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复杂性中的思维(1)

2021-01-27  廿氏春秋

 复杂性中的思维
 克劳斯.迈因策尔
 
 
 中文版序言
《复杂性中的思维》第二版问世一年后,献给中国读者的中文版现在也问世了。复杂性和非线性是物质、生命和人类社会的进化中最显著的特征。本书考察了物理和生物科学、认知和计算机科学、社会和经济科学以及哲学和科学史中的复杂系统。
中国科学家已涉足所有这些研究领域。而且,中国是一个令人印象深刻的复杂社会的例子,它正以极大动力奔向21世纪。本书传达的思想是:自然科学、技术、经济学、管理和政治学中,线性思维显然已经过时。此外,中国文化总是具有自己的传统和特色,不同于西方的线性的机械论的世界观。因此,复杂系统探究方式就不仅能战胜自然科学和人文科学之间的隔阂,而且也能缩小西方文化和东方文化之间的距离。
我们生活在同一个复杂的非线性世界上,处在有序和混沌的边缘。因此,对自然和社会中的复杂性和非线性的管理,成为我们共同面临的世界范围的挑战。用德国数学家、计算机先驱和哲学家、对中国文化和科学充满敬意的莱布尼茨(1646-1716)的话来说,我们必须保持全球性“多样化统一”的目标。
我要向译者曾国屏教授的细致工作表示感谢。一本跨学科的著作,涉及数学、计算机、物理学、化学、生物学和社会学、经济学和哲学术语,翻译时需要特别的努力。他有效地掌握了这些。同样地,我还要向出版者——中央编译出版社(中国)和施普林格出版社(德国)表示感谢。它们使中文版的出版得以实现。
克劳斯·迈因策尔
1996年12月于奥格斯堡
 
 第一版序言
复杂性和非线性是物质、生命和人类社会进化中的显著特征。甚至我们的大脑也表现为受制于我们大脑中复杂网络的非线性动力学。本书考察了物理科学和生物科学、认知科学和计算机科学、社会科学和经济科学以及哲学和科学史中的复杂系统,引入了一种跨学科的方法论,以解释在自然界和精神领域以及经济和社会中有相同原理的有序的形成。
这些方法常常被认为是预示了21世纪科学发展特征的新的复杂性科学。本书批判地分析了这种探索方式的成功之处及其局限性,它的系统基础,它的历史背景和哲学背景。最后的跋中讨论了新的伦理学行为标准,这些行为标准是自然和神经、经济和社会的复杂问题所要求的。
本书的“核心”是一篇提交给关于复杂非线性系统的会议的论文,这次会议于1992年10月在比勒费尔德的跨学科研究中心举行,是由赫尔曼·哈肯和亚里山大·迈克赫罗夫组织的。同年12月,安格拉·M.勒海博士(施普林格出版社)建议我将该文的主题扩展为一本书。因此,我要向勒海博士的友好和有效的支持,以及对赫尔曼·哈肯在复杂系统和协同学上的多次合作表示谢意。我还要感谢德国研究基金对我的“计算机、混沌和自组织”(1990-1992:Ma842/4-1)和“神经信息学”(1993-1994:Ma 842/6-1)课题的支持。奥格斯堡大学的关于“复杂系统”的数学研究生项目和关于“经济和管理中的非线性”的经济学课程的教学使我得到了许多灵感。1991年和1993年,北莱茵-
威斯特伐利亚(杜塞尔多夫)科学研究中心邀请我参加了两次关于计算机技术、神经生物学和精神哲学的文化影响的国际会议。
最后,我同样特别要向以英语为母语的罗斯(施普林格出版社)对本书的仔细阅读和校正,向胡塞尔和尤塔(奥格斯堡大学)为本书打字表示感谢。
克劳斯·迈因策尔
1994年6月于奥格斯堡
 
 第二版序言
《复杂性中的思维》一书,第一版不到一年即已告罄。显然,复杂性和非线性是自然科学和社会科学都关注的跨学科“热门”话题。伊安·斯图特(沃里克大学数学研究所)关于本书的一篇精彩的书评——《兴起中的新科学》(《自然》,1995年第374卷第834页)对此进行了很好的概括:“非线性并非万能的答案,但往往是一种更好的思考问题的方式。”
借此出第二版的机会,我对本书进行了修订和扩充。在第2.4节,补充了在超分子化学和材料科学中关于保守自组织的最新重要成果。文献中补充了一些从自组织角度对宇宙学进行的新讨论。对于活细胞中的耗散自组织的新成果,增加了一些评注(第3.3节)。对于神经技术中适应性神经修补术的成功和局限,也进行了更详细的分析(第5.4节)。原书的最后一章扩展为“关于未来、科学和伦理学的结语”,该章首先是关于传统预测方法的一个简短导言,接着从自然科学和社会科学受到非线性和复杂性制约的前提,讨论了传统预测方法的局限性和新的预测程序。特别是对科学和技术发展进行预测和建模的可能性,这是当代关于人类的未来和伦理学的争论中的兴奋点之所在。
非线性复杂系统的一般方法必须在与自然科学和社会科学的结合中、在特定的观测、实验和理论条件下加以发展。因此,我希望借此机会对以下这些同事的极有帮助的建议表示感谢:罗尔夫·埃克米勒(波恩大学神经信息系),汉斯-耶尔格·法尔和沃尔夫·普里斯特(波恩天体物理学系和马克斯-普朗克射电天文学研究所),赫尔曼·哈肯(斯图加特理论物理和协同学研究所),本罗·里斯(海德堡马克斯-普朗克医学研究所),库迪乌莫夫(莫斯科凯尔迪什应用数学所),蕾娜特·迈恩茨(科隆马克斯-
普朗克社会科学研究所),阿希姆·米勒(比勒费尔德大学无机化学系)。最后,我同样还要感谢沃尔夫·拜格尔博克(施普林格出版社),他对本书第二版的修订给予了鼓励和支持。
克劳斯·迈因策尔
1995年11月于奥格斯堡
 
 1导言:从线性思维到非线性思维
在自然科学中,从激光物理学、量子混沌和气象学直到化学中的分子建模和生物学中对细胞生长的计算机辅助模拟,非线性复杂系统已经成为一种成功的求解问题方式。另一方面,社会科学也认识到,人类面临的主要问题也是全球性的、复杂的和非线性的。生态、经济或政治系统中的局部性变化,都可能引起一场全球性危机。线性的思维方式以及把整体仅仅看作其部分之和的观点,显然已经过时了。认为甚至我们的意识也受复杂系统非线性动力学所支配这种思想,已成为当代科学和公众兴趣中最激动人心的课题之一。如果这个计算神经科学的命题是正确的,那么我们的确就获得了一种强有力的数学策略,使我们得以处理自然科学、社会科学和人文学科的跨学科问题。
在这些跨学科的应用中,成功的原因何在?本书表明,非线性复杂系统理论不可能还原成特殊的物理学的自然定律,尽管它的数学原理是在物理学中被发现的,并首先在物理学中得到成功应用。因此,它不是某种传统的“物理主义”,不是用类似的结构定律来解释激光、生态群体或我们的大脑的动力学。它是一种跨学科方法论,以此来解释复杂系统中微观元素的非线性相互作用造成的某些宏观现象。光波、流体、云彩、化学波、植物、动物、群体、市场和脑细胞集合体,都可以形成以序参量为标志的宏观现象。它们不能还原到复杂系统的原子、分子、细胞、机体等微观水平上。事实上,它们代表了真实的宏观现象的属性,例如场电势、社会或经济力量、情感乃至思想。有谁会否认情感和思想能够改变世界呢?
在历史上,社会科学和人文学概念往往受到物理理论的影响。在机械论时代,托马斯·霍布斯把国家描述成一台机器(“利维坦”),其公民就是机器中的嵌齿轮。在拉美特利看来,人的灵魂归结为自动机的齿轮传动装置。亚当·斯密用类似于牛顿的万有引力的“看不见的”力来解释市场机制。经典力学中,在牛顿或哈密顿运动方程意义上,因果关系是确定论的。保守系统以时间可逆(即对称性或不变性)和能量守恒为特征。天体力学和无摩擦钟摆是著名的例子。耗散系统是不可逆的,举例来说就像没有摩擦项的牛顿力。
而且,大自然原则上被看作一个巨大的确定论的保守系统,一旦确切知道了它的起始状态,就可以预测其未来或追溯过去的每一时刻的因果事件(拉普拉斯妖)。亨利·彭加勒则认识到,天体力学并非是一台可以透彻计算的机械钟,甚至在局限于保守性和确定论情况下亦如此。所有的行星、恒星和天体之间的因果相互作用,在其相互影响可以导致混沌轨迹的意义上,都是非线性的(例如三体问题)。在彭加勒的发现之后,几乎过了60年,A.N.科尔莫哥洛夫(1954)、V.I.阿诺德(1963)和J. K.莫泽证明了所谓的KAM定理:经典力学的相空间轨迹既非完全规则的亦非完全无规的,但是它们十分敏感地依赖于对起始条件的选择。微小的涨落可能引起混沌的发展(“蝴蝶效应”)。
在这个世纪,量子力学成为物理学的基础理论。在薛定谔的波动力学中,量子世界被看作是保守的、线性的。用哈密顿算符描述的量子系统,取代了最初用哈密顿函数描述的量子化经典系统(例如对于电子和光子)。这些系统被假定是保守的,即非耗散的,对于时间逆转具有不变性,因而是满足能量守恒定律的。量子系统的状态用希尔伯特空间的矢量(波函数)来描述,希尔伯特空间的距离与其哈密顿算符的本征值相联系。量子状态的因果动力学由确定论的微分方程(薛定谔方程)所决定,该微分方程合乎叠加原理,因而是线性的,即如同经典光学的情形,该方程的解(波函数或态矢)是可以叠加的。量子力学的叠加或线性原理显示了组合系统的相关(“关联”)态,这在EPR实验(A·阿斯佩特,1981)中得到了高度确证。在一个关联的纯量子叠加态,一次观测仅可能得到不确定的本征值。量子系统的关联态和测量仪器相应仅可能有不确定的本征值。但是,实验室的测量仪器却显示出了确定的测量值。因此,线性的量子动力学难以解释该测量过程。
在玻尔、海森伯等人的哥本哈根诠释中,测量过程是用所谓的“波包坍缩”来解释的,即把叠加态分裂成两个独立的具有确定本征值的测量仪器和被测量子系统的状态。显然,我们必须将量子系统的线性动力学与测量的非线性作用加以区分。这个世界的这种非线性,有时被解释成人的意识的出现。尤金特·威格纳(1961)建议,薛定谔方程的线性对于有意识的观察者可能会失效,需要代之以某种非线性程序,使两个问题都可能得到解决。但是,威格纳的解释迫使我们相信,线性的量子叠加性仅仅在宇宙的那些出现了人的或类似人的意识的角落才会分裂成独立的部分。科学史上,拟人的或目的论的论证往往表明,科学解释在此软弱无力、难以奏效。因此,一些科学家如罗杰·彭罗斯提出,量子力学的线性动力学不适合于用意识的出现来解释宇宙的进化。他主张,至少是一个把线性量子力学和非线性的广义相对论统一起来的理论,才可能解释这个世界中的宏观系统的独立状态。一台测量仪器是一个宏观系统,测量过程是远离热平衡的不可逆过程。因此,一种解释只有在一种统一的非线性理论中才可能成功。甚至把薛定谔波动方程推广到量子场论,它也是非线性的。量子场论中,有所谓的二次量子化,场函数被场算符所代替。例如,对于两粒子势场,量子场方程包含有一个非线性项,它相应于基本粒子对的形成。一般地,量子场论中基本粒子的反应本质上是非线性现象。基本粒子的相互作用导致了其量子态只具有有限的寿命,从而破坏了时间的可逆性。因此,一般地,甚至量子世界自身同样既不是保守的也不是线性的。在系统理论中,复杂性不仅仅意味着非线性,还意味着大量的具有许多自由度的元素。所有的宏观系统,如石头或行星、云彩或流体、植物或动物、动物群体或人类社会,都是诸如原子、分子、细胞或有机体这样的组元构成的。具有大量自由度的复杂系统中的单个元素的行为,既无法被人预见,也无法被人追踪。对单个元素的确定论描述,必须代之以概率分布的演化。
第二章分析了“复杂系统和物质的进化”。前苏格拉底时期以来,自然哲学的一个基本问题是,有序是如何从复杂的、无规的和混沌的物质状态产生出来的。赫拉克利特认为,一种产生有序的能力(逻各斯)协调着无规的相互作用,创造出有序的物质状态。现代的热力学以数学的统计力学概念描述了有序的形成。我们区别两种形成有序的相变(自组织):保守自组织和耗散自组织。保守自组织意味着热力学平衡态的可逆结构的相变。典型的例子是雪花晶体的生长或使铁磁体系统退火到临界温度值时磁性的形成。保守自组织主要是造成低温低能的有序结构,这可以用波耳兹曼分布来描述。耗散自组织是远离热平衡的不可逆结构的相变。当耗散(“开放”)系统与其环境的能量相互作用达到某个临界值时,微观元素的复杂的非线性合作产生出宏观模式。从哲学上看,所形成的结构的稳定性是由某种非线性和耗散的均衡来保证的。过强的非线性相互作用或耗散作用会使结构遭到破坏。
由于耗散相变的条件是十分普通的,这就使之有了广泛的跨学科应用。物理学中,激光是一个典型的例子。化学的贝洛索夫-札鲍廷斯基(BZ)反应中,当特定的混合在一起的化学物质处于临界值,就出现了浓度环或螺旋卷。各个环波之间的竞争非常清楚地显示出这些现象的非线性,而叠加原理成立时这些环波应该相互穿透,如同光波那样。
非线性的耗散复杂系统的相变由协同学来解释。我们可以更定量的方式说,旧的结构变得不稳定,并由控制参量的改变而被打破。在微观水平上,旧的状态的稳定模是受到不稳定模的支配(哈肯的“役使原理”)。它们决定着描述系统的宏观结构和系统的序参量。相变的种种不同的最终模式,对应于不同的吸引子。种种不同的吸引子可以形象地描述为流体,其速度被逐步加速。在最初的水平上,显示的是均匀平衡态(“不动点”)。在较高速度的水平上,可以观察到两个或两个以上的螺旋,它们是周期的或准周期的吸引子。最后,有序退化成确定论混沌,这是一种复杂系统的分形吸引子。从哲学上看,我希望进一步强调,协同学中物质的微观描述有别于宏观有序状态。于是,协同学的有序概念使我想起赫拉克利特的“逻各斯”或亚里士多德的“形式”,它们在物质的转变过程中产生出自然的有序态。当然,古人在这里用的不是数学描述。
用更数学化一些的语言来说,复杂系统的微观观点是用态矢的演化方程来描述的,方程中每一分量都依赖于空间和时间。这些分量可以代表流体的速度分量,它的温度场,或化学反应中的化学物质的浓度。协同学的役使原理允许我们消除代表着稳定模的自由度。在主要的近似中,相应于这些系统的非线性,演化方程转变成特殊形式,在此出现了模式之间的竞争。不稳定模的主导项的幅度称为序参量。它们的演化方程描述了宏观模式的形成。最后的模式(“吸引子”)通过相变而实现,此过程可以被理解为某种对称破缺。从哲学上看,物质的进化是由赫拉克利特早已提到的对称破缺引起的。
第三章分析“复杂系统和生命的进化”。科学史和哲学史上,人们曾相信“死”物和“生”物之间是界线分明的。亚里士多德把生命解释为一种自组织的力量(隐德来希),它推动着植物和动物朝向其最终形式生长。一个活系统能够靠自己来运动,而一个死系统只可能从外部来推动。生命用目的论来解释,即用指向某种自然目标的非因果力(“生命力”)来解释。18世纪,康德揭示了活系统的自组织不可能用牛顿物理学的机械系统来解释。他在一段著名的话中说,能够解释青草叶片的牛顿还没有出现。19世纪,热力学第二定律描述了封闭系统朝向最大熵状态或无序态的不可逆运动。人们又如何来解释在生命的达尔文进化中的有序的形成呢?波耳兹曼强调,活的有机体是开放的耗散系统,与其环境发生着交换,这并不违背封闭系统的第二定律。但是,在从波耳兹曼到莫诺的统计解释中,生命的出现仅仅是一种意外的事件,是“在宇宙边缘”的局部宇宙涨落。
