对称破缺的系统学诠释

1、对称破缺的系统学诠释【内容提要】 20世纪40年代以来,自然科学和社会科学的开展,特别是复杂性系统科学的研究,揭示出从无机的物质世界到有机的生命世界,再到复杂的社会经济生活,都是从无序走向有序的过程,而对称性破缺是系统走向有序的主要机制.作者通过对非线性、突现、分层和自组织等对称破缺现象的考察,指出对称性破缺在本体论、 熟悉论和方法论方面的教益,进而从系统学的角度说明对称性破缺是自然界演化开展的一条根本原理.引言19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂,会上德高望重的开尔文勋爵致新年贺辞.他在回忆物理学的开展时说：“物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作.而在展望 20世纪物理学前景时,他

2、假设有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,第一朵乌云出现在光的波动理论上,第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上. 1出乎意料的是,这两朵乌云不久就酿成了两场风暴, 掀起了 20世纪物理学上的两次革命. 同样,在20世纪和21世纪之交, 李政道教授在?展望 21世纪科学开展前景?时也提出了两个疑问：“第一,目前我们的物理理论都是对称的,而实验说明有些对称性在弱作用过程中被破坏了；另外一个疑问是一半的根本粒子是永远独立不出来的. 2他还认为,20世纪的文明是微观的,21世纪微观和宏 观应该结合成一体.这也就是说,20世纪

3、自然科学的迅猛开展,一方面使对称性思想愈发彰显自身的光荣和魅力,由此展现了理论创新的威力,解释了原子构造、分子构造、核能、 激光、半导体、超导体、X光、超级计算机等等；另一方面,大量的经验事实和理论探索一 再展示对称破缺的重大意义.事实上,每一次对称破缺都有新质的突现,都在创造一个更加丰富多彩的现象世界.因此,我们将它概括为自然界演化开展的一条根本原理.3在这样的背景下,我们应该从系统科学的视角出发,立足于关系,就有可能看到整体中的区分,以到达对现存事物的理解、说明和解释.当代著名物理学家盖尔曼也曾指出：“今天我们必须对整个系统进行研究,即使这种研究很粗糙也是必要的,由于对复杂的非线性系统的各

4、个局部不作紧密联系的研究,我们对整体行为就不会有正确的思想. 4有鉴于此,我们试图对对称破缺这一自然界演化开展的根本原理进行一次系统学的解读.一 非线性是对称破缺的动力源泉20世纪40年代以来,科学上的转向是难以与文化和社会变迁截然分开的,它一再向人们表 明这样一个事实：每一种重要科学分支的前缘正在大大地扩展着.宇宙的起源、天体的演化、地球的变迁令我们“越思考就越神奇,越值得敬畏；物质的生成、生命的进化、社会的发展更远远超出我们的想象.这一切都是一个从完全对称到对称性逐渐破缺、非对称性逐步显现的过程,同时它们也是一个从混沌到有序、从低序到高序的开展过程.正是在这个意义上,我们领悟到了 “对称性

5、破缺创造了现象世界,这也就是说,现实世界具有对称破缺的性质. 对称破缺产生了序,通过序我们可以追踪物质世界的演化历程.367然而,对称性之所以会发生破缺,其根源却在于系统构成要素之间的非线性相互作用.就一般情况而言,真正的物理学定律不能是线性的；在描述“化学或生物活性的微分方程中,一定也少不了非线性项；复杂的社会现象就更是非线性的了.这就是说,现实世界本质上是非线性的.而这种非线性的形成与存在正是系统演化中,相干效应、临界效应和分叉效应的终极原因. 其实,人类很早就熟悉到了事物之间存在着相互作用.黑格尔曾明确地把相互作用作为一个哲学范畴加以论述,认为相互作用是比因果关系更高、更具体的范畴.5恩

6、格斯也指出：“相互作用是事物的真正的终极原因,“只有从这个普遍的相互作用出发,我们才能了解现实的因果关系. 6当代非平衡自组织理论进一步揭示了非线性相互作用是自然界演化开展的内 在机制.线性一般是指量与量之间按比例成直线的关系,在空间和时间上代表着规那么和光滑的运动；而非线性那么指不按比例、不成直线的关系,代表着不规那么的运动或突变.两个眼睛的视敏度是一只眼睛的几倍人们很容易想到的是 2倍,但实际上是610倍！ 1+1W2, 这就是非线性.相对于线性相互作用, 非线性相互作用可以说是对称性破缺的微观机制,更是它得以产生的动力源泉.从非线性方程我们可以看出,非线性具有三个明显的特征：一是变量之间

