自然演化的方向

一、自然演化的方向

自然演化有两个特定的方向，即进化与退化。进化，是指由无序到有序、由简单到复杂、从低级到高级不断向前进步的方向；退化，则是指由有序到无序、由复杂到简单、从高级到低级不断退步的方向。从哲学上讲，进化与退化，这对范畴同有序与无序、可逆与不可逆、对称与破缺等范畴有着十分密切的联系。

1.序，有序与无序

“序”的基本词义为“排列”，可引申为一种规则的状态。但在现代科学中，“序”的概念不仅表现为空间结构的某种规则性，而且反映了时间演化过程的某种规律性。因此，广义的序是指时空结构的规则性，这种规则性既可用来描述自然系统的状态，也可以用来反映自然系统演化的过程。如某一系统的内部各要素的空间位置呈现有规则的排列，系统的变化过程有明显的周期性，系统的行为表现出一定的关联性等，即称该系统具有一定的序。与此相反，系统内部各组成要素之间混乱而无规则的组合及系统转化的无规则性称为无序。有序即意味着系统内部的某种组织性与确定性，无序则与系统内部的不确定性即混乱有关。

任何系统都是有序与无序的不同程度的辩证统一，这种统一的不同程度，就构成了系统的一定秩序，即有序度。事物或状态不同的有序度构成一系列的阶梯。如果系统向有序化发展，我们就说它的有序度愈来愈高；反之，如果系统向无序化发展，我们就说它的有序度愈来愈低。前者是从低级有序到高级有序的上升或进化过程，后者则是从高级有序到低级有序、再到更低级有序的下降或退化过程。

系统的有序度可以用不同的参量来描述和度量。例如，用“熵”表示系统的有序度。在热力学中，系统的熵S与相对应的微观状态出现的概率W成正比，即有

S＝K lnW。

式中，K是玻尔兹曼常数，W为系统状态出现的概率，而混乱程度愈高，出现的概率愈大。因此，这一公式表明系统的熵愈大，系统的结构愈无序；熵愈小，系统的结构愈有序。

又如，用信息作为系统的有序度。在信息论中，信息被看作是减少或消除不确定性的东西，因而信息量愈大，系统的结构愈有序；信息量愈小，系统就愈无序。计算信息量的公式为

即信息I为事件出现概率P的倒数的函数。这与前面计算熵的公式十分相似，不同的是信息量公式前面有个负号。因此，控制论的创始人N·维纳指出：“信息量是一个可以看作几率的量的对数的负数，它实质上就是负熵。”⁽¹⁾“信息量的概率非常自然地从属于统计力学的一个古典概念——熵。正如一个系统中的信息量是它的组织化程度的度量，一个系统的熵就是它的无组织程度的量度；这一个正好是那一个的负数。”⁽²⁾既然信息量是负熵，那么，信息量表示的是系统获得信息后无组织的混乱状态被减少或被消除的程度。所以，系统的信息量愈大，熵就愈小，系统的有序度就愈高。例如，人的大脑是一个具有复杂结构的系统，它包含着巨量的信息，因此，人脑是高度有序的系统。

再如，用序参量（order parameter）作为系统宏观有序度的状态参量⁽³⁾。它源于相变理论和协同学。序参量一般是可以测量的物理量，但也可能是某种抽象量。它可能是标量或向量，或为更复杂的量。序参量的存在表示系统所达到的有序化程度，随着控制参量趋于临界值，序参量会突然出现迅速放大，标志系统已达到某种有序的时空结构和功能行为，系统已运行于某种特定模式之中，或以这种模式自行组织起来并投入运转。

