人類認(rèn)識從追求“簡單性”走向探索“復(fù)雜性”(上)
——科學(xué)發(fā)展的人文歷程漫話之十五

錢時惕

(河北大學(xué) 河北 保定 071002)

1 何謂“簡單性”

這里所謂的“簡單性”是一個專用名詞，作為一種哲學(xué)觀念的“簡單性”，一般說來，可以分為兩大類，即本體論意義上的“簡單性”和認(rèn)識論意義上的“簡單性”．

1.1 本體論意義上的“簡單性”

本體論意義上的“簡單性”，最早可以追溯到泰勒斯(Thales，約公元前624～547)的水、赫拉克利特(Heraclitus，約公元前540～470)的火、德謨克利特(Democritus，約公元前460～370)的原子和中國的“五行說”，他們都試圖把世界的本原歸結(jié)為一種或幾種簡單的物質(zhì)或要素．牛頓在他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中寫道：“自然界不做無用之事．只要少做一點(diǎn)就成了，多做了卻是無用；因?yàn)樽匀唤缦矚g簡單化，而不愛用什么多余的原因來夸耀自己．”[1]萊布尼茨則認(rèn)為，上帝以實(shí)現(xiàn)最大限度的“簡單性”和“完美性”的方式來統(tǒng)治宇宙，于是萊布尼茨提出了“單子論”來說明萬事萬物的存在及變化．

本體論意義上的簡單性的另一個方面，則是相信自然運(yùn)動規(guī)律的簡單性，特別是相信決定論．著名的拉普拉斯決定論在西方科學(xué)界一直占據(jù)統(tǒng)治地位，20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家愛因斯坦始終認(rèn)為：“上帝不會擲骰子”．

2.2 認(rèn)識論意義上的“簡單性”

認(rèn)識論方面的“簡單性”原則，可追溯到亞里士多德(Aristoteles)．他在《形而上學(xué)》中說， “包涵原理愈少的學(xué)術(shù)比那些包涵更多附加原理的學(xué)術(shù)更有益．”[2]1883年，馬赫(E.Mach)在《力學(xué)的發(fā)展》一書中，提出“思維經(jīng)濟(jì)原理”，主張把科學(xué)看成用“最少的思維全面地描述事實(shí)的”最小值問題．愛因斯坦受到馬赫思想的影響，特別推崇“簡單性”原則．他認(rèn)為“一切科學(xué)的偉大目標(biāo)，即要從盡可能少的假設(shè)或者公理出發(fā)，通過邏輯的演繹，概括盡可能多的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)．”[3]愛因斯坦認(rèn)為：一種理論的前提的簡單性越大，它所涉及的事物的種類越多，它的應(yīng)用范圍越廣，它給人們的印象也就越深．強(qiáng)調(diào)認(rèn)識論意義上“簡單性”的科學(xué)家與哲學(xué)家，一般也都相信本體論上的“簡單性”，并且認(rèn)為二者是一致的．在他們看來，“自然規(guī)律的簡單性也是一種客觀事實(shí)，而且，正確的概念體系必須使這種簡單性的主觀方面與客觀方面保持平衡”，“物理上真實(shí)的東西一定是邏輯上簡單的東西，也就是說，它在基礎(chǔ)上具有統(tǒng)一性”．[4]

2 對“簡單性”的追求

從上述科學(xué)家、哲學(xué)家有關(guān)“簡單性”涵義的論述可以看出：對“簡單性”的追求，其核心思想是在復(fù)雜的現(xiàn)象中找尋事物的統(tǒng)一性及其共同的本質(zhì)．

直到20世紀(jì)上半葉，“簡單性”原則一直是許多科學(xué)家和哲學(xué)家的共同信念、建立理論體系的指導(dǎo)原則．古希臘數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯(Pythagoras)關(guān)于數(shù)的和諧性思想，一直被眾多科學(xué)家奉為“堅(jiān)典”．哥白尼提出“日心說”的動力之一，是認(rèn)為托勒密的“地心說”太煩雜(多種本輪與均輪的組合)，應(yīng)該用一種簡單和諧的天體運(yùn)動模型取而代之．牛頓對機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的表述給人們樹立了一個“簡單性”的樣板．以至于后來的奧卡姆(Occam)的剃刀、莫佩爾蒂(Maupertuis)的最小作用原理、馬赫的思維經(jīng)濟(jì)原理、彭加勒的力戒特設(shè)假設(shè)、惠勒(J． Wheeler)的質(zhì)樸性思想等，從不同方面表達(dá)了科學(xué)中的“簡單性”原則．愛因斯坦則把追求理論體系邏輯的“簡單性”作為自己一生的最高目標(biāo)．為此他不惜花費(fèi)后半生的精力去研究統(tǒng)一場論，試圖把萬有引力與電磁相互作用通過幾何化方法把它們統(tǒng)一起來．達(dá)爾文進(jìn)化論也是追求“簡單性”原則的一個典型，進(jìn)化論中“所有的生命來自于一個共同祖先”的命題，具有震撼人心的力量，所有的生命都有一個共同的起源，正是“簡單”寓于“復(fù)雜”之中的深刻表述．