7、存在非独立的相干性.方程中交叉项的出现说明组成系统的各个要素之间并非各自独立、互不干预,而是相互渗透、互相制约,融合在一起产生了相干协同效应；在考虑向量的情况下,非线性方程表达了明显的不可逆性和非对称性,交叉项XY和YX可能完全不同,即相互作用的对象之间存在着支配和附属、 策划与响应、催化与被催化等不对称关系. 二是各项变化不均匀、 不成比例,具有非加和性.方程中一个变量的微小变化,可能对系统的其他变量产生不成比 例的甚至是灾难性的变化, 即系统的整体性质不等于各个孤立局部性质的机械叠加,突现了一种各个孤立要素不曾有的系统新质.三是没有唯一确定的封闭解.非线性方程在一个确定的变量下,可以同时有

8、多个不同的分支解,从而使系统演化的结果呈现出复杂多样性和随机选择性.也就是说,方程的解是多元可能的,且不稳定,随时间、地点和条件的不同而变化,这使系统的演化具有了多重选择性,即在系统演化中预先包含了系统失稳对称破缺以后进入新的稳定态的多种可能性；一经选择,不确定性消除了,对称破缺发生了,非平衡有序结构的可能形态变为现实.因此,“选择破译了信息,这时候“每当我们到达一个分叉点,决定论的描述便破坏了. 系统中存在的涨落的类型影响着对于将遵循的分支的选择.跨越分叉是个随机过程我们又一次看到,只有统计的描述才是可行的.某种不稳定性的存在可被看作是某个涨落的结果,这涨落起初局限在系统的一小局部内,随后扩

9、展开来,并引出一个新的宏观态, 7可见,随机涨落实际上是非线性机制本身所预设的一个重要环节.离开 了它,非线性作用就不能充分得以发挥,对称破缺也就难以产生. 这就是所谓的“生序原理系统通过涨落到达有序.那么,系统在怎样的情况下才能实现非线性相互作用呢这就要取决于系统是否远离平衡 态.在平衡态和近平衡态, 系统内部的相互作用是线性的,正是这种作用机制使得系统具有对内外各种扰动的“抗拒力和趋于均匀的特性.而在远离平衡态时, 系统内部的相互作用转变为非线性的,在这种相互作用下, 系统表现出对各种扰动的高度敏感性,一个稍微的扰动都可能被系统响应、放大而涉及整个系统,从而迫使系统向着某个新的结构演化.所

10、以普里戈金说：“只有在系统保持远离平衡和在系统的不同要素之间存在着非线性的机 制的条件下,耗散结构才可能出现,网对称破缺才可能发生.综上所述,在现实世界中,无论是系统的存在还是系统的演化,都离不开非线性相互作用这个根本.所以我们说,“非线性是对称破缺的源泉,是系统有序演化的根本,由于它唯一地决定着系统可能的存在方式和演化方向,9也正是由于这种非线性的相互作用,才演出了一幕幕复杂多变的自组织构型,从而创造了一个丰富多彩的现象世界. 二突现、分层是对称破缺的表现形式在科学上,现代系统科学对传统科学的否认是根本性的,但是这一否认并非后现代主义式的反科学、反规律.系统科学与传统科学都坚信存在着秩序,只

11、是在对秩序的理解上有了根本的不同.大家知道,序的概念是同“差异的相似与相似的差异紧密地联系在一起的,在这 里它同对称与对称破缺密切相关.完全的对称、均匀和各向同性是无序可言的,只有在对称性发生了破缺、各局部之间出现了差异, 才能谈得上排列或有序. 这与人们的常识不大相容. 在日常语言中,秩序意味着整洁划一、均匀协调；而在系统科学中,不均匀、不对称才是真 正的有序.另外,序与对称性是反向消长的关系,即对称性越大,有序性越低；对称性越小,有序性那么越高.因此,可以用对称程度来描述系统结构的有序性.10一自然界的有序演化是对称破缺的结果如上所述,系统要走向有序,就必须打破平衡,使对称性发生破缺,即有

