《新科学家》编者按：传统科学试图将所有自然现象简化为几种基本力与场的活动。以数学上的最新发展为基础的新学说将重新解释自然界高层次结构的复杂性，这一学说将大大改变科学的面貌。

绝大多数人都认为物理世界是连贯和协调的。然而，按照现行的科学概念，宇宙是几种盲目的力作用着的粒子的混乱聚合。果真如此的话，这些被动实体的看来毫无方向性的聚合是如何协作构成了自然界的精巧结构和复杂组织的这一问题，就是一个无法解释的最大奥秘了。

这种“协作”有一个基本的特性是科学家们早已认识的，只是由于某种奇怪的原因，极少对其进行过探讨。这个特性即：宇宙的组织上的复杂性在随着时间不断增长。大多数宇宙学家认为宇宙起始于一个无特性的状态，或许起始于纯粹真空。我们今天所看到的全部结构和复杂性，是宇宙初始以来以渐进的顺序演化而来的。

大爆炸是一个很时髦的论述宇宙创生的理论，然而，认为宇宙在初始时就具有今天这个复杂而有秩序的世界的模本，显然是完全错误的，大爆炸只是初步形成了一个宇宙，此后，自然界连续不断地进行着创造。在亿万年的发展中，宇宙不断形成新的和更加精巧的结构和系统，星系的巨大组织形成于一团模糊的涡旋状气体云，而复杂得可畏的生物圈产生于原始的有机分子汤，非常明显；宇宙一秒钟也来停止过其创造。

这种创造力的本源是什么？在过去一个世纪里，科学家们应用热力学定律探讨了宇宙的秩序问题。按照热力学第二定律，宇宙正在不可抗拒地退化，不可逆转地滑向最高的熵或混乱状态_然而，实际情况却与这个正在死亡的宇宙的概念正好相反，宇宙远远不是在滑向无特性的状态，而是从无特性状态向更大的组织性和复杂性发展。宇宙的这种发展具有一个总的时间箭头，这个箭头所指的方向与热力学定律所指的箭头正好相反。

尽管宇宙的发展毋宁说是一个趋势而不是定律，我认为这一特征代表了迄今为止我们的物理学和宇宙学尚未了解的自然界的一个基本原理。物理学家埃利 · 普利戈金（Ilya Prigogine）和哲学家长尔 · 波普尔等人最近几年也提出了类似的观点。波普尔将自然界的创造性看作是“宇宙学的最大奥秘”。不幸的是，人们将这类思想错误地看作是与物理定律相违背的。其实并非违背、热力学第二定律是有效的，但是，它还不足以解释宇宙的组织性与复杂性。生物学家们很早就发现了如何将生物进化与热力学定律相融洽，然而，这并不意味着第二定律能够解释组织复杂性的单向增长，远远不能。

最近几年，越来越多的物理学家已认识到，物质与能量具有一种内在的自组织能力，对自组织系统的研究现在已成为一种多学科的研究课题，并有许多应用价值。为说明我所说的自组织性，我可以举一个著名的例子，即所谓的伯纳德不稳定性（Bénard instability）。

当我们在火炉上加热一个盛水的锅时，就会发生这一现象，靠近锅底的较热和密度较低的水趋于上升，但其上层的水阻碍其上升。开始，锅底部的温度只略高于上部的水，此时水仍然是均匀的，这一系统处于稳定增长的混乱状态，水分子缓慢地将热肉上传导，但仍接近于热力学平衡，只要该系统保持平衡状态，上部较冷的水的粘滞性将阻碍底层水的上升。

然而，如果将锅进一步加热，我们将打破这一系统的平衡，直至底部和上部水的温差达到临界值，此时便发生激烈变化，液体将变得不稳定并开始对流循环。在适当控制的情况下，对流运动自然地自组织成高度规则的形式，即形成滚动或六角细胞（hexagnol cells）的形式。

这种组织性对流状态的有意义的特点是，流动单体比水分子之间的力的作用范围要大好多倍，所以，尽管每个水分子是被其周围的分子盲目地推挤着，然而10²⁰ 个或更多粒子的组合作用构成了对流活动的连贯的形式，普利戈金称这一现象为自然地产生宁混乱的秩序，这一现象违背热力学定择的内容，但不违背其形式。

另一个自组织的著名例子是激光。当一个炽热固体或气体接近热力学平衡时，其表现像一盏普通的灯，其中每个原子混乱和独立地发出光。如果用大能量“激发”原子，平衡便被打破，达到临界点时，该系统便转向激发状态，大量受激原子开始协同，精确地同步发出光波。

你可以在科学的各个领域找到这种自组织的例子。在化学中，某些远不是平衡的反应以同步脉冲的形式表现出大范围的组合特性（即所谓化学钟）。在天文学中，像土星环系和木星表面特征这类系统自组织成了复杂得难以置信的稳定形式。在人工智能研究中，电子网络会自然形成电子活动的组织形式。

