非线性科学与决定论自然观的变革，本文主要内容关键词为：自然观论文,决定论论文,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。
20世纪下半叶出现的非线性科学是理论自然科学的重大发展。有的物理学家认为，它是20世纪继相对论、量子力学之后的又一次革命。非线性科学的出现标志着，人类认识自然由线性现象进入非线性现象。那么它所揭示的新现象及其规律性是否将引起决定论自然观的变革？以及如何变革？这是科学前沿提出的重大哲学问题之一。
本文首先说明何谓非线性科学及其意义，然后概述非线性科学引起的争论，最后阐述建立确定性混沌自然观。
一、非线性科学及其意义
（一）何谓非线性科学
我们知道，客观事物是复杂的，而人们总是通过简化复杂事物来认识的，这种简化叫作理想化或线性化。例如，用拉直的皮尺量度弯曲的道路，就是一种线性化方法。它在一定条件下，近似地甚至准确地反映客观事物。可是，当社会或科学的发展要求人们更准确地反映客观事物的时候，就暴露出线性化方法的局限性。这就促使人们去考虑制约事物的更多因素，因此就产生非线性问题。
例如，人口增长是受增长率、食物供应量、迁徙、自然灾害、战争等因素影响的。如果把这些因素都考虑进去，可能就无法建立人口增长的数学模型，即使建立了，在以前的科学发展水平下，也无法求解。所以，18世纪英国经济学家马尔萨斯从影响人口增长的诸多因素中抽出人口增长率，舍弃其他因素，建立人口增长的数学模型。据此得出结论：人口是按几何级数增长的。现在看来，马尔萨斯关于人口增长的数学模型只适合于人口增长的短期预测，不能用于长期预测。因为他忽略的因素太多了，不能反映人口变化的真实情况。如果考虑某一地区或国家人口赖以生存的生活资料的有限性，那么人口增长的数学模型就应求出该地区的资源所能供养的最大人口数α／β。它说明了人口不能无限制地增长。这就是著名的逻辑斯蒂模型（或方程），它是一个非线性方程。
人口增长这个例子说明，如果我们要更准确地反映客观事物的变化规律，就必须考虑更多的因素，那么建立的数学模型就可能是非线性方程。说到这里，读者对“线性”、“非线性”这些概念可能有了感性认识。但是，准确地说，所谓“线性”是指方程或函数只含一次方（幂）的项，它的图像表示为一条直线；所谓“非线性”是指方程或函数含高次方（幂）的项，它的图像就不是一条直线。非线性科学的“非线性”，就是借用数学语言，表示其研究对象的数学模型是非线性方程。人口增长这个例子，从道理上说明了，当人们研究复杂（受多种因素制约）事物时，就会出现非线性问题。事实上，20世纪下半叶，许多自然科学家在各自的研究领域都发现大量不同形式的非线性现象或问题，迫切要求从科学上给予解决。非线性科学正是适应这一需要而产生的。
但是，一般认为，真正促使非线性科学诞生的是三个重要发现：
1963年，美国气象学家E.N.洛伦兹在数值天气预报中，通过计算机数值实验发现，确定性非线性方程存在着既确定又随机的混沌。
1965年，数学家N.J.查布斯基和M.D.克鲁斯卡尔在应用KdV方程研究等离子波中，通过计算机数值实验发现了孤立子。
1975年，数学家B.B.曼德勃罗特在研究大量不规则的几何形态后，发现在规则形态与无规则形态之间存在一类“粗糙和自相似”（即无规则中的有规则）的形态，并称之为“分形”。同时，创立以分形为研究对象的分形几何，发表《分形对象：形、机遇和维数》一书。
非线性问题在数学和力学中早已存在，从前人们只能对具体问题采取特殊的技巧或算法个别地解决，没有认识到它们之间的内在联系，不能用解析方法一般地处理。20世纪60年代以后，随着研究非线性现象的深入，人们找到了求解一大类非线性偏微分方程的反散射方法。这就促使人们去研究各门自然科学的非线性现象的共性及其定量的研究方法，从而建立一门新的交叉学科——非线性科学。
