人类与大自然的同盟

                                                                                          方锦清

                                                     （中国原子能科学研究院）

    人类同大自然本来有一个古老的同盟及天然的统一。但经过亿万年的演化，  “非对称创造了世界”，出现了千姿百态，绚丽多彩的大自然和充满神奇活力的人类，人类文明得到发展，逐渐形成了天和地的屏障．产生所谓物理世界和生命世界等等关系问题，人类就在人为隔绝和划分的不同世界或描述的层次下，开始探索大自然的奥秘，无疑，这给人类文明带来了极大的利益，同时也意味着人类和大自然的“同盟”有意无意地被分裂了。对此，当代的科学家已经开始注意这个不祥的征兆，努力寻求重建人类和大自然的新的同盟，使之达到更高一级的和谐、完美和统一。这是人类如何认识自然、通向真理的必然趋势。

本文将结合最新发展的非平衡态自组织理论，包括耗散结构理论和协同学等，简要地阐述人类究竟如何认识这一趋势，特别是如何重建人类和大自然的同盟。

真实世界：非平衡态开放体系

    我们周围世界包括宇宙万物，小至原子核，大至银河系，都是处于非平衡态开放体系中。它们同外界不断地进行物质、能量及其他信息的交换。我们以往设想的平衡世界，是被动的、理想化的、不变的，同真实世界复杂多变、丰富多彩、生动活泼、篦动进化的情形相比较，后者更加诱人和富有挑战性。这是当今科学界十分关注的重大课题。

    近十几年来，非平衡态自组织理论及其各个学派，对此作了重大贡献。1977年诺贝尔化学奖金获得者普利高津学派创立的耗散结构理论，哈肯学派创立的协同学。他们都各自成功地提出了非平衡态自组织学说。其共同点都是：研究非平衡态开放体系中，在体系和外界有物质和能量的交换下，如何能够自发地产生宏观上一种时间、空间或时一空有序结构和功能有序结构。他们不仅研究开放体系从无序到有序的演化规律，而且，进一步研究从有序到混纯的演化规律。这样，非平衡态自组织理论，从客观世界固有的非平衡态开放体系为研究出发点，真实地反映了宇宙万物发展变化的全貌，因此比较好地解开了千古之迷——大自然何以有千姿百态的结构和形态，即阐明了各种时空有序结构和功能有序结构的内在机制及共同原理。

普利高津明确指出：人类同大自然都同处于一个宇宙之中，就不应该有天上世界和地上世界的差别，天和地应是一个统一的宇宙。我们既是观众，又是演员。生命世界和非生命世界实际上是统一宇宙进化的许多方面。从这个认识路线出发，人类和大自然的人为的对立就自然而然地消除了，人类和宇宙万物原来前天地屏障又重新融为一体，显然，新的同盟大有希望重新建立起来。我们将有可能在崭新的高度上综合并形成当今时代的科学观和自然观。

两大观点  三个方向

    长期以来人类在探索自然界奥秘中，已经形成了两大观点，一种观点认为现实世界是简单的，即强调一条简单性原则，从这个观点出发，把复杂的系统分解为简单的要素来研究；另一种观点认为宇宙万物是复杂进化着的，不能强调事物的简单性而忽视、否认事物的复杂陛和整体性。

    前种观点产生两个发展方向，一个是探索微观世界，从分子、原子、原子核到“基本”粒子，以及从细胞到生物分子等，可以无穷地分下去；另一个是探索宇观世界，从行星、恒星、银河系到总星系，同样不可穷尽。这两大研究方向，诞生了许多自然科

学，使人类对自然界的认识跨越了很大的时空尺度，从空间范围相差l0⁴³倍（从10¹⁵cm – 10²⁸cm），从时间范围相差10⁴⁰ 倍（从

10^-23秒～10¹⁷秒），而且研究还在深入。

    从第二种观点出发，产生第三大发展方向，即认为宇宙间万物量的变化导致了物质运动由简单到复杂、由低级到高级的各种形态和阶段，直至生命和人类思维意识，这个发展过程也是不可穷尽的。

    自从非平衡态自组织理论建立以来，后一观点方向为越来越多的人所认识，事实上纵横考察自然科学的多数分支都是按照后者方向为研究对象。因此，近代科学前兴趣正在从简单性的研究转向复杂性的研究，并力求在复杂性和多样性中把握整体的研究。

