混沌理論對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究的啟示

梁祥炎

(廣西大學(xué) 公共管理學(xué)院，廣西 南寧 530004)

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)一般意義上由實(shí)驗(yàn)研究人員、實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象、儀器設(shè)備、試劑、實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容等組成。實(shí)驗(yàn)研究是具有極其創(chuàng)造性的活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室研究觀的決定論自牛頓建立了經(jīng)典力學(xué)體系以來(lái)就確立了不可動(dòng)搖的地位。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研究主要表現(xiàn)為封閉、簡(jiǎn)單的線性、可確定、可預(yù)測(cè)等，與當(dāng)前的大科學(xué)動(dòng)態(tài)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)際不符。因?yàn)?，?shí)驗(yàn)室是一個(gè)混沌系統(tǒng)，應(yīng)該說(shuō)混沌理論已經(jīng)對(duì)主要領(lǐng)域形成廣泛的影響力，必然對(duì)會(huì)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研究造成巨大沖擊。本文基于混沌視角去思考實(shí)驗(yàn)室研究，力圖從中尋求新的啟示，從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研究效率的提高。

一、混沌理論的實(shí)質(zhì)與特征

混沌一詞源于古希臘的“Xoas”，指的是事物出現(xiàn)前的虛廣空間；而混沌的英文“chaos”則可以理解為雜亂無(wú)序的意思；后來(lái)羅馬人將混沌理解為原始物質(zhì)的無(wú)定形性的混亂，創(chuàng)造者用此造出宇宙的井然有序。關(guān)于混沌，確切的定義很難給出，迄今學(xué)術(shù)界對(duì)混沌尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。洛倫茲則定義為“確定性周期系統(tǒng)內(nèi)的非周期流”[1]；哈肯指出“混沌是產(chǎn)生決定性方程不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)”[2]；赫柏林則將混沌認(rèn)為是“無(wú)周期性的有序行為”[3]；錢(qián)學(xué)森認(rèn)為是“混沌是宏觀無(wú)序、微觀有序的現(xiàn)象”[4]。美國(guó)數(shù)學(xué)家約克和李天巖在上世紀(jì)七十年代發(fā)表論文“周期三意味著混沌”，首次給出了“混沌”的概念，并在數(shù)學(xué)上給與定義。

(一)非線性和內(nèi)在的隨機(jī)性

普里高津認(rèn)為，我們所見(jiàn)的事物進(jìn)化過(guò)程是非線性的并且是多樣性和復(fù)雜性不斷增多的，其中充滿著不確定性和內(nèi)在的隨機(jī)性，應(yīng)用復(fù)雜非線性去認(rèn)識(shí)客觀世界。任何復(fù)雜系統(tǒng)在其發(fā)展的過(guò)程中在某些條件的作用下都會(huì)發(fā)生混沌現(xiàn)象。系統(tǒng)發(fā)生混沌的主要條件有：開(kāi)放的系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡態(tài);系統(tǒng)內(nèi)部相互的非線性作用。系統(tǒng)的復(fù)雜非線性并不是僅僅簡(jiǎn)單的線性，有著確定的發(fā)展軌跡。而內(nèi)在隨機(jī)性，是指在沒(méi)有外部因素的作用影響下，由于系統(tǒng)自身非線性復(fù)雜因素而發(fā)生的隨機(jī)不規(guī)則行為，其內(nèi)部的發(fā)展是復(fù)雜的不確定，存在發(fā)生發(fā)展任何的可能。

(二) 對(duì)初始條件的極端敏感依賴性

美國(guó)氣象學(xué)家洛倫茲在他對(duì)大氣流模型的計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)了著名的“蝴碟效應(yīng)”，通過(guò)一個(gè)蝴蝶扇動(dòng)翅膀可能會(huì)引起一場(chǎng)龍卷風(fēng)來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)長(zhǎng)期行為對(duì)初值的高度敏感性，微小變化能產(chǎn)生巨大的結(jié)果差異。由于復(fù)雜系統(tǒng)的的產(chǎn)生的混度，這就使得系統(tǒng)的部分發(fā)生演變上的重復(fù)，使得初始差異很小，但經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間演變后卻能形成巨大的差異?；煦鐚?duì)初始依賴的敏感，就在一定程度上使得長(zhǎng)期預(yù)報(bào)變得不可能。

