混沌學(xué)對(duì)經(jīng)典科學(xué)世界圖景的變革

1、混沌學(xué)對(duì)經(jīng)典科學(xué)世界圖景的變革摘要：繼相對(duì)論和量子論之后的混沌學(xué)對(duì)以牛頓經(jīng)典力學(xué)為核心的經(jīng)典科學(xué)世界圖景進(jìn)展了又一次深化的變革，本文著重強(qiáng)調(diào)了混沌在機(jī)械確定性、線性、簡(jiǎn)單有序性幾個(gè)方面的打破，確立了復(fù)雜性、非線性和隨機(jī)性在現(xiàn)代科學(xué)中的地位，從而描繪了一幅充滿活力與活力的豐富多彩的世界圖景。關(guān)鍵詞：混沌；經(jīng)典科學(xué)；世界圖景從人類浩瀚的科學(xué)開展史來看，科學(xué)是在不斷地打破以前正確理論的根底上大踏步前進(jìn)的。以牛頓經(jīng)典力學(xué)為核心的經(jīng)典科學(xué)世界圖景曾一度在科學(xué)開展史上樹立至尊的地位，然而相對(duì)論和量子論卻一次又一次地打破了經(jīng)典科學(xué)一統(tǒng)天下的場(chǎng)面，而隨后的混沌學(xué)更是出手非凡，對(duì)經(jīng)典科學(xué)世界圖景進(jìn)展了全方位的變

2、革?；煦鐚W(xué)作為探究復(fù)雜性的新學(xué)科，修正了經(jīng)典科學(xué)只有必然性沒有偶然性、只有運(yùn)動(dòng)沒有開展的觀念，打破了經(jīng)典科學(xué)只有線性沒有非線性的思維形式，超越了經(jīng)典科學(xué)只有簡(jiǎn)單性復(fù)原性沒有整體復(fù)雜性的圖式?；煦鐚W(xué)的出現(xiàn)解決了許多經(jīng)典科學(xué)所無法解釋的問題，使許多看似矛盾的現(xiàn)象奇跡般地“和諧相處，從而為現(xiàn)代世界描繪了一幅嶄新的圖景。一、混沌學(xué)打破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械式圖景，描繪了一幅動(dòng)態(tài)隨機(jī)的多彩畫面在經(jīng)典力學(xué)中，簡(jiǎn)化的力學(xué)模型人為地排除了偶然性，把必然性強(qiáng)烈地表達(dá)出來。根據(jù)牛頓的動(dòng)力學(xué)方程，可以從物體的初始狀態(tài)準(zhǔn)確地計(jì)算出在此之前或以后的任一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間具有確定的、必然的因果聯(lián)絡(luò)。拉普拉斯雖然對(duì)

3、牛頓的一些錯(cuò)誤觀點(diǎn)作了鋒利的批判，但他卻像牛頓一樣積極宣傳機(jī)械論，并把機(jī)械決定論推到了極端。他在?概率論?引言中說：“讓我們想象有個(gè)精靈，它知道在一定時(shí)刻的自然界里一切的作用力和組成這個(gè)世界的一切東西的位置；讓我們又假定，這個(gè)精靈可以用數(shù)學(xué)分析來處理這些數(shù)據(jù)，由此，它可以得到這樣的結(jié)果：把宇宙中最大物體的運(yùn)動(dòng)和最輕原子的運(yùn)動(dòng)都包括在同一個(gè)公式里。對(duì)于這個(gè)精靈來說，沒有不確定的東西。過去和將來都會(huì)呈如今它的眼前。1可見，從牛頓力學(xué)直到拉普拉斯決定論，一直都認(rèn)為只要給定了認(rèn)識(shí)對(duì)象一個(gè)初始條件，確定了某一質(zhì)點(diǎn)的時(shí)空坐標(biāo)的準(zhǔn)確位置，就可以推算出它在以后任意時(shí)刻的空間位置以及所發(fā)生的一切，一切，比方對(duì)哈

