從有序走向有序突現(xiàn)、分層與對(duì)稱性破缺

從有序走向有序突現(xiàn)、分層與對(duì)稱性破缺

20世紀(jì)，隨著自然科學(xué)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(jìn)展和各種經(jīng)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(duì)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(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)模型。對(duì)稱性思想近乎神話般神奇,以至于人們沉迷于對(duì)稱性的發(fā)現(xiàn)。然而,盡管對(duì)稱性在物理學(xué)中起著巨大的本體論、認(rèn)識(shí)論和方法論的作用,但科學(xué)家的研究越來越展示了這樣一個(gè)事實(shí):對(duì)稱性破缺一樣具有重大的科學(xué)意義,每一次對(duì)稱破缺都可能有新質(zhì)的突現(xiàn),從而使自然系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)躍上一個(gè)新的臺(tái)階。1自然界的有序演化是對(duì)稱破缺的結(jié)果20世紀(jì)以來的科學(xué)發(fā)展表明,天體演化、地球變遷、物質(zhì)構(gòu)成、生命進(jìn)化、社會(huì)發(fā)展,可以說就是一個(gè)從完全對(duì)稱到對(duì)稱性逐步喪失、非對(duì)稱性逐步形成的過程,也是一個(gè)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(gè)意義上,我們領(lǐng)悟到了“非對(duì)稱創(chuàng)造了世界”。也就是說,現(xiàn)實(shí)世界具有對(duì)稱破缺的性質(zhì)。對(duì)稱破缺產(chǎn)生了序,通過序我們可以追蹤物質(zhì)世界的演化。序和對(duì)稱密切相關(guān)。完全的對(duì)稱、均勻、各向同性是無序可言的。只有對(duì)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(shí)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(diào)?，F(xiàn)在的情況是不均勻,不對(duì)稱才算有序。另外,序與對(duì)稱性是反向消長的關(guān)系,對(duì)稱性越大,有序性越低;對(duì)稱性越小,有序性反而越高。所以,我們可以用對(duì)稱程度來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有序性。系統(tǒng)要走向有序,就必須打破平衡,使對(duì)稱性發(fā)生破缺。有序是對(duì)稱破缺的結(jié)果。正是對(duì)稱性的破缺,才使系統(tǒng)與周圍環(huán)境發(fā)生作用,產(chǎn)生了局域的序的突現(xiàn),有了自己演化的歷史。“這就導(dǎo)致了一種新的物質(zhì)觀。在其中,物質(zhì)不再是機(jī)械論世界觀中所描述的那種被動(dòng)的實(shí)體,而是與自發(fā)的活性相聯(lián)的。這個(gè)轉(zhuǎn)變是如此深遠(yuǎn),所以……我們真的能夠說到人與自然的新的對(duì)話?！睆暮暧^演化序列來看,物質(zhì)層次是由一個(gè)大系統(tǒng)整體(宇宙、總星系)通過不斷的對(duì)稱破缺、內(nèi)部分化和自組織,從而不斷增加內(nèi)部的復(fù)雜性而形成的。這是一個(gè)在下向因果關(guān)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(tuán),它們碎裂為各個(gè)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(fù)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(huì)。對(duì)這個(gè)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(guān)系、脈絡(luò)解釋中才能理解。在這個(gè)意義上,我們是一個(gè)整體論者。從微觀演化序列來看,物質(zhì)層次主要是通過不斷地自會(huì)聚和自組織,突現(xiàn)出愈來愈復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)而形成的。這是一個(gè)在上向因果關(guān)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(xì)胞、器官和生命個(gè)體,等等。在這個(gè)意義上,我們是一個(gè)還原論者,著重從微觀還原分析中對(duì)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(guān)的。它們緊密聯(lián)系、相互依存而又互相對(duì)應(yīng)。宏觀演化是微觀演化的大舞臺(tái)和大環(huán)境,而微觀演化則是宏觀演化的基礎(chǔ)與內(nèi)部機(jī)理。