16—18世紀，唯物主義的勝利是同自然科學，特別是力學的誕生和發(fā)展緊密地聯(lián)系在一起的。
哥白尼日心說的確立是對統(tǒng)治歐洲兩千多年的神創(chuàng)論的唯心主義世界觀的第一個致命的打擊。伽里略開創(chuàng)了經(jīng)驗自然科學，他第一個用望遠鏡觀察天體，通過實驗發(fā)現(xiàn)了自由落體定律和慣性定律，奠定了經(jīng)典力學的基礎，有力地支持了哥白尼的日心說。開普勒發(fā)現(xiàn)了行星運動三定律，進一步充實了哥白尼的學說。最后，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力和力學的三定律，證明地上的物體和天上的星體都統(tǒng)一地服從具有數(shù)學精確性的自然規(guī)律，給唯物主義的世界觀奠定了堅實的科學基礎。
這一時期的唯物主義，主要包括17世紀英國的經(jīng)驗哲學和18世紀法國的自然哲學，一方面正確地肯定了世界的物質(zhì)性，運動及其規(guī)律的客觀性，但另一方面又囿于當時的力學成就，帶有形而上學和機械唯物論的局限性，并且留著一條神創(chuàng)論的尾巴。這后一方面的主要事例是牛頓的絕對時空，拉普拉斯的機械決定論和牛頓保留的上帝給予宇宙的“第一推動力”。
19世紀馬克思和恩格斯創(chuàng)立的辯證唯物主義也是建立在當時自然科學的新的偉大成就的基礎之上。
康德關(guān)于太陽系演化的星云學說在上述機械唯物主義的世界觀上面打開了第一個缺口。接著，地質(zhì)學和古生物學的發(fā)現(xiàn)證明地球及其生物有逐步演化的歷史。門捷列夫的元素周期表的發(fā)現(xiàn)又顯示出，組成物質(zhì)的幾十種元素，有周期性的演變規(guī)律。最后，給新的辯證的自然觀以直接推動的是自然科學的三大發(fā)現(xiàn)：細胞學說，能量守恒和轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及達爾文的生物進化論。
這種辯證的唯物主義的哲學一方面有力地論證了自然、社會和人類的思維都統(tǒng)一地服從黑爾格原先唯心地揭示的辯證的發(fā)展規(guī)律——對立統(tǒng)一規(guī)律，量變過渡到質(zhì)變的規(guī)律和否定之否定規(guī)律；但另一方面，它仍然不可能超出上一個世紀自然科學的局限性，因而不可能打破牛頓的絕對時空，不可能完全克服絕對不變的物質(zhì)和決定論的局限。
對這后一點，恩格斯是有清醒認識的，所以在晚年，他總結(jié)唯物論的自然觀的發(fā)展規(guī)律，留下了一條重要的哲學遺囑：“隨著自然科學領(lǐng)域中每一個劃時代的發(fā)現(xiàn)，唯物主義也必然要改變自己的形式。”[1]
在撰寫本文的此刻(1996年)，20世紀已接近它的終點?；仡欉@一百年，自然科學究竟有哪些具有劃時代意義的偉大發(fā)現(xiàn)呢?我愿舉出以下五個：相對論、量子力學、大爆炸宇宙學、生物遺傳基因和系統(tǒng)科學。它們改變了人類認識到的自然界的圖景，迫使唯物主義——如果它要存在下去的話——改變自己的形式。下面我們先將這五個偉大發(fā)現(xiàn)做一簡介。
1.相對論
愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，光是沒有靜止質(zhì)量的波，能以每秒30萬公里的速度傳播，這是速度的極限，其他有靜止質(zhì)量的任何粒子均不可能達到這個速度。光速是絕對的，它不隨光源和觀察者的速度而改變。由此推斷出，物體的質(zhì)量會因運動的能量而增大，速度越高質(zhì)量越大，達到光速時質(zhì)量會變?yōu)闊o限大。進一步推導出著名的公式E＝mc2——能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。這樣一來，在上一世紀的經(jīng)典物理學中永恒不變的絕對的物質(zhì)變成一種相對的存在了，其質(zhì)量隨速度變化并且可轉(zhuǎn)化為能量。
狹義相對論還徹底改變了我們關(guān)于時間和空間的概念，因為從這個理論可以得出這樣一些推論：沿著長度方向高速運動的尺子的長度會變短，對靜止的觀察者來說高速運動的時鐘要比另一個靜止的時鐘走得慢，因此每個觀察者有他自己的時間度量，沒有絕對的時間和空間，只有依附于不同慣性參照系的相對的時間和空間。
在1905年提出狹義相對論之后，為了找到一種與這種理論一致的引力理論，愛因斯坦做了不懈的努力，并于1915年提出了廣義相對論。在深入分析引力質(zhì)量同慣性質(zhì)量等價這一事實的基礎上，他提出引力場同加速度場局域性等效的概念，因此引力同電磁力、弱力和強力不一樣，它可以在局部范圍內(nèi)被削除掉。實事上，引力只不過是時空被在其中分布的質(zhì)量和能量弄“彎曲”后產(chǎn)生的效應。進一步又提出時間和空間的性質(zhì)應當由物質(zhì)運動決定這一革命性的思想?？偨Y(jié)廣義相對論的基本觀點，愛因斯坦曾寫道：“空間時間未必能被看作是一種可以離開物理實在的實際客體而獨立存在的東西。物理客體不是在空間中，而是這些客體有著空間的廣延。因此，空虛空間這個概念就失去了它的意義?！盵2]廣義相對論很好地解釋了牛頓引力理論解釋不了的三個現(xiàn)象：水星近日點進動的反常，光線在引力場中的變曲和引力轉(zhuǎn)移效應。特別是1919年，當A·S·愛丁頓領(lǐng)導的日蝕觀測隊在西非幾內(nèi)亞灣的索布拉爾島測到了星光經(jīng)過太陽的偏離，廣義相對論在全球引起了轟動效應，愛因斯坦成了取代牛頓的20世紀的天才。
2.量子力學
在19世紀末葉麥克斯韋已經(jīng)將電場同磁場，電學和磁學統(tǒng)一起來，并預言了電磁波的存在，指出光就是一種電磁波。
1900年普朗克提出，光、X射線等是按他稱為量子的波束的形式發(fā)射，換句形象的話說，就是一份一份地發(fā)射。每個量子有一定數(shù)量的能量，波的頻率越高，其量子的能量就越大，發(fā)射它消耗的能量就越多，因此任何光源都不可能以高頻率做無限的發(fā)射。
這以后在歐洲有大批科學家投入這方面的研究，發(fā)展出一種適合微觀世界應用的新力學——量子力學。量子力學有一條重要的原理是海森伯提出的測不準原理。為了預言微觀粒子未來的位置和速度；就必須測定它目前的位置和速度，為此就必得用光照亮它。我們不可能用任意小的光去照，至少要用一個光量子。假如我們因此測準了該粒子的位置，那么在這同時那個光量子的能量已經(jīng)改變了該粒子的速度因此我們不可能同時測得該粒子的速度；而且，我們愈是要做更精確的測量，就愈是要用更強的光，其量子攜帶的能量就愈高，造成的干擾就愈大，測得的結(jié)果就愈不精確。因此，我們不可能同時測定一個粒子的位置和速度。
拉普拉斯在上一個世紀斷言，應當把宇宙的現(xiàn)在狀態(tài)看作以前狀態(tài)的結(jié)果，以后狀態(tài)的原因，因此只要知道某一時刻施加于自然界的所有作用力以及自然界所有組成部分的狀態(tài)，就能把它們納入一個統(tǒng)一的公式，并且推斷出它們在過去和未來任意時刻的狀態(tài)?，F(xiàn)在，測不準原理徹底結(jié)束了這種建立在機械決定論的宇宙模型上的夢想：如果我們連作為宇宙組成部分的一個粒子的目前狀態(tài)都測不準，那么我們怎么可能預計宇宙所有部分未來的狀態(tài)呢!量子力學以后的發(fā)展是把粒子的速度和位置結(jié)合在一起，叫做量子態(tài)。它所能做的最多就是觀測和預計出現(xiàn)不同的量子態(tài)的概率各是多大。這樣，量子力學就把不可預測性和隨機性引入了科學。
量子力學的第二條重要原理是微觀粒子的波粒二象性。早在17世紀牛頓就提出了光的微粒說，而同時代的另一位科學家惠更斯則提出光的波動說。以后，通過試驗發(fā)現(xiàn)的光的干涉和衍射現(xiàn)象證實了光的波動性，麥克斯韋等人又從理論上把光解釋為電磁波。到20世紀，先是普朗克把光解釋為能量子，隨后人們發(fā)現(xiàn)光在黑體輻射、光電效應等現(xiàn)象上又表現(xiàn)出微粒性。據(jù)此，愛因斯坦把組成光的微粒命名為光子，并從數(shù)學上把光的波動性和微粒性聯(lián)系起來。1923年德布羅意提出電子、原子等都有波粒二象性的假說，科學家們用大量試驗證明了這一假說的正確性。
微觀粒子的波粒二象性有力地證明了客觀世界的復雜性和多樣性，同時還證明了人的認識能力的局限性。在量子力學隨后的發(fā)展中另一重大發(fā)現(xiàn)是泡利不相容原理，它是物理學家泡利在1925年提出的?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，對所有的微觀粒子均須從靜止質(zhì)量、電荷、自旋和平均壽命四方面來描述。光子等具有整數(shù)自旋(0，1，2……)的粒子被稱為玻色子，電子、中子、質(zhì)子等具有半整數(shù)自旋(1/2、3/2、5/2……)的粒子被稱為費米子。不相容原理告訴我們，在全是費米子的系統(tǒng)中，不可能有兩個或兩個以上的粒子同時處于相同的量子態(tài)；這個原理又可以特定地、等價地表述為，原子內(nèi)不可能有兩個電子具有完全相同的四個量子數(shù)。這條原理是原子內(nèi)電子殼層結(jié)構(gòu)的基礎，又從宏觀上說明由費米子構(gòu)成的物質(zhì)系統(tǒng)會產(chǎn)生出抗拒引力收縮的斥力。
3.大爆炸宇宙學
這樣，到20世紀中葉，人類已有了三種力學：描述微觀現(xiàn)象的量子力學，描述中觀現(xiàn)象的牛頓力學和描述宏觀現(xiàn)象的相對論力學。按照相反相成和極端相合的原理，正是在相對論力學和量子力學的會合處產(chǎn)生出了大爆炸宇宙學。
其實，早在300年前，如果有一位聰明人按牛頓的萬有引力定律動一下腦筋，就會得出結(jié)論：所有的天體不可能處在一種靜態(tài)的分布當中，它們要么按照萬有引力互相接近，要么按照超過引力的某種斥力互相遠離。
1917年愛因斯坦發(fā)表了一篇論文，創(chuàng)立了現(xiàn)代宇宙學。1922年弗里德曼(Alexander Fiedman)大膽舍去愛因斯坦提供的方程中的不必要的“△項”，得出了一個膨脹的宇宙模型，并證明這種膨脹會在某一天停止，然后會開始一個收縮過程，直到宇宙中所有的物質(zhì)都重新集中到一個“奇點”上。
那么，這個膨脹的宇宙模型是怎樣逐步被證實而為科學界普遍接受的呢?第一個直接的證據(jù)是哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系的譜線紅移。
從1908年起，美國在西部架設了一系列越來越大的天文望遠鏡，用來觀測弗里德曼通過計算預言的現(xiàn)象。從1919年起在加州威爾遜山天文臺投入這方面工作的哈勃(Edwin Hubble)獲得了一系列驚人的發(fā)現(xiàn)。先是發(fā)現(xiàn)在銀河系以外有許多同我們的銀河系一樣的星系。然后發(fā)現(xiàn)這些星系都像從散射彈槍射出的散彈一樣，正在彼此飛離。最后，在1929年他宣布，在研究24個星系的光譜后，獲得的數(shù)據(jù)證明，各星系遠離的速度與它們同銀河系之間的距離成正比。
