科学的自组织演化，本文主要内容关键词为：组织论文,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。
一、科学研究是自组织吗
让我们以一个案例研究—“拉比树”（l.l.Rabi's Tree ）开始我们的论题。
1958年，美国海军研究部（Office of Naval Research）为了支持基础研究从而支持应用研究，聘用Arthur D.Little 公司起草一个说明基础研究重要意义的报告。Arthur D.little 公司为了说明基础研究对应用和开发有重要意义，他们找到了一位职业科学家并围绕该科学家及其工作发展构造了这份重要报告。这个被选中的科学家就是曾荣获1944年诺贝尔物理学奖金的物理学家拉比（1898—1988）。Atthug D.little公司构造了一个图解模型（图1）：
图1.拉比树—“拉比研究发展的各个分支”示意（参见文献[8]）
这个模型显示了拉比研究的影响和从拉比研究开始的科学研究的自组织分支性质。这个“拉比树”的根基是分子束方法的欧洲开拓者的种种实验，如法国物理学家L·Dunoyr和德国物理学家O·Stern 的种种实验。主要树干的较低部分是由拉比和他的合作者在30年代的研究构成的。
按图1，拉比树分支一共有十个分支：
“树根基”由三个方面的研究组成，即① 1911年L·Dunoyer 气体分子直线运动的证实实验；② 1920年O·Stern 证明麦克斯韦分子速率分布的分子束实验，③ 1924年O·Syern ＆ Cerlach 空间量子化的直接证明；④ 1928年Darwin第一次建议观测非绝热跃迁。
“树主干”分支主要是拉比及其合作者分子束核磁共振实验的研究发展状况。它主要包括：
⑤ 1929年l.l.Rabi通过磁场的分子运动的磁效应→⑥1931年Briet ＆l.l.Rabi磁场中核和电子耦矩的理论→（⑦ Guttinger 非绝热跃迁分析）⑧Phipps ＆Stern 包含非绝热跃迁的实验→⑨ 1933年Frisch＆Segre包含非绝热跃迁的实验→⑩ 1934年Cohen ＆ Rabi 磁场偏转实验→⑾1936年Kelogg，Rabi，Zacharias 由非绝热跃迁确定核矩的意义→⑿ Rabi ＆ Schwinger 非绝热跃迁的理论→⒀ 1937年Rabi提出分子束磁共振再聚焦实验→⒁ 1939年Rabi，Millman，Kusch，Zacharias第一次成功的核磁共振实验→⒂ 1940年Rabi，＆ collabrators AL，H的核矩；氘光谱的第一个射频谱研究→⒃ 1946年Rabi，Nelson，Nafe氢原子的超精细结构→⒄1948年H.K.Hughes ＆ V.Hughes分子束电子共振实验→⒅ Rabi 光学受激态的原子束磁共振实验。
从“树主干”分支向左（从右向左数）：
第一分支（起源于1946年Rabi，Nelson，Nafe原子的超精细结构研究），主要是球体核和四极矩研究，分支发展为：⒆ 1949 年TownesFloey，Low核四极矩系统研究→⒇ 1950年Rain water球体核和四极矩研究→(21)Mayer,Jensen，Feenberg，Nordheim核壳层结构→(22)1953年Bohr＆ Mottelson核结构和四极矩的集体模型的研究。
第二分支（起源于1939年Rabi，Millman，Kusch，Zacharias 第一次成功的核磁共振实验）主要是核磁矩实验研究，分支发展为：(23)1947年Nierenberg ＆ Ramsey磁共振的四极矩效应→(24)1950年Ramsey振荡场分离分子束实验→(25) 1953年Ramsey anb Stubents 核磁矩的精密测量。
第一和第二分支研究在缘起上受到的间接影响有：(26) 1933年的Majorana关于“与振荡场相互作用的原子矩理论”的研究；(27) 1936年的Casimet 关于“电四极矩理论”的研究； (28) 1937 年Feenburg ＆Wigner关于“核自旋与衰变理论”的研究，(29) Schmidt 关于“核磁矩单粒子模型理论”的研究。
