首页 > 冷门知识 > 关键词:冷门知识  日期:2022-07-05 11:29:19

还原论与古典科学

与时间的发现相伴随的重建世界图景的另一个维度,是整体论的出现。整体论是与原子构成主义相对立的一种世界观。继承自希腊的数学理性传统,原子构成主义支配着近代科学的主流研究纲领。总的来看,“物质实体+形式法则”的模式是西方思维的核心特征,不仅表现在对自然界的构造上,而且表现在对人类社会运作模式的构思上。由自由的个人(原子)所组成的社会,得以保持其有序运作的唯一办法是制定某些规则,这些规则就是法律(law)。Law既是人类社会中的“法律”,也是自然界的“定律”。对“规则”和“程序”的强调与对个体自由的强调相辅相成,是西方民主体制不可或缺的两大要素。同样,对物质实体和自然规律的强调,是近代科学思想中一系列二元论的根本来源。物质与运动、空间与时间、惯性与力、实体与场、数学与物理等的二分对立,都在某种程度上来源依赖“原子”加“规则”的西方思维模式。

原子构成主义是实体主义和形式主义相结合的产物。早期希腊自然哲学提供了科学思想的两大传统,一是由泰勒斯开创的实体论的构成主义研究纲领,一是由毕达哥拉斯开创的结构论的形式主义研究纲领。泰勒斯的名言是“万物源于水”,这个平凡的说法中包含着科学思想的精髓。首先,它表现了对世界统一性的把握;其次,它指出把握世界统一性的方式是找出其“始基”。在这个纲领之下,米利都学派分别找出了“水”“气”作为万物由以构成的始基。阿那克西米尼不仅找到了“气”作为始基,而且发现了由这个东西去解释自然界各种事物的方式,即由气的“凝聚”和“稀释”产生出不同的事物。毕达哥拉斯学派的自然哲学问题不是“万物由什么组成”,而是“是什么使得万物彼此呈现出差别”。他们的答案也是肯定的:“是数学结构的不同导致了它们表观上的不同。”数量上的差异和几何结构上的差异在他们看来更具有哲学意义,是事物的本质,至于事物是由什么物质实体构成的则不重要。始基永远是均匀同一的,即使找到了也无法解释自然界中复杂多样的事物,而数学形式本身即具有无穷的样式,用它来解释万物不存在本质的困难,更具说服力。

米利都学派的实体主义和毕达哥拉斯学派的形式主义经过后来的发展,形成了相互支撑、相互制约的局面,希腊原子论只是这种局面的一个样本。原子论认为,世界由无数原子在无限虚空之中以各种各样的排列组合构成,我们经验中各种不同的物质就反映了它们不同的排列组合。近代以来,亚里士多德的四因说中的目的因和终极因被否弃,而质料因和动力因突出出来。其中的质料因具体为物质微粒,而动力因则成了“力”,一种微粒与微粒之间相互发生的关联。正是“力”将整个微粒世界结成一体,不至于一盘散沙。在古典力学中,“力”的作用服从方程所拟定的规则。

牛顿力学的方程是线性的微分方程,其“线性”意味着大尺度现象可以看成小尺度现象的放大,其应用“微分”方程意味着整体等于部分之和。微分的意思是把一个对象无限地分割下去,微分方程表述的是把一个研究对象无限分割之后所找到的函数关系。牛顿力学能够以微分方程的方式出现,意味着对对象进行无限分割之后所得到的函数关系,也正是整个力学体系所具有的函数关系。一叶知秋,窥一斑而知全豹,这是牛顿力学的方法论准则。阿尔文·托夫勒生动形象地表述说:“在当代西方文明中得到最高发展的技巧之一就是拆零,即把问题分解成尽可能小的一些部分。我们非常擅长此技,以致我们竟时常忘记把这些细部重新装到一起……在科学中,我们不仅习惯于把问题划分成许多细部,我们还常常用一种有用的技法把这些细部的每一个从其周围环境中孤立出来。这种技法就是我们常说的ceterisparibus,即‘设其他情况都相同’。这样一来,我们的问题与宇宙其余部分之间的复杂的相互作用,就可以不去过问了。”

