（23）世界图景的重建（1）

（23）世界图景的重建（1）

吴国盛

2008-03-24 　　

http://www./blog/infor_detail.aspx?id=203&articleId=7755

 

古典科学，无论是牛顿科学还是爱因斯坦的相对论，正像爱因斯坦本人所说，在许多主要的方面保持着一致。而新兴的系统科学、非线性科学，特别是生态科学，试图改变古典的还原论、原子论、决定论的世界图景，向古典科学发起了根本性的挑战。与古典科学注重世界的简单性和原子构成性形成对照，整体的观念、非还原的观念、非决定论的观念、复杂性观念、不可逆性的观念被突出出来，与自然界生命的原则、有机的原则相衔接。

 

尽管与以相对论和量子力学为代表的新古典科学相比，新范式尚显势单力薄，但是它们所代表的研究纲领极有思想魅力，呼应了这个时代人类对自身存在方式的反省。它们也正寻找旧范式中的革命性力量可以联合的部分，继续扩大自己的影响力和说服力。这正是“转折点”的理论背景。

 

1、经典框架的内部冲突

 

四大理论模型可以看成是以物理学革命为先导的理论自然科学的主要成就，但是，它们并不是自然科学的全部成就，也不足以展开今日科学世界图景的全貌。四大理论模型所代表的，主要是物理世界图景的变迁，这从某种意义上印证了“20世纪是物理学的世纪”的说法。这里面，由于分子生物学的诞生而促成的物理学范式向生命科学的侵入，格外说明了物理科学在全部自然科学中的核心地位。

 

物理科学的核心地位决定了今日主流世界图景的物理学性质，这被许多人称为“大物理沙文主义”。著名生物学家迈尔强调指出，达尔文的进化论的出现显示了物理世界图景的不完善性。它引入了物理学世界图景所轻视或缺少的一些思想，如变异、多样性、概率、不确定性、目的性、历史性。确实，以达尔文进化论为支柱的生物学构成了一幅生物学的世界图景，它展示了控制事物运演过程的各种力量之间相互作用的图景。迈尔认为，几个世纪以来，人们习惯于以物理学的眼光看待科学史、评价其他的学科，习惯于把物理学看成是科学的模范，而“科学哲学”就一直等同于“物理学哲学”。但是，生命是最为复杂和最为高级的物质形式，一个统一的科学应该以“生命”为研究中心才有可能建立起来。一个以物理学为核心的科学必定是不统一的，因为它只是从不同的侧面逼近“生命”。

 

当代自然科学的世界图景事实上并不是完整的统一的，相反，它处于一种非常明显的分裂状态。哈佛的天体物理学家大卫?雷泽尔将这种分裂状态概括为四种原则上不相容的世界图景的并存 。按所描述的自然过程是否是时间性的可以分出两类，其中由量子物理学所表述的微观世界是无时间的，这是第一种图景。在有时间性的自然过程中，按向低熵发展还是向高熵发展又可分出两类，其中由热力学第二定律所表述的热力学过程是熵增(序减)的，这是第二种图景。在有时间性而且是熵减序增的过程中，还可以按是否可预测分出两类：由现代宇宙学（相对论宇宙学）所表述的宇宙演化进程，属于有时间性的、熵减序增的且可以预测的自然过程，是为第三种图景；而由进化生物学所表述的生命世界的发展道路，属于有时间性的、熵减序增的且不可能预测的自然过程，是为第四种图景。存在科学和演化科学并立，是当代理论自然科学的一个基本格局，对它们的整合将是世界图景的另一次重建。

　　无时间性图景（以量子力学为代表）

　　有时间性图景──高熵发展（以热力学第二定律为代表）

　　低熵发展──可预测的（以相对论宇宙学为代表）

　　不可预测的（以生物进化论为代表）

　　世界图景的多元格局

 

2、时间性的发现：霍金与普利戈金

 

现代科学世界图景的分裂状态以“时间性”做为分野的标志。这个分裂状态由来已久。近代科学有两个传统，即数理科学传统与博物学（自然史）传统。它们最终的分野就在于前者以数学化的方式对待自然，后者则面向自然的历史性和时间性。但是长期以来，前一传统占据了人们的视野，科学革命主要被理解成伽利略-牛顿革命。近代自然观念的变革主要理解成牛顿的机械论自然观从亚里士多德有机论自然概念中脱胎而出。新的自然概念强调质还原为量，数学定律代替目的论趋向，实验和预测代替沉思和理解。这些变化可以看成是机械论与有机论之对立的一个方面，但另一个方面即历史性与非历史性的对立一直没有引起重视。18世纪后期以来，在自然科学内部形成了一股新的思潮，即重新发现时间。这股思潮包括生物学、地质学中进化论的确立，物理科学中热力学不可逆定律的确立，社会思想领域出现的“进步”、“发展”的观念。它们共同形成了19世纪思想史上所谓“时间的发现”。正是时间的发现，使我们有可能意识到现代自然科学的世界图景的不完全性。