第三分支（起源于1939年RabiMi，Millman，Kusch，Zachariad 第一次成功的核磁共振实验）主要是核磁共振的理论和其它磁共振实验研究，分支发展为：(30) 1940年Alvarer ＆ Bloch核子的核子束磁共振 磁矩研究→(31) 1940年Bloch ＆ Siegert磁共搌理论的精化→(32)1946年Bloch，Hanson，Packard核感生现象的发现→(33)1947年Atnold ＆Roberts核矩测量的精化。1948年又从第三分支中分岔出两个分支，这两个亚分支我们称之为第三（1）分支和第三（2）分支。其研究的均为金属类的各种磁共振方面的研究。
第三（1）分支发展为：(35) 1948 年Gortet 电子顺磁共振→(36)1950年Bleaney ＆ Penrose电子顺磁共振；超精细结构→(37) 1952年 Pake，Townsenel，Commoner有机分子中的电子顺磁共振→(38) 1954年Fchet kip，kittel硅，铝一齿化物色心、F—色心中施主的电子自旋共振→(39)1956年Feher，Kip，Slichter，Dyson金属导体中电子的自旋 共振。很明显，这一分支主要是电子的顺磁和自旋共振实验研究。
第三（2）分支发展为：(34) 1948年Griffiths ＆ Kittel铁磁共振→(40) 1951年Gorter的反铁磁共振研究→(41) 1957年Suhl的铁磁放大器。很明显，这一分支主要是关于铁磁共振和反铁磁共振的研究。
第三分支研究在缘起上受到的间接影响有：(42) 1928年T.Johnson晶体的氢原子反射研究→(43) 1929年J.B.Taylor表面电离探测器的研究→(44)1936年Gorter未成功的原子核磁共振实验研究→(45)1937年Bloch极化中子的方式的建议→(46) 1937 年Estermann ，Simpson ，Stern正氢和仲氢的中子散射。
从“树主干”分支向右（从左向右数）：
第四分支（起源于1948年H.K.Hughes ＆ V.Hughes分子束电子共振实验）主要是核磁共振演化为光学抽运过程的磁共振，其分支发展为：[47)1950年Kastler 第一次光学抽运实验建议→(48) 1952年Brossel＆ Bitter双重共振实验→(49) 1955年Kastler ＆ Brossel 光抽运的钠原子磁共振实验→(50)1956年Dicke ＆ Catver 铷中缓冲的、光学抽运的磁共振实验→(51)Dehmelt磁共振的光学检测→(52)1958年BellandBloom，Bender and Arditi光学抽运频率标准的测定。
第四分支受到的间接影响有：(53) 1993年Meissner原子束光源的 研究；(54) 1935年Schuler 对空穴放电管和超精细结构变化的间隔规 律研究。
第五分支（起源于1946年Rabi，Nelson，Nafe氢原子的超精细结构研究）主要是关于氢原子的精细结构及这种研究对理论的修正，该研究到1947年就已停滞下来，没有继续发展下去。其原因可能是理论和实验研究已经达到了一定深度，后续研究已经没有意义了（其分支发展为：(55) Kusch ＆ Foley电子的反常磁矩→(56) Lamb ＆ Retherford氢原子的精细结构→(57) Schwinger，Dyson，Feyman，Tomonaga对量子电动力学的修订）。
第六分支（起源于1940年Rabi ＆ collabrators关于AL.H的核矩和氘光谱的第一个射频谱的研究）主要演化为原子频率和微波的研究，其分支发展为：(58) 1947年Zacharias 关于放射性同位素的原子束磁共振的研究→(59) 1953年Zacharias 建基于原子束磁共振的原子频率标准 的研究→(60) 1955年Zacharlas 铯原子束原子频率标准的建立→(61) 1956年Prokhorov ＆ Bloembergen 关于固态微波的研究→( 62) 1957年J.W.Meyer＆ Soovil 发展出实用固态微波→(63) 1958年Harvard小组从中研制并发展出氢21厘米线射电天文学。