在复杂系统的框架中,生命的形成不是偶然的,而从耗散自组织意义上讲是必然的和合乎规律的。宇宙中,只有生命出现的条件(例如出现在行星地球上)才可能是意外的。一般地,生物学中将个体发生(有机体的生长)与种系发生(物种的进化)加以区别。在任何一种情形下,我们遇上的都是复杂的耗散系统。这种系统的发展,可以用远离热平衡的相变来解释,即由分子、细胞等等的非线性(微观)相互作用引起的(宏观)序参量的演化得到解释。生物系统(植物、动物等等)的形式用序参量来描述。亚里士多德关于自然目的的目的论,用相变的吸引子来解释。但是,这里不需要任何特殊的“生命力”或“目的力”。从哲学上看,生命的出现可以在非线性因果性和耗散自组织的框架中得到解释,尽管出于启发式的原因,它可能会使用目的论语言来描述。
我要向读者指出,生物大分子的前生物进化已经由曼弗雷德·艾根等人进行了分析和模拟。斯宾塞以复杂性增加为标志的生命进化思想,可以在耗散自组织理论中得到精确化。众所周知,图林分析了有机体数学模型,将其表示成复杂元胞系统。格里斯奇、迈恩哈特等人用关于细胞聚集的演化方程描述了有机体(例如软泥霉)的生长。对于阿米巴,当环境中细胞营养物处于某个临界值,其非线性相互作用引起了如软泥霉的宏观有机体的形成。序参量的演化对应于宏观有机体相变过程中的聚集形式。成熟的多细胞体可以解释为机体生长中的“目标”或(更好的)“吸引子”。
甚至生物群体的生态生长也可以运用协同学概念来说明。生态系统是复杂的耗散系统,包括植物或动物之间以及与其环境之间的相互的非线性代谢作用。两种群体与其营养源的共生,可以用3个耦合的微分方程来描述,爱德华·洛仑兹已经用这种方程描述了气象学中天气的发展。在19世纪,意大利数学家洛特卡和沃尔特拉描述了两个处于生态竞争中的群体的发展。两个复杂群体的非线性相互作用,由两个耦合的捕食者和被捕食者的微分方程来描述。该耦合系统的演化具有一个稳恒的平衡点。演化的吸引子是周期振荡子(极限环)。
复杂系统理论使得我们可以对自然界生态系统的非线性因果作用进行分析。自从工业革命以来,人类社会与自然界的生态循环结合得越来越紧密。但是,线性的传统工业生产模式使复杂的自然平衡受到重大威胁。人们假定自然界中拥有无穷无尽的能源、水源和空气等等,利用它们时也不会干扰自然界的平衡。工业会生产出无穷无尽的物品,而无需考虑如同臭氧洞或废物利用那样的协同效应。生命的进化转化成为了人类社会的进化。
第四章“复杂系统和心-脑的进化”,讨论了也许是最有思辨性的复杂系统的跨学科应用。在哲学史和科学史上,已经提出了多种多样的解决心-身问题的主张。唯物主义哲学家如德谟克利特、拉美特利等人主张,把精神还原为原子的相互作用。唯心主义者如柏拉图、彭罗斯等人则强调,精神是完全独立于物质和大脑的。在笛卡尔、艾克尔斯等人看来,精神和物质是相互作用、独立存在的实体。莱布尼茨信奉一种形而上的精神和物质的平行论,因为它们不可能进行物理性的相互作用。在莱布尼茨看来,精神和物质是在“前定和谐”中存在,如同两个同步的钟表。现代精神哲学家如西尔斯则捍卫一种进化自然主义。西尔斯争辩道,精神以意向性的精神状态为标志,它们是人大脑的生化作用的固有特征,因而不可能由计算机来模拟。
但是,复杂系统理论不可能归结为这些或多或少片面的主张。复杂系统探究方式是一种跨学科的方法论,适用于讨论诸如大脑这样的细胞器官的非线性复杂系统。精神状态的形成(例如模式识别、情感、思想)用大脑集合体的(宏观)序参量的演化来解释,序参量是远离热平衡的学习策略中由神经细胞的非线性(微观)相互作用造成的。具有精神状态的细胞集合体被解释为相变中的吸引子(不动点、周期的、准周期的或混沌的)。
如果大脑被看作一个神经细胞的复杂系统,那么它的动力学也就假定由神经网络的非线性数学来描述。例如,通过与应用于描述物理学、化学和生物学中模式形成的演化方程进行类比,模式识别也就解释成为一种相变。从哲学上看,我们就获得了一种跨学科的研究纲领,由此可以把神经计算的自组织解释为一种具有共同原理的物理学、化学和神经生物学演化的自然结果。正如在模式生成的情形,特定的模式识别(例如一张脸的原型)是用其特征集的序参量来描述的。一旦给出了属于该序参量的部分特征(例如脸的一部分),序参量就会完成其余的特征,使得整个系统以联想记忆方式起作用(例如在给出脸的一部分时重构出所贮存的脸的原型)。按照哈肯的役使原理,所识别的模式的特征相应于模式生成中受役使的子系统。
对于意识、自我意识和意向性的形成,情况又如何呢?在协同学中,我们必须对大脑的外部状态和内部状态进行区分。在感知和识别的外部状态,序参量相应于神经细胞集合体,代表着外部世界的模式。大脑的内部状态只是自参照状态,即只是包括精神状态的精神状态,而不包括外部世界的状态。在传统的语言哲学中,我们说人可以反映他们自己(自反映),也能够将外部世界的状况反映到他们自己的内部情感和意向(意向性)的状态之中。在新近的神经生物学研究中,科学家们推测,意识和自我意识作为自反映的神经实现,其形成取决于“元细胞集合体”产生速率的临界值。“元细胞集合体”即是代表了细胞集合体的细胞集合体,这细胞集合体又代表着细胞集合体,如此等等。这种假说(如果是成功的),只能解释诸如意识的形成特征的结构。当然,细胞集合体的数学演化方程并不能使我们获得与他人获得的感受不同的感受。在消极的意义上,科学是盲目的。但是,它也有积极的意义:个人的主体性得到了保留:非线性动力学的计算和计算机辅助的模拟原则上是有局限性的。
无论如何,复杂系统探究方式解决了一个传统的形而上学之谜。莱布尼茨曾经这样描述这个谜:如果我们把大脑想像为一台如碾磨机那样的大机器,我们可以进入其中的内部机制,我们将发现的只不过是如同嵌齿轮那样的一个个机器元件,而不可能找到什么精神,更不用说什么人的灵魂。当然,在微观水平上,我们只可能把神经元的发展描述为大脑中的脑部件。但是,在宏观水平上,复杂神经系统中的非线性相互作用引起了有一定序参量的细胞集合体的形成,而序参量是不可能用单个脑细胞的状态来验证的。整体并非部分之和。
显然,复杂系统探究方式对于心-身问题提供了解答,它们超越了传统的唯心主义、唯物主义、物理主义、二元论、相互作用论等等解答。对于所谓的自然智能和人工智能之间的区分,重要的是要注意,非线性复杂系统的原理并不取决于人脑的生物化学的作用。在大脑复杂系统是物理和生物进化产物的意义上,人脑是这些原理的一种“自然的”模型。但是,由人的技术生产出其他的(“人工的”)模型也是可能的,尽管它们的实现会遇到技术上和伦理上的限制。
第五章中,我们讨论“复杂系统和人工智能的进化”。在此描述了神经计算机和协同计算机的发展,并与图林机和基于知识的系统进行了比较。在协同计算机中,序参量方程允许一种新的(非霍布)学习方式,它是一种最大限度减少突触数目的策略。与旅晶型的神经计算机(如霍普菲尔德系统)不同,神经元并非阈值元件,而是执行一种简单的代数操作如乘法和加法。除了确定论的均匀性霍普菲尔德网络以外,还有所谓的波耳兹曼机,这是一种非确定论处理元件和分布知识表示的随机网络构造,数学上用能量函数来描述。与霍普菲尔德系统运用霍布学习策略不同,波耳兹曼机倾向于一种后向传播策略(威德劳-霍夫规则),采用具有隐含神经元的多层网络。
一般说,学习算法的目标在于通过自组织来减少大脑的内部世界模型与真实环境之间的信息-理论测量的差距。人们最近对于神经网络领域兴趣的恢复,主要是受到统计力学和非线性动力学技术的成功运用的鼓舞,这些成功运用的领域包括固体物理学、旋晶物理学、化学平行计算机、光学平行计算机以及——在协同计算机的情形——激光系统。另外的原因是,计算资源和技术水平的最新发展,使得对非线性系统进行计算处理越来越可行。从哲学上讲,认识论的传统课题,如感知、想像和认知,都可以在跨学科的复杂系统框架中进行讨论。
复杂系统探究方式的一个重要应用是神经仿生学和医学。人脑不仅是一台作为自然界进化产物的脑计算机,而且也是我们身体的一个中心器官,它需要医学上的治疗、康复和保健。例如,神经手术这个医学分支,专注于保持人的精神的生物载体的健康。神经仿生学的一个基本目标是关注未来的脑-心体的健康。近年来,器官移植中引入了新的诊断手段和技术设施,它们建立在从复杂动力学系统看待大脑所获得的新见解的基础上。因而临床治疗的变化是不可避免的。神经病和心理疾病可以解释成高度敏感的非线性系统中的复杂状态。甚至医学治疗也必须考虑到这个复杂器官的高度敏感性。另一种更为思辨性的新技术是电脑化空间。感知、情感、直觉和幻想可以是人工神经网络的产物吗?虚拟现实已经成为现代文化哲学中的一个关键词。
在经历了从物质、生命、心-脑和人工智能的运动之后,本书的第六章《复杂系统和人类社会的进化》进行了黑格尔式的大综合。在社会科学中,人们通常严格地区分生物进化和人类社会史。原因在于,民族、市场和文化的发展被认为由人的意向性行为所引导,即人的决策是以意向、价值等等为基础的。从微观的角度看,我们当然可以观察到带着其意向、信仰等等的一个个的个体。但是从宏观的角度看,民族、市场和文化的发展就不仅仅是其组成部分之和。我们知道,政治和历史中的单极因果关系是错误的、危险的线性思维方式。对于处理复杂系统甚至包括人文领域这样的复杂系统,协同学表现为一种成功的策略。为了以跨学科方式运用协同学,显然不必将文化史还原成生物进化。与任何还原论的自然主义和物理主义相反,我们承认人类社会的意向性特征。因此,复杂系统探究方式可以是一种沟通自然科学和人文学科、消除其间隔阂的方法,斯诺曾在著名的《两种文化》中批评过这种隔阂。
在复杂系统框架中,人群的行为用(宏观)序参量的演化来解释,(宏观)序参量是由人们或人类的子系统(国家、组织机构等等)的非线性(微观)相互作用引起的。社会的或经济的有序用相变的吸引子来解释。阿伦等人分析了城市区域的生长。从微观的观点看,城市区域的生长中,群体演化在数学上是用耦合的微分方程来描述的,微分方程的项和函数涉及每一地区的能力、经济生产等等。整个系统的宏观发展用计算机辅助作图示意出来,包括了工业化中心、娱乐中心等等的变化,它们是由其中的一个个城市区域的非线性相互作用引起的(例如,交通、通信等等的远近不等带来的优势和劣势)。此协同学模型的一个基本结论是,城市的发展不可能以每个人的个人自由意志来解释。尽管每个区域中的人们的行动都有其个别的意向性、计划性等等,但是全局的发展趋势却是非线性相互作用的结果。
协同学的另一个跨学科应用的例子是维德里希的迁移模型。他区分了社会中微观水平上的个体决策和宏观水平上的动力学集体过程。具有随机涨落的概率性宏观过程用人类社会构型的主方程来描述。一个社会构型中的每一组元都涉及到一个具有特征行为矢量的子群体。社会中迁移的宏观发展可以用计算机辅助作图来示意,其中的混合、聚居、漫游和混合中心的变化,都是由社会子群体的非线性相互作用引起的。在此模型中,人的复杂系统和非人的复杂系统之间的区别是明显的。在微观水平上,人的迁移是意向性的(即受收益考虑引导的)和非线性的(即依赖于个体和集体的相互作用)。协同学的一个主要的结果又是,国家的和国际的迁移效应是不可能用单个的个人自由意志来解释的。我认为,迁移是当代的一个非常重要的课题,揭示了线性的、单极因果性的思维方式是多么的危险。只有良好的愿望而不考虑到个别决策的非线性效应是不够的。线性的思维和行动能激发起全局性的混沌,尽管我们局部的行动带着最良好的愿望。
很遗憾,在经济学中,线性模型仍然处于支配地位。从定性的观点来看,亚当·斯密的自由市场模型已经可以用自组织来解释。斯密强调了,个体的良好的或邪恶的愿望都不是本质性的。与集中化的经济系统相反,供给和需求的平衡,并不由程序控制的中心处理者来指定,而是“看不见的手”(斯密)的结果,即只不过是消费者和生产者的非线性相互作用的结果。经济学家近来对于非线性耗散系统的兴趣,受到了以知识为基础的高技术产业发展的鼓舞,高技术产业具有正反馈效应(即生产增长依赖于技巧的增长,如电子学、计算机工业等等);这与传统的产业具有负反馈效应形成了鲜明的对比(即生产的降低受到资源的限制如煤炭或钢铁)。一般说来,经济过程是非常复杂的,需要非线性耗散模型。回忆一下种种不同的吸引子,从经济循环到财政混乱,它们只可能以消费者和生产者、财经政策、股票市场、失业等等的非线性相互作用引起的协同效应来解释。甚至在管理领域,也讨论了可能的复杂模型,以通过所有层次上的管理和生产的非线性协同来支持创造性和创新。协同学的分析表明,经济过程是自然的生态循环之中的一个环节。正是我们使经济学和社会学非线性复杂系统成为现实这个大的政治意愿,使自然与人类社会面保持平衡。
人们显然已经获得了一些成功地处理非线性复杂系统的策略。我们将讨论一些应用的例子,包括量子物理学、流体动力学、化学和生物学中的,以及经济学、社会学、神经病学和人工智能中的例子。这些自然科学和人类社会中的成功应用背后,原因是什么?复杂系统方式并不归结为某个特定的物理学自然规律,尽管首先从物理学中发现了其数学原理并有了成功的应用(例如激光)。它是一种跨学科的方法论,可以解释复杂系统中通过微观元素的非线性相互作用造成的一定的宏观现象。宏观现象的形式多种多样,可以是光波、流体、云彩、化学波、生物分子、植物、动物、群体、市场和脑细胞集合体,它们都是用序参量来标志的(表1.1)。
1.1非线性复杂系统的跨学科应用
学科
系统
元素
动力学
序参量
量子物理学
激光
原子(光子)
相变
光波形式
流体力学
流体
分子
相变
液体形式
气象学
天气
分子
相变
云彩形式
地质学
熔岩
分子
相变
六角形(贝纳德元胞)
化学
BZ-反应
分子
相变
螺旋形环形(化学波)
生物学
生物分子
分子
相变
结构形式
生物学
有机体
细胞
机体生长
机体形式(植物,动物)
生物学
群体
有机体
群体进化
群体形式(相互作用形式)
经济学
经济系统
消费者,生产者等
市场机制(即供给和需求)
市场形式(相互作用形式)
社会学
社会
人、制度等
历史
相互作用形式
精神病学(心理学)
大脑
神经元
认知(学习)
表示外部或内部(“自参照”)状态的神经细胞集合体的形式
人工智能(AI)
神经(AI)
AI神经元
学习算法
表示外部或内部(“自参照”)状态的神经AI元注集合体的形式
