进化的科学与科学的进化——建立科学进化的自组织模型的一种尝试，本文主要内容关键词为：科学论文,模型论文,组织论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
内容提要 科学进化是一个自组织过程，它包括科学认识系统的自稳定（科学说明）和自重组（科学发现）两种形态。科学理论与科学实验之间的非线性作用是科学进化的内在根据，科学理论与实验两者耦合在一起，互为对方的“催化剂”，形成自催化和交叉催化，组成一个催化超循环，科学系统内部的这种循环协同作用，与涨落触发作用以及外部环境的选择作用结合在一起，导致了科学的进化。科学进化具有可控性。
科学进化一直是科学史、科学哲学、科学社会学研究的主要问题。它们从不同的侧面研究科学进化的特征，这些研究日益体现出科学进化是一种从无序到有序的过程，和自组织理论阐明的进化规律非常吻合。因此，自组织理论从新的角度、以新的观念和方法为研究科学进化提供了一种新思路。
事实上，国内外已经有人对科学进化的自组织问题进行研究。耗散结构理论创始人普里高津及其合作者从耗散结构理论出发考察了科学的进化，他们认为科学的发展经历了一个“从混沌到有序”、“从存在到演化”的过程。〔1〕协同学创始人哈肯把科学看作是一个自组织体系，把科学知识的产生看作是由分散的、零星的思想统一成范式的过程。〔2〕系统哲学家拉兹洛在《进化》一书的哲学附言中， 简单地提到科学进化。他认为：“科学理论的发展遵循一定的型式，是突变的，不可预见的，进行自我简化，并且听任科学体系不断上升到更高的抽象性和一般性。”〔3〕拉兹洛提出研究科学进化需要对科学史、 科学哲学和科学社会学作深入的研究。但他本人“仅限于指出若干突出特点，以期为这种研究奠定一个良好的开端。”〔4〕
本论文打算在这些“良好开端”基础上继续工作，在马克思主义哲学指导下，充分利用科学史料，吸收科学哲学和科学社会学的研究成果，依据自组织规律，构造一个科学进化的自组织模型来说明科学的实际发展。
一 科学认识系统进化的自组织过程
科学既是人类获取关于客观世界的知识的一种认识活动，而且还包括这个认识活动所获取的结果即知识体系。
科学认识，作为一种有目的性的能动的反映活动，它是一个由科学认识主体、中介工具和科学认识客体所构成的自组织系统。
科学认识系统以人的自觉能动性区别于自然系统。在科学认识系统中，虽然也存在物质、能量的交换过程，但主要是信息的传递、贮存和加工的过程。在这个过程中，主体、中介、客体这些要素通过主体的能动作用被有机地组织起来，使它们作为整体的因素，按照一定的目的、方向，协调地发挥其认识世界的功能，不断产生出符合主体需要的科学成果（通常表现为科学问题、科学事实、科学概念、科学定律、科学理论等）。充分体现出这一系统自组织的特征。
下面我们将通过构造科学认识的信息流图，来说明科学认识系统进化的两种自组织形态——科学认识的自稳定和科学认识的自重组。
如果把科学认识系统的要素耦合在一起，可构成图1 所示的一个信息流图。
P的作用象一个过滤器，获取所需要的有关客体O的信息；C 是对输入的信息进行加工处理，造成概念和理论系统；R输出信息， 在理论指导下对客体O进行实验。从P→C→R的过程主要是科学思维过程，从R →O→P的过程主要是科学实验的过程。科学认识的进化就是在O→P→C →R→O的不断循环过程中实现的。这个过程是自稳定和自重组的体现。
科学说明，就是人们用已知的科学理论去说明那些待说明的自然现象。这实际上是把关于自然现象的经验事实整合到已有的科学理论中去，从而达到解释自然现象的目的，即把关于自然现象的经验内容同化到既有的科学理论中去。在图2中，如果P输入的关于自然现象的经验事实的信息与主体所掌握的科学理论相匹配时，自然现象就为已有的科学理论所解释，然后再通过主体的实验检验后，科学理论便得到强化，扩大了理论的应用范围。这是一个稳定的负反馈。C具有自稳性。
在这个过程中，科学家在认识客体中寻找相配的对象，使理论能对它作出说明。这相应于科学家把自己的思维结构“投射”于客体中去，同化客体，保持科学理论的稳定。科学发展史上，牛顿建立古典力学以来，从事各项工作的人们在科学的各个领域都以他的力学模型来说明问题，扩大牛顿力学的应用范围。这是一个典型的科学认识自稳定的案例。
