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翔宇沙龙

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《从混沌到有序》5

2006-09-18 22:46:03|  分类: 翔宇沙龙 |  标签: |举报 |字号 订阅

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导论:对科学的挑战

  1
  1686年4月28日是人类历史上最伟大的日子之一,这样说并不夸张。牛顿在这一天向伦敦皇家学会提出了他的《自然哲学之数学原理》。这部著作总结了运动的基本定律,清晰地表述了质量、加速度、惯性等这样一些我们至今仍在使用的基本概念。影响最大的恐怕要算这部《原理》的第三编,即《论宇宙系统》(The System of the World),因为其中包含了对万有引力定律的叙述。与牛顿同时代的人立刻抓住了该书的这个突出的重要之点,无论在伦敦还是在巴黎,“引力”成了人们谈论的主要话题。
  从牛顿的《原理》到现在,已经过了三个世纪。科学以难以置信的速度得到了发展,越来越深入我们的生活。我们的科学视野已大到简直是异想天开的地步。在微观范围内,基本粒子物理学所研究的过程已涉及到10-15厘米和10-22秒数量级的物理尺度。而在宇观范围内,宇宙学却把我们带到1010年的数量级,即所谓“宇宙的年龄”。科学与技术的联系比以往任何时候都更加紧密。生物工艺学和信息技术的新进展以及其他一些因素,将使我们的社会生活发生根本的变化。
  与这些量的增长相提并论的是质的深刻变化,其反响不仅远远超出科学的本来意义,而且还影响到自然界的形象。西方科学的伟大奠基者们强调自然定律的普适性和永恒性,他们要表述的是符合真正理性理想的普遍图式。正如罗杰·豪歇尔(Roger Hausheer)在艾赛亚·伯林(Isaiah Berlin)的《反潮流》(Against the Current)一书的导言中极好地表述的那样:“他们寻求包罗万象的图式,普适的统一框架,在这些框架中,所有存在的事物都可以被表明是系统地,即逻辑地或因果地相互连接着的。他们寻求广泛的结构,这结构中不应为‘自然发生’或‘自动发展’留下空隙,在那里所发生的一切,都应至少在原则上完全可以用不变的普遍定律来解释。”
  围绕这一问题所发生的故事相当富有戏剧性:有过好几次这样的时刻,似乎寻找普遍图式的雄伟计划已接近完成了,一种基础级的东西似乎已经露出了地面,物质的一切性质都可以从这个基础上推演出来。提到这种时刻,人们会想起玻尔对原子模型的著名的表述,他的原子模型把物质归纳成由电子和质子组成的简单的行星系统。另一次大振人心的时刻是当爱因斯坦想把物理学的一切定律都浓缩到一个“统一场论”中去的时候发生的。当时,在统一那些在自然界中已被发现的几种基本力方面,确实取得了很大进展。然而,这个基本层次的东西毕竟只是一个幻象。无论向哪里看去,我们发现的都是演进、多样化和不稳定性。令人惊奇的是,在所有层次上,无论在基本粒子领域中,还是在生物学中,抑或在天体物理学中(它研究膨胀着的宇宙以及黑洞的形成),情形都是如此。
  正如我们在序言中所说的,人们对自然的看法正在经历着一个向着多重性、暂时性和复杂性发展的根本变化。奇怪的是,在自然界中发现的意想不到的复杂性并没有减缓科学的前进,恰恰相反,它促成了一些新的概念结构的产生,这些新的概念结构正是我们今天认识物质世界(包括我们自己在内的世界)所必需的。我们要在这本书中加以分析的,正是这种在科学史上不曾有过的新形势。
  我们在有关科学和自然的概念上的转变,很难和另一个情节分开,这就是科学所带来的感情。伴随着每个新的智能计划,总会出现新的希望、恐惧和期待。经典科学中所强调的是一些与时间无关的定律。我们将看到,一旦测量出某个系统的特殊状态,就会提出一些可逆的经典科学定律来,以决定该系统的未来,恰如这些定律已经确定出该系统的过去一样。对于在变化着的现象背后所隐藏的某个永恒真理的探求,自然唤起了我们的热忱。但是用这样的方法描述的自然,事实上是被贬低了,这又使我们受到了打击,因为正是由于科学的成功,自然被证明只是一部自动机,一个机器人。
  从古希腊原子论者的时代起,在西方思想中便出现了一种冲动,想把自然界的多样性归结为一个由幻象结成的蛛网。卢克莱修跟随在他的老师德谟克利特和伊壁鸠鲁之后写道,世界“不过”是原子和虚空,并且要我们去寻找那些隐藏在表面现象背后的东西。他说:“然而,请承认那些你必须允许它们在这世界中存在却又看不见的粒子,免得你会不相信我的话,因为人眼是无法感知这些基本物体的。”
  但是,众所周知,驱使希腊原子论者工作的动力并不是贬低自然,而是要使人们从恐惧中,从对任何超自然物的恐惧、对任何凌驾于人和自然之上的秩序的恐惧中解放出来。卢克莱修一遍又一遍地重复说,我们没有什么可怕的,世界的本质就是原子在虚空中的不断变化着的结合。
  现代科学把这一基本上是伦理学的态度转变成看上去像是一种已有真理的东西,而这个真理,即把自然归结为原子和虚空的说法,又进一步引出了莱诺伯(Lenoble)称之为“现代人的忧虑”的情形。我们怎能在这随机的原子世界中认出我们自己呢?科学一定是根据人与自然决裂这种思想定义的吗?“一切物体,苍穹、星辰、地球及其王国,都不等同于最低级的思维,因为思维在自身中知道所有这些物体,而这些物体却什么也不知道。”这个帕斯卡的“箴言”表达的是同样的疏远感情,这种疏远感情我们在当代科学家如雅克·莫诺(Jacques Monod)那里也找到了:
  人类一定会从千年的梦幻中苏醒过来;这样,人类就会发现他自身是完全孤独的,与外界根本隔绝的。他最后会认识到,他就像一个吉普赛人那样生活在异国他乡的边境上。在那个世界里,对他所弹奏的音乐是充耳不闻的,对他的希望、苦痛和罪恶也是漠不关心的。
  这是一个佯谬。分子生物学中的一个辉煌成就,即莫诺积极参与的对基因密码的破译,却以悲剧的调子告终。我们懂得了,正是这个进步才使我们成为宇宙的吉普赛人。我们怎样解释这个局面呢?难道科学不是一种交流的手段,不是一种人与自然间的对话吗?
