三 自然界演化的方向

我们每天都可以看到自然界的各种变化：旭日东升，夕阳西下，天有阴晴，月有圆缺，春花怒放，秋叶归根，莺歌燕舞，流水潺潺。自然界更有许多变化是我们用眼睛看不到的。宇宙在膨胀，大陆在漂移，粒子在自旋，通过介子的交换，质子变中子，中子变质子，等等。万物皆变，生生不息。

自然界的变化呈现一定的方向，进化是其基本的方法，是和谐的表现。

“方向”是描述运动变化的一个概念，指自然运动会自发向某种状态变化。方向性是自然运动规律性的一个基本表现。

“方向”一词来源于日常生活用语，是空间方位的概念，通常指的是空间方向，如东南西北。我们在这儿所说的“方向”，超出了空间位置的范畴，是自然运动的“指向”——朝某种方向变化。方向概念强调的不是起点，而是终点。自然运动最后总要达到某种状态；至于起点是什么状态显得并不重要。在这点上，方向性概念同目的性概念颇为相似。自然界的变化并没有预定的目的，更没有什么上帝安排的目的。但自然变化一般都会有一种趋势，总要朝某一种状态变化，好像在追求一个目标。如果这是一种“目的”，那么这也是自然界自行选择的结果。

既然方向概念不局限于空间方位，那就应当对方向作广义的理解。例如现代宇宙学有一条基本假设：各向同性，即宇宙空间在各个方向上是完全相同的。但目前我们所观测到的宇宙在膨胀，这本身就是一种变化的方向。自然变化在一种意义上没有明显的方向性，在另一种意义上却有鲜明的方向。

方向性是自然变化的一种内在的本质属性。如果所有事物的变化始终都杂乱取向，一直都像花粉的布朗运动，那么整个自然的变化就毫无规则可言。如果运动没有一定的方向性，运动就不可能发生。 14世纪中叶，法国哲学家布里丹讲了一个故事：一只毛驴看到它左右两边有两捆相同的草，两捆草同它的距离也相等。这只毛驴没有能力决定它究竟应当吃哪一捆草，左右为难，最后竟饿死在这两捆草之间。这只毛驴的吃草行为缺乏方向性，竟使这种行为无法发生。现代物理学提示我们，布里丹毛驴的困境同对称有关。空间是对称的，在所有方向上都完全相同。因此，一个孤立的粒子如果没有受到任何外界作用，就不可能运动。它不可能选择任何方向，就不可能朝任何方向运动。

对称是物理学的一个重要概念，杨振宁说“对称性支配相互作用” 。 对称指物体的形状或运动经过一定变换而保持的不变性。如几何图形的形状，同其镜中图像的形状相同，就称镜像对称。镜像对称同方向有密切关系。正方形每转动90°保持不变，等边三角形每转动120°保持不变，正圆无论转动什么角度都保持不变。结构越简单，对称性越高。空的空间是最简单的结构，所以它转动时不会有任何改变。空的空间在所有的方向上都相同。物理学中的内特尔定理指出，如果运动规律在某一变换下具有不变性，必然相应地存在着一个守恒定律。空间各向同性可直接推导出角动量守恒定律。如果有一个空间方向同其他方向不同，那就是空间对称的破缺。对称性的破缺就使运动变化具有方向性。

时间也有方向性，时间箭头总是从现在指向未来。时间的不可逆性是自然界变化不可逆性的反映。所谓可逆，指自然系统经过变化以后又回到了原来的状态，而不引起环境的任何变化。可逆性概念强调的是回到原来的状态，至于经过什么样的过程并不重要。如果系统经过变化后，引起了环境的变化，再也不能完全复原到原来的状态，那就是不可逆性。

长期以来，科学家都认为自然界在本质上是可逆的。对于牛顿力学方程来说，时间取正值或负值都没有什么区别。我们应用牛顿力学可以从现在推导未来，也可以从现在追溯过去。克劳西斯指出，气体的扩散，热量从高温物体流向低温物体，机械运动向热运动转化都是自发的过程，实际上是不可逆过程。能量守恒与转化定律所描述的宇宙是可逆的，熵增原理所描述的宇宙则是不可逆的。 1930年，普朗克把自然界运动变化分为两大类：可逆过程和不可逆过程。可逆过程在时间上是对称的（时间反演对称），属“存在物理学”范畴；不可逆过程（时间反演不对称）属于“演化物理学”。

