時間之箭

前言

1977年諾貝爾化學(xué)獎獲得者    伊里亞·普里高津    我十分高興在此為彼得·柯文尼、羅杰·海菲爾德的這本書寫篇前言。    時間有箭頭嗎?這問題自從蘇格拉底以來，一直迷魅著西方的哲學(xué)家、科學(xué)家和藝術(shù)家。然而，在20世紀(jì)末期的今日，我們問這問題，情況與以前不同。對一個物理學(xué)家來說，20世紀(jì)的科學(xué)史可以分為三個階段。首先是兩項(xiàng)思想方案——相對論和量子力學(xué)——所產(chǎn)生的突破。其次是一些出入意料之外的事物的發(fā)現(xiàn)，包括“基本”粒子的不穩(wěn)定性、演化宇宙論，以及包括諸如化學(xué)鐘、決定性混沌等的非平衡結(jié)構(gòu)。最后——也就是現(xiàn)在，由于這些新的發(fā)展，我們必須對整個物理學(xué)作重新思考。    這里一個令人矚目的特點(diǎn)是：所有這一切都強(qiáng)調(diào)著時間所扮演的角色。當(dāng)然，在19世紀(jì)，人們都已經(jīng)承認(rèn)時間在生物學(xué)、社會科學(xué)等學(xué)科

內(nèi)容概要

本書論證了現(xiàn)代科學(xué)理論關(guān)于時間的最普遍觀點(diǎn)。時間就像一只箭，射向未知的前方，把過去永遠(yuǎn)留在后面。作者回顧了3個世紀(jì)的科學(xué)史，大膽地對牛頓力學(xué)、愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論、量子力學(xué)以及最近的混沌理論進(jìn)行了重新解釋。

作者簡介

彼得·柯文尼博士，在威爾斯大學(xué)擔(dān)任物理化學(xué)教授，曾是牛津凱博學(xué)院的研究員。曾經(jīng)和諾貝爾化學(xué)獎得主伊里亞·曾里高金教授一起從事研究工作。現(xiàn)居北威爾斯的可溫灣。
    羅杰·海菲爾德博士，倫敦通訊日報的科學(xué)編輯。曾當(dāng)選1987年最佳年度醫(yī)學(xué)報道記者，1988年最佳年度

書籍目錄

前言序第一章 時間的形象第二章 牛頓物理學(xué)的興起：時間失去了方向第三章 時間使愛因斯坦受挫第四章 時間的量子躍遷第五章 時間之箭：熱力學(xué)第六章 創(chuàng)造性演化第七章 時間這箭與生命之箭第八章 統(tǒng)一的時間景象第九章 未結(jié)束的探索

