20世纪重大基础自然科学进展所体现的系统观念，本文主要内容关键词为：自然科学论文,进展论文,观念论文,基础论文,世纪论文，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。
系统科学的建立和发展是二十世纪科学的重大成果。系统科学所体现的系统观念成为继相对论和量子力学之后，再一次改变世界图景和科学家思维方式的新观念。现在人们常把系统科学称作横断学科，主要包括系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学、超循环论、混沌理论、突变理论和分形理论等等。而系统观念主要是从这些学科中获得的，并升华为人们看待自然界、社会和人类思维的基本观念。显然，这种升华的基础是不充分的。本文试图通过对二十世纪量子力学、相对论、宇宙学和分子生物学等重大基础自然科学的进展的考察，来分析和概括这些学科所体现的系统观念，从而进一步使作为哲学层次的系统观念建立在理论自然科学成就的基础上。
1 量子力学所体现的系统观念
量子力学是研究微观粒子运动规律的理论。微观粒子的一个重要特性是波粒二象性。然而，波是连续的和伸展的，其相互作用要通过相；粒子是不连续的，局域性的，其相互作用要通过动量。波和粒子似乎不能结合为统一的模型。但薛定鄂和海森堡却分别发展出能对波和粒子进行统一描写的数学形式，并能对观察到的微观事件进行概率地（或统计地）预测。这就是量子力学。它给物理学乃至整个科学提出的尖锐问题，一是如何看待微观粒子的波粒二象性，微观世界的真实图景是什么，物理学乃至整个科学应该描述什么样的客观实在，是排除干扰的经典的客观实在还是观察到的（有观测影响）的客观实在；二是建立在统计规律基础上的量子力学是不是根本性的理论，经典的因果决定论和统计决定论哪一个更根本。尽管这些问题至今还未彻底解决，在科学家中也未达成普遍的共识，但我们仍能从量子力学及其有关的研究（包括争论）中获得有关微观世界及如何认识微观世界的系统观念。
1.1 微观粒子（如电子、原子核、质子、中子、原子、分子、等等）具有整体性。微观粒子的波粒二象性不能理解为既是波又是粒子，只能理解为微观粒子作为统一的整体体现为既象波又象粒子的行为。
描述基本粒子行为的夸克理论及有关研究进一步说明微观粒子的整体性。根据夸克理论，基本粒子是由几种夸克以简单的规则结合形成的。但自由夸克从没有被人们观察到，根据夸克幽禁理论，自由夸克不能单独存在，即夸克作为部分只能在更大的整体中存在。
由夸克构成的各种基本粒子似乎表现为不断转变方式的波，一会儿在一点聚集，一会儿又分散，然后又会在某地重新聚集。一个粒子开始时更象一种在下层连续振动的能量在某一点的显现。两个粒子之间的力可被认为产生于一种不同粒子之间的迅速交换。束缚在原子里的某一电子必须被看作整个原子的一种状态而不是一个分离的实体。随着微观粒子系统变得更复杂，就会产生更多的由其微观组成部分本身不能预测的新的性质。特别是在从夸克到基本粒子，从基本粒子到质子、中子和电子，从质子和中子到原子核，从原子核和电子到原子，从原子到分子等不同层次的整体作为系统，具有不同的组织原理，其展现的特性和行为是不能在其组成部分中发现的。
即使在同一层次的整体中，随着其组成部分的增加，其特性和行为也不是其新增加部分的特性和行为的简单加和，例如，随着原子中电子数目的增加，其结构或外形是由泡利不相容原理所支配的，而这个原理所考虑的是整个原子，它不能从只考虑单个电子的有关原理中获得。这个原理表明，在一个给定的原子中没有两个电子能处于相同的状态。当一个新的电子被加入这个给定的原子时，它必然呈现一种与所有已经存在电子不同的状态。根据量子理论，任何企图描述组成部分电子行为的努力都要放弃，原子作为一个整体，其特性要由一些新的法则来分析，这些新的法则与那些支配其组成部分的法则是不同的。作为组成部分的电子在原子整体中失去了本身。一个被束缚在原子里的电子是这个系统的一种状态，而不是一个独立的实体[1]。