如果不是宏觀演化進(jìn)行到某個(gè)階段、恒星內(nèi)部引力收縮、造成幾十億度的高溫條件,就不會(huì)有微觀上合成重原子核的演化;而沒有這個(gè)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(fù)雜化過程,而是宏觀分化與微觀整合的協(xié)同過程。可見,自然界的有序演化都是對(duì)稱破缺的結(jié)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(duì)稱破缺的有序演化過程中,首先我們要強(qiáng)調(diào)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(zhì)(結(jié)構(gòu)、功能)。這個(gè)性質(zhì)并不存在于任何單個(gè)要素當(dāng)中,只因系統(tǒng)在低層次構(gòu)成高層次時(shí)才表現(xiàn)出來,所以形象地稱為“涌現(xiàn)”。美國生物學(xué)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(jìn)化的每一階段上都有新的性質(zhì)、新的事物突然地、神秘般地被創(chuàng)造出來。”系統(tǒng)功能之所以往往表現(xiàn)為整體大于部分之和,就是因?yàn)橄到y(tǒng)涌現(xiàn)了新質(zhì)的緣故,其中“大于部分”就是涌現(xiàn)的新質(zhì)。人們對(duì)突現(xiàn)現(xiàn)象的研究萌芽于生物學(xué),濫觴于人工智能、混沌理論和復(fù)雜性研究。隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展,突現(xiàn)問題在物理學(xué)前沿以至社會(huì)科學(xué)中日益興盛起來,“突發(fā)性”、“間斷性”、“不可預(yù)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(gè)演化論的概念,它表征系統(tǒng)的“整體性”從潛在的有(無)到實(shí)在的有的創(chuàng)生過程。自然系統(tǒng)演化過程的展開,本質(zhì)上就是系統(tǒng)的對(duì)稱性不斷破缺,系統(tǒng)的新質(zhì)逐級(jí)突現(xiàn)的結(jié)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?yàn)橄到y(tǒng)要素組成系統(tǒng)的關(guān)系如此密切,以至于它形成了要素之間特定的模式、構(gòu)型或組織與結(jié)構(gòu)。一旦形成,它對(duì)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(zhì),使它們整體地組織協(xié)調(diào)起來,作為整體而行動(dòng),并與其他事物以及環(huán)境發(fā)生關(guān)系。這時(shí)整體就變成一種新的實(shí)體,出現(xiàn)了組元集合所不具有的特殊性質(zhì),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(jī)制和新的語言來對(duì)其進(jìn)行描述。這就是突現(xiàn)性質(zhì)的首要特征,即它的(本體論的)整體性特征。下面,我們看一個(gè)上向因果關(guān)系和下向因果關(guān)系同時(shí)發(fā)生作用的例子:雪花晶體的六角形對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)整體的形象,是由組成它的水分子的微觀物理化學(xué)性質(zhì)決定的。這種晶體結(jié)構(gòu)一旦形成,其中的分子就受到嚴(yán)格的限制,被約束在對(duì)稱結(jié)晶形狀所允許的位置上。如何解釋這種現(xiàn)象?可以運(yùn)用動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的吸引子來說明。它的動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)軌線只能進(jìn)入它而不能離開它。但是,由于非線性作用機(jī)制,系統(tǒng)的初始狀態(tài)以及系統(tǒng)最終達(dá)到哪個(gè)吸引子都是非決定性的。一些微小的漲落都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)走向一個(gè)吸引子而不走向另一個(gè)吸引子;但是一旦達(dá)到某個(gè)吸引子,系統(tǒng)就喪失了它的自由度,不能走出這個(gè)吸引子,而被嚴(yán)格限定在那里。這時(shí),這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)最終落入哪個(gè)吸引子是不可預(yù)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(gè)系統(tǒng)方程的解就嚴(yán)格地支配著分子的運(yùn)動(dòng)。這種情況很像社會(huì)學(xué)中個(gè)人與社會(huì)的關(guān)系。