时间的观念

到了19世纪，几乎所有著名的地质学家都承认地球有数百万年的历史，他们中的基督教徒则开始自我解释说，对圣经不能做字面上的解释。但地球究竟需要多长时期演变成现在这个样子，一直处在争论之中。这里有许多科学上的问题悬而未决。特别是前寒武纪的时期，化石数量极少甚至没有，所以根本没有办法准确确定这里的地质年龄。尽管如此，地质深时的概念在原则上是确立了。

四、进化论与深时难题

地质演化概念和理论的相继确立，带动了生物进化论的形成。地球有一个从无到有的演变过程，生物怎样，人类怎样？这是一个宗教神学更为敏感的问题。

演化的观念总是从多样性的发现和整理开始，材料的观察、收集和整理这些博物学的工作，是演化观念的实证前提。博物学是进化论的母体。近代博物学家对大自然的细心观察是空前的，亚里士多德只记载了500种植物，到1600年，人们便知道了约6000种，过了100年，植物学家又发现了12000个新种。博物学中最先发展起来的是生物分类学，林奈的体系尽管是人为分类体系，尽管他本人是一个生物不变论者，但他还是依据人与类人猿在身体构造方面的相似性，将猿类与人归入同一个属。

博物学大师布丰已经从他对“自然史”的归纳总结中看出了物种进化的端倪，特别是，他注意到许多动物身上存在某些无用的器官，这只能理解为器官的退化。所以他猜测，类人猿可能是人退化的结果。拉马克在掌握了更多材料的基础上提出了他独特的用进废退、获得性状遗传的内在进化学说。

居维叶运用他卓越的比较解剖学知识，对大量化石进行了证认和分类。他实际上认识到，地层越古老的化石越是简单，地层越年轻的化石则

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越是复杂，越是接近现存生物。由此他本来可以得出生物由简单向复杂进化的观点，但对宗教的信奉使他坚持物种不变论。他在《地球表面的革命》一书中提出了科学与宗教相调和的一个新版本：灾变说。居维叶认为，在地球的历史上曾经发生过多次大洪水，每次洪水将所有的生物全部毁灭，其遗骸在相应的地层中形成今日所见的化石。每次大洪水后，上帝都再次创造新生命。只是因为每次创造的生命都不同，我们才见到不同地层中有不同的化石形态。

灾变说承认地质分层，但却假借上帝之手完成这些分层过程，从而每次分层的地质力都完全不可比拟，并且实际上取消了地质深时。赖尔的《地质学原理》(1830)推出了渐变说，重新恢复了地质深时。赖尔认为，地质学应当像其他科学一样，遵循普遍性原则，不能认为古今的地质力有什么质的区别，更不能在科学中引入超自然的因素。灾变论者“过分低估过去时间的长度”，如果把“几百万年误认为几千年，并且根据这类虚假的前提作逻辑推论，那么除了承认自然界曾经经历过一次彻底大革命之外，不可能达成其它结论”。(1)

赖尔的地质渐变理论影响了达尔文。随贝格尔号的环球航行使达尔文对生物界的巨大丰富多样性和地域分布性有了感性认识。在南美西海岸，达尔文发现一群燕雀只是因为生活在不同的小岛上而在器官上有些微的差异，可以被分成14个亚种。他想，为了创造这么些仅有微小差异的生物变种，上帝要花去多少精力，上帝难道会做这样不经济的事情？这使他对神创论表示怀疑。生物界必定也像赖尔所描述的地质渐变一样，是逐渐进化的。

1859年，达尔文出版了《物种起源》，运用大量的博物学证据，表明物种是在自然选择作用下进化的。达尔文认为，家养物种起源于少数几种野生物种，但由于物种本身有遗传和变异两种性质，其中对人类有用的变异就在人工选择过程中被保留了下来，被保留下来的有用的性状通过遗传继续传给后代，后代中又出现的变异则再一次被选择，这样，家养物种就沿着对人类越来越有用的方向进化。

