系统科学物质观变革的基础分析*，本文主要内容关键词为：物质论文,基础论文,科学论文,系统论文，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 系统科学革命的实质是揭示“结构”的物质性，变革现行的物质观。本文分析了这一物质观的科学实验基础、哲学基础，指出这一物质观将可能诱发人类文化观念和科学形态的革命，具有重大意义。
一
众所周知，物质观是哲学本体论的核心命题，是人类认识论的基础，也是现代科学的出发点和支撑点。
系统科学的崛起，是一次新的科学革命。人们从不同的角度来分析认识和发展它，而当我们把目光聚焦于物质观这一根本性论题时[1]， 追根朔“源”，我们发现：
系统论[2]以“系统”为中心概念和研究对象， 系统是有组织的复合体，整体性是根本的特征。但整体性来源于哪里？现在人们已经认识到是由于有了“结构”，是结构把部分组装成整体而获得新质。这里，结构表现出物质的凝聚力，隐于系统背后的深层概念是“结构”。
结构的物质性表征为“结构力”的动力学效应，在贝塔朗菲那里称为“组织的力”。这正如他指出的：“组织和组织的力还没有弄清楚，这可以从当前基本粒子研究的混乱中看出，另一方面可以从所观察的结构缺乏物理学的认识和遗传密码还没有一种‘语法’中看出”，“很难理解，为什么由于不同的繁殖率，进化会超过兔、鲱，甚至细菌这些繁殖率无敌的生物。只有某种‘组织力量’进入之后，物理学才可能产生较高秩序（概率较小）的局部条件”。这种“组织的力”表现为一种目的性行为模式，但它是什么，物理学乃至整个科学都尚未揭示出来。
泡令在70年代就指出，分子层次存在集团与集团间高度选择性作用力，且仅当两集团电子性质与几何构型相适应时才表现出其特殊作用，且并不等于二集团单个原子作用能的总和。生物学认为，象生命这样高度有序的出现应该在于自组织化的过程，反过来，正是生命体这种有序结构才使得它自组织化。这里，组织的力表现为“与物质系统几何构型相关的力”，且这种结构的力与生物自组织、选择性、进化密切关联；而它是什么，现行理论都回答不出来。
生物学家认为，具有复杂层次结构的生物体在各层次都有自复制或自组装能力。各层次具有控制和协调功能是生命体的最普遍属性。而这种调控功能来源于分子本身的结构和结构变形上。例如，X衍射发现， 蛋白质内单个原子摆动可达0.05nm（相当于一个原子半径）。表面原子则可达0.2nm。生物体内催化剂——酶蛋白之一的脱氢酸， 功能是把氢原子从某分子特定部位拉下来。酶蛋白是由500 多个氨基酸组成的大分子，但脱氢酸活动中心却不到10个氨基酸。为何需构成这么大的分子呢？原来正是这种大分子结构靠自身结构变形的组织化力量起到分子水平的调控作用。
精神是一种物质形态，一种特殊的物质形态。英国汉普顿工学院史利弗教授作了具有强说服力的实验。他成功地将一只蜜蜂的脑组织注入另一只的脑中，因记忆交叉而使后者混乱不堪；注入虫卵，长成成虫带往田野，它们在20个蜂巢中选择提供脑子蜜蜂的巢，毫不迟疑地飞了进去，作为精神现象的记忆，是以实实在在的物质存在被转移了过去。
诺贝尔奖获得者R·斯佩里和J·艾克尔斯通过对大脑精神活动等的研究表明：“那些大规模的脑兴奋和所有组织化的力量和动力学性质构成精神和心灵的现象。”发现整个精神活动的动力学是因果性的“因果力量里面有因果力量，一环套一环”，它“不与较低实体的物理或化学规律相抵触”，“并且受整个分子的较大空间形状力量的控制”，并得出结论：“这表明物理学不再把世界理解为可以还原的量子力学，或者可以还原为任何其它的基本粒子和场。各种不同层次的全部性质按其形式在因果上是实在的，因而必须包括在因果的解释之中。按照这些条件，量子理论不再取代或包摄，而是补充和完善经典力学。”[3]
物质系统各层次——从原子分子水平到脑精神活动（甚至于社会各组织系统），人们都发现与物质系统结构形状相关的“结构力”，揭示并于理论描述中引入它的迫切要求。