  在过去,人们常常指出在人的世界和被想象得完全不同的自然的世界之间有着巨大的差异。维科(Vico)在其《新科学》(The New Science)里有一段著名的话,十分生动地描写了这一点:
  ……在那包藏着最古老的古董的漆黑之夜,在离开我们如此遥远的地方,闪耀着永恒的、永不衰竭的真理之光。毫无疑问,文明社会的世界肯定是人创造的,因此它的原理是在我们人的思维的改变之中发现的。无论是谁,只要想到这点,就禁不住感到惊奇:哲学家们竟会倾其全部精力去研究那由上帝创造的因而也只有上帝自己才能认识的自然世界,他们竟会忽略对各个国家所组成的世界(或民众世界)的研究,而这是人创造的世界,因而人能够去认识它。
  今天,研究工作使我们距离人与自然的对立越来越远,本书的主要目的之一就是要说明,代替这两者的决裂和对立的,是我们关于人的认识与自然的不断增长着的一致性。
  2
  在过去,人们对自然的发问是采用极为多种多样的形式的。修谟人发明了写字,修谟的牧师们曾经推测:“未来”可能是以某种隐匿的方式写在现在发生在我们周围的事件之中的。他们甚至把魔术的因素与推理的因素混合起来,使他们的这种信念系统化。在这种意义上,我们可以说,十七世纪建立起来的西方科学仅仅是打开了人与自然间的永不完结的对话的新篇章。
  亚历山大·柯伊莱是用所谓“实验”的术语来定义近代科学所带来的发明创造的。近代科学的基础在于发现与自然进行通信的新的特殊形式,也就是说,在于相信自然界能够对实验所提出的问题作出响应。我们怎样才能更精确地定义这个实验的对话呢?实验并不只是对所发生的事实进行忠实的观察,也不只是寻找诸现象之间的经验联系,而且还事先提出一种假设,假设在理论概念与实际观测之间有着某种系统的相互作用。
  当科学家们提出那个需要自然作出答覆的问题,而发现他们能够看到这个谜底是多么吻合的时候,他们以数百种不同的方式表达了他们的惊奇。在这种意义上,科学像是两个对手之间的赌博,在这场赌博中我们不得不猜测某个现实的行为,而这些行为与我们的信念、我们的抱负、我们的欲望无关。自然界不可能听任摆布地说那些我们要它说的话,科学研究不是独白。正因为卷入了冒险,才使这场赌博变得无比紧张和惊心动魄。
  但是,西方科学的独到之处远远不是这种方法论的考虑所能描述无遗的。卡尔·波普尔(Karl Popper)在讨论科学理性的正统描述时不得不承认,在最后的分析中,合理的科学把它的存在归功于它的成功。科学方法之可用仅仅是由于我们事先想象的模型与实验的结果惊人地一致。科学是冒险的游戏,但它好像已经发现了一些问题,对于这些问题,自然所给出的答案是始终如一的。
  西方科学的成功是个历史事实,是不可先验地预言的,但又是不可被抹煞的。现代科学的惊人成功已经导致我们与自然的关系上发生了不可逆的转化。在这个意义上,可以合法地使用“科学革命”这个词儿。人类的历史是由一个又一个转折点所标记的,是由一些导致了不可逆变化的场景的奇特衔接所标记的。这种关键事件之一就是“新石器时代的革命”。不过在那里,也像“选择”标志着生物进化的情形一样,我们在今天只能通过推测的方法去进行。而在科学进化中,却有着关于各个决定性事件的丰富的资料。所谓“新石器时代的革命”经历了几千年。概略地说,科学革命是三百年前才开始的。我们有一个像是唯一的机会来理解促成这场革命的“偶然性”与“必然性”的特殊而明了的混合。
  科学开创了与自然的一次成功对话。另一方面,这次对话的首要成果就是发现了一个沉默的世界。这就是经典科学的佯谬。它为人们揭露了一个僵死的、被动的自然,其行为就像是一个自动机,一旦给它编好程序,它就按照程序中描述的规则不停地运行下去。在这种意义上,与自然的对话把人从自然界中孤立出来,而不是使人和自然更加密切。人类推理的胜利转变成一个令人悲伤的真理,似乎科学把它所接触到的一切都贬低了。
  近代科学使它的反对者以及部分支持者都感到恐惧。反对者把它看作是致命的危险,支持者从科学所“发现”的人的孤独中看到了必须为这个新理性付出的代价。