在生物学中我们发现了自组织的最惊人的例子，我们只需举出一个胚胎从单股DNA通过极其精巧的组织序列，发展成为极其复杂的有机体的惊人能力。

自组织系统具有几个特征，它们无一例外是开放而不是闭合的，这意味着它们能与周围的环境交换能量、熵和物质，因此，这些系统不是静止的结构，它们是具有特定程度的本体同一性的过程。一个对流单体、一个旋风、木星表面的巨大红斑、一个生物体等等，所有这一切都有一种特定的本体同一性，而且都处于不断流动的状态。这些过程远不是处于平衡状态，而是处于传统热力学定律无法解释的体系中。

自组织系统的最关键特征也许是数学家们所称的非线性。过去30年来，科学家们主要热衷于研究线性系统，这类系统随着时间变化时，会产生与变化的原因成比例的效果。例如，一根橡皮筋的伸展是与伸展它的力成比例的，线性系统被认为就是其各个部分的总合，在线性系统中，复杂性的产生仅仅是叠加的结果。

与此形成对照的是、非线性系统不仅仅是其部分的总合。在非线性系统中，各个不同部分的组合会产生新的即无法预见的后果。非线性系统的不同部分的相互作用会产生超出仅仅是叠加的东西，将其组合或分开而不产生质的变化是不可能的。非线性产生于反馈、散逸以及在力的作用下简单比例性的破坏。在现实世界中，所有物理系统都是非线性的，但当其处于平衡状态时，便表现为接近线性的状态。

在非线性系统中、复杂性（complexity）和混乱（complication）是不同的，一个极简单的非线性系统可展示出极复杂的活动。非线性系统的表现是极其丰富和多样的，当被推出平衡状态时，它们趋于急剧和自然地跃入更复杂或更高级的状态。有时它们也会跃入混乱状态。它们常常会产生一个个“单独的点”，这些点的可预测性完全消失，整个系统变得对细小的活动非常敏感，似乎这类系统具有选择不同进化轨道，开拓新的可能性的“自由意志”。

科学家们过去一直倾向于将复杂系统看作是使人厌烦的变异。对非线性系统的研究比对线性系统的研究要困难得多。由于将精力集中于简单的线性系统，科学中滋生了一种顽固的简化主义色彩。科学家们坚持认为，他们可以通过系统的组成部分解释复杂系统，尽管这些部分实际上是无法从整体分离的。这种纯方法上的限制是如此根深蒂固，以致科学家们认为，对自然界的唯一根本的陈述是关于自然界中最低层次实体的陈述（即基本粒子和物理场）。科学家们将集合现象，如自组织，生命过程和超导性都看作是第二层的现象，这些现象可以简化为（或产生于）底层的现象，用不着另外的作用原理。

科学的全部词汇深深地扎根于这一简化主义哲学中，科学家们通常在“向上”的意义上应用因果概念，他们把复杂微观系统的变化看作是由组成它们的原子的运动引起的，相反，解释的观念却是向下的，这样，生物学便解释社会学和心理学，化学解释生物学，而基本粒子物理学解释化学。最后，现实世界的一切被认为完全决定于基本粒子和场的活动。

按照这种哲学，各门科学之间的唯一真正的连接点在于最低层次，而唯一“真正”的定律是粒子物理学定律。伊利洛依州费米实验室主任列昂 · 勒德曼（Leon Lederman）在对最近人们将自然界的粒子与基本力统一起来的企图进行评论时，意味深长地对这一情况提出意见说：“这等于是在试图以一个唯一的，简单的方程式来概括整个宇宙。”

许多杰出的科学家，包括许多诺贝尔奖金获得者，已经断然否定了这一可能性。尽管他们被一些同事看作是活力论者，我认为，科学社会的一场重大改变正在开始。由于科学家们在对整个科学领域中的非线性系统、复杂性和&组织性的认识上取得的迟逸进展，一个赛的规范正在涌现。取得这一进展的原因之，是在一般性基础上对复杂系统的研究中，电子计算机的应用取得了不断的成功。

我们开始认识到，复杂性是物质的一种自然状态，而不是变异。实际上，绝大多数物理系统都是复杂的非线性开放系统，传统科学中的简单的闭合线性系统是属于某一特殊类型的理想化产物、科学家们选择和研究这类系统是由于他们只拥有初级的，无法适于复杂系统的实验和理论技术。

IBM公司数学家贝罗 · 曼尔特（Benoit Mandelbrot）发现的分形（fractals）结构是这种新数学的最好例子，分形是在某种意义上说无限不规则和复杂的几何结构，这种结构具有重要的自相似限定。这就是说，分形的任何部分在规模上扩张时，外观与整体是一样的。分形曲线的一个典型例子是海岸线，其任一部分都是弯曲的。

