教研员园地

   谢谢各位。我为今天在此所接受的崇高荣誉而深深感动。在今天的会议上，我还遇到了过去和我在布鲁塞尔一起工作的同事，见到他们我感到非常高兴。我觉得这个荣誉对我来说是过分夸大了，因为我仅仅试图追随我们时代的主要潮流，并把时代的发展、变化反映到科学之中。
   我们的时代正处在转变的时期，非常值得注意的是科学自身也在转变之中，我想者能在中国找到最强的感受。毫不偶然，我们学派所发展的思想能如此热烈地被中国所接受。
   一般人认为，十七世纪是欧洲科学的黄金时代，也是欧洲人民开始同中国文化接触的时代。世界科学的某些创始人如里莱布尼茨，曾高度赞扬了中国的灿烂文化以及中国对人和自然界的独特看法。自那以后，中国文化已成为欧洲科学的灵感来源。仅举两个例子：其一是李约瑟，当李开始胚胎学研究的时候，就感到不能单从欧洲古典的机械的观点考虑，这就是他为什么很快转向中国的原因，最终他把他的一生贡献给了发掘中国文化科学宝库的事业。另一个例子是尼尔斯波尔。波尔是从中国古代的传统思想中获得他的互补性质的。这就是他为什么从瑞典皇帝手中接过诺贝尔奖时把阴阳符号作为自己的标志。我们现在正处在科学史上非常兴趣、有意义的关键时期，这就是我今天的主题。西方科学对自然的看法是确定论的精确地和解析的，而中国的文化则是一种整体的或现在我们叫做系统论的观点。现在是我们要把传统的欧洲思想和古典的中国思想进一步结合起来的时候了，其实这种结合早在十九世纪达尔文主义时期就已经开始了。那是生物学已经发展成为一种演化的科学，而物理和化学则仍然是关于宇宙的静态的科学。今天由生物学创造的演化模型开始渗透到物理、化学中，这种渗透的结果使人们发现了一系列意想不到的现象。
   我想在本世纪最近几十年有三项重大发现，它们改变了我们对物理和化学的看法。第一是基本粒子本身的复杂性。第二是关于演化的宇宙观点。第三是发现了非平衡的、相干的、一致的结构。而非平衡可导致成为有序的因素，它改变了我们平衡态的全部看法。传统地讲，有序是与平衡相联系的，而无序主要是与非平衡相联系的。但现在我们所看见的有序主要是与非平衡相联系的，这一观点就是耗散结构理论所强调的。
   现在又许多实验显示出在原理平衡态下的自组织现象，它们为你们当中的大多数人所熟悉。例如将液体从下面加热，这是出现对流花纹。这花纹要求成千上万的分子的合作运动，它是一种一致的相干现象，而此现象只能在远离平衡态势才有可能，如果停止加热，对流团很快消失。这类相干结构表明，在远离平衡态下分子可在宏观尺度上互通信息，它与平衡状态形成鲜明对比。在平衡态附近，每个分子只能和自己附近的邻居交换信息。而在远离平衡态的情况下，每个分子能和周围极大数量的分子发生联系。
   非平衡物理学事实上是研究物质运动的一种新学科。有一非常简单的原因是，非平衡物理学本身是非线性科学，当系统接近平衡时，描述系统的方程是线性的，它只有一个解。在远离平衡时，方程则是非线性的，它可表现不同类型的行为。我们已经开始探索在远离平衡态下可能出现的各种花样。二十多年来已经取得了惊人的成果。
   在某些情况下非平衡的系统，可呈现出很大的稳定性，若对它进行扰动，它还可回到原来的周期状态。在另一种情况下，可看到它有时具有非常复杂的吸引子。这些吸引子对初始条件极为敏感，这是一种稳定的和不稳定的混合物。就如人们在发展的湍流中所看到的情况一样。上述所说可解释我们所观察到的许多现象。例如我的同事尼可尼斯夫妇就用此观点分析了地质年代冰河时期的交替现象。冰河时期一直被人们认为是神秘的。由于当时从太阳获得辐射能量基本是个常数。因此对冰河时期的研究必须在大气圈中考虑，而大气圈本身是一种不稳定的动力系统。