12、序演化是对称破缺 的结果.然而“演化并不是一般的“运动 ,演化是要答复事物从何而来的问题,运动只 是事物的位移或状态的变化.在科学已经证实了世界的演化性之后,我们面临的难题并不是世界究竟是演化的还是存在的这个老问题,而是如何把握这个演化的世界大爆炸宇宙学告诉我们,物质世界的演化呈现出宏观和微观两个序列.具体地说,我们是想证实如下论点：当我们的大脑在巡视宇宙的各种特征时,可以说是在望远镜和显微镜之间来回变换范围和焦点.1当我们沿着这个尺度下移时,物质层次是由一个大系统整体总星 系通过不断的对称破缺、内局部化和自组织,从而不断增加系统内部的复杂性而逐渐形成 的.这时得到的主要是精确性而失去了视野的

13、广度；对于这一演化序列及层次突现的形成,我们只有从下向因果关系的脉络解释中才能理解.2当我们沿着这个尺度上移时,物质层次主要是通过不断的自会聚和自组织,突现出愈来愈复杂的层次结构而形成的.从前不可辨认的、不曾想到的、新的相关特征便进入了视野；这是一个基于上向因果关系的“自下而上的形成过程.3这些忽然出现的新奇事物就是自然界的宏观样本,亦即它们所反映的是由微观样本组成的集合体,这就需要一种新的机制和语言来对它们进行解释和描述,而不能靠人的比喻或暗中诉诸于神话.上述两大演化序列及其层次突现并非互不相关,而是紧密联系的.宏观演化为微观演化提供了舞台与环境,而微观演化那么构成宏观演化的根底与内部机理.

14、这也就是说,无论是把整体分解为局部的向下因果, 还是把局部整合为整体的向上因果都是在探寻事物的生成过程,只是寻找的方向不同罢了.所以,自然层次的突现不仅仅是微观系统的聚合和自组织过程,也不只是宏观客体的分化和复杂化过程,而是宏观分化与微观整合的协同过程.可见,整体论与复原论是相容的, 也是相互联系的. 在用系统方法看待和分析层次与突现时,我们既是整体论者又是复原论者. 在这里,自然界的有序演化到达了两极相通,一方面事物的演化是一种自我决定与自我形式的实现,即事物具有作为发生而完成的自律性；另一方面,事物的演化还不时显露自己存留的未知他物的影响.整个演化是一个由过去指向未来的不可逆过程, 充满着

15、对称破缺的创造性进化.“这就导致了一种新的物质观.在其中,物质不再是机械论世界观中所描述的那种被动的实体,而是与自发的活性相联的.这个转变是如此深远,所 以我们真的能够说到人与自然的新的对话. 742二突现是事物从无到有的创生过程在自然界对称破缺的有序演化中,最令人惊奇的现象是突现.所谓突现,一般是指多个要素组成系统后,出现了系统组成前单个要素所不具有的性质结构、功能、属性.突现是系统演化的重要特征,它的新奇性就在于系统整体行为超越了其组分的个体结构、功能和属性的合成,我们无法通过对其组分的熟悉而获得对系统整体的预测.人们对这一现象的研究萌芽于生物学,滥觞于人工智能和复杂性研究.随着现代科学的

16、开展,突现问题在系统科学、 物理学前沿以至社会科学中日益兴盛起来,“整体性、“新奇性、“不可预测性和“不可复原性是它们的典型特征.11比方,氢和氧如何相互作用形成了与它们性状完全不同、组分保持不变的液态水天气、因特网这些在结构上很好理解的对象为何其行为在时间上是 难以预测的大脑为何在有限空间内能实现结构与功能的无限复杂化 一场区域性的石油危机为什么会引发整个世界局势的动乱所有这些问题都可以看作是某种演化.可见,突现是一个演化学的概念,它表征着系统的“整体性从潜在的有无到实在的有的创生过程. 因此,自然系统演化过程的展开, 本质上就是系统的对称性不断破缺,系统的新质逐级突现的结果.摩尔根早在19

