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非線性科學與決定論自然觀的變革
非線性科學與決定論自然觀的變革
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  20世紀下半葉出現的非線性科學是理論自然科學的重大發展。有的物理學家認為,它是20世紀繼相對論、量子力學之后的又一次革命。非線性科學的出現標志著,人類認識自然由線性現象進入非線性現象。那么它所揭示的新現象及其規律性是否將引起決定論自然觀的變革?以及如何變革?這是科學前沿提出的重大哲學問題之一。
  本文首先說明何謂非線性科學及其意義,然后概述非線性科學引起的爭論,最后闡述建立確定性混沌自然觀。
   一、非線性科學及其意義
  (一)何謂非線性科學
  我們知道,客觀事物是復雜的,而人們總是通過簡化復雜事物來認識的,這種簡化叫作理想化或線性化。例如,用拉直的皮尺量度彎曲的道路,就是一種線性化方法。它在一定條件下,近似地甚至準確地反映客觀事物。可是,當社會或科學的發展要求人們更準確地反映客觀事物的時候,就暴露出線性化方法的局限性。這就促使人們去考慮制約事物的更多因素,因此就產生非線性問題。
  例如,人口增長是受增長率、食物供應量、遷徙、自然災害、戰爭等因素影響的。如果把這些因素都考慮進去,可能就無法建立人口增長的數學模型,即使建立了,在以前的科學發展水平下,也無法求解。所以,18世紀英國經濟學家馬爾薩斯從影響人口增長的諸多因素中抽出人口增長率,舍棄其他因素,建立人口增長的數學模型。據此得出結論:人口是按幾何級數增長的。現在看來,馬爾薩斯關于人口增長的數學模型只適合于人口增長的短期預測,不能用于長期預測。因為他忽略的因素太多了,不能反映人口變化的真實情況。如果考慮某一地區或國家人口賴以生存的生活資料的有限性,那么人口增長的數學模型就應求出該地區的資源所能供養的最大人口數α/β。它說明了人口不能無限制地增長。這就是著名的邏輯斯蒂模型(或方程),它是一個非線性方程。
  人口增長這個例子說明,如果我們要更準確地反映客觀事物的變化規律,就必須考慮更多的因素,那么建立的數學模型就可能是非線性方程。說到這里,讀者對“線性”、“非線性”這些概念可能有了感性認識。但是,準確地說,所謂“線性”是指方程或函數只含一次方(冪)的項,它的圖像表示為一條直線;所謂“非線性”是指方程或函數含高次方(冪)的項,它的圖像就不是一條直線。非線性科學的“非線性”,就是借用數學語言,表示其研究對象的數學模型是非線性方程。人口增長這個例子,從道理上說明了,當人們研究復雜(受多種因素制約)事物時,就會出現非線性問題。事實上,20世紀下半葉,許多自然科學家在各自的研究領域都發現大量不同形式的非線性現象或問題,迫切要求從科學上給予解決。非線性科學正是適應這一需要而產生的。
  但是,一般認為,真正促使非線性科學誕生的是三個重要發現:
  1963年,美國氣象學家E.N.洛倫茲在數值天氣預報中,通過計算機數值實驗發現,確定性非線性方程存在著既確定又隨機的混沌。
  1965年,數學家N.J.查布斯基和M.D.克魯斯卡爾在應用KdV方程研究等離子波中,通過計算機數值實驗發現了孤立子。
  1975年,數學家B.B.曼德勃羅特在研究大量不規則的幾何形態后,發現在規則形態與無規則形態之間存在一類“粗糙和自相似”(即無規則中的有規則)的形態,并稱之為“分形”。同時,創立以分形為研究對象的分形幾何,發表《分形對象:形、機遇和維數》一書。
  非線性問題在數學和力學中早已存在,從前人們只能對具體問題采取特殊的技巧或算法個別地解決,沒有認識到它們之間的內在聯系,不能用解析方法一般地處理。20世紀60年代以后,隨著研究非線性現象的深入,人們找到了求解一大類非線性偏微分方程的反散射方法。這就促使人們去研究各門自然科學的非線性現象的共性及其定量的研究方法,從而建立一門新的交叉學科——非線性科學。