有序与无序是对立的统一。它们之间的区别是相对的而不是绝对的。任何自然系统不可能处于绝对有序或绝对无序的状态。一方面，没有离开有序的绝对无序，事物即使处于毫无秩序的混乱状态，其内部也包含着有序的因素，如分子的无规则热运动在宏观层次上却显示出一定的规律和秩序，具有一定的温度和压力，可以用统计规律来描述。绝对无序的系统是不存在的。另一方面，也没有无序的绝对有序，如人脑是一个高度有序的系统，但也并非绝对有序。人脑的进化并没有走到终点，它还要不断消除自身的无序，向更高的有序发展。热力学第三定律指出，绝对零度不可能达到，系统的熵不可能等于零。这也就是说，系统不可能完全有序。不过，对于某一具体系统，在确定了“零序面”之后，有序和无序便有了绝对的意义。比如，人们选择系统的熵的极值作为“零序面”时，便可用熵来定量描述系统的序；当取序参量为零的状态为“零序面”时，序参量的大小便成了序的绝对标度。

有序和无序是构成自然界的两极，一切实际系统都是这两方面的矛盾统一。只是在不同系统中具体情况不同，有的有序占主导地位，有的无序占主导地位，有的呈现难分难解的状态。非线性科学揭示出，混沌并不等于无序，它同时还包含有序的一面。系统在混沌区的行为绝非完全无序，而是还存在着倒分岔、周期窗口、自相似结构等精致的结构，这些都是有序性的表现，被称为“混纯序”，是一种嵌在无序中的有序，是一种复杂有序性。有序和无序不仅相互渗透，而且在一定的条件下可以相互转化。非平衡的自组织理论认为，一个远离平衡态的开放系统，其内部各要素存在着非线性相互作用以及导致有序的涨落，就能够从无序状态演化为新的稳定有序的结构。混沌理论进一步指出，系统不仅可能通过突变从无序转化为有序，也可能通过突变从有序转化为无序，转化的途径则是多种多样的。

2.对称与破缺

德国著名科学家H·魏尔在他撰写的《对称性》一书的开头一节中，引用了诗人A·威克海姆的诗句：

上帝，您伟大的对称性，

给了我动人心弦的渴望，

但忧伤亦同时来临。

呵，为了那已消逝的

无谓的时日，

请给我一个完美的东西吧！

不管诗人的本意如何，这几行诗却生动地刻画出了人们总是试图将对称性视作是与创造秩序、完美性等同的观念。其实，非对称性与对称性并非是绝对对立的，对称破缺也绝非是不美的、令人不满意的。

对称与破缺是与有序与无序相对应的一对范畴。所谓对称，是指在一定变换下的不变性。如可逆性过程的时间反演对称性（时间对称）、空间对称（结构对称）和功能对称等。最高的对称性就是在一切变换下都不变的状态。这样的状态实际上对应着无序。最对称的世界是没有任何秩序和结构的，没有任何特殊方向和特殊点，这是平衡态的特征。在完全对称的系统里具有无穷个对称元素，在这里一切对称操作都是允许的，反演不变的。宇宙起源于混沌、无序，起源于对称性。可以想象，宇宙在大爆炸前的混沌状态时，空间不分上下、前后左右，时间不分过去与未来，物质不分正反粒子与场，是完全对称的。W·K·海森堡就曾指出，物质的初始状态或“终极”的状态，是“由其对称性所决定的物质客体”，“在粒子的谱，及其相互作用以及宇宙结构和宇宙史基础上所建立的自然规律，可能取决于某种基本的对称性”⁽⁴⁾。

与对称相反，破缺是指在一定变换下所表现的可变性，或对称性的降低。它实际上是对应着系统的有序状态。复杂性和层次结构正是起源于某种对称性的破缺。自然界的有序是对称破缺的结果，正是由于对称破缺才使系统向有序化、组织化和复杂化演化。宇宙的演化，从最初的混沌状态到弥漫的星际物质再到形成星系、恒星、太阳系、地球、地球上的生命以至人类，就是一个从完全对称到对称性逐步丧失、非对称性逐步形成的过程。宇宙大爆炸学说和粒子物理学大统一理论就描述了这种过程。当大爆炸的最初瞬间，温度达到10³²开尔文时，存在着完整的对称性，夸克和轻子不可分，强、弱和电磁作用是统一的；当温度降到10²⁸开尔文时，对称性逐渐破缺，强相互作用分了出来，剩下弱作用和电磁作用的对称性，即弱电统一；当宇宙温度继续下降到10¹⁶开尔文，弱电统一也破缺了。在这一系列的过程中，宇宙的对称性在不断地降低，而有序程度却在不断提高。