的确,蕴含在牛顿微分方程之中的方法论精神不仅包括拆大为小,还包括“孤立法”,即不考虑与其余部分复杂的相互联系,孤立地分析本系统的受力情况以及运动状态。在高中时代,如何用简单的牛顿定律去解决复杂的力学问题,是每一个高中生面临的难题——这大概是他或她第一次碰到与生活世界相分裂的物理世界,并且要亲自把这个物理世界从生活世界中提炼出来。我们的年轻人通常手足无措,因为大量的常识混杂在分析之中,因而难以建立一个纯正的物理世界。一个优秀的物理老师之优秀,就在于把孤立法这个牛顿科学的方法论准则显示给学生,使学生学会孤立的受力分析法。在受力分析完成之后,运用牛顿定律进行计算就非常简单了。

牛顿力学拆整为零的方法论,对整个古典科学起了示范作用。把复杂的事物分解成简单事物的组合,把宏观的物理现象归结为微观现象的组合,成了近代科学一个占主导地位的方法论原则,这个原则通常被称为还原论(reductionism)。

还原论具体表现在,力图将心理意识现象还原为大脑的生理机能,把生命现象还原为物理和化学现象,把化学现象还原为原子和分子的运动和结构,把物理学还原为力学。简而言之,把人类所面临的一切问题都还原为科学问题。赫尔姆霍茨曾经说过:“自然科学的最终目的是要发现所有变化下面的运动,以及它们的动力;那就是说,把全部自然科学分解成为力学。”这是还原论的宣言。从科学史上看,还原论的确产生了丰硕的成果。由于近代原子论的建立,化学的大部分都已经成了原子或分子物理的一部分;二十世纪分子生物学的发展,部分沟通了生命科学和物理科学。

还原论有过许多形式。有原子论的还原论,有机械还原论,有力学还原论,但总的原则是将某种不好处理的现象看成某种好处理的现象的变种,以获得对本来不好理解的现象的理解。还原有强弱之分。强还原坚持还原即是完全归结、完全等同,弱还原不坚持归结的完全性。自然界的现象林林总总、变化万千,还原方法几乎是人的认识所不可避免的。只要把科学的目标定在把握宇宙的统一性,而且相信这种统一性确实存在上,就必定要用还原的方法。爱因斯坦曾经说过:“人们总想以最适当的方式来画出一幅简化的和易领悟的世界图像;于是他就试图用他的这种世界体系来代替经验的世界,并来征服它。这就是画家、诗人、思辨哲学家和自然科学家所做的,他们都按自己的方式去做。各人都把世界体系及其构成作为他的感情生活的支点,以便由此找到他在个人经验的狭小范围里所不能找到的安静和安定。”这就表明,某种最基本意义上的还原论不仅是人类的认识所不可避免的,还是人类基本的存在方式。

问题只在于:向哪里还原,以及还原是完全的还是不完全的。作为一个实际的科学家,他可能只关心向哪里还原而不关心还原是否完全。他也许认为,能还原多少算多少,只要能工作起来、能增长知识,是否最终完全把握了对象的一切并不重要。每当一种还原方法开始投入使用时,使用者必定持有坚定的信念,相信该种还原论是完全的,而随着该方法大面积的使用,涉及越来越多的现象,暴露越来越多的问题,还原论才开始弱化。但也不会完全消失。除非一种新的还原论兴起,取代从前旧的还原论。但还原论本身可能永远会是科学的方法,建立起一种还原论的说明模型是科学成熟的表现。

近代还原论纲领到了今天有所弱化,但不是全面弱化。其最核心的还原即质还原为量的纲领已成共识,根本没有弱化,相反不断强化。在科学共同体看来,未能完成这一还原不是因为质不能还原为量,而是科学水平不够,科学之光尚未照亮这一领域。