第六分支受到的间接影响有：(64) 1934年Cleeton ＆ Williams氨反转线的第一次直接观察；(65) 1947年Good，Townes，Gordy 微波光 谱学研究；(66) 1954年Townes关于氨微波和高分辨微波分光计的研究。
第七分支（亦起源于1940年Rabi ＆ xollabrators关于AL.H的核矩和氘光谱的第一个射频谱的研究）主要演化为非金属物质核磁共振研究，其分支发展为：(67) 1940年Rabi ＆ Collabrators，Nordsiek 关于氘核的电四极矩的研究→(68) 1941年Rbrita ＆ Schwinger 氘核的四极 矩四张量力理论→(69) 1946年Purcell，Torrey，Pound大块物质的核 磁共振→(70) 1948年Bloembergen，Purcell，Pound 液体中的核磁共 振→( 71) Van Vleck，Pake，Gutowsky晶体核共振曲线形状→(72) 1949—50年Knight，Ramsey，Proctor，Yu核磁共振的化学移动→(73)1950 年Dehmelt ＆ Krueger晶体中的带电四极矩共振→(74) Pound核磁共搌的四极矩效应→(75) Hahn自旋回波→(76) 1953年Overhauser 关于 Overhauser关于Overhauser效应和核动力取向的研究→(77)1956年Fener，Jefries，Pipkin核动力取向研究。从Overhauser关于Gverhauser效应和核动力取向的研究上还发展出一个亚分支，即(78) 1955年Purcell氢21厘米线射电天文学→(79) 1956年Proctot ＆ Robinson偶极子一四极矩的超声振动的研究。
第八分支（起源于1937年Rabi提出分子束磁共振再聚焦实验）主要演化为分子束磁共振和放射性原子束磁共振研究，其分支发展为：(80)1939 年Millman非对称核矩的共振曲线，缪曼共振效应→(81) Hamilton关于分子束偏转的电子四极矩研究→(82) 1951年Friedburg ＆ Paul分子束的多重聚焦实验→(83) 1953年Hamilton 放射性同位素的原子束磁共振研究。
这些分支发展是事先预料的吗？显然不是。在研究过程中，它们都是自然而然地发展出来的。谁也不能预料它们是如何发展的。这种特征正是自组织演化的特性。“拉比树”的分支发展，是科学研究自组织演化发展的典型案例。它十分贴切地再现了一般科学研究的自组织演化过程。无独有偶，霍顿也曾以这一案例说明过科学研究的演化（见文献〔6〕限于篇畅，不再引用）。科学研究发展的分岔性质， 是事物或系统自组织演化的分支演化性质的一种表现形式。因此，这也表明，科学研究确实是一种自组织演化的过程系统，具有自组织的基本属性。
二、科学自组织的宏观演化
我们已经论述了作为个人的科学研究和科学发现、科学家集体的科学研究的基本发展和演化，表明它们演化的自组织特性。现在再让我们讨论科学的宏观演化，这种宏观演化是自组织的吗？
自组织理论告诉我们，在系统的自组织演化中有一种统一的旋律，这就是自组织系统的演化总过程一般要经历：从（平衡态）混沌到有序；从有序到（非平衡态）混沌。实践也表明，这的确也是一切自组织系统演化的必经过程，而不是数学上的游戏，或仅是理论上和实验室中的行为。例如，基本粒子从无到有，元素从“轻”到“重”，它们的演化就反映了结构越趋复杂和结构重复嵌套的进化；宇宙中星系自混沌的原始星是渲化为椭圆，涡漩或不规则关系以及继续的演化，也反映出系统从混沌走向有序再从有序走向混沌的演化。
科学的宏观演化也不例外。
在我们的第一部关于科学的自组织演化观研究的著作中（参见文献〔1〕）， 我们仅在全书的结语处曾对这种科学演化的总体特征作了较初步的研究。当时，我们还没有完全想清楚这一问题。
现在我们再用自组织科学理论重新观察科学史，我们就会发现，一部科学演化史，实际就是一部科学的自组织演化史。