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（1）赖尔：《地质学原理》，科学出版社1959年版，第一册，第28页。

人工选择是在一个相对较短的时间内，造就出适合于人类需要的物种。达尔文认为，自然界同样也可以在一个相对缓慢得多的时间内，以其自然条件，造就出与各种环境相适应的物种来，而且由于自然地理条件上的和历史性上的多样性，自然界所造就的物种远比人工造就的多得多。比如长颈鹿，并不是它经常伸长脖子导致它的后代脖子这么长，而是由于变异的缘故，有些鹿生来颈就长一些，这些长颈的鹿因能吃到更多的树叶，所以更能存活下来。漫长的岁月过去了，那些脖子变长的变异因素在生存竞争中总是保持着优势，因而不断积累，终于形成了我们今天看到的长颈鹿。

可以看出自然选择要求几乎难以想象的漫长的时间尺度，一个性状被自然地选择，不知要经过多少代的牺牲。然而，地球真的能提供这样漫长的演化时间尺度吗？

关于地球年龄的测算逐步引起了物理学家的关注。法国数学家傅里叶最早给出了一个地球冷却的定量模型，并在此基础上建立了热传导理论和著名的傅里叶定律。他确认，地球的确经历了一个由热变冷的过程，尽管在晚近的地质时代，地球内部的温度并没有对地球表面的温度起过任何显著的影响。〔1〕

1839年，英国地球物理学家威廉·霍布金斯发表了一个新的地球物理模型。他认为，地球的核心是固态的，液态物质位于固体核和很厚的地壳之间。地表的气候变化是地理变化而不是内部冷却引起的。霍布金斯的理论表明，单纯的地球冷却理论不再适合于解释许多地质现象。不过，

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[1〕霍尔顿：《物理科学的概念和理论导论》，张大卫等译，人民教育出版社1982年版，上册，第433页。

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他也强调地球在更大尺度上由热变冷这一事实的重要意义。

达尔文《物种起源》发表不久，未来的开尔文勋爵，英国物理学家威廉·汤姆逊测算出了一个地球年龄值。他假定地球最初具有7000至10000度的高温，那么要达到现在的状态需要1亿年时间。同时，他依据引力收缩理论，得出太阳的年龄不超过5亿年的结论。

这个年龄值对于进化论来讲太短了。赖尔代表的渐变论者实际上假定，地质作用已经经历了几亿年之久，而地球本身的历史，照赫顿的看法，是不应该有一个什么时间上的限制的。达尔文的进化论以赖尔的时间尺度为前提，他在《物种起源》中曾经推测说可能需要三亿年。可是达尔文本人对物理科学十分尊重，汤姆逊的计算一发表，使达尔文十分苦恼，这是他遭遇的真正的难题。

这个难题直到20世纪初放射性的发现才得以解决。首先，卢瑟福对地球的热辐射有了更完整的了解，认识到地球的内热使地球的冷却速度远远低于开尔文所计算的时间，从而将漫长的时间尺度还给了地质学家。其次，利用放射性元素可以直接测定岩石的年龄。放射性元素的衰变速率是稳定相同的，半衰期较长的像铀(45.1亿年)这样的放射性元素就可以用来测定年龄。原理十分简单，放射性元素衰变之后变成另一种元素的同位素，经过若干次衰变后变成某一个稳定的元素。只需测定岩石中最初的放射性元素与最后的稳定元素之含量之比，就可以根据衰变速率算出岩石的年龄。第一批测定的结果是，火成岩的年龄约为33亿年。这比达尔文所要求的3亿年高出10倍。更新的估计，地球年龄大约有50亿年。

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第九章物理时间之矢的发现

近代科学有两个传统，数理科学传统与博物学(自然史)传统，最终的分野就在于前者以数学化的方式对待自然，后者则面向自然的历史性和时间性。地质深时的发现，表明在博物学传统中，时间获得了一个基础的地位。