现代物质观在牛顿那里是从对物质的最直观的性质——具有一定质量、电荷的实体（即物质的特征属性）的认识开始的，还没有与物质的时空属性联系起来。时间和空间对牛顿来说，是“绝对的”，是与物质运动演化无关的“均匀流逝”和“虚空框架”，爱因斯坦的相对论否定了牛顿的绝对时空观，揭示时空与物质运动不可分割的联系，论证了时空也是物质的基本属性，加深了人们对物质的理解：没有脱离时空而单独存在的物质，也没有脱离物质而单独存在的时空，“物质”是由它的“特征属性”和“时空属性”来共同构成的“有机复合体”。
系统科学的深入发展则使得进一步变革和深化爱因斯坦物质观成为现实和可能，其关键则是对结构物质性的揭示。其实对于结构的物质性是很容易理解的：没有不具备结构形态的物质系统，正因为以特征属性来表征的物质系统具有了结构——分布方式所呈现的“几何构型”，才印证出“空间形象”；而正因运动引起分布方式的变化以及从一结构向它结构的变革——进化，才印证出运动学时间和进化时间的“时间形象”。所以结构是物质存在的方式，是组成物质的一个基本维度，结构属性同特征属性、时空属性一样，都是物质的固有基本属性，没有脱离物质、离开时空而单独存在的结构；同样也没有脱离时空而又不表现为一定结构形态的物质；物质是由它的特征属性、时空属性、结构属性三者来共同表征；三者不可分割的有机统一体才构成所谓“物质”。所以我们说系统科学革命的实质是奠定了物质观变革的基础，[4]， 而它得到了广泛科学理论和实验的有力支持。
二
作为描述自组织现象的哈肯的《协同学》和普利高津的《耗散结构理论》均是非线性理论[5,6]。哈肯认为， “熵”刻度过分粗糙而采用“序参量”的描述，序参量的调节范围实质代表组织结构稳定态的“势力范围”，与研究混沌现象的“控制参量”相似。在进化的序级中，混沌可视为从一个稳态通往另一稳态的中介和桥梁，就如它是相变的中介暂态那样，从而表明混沌对于推动物种进化的建设性积极作用，而这种力量来源于系统内的非线性相互作用。混沌理论研究表明：在控制参量的一定范围内，不加任何随机项，系统在混沌区的行为仍表现为随机性，但却是一种“内随机性”，它深刻地揭示随机性原由的本质并是嵌于确定论框架之中的；确定论的描述是包容和可转化为随机的统计描述。描述自组织稳态和描述中介暂态的混沌应是一种统一的描述。所以进化不是偶然的产物，而是确定论的必然。非线性动力学理论不仅成为当今理论界关注的重要方向和理论前沿，且人们似乎建立起这样的信念：非线性是本质性的规律和自组织、进化、生命的动力学之源。
但非线性的本质和来源又在哪里？众说纷纭。因尚没有从上述物质观来朔“源”，所以系统科学迄今未能建立起统一的动力学理论。
《周易》是中国优秀传统文化的瑰宝，我们是否可以从作为人类文化“活水源头”的《周易》为上述物质观变革及非线性本质找到更深层次的哲学基础呢？
“人法地，地法天，天法道，道法自然”。支配宇宙万物运动进化的至上之“道”——规律，来自自然。科学自然主义是中国科学的原点，也是华夏文明的固有特色。
“道生一，一生二，二生三，三生万物”。什么是“道”？“一阴一阳谓之道”。阴阳用现代哲学的语言称之为对立矛盾的双方（即两个元素，矛盾和对立也意味着不连通、不统一，我们用两元素不加连线来表示（图1a）），但对立的双方又可以通过一个中介（也是一个元素）来连通，从而表明又是可以统一的（我们用线来表示其连通（图1a））。所以三元素是一个最基本的发育单位，故“三生万物”。但“偶中有偶”，中介元素也应有对立一方，也要通过一个中介来连通统一。三元素不是一个自封闭系统，那么一个充分发育的完善的自封闭物质系统的最少元素应是几个？只能是5个，这就是中国古代用“ 金、木、水、火、土”来标记的“五行”说，所以五行说事实上是刻划一个自封闭物质系统的“最经济模型”。
图1 周易五行与五维超空间
五行说的5元素与系统科学的元素有联系，但又有很大的区别。 在五行中是用5个元素的相“克”、 相“生”去构造和解释宇宙一切系统，所以它不是具体系统中的子系统（即系统科学中的元素），而是指覆盖一切系统的“基元性概念”，从而与物理学的物质性基元概念“同构”而可相互“映射”。
5个元素相互不独立，有
这正是狄拉克宇宙学猜想之“大数定理”的一般表述。
由周易五行说的哲学本体论及其模型理论向物理学“映射”，我们可得出如下基本结论：[7]
