Page 39 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

的四维时空中，时间或空间都与参考系的选择有关，只有统一的四维时空才具有与参考系的
选择无关的绝对意义。
在广义相对论中，爱因斯坦进一步把时空与引力联系起来，指出时空的几何性质是由
物质分布的物理性质所决定的，物质及其运动使它附近时空的几何形态由平直变为弯曲，引
力场等效于时空弯曲，引力的大小取决于弯曲时空的曲率。根据这种几何化的时空理论，爱
因斯坦解决了水星轨道的进动问题，预言了光的引力偏折和光谱线的引力红移，这些预言都
已经被一一证实。但是，时空的几何化并没有解决时间的本性问题，反而使时间概念更加远
离人们的感觉经验，在某种程度上增加了理解时间的难度。再往后，由广义相对论派生出来
的大爆炸宇宙学更让人忐忑不安，它认为时空不仅是可变的和弯曲的，而且是有始有终的，
时间和空间是从一次“大爆炸”中产生的，并可能在一次“大爆缩”中终结。这样的结论确
实让人疑窦丛生，人们不禁会问，大爆炸前是什么？大爆缩后又是什么？
英国著名物理学家史蒂芬•霍金（StePhen.W.Hawking）在大爆炸宇宙模型的基础上提出
了“虚时间”概念，所谓虚时间就是由数学定义的虚数，而我们通常使用的时间概念则是实
时间。他在《时间简史》中写道，当我们用费曼的历史求和的方法处理引力时，为了避免技
术上的困难，时间必须是虚的，随虚时间膨胀的宇宙是有限无界的，而在实时间里，宇宙会
膨胀到一个非常大的尺度，并最终重新坍缩成为一个奇点，只有当我们按照虚时间来描绘宇
宙时才不会有奇点。他还说：“也许虚时间才是真正的时间，而我们叫做实时间的东西恰恰
是子虚乌有的空想的产物。在实时间中，宇宙的开端和终结都是奇点，这奇点构成了科学定
律在那里不成立的时空边界，但是，在虚时间里不存在奇点和边界。所以，很可能我们称作
虚时间的才真正是更基本的观念，而我们称作实时间的反而是我们臆造的，它仅仅有助于我
们描述宇宙的模样，如此而已。”霍金的虚时间颇具新意，它把虚数这个数学概念直接引用
为物理概念，这与本书第二章建立的物质绝对运动模型是一致的。
二十世纪六十年代后，非线性科学的兴起给时间的研究开辟了一条新的路径。人们重
新关注热力学第二定律（熵增原理）提示的时间之矢，试图把时间的方向性和不可逆性与非
线性作用联系起来，用系统的演化来阐明时间。其主要代表人物是耗散结构理论的创始人比
利时物理化学家普利高津（Ilya Prigogine），他把热力学第二定律扩大应用于研究非平衡态
的热力学现象，认为时间的单向性既与熵增相联系又与熵减相联系，由熵减导致的耗散结构
一旦出现，时空均匀性就会遭到破坏，形成时空对称破缺，亦即时空的非对称性。在经典力
学和量子力学的动力学方程中，时间 t 是对称的，动力学方程具有时间反演不变性，因此，
动力学时间 t 不能描写时间的非对称性。为此，普利高津提出了“内部时间”概念，他说系
统“态的时间非对称性质甚至无法用通常的‘外部’时间参量 t 去表达。为此目的，我们需要
一个新的时间概念，使我们能够谈到每一态的（平均）‘年龄’，这样的时间概念是由内部时
间算符 T 给出的。”内部时间 T 是相对外部时间 t 而言的，两者的区别在于，外部时间 t 是
人为引进的一个运动学参量，它不涉及物体的内部属性，是外在于物体的一个参照维度；内
部时间 T 是系统的内部变量，亦即物体的内部属性，它是对系统进化程度的量度，与系统
的熵相联系。因此，T 是演化时间，t 是运动参量；T 是热力学时间，t 是动力学时间；T 是
不可逆时间，t 是可逆时间；T 是算符，而 t 是实数。但是，内部时间 T 和外部时间 t 又是相
互联系的，普利高津指出，虽然时间算符 T 所表征的是系统的内禀性质，而不是外部的标
度时间，但时间算符的本征值与外部时间 t 相对应，T 和 t 的流逝保持同步，因而它们可以
用同样的钟去度量。
普利高津还试图给两种不同方向的时间之矢以统一的解释，即热力学第二定律指向的
退化的时间箭头和生物发生发展方向指向的进化的时间箭头。耗散结构理论揭示，热力学第
二定律虽然指明了任何系统演化的终态都是热平衡，但是，这并不意味着系统一直均匀地处
在混乱之中，事实上，它并不禁止有序结构的自发产生。在系统接近平衡态的线性区域里，

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