（二）非线性科学的意义
科学家迄今已经发现，非线性现象的三大普适类：混沌(chaos)、孤立子(soliton)、分形(fractal)。非线性科学对这些普适类的研究构成非线性科学的三大理论前沿，并揭示出自然界许多新的现象、事实和规律。例如，确定性非线性方程产生既确定又随机的混沌、混沌中周期窗口的有序排列、费根鲍姆常数、奇怪吸引子的整体稳定性与局部不稳定性、分形的局部与整体的自相似性、标度不变性、简单性产生复杂性……。
正因为非线性科学发现了具有革命性意义的新的现象、事实和规律。因此，有的科学家认为，混沌学的创立是20世纪物理学的第三次革命；分形几何是继微积分以后的又一次革命；孤立子理论的发展预示着物理学与数学的统一。所以，非线性科学一出现就引起学术界和许多国家的重视，现在对非线性科学的研究方兴未艾。
从哲学上看，非线性科学的意义是，它揭示出自然界存在着一类新的、更普遍的、既确定又随机的混沌现象及其特有的非线性规律，说明世界本质上是非线性的；从而把自然现象及其规律性由两种（必然性现象及其动力学规律、偶然性现象及其统计规律）扩大到三种（增加既必然又偶然的混沌现象及其非线性规律）；并且从科学方面说明了三种现象的转化关系。自然现象及其规律的新发现，必将引起人们自然观的变革。
二、哲学争论
我们知道，近代科学出现以后，人们认识到自然界存在着必然与偶然两类现象，以及反映必然现象规律性的动力学规律和反映偶然现象规律性的统计规律。对这两类现象及其规律性的关系的不同解释，曾经出现过机械决定论、辩证决定论和非决定论（它实际上是与机械决定论相对立的另一种形而上学自然观——统计决定论）三种自然观。非线性科学发现的既必然又偶然的混沌现象及其非线性规律，必然冲击原有的自然观，引起新的争论。
从争论的表现形式上看，涉及非线性科学是否引起决定论自然观的变革以及如何变革？根据已经发表的观点，可以分为两类四种观点：
1.非线性科学并没有否定决定论自然观。维之的文章认为，“现代科学并未真正否定严格因果关系的存在。我们仍然可以坚持因果关系普遍有效的信念。”法国哲学家A.布多认为，“混沌学并不否定拉普拉斯关于无所不包的魔鬼的虚幻，尤其不否定作为混沌学论据的决定论的理想。再有，混沌学不但远未与这一理想决裂，它还通过把决定论的领域拓展到以前被归为偶然的事物的那些领域，来证实并强化这一理想。”
认为非线性科学必然引起自然观变革的观点中，又可以分为三种情况。
2.把非线性科学歪曲为非决定论。普利高津发现科学的网孔滑掉大部分具体世界（即混沌世界），认为需要重新表述自然法则。但他实际上是把混沌现象解释为偶然性，认为“新自然法则无论是在微观层次还是宏观层次都处理事件的概率。”因此，他为了在物理学中实现波普尔的形而上学之梦——“非决定论与实在论是相容的”，从“混沌”、“波函数”这些概念中概括出“概率”、“概率性”概念，作为新自然法则的基础；排除经典力学的轨道方法，主张用统计方法描述混沌、用概率重新表述物理定律。于是，他把新自然法则表述为：“它不再基于确定性，而基于概然性。承认未来不被确定，我们得出确定性终结的结论。”并宣布自己是非决定论者。
3.变革是决定论与非决定论的调和。郑玉玲在《必然性与偶然性》一书中认为，“科学本体论（或科学哲学）层次上的所谓决定论一非决定论之争，实际已经没有争论焦点。……在严格决定论规律与概率论规律之间存在着互补、交叉、重合、综合以及复杂综合等等密不可分的关系。科学本体论上长期存在的决定论—非决定论之争是到了可以澄清、消解的时候了。”宋伟在《因果性、决定论与科学规律》一文中认为，“现代自然科学的发展使决定论显现出局限性；……偶然性与必然性一样也都体现自然界的本质属性，非决定论所描述的自然图景更富科学性和时代性。决定论与非决定论的对立只具有相对的意义，它们的结合与互补才能更准确地反映规律性。”