生命的形成和演化，也是一个对称性破缺的过程。生物大分子包括各种无生命的氨基酸在内，无论从陨石中发现的还是用人工方法合成的，都有两种旋光异构体。一种是L型的（左旋的），另一种是D型的（右旋的），它们数目相等，是左右对称的。可是组成生命的最基本物质却是左右不对称的。在地球上生命蛋白质的组成中，其氨基酸几乎都是L型的。一旦错误地出现了D氨基酸，生物体就会合成一种酶去分解它。而生命体中的糖与糖苷，以及承担生命复制任务的核酸都是D型的，却没有L型的异构体。生命系统的许多功能都来自这种对称性的破缺。没有这种左右对称性的破缺就没有生命世界，正如没有质子与反质子的对称性破缺就没有实物世界一样。所以著名生物学家L·巴斯德在1860年出版的《关于分子不对称的研究》一书中断言：“生命向我们显示的乃是宇宙不对称性的功能。宇宙是不对称的……生命受不对称作用支配。”⁽⁵⁾

由此可见，自然界的演化就是一个不断发生对称性破缺的过程；自然界每发展到一个新的里程碑，都必有一个基本的物质的或相互作用的、时间的或空间的对称性破缺与之相适应；高度有序化、复杂化和组织化的系统，即是对称性逐步破缺过程的产物。据此，我们可以把对称破缺看作发展原理。发展的基本特征之一就是对称破缺和对称性的统一。对称破缺与否标志着系统的发展情况，系统的发展离不开破缺。因此，人们可以对事物的发展状况给出一定的判断标准，即这事物或系统是否发展，发展的快与慢，可以从对称性破缺的角度来判断，可以从对称破缺的程度来判断。但这种发展的方向是向上还是向下，要从对称程度判断。如果经过破缺之后，系统到达一个新的对称性，这种对称性是旧对称性破缺之后形成的，是对旧对称性的扬弃，那么，可以说，系统是朝着向上发展的方向发展的。如果对称性破缺之后，并没有新的对称程度更高的对称性产生，则是朝着向下发展的方向发展。研究表明，系统从无序走向有序时，对称操作和对称元素都会逐渐减少；相反，系统从有序走向无序时，对称操作和对称元素就会增加；系统处于混乱状态时，会有无穷多的对称元素，任何对称操作都是允许的。

3.可逆与不可逆，“可逆佯谬”

可逆与不可逆是自然演化过程中两种相互对应的状态。如果系统从某一状态转变到另一状态后，能够再回复到原来的状态，并且同时使系统的环境也回复到原状，这样的过程就是可逆过程；反之，倘若系统及其环境一经变化后，不能回复，这种过程就是不可逆过程。

通常，可用数学语言对可逆与不可逆作出精确的刻画。人们把映射：t→－t称为时间反演变换。如果描述一个过程的动力学方程在时间反演变换下保持不变，则称该过程是时间反演对称的，亦即为可逆过程。换言之，可逆性就是过程的时间反演对称性。例如，著名的牛顿方程就是时间反演对称的，它描述的质点运动是典型的可逆过程，运动轨线中的状态序列既可按t＝＋∞的方向展开，也可按t＝－∞的方向展开，两种过程具有相同的物理图像。这意味着系统的始态和终态、过去和未来是没有差别的。

如果描述一个过程的动力学方程在时间反演变换下不能保持不变，则该过程是时间反演不对称的，亦即为不可逆过程。换言之，不可逆性意味着过去与未来之间的时间对称性破缺。例如，描述热传导过程的傅里叶方程表现出时间反演的不对称性。它描述的是不可逆过程，意味着系统的始态与终态、过去与未来是不等价的。