章節(jié)摘錄

　　電磁時間 牛頓提出他的定律，是為了研究引力對大質(zhì)量物體的作用。但是自然 界中還有其他的力，例如靜電力——我們梳頭時使頭發(fā)豎立起來的力。解 釋靜電現(xiàn)象的定律最后演變?yōu)殡姶爬碚摚俏锢韺W(xué)的第二個主要的理論 構(gòu)成。在這里，時間同樣是一個棘手的問題。 牛頓引力理論的一個饒有趣味的特點(diǎn)，是它描述了兩個大質(zhì)量的物體（ 例如太陽和月亮）之間的一種瞬時作用，盡管這兩個物體并沒有直接接觸。 這種現(xiàn)象被稱為超距作用。它使當(dāng)時的科學(xué)家和哲學(xué)家都感到頭疼，因?yàn)?找不到顯而易見的機(jī)制去說明它。在《原理》一書中，牛頓敘述道：“我 希望我們能用類似力學(xué)原理的推理，導(dǎo)出其他自然現(xiàn)象，因?yàn)橛性S多理由 使我猜想，這些現(xiàn)象都取決于某些力，這些力使得物體中的粒子由于某些 迄今未知的原因，或者相互靠近而連接成規(guī)則形狀，或者相互排斥而分散 。這些力既屬未知，所以哲學(xué)家們迄今對大自然的探索仍是徒勞無功?！?對于像一記拳或是一記耳光那樣的碰撞力，物理學(xué)家和哲學(xué)家們可以 理解?？墒菍τ谖蚺懦饬Α衽ｎD的引力——他們總認(rèn)為是玄虛 的。牛頓在科學(xué)上的主要敵手萊布尼茲，曾把牛頓的工作評論為“引力（不 言而喻，任何牛頓其他的原動力），不是故弄玄虛就是某種奇跡的作用”。 牛頓為了解決這一問題，想象了一個引力場，它從每一個引力質(zhì)量中流出 ，瞬時彌漫到整個空間，并且隨著到物體質(zhì)量中心距離的增加，它的強(qiáng)度 按平方反比而減少；這樣當(dāng)距離增加一倍時，引力場的強(qiáng)度就減少到四分 之一。 靜電力——例如，在帶電的梳子和頭發(fā)之間的靜電力——以同樣的方 式作用于整個空間。為使這種作用在一段距離外發(fā)生，就要假定有一個電 場，就像牛頓的引力場那樣。1785年法國人庫侖（Charles Coulomb）獲得了 必要的實(shí)驗(yàn)精度，、為靜電力的理論提供了基礎(chǔ)。根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)，他得到 了一個把荷電物體之間相互作用定量化的定律。庫侖使用了一個扭矩天平 ，這是一個可以測量一對荷電球之間電力的裝置。他發(fā)現(xiàn)同性電荷相互排 斥而異性電荷相互吸引，在這兩種情況下，相互作用力都準(zhǔn)確地按照荷電 球之間距離的平方反比而變化（并且正比于兩個球電荷量的乘積）。 庫侖定律與牛頓的引力定律具有驚人的相似性：兩者都用了場的概念 ，都用了平方反比定律，來描述超距作用。誠然，也有一些重要的區(qū)別。 電荷有兩種類型，正電荷與負(fù)電荷。同性電荷相斥，異性電荷相吸。而引 力只有一種類型的“荷”——質(zhì)量——它總是相吸的：日月星辰之間全都 是互相吸引。 與靜電學(xué)有關(guān)的靜磁場的研究，與靜電場有非常相像的歷史，兩者之 間有許多相似之處。當(dāng)時擔(dān)任倫敦皇家研究所所長的法拉第（Michael Faraday）1820年在電學(xué)和磁學(xué)方面進(jìn)行了獨(dú)創(chuàng)性的研究，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動的或動 態(tài)的磁作用與靜電作用緊密相關(guān)，而且反之亦然。運(yùn)動的電荷產(chǎn)生磁場， 而運(yùn)動的磁場在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流（第三章中我們將深入討論這種對稱性的原 因）。法拉第的開創(chuàng)性工作，由蘇格蘭人麥克斯韋（James Clerk Maxwell， 1831～1879）用有力的理論繼續(xù)發(fā)展。麥克斯韋1864年當(dāng)倫敦大學(xué)皇家學(xué)院 的教授時，證明了電和磁的作用，是同一個電磁力不同的表現(xiàn)形式。他最 后集其大成的數(shù)學(xué)方程是如此優(yōu)美，使得玻耳茲曼（Boltzmann）不禁引用哥 德（Goethe）的語句：“難道是上帝寫的這些嗎?……”麥克斯韋把法拉第的 電磁定律數(shù)學(xué)化，其結(jié)果現(xiàn)在就叫做麥克斯韋方程。根據(jù)這些方程，麥克 斯韋得到一項(xiàng)推論說，電磁信號在真空中應(yīng)該以一個恒定的速度運(yùn)動，而 這個速度就是光的速度。 這樣說來，我們就很難避免下結(jié)論，說光本身就是一種電磁作用。