17、23年就指出：“宇宙在进化的每一阶段上都有新的性质、新的事物突然地、神秘般地被创造出来. 12那么,如何解释有序演化中的这种突现现象呢我们知道,突现是“上行时忽然出现的某种意想不到的“新奇事物,一般表现为“整体大于局部之和,原因在于“上行时,原先的单个要素出现了对称破缺,形成了要素之间特定的模式或构型.突现现象一旦呈现,它对系统的组成要素便施加一种约束,改变其功能与属性, 甚至改变其行为, 使它们整体地组织起来而共同行动,并与其他事物以及环境发生关系.这时整体就变成了一种新的实体,表现出组元集合所不具有的特殊性质和行为特征,并受新的行为规律所支配.因此,这就需要一种经过科学论证的新的机制和术语

18、来解释和描述这些“上行过程中宏观层面的整体特征.突现现象的这一特征与个人和社会的关系十分相似.大家知道,社会是由个人所组成的,理性、自利的个人在相互交往的博弈中,产生了一定的社会标准.这也就是说,社会标准是在 人们的交往中突现出来的一种整体规那么,并且这种规那么一旦形成,便对个人行为产生一种约束力,尽管这种约束力有时是个人预测不到的,甚至是不愿意接受的. 这就是突现的“异化或异己的下向因果关系. 这种突现的下向因果关系与一般因果作用相一致,但又有其明显的特点,具体表现为高层次系统对低层次组分的一种结构约束力、调节限制力和环境选择力.13这种等级化的下向因果关系,在社会生活中表现得最为明显.由于

19、在其现实性上,人是 “一切社会关系的总和,那么支配个人行为的主要约束力就不是生理规律和心理规律,而是社会的经济规律、伦理道德标准和其他社会规那么.个人的个性和价值观念尽管与先天的基 因密不可分,但是更多的还是与后天的学习以及社会和环境的影响分不开.根据凯利等人的一项研究说明,在同卵挛生兄弟姊妹中,他们的个性和价值观念40%来自基因,60%来自家庭、学校、民族文化和社会环境等社会系统.14所以,突现性是通过跨层次定律得以确认的,并且每一次突现都至少是一次跨层次定律作用的结果.三分层是自然界有序演化的突出表现如上所述,自然界的演化是物质系统由简单到复杂、由低级到高级的开展过程.这里所谓高级层次和低

20、级层次, 是根据对称程度定义的. 如果对称程度高级的层次. 尽管目前自然界具 有由低级向高级演化开展的趋势,但是,宇宙中并非所有的物质都参与了这种前进上升的全过程.物质的层次愈高,该层次的物质系统在宇宙中的丰度就愈少,而其结构功能的多样性就愈明显.经济学家西蒙把这一现象概括为层级原理.层级原理是层级理论的内核,为进一步探讨跨层次现象奠定了根底.在层级理论的视野中, 突现和分层是跨层次问题的一体二面,它们既相互依存,又相互规定.层次的区分依赖于较高层次具有较低层次所没有的新质；而突现的新质也只有在更高一级的层次中才得以显露.前一方面强调了突现新质在层次划分中的判据作用,落脚在层级；后一方面强调分

21、层是突现现象得以显现的场所和条件,落脚依然在层级.因此,“层级是一切层级理论的核心,它一方面是一种展布在空间中的尺度序列,另一方面它也是一种依次排列于时间中的限制序列.15用系统的术语来说,层级是指一个由不同层次的相互联系的子系统所组成的更大系统.层级现象在现实生活中是直观、显明的. 比方,人类总是处在现实世界的某一类层级中；生物学研究的核心问题是不同生命形式的层级特征；社会是由不同阶层的组织、群体组成的；就连我们使用的语言符号系统也有不同的层级.贝塔朗菲从系统的视野列出了广泛分布于物质、 生命、社会、文化中的九个层级.16在这一系列层级中,较高的层次一般以较低层次为条件,如生命现象以物理化学

22、层的现象为条件,社会文化现象以人类活动层为条件.自然演化中产生的每一层次都带来了新的关系和新的存在尺度,需要用新的理论和模型来解释. 可见,层级是由不同的层次组成的,它是对系统演化的阶段性的一种称谓,是系统对称破缺后突现的等级整体,它遵循艾根提出的“一旦-永存的选择机理.目前,众多理论都在不同程度 上涉及到层级原理,并且颇有建树.下面将试图对这一原理进行归纳概括：15136 138突现差异性原理.层级理论中的“层次不是一般意义上的分层,而是自然界有序演化的突出表达.较高层次系统源自于较低层次的突现,并以较低层次所不具有的新质为特征,它们分处在本质上不同的关系与作用中,层次与层次之间具有不可通约