同理，在某种固态中排列的一组原子的能量等级是整个系统的特性，而不是其组成部分的特性。例如，当某种金属被冷却时，基本磁性单位的合作现象或在某种超导体中电子的合作行为，都不能以原子为单位进行分析。当人们把研究的视角从单个原子转向整个系统时，就要涉及新的组织原理，即系统原理。这些新的系统原理是不能从其组成部分的原理中获得的。如果没有这种整体的量子现象，就不会有化学性质、晶体管、超导体、核能等等。因此，量子力学的这种整体性观念不同于牛顿力学所倡导的用部分来说明整体的还原论。
1.2 由于各个层次的微观粒子系统具有整体性，甚至某些宏观物质的某些特性也具有整体性，就会导致微观组成部分与整体的不可分离性，即使能把组成部分从整体中分离出来，其行为和特性与作为整体的部分也是不同的。因此，不仅企图用部分来说明整体的还原论是不适用的，而且企图精确测量某种微观粒子的行为来预测以后行为和精确测量组成部分（下层次）来预测整体（上层次）行为的传统的因果决定论也是不适用的。这不仅由于某一层次的微观粒子既是其下层组成部分的整体，又是其上层更大整体的组成部分，它们密切联结在一起具有不可分离性，而且还由于对这个微观系统进行研究需要一个观测系统，而观测实际上是观测系统与被观测系统的相互作用，其相互作用的结果便成为观测到的现象。这样被观测系统和观测系统又会构成更大的系统，观测到的现象便是这个更大的系统的组成部分之间的相互作用的结果，是这个更大系统整体功能的体现。这种整体功能同样不能用其组成部分来说明。因此，从这种系统具有整体性的观念来看，经典的客观实在论和经典的因果决定论是不适用的。当然，这并不排除微观粒子本身的客观实在性。
1.3 微观粒子从夸克到基本粒子，从基本粒子到质子、中子和电子，从质子和中子到原子核，从原子核和电子到原子，从原子到分子，体现为系统不同层次的有序等级，体现为从某一层次的无序（如电子）到更高层次的有序（如原子）。这是由于在更高等级上出现了能支配整体结构行为的新规律（如泡利不相容原理），表现为新型的复杂性。在某一层次的随机行为能导致另一层次的动态模式。在某些情况下新的有序可以通过考虑其大量的组成部分的平均的或统计的行为来预测。根据量子理论，似乎存在规律性与偶然性之间的复杂的相互作用。量子力学的测不准原理就是微观世界客观的不确定性和规律性的体现。
2 相对论所体现的系统观念
相对论包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对论把空间、时间和运动物体的质量的测量和观察者紧密联系在一起，并隐含时空连续和质能相等。广义相对论把加速运动、引力和空间弯曲联系起来，并能导致宇宙膨胀是其一个解的方程。
相对论向人们展示了一个动态的和相互关联的宇宙。时间和空间不可分离，质量是一种能量形式，重力和加速度不能区分。物质的动力学和空间形式之间相互作用，时间构成和空间几何学之间存在辩证关系，等等。
很显然，从相对论我们可以得到的重要的系统观念是整体性和相互决定性。这种整体性和相互决定性是自然界所固有的、内在的规律。这种整体性和相互性决定性不仅表现在自然界的一些基本的测量概念时间、空间、质量、能量和运动具有不可分割的内在联系，而且自然界作为被观察系统与有观察者参预的观察系统之间也具有不可分割的内在联系。也就是说，象量子力学所展示的一样，相对论也表明被观测系统和观测系统又构成新的系统。观测结果是这个新系统的整体功能的表现。这种观测结果也不能用还原论的观点，归结为被观测系统整体功能的体现。
根据相对论，宇宙是一个统一的和相互关联的整体。由于在这个整体中存在相互关联性和相互决定性，不仅可以引导人们追求描述宇宙事物理论的逻辑简单性，而且能进一步引导人们认识宇宙万物的同源性，并进而认识到宇宙发展的演化性。因此，相对论不仅为现代宇宙学奠定了理论基础，而且从相对论中可以引申出另一个重要的系统观念，即系统具有发展的演化性。
3 现代宇宙学所体现的系统观念
现代宇宙学是把宇宙作为一个整体，来研究其结构和运动规律的科学。它以爱因斯坦的广义相对论为基础，把现代天文观察资料和基本粒子物理理论有机结合起来，其代表性的学说是大爆炸理论。根据大爆炸理论，宇宙产生于距今150亿年前的一次爆炸。从爆炸开始（零秒）到10[-43]秒之前所发生的事件人们还不能描述。到10[-43]秒时，宇宙大温度为10[32]度，整个宇宙只有今天的一个原子的大小，密度是现在水密度的10[96]倍。此前量子力学的基本原理很有意义，自然界中四种相互作用力是统一的。此后，随着宇宙的膨胀，温度迅速降低，引力、强核力、弱核力和电磁力相继分离，基本粒子、电子、质子、中子、原子核、原子、星系、行星、微观生命、人类相继形成。尽管到今天人们对大爆炸宇宙学的有关理论，特别是根据这些理论对宇宙产生和演化的解释还没有达成普遍的共识，但我们仍然能从中得到一些系统观念的启示。