4、雷彗星出現(xiàn)的時(shí)刻和空間位置的推算。即使對(duì)于一片正在下落的樹葉，只要給定足夠的初始條件，這片樹葉何時(shí)落在何處都能給出確切的答案。這就是機(jī)械決定論，即線性邏輯開展對(duì)將來的預(yù)測(cè)。這種確定性可以無限準(zhǔn)確地定量化表述，給出關(guān)于認(rèn)識(shí)對(duì)象完全準(zhǔn)確確實(shí)定性知識(shí)。但在混沌理論中，人們卻認(rèn)識(shí)到，有序和無序，完全確定性和不確定性之間，有著復(fù)雜的關(guān)系?！盎煦缫馕吨鴽Q定論的隨機(jī)性?！盎煦缡欠侵芷诘挠行蛐?。2由此可見，混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機(jī)的不規(guī)那么運(yùn)動(dòng)，一個(gè)確定性理論描繪的系統(tǒng)，其行為卻表現(xiàn)為不確定性不可重復(fù)、不可預(yù)測(cè)，這就是混沌現(xiàn)象。例如你點(diǎn)燃一支煙，那向上升騰的煙柱的運(yùn)動(dòng)軌跡和途徑，就復(fù)雜得無法描繪和

5、追蹤。在這里，完全確定性運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)，卻演化出無法預(yù)測(cè)的結(jié)果。基因突變也是混沌的，但混沌不歸結(jié)為純粹的隨機(jī)性和偶然性；混沌是有構(gòu)造的，隱藏著某種深層的秩序，當(dāng)條件適宜時(shí)，這種秩序必以某種方式顯現(xiàn)出來。從混沌理論看進(jìn)化是隨機(jī)性加反潰3混沌打破了確定性方程由初始條件嚴(yán)格確定系統(tǒng)將來運(yùn)動(dòng)的“常規(guī)，出現(xiàn)所謂各種“奇異吸引子現(xiàn)象等。混沌的隨機(jī)性是內(nèi)在的，是確定性系統(tǒng)的內(nèi)在隨機(jī)性，確定性與隨機(jī)性互相對(duì)立共存于同一系統(tǒng)，控制空間中出現(xiàn)混沌的位置是確定的，奇怪吸引子是相空間中確定的點(diǎn)集合，吸引域中任一軌道都要進(jìn)入吸引子是確定的。同時(shí)，隨機(jī)性存在于確定性之中，確定性自身可以產(chǎn)生隨機(jī)性，確定性自己規(guī)定自己為隨機(jī)

6、不確定性。因此，可以說，混沌架起了溝通確定性與隨機(jī)性的橋梁。經(jīng)典科學(xué)只講吸引不講排斥，而混沌學(xué)那么集偶然性和必然性于一身。由于混沌吸引子是一種奇異吸引子，它不僅有被吸引的一面，還有被排斥的一面。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)在吸引子之外的狀態(tài)都向吸引子靠攏，從而保持“穩(wěn)定的一面；而一旦到達(dá)吸引子內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)又是互相排斥的，這就對(duì)應(yīng)著“不穩(wěn)定的一面?；煦缇褪峭ㄟ^吸引與排斥的對(duì)立統(tǒng)一，說明了非穩(wěn)定性的起源、放大，以及和穩(wěn)定性互相協(xié)調(diào)的機(jī)制，進(jìn)而提醒了事物自己運(yùn)動(dòng)的原因。并在此過程中通過誘發(fā)系統(tǒng)的活力，使其變?yōu)榉穷A(yù)設(shè)形式，從而創(chuàng)造了不可預(yù)測(cè)性。可見，在混沌理論中，穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性可以互相轉(zhuǎn)化。倍周期分叉小周期失穩(wěn)被大周期

7、取代，直至一切周期失穩(wěn)進(jìn)入混沌?；煦缡欠€(wěn)定與不穩(wěn)定的統(tǒng)一體，是整體穩(wěn)定與局部不穩(wěn)定相統(tǒng)一。與經(jīng)典科學(xué)的穩(wěn)定和不穩(wěn)定相對(duì)立相反，混沌學(xué)描繪的是一幅動(dòng)態(tài)、演變的穩(wěn)定和不穩(wěn)定的辯證統(tǒng)一的世界圖景。二、混沌學(xué)打破了經(jīng)典科學(xué)單調(diào)的線性圖景，為非線性涂上濃墨重彩的一筆經(jīng)典科學(xué)廣泛采用線性的研究方法，因此也被叫做線性科學(xué)。所謂線性，是指量與量之間按比例、成直線的關(guān)系，在空間和時(shí)間上代表規(guī)那么和光滑的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)經(jīng)典科學(xué)面對(duì)非線性現(xiàn)象時(shí)，總是設(shè)法略去非線性因素，或者把非線性問題簡(jiǎn)化為線性問題來處理。牛頓力學(xué)的宏大成功，直至愛因斯坦的廣義相對(duì)論，甚至量子力學(xué)，一直都在運(yùn)用線性邏輯作為科學(xué)描繪的有效工具，并且一直是成