（一）真实的物质性物理空间是5维超空间， “结构”是其不可缺少和不可分割的一维。
（二）质量m（电荷e）的系统构建于5 维超空间并在超曲面上运动，必受来自超曲面“约束”的作用力
（四）非线性动力学可以同时描述自组织和进化，而它来自宇宙把自己组装成整体的内在非线性相互作用，因此必是包容随机性的确定论的描述，这才符合“宇宙自我创生进化”的规律和认识论。
（五）若视（2）（3）两式为“约束方程”，则描述系统的运动方程数（以单粒子的例），应是8个对时间的一阶微分方程，或2个一阶微分方程及1个三维二阶矢量微分方程。
由此可见，周易五行说不仅为上述物质观变革及非线性本源性以深刻的哲学基础，而且为现代科学如何去描述系统进化指出了具体方向。
三
上述物质观能否得到物理学的有力支持呢？
现代科学是以两根基本支柱来支撑的，它们是相对论和量子论。
1965年发现2.7K宇宙（电磁）背景辐射，继而测得地球穿过此“宇宙背景”的绝对速度为400公里/秒。射电天文学发现半径大于一光年的河外射电源（包括类星体和射电星系如2 C（，273）等）能在几个月内发生十分迅速的集体性明亮变化，这可能意味着在射电源上存在超光速相互作用。暴胀宇宙学的基本点即认为假真空的暴胀是一种超光速过程[8]。 由量子力学基础之争诱发的贝尔不等式实验检验，观测到超光速的非定域长程关联[9]。所以玻姆认为[10]， 客观世界存在着由光信号确定其联系的领域之外的新领域，在这个领域中，非定域性联系是一种更基本的真实联系，并由此建立起宇宙及系统的整体性。爱因斯坦相对论否定优越参考系（保留了背景空间是“空匣子”的牛顿观点）和光速不可超越两条基本假定面临挑战[11]；而此挑战都来自对宇宙物质系统存在的“环境”——背景场的时空结构及效应缺乏认识相关联。“真空”——即背景场不空，而是极复杂的符合逻辑的自然推理：系统科学变革了爱因斯坦的物质观，揭示出“结构”的物质性，那么前面的“结构场密度”
统计（暂只讨论非相对论性）量子论取得了巨大成功，但同样也面临挑战。从理论形态看，众所周知，仅被公认的也存在量子力学的“四种表象”、“六种解释”，且呈继续上升发展趋势。如此多的“表象”、“解释”的产生，在于众多“佯谬”于正统解释中无法自圆其说。一个正确完备的理论形态，至少应满足：①认识论和哲学本体论的正确性；②科学的连通统一性；③概念及理论运行的内在自洽性；④理论的预言性、实证性和可证伪性等。以此为判据，我们已论证统计的量子力学是不完备的[12]，兼论了海森伯关于“测不准原理的严格证明”，是前提与结论相悖的“伪结论”。如已论证的，量子力学本应、但事实上并不具备的、如图2所示的科学连通统一性[12]。 仅从这一个角度讲，量子力学也是应当继续发展的。但如何发展？前苏联50年代的量子论战使布洛欣采夫认识到，不能“在已经确立的量子概念圈子里打转”，“出路可能找到，如果我们求教于量子力学以外的现象，应当从本质上建立新的解释”[13]。
图2 量子论应满足的统一性
我们来提一个直观而又基本的问题：微观系统和微粒，在宏观尺度上，准确遵从经典规律，在微观尺度，为什么突然呈现“量子化分立”特征，违背经典规律而遵从量子规律了呢？这种间断式“跃变”，是违背宇宙内在规律的统一性要求的。若追问在描述中我们忽略了什么因素？则只有一个因素——“环境”，即背景场时空结构及其动力学效应未得到描述。著名物理学家卡普拉认为，物理学的根本缺陷之一，是缺乏对环境的考虑。考虑到统一性要求，结合上节的结论，微观系统则归结为由下述方程组描述（ρ＝ψ＊ψ）：
（4）式是薛定锷方程及其伴随方程，（5）式为描述粒子运动的动力学方程。这样处理，量子力学中相空间的几率密度ρ已被理解为刻画背景场在时空流形上强度的“结构场密度”，而薛定谔场（波函数）则被理解为“结构场”，并由此赋予了薛定谔场以物质性含义。事实上，即使采用几率波的解释，“电子云”、“原子云”所刻画的也是系统“结构”的形象；而化学家、量子生物家则用ρ的“几率等高线”来描述分子的“空间几何构型”和模拟DNA等生命物质的“空间立体构型”， ρ被理解为结构场密度不仅是很自然的，且前述得不得回答的“结构力”，则自动纳入（5）式统一描述。 为突出系统科学物质观变革的重要意义和结构对进化的强大作用， 我们称上述理论方向为系统结构动力学（SSD）。玻姆的隐参量理论事实上是一种线性的SSD理论[10]；而我们由经典、量子对应推广、从“量子变分原理”导出的（5 ）式的一种具体表述，则是非线性的[14,15]。 玻姆理论首次以“力”的形式赋予薛定谔场以物质性，“所以玻姆理论方向探索的是一条引导物理学发生真正科学革命的道路”。