  与经典科学相连的文化上的动荡不安至少可以部分地说明科学在社会中所处位置不稳定的原因。它引起了对于理性的那些很难捉摸的含义的一种大胆的臆测,但它也招致了严厉的拒绝。稍后,我们再回过头来论述当代的反科学运动。现在让我们举一个较早一点的例子,即1920年德国的非理性运动,它构成了量子力学的文化背景。在与因果性、决定论、约化论以及理性等这样一些概念相等同的科学的对立面,有一个思想的狂潮,这些思想被科学所否定,但却被看作是自然界基本非理性的体现。于是,生命、命运、自由、自发性便成了一个不通情理的阴暗地狱的种种表现。用不着深入到使这种对科学的排除运动得以十分激烈的特殊的社会政治背景中去,我们就可以肯定,它说明了与经典科学相伴的危险。对于人们认为有意义的一组经验,只允许有一种主观的含义,这样一来,科学就冒着赋予生命、命运、自由、自发性等以一种讨厌的动力而把它们推向非理性王国中去的危险。
  如李约瑟所强调过的那样,西方思想总是在两个世界之间摆动,一个是被看作自动机的世界,另一个是上帝统治着宇宙的神学世界。李约瑟把这称为“典型的欧洲痴呆病”。事实上,这两种观点是联在一起的,自动机需要一个外部的上帝。
  我们当真必须作出这种悲剧的选择吗?我们一定要在导致疏远的科学与反科学的形而上学自然观这两者之间进行选择吗?我们认为,这样的选择不再是必要的了,因为科学今天所经历的变化产生了一种从根本上说是新的形势。最近的科学进化给我们一个独有的机会去重新考虑它在总的文化中的地位。近代科学起源于欧洲十七世纪这样一个特殊的历史环境。现在我们正接近二十世纪末,看来,科学为我们带来某种更加普适的信息,这信息关系到人与自然以及人与人之间的相互作用。
  3
  什么是经典科学的假定,使我们由这些假定而相信科学今天已经解放了它自己呢?一般说来,这些假定是以这样的基本信念为中心的,即相信在某个层次上世界是简单的,且为一些时间可逆的基本定律所支配。今天看来,这是一种过分的简单化。我们可以把它比作是把一些建筑物归结为几堆砖。然而用同一些砖,我们可以建成一座工厂,一座宫殿,或一座教堂。从建筑物整体的层次上,我们把它理解为一个时间的创造物,理解为某种文化、某种社会、某种风格的产物。但是,这里还有一个明显的问题:由于没有谁要去建造大自然,我们必须对它的所谓“砖”(就是说对它的微观活动性)给出一种描述,以便说明这个建造的过程。
  经典科学的问题所在,就是它在其自身之中说明了在西方思想史中贯彻始终的两分性。用柏拉图的表达方法,只有那不变的思想世界才被传统地认为是“智慧的阳光所照亮的”。在同样的意义上,只有永恒的定律才被看作是科学理性的表示。暂时性则如同幻影一般受到歧视。今天这已不再是真的了。我们已经发现,不可逆性远不是什么幻影,而是在自然界中起着重要作用,并且处在大多数自组织过程的始端。我们发现我们自己处在一个可逆性和决定论只适用于有限的简单情况,而不可逆性和随机性却占统治地位的世界之中。
  对时间和复杂性的排除是经典定义上的科学事业所引出的文化争端的中心。这些概念的挑战对于我们要描述的科学形变而言也是有决定意义的。阿瑟·爱丁顿在他的巨著《物质世界的本性》(The Nature of the Physical World)一书中,引入了第一级定律与第二级定律的区分。“第一级定律”控制着单个粒子的行为;“第二级定律”可适用于原子或分子的集合。坚持第二级定律,就是强调对基本行为的描述还不足以把系统作为一个整体去认识。按照爱丁顿的看法,第二级定律的一个杰出范例,就是在物理学上引入“时间之矢”这个概念的热力学第二定律。爱丁顿写道:“从科学的哲学观点来看,我认为,与熵相连的概念一定会被当作十九世纪对科学思想的伟大贡献。因为它标志了对科学需要加以注意的任何事物都是用对客体的微观解剖来发现的这样一种观点的反动。”今天,这个趋势已被戏剧般地加以扩大。
  近代科学的一些最伟大的成功确实是在微观的(即分子、原子、基本粒子的)层次上发现的。例如,分子生物学由于分离出在生命机制中起根本作用的特殊分子而获得了巨大的成功。实际上,这个成功是如此地压倒一切,以致对许多科学家来说,研究的目的,按爱丁顿的说法,已经变成“对客体的微观解剖”了。然而,热力学第二定律向这样的一种自然概念(它消除复杂性并把复杂性约化为某个隐藏着的世界的简单性)第一次提出了挑战。今天,我们的兴趣正从“实体”转移到“关系”,转移到“信息”,转移到“时间”上。
  这个观点上的改变并不是出自某种武断。在物理学里,它是由那些谁也不可能先知的新发现强加给我们的。谁曾预料过大多数的(而且也许是所有的)基本粒子被证明是不稳定的呢?谁曾期望过,对膨胀着的宇宙的实验验证,使我们能去想象整个世界的历史呢?
