念的冲突是不可避免的。从康德（Kant）到怀特海（Whitehead）的整个哲学史，要么企图为消除这个困难而引入另一个实在性（如康德的实体世界），要么与决定论相反采用时间和自由起着基本作用的新的描述方式，这绝非出于偶然。尽管这样，在生物学问题和社会文化发展中时间和变化仍是关键性的。事实上，与生物进化相比而言，文化和社会变革的一个迷人的方面就是它们发生在比较短的时间内。因此，在某种意义上，凡是对文化和社会方面感兴趣的人，都必须以这种或那种方式考虑时间问题和变化规律。反过来说大概也对，凡是对时间问题感兴趣的人，也都不可避免地对我们时代的文化和社会变革发生某种兴趣。

经典物理学，甚至是由量子力学和相对论所扩展了的物理学也只为我们提供了一些关于时间进化的相当贫乏的模型。物理学的决定论法则在某种意义上是唯一可接受的法则，它对于进化的描述今天看起来好像是粗线条的简单勾画，近乎于一幅进化的漫画。无论在经典力学还是在量子力学中，好像只要我们足够精确地“知道”了系统在给定时刻的状态，那么将来（以及过去）就至少在原则上可以预言了。当然，我们这里所说的是纯概念的问题。大家知道，实际上连一个月内是否有雨这样的问题，我们也预言不了。尽管如此，这种理论框架好像还是指出，在某种意义上，现在已经“包括”了过去和将来。我们将看到，情况并非如此。将来并没有包括在过去之中。即使在物理学里，也像在社会学里的情形一样，我们只能预言各种可能实现的“方案”。但正是基于这个原因，我们参加了一场惊人的冒险。用玻尔的名言来说，在这场冒险中，我们“既是观众又是演员。”

本书在一个中等水平上写成，因此要求读者熟悉理论物理学和化学的基本工具。不过，我希望，通过采用这种中等水平的表达方式，我可以为大量读者提供一个简捷的介绍，把他们引到这样的一个知识领域，它对我来说，具有十分广泛的内容。

本书的结构如下：在绪论之后，我给出了可以称为“存在”的物理学（如经典力学和量子力学）的一个简述，主要强调经典力学和量子力学的局限性，以便向读者传达我的信念：这些领域远远没有终结，而是处于迅速的发展之中。实事求是地讲，只是在考虑最简单的问题时，我们的认识才是令人满意的。可惜的是，关于科学结构的许多流行的概念，往往基于从这些简单情况的过分外推之上。然后，我们转向“演化”的物理学，转向现代热力学，转向自组织，以及涨落的作用。有三章专门论述方法，这些方法使我们现在能架起一座从存在过渡到演化的桥梁；这些涉及动力论及其最近的发展。只有第8章涉及一些比较技术性的问题。不具备必要的背景知识的读者，可以直接转向第9章，那里概括了第8章所得到的主要结论 ⁽²⁾ 。也许最为重要的结论就是：不可逆性正是从经典力学或量子力学的终结之处开始的。这并不是说，经典力学或量子力学变成错误的了；确切地说是指它们所适合的理想化超出了概念的可观察范围。轨道或波函数这类概念仅当被置于可观察的前后关系之中时才具有物理含义，而当不可逆性变为物理图景的一部分时，就不再能赋予轨道或波函数以可观察的前后关系。这样，本书给出了有关问题的全景，可以作为更深入地认识时间及变化的一个前导。

在本书末尾，我们列出了所有的参考文献。有一部分是关键性参考材料，有兴趣的读者可以从中找到进一步的发展；其余的是本书行文中特别感兴趣的原始出版物。坦白地讲，这种选择是相当任意的，并且，如果有遗漏的话，我应当向读者表示歉意。与本书所论问题特别有关的书是尼科利斯（G. Nicolis）和本书作者合写的《非平衡系统中的自组织作用》（Self-Organization in Nonequilibrium System，Wiley-Interscience，1977）

卡尔·波普（Karl Popper）在他的《科学发现的逻辑》（Logic of Scientific Discovery）一书1959年版的序言中写道：“至少有一个哲学问题，凡是有头脑的人都会对它感兴趣。这就是宇宙学的问题，也就是对世界（作为这个世界的一部分，也包括我们自己以及我们的知识）的认识问题。”本书的目的是要证明物理学和化学的最近发展已为波普如此出色揭示过的问题作出了贡献。

像在一切有意义的科学发展中的情况一样，这里有一个令人诧异的因素。我们总是指望新的见解主要来自于研究基本粒子和解决宇宙学问题。这个新的令人惊奇的特点是：在居于微观与宇观之间的宏观水平上的不可逆性概念导致了对物理学和化学的基本工具（如经典力学和量子力学）的修正。不可逆性引入了一些料想不到的特点，只要正确理解它们，就能得到从存在过渡到演化的线索。

自有西方科学以来，时间问题一直是一个挑战，它曾与牛顿时代的变革密切相连，它曾促成了玻耳兹曼的工作，现在，它依然伴随着我们。不过，我们现在也许离一个更加综合的观点越发接近了，像是会在将来再次产生新的发展。

我深深感谢我在布鲁塞尔和奥斯汀的合作者们，他们在帮助表述和发展本书所依据的思想方面，起了重要的作用。在此，我无法对他们一位一位地致谢，但我想对格雷科斯（A.Crecos）博士，赫尔曼（R.Herman）博士和斯唐热小姐表达我的谢意，感谢他们的建设性的批评意见。我还要对西奥多索普卢（M.Theodosopulu），梅拉（J.Mehra）和尼科利斯博士在准备本书手稿中所给予的不断帮助表示特殊的谢意。

————————————————————

(1) 亚里士多德把世界分为“月上世界”和“月下世界”，前者是高尚神明的世界，后者是庸俗万籁的世界。——译者注。

(2) 在本书英文版第二版中，作者又增加了新的内容（第10章），我们据作者所赠打字稿译出，加在第9章的后面，这样全书共有十章。——译者注。