用认知论分析天气的可预报性

史湘军

摘要规律是预测的依据，自然规律是在一定时空分辨率上的。由于总是能发现更小尺度的物体，总有无法被认知的规律。因此，完美的预测是不存在的。为了更准确的预测，需要不断认知规律。

关键词可预报性；天气；认知论

1动机与目的

科学发展的目的是利用知识改造世界，为人类造福。掌握知识是预测未来的前提。预测是利用知识的第一步。不能预测，就无法明确地指导行动。气象学可以说是一门与人类文明一同诞生的学科，体现着人类千百年来试图预知外部世界的欲望。气象研究不断提升预测的上限。气象学家一直试图对大气状况进行完美无误的预测。不过，完美的预测是否可能？至今还没有给出一个容易让人信服的科学论证。在课堂上，学生常常询问怎样来分析天气的可预测性问题。这个问题难以用气象学的知识简单讲述。不过，可以把它当作一个哲学问题来思考，寻求答案。

对于大自然，完美的预测是否存在？可以归于哲学分支的认知论。哲学是人类了解世界的一种特殊方式。它所关注的，是这些具体科学的“基本常识”，或是其中被人们经常使用因而视作理所当然的概念、准则、定律等。可预测性这个问题答案就在认识论中。认知与预测的关系是打开这扇门的钥匙。哲学领域存在很多流派，认识论各有不同，且对认识与预测的关系论述不多。想把认知与预测的关系梳理清楚，不是件很容易的事。不过，无论多么复杂抽象的问题，都存在阿客流斯脚跟。

规律是预测的依据，规律的属性就是分析认知与预测关系的关键点。本文首先论证自然规律是否可以被彻底认知，总结认知与预测的关系。其次，思考自然界此时的状态是否完全决定了此时的发展趋势。最后，讨论完美的预测是否存在。

2自然规律是否可以被彻底认知

大气是自然界的一部分，是个非常复杂的系统。其演变规律是否可以被彻底认知？自然界是否可以被彻底认知？有人支持可知论，相信终究有一天自然规律是可以被彻底认知的。有人相信不可知论，怀疑人类认知自然规律的能力。其实，只要明确了自然规律的一个特殊属性，问题的答案就很明确了。

对自然界的认识是指经过理性认识，掌握自然规律。这里所说的自然规律是指从实践观测中得到的，而且能够被实践观测所证实的自然规律。人类能观测到的只能是一定的空间范围和时间间隔内的平均值，这样一来，观测值本身与一定的时空分辨率是不可分割的。也就是说，自然规律必然是与一定的时空分辨率有不可分割的属性，告诉我们能否彻底认识自然界取决于能观测到的时空间分辨率。当能观测到的分辨率达到一定尺度时，在这一尺度上的自然规律将会逐渐地被认知。在这一尺度自然规律被认知的基础上，由于更小尺度的物体运动必然会在上一尺度中有所反映，观测手段也将向前推进，可以观测到更小的尺度。不断发展，观测的分辨率逐步提高，被掌握的自然规律也就越来越多。不过，作为观测对象的自然界客观物体，尺度是可以无限小的。观测、认知、再深入的观测、更深层次的认知，这种循环不会终止。自然界不可以彻底被认知的。换句话说，自然界总有奥秘可以去观测、认知。