科学发现，在这里指一种新的科学定理或科学理论的发现。科学发现实际上是当原有的理论不能说明新的自然现象时，认识主体就要构造新的假说或理论，以便在更高的水平上把自然现象的经验内容同化到新的假说或理论中去。如图3所示，当P输入的信息与C不匹配时， 科学问题成为“未解决问题”或者“反常问题”，会引起主体的强烈探索性反应。在这个过程中R通过O控制着P，使信息量不断增大，引起C进行信息重组，直到建立起新的思维结构（由C（，1）变为C（，2））。这是一个正反馈自重组过程。
图3 科学认识的自重组过程
在这个过程中，客体O的有关信息被主体吸收，引起主体的图式重建。 这相应于认识主体将客体的信息“绘入”到自己的思维结构中形成新的思维结构，从而使新的思维结构“适应”客体。
20世纪初量子力学的发现是一个典型的科学认识自重组的案例。在黑体辐射问题的研究中，作为经典力学和经典电动力学必然结果的维恩（Wien）公式和瑞利（Reyleigh）公式与实验事实不完全匹配（前者在长波领域与实验值显著不同，后者在短波范围内与实验事实不相一致），导致普朗克（Planck）新的黑体辐射公式的建立（1900年10月），普朗克为寻求他的与实验事实精确符合的新的分布律公式的物理解释，大胆地提出了与经典理论不相容的、崭新的“作用量子”的概念（1900年12月）；爱因斯坦（Einstein）将普朗克量子假设引入光辐射研究，提出了光量子假说，并成功地解释了斯托克斯萤光定则、光电效应和气体光致电离等经典理论难于解释的事实（1905年）；玻尔（Bohr）为了解决卢瑟福（Rutherford）原子模型与原子稳定性和线性分立原子光谱事实不相匹配的问题，引入了几条新的量子假设，构筑了一种半经典的原子模型（1913年）；德布罗意（De Broglie）将爱因斯坦波粒二象性思想推广到实物粒子，提出物质波的概念（1923）；在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意等人工作的基础上， 海森堡（Heisenberg ）、薛定谔（Schrodinger ）等人沿着两条不同的途径最后形成了两种形式迥然不同但数学形式又是等价的非相对论量子力学理论体系；狄拉克（Dirac）又进一步将相对论同量子力学统一起来，建立起相对论性的电子运动方程，实现了量子力学更普遍的综合，最终完成了科学认识从经典力学到量子力学的革命性的转变。
在这个发现过程中，认识主体不断地构思假说、组织实验，然后再根据实验的结果检验当初的假说，构成了一个不断循环的反馈回路即O→P→C→R→O回路。循环导致C不断变化（C（，1），…，C（，n）），直到形成新的稳态的科学理论。这是一个信息量不断增大的正反馈自重组过程。
总之，科学认识是一个自稳定与自重组相互交叉、相互促进、不断循环的过程。
二 科学认识系统进化的自组织机制
自组织理论把系统进化的机制和条件归纳为三方面：内部要素的非线性相干、涨落的随机触发、外部控制参量达到临界值。科学系统和一般的自组织系统有着相同的进化特征。
（一）科学认识系统内部的循环协同作用
系统进化，内部的非线性作用具有根本性的意义。德国科学家M ·艾根提出的超循环作用是一种非常典型的非线性相互作用。M ·艾根把循环分为三个不同的层次：1.反应循环，催化剂经过一个循环又再生出来，是一个自我再生的过程；2.催化循环，产物自身作为催化剂又指导反应物再生产出来，是一个自我复制的过程；3.超循环，其中每一个组元既能自复制，又能催化下一个组元的复制。超循环组织，作为一个远离平衡的开放系统，既竞争又协同，既隔离又整合，不仅能自我再生，自我复制，而且还能自我选择、自我优化，经过多重因果循环，功能不断完善，信息不断积累，从而向高度有序的宏观组织进化。
在科学认识系统中，科学实验和科学思维及其相互联系是科学认识的内在结构，科学思维和科学实验之间存在非线性的相互作用，正是这种非线性作用导致科学发生超循环的进化过程。
科学思维与科学实验的作用可用符号表示为：
