科學(xué)技術(shù)史 結(jié)課論文

從簡潔到混沌——簡單性科學(xué)與復(fù)雜性科學(xué)簡析電氣工程學(xué)院韋宏瑞摘要：近代以來的自然科學(xué)，科學(xué)家們用實驗和數(shù)學(xué)工具構(gòu)筑了一個空前宏大，幾近完美的科學(xué)體系，在這個體系中，一切都是確定的，都是可以預(yù)見的。然而與之相對的，現(xiàn)實的世界是如此復(fù)雜，如此的難以預(yù)見，似乎“復(fù)雜”、“難以預(yù)見”這類詞才更適用于現(xiàn)實。由此，在上個世紀(jì)，貝塔朗菲創(chuàng)立一般系統(tǒng)論，揭開了復(fù)雜性科學(xué)研究的序幕……關(guān)鍵詞：還原論，系統(tǒng)論，簡單性科學(xué)，復(fù)雜性科學(xué)一、簡單性科學(xué)的成功這個世界究竟是什么樣子？這是從古希臘的泰勒斯開始一直延續(xù)下來的一種近乎白日夢的思考，不同歷史不同領(lǐng)域的人常常給出不同的見解，但卻總也找不到最終的答案。然而就是在這樣的白日夢一樣的思索中，人類構(gòu)建起來了今天的知識基礎(chǔ)和文明大廈。在幾千年的歷史長河中，許許多多的人在探索，他們提出了許多的探索方法，終于有一天，一個叫德謨克利特的人提出了一種叫還原論的方法，于是歷史在這一刻埋下了伏筆。兩千多年后，在還原論的基礎(chǔ)上，一個嶄新的世界誕生了。何謂還原論？還原論是主張把高級運動形式還原為低級運動形式的一種哲學(xué)觀點。它認為現(xiàn)實生活中的每一種現(xiàn)象都可看成是更低級、更基本的現(xiàn)象的集合體或組成物，因而可以用紙級運動形式的規(guī)律代替高級運動形式的規(guī)律。還原論派生出來的方法論手段就是對研究對象不斷進行分析，恢復(fù)其最原始的狀態(tài)，化復(fù)雜為簡單。以還原論為基礎(chǔ)，由此衍生了經(jīng)典的近代科學(xué)范式。近代科學(xué)范式的誕生，伽利略可以說做出了十分重大的貢獻。他在研究自由落體運動時，創(chuàng)新地引入了實驗的方法，并且成功的進行了“變量控制”，最終發(fā)現(xiàn)了自由落體運動定律。在這里，“控制變量”就體現(xiàn)了還原論的思想。而后，牛頓又把公理化演繹體系引入實驗研究，結(jié)合還原論和實驗方法，構(gòu)成了一個比較完整的“操作模式”，即近代的科學(xué)范式，在這個范式的基礎(chǔ)上，牛頓構(gòu)筑了一個空前成功的物理體系。從物體運動到天體運動，當(dāng)時能觀察到的運動幾乎都能被解釋，由此掀開了自然科學(xué)嶄新的一頁。從牛頓開始，后來的科學(xué)家沿著牛頓指明的這一條道路一路前進，近代自然科學(xué)在19世紀(jì)前后迎來了一個全面的爆發(fā)，電磁學(xué)上的電磁理論，生物學(xué)上的進化論，原子論，以及醫(yī)學(xué)上的遺傳學(xué)等等，幾乎無處不體現(xiàn)了還原論這一方法的強大威力。踏入二十世紀(jì)，相對論與量子力學(xué)的相繼誕生終于構(gòu)筑起了一個空前嚴密和可靠地自然科學(xué)體系，還原論在整個自然科學(xué)體系的建立中起到了極其重要的作用。二、還原論的困境然而，經(jīng)典科學(xué)范式并非完美，因為還原論本身并非完美。還原論包含了以下一些基本觀點：一、無演化性。物質(zhì)系統(tǒng)不同層次之間的還原中不存在時間的演化維度，即在還原的過程中不考慮時間的不可逆性。這樣，系統(tǒng)演化過程中出現(xiàn)的涌現(xiàn)等現(xiàn)象就被抹去了。二、可分解性。在還原過程中潛在的假設(shè)是同類事物或非同類事物可以分解為更為基本的組分或元素，而在分解的過程中原有信息不會丟失。三、線性因果關(guān)系。處于還原的過程中的事物間只存在線性的因果關(guān)系，因此一事物的變化只引起另一事物量方面的變化。四、疊加原理。就是說，一個系統(tǒng)的整體功能只是其各個部分的功能的線性組合。[6]從這些基本觀點中，我們可以設(shè)想，一部電腦，如果把它拆成許許多多的零件，你會發(fā)現(xiàn)它由塑料，各種元器件等組成，那么，這些零件是否還具有電腦本身的所有性質(zhì)呢？答案是很顯然的。然而我們又不得不承認，當(dāng)把這些零件以某種形式組合形成電腦之后，這個電腦所具有的性質(zhì)是全新的，沒有任何零件與之相同的。同樣的，對于大自然而言，它本身的演化是多種多樣的，但是當(dāng)我們把大自然分解為單一的因素，如消費者，分解者等去討論的時候，我們卻發(fā)現(xiàn)，我們根本沒辦法解釋大自然演化的奧秘。因此，還原論的失敗就在于它無法用系統(tǒng)的局部去解釋系統(tǒng)的運動和演化，因為系統(tǒng)在分解的時候本身的性質(zhì)就很可能消失了。同樣的，事物的發(fā)展也并非線性的，線性只是大自然的一個偶然，大自然中到處充斥的都是非線性的事物。例如樹葉的形狀是不規(guī)則的，而且世界上沒有完全相同的兩片樹葉。就連原本是線性的、可描述的一些理想化模型都有可能發(fā)展為非線性。例如，正弦曲線在經(jīng)過一定的變換之后可能會形成一種混沌的，無序的波形，這個波形本身是無序的，但是它卻可以用函數(shù)式去描述。至于所謂的理想模型，在自然界中是不存在的，經(jīng)典自然科學(xué)中的理想模型只是對現(xiàn)實的事物進行理想化，去除次要的因素后形成的。