 

以牛顿-爱因斯坦为代表的古典数理科学倾向于否定时间的真实性，它对待时间之矢的态度是，时间的方向性、过去与未来的不对称性，只是一种与人类这个特有物种相关的幻觉。爱因斯坦在悼念青年时代的好朋友贝索时写了这样一句话：“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，尽管这幻觉很顽强。” 相对论引入的流形（manifold）概念，将整个宇宙变成了一个本质上没有演化、没有时间性的整块宇宙（block universe）。

 

整块宇宙观念的典型代表是英国物理学家霍金。斯蒂芬?霍金1940年？月？日生于，进入剑桥，？年开始生病。目前，他除了头脑活动如常之外，只能斜躺在轮椅上动动手指，通过为他特制的电脑系统与外界交流。他曾经是皇家学会最年轻的会员，目前担任剑桥大学的卢卡斯数学教席。1987年，他为了给女儿筹措学费，写了一本畅销世界的科普著作《时间简史――从大爆炸到黑洞》。在书的结尾部分，他特别加上了伽利略、牛顿和爱因斯坦三人的小传，强烈地暗示自己是伽利略－牛顿－爱因斯坦这个科学传统的正宗传人，也是这条“路线”的代表。他的时间简史，其实是宇宙简史。他的时间完全是坐标时间，时间的方向性在他那里并不重要。霍金曾经一度把宇宙的膨胀作为时间的方向，而把宇宙的收缩当成时间的倒流，只是后来另一位物理学家彭罗斯发现，即使宇宙收缩时间也不可能倒流，他才放弃了这个想法。但是，他的宇宙模型建立在虚时间基础之上，而虚时间是对坐标时间的进一步坐标化，因而完全是非时间性的。

 

然而，物理科学内部从19世纪就在引入时间之矢。热力学第二定律揭示了物理世界的方向性和过程性，给出了一个时间箭头。如果知道一个系统的两个不同的热力学状态，根据第二定律我们就能辨别出哪一个状态在先，哪一个在后。而这种时间箭头，在牛顿力学中是不存在的。只凭牛顿力学无法判断两个物理状态孰先孰后。

 

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，很快引起了人们的注意。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，因为一个可逆的微观世界必定导致一个可逆的宏观世界。然而，在我们生活经验中，在我们的物理经验中，时间的方向性如此显著，基础物理学怎能对之无动于衷？热力学和牛顿力学之间需要调解。

 

牛顿力学在此后几百年的运用实践中所表现的极度有效和成功，使人们不会想到去修正它。热力学第二定律出现之后，物理学家做的主要工作都是力图添加某些条件，使宏观的不可逆性还原成微观的可逆性，由经典力学来整合热力学。

 

整合的主要成就是发展了以概率学说为核心内容的统计力学。统计力学将概率论运用于大量分子的统计行为，得出它们的平均值，而这个平均值就是宏观可观测值。对系统的平衡态而言，统计力学十分成功，而对正在演化之中的非平衡态则比较麻烦。

 

1890年，彭加勒证明了，遵循牛顿力学的粒子系统在经过足够长的时间之后总会回到它的初始状态。彭加勒意识到，这个定理用于分子层次，将使热力学第二定律失效，而用于宇宙学中，则可以破除宇宙热寂说。彭加勒的回归定理，宣告了热力学还原到动力学的企图暂告失败。

 

正当热力学的时间之矢在纳入经典框架时受阻时，在动力学的框架之内新的时间之矢出现了。首先，以相对论为基础的现代宇宙学给出了宇宙的整体膨胀图景，而膨胀就意味着宇宙的整体演化，同时也给出了演化的方向性。

 

导致时间之矢突现出来的，除了相对论宇宙学之外，还有量子力学。表面看来，由于时间并不是量子力学中的可观测量，因此，量子力学对于时间概念并无新的贡献。然而，量子力学由于它的某种本性使得不可逆性成为一个不可回避的问题，这就是测量在量子理论构架中的特殊地位。首先，测量对于量子力学具有根本的意义，量子世界的一切奇妙性都是由测量来给出的，正是因为对于测量的过于依赖，量子力学曾经被看成唯象理论。其次，量子力学的理论结构之中也浸透了对测量的依赖，矩阵力学中矩阵代数的不可对易运算，显示的就是不同的测量次序将会带来不同的结果。

 

有意义的是，尽管测量在量子力学中占据那么重要的位置，但对测量本身的描述和解释却没有纳入量子理论之中，因为量子理论本质上是关于微观世界的，而测量涉及的是微观世界与宏观世界的相互作用。

 

