试论科学发展的内在随机性动力，本文主要内容关键词为：随机性论文,试论论文,动力论文,科学论文，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 本文从自组织理论出发，结合丰富的科学史料，阐述了科学发展中的内在随机性动力问题，对随机性动力之必然，之类型，之源泉及其功能等方面进行了研究和探析。
关键词 随机性动力 涨落 非线性作用
科学是社会生产和人类认识活动发展到一定阶段的产物，是社会大系统和人类总的认识活动中的一个子系统。科学既是由经验（观察实验）与理性（理论思维）等要素构成的认识活动系统，也是由科学家在科研过程中形成的竞争与协同的社会活动系统，又是由科学事实、概念、定律、原理、理论及学科等构成的知识成果系统。科学是区别于政治、经济、文化和军事等外部社会系统而独立存在的自组织演化系统。科学自产生开始便有了自身的内在演化动力和发展历史。而在科学发展的内在动力系统中，随机性动力是一项必不可少亦是不可避免的重要方面。
一 随机性动力之必然
科学的发展既有确定性的动力，也有随机性的动力。确定性的动力主要包括三个方面：一是科学认识活动中的矛盾，即观察实验与理论思维间的非线性相互作用。二是科学社会活动中科学家间的竞争与协同。三是科学知识成果系统中的学科内旧理论与新理论事实间的矛盾及学科间的相关发展机制。所谓随机性动力，即指偶然性和意外性事件等不确定性因素在促成科学发现和推动科学发展中的作用。
科学发展的确定性动力和随机性动力并不是截然分开的，而是相互作用密不可分的。它们只有耦合起来才会推动科学的进步。首先，对于观察实验与理论思维的相互作用来说，随机性动力是引发问题的导火线和解决问题的钥匙，是观察实验与理论思维相互作用的纽带和桥梁。正如理论与实验的相互作用公式
（T是科学理论，E是科学家验，F是科学涨落）”，[1]它亦说明科学随机涨落F是科学理论与实验间必不可少的作用环。其次，对于科学家的竞争与协同来说，它是以科学发现的不确定性即随机性为前提条件的，因为确定型的科学发现模式并无竞争与协同可言。第三，对于学科内的旧理论与新理论事实的矛盾无疑是以理论思维与观察实验相互作用中的随机性动力为基础的。而对于学科间的相关发展机制来说，以“带头学科”为标志的不平衡发展规律正是以学科发展的随机涨落性为前提的；学科的分支演化和交叉渗透的相关生长律与科学发展的随机性涨落相伴相成。
科学发展中的内在随机性动力是不可避免、无法消除的。因为构成科学系统的子系统或要素虽受着其他子系统或要素的因果制约而具有决定性，但这种因果制约性又具有相互作用的特征，它并非单向线性的而是非线性的，这便使其具有了导致混沌的内在随机性；同时，科学整体系统在定态稳定的情况下，虽具有为大数定律决定的规则性，能消解随机的微观涨落，但在定态失稳的条件下，因系统的非线性作用关系，使其具有了多重态的不确定性和随微观的随机涨落而变的非决定性。可见，科学系统在演化中的内在随机性是不可避免的。正如普里高津所指出的“动力学方程的决定论特点和随机性涨落难解难分地连接在一起，这个必然性和偶然性的混合组成了该系统的历史。”[2]任何事物的发展演化动力因素也都是必然性（确定性）与偶然性（随机性）的对立统一。科学的发展亦是如此。在科学发展中，“随机性涨落”就是意外事实的发现，就是直觉灵感的诱发，就是科研过程中具有关键性作用的内在客观条件的偶然形成，以及由此促成的具有随机性的科学发现。
二 随机性动力之类型
科学发展中的随机性动力就是科学系统自组织演化中的随机性涨落及其关联放大。具体表现在如下几个方面。