(三)系統(tǒng)的開(kāi)放耗散性

系統(tǒng)的開(kāi)放一般意義上來(lái)說(shuō)系統(tǒng)要同外界之間有物質(zhì)、能量以及信息的交換，自發(fā)的從無(wú)序耗散到有序過(guò)程，并且系統(tǒng)的要維持有序的狀態(tài)，就必須從外部環(huán)境中不斷的引入物質(zhì)、能量和信息，且不斷的排出其“代謝”產(chǎn)物，“吐故納新”。普列高津指出，當(dāng)開(kāi)放系統(tǒng)與環(huán)境之間持續(xù)發(fā)生能量和物質(zhì)交換時(shí)，系統(tǒng)可能從將從近平衡態(tài)而被推移至遠(yuǎn)離平衡態(tài)，并且由于不可逆從而導(dǎo)致的系統(tǒng)能量的耗散，使系統(tǒng)發(fā)生自組織行為，并在時(shí)間和空間上發(fā)生有序的“耗散結(jié)構(gòu)”。一個(gè)不斷地同外界發(fā)生能量、信息和物質(zhì)交換的開(kāi)放系統(tǒng)，就有可能從原有的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的混亂無(wú)序轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在空間上、時(shí)間上或功能上的有序。

二、實(shí)驗(yàn)室研究中存在的不足

(一)實(shí)驗(yàn)室研究的簡(jiǎn)單線性

線性系統(tǒng)論認(rèn)為，事物的發(fā)展具有單一性，并且認(rèn)為具有可預(yù)測(cè)性，原因決定結(jié)果是比例相關(guān)的，是可以通過(guò)計(jì)劃可達(dá)到的。實(shí)驗(yàn)室的研究是事先計(jì)劃好的，往往為一維的線性，有著確定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒎椒ā⒉襟E、結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室研究人員所要做的就是被動(dòng)的，機(jī)械地進(jìn)行操作，并要達(dá)到最終的效果。

這種有計(jì)劃的研究對(duì)動(dòng)蕩的環(huán)境和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，是欠靈活的。因?yàn)橛?jì)劃好的線性過(guò)程容易受到實(shí)驗(yàn)事件的混沌影響，從而無(wú)法達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)室的管理、科研人員，環(huán)境，儀器設(shè)備這些因素本身就具有復(fù)雜性和不確定性，其為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)造了混沌的必然條件，實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程遠(yuǎn)比線性系統(tǒng)更為復(fù)雜的非線性，動(dòng)態(tài)變化的，充滿著混沌。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的任何微小的認(rèn)人為操作失誤，儀器設(shè)備以及試劑上使用的偏差都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果上的千差萬(wàn)別。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃好的方法步驟，作出來(lái)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的現(xiàn)象和結(jié)果是不確定，由于其實(shí)驗(yàn)本身具有內(nèi)在的隨機(jī)性，存在著任何的一種走向的可能。實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃，雖然在一定程度上能促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的的發(fā)展，但不可否認(rèn)的是，實(shí)驗(yàn)規(guī)劃中單一的講究要達(dá)到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，把實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)得不確定因素，如果不加以任何的思考與探索，就給與直接的否定，實(shí)際上就有可能會(huì)失去實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的某些科學(xué)機(jī)遇。實(shí)驗(yàn)過(guò)程是一個(gè)非線性的復(fù)雜過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)儀器的作用以及實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間的相互作用與反應(yīng)，其走向本身就是一個(gè)混沌的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的產(chǎn)物，就是打破原有平衡態(tài)，建立另一個(gè)有序狀態(tài)的過(guò)程，或由一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)，通過(guò)誘因或契機(jī)的作用去躍遷到另一有序過(guò)程，建立新的平衡態(tài)。為了達(dá)到確定的目標(biāo)，而把實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的出現(xiàn)不確定、偶然、異常等這些非線性因素給排除，在一定程度上會(huì)和某些重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)失之交臂。