所謂“光譜”，這里指每個星系發(fā)出的光按波長同顏色的對應關(guān)系分布的譜線，藍端波短，紅端波長。星系向我們靠近，距離縮短，波長亦壓短，其譜紅“藍移”；反之，遠離我們而去，距離伸長，波長亦拉長，其譜線“紅移”。哈勃發(fā)現(xiàn)24個星系的光譜譜線，無一例外，都是紅移，這就是宇宙在不斷膨脹的鐵證。
第二個直接的證據(jù)是3K微波背景輻射。
1948年伽莫夫(George Gamow)等人就根據(jù)廣義相對論和弗里德曼模型提出宇宙熱大爆炸起源說。通過計算他們有兩個預言：大爆炸早期有一個超高溫超密度階段，現(xiàn)今宇宙中的氫和氦是這個階段末期核合成的產(chǎn)物，其比例是3∶1，因此氦應占宇宙總質(zhì)量的1/4；那時的超高溫一直在緩慢下降，到目前應為10K左右，因此整個宇宙應當有同這個溫度相應的微波背景輻射。
1964年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯(Arnold Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)在做射電天文觀測時無意發(fā)現(xiàn)了一個其強度相當于3.5K的噪聲，在各個方向上它都顯得像是恒定的，且無法作為噪聲消除。他們把這一奇怪的發(fā)現(xiàn)公布出來之后，普林斯頓大學的一批物理學家對它作出了解釋——這就是人們一直在尋找的伽莫夫預言的宇宙微波背景輻射，它是宇宙大爆炸起源留下的另外一種“活化石”。
第三個直接的證據(jù)是25%的氦豐度。
在本世紀，科學家們用光譜分析方法和宇宙線方法對許多不同類型的天體的氦豐度做了測量，兩種方法所得結(jié)果都表明，它們有大致相同的氦豐度，其值在25%至30%之間。這樣，第三種“活化石”也找到了，它同樣證明了大爆炸宇宙學的可信性。
需要說明的是，在本世紀大爆炸宇宙學已發(fā)展得比較成熟，并且建立了標準模型，但仍然有一些解釋不了的現(xiàn)象，所以，到80年代，又發(fā)展出作為補充的暴漲模型。它用真空相變，真空的對稱性破缺以及從真空中產(chǎn)生出粒子并釋放出潛熱這樣一段過程來描述大爆炸最初瞬間的情況。由于它能解釋余下的那些現(xiàn)象而被納入了標準模型。
4.生物遺傳基因
生物遺傳學和奠基人是奧地利的一位神父和教師孟德爾(Gregor Tohann Menodel)。從1856年至1863年，他進行了8年豌豆雜交試驗，發(fā)表題為《植物雜交試驗》的論文。他在文中提出“遺傳因子”這個概念，這就是后來的“基因”概念。還提出顯性性狀和隱性性狀等基本概念，發(fā)現(xiàn)了孟德爾定律，包括“分離定律”和“獨立分配定律”。其基本思想是遺傳因子是獨立地分別進入不同的配子中，并不能混合；或者作為顯性因子在下一代配子中表現(xiàn)出來，或者作為隱性因子在隔代配子中表現(xiàn)出來。直到1900年，又有幾位生物學家分別獨立地獲得了與孟德爾相似的發(fā)現(xiàn)，孟德爾40年前發(fā)表的論文才引起人們的重視。
從美國生物學家摩爾根(Thomas Hunt Morgan)1910年發(fā)表關(guān)于果蠅的性連鎖遺傳 開始，遺傳學進入細胞遺傳學時期。孟德爾領(lǐng)導的被稱為“蠅室”的研究室，通過對果蠅的遺傳的長期研究，最終確定生物遺傳基因排列在細胞內(nèi)線狀的染色體上，確立了遺傳的染色體學說。
1953年，沃森(James Dewey Watson)和克里克(Francis Harry Compton Crick)根據(jù)用X射線對組成染色體的脫氧核糖核酸(DNA)大分子的晶體做的衍射研究結(jié)果，提出了DNA的雙曲螺旋結(jié)構(gòu)學說，開創(chuàng)了分子遺傳學的新紀元。經(jīng)過半個世紀的推進，控制生物遺傳、性狀和行為的生物遺傳基因的秘密已經(jīng)揭開了。
生物遺傳信息的載體是脫氧核糖核酸，簡稱DNA。它是一種很長的核苷酸多聚體，后者由堿基、核酸和磷酸三部分組成。堿基有4種，排列組合次序不同的每三種構(gòu)成一個三聯(lián)密碼子，一共是64個密碼子，它們就是記錄生物遺傳信息的“文字”。DNA分子由兩條平行的鏈組成，在細胞分裂繁殖時，兩條鏈分開，每條鏈都可以作為模板，形成新的互補鏈；在有性繁殖時，則是精細胞的一條DNA鏈同卵細胞的一條DNA鏈結(jié)合，形成受精卵細胞內(nèi)的DNA雙鏈。這樣準確地復制就保證在親子兩代細胞之間生物遺傳信息能準確地傳遞。
遺傳過程有一條中心法則：DNA→mRNA→氨基酸→蛋白質(zhì)。遺傳信息傳遞的第一步是DNA自我復制；第二步是DNA記錄的信息轉(zhuǎn)錄到被稱為信使mRNA的核糖核酸的核苷酸序列上；第三步是由被稱為轉(zhuǎn)移tRNA的接應體從中牽引，每三個特定序列的核苷酸決定一種氨基酸分子的排列位置，這就是說，遺傳信息被翻譯成氨基酸語言了；第四步是若干種氨基酸分子按遺傳信息規(guī)定的次序排列起來構(gòu)成一種具有特定生命功能的蛋白質(zhì)大分子。
生物遺傳信息的信息量之大是驚人的。有一種最低等的生命系統(tǒng)噬菌體φ×147病毒，其DMA很短，所含信息若翻印成人類文字不過一、二頁。大腸桿菌的DNA長1000微米，含有能制造2000—3000種蛋白質(zhì)的信息，翻印成書有2000頁。人的每個細胞有染色體23對(46條)，包含核苷酸80×107對，每條染色體有1.75×106圈，46條總長度達6英尺，內(nèi)中有10億個基因，全部信息若翻印成書將厚達100萬頁，遠遠超過大英百科全書的頁碼!現(xiàn)在，這10億個基因的位置和遺傳功能有一部分已搞清楚了，科學家們正在緊張地繪制人類生物遺傳基因的全圖。
5. 系統(tǒng)科學的誕生
從16世紀科學的誕生之日起，到20世紀中葉，近代科學主要是用分析的方法做研究：學科越分越細，研究的范圍越來越狹窄，研究的對象越來越細微。
可是，從本世紀后50年代起，科學的圖景發(fā)生了全面的變化，出現(xiàn)了用綜合方法、整體論方法做研究的新趨勢。在短短50年內(nèi)，控制論、信息論、系統(tǒng)論、耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同論、超循環(huán)理論、突變理論、混沌理論……如雨后春筍般冒出來了，組成了被統(tǒng)稱為系統(tǒng)科學的新的學科群。
科學的圖像在一夜之間變了：從一維變成了二維。其中，在自然科學維上排列的物理、化學、生物等學科，主要研究實體，主要方法是在實驗室里做試驗；在系統(tǒng)科學維上排列的系統(tǒng)論、控制論、信息論等，主要研究關(guān)系，主要方法是在計算機上做模型。前一個維度叫硬科學，后一個維度叫軟科學。系統(tǒng)科學的概念、原理和公式等，對自然、社會和人都適用，所以又被稱為跨學科研究和橫斷科學。
下面我們就把系統(tǒng)科學的主要學科做一最簡略的介紹。
控制論的創(chuàng)始人是維納(N.Wiener)、艾什比(W.R.Asbby)和比爾(S.Beer——阿根廷科學家、詩人)。他們在50年代初期，在相對獨立的環(huán)境條件下，各自提出了類似的科學思想?？刂普摰暮诵膯栴}是研究動物、人、機器和社會都具有的利用信息，特別是反饋信息，保持系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和追求外環(huán)境目標的行為。
信息論的創(chuàng)始人是申農(nóng)(C.E.Shannon)，他在1948年發(fā)表長篇論文《通訊的數(shù)學理論》，奠定了這門科學的基礎。他運用概率統(tǒng)計方法建立了通訊系統(tǒng)模型，把信息定義為“用來消除或減少接收者認識上的某種不確定性的東西”，設立了信息的度量單位“比特”，導出了計算信息量的數(shù)學公式，并指出這個公式同統(tǒng)計物理上計算熵和公式是一樣的，只是多一個負號。
系統(tǒng)論是一般系統(tǒng)論的簡稱，它是由L·貝塔朗菲(L.Von.Bertalanffy)等人在60年代創(chuàng)立的。他們創(chuàng)立的系統(tǒng)論是類比型的開放系統(tǒng)理論。開放系統(tǒng)是同環(huán)境有物質(zhì)、能量的信息交換的系統(tǒng)，生物機體就是典型的開放系統(tǒng)。他們把在生命系統(tǒng)研究中獲得的模型、概念和原理，類比應用到其他領(lǐng)域的動態(tài)開放系統(tǒng)中，提出一種新的系統(tǒng)科學范式。此外，還有克勒(E.Klir)創(chuàng)立的一般系統(tǒng)論和烏約莫夫(A.И.Yeмoв)的參量型一般系統(tǒng)論，他們的“系統(tǒng)”概念更寬泛，被定義為“具有某種屬性的關(guān)系”，因而涵蓋面更廣，普適性更強。
耗散結(jié)構(gòu)理論是研究遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)從無序到有序的自組織演化規(guī)律的一種理論。他是普利高津(Ilya Prigogine)在60—80年代發(fā)展起來的。一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，內(nèi)部元素之間存在非線性相干作用，在不斷地與環(huán)境交換和能量的條件下，當某個參量的變化達到一定閾值時，通過某個漲落的放大，它可能發(fā)生突變，即非平衡相變，由原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間、空間或功能上的有序結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)要通過不斷地與環(huán)境交換能量，不斷地消耗熵值低的能量才能創(chuàng)生、維持和進一步演化，所以叫耗散結(jié)構(gòu)。這種理論可廣泛地應用于物理、化學、生物、社會和生態(tài)系統(tǒng)。
協(xié)同學是哈肯(HHaken)在70年代創(chuàng)立的又一種系統(tǒng)自組織理論。其中心課題是研究生命和非生命世界中的系統(tǒng)，通過下層系統(tǒng)之間的協(xié)同作用和相干效應，在宏觀尺度上形成有序的結(jié)構(gòu)的規(guī)律。他分析了系統(tǒng)中眾多參量在臨界點處的行為，發(fā)現(xiàn)一類是阻尼大，衰減快的快弛豫參量，叫做快變量；另一組是臨界無阻尼的慢弛豫參量，叫做慢變量。是慢變量主宰著系統(tǒng)演化的整個進程，決定演化出的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，所以叫表示系統(tǒng)有序度的序參量。這樣可以在方程式中消去大量的快變量，得到只包括一個或幾個參數(shù)的序參量方程，使求解大大簡化。協(xié)同學揭示了系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)同和競爭的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)序參量之間的合作和競爭決定系統(tǒng)的演化過程。