（一）意外事实的发现促成的具有随机性的科学发现。意外事实的发现即观察实验中的机遇性发现，它是不可避免的。因为任何观察实验都是在既有的理论和目的指导下的，并根据对事物的已有认识，提出设想（确定待测量或预期现象）和制定计划（实验观测方案）的。然而观察实验又是探索未知的实践活动，对象未知的现象和规律在逻辑上或本质上都不会必然存在于已有的理论、目的和计划框架内，甚至与其相左。因此无法预见的偶然产生的意外事实就不可避免了。如果它被捕捉住，便成了导致意外科学发现的随机性动力。这种意外科学发现由于科学交流的非线性作用，会吸收越来越多的科学家进入到相关问题上来，从而引发连锁性的科学发现，又成为本学科或整个科学发展的随机性动力。
这方面的随机性动力包含两层含义：一是指意外事实的发现促成的科学发现，二是指促成科学发现的意外事实的发现。这两层含义是不能混淆的。对于前者，根据它相对于研究目的和计划而言的“意外程度”之不同，可以划分为同向性发现、背向性发现和异向性发现等三种类型。但是对于后者，只能根据它所作用的科研过程中的不同环节来划分。如果把科研过程分为研究目的、研究方案、研究实施和研究结果四个环节，那么意外事实的作用机制可以区分为五种类型。
第一是研究实施中的意外事实的发现作用于研究结果，即研究结果本身就包含着意外的科学发现。它有时被研究者意识到了，有时却并未被意识到。如尿素的人工合成是属于被科学家意识到的例子。那是1824年的一天，德国化学家维勒进行了一次他感兴趣的氰化物实验，实验结果他得到了作为氰化物的草酸，但同时他惊异地发现了未曾料到的东西即尿素，于是尿素的人工合成就这样意外地发现了。然而对于美国物理学家安德逊发现μ介子来说则是另一种情形。1937年，安德逊发现了一种质量为电子质量200倍的带电粒子，被认为是日本物理学家汤川秀树所预言的π介子，直到1947年才发现是另一种不同的基本粒子μ介子，这是科学家本人10年未意识到的。
第二是意外事实的发现作用于研究方案，使研究者重新设计实验观测方案，从而作出了科学发现。如晶体管的发明，由肖克利、巴丁、布拉顿等人组成的研究小组，“在研究晶体管的最关键的时刻，发生了实验者没有意料到的新情况，这种意外发现使他们修改方案，继续研究，终于取得了成功。”[3]
第三是意外事实的发现作用于研究实施，在偶然的无意的途径和场合中实现了原有的科研目的。如美国人古德异为克服橡胶易溶解等缺点进行了长期的探索，在一次实验时不小心把橡胶和硫磺的混合物跌落在热炉上，结果割下来时意外地得到了柔软而富有弹性的硫化橡胶，实现了多年探求的目标。
第四是意外事实的发现作用于研究目的，使研究者重新确立研究目的，即确立新的研究课题，进行研究实验，从而作出了科学发现。如伦琴在进行研究阴极射线的实验观测过程中，“偶然发现射线穿过黑纸”，这促使他对此进行了专门的实验研究，从而发现了X射线。这里就包含了两个实验研究目的：研究阴极射线和研究“射线穿过黑纸”。一般来说，这种作用类型导致的意外科学发现都属于“射獐得马”式的异向性发现。
第五是在进行非科学研究的工作或生活中，由于受到意外事实的启示，确立了某项课题进行研究，从而作出了科学发现。如1931年，美国贝尔电话实验室的工程师央斯基在搜索和鉴别各种无线电干扰信号时，无意中发现有一种在周期性时间内出现最大值的无线电信号。于是，央斯基决定揭示出这种无线电信号的奥秘，在经过近一年的跟踪分析，终于发现这种信号是人们意想不到的来自银河系中心的射电波。
（二）灵感直觉的产生促成的具有随机性的科学发现。科学研究的过程是从提出问题到解答问题的过程，而给出答案又是从“种子”观念发育到成熟观念的过程。在这一过程中，直觉灵感的作用是在“问题”与“假说或理论”之间架起一座桥梁。因为作为答案初始形态的“种子”观念往往是通过触发直觉灵感的方式获得的。随机性动力在科学发现中的作用还表现在灵感直觉的触发上。