社會(huì)是由個(gè)人組成的,理性、自利的個(gè)人相互博弈,產(chǎn)生了社會(huì)契約和社會(huì)規(guī)范,這是由個(gè)人所決定的。這個(gè)觀點(diǎn)無論是方法論的個(gè)人主義還是其他社群主義都可以接受。但是,社會(huì)契約與社會(huì)規(guī)范是從個(gè)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(duì)個(gè)人的行為施加一種約束力,盡管這種約束力有時(shí)是個(gè)人沒有預(yù)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(guān)系的一種最重要的特征。突現(xiàn)的下向因果關(guān)系符合一般因果作用的概念,但又有它的具體特點(diǎn),它是高層次系統(tǒng)對(duì)低層次組分的一種結(jié)構(gòu)約束力、調(diào)節(jié)控制力和環(huán)境選擇力。這種下向因果關(guān)系的作用,在社會(huì)生活中最為明顯。人是“一切社會(huì)關(guān)系的總和”,支配個(gè)人行動(dòng)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(huì)的經(jīng)濟(jì)規(guī)律以及政治的、法律的、道德的社會(huì)規(guī)范和社會(huì)規(guī)律。個(gè)人的個(gè)性及其價(jià)值系統(tǒng)固然是基因的產(chǎn)物,但更多的還是來自社會(huì)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(jià)值:基因與環(huán)境的影響》對(duì)同卵孿生兄弟姊妹的一項(xiàng)研究表明,他們(或她們)的價(jià)值觀念40%來自基因,60%來自家庭、學(xué)校、民族文化、社會(huì)環(huán)境等社會(huì)系統(tǒng)。所以我們說,突現(xiàn)性是通過跨層級(jí)規(guī)律(trans-ordinallaw)得以確認(rèn)的,每一次突現(xiàn)都至少是一個(gè)跨層級(jí)規(guī)律的結(jié)果。3分層造成了物質(zhì)系統(tǒng)的豐度和結(jié)合度的遞減層次(hierarchy)與突現(xiàn)是一個(gè)問題的兩個(gè)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(zhì)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(jí)上,從而顯示出“突現(xiàn)”的各種典型特征。換句話說,層級(jí)之間的區(qū)別是整體與部分之間的區(qū)別達(dá)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(jié)果,是對(duì)稱破缺后的一種表現(xiàn)。系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)對(duì)要素進(jìn)行約束,以及要素之間的自組織動(dòng)態(tài)整合,產(chǎn)生穩(wěn)定的突現(xiàn)性質(zhì),于是構(gòu)成了這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)體。這些系統(tǒng)實(shí)體又可以作為要素或子系統(tǒng)通過相互耦合、相互會(huì)聚,形成新的突現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性質(zhì),組成更高一級(jí)的層次系統(tǒng),由此而層層突現(xiàn)出新事物、新組織、新結(jié)構(gòu)。因而,所謂層次,是指系統(tǒng)所屬類別的一個(gè)系列,是系統(tǒng)類之間的一層套一層的關(guān)系,是系統(tǒng)對(duì)稱性破缺后突現(xiàn)的結(jié)果。在系統(tǒng)有序演化的過程中,這種突現(xiàn)性質(zhì)層出不窮,與所謂“組合爆炸”有密切關(guān)系。原子這個(gè)層次系統(tǒng)的種類只有108種(包括不穩(wěn)定的原子在內(nèi)),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(gè)多元化的世界。在這個(gè)多元化的世界里,各層次物質(zhì)系統(tǒng)的豐度是遞減的。這個(gè)關(guān)系可以表述如下:系統(tǒng)層次愈高,該層次的物質(zhì)系統(tǒng)在宇宙中的豐度愈少,而其結(jié)構(gòu)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(gè)物質(zhì)系統(tǒng)由簡單到復(fù)雜、物質(zhì)層次結(jié)構(gòu)由低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展過程。這里所謂高級(jí)層次和低級(jí)層次,是按照對(duì)稱程度定義的。若對(duì)稱程度S,S1>S2,則S1是比S2低級(jí)的層次。自然界具有由低級(jí)發(fā)展到高級(jí)的趨勢。但是,并不是宇宙中所有的物質(zhì)都參與這種由簡單到復(fù)雜、由無序到有序、由低級(jí)到高級(jí)的前進(jìn)上升的全過程。