從有序走向有序突現(xiàn)、分層與對稱性破缺

從有序走向有序突現(xiàn)、分層與對稱性破缺

20世紀，隨著自然科學的快速發(fā)展，特別是在闡明微觀和宏觀方面的重要理論進展和各種經驗的發(fā)現(xiàn)，對稱思維的光芒和魅力變得越來越明顯。在通往大統(tǒng)一理論的征途上,對稱性又將人們的視線從眾多繁雜的數(shù)據(jù)中拉向描述基本粒子作用機制的標準模型。對稱性思想近乎神話般神奇,以至于人們沉迷于對稱性的發(fā)現(xiàn)。然而,盡管對稱性在物理學中起著巨大的本體論、認識論和方法論的作用,但科學家的研究越來越展示了這樣一個事實:對稱性破缺一樣具有重大的科學意義,每一次對稱破缺都可能有新質的突現(xiàn),從而使自然系統(tǒng)的層次結構躍上一個新的臺階。1自然界的有序演化是對稱破缺的結果20世紀以來的科學發(fā)展表明,天體演化、地球變遷、物質構成、生命進化、社會發(fā)展,可以說就是一個從完全對稱到對稱性逐步喪失、非對稱性逐步形成的過程,也是一個從混沌到有序、從低序到高序的演化發(fā)展過程。正是在這個意義上,我們領悟到了“非對稱創(chuàng)造了世界”。也就是說,現(xiàn)實世界具有對稱破缺的性質。對稱破缺產生了序,通過序我們可以追蹤物質世界的演化。序和對稱密切相關。完全的對稱、均勻、各向同性是無序可言的。只有對稱性破缺了,各部分有了區(qū)分,才能談得上排列或有序。這與人們的常識不大相容。在自然語言中,秩序往往意味著整齊劃一,均勻協(xié)調?，F(xiàn)在的情況是不均勻,不對稱才算有序。另外,序與對稱性是反向消長的關系,對稱性越大,有序性越低;對稱性越小,有序性反而越高。所以,我們可以用對稱程度來描述系統(tǒng)結構的有序性。系統(tǒng)要走向有序,就必須打破平衡,使對稱性發(fā)生破缺。有序是對稱破缺的結果。正是對稱性的破缺,才使系統(tǒng)與周圍環(huán)境發(fā)生作用,產生了局域的序的突現(xiàn),有了自己演化的歷史?！斑@就導致了一種新的物質觀。在其中,物質不再是機械論世界觀中所描述的那種被動的實體,而是與自發(fā)的活性相聯(lián)的。這個轉變是如此深遠,所以……我們真的能夠說到人與自然的新的對話?！睆暮暧^演化序列來看,物質層次是由一個大系統(tǒng)整體(宇宙、總星系)通過不斷的對稱破缺、內部分化和自組織,從而不斷增加內部的復雜性而形成的。這是一個在下向因果關系的作用下“自上而下”形成的過程:宇宙從大爆炸的混沌態(tài)中分化出各種星系團,它們碎裂為各個星系;原始星系因自組織程度的提高,分化出各種恒星和恒星系統(tǒng),在發(fā)展中再分化出行星;在行星表面由于組織性、復雜性的提高再分化出生物圈(蓋亞系統(tǒng)),生物圈中分化出物種種群,再從猿群中分化出人類社會。對這個宏觀演化序列及層次突現(xiàn)的形成,我們只有從下向因果關系、脈絡解釋中才能理解。在這個意義上,我們是一個整體論者。從微觀演化序列來看,物質層次主要是通過不斷地自會聚和自組織,突現(xiàn)出愈來愈復雜的層次結構而形成的。這是一個在上向因果關系的作用下“自下而上”形成的過程。例如,基本粒子合成原子核,原子核和電子合成原子,原子合成分子,生命大分子再通過超循環(huán)和自催化合成細胞、器官和生命個體,等等。在這個意義上,我們是一個還原論者,著重從微觀還原分析中對這些系統(tǒng)的形成做出還原論的解釋。但是,宏觀演化序列和微觀演化序列及其層次突現(xiàn)并不是互不相關的。它們緊密聯(lián)系、相互依存而又互相對應。宏觀演化是微觀演化的大舞臺和大環(huán)境,而微觀演化則是宏觀演化的基礎與內部機理。如果不是宏觀演化進行到某個階段、恒星內部引力收縮、造成幾十億度的高溫條件,就不會有微觀上合成重原子核的演化;而沒有這個過程,行星以及生物圈的形成是不可能的。