19世纪50年代，在J·B·傅里叶关于热传导的不可逆性研究和卡诺关于理想热机效率与温度差有关的原理的基础上，经过进一步的数学演算和观念更新，R·克劳修斯和W·汤姆逊表述了更普遍、更一般的不可逆性原理，即热力学第二定律。R·克劳修斯的表述是：“热量不可能自动地从较冷的物体转向到较热的物体。”W·汤姆逊的表述是：“从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响是不可能的。”后来，R·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的定律：一个孤立系统的熵总是趋于增大。

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W·汤姆逊在爱丁堡皇家学会的年会上发表的著名讲演中，指出了这一困难。他说：“如果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，将会重返固体相接触的地方，并使运动物体抵抗它先前受到的力做反向运动。泥土将会再变成砾石，砾石将会恢复它们原来的参差不齐，最后重新结合成原先它们由之碎裂而成的山峰。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，真正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。”⁽⁶⁾

1876年，奥地利物理学家J·洛喜密脱提出“可逆佯谬”，揭示了关于微观可逆性与宏观不可逆性的矛盾。在微观世界里，分子运动服从牛顿方程，这是关于时间t的二阶微分方程，将t＝－t作时间反演，方程不变。每个分子运动都是可逆的，因为总可以找到一个逆过程把原来分子运动正过程的一切痕迹消去。这表明，分子的运动是可逆的。但另一方面，孤立体系的宏观自发过程却具有不可逆性，满足热力学的“熵增原理”。这里的“佯谬”是：为什么个体（粒子）具有可逆性，而整体（体系）具有不可逆性。这就要求人们对这一佯谬做出解释。

可逆与不可逆实际上反映了自然演化的状态对时间的关系，亦即可逆与不可逆直接涉及关于自然演化的一个带根本性的问题，即是否出现时间箭头的问题。

4.时间之矢

时间是与不可逆过程相联系的，是有箭头（方向）的。

我们知道，人们关于时间的观念在历史上已经历了几次重大的变革。20世纪以前，人们相信经典物理学的时间概念。以I·牛顿的“绝对时间”为代表，认为绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性，永远均匀地恒定地流动着，与物质系统运动的性质没有内在联系。时间仅仅是从外部描述运动的一个几何参量。在“绝对空间”S中与相对于它而运动的任何一个坐标系S′所测得的时间间隔都是相同的，亦即“同时性”是绝对的。并认为时间是对称的，它没有方向，没有箭头；它可以是正，也可以是负，未来与过去是等价的。

20世纪初，相对论彻底否定了I·牛顿的绝对时空观。A·爱因斯坦指出，时间和空间都是相对的，时间和空间并非与物质及其运动无关。相对论表明，时间和空间随物体运动速度的变化而变化，“同时性”是相对的，时空本身与物质及其运动密不可分；时间不再是系统演化的外部参数，而成了系统演化的内部因素。但A·爱因斯坦依然认为时间是可逆的，它没有方向，没有箭头。A·爱因斯坦说：“对于我们有信仰的物理学家来说，过去、现在和未来之间的分别只不过有一种幻觉的意义而已。”⁽⁷⁾

20世纪70年代，当英国宇宙学家S·W·霍金试图统一引力理论和量子力学时，又引入了“虚时间”（imaginary time）的概念。“虚时间”是时间乘以负一的平方根。在此，时间已失去了该词的通常含义；时间实际上类似于一个空间维而不仅仅是实时间。“虚时间”和空间的方向是不能互相分辨的。一个人能在“虚时间”中向前走，也能转身向后走，这意味着“在虚时间向前和向后的方向上不能有重要的不同”⁽⁸⁾。

但是，当人们看“实时间”时，就有向前向后的很大不同。严格地说，自然界中实际发生的过程都是不可逆的、有时间箭头的。自然界真实的物理图像是：不可逆过程才是无条件的、绝对的。因为任何系统都处于一定的时间和空间之中，都有其演化的历史，在进化的单行道上不允许走回头路。相反，可逆过程倒是相对的，是一种理想过程，是舍去了许多规定的抽象的形式。经典力学、电动力学、量子力学等运用可逆的物理方程描述客观世界，只是一种相对的、有条件的、简化了的认识，是忽略掉了不可逆性的真实过程的理论近似。俗话说：“光阴似箭”，时间像箭一样，是有箭头、有方向的。我们至少发现有以下几种“时间之矢”（arrows of time）：