数理科学倾向于否定时间的真实性，它对待时间之矢的态度是，时间的方向性、过去与未来的不对称性，只是一种与人类这个特有物种相关的幻觉。相对论引入的流形(manifold)概念，将整个宇宙变成了一个本质上没有演化、没有时间性的整块宇宙(block universe)。

然而19世纪末以来，正是在物理科学内部，时间之矢被重新引人。

一、热力学第二定律：时间之矢的浮现

热力学第二定律并不是从变革时间概念入手的，毋宁说，热力学本身并不涉及时间变量，然而，第二定律将自然过程的不可逆性突现出来了。热力学不是在测度时间范畴之内对时间概念的改进，而是在测度时间之外引入了新的时间概念，这就是我所谓的有方向的、对未来开放的、偶然性在其中占据根本地位的、过去与未来不对称的本体时间概念。

“火”是人类文明中一个神秘的象征，它是光明，也是力量。“光明”与“力量”的因素在原始思想中是混合在一起出现的。普罗米修斯为人类盗

时间的观念

火的神话故事，说明了“火”在人类进化中的重要作用。几千年的思想史上，“火”作为“光明”的一方面受到了重视，但作为“力量”的方面一直未引起注意。“火”不仅发“光”，而且发“热”。热就是力量。这一点直到19世纪才成为一个思想史的题目。热力学的出现是其标志。

18世纪工业革命中蒸汽机的发明和大量使用，使人们对“热”的力量有了深刻的认识。然而热的本性一直未予澄清。希腊自然哲学大概模模糊糊地认为热是一种物质，也具有原子结构。近代以来，物质说演化成流体说，认为热是某种很稀薄的流体，以解释热的传递。量热学发展起来以后，热量守恒的现象进一步支持了热是某种物质的说法，形成了热质说。伦福德伯爵的实验给热质说致命的一击，既证明热无重量，又证明热并不守恒：通过摩擦，几乎可以无限地产生热。经过非常曲折的思想交锋，接近19世纪中叶的时候，热被认为是物体微粒运动的宏观表现，是能量的一种形式。此时，各种能量形式之间相互转化的研究已经大量出现。明确的测度化的能量概念的呈现之日，其实也就是能量守恒定律确立之时。

热力学第一定律即能量守恒定律的确立，是牛顿力学的一次伟大的扩张。一切能量包括电能、热能、化学能，都可以还原为分子或更低层次的原子等的动能或势能，动能或势能则完全由牛顿力学掌握。能量守恒定律加强了宇宙是一架机器的观念，这架机器永无磨损，永不停息。能量从一个形式转化为另一个形式，再转化为另一个形式，永无休止，没有界限。循环运动将是主要的运动形式，而有方向的发展不被纳入宇宙图景之中。牛顿世界的可逆性通过能量守恒与转化定律，再次得到宣示。

历史的微妙之处在于，以牛顿命名的宇宙机器概念，也许并不是牛顿本人的想法。在《光学》中，牛顿指出，由于我们的世界并不处处发生完全弹性碰撞，所以满足动量守恒定律的结果是失掉运动比获得运动容易，从而运动处在衰减之中。牛顿接着说：“看到我们世界上所发生的各种运动总是在减少之后，就有必要通过一种积极的本原来保持并弥补这些运动，例如重力这种原因，它使行星和彗星在它们的轨道上保持它们的运动，并使物体下落时获得大的运动，再如扰动这种原因，它使动物的心和血保持在永恒的运动与热之中，使地球内部不断变热，并在有些地方变得很热，使物体燃烧发光，山上起火，岩沿炸毁，太阳保持极度的热和明亮，并用它的光使一切物体热起来，因为在世界上除掉由于这些积极的本原而发生的运动之外，我们所遇到的运动就很少。并且，倘若不是由于这些本原，那么地球、行星、彗星、太阳这些物体，以及它们内部所有的东西，都将冷却而凝冻，变成不活动的物质；并且所有腐烂、生殖、生长和生命都将停止，所有行星和彗星都将不能保持在它们的轨道上运动。”（1〕