所以,自然層次的突現(xiàn)不僅僅是微觀系統(tǒng)的聚合和自組織過程,也不只是宏觀客體的分化和復雜化過程,而是宏觀分化與微觀整合的協(xié)同過程?？梢?自然界的有序演化都是對稱破缺的結果,整體論與還原論在這里是相容的。2突現(xiàn)是事物從無到有的創(chuàng)生過程在自然界對稱破缺的有序演化過程中,首先我們要強調的是突現(xiàn)。所謂“突現(xiàn)”(emergence),指的是系統(tǒng)整體出現(xiàn)了其組成部分所不具有的性質(結構、功能)。這個性質并不存在于任何單個要素當中,只因系統(tǒng)在低層次構成高層次時才表現(xiàn)出來,所以形象地稱為“涌現(xiàn)”。美國生物學家摩爾根(T.H.Morgan)在1923年出版的《突現(xiàn)的演化》一書中就指出:“宇宙在進化的每一階段上都有新的性質、新的事物突然地、神秘般地被創(chuàng)造出來?！毕到y(tǒng)功能之所以往往表現(xiàn)為整體大于部分之和,就是因為系統(tǒng)涌現(xiàn)了新質的緣故,其中“大于部分”就是涌現(xiàn)的新質。人們對突現(xiàn)現(xiàn)象的研究萌芽于生物學,濫觴于人工智能、混沌理論和復雜性研究。隨著現(xiàn)代科學的發(fā)展,突現(xiàn)問題在物理學前沿以至社會科學中日益興盛起來,“突發(fā)性”、“間斷性”、“不可預測性”和“不可還原性”是它們的典型特征。由此可見,突現(xiàn)是一個演化論的概念,它表征系統(tǒng)的“整體性”從潛在的有(無)到實在的有的創(chuàng)生過程。自然系統(tǒng)演化過程的展開,本質上就是系統(tǒng)的對稱性不斷破缺,系統(tǒng)的新質逐級突現(xiàn)的結果。如何解釋有序演化中的這種突現(xiàn)現(xiàn)象呢?我們現(xiàn)在大致可以概括如下:這是因為系統(tǒng)要素組成系統(tǒng)的關系如此密切,以至于它形成了要素之間特定的模式、構型或組織與結構。一旦形成,它對組成要素就施加一種約束,改變這些組元的功能與行為,甚至改變它的性質,使它們整體地組織協(xié)調起來,作為整體而行動,并與其他事物以及環(huán)境發(fā)生關系。這時整體就變成一種新的實體,出現(xiàn)了組元集合所不具有的特殊性質,形成特殊的行為特征,受新的行為規(guī)律的支配。因此,這就需要一種與描述組成部分不同的新的觀察機制和新的語言來對其進行描述。這就是突現(xiàn)性質的首要特征,即它的(本體論的)整體性特征。下面,我們看一個上向因果關系和下向因果關系同時發(fā)生作用的例子:雪花晶體的六角形對稱結構。這是一個整體的形象,是由組成它的水分子的微觀物理化學性質決定的。這種晶體結構一旦形成,其中的分子就受到嚴格的限制,被約束在對稱結晶形狀所允許的位置上。如何解釋這種現(xiàn)象?可以運用動力學系統(tǒng)的吸引子來說明。它的動力學方程一般是由一組“吸引子”所決定的,這些吸引子表現(xiàn)為這樣一些狀態(tài)空間區(qū)域:系統(tǒng)的運動軌線只能進入它而不能離開它。但是,由于非線性作用機制,系統(tǒng)的初始狀態(tài)以及系統(tǒng)最終達到哪個吸引子都是非決定性的。一些微小的漲落都會導致系統(tǒng)走向一個吸引子而不走向另一個吸引子;但是一旦達到某個吸引子,系統(tǒng)就喪失了它的自由度,不能走出這個吸引子,而被嚴格限定在那里。這時,這個系統(tǒng)的動力學方程就是支配分子行為的規(guī)律,吸引子就是雪花的晶體形狀。從微觀的角度看,分子運動最終落入哪個吸引子是不可預測的,是由不可控制的和非決定性的外界影響所制約。但是,一旦落入特定的吸引子,這個系統(tǒng)方程的解就嚴格地支配著分子的運動。這種情況很像社會學中個人與社會的關系。社會是由個人組成的,理性、自利的個人相互博弈,產生了社會契約和社會規(guī)范,這是由個人所決定的。這個觀點無論是方法論的個人主義還是其他社群主義都可以接受。