人類認識從追求“簡單性”走向探索“復雜性”(上)
——科學發展的人文歷程漫話之十五

錢時惕

(河北大學 河北 保定 071002)

1 何謂“簡單性”

這里所謂的“簡單性”是一個專用名詞，作為一種哲學觀念的“簡單性”，一般說來，可以分為兩大類，即本體論意義上的“簡單性”和認識論意義上的“簡單性”．

1.1 本體論意義上的“簡單性”

本體論意義上的“簡單性”，最早可以追溯到泰勒斯(Thales，約公元前624～547)的水、赫拉克利特(Heraclitus，約公元前540～470)的火、德謨克利特(Democritus，約公元前460～370)的原子和中國的“五行說”，他們都試圖把世界的本原歸結為一種或幾種簡單的物質或要素．牛頓在他的《自然哲學的數學原理》中寫道：“自然界不做無用之事．只要少做一點就成了，多做了卻是無用；因為自然界喜歡簡單化，而不愛用什么多余的原因來夸耀自己．”[1]萊布尼茨則認為，上帝以實現最大限度的“簡單性”和“完美性”的方式來統治宇宙，于是萊布尼茨提出了“單子論”來說明萬事萬物的存在及變化．

本體論意義上的簡單性的另一個方面，則是相信自然運動規律的簡單性，特別是相信決定論．著名的拉普拉斯決定論在西方科學界一直占據統治地位，20世紀最偉大的科學家愛因斯坦始終認為：“上帝不會擲骰子”．

2.2 認識論意義上的“簡單性”

認識論方面的“簡單性”原則，可追溯到亞里士多德(Aristoteles)．他在《形而上學》中說， “包涵原理愈少的學術比那些包涵更多附加原理的學術更有益．”[2]1883年，馬赫(E.Mach)在《力學的發展》一書中，提出“思維經濟原理”，主張把科學看成用“最少的思維全面地描述事實的”最小值問題．愛因斯坦受到馬赫思想的影響，特別推崇“簡單性”原則．他認為“一切科學的偉大目標，即要從盡可能少的假設或者公理出發，通過邏輯的演繹，概括盡可能多的經驗事實．”[3]愛因斯坦認為：一種理論的前提的簡單性越大，它所涉及的事物的種類越多，它的應用范圍越廣，它給人們的印象也就越深．強調認識論意義上“簡單性”的科學家與哲學家，一般也都相信本體論上的“簡單性”，并且認為二者是一致的．在他們看來，“自然規律的簡單性也是一種客觀事實，而且，正確的概念體系必須使這種簡單性的主觀方面與客觀方面保持平衡”，“物理上真實的東西一定是邏輯上簡單的東西，也就是說，它在基礎上具有統一性”．[4]

2 對“簡單性”的追求

從上述科學家、哲學家有關“簡單性”涵義的論述可以看出：對“簡單性”的追求，其核心思想是在復雜的現象中找尋事物的統一性及其共同的本質．

直到20世紀上半葉，“簡單性”原則一直是許多科學家和哲學家的共同信念、建立理論體系的指導原則．古希臘數學家畢達哥拉斯(Pythagoras)關于數的和諧性思想，一直被眾多科學家奉為“堅典”．哥白尼提出“日心說”的動力之一，是認為托勒密的“地心說”太煩雜(多種本輪與均輪的組合)，應該用一種簡單和諧的天體運動模型取而代之．牛頓對機械運動規律的表述給人們樹立了一個“簡單性”的樣板．以至于后來的奧卡姆(Occam)的剃刀、莫佩爾蒂(Maupertuis)的最小作用原理、馬赫的思維經濟原理、彭加勒的力戒特設假設、惠勒(J． Wheeler)的質樸性思想等，從不同方面表達了科學中的“簡單性”原則．愛因斯坦則把追求理論體系邏輯的“簡單性”作為自己一生的最高目標．為此他不惜花費后半生的精力去研究統一場論，試圖把萬有引力與電磁相互作用通過幾何化方法把它們統一起來．達爾文進化論也是追求“簡單性”原則的一個典型，進化論中“所有的生命來自于一個共同祖先”的命題，具有震撼人心的力量，所有的生命都有一個共同的起源，正是“簡單”寓于“復雜”之中的深刻表述．

在物質結構的研究方面，科學家面對組成、結構、外形、特性、功能、用途各不相同、五彩繽紛、豐富多彩的物質世界，一直在找尋復雜之中的統一．經過眾多科學家的努力，目前已經知道，世界上近800萬種化合物，實際上是由109種元素組成，而這 109種化學元素又都是由電子、質子、中子等基本粒子構成．更進一步，電子、質子、中子等基本粒子則是由3類基本場所組成：實物場，對應著6種夸克與6種輕子(電子是其中一種)；媒介場，對應著中間波色子、光子、膠子、引力子(尚未發現)；希格斯場，真空處于最低能量狀態下的一種量子場，能量供應者．