  在二十世纪末,我们学会了更好地理解曾为当代物理学定形的两次伟大革命(量子力学和相对论)的意义。这两次伟大革命的起始点是试图对经典力学进行校正并把新发现的两个普适常数纳入其中。今天,局面已经改观。量子力学为我们给出了描述基本粒子不断相互转化的理论框架。同样,广义相对论已经成为使我们能够描述我们宇宙早期热史的基本理论。
  我们的宇宙具有一个多元论的复杂特点。结构可能消失,也可能出现。就我们所知,有些过程能够用决定论的方程很好地描述,但另一些却涉及概率过程。
  那末,我们怎么能克服这些概念间的明显的矛盾呢?我们生活在一个单一的宇宙之中。我们将看到,我们正在开始对这些问题的意义进行估价。而且,我们现在对我们观察和描述的各种现象所赋予的重要性,和经典物理学对它们所赋予的重要性相比,有相当大的差别,甚至是正好相反。我们已经提过,在经典物理学中,基本的过程被认为是决定论的和可逆的。涉及随机性和不可逆性的过程则被认为是例外。今天,我们在各处都看到不可逆过程所起的作用,看到涨落所起的作用。在我们看来,经典物理学所考虑的模型只是在一些有限的场合发生的,有些场合我们能够人为地造出来,比如把物质放入一个盒子里,然后等待其达到平衡态。
  人为的过程可以是决定论的和可逆的。自然的过程包含着随机性和不可逆性的基本要素。这就导致了一种新的物质观,在其中,物质不再是机械论世界观中所描述的那种被动的实体,而是与自发的活性相联的。这个转变是如此深远,所以我们在序言中指出,我们真的能够说到人与自然的新的对话。
  4
  本书讨论从经典科学的黄金时代到今天的科学上的这个概念的变迁。为描述这一变迁,我们可以选择多种方法。我们可以研究基本粒子问题,我们可以追溯近来在天体物理学中的引人瞩目的进展。这些都是可能为科学划出前沿的题目。但是我们在序言中说过,在过去的几年中,就在我们这个层次上发现了自然界如此繁多的新特点,以致我们决定就集中到这个中间层次上,集中到基本上属于我们宏观世界(包括原子、分子,特别是生物分子)的一些问题上。还应强调,在各个层次上,无论是基本粒子、化学、生物学或宇宙学的层次上,科学的进化是在一些差不多平行的线上进行的。在每个领域,自组织、复杂性和时间都起着一种新的意想不到的作用。
  因此,我们的目的是从一个确定的观点出发,考察三个世纪来科学进步的意义。在我们选择我们的材料的方法上,无疑含有主观的因素。时间的问题确实是我们研究的中心所在,我们当中的一个人已经从事这个研究一辈子了。当他还是个青年学生,在布鲁塞尔大学初次接触到物理学和化学的时候,使他感到惊奇的是,科学对于“时间”竟谈得如此之少,特别是因为他的早年教育主要是以历史和考古为中心的。这种惊奇可能把他引导到两种态度上去,关于这两种态度我们都找到了过去的例证。一种是抛弃这个问题,因为在经典科学里看来是没有“时间”的位置的;另一种态度就是去寻找理解自然的其他途径,在其中时间将起着不同的但更为根本的作用。我们只要举出我们时代的两位哲学家为例,柏格森和怀特海就选择了这样的道路。前者的见解被称作“实证主义”的,后者的见解叫作“形而上学”的。
  但是,这里还有第三条道路,就是要问一问,在物理学和化学中惯常考虑的时间演化的简单性,是不是由于这样的事实,即把注意力主要放到了某些非常简单化的场合,放到了我们提过的砖堆上而不是教堂上。
  本书分为三部分。第一部分讨论经典科学的胜利以及这个胜利所带来的文化上的后果。最初,科学受到了热情的恭维。随后,我们将叙述文化上的两极分化,它是经典科学的存在及其惊人的成功所带来的结果。这一成功是被当作成功(也许要限制其含义)来接受呢,还是一定要把科学方法本身当作偏见或错觉而加以拒绝呢?两种选择都导致同一结果——通常所说的“两种文化”即自然科学与人文科学之间的抵触。
  自从经典科学形成以来,这些问题在西方思想中起着基本的作用。我们一而再、再而三地遇到这个问题:“怎样选择?”在这个问题中,艾赛亚·伯林已经正确地看出了自然科学与人文科学之间分裂的起点:
  特殊和唯一对重复和普适,具体对抽象,永恒的运动对静止,内部对外部,质对量,受文明制约的对无时间限制的原则,作为人的一种永恒状态的精神奋斗与自我改造对和平、有序、最终谐和以及人类一切合理希望得到满足的可能性(及合意性)——这些就是形成对比的一些方面。
  我们花了很大篇幅讨论经典力学。的确,从我们的观点来看,这是最有利的要点,从这个要点我们可以细看当今科学的变化。经典力学以特别清楚和显著的方式表达了静止的自然观。这里,时间显然被约化为一个参数,未来和过去是等价的。诚然,量子论已经提出了许多经典动力学未能解决的新问题。但它仍然保留了不少经典动力学的概念立场,尤其是对时间和过程而言。
