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非线性宇宙:混沌,涌现,生命
著:[美]阿尔文*C.斯科特
译:郑中
作者简介:
1950年代后期,阿尔文*斯科特(Alwyn C. Scott)在麻省理工学院(MIT)完成他的博士论文研究工作,之后作为一名教师和研究员,成为进入非线性科学领域内的开拓者之一。他的研究,在实验和理论方面都发现了宽广的课题,从非线性激光光学到神经科学。于1981年,斯科特被选为罗斯*阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室非线性研究中心的基础部主任。他也是《物理学D辑:非线性现象》的一名基础编辑,这是致力于该领域的第一个期刊。他的其它著作包括《神经科学数学初级读本》(Springer,纽约)和《非线性科学:相干结构的涌现与动力学》(牛津大学出版社),并且是最新出版的百科全书(Routledge)非线性科学栏目的编辑。他写完了《非线性宇宙》后,不久于2007年去世。
内容简介:
阿尔文以独特的风格写作,读者将体会到简明而平易,这本杰作表明最近十年来非线性科学的发展活力,并阐明了非线性现象对于很多现代科学领域(包括数学、物理学、工程学、化学、生物学和神经科学)的未来发展有着广泛意义。的确犹如量子论那样重要,现代非线性科学对于理解二十一世纪科学发展是必备的。
前 言
有人认为,科学的大问题就是回答---科学已进入“黄昏时氛”,所有重要的知识是已知晓了,仅有细节需要打理。然而在二十世纪,科学技术前所未有的进展已回答了一个世纪前不曾想象的问题。本书认为这远未接近完成,科学的传奇有许多篇章仍要书写。纵览世纪进展,好像我们已攀越了一座山脉,而恰好能见到科学的领域如何宽广得多。
但若问苹果如何从树上落下,那是艾萨克*牛顿在十七世纪作过的。我们现在要问:苹果(物质)的基本性质是什么?苹果(生物有机体)如何形成和生长?微风(气象学)来自何处?牛顿具有的思想是物理知觉(突触条纹)中的东西吗?它如何形成的?
一条通向解决这些问题科学的新途径,已在过去三十年中出现。这条途径就是著名的非线性科学,它不仅仅是一个新领域。简言之,这是重新认识整个自然,整体大于部分之和。意外的事情发生了,瞬时的因素可爆发出强大的影响。打个比喻,一只蝴蝶在中国的戈壁沙漠扇动其翅羽,可引美国发德克萨斯州的一场龙卷风。非线性科学提供了研究这些现象的工具。它是一种元科学(metascience),树干支撑着几乎每个其它分支的组织。正如哥白尼把太阳作为太阳系的中心,非线性科学是一次革命。而正如牛顿的研究工作提供了未来三个世纪中的科学发现的基础一样,非线性科学将支撑二十一世纪及其以后的研究。
但就其应用性而言,非线性科学不广为人知。大众仍认为牛顿定律,和其它类似的性质,足以解释什么导致撞机或癌细胞生长。但这种还原论,如将显示,是不足以处理二十一世纪更错综复杂的问题的。
作为一名物理科学家,于二十世纪中期从大学毕业,我就从事于非线性科学研究,经历了过去四十个春秋。这种研究包括计算机应用、生物、天气预测、海洋学、行星运动、大脑---实际上,全部科学领域,从物理学和化学到生物学和社会科学。经过多年,我已确信这种新视角对于当代每位科学家的研究工作是必要的。
为什么呢?举这个例子。一般假设地球以一种精确的规则方式围绕太阳。当然,我们仅知道地球的当前位置在某一测量误差范围内。我们的直觉告诉我们这种随时间保持小值的小误差,暗示我们的直觉是错误的。大量计算只可能保持在过去十年内,证明我们关于地球与太阳的距离的知识误差,每四百万年增倍。这种误差对于几千年历史记录的人类来说是没有意义的,但在地质时期中,混入了巨大的不确定性。这意味着我们不知道地球在五亿年前(此时多细胞生命开始)与太阳的关系。大多数人未意识到这种震惊的事实!科学家研究气候和演化考虑这点了吗?大多没有。因为科学众多分支的狭隘性,非线性科学甚至常被从事他们领域前缘研究的那些人忽略。
我写作本书的目的是说明,普通读者和学者如何将非线性科学应用于物理科学和生物科学的研究中。一些突出的问题已有了实际应用,并得到研究。我们能观测到引力波并理解其动力学性质吗?因为爱因斯坦认为,非线性理论可包含量子论并解释基本粒子吗?爱因斯坦的引力几何论与量子论,正如弦论家所认为那样,二者存在关系吗?生物有机体怎样从四十亿年前地球冥古代的热化学汤的无机分子中涌现出来?信息的存储、传输和操作中的网络发展导致我们见到什么样的新远景?人类大脑如何工作?生命被带向何处?