超循環(huán)理論是艾根(Manfred Eigen)在70年代創(chuàng)立的又一種自組織理論。它解決的是生命起源過程中化學分子和生物大分子的自組織機理。超循環(huán)從字面意義上講就是循環(huán)之上的循環(huán)。這里的循環(huán)是指多步驟的化學反應系列形成的首尾銜接的循環(huán)圈。更具體地說是多種化學反應的產(chǎn)物自催化和交叉催化最后連鎖形成的第三級循環(huán)圈。這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，有了適應、突變、競爭和參與進化選擇的功能。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，通過形成超循環(huán)結(jié)構(gòu)而進化到更高層次的機制在生物、社會和生態(tài)系統(tǒng)的進化過程中是普遍存在的。
突變理論是由托姆(R.Thom)首創(chuàng)發(fā)展起來的應用于系統(tǒng)研究的現(xiàn)代數(shù)學理論。在現(xiàn)實世界中存在兩類變化，一類是連續(xù)的、漸進的，可用微積分學做定量描述；另一類是非連續(xù)的、跳躍的，一直沒有可用的數(shù)學工具。突變理論就是為解決這個問題而創(chuàng)立的。它以微分方程的定性理論、分支理論、奇點理論和拓撲學作為基礎，用勢函數(shù)把奇點(臨界點)分類，進而研究各種臨界點附近非連續(xù)性變化的特性，為“初等突變”建立了折疊突變、夾點突變、燕尾突變等七種變換形式，均能得出比較可靠的結(jié)果。
混沌理論是70—80年代發(fā)展起來的一門新學科，它研究原來是穩(wěn)定的，或周期運動的系統(tǒng)突然跌入無序的混亂狀態(tài)的規(guī)律。科學家們發(fā)現(xiàn)，非線性所引起的兩變量間依從關(guān)系的多值性是導致分叉、跳躍、突變的基本原因。混沌狀態(tài)系統(tǒng)的兩個基本特點是不可預言性和對初始值的極端敏感性，即初始條件微小差異會被迅速放大而導致系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)截然不同的圖像。系統(tǒng)內(nèi)在有序性的源泉是一種被學家稱為吸引子的終態(tài)，它好像是一個點，把描繪系統(tǒng)狀態(tài)的曲線緊緊吸引住而保持某種構(gòu)型?；煦缦到y(tǒng)有不同于固定吸引子、周期吸引子的奇異吸引子?；煦缦到y(tǒng)是通過倍周期分叉而跌入混沌的。1976年，M·J·費根鮑姆(M.J,Feigenbaum)發(fā)現(xiàn)，一個系統(tǒng)最終變成混沌狀態(tài)的方式和速率與方程本身無關(guān)，只依賴于現(xiàn)今稱為費根鮑姆常數(shù)的兩個數(shù)：δ＝4.6629……它反映分叉序列的收斂速率；d＝2.5029……它表示分叉譜和混沌帶滿足標度無關(guān)性，且具有無窮嵌套自相似的幾何結(jié)構(gòu)?；煦缋碚摰倪@些發(fā)現(xiàn)使科家們大為驚異：原來在混沌系統(tǒng)表面的無序和混亂現(xiàn)象下面隱藏著奇特和精微的秩序!最近，耗散結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)立者，諾貝爾化學獎得主I·普利高津?qū)懙溃骸?0年前，投入固體物理學和信息科學研究的科學家可能一直只有數(shù)百人的樣子。今天，這些領(lǐng)域的重要性已經(jīng)達到可能對人類歷史產(chǎn)生決定性影響的程度。投入這些領(lǐng)域的專家的人數(shù)一直在激增，增長之快前所未有，包括佛教和基督教的傳播在內(nèi)。”[3]由此可見系統(tǒng)科學在世界范圍內(nèi)發(fā)展之快，影響之大。
將上述五方面具有劃時代意義偉大的發(fā)現(xiàn)串到一起，或整合到一起，我們就會得到一幅新的宇宙圖景——比上一世紀的自然科學提供給我們的那幅圖景完整得多，細致得多，真實得多；但是，它不是一幅靜態(tài)的存在的圖景，而是一幅動態(tài)的演化的圖景。
我們的宇宙是從某種狀態(tài)的原始宇宙，通過一次大爆炸，然后一步一步進化出來的，至今已有100—150億年的歷史；它還在繼續(xù)進化，同時又以很高速度在膨脹，可是，終有一天，至少在100億年以后的一天，那場大爆炸所產(chǎn)生的斥力將耗盡，宇宙將開始一個相反的過程，同進化相反的退化過程——引力收縮，坍塌，瓦解，回到原始宇宙的狀態(tài)。這一點已為科學界普遍接受，即接近形成定見。
然后，那原始宇宙究竟是一種什么狀態(tài)，卻遠未形成定見；嚴格地說，這是一個科學還沒解決好的問題，或者說，按人類現(xiàn)有的知識還不可能準確說明的問題。
最初，按弗里德曼(A.Friedman)根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論建立的模型，宇宙中必有奇點——空間的曲率無限大，物質(zhì)和能量的密度無限大，時間和空間終結(jié)，一切物理定律均失效。許多恒星的終極狀態(tài)，我們的宇宙的終極狀態(tài)——同時也是它的起起始狀態(tài)，就是這樣一個奇點。
另一說認為原始宇宙是一團純能量，即純輻射，只有一個壘球那么大——這真需要把你的想象力發(fā)揮到極限，因為天文觀測證明，目前銀河系中有同我們的太陽一樣的恒星有幾千億顆，而宇宙中又有同我們的銀河系同樣的星系幾千億個。
又一說認為，在那溫度極高的原始火球內(nèi)，不光是有輻射能量，還有夸克、電子、中微子等，因而開始宇宙是輻射能量同某些幽靈般的物質(zhì)微粒混成的“宇宙湯”。
本文準備采用的是最后一說：原始宇宙是沒有任何星球，沒有任何化學元素，沒有粒子，也沒有輻射的完全對稱的真空狀態(tài)。按照現(xiàn)代物理學的觀點，真空并不是真正的虛空。真空是量子場系統(tǒng)的基態(tài)，即能量最低的狀態(tài)，沒有任何物質(zhì)粒子的狀態(tài)，是存在的最基本的形式。真空實際上是負能量的電子海。原始宇宙就是這樣一種真空狀態(tài)，它是只有超引力在起作用的超統(tǒng)一場。包括正負電子對在內(nèi)的各種基本粒子對隨著這種場的激發(fā)成對地產(chǎn)生，又隨著這種場的退激而成對地湮滅。
1.場的進化
物理學上講，場是各點具有相同屬性的連續(xù)空間。場不是物質(zhì)的某種狀態(tài)，而是相對獨立地存在的客體。場有能量和質(zhì)量，愛因斯坦著名的質(zhì)能公式E＝mc2最初就是為描述電磁場的能量和質(zhì)量的關(guān)系而建立的。
在宇宙演化過程中，發(fā)揮最重要作用的有四種場：引力場、電磁場、弱場和核場。相應地就有四種相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。
引力相互作用在所有具有質(zhì)量的物質(zhì)客體之間普遍存在，不論它們是微觀粒子還是宏觀的星體。引力相互作用是四種基本相互作用中最弱的，遠遠小于其他三種；但是，引力是長程力，它沒有飽和性，隨質(zhì)量增大而增大。所以，在微觀粒子世界小到可以忽略不計的引力相互作用，到了宏觀世界，在星系、恒星、行星及其衛(wèi)星之間，就大到成為維系它們的宏觀結(jié)構(gòu)的主要作用力。
現(xiàn)代物理學將量子理論用于愛因斯坦引力場理論，預言存在引力場量子，它們是自旋為2，靜質(zhì)量和電荷均為零的玻色子，以光速運動，但迄今尚未發(fā)現(xiàn)引力子。
電磁相互作用是帶電粒子與電磁場以及帶電粒子之間通過電磁場傳遞的相互作用。在強度上它次于強相互作用而居于四種相互作用的第二位。它同引力相互作用一樣是長程力，可以在宏觀尺度的距離中起作用而表現(xiàn)為宏觀現(xiàn)象。
電學和磁學本是兩門獨立的分支學科，在上世紀末，主要基于兩個重要的實驗發(fā)現(xiàn)，即電的流動產(chǎn)生磁效應，而變化的磁場又產(chǎn)生電效應，由麥克斯韋將它們統(tǒng)一起來了，創(chuàng)立了電磁學，預言了電磁波的存在。
本世紀初由洛倫茲(H.A.Lorentz)提出電子論，把宏觀的電磁現(xiàn)象解釋為原子中的電子效應，統(tǒng)一地解釋了電、磁、光現(xiàn)象。繼而在后起的量子電動力學中，電磁相互作用被解釋成是通過發(fā)射和吸收光子來傳遞的。弱相互作用的強度居第三位，但它是一種短程力，相對于另一種短程力強相互作用，它非常弱，故名。除了傳遞電磁相互作用的光子和傳遞強相互作用的膠子外，其他所有的粒子都參與弱作用，因此，弱相互作用是粒子微觀世界中最普遍的相互作用。
弱相互作用最早是在β衰變中發(fā)現(xiàn)的：一個自由中子衰變成一個質(zhì)子，一個電子和一個中微子?？茖W家們預言，有傳遞弱相互作用的中間玻色子的存在，它們是帶電的W＋、W－粒子和中性的Z°粒子。1983年歐洲核子中心在高能加速器的撞擊試驗中發(fā)現(xiàn)了W＋、W－和Z°粒子，而另一項預言，有中性的弱流的存在，先此在1973年就獲得了證實。
強相互作用是四種基本相互作用力中最強的一種，比電磁相互作用強102—103倍。最早研究的強相互作用是核子(質(zhì)子和中子)之間的核力，它是把核子結(jié)合成原子核的作用力。后來，通過實驗陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾百種有強相互作用的粒子，它們被統(tǒng)一稱為強子。強相互作用也是短程力，但它的力程比弱相互作用的力程長，約為10－3 cm，相當于原子核中核子間的距離。
本世紀后半期，科學家們發(fā)現(xiàn)，所有的強子都是由更低一個層次的物質(zhì)微?？淇私M成，夸克之間通過交換膠子傳遞強作用力，從而被緊緊地束縛在一起。1987年，在高能正負電子對撞實驗中發(fā)現(xiàn)了膠子的蹤影。膠子間有相互作用，結(jié)合成復合態(tài)的膠球，所以，更為直接的證明，則有待膠球的發(fā)現(xiàn)。
20世紀物理學的一個大課題是將這四種作用力統(tǒng)一起來。愛因斯坦把后半生的精力都傾注在他稱之為統(tǒng)一場論的研究上，可是沒有取得成功。在他之后，物理學界一直在致力對大統(tǒng)一理論的研究，其基本思想是：強作用力在高能級時逐漸減弱，電磁力和弱作用力在高能級時逐漸增強，因此，在稱作大統(tǒng)一能量的某個非常高的能量條件下，這三種力將會具有同一強度，因此只能是一種力的不同方面。在60年代，格拉肖—薩拉姆—溫伯格電弱統(tǒng)一理論標準模型完成了弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一。在1995年又有科技新聞報道，科學家們在將弱—電磁相互作用同強相互作用統(tǒng)一起來的研究上，取得了可喜的成果。至于最后一步，將那種作用力同引力統(tǒng)一起來，肯定是最艱難的一步，因為至今連傳遞引力的引力子的蹤影都還沒有找到；可是，我們又有理由滿懷信心地說，終有一天這一步也會實現(xiàn)。
基于大統(tǒng)一理論的研究成果，我們可以逆向推測，這四種作用力及其相應的四種場，在原始宇宙中本來就是一種統(tǒng)一的超引力和統(tǒng)一場，然后是在真空相變、暴漲和大爆炸的最初時刻逐步分化出來的。事實上，吸收了暴漲宇宙論的大爆炸宇宙論標準模型就是這樣描述的。原始宇宙那種完全對稱的真空態(tài)是不穩(wěn)定的，它會發(fā)生一系列真空相變，其特征跟其他種類的相變是一樣的，那就是自發(fā)的對稱性破缺。這樣一來就會進化出越來越多的不對稱，今天宇宙中的諸多不對稱性，就是通過真空相變演化出來的。
