人类认识从追求“简单性”走向探索“复杂性”(上)——科学发展的人文历程漫话之十五

钱时惕

(河北大学 河北 保定 071002)

1 何谓“简单性”

这里所谓的“简单性”是一个专用名词，作为一种哲学观念的“简单性”，一般说来，可以分为两大类，即本体论意义上的“简单性”和认识论意义上的“简单性”．

1.1 本体论意义上的“简单性”

本体论意义上的“简单性”，最早可以追溯到泰勒斯(Thales，约公元前624～547)的水、赫拉克利特(Heraclitus，约公元前540～470)的火、德谟克利特(Democritus，约公元前460～370)的原子和中国的“五行说”，他们都试图把世界的本原归结为一种或几种简单的物质或要素．牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中写道：“自然界不做无用之事．只要少做一点就成了，多做了却是无用；因为自然界喜欢简单化，而不爱用什么多余的原因来夸耀自己．”[1]莱布尼茨则认为，上帝以实现最大限度的“简单性”和“完美性”的方式来统治宇宙，于是莱布尼茨提出了“单子论”来说明万事万物的存在及变化．

本体论意义上的简单性的另一个方面，则是相信自然运动规律的简单性，特别是相信决定论．著名的拉普拉斯决定论在西方科学界一直占据统治地位，20世纪最伟大的科学家爱因斯坦始终认为：“上帝不会掷骰子”．

2.2 认识论意义上的“简单性”

认识论方面的“简单性”原则，可追溯到亚里士多德(Aristoteles)．他在《形而上学》中说， “包涵原理愈少的学术比那些包涵更多附加原理的学术更有益．”[2]1883年，马赫(E.Mach)在《力学的发展》一书中，提出“思维经济原理”，主张把科学看成用“最少的思维全面地描述事实的”最小值问题．爱因斯坦受到马赫思想的影响，特别推崇“简单性”原则．他认为“一切科学的伟大目标，即要从尽可能少的假设或者公理出发，通过逻辑的演绎，概括尽可能多的经验事实．”[3]爱因斯坦认为：一种理论的前提的简单性越大，它所涉及的事物的种类越多，它的应用范围越广，它给人们的印象也就越深．强调认识论意义上“简单性”的科学家与哲学家，一般也都相信本体论上的“简单性”，并且认为二者是一致的．在他们看来，“自然规律的简单性也是一种客观事实，而且，正确的概念体系必须使这种简单性的主观方面与客观方面保持平衡”，“物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，也就是说，它在基础上具有统一性”．[4]

2 对“简单性”的追求

从上述科学家、哲学家有关“简单性”涵义的论述可以看出：对“简单性”的追求，其核心思想是在复杂的现象中找寻事物的统一性及其共同的本质．

直到20世纪上半叶，“简单性”原则一直是许多科学家和哲学家的共同信念、建立理论体系的指导原则．古希腊数学家毕达哥拉斯(Pythagoras)关于数的和谐性思想，一直被众多科学家奉为“坚典”．哥白尼提出“日心说”的动力之一，是认为托勒密的“地心说”太烦杂(多种本轮与均轮的组合)，应该用一种简单和谐的天体运动模型取而代之．牛顿对机械运动规律的表述给人们树立了一个“简单性”的样板．以至于后来的奥卡姆(Occam)的剃刀、莫佩尔蒂(Maupertuis)的最小作用原理、马赫的思维经济原理、彭加勒的力戒特设假设、惠勒(J． Wheeler)的质朴性思想等，从不同方面表达了科学中的“简单性”原则．爱因斯坦则把追求理论体系逻辑的“简单性”作为自己一生的最高目标．为此他不惜花费后半生的精力去研究统一场论，试图把万有引力与电磁相互作用通过几何化方法把它们统一起来．达尔文进化论也是追求“简单性”原则的一个典型，进化论中“所有的生命来自于一个共同祖先”的命题，具有震撼人心的力量，所有的生命都有一个共同的起源，正是“简单”寓于“复杂”之中的深刻表述．

在物质结构的研究方面，科学家面对组成、结构、外形、特性、功能、用途各不相同、五彩缤纷、丰富多彩的物质世界，一直在找寻复杂之中的统一．经过众多科学家的努力，目前已经知道，世界上近800万种化合物，实际上是由109种元素组成，而这 109种化学元素又都是由电子、质子、中子等基本粒子构成．更进一步，电子、质子、中子等基本粒子则是由3类基本场所组成：实物场，对应着6种夸克与6种轻子(电子是其中一种)；媒介场，对应着中间波色子、光子、胶子、引力子(尚未发现)；希格斯场，真空处于最低能量状态下的一种量子场，能量供应者．