4.需要新的混沌自然观。混沌学家郝柏林院士认为，“决定论还是概率论？二者的关系可能是非此即彼，亦此亦彼。更真实地反映宏观世界的观念应是基于有限性的混沌论。”数学家I.斯图尔特在《上帝掷骰子吗？》一书中“叙述一个这样的螺旋环：混沌让位于秩序，秩序又产生新形式的混沌。但在这种‘摆的摆动’过程中，我们不求破坏混沌，而图驾驭混沌。”由此可见，一些科学家从自己的研究中意识到需要新的自然观。
三、建立确定性混沌自然观
面对非线性科学是否变革决定论自然观以及如何变革的问题，怎样运用辩证唯物主义的基本原理作出科学的回答，这是当前马克思主义哲学工作者的一个历史任务。
恩格斯说，“随着自然科学领域中每一个划时代的发现，唯物主义也必然要改变自己的形式。”因此，混沌现象及其非线性规律作为一个划时代的发现，必然引起现有自然观的变革，否则就无法容纳新现象、新规律。那么如何变革呢？根据非线性科学揭示的三类现象及其规律性的关系，以及混沌现象及其非线性规律的普遍性，从辩证唯物主义的观点看来，新自然观必须既表达混沌现象及其非线性规律的普遍性，又反映三类现象及其规律性的辩证关系。这是建立新自然观的原则。
下面将根据这一原则，尝试建立一种新的自然观——确定性混沌自然观。
（一）确定性混沌自然观的提出
既然非线性科学揭示了自然界存在着三类现象及其规律性，以及它们的转化关系，而且证明了，混沌现象及其非线性规律的普遍性，说明物质世界本质上是非线性的；而确定性现象及其动力学规律和随机性现象及其统计规律是作为混沌现象及其规律性的矛盾转化的结果而出现的。那么，根据建立新自然观的原则，以及混沌现象及其非线性规律的普遍性，我们把新自然观概括为“确定性混沌自然观”，即确定性混沌自然观是对既必然又偶然的混沌现象及其非线性规律的普遍性的哲学概括，而把必然现象及其动力学规律和偶然现象及其统计规律作为混沌现象及其非线性规律的矛盾转化结果，包含在自身之中。
（二）“确定性混沌”的名词解释
1.关于确定性混沌自然观中的“混沌”一词的含义问题。笔者曾经从混沌是自然界的一种普遍现象出发，论述过一种新的自然观——混沌自然观。当时所用的“混沌”一词的含义，取自“既确定又随机的混沌”一词。现在看来，它过于专业，需要解释，否则无法与日常用语表示无序的“混沌”一词相区别。因此，现在采用的是日常用语中“混沌”一词的含义（即含有偶然性或随机性的意思），比较通俗，无需再作解释。在“混沌”一词前加一个限定词“确定性的”，就成了“确定性混沌”。这就可以反映非线性科学中既确定又随机的混沌的意思，或者说，在哲学上表示既必然又偶然的意思。
2.为何把新自然观叫作确定性混沌自然观，而不叫作什么决定论呢？因为，(1)决定论在历史上有各种不同的表现形式（原始社会的神秘决定论、古代的朴素唯物决定论、中世纪的神学决定论和近代的机械决定论、辩证决定论、非决定论），但它们都有一个共同的观点：自然界是有规律的。这种规律性表现为动力学规律或者统计规律。非线性科学则说明自然界本质上是非线性的，它所遵循的主要是非线性规律；同时说明，非线性规律既不同于动力学规律，也有别于统计规律，它是表达既有规又无规或既无规又有规的一种新的规律性。因此，不能用“决定论”概括。(2)在考虑到混沌现象及其非线性规律的普遍性的同时，又要区别于早期原始人把世界看成是无规律的、偶然性混沌的非决定论自然观。因此，我把新自然观概括为确定性混沌自然观，这就可以反映自然观的否定之否定发展过程：原始人的偶然性混沌的非决定论自然观—→各种形式的决定论自然观—→现代的确定性混沌自然观。