23、性.较高层次的规律不适用于较低层次,反之亦然.能表达突现差异性原理的最好例子是物质界的层级.在物质界的层级中,四种根本力施用于不同的距离空间,这就决定了不同层次的粒子处在不同的力学关系中.可见,微观与宏观的物理规律是严格不同的,不可用宏观规律来解释微观现象. 稳定性原理.在自然界的演化过程中, 各层次一定不是转瞬即逝的,总处在相对的稳定性中,这是创造性进化中的“中间稳定态.这一原理是层次存在的根底,也可以看作是系统层次的一个存在性定律.在方法论上,层次应具备人们在观察和处理时对稳定性的根本要 求,否那么就不是层次.西蒙以著名的“钟表匠寓言证实,缩短生命进化时间的一个关键步 骤是必须存在“中间稳

24、定态,而生命进化过程中的不同稳定层次提供了这一便利.他指出 “复杂性经常采取层级结构的形式,层级系统有一些与系统具体内容无关的共同性质层 级结构是复杂事物的建筑师使用的主要结构方式之一17.分层嵌套原理. 自然界在演化中形成的复杂构造是分等级、分层次的.同一层级中,不同层次在形式上是以嵌套方式相互联系的.一般来说,层次越多、广度越大的系统是更为复杂的系统.理论上的层级可分解为等级无穷的“中国套箱,但在经验中一般只处理由有限层次组成的层级.在科学研究的层级系统中,各层次是相互牵制的. 较低层次的结构和行为可以限定较高层次的结构和行为；任一层次的结构和行为要与所有层次的观察结果保持一 致,即各层次

25、要服从它们所属的共同层级整体.短程作用原理. 层级内系统联系的强弱是不同的,层次内联系具有较强的作用力,处在同一层次的子系统间有较弱的作用力,但它们的行为与整个层级的整体行为关系不大；层次间几乎没有作用力, 但与全局有直接关系. 这一原理说明大多数层级系统可视为“近可分解的系统.西蒙认为,在近可分解的系统中,每个单元子系统的短期行为与其他单元的短期 行为无关；但从长远来看,任一单元的行为仅以总体的方式取决于其他单元的行为.17183等级反比原理.在同一层级中,较高层次比拟低层次的结构、功能和行为都更为复杂, 形态更加丰富,但结合力与稳定性那么相反,这一原理也叫结合度递减律.1963年物理学家韦

26、斯科夫曾把它称为“量子阶梯,即自然界特定层次的物质系统的尺度L与它的组成要素之间的结合能 E有反比关系,即.这也就是说,物质的结构层次愈高,在“量子阶梯上 的能级就愈低,那么,物质的组织和分化程度也就愈高.18反之,系统的层次愈低、尺度愈小,它的结合能那么愈大,系统整体也就愈牢固.如果不是这样,系统层次结构的形成就是不可想象的.同时,特定层次系统形态的多样性与其在自然界的丰度成反比.这说明自然界物质系统的丰度与层次结构的高度成反比.其所以如此,是由于封闭系统中的嫡增加原理所决定的.20世纪70年代,拉兹洛开展了韦斯科夫的“量子阶梯概念,指出：“低层次系统有较强的结合力,而高层次系统明显地是由较

27、弱的结合力造成的.据此,他将自然界的物质系统划分为次有机组织、有机组织和超有机组织三个等级.所谓“次有机组织,是指物理、化学、天文学、地学所研究的实在对象；“有机组织,是指生物学所研究的实在对象；“超有机组织,是指社会科学所研究的实在对象.19这种推进表现为系统之上再叠加系统,组成了一个连续的等级结构. 综上所述,复杂系统的突现与分层,首先是系统组成要素之间及其与环境之间通过非线性相 互作用使对称性发生破缺,并通过新的限制关系的出现来实现层级的跃迁.因此,突现实质上是一种层级之间的跃迁,是在新的层次上出现了新的行动者或新的限制关系和行为方式. 这是自然选择机制发挥作用的前提和根底,并通过自然选