从哲学角度看,重要的是要弄明白,序参量不能归结为系统原子、分子、细胞、有机体等等这些复杂的微观水平。它们有时是可测量的量(例如激光的场势),有时是定性的性质(例如模式的几何形式)。然而,序参量并不只是一个理论性的、没有任何现实性的数学概念。实际上,它们代表着真实的宏观现象的性质,诸如场势、社会或经济的力量、情感甚至思想。有谁会否认情感和思想可以改变世界呢?但是,复杂系统探究方式不是一种形而上学的过程本体论。协同学原理(以及其他原理),对于构造自然科学和人文学科中的非线性复杂系统的模型,提供了一种启发性框架。如果这些模型可以数学化,它们的性质可以量化,那么我们就获得了一种经验性模型,它们可能与数据吻合,也可能不吻合。役使原理表现了另一种优点。由于它减少了复杂系统中的大量的自由度,协同学就不仅仅是启发性的、数学化的、经验的和可检验的,而且也是经济的。这也就是说,它满足了著名的奥卡姆剃刀原理,这一原理告诉我们除掉多余的实体。
我们的探究方式表明,物理的、社会的和精神的实在都是非线性的和复杂的。协同认识论的这个基本结论要求我们,注意我们的行为的严重后果。正如我们所强调的,在一个非线性的复杂的现实中,线性思维是危险的。作为一个例子,我们必须记住,我们需要的是一个生态学和经济学之间有着良好均衡的复杂系统。我们的医生和心理学家,必须学会把人看作复杂的精神和肉体的非线性体。线性思维可能会作出不正确的诊断。医疗中的局部的、孤立的和“线性的”治疗方法,可能会引起负面的协同效应。在政治和历史中,我们必须牢记,单极因果性可能会导致教条主义、偏执主义和空想主义。随着人类的生态、经济和政治问题已经成为全球的、复杂的和非线性的问题,传统的个体责任的概念也变得可疑了。我们需要新的集体行为模型,它们建立在我们的一个个的个别成员和种种不同见解的基础之上。简言之,复杂系统探究方式需要有新的认识论和伦理学结论。最后,它也提供了一个机会,使我们去防止非线性复杂世界的混沌,去利用协同效应的创造性可能。
 
 2复杂系统和物质的进化
有序何以能够从复杂的、无规的和混沌的物质状态中出现呢?古代的典籍中,哲学家试图将自然现象的复杂性追溯到第一原理。天文学家提出的数学模型,是将他们常见的、无规的、复杂的行星轨道归结为规则的、简单的球体运动。简单性被理解为真理的特征,直至哥白尼也是如此(2.1节)。牛顿和莱布尼茨把某些新东西加进了运动学模型的理论中。微积分使得科学家可以计算一个物体的瞬时速度,并将其形象地表示为该物体轨迹的切向量。速度向量场成为动力系统理论中的一个基本概念。牛顿和爱因斯坦的宇宙理论,使用的是完全确定论的动力模型(2.2节)。
但是,彭加勒发现,从长远观点看,这些模型可能都是不可计算的(多体问题)。甚至对于一个完全的确定论世界,拉普拉斯妖——它可以长期地对宇宙进行计算——的假设也暴露出只不过是一种幻想的虚构。混沌不仅仅出现在天上,也出现在量子世界中(量子混沌)(2.3节)。从方法论的观点看,非线性是混沌的必要条件而不是充分条件。它也使有序的出现成为可能。在现代物理学框架中,宇宙中多种多样结构的出现,包括从基本粒子到恒星和活的有机体,都是用平衡态的相变和对称破缺来建模的(2.4节)。但是甚至从霍金以来,我们也仍未获得一种完整的理论来解释复杂性不断增长的物质进化。前苏格拉底的惊奇——“存在着某种东西而非一无所有”——仍然没有得到解决。
2.1亚里士多德的宇宙和赫拉克利特的逻各斯
前苏格拉底以来,自然哲学的一个基本问题是,有序是如何从复杂的、无规的和混沌的物质状态中出现的。前苏格拉底哲学家们所做的是把自然现象的复杂性按经验还原为“原初”即“原素”。让我们来看一些例子。米利都的泰勒斯(前625-前545)是第一个自然哲学家,据说他证明了第一条几何公理,他认为只有物质性的基本因才可能是万物的原初因。泰勒斯主张,水或湿是第一因。他的证据来自观察:万物的繁茂和种子都与湿有关,而湿物的自然基质就是水。
阿那克西曼德(前610-前545),泰勒斯的学生和同事,扩展了泰勒斯的自然哲学。为何水是万物的第一因?它只是存在于连续的紧张和对立之中的物质的多种形式之一:热对冷、湿对干……因此阿那克西曼德主张,“存在物的起源和第一因”是“无限的不定性”的原初物质,相反形式的物质从中产生出来。相应地,我们必须把“无限的不定性”想像为原始状态,此时物质不受限制,也没有对立,因而在任何地方都有相同的特征。因此,这是一种完全均匀的、对称的初始态。对称性后来发生了对称破缺,于是世界及其所有可观测的对立和紧张就产生出来:
不断发生着的物质分裂创造了这个世界,火球从中产生出来,它包围着气,气又包围着土,如同树皮围绕树干;当它进而分裂开来,就形成了一串圆圈,太阳、月亮和星星都各处其所。
阿那克西曼德在其宇宙起源论中所描述的随后的物质状态因此就决不是混沌的;相反它们是由新的部分有序所决定的。阿那克西曼德早期的生物进化思想更有吸引力。他主张,最初的人为海中动物所生,出生后他们很快就能独立谋生,正如他观察到有几种鲨鱼的情形就是如此。一个世纪以后,人们开始寻找海中动物的化石证据,来证明人是从海中诞生的。第三位著名的米利都自然哲学家是阿那克西米尼(约前525),他被认为是阿那克西曼德的同事。他把变化看作是凝聚和稀散的外部力的结果。在他看来,各种形式的物质都可以作为基本物质。他选择了气:
稀散,使之成火;凝聚,成风;然后,成云;进一步,更强的凝聚,就成水;再后,成土;最后,成石头;万物都是由这些东西产生出来的。他还主张,永恒的运动是转化的缘由。--他说,冷使物质收缩和凝聚,相反,热却使之稀薄和散开。
因此,阿那克西米尼主张,外部的力量使得多种多样的物质状态从共同的原初物质产生出来,并相互转化。
爱菲索的赫拉克利特(约前500)常常被称作“晦涩哲人”,他对我们的主题具有特别显著的意义。他的语言的确深奥难懂,多为预言式语言而不是严肃的科学语言,充满着深层隐喻。他采用了阿那克西曼德关于自然界充满斗争和对立面紧张的学说。他认为,原初物质——万物之源,自身处于变化中,因而也就是火:
闪电(即火)指引着一切。—这个世界的秩序也是如此,一切都不是任何上帝创造的,也不是任何人所创造的,但它过去、现在都是永恒的活火,按照一定的尺度燃烧和熄灭。
赫拉克利特进一步阐述了所有的物质状态如何能够被理解为原初物质——火——的熄灭形式。在我们的时代,物理学家维纳·海森伯声称:
在这一点上,我们能够以某种方式说,现代物理学十分接近于赫拉克利特的教导。如果我们替换一下“火”这个词,就几乎一字一句地重复赫拉克利特的说法来作为我们现代概念的表达。能量的确是质科,所有的基本粒子,所有的原子,以至万物总的说来都是由它构成,而且同时能量也是那运动着的东西……能量可以转化成运动、热、光和张力。能量可以被看作是世界上的一切变化的原因。
的确,这个物质世界由对立条件和倾向构成,然而它们却借存在于隐藏着的和谐而保持着统一性:“对立事物的斗争走向联合,从多样性中产生出最美的和谐,斗争使得万物以这种方式产生出来。”隐藏着的对立面的和谐因而就是赫拉克利特的宇宙规律,他称之为“逻各斯”。
当对立面的斗争结束时情况如何呢?按照赫拉克利特的看法,这个世界就进入到一个绝对的平衡终态。爱利亚的巴门尼德(约前500)描述了这种物质状态,在此不再有(虚空)空间的变化和运动。物质在任何地方都是平均(均匀)分布,没有任何一个方向对于可能运动是优先的(各向同性)。值得注意的是,无限被看成是不完美的,因而假定有限的物质分布。以这种方式,巴门尼德提供了一种世界图像,它是坚固的、有限的、均一的质料球体,没有时间、运动或变化。这种无变化存在的爱利亚哲学,的确是要批判赫拉克利特的永恒变化哲学,认为它不过是一种感官的幻觉。这种爱利亚哲学,在历史上对后来的柏拉图的影响,体现在他对虚假变化的批判中:虚假变化是在感官的感知中产生的,而真实的世界是不变的理念存在。但是从自然哲学的观点来看,巴门尼德描述的世界并不必然与赫拉克利特的教导相对立;在他的宇宙发生论中,它完全可以被理解为最高对称性的奇点终态。
在把水、气和火当作原初元素之后,就容易将它们设想为世界的原材料。恩培多克勒(前492-前430)迈出了这一步,并把土作为第上四种元素加入到火、水和气之列。这些元素可以自由地以各种比例混合和结合,也可以分解和分开。那么恩培多克勒把什么作为自然界的不断变化和运动背后的永久原素呢?他认为,首先是存在着四种元素,它们来自自然和机遇,而不是来自任何意识意向。变化是这些元素之间的反复作用即混合和分离引起的:“我要告诉你们另一件事:任何质料事物都既不会诞生,也不会走向毁灭。有的只是:混合和混合物的交换。”元素之间的这些反复的作用,是两种基本的力量引起的;他将吸引称之为“爱”,排斥称之为“恨”。这类似于中国哲学中的阴和阳。恩培多克勒提倡一种不断的转化过程,即元素的结合和分离,在此过程中元素则保持下来。他并没有把这些转化过程设想为完全机械性的(后来的原子论者则这样设想),而是设想为生理性的,特别是他把有机体的代谢过程看得高于无生命的自然界。
在他的医学理论中,平衡被理解为真正的比例关系。因此,健康就意味着相反成分的某种特殊的均衡,只要其中一方占了上风就会引起疾病。如果我们考虑现代细菌学及其对于人体中抗体的理解,那么恩培多克勒的这种观点是多么的贴切。
阿那克萨戈拉(前499-前426)被认为在许多方面都精练了前人的教导。他像恩培多克勒一样,发展了一种物质混合理论。但是他将恩培多克勒的四种元素代之以数目无限的实体,构成这种实体的是种子微粒或同样大小的微粒。它们数目无限,也无限地小,即假定物质是无限可分的。颗粒连续不断的思想就不可避免要产生出来。阿那克萨戈拉也试图以这种方式来解释颜色的混合,他说过雪在一定程度上也是黑色的,不过白色在此处于支配地位。所有的事物都包含在每一事物之中,但是其中一些在混合关系中处于支配地位。
比起他的一些前人,阿那克萨戈拉显然试图在自然哲学中给天体现象和运动以物理解释,在古希腊的数学天文学中仅仅是从运动学角度描述它们的。于是在他的宇宙学中,他已不停留在单一的起始态:均匀的物质混合。阿那克萨戈拉把一种非质料的原初力量称作“精灵”,它使得混合物进入漩涡运动之中,并根据它们各自的速度把种种事物分离开来。土聚集在漩涡的中间,而更重的石块则向外猛冲而去,形成了恒星。它们的发光被解释成其群体的发热,并被归结为它们的飞快的速度。阿那克萨戈拉的漩涡理论,到近代在笛卡尔那里再现出来,后来又以更精致的形式再现在康德-拉普拉斯行星系统的机械起源理论中。
近代自然科学中,原子论已被证明是一个极为成功的研究纲领。哲学史上,德谟克利特的原子理论常常被看作赫拉克利特的变化哲学和巴门尼德的不变存在原理的结果。德谟克利特区分了“充满”和“虚空”,最小的不可毁灭的原子和虚空相应于巴门尼德的“存在”和“非存在”。赫拉克利特的复杂性和变化性,从原子的不可区分的构型中衍生出来。虚空空间被假设为均匀的和各向同性的。
在质料组合中,原子的不同在于其形式、位置以及种种构型。为了表示出原子的构型,将其比作语词中的字母序列,就导致了这样的假设,即原子思想只有在使用拼音文字的文化中得到发展。事实上,在中国,传统上使用的不是拼音文字而是象形文字,人们不知道粒子的思想,流行的是自然过程的场和波的概念。德谟克利特的原子按照必然性以不断旋转的方式运动。在此,与后来的亚里士多德的概念不同,运动仅仅是指虚空中的位置变化。所有的现象,所有的生成和腐朽,都是组合和分离的结果。物质的聚集态如气体、液体或固体,都用原子的不同密度和运动潜力来解释。用今天的结晶学的观点看,德谟克利特的思想——甚至固体中原子在其位置上也发生着振动——是值得注意的。
柏拉图在他的对话《蒂迈欧》中,引入了第一个数学的原子论模型。变化、混合和分离,都要追溯到前苏格拉底时期就已经说过的不可改变的数学规则性。在恩培多克勒的四元素即火、气、水和土中,已经有了一种分类,立即就可以借用。泰阿泰德全部采取了完全确定性的规则物体,它们在三维(欧几里得)空间都是可能的:四面体、八面体、二十面体、立方体和十二面体。因此,柏拉图所主张的,也就是要以这些几何建筑块来解释恩培多克勒的四元素。
柏拉图对其元素有意要避开德谟克利特的“原子”表示法,因为它们可以分解成独立的平面图形。于是,四面体和二十面体具有等边三角形的面,它们分成两半时得到直角三角形,其边长分别是1、2和,而立方体的面分成两半时得到直角三角形,其边长为1、1和平方根。结果是,像水、气和火那样的“流体”是可以相互结合的,而以土作为建筑块所构成的固体,因其不同的三角形,只可能转变成其他的固体。
于是柏拉图就发展起一种基本粒子的物理学,其中特定的元素是可以相互转变的,“基本粒子”(即相应的组元三角形)可以按照几何定律发生着“反复的作用”。例如,元素的转变是沿其边切开造成的。柏拉图之所以使其成为可能,这有赖于固体角度的锋锐。较为锋锐的平面角可以劈开具有规则角度的多面体。于是,所有的四面体、立方体、八面体、二十面体,排在前面的都可以劈开排在后面的多面体,但不能劈开排在前面的多面体或同样的多面体。这种自然哲学的结论中,火可以分离或分裂所有其他元素,土只可以分离或分裂气和水,气则仅仅可以分离或分裂水。
柏拉图断言,元素的大小是不一样的。例如,为了解释火能够引起固态形式的水转变成液态形式的水,他认为,元素在液态时尺寸要小一些,更有流动性,而在固态时其尺寸就要大一些。
离开火被称作冷却,在离开火以后的状态称固化。火和气可以通过土建筑块(立方体)中间的间隙而不受阻碍,也不会分裂土元素。气凝聚起来后不可能被分解,也不毁灭此元素。气的凝聚意味着八面体以最佳表面构型积累起来。即使是火也难以穿透进其中必然会留下的间隙,因其体面角度比所有元素的都要小,不会破坏八面体。对于水,只有火才可能破坏最强的凝聚。相邻二十面体的体面角度之间的间隙既不允许土穿透也不允许气穿透。只有火(四面体)可以穿透和分解此种结合。
的确,柏拉图发展了一种内部目洽的数学模型,如果人们接受他的学说——尽管它有点专断——作为对元素进行解释的起点,实体的各种聚集态和反复作用都可以由此得到解释。这种自然哲学自然会引出一些奇怪的荒谬结论。不过,我们在此遇上了科学史上以简单的几何定律来解释物质及其状态的首次尝试。这在现代基本粒子物理学中得到了高度发展。海森伯注意到了这一点:“……基本粒子具有柏拉图描述的形式,因为这是数学上最美、最简洁的形式。因此,现象的终极根源不是物质,而是数学规律、对称性、数学形式”。在古代和中世纪,柏拉图的数学原子论没有得到多少支持。对于他的后继者来说,他的几何学物质理论的基本问题在《蒂迈欧》中已经是明明白白的了。如何来解释活的有机体的功能呢?一定的肉体形式是为了满足一定的生理目的(例如,食管的形状是为了同化食物),这种主张,在任何情形下都难以从规则固体的理论中推演出来。此外,以几何图形的“活跃”和“僵死”为基础来解释生命的变化动搏过程,在那个时代的人们看来也必定是完全不自然的、推测性的和冷僻遥远的。在我们这个时代,人们仍然难以理解这种迂回:今天的科学解释中采取的是复杂的抽象数学理论。亚里士多德的自然哲学就从这里开始了。