(二)實(shí)驗(yàn)室研究過(guò)于信奉實(shí)驗(yàn)的可預(yù)測(cè)輕視實(shí)驗(yàn)中微小初始的作用

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)具有的非線性以及對(duì)初始值的敏感，以及大量錯(cuò)綜復(fù)雜的因素的作用，必然會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的不可預(yù)測(cè)性。實(shí)驗(yàn)的制定人員認(rèn)為，通過(guò)事先確定好的實(shí)驗(yàn)步驟，取得的實(shí)驗(yàn)成果是可以預(yù)測(cè)的，并且他們相信，實(shí)驗(yàn)過(guò)程是可以控制的，復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)方法等控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。研究人員特征或?qū)嶒?yàn)環(huán)境的不同，可能產(chǎn)生不一樣的結(jié)果，根據(jù)特定條件上制定的實(shí)驗(yàn)策略去預(yù)測(cè)研究成果是不合理的。

每一次相同的實(shí)驗(yàn)步驟與方法，所作出的結(jié)果并不相同，因?yàn)樗鼤?huì)受到實(shí)驗(yàn)過(guò)程、人和環(huán)境的微小變化，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果上的巨大差異。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)總會(huì)因?yàn)槭艿轿⑿〉牟町惗a(chǎn)生不確定的結(jié)果，到最后得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的期望值相差甚遠(yuǎn)，而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的重復(fù)。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，科研人員花費(fèi)大量的時(shí)間和精力在實(shí)驗(yàn)的機(jī)械性重復(fù)上。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中有稍小的人為為操作失誤，儀器試劑的不標(biāo)準(zhǔn)，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)象、數(shù)值及結(jié)果上的千差萬(wàn)別，這就為什么一個(gè)相同的實(shí)驗(yàn)，按照相同的實(shí)驗(yàn)步驟，得到的數(shù)值及現(xiàn)象結(jié)果總不盡相同，與所給的標(biāo)準(zhǔn)值有差別。因?yàn)槲覀儗?shí)驗(yàn)中受到某一點(diǎn)的影響，這個(gè)影響可能是試劑添加上有微小的偏差，儀器使用上的稍小失誤，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人的稍微不集中等等的這些微不足道的因素，到最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重大影響，而我們往往對(duì)這些因素很少關(guān)注。

(三)實(shí)驗(yàn)室研究的獨(dú)立和封閉

混沌理論認(rèn)為，任何一個(gè)封閉的系統(tǒng)，其自發(fā)演化的結(jié)果都會(huì)走向無(wú)序，達(dá)到熵最大化。由于學(xué)科與專業(yè)背景的不同，以及實(shí)驗(yàn)室之間的互不信任，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室研究具有較強(qiáng)的獨(dú)立性和封閉性。其主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的研究不開(kāi)放，不是本實(shí)驗(yàn)室的人員，根本就很難進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)室的壁壘仍然很?chē)?yán)重，在同行中實(shí)驗(yàn)研究人員根本不清楚對(duì)方研究什么。在相關(guān)的交流過(guò)程中，他們也很少自己的最新想法創(chuàng)意及核心實(shí)驗(yàn)部分研究告訴對(duì)方，只是老一套陳詞，很少達(dá)到交流的效果。實(shí)驗(yàn)室的研究目前大多數(shù)僅僅只限于本實(shí)驗(yàn)室的人員，儀器設(shè)備很難做到向外界開(kāi)放，其只流于形式，其實(shí)驗(yàn)室研究的成果也不及時(shí)向外界公布，為外界所了解。這種封閉的系統(tǒng)無(wú)法說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)造性和平衡性。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室處于封閉狀態(tài)時(shí)，由于同外界缺乏必要的物質(zhì)和信息交流，閉目塞聽(tīng)，往往會(huì)造成實(shí)驗(yàn)研究上的局限：一方面對(duì)科學(xué)技術(shù)上的外部狀態(tài)缺乏了解，使其在制定研究方向和計(jì)劃模糊，導(dǎo)致研究的重復(fù)與落后；另一方面，由于缺乏對(duì)外界的交流，只是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部人員之間的單打獨(dú)斗，很難在不斷的交流和碰撞中產(chǎn)生火花，實(shí)驗(yàn)室的研究也只是單調(diào)枯燥，缺乏活力與創(chuàng)造力，也往往難以有大的作為，實(shí)驗(yàn)室研究成果也顯得很平常。