28、择使这种适应环境的自组织和层级跃迁的模式稳定下来. 三 自组织和自然选择是对称破缺的实现途径尽管自组织和自然选择是系统有序演化的两驾马车,它们奔驰在许多条阵线上. 但是,无论物理学、化学,还是生物学,或者是其他别的什么理论,都还没有拉成这桩皮条.只有系统 科学为我们提供一个奇妙的可能性.这就是秩序产生于混沌的边缘.一自组织是自然秩序的形成模式对于自然界的自组织现象,哲学家们早就注意到了. 中国古代的老子讲：“天下万物生于有,有生于无. “道生万物也有同样的意思.老子的“无为而治,就是相信自然界本身可以自我协调,无须“上帝的第一推动,它自身会产生天然的活力向前演化.古希腊哲学中也 有所谓万物“自

29、己运动之说,这些都是系统自组织理论的思想萌芽.不过在科学和哲学上首先提出“自组织这个概念的应该是18世纪的康德.他试图理解自然的内在目的,认为某种外在意图并不能提供我们对这个自然目的的理解,只有自然的组成局部的相互作用才能提供我们对自然目的的理解.他说：“只有在这个条件下和这样的期间里这样的一种产物才是有组织的,并且是自组织的,因而被称作自然的目的.他举例说,钟表是有组织的却不是自组织系统,由于它不能自我创生、自我繁殖和自我修复, 而是要依赖于外在的钟表工.同样在18世纪,亚当斯密在他的?国富论?中论述了一个无人照顾的社会福祉怎样在一 种相互作用的均衡中到达.对于这个模型,斯密写道：“每个人都

30、在力图运用他的资本,来使其产品能得到最大的价值.一般说来,他并不企图增进公共福利,也不知道他所增进的公共福利是多少.他所追求的仅仅是他个人的安乐,仅仅是他个人的利益.在这样做时,有一只看不见的手引导他去促进一种目标,而这种目标决不是他所追求的东西.由于追逐他自己的利益,他经常促进了社会利益,其效果要比他真正想促进社会利益时所得到的效果为大.21 到了 20世纪60年代,自组织问题已经不是 18世纪近代科学中的目的整体论与机械复原论 的竞争与协调问题,而是在系统科学开展的第二个阶段,试图解决复杂系统形成过程中出现的一系列深层问题.那么,什么是自组织呢哈肯认为：“如果一个系统在获得空间的、时间的或

31、功能的结构过程中没有外界的特定干预,我们便说该系统是自组织的.这里的特定一词是指,那种结构或功能并非外界强加给系统的,而且外界是以非特定的方式作用于系统的. 22我国学者颜泽贤等在归纳多种不同定义的根底上认为,“所谓自组织,就是通过低层次客体的局域的相互作用而形成的高层次的结构、功能有序模式的不由外部特定干预和内部限制者指令的自发过程,由此而形成的有序的较复杂的系统称为自组织系统. 13333因此,组织性、由无序到有序以及有序性的增加、序的分布式的自发产生,就是自组织的三个 要点,但关键的问题是一个系统从混沌到有序以及序的增长何以可能的问题.在这里,我们试图从对称破缺的普遍性推出其解释角色.如

32、上所述,系统有序演化是对称破缺的结果,所以,对称破缺可以用来解释为什么一些事情发生而另一些事情不会发生这类问 题.特别是在层次性的问题上,我们已经讲过系统经过演化而形成层级结构以及这些层级结构的根本特征.现在的问题是：系统的演化为什么不是从最简单的要素直接自会聚、自组织为复杂的系统这也就是说,为什么系统演化会朝着增加等级层次结构的方向开展呢关于这个问题,1962年西蒙用组装钟表的例子做了一个很好的分析.他假定甲、乙二人都 用1000个零件组装钟表,每装 100个零部件有一次受干扰的时机,使组装工作需要从头来 做.甲分三层进行组装,每个部件由10个零件组装而成,他必须完成111个分部组件.而乙不