  早在十九世纪初,正当经典科学获得胜利,牛顿的纲领统治了法兰西科学而法兰西科学又统治了欧洲的时候,对牛顿结构的首次威胁就已经隐约可见了。在我们研究的第二部分里,我们将从傅里叶表述热传播定律时的第一次挑战开始,跟踪牛顿引力学说的对手——热学的发展。实际上,傅里叶的热传播定律就是对经典力学中某个不可想象的事物即不可逆过程的第一次定量的描述。
  热学的两个后代,即能量转换的学说和热机的学说,产生了第一个“非经典”的科学——热力学。热力学的最初始的贡献就是著名的第二定律,它在物理学中引入了时间之矢。这个引入是更全面的知识进步的一部分。十九世纪真是进化的世纪,生物学、地质学和社会学都强调了演化的过程,即不断增加着复杂性的过程。至于热力学,它的产生正是基于对两种过程的区分:与时间的方向无关的可逆过程和与时间的方向有关的不可逆过程。我们将在后面看到它们的一些例子。正是为了区分这两种过程才引入了熵的概念,因为熵的增加仅仅是由于不可逆过程。
  在十九世纪,热力学变化的终态是科学研究的重点,这是平衡态热力学。不可逆过程被当作是讨厌的东西,是干扰,是不值得研究的题目而遭到蔑视。但今天这种情况完全改变了。我们现在知道,在远离平衡态的地方,一些新型的结构可能自发地出现。在远离平衡的条件下,我们可能得到从无序、从热混沌到有序的转变。可能产生一些物质的新力学态,反映了给定系统与其周围环境相互作用的态。我们把这些新的结构叫作耗散结构,以强调耗散过程在这些结构的形成中所起的建设性的作用。
  本书叙述了一些新的方法,这些方法是近年来为处理耗散结构的产生和变化而发展起来的。在这里我们能找到一些像主旋律一样在本书始终反覆出现的关键词:非线性,不稳定性,涨落。它们已经开始把我们的自然观渗透到甚至超出物理学和化学的固有领域之外。
  我们在讨论自然科学与人文科学的对立时,曾引述过艾赛亚·伯林的话,他把特殊和唯一列在与重复和普适相对的地位。但是值得指出的是,当我们从平衡态走到远离平衡态时,我们便离开了重复和普适而达到了特殊和唯一。诚然,平衡态的定律是普适的,近于平衡态的物质是以“重复”的方式动作的。但另一方面,远离平衡态时却出现了各种各样的机制,对应着发生各种各样耗散结构的可能性。例如,在远离平衡态的地方,我们可以看到化学钟的出现。化学钟就是以连贯的、有节奏的方式进行的化学反应。我们还能得到一些自组织过程,导致非平衡态晶体的不均匀结构。
  我们要着重指出这一行为的出人意料的特点。对于化学反应是怎样发生的,我们每个人都有一种直觉的看法。我们想象在空间中浮动的分子彼此碰撞着,并以新的形式再现。我们看到的是混沌的行为,有点像原子论者在说到空气中飞扬的灰尘时所描述的那样。但在化学钟里,这个行为是十分不同的。虽然有点过于简化,但我们还是可以这样说,在化学钟里,所有分子以一定的时间间隔,同时改变它们的化学性质。如果可以把这些分子想象成是蓝色的或红色的,我们就会看到它们的颜色随着化学钟反应的节奏而变化。
  显然,这种情形不能再用“混沌行为”的术语去描述了,一种新型的有序已经出现了。我们可以说它是一种新的相干性,一种分子之间的“通信”机制。但这种形式的通信只能在远离平衡态的条件下出现。令人十分感兴趣的是,这种形式的通信似乎是生物世界的惯例。这在实际上可被用来当作定义某个生物系统的恰当基础。
  此外,耗散结构的类型严格地依赖于它们得以形成的那些条件。诸如地球引力场以及磁场等那样的外部场可能在自组织的选择机制上起着主要作用。
  我们开始看到我们怎样能从化学出发,去建造复杂的结构,复杂的形式,其中的一些可能已是生命的先驱。看来可以肯定,这些远离平衡态的现象说明了物质具有一种根本的且出人意料的性质:从此物理学便可描述适应外部条件的结构。在相当简单的化学系统中我们遇到一种“前生物”的适应机制。用带有拟人化的语言来说,处于平衡态的物质是“瞎”的,但在远离平衡态条件下,它开始能以它的机能去感知,去“考虑”外部世界(例如弱引力场或电场)的差别。
  当然,生命起源的问题仍然是个困难的问题,我们不能设想这个问题的一个简单的解就在我们的眼前。但是从这个前景来看,生命不再和物理学的“常规”定律相对立(生命在和这些定律作斗争,以避免其衰亡的正常命运),相反,生命好像在用一种特殊的方式表达着我们的生物圈得以寄身的那些条件,其中包括化学反应的非线性以及太阳辐射给予生物圈的远离平衡态的条件。
  我们已经讨论了使我们能描述耗散结构形成的一些概念,例如分叉理论。值得指出的是,靠近分叉点的系统呈现出很大的涨落。这样的系统好像是在各种可能的进化方向之间“犹豫不决”,通常意义下的著名的大数定律被打破了。一个小的涨落可以引起一个全新的变化,这新的变化将剧烈地改变该宏观系统的整个行为。人们无疑会把这些和社会现象进行类比,甚至和历史进行类比。我们远远不是将“偶然性”与“必然性”对立起来,我们现在看到这两者在描述远离平衡态的非线性系统时同样都是主要的。