在科学史上，人们一般把科学演化分为三个阶段，即古代、近代和现代科学阶段。古代科学有两种形态：自然哲学和实用知识形态。仔细分析这两个形态，实际它们都是科学的混沌形态。作为古代科学的“理论形态”的自然哲学，它是一个未分化的、包罗万象的、一半直观一半猜测的知识形态，在古代自然哲学中，自然界是被当做一个整体而从总的方面来观察的，世界在本质上是某种从混沌中产生出来的东西，这种自然哲学形态，由于其知识是猜测性的而非精确性的直观性的而非实证性的，总体性的而非分类性的，因而是未分化的混沌整体，即所有知识都是综合在一起的。近代科学革命—牛顿经典力学的建立，才标志着科学经历了混沌走向有序，虽然在这之前已有一些学科业已分化，如已有了数学天文学，生物学博物学等等的分化。而实用知识形态中的实用知识又是零散的、非系统的，相互之间没有或缺少逻辑的、内在的联系，事实性的而非抽象的理论性的，因而也是一种“混沌”的知识。所以，我们的确可以把古代科学知识等同于一种“混乱无序”的热混沌。
近代科学之所以区别于古代自然哲学和实用的零散的知识形态，就是因为这种科学知识形态“同古代人的天才的自然哲学的直觉相反，同阿拉伯人的非常重要的、但是零散的并且大部分已经无结果地消失了的发现相反，它唯一地达到了科学的、系统的和全面的发展”。（恩格斯：《自然辩证法》人民出版社1971年版，第6页）与过去的知识形态相比，近代自然科学综合了过去历史上一直是零散的各种知识成果，特别是揭示了它们之间的内部联系和必然性，无数杂乱的认识资料得到了清理，有了头绪，分类，有了因果联系，知识变成了真正意义上的科学。混沌的自然哲学分化为几个分支：由于发现了万有引力，科学的天文学从自然哲学中分化出来了；由于对光的试验和实验性研究，科学的光学也从自然哲学中分化出来了。还有静电、动电的实验，使得电磁学从实用的知识形态中分化出来了；此外，还建立了分子运动论和热力学；生物学从博物学的自然史中分化出来，化学从实用的炼金术、炼丹术中解放了出来；很明显，这不就是一种典型的从无序混沌走向有结构、有因果联系之序的自组织过程吗？！
在19世纪后半叶，恩格斯在写作《自然辩证法》札记时，科学地概括了当时科学的发展和已经形成的分类结构，即整个自然科学发展和分化为力学、物理学、化学和生物学四大类，所以，科学从古代到近代的历程可以用下图加以描述：
图2 从古代到近代：科学的宏观分叉一一自组织演化过程
至于科学从近代到现代的演化的自组织特性就更为明显了。现代科学现在包括哲学、现代自然科学和现代社会科学三大类数千种学科（当然也包括技术科学）。从进入20世纪起，现代科学开始时是越分越细，后来则产生了相互综合的趋势，再后来即现在则体现出强烈的一边分化一边综合的特点，这种特点即典型的非平衡混沌演化的特征。
让我们先来看看现代科学的高度分化趋势。
现代科学的高度分化有三个特点：
第一，纵向分化；由于自然界研究的不可穷尽性，自然科学研究的不断深入，自然科学的所有学科在三个方向（微观、宏观和宇观）上都不断深入发展。而这种深入发展的形式和结果，就是学科沿纵向产生分化，即产生新的学科。例如，物理学在微观方向上分化发展出了分子和原子物理学、核物理学、基本粒子物理学；在宇观方向上分化发展出了等离子体物理学；在宏观方向上分化发展出了凝聚态物理学。而生物学在微观方向上分化出了分子生物学；在宏观方向上分化出了生态学，至于生态学则成了一个新学科的基础理论，从生态学中分化演化出去的学科有十数种，如：植物生态学、动物生态学、人类生态学；水生生态学，其中又分成海详生态学和淡水生态学；陆地生态学；种群生态学；工业生态学，技术生态学、城市生态学；等等。
第二，横向分化；由于自然界中各种不同的物质种类既相互联系又相互区别，因此每发现一个新种类的物质及其运动形式，或发现这些物质种类及其运动形式之间的联系和区别，便可能产生一门新的学科，这就是横向分化。拿物理学中的凝聚态物理学来说，它已经是物理学的二级学科了，它的进一步发展则在第三级学科层级上横向分化为：金属物理学、晶体物理学、半导体物理学、电解质物理学、准晶态物理学，表面物理学、发光物理学、凝聚态磁学等等。
第三，层级分化；可以把这种分化看成为纵向分化和横向分化的辩证统一，即这两种分化会共同构建一种有层次的分化结构。我们仍以物理学为例，其层级分化如下图（图3）所示：