在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究方面，科學(xué)家面對組成、結(jié)構(gòu)、外形、特性、功能、用途各不相同、五彩繽紛、豐富多彩的物質(zhì)世界，一直在找尋復(fù)雜之中的統(tǒng)一．經(jīng)過眾多科學(xué)家的努力，目前已經(jīng)知道，世界上近800萬種化合物，實(shí)際上是由109種元素組成，而這 109種化學(xué)元素又都是由電子、質(zhì)子、中子等基本粒子構(gòu)成．更進(jìn)一步，電子、質(zhì)子、中子等基本粒子則是由3類基本場所組成：實(shí)物場，對應(yīng)著6種夸克與6種輕子(電子是其中一種)；媒介場，對應(yīng)著中間波色子、光子、膠子、引力子(尚未發(fā)現(xiàn))；希格斯場，真空處于最低能量狀態(tài)下的一種量子場，能量供應(yīng)者．

同樣，在生命世界，經(jīng)過科學(xué)家的不斷努力，已經(jīng)揭示：地球上存在的幾百萬種動植物，都是由細(xì)胞構(gòu)成的，細(xì)胞的基本成分是蛋白質(zhì)與核酸．蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，分子量從幾萬到上千萬，但又都是由20種不同的氨基酸所組成．核酸主要由4種核苷酸構(gòu)成．4種核苷酸的堿基的不同排列組合，形成遺傳密碼，它決定著幾百萬種生物的不同遺傳性狀．

3 追求“簡單性”過程中遇到的新問題要求開展對“復(fù)雜性”問題的研究

隨著科學(xué)認(rèn)識的不斷深化及發(fā)展，在追求“簡單性”過程中遇到了新問題，要求開展對“復(fù)雜性”問題的研究．

3.1 從“實(shí)物中心論”到“系統(tǒng)中心論”轉(zhuǎn)移

20世紀(jì)50年代以前，在科學(xué)文獻(xiàn)中，“物質(zhì)無非是各種實(shí)物的總和．”[1]物質(zhì)世界，要不就是被簡化為質(zhì)點(diǎn)的物體，要不就是物體的機(jī)械結(jié)合，沒有科學(xué)意義上的“系統(tǒng)”概念．這種認(rèn)識水平，可以稱為“實(shí)物中心論”．這種“實(shí)物中心論”在解釋與處理科學(xué)問題時，局限性很大．

20世紀(jì)20年代，奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲(L.V.Bertalanffy,1901～1972)用整體和組織的觀點(diǎn)研究生物學(xué)，批判生物學(xué)中流行的“機(jī)械論”和“活力論”，提出了以系統(tǒng)思想為基礎(chǔ)的機(jī)體論．貝塔朗菲的思想一直被學(xué)術(shù)界忽視．20世紀(jì)50年代，貝塔朗菲把機(jī)體論生物學(xué)拓展成具有普遍意義的一般系統(tǒng)論，開始引起學(xué)術(shù)界的注意．20世紀(jì)40～50年代，維納(N.Wiener)以系統(tǒng)為對象，主持跨學(xué)科研究，出版了《控制論——關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》一書(1948)，標(biāo)志著控制論的誕生．申農(nóng)(C.E.Shannon) 1948年發(fā)表《通訊的數(shù)學(xué)理論》，奠定了信息論的基礎(chǔ)，標(biāo)志了作為一門科學(xué)——信息論的誕生．系統(tǒng)論、控制論、信息論，構(gòu)成系統(tǒng)科學(xué)的基本內(nèi)容．從此，“實(shí)物中心論”逐漸向“系統(tǒng)中心論”轉(zhuǎn)移，成為開展“復(fù)雜性”問題研究的一個重要領(lǐng)域．