①热力学、统计物理学的时间之矢，即熵增加的时间方向。如上面“可逆佯谬”所指出的，构成体系的粒子服从可逆的牛顿方程，具有微观可逆性，时间反演不变，没有时间箭头，但孤立体系的宏观自发过程却是一个不可逆过程，满足“熵增原理”，不具有时间反演不变性，具有时间箭头。于是，人们便把热力学中熵增加原理定义的时间箭头称为热力学箭头。美国学者E·詹奇说：“热力学引入了不可逆性，即过程的时间方向性，从而标志着向过程思维的转变。由于不可逆性，时间对称性被打破了，过去和未来被分割开来，宏观世界于是有了历史。”⁽⁹⁾

②生物学的时间之矢，即生物进化的时间方向。生物进化论表明，生物呈现由低级到高级、由简单到复杂的进化图景。这是一个复杂性不断增加的不可逆过程。生命世界的过去和现在不一样。因而时间是有方向性的。生物学的时间箭头指示的是有序的方向，它和热力学的演化的时间箭头相反。

③电磁学的时间之矢，即以振荡电磁所产生的电磁波的传播方向来表征时间的单方向性。实验表明，点源辐射球状电磁波只能向无限远传去，不能从无限远传来集中到一起为点源所吸收。这种由点源向外传播的电磁波称为“推迟波”，由无限远传来集中到一起被点源所吸收的电磁波称为“超前波”。电台发射的讯号总要推迟一段时间才能接收到。因此，总存在由“推迟波”定义的电磁学箭头。

④量子力学的时间之矢，即原子的自发辐射的时间方向。在原子内部，电子能从高激发能级自发地跃迁到低能级，而不能自发地从低能级跃迁到高能级。要使电子从低能级跃迁到高能级，必须受到外界的激发，从外界吸收能量。这是不可逆过程。这样，也就可以把自发辐射定义的时间箭头称为量子力学箭头。

⑤宇宙学的时间之矢，即自大爆炸开始的宇宙不断膨胀的方向。反映宇宙起源于大爆炸的宇宙学是具有时间方向性的，科学家通常把大爆炸宇宙论的宇宙解所定义的时间方向称为宇宙学箭头。

但时间之矢的问题是：各种时间箭头之间有没有联系？它们当中有没有最基本的时间箭头，可以利用这个箭头导出其他的一切箭头？美国天文学家D·雷泽尔、英国天文学家T·戈尔德、P·T·兰茨伯格等人认为，以宇宙膨胀的运动方向作为时间箭头应该是更普遍的。他们指出，宇宙学最根本的方程是引力场方程，加上大爆炸的初始条件后，选择了宇宙膨胀的解，产生了第一种宇宙不对称性，出现了宇宙学箭头。然后在宇宙膨胀过程中出现了辐射为主的状态，宇宙空间充满电磁辐射，产生了电磁学箭头；然后在自引力或其他各种不稳定性的作用下，物质出现局域聚集，出现物质为主的状态，演化为各种天体，发生统计的时间不对称性。最后，在个别天体上发生了生命赖以生存的条件，产生了生物学的时间箭头，等等。这就是说，宇宙中其他一切物质系统的时间方向性都是从属于大爆炸这个时间箭头的本原的，即都由宇宙大爆炸这个时间箭头派生而来的。P·T·兰茨伯格还认为，如果把宇宙的膨胀作为时间箭头，那么一个脉动的宇宙的观察者在宇宙收缩时就会有时间倒流的感觉⁽¹⁰⁾。

为了探讨各种时间箭头之间的联系，A·爱因斯坦也曾和一个名叫里兹的学者之间发生了一场具有启发性的争论。里兹认为，不是热力学箭头推导出电磁学箭头，而是由“推迟波”导出“熵增原理”。与之相反，A·爱因斯坦指出“时间箭头是完全同热力学关系联系在一起的”⁽¹¹⁾，由“推迟波”定义的电磁学箭头可由“熵增原理”定义的热力学箭头导出。他说：“发送信号在热力学意义上是一个不可逆的过程，是一个同熵增大有关的过程。”⁽¹²⁾