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在上面这段文字中，几次出现了“积极的本原”的说法。事实上，在《光学》的较早期版本中，提法是“积极的本原以及某种意志的支配”。牛顿的意思绝不是想说，除了动量守恒定律还需要一个能量守恒定律这样积极的本原来维持宇宙机器，他真正想说的是，宇宙机器在运转过程中需要神的不断干预，否则就会走向衰败。就宇宙机器是否需要不断维护这一问题，牛顿与莱布尼兹之间展开了争论。莱布尼兹批评说：“牛顿先生和他那一派还有对上帝的作品的一种很好笑的意见。照他们的看法，上帝必须不时地给他的表上发条；否则它就会不走了。他没有足够眼光来照看到它使它能作持久的运动。上帝的这架机器照他们看来甚至是这样不完善，以致他不得不时时用一种非常规的协助来给它擦洗油泥，甚至来加以修理，就像一个钟表匠修理他的钟表那样；这钟表匠越是不得不时常把他的钟表重新拨一拨和矫正一下，他就将越是个坏的工匠。”〔2〕牛顿则通过他的代理人萨缪尔·克拉克回答说：上帝既是原动力的创始者，又是这原动力的持续保持者，“说一切事物无不在上帝的继续不断的统治和监察之下作成，这不是对他的技艺的贬低而是真正的颂扬。认为世界是一架大机器，无需上帝的插手而继续运转，就像一架时钟不用钟表匠的协

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〔1〕塞耶编：《牛顿自然哲学著作选》，上海译文出版社1974年版，第209页。

〔2〕《莱布尼茨与克拉克论战书信集》，陈修斋译，武汉大学出版社1983年版，第13页。

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助而继续在走一样，这样的概念是唯物主义和定命的概念，并且倾向于(在使上帝成为超世界的心智的借口下)把天道和上帝的统治实际上排在世界之外。”〔1]

对牛顿体系严密地数学的发展，表明牛顿关于太阳系稳定性的担心是多余的。拉普拉斯证明了，只用角动量守恒定律就可以保证太阳系的稳定性。因此，当拿破仑读完《天体力学》一书后问拉普拉斯为何一句也没提到上帝时，拉普拉斯回答说：“陛下，我不需要那个假设！”这是机械论思想豪迈的宣言。

对宇宙机器思想提出挑战的依然是热学理论。1822年，法国数学家傅里叶发表“热的分析理论”，给出了热在固体中传导的热传导方程。这个方程的重要意义在于它是时间不可逆的。傅里叶定律指出，只要存在温度差，总有热流从高温物体传到低温物体而使温度趋于均衡。这个温度均衡现象是物理学中发现的第一个不可逆物理过程。1824年，法国工程师卡诺在他的“论火的动力”一文中，研究了蒸汽机如何在两个不同热源之间做功的问题，他发现，一定的热量能做的功有一个上限，这个上限取决于两个热源之间的温度差，但任何实际的热机都不可能达到这个上限，因为总有热量因热机设计的不完善而被浪费掉，而浪费掉的热量再也不可能用来做功了。温度均衡过程必导致做功可能性的丧失，这被称做卡诺原理。

19世纪50年代，在卡诺原理的基础上，经过进一步的数学运演和观念洗炼，克劳修斯和威廉·汤姆逊(后来的开尔文勋爵)表述了更普遍更一般的不可逆性原理，即热力学第二定律。克劳修斯的版本是：“热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体”，汤姆逊的版本是：“从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其它影响是不可能的。”后来，克劳修斯引入熵(系统热含量与其绝对温度之比)的概念，证明了孤立系统的熵永不会减少。热力学第二定律也被称为熵增定律：一个孤立系统的熵总趋于增大。

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[1〕《莱布尼茨与克拉克论战书信集》，陈修斋译，第15—16页。