式中T是科学理论、E是科学实验、F是科学涨落（后面将详述）。它们分别是两个反应循环。当他们耦合在一起时，可以表示为
， T与E互为对方的“催化剂”。也就是说，在理论形成过程中， 实验起着检验作用和提示作用，加速了理论的形成，实验起着类似催化剂的作用；同理，在实验过程中，理论起着指导作用和设计作用，保证了实验的顺利进行，加速了实验的完成，理论也起着类似催化剂的作用。理论和实验的耦合，使理论或实验得到对方的催化支持，从而又在更高的层次上加速对方的发展，使科学以指数型加速发展。
理论和实验不断地相互催化，具体表现为“催化”的循环，即自催化循环和催化超循环。科学的自催化循环是指科学理论和科学实验在各自内部还有一个继承和发展的问题，即理论科学家在前人理论成果的基础上发展新理论，实验科学家继承、改造和创新实验仪器和方法。在这个过程中，理论或实验分别为下一次理论或实验提供催化支持。科学的催化超循环是指理论或实验既是自身继承发展的过程，同时也是它们之间循环作用的过程。超循环是强化的自催化，即理论—实验—理论的加速循环。
科学发展史上，理论和实验的自催化或自繁殖所导致的科学发展从总体而言是缓慢的。在现代科学革命中，理论之间的相互作用如普朗克作用量子概念→光量子概念→物质波概念→波动力学、短阵力学→电子运动的相对论方程，实验之间的相互作用， 如真空放电→阴极射线→X射线→天然放射性→电子等的发现，这种局部的自催化或自繁殖之所以发展迅速，关键在于，理论自繁殖的起点理论是建立在大量的实验资料之上的；实验自繁殖的起点实验是建立在一定的科学理论体系上的。如果离开这些实验资料和理论体系，科学只能缓慢发展。同样，理论或实验的自催化发展到一定阶段，如果得不到相应的实验或理论的催化支持，发展会停顿下来。因此，要想深刻地剖析科学内部的相互作用，还得具体分析科学的超循环作用。
电磁学的发展是典型的超循环作用过程，可以用图4表示之。
图4 电磁学的发展中超循环的作用
在图4中，虚线表示理论和实验的自催化， 实线表示理论实验的交叉催化。它们耦合在一起，形成科学的超循环，循环每进行一次，科学就深入一步。这种超循环作用，使实验从盲目走向自觉、严格，使理论从含糊趋于清晰、严密。
科学理论与科学实验的耦合是既竞争又协同从而选择和进化，这就是科学超循环的进化机制。下面以两个理论的竞争协同为例进行分析。对同一事物的研究，形成两个竞争理论T（，1）、T（，2）。实验E（，1）为自繁殖的理论T（，1）提供催化支持，形成一个超循环；同样实验E（，2）与理论T（，2）也形成一个超循环。当这两个超循环发生关联时，可以用图5表示。
图5 科学超循环的进化机制
图5中11、22表示在一个超循环中， 由于理论与实验的亲缘关系显示出来的自强化；12、21表示在两个超循环之间由于发生关联作用而相互强化。从理论上分析，下列四种情况可以发生：
1、实验E（，1）只对理论T（，1）提供支持，实验E（，2）也只对理论T（，2）提供支持。结果T（，1）、T（，2）分别被各自的实验E（，1）、E（，2）以超循环方式强化，从而导致激烈的竞争。在这种情况下，往往由于科学系统内部颧外部的影响，竞争的结果可能只有一个理论取胜。
2、E（，1）、E（，2）都对T（，1）提供支持。结果T（，1）在竞争中取胜。
3、E（，1）、E（，2）都对T（，1）提供支持。结果T（，2）在竞争中取胜。
4、E（，1）分别对T（，1）、T（，2）提供支持，同时E（，2）也分别对T（，1）、T（，2）提供支持。结果T（，1）、T（，2）通过超循环联系而稳定地共存或归并。
科学史上最能体现这种超循环作用机制的案例要数光学的发展。光的微粒说和光的波动说在理论和实验的相互作用下，各自理论不断得到发展，经过长时间的竞争协同，去伪存真、汰劣择优，终于在最后阶段，两个理论归并而稳定共存，形成光的波粒二象性理论。这个过程可简要地用图6表示。
以上是一个典型的案例。在各个学科的发展中，往往并不是这四种情况都发生，表现形式也不一定这样明显。但是，竞争协同机制却是普遍存在的，这是科学进化的内在根据。
（二）科学系统内部的涨落作用
在系统进化过程中，不仅需要内部的非线性作用，而且还需要涨落的诱导或触发。