今天宇宙中最明顯的不對稱，是存在強度和力程差別很大的四種場及其相應的作用力。它們就是在原始宇宙熱爆炸之后隨著溫度的下降相繼發(fā)生的幾次真空相變中進化出來的。(1)對應于超大統(tǒng)一的真空相變，是在10－44 秒處發(fā)生，這就是時空的起源，同時分化出引力和引力場；(2)對應于大統(tǒng)一的真空相變，在10－36 秒處發(fā)生，這就是不對稱的起源，同時分化出強作用力和強場；(3)對應于弱電統(tǒng)一的真空相變，在10－10 秒處發(fā)生，這就是弱電分離的相變，同時分化出弱作用力和弱場，還有電磁作用力和電磁場。
2.能量的進化
1807年英國科學家T·楊(Thomas Young)提出以“能量”概念代替“活力”概念。1853年英國科學家W·湯姆森將能量定義為：當它從這個給定狀態(tài)無論以什么方式過渡到任意一個固定的狀態(tài)時在系統(tǒng)外所產(chǎn)生的用機械功單位來量度的各種作用的總和。這顯然是僅從服從牛頓定律的機械運動的角度來看能量。
到本世紀，按照一種傳統(tǒng)觀念，能量是這樣被定義的：“能量是物質(zhì)運動的一種量度，簡稱能?！边@顯然沒有超出上一世紀的狹隘的偏見，沒有吸收本世紀自然科學劃時代偉大發(fā)現(xiàn)的成果。首先，如前所述，真空是量子場能量最低的基態(tài)，其中并無物質(zhì)，可是有能量。各種場，即便是在靜止條件下，也有能量。根據(jù)狹義相對論的質(zhì)能關(guān)系式E＝mc2，由物質(zhì)構(gòu)成的物體在靜止時也有能量。物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為能量，能量也能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，如正負電子對湮滅為光子和光子生成為正負電子對。這些事例足以證明能量不僅僅是“物質(zhì)運動的一種量度”，而是同物質(zhì)并列的相對獨立的一種存在。
其次，按照現(xiàn)代物理學的觀點，所有的基本粒子可以分成兩大類：費米子和玻色子。費米子包括電子、質(zhì)子、中子等，它們有靜止質(zhì)量，具有半奇整數(shù)自旋值，如1/2，3/2，5/2等，不能占據(jù)同一空間，遵守泡利不相容原理。物質(zhì)都是由費米子構(gòu)成，因此具有空間廣延性，在它們占據(jù)的空間范圍內(nèi)其他物質(zhì)性的物體不可能進入。玻色子包括光子、介子、α粒子等，它們具有整數(shù)自旋，如0、1、2等，不受泡利不相容原理的限制，多個玻色子可以占據(jù)同一量子態(tài)。
玻色子中最奇特的是光子，它沒有電荷和靜止質(zhì)量，永遠以費米子和費米子構(gòu)成的物質(zhì)客體達不到的光速運動，沒有廣延性和不可入性——無限多的光子可以聚集在空間中的同一點上，這是它同構(gòu)成物質(zhì)客體的費米子根本不同的三條屬性。光子亦稱能量子，它是構(gòu)成純能量的基本粒子，它的三條特性亦是能量不同于物質(zhì)的三條特性——能量沒有靜止質(zhì)量，能量沒有廣延性因而無限多的能量能聚集在無限小的空間，能量能按光速運動和傳遞。至此，我們可以給能量下一個新的定義：能量是與場和物質(zhì)相聯(lián)系而又具有不同于場和物質(zhì)的特性的宇宙的元素之一，它由已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的和有待發(fā)現(xiàn)的所有玻色子組成，以力的形式表現(xiàn)出來，是潛在的或直接的推動者。
能量具有多種形式，列其大類有：輻射(純能量)、固有能(靜能)、核能、內(nèi)能(熱能)、電磁能、機械能。它們也是逐步進化出來的。
在原始宇宙真空相變和發(fā)生暴漲之后，大爆炸的過程開始了。在最初三分鐘里，宇宙主要是由輻射能量組成，基本上沒有物質(zhì)。各種粒子和它們的反粒子不斷地從光子的碰撞中產(chǎn)生出來，又不斷地成對碰撞而湮滅成光子。產(chǎn)生的速度和湮滅的速度大致相等，所以宇宙中輻射能量和物質(zhì)之間處于熱平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下最多的粒子是電子和正電子，無質(zhì)量的中微子和反中微子[4]，以及光子。在其中還摻有少量較重的粒子：中子和質(zhì)子。其比例是每十億個光子(或正負電子、正負中微子)對一個質(zhì)子或中子。
隨著時間流逝，宇宙一直膨脹和冷卻，直到3分鐘之后，溫度下降到9億度(0.9×109K)，正負中微子和正負電子先后退耦，中子和質(zhì)子可以形成穩(wěn)定的核子，它們俘獲剩下的電子，形成氘原子，物質(zhì)為主的時期開始取代輻射能量為主的時期。
能量的許多其他形式是隨著場和物質(zhì)的進化過程逐步進化出來的。例如：核能是在中子和質(zhì)子結(jié)合成核子并形成強場時進化出來的，電磁能是在進化出帶有電磁場的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)(如原子)和宏觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)(如地球)的同時進化出來的，內(nèi)能(熱能)是在進化出由分子組成的宏觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的時候進化出來的，機械能是在形成像星系、恒星、行星這樣的巨大物質(zhì)系統(tǒng)及其引力場的時候進化出來的，化學能是在進化出各種化學元素并開始化學反應時進化出來的，等等。
3.物質(zhì)進化
亞里士多德最早從純質(zhì)料意義上給物質(zhì)概念下定義，他說：“一切都剝除了以后，剩下的就只是物質(zhì)?！薄凹炔皇莻€別事物，也不是某一定量?！盵5]
16世紀笛卡爾提出有兩種不同的實體，精神實體是只有“思想而無廣延的東西”，而物質(zhì)實體則是“一個有廣延而不思想的東西”?！拔镔|(zhì)或物體的本性，并不在于它是硬的、重的，或者有顏色的，或以其他方面刺激我們的感官，它的本性只在于它是一個具有長、寬、高三量向的實體”。“它把可能有的其他世界存在的一切可以想象的空間都占據(jù)了”，因此“全宇宙只有一種同樣的物質(zhì)”。
17世紀霍布斯寫道：“物體的定義可以這樣下：物體是不依賴于我們思想的東西，與空間的某個部分相合或具有同樣的廣延?！甭蹇搜a充性的說法是：“物質(zhì)是許多影響我們感官的性質(zhì)所寄托的某種東西?！彼械谝恍缘男再|(zhì)，如體積、廣延、形象、運動、靜止、數(shù)目等，還有第二性的性質(zhì)，如顏色、聲音、滋味等。
18世紀愛爾維修寫道：“物質(zhì)不是一個存在物，自然界里只有被稱為物體的個體，人們應該把物質(zhì)這個詞理解為一切物體所共有的屬性的總和”，這些屬性包括“廣延、重量、不可入性、形狀等”?；魻柊秃諏懙溃骸拔镔|(zhì)一般地就是一切以任何一種方式刺激我們感官的東西?！?/p>
18世紀另一位法國唯物主義哲學家狄德羅對物質(zhì)有更深刻的認識，他寫道：“在我看來，自然界的一切事物決不可能是由一種完全同質(zhì)的物質(zhì)產(chǎn)生出來的，正如決不可能單單用一種同樣的顏色表現(xiàn)出一切事物一樣。我甚至臆想到現(xiàn)象的紛紜只能是物質(zhì)的某種異質(zhì)物性所造成的結(jié)果。因此我將把產(chǎn)生一切自然現(xiàn)象所必須的那些不同的異質(zhì)物質(zhì)稱為元素，而把這些元素組合起來造成的那個現(xiàn)實的總結(jié)果和那些相繼出現(xiàn)的總結(jié)果稱為自然?！?/p>
19世紀恩格斯是這樣界定物質(zhì)概念的：“物質(zhì)無非是各種實物的總和，而這個概念就是從這一總和中抽象出來的?！薄拔覀儼迅鞣N有形地存在的事物聯(lián)合在物質(zhì)這一概念下?！薄拔镔|(zhì)是按質(zhì)量相對的大小分編成一系列較大的、易于分辨的組，……我們可以見到的恒星系、太陽系、地球上的物體、分子和原子，以及以太微粒，它們都各自形成這樣的一組?！盵6]
20世紀初列寧的物質(zhì)定義是這樣的：“物質(zhì)是標志客觀實在的哲學范疇，這種客觀實在是人通過感覺感知的，它不依懶于我們的感覺而存在，為我們的感覺所復寫、攝影、反映?！豹タv觀歷史上這些有代表性的物質(zhì)定義，我們不難發(fā)現(xiàn)，它們從不同角度把握住了關(guān)于物質(zhì)概念的合理的成分，但又不可避免地包含有某些不合理的和不足的成分。
其合理的成分是：“物質(zhì)”是個抽象概念、哲學范疇、總稱，而不是具體的物體；物質(zhì)不可能是同質(zhì)的單一的一種東西，它包含多種異質(zhì)的元素，這些異質(zhì)的元素必有某種等級結(jié)構(gòu)；具體的物體或物質(zhì)性的客體都有重量(質(zhì)量)、廣延和不可入性，我們可以推斷構(gòu)成這些物體的那些物質(zhì)性的元素必有這些屬性。
其不合理的和不足的成分是：不好把物質(zhì)定義為“以任何一種方式刺激我們感官的東西”，因為刺激我們感官的東西最多的是光，在它是波的意義上它不屬于物質(zhì)范疇，在它是由無重量、無廣延和無不可入性的能量子(光子)組成的意義它也不屬于物質(zhì)范疇；單純從認識論角度定義物質(zhì)概念未必是一種好的方法，因為把物質(zhì)定義為個人的意識之外的“客觀實在”并不能提供給我們?nèi)魏胃羁痰闹R，等同于說人的意識之外有“宇宙”、“世界”或“自然界”；這些定義都是在本世紀那些具有劃時代意義的科學發(fā)現(xiàn)之前或這些發(fā)現(xiàn)得到正確評價之前做出的，沒有反映這些發(fā)現(xiàn)提供給我們的關(guān)于“物質(zhì)”的更深刻的認識。
因此，吸收上述那些定義的合理成分，剔除不合理的成分，彌補不足之處，我愿在本世紀自然科學達到的高度上給物質(zhì)概念(范疇)下一個新的定義：物質(zhì)是同場和能量既有聯(lián)系又有區(qū)別的宇宙的一種元素，它是由具有靜止質(zhì)量、廣延和不可入性的多種費米子構(gòu)成的也具有那些屬性的所有單質(zhì)和化合物的總稱，它們是構(gòu)成宇宙中所有物體的質(zhì)料。
物質(zhì)的進化過程大致是這樣的：
在大爆炸后第一秒的萬分之一秒(10－4 )和百萬分之一秒之間，誕生了物質(zhì)的基本成分——由3個夸克組成的質(zhì)子或中子。
在時間零點之后大約百分之一秒(10－2 )，由于溫度太高，幾百種基本粒子成對地從能量中產(chǎn)生，又成對地湮滅；宇宙中輻射同物質(zhì)處于熱平衡?？墒?，隨著宇宙的膨脹和降溫，平衡是在朝有利于物質(zhì)粒子形成的方向移動。
在3分46秒的時候，宇宙的溫度降至9億度(0.9×109K)，正負粒子成對產(chǎn)生又成對湮滅的過程已停止，剩下的主要成分是光子，中微子、反中微子和少量的電子、中子和質(zhì)子，核子(中子和質(zhì)子)對光子的比例數(shù)量1 比10億，核合成過程開始?；蛘呤切纬梢粋€中子和一個質(zhì)子組合成的重氫(氘)核，或者是形成兩個中子和兩個質(zhì)子組成的氦核，二者的比例大約是75%對25%(今日宇宙25%氦豐度源于此)。
