自然界进化的法则

自然界进化的法则_人类与自然界的进

第二节　自然界进化的法则

1.牛顿力学是自然界演化的准入法则

艾萨克·牛顿（1642～1727年）是英国伟大的科学家。牛顿力学不仅解释了自然界运动的许多现象，而且对物体的运动方向作出准确的预言。自然界包括基本粒子、原子、分子，包括各种无生命物质和各种生物，包括行星、恒星等星系，它是由各种物质组成的一个巨大的系统。

牛顿

长期以来，人类认为彗星、土星是不祥之兆。许多国家的占星家把彗星出现作为国家将有灾难的预兆。但牛顿认为彗星也是天体，它的运动也必然遵循天体力学规律，这些预言的得到验证使人类对牛顿力学赞叹不已。牛顿的科学思想对后来300年的自然科学的发展产生了极其深远的影响，人们甚至认为牛顿力学是自然界演化的准入法则。牛顿力学认为，质量和能量各自独立存在，且各自守恒，它只适用于物体运动速度远小于光速的范围。牛顿力学较多采用直观的几何方法，在解决简单的力学问题时，比分析力学方便简单。

牛顿亲自制作的反射望远镜

各种自然现象、社会现象都可以用经典力学来解释，于是，科学界就出现了各种各样的“力”的概念，如重力、电力、磁力、热力、生产力等。然而，20世纪初，当科学家们在研究微观粒子运动时，却发现它们不能用牛顿力学原理来描述。于是，路易·维克多·德布罗意（1892～1987年，法国著名物理学家，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一，1929年诺贝尔物理奖获得者）、沃纳·海森堡（1901～1976年，德国物理学家，由于在量子力学的创立中所起的作用，于1932年获得诺贝尔物理奖）和保罗·狄拉克（1902～1984年，英国物理学家，量子力学的奠基人之一，因狄拉克方程获得1933年诺贝尔奖）等人逐步建立和发展了量子力学的基本理论。随即量子力学与相对论结合，建立了量子场论，更加完善了量子力学。

路易·维克多·德布罗意

沃纳·海森堡

保罗·狄拉克

德谟克利特

德谟克利特（约公元前460年～公元前370年或公元前356年），古希腊伟大的唯物主义哲学家，原子唯物论学说的创始人之一，他率先提出原子论（万物由原子构成）；德谟克利特在他的《宇宙大系统》新著中，明确把自然界看做一个巨大的天然系统，而系统又是由相互联系、相互作用的若干要素组成的，是具有整体功能的有机整体，而要素是系统的组成部分。在自然界这个巨大的天然系统中，许许多多的基本要素本身也是一个个小系统，因此说自然界这个大系统是由许许多多小系统组成的。

人类很早就认识到自然界处于不断的运动、发展、进化之中，而且认识到自然界的演化有其自身的规律。中国古代哲学家荀子说：“天行有常，不为存，不为亡。”到了近代，随着科学技术的高速发展，人类观测自然界的方法和手段不断提高，人类对自然界演化的认识才日益精确。现代科学认为，自然界的演化至少应遵循牛顿力学法则。

牛顿定律及其力学体系的建立，是人类认识自然界进化的一次飞跃。牛顿力学的成功，使牛顿名震天下，享誉四海。

量子力学图

牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中说，希望能用同样推理的方法从力学原理中推导出自然界的其他许多现象。然而事实上，牛顿提出的力学三大定律和万有引力定律，已经把地面上物体的运动和太阳系内行星的运动统一在相同的物理定律之中，从而完成了人类文明史上第一次自然科学的综合。

牛顿的《自然哲学的数学原理》包括理论体系结构、研究方法和研究态度、如何处理人与自然的关系等多个方面的内容。这是一部划时代的巨著，在科学的历史上，是经典力学的第一部经典著作，也是人类掌握的第一个完整的科学宇宙论和科学理论体系，其影响遍布经典自然科学的所有领域。

《自然哲学的数学原理》书影

17世纪以来，牛顿力学一直被人类视做全部物理学甚至整个自然科学的基础，它可以被用来研究任何物体的运动。进入20世纪后，人们发现传统的理论体系无法解释在一些新的物理实验中产生的现象，对牛顿力学坚信不疑的科学家们陷入了迷茫，尽管他们无力调和旧理论与新发现之间的矛盾，但他们仍然不敢怀疑牛顿力学。就在这场物理学革命中，爱因斯坦选择了一条与其他科学家不同的道路，终于成功地提出了狭义相对论。

阿尔伯特·爱因斯坦

2.“世纪伟人”阿尔伯特·爱因斯坦与他的相对论

阿尔伯特·爱因斯坦（1879～1955年）是德裔美国物理学家、思想家及哲学家，现代物理学的开创者和奠基人，相对论的提出者，“决定论量子力学诠释”的捍卫者。1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

著名科学家爱因斯坦是一位将怀疑权威同“相信世界在本质上是有秩序的和可以认识的”这一信念结合在一起的科学工作者。他不盲目相信权威，只是充分利用前人的经验积累，然后再加上自己的独立研究，才得以迈向一个又一个的科学高峰。