同样，在生命世界，经过科学家的不断努力，已经揭示：地球上存在的几百万种动植物，都是由细胞构成的，细胞的基本成分是蛋白质与核酸．蛋白质的化学结构与空间结构异常复杂，分子量从几万到上千万，但又都是由20种不同的氨基酸所组成．核酸主要由4种核苷酸构成．4种核苷酸的碱基的不同排列组合，形成遗传密码，它决定着几百万种生物的不同遗传性状．

3 追求“简单性”过程中遇到的新问题要求开展对“复杂性”问题的研究

随着科学认识的不断深化及发展，在追求“简单性”过程中遇到了新问题，要求开展对“复杂性”问题的研究．

3.1 从“实物中心论”到“系统中心论”转移

20世纪50年代以前，在科学文献中，“物质无非是各种实物的总和．”[1]物质世界，要不就是被简化为质点的物体，要不就是物体的机械结合，没有科学意义上的“系统”概念．这种认识水平，可以称为“实物中心论”．这种“实物中心论”在解释与处理科学问题时，局限性很大．

20世纪20年代，奥地利生物学家贝塔朗菲(L.V.Bertalanffy,1901～1972)用整体和组织的观点研究生物学，批判生物学中流行的“机械论”和“活力论”，提出了以系统思想为基础的机体论．贝塔朗菲的思想一直被学术界忽视．20世纪50年代，贝塔朗菲把机体论生物学拓展成具有普遍意义的一般系统论，开始引起学术界的注意．20世纪40～50年代，维纳(N.Wiener)以系统为对象，主持跨学科研究，出版了《控制论——关于在动物和机器中控制和通信的科学》一书(1948)，标志着控制论的诞生．申农(C.E.Shannon) 1948年发表《通讯的数学理论》，奠定了信息论的基础，标志了作为一门科学——信息论的诞生．系统论、控制论、信息论，构成系统科学的基本内容．从此，“实物中心论”逐渐向“系统中心论”转移，成为开展“复杂性”问题研究的一个重要领域．

3.2 量子运动与拉普拉斯决定论冲突

1900～1926年逐步建立的量子力学，其核心内容：测不准关系、量子运动的几率性质，与拉普拉斯决定论冲突，引起激烈的争论．

1924～1927年，爱因斯坦从自己的基本哲学信念及所追求的科学目标(对客观物理世界作严格的因果性描述)出发, 对量子力学作为一种几率性的统计理论, 表示了强烈不满，无论如何不相信上帝在掷般子．

1935年, 爱因斯坦与波道尔斯基、罗森合作, 发表了题为《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》的著名论文．

在这萹论文中，爱因斯坦等设计了一个理想实验, 假设有两个微观系统1与2，在t=0～T以前相互作用过, 在t>T以后在空间分隔开来就不再发生相互作用．进一步假设, 两个系统的初始状态是已知的, 根据薛定愕方程, 就可以算出相互作用后任何时刻1+2的状态，进一步，按量子力学可得如下悖论：一方面, 系统1与系统2已经分开不再相互作用, 应该不再相互影响(这是所谓定域性假设)， 另一方面, 对系统1做不同的测量， 将影响2 处于不同状态．通过对上述悖论之分析, 爱因斯坦尖锐地指出：“要么否定定域性原理(存在超距作用)，要么承认最子力学描述的不完备性”．爱因斯坦的诘难，给玻尔巨大的冲击, 也引起物理学界的震惊．

同年10月，N·玻尔也在Physical Review上发表了一篇同名的论文，反驳爱因斯坦等人的观点．玻尔分析了EPR 的理想实验，认为两个粒子在分开之后，仍然存在着某种关联性．因此在对粒子1做测量时，仍应视为对整个系统的扰动．换言之，玻尔并不赞同爱因斯坦的定域性原理．

80年来，物理学界围绕“EPR悖论”进行了大量理论与实验研究，其中包括玻姆 (D.Bohm , 1917～1992)隐变量理论(1952)的提出及有关争论，贝尔(J. Bell，1928～1990)不等式(1965)的提出及验证等．1972～1985年，Aspect等做了14个精确的实验，最后实验结果支持了量子力学的预言：在相互纠缠的微观粒子(如电子、光子等)之间存在某种非定域关联，如果我们对其中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的状态变化，无论它们相距多远．上述现象称为 “量子关联性”，又称为量子纠缠效应．这是微观世界又一个特征．