任何自组织系统的宏观状态都始终存在着各种随机的起伏波动，即所谓涨落。根据引起涨落的因素来自系统内部或外部，把涨落分为内涨落和外涨落。涨落在系统的不同状态中所起的作用并不相同，分别表现为回归作用和触发作用。
本文仅研究科学系统的内涨落作用，科学系统的内涨落是相对科学的某种稳定态而言的。科学稳定态的实质就是有控制科学认识主体活动的主导理论、成熟的实验以及研究方法体系（包括科学思维方法和科学实验方法）。处于这种稳定状态的科学就是稳态科学。在任何稳定体系中存在的对其主导理论、实验和方法的任何偏离，如各种新观点、新事实、新方法的出现，就是科学中的涨落。科学中出现的反常便是一种典型的涨落。
科学涨落具有回归作用。如果一个科学理论与科学事实吻合得很好，理论作出的预言得到实验的检验或者理论的整合性程度很高（即逻辑的一致性、体系的简单性、理论的统一性），那么这个理论就能经受得住科学涨落的冲击，科学的稳定性保持不变。如牛顿的力学理论体系出现后，在很长时间处于一种稳定的主导地位，一些反常的冲击被同化或受到抑制。
科学涨落为稳态科学所吸收同化，对于科学知识的渐进积累起着极其重要的作用。在保持科学理论稳定性的基础上，科学涨落的冲击对理论起着调节完善的作用，使理论能说明更多的自然现象，扩大实际应用的范围。牛顿力学正是在各种涨落的冲击下，逐渐调节它的辅助假说，使理论更多地说明各种事实，从而使牛顿力学更加成熟。
科学涨落具有触发作用。当一个科学理论经常与科学事实发生矛盾或者用以辩护主导理论的辅助假说越来越繁琐、内部矛盾越来越多、体系越来越复杂时，这个理论就经不起科学涨落的冲击，在涨落的诱导下，新的稳定性理论将会出现。
图6 波粒二象性理论的形成过程
在科学进化过程中，科学涨落是基本的先决条件，它是提供科学进化的材料，没有科学涨落就不可能发生科学进化。科学涨落总是迫使原来稳态的科学理论进入不稳定状态（发生危机），然后诱导形成新的稳态科学。这个过程就是科学涨落的触发作用过程，它通常表现为以下两种形式。
1.学科内部涨落的触发作用。它是指学科内部的某种重大发现，导致学科内部的新理论出现。这类触发作用在科学史上最为普遍，它通常表现为涨落通过“危机”引起科学革命。十九世纪末二十世纪初发生的物理学革命，就是一个典型案例。
2.学科外涨落的触发作用。它是指学科外的新理论、新实验或新方法渗透移植到本学科中，导致本学科理论的重大突破。这里的“外”涨落对于整个科学系统而言，还是内涨落。外涨落的侵入渗透，对学科的作用在于它提供了一种新的材料，使学科内部的相互联系形式发生变化，改变了原来的相关理论。一个学科的理论或方法向另一学科渗透移植，在科学发展史上屡见不鲜。德国化学家海特勒和伦敦将量子力学的理论移植到化学研究领域，结果不仅揭示了分子化学键的本质，解决了价键理论解决不了的难题，而且创立了运用量子力学理论和方法来研究分子的结构性能及其质变规律的新兴学科——量子化学。当两个以上不同学科向一个学科渗透时，往往形成交叉学科或综合性学科，这是一种多涨落触发作用
科学涨落的触发作用显示出新的稳态科学是由科学涨落经理论与实验的相互作用放大而形成的。理论与实验的相互作用虽然规定了科学进化的多种可能途径，但究竟哪一条途径成为现实，却是由科学涨落的随机触发而选择的。由于进化的可能途径是科学的内在必然性所支配，而科学涨落却具有偶然性，因此，科学进化是由必然性和偶然性的相互影响所决定的。
（三）科学系统进化的外部条件
任何具体系统作为整体，都不是孤立存在的。它总是处于一定的环境中，并且同环境发生联系、相互作用，从而发展进化。系统和环境的相互联系、相互作用实质上是物质、能量或信息的交换。自组织认为这种交换是系统进化的外部条件，它体现为环境的选择作用。
科学是嵌在社会中的一个开放系统，由非常稠密的反馈环与环境联系起来，环境通过各种途径作用于科学。这种作用往往以政治的、军事的、经济的、文化的等多种形式表现出来，而且往往是几种因素迭加在一起，共同起作用，驱使科学进化。
（四）科学进化的图式
根据前面的分析，我们知道：科学内部的循环协同作用是科学进化的内在根据，科学涨落起着触发作用，而科学的外部环境不仅提供物质、能量特别是信息的支持，而且还对理论起着选择作用。这些内外要素有机地结合在一起形成了科学进化的基本图式（如图7所示）。