直觉灵感通常是指突然出现的一种具有创新性认识内容的模糊观念。它常常令人感到神秘，主要是因为它的出现不是事先就意料到的，而是突然而来的随机过程，表现为“逻辑上”的跳跃。灵感直觉的产生作为科学理论发现系统的随机涨落，“它可以是外部输入即外部偶然机遇所导致，也可以是内部存贮即内部积淀意识所导致，即由内外涨落去诱发突变，从而产生直觉”。[4]
由内部积淀意识形成的内涨落使直觉思维在脑内部自组织生成的能力很强，人们只要调动脑内元素，努力思考，利用脑内部产生某些启示的触发，就能得到结果。直觉内涨落的本质是下意识或潜意识的活动，是脑内一系列非线性相互作用长期演化（思考）而产生的突变。具体表现为如下形式：一是无意遐想所产生的思想闪光而导致的内涨落。如量子力学中著名的费米统计理论，是费米在捕捉壁虎时无意遐想导致思维内涨落而获得的成功。二是潜知的闪现或潜能的激发，即由积存在大脑意识阈限下平时未发挥作勖的潜存知识所导致的内涨落。爱因斯坦的许多困绕问题都是在长期的研究思考后，在停止工作的休闲、吃饭或散步的时候顿悟的。这就是潜知或潜能的作用。三是创造性的梦幻活动所导致的内涨落。凯库勒关于苯的环状结构的发现，以及门捷列夫在“梦”中看到按应有位置排列的元素周期表，都是由梦幻所导致的思维内涨落激发突变而产生直觉的。
内涨落对形成直觉是关键的，而由外部偶然机遇所诱发的外涨落对灵感的产生亦是极其重要的。具体表现为如下两个方面形式：一是事物的相关启示，即从外部意外事实的发现中得到相关性启示所导致的外部涨落。例如，一直未经证明的牛顿对万有引力定律发现得益于苹果落地的启示，就已被翻出的英国政府历史档案所证实。二是思想点化，包括口头交谈或书刊杂志等正式交流中即从科学社会活动系统中得到某种闪光思想的提示，而获得了偶然机遇所导致的外部涨落。如达尔文偶然翻阅马尔萨斯《人口论》时，受到有关“人类生存竞争”的论述启发，而想到了“生物生存竞争”，由此深入思考而产生了关于“自然选择”的生物进化论。
（三）具有关键性作用的内在客观条件的偶然形成促成的具有随机性的科学发现。对于这一类型的随机性动力，首先必须明确的是，客观条件是内在的而非外在的，它并不是指政治的、经济的、军事的等外在的社会客观环境条件，而是在科学系统内部，在研究者从事某项科学发现的过程中，区别于研究者的主观因素而言的内在客观条件。它是针对具体的科学家和科学共同体而言的。具体包括如下几个方面：
（1）是外界偶然提供的自然条件。如贝克勒耳意外发现放射性的一个内在客观条件之一就是“连续两个阴天”。
（2）是科学家个人促成意外事实发现的无意识行为的产生。如贝克勒耳意外地发现放射性的又一个偶然形成的具有关键性作用的内在客观条件是，他把用于研究的铀盐与用黑纸包严的照相底片放在一个抽屉里。
（3）是科学家偶然采用的实验对象（材料）和工具（设施）。如居里夫妇发现“镭”过程中因沥青铀矿价格昂贵而为难时意外得到的废矿渣；弗莱明发明青霉素所得益于的条件即简陋的实验室。
（4）是科学家因科学交流中“信息”的偶然传播所导致的来自他人或自身的动力。如查德威克因受偶然发现的实验报告启发而实现了十年追寻仍未获的中子的发现。而达尔文生物进化论就离不开地质学家赖尔等在他准备单独发表华莱士的文章并放弃写作《物种起源》时的偶然知晓及其建议与劝导。
（5）是科学知识系统偶然施予的学科理论或实验基础背景。如麦克斯韦数学才能的培养就是此例。一是一次偶然的生物写生使他父母发现了他的数学兴趣并着意培养他的数学基础；二是一次极偶然的借书事件使剑桥大学数学家霍普金斯把他招收为研究生。正是这两个偶然因素使麦克斯韦以深奥的数学公式表达出法拉第的电磁学理论成为可能。[5]