近代还原论可以概称为机械还原论,但细分起来,机械还原论还只是其最初的阶段,以笛卡尔为代表。第二阶段的还原论可称为力学还原论,以牛顿为代表。第三阶段是物理还原论,主要反映在生命科学中。这三种还原论不是后一个否定前一个,而是一个比一个更加精细化,基本思路是一致的。机械还原论在发展过程中,尽管始终受到批评,却一直占据着主导地位,因为批评者提不出新的还原论纲领,或者提出的纲领无法与主流相抗衡,或者提出的纲领只是对机械论的改进,只是增加了一种新的机械还原论。

在物理科学(包括物理学、天文学、化学等)的发展过程中,机械还原论走的是不断修正的路子。牛顿力学建立之后,力学还原论一直占据着统治地位。牛顿力学本身巨大的成功使人们相信它就是自然科学的典范,只有建立了像牛顿力学那样的体系,一门学科才算是成熟了;只有出现了像牛顿那样的伟人,一门学科才有值得夸耀的地位。牛顿之后,物理科学里出现了一大批“力学”,最先是天体力学、热力学,再是电动力学。直到19世纪末,自然界中的各种物理现象,包括热、声、光、电等,都可以用力学方法加以说明。在世纪之交的物理学危机中,有两派就物理学的前途进行争论,其中一派是力学学派,另一派是批判学派。力学学派为古典的力学还原论辩护,批判学派则对旧的体系发起攻击。在物理学革命中诞生的相对论和量子论抛弃了古典的力学还原论,但建立了新的力学还原论,即相对论力学和量子力学。相对论和量子论的“力学”之所以为力学,在于它们建立了普适方程,并且依然是原子主义的。虽然物理的原子论受到一定程度的冲击,但数学的原子主义突出了。物理现象由从前的向微观粒子还原变为向几个数学概念还原。相对论把物理学还原成张量方程,量子力学把物理学还原为波函数方程。总的来说,在物理科学中,原子主义的力学还原至今仍是卓有成效的。

在生命科学的发展过程中,机械还原论也一直是一条主线,但受到生物学自主论者的严重冲击,甚至形成了两军长期对垒的局面。机械还原论者的基本思想是把生物学看成与物理学同等的、无质的区别的学科,力图用物理学中比较成熟的研究纲领处理生物学问题。在近代早期,将人体与机械类比极为盛行。达·芬奇用静力学观点解释骨骼的杠杆作用,塞尔维特用水力学的观点解释人体内的血液循环,哈维则进一步在机械论的基础上建立了血液循环理论。笛卡尔本人特别对人体的机械构造做了详细描述,以至在唯物主义哲学家阵营里,人人相信人是机器。法国哲学家拉美特利干脆写了一本书,就叫《人是机器》。随着物理科学的发展,生命科学中出现了生理学、生物化学、生物物理学、分子生物学。这些学科都力图运用机械的、力学的、原子主义的还原纲领,对生命现象在微观层次上加以解释。但由于生物学固有的特殊性,总有相当多的生物学家怀疑物理的还原论,坚持生物学的目的论、活力论、有机论、系统论等解释。所有这些,在当代以同一个声音发出,即强调生物学的自主性。

20世纪分子生物学取得巨大的成就后,机械还原论又极为深入人心。几乎所有的分子生物学家都主张物理基础主义的还原论。DNA双螺旋结构的发现者之一克里克说:“事实上,当代生物学运动的最终目标是根据物理学和有机化学解释所有的生物学。”在他们看来,物理还原纲领是真正有成效的生物学研究纲领,虽然现在仍有许多生命现象不能由物理化学方法得到说明,但这不是原则上的不可能。随着生命科学和物理科学的进一步发展,它们最终都可以得到彻底说明。当然,与此同时,依然有许多生物学家坚持生物学不可能完全还原为物理化学。

总而言之,笛卡尔时代成形的机械还原论在当代有所弱化,在物理科学中还原的具体方式发生了变化。在生命科学中,物理还原论尽管本身遭到非议,但依然是当代古典科学中占主导地位的研究纲领。

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