测量问题的不可回避反映了量子力学的不完备性、非封闭性，反映了量子力学以可逆性动力学方程为主干的经典框架的局限性。测量问题提醒着时间之矢。

 

由于广义相对论的宇宙学无法逃避有一个起点(霍金曾经严格地证明了这一点)，量子论与引力论终于会合到一起来了。在宇宙起始的一个极短时间内，量子论开始起作用。一个对于宇宙完备的物理描述和解释，取决于引力论与量子论的统一。在这个未来的统一理论中，应该有一个内禀的时间之矢，这个时间之矢应该与热力学的时间之矢相一致，它将使热力学第二定律成为象爱丁顿所说的“在自然定律中占有至高无上的地位”。

 

引力论与量子论相统一的理论还遥遥无期，宇宙学和量子论的时间之矢已然浮现，但远未被澄清。但是，对热力学第二定律的理解却在进一步深化，这特别应归功于以普里戈金为首的布鲁塞尔学派的工作。

 

耗散结构理论的创立者普里戈金1917年1月25日生于莫斯科的一个工程师家庭，当时正是十月革命的前夜。此后俄国社会翻天覆地的变化，使普里戈金一家过上了漂泊不定的旅居生活。他们1921年离开祖国到达德国，再于1929年定居比利时。普里戈金在布鲁塞尔受教育，从小热爱音乐。在大学，他起初学习古典语言、历史和考古学，使他具备深厚的人文修养和对时间性的特有感觉。当时法国哲学家柏格森的影响极大，普里戈金读他的《创造进化论》，对时间和创造问题十分着迷。当他后来转入物理和化学研究之后，物理定律的无时间性给他留下极深的印象。沟通时间性的人文科学和非时间性的物理科学，构成了普里戈金日后科学生涯的一个主导动机。1941年，普里戈金在布鲁塞尔自由大学获博士学位，1949年加入比利时国籍，1951年任自由大学理学院教授，1959年担任索尔维国际物理和化学研究所所长，1967年兼任美国得克萨斯大学统计力学研究中心主任，长年往来于布鲁塞尔和得克萨斯之间。在这两处工作的各国科学家形成了一个非常有实力的研究群体，人们称其为非平衡统计物理的布鲁塞尔学派。

 

普里戈金的科学生涯一开始，就对时间之矢有着刻骨铭心的感觉。他回忆说：“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。尤其是他评论的这样一句话：‘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。” 在物理学中重新确立时间之矢的基础地位，是普里戈金毕生的目标。

 

普里戈金等的理论展示了全新的概念结构：第一，热力学第二定律并不是在经典动力学基础之上的宏观近似，而是动力学的基本原理，可以从它开始建立动力学的更一般的形式体系；第二，热力学第二定律并不意味着热力学系统的单向退化，它也是进化的原动力，熵最大状态只是演化的终态，而在演化过程中，不可逆性会导致自组织的出现。在远离平衡态的系统中，如果系统对外界开放，系统本身所产生的高熵将被及时的输送到外界，而自身保持在有序状态。这种通过与外界保持开放而将自己维持在远离平衡态的有序状态的系统被称为耗散结构。

 

耗散结构理论表明生物进化论如何可能与热力学第二定律相一致，因为在远离平衡态的条件下，物理系统会自发地产生高度有组织的行为。地球泰初时期处处会发生的偶然涨落，被不断的放大成越来越高级的自组织行为，可能就是地球生命进化的真正奥秘。

 

在越来越远离平衡态的情况下，我们越过了越来越多的分叉点，分叉点之后可选择的可能性也越来越多，此时，我们就进入了完全不可预测的状态，即所谓决定性混沌(determinstic chaos)状态。对决定性混沌的研究，已经或正在形成为一个热火朝天、朝气蓬勃的新兴领域，有人说，一场新的科学革命将在这里掀起。

 

决定性混沌区别于一般混乱无序的所谓随机性混沌在于，它是由遵循决定论的动力学系统，在并无外部的随机性干扰情况下，自发产生的内禀性混沌现象。它虽然完全不可预测，但内部依然隐藏着结构和规则。在传统观点看来，混沌只能是随机性混沌，决定性混沌是不可思议的。词典上，“混沌”一词的释义一般有二：“1，(常大写)据认为在有秩序的宇宙之前就已存在的无秩序、无定形的物质；2，完全的无序，彻底的混乱。”1986年，英国皇学学会在伦敦召开的一次有影响的关于混沌的国际会议上，又提出了新的定义：“3，数学上指确定性(determinstic)系统中出现的随机性态。” 因此，决定性混沌确实是新近被发现的。它的发现，立刻引起了对传统的机械论世界图景最严峻的挑战，成了普里戈金发起的以“时间的再发现”为主题的科学革命的生力军。

 