（6）是科学家的偶然职业选择和合作研究的偶然形成。前者如达尔文因偶然的机会陪同英国军舰“贝格尔号”去南美海岸进行考察，而改变了他已决定从事的牧师职业。后者如创立DNA双螺旋结构的沃森和克里克的合作是偶然形成的具有关键性作用的内在客观条件。
不过，由于科学发现是个复杂的过程，特殊的内在客观条件也是极其多样的。正是由于这种多样性，使得几乎所有的科学发现都可归入这一类型，因为科学发现的不确定性就是由于其中偶然性因素的作用所造成的，在科学发现上要排除偶然性的作用是不可能的。
三 随机性动力之源泉
随机性动力是科学自组织演化过程中的必然表现。它并不是无源之水，而是有其深刻的内在根源的。根据自组织理论的观点，一个系统内部各要素存在非线性相互作用，这才能使系统内各要素产生协调动作和相干效应，通过随机涨落力及关联放大，从而使系统从杂乱无章变为井然有序。因此，科学系统的进化，内在随机性动力的产生，内部的非线性作用是具有根本性意义的。
科学是认识活动系统、社会活动系统和知识成果系统三者的有机统一体。科学的发展演化系统就是三者所包含的非线性关系相互作用所形成的非线性关系网络。它既决定了科学演化的自组织历程，也为随机性动力的作用奠定了基础。下图即为科学系统非线性关系网络。
从上图可知，科学系统的非线性关系起码有如下几个方面。
第一，科学认识活动系统中的观察实验与理论思维之间的非线性相互作用关系。这个关系表现为双方互为对方的“催化剂。”也就是说在理论形成过程中，观察实验起着检验作用和提示作用，加速了理论的形成；同理，在观察实验过程中，理论思维起着指导作用和设计作用，保证了观察实验的顺利进行，加速了观察实验的完成。理论思维和观察实验的耦合，使其相互得到对方的催化支持，从而又在更高层次上加速对方的发展。意外事实的发现、积淀意识的形成和事物相关启示引发的直觉灵感就是科学家在长期的观察实验和艰苦的理论思维的相互作用过程中才产生的。从而使科学家不断地作出发现，并以书籍或论文形式向科学社会系统输出科学假说和实验事实。当然，这里还伴随着科学家在思维时头脑中的一系列非线性相互作用过程。
第二，科学社会活动系统中科学家之间的非线性相互作用关系，也就是科学家之间的竞争与协同。竞争有发现前的竞赛奋斗和发现后的首创权之争，还有科学争论即学术观点之争、学派之争等。协同有科学交流、学派、导师制与合作研究等。这个系统是科学发展中的放大器，具有放大功能。因为它会逐步吸引越来越多的科学家进入到相关问题或领域上来，并作出连锁性发现。
第三，科学认识活动系统与社会活动系统间的非线性相互作用关系。那就是由科学认识活动系统输出的科学假说和实验事实，进入到科学家竞争与协同系统。通过竞争，首创权之争为科学家的认识活动提供“激励”，学术争论提供“问题”；通过协同，合作研究为科学家认识活动提供“智力”，学术交流提供“信息”。这些动力往往是在长期的竞争与协同过程中以偶然的随机性的方式作用于科学家认识活动的，从而加速理论思维与观察实验的相互作用。当问题不断得到解决时，科学家们又输出各自的科学假说和实验事实，重新加入到竞争与协同系统。这样循环往复，使与初始问题相关的科学论著成指数型增长。这个非线性关系是随机性发现对于科学发展所具有的功能的根源之所在。