10萬年之后，輻射同游離狀態(tài)的電子、氫核、氦核分離(解耦)，自由地膨脹、紅移、降溫，直到今日的3°K微波背景輻射。
50萬年之后，宇宙溫度降低到電子能夠進入到氫核或氦核的量子軌道，從而形成氫原子或氦原子。自由電子消失，光得以在宇宙中行進，或者說宇宙相對于輻射透明。
10億年以后，由氫和氦這兩種元素形成似星體、星系和恒星。氫和氦占整個宇宙物質(zhì)質(zhì)量的99%，其余占整個宇宙物質(zhì)質(zhì)量1%的重元素則是在各個恒星內(nèi)部復雜的核聚變過程中逐步形成的。例如：當恒星內(nèi)部氫聚變?yōu)楹さ姆磻蛊錅囟壬仙?—2億度時，恒星中心的氦就會發(fā)生核聚變反應，少數(shù)聚變?yōu)檠鹾湍?，大部分聚變?yōu)樘?，最后形成碳核。當溫度繼續(xù)升高達到5—8億度時，碳可以聚變?yōu)殒V、鈉等，如此繼續(xù)下去，各種重元素的原子核都可能聚變出來。它們——門捷列夫元素周期表上的那100多種元素——就是構(gòu)成物質(zhì)組分的單質(zhì)。至于更復雜的物質(zhì)組分——無機化合物和有機化合物，則只能在具有與地球相似條件的行星上逐步進化出來。
100億年之后，在地球上進化出有生命的復雜系統(tǒng)，那是在宇宙的第四種基本元素信息登場后發(fā)生的事情。
4.信息的進化
“信息”作為一個科學概念登場只有短短半個世紀，可是它已成為當今科學文獻和日常生活中使用最頻繁的概念之一，而且大多數(shù)人已形成了一致的觀點：人類正在進入信息社會。然而，我們對信息的認識還很膚淺，這突出表現(xiàn)在信息定義的混亂上——據(jù)說不同的定義有200個以上。
在我們的概念系統(tǒng)中，信息也是屬于最高一級的類概念，因此不可能用“種加屬差”的方法定義，只能用“描述法”定義，即描述它的特殊屬性和功能，以區(qū)別于跟它并列的那些類概念——場、能量、物質(zhì)和意識。
信息是在場、能量、物質(zhì)的基礎之上進化出來的，它只能存在于能量的或物質(zhì)的編碼結(jié)構(gòu)當中；因此，它不可能是一種完全獨立的、絕對的自存，也不可能有單一的、獨立的進化。這是信息相對性的第一點。
人們在討論信息時往往忘記了一個最基本的事實：信息只能出現(xiàn)在通訊系統(tǒng)當中。通訊系統(tǒng)的最簡模型為：
圖1 最簡通訊系統(tǒng)模型
這個模型告訴我們，在現(xiàn)實當中，哪里有這樣一個完整的通訊系統(tǒng)，在其中發(fā)生了完整的通訊過程，哪里就有信息。是不是信息?是什么樣的信息?有多大信息量?都不取決于信源發(fā)出了什么，而取決于信宿收到了什么。這是信息相對性的第二點。
信源發(fā)出的同一信息流，不同的幾個信宿，由于各自的目標和先驗信息不同，各自收到的信息及其信息量是不一樣的。這是信息相對性的第三點。
信息區(qū)別于能量和物質(zhì)的最突出的特點是不守恒：信宿收到了，而信源并未失去。因此，信源發(fā)出的任何信息，原則上都可以由無限多的信宿同時分享。信息不守恒的另外一方面是，它一旦消失，就永遠消失。
但信息又有相對于不同形式的編碼結(jié)構(gòu)是守恒的這樣一條特性。這就是說，信息可以被變換、傳遞、轉(zhuǎn)錄、翻譯、感知和存儲，在這些過程中，信息相對于不同的編碼形式保持不變。
信息可以離開它賴以產(chǎn)生的通訊系統(tǒng)以某種編碼結(jié)構(gòu)的形式被存儲，成為一種相對獨立的自在的存在；但是，嚴格地說，在這種情況下它已不是真實信息，而只是潛在信息。
任何一條信息都是三位一體的：語法信息、語用信息和語義信息。換句話說，任何一條信息都有概率統(tǒng)計意義、同信宿的某種目的相關(guān)的意義和邏輯意義這樣三個方面。
信息最基本的功能就是消除信宿相對于信源的某種不確定性，具體的說，就是消除信宿相對于信源的存在、屬性和動態(tài)的某種不確定性。
關(guān)于最后這一點要做一個簡要的補充說明。
大家知道，喬姆斯基有一個思想，就是要尋找語言的共同的深層結(jié)構(gòu)。這對我們研究信息頗富啟發(fā)價值。筆者認為，人類的幾千種語言，盡管語言、詞匯、語法有千奇百怪的差異，但它們的所有句子都服從一個共同的基本結(jié)構(gòu)：每個句子都有主語和謂語兩部分，從通訊系統(tǒng)模型的視角看。主語是通訊系統(tǒng)的信源，謂語正是句子要傳遞的關(guān)于信源的信息。擔任謂語的只能是實詞——名詞、形容詞和動詞，它們分別攜帶關(guān)于信源的存在、屬性和動態(tài)的信息，擔任其他成分的虛詞則只有語法上的功能而無實在意義，因此并不攜帶關(guān)于信源的信息。受這一點的啟發(fā)，我才說信息消除的是“信宿相對于信源的存在、屬性和動態(tài)的某種不確定性”。
若將信息的上述特性都綜合到一起，我們就得到這樣一個定義：信息是在場、能量和物質(zhì)的基礎上進化出來的宇宙的第四種元素，它是通訊系統(tǒng)中信宿收到而信源并未失去的某種東西，它消除了信宿相對于信源的存在、屬性和動態(tài)的某種不確定性。
場、能量和物質(zhì)都是守恒的，所以沒有自復制能力。唯有信息不守恒，所以有自復制能力。生命系統(tǒng)最根本的特點是自復制，所以信息就同生命緊緊聯(lián)系在一起：生命的起點就是信息的起點，信息的起點就是生命的起點。事實上，就我所知，已獲實證的最原始、最簡單的通訊過程正是生物細胞內(nèi)生物遺傳信息傳遞的過程，它同時就是細胞的自復制過程。換句話說，我認為，無機界無信息，因為無機界無完整的通訊過程。我們在現(xiàn)代的天文學、物理學和化學中都找不到通訊過程，亦找不到信息，甚至在當代的自組織理論——I·普利高津的耗散結(jié)構(gòu)理論、H·哈肯的協(xié)同學和M·艾根的超循環(huán)理論的純理論部分當中，也沒有信息的位置。我把信息進化的起點定在單細胞生物體內(nèi)，但是如果誰能在宇宙中進化的更低層次上證實一種完整的通訊過程(如圖1)，我愿接受他的發(fā)現(xiàn)，將信息的起點前移。
現(xiàn)代分子生物學告訴我們，細胞的結(jié)構(gòu)、性狀和行為的信息都保存在細胞內(nèi)的脫氧核糖核酸(DNA)大分子內(nèi)核苷酸分子的堿基的線性順序中。一共是四種堿基，即腺嘌呤(A)、胸腺密啶(T)、鳥嘌呤(G)和胞密啶(C)。每三個堿基構(gòu)成一個記錄信息的密碼子，一共是64個三聯(lián)密碼子。每個三聯(lián)密碼子同一種氨基酸配位，總共有20種氨基酸。若干種氨基酸排列在一起構(gòu)成一種蛋白質(zhì)，總共有10萬種蛋白質(zhì)。不同的蛋白質(zhì)有不同的生命功能。
如果我們將F·H·C·克里克在1957年提出的細胞內(nèi)遺傳信息的中心法則，DNA→RNA→蛋白質(zhì)，加以擴展，一個完整的通訊過程應當是這樣的：
圖2 生命系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)模型
這個生命系統(tǒng)的通訊模型的各部分同圖1的各部分是一一對應的。
左邊的“細胞”相當于“信源”，它的結(jié)構(gòu)、性狀和行為的信息(U)要“編碼”成為“DNA”中用核苷酸的4個字母的堿基語言(ATGC)記錄的信息(X)，然后轉(zhuǎn)錄到RNA上面?！癛NA”包括信使mRNA、tRNA和rRNA，它們將信息逐步翻譯成20個字母的氨基酸語言編碼的信息(Y)，相當于“信道”。最后“蛋白質(zhì)”記錄的信息(V)要“解碼”，反變換，還原，生成一個“新細胞”，它相當于“信宿”。通過這個通訊過程，最簡單的生命系統(tǒng)細胞完成了自復制。
值得注意的是，在最簡生命系統(tǒng)細胞內(nèi)傳遞的生物遺傳信息僅僅是語法信息，它消除的是復制的新細胞對20種氨基酸的選擇和排列順序的不確定性。語用信息和語義信息都是潛在的，因為作為信宿的新細胞沒有這兩方面的接收和解讀功能。這就告訴我們，最早進化出來信息是最基本的信息——語法信息。
作為最簡單的完整的生命系統(tǒng)，細菌及其通訊系統(tǒng)一定經(jīng)歷過漫長而復雜的進化過程?？茖W至今無法把這個過程完全搞清楚，也不大可能重演這個過程?？墒牵绻覀儗F(xiàn)存的比細菌更簡單的不完整的生命系統(tǒng)排列在一起，似乎可以看出這個進化過程的蛛絲馬跡。
類病毒是最小的病原體，它只有裸露的RNA，沒有蛋白質(zhì)外殼。病毒既有核酸又有蛋白質(zhì)，但沒有復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的那套通訊設備。衣原體既有DNA和RNA兩種核酸，又有細胞壁，還有復雜的酶系統(tǒng)，因而能有某些代謝活動，可是仍然沒有完整的通訊系統(tǒng)。它們單獨存在的時候，是死寂的非生物，只有當它們附著和進入寄主細胞之后，利用后者的全套通訊系統(tǒng)進行自復制活動時，才表現(xiàn)出真正的生命行為。枝原體有了通訊系統(tǒng)，能在無細胞培養(yǎng)基內(nèi)獨立進行自復制繁殖活動，可是沒有細胞壁。所有這些不完整的生命系統(tǒng)似乎代表著從無生命的有機大分子到細菌這種最簡單的完整的生命系統(tǒng)逐步進化的某些階梯。由此可以看出，生命的最本質(zhì)的特征是利用通訊系統(tǒng)進行自復制活動。
值得注意的是，作為原核生物主要代表的細菌和藍藻，雖然是完整的生命系統(tǒng)了，但它們內(nèi)部的通訊系統(tǒng)就是功能系統(tǒng)，功能系統(tǒng)就是通訊系統(tǒng)，二者還沒有分開，這又更進一步印證了我們的上述結(jié)論。直到進化出了真核生物，在它們的細胞里有了雙層膜的細胞核，才把位于核內(nèi)的遺傳物質(zhì)(通訊系統(tǒng))和核外的細胞質(zhì)(功能系統(tǒng))完全分開了。
研究信息的進化遇到的困難是，信息不是一種獨立的實存，所以討論信息的進化難免變成了討論通訊系統(tǒng)的進化，或信道的進化，或編碼的進化，或存儲的進化。
就通訊系統(tǒng)的進化而言，我們發(fā)現(xiàn)有從生物遺傳信息通訊系統(tǒng)，到動物化學信息通訊系統(tǒng)，到動物神經(jīng)信息通訊系統(tǒng)，到人類文化遺傳通訊系統(tǒng)，到人工信息通訊系統(tǒng)，最后到全球信息高速公路網(wǎng)絡的進化。這是通訊系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大的過程。
就信道的進化而言，我們發(fā)現(xiàn)有從短距離和慢速度的化學信道，到近距離和中速度的聲信道，到近距離和高速度的光信道，到遠距離和高速度的電信道，最后到超遠距離和超高速度的光信道的進化歷程。從中我們看到信息在傳播距離和傳播速度方面的進步，并且這其中還包含有一個信道的載波能力的提高。
就編碼的進化而言，我們發(fā)現(xiàn)有從一種生物分子語言，到多種動物信號語言，到人類的多種自然語言，到多種符號語言，最后到一種人工語言的進化。由此可以看出，為信息編碼的語言似乎有從一到多再到一的進化規(guī)律。
就存儲的進化而言，我們發(fā)現(xiàn)有從生物細胞內(nèi)存儲，到動物—人的中樞神經(jīng)存儲，到社會系統(tǒng)的文化信息庫存儲，最后到電腦微縮存儲的進化過程。由此可以看出，信息存儲方式有由微到宏再回到微的進化規(guī)律。