33、用分层的方法,一气呵成,直接将1000个零件组装成钟表.西蒙计算概率得到的结果是：乙组装一只钟表要用的时间平均为甲的4000倍.西蒙由此得出一个结论：“如果存在着稳定的中间形式,复杂系统由简单系统 分层演化而来的过程要比不存在稳定的中间形式 的情况快得多.在前一种情况下,复杂系统的结果将是等级层次性的. 23这是由于前者自会聚、自组织的失败不会破坏整个系统,而只是分解为低一层次的子系统；而后者的自组织如果失败,就要一切从头再来.由于结合能与尺度成反比的规律决定了这种“稳定的中间形式是存在的,所以,在西蒙的结论中所要求的条件是具备的.这种情形直观上也是明显的,用C、H、O、N等元素的原子直接合成

34、胰岛素的成功率几乎为零,而分层合成的成功 率就大得多.1965年我国首次人工合成牛胰岛素,就是这样一步步来的.因此,系统在演 化过程中产生多层次结构物质系统的概率,要比产生无层次结构物质系统的概率大得多.于是,自然淘汰就决定了现实世界是朝着增加等级层次的方向而演化开展的,并突现出了许多单个组元所不具有的性质,从而形成了一个结构有序的自然界.这使我们领悟到了尽管大自然的结构千差万别,但这些结构的形成却有共同的规律.这就是“单个组元好似由一只无形之手促成的那样自行安排起来, 但相反正是这些单个组元通过它们的协作才转而创立出这只 无形之手.我们称这只使一切事物有条不紊地组织起来的无形之手为序参量.然

35、而这样一来,似乎又陷入了一个恶性循环. 24下面的问题是怎样来破解这个“恶性循环.二复原论与整体论的有机结合一一双向因果关系其实,在自然界的演化过程中, 由于对称破缺后的突现,高层次的系统出现了低层次的要素所不具有的实体与属性、结构与功能及其特有的规律,但这些性质与规律并不是凭空产生的, 它是由低层次的要素经过相互作用和动态演变开展而来的.在高层次系统形成之后,产生它们的低层次系统并没有因此而消失,而是作为高层次的组成要素包含于高层次的系统结构之中,成为它们的根底和载体.这些低层次的要素及其相互作用,依然对高层次的运作有某种决定根底、原因作用.这种关系叫作上向因果关系.所以,我们要解释一种突现

36、现象, 首先,要依据上向因果关系作出有限的复原解释.其次,要根据本层次系统组成要素之间的相互作用关系做出横向解释.例如,要说明生命现象,除了运用生物化学的规律来解释之外,还必须运用新陈代谢与生存竞争、 遗传变异与自然淘汰这些生物学层次上独有的规律来进行 解释.第三,要解释一种突现现象,除了运用低层次的规律和本层次的规律之外,还必须运用更高层次的规律来加以说明.例如,要答复为什么萤火虫的化学能转变为光能的效率几乎 到达100%,而划一根火柴点燃一支蜡烛, 化学能转变为光能的效率却不到10%.这时就不能仅用复原的方法“一直向里看,由于萤火虫的这种能量转换有一个高层次的限制调节系 统,即萤火虫的神经

37、调节导致荧光酶的作用.心理学家坎贝尔指出：“所谓下向因果关系原理,就是处于层级的低层次的所有过程受到高层次规律的约束,并遵照这些规律行事. 25他运用白蚁和蚂蚁中兵蚁的颗骨结构来说明这个问题.这些蚁的颗部构型和相应的肌肉布置完全符合阿基米德宏观物理学的杠杆原理.其钱链以最适宜的距离发出最大的力,其中包含了组成肌肉与壳的蛋白质的结构特征及其分子与原子的或强或弱的协同作用过程.符合杠杆原理是兵蚁的宏观机体的操作规那么,自然选择是造成这种颗部最优效率的原因.这就像我们上面说到的萤火虫的化学能转化为光能的最优效率一样,解释兵蚁颗部的蛋白质分布及其 DNA模板,需要杠杆原理和有机体层次上的自然选择原理.这也就是说,除了上向因果关 系之外,还有一种下向因果关系在起作用,它是高层次系统对低层次组成要素的一种支配、 影响、激活和限制的作用.如上所述,“复杂自然现象是在层级中被组织起来的,其中每一个层次都是由假设干个整合系 统建构起来的.“自然界之所以在层级中被组织起来,那是由于对于任何系统,甚至是中度复杂的系统,层级结构提供了最可行的形式. 26在限制论方面,A 奥林将系统层级理论总结为必要的层级定律：“调节与限制水平的缺乏,可以在一定