混沌学已经展示了世界图景即将面临的革命性变化。这其中最重要的革命性因素，是确立了“开放的未来”的概念。在牛顿的钟表式宇宙图景中，未来与过去一样已然预定。而混沌显示了，未来是纯粹的“未定”。开放未来的概念真正揭示了时间之矢的本质。

 

3、还原论与古典科学

 

与时间的发现相伴随的重建世界图景的另一个维度，是整体论的出现。整体论是与原子构成主义相对立的一种世界观。继承自希腊的数学理性传统，原子构成主义支配着近代科学的主流研究纲领。总的来看，“物质实体+形式法则”的模式是西方思维的核心特征，不仅表现在对自然界的构造上，而且表现在对人类社会运作模式的构思上。由自由的个人（原子）所组成的社会，得以保持其有序运作的唯一办法是制定某些规则，这些规则就是法律（Law）。Law既是人类社会中的“法律”，也是自然界的“定律”。对“规则”和“程序”的强调与个体自由的强调相辅相成，是西方民主体制不可或缺的两大要素。同样，对物质实体和自然规律的强调，是近代科学思想中一系列二元论的根本来源。物质与运动、空间与时间、惯性与力、实体与场、数学与物理等等的二分对立，都在某种程度上来源于依赖于“原子”加“规则”的西方思维模式。

 

原子构成主义是实体主义和形式主义相结合的产物。早期希腊自然哲学提供了科学思想的两大传统，一是由泰勒斯开创的实体论的构成主义研究纲领，一是由毕达哥拉斯开创的结构论的形式主义研究纲领。泰勒斯的名言是“万物源于水”，这个平凡的说法中包含着科学思想的精髓。首先，它表现了对世界统一性的把握，其次，它指出了世界统一性的把握方式是找出其“始基”。在这个纲领之下，米利都学派分别找出了“水”、“气”作为万物由以构成的始基。阿那克西米尼不仅找到了“气”作为始基，而且发现了由这个东西去解释自然界各种事物的方式，即由气的“凝聚”和“稀释”产生出不同的事物。毕达哥拉斯学派自然哲学的问题不是“万物由什么组成”，而是“是什么使得万物彼此呈现出差别”。他们的答案也是肯定的：“是数学结构的不同导致了它们表观上的不同”。数量上的差异和几何结构上的差异在他们看来更具有哲学意义，是事物的本质，至于事物是由什么物质实体构成的则不重要。始基永远是均匀同一的，即使找到了也无法解释自然界中复杂多样的事物，而数学形式本身即具有无穷的样式，用它来解释万物不存在本质的困难，更具说服力。

 

米利都学派的实体主义和毕达哥拉斯学派的形式主义经过后来的发展，形成了相互支撑、相互制约的局面，希腊原子论只是这种局面的一个样本。原子论认为，世界由无数原子在无限虚空之中以各种各样的排列组合构成，我们经验中各种不同的物质就反映了它们不同的排列组合。近代以来，亚里士多德的四因说中的目的因和终极因被否弃，而质料因和动力因突出出来。其中的质料因具体为物质微粒，而动力因则成了“力”，一种微粒与微粒之间相互发生的关联。正是“力”将整个微粒世界结成一体，不至于一盘散沙。在古典力学中，“力”的作用服从方程所拟定的规则。

 

牛顿力学的方程是线性的微分方程，其“线性”意味着大尺度现象可以看成是小尺度现象的放大，其应用“微分”方程意味着整体等于部分之和。微分的意思是把一个对象无限的分割下去，微分方程表述的是把一个研究对象无限分割之后所找到的函数关系。牛顿力学能够以微分方程的方式出现，意味着对对象进行无限分割之后所得到的函数关系，也正是整个力学体系所具有的函数关系。一叶知秋，窥一斑而知全豹，这是牛顿力学的方法论准则。阿尔文?托夫勒生动形象的表述说：“在当代西方文明中得到最高发展的技巧之一就是拆零，即把问题分解成尽可能小的一些部分。我们非常擅长此技，以致我们竟时常忘记把这些细部重新装到一起。……在科学中，我们不仅习惯于把问题划分成许多细部，我们还常常用一种有用的技法把这些细部的每一个从其周围环境中孤立出来。这种技法就是我们常说的ceteris paribus，即‘设其他情况都相同’。这样一来，我们的问题与宇宙其余部分之间的复杂的相互作用，就可以不去过问了。”

 

的确，蕴涵在牛顿微分方程之中的方法论精神不仅包括拆大为小，还包括“孤立法”，即不考虑与其余部分复杂的相互联系，孤立的分析本系统的受力情况从而运动状态。在高中时代，如何用简单的牛顿定律去解决复杂的力学问题，是每一个高中生面临的难题——这大概是他或她第一次碰到与生活世界相分裂的物理世界，并且要亲自把这个物理世界从生活世界中提炼出来。我们的年轻人通常手足无措，因为大量的常识混杂在分析之中，因而难以建立一个纯正的物理世界。一个优秀的物理老师之优秀，就在于把孤立法这个牛顿科学的方法论准则显示给学生，使学生学会孤立的受力分析法。在受力分析完成之后，运用牛顿定律进行计算就非常简单了。

