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编辑推荐

适读人群 ：初中以上文化普通读者

　　耗散结构创始人诺贝尔奖得主普利高津郑重推*并撰前言。

　　本书是关于时间的新思维框架的一个*好介绍。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

内容简介

　　《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*近的混沌理论进行了重新解释。

作者简介

　　彼得·柯文尼（Peter Coveney），英国物理学家。

目录

前言 001

序 001

第一章时间的形象 001

第二章牛顿物理学的兴起：时间失去了方向 024

第三章时间使爱因斯坦受挫 070

第四章时间的量子跃迁 127

第五章时间之箭：热力学 185

第六章创造性演化 236

第七章时间之简与生命之箭 290

第八章统一的时间景象 344

第九章未结束的探索 388前言

1977年诺贝尔化学奖获得者

前言/序言

　　前言：　　伊里亚·普利高津　　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之外的事物的发现，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，将在此书第六章和第八章详加讨论。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写成。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。　　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。　　序　　地点：的里亚斯特附近的都伊诺小镇　　日期：1906年9月5日　　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。

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前身可以追溯到20世纪30年代。1925年故宫博物院建立后，相关学者对留存在宫中的大量文物进行清点、整理，并在稍后编辑出版了不少专业刊物，主要包括偏向介绍器皿、书画等艺术作品的《故宫周（旬）刊》、《故宫》、《故宫书画集》，以及专于文献档案的《掌故丛编》（后改名为《文献丛编》）、《史料旬刊》等两大类。这两类出品都试图从不同角度向读者群推介故宫内的丰富藏品，而1932年首版的《故宫日历》就是其中之一。日历的正面印有年、月、日，同时又有英文加以对应。另外，还有节气、朔望、韵目等因素也出现在同一页上。节气、朔望容易理解，韵目对于当下的人们来说则有些陌生。韵目本来是指用于诗词创作时使用到的各个韵排列而成的目录，19世纪中后期“韵目代日”出现以后被用于记录日期。简单来说，就是1个韵目代表1个月中的1天，一共有31个字，代表31天，如“文”代表12日，抗战中发生在1938年11月12日夜里的一场大火即被称为“文夕大火”，“卅”代表31日，“五卅运动”即得名于此。日历的反面印有故宫博物院所收藏的书、画、古籍、青铜器、瓷器、玉器等等，365张图画的排列与日历正面的节令相结合，阅览的人可以“见图如见节令、星期、日期”。除此以外，图画的颜色也是区别不同时节的一种方式，色彩赋予读者的区别感更为清晰。1935年一则经销商的广告上，文案做得十分夺目：“震铄世界惟故宫日历足以当之，独霸天下惟故宫博物院有此资料”、“案头壁上，皆可适用，自备送礼，均极相宜”。当时《故宫日历》还有配“厚黑玻璃座盘”的“套餐”，定价2元7角。当时这本日历仅署“故宫博物院编”，没有具体编辑的姓名。关于旧版《故宫日历》的编者冯华，只有在故宫出版社资深编辑朱传荣的回忆文字中有只言片语的描述。在那个动荡的年代，故宫珍宝南迁在即，小小的《故宫日历》却年复一年为普通民众打开了古代艺术宝藏的一扇窗，也成为许多人醉心传统文化、走上求艺之路的开端。在一些老画家早年学画经历的回忆文字中可以发现，在当年信息相对闭塞、资源匮乏的环境下，可能就是一本《故宫日历》，为其启蒙，作其良伴。2010年，被遗忘经久的《故宫日历》“复活”了，以1937年版《故宫日历》为蓝本的“复刻版”问世。原汁原味的“复刻版”，黑白印刷，不仅仅是呼应渐起的怀旧风，也是致敬于走过85个年头的故宫博物院、致敬于老去的前辈故宫人。此后，《故宫日历》开始尝试推陈出新。故宫出版社在2011年版《故宫日历》的编纂中，生肖开始成为确定主题或隐或显的因由。在12个月首的篇章页里，放置一件直接描绘兔子的画作来呼应辛卯生肖。2012年，壬辰年的生肖龙，是中华民族的图腾。整座紫禁城，简直无处不龙。于是，龙年的《故宫日历》，“紫禁龙时空”成为主题，以龙为表现对象的陶瓷、青铜、书画、珐琅……12个类别，按照月份一一呈现农历癸巳年，《故宫日历》主题是“山水有清音”。因为明代李长卿《松霞馆赘言》云：“巳者，四月之卦，于时草茂，而蛇得其所”。草木山川，在故宫藏品中的表现数不胜数。因此，以“山水有清音”为主题、取材山水画作、辅以文玩器用等陈设的方案浮出水面。“山水有清音”，就是要展现古人寄情山水的诗意生活，更是要唤醒城市喧嚣中的你我。山水有清音，山水觅知音。12个月分为3个单元：笔墨寻源、诗意栖居、仙境凡间；其下又以月为单位，既有对山水题材的追根溯源，也有云山墨戏、界画楼台之类的专题展现；而每个星期，也尽量各有侧重，并且在多数的周日，以与主题相关的文玩器用等藏品作为新一周开始的标志，尽可能从新的视角引发读者的兴趣――对传承有序的山水艺术、对绵延不绝的山水文化。藏品选取，确立了这样的原则：图像常见的名作，重点展示出细节，《千里江山图》甚至占尽整个10月；不甚知名但各有特色的藏品也不轻视，明代医生王履的写生佳作《华山图》册、清代篆刻高手黄易的纪游“影集”《嵩洛访碑图》册，都是个中翘楚。所选的藏品也不只山水，如《洛神赋图》中的边边角角、《夜宴图》里的围屏图障、远古的水波纹彩陶……不拘一格，尽收其中。如果细细翻读今年的《故宫日历》，还会发现许多有趣的细节：除标明公立和农历日期、二十四节气，还特意标出充满诗意的七十二候。这是古人根据寒暑变化与物候现象对时节的一种独特划分：五日为一候，一年共七十二候，何时“东风解冻”，何时“草木萌动”，古人早已注解其中。就读北大期间选择小说组的研究，周作人是他的老师。两人关系密切，通信频繁。阅读1932年的《俞平伯年谱》，可以找到许多关于两人书信沟通的记载，一整个月份里他们的通讯次可达到七次之多... ...在12月中旬寄出信件之时，俞平伯将一份《故宫日历》一同寄给了周作人，作为礼物表达学生对老师的一番心意。梁实秋在写给张佛年的信中，也提及获赠《故宫日历》一事：“顷接故宫日历一册，既有阴阳日历可察，复逐日有古物照片欣赏（二月二十与五月廿四重复），实日历中最佳之作，拜领谢谢矣。”梁实秋可以挑出二月二十与五月廿四图。

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