  就是这样,本书的前两部分讨论了两种互相矛盾的物理宇宙观:经典动力学的静止观点和与熵联在一起的进化观点。这两种观点之间的交锋已成为不可避免的了。但由于把不可逆性看作是一种幻影,一种近似,这场交锋被拖延了相当长的一段时间,正是人,在一个没有时间的宇宙中引入了时间。不过,把不可逆性约化成一个幻影或约化成一些近似,这种解决问题的办法不再能被接受。因为我们知道,不可逆性可能是有序的源泉,相干的源泉,组织的源泉。
  我们再也不能避免这场交锋了。这就是本书第三部分的主题。我们叙述最初在经典力学中后来在量子力学中惯常使用的解决不可逆性问题的几种尝试。这里,玻耳兹曼和吉布斯等人作出了开创性的工作。但是我们可以说,问题基本上仍未得到解决。如卡尔·波普尔所述,这是一个戏剧般的故事:起初,玻耳兹曼想,他已经对隐含在第二定律中的新的时间概念给出了一个客观的表述。但他和泽梅洛(Zermelo)等人辩论的结果却使他不得不退却下来。
  在历史的光明中(或在历史的黑暗中)玻耳兹曼被打败了。虽然大家都承认玻耳兹曼是一位卓越的物理学家,然而按照所有被接受的标准,他被打败了。因为他从来不曾成功地阐明他的定理的状态,他也没有解释清楚熵的增加……就是这个压力使他丧失了对他自己的信任……
  不可逆性的问题依然是一个引起激烈争论的题目。在热力学第二定律被发现的一百五十年之后,这怎么会可能呢?这个问题有许多方面的原因,有些是文化上的,有些是技术上的。在对时间的怀疑中,有一个文化上的成分。我们将在几种场合引述爱因斯坦的观点。他的判断是不再改变的:时间(和不可逆性一样)是一种幻影。事实上,爱因斯坦是在重复乔尔丹诺·布鲁诺在十六世纪写过的并且已经在几个世纪内成为科学信条的话:“因此,宇宙是单一的、无限的、不动的……它不移动自身的位置……它不产生自身……它是不可毁灭的……它是不可改变的……”在一段很长的时期内,布鲁诺的看法统治着西方世界的科学观。因此,主要来自工程科学和物理化学的不可逆性的闯入是被带着怀疑接受的,这一点并不奇怪。可是,除了文化上的原因之外,还有一些技术上的原因。所有想从动力学中“导出”不可逆性的尝试都必然要失败,因为不可逆性并不是一种普适的现象。我们可以想象一些严格可逆的情况,比如无摩擦的摆,或行星的运动。这个失败使人感到气馁,感到不可逆性的整个概念终于具有一个主观的来源。我们将相当详细地讨论这些问题。让我们在这里说,我们今天可以从一种不同的观点来看这一问题,因为我们现在知道有着不同类别的动力学系统。世界远不是均匀的。因此这个问题可以用不同的术语提出:能够“区分”过去和未来的那些动力学系统的特殊结构是什么?所涉及的最低复杂性是什么?
  沿着这些路线已经取得了进步。现在我们能对时间在自然界中的根源知道得更加确切。这具有深远的后果。热力学第二定律,即熵定律,在宏观世界中引入了不可逆性。我们现在在微观层次上也能理解它的意义。我们将看到,第二定律相当于一种选择规则,相当于对初始条件的一个限制,这个限制后来被热力学定律所传播。因此,第二定律为我们对自然的描述引入了一个新的不可缺少的要素。它是和动力学相一致的,但是它不可能从动力学导出。
  玻耳兹曼已经认识到概率一定和不可逆性有密切的关系。仅当一个系统以某种足够随机的方式动作时,过去和未来的差别(因此还有不可逆性)才能进入它的描述中去。我们的分析证实了这种观点。的确,在对自然的决定论的描述中,时间之矢的意义是什么呢?假如未来已经以某种方式被包含在现在之中,现在也包含着过去,那末时间之矢还有什么意义呢?时间之矢是这样一种事实的表现,即未来并没有被给出,或者像法国诗人保尔·瓦莱利(Paul )所强调的那样,“时间是构造”。
  我们日常生活的经验表明在时间与空间之间有着根本区别。我们可以从空间中的一点移到另一点。但是,我们不能把时间倒过来。我们不能交换过去和未来。我们将看到,这个不可能性的感觉现在正在得到精确的科学含义。用某个无限的熵垒,可以把被允许的那些态和被热力学第二定律禁止的那些态区分开。在物理学中还有另外一些垒。其一就是光速,按照我们今天的观点,它是信号传播速度的极限。这个垒的存在是很重要的,假如不存在的话,因果性就会摔成碎片。同样,熵垒是为通信赋予某种意义的前提。想象一下,假如我们的未来对另一些人来说成了过去,那末将会发生什么事情!后面我们还要回到这个问题上来。
  物理学的最近进展已经强调了时间的真实性。在这个过程中,时间的新的方面已经被揭示出来。对时间的关注贯穿在我们的整个世纪之中。让我们想一下爱因斯坦、普鲁斯特、弗洛伊德、泰尔哈德(Teilhard)、皮尔斯或怀特海。
  爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论的最令人吃惊的结果之一,就是引入了一个与每个观察者相联的地方时。但是,这个地方时依然是可逆的时间。无论是在狭义相对论中,还是在广义相对论中,爱因斯坦的问题主要是观察者之间的“通信”问题,是这些观察者能够比较时间间隔的方法。然而现在我们能够在另一些概念的来龙去脉中去研究时间了。