  (二)非線性科學的意義
  科學家迄今已經發現,非線性現象的三大普適類:混沌(chaos)、孤立子(soliton)、分形(fractal)。非線性科學對這些普適類的研究構成非線性科學的三大理論前沿,并揭示出自然界許多新的現象、事實和規律。例如,確定性非線性方程產生既確定又隨機的混沌、混沌中周期窗口的有序排列、費根鮑姆常數、奇怪吸引子的整體穩定性與局部不穩定性、分形的局部與整體的自相似性、標度不變性、簡單性產生復雜性……。
  正因為非線性科學發現了具有革命性意義的新的現象、事實和規律。因此,有的科學家認為,混沌學的創立是20世紀物理學的第三次革命;分形幾何是繼微積分以后的又一次革命;孤立子理論的發展預示著物理學與數學的統一。所以,非線性科學一出現就引起學術界和許多國家的重視,現在對非線性科學的研究方興未艾。
  從哲學上看,非線性科學的意義是,它揭示出自然界存在著一類新的、更普遍的、既確定又隨機的混沌現象及其特有的非線性規律,說明世界本質上是非線性的;從而把自然現象及其規律性由兩種(必然性現象及其動力學規律、偶然性現象及其統計規律)擴大到三種(增加既必然又偶然的混沌現象及其非線性規律);并且從科學方面說明了三種現象的轉化關系。自然現象及其規律的新發現,必將引起人們自然觀的變革。
   二、哲學爭論
  我們知道,近代科學出現以后,人們認識到自然界存在著必然與偶然兩類現象,以及反映必然現象規律性的動力學規律和反映偶然現象規律性的統計規律。對這兩類現象及其規律性的關系的不同解釋,曾經出現過機械決定論、辯證決定論和非決定論(它實際上是與機械決定論相對立的另一種形而上學自然觀——統計決定論)三種自然觀。非線性科學發現的既必然又偶然的混沌現象及其非線性規律,必然沖擊原有的自然觀,引起新的爭論。
  從爭論的表現形式上看,涉及非線性科學是否引起決定論自然觀的變革以及如何變革?根據已經發表的觀點,可以分為兩類四種觀點:
  1.非線性科學并沒有否定決定論自然觀。維之的文章認為,“現代科學并未真正否定嚴格因果關系的存在。我們仍然可以堅持因果關系普遍有效的信念。”法國哲學家A.布多認為,“混沌學并不否定拉普拉斯關于無所不包的魔鬼的虛幻,尤其不否定作為混沌學論據的決定論的理想。再有,混沌學不但遠未與這一理想決裂,它還通過把決定論的領域拓展到以前被歸為偶然的事物的那些領域,來證實并強化這一理想。”
  認為非線性科學必然引起自然觀變革的觀點中,又可以分為三種情況。
  2.把非線性科學歪曲為非決定論。普利高津發現科學的網孔滑掉大部分具體世界(即混沌世界),認為需要重新表述自然法則。但他實際上是把混沌現象解釋為偶然性,認為“新自然法則無論是在微觀層次還是宏觀層次都處理事件的概率。”因此,他為了在物理學中實現波普爾的形而上學之夢——“非決定論與實在論是相容的”,從“混沌”、“波函數”這些概念中概括出“概率”、“概率性”概念,作為新自然法則的基礎;排除經典力學的軌道方法,主張用統計方法描述混沌、用概率重新表述物理定律。于是,他把新自然法則表述為:“它不再基于確定性,而基于概然性。承認未來不被確定,我們得出確定性終結的結論。”并宣布自己是非決定論者。
  3.變革是決定論與非決定論的調和。鄭玉玲在《必然性與偶然性》一書中認為,“科學本體論(或科學哲學)層次上的所謂決定論一非決定論之爭,實際已經沒有爭論焦點。……在嚴格決定論規律與概率論規律之間存在著互補、交叉、重合、綜合以及復雜綜合等等密不可分的關系。科學本體論上長期存在的決定論—非決定論之爭是到了可以澄清、消解的時候了。”宋偉在《因果性、決定論與科學規律》一文中認為,“現代自然科學的發展使決定論顯現出局限性;……偶然性與必然性一樣也都體現自然界的本質屬性,非決定論所描述的自然圖景更富科學性和時代性。決定論與非決定論的對立只具有相對的意義,它們的結合與互補才能更準確地反映規律性。”