的確，次要因素本身并不重要，但是在事物的演化中，次要因素確實不可或缺的。因此，還原論的失敗也在于事物本身并不一定有線性因果關(guān)系。三、復(fù)雜性科學(xué)的特點由于還原論本身的困境，經(jīng)典科學(xué)范式也沒能解決所有的自然科學(xué)問題，依然有很多問題亟待解決。于是，系統(tǒng)科學(xué)就應(yīng)運而生了。系統(tǒng)科學(xué)即以系統(tǒng)思想為中心、綜合多門學(xué)科的內(nèi)容而形成的一個新的綜合性科學(xué)門類，現(xiàn)在又稱復(fù)雜性科學(xué)。在20世紀(jì)40年代，系統(tǒng)科學(xué)主要以貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論為代表，它包括一般系統(tǒng)論，控制論，信息論。到了二十世紀(jì)六七十年代，系統(tǒng)科學(xué)又產(chǎn)生了多門新的學(xué)科：耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論、突變論、混沌理論、分形理論和元胞自動機理論。到了近年，系統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)演變到對復(fù)雜系統(tǒng)的研究，在這一時期，科學(xué)家們更多的研究演化，研究生命的進化，人的思想的產(chǎn)生，物種的滅絕，文化的發(fā)展等。系統(tǒng)科學(xué)有其特點，且這些特點與經(jīng)典科學(xué)很不相同。其一，整體涌現(xiàn)性。系統(tǒng)科學(xué)把研究對象作為一個系統(tǒng)去研究，這樣的系統(tǒng)有一定的層次，也有一定量的要素，這些要素表現(xiàn)系統(tǒng)的某些性質(zhì)，但只有將這些要素有機結(jié)合，這個系統(tǒng)才能表現(xiàn)出這個對象的整體性質(zhì)。例如，電腦可以分為若干個組件，其中硬盤起到的是儲存數(shù)據(jù)的作用，但是它無法播放音樂，只有當(dāng)各個組件有機結(jié)合形成電腦的時候，電腦才能播放音樂。其二，相關(guān)性。系統(tǒng)的要素之間是相互聯(lián)系的，系統(tǒng)的要素與系統(tǒng)整體也是相互聯(lián)系的。在電腦這樣的系統(tǒng)中，顯示器上顯示的數(shù)據(jù)是從硬盤中讀出來的，而如果沒有硬盤中存儲的歌曲，播放音樂這個功能對于電腦這個系統(tǒng)來說又是不可實現(xiàn)的，因此，系統(tǒng)中，要素與要素，要素與整體之間是有一定聯(lián)系的。其三，自組織。一個系統(tǒng)在內(nèi)在機制的驅(qū)動下，自行從簡單向復(fù)雜、從粗糙向細致方向發(fā)展，不斷地提高自身的復(fù)雜度和精細度的過程就是自組織過程，一個開放的，動態(tài)的系統(tǒng)都有一定的自組織特性。其四，耗散。對于一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過與外界交換物質(zhì)和能量，可能在一定的條件下形成一種新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)，這就是耗散。除去這幾個特點之外，系統(tǒng)科學(xué)還有很多別的特點，由于系統(tǒng)科學(xué)本身就包含了很多個學(xué)科，同時系統(tǒng)科學(xué)本身發(fā)展的時間并不長，目前的系統(tǒng)科學(xué)并不是很完善，因此，依然有許許多多的問題等待著科學(xué)家們?nèi)ソ獯稹Ｋ?、?fù)雜性科學(xué)的展望復(fù)雜性科學(xué)還只是個發(fā)展不足百年的年輕領(lǐng)域，由于其涉及面極廣，幾乎涵蓋了大部分的新興學(xué)科，再加上它本身學(xué)科間高度的交叉滲透，因此，這些年來系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展還未達到完全成熟的地步，相比于經(jīng)典科學(xué)，它的潛力要大得多。在未來，人類科技的發(fā)展將會不斷地趨向于智能化，智能是一個系統(tǒng)高度自組織的表現(xiàn)，因此對復(fù)雜性科學(xué)的研究將會引導(dǎo)未來科技向前發(fā)展。系統(tǒng)科學(xué)范式作為對復(fù)雜性科學(xué)研究的方法，它提供了一個全新的認識世界的工具，有了它，也許一個嶄新的世界就在未來展開。正如苗東升所言：“復(fù)雜性科學(xué)的涌現(xiàn)并非類似于量子論、控制論、信息經(jīng)濟學(xué)或模糊語言學(xué)那樣的另一門新學(xué)科，它發(fā)生在所有學(xué)科領(lǐng)域,帶來的是科學(xué)作為系統(tǒng)各種深層次性質(zhì)的改變，代表的是科學(xué)系統(tǒng)整體形態(tài)的歷史性轉(zhuǎn)變?！盵1]而科學(xué)系統(tǒng)整體形態(tài)的改變，很可能將會改變整個人類社會的未來。參考文獻：苗東升《科學(xué)的轉(zhuǎn)型:從簡單性科學(xué)到復(fù)雜性科學(xué)》《河北學(xué)