  在经典力学中,时间是一个数,标志着一个点在其轨道上的位置。但是在某个全局性的层次上,时间可能还有另一种不同的意义。当我们看一个小孩并猜测他或她的年龄时,这个年龄并不存在于这小孩身体的任何一个特殊部位上。这是一种全局性的判断。人们常常说科学把时间空间化了。但我们现在发现,另一种观点也是可能的。考虑一处风景及其变化:村庄在发展,桥和路联接了不同的区域,并使它们得到改造。这样,空间得到了一个时间维,按照地理学家贝里(B.Berry)的说法,我们已被引导去研究“空间的计时”了。
  不过,最重要的进步也许就是,我们现在可以从另一种不同的角度来看结构的问题,有序的问题。我们将在第八章中说明,按照动力学的观点(无论是经典动力学的还是量子力学的观点),不可能有任何一种由时间指向的进化。由于“信息”可以用动力学的术语来定义,信息在时间中仍是不变的。这听起来是悖理的。当我们混合两种液体的时候,并没有发生任何“演变”,尽管事实上我们不可能不用某种外来的手段而取消这混合的结果。相反,熵定律把这个混合描述成是向“无序”的演变,向最大概率状态的演变。现在我们可以证明,这两种描述并不矛盾,但是说到信息或有序,我们必须重新定义我们所考虑的单元。重要的新事实是,我们现在可以建立从一种形式的单元到另一种形式的单元的精确规则。换句话说,我们已经得出第二定律所表达的进化范式的一种微观表述。由于这种进化范式包括了化学的全部和生物学及社会科学的主要部分,在我们看来,这是一个重要的结论。这种深刻的认识是在晚近得到的。在物理学中发生的重新概念化的过程还远远没有完成。但是我们的意图并不是要把科学的确定收获,它的稳定的和完全确立的成果弄个明白。我们想做的是强调科学活动的概念创造能力,以及它所带来的新前景和新问题。无论如何,我们现在懂得,我们不过刚刚开始这种探索。我们不应该认为疑问或危险即将结束。因此,我们决定使事物像我们现在所看到的样子呈现出来,并且完全知道我们的答案是多么不完善。
  5
  欧文·薛定谔有一次写了下面这段话,惹起了许多科学哲学家的愤怒:
  ……有一种倾向,忘记了整个科学是与总的人类文化紧密相联的,忘记了科学发现,哪怕那些在当时是最先进的、深奥的和难于掌握的发现,离开了它们在文化中的前因后果也都是毫无意义的。如果有一种理论科学,它不懂得它的结构中那些被认为是要害的部分,最终不免要被纳入一些概念和词语(它们抓住了有教养的团体)的框架之中并成为一般世界图式的一部分——我认为,如果有一种理论科学,在那里,这一点已被忘记,在那里,已经对它入了们的人用那些最多只被少数游客所懂得的术语互相继续着冥想,那末,这种理论科学必将被其他有教养的人所抛弃。尽管深奥难懂的闲谈可能会在那些乐于孤立的专家群内部继续着,但随着时间的流逝,它注定要萎缩和僵化。
  本书的基本论题之一就是下述两者之间的强相互作用:整个文化所固有的问题和个别科学内部的概念问题。正在科学的心脏之处,我们发现了关于时间的问题。演化和不可逆性,这是几代哲学家也为之付出了毕生精力的问题。今天,当历史(无论是经济的、人口学的或是政治的历史)正以前所未有的速度前进时,新问题和新兴趣要求我们进行新的对话,寻找新的一致性。
  但是我们知道,科学的进步经常被人们用分裂的术语描述成一种从具体经验到越来越难掌握的抽象阶段的变换。我们相信,在认识论上,这种解释只是历史情况的反映(经典科学在这种历史情况中找到了自己),是经典科学无能把人与环境相互关系的广泛领域包括到它的理论框架中去的结果。
  毫无疑问,存在着科学理论的抽象发展。但是对于科学发展来说有决定意义的概念革新并不一定属于这种类型。时间的再发现既有科学内部历史的根源,又有社会关系中的根源,今天,科学正是在这个社会关系中找到了自己。诸如不稳定基本粒子的发现或膨胀宇宙的发现,都清楚地属于科学的内部历史。但在非平衡的情形,在进化着的系统中,一般的兴趣可能反映出我们感觉到整个人文学科今天正处于一个变迁的时期。我们将要在第五章和第六章中报告的许多结果,例如有关振荡化学反应的结果,有可能在许多年前就被发现,但是对这些非平衡态问题的研究工作在当时的文化和意识形态的环境中被压抑了。
  我们知道,肯定这种对文化内容的敏感,就违背了科学的传统概念。按照这种观点,科学是通过把自己从认识自然的过时形式中解放出来而得到发展的。它在一种可以比作是理性“苦修”的过程中纯洁了它自己。但这一点又引出了如下的结论:科学应当只由那些独立生活、不问世事的团体去实践。按照这个观点,理想的科学团体应当得到免于社会的压力和需求的保护。科学进步应当主要是自治的过程,任何“外面”的影响,比如科学家参与其他的文化、社会或经济活动,将仅仅起干扰或延迟的作用。