第四，科学知识成果系统的非线性关系，包括学科内旧理论与新理论事实之间的矛盾和学科间的相关发展机制。在一门学科内部包括科学事实、科学概念、科学原理、科学定律、科学理论等要素间的非线性相互作用，“这些相互作用可以被形式地表示为一个科学演化的内在作用矩阵”。[6]学科内旧理论与新理论事实的矛盾就是其中的表现，它们孕育了潜在的“问题”，决定了意外事实的发现，也成为众多“反常”发生的内在根源，从而决定了随机性动力在科学革命中的必然性作用。学科之间的非线性相互作用表现为学科之间的相关发展机制，包括带头学科与其他与其相关的学科之间的发展和平行相关学科间的互动发展。“各门学科间相关生长，主要通过理论的转移与综合，方法的转移和综合及研究对象的转移与综合这三条途径”。[7]这种相关生长决定了带头学科的更替导致的不平衡发展规律和学科分化综合中的随机性涨落。
第五，科学知识成果系统与科学社会活动——认识活动系统间的非线性相互作用关系。当科学社会活动系统输出的科学理论和科学事实进入到学科发展演化系统中后，一方面会产生出学科旧理论与这些新理论、新事实的不和谐，从而产生出“问题”，并汇入到与其他系统的循环发展中去，这种循环发展会因一项意外事实的发现即“反常”引发出一系列的“反常”，从而导致科学革命，并将之推向纵深发展；另一方面又会产出学科之间的相关生长，从而为学科“问题”的研究提供大量的“可移植信息”（概念、理论、方法等），并也汇入到如前非线性关系的循环发展中去，这种循环发展从根本上决定了思想点化形成的直觉灵感和移植法所带来的关键性内在客观条件的形成，从而推动着一个个问题的不断解决。上述两个方面作用会催生出更多的科学理论和科学事实，从而不断地推动着科学的发展。这个系统即为科学发展演化的整个非线性关系网络。
随机性动力正是上述非线性关系系统在各个层面上发展演化到一定临界状态时才产生的。它必须以确定性动力为前提，而不是纯粹偶然机遇。一个科学家只有深置于这个非线性关系网络中去，其内在的或外在的微小涨落才会被科学非线性关系吸收并长程关联放大而形成巨涨落，才会有随机性动力的青睐与诞生。
四 随机性动力之功能
随机性动力与确定性动力耦合在一起便能推动科学技术的发展。随机性动力在科技发展中的功能主要体现为如下几个方面。
首先，它能为科技发现提供先导和线索。科学史上重大的、革命性的科学发现，几乎都包含着意外的偶然的随机性因素。英国科学家贝弗里奇就说过：“绝大部分生物学和医学上的新发现都是意外作出的，或至少含有机遇的成分；特别是那些最重要的和最革命性的发现。”其实，根据本文前面的论述，任何一项科学发现都是包含着随机性动力的机遇性发现。
其次，具有随机性的科学发现为科学假说提供了证明，从而为科学理论的诞生和发展提供内在动力。科学理论的最初形态都是以假说的形式出现的。只有假说的预言或推论得到实验证据，假说才能上升为科学理论。而实验的成功往往是离不开意外事实的发现和具有关键性内在客观条件的形成以及直觉灵感等随机性动力的。下面是科学史上具有重大意义的由随机性发现所导致的判决性实验。其一是麦克斯韦电磁理论的验证即电磁波的发现。它由德国物理学家赫兹由一个偶然现象为他提供的机遇而设置的实验所证明。这个偶然现象正是“次级火花现象”和“中性点”的偶然发现及其二者的被直觉式关联。[3]其二是新量子论的验证即德布罗意提出的电子波的发现。它在1927年被美国的物理学家戴维逊和革末，在进行从高真空中的一块镍板上撞出电子流的实验时，因液态氧瓶的突然爆炸所促成的电子衍射图的意外发现所证明。其三，大爆炸宇宙论的验证即宇宙背景辐射的发现。它被美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊于1964年，因在改进卫星通讯的工作时，无意中接收到的一种难以消除的噪声干扰所导致的非科研工作中的意外事实发现所证明。