 

牛顿力学拆整为零的方法论，对整个古典科学起了示范作用。把复杂的事物分解成简单事物的组合，把宏观的物理现象归结为微观现象的组合，成了近代科学一个占主导地位的方法论原则，这个原则通常称为还原论（reductionism）。

 

还原论具体表现在，力图将心理意识现象还原为大脑的生理机能，把生命现象还原为物理和化学现象，把化学现象还原为原子和分子的运动和结构，把物理学还原为力学。极而言之，把人类所面临的一切问题都还原为科学问题。赫尔姆荷兹曾经说过：“自然科学的最终目的是要发现所有变化下面的运动，以及它们的动力；那就是说，把全部自然科学分解成为力学。”这是还原论的宣言。从科学史上看，还原论的确产生了丰硕的成果。由于近代原子论的建立，化学的大部分都已经成了原子或分子物理的一部分；本世纪分子生物学的发展，部分构通了生命科学和物理科学。

还原论有过许多形式。有原子论的还原论，有机械还原论，有力学还原论，但总的原则是将某种不好处理的现象看成是某种好处理的现象的变种，以获得对本来不好理解的现象的理解。还原有强弱之分。强还原坚持还原即是完全归结、完全等同，弱还原不坚持归结的完全性。自然界的现象林林总总、变化万千，还原方法几乎是人的认识所不可避免的。只要把科学的目标定在把握宇宙的统一性，而且相信这种统一性确实存在，那么就必定要用还原方法。爱因斯坦曾经说过：“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象；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。这就是画家、诗人、思辨哲学家和自然科学家所做的，他们都按自己的方式去做。各人都把世界体系及其构成作为他的感情生活的支点，以便由此找到他在个人经验的狭小范围里所不能找到的安静和安定。” 这就表明，某种最基本意义上的还原论不仅是人类的认识所不可避免的，而且还是人类基本的存在方式。

 

问题只在于：向那里还原，以及还原是完全的还是不完全的。作为一个实际的科学家，他可能只关心向那里还原而不关心还原是否完全。他也许认为，能还原多少算多少，只要能工作起来、能增进知识，是否最终完全把握了对象的一切那并不重要。每当一种还原方法开始投入使用时，使用者必定持有坚定的信念，相信该种还原论是完全的，而随着该方法大面积的使用，涉及越来越多的现象，暴露越来越多的问题，还原论才开始弱化。但也不会完全取消。除非一种新的还原论兴起，取代从前旧的还原论。但还原论本身可能永远会是科学的方法，建立起一种还原论的说明模型是科学成熟的表现。

 

近代还原论纲领到了今天有所弱化，但不是全面弱化。其最核心的还原即质还原为量的纲领已成共识，根本没有弱化，相反不断强化。在科学共同体看来，未能完成这一还原不是因为质不能还原为量，而是科学水平不够，科学之光尚未照亮这一领域。

 

近代还原论可以概称为机械还原论，但细分起来，机械还原论还只是其最初的阶段，以笛卡尔为代表。第二阶段的还原论可称之为力学还原论，以牛顿为代表。第三阶段是物理还原论，主要反映在生命科学中。这三种还原论不是后一个否定前一个，而是一个比一个更加精细化，基本思路是一致的。在机械还原论的发展过程中，尽管始终受到批评，但却一直占据着主导地位，因为批评者提不出新的还原论纲领，或者提出的纲领无法与主流相抗衡，或者提出的纲领只是对机械论的改进，只是增加了一种新的机械还原论。

 

在物理科学（包括物理学、天文学、化学等）的发展过程中，机械还原论走的是不断修正的路子。牛顿力学建立之后，力学还原论一直占据着统治地位。牛顿力学本身巨大的成功使人们相信它就是自然科学的典范，只有建立了象牛顿力学那样的体系，一门学科才算是成熟了；只有出现了象牛顿那样的伟人，一门学科才有值得夸耀的地位。牛顿之后，物理科学里出现了一大批“力学”，最先是天体力学，热力学，再是电动力学。直到19世纪末，自然界中的各种物理现象包括热、声、光、电都可以用力学方法加以说明。在世纪之交的物理学危机中，有两派就物理学的前途进行争论，其中一派是力学学派，另一派是批判学派。力学学派为古典的力学还原论辨护，批判学派则对旧的体系发起攻击。在物理学革命中诞生的相对论和量子论抛弃了古典的力学还原论，但建立了新的力学还原论，即相对论力学和量子力学。相对论和量子论的“力学”之为力学，在于它们（１）建立了普适方程，（２）依然是原子主义的。虽然物理的原子论受到一定程度的冲击，但数学的原子主义突出了。物理现象由从前的向微观粒子还原，变为向几个数学概念还原。相对论把物理学还原成张量方程，量子力学把物理学还原为波函数方程。总的来说，在物理科学中，原子主义的力学还原至今仍是卓有成效的。