三、混沌理論對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究的啟示

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，以混沌理論的視角去思考當(dāng)前中國(guó)實(shí)驗(yàn)室的研究，從中尋找到的啟示。

(一)實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)放

混沌理論認(rèn)為任何的系統(tǒng)都是開(kāi)放的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也不例外，實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放，研究上的靈活，顯示出不同學(xué)科和專業(yè)之間的信息交流和資源共享。只有實(shí)驗(yàn)室的不斷開(kāi)放，才能不斷的吐故納新，不斷的創(chuàng)造出新的東西，實(shí)驗(yàn)室才能不斷的充滿活力。實(shí)驗(yàn)室不斷的要加強(qiáng)跟外部實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)系，不斷的在交流中中碰撞產(chǎn)生思想的火花，不斷的發(fā)現(xiàn)不足，不斷的更新實(shí)驗(yàn)室的做法，不斷促進(jìn)科技的發(fā)展跟進(jìn)步。

實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)開(kāi)放耗散的自組織系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放：一是實(shí)驗(yàn)室對(duì)來(lái)自不同領(lǐng)域不同專業(yè)學(xué)科背景的人員開(kāi)放，以達(dá)到不同學(xué)科之間的交流合作。二實(shí)對(duì)研究人員課題的選擇、研究方向上的開(kāi)放，不做硬性的要求。三是時(shí)間上的開(kāi)放，使實(shí)驗(yàn)研究不受時(shí)間的限制，以及研究人員的工作休息時(shí)間不做強(qiáng)制性要求。四是研究信息的開(kāi)放，實(shí)驗(yàn)室在接受外來(lái)信息的同時(shí)，也應(yīng)將本實(shí)驗(yàn)室的研究動(dòng)態(tài)及研究成果向外給予公布，以到達(dá)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的最優(yōu)狀態(tài)，從而不斷促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展。

同時(shí)開(kāi)放也要控制在一定的閾值，系統(tǒng)也是在一定的階段一定的閾值內(nèi)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，所以實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放要根據(jù)不同時(shí)期的不同特點(diǎn)進(jìn)行不同的開(kāi)放，比如說(shuō)實(shí)驗(yàn)室建立之初，更多的是硬件設(shè)備的開(kāi)放，從外部尋找更多的資源，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室自身的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)室在成熟階段更多的是實(shí)驗(yàn)研究成果的不斷向外公布開(kāi)放，讓外界了解科研，提供給外界的學(xué)習(xí)場(chǎng)所。