“真空”不空，背景空间是极其复杂的。在宏观尺度，微粒间相互作用极弱，背景空间均匀平坦，此时
正是背景场的不平坦才造成所谓“量子化分点”特征，（5 ）式即可精确描述衍射以全面认识“波粒二重性”，并因结构是几率背后的深层次概念及
非线性力学机制的“内随机性”，自动吸纳统计量子论的积极成果，且弥补统计量子论只有状态和统计结果的描述而无过程刻画和不能认识“粒子性”一面的不足。量子层展开的最本质现象是自组织、进化和生命的产生，无论是自然选择还是DNA 的自复制都涉及到信息，生物若不能接收、储存、处理和利用信息，又怎能“趋利避害”、“适者生存”而进化呢？布里渊已论证申农的信息熵与热力学玻耳兹曼几率熵等价差一负号[16]。可见，推导出热力学基本方程与将信息的动力学机制引入物理学，打开与生命科学衔接的通道，应是镶嵌在同一理论描述之中的。维纳天才地猜想到“量子力学建立了能量与信息的新联系”[17]，而玻姆则直接把量子组态空间与信息空间相联系[10]，人们也从数学上于一个方面论证了这种联系[18]，而我们的非线性SSD 理论不仅已准确导出热力学基本方程，且于我们所定义的信息量中可以准确给出申农的概率信息，不仅从数学上论证了前述结构是信息背后的深层次概念的结论，为信息，进而为精神现象找到物质基础，且弥补了申农信息缺乏对信息“语义”、“语用”认识不足的缺陷。定义消耗单位能量的信息产出A(,p)=dH(,1)/dE为物种进化程度的“序级”，则推导出“进化方程”，表明在竞争的驱动压下，物种的进化指向提高系统智能度的方向。这不仅填补了达尔文进化论不能回答“进化目的”的理论空白，揭示出进化规律的统一性，且从宇宙自我创生进化的自然规律的本源性上去肯定了“知识是第一生产力”、“主动性”、“创造性”以及“组织管理”、“社会结构”等的物质性积极作用。可见，系统科学关于物质观变革是得到物理学有力支持的，并通过玻姆等人的工作，以及我们发表的文章的进一步阐述，将进一步论证这一新物质观将可能诱发人类文化观念和科学形态的深刻革命，而它却是运行于如图3所示的逻辑必然之中。
图3 科学性统一性必然性态势示意图
结构物质性的揭示和由此诱发的物质观变革，是系统科学革命最杰出的成果，将深刻影响人类社会和人类文化的方方面面，其意义是积极而重大的。我们深信，随此问题的深入研讨，系统科学的园地将绽开出更绚丽的花朵，结出更丰满的果实。
Analysing the Bases for the Transformation of Material Concept in Systems Science
Cao Wenqiang Liu Bo
(Lanzhou University) (Chendu Iustitute of Technology)
Abstract
Systems science revolution transforms the current material concept of our time through the materiality of "structure" revealed by systems science.The bases for the new material idea in scientific experiments,philosophy and sciences were discussed.This paper holds that the new material concept will bring out a revolution in human culture and science.
注释：
*本文为甘肃省自然科学基金资助课题