  4.需要新的混沌自然觀。混沌學家郝柏林院士認為,“決定論還是概率論?二者的關系可能是非此即彼,亦此亦彼。更真實地反映宏觀世界的觀念應是基于有限性的混沌論。”數學家I.斯圖爾特在《上帝擲骰子嗎?》一書中“敘述一個這樣的螺旋環:混沌讓位于秩序,秩序又產生新形式的混沌。但在這種‘擺的擺動’過程中,我們不求破壞混沌,而圖駕馭混沌。”由此可見,一些科學家從自己的研究中意識到需要新的自然觀。
   三、建立確定性混沌自然觀
  面對非線性科學是否變革決定論自然觀以及如何變革的問題,怎樣運用辯證唯物主義的基本原理作出科學的回答,這是當前馬克思主義哲學工作者的一個歷史任務。
  恩格斯說,“隨著自然科學領域中每一個劃時代的發現,唯物主義也必然要改變自己的形式。”因此,混沌現象及其非線性規律作為一個劃時代的發現,必然引起現有自然觀的變革,否則就無法容納新現象、新規律。那么如何變革呢?根據非線性科學揭示的三類現象及其規律性的關系,以及混沌現象及其非線性規律的普遍性,從辯證唯物主義的觀點看來,新自然觀必須既表達混沌現象及其非線性規律的普遍性,又反映三類現象及其規律性的辯證關系。這是建立新自然觀的原則。
  下面將根據這一原則,嘗試建立一種新的自然觀——確定性混沌自然觀。
  (一)確定性混沌自然觀的提出
  既然非線性科學揭示了自然界存在著三類現象及其規律性,以及它們的轉化關系,而且證明了,混沌現象及其非線性規律的普遍性,說明物質世界本質上是非線性的;而確定性現象及其動力學規律和隨機性現象及其統計規律是作為混沌現象及其規律性的矛盾轉化的結果而出現的。那么,根據建立新自然觀的原則,以及混沌現象及其非線性規律的普遍性,我們把新自然觀概括為“確定性混沌自然觀”,即確定性混沌自然觀是對既必然又偶然的混沌現象及其非線性規律的普遍性的哲學概括,而把必然現象及其動力學規律和偶然現象及其統計規律作為混沌現象及其非線性規律的矛盾轉化結果,包含在自身之中。
  (二)“確定性混沌”的名詞解釋
  1.關于確定性混沌自然觀中的“混沌”一詞的含義問題。筆者曾經從混沌是自然界的一種普遍現象出發,論述過一種新的自然觀——混沌自然觀。當時所用的“混沌”一詞的含義,取自“既確定又隨機的混沌”一詞。現在看來,它過于專業,需要解釋,否則無法與日常用語表示無序的“混沌”一詞相區別。因此,現在采用的是日常用語中“混沌”一詞的含義(即含有偶然性或隨機性的意思),比較通俗,無需再作解釋。在“混沌”一詞前加一個限定詞“確定性的”,就成了“確定性混沌”。這就可以反映非線性科學中既確定又隨機的混沌的意思,或者說,在哲學上表示既必然又偶然的意思。
  2.為何把新自然觀叫作確定性混沌自然觀,而不叫作什么決定論呢?因為,(1)決定論在歷史上有各種不同的表現形式(原始社會的神秘決定論、古代的樸素唯物決定論、中世紀的神學決定論和近代的機械決定論、辯證決定論、非決定論),但它們都有一個共同的觀點:自然界是有規律的。這種規律性表現為動力學規律或者統計規律。非線性科學則說明自然界本質上是非線性的,它所遵循的主要是非線性規律;同時說明,非線性規律既不同于動力學規律,也有別于統計規律,它是表達既有規又無規或既無規又有規的一種新的規律性。因此,不能用“決定論”概括。(2)在考慮到混沌現象及其非線性規律的普遍性的同時,又要區別于早期原始人把世界看成是無規律的、偶然性混沌的非決定論自然觀。因此,我把新自然觀概括為確定性混沌自然觀,這就可以反映自然觀的否定之否定發展過程:原始人的偶然性混沌的非決定論自然觀—→各種形式的決定論自然觀—→現代的確定性混沌自然觀。
  (三)確定性混沌自然觀的基本觀點
  我們雖然定義了確定性混沌自然觀,但它過于概括,需要進一步說明它所包含的基本觀點,才能具體反映三類現象及其規律性之間的轉化關系。