(二)實(shí)驗(yàn)中的非線性發(fā)展

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的復(fù)雜，它是由多種因素多方面作用非線性的一個(gè)發(fā)展過(guò)程，實(shí)驗(yàn)室總要打破原有的平衡。實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，儀器設(shè)備具有多樣性，并且實(shí)驗(yàn)研究研究人員之間也是具有差異的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的的變化是不確定的，實(shí)驗(yàn)可能因?yàn)楦鞣N因素的作用會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，從而使實(shí)驗(yàn)室走向復(fù)雜性，從而使實(shí)驗(yàn)的走向是非線性的。所以在實(shí)驗(yàn)室研究當(dāng)中我們應(yīng)該使用復(fù)雜非線性科學(xué)的思維，以抵消簡(jiǎn)單線性思維對(duì)實(shí)驗(yàn)室的研究中的不良影響，在講究規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的非線性發(fā)展的關(guān)注，在我們實(shí)驗(yàn)室研究當(dāng)中同樣也遇到很多的這種偶然，異象，突發(fā)，不可預(yù)期等這些因素，我們應(yīng)該對(duì)這些因素給關(guān)注與思考，并對(duì)這些因素進(jìn)行研究，而不是為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃和目的，而對(duì)這些因素予以忽略。要做到在計(jì)劃確定性線性發(fā)展的同時(shí)也要注意到，其復(fù)雜以及非線性發(fā)展，在計(jì)劃之外的一面，從而從中尋找更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

(三)實(shí)驗(yàn)中的蝴蝶效應(yīng)

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中我們總會(huì)遇到超乎我們意外的事情，而這些超出實(shí)驗(yàn)意外的事情總戶發(fā)揮出乎意料的作用，產(chǎn)生巨大的效應(yīng)。倫琴因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)失誤，產(chǎn)生了不正常的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了X射線的發(fā)現(xiàn)；弗萊明因?yàn)樵谧銎咸丫鷮?shí)驗(yàn)時(shí)意外的看到發(fā)霉的面包，從而發(fā)現(xiàn)了青霉素等等這些，在是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異象、偶然等這些變化，到最后導(dǎo)致重大科學(xué)成果的產(chǎn)生。

混沌理論中的蝴蝶效應(yīng)告訴我們，一方面，要鼓勵(lì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的異常的研究，抓住實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的突發(fā)性的偶然事件以及思想的閃光點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)研究，產(chǎn)生巨大的研究效果；另一方面，我們?yōu)榱吮苊獠缓玫某跏紬l件對(duì)實(shí)驗(yàn)的走向產(chǎn)生巨大的影響，我們應(yīng)該使我們的儀器設(shè)備精確，試劑合格，人為操作正確，管理要科學(xué)規(guī)范，環(huán)境符合實(shí)驗(yàn)研究的條件，研究人員應(yīng)具備充足的科學(xué)知識(shí)等。讓實(shí)驗(yàn)室形成一個(gè)自組織系統(tǒng)，內(nèi)部科研人員主動(dòng)自由的研究，激發(fā)他們的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，使實(shí)驗(yàn)室充滿活力。實(shí)驗(yàn)研究者應(yīng)該通過(guò)實(shí)驗(yàn)中混沌漲落過(guò)程，開(kāi)動(dòng)腦筋啟發(fā)智慧，不失時(shí)機(jī)的抓住實(shí)驗(yàn)過(guò)程中具有突發(fā)、不可預(yù)期、具有極其復(fù)雜性的事件以及思想閃光，使其產(chǎn)生較巨大的科研效果。

混沌理論對(duì)實(shí)驗(yàn)室的啟示遠(yuǎn)不止以上研究例舉的，它對(duì)科技的影響是深遠(yuǎn)的。從混沌理論里面我們是否能反思對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的科研和人才培養(yǎng)模式，首先在科研方式上讓科研人員進(jìn)行自由的研究，這是非常重要的一點(diǎn)，因?yàn)樽杂梢馕吨?，在一定程度上，使科研百花齊放，百家爭(zhēng)鳴。其次，在科研人才培養(yǎng)可以多樣化的培養(yǎng)模式，充分支持和鼓勵(lì)人才具有開(kāi)創(chuàng)性的以及具有極其獨(dú)特性的科學(xué)研究，制定專門(mén)人才支撐計(jì)劃。最后，我們可以在國(guó)家制度的層面革去現(xiàn)時(shí)對(duì)科研的諸多不利因素，例如科研的選題、科研經(jīng)費(fèi)的分配、科研布局、科研的評(píng)價(jià)等多方面的不足和缺陷。

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