第三，具有随机性的科学发现为科学新知识的成长提供生长点，为科学研究开辟新的领域，为科学的学科分支演化提供内在动力。比如伽伐尼对“电流效应”的意外发现，使物理学家伏打发明了“伏打电池”，宣告了一门新兴边缘学科即电化学的诞生；丹麦物理学家奥斯特对电流磁效应的偶然发现，开辟了电磁学这门新兴学科；电流效应和电流磁效应的偶然发现，成为电磁场理论发展的“晶核”，电流性质的研究和电磁理论的建立和发展正是以此为基础而迅速生长起来的。[6]其他如尿素的意外人工合成促使有机化学从“潜科学”进入“显科学”，央斯基对射电波的意外发现开创了射电天文学，世界上第一只晶体管的具有随机性发明开创了半导体物理学。近代以来，新的学科领域的开辟直接或间接地多少是由具有随机性的科学发现所推动的。
第四，具有随机性的科学发现是科学革命的动力和源泉。科学革命是科学发展的普遍环节，是科学技术不断飞跃发展的根源之所在。按照库恩的科学发展模式，科学就是在常规科学→反常→科学革命→新的常规科学……的不断循环往复中前进的。具有随机性的发现既是科学革命导火线“反常”的根源，也是推动科学革命向纵深发展的动力。比如20世纪初的现代物理学革命，正是因为科学上的意外发现引发了一系列新的发现，造成具有随机性发现的关联、会聚，从而引发了科学革命并将之推向深入发展。[6]
在库恩研究的基础上，美国哈佛大学著名科学史家I.伯纳德·科恩则从科学史角度研究了科学革命问题。科恩提出了从“智力革命”到“纸面革命”，再到科学革命的四阶段论。第一个阶段是科学家或科学小组因问题而引进了一组改变已有知识特征的概念或提出了一种革命的新理论；第二个阶段是记述新方法、新概念或新理论；第三个阶段是公开发表，传播个人的新思想；第四个阶段是新思想被最广泛地接受和运用，从而形成科学革命。在一切科学革命中，一个新的革命性的思想，都可能在前三个阶段中的每一个阶段夭折，而不发生革命。[8]
随机性涨落在科学革命的每一个阶段都可能起到至关重要的作用，并使之向新的阶段迈进，从而避免科学革命中途夭折。这是由随机性动力在科学系统的非线性关系网络中的发生所决定的，因为任何科学革命必然是在科学系统的非线性关系网络中进行的。科学革命的第一个阶段就是科学认识活动创立出科学假说的过程，它必然有引发科学问题的实验事实发现过程中具有关键性内在客观条件的形成和意外事实的发生，以及科学假说提出中的直觉灵感的诞生。第二个阶段可以说就是写作专著、论文和实验报告等过程。这个过程离不开关键性作用的内在客观条件的形成。如据牛顿在其《自然哲学的数学原理》一书的《前言》中讲，是哈雷的鼓动和皇家学会的要求才促使他写此书的。正是这一随机性因素才使牛顿革命从“智力革命”转变为“纸面革命”。第三阶段，对于书籍论文的公开发表和交流传播，内在客观条件的偶然形成也极为重要。如孟德尔的论文就是在发表交流上受阻以致生物学革命延迟。而对于达尔文，如前所述，正是地质学家赖尔等的建议和劝导才使他发表了关于自然选择概念的文章并完成了《物种起源》一书的写作，才使达尔文革命不致中途夭折。第四阶段，新思想被广泛接受与否，与作者的年龄、职业等状况以及当时权威人士的状况密切相关，从而充满偶然性。如魏格纳的大陆漂移学说就因其是“气象学家”而非“地质学家”而受到攻击和拒斥；[8]爱因斯坦的狭义相对论发表后，由于他不过是个无名小辈而未受到重视，但由于普朗克和闵可夫斯基的坚决支持，才使狭义相对论逐渐受到关注，与量子论一道掀起了20世纪初的物理学革命。[8]由此可以得出结论，随机性涨落的确是科学革命的动力和源泉，是科学革命产生和发展所必不可少、不可避免的。
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