同樣，在生命世界，經過科學家的不斷努力，已經揭示：地球上存在的幾百萬種動植物，都是由細胞構成的，細胞的基本成分是蛋白質與核酸．蛋白質的化學結構與空間結構異常復雜，分子量從幾萬到上千萬，但又都是由20種不同的氨基酸所組成．核酸主要由4種核苷酸構成．4種核苷酸的堿基的不同排列組合，形成遺傳密碼，它決定著幾百萬種生物的不同遺傳性狀．

3 追求“簡單性”過程中遇到的新問題要求開展對“復雜性”問題的研究

隨著科學認識的不斷深化及發展，在追求“簡單性”過程中遇到了新問題，要求開展對“復雜性”問題的研究．

3.1 從“實物中心論”到“系統中心論”轉移

20世紀50年代以前，在科學文獻中，“物質無非是各種實物的總和．”[1]物質世界，要不就是被簡化為質點的物體，要不就是物體的機械結合，沒有科學意義上的“系統”概念．這種認識水平，可以稱為“實物中心論”．這種“實物中心論”在解釋與處理科學問題時，局限性很大．

20世紀20年代，奧地利生物學家貝塔朗菲(L.V.Bertalanffy,1901～1972)用整體和組織的觀點研究生物學，批判生物學中流行的“機械論”和“活力論”，提出了以系統思想為基礎的機體論．貝塔朗菲的思想一直被學術界忽視．20世紀50年代，貝塔朗菲把機體論生物學拓展成具有普遍意義的一般系統論，開始引起學術界的注意．20世紀40～50年代，維納(N.Wiener)以系統為對象，主持跨學科研究，出版了《控制論——關于在動物和機器中控制和通信的科學》一書(1948)，標志著控制論的誕生．申農(C.E.Shannon) 1948年發表《通訊的數學理論》，奠定了信息論的基礎，標志了作為一門科學——信息論的誕生．系統論、控制論、信息論，構成系統科學的基本內容．從此，“實物中心論”逐漸向“系統中心論”轉移，成為開展“復雜性”問題研究的一個重要領域．

3.2 量子運動與拉普拉斯決定論沖突

1900～1926年逐步建立的量子力學，其核心內容：測不準關系、量子運動的幾率性質，與拉普拉斯決定論沖突，引起激烈的爭論．

1924～1927年，愛因斯坦從自己的基本哲學信念及所追求的科學目標(對客觀物理世界作嚴格的因果性描述)出發, 對量子力學作為一種幾率性的統計理論, 表示了強烈不滿，無論如何不相信上帝在擲般子．

1935年, 愛因斯坦與波道爾斯基、羅森合作, 發表了題為《物理實在的量子力學描述能否被認為是完備的？》的著名論文．

在這萹論文中，愛因斯坦等設計了一個理想實驗, 假設有兩個微觀系統1與2，在t=0～T以前相互作用過, 在t>T以后在空間分隔開來就不再發生相互作用．進一步假設, 兩個系統的初始狀態是已知的, 根據薛定愕方程, 就可以算出相互作用后任何時刻1+2的狀態，進一步，按量子力學可得如下悖論：一方面, 系統1與系統2已經分開不再相互作用, 應該不再相互影響(這是所謂定域性假設)， 另一方面, 對系統1做不同的測量， 將影響2 處于不同狀態．通過對上述悖論之分析, 愛因斯坦尖銳地指出：“要么否定定域性原理(存在超距作用)，要么承認最子力學描述的不完備性”．愛因斯坦的詰難，給玻爾巨大的沖擊, 也引起物理學界的震驚．

同年10月，N·玻爾也在Physical Review上發表了一篇同名的論文，反駁愛因斯坦等人的觀點．玻爾分析了EPR 的理想實驗，認為兩個粒子在分開之后，仍然存在著某種關聯性．因此在對粒子1做測量時，仍應視為對整個系統的擾動．換言之，玻爾并不贊同愛因斯坦的定域性原理．