亚里士多德主要以活的有机体如植物和动物的功能为基础,来阐述他关于自然的均衡或“平衡”的概念。生命的过程和周期是我们从日常经验中所熟知的。用我们熟知的东西来解释这个世界,比起用那些我们不熟悉的陌生的东西来进行解释,不是更清楚一些吗?按照亚里士多德的见解,科学的任务就是对自然的复杂性和变化的原素和功能作出解释。这是对那些自然哲学家的一种批评,他们用个别的实体来作为原素的证明。一个个的植物或一个个的动物,都不仅仅是其质料建筑块的相加之和。亚里士多德把构成个体存在的东西称作一般形式。由形式塑造的东西称作物质。形式和物质都不是自己能单独存在的,相反它们是通过抽象提取出来的自然的原素。因此,物质也是以使之形成的潜能为标志的。在物质形成之前就已存在着实在。
我们所观察到的真正的活的生物体都处在不断的变化之中。赫拉克利特在此是正确的,而巴门尼德把变化看作幻觉则是错误的。变化是真实的。按照亚里士多德的看法,赫拉克利特用特定实体(火)来证明变化也是不对的。亚里士多德是用第三种原素来解释那些变化,这第三种原素与物质和形式并列,没有形式就没有适当的变化。幼苗和孩子是弱小的、不成熟的。它们得以生长是因为它们与其自然趋势(形式)相一致,这意味着长大变强和成熟起来。因此,一般地说,变化决定着运动,使之从可能变成现实,即“潜能实现”(中世纪人们的说法)。物理学的任务,就是研究自然界中在此综合性意义上的运动。自然——与人所制作的艺术品或技术工具相反——被理解为所有事物,它自己带着运动的原素。如果我们按照亚里士多德的指示来进行思考,则正如日常经验告诉我们的,首先是对于植物、动物和人们的生命过程,他的说法完全是合理的、适当的。自然并非一块巨石,可以任凭人们将其破裂成一块块石块。自然自身被设想为一个理性的有机体,其运动是必然的、合目的的。亚里士多德区分了两类运动,即由大小的增加或减少引起的量的变化,由特征转变引起的性质变化,以及由位置改变引起的空间变化。亚里士多德规定了因果性的四个方面作为变化的原因。为何植物会生长?这是因为:①其质料组分使得生长成为可能(质料因);②生理功能决定了其生长(形式因);③外部环境(土、水和阳光等等营养物)推动着生长(动力因);④与其终极目的相一致,即奔向其最完美的形式(目的因)。
亚里士多德然后就运用这些同样的原理——它们显然是从植物、动物和人的生命循环中推演出来的——去解释狭义上的物质,即后来被称作无机部分的自然。亚里士多德在此又从直接的经验推进了。我们在此遇到的,不再是作为自然界独立建筑块的众多元素;而是我们所经验的特性,如温暖和寒冷、湿润和干燥。这些特性的结合产生出以下决定元素的特性对:热-干(火)、热-湿(气)、冷-湿(水)、冷-干(土)。这里排除了同时出现热-冷和湿-干。因此,元素只有4种。这种推演后来受到了批评,它是主观任意的,但是它表明了亚里士多德的方法,即不是从抽象的数学模型进行推导,而是直接从经验出发进行推导。在真实的物体中,都或多或少、或强或弱地含有火、气、水和土,它们都处在不断的转化之中。按照亚里士多德的观点,用热的手段来驱除水中的冷就形成了气,而排除气中的湿就形成了火。自然的变化就被解释为成熟和转化过程。
这种处于支配地位的有机自然哲学就其那时的状况,如何能为数学自然科学提供物理解释呢?基本的空间运动只有两种,即直线运动和圆周运动。因此必定有某些元素,使这些基本运动自然地出现。其他物体的运动是由这些元素及其自然的运动来决定的,每一种运动都受此运动支配。最完美的运动是圆周运动。它是可以一直运动下去的,这就是为什么要规定一种不朽的元素。这就是第五种元素(精英),它构成了不变的大球和恒星。尘世(月下)世界中的不断变化性,与天上(月上)世界的不变现则性区分开来。这些转变过程中伴随着那四种元素,它们具有独特的直线运动,特别是具有指向世界中心的运动,其中重元素土和水竞相奔向其自然的中心,而指向月球圆周的直线运动中,轻元素竞相向上奔向其自然的归宿。
在这些自然的运动中,还有自由落体运动。但是,亚里士多德并没有像伽利略那样,以理想实验形式从独立的运动出发来进行探讨。在复杂环境中观察到的落体,没有从其摩擦(“耗散”)力中抽象出来。在其自由降落过程中,落体在空气介质中下落如同石头在水中下沉。因此,亚里士多德把自由降落想像为一种流体动力学过程,而不是一种真空中的加速过程。他假定了一种恒定的降落速度u,它正比于物体的重量p,反比于介质(例如空气)的密度d,用现代表示法就是。u-P/d。这个比例方程同时也为亚里士多德反对原子论者的虚空提供了一种证据。在真空中,密度d=0,所有的物体都将无限快地降落,这显然是不会发生的。
(人为)推动的运动的一个典型例子是投掷,它也是在其复杂的“耗散”力的环境中来考察的。按照亚里士多德的观点,非生命物体的运动只是不断的外部运动因的结果。想像一下,古希腊的颠簸的道路上的两轮车,当驴子(或奴隶)停止推或拉时,车就会停下来。但是为何当一块石头从手中投掷出去后它还继续运动呢?在亚里士多德看来,在虚空中是不可能有超距作用的。因此,亚里士多德说,投掷者把运动传递给了石头周围的连续介质,这将石头推到远处。对于推动或拉动的速度u,亚里士多德断言,这里有比例关系U-K/p,K是所施加的力。当然,这些并非是与测量的量相联系的数学方程,而是定性的决定性因素的比例,在中世纪的亚里士多德派的物理学中它首次被表述成了这种形式。于是,与伽利略-牛顿的动力学相反,在亚里士多德的动力学中,所有的位置(直线)变化都需要有某种运动因(力)。中世纪的冲力论改变了亚里士多德的动力学,把运动因归结到投掷出去的物体中的“冲力”,而不是由外部媒介进行的传递。
亚里士多德派的动力学是如何解释天上的宇宙规律的呢?宇宙模型的中心对称性以(未受力的)球体的圆周运动——这被认为对于“天上”元素是自然的——为基础,以及以宇宙中心的自然中心理论为基础。托勒密进一步以这个各向同性模型为基础,用一种三段论的充足理由律来解释地球的位置。假定所有方向都是完全等价的,地球为何要向这一方向或那一方向运动就是没有理由的。
地球处于中心的中心对称模型是亚里士多德的老师柏拉图提出来的;在地球周围的整个天空,都围绕着一条穿过地球的天轴向右旋转。太阳、月亮和行星都在球面向左旋转,它们与地球的距离依次是:月亮、水星、金星、太阳、火星、木星和土星。最外层是带着恒星的球面。按照柏拉图-毕达哥拉斯概念,旋转周期相互之间具有整数关系。所有的旋转时间有共同的倍数,在其结束处所有的行星正好又处在相同位置。它们的运动都会各自产生出一种声音,因此球体运动的音调合在一起就形成了天球的和谐,与校好的音阶一致。宇宙的几何的、算术的和美学的对称性,在环宇中奏响一种天球的和谐音乐。随后,精确的观察使人们对这种强调宇宙对称性的模型产生疑问。一个困难的问题来自不规则的行星轨道,特别是它们的逆行运动。天空中的不规则性引起了人们的不安,特别对于承袭毕达哥拉斯传统的哲学家更是如此,他们已经习惯于把天上——与地球相反——理解为永恒对称的、和谐的领域。
柏拉图提出了一个著名的问题,以减少天上运动的复杂性:使用规则、有序的圆周运动来“拯救”行星现象;这是一种运动学的解释。当波加的阿波罗尼(约前210)建议放弃天球的共同中心时,已经提出一个观察曲线的精确模型。但是,仍然保持了球形的行星运动和等速球体。按照这种主张,行星在球面上作匀速转动(本轮),它们的中心被设想成沿中心点(地球)的一个大圆圈(均轮)上作匀速运动。通过适当地调节速度和两个圆圈运动的直径并变动其运动方向,就有可能作出某种未预料的曲线,而这些在从开普勒到托勒密的天文学中都找到了部分应用。一个个模型的球体对称性因而得到了保留,即使它们不再有共同的中心而是有种种不同的中心时也是如此。
-均轮技巧显示出,通过适当地把匀速的圆周运动结合起来,可以得到多种表现的运动形式。这使得柏拉图派的哲学家的观点更容易理解:在现象的变化背后是永恒的不变的形式。在图2.1中,一个椭圆的轨道是由均轮的运动与本轮的运动结合而成的。图2.2显示了一种封闭的旋轮线。以这种方式,行星与地球之间的距离的变化也就被表示出来。原则上,甚至角度的形象也可以产生出来。当本轮的直径接近于均轮的直径时,就完全是一条直线了。如果人们改变一个行星的从东到西运动的速度,使之沿一个本轮从西到东运动,那么通过适当地组合一个本轮运动和一个均轮运动,还可以产生出三角形和长方形。
如果人们使天体沿第二个本轮作圆周运动,这第二个本轮的中心点是沿第一个本轮运动的,那么就可以产生出多种椭圆轨道、反映-对称曲线、周期曲线以及非周期轨道和反对称曲线。从纯粹的数学和运动学的观点看,柏拉图的“拯救现象”问题是完全解决了。因此,柏拉图式的以匀速圆周运动(被阿波罗尼和托勒密进行了修订)来减少复杂性的做法,原则上也许直至今日还对科学有影响。无论如何,它是不可能由曲线途径的现象学描述来否证的。特别是,从这种观点来看,无论是在所谓的哥白尼革命中将地球和太阳的位置对换,还是把圆周轨道改变成椭圆轨道的开普勒变化,都显得是次要的,因为他们的起始条件都可以追溯到与本轮-均轮技巧符合的对圆周运动的组合。这就带来了两个问题:①这种断言是如何在数学上得到支持的?②如果它得到这种支持,那么它为何在现代科学的曲线理论的应用中却没有起作用呢?为了精确地对第一个问题作出一般性的回答,有必要返回到分析几何的现代结构。但是在历史上,哥白尼和开普勒也知道,他们所用的曲线(例如椭圆)也是可以通过本轮-均轮技巧来重构的。
首先,我们必须记住,平面上的点可以用复数X=X+iy=reθ来代表,相应的笛卡尔坐标是(x,y)或极坐标是(r,θ)。复数的加法相当于向量的加法。一个具有中心c、半径r和周期T的匀速圆周运动可以表示为
z=c+reπT)+α=πT)+α(
式中该点的时刻是t,初相是α。现在假定点A按照方程z=f(t)运动。让点B相对于A作圆周运动,它有半径r,周期T,初相a。B点的运动就由如下方程描述
z=f(t)+rei(2πα)(2.2)
于是它就可能描述点B沿某个本轮的运动,其本轮中心绕A运动。新的本轮的加法在数学上是把一个新项reei(2πα)加到i(2πα)=απ=其中复数a≠0,K是实数。在逆行运动情形下,T或k分别为负。n个本轮叠加成的运动于是表示为方程
z=at+at+…+a(2.3)
让我们首先考虑平面Z=f(t)上的周期运动(例如其周期为2π)数学上,我们假定f在有限变化中是连续的。那么对于f可以表示为一个均匀收敛级数
n=-8
因此,容易从数学上证明f(t)以通过求和获得近似
其精确度随着N的增加而增加。
函数f的确是均匀收敛的。因此对于任意小的ε>O,可选择No使得对于所有的N≥No和所有的t,都有
|f(t)-S(t)|<ε(2.6)
令人惊奇之处在于,这种结果意味着,一条(有限变化的)恒定运动轨道,可以用有限的本轮运动的叠加,获得任意精确的近似值。
显然,我们迄今所用的不过是本轮周期的叠加,本轮周期如±2π、±π、±(2/3)π、±(1/2)π、±(2/5)π、…。特别是,只有可公度的叠加才是允许的,这可以用整数的比来表达,从而符合毕达哥拉斯传统。但是,如果我们允许不可公度周期,那么事实上非周期曲线也可用本轮叠加来近似。这种结果在数学上为哈罗德·玻尔关于近周期函数的命题所支持(1932)。第二个问题是,为何解释运动轨道的本轮-均轮技巧被抛弃了,指出观察中遗漏了曲线是无法作出回答的。数学上,观察曲线——无论它是多么的稀奇,只要用柏拉图-阿波罗尼的古代的降低复杂性的策略,原则上就是可以解释的(前述是非常宽的数学条件)。
不过,在此决定性的问题是,行星的“真正”运动是什么,它们本来是组合的、匀速的和末受外力的圆周运动,是我们在地球上看起来显示为椭圆轨道,还是它们事实上是受外力被迫循着椭圆轨道运动。这是难从几何学和运动学上来确定的,而只能从动力学上来确定,即要用相应的受力理论来确定,因而也就是要从物理学上才能确定。
除了本轮-均轮技巧以外,托勒密还使用了假想的均衡点,相对于它,采取了匀速的圆周运动,即相对于地球作为中心,显示出非匀速的运动。这种技巧被证明在计算上是很有用的,但是违背了中心对称性,因而具有先验假设的效果,这在自然哲学看来是不能令人信服的,后来哥白尼就特别对此进行了批评。哥白尼交换了地球和太阳的位置,其理由来自处于支配地位的运动学。也就是说,某种运动学简化的描述是可能以较大对称性来实现的。因此,在日心说模型中,行星的逆行运动可以被解释为地球周年运动的效应,在哥白尼看来它比外层的木星、火星或土星运动得慢,而比内层的水星和金星运动得快。但是,哥白尼完全坚持了保守的自然哲学立场,因为他在“自然”圆周运动的意义上把更大的简单性看作是接近实在的标志。
近代天文学的第一位伟大的数学家约翰奈斯·开普勒认为,简单性信念也是颠扑不破的。他在1596年的《神秘的星际旅行者》中,开始多次尝试把规则体引入行星系统中,两行星之间的距离正是此规则体的内接球面和外切球面。土星、木星、火星、地球、金星和水星这6颗行星所相应的6个球面,恰好是一个处于另一个之中,而且以如下顺序分开:立方体、四面体、十二面体、二十面体和八面体。当然,开普勒的推测不可能推论到适合于一个世纪以后发现的天王星、海王星和冥王星。
开普勒是一位不折不扣的自然科学家,不能长期沉湎于柏拉图式的推测中。他在1609年写的《天文学通论》是一篇独特的文献,是在精确观测结果的不断增加的压力下,通过一步一步的研究来解决古老的柏拉图简单性概念。与哥白尼不同,开普勒将新颖的动力学论据加进了其运动学研究中。他与哥白尼的不同还在于,太阳不再被看作处于运动学的非正圆心点的没有物理学功能的东西,而是被看作行星运动的动力因。新的任务也就是要从数学上来确定这些力。开普勒的用磁场进行的动力学解释只是一次(不成功的)最初尝试。在后来的牛顿引力理论中才取得了成功。
天上(“月上”)世界的简单性和尘世(“月下”)世界的复杂性,在其他文化中也是普遍的。让我们来看一看古代中国的道家自然哲学。它确实是处在神话的边缘,逻辑论证也比古希腊自然哲学要少,更多是激起直觉和神往;然而,两者之间也有类似之处。道家把自然描述为巨大的有机体,受控于循环运动和节律,诸如世代、朝代和个体从出生到死亡的的生命循环,由植物、动物和人类构成的食物链,季节的更替,白天和黑夜,行星的升起和降落,如此等等。所有的事物都与其他事物处于联系之中。一个节律跟着一个节律犹如水波。什么样的力量是自然界中这种模式的终极因呢?如同恩培多克勒那样,道家理论中区别了两种相反的力量,即阴和阳,随其节律的增加或减少就支配着这个世界。《鬼谷子》(公元前4世纪)一书中写道:“阳循环返回其起点。阴极大时就返回到阳。”亚里士多德认为,所有的个体都带着其自然目的而自我运动。这里则是阴阳之道决定着个体的内部节律,那些能量也总是要返回其起点。道的循环运转模型,可以提供一系列的解释:天文学中历法的制订,气象学中的水循环、食物链和生理学中的循环系统。它对于自然中的生命节律是极富说服力的,人们天天都在体验着这种循环,并可以用来指导自己的生活。自然界表现为一个目的性的机体。