然而，所有這些似乎都是信息的外在形式的進化，而不是信息本身的進化。如果一定要研究信息本身的進化，我發(fā)現(xiàn)它不可避免地是同信宿，即認知主體的進化聯(lián)系在一起的；因為，如前所述，信息的存在、性質(zhì)和信息量皆取決于信宿。
在這方面，我發(fā)現(xiàn)可能有這樣一條進化規(guī)律：語法信息→語用信息→語義信息?；蛟S更正確的表述應當是：語法信息→語法信息＋語用信息→語法信息＋語用信息＋語義信息＝全信息，因為它能體現(xiàn)出后者對前者的“揚棄”。
語法信息(syntactic info,rmation)這個術(shù)語是從語言學中借用過來的。在語言學中，語法學(syntactics)只研究句中詞與詞之間的形式關(guān)系，不研究這些詞的詞義和效用。我們可以嘗試將信息科學中的語法信息定義為：消除信宿相對于信源的概率不確定性的信息。
單純語法信息的信宿是無記憶的，混亂的。語法信息的功能是將信源的某種秩序傳遞給信宿，減少或消除了信宿的概率熵，幫助信宿建立起某種相應的秩序。語法信息是最原始、最簡單，因而也是最抽象的信息，但它是最基本的信息。語法信息的描述工具是概率論。申農(nóng)信息論討論的，申農(nóng)信息量公式計算的正是這種信息。
生物遺傳信息就是語法信息。三聯(lián)密碼子相當于“單詞”，若干個線性排列的“單詞”相當于一個“句子”(基因)，它記錄一種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。我們可以想象，作為信宿的20種氨基酸分子是混亂的，從信源細胞傳遞過來的遺傳信息消除了這種混亂，使它們按一定的秩序排列起來，完成了對信源細胞的復制。
語用信息(pragmatic information)這個術(shù)語也是從語言學中借用的。在語言學中，語用學(pragmatics)不僅要研究句中詞與詞之間的形式關(guān)系，而且還要研究它們對于主體的效用。我們可以嘗試在信息科學中將語用信息定義為：消除信宿相對于目標(信源)的行為的不確定性的信息。
語用信息的信宿是有記憶的，并且是目標定向的。它可以利用自己存儲的先驗信息達到目標，可是成功的概率很?。灰虼?，它需要獲得來自目標的后驗信息，將二者進行比較，獲得實得信息，用以決定自己的行為，提高獲得成功的概率。行為的結(jié)果(輸出)再反饋回來(輸入)同預期結(jié)果比較，得出偏差值，用以修正自己的行為，以期進一步提高成功的概率。因此，語用信息有閉合的環(huán)路，其信宿有初步的自學習能力。在N·維納等人創(chuàng)立的控制論中討論的就是動物、人和機器都采用的語用信息。
在高等動物的內(nèi)分泌系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)(植物性神經(jīng)系統(tǒng))中傳遞的是語用信息，它們共同幫助生命系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)目標。更典型的語用信息是在動物的神經(jīng)系統(tǒng)和外分泌系統(tǒng)(分泌信息素)同環(huán)境的通訊過程中的信息，它們幫助動物達到外環(huán)境的目標。在這方面典型的例子有蝙蝠夜視避開障礙物，眼鏡蛇捕獲獵物，貓鼬戰(zhàn)勝毒蛇(N.Wiener,1961), 以及老鼠學會順利走出迷宮。
語義信息(semantic inforamation)這個術(shù)語也是從語言學中借用的。在語言學中，語義學(semantics)不僅要關(guān)心句中詞 與詞之間形式化的語法關(guān)系，而且還要研究它們的邏輯含義。在信息科學中，我們可以嘗試將語義信息定義為：消除作為信宿的主體相對于作為信源的客體的某種認知不確定性的信息。
語義信息是在使用同一種語言的共同體內(nèi)的個體之間進行通訊所傳遞的信息。語言是共同體成員們集體創(chuàng)造的符號系統(tǒng)。每個符號均是概念和語音的結(jié)合；前者為能指，后者為所指。它們的結(jié)合帶有任意性，可是所有能指和所指的一一對應關(guān)系卻是成員們世世代代約定成俗的結(jié)果。在進行通訊時，作為信源的個體將自己要傳遞的信息用語音符號編碼，構(gòu)成一個一個有完整意義的句子，然后借助語音信道傳遞給作為信宿的另一個體。后者憑借同一語言中能指和所指的對應關(guān)系解碼，獲得了信息，從而消除了自己知識結(jié)構(gòu)中的相對于作為信源的個體的某種不確定性。語義信息量的大小是個人知識結(jié)構(gòu)中有關(guān)的先驗信息同獲得的后驗信息之差。
在創(chuàng)造出記錄語音符號的文字符號之后，人類的語言就有了三種形式：內(nèi)部語言、口頭語言和書面語言。任一語義信息均可在這三種形式中轉(zhuǎn)錄而保持不變，但三種形式的實際效用都不同。內(nèi)部語言用于思考和建立個人的知識結(jié)構(gòu)，口頭語言用于個體之間的信息交流，書面語言用物質(zhì)形式記錄信息以便長期保存和做超越時空的交流。特別重要的是，人類用書面語言建立起文化信息庫，信息就成為相對獨立的實存，社會系統(tǒng)有了發(fā)達的文化遺傳機制。
語義信息的描述工具是邏輯。一方面它能夠斷定命題(句子的語義)在我們在知識結(jié)構(gòu)中的真?zhèn)?，去偽存真；另一方面，又能通過一定的推理形式得出新的命題，即生產(chǎn)出新的語義信息。于是，作為語義信息的信宿的認知主體有了自創(chuàng)造能力。
用語言符號構(gòu)成的句子包含三種信息：哪些符號按什么順序排列，這是語法信息；消除了接收主體追求具體目標或抽象目標，(價值)的行為的某種不確定性，這是語用信息；消除了接收主體知識結(jié)構(gòu)中的某種不確定性，這是語義信息。所以，它是全信息。
5.意識的進化
天地間唯人類有意識，這一點人人通過自省可得知；至于動物是否有意識，或有什么樣的意識，人無從得知，最多可推斷說它們有前意識。
中國古人在很長的歷史時期將人的意識活動歸之于“心”，如孟子說：“心之官則思”(《孟子·告子上》)。直到將近兩千年后，明朝的李時珍才在《本草綱目》里寫道：“腦為元神之府”，糾正了這一種認識。
可是，中國古代哲學家對“心”的很多論述，以現(xiàn)代的眼光看，恰恰是道出了人頭腦中的“意識”的某些基本屬性。如荀子說：“心者形之君也，而神明之主也，出令而無所受令。自禁也，自使也；自存也，自取也；自行也，自止也。故口可劫而使墨(同默)云，形可劫而使詘申(同信)，心不使劫而使易意；是之則愛，非之則辭，故曰心容其擇也?！?《荀子·解蔽》)這段話道出了作為主體性的意識的基本特征或功能是自主的選擇。
更有陸九淵和王陽明倡心學，發(fā)揮出“天地本無心，人為之心”這樣驚人的思想。如：“人者，天地萬物之心也；心者，天地萬物之主也?！薄跋壬唬?你看這個天地中間，甚么是天地的心?’對曰：'嘗聞人是天地的心?！唬?人又甚么教做心?’對曰：'只是一個靈明。’'可知充天塞地，中間只有這個靈明，人只為形體自間隔了?！?《傳習錄下》，《王文成公全書》卷三)。用今天的眼光來看，可以說，這是把作為“意識”的“心”放到宇宙進化的總過程當中來看了。
至于“意識”這個詞，則是在佛教傳入中國后翻譯佛經(jīng)時產(chǎn)生的。佛教把“識”分為六種：眼識、耳識、鼻識、舌識、身識和意識。其中前五識“唯外門轉(zhuǎn)”，只向外追求它的認識的東西；而第六識“意識”卻能“內(nèi)外門轉(zhuǎn)”，既能向外追求，又有向內(nèi)思考。意識可單獨活動，也可以管束前五識起指導作用，這叫“五俱意識”。[7]這里實悟出了意識有廣義和狹義的區(qū)分。
在西方古代思想史上，居主流的一派亦認為心臟是思維的器官。可是，西方醫(yī)學之父希波克拉里卻明確寫道：“所以我斷言腦是意識的譯員?！?《論圣病》)這比李時珍講出類似的話早了兩千多年。
在近代，笛卡爾提出了影響深遠的二元論：有廣延不思維的物質(zhì)和無廣延能思維的心靈。他通過“cogito, ergo sun(我思故我在)”這樣一句簡潔的拉丁語喚醒了自我，肯定認知主體的存在，并間接地論證了意識不言自明的相對獨立的自在。
笛卡爾在《形而上學的沉思》中有一段話有力地論證了人的意識的統(tǒng)一性：“心靈與形體之間有一種很大的區(qū)別，說到形體，從它的本性說，是永遠可以分的，心靈則完全不可分；因為事實上當我考察心靈時，也就是當我僅僅是一個在思想的東西來考察我自己時，我并不能把我分成幾個部分，而是極其明白地認識到和理會到我是一個絕對單一而且完整的東西；雖然整個心靈好像與整個形體聯(lián)結(jié)在一起，可是當一只腳或一條胳臂或某個別的部分與形體分離時，我卻極其清楚地知道我的心靈并沒有因此被削去什么：意志、感覺、理會等能力實際上決不能說是心靈的部分，因為是同一個心靈(整個)用來愿望，(整個)用來感覺，用來理會等等。”[8]
斯賓諾莎提出了消弭二元論的“兩面論”：“思想實體與廣延實體，乃是同一實體有時從這個屬性去了解，有時從那個屬性去了解的?！碑敶愃史坪屠澛逭撟C的“雙透視論”蓋源于此，其缺點是包括有一個未知的或不可知的第三者。
洛克不承認天賦印象，認為人的心靈酷似一塊白板。因此，“我們的一切知識都是建立在經(jīng)驗上的，而且最后是導源于經(jīng)驗的”。
萊布尼茲則站在相反的立場上，以天賦觀念反對白板說；以知識來源于天賦的內(nèi)在原則否定知識來源于經(jīng)驗；以靈魂的非物質(zhì)性否定物質(zhì)能思維。他提出了意識的統(tǒng)攝作用，寫道：“統(tǒng)覺，那是意識，或者說對這個內(nèi)部狀態(tài)的反省認識?！?/p>
康德發(fā)展了上述思想，提出了“統(tǒng)覺原理”，充分肯定主體意識的能動性。他寫道：“意識的綜合統(tǒng)一性乃是一切知識的客觀的條件……如果沒有這種綜合，雜多就不會聯(lián)合在一個意識里面了”。
赫爾巴特(Herbart)是與黑格爾同時代的德國哲學家，他第一個宣稱心理學是一門科學。他提出了“意識閾”的概念，寫道：“一個觀念若要由一個完全被抑制的狀態(tài)進入一個現(xiàn)實觀念的狀態(tài)，便須跨過一道界線，這些界線便為意識閾?！?/p>
詹姆斯(William James)是美國實用主義哲學的創(chuàng)始人，他提出了“意識流”概念?！啊谖覀兠總€人中間，當不眠的時候(而常常甚至睡夢中)都有某些意識過程發(fā)生。我們有各種狀態(tài)的意識流(感覺、愿望、思考等等)在迅跑，它們猶如波浪或田野一樣(叫什么都可以)綿亙不斷”。他還把意識和注意力聯(lián)系在一起，認為意識是注意力發(fā)揮作用進行比較、選擇而形成的。
弗洛伊德明確區(qū)分了三個層次：無意識層次的“本我”，它只根據(jù)“快樂原則”追求直接性欲的滿足；意識層次的“自我”在“現(xiàn)實原則”的指導下按本我的意志行事；“超自我”是“道德化的自我”，根據(jù)“良心”和“互善原則”指導自我，限制本我，以達到自我理想的實現(xiàn)。他并且提出“每一種心理過程最初都是處于一種潛意識的狀態(tài)或時期，然后，只是從這一時期才過渡到一種有意識的時期”。[9]
