从有序走向有序突现、分层与对称性破缺

从有序走向有序突现、分层与对称性破缺

20世纪，随着自然科学的快速发展，特别是在阐明微观和宏观方面的重要理论进展和各种经验的发现，对称思维的光芒和魅力变得越来越明显。在通往大统一理论的征途上,对称性又将人们的视线从众多繁杂的数据中拉向描述基本粒子作用机制的标准模型。对称性思想近乎神话般神奇,以至于人们沉迷于对称性的发现。然而,尽管对称性在物理学中起着巨大的本体论、认识论和方法论的作用,但科学家的研究越来越展示了这样一个事实:对称性破缺一样具有重大的科学意义,每一次对称破缺都可能有新质的突现,从而使自然系统的层次结构跃上一个新的台阶。1自然界的有序演化是对称破缺的结果20世纪以来的科学发展表明,天体演化、地球变迁、物质构成、生命进化、社会发展,可以说就是一个从完全对称到对称性逐步丧失、非对称性逐步形成的过程,也是一个从混沌到有序、从低序到高序的演化发展过程。正是在这个意义上,我们领悟到了“非对称创造了世界”。也就是说,现实世界具有对称破缺的性质。对称破缺产生了序,通过序我们可以追踪物质世界的演化。序和对称密切相关。完全的对称、均匀、各向同性是无序可言的。只有对称性破缺了,各部分有了区分,才能谈得上排列或有序。这与人们的常识不大相容。在自然语言中,秩序往往意味着整齐划一,均匀协调。现在的情况是不均匀,不对称才算有序。另外,序与对称性是反向消长的关系,对称性越大,有序性越低;对称性越小,有序性反而越高。所以,我们可以用对称程度来描述系统结构的有序性。系统要走向有序,就必须打破平衡,使对称性发生破缺。有序是对称破缺的结果。正是对称性的破缺,才使系统与周围环境发生作用,产生了局域的序的突现,有了自己演化的历史。“这就导致了一种新的物质观。在其中,物质不再是机械论世界观中所描述的那种被动的实体,而是与自发的活性相联的。这个转变是如此深远,所以……我们真的能够说到人与自然的新的对话。”从宏观演化序列来看,物质层次是由一个大系统整体(宇宙、总星系)通过不断的对称破缺、内部分化和自组织,从而不断增加内部的复杂性而形成的。这是一个在下向因果关系的作用下“自上而下”形成的过程:宇宙从大爆炸的混沌态中分化出各种星系团,它们碎裂为各个星系;原始星系因自组织程度的提高,分化出各种恒星和恒星系统,在发展中再分化出行星;在行星表面由于组织性、复杂性的提高再分化出生物圈(盖亚系统),生物圈中分化出物种种群,再从猿群中分化出人类社会。对这个宏观演化序列及层次突现的形成,我们只有从下向因果关系、脉络解释中才能理解。在这个意义上,我们是一个整体论者。从微观演化序列来看,物质层次主要是通过不断地自会聚和自组织,突现出愈来愈复杂的层次结构而形成的。这是一个在上向因果关系的作用下“自下而上”形成的过程。例如,基本粒子合成原子核,原子核和电子合成原子,原子合成分子,生命大分子再通过超循环和自催化合成细胞、器官和生命个体,等等。在这个意义上,我们是一个还原论者,着重从微观还原分析中对这些系统的形成做出还原论的解释。但是,宏观演化序列和微观演化序列及其层次突现并不是互不相关的。它们紧密联系、相互依存而又互相对应。宏观演化是微观演化的大舞台和大环境,而微观演化则是宏观演化的基础与内部机理。如果不是宏观演化进行到某个阶段、恒星内部引力收缩、造成几十亿度的高温条件,就不会有微观上合成重原子核的演化;而没有这个过程,行星以及生物圈的形成是不可能的。所以,自然层次的突现不仅仅是微观系统的聚合和自组织过程,也不只是宏观客体的分化和复杂化过程,而是宏观分化与微观整合的协同过程。可见,自然界的有序演化都是对称破缺的结果,整体论与还原论在这里是相容的。2突现是事物从无到有的创生过程在自然界对称破缺的有序演化过程中,首先我们要强调的是突现。所谓“突现”(emergence),指的是系统整体出现了其组成部分所不具有的性质(结构、功能)。这个性质并不存在于任何单个要素当中,只因系统在低层次构成高层次时才表现出来,所以形象地称为“涌现”。美国生物学家摩尔根(T.H.Morgan)在1923年出版的《突现的演化》一书中就指出:“宇宙在进化的每一阶段上都有新的性质、新的事物突然地、神秘般地被创造出来。”系统功能之所以往往表现为整体大于部分之和,就是因为系统涌现了新质的缘故,其中“大于部分”就是涌现的新质。人们对突现现象的研究萌芽于生物学,滥觞于人工智能、混沌理论和复杂性研究。