3.2 量子運(yùn)動與拉普拉斯決定論沖突

1900～1926年逐步建立的量子力學(xué)，其核心內(nèi)容：測不準(zhǔn)關(guān)系、量子運(yùn)動的幾率性質(zhì)，與拉普拉斯決定論沖突，引起激烈的爭論．

1924～1927年，愛因斯坦從自己的基本哲學(xué)信念及所追求的科學(xué)目標(biāo)(對客觀物理世界作嚴(yán)格的因果性描述)出發(fā), 對量子力學(xué)作為一種幾率性的統(tǒng)計(jì)理論, 表示了強(qiáng)烈不滿，無論如何不相信上帝在擲般子．

1935年, 愛因斯坦與波道爾斯基、羅森合作, 發(fā)表了題為《物理實(shí)在的量子力學(xué)描述能否被認(rèn)為是完備的？》的著名論文．

在這萹論文中，愛因斯坦等設(shè)計(jì)了一個理想實(shí)驗(yàn), 假設(shè)有兩個微觀系統(tǒng)1與2，在t=0～T以前相互作用過, 在t>T以后在空間分隔開來就不再發(fā)生相互作用．進(jìn)一步假設(shè), 兩個系統(tǒng)的初始狀態(tài)是已知的, 根據(jù)薛定愕方程, 就可以算出相互作用后任何時刻1+2的狀態(tài)，進(jìn)一步，按量子力學(xué)可得如下悖論：一方面, 系統(tǒng)1與系統(tǒng)2已經(jīng)分開不再相互作用, 應(yīng)該不再相互影響(這是所謂定域性假設(shè))， 另一方面, 對系統(tǒng)1做不同的測量， 將影響2 處于不同狀態(tài)．通過對上述悖論之分析, 愛因斯坦尖銳地指出：“要么否定定域性原理(存在超距作用)，要么承認(rèn)最子力學(xué)描述的不完備性”．愛因斯坦的詰難，給玻爾巨大的沖擊, 也引起物理學(xué)界的震驚．

同年10月，N·玻爾也在Physical Review上發(fā)表了一篇同名的論文，反駁愛因斯坦等人的觀點(diǎn)．玻爾分析了EPR 的理想實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為兩個粒子在分開之后，仍然存在著某種關(guān)聯(lián)性．因此在對粒子1做測量時，仍應(yīng)視為對整個系統(tǒng)的擾動．換言之，玻爾并不贊同愛因斯坦的定域性原理．

80年來，物理學(xué)界圍繞“EPR悖論”進(jìn)行了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究，其中包括玻姆 (D.Bohm , 1917～1992)隱變量理論(1952)的提出及有關(guān)爭論，貝爾(J. Bell，1928～1990)不等式(1965)的提出及驗(yàn)證等．1972～1985年，Aspect等做了14個精確的實(shí)驗(yàn)，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了量子力學(xué)的預(yù)言：在相互糾纏的微觀粒子(如電子、光子等)之間存在某種非定域關(guān)聯(lián)，如果我們對其中的一個粒子進(jìn)行測量，另一個粒子將會瞬時“感應(yīng)”到這種影響，并發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化，無論它們相距多遠(yuǎn)．上述現(xiàn)象稱為 “量子關(guān)聯(lián)性”，又稱為量子糾纏效應(yīng)．這是微觀世界又一個特征．

量子關(guān)聯(lián)性現(xiàn)象意味著某種意義上“超距作用”的存在．看來，世界比我們想象的復(fù)雜．

3.3 哥德爾不完備性定理

1931年，奧地利數(shù)學(xué)家哥德爾(K.Godel，1906～1978)在研究數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論時，證明了一個后來被稱為哥德爾不完備性定理．這個定理指出：

(1)對于一個初等數(shù)學(xué)公理體系，如果它是相容的(即構(gòu)成公理體系的基本命題相互之間邏輯上不矛盾)，則該體系將是不完全的(完全性要求體系內(nèi)部提出的所有問題，在體系內(nèi)都可以得到解決)．

(2)如果一個初等數(shù)學(xué)公理體系是相容的，這種相容性不能在體系內(nèi)得到證明(即必須設(shè)計(jì)更高一級的公理體系，才可能證明該體系是相容的)．