其它问题是更为哲学性的,拆开可能了解到什么的信封。对所有未来事件的预测,“在原则上”来自当前知识可能性---还原主义科学继续相信---或者排除这种可能性,而是动力学混沌的重要特征?量子论与混沌之间的关系如何?前文著名的“蝴蝶效应”(butterfly effect)将因果性概念置于何处?实际上,因果性意味着什么?当新的实体在质量上形成时,何谓涌现的本质?“新的落日下”可能有意外事物吗?涌现导致新事物或潜在现象,可用其它方式解释吗?如何思考生物演化现象?混沌和涌现存在关系吗?我们能理解生命吗?
远非神秘,所有这些问题可通过非线性科学得以解决。在描述这种复杂现象中,如行星运动和天气状态,非线性科学不能总给出一种精确答案,但它能告诉我们精确是否是答案。类似地表述一条古老的格言,非线性科学使我们直观理解我们不能计算的事物,给予我们计算事物的能力以及知道事物差异的智慧。
本书适合于理解科学的一般读者,以及将成为科学研究员或教师的大学生。本书开始用非线性科学的三个基本方面:混沌,能量守恒系统中独立实体的涌现,以及耗散(非守恒)系统中独立实体的不同涌现。就像乳牛的腿,这三个方面对于更一般的系统,是相互关联的,像阶梯层层递进。然后,第6章和第7章作为主心骨,介绍了在物理和生物科学中的应用。
本书以现代科学中最常见的问题结尾:关于牛顿观念的争论是,所有效应可还原为简单因素(整体等于部分之和)。大多数科学家相信这点,因为他们坚持认为我们经历的一切都基于物理事实。虽然我们坚持物理主义,但我认为有很多现象---包括生命、心灵和精神---不能简单地描述为原子、分子、基因、突触、文化基因或其它什么的作用。因此,站在非线性科学的山顶上,我们见到还原论是错误的,而且我们能研究很多曾不能解决的有趣问题。
阿尔文*斯科特
二零零六年十二月,于亚利桑那州图森
阿尔文*C.斯科特(1931–2007)
我对父亲最早的记忆是他强烈希望理解世界。他的所做,读写说都对我起着潜移默化的作用。阿尔文*斯科特一生之事,就是热情探索、不停追求生命的意义。我父亲将时间耗费在构建分子的塑料模型,从事业余爱好,有时用家庭垃圾作脏污的化学实验,并在我们的桌子上研究蜡烛的毛细作用。他告诉我最伟大的功课就是带着好奇心和惊叹去接近万物。
这种渴望理解,出现在阿尔文*斯科特童年。作为一个男孩,他着迷于水波,并制造自己的业余无线电。作为麻省理工学院的一位博士报考者,他研究了冲击波和神经脉冲,这甚至导致他进入深广的意识研究领域。他对非线性科学的贡献使他成为该领域无可争议的先驱,但他仍怀谦虚,令人钦佩。他总表现出对复杂性有一种深刻觉悟,他在研究中勇敢地面对宇宙问题。我们多次在午宴后讨论科学与哲学,他喜欢引用苏格拉底的名言“我只知道的事是我一无所知。”因为这些话来自如此饱学之士,不仅对于科学,而且对于艺术、政治、历史、哲学和文化,都是羞耻而鼓舞。将这样一个人作为我的顾问,已是非常珍贵的了。
我知道我不曾亲自感受到阿尔文*斯科特有巨大的智慧驱力。但在他七十五岁那年,他深深地影响了与他工作过的那些人的科学观和哲学世界观。我不曾去过阿尔文*斯科特的房间,他总是忙碌而专注,他有着不可战胜的清醒的理智。在2006年诊断出肺癌之前不久,《非线性宇宙:混沌、涌现和生命》一书包含了同样好奇的精神,它带走了我父亲的生命。在此,他的最后工作仍再力求理解我们周围世界异彩纷呈的复杂性,而如此丰富一个世界,我们认为理所当然。因此,我们哀痛失去了这样一位伟大的思想者,而亲爱的人类可得到慰藉,事实上他妻子的工作和他的启迪,都将永远留传在他的著作中。
莉娜*斯科特*迈克雷尔
二零零七年八月于纽约市
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