随着现代科学的发展,突现问题在物理学前沿以至社会科学中日益兴盛起来,“突发性”、“间断性”、“不可预测性”和“不可还原性”是它们的典型特征。由此可见,突现是一个演化论的概念,它表征系统的“整体性”从潜在的有(无)到实在的有的创生过程。自然系统演化过程的展开,本质上就是系统的对称性不断破缺,系统的新质逐级突现的结果。如何解释有序演化中的这种突现现象呢?我们现在大致可以概括如下:这是因为系统要素组成系统的关系如此密切,以至于它形成了要素之间特定的模式、构型或组织与结构。一旦形成,它对组成要素就施加一种约束,改变这些组元的功能与行为,甚至改变它的性质,使它们整体地组织协调起来,作为整体而行动,并与其他事物以及环境发生关系。这时整体就变成一种新的实体,出现了组元集合所不具有的特殊性质,形成特殊的行为特征,受新的行为规律的支配。因此,这就需要一种与描述组成部分不同的新的观察机制和新的语言来对其进行描述。这就是突现性质的首要特征,即它的(本体论的)整体性特征。下面,我们看一个上向因果关系和下向因果关系同时发生作用的例子:雪花晶体的六角形对称结构。这是一个整体的形象,是由组成它的水分子的微观物理化学性质决定的。这种晶体结构一旦形成,其中的分子就受到严格的限制,被约束在对称结晶形状所允许的位置上。如何解释这种现象?可以运用动力学系统的吸引子来说明。它的动力学方程一般是由一组“吸引子”所决定的,这些吸引子表现为这样一些状态空间区域:系统的运动轨线只能进入它而不能离开它。但是,由于非线性作用机制,系统的初始状态以及系统最终达到哪个吸引子都是非决定性的。一些微小的涨落都会导致系统走向一个吸引子而不走向另一个吸引子;但是一旦达到某个吸引子,系统就丧失了它的自由度,不能走出这个吸引子,而被严格限定在那里。这时,这个系统的动力学方程就是支配分子行为的规律,吸引子就是雪花的晶体形状。从微观的角度看,分子运动最终落入哪个吸引子是不可预测的,是由不可控制的和非决定性的外界影响所制约。但是,一旦落入特定的吸引子,这个系统方程的解就严格地支配着分子的运动。这种情况很像社会学中个人与社会的关系。社会是由个人组成的,理性、自利的个人相互博弈,产生了社会契约和社会规范,这是由个人所决定的。这个观点无论是方法论的个人主义还是其他社群主义都可以接受。但是,社会契约与社会规范是从个人相互作用中突现出来的一种整体规则。它一旦形成,便对个人的行为施加一种约束力,尽管这种约束力有时是个人没有预料到,甚至是不想接受的。这就是突现的“异化”或异己的下向因果关系的一种最重要的特征。突现的下向因果关系符合一般因果作用的概念,但又有它的具体特点,它是高层次系统对低层次组分的一种结构约束力、调节控制力和环境选择力。这种下向因果关系的作用,在社会生活中最为明显。人是“一切社会关系的总和”,支配个人行动的主要约束力不是生理的规律和心理的规律,而是社会的经济规律以及政治的、法律的、道德的社会规范和社会规律。个人的个性及其价值系统固然是基因的产物,但更多的还是来自社会和环境的影响。根据凯利(L.M.Keller)等人1992年发表的《工作价值:基因与环境的影响》对同卵孪生兄弟姊妹的一项研究表明,他们(或她们)的价值观念40%来自基因,60%来自家庭、学校、民族文化、社会环境等社会系统。所以我们说,突现性是通过跨层级规律(trans-ordinallaw)得以确认的,每一次突现都至少是一个跨层级规律的结果。3分层造成了物质系统的丰度和结合度的递减层次(hierarchy)与突现是一个问题的两个可以相互规定的方面。我们上面所定义的突现,不是指一般的所谓量变到质变,或简单的部分整合为整体。我们所指的是相互作用的部分与突现出来的整体处于不同的层级上,从而显示出“突现”的各种典型特征。换句话说,层级之间的区别是整体与部分之间的区别达到最大化的表现。另一方面,我们这里所说的层次并非一般的分层(strata),而是突现的结果,是对称破缺后的一种表现。系统由于其结构对要素进行约束,以及要素之间的自组织动态整合,产生稳定的突现性质,于是构成了这个系统的实体。这些系统实体又可以作为要素或子系统通过相互耦合、相互会聚,形成新的突现结构和性质,组成更高一级的层次系统,由此而层层突现出新事物、新组织、新结构。因而,所谓层次,是指系统所属类别的一个系列,是系统类之间的一层套一层的关系,是系统对称性破缺后突现的结果。在系统有序演化的过程中,这种突现性质层出不穷,与所谓“组合爆炸”有密切关系。