不 久之后，另外一些形式的電磁輻射也被發(fā)現(xiàn)了，從此人們知道可見光只是 電磁波譜中的一部分，整個電磁波譜覆蓋著從射電波直到X射線以及它以外 的波段。我們熟悉的從紅色到紫色的電磁輻射波譜，僅僅只是整個波譜中 的、人的視網(wǎng)膜感覺得到的一個波段。 然而，就像牛頓方程一樣，麥克斯韋方程也不區(qū)分過去和將來。時間 不論是正值還是負(fù)值，方程都是不變的，方程里面不包含過去和將來的區(qū) 別。按照麥克斯韋方程，一個像電子這樣帶電的、有質(zhì)量的粒子，在電場 和磁場并存的情況下，由于同時受到這兩個場的作用，將受到一個以荷蘭 物理學(xué)家洛倫茲（Hendrik Lorentz）的名字命名的力。這個粒子的運(yùn)動于是 就可以用牛頓運(yùn)動方程來描述，洛倫茲力和粒子質(zhì)量決定粒子的加速度。 這樣我們又一次失去了時間箭頭。正如先前講到的引力下的運(yùn)動一樣 ，現(xiàn)在我們在電動力學(xué)中又遇到了可逆的力學(xué)描述。有關(guān)帶電粒子在電場 、磁場或者兩者并存情況下的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了這些時間對稱的運(yùn)動方程的解 ，的確給出了正確的動力學(xué)結(jié)果?？墒窃S多電磁現(xiàn)象，很明顯地是具有時 間方向的。從沒有人見過光波從照亮的房間里聚回到電燈燈絲，然后被燈 絲吸收；也從沒有人見過光線從我們的眼睛跑出來，再被太陽或是其他光 源吸收回去。因此有些人說，存在一種電磁的時間箭頭，它可以排除這些 “倒轉(zhuǎn)”過程，原因是這些過程的初始條件被實(shí)現(xiàn)的幾率極小。這種說法 和我們前面已經(jīng)反駁過的，有關(guān)公牛和瓷器店的說法十分相似。 電和電磁輻射在守時技術(shù)方面起了很大的作用。依賴于個別地方準(zhǔn)確 守時的“地方時”制度由此結(jié)束，取而代之的是全國性的“國家時”。這 給出了一個全國范圍共同意識的“現(xiàn)在”。無線電波可以使遍布全國的鐘 表時間同步。當(dāng)?shù)谝粋€電報系統(tǒng)1838年在英國被采用時，人們就已認(rèn)識到 ，用同樣的辦法，可以傳播來自同一個主鐘的信號。電使得鐘表的準(zhǔn)確性 比以往大大提高。在美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室，借助于電路裝置的晶體石英鐘， 早在20世紀(jì)20年代后期就已經(jīng)問世。在這類鐘里，石英晶體像音叉一樣， 以恒定而且非常準(zhǔn)確的頻率振蕩。這一頻率是石英晶體的特性，與機(jī)械鐘 不同的是，它和鐘表的設(shè)計基本無關(guān)。 1948年，設(shè)在華盛頓的美國國家標(biāo)準(zhǔn)局成功地把一種分子振動用于守 時，為原子鐘鋪開了道路。原子鐘的“滴答”頻率是完全與工藝設(shè)計無關(guān) 的。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局當(dāng)時用的是氨分子，它的形狀像金字塔，由三個氫原 子和一個氮原子組成。三個氫原子構(gòu)成一個環(huán)，氮原子前后跳動穿過這個 環(huán)，就形成了鐘的“滴答”走時。最古老的守時鐘就是我們所在的這顆行 星了，它的缺點(diǎn)是它的轉(zhuǎn)動速率不是完全穩(wěn)定的，與此相比，原子鐘要好 得多了。由于地球極冠的冰雪凍結(jié)和融化，潮汐的摩擦以及其他產(chǎn)生于地 球內(nèi)部深處的作用，一天的長度在一年之中，有千分之一秒左右的漲落。 這對于現(xiàn)代超精密的守時需要來說，是完全不夠的。 P46-50

編輯推薦

《第一推動物理系列:時間之箭》作者用精彩的語言，權(quán)威性地賦予時間方向感，并呼吁找出能涵蓋時間箭頭的全新理論?！兜谝煌苿游锢硐盗?時間之箭》作者引導(dǎo)讀者濟(jì)覽了所有企圖解開時間奧秘的重要科學(xué)理論。他們探究時間的物理理論——牛頓力學(xué)，愛因斯坦的相對論，量子理論與勢力學(xué)——以及考查更廣泛的時間昭示：時間如何出現(xiàn)在詩、化學(xué)到生物學(xué)——從"馬維爾的雙翼戰(zhàn)車"和"生理時鐘"到造成旅行時差和星期一早晨沮喪心情的原因。 最后他們總結(jié)各種不同的時間闡釋，描述出一種嶄新方式賦予時間方向感，并呼吁要找出能涵蓋時間箭頭的全新理論?！皶r間”仍是人類最難解答的謎之一，雖然當(dāng)今重要科學(xué)理論都有它的蹤跡，但是仍然缺乏明確的對"時間"的科學(xué)解釋。例如：時間在很多重要的科學(xué)理論中沒有方向，是“可逆的”。

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