8、功的。但混沌理論的創(chuàng)立卻極大地動(dòng)搖了這一信念。真實(shí)自然的聯(lián)絡(luò)更多的是非線性聯(lián)絡(luò)，像牛頓質(zhì)點(diǎn)那樣可以簡(jiǎn)化的對(duì)象，對(duì)于大多數(shù)自然現(xiàn)象來說是并不存在的。因?yàn)榫€性邏輯的聯(lián)絡(luò)，僅僅是大自然中的一種局部現(xiàn)象。大多數(shù)自然現(xiàn)象都有著與整個(gè)宇宙自然背景的非線性聯(lián)絡(luò)，而它與其它事物的關(guān)系，也不能簡(jiǎn)化為線性邏輯的關(guān)系。進(jìn)一步研究說明，混沌是非線性動(dòng)力系統(tǒng)的固有特性，是非線性系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象?；煦鐚W(xué)研究的是一種非線性科學(xué)，而非線性科學(xué)研究似乎總是把人們對(duì)“正常事物“正?，F(xiàn)象的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)向?qū)Α胺闯Ｊ挛铩胺闯，F(xiàn)象的探究。因?yàn)榉蔷€性是指不按比例、不成直線的關(guān)系，代表不規(guī)那么的運(yùn)動(dòng)和突變。如問：兩只眼睛的視敏度是一只眼睛的幾倍

9、？很容易想到的是兩倍，而實(shí)際卻是610倍！這就是非線性：11不等于2。由于非線性具有橫斷各個(gè)專業(yè)、浸透各個(gè)領(lǐng)域等特性，因此可以說混沌無處不在，無時(shí)不有。如：天體運(yùn)動(dòng)存在混沌；電、光與聲波的振蕩，會(huì)突陷混沌；地磁場(chǎng)在400萬年間，方向突變16次，也是由于混沌。甚至人類自己也是非線性的。醫(yī)學(xué)研究說明，安康人的腦電圖和心臟跳動(dòng)并不是規(guī)那么的，而是混沌的。因此，可以說，混沌正是生命力的表現(xiàn)。由于經(jīng)典科學(xué)幾乎是線性律的一統(tǒng)天下，因此在那里沒有運(yùn)用自我放大的正反響手段到達(dá)自我創(chuàng)新的過程。而混沌理論中，漲落放大的機(jī)制是“對(duì)初始條件的敏感性。漲落是由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生出來的與外因無關(guān)的非穩(wěn)定，它與耗散一樣，總是無法

10、完全排除的。因此，彭加勒認(rèn)為，初始條件的微小差異在最后的現(xiàn)象中產(chǎn)生了極大的差異，前者的微小誤差促成了后者的宏大誤差。因此，預(yù)言變得不可能。洛侖茲還用“蝴蝶效應(yīng)來形象地描繪這種現(xiàn)象，也就是說，雖然我們可以用一個(gè)完全確定的模型來描繪大氣運(yùn)動(dòng)，但是，只要一進(jìn)入混沌狀態(tài)，哪怕是一只蝴蝶扇動(dòng)翅膀所造成的影響，也足以使一個(gè)地區(qū)的整個(gè)天氣為之改觀?！皩?duì)初始條件的敏感性豐富了我們對(duì)非線性作用的認(rèn)識(shí)，它“是各種大小尺度的運(yùn)動(dòng)互相糾纏所不能逃避的結(jié)果4。三、混沌學(xué)揭開了經(jīng)典科學(xué)的簡(jiǎn)單面紗，繪制了一幅簡(jiǎn)單與復(fù)雜相交織的多維立體圖景簡(jiǎn)單性一直是經(jīng)典科學(xué)追求的目的。經(jīng)典科學(xué)認(rèn)為，復(fù)雜性只是現(xiàn)實(shí)的外表現(xiàn)象，追求結(jié)果的簡(jiǎn)單