值得注意的是,中国的自然哲学中没有原子微粒概念,因而没有发展出西方文艺复兴意义上的数理力学。相反,其核心是自然界和谐的模型,其中节律波和场使得所有的事物都与其他事物相关联。声学的领先以及早期关于磁效应和电效应的见解,在这种自然哲学中成为可理解的。道家的观点更像斯多葛派的自然哲学,而不像亚里士多德的自然哲学。斯多葛派的自然哲学关注的核心也是如同水波的巨大连续统的传播效应。这个连续统就是斯多葛派的普纽玛,其紧张和振动被认为是决定了种种自然状态。自然的丰富多采的形式仅仅是由普纽玛的紧张变化造成的短暂模式。当然,现代的思维方式已经跃进为水波、声波的驻波模式或磁场的模式。然而,无论是斯多葛派还是道家的启发性背景,都不会导致可与以原子论自然哲学为背景的伽利略力学相媲美的声场或磁场的发展。对于从复杂、无规和混沌的物质状态中出现有序所进行的描述,仅仅是定性的,而且对地下和天上运用了不同的模型。
2.2牛顿宇宙、爱因斯坦宇宙和拉普拉斯妖
自古以来,天文学家和哲学家都相信,天上的运动是由简单的几何定律支配着。简单性不仅仅理解为方法上简单省力所需,而哥白尼却把它作为真理的一个特征。因此,从柏拉图到哥白尼的天文学学说都声称:要将天上系统的表面的复杂性归结为某种简单的真实运动的框架中!欧几里得几何学的基本概念赋予其简单的建筑块:圆周(罗盘)和直线(尺子)。与月上世界的简单性相反,月下的尘世世界倒是真正复杂的。因此它的动力学也就至少是不能在欧几里得几何学的框架中进行数学化的。那就是柏拉图的数学原子论很快就被忘记了的原因,而亚里士多德的见解——复杂的定性的自然动力学在原则上是不可能数学化的——影响着直到文艺复兴的科学研究。
早期的物理学家如伽利略克服了月上(“简单”)世界和月下(“复杂”)世界的界限。他们相信,天上和地下的自然动力学都是由同样的数学规律统治着。在技术上,伽利略简化了例如自由落体的动力学,他选择了一些可观测的、可测量的量而忽略了另一些约束。简言之,他创造出运用一种理想化实验情形的简化的数学模型。当然,甚至物理定律的天体模型也只考虑了几个参量,诸如行星的角速度和位置,并忽略了其他多种多样的约束条件(例如大球的密度、质量和摩擦)。从现代的观点看,甚至前苏格拉底哲学家,通过选择某些主导“参量”(例如水、火和土),也提出了关于自然界的复杂动力学的定性“模型”。
一般地说,观测一个系统,无论它是物理的生物的还是社会的,都可以从不同状态来进行。为观测现象建立模型的策略,自古以来可能已有变化,但是建模活动的目标在某种意义上却是相同的:被观测系统中状态变化的动力学。显然,真实的状态不可能仅仅用几个可观测参量来描述,但是却假定这是可以做到的。在早期的天文学和力学中,这是数学理想化的第一步,并导致了一组理想状态的几何模型,这在今天称作模型的态空间。前苏格拉底的自然“模型”不同于现代的模型,不仅仅在于数学化和可观测性,还在于真实系统的实际状态与几何模型点之间的关系被认为是本体论上所需要的,而在现代系统中它却是由于理论、预测等等缘故而保留下来的虚构。
最简单的框架是一个参量的模型。早期医学对哺乳动物的认识指出,健康或生病的状态与温度这个参量有关联。许多动物所表现的一些特征可以说也就是对其他动物的情绪状态:狗的耳朵状态相应于它的害怕状态,而犬齿暴露程度则是其愤怒程度的定性“参量”。把两者组合起来,就更恰当地代表了狗的情绪状态。行星的状态在中世纪可用其角速度和场所来定义。其他系统的状态可能需要两种以上的特征来定义(例如用温度、血压和脉搏速率来表示哺乳动物的健康状态)。
在任何情况下,如果这些参量是用数值显示的,那么相应的状态空间就可以用几何空间来表示。因此,二维状态空间中的单个点所表示的两个数值参量的值,就可以表示在欧几里得几何平面上。系统状态的实际变化是可观测的,可以表示成该态空间的一条曲线。如果这条曲线上的每一个点带着记录下观测时间的标志,那么我们就获得了该模型的轨迹。有时,引进另一个时间坐标,用其时间序列来代表参量的变化,这也是很有用的。这种表示叫做轨迹图。
中世纪的动力学概念,包括了这两种表示法。在十四世纪五十年代,波斯经院哲学家尼科尔·奥雷斯密引入了作图表示法或特质强度的几何图形。他主要是讨论了线质的情形,其延长用空间或时间(“特质经度”)线段来度量。他主张,间隔的每一点的强度,用该点的垂直纵坐标(特质纬度)来度量。线质的量的图示为两个参量的图形。在图2.3中,相应于经度AB的间隔时间的匀加速运动中,AB的每一P点的纬度是纵坐标PQ,其长度是相应于该瞬间的速度。此图形的直线DC代表速度状态的轨迹图。所谓的默顿规则立即就从图2.3的几何证明中推导出来:从图2.3中的梯形的面积公式中得出通过的距离:
v)t。
也许这种解释是以把这种面积看成是由许多垂直线段(“不可见量”)为基础构成的,每一线段都代表以非常短(“无限小”)时间中的速度。默顿规则表明,甚至在这很早的状态空间探究方式中,一个好的几何表示就不仅仅是一种有用的形象化,而且还发现了关于动力学的新的概念。当然,奥雷斯密和默顿这些学者最初都只是想把关于特质的亚里士多德类型的物理学加以数学化。但是,他们的工作却在欧洲引起了广泛的沮丧,从而引起伽利略写了一部著作。伽利略著名的《关于两种新科学的谈话》(1638)中,引入了近代力学的基本概念,提出了众所周知的关于从静止开始的匀加速运动(自由落体)的距离公式S=1/2at,并给出了相应的证明及类似于奥雷斯密思想的几何图形。
由于牛顿和莱布尼茨,动力系统理论被加入了新内容。微积分允许人们把瞬时速度计算为速度函数的导数,并可以图示为相应曲线的切矢量(图2.4a)。速度矢量场已经成为动力系统理论中的一个基本概念(图2.4b)。用微积分的微分程序通过轨迹决定速度矢量。与此相反,微积分的积分方式使人们可以通过速度矢量决定轨迹。
动力系统的建模策略首先是选择一个态空间,观测结果可以用几个参量来代表。连续的观测得出了此态空间的许多轨迹。在牛顿和莱布尼茨的微积分的意义上,速度矢量可以在这些曲线上的任意点导出,并描述它们在该点的固有动力学趋势。对于态空间任意点的速度矢量的描述,就定义了一个速度矢量场。充满着轨迹的态空间称作该动力系统的“相图”(图2.4c)。这个动力系统的基本概念最初是亨利·彭加勒引人的。速度矢量场通过微分方法从相图推导出来。
当然,速度矢量场形象地表示了被建模的系统的动力学。实际上,进行长时间的广泛的观测,对于揭示系统——由相应的速度矢量场代表——的动力学趋势是必要的。此建模程序是恰当的,如果我们假定了:(a)一个观测轨迹的速度矢量在任意一点都精确地等于由该动力系统说明的矢量,(b)模型的矢量场是平滑的;“平滑”一词指的是直觉地认为在此不存在跳跃、不存在尖锐的拐角。在一维态空间的情形,矢量场由平面上的图像来说明。因此,如果此图像连续,其导数也连续,此图像就是平滑的。历史上,条件(b)相当于莱布尼茨著名的连续性原理,它在经典物理学框架中处于某种支配性地位。
一般地说,我们把建模程序概括如下:一个动力模型,它总是针对某一实验提出来的。我们可以设想一下如伽利略和牛顿使用过的实验室物理装置,或者生物学家对某些有机体进行的观察,或者甚至社会学家对某些社会群体的考察。动力学模型由态空间和矢量场构成。态空间是该实验情形的几何空间(例如,欧几里得平面或一般地某个拓扑流形)。矢量场代表了状态变化的习惯趋势,被称作该模型的动力学。我们如何才能找出轨迹从而找出系统的行为呢?从技术上看,这个问题是由获得该系统的相图来解决的。这意味着,我们必须要构造出该动力系统的轨迹。给定一个态空间和一个(“平滑”)矢量场,如果在切矢量的意义上,其速度矢量与矢量场的一致,在态空间的一条曲线就是该动力系统的一条轨迹[图2.5]。相应于零时刻的点叫做轨迹的起始态。这些轨迹被认为是,描述了系统的在一定时间间隔中的观测行为。而且,物理学家曾经雄心勃勃地力图实现对于无限长时间未来的预测,并计算出大自然的途径,就像大自然是一架大钟一样。
让我们扼要看一看牛顿的宇宙。它表现为通过使用牛顿、莱布尼茨和欧拉等人的数学工具,对动力系统理论的成功应用。牛顿用3个定律支配着实物物体的行为。第一定律(“惯性定律”)说,一个物体将保持匀速的直线运动,如果没有外力作用于它。如果的确有外力作用于它,那么其质量乘以其加速度就等于该外力(第二定律)。再加上第三定律就完成了基本框架:对于每一个作用总是有一个相反的大小相等的反作用。牛顿的宇宙由微粒构成,在空间作圆周运动,它服从欧几里得几何定律。这些微粒的加速度由作用于其上的力所决定。作用于每一微粒的力,是所有其他微粒的力的矢量和。如果此种力是一种引力,那么它在两个物体之间的吸引作用的强度,与两个质量的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比。当然,在此还可能有其他类型的力。
实际上,牛顿的第二定律被理解为宏观宇宙和微观宇宙的所有自然力的一般图式。借助特定的力的定律,牛顿图式就翻译成精确的系统动力方程系统。如果已知种种微粒某一时刻的位置。速度和质量,那么它们以后所有的位置和速度都在数学上确定了。简言之,牛顿宇宙中的一个物体的状态,由位置和速度两个参量加以规定。牛顿轨迹由运动的动力方程来确定。如果起始状态已知,那么牛顿宇宙的行为看来就是完全确定的。这种形式的确定论对18世纪和19世纪的哲学有巨大的影响。牛顿的动力学被理解为大自然建立模型的基础科学。但是,这种力学模型当然只有在忽略摩擦的有限情形下才是有效的,它们从来没有在实验上完全实现过。大自然是如此的复杂,以致物理学家宁可观测非自然的(“人工的”)有条件限制的情形。在后面,我们将看见,物理学家对简单规律的信奉,完全忽略了起始条件和约束条件的复杂性,因而造成了确定论的、可以彻底计算的幻想模型。
按照牛顿的观点,在一种绝对空间-时间框架中只有一个真实的物质世界,我们可以在其中选择相对的参考系。这意味着,任意两个事件都被看作是客观可确定的,而不论它们是同时发生的还是在同一位置发生的。数学上,牛顿的绝对空间用三维欧几里得空间来表示,其尺度用尺子来度量,而时间则被看作是一维的欧几里得空间,其坐标t由标准钟来度量。
因为其绝对同时性,牛顿四维空间-时间被同时事件的最大子集划分为不同层次。每一层是一个可能的事件e的三维超平面t=t(e),它将其因果性的未来——t>t(e)层,与其因果性的过去——t<t(e)层——分隔开来。在图2.6a中,忽略了第三维空间,以使每一层都形象地表示为二维平面。这个因果结构包括了牛顿的假设:存在着任意远的以超距同时作用的信号。
牛顿的相对空间被兰格准确地描述为:不受外力以恒定速度沿直线运动物体的参考系的惯性系。在这许多可能的惯性系中使用哪一个,这并没规定从一个惯性系变换到另一个惯性系(伽利略变换),也给出了相应的坐标。力学定律对于这些变换是守恒的(不变的)。由于每一伽利略变换都有10个连续的参量(时间1个,旋转、恒速和平移共3乘3个),于是就可以推导出10个守恒定律。例如,时间坐标的伽利略不变量意味着能量守恒定律。非惯性系的参考系具有典型的效应。一个相对于固定恒星旋转的圆盘,其径向力是伽利略变换所消除不了的。简言之,在牛顿的空-时中,匀速运动被看作绝对的优先于加速运动。它的结构由伽利略变换群来定义。
本世纪初,爱因斯坦证明了牛顿的空-时模型局限在相对于高速光运动的低速运动。与任何运动参考系无关的常数c,是麦克斯韦电动力学中的一个因子。因此,牛顿的速度加和定律和伽利略的不变量在电动力学中不可能成立。在狭义相对论中(1905),爱因斯坦假定,光速恒定,物理定律相对于所有惯性系具有不变性(“狭义相对性原理”);并为电动力学和力学推导出一个共同的空-时框架。闵可夫斯基用四维几何为爱因斯坦的狭义相对论的空-时建立起来模型。我们不应对四维性感到吃惊,因为牛顿的空-时中已经是三维(笛卡尔)空间以及一维时间坐标。
为了简单性起见,选取单位时规定光速等于1,从而长度和时间单位可以交换。空-时中的每一点都代表一个事件,它意味着在某一时刻的空间的某一点。由于粒子在时间中持续,因此它并不由点来代表,而是由一条线来代表,这条线被称作粒子的世界线。为了把闵可夫斯基模型表示出来,可以画出一个空-时系统,以标准时间坐标来度量垂直方向,两个空间坐标来度量水平方向(图2.6b)。
匀速运动的粒子由直线来表示,加速运动的粒子由曲线来表示。由于光粒子(光子)以基本速度c匀速运动,它们的世界线是直线,与垂直方向的夹角为45度。它们形成了一个光锥,具有共同的原点0。在所有的空-时点的光锥系统,被称作相对论空-时的闵可夫斯基模型。
光子的世界线的每一点总是处于光锥上,与此不同,任何以低于c运动的实物粒子的加速或匀速运动,其世界线每一点都必定总是处于光锥之中。由于实物粒子或光子的运动速度不可能高于光速,因此只有处于光锥上或是落在光锥内部的世界线才是物理上确定的。一个事件被看作是晚于0的,如果它处在0以上的未来光锥中;它被看作是早于0的,如果它处于低于0的过去光锥中。因此,光锥决定了相对空-时的因果结构。
在闵可夫斯基模型与普通的欧几里得表象之间,基本的差异在于,世界线的长度被解释为由物理钟度量的时间。因此,与牛顿绝对时间假设相反,时间测量变得与路径有关。所谓的“孪生子悖论”极为形象地表达了这种效应。在图2.6c中,一个孪生子留在匀速、缓慢运动的地球R之上,而另一个孪生子以极大的接近光速的速度进行了一次到靠近恒星S的地方的旅行。闵可夫斯基几何学预言,进行了旅行的那位孪生子在他从Q处返回时仍然年轻,而呆在家中的那一位孪生子却变成了一位老人。这当然不是科学幻想,而是闵可夫斯基世界线的时间测量长度的结果:闵可夫斯基距离RQ大于距离RS和SQ之和,这与通常的欧几里得解释相反。今天,对于以接近光速c运动的基本粒子,这些效应已经从实验上得到了很好的确证。
在闵可夫斯基空-时框架中,物理定律对于特定惯性系的不变性已经由洛仑兹变换所实现。具有伽利略不变性的牛顿空-时在极限的情形下仍然保持:诸如行星天体或地面上的弹子球的运动,它们的速度要远小于常数c。在此意义上,爱因斯坦空-时是经典物理学的顶点,而不是一场打破牛顿空-时的革命。
由莱布尼茨首先引入经典物理学的一个重要概念是能量,它包括系统的动能T和势能U。使质点从位置1移动到位置2完成的机械功,相当于在位置1和位置2之间的动能之差。如果机械功与从位置1到位置2的路径无关,则相应的力场叫做保守力场。摩擦力不是保守力。在一维情形,忽略掉摩擦力时,所有的力都必定是保守的,因为此时从直线上的一点到另一点只有唯一的路径。总能量T+U在保守力场中是一个常量。