物質(zhì)的層次愈高級(jí),該層次的物質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)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(chǎn)生生命的條件。而在這些具備產(chǎn)生生命條件的行星中,又只有極小部分的物質(zhì)變?yōu)樯镔|(zhì)(它的豐度占銀河系總質(zhì)量的10-19),而生命物質(zhì)中最后又只有很小的一部分演化為人腦。這樣一部物質(zhì)發(fā)展史向我們證明:只有一少部分物質(zhì)參與了由低級(jí)到高級(jí)發(fā)展的全過程,物質(zhì)系統(tǒng)的豐度與高級(jí)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(xué),但經(jīng)過玻爾茲曼(L.E.Boltzmann)的統(tǒng)計(jì)解釋,已超出了熱力學(xué)的范圍。例如,我們說一滴墨水滴進(jìn)水里,只能看到它向四周均勻擴(kuò)散,卻從來沒有看到過擴(kuò)散于一盆清水中的墨水會(huì)自發(fā)地集中起來,跳出水面,返回鋼筆尖里。由于對(duì)付不了熵增的壓力,動(dòng)植物的生命個(gè)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(huì)重新組織起來成為一個(gè)活人,這些都是熵增的作用。一個(gè)社會(huì)如果沒有很好的制度和理念加以組織,它就會(huì)走向混亂。例如,失業(yè)增加、犯罪率提高、恐怖活動(dòng)四起、全球氣候變暖,就是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)的熵增現(xiàn)象。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的第二個(gè)顯著特點(diǎn)是結(jié)合度的遞減律,它是由美國物理學(xué)家韋斯科夫(V.F.Weisskopf)1956年提出的。他認(rèn)為,特定層次系統(tǒng)的尺度與它的結(jié)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(jié)合能愈大,結(jié)合能與被結(jié)合要素的靜能的比例也愈大,它們結(jié)合得就愈牢固。如果不是這樣,系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)就不可能形成。設(shè)想如果殺死我們身體內(nèi)的細(xì)菌的溫度或能量(就像人們因病發(fā)高燒來殺死細(xì)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(huì)有低層次系統(tǒng)的存在。所以,這個(gè)關(guān)系可以看作是系統(tǒng)層次的一個(gè)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(zhì)系統(tǒng)的尺度L與它的組成要素之間的結(jié)合能E有反比關(guān)系,即L×E=k≈10[-7]㎝。20世紀(jì)70年代,美國系統(tǒng)哲學(xué)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(qiáng)的結(jié)合力(如核力與電力結(jié)合成原子結(jié)構(gòu)),而高層次系統(tǒng)明顯地是由較弱的結(jié)合力造成的(有機(jī)體有化學(xué)鍵,群體與生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)合則依靠位置的結(jié)構(gòu),共生行為是由基因編碼造成,社會(huì)系統(tǒng)的結(jié)合通常要求有價(jià)值、規(guī)范和法律等)。”由此,他將自然界的物質(zhì)系統(tǒng)劃分為次有機(jī)組織、有機(jī)組織和超有機(jī)組織三個(gè)等級(jí)。所謂“次有機(jī)組織”,是指物理、化學(xué)、天文學(xué)、地學(xué)所研究的實(shí)在對(duì)象;“有機(jī)組織”,是指生物科學(xué)研究的實(shí)在對(duì)象;“超有機(jī)組織”,是指社會(huì)科學(xué)所研究的實(shí)在對(duì)象。這種推進(jìn)表現(xiàn)為系統(tǒng)之上再疊加系統(tǒng),組成了一個(gè)連續(xù)的等級(jí)結(jié)構(gòu)。1986年,拉茲洛在《進(jìn)化——廣義綜合理論》一書中寫道:“當(dāng)我們從初級(jí)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(qiáng)有力地牢固地結(jié)合在一起的系統(tǒng)走向具有較弱和較靈活的結(jié)合能量的系統(tǒng)。具有強(qiáng)大結(jié)合力的相對(duì)小一些的單位就好像是在構(gòu)造較高組織層次上的、較大的并且結(jié)合能較弱的系統(tǒng)時(shí)所用的建筑板塊一樣。所構(gòu)成的這些系統(tǒng)又依次成為構(gòu)造體積更大、組織層次更高、結(jié)合得更松的單位的建筑板