从图7中可以看出，科学进化是一个从量变到质变的过程， 它具体可以分为三个阶段。当相对于稳态科学的某些科学涨落刚出现时，内外环境不是特别有利于它的发展，涨落回归。这一阶段是科学知识的渐进积累阶段。然而一旦外界条件成熟，社会环境会选择适合它的微涨落，通过内部的非线性作用机制，放大成巨涨落，形成新的稳态科学，加速科学的发展。在这一阶段进化是以突变方式进行的。接着进入第三阶段，新的稳态科学发展和成熟的阶段。
当然，由于科学系统内部的复杂性、科学环境的多变性，科学进化是不能用一个具体模型包罗万象地说明的。但是抓住科学进化的主要特征，建构一个简化模型则是可能的。本文的科学进化自组织模型便是这样一个简化模型，试图粗略地说明科学进化的机制和条件，以便对科学进化进行自组织控制。
图7 科学进化图式
三 科学认识系统进化的自组织控制
（一）科学进化的可控性
科学进化同样是决定性和随机性相统一、自稳定与自重组相结合的过程。在科学进化的自稳定阶段，至少原则上对科学的进展是可预见的，假如我们对这个科学问题以及它的环境有足够的了解的话，那么，我们就能在某种有限精确度的范围内预言它的发展结果或大概会出现什么样的局面。可是，在科学进化的自重组阶段，人们无法预言某一科学涨落未来的发展情况。科学进化到分支点，既是一种机遇，又是一种危险，既有胜利的希望，又有失败的可能。这就是科学进化的不确定性和不可预见性。
自然科学的历史就是充满了许许多多的出人预料的事件的历史。不过，不可预见并非不可控制，“不可预见性的意思仅仅在于：一个站在外面的观察者，即使他掌握了系统的某些参量，他仍然不可能确定在几种替换状态中究竟哪一种将在系统内实现。但这并不意味着在内部一个元件不可能决定性地影响系统对未来状态的选择”〔5〕。 当哥伦布率领他的船队在茫茫的大海中航行时，虽然变化的环境迫使他的船队只能按环境提供的条件航行，或者说环境选择了它的具体航线，但哥伦布始终在控制他的船队，尽管人们不能预测它的航线。科学的进化也是如此。科学的航船始终是由科学家直接控制的，而科学家则受社会环境控制。当然，“控制并不是采取系统‘服从’一组硬性规定的决定性规律和法则的形式”〔6〕。 如果一个科学家根据系统进化的动力学知识善于识别好科学的分支点，又在恰当的位置和恰当的时间，用恰当的方式对恰当的对象进行研究，那么他就能造成一个微小的但却是有重要意义的内部涨落。外界条件和非线性的动态变化就可能把这个内部涨落放大成在科学中取得支配地位的巨涨落。正如哈肯所说：“那些杰出的科学家具有一种‘本能’：知道什么是重要的，什么是有关的，什么是能达到的，什么是能够进行的。如果对科学长期无所洞见，甚至还很陌生，那么原来可以有所发现的事也会因此受到挫折。能够发现什么意味着向哪些地方去寻找，哪里富有前景；而为此应当有前提，那就是科学经验、机遇、以及方才提到的‘本能’”〔7〕。 这种本能就是一种把握科学分叉的能力。如果对科学进化过程有正确的认识，特别是善于识别好科学的分叉，那末当科学进化到分叉点附近时，只要花费相对较少的控制成本，就能取得很大的控制效果，特别是能调控科学使它朝有利于我们的方向演化。
（二）科学进化的控制方式
在科学认识系统中，科学家的主观能动性能够确定科学进化的目标，形成科学的评价标准，据此对科学的进化进行选择和控制。
科学进化的内在目标是认识世界。科学进化的内在评价标准起着对科学系统内部的调控作用，以保证科学朝它的内在目标进化。
科学进化的内在评价标准是理论的经验适合性和理论的整合普遍性标准。科学进化趋向于要求理论在越来越多的点上联系自然（即覆盖并解释更多的事实），同时又要求概念从较低层次向较高层次运动或发展
理论的经验适合标准引起水平方向上的运动，它驱使科学理论力求在尽可能多的点上以所能达到的最高精确度与自然保持一致。这个标准首先对实验科学家起调节作用，引导他们从深度和广度两个方面探索自然，通过观察和实验，搜集关于自然的各种资料（即科学事实）；然后，采用一些假说或理论，把这些科学事实纳入其中，使自然得到说明。当理论与事实不符时，科学家力图通过调整假说同化这些事实或改变理论适应这此事实。