 

在生命科学的发展过程中，机械还原论也一直是一条主线，但受到生物学自主论者的严重的冲击，甚至形成了两军长期对垒的局面。机械还原论者基本思想是把生物学看成与物理学同等无质的区别的学科，力图用物理学中比较成熟的研究纲领处理生物学问题。在近代早期，将人体与机械类比极为盛行。达?芬奇用静力学观点解释骨骼的杠杆作用，塞尔维特用水力学的观点解释人体内的血液循环，哈维则进一步在机械论的基础上建立了血液循环理论。笛卡尔本人特别对人体的机械构造作了详细描述，以致在唯物主义哲学家阵营里，人人相信人是机器。法国哲学家拉美特利根脆写了一本书名字就叫“人是机器”。随着物理科学的发展，生命科学中出现了生理学、生物化学、生物物理学、分子生物学。这些学科都力图运用机械的、力学的、原子主义的还原纲领，将生命现象在微观层次上加以解释。但由于生物学固有的特殊性，总有相当多的生物学家怀疑物理的还原论，坚持生物学的目的论解释、活力论解释、有机论解释、系统论解释等等。所有这些，在当代以同一个声音发出，即强调生物学的自主性。

 

20世纪分子生物学取得巨大的成就后，机械还原论又极为深入人心。几乎所有的分子生物学家都主张物理基础主义的还原论。ＤＮＡ双螺旋结构的发现者之一克里克说：“事实上，当代生物学运动的最终目标是根据物理学和有机化学解释所有的生物学。” 在他们看来，物理还原纲领是真正有成效的生物学研究纲领，虽然现在仍有许多生命现象不能由物理化学方法得到说明，但这不是原则上的不可能。随着生命科学和物理科学的进一步发展，最终都可以得到彻底说明。当然，另一方面，依然有许多生物学家坚持生物学不可能完全还原为物理化学。

 

总而言之，笛卡尔时代成形的机械的还原论在当代有所弱化，在物理科学中还原的具体方式发生了变化。在生命科学中，物理还原论尽管本身遭到非议，但依然是当代古典科学中占主导地位的研究纲领。

 

4、量子力学与整体论

 

正如古典科学内部同时浮现“时间之矢”一样，古典科学内部也出现了“整体论”因素。这特别表现在量子力学中。量子力学在最微观的领域，巩固了整体论的基础地位。

 

以尼尔斯·玻尔为首的哥本哈根学派，整合了以物质的波动图象为基础的波动力学和以物质的粒子图象为基础的矩阵力学，提出了波函数的统计解释（玻恩）、测不准原理（海森伯）和互补原理（玻尔），形成了对量子力学的系统解释。由于哥本哈根学派在量子力学创造过程中发挥了巨大的作用和影响，他们的解释通常被称为正统解释。

 

正统解释所给出的世界图景的突出特点之一是，在微观领域引入了概率随机性。特点之二则是，突现了量子现象的整体性以及伴随而来的主客体分界的模糊性。由于量子力学直接建立在实验观测结果之上，而实验观测又依赖于测量仪器以及测量程序的选择和安排，并不只是一个独立不依的客体世界的不走样的反映，因此，量子力学所提供的世界图景原则上无法排除观察主体的作用。它所展示的是一幅主体和客体相互交融、相互作用的图景，“在存在的这出伟大戏剧中，我们既是观众又是演员”（玻尔语）。

 

正统解释极大地动摇了古典科学的传统概念框架和思想方法，引起了许多争论。其中最有影响的是爱因斯坦与玻尔之间就量子力学是否完备所发生的争论。爱因斯坦本来也是量子论的创始人之一，但他却对量子理论后来的发展以及哥本哈根的解释不满。对于正统解释所给出的量子世界图景的两大突出特征——概率随机性、量子整体性，爱因斯坦都持异议。爱因斯坦坚决认定，科学的目的在于发现隐藏在自然界背后的确定性的规律。上帝不是赌徒，不会掷骰子。因此，只给出了统计规律的量子力学，肯定是不完备的。玻尔与爱因斯坦所进行的争论，被科学史家称为“物理学史上的伟大科学论战之一，也许只有18世纪初的牛顿-莱布尼兹论战才能与之比拟。”（雅默语）

 