牛顿力学的一个重要应用是谐振子,如小振幅的单摆或弹簧上重锤的上下振动。在物理学各个领域中甚至在化学和生物学中,谐振子都是一种模型。例如,回忆一下电磁光波,在此发生着电场能和磁场能的振动。谐振子在技术中也为人们所熟知,例如线圈和电容中振荡的电流,这里摩擦力相当于电阻。在18世纪和19世纪的哲学中,单摆是机械宇宙的一个象征,它显得是完全确定的,并可由运动的牛顿方程进行计算。
因此,单摆可以看作动力学建模程序的一个经典例子。这种模型假定,摆杆轻巧而又坚固,上端的结合部完全无摩擦,底部的重锤沉重但体积非常小。重力总是将其垂直下拉。在图2.7a中,二维欧几里得平面中的单摆升高角度为a,重力为F,沿摆杆的拉力为Fcosa,力Fsina使之回摆。为了形象地表示出单摆的动力行为,必须建立起态空间和相图的动力学模型。单摆的状态是完全由角度变量α(α=0和α=π表示同样的角度)和角速度v决定的。因此,我们获得一种二维态空间,它可以形象地表示为图2.7b中的循环圆柱。在圆柱中部的垂直圆圈代表了零角速度v=0的状态。圆柱下部从前至后的直线是(零倾斜α=0)轴线,单摆在此处于最低点。在起点(α,v)=(0,0),单摆处于最低的静止位置。
由于在此没有摩擦和空气阻力,把单摆稍微向左边动一下后就会使它不断地来回摆动。在此态空间,相应于这个振荡运动的完整轨迹是一个圆圈,或封闭的环。在下一种情形中,单摆在顶部处于平衡状态,这是不稳定平衡。在左边的一个细微的触动会使得它向右边落下,并加快速度。当单摆通过摆动的底部时,角速度达到其极大值。在再向顶部返回时,单摆会慢下来。单摆再次在其顶部达到平衡。但是,当其处于旋转始态时,用了较大的力使之向右运动,那么其角速度就要大一些。在再次返回运动时,它会变慢,但是不足以在顶部静止下来。于是,单摆就会不停地顺时针旋转下去。在圆柱态空间的相应轨迹是一个循环圈。与慢的振荡不同,快的循环绕圆柱转动。实施多次的试验将揭示这个动力模型的相图(图2.8a)。在此有两个平衡点。在顶部是一个鞍点。在起始处是一个涡旋点,它不是附近轨迹的极限点。当把圆柱沿着直线通过顶部的鞍点从前向后劈开时(图2.8b),相图就更容易看清楚。
如果此系统不是封闭的,而是像物理现实中包括了摩擦效应,在起始处平衡点就不再是涡旋点(图2.8c)。它成为螺旋类型的吸引子。由于摩擦,单摆的任何运动最终都将静止下来,任何代表此单摆接近底部的慢运动,都将对称地趋向这个极限点。
在两维或更多维的情形下,还可以有其他类型的轨迹和极限集。例如,一个环可以是反对称的轨迹极限集(图2.9);在三维系统中,可能出现环形圆纹曲面的极限集,甚至是其他更奇怪的极限集。
极限集使我们能够为一个演化系统建立平衡态的模型。关键的概念是被称作“吸引子”的极限集。数学上,一个极限集(极限环、循环、环形圆纹曲面等等)被称作一个吸引子,如果所有轨迹都反对称地趋向于该极限集的集合是开放的。大致地说,吸引子接受了极限集邻域中的绝大多数轨迹。代表了系统的可能动态平衡点的所有极限集中,吸引子是最引人瞩目的。在外在极限点的情形下,一个吸引子代表了一个静态平衡,而作为吸引子的一个极限环标志了一个振荡周期性平衡。单摆、弹簧或乐器的振动只是机械应用的若干种例子。我们在后面还将看到,振荡动力系统的周期平衡在物理学、化学、生物学和社会科学中都起着重要的作用。
在典型的相图中,将有一个以上的吸引子。相图将被划分为它们的不同的趋向吸引子的区域。划分的边界或区域被称作分区。图2.10中,有两个点吸引子,各具自己趋向轨迹的开放集和自己的分区。
在现实中,一个动力系统不可能被看作是独立于其他动力系统的。为了获得更适合的模型,我们将研究两个耦合的系统。一个简单的例子是两个时钟的耦合。历史上,17世纪克里斯蒂安·惠更斯观察到了这种特殊的系统。他注意到,挂在同一面墙上的两个时钟趋向于同步。这种现象是通过墙壁的弹性由非线性耦合引起的。的确,任何两个动力系统,通过构造出两个相应的态空间的笛卡尔乘积,都可以组合成一个系统。这种组合系统的一个小的扰动叫做两个系统的一个耦合。这种组合系统的状态的几何模型以如下方式形成。
时钟A和B都是一种振荡子。为了形象地表示出两个振荡子的渐进线行为,瞬时行为被忽略,位移和速度两个参量的绕起点的极限环的欧几里得平面二维状态模型也就用该极限环来代替。振荡子A的一个状态,用一个相应于它的相的角度a来说明(图2.11a),振荡子B的一个状态则用角度B来说明(图2.11b)。
为了构造出这两个振荡子组合系统的态空间,我们设想时钟A的极限环在水平平面上。这个平面循环中的每一点代表A的一个相状态。我们将这样一个点看作时钟B的极限环的中心,时钟B垂直于时钟A的水平平面(图2.11。)。该垂直循环上的每一点代表了B的一个相状态。相对(a,B)就代表了组合系统的状态。
如果振荡子A停止在相a,振荡子B通过一个完整循环,那么组合的相点横穿过图2.11c中的垂直循环。如果振荡子A也运动通过一个完整循环,那么图2.11c中的垂直循环也沿着水平循环运动,描出图2.11d中的环形圆纹曲面。因此,两个振荡子的组合系统的态空间是环形圆纹曲面,它是两个循环的笛卡尔乘积。两个振荡子的实际状态的模型当然是四维的,而不是我们的示意图中仅仅是二维的。
为了获得组合系统的动力学行为的相图,我们必须研究环形圆纹曲面态空间的矢量场和轨迹。我们首先假定,每一个时钟的状态都与另一个时钟的状态完全无关。在这种情形下,两个时钟是没有耦合的。相应于每一时钟的时间相的环形圆纹曲面上的轨迹点,都围绕环形圆纹曲面。如果每一时钟的速率都是恒定的,那么在此扁平垂直的环形圆纹曲面模型上,轨迹是一条直线(图2.12)。这条线的斜度是时钟B的速率与时钟A的速率的比值。如果两个时钟具有相同的运行速率,则比值等于1。给出相同的时间意味着两个时钟具有相同的相。于是,扁平环形圆纹曲面上的轨迹是图2.12a中的对角线。
系统中的微小变化,将导致两个振荡子的速率或频率比值的微小变化。于是,在环形圆纹曲面上的轨迹从周期轨迹变化成准周期轨迹,或变化成多次缠绕的周期轨迹,而不仅仅是一个周期轨迹(图2.12b)。如果两个振荡子是耦合的(例如惠更斯的两个时钟的共同墙面),那么一个小的矢量场就必须加到代表非耦合系统的动力模型中。几何分析中的一个著名定律指出,在小的扰动并不导致相图发生显著的变化的意义上,环形圆纹曲面上的轨迹边缘是结构上稳定的。从实验上看,这个结果已从惠更斯对于同一面墙上两个时钟的同步现象的观察中得到了验证。
对于为大自然建模的程序,振荡子是一个中心动力学范式。它们并不局限于机械应用。在19世纪,赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹发明了一种电振荡器,瑞利勋爵研究了早期无线电发射器中的真空管振荡子的耦合系统。在本世纪,冯·德·波洱运用进一步发展起来的无线电频谱电子学来理解耦合振荡子。
在牛顿的宇宙中,耦合振荡子提供了多体问题的例子。关于多个运动质点的质点系统,其中质点之间有相互作用时,对此有何共性的东西呢?两个质点的系统有简单的精确解。在具有共同向心力的两个质点的两体问题中,(12个)未知量由关于两个粒子的(10个)守恒量定律和牛顿的运动定律来确定。两个质点的问题可以成功地归结为已经解决了的单质点问题,这里利用了微分矢量r和质点m1、m2的归并质量u=m1m2/(m1+m2)的牛顿运动方程。历史上,伽利略假定,地球围绕太阳运动,太阳是静止的。他从而把天上的运动归结为简单的两体问题。正如我们知道的,太阳实际上围绕着地一日系统的组合质心而运动,此质心落在太阳表面之内。但是,这个假设当然仍是不精确的,因为许多行星都在同时围绕着太阳运动,它们相互之间又有相互作用。
弹子球的三体碰撞,是另一个多体问题的例子。假如弹子球仅仅成对碰撞,没有发生三体或更高级的碰撞,那么此情形就归结为两体问题。其结果不断地依赖于起始状态。起始状态的充分微小的变化,仅仅导致结果的小的变化。如果三个弹子球碰在一起,结果行为就完全取决于哪些球首先碰在一起。因此,结果是不连续地依赖于输人,而与莱布尼茨的连续性原理相反,莱布尼茨曾运用这一原理来批评笛卡尔对碰撞的探索。牛顿宇宙中,在所有时间——木论是将来还是过去——用位置和速度可以在数学上完全确定其物理行为的意义上,弹子球和行星的多体问题可以用确定论的模型来描述。但是,此种模型实际上可能是不可计算的,或对于长期来说是不可计算的。在行星理论中,对于长达数百万年的情形在计算机上进行数值模拟,可能会得到极为错误的结果,因为起始位置和速度是不可能精确知道的。在起始数据中的一个非常小的变化,可以会迅速地产生出结果的巨大变化。这种行为上的不稳定性,对于多体问题是典型的。甚至在完全确定论的世界,拉普拉斯妖的假设,即认为可以对牛顿宇宙进行长期的计算,终将暴露出完全是一种幻象。
2.3哈密顿系统、天上的混沌和量子世界的混沌
18世纪和19世纪,牛顿力学看来是揭示了一个永恒自然之序。从现代的观点看,牛顿系统仅仅是一种在建立实在模型中有用的动力系统。为了说明牛顿系统的起始状态,必须知道其中所有粒子的位置和速度。在19世纪中叶前后,数学家威廉姆·哈密顿引入了一种非常优美的有效的数学形式。他富有成果的思想是用所谓的哈密顿函数H来标志一个保守系统,此函数H用所有位置和动量变量来表达系统的总能量(=动能加上势能)。一个微粒的速度不过是其位置对于时间的变化率,动量则是其速度乘以质量。牛顿系统用牛顿运动第二定律来描述,此定律涉及到加速度,即位置变化率的变化。因此,在数学上,它们由二阶方程来定义。在哈密顿表达式中,有两组方程。一组方程描述粒子的动量怎样随时间而变化,另一组描述位置怎样随时间而变化。显然,哈密顿方程描述了量(例如位置或动量)的变化率。因此,我们获得了一种以一阶方程进行数学描述的还原,此方程当然是确定论的。对于具有3个独立空间方向的n个未约束粒子的动力系统,就有3n个位置坐标和3n个动量坐标。
由于适当地选用哈密顿函数H,哈密顿方程就可以用来标志任何经典动力系统,而不仅仅是牛顿系统。甚至在麦克斯韦电动力学中,就其任一给定时间的数值而言,类哈密顿方程也提供了电场和磁场随时间的变化率。唯一的区别在于,麦克斯韦的方程是场方程而不是粒子方程,描述系统的状态时需要无限数量的参量,在空间的所有点上都使用场矢量,而不是使用无限多个参量——对每一粒子都使用3个位置坐标和3个动量坐标。对于狭义相对论和(进行了某种修订的)广义相对论,哈密顿方程都是有效的。玻尔对应原理实现的由经典力学向量子力学转变的关键性步骤,甚至也采取哈密顿表达式的框架。这些应用将在后面进行解释。现在只须记住,对于物理学中建立动力学模型,哈密顿方程提供了一种普遍的表达方式。
相应的态空间允许我们把动力系统在每一“阶段”的演化形象化。因此,它们被称作相空间。对于n个粒子的系统,相空间的维数是3n+3n=6n。相空间的一个点代表着其中有n个粒子的可能复杂系统的整个状态。哈密顿方程决定着相空间的相点的轨迹。整体上看,它们描述了所有相点的变化率,因此定义了该相空间的一个矢量场,决定着相应系统的总的动力学。
经验应用中的一个众所周知的事实是,不可能任意精确地测定动力学模型的状态。一个数量的测量值可能有些微小的差异,它们是由测量仪器、环境的约束等等原因造成的。相应地,相点集中在某些小的邻域之中。由此引出了一个关键性问题,在其具有邻近终态的意义上,从邻近的起始态出发的轨迹是否是局域稳定的。在图2.13a中,时刻零的起始态的相状态区域Ro被矢量场的动力学拖到后来的时间t的区域Rt(当然,实际的大量数目的坐标在这种相空间的形象表示中必须忽略掉)。
在此情形中,相似的起始状态导致了相似的终态。这个假设不过是一种以哈密顿动力学语言描述的经典性因果关系原理:类似的原因将导致类似的结果。历史上,从莱布尼茨到麦克斯韦的哲学家和物理学家都相信这个因果关系原理,它似乎保证了测量过程的稳定性以及预测的可能性,而可以不管显著的不精确性差距。
值得注意的是,哈密顿表达式的表象允许一种关于经典动力系统的因果关系一般性陈述。由数学家刘维的著名定理,即在任何哈密顿动力学中,因而对于任何的保守动力系统,相空间的任一区域的体积都必定保持不变。结果是,在图2.13a中的起始区域Ro的大小,是任何哈密顿动力学都不可能使之增大的,如果我们把“大小”正确地理解为相空间的体积。但是,它的保守性并不排除,其起始区域的形状被扭曲并扩展到相空间的大范围(图2.13b)。
我们可以想像一下一滴墨水在容器里的水中扩散。相空间的可能扩散结果意味着,刘维定理不能保证轨迹的局域稳定性。起始数据中的一个非常小的变化,可能会引出结果有大的变化。大体力学和弹子球的多体问题仍然是长期不可计算的,尽管其动力学是确定论的。然而,刘维定理对于可以由哈密顿动力学从而也就是保守动力系统所显示的最终区域,意味着某些一般性结果。回忆一下,其起点有不同平衡点的有摩擦单摆(这不是保守系统)的相图2.8c。非保守系统有螺旋型的点吸引子(图2.14a),而保守系统具有不是吸引子的涡旋点(图2.14b)。
在图2.14a中,轨迹收缩到一个域点,而其起始区域的体积发生蟋缩。在图2.14b中,轨迹沿涡旋点旋转,起始区域的体积保持不变。因此,由刘维定理我们可以得出一般性结论:在任何保守系统中,吸引子都必须排除掉。起始区域的蜷缩效应,在极限环的轨迹中也容易形象地表示出来。由于同样的数学的先验理由,保守系统中也不可能有当作吸引子的极限环。
这些结果是由哈密顿系统的影响深远的数学定理首先导出的。我们必须意识到,像行星系统、单摆、自由落体等等保守的物理系统,只不过是哈密顿系统的一些经验应用。哈密顿系统是由一类特殊的数学方程(哈密顿方程)来定义。哈密顿系统的特征是从相应方程的数学理论推导出来的。结果是,用哈密顿系统来建立实在的模型,意味着我们可以从认识论上预测某些先验的特征,例如在此不可能存在静态平衡的极限点吸引子,也没有周期平衡的极限环吸引子。
从哲学上看,这种观点显然在某种变通的意义上与康德的认识论相符合。如果我们假定某些动力系统的数学框架,那么我们当然就可以对于我们的经验模型得出某些先验的陈述,而不涉及到它们在若干学科中的经验应用。但是康德的认识论和动力学研究方式在如下的意义上是不同的:不仅仅有一种范畴框架(例如牛顿系统),而且有多种系统来为实在建立模型也可以取得程度不一的成功。因此,把保守系统甚至运用于认知科学、经济科学中,也并非物理主义或还原主义。