3.1 宇宙是一个统一的、有内在联系的统一体，宇宙作为一个整体有同一的起源，有本身的发展演化过程，宇宙中不同层次的物质在不同的阶段依次演化产生。这体现了系统的整体观、层次观和发展演化观。
3.2 宇宙本身是一个自组织、自演化系统。这个系统的演化过程及其结果（即我们今天的宇宙）对初始条件具有强烈的依赖性。正象著名天体物理学家霍金(Hauking Stephen)所指出：如果宇宙爆炸后，膨胀速度哪怕比已经发生的速度小十亿亿分之一，宇宙到达现在的尺度之前将会重新塌陷[2]；另一方面，如果宇宙的膨胀速度比已经发生的速度大一百万分之一，宇宙将会由于膨胀速度太快，而不会形成恒星和行星。宇宙能演化到今天的样子，除了需要严格的宇宙膨胀参数以外，还需要严格的粒子与反粒子的比率参数和元素形成中严格的核力参数，等等。（这就是宇宙学中所谓的人类学原理，即我们所能观察到的东西必定受我们作为观察者而存在这个必须的观测条件的限制）。宇宙演化的这种对初始条件的强烈的依赖性，与现代自组织理论，特别是混沌系统理论所揭示的所谓“蝴蝶效应”是不谋而合的。这也向人们揭示，宇宙作为自组织系统本身存在非线性的相互作用。
3.3 宇宙作为自组织系统，其演化过程既有一定的随机性，又有一定的必然性，宇宙的演化体现为随机性与必然性的辩证运动。目前，关于宇宙演化的随机性有四种多世界理论(Many-World Theories)。这些理论把宇宙演化到今天所需要的难以想象的严格的初始条件，变为可以理解的一组可能性，即宇宙演化到今天的样子是一组可能世界中的一种。关于宇宙演化的必然性，有大统一理论(Grand Unified Theory)，即把强核力、弱核力和电磁力统一起来的理论，这个理论能解释宇宙演化到今天所需要的严格的粒子与反粒子的比率；有膨胀理论(Inflationary theories)，这个理论能解释为什么宇宙膨胀的速度是如此地接近开放与封闭宇宙的关键平衡点，还能解释为什么宇宙中微波背景辐射是接近各向同性的。另外，科学家们还希望建立所谓的超对称(Supersymmetry)或超弦(Super-spring)，或一切事物理论(Theory of Everything)，来解释宇宙在10[-43]秒之前，四种基本作用力统一时的状况。这样，整个宇宙就能从一个简单的和包含一切的方程中得出。因此，不仅宇宙演化的严格的一系列初始条件有必然性，而且宇宙演化到今天的样子也是必然的。
上述关于宇宙演化的随机性的理论和必然性的理论，各自只能说明宇宙演化的一个侧面。宇宙演化从一个阶段到另一个阶段，从一个层次到另一个层次，必然有新的东西出现，同时有新的规律出现，而新的东西和规律的出现需要偶然性和随机性。但宇宙演化的总过程以及每一层次宇宙的运动又有一定的必然性。在宇宙演化的早期，即从夸克—基本粒子—中子、质子和电子—原子核—原子—分子阶段，量子随机现象起更大的作用；而在星系产生之后相对论的必然规律起更大的作用。宇宙的演化和其它自组织系统的演化一样，表现为随机性与必然性的辩证运动。
4 现代分子生物学所体现的系统观念
1953年华生(Watson)和克里克(Crick)发现DNA双螺旋结构，把遗传基因的研究推进到了分子的水平。从此分子生物学成为生物学领域的主导学科，在揭示生命奥秘方面取得了重大的进展。DNA的两个单链由四种核苷酸（A、C、G、T）组成，并且两个单链以A-T、C-G方式相连，形成双螺旋结构。DNA双螺旋不仅本身能按A-T、C-G的方式进行自我复制，而且每条链上相邻的三个核苷酸组成一个遗传密码来分别指导20种氨基酸，形成各种各样的蛋白质。在已知的所有的生物体中，从DNA到蛋白质的遗传密码和遗传机理是相同的，这显示所有的生命体有共同的祖先。分子生物学不仅为生物技术的发展奠定了理论基础，而且也体现了很多系统观念。