11、性和統(tǒng)一性那么構(gòu)成了它的本質(zhì)特征。牛頓就努力從所有可能的合理中去尋找宇宙萬物運(yùn)動(dòng)最簡(jiǎn)單的原因，決不“追求多余的原因。但在混沌理論中，簡(jiǎn)單與復(fù)雜的關(guān)系呈現(xiàn)出種種深化的關(guān)聯(lián)。正如莫蘭所說：“復(fù)雜性是簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。5簡(jiǎn)單系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中可能產(chǎn)生復(fù)雜行為。比方，1963年建立的洛侖茲動(dòng)力學(xué)方程，是一個(gè)描繪大氣對(duì)流狀況的數(shù)學(xué)模型，這個(gè)方程描繪的系統(tǒng)只有三個(gè)變量，但其運(yùn)動(dòng)卻是混沌的。此外，復(fù)雜的行為最終可能以簡(jiǎn)單的形式表現(xiàn)?；煦缰锌梢陨鲋刃?、產(chǎn)生規(guī)那么、創(chuàng)立新構(gòu)造，各式各樣的渦旋可以看作是從雜亂無章的世界中產(chǎn)生構(gòu)造化形式的范例。比方臺(tái)風(fēng)，即熱帶氣旋就是一種渦旋，它在空氣的劇烈擾動(dòng)中生成，其構(gòu)造卻

12、可以穩(wěn)定地維持一周左右。另外，引起復(fù)雜行為的原因并不一定復(fù)雜，也可能簡(jiǎn)單。外表上看來，混沌顯得高深莫測(cè)、極為復(fù)雜，但是，它形成和產(chǎn)生的機(jī)理卻可以是極其簡(jiǎn)單的，只需要某種非線性作用的不斷重復(fù)便可以構(gòu)造出來。比方，數(shù)學(xué)分形具有無限的細(xì)節(jié)、無窮無盡的復(fù)雜性，但究其原因，只是一個(gè)很簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)那么在計(jì)算機(jī)中反復(fù)應(yīng)用的結(jié)果。還有復(fù)雜得令人嘆為觀止的白蟻巢穴，也不過是成千上萬個(gè)白蟻不斷重復(fù)同一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作的結(jié)果。因此，混沌是一種有規(guī)律的復(fù)雜現(xiàn)象，這種復(fù)雜的事物具有分形構(gòu)造，雖然形式上很復(fù)雜，但本質(zhì)上卻很簡(jiǎn)單，只用幾條規(guī)那么便可破譯它的奧秘。因?yàn)榉中吻∏捎羞@樣的特點(diǎn)：看上去好似全無規(guī)那么、復(fù)雜混亂，卻可以用極

13、少的信息表述出其全部信息。換句話說，分形具有一種從簡(jiǎn)單進(jìn)入復(fù)雜的才能，是一個(gè)可以在簡(jiǎn)單中孕育復(fù)雜、將無限融于有限之中的統(tǒng)一體。莫蘭認(rèn)為：“復(fù)雜性思想不是簡(jiǎn)單性思想的對(duì)立面，它把后者加以整合。6假設(shè)只從簡(jiǎn)單性的觀念來看，簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性是彼此排斥、互不相容的。然而，由于復(fù)雜性觀念是包容其對(duì)立面的，所以假設(shè)從它出發(fā)來看，混沌學(xué)中復(fù)雜性是把簡(jiǎn)單性加以相對(duì)化而包含于自身之中?；煦缡谷藗?cè)瓉硐抻诤?jiǎn)單系統(tǒng)的觀念發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變，使人們更清楚地認(rèn)識(shí)了簡(jiǎn)單與復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)絡(luò)。總之，混沌學(xué)打破了經(jīng)典科學(xué)所描繪確實(shí)定性、可復(fù)原性、線性有序性、因果斷定性、簡(jiǎn)單性等科學(xué)世界的圖景，呈現(xiàn)出一幅動(dòng)態(tài)隨機(jī)、非線性，寓簡(jiǎn)單與復(fù)雜、有序與無序于一體的多彩多姿的生動(dòng)畫卷。難怪有的學(xué)者將混沌學(xué)譽(yù)為本世紀(jì)繼相對(duì)論與量子論之后的第三次科學(xué)革命。參考文獻(xiàn)：1弗蘭克.科學(xué)的哲學(xué).許良英，譯.北京:人民出版社,1985:282.2李曙華.從系統(tǒng)論到混沌學(xué).南寧：廣西師范大學(xué)