80年來，物理學界圍繞“EPR悖論”進行了大量理論與實驗研究，其中包括玻姆 (D.Bohm , 1917～1992)隱變量理論(1952)的提出及有關爭論，貝爾(J. Bell，1928～1990)不等式(1965)的提出及驗證等．1972～1985年，Aspect等做了14個精確的實驗，最后實驗結果支持了量子力學的預言：在相互糾纏的微觀粒子(如電子、光子等)之間存在某種非定域關聯，如果我們對其中的一個粒子進行測量，另一個粒子將會瞬時“感應”到這種影響，并發生相應的狀態變化，無論它們相距多遠．上述現象稱為 “量子關聯性”，又稱為量子糾纏效應．這是微觀世界又一個特征．

量子關聯性現象意味著某種意義上“超距作用”的存在．看來，世界比我們想象的復雜．

3.3 哥德爾不完備性定理

1931年，奧地利數學家哥德爾(K.Godel，1906～1978)在研究數學基礎理論時，證明了一個后來被稱為哥德爾不完備性定理．這個定理指出：

(1)對于一個初等數學公理體系，如果它是相容的(即構成公理體系的基本命題相互之間邏輯上不矛盾)，則該體系將是不完全的(完全性要求體系內部提出的所有問題，在體系內都可以得到解決)．

(2)如果一個初等數學公理體系是相容的，這種相容性不能在體系內得到證明(即必須設計更高一級的公理體系，才可能證明該體系是相容的)．

顯然，哥德爾不完備性定理不符合認識論意義上的“簡單性”原則要求；或者說，給邏輯“簡單性”追求者潑了一盆涼水．

3.4 從存在到演化

19世紀的自然圖景中，存在著兩幅不協調的圖景：達爾文的生物進化論，給出的是從單一到多樣、從簡單到復雜、從低級到高級的進化圖景；而熱力學第二定律給出的則是熵增，從有序到無序的退化圖景．但這兩幅園景都與時間有關．但是，在作為科學主流的物理定律(牛頓定律、麥克斯韋電磁場方程、薛定諤方程)中，時間均是外在參數．對于這個問題，普里高津做了長久思考后認為，過去的科學主流只研究了存在，而未研究“演化”．為此，普里高津先后出版了《從存在到演化：自然科學中的時間和復雜性》、《探索復雜性》等書，普里高津指出：“復雜性不再僅僅屬于生物學了，它正在進入物理學領域，似乎已經植根于自然法則之中了．”[5]首次提出“探索復雜性”的思想，成為當代研究復雜性問題的先驅者．

在普里高津提出“探索復雜性”的先后，協同學、突變論，超循環論、混沌學、分形理論等相繼出現，掀起了“非線性風暴”．現代科學也就開始了從追求“簡單性”走向研究“復雜性”新的征途．

3.5 對物質無限可分說的質疑

世紀之交的自然科學革命，雖然突破了原子是不可分的觀點．但是，原子論的哲學基石——構成論的思想則被繼承下來．1955年，日本物理學家坂田昌一(Sakata Shyoichi,1911～1970)提出了“基本”粒子的“復合模型”．1964年，美國物理學家蓋爾曼(M.Gell-Mann,1929～ )等提出了強子的“夸克模型”．按照這種觀念繼續下去，下一步就是“夸克”的組成問題．

但是經過種種努力，“夸克”一直被幽禁，自由夸克始終未能找到．從而，引起人們對“構成論”或物質無限可分說的質疑．

對物質無限可分性命題提出質疑者，提出了不同于本體論簡單性的物質結構觀，主要論點如下：

物質無限可分論是以“構成主義”物質結構觀為基礎的，這種結構觀的特點之一，是承認世界及世界上的一切物質都是由已經存在的、早就呈現在我們面前的、完全獨立的各部分組成．“構成主義”結構觀盡管在宏觀層次上、乃至原子層次上具有普遍適用性，但在“基本”粒子層次上就受到了限制．

20世紀60年代開始，“基本”粒子的研究有了深入發展，從而孕育了與“構成主義”物質結構觀不同的觀念，可以稱之為“潛存-顯現”物質結構觀．

“潛存-顯現”物質結構觀，要求放棄或改變“構成主義”物質結構觀看待物質的結構和組成之觀點．按這種結構觀，物質粒子(“基本”粒子以下層次)內部只是潛存著其他可能的物質粒子，它們要在一定條件下，才能從潛存性轉化為現實性，粒子產生出來，才顯現出它們的現實性．它們是潛存的，而不是以確定的形式(像電子和原子核存在于原子中那樣)現存地存在于其他粒子中．

參考文獻

1 塞耶(編).牛頓自然哲學著作選.上海：上海人民出版社，1974.3

2 亞里士多德.形而上學.北京：商務印書館1959.37

3 許良英,等編譯.愛因斯坦文集:第一卷.北京：商務印書館，1976.214,262

4 尼科里斯，普里高津.探索復雜性.成都：四川教育出版社，1986.4