4.1 分子生物学体现了系统的信息观念、结构决定功能的观念、反馈观念和系统进化的观念。信息是一个系统多种可能状态中的一种可能的有序方式。当另一个系统对这种有序方式有选择地回应时，信息就被传达，即信息能被翻译成密码，被传输和被解码。生物体中DNA指导蛋白质的合成过程就是这样一种信息过程。
在DNA指导蛋白质合成的过程中，DNA分子的线性信息能产生一条线性的蛋白质链。但因为在这条链上存在特征的键角和折叠，结果会形成特定的三维蛋白质结构，并使此蛋白质结构具有特定的功能。这样，信息导致结构，而结构决定功能。
在生物体中信息不仅从基因(DNA)中传出去，指导蛋白质的合成，而且外部环境的信息还会通过自然选择过程传达到基因中。这样，生命的历程就被写在了DNA里。有很多当时没有用的信息储存在DNA里，当环境改变时这些信息可能被起用。因此，生物体是一个获得、储存、寻回和使用信息的反馈系统。
正因为DNA能储存信息并且能在生命体中双向流动，才一方面使得生物体能稳定地生长和遗传，另一方面能适应环境的变化产生变异，不断地吸收外界的信息（包括被译成DNA密码的本能的行为方式）、物质和能量向更高级有序的方向演化。由此可以得到系统进化的观念。
4.2 分子生物学体现了系统整体观念和系统多层次观念。DNA片段（部分）的意义依赖于更大的整体。DNA片段操纵子调控生物系统的整体行为。体内平衡的反馈机制，如温度调节机制，是生物体的整体功能。基因片段或蛋白质片段的意义在相当大的程度上取决于它们所隶属的更大的整体。DNA只有与细胞质中的许多分子结合才能发挥作用。遗传基因片段能记录过去并能发挥现实的作用只是因为它们在更大的整体中，体现为更大的整体行为。这个更大的整体最终包括与其进行物质、能量和信息交换的整个生态系统。总之，整体观念是分子生物学的基本观念。
生物体的整体性是与生物体的多层次性密切相关的。所谓“整体大于部分之和”是因为在由部分构成的整体中整体与部分处于不同的层次，即整体处于更高的层次，并在更高的层次出现了一些在低层次中不存在的规律。整体与部分的相互作用发生于生物体的很多层次中。在量子水平整体的重要性体现为把电子看作整个原子系统的状态而不是单个分离的实体；在分子水平整体的重要性体现为好几个层次，以蛋白质为例，首先由碳C、氢H和氧O等原子构成各种氨基酸，各种氨基酸的整体功能不能归结为碳C、氢H和氧O等原子，因为各种氨基酸本身作为分子出现了其组成部分原子不曾有的新的规律；其次由氨基酸构成肽链，随着肽链的加长，又会逐渐依次出现所谓蛋白质的一级结构、二级结构、三级结构，同样肽链的功能不能归结为氨基酸的功能；甚至这里二级结构的功能也不能归结为一级结构的功能；三级结构的功能也不能归结为二级结构的功能，因为随着结构层次的升高，不断出现新的规律；而发现这些新规律正是分子生物学的任务。依此类推，细胞的功能不能归结为生物大分子的功能；生物组织的功能不能归结为细胞的功能；生物器官的功能不能归结为组织的功能；生物体中各种系统（如消化系统）的功能不能归结为器官的功能；生物体的功能不能归结为生物体中各种系统的功能，因为生物体在由部分构成整体的过程中，每出现一个新的层次都会出现其组成部分不曾有的新规律，即出现新的整体功能。这样，我们从分子生物学以及有关物理学、化学和生物学中不仅能获得系统的整体观念，而且能获得系统的层次观念。
4.3 分子生物学体现了系统进化的偶然性和方向性辩证统一的观念。例如，对每个蛋白质的组成要素氨基酸而言，其运动有很大的随机性，但在氨基酸结合成蛋白质的过程中其随机性又会受肽链结合规律的制约，并且随肽链的加长，又会逐渐形成蛋白质的一级结构、二级结构和三级结构，从而体现系统进化的随机性和方向性的辩证统一。
综上所述，二十世纪所产生的量子力学、相对论、宇宙学和分子生物学不仅为人们（从夸克到宇宙，再到人类）描述了全新的自然图景，而且为系统观念提供了丰富的、更坚实的自然科学基础。从这些自然科学的重大进展中可以概括出的系统观念包括：整体性观念、多层次性观念、信息观念、反馈观念、从无序到有序的观念、结构决定功能的观念、随机性与规律性（或方向性）辩证统一的观念、等等。特别是系统观的最根本观念，即整体性观念在上述自然科学的重大进展中都有突出的体现。
收稿日期：1999-03-30
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