1927年，在布鲁塞尔索尔维研究所召开的第5次索尔维会议（由比利时化工实业家索尔维资助，自1911年以来每3年举行一次）上，爱因斯坦与玻尔发生了激动人心的争论。爱因斯坦想出了一个理想实验，试图证明所谓的量子力学不确定性关系（测不准原理）是可以被打破的。理想实验是这样的。通过屏幕上一条狭缝的电子（或光子），随后通过有着两条狭缝的第二个屏幕，最后落在一个照相底片上。由于电子（或光子）在量子领域的波动性质，传向第二个屏幕的电子将作为波列离开这个屏幕，并互相干涉，在照相底片上形成干涉图样即明暗条纹。自然，这个条纹是由电子打在底片上形成的点造成的，这体现了电子的粒子性；这些条纹是按照波动的规律分布的，这体现了电子的波动性。以上这些说法是爱因斯坦和玻尔两人都同意的。现在，爱因斯坦的设想是，调整第一个屏幕的狭缝使其充分的小，以致只有一个电子打向第二个屏幕。这个电子作为一个粒子，或者通过上缝，或者通过下缝。它在通过上（下）缝时会对屏幕有一个轻微有向上（下）的反冲。通过测量电子传给屏幕的这一动量，再加上对底片上衍射图样的分析，我们知道了该电子的通过狭缝时的动量的情况。而同时，通过测量电子传给屏幕的动量是向上还是向下，我们还可以知道电子究竟是通过上缝还是下缝——这样电子的位置也清楚了。爱因斯坦认为，这样就可以打破海森伯的不确定关系。

 

会议期间一个早饭后，爱因斯坦把这个理想实验交给了玻尔。当天傍晚，玻尔就准备好了答案。玻尔说，考虑到第二个屏幕的量子性质，同时测定它的动量和位置是不可能的。我们的精度要达到能够测量出电子是通过上边还是下边的狭缝，狭缝的位置就存在一个相应的不确定量，而这一不确定量足以使底片上的衍射图样面目全非。

 

看起来量子力学在逻辑上是无矛盾的，爱因斯坦没有话说，只好把争论的话题引向哲学层面。他无奈的说：“你们真的相信全能的上帝只会掷骰子吗？”据说玻尔风趣的回答说：“指导上帝如何管理世界那可不是咱们的任务”。时间到了1930年，下一次索尔维会议召开了。爱因斯坦又带来了一个新的理想实验，向玻尔们挑战。这个实验装置是一个封闭的箱子，一个面上装有一个快门。快门由一个定时装置控制，定时装置的时钟与盒外的时钟已经对准。箱子里面有一定的幅射，快门打开时就会有一个光子放出去，一秒钟之后打在离箱子30万公里处的照相底片上。箱子挂在弹簧秤上，可以称出因光子的跑出所减少的重量。这个箱子后来常被称为爱因斯坦光子箱。爱因斯坦说，按照你们的测不准关系，能量和时间不可能同时测准，但在我这个理想实验中，跑出一个光子的时间以及这个光子的能量（通过质能关系由质量的减少来测定）是可以同时精确测定的。

 

这个新的理想实验更加精致，而且用上了爱因斯坦本人的相对论。据说玻尔思考了很长的时间，为此度过了一个不眠之夜，但最终他还是给出了答案。这个答案非常巧妙，它用其人之道还治其人之身，即用爱因斯坦相对论来驳斥爱因斯坦的这个理想实验。玻尔说，回答这个问题的关键在于这个盒子是处在（地球）引力场中，因为只有在引力场中，才有可能根据弹簧秤的变化（重力的变化）测出质量的变化。按照相对论，处在引力场中的时钟，其走时依赖它在引力场中所处的位置。当从快门飞出一个光子时，盒子在引力场中的位置发生了变化，因而就影响了盒子内时钟的（相对于外部时钟的）准确性。在这里，飞出多少光子的测定与时间的测定不可能同时准确。

 

爱因斯坦又一次不得不表示同意。理想实验并没有难倒玻尔，他开始相信玻尔在逻辑上是自洽的。不过，他怀疑量子力学是否是完备的。逻辑一致性与完备性不是一回事。从前爱因斯坦一直想证明量子力学在逻辑上是不一致的，但他承认失败了。1935年，爱因斯坦与波多尔斯基（Podolsky）、罗森（Rosen）合作发表了“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？”，提出了以他们姓氏的第一个字母合称的EPR论证，表明量子力学对物理实在的描述是不完备的。论证由四部分组成：

 

第一，定义完备性。所谓一个物理理论的完备性指的是，它的必要条件是，物理实在的每一要素在物理理论中都有其对应物。（完备性判据）所谓物理实在指的是，它的充分条件是，如果在物理系统未受任何干扰的情况下，我们能够确切地预言一个物理量的值，那么对应于这个物理量存在着物理实在的一个要素。（实在性判据）

 