但是,社會契約與社會規(guī)范是從個人相互作用中突現(xiàn)出來的一種整體規(guī)則。它一旦形成,便對個人的行為施加一種約束力,盡管這種約束力有時是個人沒有預料到,甚至是不想接受的。這就是突現(xiàn)的“異化”或異己的下向因果關系的一種最重要的特征。突現(xiàn)的下向因果關系符合一般因果作用的概念,但又有它的具體特點,它是高層次系統(tǒng)對低層次組分的一種結構約束力、調節(jié)控制力和環(huán)境選擇力。這種下向因果關系的作用,在社會生活中最為明顯。人是“一切社會關系的總和”,支配個人行動的主要約束力不是生理的規(guī)律和心理的規(guī)律,而是社會的經濟規(guī)律以及政治的、法律的、道德的社會規(guī)范和社會規(guī)律。個人的個性及其價值系統(tǒng)固然是基因的產物,但更多的還是來自社會和環(huán)境的影響。根據(jù)凱利(L.M.Keller)等人1992年發(fā)表的《工作價值:基因與環(huán)境的影響》對同卵孿生兄弟姊妹的一項研究表明,他們(或她們)的價值觀念40%來自基因,60%來自家庭、學校、民族文化、社會環(huán)境等社會系統(tǒng)。所以我們說,突現(xiàn)性是通過跨層級規(guī)律(trans-ordinallaw)得以確認的,每一次突現(xiàn)都至少是一個跨層級規(guī)律的結果。3分層造成了物質系統(tǒng)的豐度和結合度的遞減層次(hierarchy)與突現(xiàn)是一個問題的兩個可以相互規(guī)定的方面。我們上面所定義的突現(xiàn),不是指一般的所謂量變到質變,或簡單的部分整合為整體。我們所指的是相互作用的部分與突現(xiàn)出來的整體處于不同的層級上,從而顯示出“突現(xiàn)”的各種典型特征。換句話說,層級之間的區(qū)別是整體與部分之間的區(qū)別達到最大化的表現(xiàn)。另一方面,我們這里所說的層次并非一般的分層(strata),而是突現(xiàn)的結果,是對稱破缺后的一種表現(xiàn)。系統(tǒng)由于其結構對要素進行約束,以及要素之間的自組織動態(tài)整合,產生穩(wěn)定的突現(xiàn)性質,于是構成了這個系統(tǒng)的實體。這些系統(tǒng)實體又可以作為要素或子系統(tǒng)通過相互耦合、相互會聚,形成新的突現(xiàn)結構和性質,組成更高一級的層次系統(tǒng),由此而層層突現(xiàn)出新事物、新組織、新結構。因而,所謂層次,是指系統(tǒng)所屬類別的一個系列,是系統(tǒng)類之間的一層套一層的關系,是系統(tǒng)對稱性破缺后突現(xiàn)的結果。在系統(tǒng)有序演化的過程中,這種突現(xiàn)性質層出不窮,與所謂“組合爆炸”有密切關系。原子這個層次系統(tǒng)的種類只有108種(包括不穩(wěn)定的原子在內),可是由它們突現(xiàn)出來的分子在地球上就有700多萬種。在分子中,4種核苷酸和20種氨基酸卻突現(xiàn)出地球上的幾億種生物物種。至于可能的生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)目,就更是不可想象的了。因此,我們的世界不是一元化的或者二元化的世界,而是一個多元化的世界。在這個多元化的世界里,各層次物質系統(tǒng)的豐度是遞減的。這個關系可以表述如下:系統(tǒng)層次愈高,該層次的物質系統(tǒng)在宇宙中的豐度愈少,而其結構功能的多樣性愈大。從宇宙大爆炸到形成作為人類生存環(huán)境的地球,從自由狀態(tài)的基本粒子發(fā)展到人腦,這是一個物質系統(tǒng)由簡單到復雜、物質層次結構由低級到高級的發(fā)展過程。這里所謂高級層次和低級層次,是按照對稱程度定義的。若對稱程度S,S1>S2,則S1是比S2低級的層次。自然界具有由低級發(fā)展到高級的趨勢。但是,并不是宇宙中所有的物質都參與這種由簡單到復雜、由無序到有序、由低級到高級的前進上升的全過程。