理论的整合普遍性标准调节科学朝普遍性和抽象性的垂直方向伸展。这里关心的是理论的完美，而不是搜集更多的经验资料。这个标准要求科学的经验基础（即给定的自然中有关领域内的所有已知事实）由一种具有一致性、简单性和统一性的理论来说明，也就是说理论中包含最小数量的不带特殊假设的存在公理。推动一个科学领域沿垂直方向伸展是理论家们的工作。他们的成就不在于引人注目地增加了一门科学所解释的事实的数量，而是把已经得到解释的事实整合成一种具有更高水平普遍性、抽象性和启发力量的理论。
不管科学家是否认识到这种评价机制的存在，这种科学进化评价的内在标准都在现实地起作用，无情地对科学理论进行评判与选择。不过，如果掌握了这个评价标准，注重对科学进化程度的评估，从而选择恰当的研究方式，那么就有可能减少失误。
科学进化的外在目标是满足社会的各种需要。科学总体上实用性的外在评价标准对科学进化起着调控作用，使科学的进化偏向人为的目标，尽可能地满足社会的各种需要。这种调控对整个社会而言，通常是由国家和政府来进行的。随着现代科学技术的发展，尤其是大科学、高技术的迅速兴起，发展科学技术所需的投入越来越大，社会的需求本身也变得越来越庞大和复杂。在这种情况下，国家和政府的调控就显得越来越重要、越来越突出了。这种调控作用通常以科技方针、科技政策等形式表现出来，它集中体现了国家的政治、经济、军事、文化因素对科学系统的影响。
应当强调的是，科学系统的外部控制必须在把握科学进化的规律的基础上进行。只有认识了科学发展的内在规律和进化趋势，才能制定有效的方针、政策对科学系统进行社会控制。
还应当指出，科学进化的外部控制是通过科学内部要素，特别是科学家而起作用的，因而外部控制和内部控制实质上是有机结合在一起共同发挥调控作用的。这种调控作用虽然是基于对科学进化规律的掌握，但它并没有降低科学活动的探索性，也没有完全排除科学活动中的随机性，而只是在一定的限度内，使科学的进化偏向人们所希望的目标。
The Science of Evolution and the Evolution of Science
—A Self - organization Model of the Evolution of Science
Peng Jinan
（South China University of Technology）
Yan Hong
（Zhuhai Municipal Economical System Reform Commission）
Abstract
The evolution of science is a self- organization process which includes self-stability of scientific system (such as scientific explanation) and self- organization( such
as scientific discovery).The nonlinear theory and experiments is the basis of the evolution of science.When scientific theory and experiments results coupled together,one of them is another's ‘catalysis’,they form self -
catalysis and cross - catalysis to constitute the hypercycle of catalysis.The interior cyclical synergetic action, the fluctuations trigger action and the external choice action of the system lead together to the progress of science.It means that the progress of science could be controlled.