热力学第二定律揭示了物理世界的方向性和过程性，给出了一个时间箭头。如果知道一个系统的两个不同的热力学状态，根据第二定律我们就能辨别出哪一个状态在先，哪一个在后。而这种时间箭头，在牛顿力学中是不存在的。只凭牛顿力学无法判断两个物理状态孰先孰后。

大约在1854年的一次演讲中，霍尔姆荷兹指出，热力学第二定律的宇宙学后果是整个宇宙不断变冷(或者变热)，所有有用的能最后都转化为热，宇宙最终要处在温度均匀的状态，所有的自然过程都将停止。这个由热力学第二定律推演出的宇宙热寂说，19世纪后期在西方文化界流行一时，成了人类前途悲观论者的科学依据。第二定律也因此蒙上了恶名，物理学家或者有意无意地回避它，或者宣布第二定律对整个宇宙无效。但一个世纪来，宇宙热寂说总像是一个挥之不去的阴影。

宇宙的膨胀现象发现之后，科学家有可能着手驱除这个阴影。宇宙的膨胀会破坏温度均衡过程。可以证明，即使热力学系统一开始就处在热平衡状态，由于整体的膨胀作用，也会出现温度差。

二、经典力学对热力学的整合

热力学第二定律所揭示的物理过程的方向性与牛顿方程所表明的世界的无方向性之间的矛盾，很快引起了人们的注意。如果热不过就是微观粒子大量运动的宏观表现，如果粒子运动服从牛顿无时间方向性的运动定律，那么，宏观上的热力学第二定律就是不可思议的。1874年，热力学第二定律的重要制定者之一威廉·汤姆逊在爱丁堡皇家学会的年会上发表了一段著名的讲演，严肃地指出了这一困难：

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假如宇宙中每一个粒子的运动在某任意时刻全都正好逆转过来，那么从此以后自然界的过程将永远沿完全相反的方向进行。瀑布在其底端溅起的泡沫将会重新聚集并落入水中；热运动将会重新聚集它们的能量，使落下的水滴重新组成一股上升的水流。由固体相互摩擦而产生、因传导、辐射及吸收而消耗的热，将会复返固体相接触的地方，并使运动物体抵抗它先前受到的力作反向运动。泥土将会再变成砾石，砾石将会恢复它们原来参差不齐的形状，最后重新结合成原先它们由之而碎裂的山峰。而且，如果关于生命的唯物主义假说是正确的，那么生命将返老还童，它们所记忆的是将来而不是过去，最后会变成未出生时的状态。但是，真实的生命现象无限地超出人类科学的能力；关于它们的逆转过程的后果假想的推测是完全无益的。[1〕

一个可逆的微观世界必定导致一个可逆的宏观世界。然而，在我们生活经验中，在我们的物理经验中，时间的方向性如此显著，基础物理学怎能对之无动于衷？热力学和牛顿力学之间需要调解。

牛顿力学在此后几百年的运用实践中所表现的极度有效和成功，使人们不会想到去修正它。即使到了今天这个高技术时代，牛顿的威力依然处处可见。记得美国宇航员从月球回航地球的途中说了一句玩笑话：“我想，现在主要是牛顿在驾驶飞船。”这话生动表达了牛顿力学的重要地位。因此，热力学第二定律出现之后，物理学家做的主要工作都是力图添加某些条件，使宏观的不可逆性还原成微观的可逆性。由经典力学来整合热力学。

整合的主要成就是发展了以概率学说为核心内容的统计力学。统计力学将概率论运用于大量分子的统计行为，得出它们的平均值，而这个平均值就是宏观可观测值。对系统的平衡态而言，统计力学十分成功，而对正在演化之中的非平衡态则比较麻烦。基于几率分布函数而写出的系统演化方程即刘维(Liouville)方程，与牛顿方程一样是可逆性的。热力学第二定律根本没有得到说明。

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(1 ] William Thomson, Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, vol.8, p.325(1874) .转引自Holton著《物理科学的概念和理论导论》(上册)，张大卫等译，人民教育出版社1982年版，第425—426 页。