与不可逆过程相联系的时间对称破缺，具有重要的意义。它意味着，在有不可逆过程存在的情况下，自然界的演化才是可能的，质的多样性才是可能的。不可逆过程既可以导致有序结构的破坏，也可以导致更加有序结构的产生。因此，与不可逆过程相联系的时间箭头既可以指向退化的方向，也可以指向进化的方向。

自然界中实际发生的过程都是不可逆的、有时间箭头的。自然界真实的物理图像是：不可逆过程才是无条件的、绝对的。因为任何系统都处于一定的时间和空间之中，都有其演化的历史，在进化的单行道上不允许走回头路。相反，可逆过程倒是相对的，是一种理想过程，是舍去了许多规定的抽象的形式。经典力学、电动力学、量子力学等用可逆性的物理方程描述客观世界，只是一种相对的、有条件的、简化了的认识，是忽略掉了不可逆性的真实过程的理论近似。在这个意义上，著名物理学家D·玻姆说：“将自然规律描述成原则上完全可逆，只不过是实在的极度简化的表象的产物。”⁽¹³⁾I·普里戈金也说：“那许许多多塑造着自然之形的基本过程本来是不可逆的和随机的，而那些描述基本相互作用的决定性和可逆性的定律不可能告诉人们自然界的全部真情。”⁽¹⁴⁾局部的、暂时的可逆过程，并不否认自然界系统演化的不可逆性。

5.自然演化的方向：进化与退化

进化与退化，是标志自然演化趋势的范畴。进化，标志着自然事物由无序到有序、由简单到复杂、从低级到高级不断向前进步的发展趋势；退化则标志着事物由有序到无序、由复杂到简单、从高级到低级不断退步的下降趋势。

前已述及，经典热力学和生物进化论发现的单向过程并不一致。经典热力学中“时间之矢”朝下，趋向于无序状态和随机性；相反，在生物进化论中“时间之矢”朝上，趋向于在一定结构和功能方面的组织性更高层次。这一矛盾在科学界长期存在着，科学家们不得不为之所困惑。

英国著名哲学家、社会学家H·斯宾塞选择了生物进化论向上延伸的时间之矢，而对经典热力学内时间的持续衰变的效果不予理会。1862年，他在《第一原理》一书中，对于宇宙日益朝着美好的方向进化的前景，洋溢着意气风发的乐观主义。他写道：“进化只能以尽善尽美和极度幸福的建立为结局。”⁽¹⁵⁾

然而，经典热力学是不能被忽视的。1952年，英国物理学家W·汤姆逊指出，自然界中的机械能有着普遍趋于耗散和消失的倾向⁽¹⁶⁾。1865年，德国物理学家R·克劳修斯将热力学第二定律应用于宇宙演化，提出了著名的宇宙“热寂论”⁽¹⁷⁾。认为整个宇宙随着熵的不断增大，日益朝着退化的方向演变；宇宙中一切机械的、物理的、化学的、生命的等等运动形式都将转化为热运动形式，而热又总是自发地由高温部分流向低温部分，直至达到温度处处相等的热平衡状态（此时宇宙的熵趋于极大值）；宇宙一旦达到这一状态，任何进一步的变化都不会发生了，于是宇宙就进入到一个热的然而是“死寂的永恒状态”。在现代，N·维纳讨论了L·E·玻尔兹曼和J·W·吉布斯把统计学引入物理学的宇宙意义⁽¹⁸⁾。但他们都立足于平衡热力学，把不可逆的下降退化看作是自然界的普遍现象，把进化和上升看作只不过是局部的、特殊的现象。如在J·W·吉布斯的宇宙中，秩序是最小可几的，混沌是最大可几的，当整个宇宙趋于衰退时，其中就有一些局部区域，其发展方向看来是和整体宇宙的发展方向相反，同时它们内部的组织程度有着暂时的和有限的增加趋势，生命就在这些局部区域的几个地方找到了自己的寄居地并向上发展起来。