顯然，哥德爾不完備性定理不符合認(rèn)識論意義上的“簡單性”原則要求；或者說，給邏輯“簡單性”追求者潑了一盆涼水．

3.4 從存在到演化

19世紀(jì)的自然圖景中，存在著兩幅不協(xié)調(diào)的圖景：達(dá)爾文的生物進(jìn)化論，給出的是從單一到多樣、從簡單到復(fù)雜、從低級到高級的進(jìn)化圖景；而熱力學(xué)第二定律給出的則是熵增，從有序到無序的退化圖景．但這兩幅園景都與時間有關(guān)．但是，在作為科學(xué)主流的物理定律(牛頓定律、麥克斯韋電磁場方程、薛定諤方程)中，時間均是外在參數(shù)．對于這個問題，普里高津做了長久思考后認(rèn)為，過去的科學(xué)主流只研究了存在，而未研究“演化”．為此，普里高津先后出版了《從存在到演化：自然科學(xué)中的時間和復(fù)雜性》、《探索復(fù)雜性》等書，普里高津指出：“復(fù)雜性不再僅僅屬于生物學(xué)了，它正在進(jìn)入物理學(xué)領(lǐng)域，似乎已經(jīng)植根于自然法則之中了．”[5]首次提出“探索復(fù)雜性”的思想，成為當(dāng)代研究復(fù)雜性問題的先驅(qū)者．

在普里高津提出“探索復(fù)雜性”的先后，協(xié)同學(xué)、突變論，超循環(huán)論、混沌學(xué)、分形理論等相繼出現(xiàn)，掀起了“非線性風(fēng)暴”．現(xiàn)代科學(xué)也就開始了從追求“簡單性”走向研究“復(fù)雜性”新的征途．

3.5 對物質(zhì)無限可分說的質(zhì)疑

世紀(jì)之交的自然科學(xué)革命，雖然突破了原子是不可分的觀點(diǎn)．但是，原子論的哲學(xué)基石——構(gòu)成論的思想則被繼承下來．1955年，日本物理學(xué)家坂田昌一(Sakata Shyoichi,1911～1970)提出了“基本”粒子的“復(fù)合模型”．1964年，美國物理學(xué)家蓋爾曼(M.Gell-Mann,1929～ )等提出了強(qiáng)子的“夸克模型”．按照這種觀念繼續(xù)下去，下一步就是“夸克”的組成問題．

但是經(jīng)過種種努力，“夸克”一直被幽禁，自由夸克始終未能找到．從而，引起人們對“構(gòu)成論”或物質(zhì)無限可分說的質(zhì)疑．

對物質(zhì)無限可分性命題提出質(zhì)疑者，提出了不同于本體論簡單性的物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀，主要論點(diǎn)如下：

物質(zhì)無限可分論是以“構(gòu)成主義”物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀為基礎(chǔ)的，這種結(jié)構(gòu)觀的特點(diǎn)之一，是承認(rèn)世界及世界上的一切物質(zhì)都是由已經(jīng)存在的、早就呈現(xiàn)在我們面前的、完全獨(dú)立的各部分組成．“構(gòu)成主義”結(jié)構(gòu)觀盡管在宏觀層次上、乃至原子層次上具有普遍適用性，但在“基本”粒子層次上就受到了限制．

20世紀(jì)60年代開始，“基本”粒子的研究有了深入發(fā)展，從而孕育了與“構(gòu)成主義”物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀不同的觀念，可以稱之為“潛存-顯現(xiàn)”物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀．

“潛存-顯現(xiàn)”物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀，要求放棄或改變“構(gòu)成主義”物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀看待物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成之觀點(diǎn)．按這種結(jié)構(gòu)觀，物質(zhì)粒子(“基本”粒子以下層次)內(nèi)部只是潛存著其他可能的物質(zhì)粒子，它們要在一定條件下，才能從潛存性轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)性，粒子產(chǎn)生出來，才顯現(xiàn)出它們的現(xiàn)實(shí)性．它們是潛存的，而不是以確定的形式(像電子和原子核存在于原子中那樣)現(xiàn)存地存在于其他粒子中．

參考文獻(xiàn)

1 塞耶(編).牛頓自然哲學(xué)著作選.上海：上海人民出版社，1974.3

2 亞里士多德.形而上學(xué).北京：商務(wù)印書館1959.37

3 許良英,等編譯.愛因斯坦文集:第一卷.北京：商務(wù)印書館，1976.214,262

4 尼科里斯，普里高津.探索復(fù)雜性.成都：四川教育出版社，1986.4