爱因斯坦1905年和1915年发表的相对论，便是在牛顿力学的基础上提出来的。相对论的诞生极大地拓展了人类对自然界的理解和认识，通过相对论，人类发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结以及黑洞等奇妙现象。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的常识性观念，提出了“时间和空间的相对性”“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。爱因斯坦相对论是关于时空和引力的基本理论，分为狭义相对论（特殊相对论）和广义相对论（一般相对论）。

《爱因斯坦》书影

爱因斯坦的广义相对论揭示了时空万物与引力场、质量密度的关系，证明了时间和空间与物质的关系。狭义相对论包括两条基本原理：相对性原理和光速不变原理。根据狭义相对论的两条基本原理，人们可以推导出前人无法想象的结论。比如，飞船上的一切过程都会比在地球上慢。假如飞船以每秒钟30000千米的速度飞行，那么飞船上的人过了1年，地球上的人就过了1.01年；假如飞船以每秒钟2999000千米的速度飞行，那么飞船上的人过了1年，地球上的人就过了50年。这是多么神奇啊！

其后，爱因斯坦不断对狭义相对论的思想进行丰富和充实。1913年，爱因斯坦和他的老同学、数学教授格罗斯曼，合作写了一篇重要的论文《广义相对论和引力理论纲要》，为广义相对论的建立扫清了障碍。1915年，爱因斯坦终于完成了创建广义相对论的工作。次年，他发表了自己的总结性论文《广义相对论的基础》。在这篇论文中，他提出了新的引力方程，这与200年来在科学界占垄断地位的牛顿引力方程不同。人们将这篇论文称为20世纪理论物理学的巅峰。

爱因斯坦和科学家在一起

爱因斯坦后来又在广义相对论的基础上导出了一些重要结论，如光线在太阳引力场中发生弯曲；水星近日点的旋进规律；引力场中的光谱线向红端移动等。1919年5月29日发生了一次日全食，由英国派出的两支天文考察队分别在两个地点进行了独立观测，并拍摄到清晰的照片。观测结果证明爱因斯坦的预言是正确的。光线不但呈现弯曲，就连弯曲的程度和数值也同于爱因斯坦的计算结果。其他两项预言也在后来相继得到证实。爱因斯坦被人们誉为“20世纪的牛顿”。他的广义相对论如今已成为现代物理学最主要的理论基础，此学说标志着原子理论时代的到来。

在探索人类与自然界的进化时，下述原理虽不能展现自然界演化的全部过程，但可以说，凡是人类迄今已发现的、经科学实验和实践反复证明了的规律，都在体现着自然界演变的过程。尽管这些规律已经多到难以确切统计，然而，它们只是自然界进化过程中的一部分。

·自组织机制　论自组织是自然界自发地在没有任何外部指令或外力干预下形成的一定结构和功能的运动过程。自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。现代科学使人类拥有了非凡的制造能力，但对许多的生命问题无能为力，原因也在于生命是自组织的而不是被制造的，制造能力再强大也无能为力。

《宇宙体系论》书影

自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。它的研究对象主要是在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。从进化论的观点来说，“自组织”是指一个系统在“遗传”“变异”和“优胜劣汰”机制的作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从而不断提高其对于环境的适应能力的过程。进化论的最大功绩就是排除了外因的主宰作用，首次从内在遗传突变的自然选择机制过程来解释物种的起源和生物的进化；自组织理论主要由耗散结构理论、协同学论、突变论3个部分组成。其实，任何一个组织都必须具备自组织的一个基本要素，否则就失去了存在的基础和发展的动力。

哈肯

·协同学论　20世纪70年代，德国科学家哈肯（1927年～）创立了协同学。这是一门研究系统进化普遍规律的科学，它研究的是由许多子系统构成的系统是如何通过协作从无序到有序演化的规律。由于信息由许多信息单元构成，如何建立各个信息单元之间的协同作用机制，使信息由无序向有序转化，是信息组织的基本目标。这使人类领悟到，大自然的结构虽然千差万别，但这些结构的形成有其共同的规律。科学家们认为，有序结构的形成和系统的自组织是自发的、飞跃的过程，是由于过程本身固有的内部原因产生的。因而协同学为物质运动的理论提供了科学证明。

耗散结构理论

·耗散结构　论20世纪60年代，长期从事关于不可逆过程热力学（也称非平衡态热力学）研究的比利时布鲁塞尔学派领导人伊利亚·普利高津（1917～2003年）提出的能量耗散结构理论，为认识自然界中（特别是生命体系中）发生的各种自组织现象开辟了一条新路。其基本思想有两点：一是系统内部非平衡是有序之源；二是开放系统通过与外界交换物质、能量而增加、维持系统的有序性。信息组织通过与外界交换物质、能量与信息，对信息加工使得信息系统成为远离平衡态的开放系统。因此，耗散结构理论可作为信息组织的理论基础。耗散结构理论在自然科学及社会科学的许多领域有重要的用途。因创立热力学中的耗散结构理论，普利高津获1977年诺贝尔化学奖。