普利高津指出：“物理学正处在‘结束现实世界简单性’信念的阶段。人们应当在各个单元的相互作用中了解整体，要了解在相当长的时间内，在宏观的尺度上组成整体的小单元如何表现出一致的运动。这就要求修改已有的时间观，修改对自然法则的认识。显然，“物理科学的整体正在发生深刻的变化。这变化来自对复杂现象的经验理解，来自对测量过程局限性的更深刻的了解，也来自对经典力学中轨道及量子力学中波函数的局限性的了解，在一定意义上说，我们已从封闭宇宙——其中现在完全决定未来的认识，走向对开放宇宙——其中的涨落有历史的发展的认识。”这些认识不仅适用于物理学，而且也适用于生命科学、社会科学和其他领域。诚然，两大观点的渗透和结合必将大大推进我们对大自然的认识。

从存在到演化

    耗散结构理论冲破了对客观世界简单性认识的束缚，将“进化”（或“演化”）的观念引进了物理学，并且认为我们正在从

“存在的物理学”走向“进化的物理学”。按照上述第一观点所发展的物理定律，如牛顿第一运动定律，薛定谔方程，它们对于时间反演(即t—- t)都是不变的，即过去和未来是毫无医别的，是完全可逆的。因此，在动力学中无所谓进化，更谈不上历史，时

间仅仅是描述运动的一个几何参量，与物质运动的性质无关。这种时间可逆性和对称性与实践经验和其他学科所揭示的客观事实发生明显的矛盾。在其它学科中早就引进了进化的观点，例如，达尔文在生物科学中创建了进化论，爱因斯坦建立了宇宙进化论，康德一拉普拉斯提出天体演化的星云假说，赖尔建立地质缓慢变化的理论，等等。这充分反映了宇宙万物是在演化着的，它们的发展具有方向性和时间不可逆性，因此，普利高津把“进化”、“历史,1引进物理学是十分正确的。耗散结构理论解决了长期以来物理学与进化论之间的矛盾，它使人们的思想方法从过去简单的，被动的、可逆的和决定论的羁绊中解放出来，使我们的视野大大扩大了。认识到大自然本身是复杂的、进化着的和不断发展的，是必然性与偶然性能统一，而决定论和随机性是互补的。

    根据非平衡态理论，我们知道，当体系远离平衡态时，体系的演化特点不仅可以从原来的无序状态经过突变进入耗散结构状态，而且还可以从有序状态经过突变进入混沌状态态。我们必须把握对万物的演化规律的研究，竭力寻求万物与时间的关系乃是人类认识自然的一个基本出发点。通过对不可逆微观理论和熵的研究，实现从存在到演化的过渡，这就为我们认识大自然打开了通道。

认识大自然的典型模式

    非平衡态自组织理论形成、发展和应用是我们认识大自然奥秘的一个典型模式，非平衡态自组织理论抓住大自然无处不包含非平衡开放系统这个本质的特点，各派学说进行科学思维，分进合击，从各个不同侧面、不同角度、不同方案、不同层次进行

了多手段、多途径、多路线的研究，最后殊途同归，揭示非平衡态下非线性作用过程中产生了自组织行为，或叫协同现象、合作现象及其物理本质和规律性。

    耗散结构理论先是以化学体系为重点，而协同学先是以激光体系为重点，他们分别重点突破后迅速扩大和应用于其他领域，从自然科学脱颖而出，而为社会科学、生命科学和人文科学所接受，成为有力的研究工具。其生命力在于具有远大和广阔的发展前景。例如．协同学可以将一门学科已经取得的成果，通过类比，举一反三，迅速地应用于其他学科或问题的类似现象上，从而把握住不同学科的共同特点，并且通过具体问题具体分析进一步得出具体问题的特殊规律。

    在非平衡态自组织理论的研究中，已经提出了并开始探索更为广义的大统一。我们知道，爱因斯坦大半生直至晚年一直致力于引力场和电磁场的统一，虽然没有成功，但是他所指明的方向却成了后人奋斗的目标，萨拉姆和温伯格成功地把弱相互作用与电磁相互作用统一起来，成为在这条统一道路上的里程碑，这说明爱圉斯坦从原则上把握了自然现象综合性的方法，成为后人的行动楷模。同样地，在非平衡态理论中，普利高津、哈肯等人力图实现更加雄心勃勃的广义大统一思想，这是重建人类与大自然的崭新同盟而提出的一个意义深远的大难题。