人们现在知道需用这种类似的方法才能真正理解生物信息。而生物信息对生物分子的形成是如此重要。如果你在平衡状态附近考虑化学反应，这时反应产物会产生很强的涨落现象，以致得不到任何有用的信息。若反应时周期性的，其信息仍然很平庶；但若反应是混沌的，它的生成物从客观上看，就像生物大分子的模样。以上所说，证明我们的客观世界具有非常特别的性质，这些性质正在改变我们对整个自然界的看法。在我们周围的世界中，概率性、相干性和不可逆性起到了很重要的作用。这给我们提出一个问题，这就是我们必须理解那些产生刚才所说的客观现象的微观机理，正如你们在教科书上所学的那样，一般系统可分为两大类，一类是耗散系统。如热传导化学反应扩散现象等。这两类系统也可以说成是：一类是过去和现在是等价的，如振子，另一类是过去和现在十分不同，如化学反应。在一百年前人们不能回答为什么系统应如此分法，因为当时用整个力学动力学描述的体系是基于可积系统来考虑的，而可积系统的运动成周期性，故对运动的过去和未来几乎相同。除此之外对可积系统来说，相互作用本身实际上可通过恰当地选择么正变换或正则变换而消去。这就是说，如果世界是可积的，那么他最终就可以分成许多独立的单位，从而也就不会有所谓的相干性和不可逆性。

   整个一个世纪以来，经典力学经历了一场深刻的革命，这个革命食欲一八九二年彭加莱提出的一个著名定理。他证明积分系统是一个颇为例外的极少情形，指出不可逆积的原因在于共振现象。共振现象是极为常见的。如果有两个自由度的话，把它们耦合起来，一个自由度很小的能量尅把另一个自由度放大起来，就像打秋千一样。但是，当有共振的时候，自由度就不可能是互相无关、互相独立了。这里，整个物理领域是基于共振思想的。例如，气体运动论是基于气体分子碰撞概念的，而碰撞本身就对应着在碰撞点能量从一个粒子到另一个粒子的共振转移。类似地，如果有一个激发的氢原子，当它从激发态跃迁到基态时就对应着一个共振，放出一个相应能量的光子。因此，可以说共振室一个非常重要和普遍的现象，如果我们的每一个点都是共振点时，那么，随着时间的演化，一个点和另一个点就会越来越分开，这时候人们会提到所谓李雅普诺夫指数。如果一开始就有些可能接近的两个点，而且彼此会离开的话，就不能再说轨道了。在不能使用轨道这一概念时，毫不惊异地你会遇到一个新的物理现象，在其中不可逆性和几率论就会出现。类似的情况在量子力学中也会发生的，只要你的系统变得足够大。在这种情况下波函数的概念就丢掉了，必须由矩阵概念来代替。因此，共振这个概念就导致了运动概念的很大变化。这当然带来了许多后果；在经典力学系统中积分方面的后果；对量子力学的后果，此时系统的波函数不能测量；在广义相对论中也有后果，特别是在宇宙存在的最初时刻。
   按照经典的看法，会有那么一天整个宇宙就会到达热死状态。今天我们必须修正这种观点，现在，守恒宇宙论的一个最重要的内容，是研究早期宇宙的物质产生问题。早期物质的产生，只能够是从场把能量转化为狭义意义上的物质，这个过程能量守恒。而一个真空和一个真正宇宙之间的重要差别在于它们的熵。因此，宇宙的开始是一次熵的大爆炸。我们可以说宇宙自己对时空是一个极大的污染，随着时间的推移，这些污染的粒子，如光子，能起的作用就越来越小，这是由于整个宇宙早期绝热膨胀的结果。但是在任何一个有熵大爆炸的现象中，有序和无序会同时出现。例如，在我讲话开头时所提到的贝纳不稳定性。加热本身又是一个不可逆过程。但它导致了一种可观测的漂亮的图案。