图3 科学层级分化示意：以物理学为例
现在再来让我们看看现代科学的高度综合化趋势。科学发展的高度综合是现代科学走向非平衡混沌（即更高级的自组织）的另一个典型特征。
现代科学的高度综合也有三种方式：
第一、是两门以上的相邻学科通过相互作用而相互结合，共生出一门新学科。这种综合产生的新学科称之为“边缘科学”或“交叉科学”。如物理+化学，生出“物理化学”，如生物学+化学，生出“生物化学”，其它如生物力学、地球物理学、地球化学等等。边缘科学的出现往往消除了原有学科间的严格界线，加强了它们之间的融合，从而是使现代科学进入非平衡混沌自组织的方式之一。
第二、是几门以上的学科由于具有共同的属性或共同的内在联系形式，从而形成了从不同角度研究同一对象的学科群体，或从中提升出一种新的更抽象的学科，这种综合产生的新学科称之为“横断科学”。例如，系统论、控制论、信息论、就是典型的横断科学群体。我们研究的耗散结构论、协同学、超循环论、分形和混沌理论，也属于这类横断学科。横断科学抛开具体的物质形式与内容，从“横”的方面把握不同物质对象的运动、演化所共有的规律，形式和特征。这就在认识方式上区别于近代科学从局部、细节出发的认识方式，而复归于从整体即从总的方面认识自然的方式，由于这种认识方式是建筑在现代科学精确而实证研究的基础上，因而它也区别于古代科学那种“哲学混沌”或“零散知识”形态的整体认识方式。
边缘科学和横断科学的相继出现，使得各门科学之间的绝对分明的界线模糊了，消失了，因而也就自然地推进了自然科学，社会科学和哲学的一体化、整体化趋势。
除了上述形式的综合外，还有一种综合是各分支学科在内容上、方法上的相互影响、相互渗透，这种综合作用的结果有时也会产生新学科。例如环境科学，就是把物理学、化学、生物学、地学、生态学和经济学等学科的理论、方法和内容综合起来，对经济发展和保护环境之间的相互依存和相互作用关系进行研究，从而形成的一门综合性科学。
现代科学的高度分化和高度综合之所以具有非平衡的混沌特性，最重要的是因为这两种趋势在实际发展中并不是相互分离的，而是相互结合在一起，在实际中是根本无法把它们分离开的。举例来说，人文地理学（human geography）这门新学科，最初是由地理学和经济学结合而成，其名称最初也称为“经济地理学”，这可以认为一种综合，后来，从事这方面研究的学者发现，把非经济的社会现象如社会文化、政治、历史、人口和聚落等空间分布及其规划等问题排除在经济地理研究对象之外，是不妥的。于是，经济地理学和历史学、政治学、文化学等人文科学相结合，从而演变为人文地理学。这又是新的、进一步的综合。今天，人文地理学正在和新兴的环境科学、生态科学、区域科学（这又包括经济学中许多分支科学）以及行为科学相结合，力求在解决世界性资源短缺、人口危机、自然灾害、环境污染与生态平衡等重大社会问题上做出贡献，从而促进了人文地理学在方向、内容与方法上创新。目前，人文地理学已经发展出多个分支，如经济地理学、人口地理学、城市地理学、政治地理学、社会文化地理学、历史地理学、旅游地理学、聚落地理学、感应地理学、行为地理学和生态地理学等。这些分支发展同时也是综合的结果。它们之间的相互关系是一种网络关系，如图4所示：
图4 学科间既分化又综合的网络关系：以地理学为例
以上人文地理的发展演化，仅仅是科学自组织演化从有序走向高级的有序即非平衡混沌的一个缩影。现代科学的综合与分化不仅使科学在体系之庞大、学科数量之众多方面远远超过近代科学，而且在形成学科之间关系的复杂性上也非近代科学所能比拟。这表明，随着从近代科学到现代科学的演化，科学正在从“有序态”步入“非平衡混沌态”，科学正在自组织地在总体上完成一个“从混沌到有序，再从有序到混沌”的超循环过程。关于未来科学的发展，马克思曾天才地作过如下预言：“正象关于人的科学将包括自然科学一样，自然科学往后也将包括关于人的科学：这将是一门科学”。这种情景在形式上如同复归到古代自然哲学的形式那样，不正是科学的更高级的混沌吗？！（见图5）
图5 科学“从混沌到有序，从有序到混沌”的演化示意图
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