當代哲學家和科學家們繼續(xù)更加緊張和深入地探討意識的本質(zhì)，形成了某些新的觀點。玻普(K.R.Popper)把世界上所有現(xiàn)象分為三大類。第一類命名為世界1，它是物質(zhì)世界，從化學元素開始，直到生命有機體；世界2是主觀世界，知覺、主觀經(jīng)驗、自我意識；世界3是人類精神的產(chǎn)物，包括文藝作品、科學理論和科技產(chǎn)品等。世界2是從世界1中突現(xiàn)出來的，世界3又是從世界2中突現(xiàn)出來的，它們之間有相互作用的關(guān)系。
艾克爾斯(S.C.Eccles)把意識看成是一個獨立的精神實體，他寫道：“現(xiàn)在發(fā)展出一個自我意識精神與腦之間相互作用的模型假設是重要的，我們稱之為二元論者的假說比迄今為止系統(tǒng)陳述過的任何有關(guān)假說更為牢固、更加確定?！@個假說和最初的簡明綱要可以陳述如下：自我意識精神是積極參與辨認的最高層次上的腦活動，即優(yōu)勢半球的聯(lián)絡區(qū)的大量的活動中心。自我意識精神基于注意從這些中心選擇并隨時整合它的選擇以給出統(tǒng)一性，即使是對短暫的經(jīng)驗也給出統(tǒng)一性。而且，自我意識精神作用于這些神經(jīng)中心，修改這些神經(jīng)事件的動力學的時空模式。因此，我們提出自我意識精神對神經(jīng)事件施加一種卓越的解釋和控制作用。”
斯佩里(R.W.Sperry)提出“突現(xiàn)的相互作用論”?！白杂X的意識被解釋為是大腦興奮動力學的突現(xiàn)的性質(zhì)”。這種特殊的心理性質(zhì)，“是還有待于發(fā)現(xiàn)的整體的構(gòu)型的性質(zhì)。我們預言，一旦它們被我們發(fā)現(xiàn)和得到理解，它們將很好地被表述為是不同于并且多于構(gòu)成它的神經(jīng)事件”。
更具體地說：1.意識是在腦的整體的構(gòu)型中實現(xiàn)的，它是皮層神經(jīng)網(wǎng)絡綜合活動的結(jié)果，不是單個神經(jīng)元的活動；2.意識在整個腦系統(tǒng)內(nèi)沒有特殊的定位；3.它對神經(jīng)過程的作用不是作用于整體，而是時而作用于這個局部，時而作用于另一些局部，從而產(chǎn)生出選擇性活動。一句話：意識是腦的最高層次突現(xiàn)的新的現(xiàn)象。
中國學者潘菽提出，意識“并不是指單純的感覺、知覺或思維，而是指包括它們在內(nèi)的綜合的、整體的認識作用”。[10]
中國學者胡文耕在做了非常全面、深入、細致的探索之后，在他的書中提出：“意識是腦神經(jīng)活動特定狀態(tài)下突現(xiàn)的事件，是神經(jīng)系統(tǒng)信息加工多次轉(zhuǎn)化的結(jié)果，在這種轉(zhuǎn)化過程中，中樞各層次、各部分所匯集的外部事物狀態(tài)的信息或自身內(nèi)部狀況的信息，整合、內(nèi)化為直接給與的覺察或覺察的覺察?！盵11]
綜合前人針對“意識”講過的最有價值的這些話，運用多元透視整合以尋真相的方法，我們便可以提出自己的見解。
筆者此前曾撰一文，題曰《心靈系統(tǒng)》，詳細地論證了這樣的觀點：人的頭腦是宇宙進化過程在地球上展開的生物進化和社會文化進化推進到現(xiàn)階段出現(xiàn)的最復雜和最特殊的系統(tǒng)，它確實具有雙透視的能力：一方面它能向外部透視，看到同自己一樣的別人的頭腦是一個以心臟為中心的血液循環(huán)—內(nèi)分泌系統(tǒng)同以腦為中心的神經(jīng)系統(tǒng)耦合成的復雜系統(tǒng)，能觀察和研究其中由場、能量、物質(zhì)和信息四種元素構(gòu)成的流體和過程；另一方面又能從內(nèi)部透視，觀察、內(nèi)省和體驗自己是一個由情欲、理智和意識三部分組成的心靈系統(tǒng)，充滿各種各樣的精神事件。我們將外部透視圖設為A，內(nèi)部透視圖設為B，A和B的關(guān)系就是哲學，特別是近代哲學研究的基本問題，或基本問題之一。
我們可以接受和采用貝塔朗菲和拉茲洛的雙透視論的解釋，但我們?nèi)圆坏貌怀姓J它們都是真實的存在；結(jié)果，我們雖然暫時擺脫了唯物的或唯心的一元論的偏執(zhí)，可是仍舊擺脫不了笛卡爾的二元論。更進一步，我們還可以問：既然有透視，就必有透視者。對外部的物理-化學現(xiàn)象的透視者是另一心靈，對內(nèi)部的心理-精神現(xiàn)象的透視者是誰呢?回答只能是：意識，或自我意識。再追問這自我意識是從哪里來的呢?回答只能是：是從我們頭腦中科學現(xiàn)在還不能圓滿解釋的一種突現(xiàn)當中來的。
對意識的突現(xiàn)，當代神經(jīng)生理學能給出的解釋是：單個的神經(jīng)元是沒有意識的，意識的突現(xiàn)需要大批神經(jīng)元的綜合、協(xié)調(diào)活動；這些神經(jīng)元的分化要達到很高的水平，并且高度組織起來，構(gòu)成多層次的大系統(tǒng)；要有一定數(shù)量的內(nèi)部和外部信息(特別是語言符號編碼的語義信息)的持續(xù)的輸入；大腦皮層下有一個網(wǎng)狀激活系統(tǒng)，它匯集、過濾和整合這些信息，借助其上行通道發(fā)出信號使大腦皮層處于警覺狀態(tài)；產(chǎn)生意識實現(xiàn)的真正部位是大腦皮層，特別是它的前部——人類特有的發(fā)達的額葉，它整合皮層下層系統(tǒng)(各個中樞)加工產(chǎn)生的信息，突現(xiàn)出統(tǒng)一的意識。
在那篇文章里，我設計出了一張可能有一點獨創(chuàng)性的“心靈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)”的示意圖。(圖3)這是一張情欲、理智和意識的三元結(jié)構(gòu)圖，其中處于最高位置用三角形表示的統(tǒng)一的意識有三種狀態(tài)：意念、意向和意志。與意識相對立的無意識的存在可反證意識的相對獨立的存在，例如在睡夢中，意識關(guān)閉了，無意識便浸潤上來占據(jù)了心靈的其余部分并支配它們的活動。意念是純粹意識，一種直接給予的覺察或覺察的覺察，它是心靈虛靜狀態(tài)下關(guān)于存在的自我意識。當你練氣功或打太極拳入靜時，可以體驗到意念在身體各部分或移動或停留。當然，有時創(chuàng)新的靈感和行動的意向也會以意念的方式萌發(fā)出來。
圖3 心靈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
意向是活動的意識，它突出的特點是意向性，即隨意變換地指向欲望、感情、沖動、感性、知性或理性的任何內(nèi)在對象，監(jiān)控和支配它們，進行比較和選擇，整合它們，賦予意義并做出創(chuàng)新性的建構(gòu)。
意志是行動的意識，是做出決定、形成指令并支配肉體行動以實現(xiàn)建構(gòu)和達到目標的意識，是作為一種強大的精神力量出現(xiàn)的意識。
至此，我們可以給出一個新的描述性的意識定義：意識是在場、能量、物質(zhì)和信息的基礎上進化出來的宇宙的第五種元素，是在每個人大腦皮層額葉的多種流體中維持著的獨一無二的突現(xiàn)，直接給予的覺察或覺察的覺察，它不占據(jù)廣延，只在時間中流變。意識具有純粹內(nèi)在性、直接所予性和不言自明的存在性，是一個自主的統(tǒng)一體，一種最高的存在。意識的功能是隨意變換地集中指向心靈中任何內(nèi)在的對象，監(jiān)控和支配它們的變換，進行比較和選擇，整合并賦予意義，做出創(chuàng)新建構(gòu)，然后指導肉體行動去實現(xiàn)建構(gòu)和達到目標，在這個意義上，意識是宇宙進化的新的起點和新的推動器。
需要補充說明的是，無論是生理學的外部透視還是心理學的內(nèi)部透視，心靈都是一個具有等級結(jié)構(gòu)的復雜系統(tǒng)，而額葉及其突現(xiàn)意識均處于極頂位置，整合并統(tǒng)攝心靈的全部活動，所以我們有第三種含義的意識概念——廣義意識，它等同于心靈、心理、精神、靈魂、主體或自我。
顯然，意識是宇宙進化沿著一條向上的特殊軌線在地球特定條件下的產(chǎn)物。其進化的前史是生命系統(tǒng)同內(nèi)外環(huán)境的通訊活動的進化，作為通訊系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)的進化，還有信息的進化。值得注意的是，對原始思維的研究和對兒童思維發(fā)展過程的研究兩方面的成果都告訴我們，即使有了比較發(fā)達的大腦皮層，它能處理用語言符號編碼的簡單的語義信息了，從原始的朦朧的自我意識到發(fā)達的明晰的意識，也還有一個相當長的進化過程。
根據(jù)列維-布留爾的研究成果[12]，我們可以說，原始思維是原邏輯思維，它不是反邏輯，也不是非邏輯，只是說“它對邏輯思維所不能容忍的矛盾漠不關(guān)心”，“首要的注重是服從互滲律”：個別與一般的互滲，原型與肖像之間的互滲，社會集體與圖騰動物互滲，方向與顏色互滲，可見的力量和不可見的力量之間互滲。
原始思維只有具體的概念，幾乎沒有抽象概念，更沒有高層次的種、屬概念和范疇。情欲、理智和意念是交融在一起的，都淹沒在情緒中。
在原始思維中主體同客體沒有嚴格的區(qū)別，自然與超自然現(xiàn)象(神靈)融為一體，自我與圖騰、肉體與想象中的靈魂、人同自然都合而為一(天人合一)。
人們早已普遍承認，兒童智力發(fā)育的過程是人類智力進化過程縮略的反演。皮亞杰對兒童思維長期研究得出的結(jié)論是：兒童早期活動“顯示出在主體與客體之間完全沒有分化”。18個月以前的兒童基本上是無意識的。要到4—6歲，左、右腦半球在功能上才有所側(cè)重，6—10歲左半球確立語言優(yōu)勢并確立了同右半球的整合和約束，才形成良好的自我意識。
這一切足以說明，完整的意識是在人類進化的較晚的階段上才形成的；但它一經(jīng)形成，就開始了人類有意識地創(chuàng)造的文化進化新階段。
我們回顧了人類在20世紀獲得的具有劃時代意義的幾項科學偉大發(fā)現(xiàn)，它們徹底改變了我們所認識的宇宙圖景，呈現(xiàn)給我們一幅從大爆炸到人類意識的進化全景。這幅進化全景是相當真實和可信的，因為其主要部分連同許多細節(jié)，實際上就是本世紀在自然科學方面獲得諾貝爾獎的幾十項成果串在一起；換句話說，就是這些成果早已獲得科學界的公認，并且寫進了教科書。
它們迫使唯物主義必得改變自己的形式，因為它再也不可能堅持在19世紀形成的唯物主義的某些觀點，更不要說18世紀的了。
首先，我們不可能僅僅堅持說“世界是物質(zhì)的，物質(zhì)是運動的”，因為一種更好的說法是：世界是復雜的，是由場、能量、物質(zhì)、信息、意識等多種元素構(gòu)成的，它們都是運動的。例如，在人體肌肉系統(tǒng)內(nèi)有能量流，血液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)有物質(zhì)流，神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)有信息流，大腦里面有意識流，此外，可能還有中國人發(fā)現(xiàn)的經(jīng)絡系統(tǒng)內(nèi)的生物場量子流。
物質(zhì)再不能驕傲地說自己是永恒的，因為從起源上說，物質(zhì)也是進化出來的，從結(jié)局上說，到一定時候所有現(xiàn)存物質(zhì)結(jié)構(gòu)都會瓦解和消失，哪怕是作為物質(zhì)穩(wěn)定性的基石的質(zhì)子，它的生命也是有時限的——1031 -32 秒。