（三）确定性混沌自然观的基本观点
我们虽然定义了确定性混沌自然观，但它过于概括，需要进一步说明它所包含的基本观点，才能具体反映三类现象及其规律性之间的转化关系。
1.物质世界的基本自然现象则确定性混沌现象。既然自然界存在着三类现象及其转化关系，而且确定性混沌是普遍的，那么反映确定性混沌现象的普遍性，就是确定性混沌现象是物质世界的基本自然现象，而作为非基本自然现象的必然现象和偶然现象则是确定性混沌现象中的必然与偶然的矛盾转化结果。
2.“确定性混沌”表示基本自然现象是必然与偶然的对立统一体。
确定性混沌表示自然现象是必然与偶然的对立统一。必然与偶然作为矛盾双方，相互依存、互为存在的前提，共处于一个矛盾统一体之中；并且在一定条件下，向自己的对立面转化。
必然与偶然矛盾双方斗争和转化的结果，使自然现象呈现出三种形态：当必然性占据支配地位时，呈现出必然现象；当偶然性占据支配地位时，呈现出偶然现象；当必然与偶然处于交织状态或不分主次时，呈现出确定性混沌现象或非线性现象。这时，它们构成了现象因果联系的三种形式：必然联系、偶然联系、确定性混沌联系或非线性联系。必然、确定性混沌、偶然这三类现象之间，在一定条件下，两两存在着相互转化的关系。
不过，这三类现象、三种因果联系都不是等量齐观的。因为确定性混沌现象的普遍性，所以，作为独立存在的必然现象和偶然现象并不是像确定性混沌现象那样大量地存在。另一方面，必然现象与偶然现象作为从确定性混沌现象分化出来的、独立形态的对立两极，也在一定条件下相互转化，但不能直接转化，而必须经过“确定性混沌”阶段才能实现转化。
3.确定性混沌作为有序与无序的对立统一体，它遵循特有的非线性规律。
确定性混沌作为对非线性科学中既有序又无序的混沌概念的哲学概括，它反映混沌现象特有的非线性规律。非线性规律表达非线性现象或非线性因果联系的内在的、定性的规律性。这样，三类自然现象及其相应的三种因果联系各有其规律性。动力学规律反映或表达必然现象或因果必然联系的内在的、定量的规律性；统计规律反映或表达偶然现象或因果偶然联系的外在的、定量的规律性；非线性规律反映或表达非线性现象或非线性因果联系的内在的、定性的规律性。但是，这三种规律性不是等量齐观的，根据确定性混沌现象的普遍性，那么非线性规律是客观世界的基本规律，而动力学规律和统计规律则是非基本规律。
自然规律的这三种形式虽然各有区别，但是，它们又存在一定的联系。这种联系是通过它们各自所反映或表达的现象或因果联系及其相互转化表现出来的。也就是说，既然必然现象、确定性混沌现象、偶然现象三者之间，在一定条件下，两两存在着相互转化的关系，那么反映它们的三种规律性（动力学规律、非线性规律、统计规律）也必然在一定条件下，存在着两两相互转化的关系。不过，由于必然现象与偶然现象不能直接转化，而必须通过“确定性混沌”阶段才能实现转化，所以反映这两类现象规律性的动力学规律与统计规律也不能直接相互转化，同样必须通过一个“非线性规律”的中介阶段才能实现转化。
总之，确定性混沌自然观是对混沌现象及其非线性规律的普遍性的哲学概括；它把必然现象及其动力学规律和偶然现象及其统计规律作为确定性混沌现象中的既必然又偶然的矛盾双方斗争和转化的结果，包含在自身之中；它说明物质世界本质上是非线性的，物质运动的规律性主要表现为非线性规律；事物或现象存在着必然、偶然、确定性混沌三种因果联系形式，它们各有其规律性；必然现象、偶然现象、确定性混沌现象，以及反映它们的规律性的动力学规律、统计规律、非线性规律具有辩证关系。
因此，确定性混沌自然观的建立，使得自然观的发展呈现出否定之否定过程：原始人的偶然性混沌的非决定论自然观—→各种形式的决定论自然观—→现代的确定性混沌自然观。