3自然界此时的状态是否完全决定了此时的发展趋势

当分析的是钟摆、抛石子这样的经典力学的问题时，物体此时的状态完全决定此时的发展趋势。牛顿创立的经典力学以及以此为基础的经典科学体系加速了人类文明的进程，引发了工业革命。经典力学的确定论观点也就逐渐埋于人的意识之中。拉普拉斯把确定论的观点发展到了极致，他说：“我们必须把目前宇宙状态看作是以前状态的结果以及以后发展的原因，如果有一种智慧能了解在一定时刻支配着自然界的所有力，了解组成它们的实体的各自位置，如果他还伟大到足以分析所有这些事物，他能用一个单独的公式概括出宇宙万物的运动，从最大的天体到最小的原子，都毫不例外，而且对于未来就像对于过去那样，都能一目了然。”这就是著名的拉普拉斯机械决定论自然观。这个自然观的精髓是一切事物的运动变化都存在着确定的、必然的联系，服从某种规律。这是个美好的愿望，科学家一直朝着这个愿望在努力。这个愿望，不该遭受抨击。但是，愿望与现实存在差距。若世界最小的组成元素是原子，总有一天所有的自然规律都能认识清楚。那时，将是一个怎样的世界呢？自然界一切都被安排好了。人生的一切也都已经被安排好了，追求、理想还有什么用。还好，自然界最小的组成元素不是原子，自然界中物体的尺度可以无限小，自然界总有奥秘存在，决定论的前提不存在。决定论忽略了一個矛盾。自然规律的分辨率是有限的，并且能够认知的自然规律的分辨率在不断提高。但是，总是能发现更小尺度的自然界物体。也就是说，总有还没有被认识的自然规律。在分析讨论自然问题时不可以抛开这个矛盾。

根据所研究对象的性质，可以分为确定系统与概率系统两大类。确定系统，系统的状态随时间确定性变化的系统。在这个系统中，没有不确定状态对可分析状态的影响。系统的发展趋势可以用可分析状态中已知变量唯一的确定的表示。它的精髓是肯定事物发展的必然性。系统现有的状态可以完全决定未来。经典力学研究的动力系统都是确定系统。概率系统，系统的状态随时问变化发展不确定的系统。在这个系统中，不确定状态对可分析状态有影响。它体现事物发展的偶然性。例如：秋天常见的树叶飘落、非线性动力学中的绕球试验、同心球间试验。在概率系统中，系统现有的状态不能完全决定未来。

自然界是由一部分确定系统和一部分概率系统组成的概率系统。此时的状态不能完全决定此时的发展趋势。不可能对自然界的未来作出完全准确的预测。不能作出完美的预测，对科学家来说是件好事。为了更好地预测未来，或者说提高预测技能，需要不断地观测、认知世界。科学家有做不完的工作。上述分析中用到了如下假设，自然界中物体的尺度可以无限小，小尺度的物体运动必然会在上一尺度中有所反映。对于这种假设，可以举出很多例子说明。不过，目前无法对此作出理论论证，只能期望直觉上的认同。

4完美的预测是否存在

为了定量地分析预测能力，需要有个可以度量预测能力的定义。在动力系统的研究中，常用总能量表示对系统的一个总的度量，分析总能量的变化情况。在分析预测能力时，我们暂且用信息量来定量描述系统的一个总体特征。对于一个系统，若可以忽略其与外界的信息交换，那么描述系统状态所需的信息量（简称系统信息量）是个常数。我们把初始时刻系统的信息含量是N。若分析的对象是一个保守的确定系统，也就是此时刻的状况可以推出下一时刻的状况，下一时刻的状况也能反推出此时刻的状态。不难发现，系统的信息含量不发生变化，始终是Nn。保守的确定系统可以完美的作出预测。不过，自然界中确定系统基本上都是耗散的，也就是此时刻的状况可以推出下一时刻的状况，下一时刻的状况不能反推出此时刻的状态。随着预测时间的延长，可以用于预测的信息N不断减少。若系统大小不变，描述系统所需事件信息量始终是Nn。预测能力为Nt/Nn。预测信息量Nt随时间不断减小，预测能力不断下降。

规律是联系认知与预测的桥梁。认知规律是预测未来的依据。然而，规律都是具有一定时空分辨率的。自然规律具有一定的时空分辨率这一属性，决定了自然界总是可以划分为无规律可循的不确定状态和有规律可循的可分析状态，而且这两个状态是相互影响的。因此，基于目前能够观测的自然界，其此时的状态是不能完全决定此时自然界的发展趋势。完美的预测是不存在的。预测的不完美，说明总是有规律没有掌握。为了更准确的预测，需要不断去认知规律。endprint