   有序和无序总是同时出现的，这个可能就是对生命出现的同样规则，也可能是宇宙创立的同样规则。这些涉及到不可逆时间和涨落的概念除了物理学和化学还可以用到许多其它领域里去。经典地说是有一个非常明显的界限来分别代表什么是简单的，什么是复杂的。到了今天这种区分已变得非常细致。谁可曾预料一个简单的化学反应会导致一个图形、导致周期、导致混沌和许多复杂的现象呢？在一定意义上说它的行为是和生物系统和生态系统同样复杂的。这些殊途同归，一方面如数学、物理学和化学，另一方面又如生态学和人文科学，当然导致了一个新观点。现在，让我在结束今天的演讲之前再指出几点。
   由于我们没有直接参加这些领域的工作，所以我们必须引用一些第二手材料，我对于我的同时所获得的研究结果是非常惊奇的。他们已非常仔细地研究了昆虫社会、特别是蚂蚁社会。蚂蚁社会是非常成功的，比我们人类社会成功得多，因为对于每一个人就要有上百万只蚂蚁。如果你算一下生物质量，蚂蚁的生物质量大约是人类的十倍。因此，什么是蚂蚁社会成功的原因，这是一个很有趣而神秘的问题。单就一个蚂蚁来说，它的行为是杂乱无章的，偶然的。然而整个集体又有着非常一致的行为。有一些蚂蚁社会是很小的，只有几百只蚂蚁。但有些非常大，有几百万只蚂蚁。有意思的是，当你从小蚂蚁社会观察到大蚂蚁社会时，你会感到通讯这个概念变得越来越重要。小蚂蚁社会的特点是单个蚂蚁寻找食物。随着社会的增大，这种通讯方式在有组织的寻食过程中就显得越来越重要。在大蚂蚁社会中，机体“打猎”在寻食过程中起主要作用，有时几十万只蚂蚁共同行动。在一定意义上讲，蚂蚁所面临的问题与我们今天这个人口日益增长的社会所面临的问题类似，我们也需要把我们所面临的通讯方式加以改造。
   此外，非常有兴趣的是蚂蚁通讯本身并不准确，它并不是由一种非常确定的方式来进行的，它总给单个蚂蚁留下一些主动性。如果有一只蚂蚁在某处发现了食物，它就把这个信息传递给窝里的其它蚂蚁。但是并不是所有的蚂蚁都到达了那个地方，有些却到达了其它地方。这种通讯的不精确度恰好使得它们能够发现许多新食物。因此，这种不精确的通讯方式倒是使蚂蚁社会改进的源。请允许我向你们介绍一个我们所进行的一个非常惊人的实验。我们观察到由六千蚂蚁组成的社会，给每只蚂蚁编号，这样可以观察到每个蚂蚁的个别行为。然后将这些蚂蚁装进两个松通的盒子里，而将他们的窝放在其中一个盒子里，再将他们干扰一下，即把它们的窝从一个盒子搬到另一个盒子。这时你就会看到蚂蚁把它们的蛋、做窝的材料等所有东西又搬回到原处。在此过程中，有些蚂蚁干活非常卖力，而另一些什么也不干。然后把这两类蚂蚁分开分别重复上面的实验。我们发现懒蚂蚁也开始干活了。由此可以看到他们对内部和外部环境非常敏感。当然在人类社会，这种情况更为复杂。但是，我们看到在这种生态和人类活动中，涨落概率仍然是非常重要的。
   我们再来举一个相同的例子，即我的同事爱伦教授所研究的捕鱼业的问题。研究发现，有两类渔民，有些总到鱼类所习惯去的地方，爱伦称他们为迪卡尔渔民。显然，如果所有渔民都像迪卡尔渔民那样就无鱼可捕了。但是，还有一部分冒险的渔民爱伦称他们为随时主义渔民，他们总是尝试到其它地方寻找鱼群，这样就使得渔民社会分散了。那么怎样是合理的？是遵循原来的习惯和传统呢？还是去建立和发现新的东西？在经典科学，一切都已经给定了。所谓有理性和合理性只不过是用明显的方式描述已给定的东西。按照我们的新观点，则不然。我们要探索那些过去没有的东西，发现和发展我们周围的自然界中事物相互作用的新方式。非常清楚，人类处于一个转变的时代，非常重要的是科学本身也处于一个转变的时代，这就给我们以很大的希望。即科学将会对下个世纪的人类做出巨大贡献。如果总结一下我的讲演，科学对我们是一种希望。看到在座的每一位热情、充满希望的青年，使我十分高兴。你们无疑会对今天的科学做出贡献，为我们大家带来益处。谢谢。