普里高津认为，在传统物理学中，时间是静态的、对称的、可逆的，现代科学则要重新出现时间箭头。他认为不可逆性是有序之源。他说：“在我年轻的时候，我就读了许多哲学著作，在阅读柏格森的《创造进化论》时所感到的魔力至今记忆犹新。尤其是他评注的这样一句话：‘我们越是深入地分析时间的自然性质，我们就会越加懂得时间的延续就意味着发明，就意味着新形式的创造，就意味着一切新鲜事物连续不断地产生。’这句话对我来说似乎包含着一个虽然还难以确定，但是却具有重要作用的启示。”“时间不再是一个简单的运动参数，而是在非平衡世界中内部进化的度量。”

可逆与不可逆是相互联系的。可逆是相对的，不可逆是绝对的。严格说来，自然界所发生的所有实际过程都是不可逆的，可逆过程是有条件的，常常是理想化过程。自然界从总体上来看不可逆，但又存在着局部的可逆。不可逆是可逆的前提与基础。自然界的变化是一个螺旋式上升的过程。从一个角度看，是波浪式前进的过程；从另一个角度看，又显示出循环的特征。

自然界的演化具有众多的方向。美国物理学家费因曼根据他对量子力学不确定原理的理解，认为宇宙有多种历史。从理论上讲，粒子从A运动到B不是像牛顿力学所说的只有一条路径，而是有许多可能的途径。霍金说：“宇宙应该拥有所有可能的历史，每种历史各有其概率。宇宙必须有这样的一种历史，伯利兹囊括了奥林匹克运动会的所有金牌，虽然也许其概率很小。”

在诸多的可能方向中，经过一段变化后，就会出现一个主导方向，即概率最大的方向。费因曼认为，粒子的运动虽然有无数可能的途径，但只有一条路径是重要的，这条轨道正是在牛顿经典运动定律中出现的那一个。在费因曼模型中，保证了除了一个路径外所有路径的贡献在求和时都抵消了。这个运动方向实现的概率是如此之高，以致人们常误以为运动只有一个方向。

自然界的变化既有确定性，又有不确定性。有一个主导方向，这是确定性；有无限个可能方向，这是不确定性。确定性来自不确定性。最初运动也许是杂乱取向，后来逐渐形成了一个优势方向，便开始出现了有序结构。例如，磁性是由磁体中微小的环形电流形成的，每个分子都是一个小磁体。物体未被磁化时，分子磁体各指东西，相互抵消，所以不表现为磁性。在磁化体中，分子磁体有序排列，就产生了磁的作用。

恩格斯说，从麦粒到麦株再到麦粒，这是大麦变化的“惯常行程”，也就是大麦变化的方向。但麦粒不是必定要成为麦株的。这说明自然物变化的主导方向一般是由其内在本质（内因）决定的，在一定条件下具有必然性。而运动从主导方向转向非主导方向，常常是外部环境（外因）作用的结果，偶然性就扮演了重要的角色。在关于人工自然的一讲中，我们将说到正是由于自然运动具有许许多多可能的方向，可能出现许许多多不同的状态，这才为我们人类改造自然的活动提供了一望无边的广阔舞台。

自然界具有层次性，所以自然变化的方向也有层次性。有整体的方向，也有局部的方向；有过程的总方向，也有各个阶段的方向。总之，有大方向也有小方向。大小方向有时一致，有时不一致。各个小方向也常常互不相同，这正是自然发展曲折性的表现。因果链条是由许多环节构成的，每个环节都有一定的功能和效果，各个环节的作用方向可能一致，也可能不一致，甚至完全相反。例如山猫和野兔构成一个生态系统，野兔吃草，山猫食兔。山猫与野兔数量的变化形成如下因果链条：山猫增多 野兔减少 山猫减少 野兔增多。所以我们对大小方向都应当有所认识。

一般说来，大方向决定小方向，小方向服从大方向。要素可以有自己的小方向，但又遵守系统的大方向。前进的道路是弯曲的，每个弯曲都有自己的小方向。大弯曲里有小弯曲，所以小方向里还有更小的方向。这些小方向又互相抵消，所以许多小方向的综合，便形成了大方向。 ieiJO1/fTEyfXzKa0sHXEglShpWUDNQlz2uiWz6u7J1eIj8ET7HJh6eWO4HDCU+r