对于宇宙“热寂论”，恩格斯曾经作了这样的分析批判，第一，按照“热寂论”，“宇宙钟必须上紧发条，然后才能走动起来，一直达到平衡状态，而要使它从平衡状态再走动起来，那只有奇迹才行。上紧发条时耗费的能消失了，至少是在质上消失了，而且只有靠外来的推动才能恢复。因此外来的推动在一开始就必需的”⁽¹⁹⁾。这就是说，“热寂论”必定导致神秘的“第一推动”。第二，恩格斯指出，宇宙的运动在质上与量上都具有无限转化的能力，“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径”“重新集结和活动起来”，并预言往后的自然科学将“指明这一途径”⁽²⁰⁾。

英国物理学家J·C·麦克斯韦、德国物理学家M·普朗克和M·玻恩则指出，“热寂论”是对孤立系统的认识中导出的热力学第二定律不加限制地推广到整个宇宙的结果。J·C·麦克斯韦和L·E·玻尔兹曼还意识到自然界中存在着与熵增加相拮抗的事实，并试图说明这种机制。1871年，J·C·麦克斯韦在《热的理论》一书中提出著名的“麦克斯韦妖”（Maxwell摧s demon）的理想实验⁽²¹⁾：假定一个温度为T的容器被分成A、B两部分，在这两部分的分界面上开一小洞，再设想有一个能看见单个分子的“小妖”（demon）把守着洞门，它只让速度v超过某个值v c的分子由A通过小洞跑到B，速度v＜v_c的分子从B通过小洞走向A。于是，其结果是容器B中速度大的分子越来越多，容器A中速度小的分子越来越多。这样，容器B的温度升高，容器A的温度降低，即形成有序的温度差，从无序的高熵态走向有序的低熵态，摆脱了热平衡的混沌。这就是说，“麦克斯韦妖”能对抗熵增加的过程。1895年，L·E·玻尔兹曼提出了以他名字命名的涨落假说⁽²²⁾。按照这一假说，热平衡态总伴随有涨落现象，后者是不遵从热力学第二定律的。L·E·玻尔兹曼认为，在宇宙的某些局部可以偶然地出现巨大的涨落，在那里熵可以不增加，甚至减少。

1929年，德国物理学家L·齐拉德在德国《物理学期刊》发表“精灵的干预使热力学系统的熵减少”一文，证明“麦克斯韦妖”其实是个有智力的存在物。他有“记忆”和“储存”的能力，否则就无法考察分子的速度是大于v_c还是小于v c。其次，他能够“识别”，即能从分子中获得信息，并加以区分，从众多的分子中分辨出哪些分子的速度比v_c大，哪些比v_c小。而这些功能，或者说，这些判别过程，涉及信息的交换与传递，也涉及熵的变化。由此他提出了“负熵”（negative entropy）⁽²³⁾这个经典热力学中从未出现过的概念⁽²⁴⁾。1944年，德国物理学家E·薛定谔在《生命是什么》一书中指出，如果有一种机构，它是一个开放系统，能够不断地从外界获得并积累自由能，它就产生“负熵”，生命有机体就是这种机构。E·薛定谔写道：“要摆脱死亡，就是说要活着，惟一的办法就是从环境中不断地汲取负熵”，并提出“有机体就是以负熵的为生的”⁽²⁵⁾的著名论断。

至此，人们终于搞清楚了进化与退化两个过程之间的冲突（两种时间之矢）只是表面现象。进化的系统不是封闭系统，宇宙过程并不将时间之矢指向宇宙热寂状态。

对于进化和退化，只有在两极的对立统一之中才能真正把握。在恒星的生生不灭的演化中，有上升的过程，也有下降的过程，重元素由轻元素合成，也可以重新分解为轻元素。生物进化具有不可逆性，灭绝的物种不可能重新出现，但是生物进化之中也有退化，一些结构和功能的进化，同时也就意味着另一些结构和功能的退化；返祖现象的出现，也是生物进化之中的退化。