我們?nèi)匀贿€可以說“物質(zhì)是第一性的，意識是第二性的”，甚至還可以增加一句，“物質(zhì)是第一性的，信息是第二性的”?？墒?，物質(zhì)這個“第一性”也沒什么了不起了，因為它也是相對的了，就是說，相對于“信息”和“意識”，物質(zhì)是第一性的，若相對于“能量”和“場”，物質(zhì)也降成第二性的了。
當然，可以說“場、能量和物質(zhì)三者是可以互相轉(zhuǎn)化的，場和能量是別樣形式的物質(zhì)”，因此我們?nèi)匀豢梢詧猿治镔|(zhì)一元論。
可是，既然三者是可以相互轉(zhuǎn)化的，那么別人就可以論證場是基本的和首要的，能量和物質(zhì)都是派生的，從而堅持場一元論。國際上著名的系統(tǒng)哲學家歐文·拉茲洛就是這么做的，他在《當代科學的新形而上學》一文[13]中寫道：“宇宙的基本實在是由場，而不是由質(zhì)料構(gòu)成的。場可由科學工具進行研究，這些工具就是抽象的概念，它們不能把場形象化或描述出來，但它們能對觀察到的所有形形色色的現(xiàn)象提供嚴密的解釋。物質(zhì)和心靈是從時空中場的相互作用中涌現(xiàn)出來的。物質(zhì)和心靈二者都是派生的；場是最初的，并且很可能是最終的?！?/p>
另外的人又可以發(fā)展出能量一元論或唯能論。中國臺灣地區(qū)哲學教授曾霄容先生在《意識論》一書中就是這么做的，不過他把生命和意識說成是“高附能”——附著于物質(zhì)的高級能量，至少在目前還是沒有科學根據(jù)的。[14]
有鑒于此，與其讓唯場論、唯能論同傳統(tǒng)的唯物論“三論”鼎立，相持不下，有些地方又在當代自然科學的基礎上難以自圓其說，我們不如按當代自然科學知識把它們看做既相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化，又在構(gòu)造和基本屬性方面相互區(qū)別的三種相對獨立的元素。
或許有人會說：“哲學上的物質(zhì)概念同物理學上的物質(zhì)概念是不一樣的”，言下之意是，哲學上的物質(zhì)概念是一個范疇，它包羅萬象，凡我主體意識之外的均是物質(zhì)，唯有物質(zhì)，而且我的主體意識實際上是不存在的，它不過是一種反映形式(鏡像)，如水中之月。
對這種議論我可以回答說：你可以堅持這樣一種“物質(zhì)”概念或范疇，只要你承讓它同物理學，特別是現(xiàn)代物理學中的概念是不一樣的(實際上是對不上茬的，或格格不入的)就行了。我卻寧愿老老實實地承認，同18、19世紀的物質(zhì)概念相比，20世紀物理學中的物質(zhì)概念的內(nèi)涵豐富了，加深了，更具體了，外延自然就縮小了，實際上是分化成了三個概念——場、能量和物質(zhì)；因此，建立在當代自然科學基礎上的新形而上學或新的哲學本體論，就必得承認在這方面要有三個范疇，而不是一個范疇。誰要有本事就讓他用“奧卡姆剃刀”剃掉兩個好了，我是沒這本事!至于信息，早在本世紀中期，一位絕頂聰明的人N·維納就將了一軍：“信息就是信息，不是物質(zhì)也不是能量。不承認這一點的唯物論，在今天就不能存在下去?！盵15]這位科學家的這一軍將得很干脆，很死，40年來，許許多多堅持物質(zhì)一元論的哲學家使出渾身解數(shù)想把自己救活，據(jù)我看，誰都沒能做到。
把信息解釋成“物質(zhì)的普遍屬性”是講不通的?，F(xiàn)在到處都在談論“信息流”，在細胞中，在人體中，在電腦中，在全球人類社會中，都有信息流，試想一種東西上面的屬性怎么可能離開它變成流體到處流，更不要談轉(zhuǎn)錄、翻譯和存儲了。
把信息解釋成意識也不行，因為，如果說信息就是意識，意識就是信息，那就會推導出荒謬的論點：如生物細胞里有意識，書本里有意識，電腦里有意識，等等。邏輯上的歸謬法立刻就把上述解釋推翻了。迫不得已，只好把信息解釋成“物質(zhì)和意識的中介”。這種解釋把信息擺對了位置，但是并沒道出信息的本質(zhì)。因為“中介”是表征事物間接聯(lián)系的哲學范疇，說信息是物質(zhì)和意識的中介，就是說物質(zhì)同意識和意識同物質(zhì)無法直接聯(lián)系，需要有信息居間起橋梁的作用，信息的作用是中介，但信息本身是什么卻仍然得不到解釋。不過這種解釋倒是把我們帶回到N·維納的觀點了：信息既不是物質(zhì)和能量，也不是意識，而是居間的第三者。
最后再來看意識。對二元論者和唯心論者來說，意識的存在是絕對不成問題的。從近代二元論的偉大代表笛卡爾，到現(xiàn)代現(xiàn)象學大師胡塞爾以及認胡塞爾為鼻祖的存在主義哲學家們，均認為你可懷疑一切，但無法懷疑自我意識的存在，因此，意識是先驗的絕對的存在。可是，要讓一個唯物主義哲學家承認意識是一種相對獨立的存在，那就難了。破除對意識解釋的某些老生常談，可能有助于這一點。
一種常見的唯物論的意識定義是由四個命題組成的：
Ⅰ意識是高度組織起來的物質(zhì)即人腦的機能；
Ⅱ意識是高度組織起來的物質(zhì)即人腦的屬性；
Ⅲ意識是客觀存在的主觀映象；
Ⅳ意識對物質(zhì)世界有巨大的反作用，即意識有主觀能動性，能進行創(chuàng)造性的活動。
這四個命題放到一起來定義意識是經(jīng)不起推敲的，有的自相矛盾，有的互相矛盾。
說人腦是“高度組織起來的物質(zhì)”就是說它是一個復雜的系統(tǒng)，“人腦的機能”就是這個系統(tǒng)的功能，而系統(tǒng)的功能都是活動，它可以是意識活動，但不可能是意識本身，于是命題Ⅰ由于自相矛盾就自我否定了。
說意識是“人腦的屬性”就是說它是內(nèi)在于人腦的，或人腦固有的；又說“意識是客觀存在的主觀映象”就是說它是從外面投射進來的。任何東西都不可能既是內(nèi)在固有的，又是從外面投射進來的，所以命題Ⅱ和命題Ⅲ互相矛盾就互相否定了。
由以上的分析可以知道，下定義和唯物主義哲學家們自己也不清楚，或者自己也沒拿定主意，意識到底是“功能”，是“屬性”，還是“主觀映象”，于是就一古腦兒全堆上去了；由于自相矛盾和互相矛盾，結(jié)果信息就哪樣也不是。這就是為什么我寧愿追隨那些居領(lǐng)先地位的腦神經(jīng)生理學家的觀點，老老實實承認意識是“高度組織起來的物質(zhì)即人腦”的“突現(xiàn)”的原因。而且，我同樣承認科學至今尚未揭開意識之謎，還愿補充說，鑒于研究上的特殊困難，很可能要到N代生物元件電腦模擬出人工意識之后，這個謎才能最終揭開。
相比之下，命題Ⅳ倒是個實實在在的真命題：誰也無法否認玻普所說的世界3——人類社會連同它包容的具有無限多樣性的人造物品和人工系統(tǒng)，都是意識創(chuàng)造出來或在意識推動下創(chuàng)造出來的。從創(chuàng)造人造物品和創(chuàng)造創(chuàng)造性活動可以反證創(chuàng)造者意識的存在。
我們終于達到了我們的結(jié)論：建立在20世紀科學偉大成就基礎之上和新型的形而上學是一種進化的多元論：場、能量、物質(zhì)、信息和意識是迄今為止我們所知道的構(gòu)成宇宙的五種元素，它們是自大爆炸的那一刻起相繼進化出來的，地球上的人類就生活在這樣一個多元的世界上。我們不排除將來還會進化出新的元素，也不排除在宇宙的別的區(qū)域還存在新的元素，更不排除在未來，譬如21世紀，隨著科學新的具有劃時代意義的偉大發(fā)現(xiàn)(如在超弦和超對稱理論方面)，這種新的唯物主義世界觀還會改變形式。
我們?nèi)匀环Q這種類型的形而上學是唯物主義的，是在下述意義上：唯物主義的基本精神是實事求是，尊重事實，尊重科學，凡科學發(fā)現(xiàn)和證明了的事實，就應在哲學上加以承認。主義馬克思的辯證唯物主義又有一個著名的觀點，叫做“徹底的唯物主義是無所畏懼的”，當然也不畏懼承認自己認識的過時，以及因過時而發(fā)生的錯誤和糾正這些錯誤。
大家知道，前蘇聯(lián)的一批唯物主義哲學家曾在本世紀初期和中期先后批判過相對論、量子力學、摩爾根遺傳學(基因論)和控制論，說它們使“物質(zhì)消失了”，“宣揚非決定論”，“復活唯心主義”，“是資產(chǎn)階級的偽科學”，可是，后來科學發(fā)展的事實證明這四門新學科均是“具有劃時代意義的偉大發(fā)現(xiàn)”，不但站住腳了，而且獲得了一批一批諾貝爾自然科學獎。這樣一來就使那些搞批判的哲學家處在很不光彩的地位，并且敗壞了唯物主義，特別是辯證唯物主義的聲譽。至今，又是半個世紀過去了，代那批蘇聯(lián)哲學家負疚和受過沒有必要，沉默和避而不談也不是正確的態(tài)度，所以本文采取了積極的態(tài)度，提出了一種新的說法。
最后，還剩一個余論性質(zhì)的問題，那就是現(xiàn)在還討論形而上學問題或本體論問題，有意義嗎? 提出這個問題的原因，是東西方都有大哲學家老早就說過，“哲學終結(jié)了”，“只剩下辯證法和形式邏輯了”，“只剩下語言分析了”，等等。
我個人認為，上面那些話都說得太早，太絕，太偏，總之是說過頭了。這不禁使人想起，物理學家和諾貝爾獎獲得者馬克斯·玻恩也鬧過類似的笑話。1929年他曾對到格丁根大學訪問的一群人說：“我們所了解的物理學將在六個月內(nèi)終結(jié)?！彼男判慕⒃诘依藙倓偘l(fā)現(xiàn)了支配電子的方程，同這個方程類似的一個方程又可支配質(zhì)子，而當時在亞原子層次上所知的就只有這兩種粒子。不久，中子和核力的發(fā)現(xiàn)就敲了他的頭，更不要說后來發(fā)現(xiàn)的幾百種粒子和更深層次上的夸克了。[16]
預言物理學很快就要終結(jié)的人鬧了笑話，預言哲學及其本體論已經(jīng)終結(jié)的人何嘗不更是這樣。人類對世界的認識哪有盡頭?
【注釋】
[1]《馬克思恩格斯選集》第3卷，人民出版社1972年，第224頁。
[2]轉(zhuǎn)引自《自然辯證法百科全書》，中國大百科全書出版社1995年，第149頁。
[3] I.Prigogine, Forword for The New Page， by Federico Mayor,UNESCO Publishing, 1995.
[4]現(xiàn)已證明中微子有質(zhì)量。——1999年1月20日補注
[5]童浩主編：本節(jié)所引物質(zhì)定義均轉(zhuǎn)引自《哲學范疇史》(上、下)，河南人民出版社1987年；謝慶綿：《西方哲學范疇史》，江西人民出版社1987年。不再一一注明原出處。
[6]后兩段話直接引自《自然辯證法》，人民出版社1957年，第214、228頁。
[7]童浩：《哲學范疇史》(上)，河南人民出版社1987年，第220頁。
[8]胡文耕：《信息、腦與意識》(上)，中國社會科學出版社1992年，第368頁，以下多處引文皆出自此書，不再一一注明。
[9]以上4段可參閱《哲學范疇史》(上)，第215—244頁。
[10]潘菽：《意識問題試解》，《心理學探索》1980年第1期。
[11]胡文耕：《信息、腦與意識》，中國社會科學出版社1992年，第340頁。
[12]列維布留爾：《原始思維》，商務印書館1981年。
[13] 哲學研究》1988年第5期。
[14]胡文耕：《信息、腦與意識》，第339頁。
[15] N·維納：《控制論》，科學出版社1962年，第133頁。
[16]斯蒂芬·霍金：《時間之謎》，上海人民出版社1991年，第185頁。
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