物質的層次愈高級,該層次的物質系統(tǒng)在宇宙中的豐度就愈少。在宇宙大爆炸之后,只有一少部分物質形成氫氣云。在氫氣云中,只有一少部分形成恒星;而恒星在其演化的過程中,只有一少部分的氦和氫轉化為較重的元素(它的豐度只占氦、氫總量的1%);這些元素只有一少部分被拋射到空間,而被拋射出來的物質又只有一少部分聚集成靠近恒星的行星,而行星中也只有極少數(shù)具備產生生命的條件。而在這些具備產生生命條件的行星中,又只有極小部分的物質變?yōu)樯镔|(它的豐度占銀河系總質量的10-19),而生命物質中最后又只有很小的一部分演化為人腦。這樣一部物質發(fā)展史向我們證明:只有一少部分物質參與了由低級到高級發(fā)展的全過程,物質系統(tǒng)的豐度與高級程度成反比。其所以如此,是由封閉系統(tǒng)的熵增規(guī)律決定的。在這里我們討論的熵,雖然起源于熱力學,但經過玻爾茲曼(L.E.Boltzmann)的統(tǒng)計解釋,已超出了熱力學的范圍。例如,我們說一滴墨水滴進水里,只能看到它向四周均勻擴散,卻從來沒有看到過擴散于一盆清水中的墨水會自發(fā)地集中起來,跳出水面,返回鋼筆尖里。由于對付不了熵增的壓力,動植物的生命個體總是趨于死亡、腐朽和瓦解,我們從來沒有看見過腐爛了的尸體和枯骨會重新組織起來成為一個活人,這些都是熵增的作用。一個社會如果沒有很好的制度和理念加以組織,它就會走向混亂。例如,失業(yè)增加、犯罪率提高、恐怖活動四起、全球氣候變暖,就是經濟、社會和生態(tài)系統(tǒng)的熵增現(xiàn)象。系統(tǒng)層次結構的第二個顯著特點是結合度的遞減律,它是由美國物理學家韋斯科夫(V.F.Weisskopf)1956年提出的。他認為,特定層次系統(tǒng)的尺度與它的結合能成反比。即除天文方面的層次外,系統(tǒng)的層次越深、尺度愈小,它的結合能愈大,結合能與被結合要素的靜能的比例也愈大,它們結合得就愈牢固。如果不是這樣,系統(tǒng)的層次結構就不可能形成。設想如果殺死我們身體內的細菌的溫度或能量(就像人們因病發(fā)高燒來殺死細菌或病毒一樣)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,也就不會有低層次系統(tǒng)的存在。所以,這個關系可以看作是系統(tǒng)層次的一個存在定律,韋斯科夫把它稱之為“量子階梯”。它可以表述為:自然界特定層次的物質系統(tǒng)的尺度L與它的組成要素之間的結合能E有反比關系,即L×E=k≈10[-7]㎝。20世紀70年代,美國系統(tǒng)哲學家拉茲洛(E.Laszlo)發(fā)展了韋斯科夫的“量子階梯”概念,指出:“低層次系統(tǒng)有較強的結合力(如核力與電力結合成原子結構),而高層次系統(tǒng)明顯地是由較弱的結合力造成的(有機體有化學鍵,群體與生態(tài)系統(tǒng)的結合則依靠位置的結構,共生行為是由基因編碼造成,社會系統(tǒng)的結合通常要求有價值、規(guī)范和法律等)。”由此,他將自然界的物質系統(tǒng)劃分為次有機組織、有機組織和超有機組織三個等級。所謂“次有機組織”,是指物理、化學、天文學、地學所研究的實在對象;“有機組織”,是指生物科學研究的實在對象;“超有機組織”,是指社會科學所研究的實在對象。這種推進表現(xiàn)為系統(tǒng)之上再疊加系統(tǒng),組成了一個連續(xù)的等級結構。1986年,拉茲洛在《進化——廣義綜合理論》一書中寫道:“當我們從初級組織層次的微觀系統(tǒng)走向較高組織層次的宏觀系統(tǒng),我們就是從被強有力地牢固地結合在一起的系統(tǒng)走向具有較弱和較靈活的結合能量的系統(tǒng)。具有強大結合力的相對小一些的單位就好像是在構造較高組織層次上的、較大的并且結合能較弱的系統(tǒng)時所用的建筑板塊一樣。所構成的這些系統(tǒng)又依次成為構造體積更大、組織層次更高、結合得更松的單位的建筑板