哈密顿(保守)系统的进一步的推演认为,在此有不规则的。混沌的轨迹。在18世纪和19世纪,物理学家和哲学家都相信,大自然是由牛顿类型的或哈密顿类型的运动方程所确定的。如果现在事件的起始状态已经明确知道了,宇宙的未来和过去状态就至少原则上是可计算的。从哲学上看,这种信念由拉普拉斯妖形象化了,它如同一台没有物理局限的巨大计算机,可以贮存和计算出所有的必然状态。数学上,这种拉普拉斯妖的信念必须假定,经典力学中的系统是可积的,从而也就是可解的。1892年,彭加勒已经意识到,经典力学中的不可积的三体问题可能导致完全混沌的轨迹。大约60年以后,科尔莫哥洛夫(1954)、阿诺德(1963)和莫泽(1967)证明了他们的著名的KAM定理:经典力学的相空间的运动既非完全规则的也非完全无规的,但是轨迹的类型敏感地依赖于对于初始条件的选择。
由于天体力学是由经验上确证了的哈密顿系统的动力学模型,KAM定理拒绝了某些传统的关于“月上”世界的见解。天上,既非一个亚里士多德宇宙意义上的规则世界,也非一个拉普拉斯妖意义上的永恒的规则世界。显然,它不是上帝的居所。然而,它并非完全混沌的。天上,如哈密顿系统已经认识到的,具有或多或少的规则性和无规则性。比起前人的信念,它显得更像我们人类的日常生活。这点可能会激起作家们对于哈密顿系统的好奇心。但是,让我们先看一看一些数学事实。
可积系统的一个最简单例子是谐振子。在实践上,任何有n个自由度的可积系统的运动方程,等同于一组n个未耦合谐振子。相应的相空间是2n维的,其中有n个位置坐标,n个动量坐标。对于n=1的谐振子,我们得到了一个循环,对于n=2的两个谐振子得到一个环形圆纹曲面(对照图2.11d)。因此,n个可积运动的存在,把可积系统的2n维格空间的轨迹限制于n维流形中,其拓扑是一个n维环形圆纹曲面。对于两个自由度的和四维相空间的可积系统,轨迹可以形象地表示在环形圆纹曲面上。轨迹的封闭轨道,只有在两个相应的振荡子的频率比值是有理数时,才可以出现(图2.15)。对于无理数的频率比值,轨迹的轨道则决不会重复自己,而是无限地趋近环形圆纹曲面上的所有的点。
亨隆和海里斯于1964年研究了一个天体力学的不可积系统。此动力学模型由一对可积谐振子构成,它们之间有不可积的坐标立方项的耦合。如果模型的起始状态的两个位置坐标q1、q2和两个动量坐标p1、p2都是已知的,那么其总能量E就由相应的依赖于这些坐标的哈密顿函数H所确定。此系统的轨迹在四维相空间的一个三维超平面上移动,此超平面由H(q1,q2,p1,p2)=E来定义。
E的值可以用来研究规则运动和无规运动的共存,这种运动是KAM定理所预见了的。对于小的E值,动力系统是有规则的行为,而对于大的E值,它就变得混沌了。为了形象地表示出这种行为的变化,我们考虑具有二维平面坐标q1和q2的轨迹的截面(彭加勒映射)。对于E=1/24(图2.16a)和E=1/12(图2.16b),彭加勒映射显示出只有规则运动的有些变形的环形曲面的截面。在临界值E=1/9以上,绝大多数(但不是全部)环形曲面都消失了,不规则点也随机地出现了。对于E=1/8(图2.16c),彭加勒映射显示出一种规则运动和无规运动共存的过渡状态。对于E=1/6(图2.16d),运动就显出完全是无规的、混沌的。
如下的天体力学的三体问题中,给出了一个经验应用的例子,它是不可积的。图2.17中示意了木星运动对于围绕太阳运动的一颗小行星运动的扰动。
木星和该颗小行星被解释为两个具有一定频率的振荡子。按照KAM定理,小行星的稳定和不稳定的运动可以根据频率比值来加以区分。
一般地,我们必须意识到稳定的以及不稳定的轨迹都是数学上明确定义的。结果是,甚至不可积的多体问题也描述着确定论的世界模型。打一个比方,我们可以说,莱布尼茨和牛顿的上帝都毫无困难地预见了规则的和无规的轨迹,而毋需一步一步地计算其发展。观测到的混沌行为,既不是由于大量的自由度(一个天体的三体问题只有不多的自由度),也不是人类知识的不确定性。无规是由哈密顿方程的非线性引起的,其起始的封闭轨迹在相区域中指数地快速分开。由于其起始条件只可能以有限的精确度来测量,而误差是指数地快速增加,这些系统的长期行为是不可能预见的。因此,计算机辅助计算将随着改进了越来越多的测量数字而更快地推动此种误差。
天体力学、小行星世界、行星、恒星和星系的宏观世界,是由规则和无规行为共存所确定的。天上的确定论混沌虽非处处皆有,然而是局域可能的,因此可能引起在原则上不能排除的宇宙灾变。量子力学的微观世界,即光子、电子、原子和分子的量子世界中,情况又怎样呢?在量子世界中有混沌吗?为了回答这个问题,我们首先需要了解一些有关量子世界的客体的哈密顿系统和相空间的基本概念。
1900年,马克斯·普朗克提出,电磁振荡子仅仅以量子方式出现,其能量E对于频率。具有确定的关系E=hv,其中h是常数(“普朗克量子”)。在20世纪的物理学中,除了爱因斯坦的巨大光速常数c以外,普朗克的微小量子常数是大自然的第二个基本常数。普朗克关系得到了实验上的支持,例如黑体辐射实验的支持。1923年,路易斯·德布罗意提出,甚至物质粒子往往也具有波一样的行为。对于一个质量m的粒子,德布罗意的波动频率。满足普朗克关系。与爱因斯坦相对论中著名的定律E=mc2结合起来(“质量是能量的特殊状态因此可以通过辐射而转变为能量”),我们获得了一种关系:v通过hv=mc2而与m联系起来。于是,在量子世界,场的振动频率,依赖于普朗克常数和爱因斯坦常数,只以不连续的质量单位出现。显然,量子世界中的现象,既可以看作波也可以看作粒子。这就是所谓的波粒二象性,它在许多实验中得到了明确的证明,实验中根据所预备的试验条件,揭示了如光子或电子这样的量子系统的波动或粒子特征。
尼尔斯·玻尔在1913年引入了他的“行星”原子模型,该模型可以极为精确地解释观察到和测量到的不连续稳定能级和光谱频率。玻尔的规则要求,绕核运动轨道上的电子的角动量只能以h=h/2x的整倍数出现。他的成功的、但带有几分预设性的规则,仅仅提供了一种近似的几何模型,它必须从量子世界的动力学理论中推导出来,对应于可以解释开普勒的行星定律的牛顿和哈密顿经典力学。量子世界的动力学是由海森伯和薛定谔的量子力学奠定的,它成为了20世纪物理学的基础物质理论。
量子力学的基本概念可以启发式地引入,即以普朗克常数为基础考虑到进行必要的修改,从而类似于相应的哈密顿力学的概念。这个程序叫做玻尔对应原理(图2.18)。因此,在量子力学中,经典的矢量如位置或动量都必须用某些算符来代替,这些算符满足某种依赖于普朗克常数的非对易(非经典)关系。如果h消失(h→O),我们就获得众所周知的例如位置和动量的经典对易关系,它们允许我们对矢量进行任意精确的测量。量子力学中非对易关系的一个直接结果是海森伯不确定性原理△p△q≥h/2。如果一次测量中,位置q精确到△q,那么对于动量P的一个扰动是△P。因此,在量子世界中显然不存在轨迹或轨道,轨迹或轨道要求粒子具有精确的位置和动量的值。玻尔的流行的电子轨道只是一种极为粗略的几何形象化[2.29〕。
经典力学——————————————→量子力学
对应原理
↑↑
经典的可空-时(伽非经典的
观测量代利略的或可观测量
数相对论的代数
2.18玻尔对应原理
按照玻尔对应原理,哈密顿函数描述的经典系统,必须代之以用算符描述的量子系统(例如电子或光子),这里(对于位置和动量)使用的是算符而不是矢量。在经典物理学中,哈密顿系统的状态是由相空间的点来确定的。在量子力学中,恰当的类似概念是希尔伯特空间。量子系统的状态由希尔伯特空间的矢量来描述,其哈密顿算符的本征值决定了此希尔伯特空间的距离。
为了稍稍详尽一些说明这种数学的特点,让我们想像一粒量子微粒。在经典理论中,一粒微粒是由它的空间的位置和它的动量来确定的。在量子力学中,微粒可能具有的每一位置,都是所有位置的集合中的一种交换组合,其权重为复数。于是,我们得到了一个关于位置的复函数,即所谓的波函数Ψ(x)。每一位置x,Ψ(x)的值标志了该粒子在X处的波幅。在此位置的某个一定的小间隔中找到此粒子的几率,由波幅的平方模|Ψ(x)|给出。各个可能的不同动量的波幅也是由波函数确定的。因此,希尔伯特空间是一个量子系统状态的复空间。
量子状态的因果动力学由偏微分方程来确定,这叫做薛定谔方程。经典可观测量是可对易的,与此相反,量子系统的非经典可观测量是不可对易的,一般没有共同的本征值,自然也就没有确定的本征值。对于量子状态的可观测量,只可能计算出统计的预期值。
薛定谔量子表达式的一个基本性质是叠加原理,这表明了它是线性的。例如,考虑两个发生相互作用的量子系统(例如一对以相反方向离开共同光源的光子)。甚至当它们在远距离处已没有物理相互作用时,它们也保留着共同的状态叠加性,这是不可能分离开或局域化的。在这样的关联的(纯的)量子叠加态,两个量子系统的某一个可观测量只可能有不确定的本征值。量子力学的叠加或线性原理提供了组合系统的相关的(关联的)状态,这已经在EPR实验中得到了高度的确证。从哲学上看,(量子)整体大于其部分之和。非局域性是量子世界的一个基本性质,这不同于经典的哈密顿系统。我们在讨论心-脑和人工智能的出现时,将返回到这个问题(第4-5章)。
玻尔的对应原理引出了这样一个问题:经典的哈密顿系统中存在混沌运动是否将导致相应的量子系统中的无规性。我们对量子力学基本概念的概括给出了某些线索:在从经典的混沌系统转变成相应的量子力学系统时,可望有些变化。与经典力学相反,量子力学仅仅允许统计期望值。尽管薛定谔方程在叠加原理的意义上是线性的,并可以(例如对谐振子)精确求解,而且波函数是由薛定谔方程严格确定的,但这都并不意味着量子状态的性质可以精确地加以计算。我们只可能计算出,在某个空-时点上找到光子或电子的几率密度。
因为海森伯的不确定性原理,在量子世界没有轨迹。因此,用接近的轨迹以指数快速分离来确定性混沌,对于量子系统是不可能的。不确定性原理的另一个方面涉及到的混沌是值得注意的:具有如图2.16所示混沌区的经典相空间。不确定性原理意味着,体积hn中的2n维相空间众多的点是不可分辨的。原因在于小于hn的混沌行为在量子力学中是无法表达出来的。只有在这些混沌区域之外的规则的行为才有可能被表达出来。在此意义上,微小而有限的普朗克常数值可能抑制了混沌。
在量子力学中,人们区分了与时间无关的稳恒系统和与时间相关的哈密顿系统。对于具有稳恒哈密顿量的系统,薛定谔方程可以归结为所谓的线性本征值问题,它允许人们计算出例如氢原子的能级。只要这些能级是分离的,波函数的行为就是规则的,就不会有混沌。这里引出的问题是,具有规则的经典限度的量子系统的能谱,与其相应的经典系统表现出混沌的量子系统的能谱,它们之间是否有区别。时间相关的哈密顿量被用来描述诸如基本粒子和分子的时间演化。
按照玻尔对应原理,可以从研究某些经典哈密顿系统来入手对量子混沌进行考察。它们可以是可积的,近可积的或者混沌的。因此,能量超平面上的轨迹可以是规则的,近规则的或者近混沌的。用相应的算符来代替位置和动量的矢量,使得哈密顿函数量子化,我们就获得相应量子系统的哈密顿算符。接下来就可以推导薛定谔方程和本征值方程。现在,我们可以问一问,经典系统及其可积、近可积或混沌行为的特性,是否可以转变成相应的量子系统。能谱、本征函数等等的情况怎样?这些问题都概括在“量子混沌”的标题下。例如,一些计算表明,一个圆柱势垒中的自由量子粒子的能谱(经典运动对此是混沌的),与圆周上的自由量子粒子的能谱(经典运动对此是规则的)是完全不一样的。
在图2.19中,相邻能级之间的距离的分布用两个例子来说明。图2.19a,b中,一个由两个振荡子耦合构成的系统显示出有两个不同值的耦合系数。图2.19a的经典动力学是规则的,而图2.19b的经典动力学则是近混沌的。
2.19c,d显示了在均匀磁场中的氢原子的例子。图2.19c相应的经典动力学是规则的,而图2.19d的经典动力学则是近混沌的。规则的与混沌的情形可以由能级的不同分布(油松分布和威格纳分布)来区分,能级的计算是求解相应的薛定谔方程。它们已经在一些数值模型以及实验室激光光谱的测量中得到了确证。在此意义上,量子混沌不是幻象,而是量子世界的复杂的结构特性。哈密顿系统是发现宏观世界和微观世界的混沌的一把钥匙。但是,我们当然不能把确定论混沌的复杂数学结构与通常的无序思想混为一谈。
2.4保守系统、耗散系统和有序突现
由于彭加勒的天体力学(1892),人们从数学上认识到,某些时间演化受非线性哈密顿方程支配的力学系统可能会出现混沌运动。但是,只要科学家没有获得适当的工具去处理不可积系统,对确定论混沌就仅仅是保持着一种好奇而已。在本世纪的最初10年中,发展起来了多种数值程序,用来(至少是近似地)处理非线性微分方程的数学复杂性。现代高速计算机的计算能力和发展了的试验技巧,支持了自然科学和社会科学中非线性复杂系统探究方式取得新的成功。计算机辅助技术使非线性模型可视化,推动了跨学科的应用,在许多科学分支取得了深远的结果。在这种科学背景中(1963),气象学家爱德华·洛仑兹(他曾是著名数学家伯克霍夫的学生)观察到,3个耦合的一级非线性微分方程的动力系统可以导致完全混沌的轨迹。从数学上看,非线性是混沌的一种必要条件,但不是充分条件。它是必要条件,因为线性微分方程可以用人们熟知的数学程序(傅立叶变换)来求解,这并不导致混沌。洛仑兹用来为天气动力学建模的系统,主要是由于其耗散性不同于彭加勒所用的哈密顿系统。大致说来,一个耗散系统并非保守系统,而是“开放”系统,由外部控制参量可以将其调整到临界值,从而引起向混沌的转变。
更准确地说,保守系统以及耗散系统都是以非线性微分方程标志的:x=F(d,Y);矢量x=(x1,…,xd)的非线性函数F依赖于外部的控制参量Y。按照刘维定理,保守系统在相空间的体积元随时间会改变其形状,但是仍旧保持其体积,而耗散系统与此不同,耗散系统的体积元会随时间的增长而蜷缩(参见图2.13和图2.14)。
洛仑兹在模拟全球天气模式中发现了出现扰动的确定论模型。地球在太阳的温暖下,从底部加热着大气。而那寒冷的外部空间,则从大气外壳吸取热量。底层的空气会上升,而上层的空气则力图下降。贝纳德在一些实验中为这种层与层之间的交流建立了模型。大气层中的空气流可以形象地表示为层之间跨越。大量冷暖空气之间的竞相交流,用循环涡旋来代表,叫做贝纳德元胞。在三维情形下,一个涡旋可以是热空气以环状上升,冷空气则从中心下降。于是,大气构成了三维贝纳德元胞的海洋,如同紧密堆积的六面体点阵。从沙漠、雪地或冰原的规则山丘和低谷中,我们可以窥见这种大气涡旋海洋的踪迹。
在典型的贝纳德实验中,重力场中的流体层被从底部加热(图2.20a)。底部被加热的流体力图上升,而顶部的冷流体则力图下降。这两种受到粘滞力的运动是相反的。对于小的温度差△T,粘滞性占有上风,流体保持静止,均匀的热传导进行着热的输送。系统的外部控制参量是所谓的粘滞性瑞利数R,它与△T成正比。在R的临界值,流体的状态变得不稳定,稳恒的对流卷模式发展起来(图2.20b)。