量子关联性现象意味着某种意义上“超距作用”的存在．看来，世界比我们想象的复杂．

3.3 哥德尔不完备性定理

1931年，奥地利数学家哥德尔(K.Godel，1906～1978)在研究数学基础理论时，证明了一个后来被称为哥德尔不完备性定理．这个定理指出：

(1)对于一个初等数学公理体系，如果它是相容的(即构成公理体系的基本命题相互之间逻辑上不矛盾)，则该体系将是不完全的(完全性要求体系内部提出的所有问题，在体系内都可以得到解决)．

(2)如果一个初等数学公理体系是相容的，这种相容性不能在体系内得到证明(即必须设计更高一级的公理体系，才可能证明该体系是相容的)．

显然，哥德尔不完备性定理不符合认识论意义上的“简单性”原则要求；或者说，给逻辑“简单性”追求者泼了一盆凉水．

3.4 从存在到演化

19世纪的自然图景中，存在着两幅不协调的图景：达尔文的生物进化论，给出的是从单一到多样、从简单到复杂、从低级到高级的进化图景；而热力学第二定律给出的则是熵增，从有序到无序的退化图景．但这两幅园景都与时间有关．但是，在作为科学主流的物理定律(牛顿定律、麦克斯韦电磁场方程、薛定谔方程)中，时间均是外在参数．对于这个问题，普里高津做了长久思考后认为，过去的科学主流只研究了存在，而未研究“演化”．为此，普里高津先后出版了《从存在到演化：自然科学中的时间和复杂性》、《探索复杂性》等书，普里高津指出：“复杂性不再仅仅属于生物学了，它正在进入物理学领域，似乎已经植根于自然法则之中了．”[5]首次提出“探索复杂性”的思想，成为当代研究复杂性问题的先驱者．

在普里高津提出“探索复杂性”的先后，协同学、突变论，超循环论、混沌学、分形理论等相继出现，掀起了“非线性风暴”．现代科学也就开始了从追求“简单性”走向研究“复杂性”新的征途．

3.5 对物质无限可分说的质疑

世纪之交的自然科学革命，虽然突破了原子是不可分的观点．但是，原子论的哲学基石——构成论的思想则被继承下来．1955年，日本物理学家坂田昌一(Sakata Shyoichi,1911～1970)提出了“基本”粒子的“复合模型”．1964年，美国物理学家盖尔曼(M.Gell-Mann,1929～ )等提出了强子的“夸克模型”．按照这种观念继续下去，下一步就是“夸克”的组成问题．

但是经过种种努力，“夸克”一直被幽禁，自由夸克始终未能找到．从而，引起人们对“构成论”或物质无限可分说的质疑．

对物质无限可分性命题提出质疑者，提出了不同于本体论简单性的物质结构观，主要论点如下：

物质无限可分论是以“构成主义”物质结构观为基础的，这种结构观的特点之一，是承认世界及世界上的一切物质都是由已经存在的、早就呈现在我们面前的、完全独立的各部分组成．“构成主义”结构观尽管在宏观层次上、乃至原子层次上具有普遍适用性，但在“基本”粒子层次上就受到了限制．

20世纪60年代开始，“基本”粒子的研究有了深入发展，从而孕育了与“构成主义”物质结构观不同的观念，可以称之为“潜存-显现”物质结构观．

“潜存-显现”物质结构观，要求放弃或改变“构成主义”物质结构观看待物质的结构和组成之观点．按这种结构观，物质粒子(“基本”粒子以下层次)内部只是潜存着其他可能的物质粒子，它们要在一定条件下，才能从潜存性转化为现实性，粒子产生出来，才显现出它们的现实性．它们是潜存的，而不是以确定的形式(像电子和原子核存在于原子中那样)现存地存在于其他粒子中．

参考文献

1 塞耶(编).牛顿自然哲学著作选.上海：上海人民出版社，1974.3

2 亚里士多德.形而上学.北京：商务印书馆1959.37

3 许良英,等编译.爱因斯坦文集:第一卷.北京：商务印书馆，1976.214,262

4 尼科里斯，普里高津.探索复杂性.成都：四川教育出版社，1986.4