  1.物質世界的基本自然現象則確定性混沌現象。既然自然界存在著三類現象及其轉化關系,而且確定性混沌是普遍的,那么反映確定性混沌現象的普遍性,就是確定性混沌現象是物質世界的基本自然現象,而作為非基本自然現象的必然現象和偶然現象則是確定性混沌現象中的必然與偶然的矛盾轉化結果。
  2.“確定性混沌”表示基本自然現象是必然與偶然的對立統一體。
  確定性混沌表示自然現象是必然與偶然的對立統一。必然與偶然作為矛盾雙方,相互依存、互為存在的前提,共處于一個矛盾統一體之中;并且在一定條件下,向自己的對立面轉化。
  必然與偶然矛盾雙方斗爭和轉化的結果,使自然現象呈現出三種形態:當必然性占據支配地位時,呈現出必然現象;當偶然性占據支配地位時,呈現出偶然現象;當必然與偶然處于交織狀態或不分主次時,呈現出確定性混沌現象或非線性現象。這時,它們構成了現象因果聯系的三種形式:必然聯系、偶然聯系、確定性混沌聯系或非線性聯系。必然、確定性混沌、偶然這三類現象之間,在一定條件下,兩兩存在著相互轉化的關系。
  不過,這三類現象、三種因果聯系都不是等量齊觀的。因為確定性混沌現象的普遍性,所以,作為獨立存在的必然現象和偶然現象并不是像確定性混沌現象那樣大量地存在。另一方面,必然現象與偶然現象作為從確定性混沌現象分化出來的、獨立形態的對立兩極,也在一定條件下相互轉化,但不能直接轉化,而必須經過“確定性混沌”階段才能實現轉化。
  3.確定性混沌作為有序與無序的對立統一體,它遵循特有的非線性規律。
  確定性混沌作為對非線性科學中既有序又無序的混沌概念的哲學概括,它反映混沌現象特有的非線性規律。非線性規律表達非線性現象或非線性因果聯系的內在的、定性的規律性。這樣,三類自然現象及其相應的三種因果聯系各有其規律性。動力學規律反映或表達必然現象或因果必然聯系的內在的、定量的規律性;統計規律反映或表達偶然現象或因果偶然聯系的外在的、定量的規律性;非線性規律反映或表達非線性現象或非線性因果聯系的內在的、定性的規律性。但是,這三種規律性不是等量齊觀的,根據確定性混沌現象的普遍性,那么非線性規律是客觀世界的基本規律,而動力學規律和統計規律則是非基本規律。
  自然規律的這三種形式雖然各有區別,但是,它們又存在一定的聯系。這種聯系是通過它們各自所反映或表達的現象或因果聯系及其相互轉化表現出來的。也就是說,既然必然現象、確定性混沌現象、偶然現象三者之間,在一定條件下,兩兩存在著相互轉化的關系,那么反映它們的三種規律性(動力學規律、非線性規律、統計規律)也必然在一定條件下,存在著兩兩相互轉化的關系。不過,由于必然現象與偶然現象不能直接轉化,而必須通過“確定性混沌”階段才能實現轉化,所以反映這兩類現象規律性的動力學規律與統計規律也不能直接相互轉化,同樣必須通過一個“非線性規律”的中介階段才能實現轉化。
  總之,確定性混沌自然觀是對混沌現象及其非線性規律的普遍性的哲學概括;它把必然現象及其動力學規律和偶然現象及其統計規律作為確定性混沌現象中的既必然又偶然的矛盾雙方斗爭和轉化的結果,包含在自身之中;它說明物質世界本質上是非線性的,物質運動的規律性主要表現為非線性規律;事物或現象存在著必然、偶然、確定性混沌三種因果聯系形式,它們各有其規律性;必然現象、偶然現象、確定性混沌現象,以及反映它們的規律性的動力學規律、統計規律、非線性規律具有辯證關系。
  因此,確定性混沌自然觀的建立,使得自然觀的發展呈現出否定之否定過程:原始人的偶然性混沌的非決定論自然觀—→各種形式的決定論自然觀—→現代的確定性混沌自然觀。
理論視野京22~24B2科學技術哲學林夏水20022002林夏水 中國社會科學院哲學研究所研究員、博士生導師 作者:理論視野京22~24B2科學技術哲學林夏水20022002
2013-09-10 21:39

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