当第一次发现分形时，它只被当作一个数学上的奇异现象，现在，分形已应用于所有科学领域中，从星系团到行星环，从胶体到雪花，分形已成为高度不规则物质形式的模型。过去，科学家们曾用平滑的、连续的曲线表示不规则系统，但屡遭失败。但分形已成功地取代了这一功能，正如我们可以把平滑曲线看作是表示简单结构的理想原型一样，分形几何是复杂系统的理想原型。分形是自在自为的，你不可能把其简化为一平滑曲线，它不仅仅是平滑物的复杂形式，其不规则性是根本的和不可简化的。

另一个迅速发展的研究领域是网络理论，我们可以将其一复杂系统看作互相连接的点和节的序列模型，例如，这一模型可表示一个大脑，以点和节作为神经原，这样一个网络是一个动态系统，任何节点可以处于两种状态之一，即“开”或“闭”。来自内连线的信号决定其开闭状态。在对这类网络的计算机模拟中，我们使这一系统处于某一状态，即使每一节点处于开或闭的状态，然后向前发展这一系统。

开始，这类系统会引起几乎毫无意义的复杂表现，但后来情况将变得非常有意义，活动的连贯形式会围绕在网络周围，自组织成稳定的循环，甚至再进行混乱输入也能产生自组织性，并且，其形式非常稳定，在网络中切断一个连接点不至于对整体造成破坏，许多生理学家认为，这些过程与大脑中的神经活动非常相似，网络理论已在人工智能研究中得到普遍应用。

很明显，网络活动是机能整体性的，真正有意义的是其形式，而不是任一特定节点的状态。我们不可能将网络或其内在活动形式简化为单个节点的活动，构成了我们所观察到的现象的是整体序列的集合行为，我坚持认为，网络现象是基本的、不可简化的。我不相信你能将智能过程简化为仅仅是神经原的电化学过程，进而又将其简化为粒子物理学。

对分形，网络理论以及其它复杂系统的模型的研究产生的最有意义的结论，是复杂性并不意味着它们是无法掌握的混乱结构，它们也存在着规则性。许多专家已确信，一般的组织规律适用于相当大范围的复杂系统，而且，这些规则性和原理会超出内容的界限，例如，同样的网络可模拟神经活动过程，磁材料和生物的进化。

长期以来物理学和生物学的概念冲突已真正有希望结束了。在物理学家看来难以思议的组织形态和进化这类生物学过程，正是一般的组织规律（尽管是特殊的）的一个实例。正统的新达尔文主又虽然正确地认识了进化的基本机制，但却未能认识到产生了随时间演进的组织因素，尽管如此，我确信，与网络理论等相关理论的数学原理结合起来后，新达尔文主义将能令人信服地解释生命现象这一“奇迹”。

正如自然界存在着秩序的一般性原理一样，自然界也存在着非秩序的一般原理。洛斯阿拉莫斯实验室的米切尔 · 费根堡（Mitchell Feigenbaum）发现，在大范围系统中的非秩序，开始时会表现出一种普遍性的特征，一个系统不会简单地变得不规则，其转入不规则是按照一个数学上极其精确的顺序，有两个数值：3.5699…和4.6696…是这种顺序的特征。这些所谓的费根堡数值是自然界中一个普遍的常数，它们有着几何学上的来源。它们不可能简化为其它物理常数，而不规则的起点是一个根本的和不可简化的现象。

在复杂组织系统中总的规则性的值得注意的表现，为大范围的物理现象之间和科学的各个不同分支之间提供了高层次联系的桥梁。自然界的全部活动并不仅仅是在基本粒子和场这一低层次找到了共同的基础。粒子物理学也许是自然界的最低层次的共同特性，但它并不是具有相互联系的规律与法则的唯一体系。我看不出有任何理由只注重后者而不注重前者，这一选择只是历史偏见的结果。我并不否定物理学低层次定律的有效性，复杂组织的规律性并不是与传统定律相矛盾，而是对传统定律的补充。

我们正在进入一个多学科综合研究的新时代，在这类研究中，复杂性与组织性的概念构成其关键特征 · 随着我们在更广泛的程度上认识复杂组织系统的性质，我们将把制约着其全部活动的规律看作是对现实世界的不可简化的基本的陈述。

几个世纪以来、神秘主义者把自然界创造性的存在归因于活性或超自然的力量，这些观点在忽视了自然界的创造性的自组织过程的科学家中引起了强烈反应。现在，在新技术的帮助下，我们正在发现，这些创造性过程代表了一种应得到充分科学研究的物理世界的基本性质。

[New Scientist，1987年12月17日]