超出了某个较大的临界值R时,出现了向混沌运动的转变。描述贝纳德实验的复杂微分方程,被洛仑兹简化了,从而获得了他著名模型的3个非线性微分方程。每一个微分方程的3个变量中,变量X正比于环状流体的流速,变量Y标志下降和上升流体元之间的温度差,变量Z正比于垂直温度对其平衡值的偏差。从这些方程中可以推导出,相应的相空间的某一种表面的任一体积元都是随时间指数收缩的。因此,洛仑兹模型是耗散的。
利用计算机辅助计算,可以使得由洛仑兹模型的3个方程产生的轨迹形象化。在一定的条件下,在此三维相空间的特定区域被轨迹所收缩,使得一个圈在右边,然后又有几个圈在左边,再后又跑到了右边,如此等等(图2.21)。
这些轨迹的路径非常敏感地依赖于起始条件。它们的值的细微偏差可以导致很快偏离开原路径若干圈。因为它的奇怪的形象,看起来形如猫头鹰的两只眼睛,所以将洛仑兹相的吸引区域叫做“奇怪吸引子”。显然,奇怪吸引子是混沌的。随着轨迹越来越密集的又不互相切断的缠绕,轨迹最终将实现何种拓扑结构呢?这是一个说明所谓分形维定义的例子:
M是此n维相空间的吸引子的子集。现在,让相空间被边长为E的立方体所覆盖。设N(ε)是立方体的数目,立方体中包含了吸引子M的片断。如果ε收缩到零(ε→O),那么N(ε)与ε的对数比值的负极限即ε)ε被称作分形维。
如果此吸引子是一个点(图2.14a),则分形维为零。对于稳定的极限环(图2.9),分形维为1。但是对于混沌系统,分形维不是一个整数。一般地,分形维只可能通过数值计算得到。对于洛仑兹模型,奇怪吸引子的分形维D≈2.06±0.01。
另一个已对其混沌运动进行了实验研究的耗散系统是贝洛索夫-札鲍廷斯基反应。在此化学过程中,一个有机分子被溴离子氧化,此氧化被氧化还原系统所催化。化学反应系统中的反应物浓度的变化率,又是用非线性函数的非线性微分方程来描述的。标志贝洛索夫-札鲍廷斯基反应中的混沌行为的变量,是此氧化还原反应系统中的离子浓度。从实验中观察到,适当地组合反应物的浓度,就得到了无规的振荡。这些振荡显示为分立的颜色环。这种分立使非线性形象地显示出来。线性的演化会满足叠加原理。在这种情形下,振荡环对于叠加将互相穿透。
相应的微分方程是自律的,即它们并不明显地依赖于时间。借助计算机辅助的可视化技术对微分运动方程描述的动力系统中的流进行研究通常很方便。它们通过离散方程,以(d-1)维彭加勒映射构造出相应的d维相空间中的轨迹截面点(参见图2.16)。所构造的点,随时间点n的增加标记为x(1),x(2),…,x(n),X(n+1),…。这个相应的方程,对于x(n)=(X(n),…,xd-1(n)的相继的点x(n+1),具有形式x(n+1)=G(x(n),λ)。这种保守系统与耗散系统的分类,可以概括从流直到彭加勒映射。一个离散的映射方程,如果它导致相空间的体积发生收缩,它就被称作耗散的映射方程。
一个著名的离散映射的例子是所谓的逻辑映射,它在自然科学以及社会科学中都有许多应用。从非线性到混沌的复杂动力系统的基本概念,可以借用相当简单的计算机辅助方法以这种映射来说明。因此,让我们先扼要地说明一下这个例子。在数学上,逻辑映射用二次(非线性)迭代映射来定义:+1=ax);其区间0≤x≤1,控制参量a在0≤a≤4之间变化。序列x,x,x,…的函数值可以由简单的袖珍计算机来计算。对于a<3,结果收敛到一个不动点(图2.22a)。如果a继续增加到超过了临界值a1,在一定过渡时间之后序列的值就在两个值之间周期地跳跃(图2.22b)。如果a进一步增加,超过了临界值a2,周期的长度将增加一倍。如果再进一步地一增再增,那么周期每次都增加一倍,相应有临界值序列a1,a2,…。但是在超过了某个临界值ac以后,此发展就变得越来越无规和混沌(图2.22c)。图2.23a中的倍周期分叉序列受一个常数定律的支配,这是格罗斯曼和托麦在逻辑映射中发现的,后来又被费根鲍姆重新认识为一整类函数的一个普适性质(费根鲍姆常数)。超过了a的混沌区域示意在图2.23b中。
在图2.24a-c中,示意了不同控制参量的x向x+1的映射,以构造出相应的吸引子,不动点,两点之间的周期振荡,无任何点吸引子或周期性的完全无规性。
相当令人吃惊的是,像逻辑斯蒂映射这样的简单的数学定律也产生出分叉的复杂性和混沌,其可能的发展示意在图2.23a,b中。一个必要的但非充分的原因是此方程的非线性。在此情况下,复杂性增加的程度由分叉的增加来定义,分叉的增加导致了最复杂的分形情景的混沌。每一分叉说明了该非线性方程的一种可能的分支解。在物理上,它们标志了从平衡态向新的可能的平衡态的相变。如果平衡态被理解为一种对称状态,那么相变就意味着由涨落力引起的对称破缺。
从数学上看,对称性由某种定律的不变性来定义,即关于在相应的观察者的参照系之间的一些变换的不变性。在此意义上,开普勒定律的对称性是由伽利略变换来定义的(参见图2.6a)。描述从底层加热的流体层的流体动力学(图2.20a)对于所有水平平移是不变的。化学反应方程(在无限延伸的介质中),是对于观察者使用的参照系的所有平移、旋转和反映不变的。
然而,这些高度对称的定律允许相变到具有较少对称性的状态。例如,在贝纳德实验中,加热的流体层变得不稳定,发展起来稳恒对流涡旋(图2.20b)。这种相变意味着对称破缺,因为细微涨落引起涡旋卷偏向其中的一个或两个可能的方向。我们的例子表明,相变和对称破缺是由外部参量的变化引起的,最终导致了系统的新的宏观空-时模式,突现出有序。
显然,热涨落自身具有不确定性,或更精确地说,具有几率性。一粒随机来回运动的粒子(布朗运动),可以用随机方程来描述,此随机方程支配着几率分布随时间的变化。确定一个过程的几率分布的最重要的手段之一,是所谓的主方程。将此过程形象化,我们可以想像一颗粒子在三维点阵中的运动。
在时刻t找到系统在点x处的几率,随着从其他点x’向该点迁移(“移入”)而增加,但随着迁移离开(“移出”)而减少。由于“移入”构成了所有的从起始点x’到x的迁移,所以它是这些起始点之和。和的每一项,亦即找到此粒子在点x’的几率乘以(单位时间)从x’到x的迁移几率。类似地,向外的迁移就是发现了“移出”。因此,一个过程的几率分布的变化率是由随机微分方程所确定的,它是由“移入”和“移出”的差来定义的。
涨落是由大量随机运动的粒子引起的。一个例子是流体与其分子。随机过程的分叉也就只能由几率分布的变化来确定。在图2.25中,几率函数从一个吸引子集中的浓度(图2.25a)变化到平坦的分布(图2.25b),最终变成了两个吸引子的两个极值(图2.25c),当此控制参量的增加超过了相应的临界值时。图2.25c示意了随机的对称破缺。
在此方面,复杂性意味着一个系统有大量的自由度。当我们从外部控制一个系统时,我们可以改变其自由度。例如,在升高温度时,水分子的蒸发变得更自由而不受相互牵扯。当温度降低时,形成液滴。这种现象是分子发生关联运动并保持相互间平均距离的结果。在冰点,水结成具有了固定的分子序的冰晶。人类很早就已经熟悉了这些相变。水有不同的聚集状态,也许这就是人们将水看作一种物质基本元素的哲学观念的原因(参见2.1节)。
材料科学提供了另一个例子。当铁磁体加热时,超过一定临界值它会失去磁性。但是,当温度降低时,磁体又重新获得其磁性。磁性是一种宏观特征,可以从微观上用自由度的变化来解释。铁磁体由许多原子磁体构成。在高温下,基元磁体随机地指向种种方向。如果将相应的磁矩加和,它们就相互抵消掉了。这在宏观水平上就观察不到磁性。低于某个临界温度时,原子磁体排列成宏观有序,产生出磁化作用的宏观特征。在两个例子中,宏观有序的突现都是由降低温度引起的,此结构在低温时形成,不丢失能量。因此,它是一种保守的(可逆的)自组织。在物理上它可以用波耳兹曼分布定律来解释,这一定律适用于能量较低,主要是在较低温度下实现的结构。
在小分子向超分子物质实物和材料的演化中,保守自组织过程起着主要作用。在此情形下,自组织意味着在接近平衡条件下自发地形成有序结构。性质已知的简单小分子的建筑块,在此过程中自装配成为中观(或纳米)尺度的非常大的具有全新性质的复杂聚集体。这些自装配过程的化学实现方式是多种多样的。它们可以通过化学模板和基质的作用来排列成复杂的分子结构。通过自装配,已经获得了若干个巨集束,其尺寸上相当于小蛋白,包含了300个以上的原子,分子量大约为10000道尔顿。图2.26中的巨集束具有未曾预料的新颖结构性质和电子性质:在此有不同的磁性,它们对特殊的固体状态结构是典型的,对于材料科学具有重大意义。一种显著的结构性质是在大集束中存在纳米尺度的空穴。
分子空穴可以用来作为其他化学药品,甚至人的机体中要输送的化学物的容器。许多高等有机体中都有一种贮存铁的蛋白质,叫做铁蛋白。它是一种不寻常的寄-宿系统,其构成中包括一种有机宿主(一种蛋白质)和一种可变的无机寄主(一种铁核)。根据外部的需要,铁可以从此系统中排出,也可以结合进来。经常发现,复杂化学聚集体如Polyoxometalates,以规则的凸多面体为基础,如同柏拉图固体。但是,它们的集体的电子性质和(或者)磁性质不可能归结为这些建筑块的已知性质。根据“从分子到材料”的结合酶,超分子化学应用此保守自组织的“蓝本”,在纳米尺度上去建筑起复杂的材料,它们在催化、电子、电化学、光学、磁和光化学诸方面具有新颖的性质。复合性质的材料是极为有趣的。超分子晶体管是一个例子,它可能会激起化学计算机的革命性的新发展。
在自然进化中,非常大和复杂的分子系统也是由基因指导的过程逐步产生的。纳米分子化学的保守自组织过程是非基因控制的反应。只有保守自组织和非保守自组织的聪明结合,才可以激发起基因出现之前的前生物进化。但是甚至在复杂有机体进化期间,保守自组织也必定会出现。在人类的技术进化中,这一原理被一再发现并得到应用。
另一方面,有一些系统,其有序和功能发挥并非是降低温度来实现的,而是保持某种通过其间的能量和物质流来实现的。熟悉的例子如动植物那样的活系统,它们需输入生物化学能。这种能量过程可以引起宏观模式如植物的生长、动物的行进等等的形成。但是这种有序的形成,决非是活系统专有的(参见第3章)。它是一种远离热平衡的耗散(不可逆)自组织,在物理学、化学和生物学中都可以发现。
正如热力学第二定律所说,与环境没有任何能量和物质交换的封闭系统,将向近平衡的无序状态发展。无序的程度由一种叫做“熵”的量来度量。热力学第二定律说,封闭系统中熵总是向其极大值增加。例如,使得一个冷物体与一个热物体接触,热的交换将使得两个物体都获得同样的温度,即一种无序的均匀的分子序。把一滴牛奶滴入咖啡中,牛奶最终扩散成一种无序的、均匀的牛奶咖啡混合物。人们从来没有观察到相反的过程。在此意义上,按照热力学第二定律,过程是不可逆的,具有唯一的方向。
流体力学中的一个例子是贝纳德不稳定性,它已经在2.4节的开头描述过。当加热流体层(图2.20a)达到某个临界值时,它开始了一种宏观运动(图2.20b)。因此,一个动态的很有序的空间模式是从无序的均匀的状态中出现的,只要保持了通过此系统的一定的能量流。
流体动力学中的另一个例子是流体绕一个圆柱流动的流。外部的控制参量又是流速的瑞利数R。在低速时,此流以均匀的方式出现(图2.27a)。高速时,出现了具有两个涡旋的新的宏观模式(图2.27b)。速度进一步增高,涡旋开始变成振荡(图2.27c-d)。在一定的临界值时,在圆柱后出现了湍流的无现和混沌的模式(图2.27e)。图2.27a-e示意出可能的吸引子:一个或多个不动点,分叉,振荡和准振荡吸引子,最终是分形混沌。
现代物理学和技术中,激光是一个著名的例子。固体激光器中有一根嵌进了特殊原子的材料棒。每一原子都可以由外部能量激发,导致光脉冲发射。材料棒末端的镜子可以用来对这些脉冲进行选择。如果脉冲是沿铀方向的,那么它们就会被多次反射,在激光器中呆的时间就比较长,而在其他方向上就会离去。在泵浦能量小时,激光器如同一盏普通白炽灯,因为此时原子相互独立地发射光脉冲(图2.28a)。到达一定的泵浦能量时,原子以一定的相振荡,形成单一有序的巨大长度的脉冲(图2.28b)。
激光束是一个由远离热平衡的耗散(不可逆)自组织形成宏观有序的例子。激光的能量的交换和处理过程表明,它显然是一个远离热平衡的耗散系统。
若是在从前,科学家便会假设是某种妖或神秘的力导致了这些系统变成有序的新模式。但是,正如在保守自组织的情形,耗散自组织可以用一般框架来解释,它具有大家熟知的精确的数学形式。例如,让我们从一个旧结构——均匀流体或杂乱发射的激光——出发。旧结构的不稳定性由外部参量的变化引起,最终导致新的宏观空-时有序。在接近不稳定点,我们可以区分出稳定的和不稳定的集体运动或波(模)。不稳定模开始影响和决定稳定模,因此稳定模可以被消除掉。赫尔曼·哈肯贴切地把这一过程称作“役使原理”。实际上,稳定模在一定的阈值受到不稳定模的“役使”。
在数学上,这种程序被称作快弛豫变量的“绝热消去”,例如,从描述相应系统中几率分布变化的主方程进行绝热消去。显然,这种消去程序可以减少大量的自由度。新结构的形成在于:剩余的不稳定模作为序参量,决定了系统的宏观行为。微分方程描述了宏观参量的演化。与微观水平上系统元素(如原子、分子等等)的性质不同,序参量标志着整个系统的宏观特征。在激光的情形,一些慢变化的(“无阻尼的”)模的幅度可以作为序参量,因为它们开始役使该原子系统。在生物学语言中,序参量方程描述了模之间的“竞争”和“选择”过程。但是,这些当然只是一种比喻的说法,它们是可以用上述的数学程序来精确表达的。
一般地讲,作为概括,一个耗散结构可以在一定阈值变得不稳定,可以被打破,从而形成新的结构。作为相应的消去了大量自由度的序参量的引入,耗散有序的形成伴随着复杂性的巨大降低。耗散结构是复杂系统的一个基本概念,它们在本书中被用来为自然科学和社会科学的过程建立模型。耗散结构的不可逆性,可能使我们回想起赫拉克利特的名言:一个人不能两次踏进同一条河流。显然,不可逆性违反了时间的不变对称性,这种对称性是牛顿和爱因斯坦的经典的(哈密顿的)世界的标志。但是这种经典的观点最终将被证明,它只不过是一个平稳变化世界中的特例。另一方面,赫拉克利特还相信,某个生序原理使无规的相互作用得到和谐,并创造出物质的新的有序态。我们必须要看一看,耗散系统的数学框架是否适合于这种规律的普遍特征。
一个物质进化的一般性框架将以所有物理力统一的理论为基础(图2.29)。从爱因斯坦的广义相对论推导出来的宇宙演化的标准模型,必须能够为量子理论的原理所解释。迄今为止,只有几个关于宇宙演化的数学模型或多或少令人满意,可以部分地接受实验的确证。然而,这些模型的大意是,复杂性不断增加的结构(基本粒子、原子、分子、行星、恒星、星系等等)的形成,可以用宇宙相变或对称性破缺来解释。

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