原子这个层次系统的种类只有108种(包括不稳定的原子在内),可是由它们突现出来的分子在地球上就有700多万种。在分子中,4种核苷酸和20种氨基酸却突现出地球上的几亿种生物物种。至于可能的生态系统的数目,就更是不可想象的了。因此,我们的世界不是一元化的或者二元化的世界,而是一个多元化的世界。在这个多元化的世界里,各层次物质系统的丰度是递减的。这个关系可以表述如下:系统层次愈高,该层次的物质系统在宇宙中的丰度愈少,而其结构功能的多样性愈大。从宇宙大爆炸到形成作为人类生存环境的地球,从自由状态的基本粒子发展到人脑,这是一个物质系统由简单到复杂、物质层次结构由低级到高级的发展过程。这里所谓高级层次和低级层次,是按照对称程度定义的。若对称程度S,S1>S2,则S1是比S2低级的层次。自然界具有由低级发展到高级的趋势。但是,并不是宇宙中所有的物质都参与这种由简单到复杂、由无序到有序、由低级到高级的前进上升的全过程。物质的层次愈高级,该层次的物质系统在宇宙中的丰度就愈少。在宇宙大爆炸之后,只有一少部分物质形成氢气云。在氢气云中,只有一少部分形成恒星;而恒星在其演化的过程中,只有一少部分的氦和氢转化为较重的元素(它的丰度只占氦、氢总量的1%);这些元素只有一少部分被抛射到空间,而被抛射出来的物质又只有一少部分聚集成靠近恒星的行星,而行星中也只有极少数具备产生生命的条件。而在这些具备产生生命条件的行星中,又只有极小部分的物质变为生命物质(它的丰度占银河系总质量的10-19),而生命物质中最后又只有很小的一部分演化为人脑。这样一部物质发展史向我们证明:只有一少部分物质参与了由低级到高级发展的全过程,物质系统的丰度与高级程度成反比。其所以如此,是由封闭系统的熵增规律决定的。在这里我们讨论的熵,虽然起源于热力学,但经过玻尔兹曼(L.E.Boltzmann)的统计解释,已超出了热力学的范围。例如,我们说一滴墨水滴进水里,只能看到它向四周均匀扩散,却从来没有看到过扩散于一盆清水中的墨水会自发地集中起来,跳出水面,返回钢笔尖里。由于对付不了熵增的压力,动植物的生命个体总是趋于死亡、腐朽和瓦解,我们从来没有看见过腐烂了的尸体和枯骨会重新组织起来成为一个活人,这些都是熵增的作用。一个社会如果没有很好的制度和理念加以组织,它就会走向混乱。例如,失业增加、犯罪率提高、恐怖活动四起、全球气候变暖,就是经济、社会和生态系统的熵增现象。系统层次结构的第二个显著特点是结合度的递减律,它是由美国物理学家韦斯科夫(V.F.Weisskopf)1956年提出的。他认为,特定层次系统的尺度与它的结合能成反比。即除天文方面的层次外,系统的层次越深、尺度愈小,它的结合能愈大,结合能与被结合要素的静能的比例也愈大,它们结合得就愈牢固。如果不是这样,系统的层次结构就不可能形成。设想如果杀死我们身体内的细菌的温度或能量(就像人们因病发高烧来杀死细菌或病毒一样)就足以分解高分子、小分子,甚至足以分解其中的原子和原子核,也就不会有低层次系统的存在。所以,这个关系可以看作是系统层次的一个存在定律,韦斯科夫把它称之为“量子阶梯”。它可以表述为:自然界特定层次的物质系统的尺度L与它的组成要素之间的结合能E有反比关系,即L×E=k≈10[-7]㎝。20世纪70年代,美国系统哲学家拉兹洛(E.Laszlo)发展了韦斯科夫的“量子阶梯”概念,指出:“低层次系统有较强的结合力(如核力与电力结合成原子结构),而高层次系统明显地是由较弱的结合力造成的(有机体有化学键,群体与生态系统的结合则依靠位置的结构,共生行为是由基因编码造成,社会系统的结合通常要求有价值、规范和法律等)。”由此,他将自然界的物质系统划分为次有机组织、有机组织和超有机组织三个等级。所谓“次有机组织”,是指物理、化学、天文学、地学所研究的实在对象;“有机组织”,是指生物科学研究的实在对象;“超有机组织”,是指社会科学所研究的实在对象。这种推进表现为系统之上再叠加系统,组成了一个连续的等级结构。1986年,拉兹洛在《进化——广义综合理论》一书中写道:“当我们从初级组织层次的微观系统走向较高组织层次的宏观系统,我们就是从被强有力地牢固地结合在一起的系统走向具有较弱和较灵活的结合能量的系统。具有强大结合力的相对小一些的单位就好像是在构造较高组织层次上的、较大的并且结合能较弱的系统时所用的建筑板块一样。所构成的这些系统又依次成为构造体积更大、组织层次更高、结合得更松的单位的建筑板