第二，描述量子力学的一般特征。对量子力学而言，两个由不可对易算符代表的物理量（比如位置和动量、能量和时间等）中，对其中一个的精确知识，将排除对另一个的精确知识。如果这两个物理量都对应着一个物理实在，那么，基于波函数描述的量子力学是不完备的。否则的话，这两个物理量不可能同时是实在的。这是一个非此即彼的推理：或者量子力学是不完备的，或者这两个物理量不可能同时实在。

 

第三，对一个特例的应用。考虑一个由AB两个粒子组成的系统，这两个粒子开始相互作用着一段时间，此后，各奔东西，不相往来。按照量子力学，在它们分开后，只需对其中的A粒子进行测量，比如动量，就能准确测算出B粒子的动量，而无须对之做任何干扰。或者测量A粒子的位置，就能准确测算出B粒子的位置。很显然，前一种情况下的动量和后一种情况下的位置，都应被视为实在的要素。

 

第四，由第一和第三可以得出结论：动量和位置可以同时被视为实在的，因此，量子力学是不完备的。

 

EPR论证的要害在于利用了AB两个粒子不再相互作用这一事实。由于它们不再相互作用，EPR就认为，对A的任何测量不会影响到B粒子的实在性，也就是说，B粒子的实在性并不取决于对A的测量。不论你对A测量其动量，还是测量其位置，相应算得的B粒子的动量或位置的实在性都不应该受到影响。因此，要确认B粒子的位置或动量的实在性，既不要求对A同时测量位置和动量，也不要求前后测量或者只测量其中的一个——根本就没有关系。这一“无关性”概念虽然EPR没有明白的说出来，但却在论证过程中起着关键的作用，后人称之为“定域性假设”。通俗地说，定域性假设就是指任何两个物体不存在神秘的远距关联。

 

玻尔反驳说，EPR提出的实在性判据中“物理系统未受任何干扰”这样的说法是含糊不清的，是测量A的动量还是测量A的位置，这对A+B系统是决定性的，而B的动量或位置被计算出来，依据的正是A+B系统的波函数。玻尔强调说，经典力学物理客体与测量装置之间的相互作用，原则上可以排除或者被补偿，但在量子力学中，这种相互作用成了量子现象的不可分割的部分。玻尔说：“对于量子力学形式体系的任何明确应用来说，这种实验装置的确定是不可缺少的。” 测量条件应该被看成是整个量子现象的一个不可分割的部分。

 

玻尔对EPR的反驳揭示了量子现象的整体论特征。两个粒子即使相隔遥远，用光速也不可能发生相互作用，但从量子力学的意义上，它们仍旧可以有密切的、决定意义的联系。这种超距作用显然违反相对论精神，是爱因斯坦所不能同意的。由于量子现象被认为是物理世界最基本和最普遍的现象，这种整体关联将渗透到了世界的每一角落。即使宇宙的起点与现在也存在着某种量子关联。物理学家惠勒就曾经构想出了这样的可能性，即，我们今日所做的某些事情将改变着在宇宙的开端处发生的物理事件，因此，我们的宇宙是一个我们参与着的宇宙。这乍看起来不免有点荒谬。哥本哈根学派的狄拉克也承认量子力学面临着“定域性破坏”的困难，感到丧失了明确的物理概念。有的物理学家在EPR论证的激励下，试图寻找一个“定域性”的隐变量理论，即把量子力学作为唯象理论从隐变量理论中推导出来，而这一隐变量理论保持完好的定域性。

 

然而，半个多世纪过去了，并没有一个更好的理论出现，以解释量子力学已经解释了的那些现象。这一事实似乎提醒人们，量子力学的确是完备的。1965年，贝尔（J. S. Bell）提出，任何定域性的隐变量理论都不能重复给出量子力学的全部统计性预言。这个论断被称为贝尔定理。他导出了一个自旋关联的不等式，即著名的贝尔不等式。把这个不等式的预言与量子力学的预言进行比较，可以发现定域性隐变量理论给出的自旋相关变量，不总是等于量子力学给出的相关度。贝尔不等式比量子力学弱。以后的多次实验均表明贝尔不等式被打破，贝尔定理某种程度上被证明了。1979年，美国加州大学伯克利洛伦兹实验室的斯塔普（H.P. Stapp）进一步把贝尔的发现发展成为广义贝尔定理：没有任何定域性理论能够重复给出量子力学的全部统计性预言内容。

 

量子力学的定域性破坏显示了量子力学与相对论的某种冲突。这两大理论的整合有待时日。但贝尔定理日益得到证实，向人们展现了奇妙的量子关联的实在性。这种关联表现在人与自然之间、主体与客体之间，也表现在宇宙的过去与现在之间。量子领域的整体论特征，是从古典科学自身中生长出来的新的思想，它在某种意义上给诸多新兴的整体论科学以极大的鼓舞。