  这种抽象的理想,科学家退隐的理想,在另一个理想中找到了同盟者,这个理想关心的是一个“真正”研究者的天职,就是说他要从世俗变迁中逃脱出去的愿望。爱因斯坦描写过这样一类科学家,假如“上帝的天使”被赋予把一切“无价值”的人——没有说是在哪一方面——从“科学庙堂”中逐出的任务,那末这类科学家将会得到天使的青睐。一般说来,他们是
  ……相当怪癖、沉默寡言和孤独的人,尽管有这些共同特点,实际上他们彼此之间很不一样,不像被赶走的那许多人那样彼此相似。
  究竟是什么把他们引到这座庙堂里来的呢?……把人们引向艺术和科学的最强烈的动机之一,是要逃避日常生活中令人厌恶的粗俗的和使人绝望的沉闷,是要摆脱人们自己反覆无常的欲望的桎梏。一个修养有素的人总是渴望逃避个人生活而进入客观知觉和思维的世界;这种愿望好比城市里的人渴望逃避喧嚣拥挤的环境,而到高山上去享受幽静的生活,在那里,透过清寂而纯洁的空气,可以自由地眺望,陶醉于那似乎是为永恒而设计的宁静景色。
  除了这种消极的动机以外,还有一种积极的动机。人们总想以最适当的方式来画出一幅简化的和易领悟的世界图像,于是他就试图用他的这种世界体系来代替经验的世界,并来征服它。
  一方面是科学所寻求的禁欲主义的美,另一方面是被爱因斯坦如此敏锐地感觉到的市俗经验的小旋涡,这两者之间的不相容性,容易被另一种不相容性增强。这另一种不相容性是公然的摩尼教式的不相容性,是科学与社会之间,更确切地说,是自由的人类创造力与政治权力之间的不相容性。在这种情况下,研究工作不必在孤立的团体中或在庙堂中进行,而是在一个堡垒中,或者还可以像德林迈特(Dǖerrenmatt)在他的剧作《物理学家》(The Physicists)里所想象的,在疯人院里进行。在这个剧中,三位物理学家讨论要用怎样的方法和手段推进物理学的发展,同时又能保护人类避免政治权力盗用物理学进步成果所造成的可怕的后果。他们得出结论:唯一可能的方法就是他们当中的一个人已经选择的方法。他们全都决定装疯,躲到疯人院里去。该剧结尾时,如命中注定的那样,他们的最后避难所被发现只是一个幻想。疯人院的女院长暗中侦查了她的病人,偷窃了他的研究成果,夺得了世界政权。
  德林迈特的剧作把我们引到科学活动的第三概念:科学通过把现实的复杂性约化为一种隐藏的简单性而得到进步。物理学家摩比尤斯(Moebius,剧中的人物)试图在疯人院中隐藏的是这样的事实,即他已经成功地解决了引力的问题,解决了基本粒子的统一场论,以及最后得出了“万能发明原理”——绝对权力的源泉。当然,德林迈特为建立他的观点进行了简化,但得到公认的是:在“科学庙堂”中被寻找的东西正是宇宙的“公式”。已经被描绘成禁欲主义者的科学家,现在变成了一种魔术师,一个与世隔绝的人,揭露一切物理现象的万能钥匙的潜在掌握者,因此,他具有潜在地万能的知识。这把我们带回到我们已经提出过的问题:只有在简单的世界中(特别是经典科学的世界中,在那里,复杂性仅仅是基本的简单性的面纱而已),某种能提供万能钥匙的知识才会存在。
  我们时代的问题之一就是克服那种认为科学团体的孤立状态是正常的并要加强这种状态的倾向。我们必须为科学与社会间的沟通打开新渠道。本书正是在这样的思想指导下写成的。我们都知道,人类正在以前所未有的规模改造着他的自然环境。如塞奇·莫斯科维奇(Serge Moscovici)指出的,人类在创造一个“新的自然”。但是,为了理解这个人造的世界,我们需要一种科学,它不仅是顺从外部兴趣的工具,也不是任其在底层社会滋长的癌瘤。
  早在两千年前,庄子就写道:
  天其运乎!地其处乎!日月其争于所乎?孰主张是?孰维纲是?孰居无事推而行是?意者其有机缄而不得已邪?意者其运转而不能自止邪?
  我们相信,我们正朝着一种新的综合前进,朝着一种新的自然主义前进。也许我们最终能够把西方的传统(带着它对实验和定量表述的强调)与中国的传统(带着它那自发的、自组织的世界观)结合起来。在本导论的开始,我们引述了雅克·莫诺的话,他的结论是,“古老的盟约撕成了碎片,人类至少知道他在宇宙的冷冰冰的无限空间中是孤独的,他的出现是偶然的。”也许莫诺是对的。古代的同盟已被打碎。我们的任务不是去悲叹过去,而是要试图在这科学的极不平凡的多样性中发现某种统一的线索。科学的每个伟大时期,都引出某个自然界的模型。对经典科学来说,这个模型是钟表。对十九世纪的科学,即工业革命时代来说,这个模型是一个逐渐慢下来的发动机。对于我们来说,标志可能是什么呢?我们头脑里的东西也许可以用那些从古印度或前哥伦布的艺术直到我们时代为止的雕刻最好地表达出来。在一些最美的雕像中(无论是在舞蹈的湿婆(Shiva)中或是盖来罗(Guerrero)的小型庙堂中),十分清晰地表现出一种寻求,寻求静止与运动之间、捕捉到的时间与流逝的时间之间的接合。我们相信,这个对照将把它的独一无二的特点赋予我们的时代。

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