耗散结构理论认为，一个远离平衡状态的开放系统，通过不断与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，经过涨落，系统可能发生突变即非平衡相交，由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。由于需要不断与外界交换物质和能量才能维持其有序性，故称为“耗散结构论”。它回答了系统如何从无序走向有序的过程。

当宇宙收缩到一定的程度后，由于其内部的温度与压强升高，物质转化成能量的速度逐渐变快，而能量转化成物质的速度逐渐变慢，当这种变化达到了一个临界点后，整个宇宙便发生逆转，逐渐地，物质转化成能量的速度远远大于能量转化为物质的速度，此时，整个宇宙开始急剧膨胀，在达到一定的程度后，宇宙便开始释放与辐射能量，这便是耗散宇宙的开始。耗散宇宙便是生命宇宙，因此，宇宙是散则生，聚则死；而生命是聚则生，散则死。宇宙与生命是如此的辩证统一。

·非线性理论　非线性科学有很复杂的数学公式和高深的研究方法，然而简单地说，非线性是一种更加接近自然、接近实际的思维和研究方式。20世纪60年代以来，在研究数学、物理、生物、经济等各门科学中普遍存在的各种非线性现象时，产生了一门新的交叉学科，即非线性科学。在数学中“单变双不变、符号看象限”。线性是指量与量之间的正比关系，由直角坐标形象地画出来是一根直线。在线性系统中，部分之和等于整体。非线性则指整体不等于部分之和。人类发现，自然界大量存在的相互作用是非线性的，线性作用其实只是非线性作用在一定条件下的近似。

《非线性理论数学基础》书影

·混沌理论　美国气象学家爱德华·洛伦兹（1917～2007年）20世纪60年代提出混沌理论。科学家们对混沌理论评价很高，认为“混沌学是物理学发生的第三次革命”，它与相对论、量子力学同被列为20世纪的最伟大发现之一。量子力学质疑微观世界的物理因果律，而混沌理论则紧接着否定了包括宏观世界拉普拉斯式的决定型因果定律。混沌理论拥有巨大的影响力。目前，这一理论已被广泛应用于各个领域，如商业周期研究、动物种群动力学、流体运动、行星运转轨道、半导体电流、医学预测（如癫痫发作）以及军事等。洛伦兹在研究大气热对流问题时发现，大气状况“起始值”的细微变化足以使非周期性的气象变化轨道全然改观，认为简单原因可能导致复杂后果，这便是混沌理论的一个重要内容。并由此提出了天气的不可准确预报性。

美国气象学家洛伦兹

混沌学是研究混沌运动的一门新学科。在科学上，如果一个系统的演变过程对初态非常敏感，人们就称它为混沌系统。在混沌系统中，初始条件的微小变化，可能造成后续长期而巨大的连锁反应。此理论为人所知的论述之一是“蝴蝶效应”：一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，会使更多蝴蝶跟着一起振翅，最后将有数千只的蝴蝶都跟着那只蝴蝶一同挥动翅膀，结果可以导致一个月后在美国德州发生一场龙卷风。

时至今日，这一论述仍为人们津津乐道，更重要的是，它激发了人们对混沌学的浓厚兴趣。洛伦兹对“确定性混沌”的发现，影响了基础科学的众多领域，在人类对于自然界的认识上，引发了自牛顿以来的最大的变化。然而，洛伦兹并没有让可预言性让位于纯粹的随机性，而是在天气模型中看到了比随机性更多的东西，即随机性全面的有序性。在他之后的研究中，他用越来越多的注意力去寻找看似没有规律的复杂系统的规律，进而揭示出混沌现象具有不可预言性和对初始条件的极端敏感依赖性这两个基本特点。

洛伦兹最初使用的是“海鸥效应”来形容这种现象，洛伦兹是第一次对此进行系统思考并形成新理论的人。他把这一发现写成研究论文，于1963年出版，并于1972年正式提出“蝴蝶效应”这一名词。洛伦兹的理论被认为是自牛顿以来另一引人注目的人类自然观的“进化论”，他因此于1991年获颁基础科学京都奖。

今天，伴随计算机等技术的飞速进步，混沌学已发展成为一门影响深远、发展迅速的前沿科学，它与其他各门科学互相促进、互相依靠，由此派生出许多交叉学科，如混沌气象学、混沌经济学、混沌数学等。洛伦兹认为与传统的想法相反，健康人的脑电图和心脏跳动并不是规则的，而是混沌的，混沌正是生命力的表现，混沌对外界的刺激反应比非混沌系统快得多。蝴蝶效应在混沌学中也常出现，又被称做非线性。混沌学不仅极具研究价值，而且有现实应用价值，能直接或间接创造财富。

3.自然界进化的方式

自然界丰富多彩，就其演化的方式来说也不尽相同。“进化”一词是外来语，而严复则是最早反对使用“进化”一词的人之一。严复在《天演论》中译为“天演”，主张以“天演”取代“进化”。“演化”与“进化”的区别是：进化是指事物由低级到高级，由简单到复杂，由无序到有序；反过来说，演化的含义比进化更广泛，它除了包括进化的全部含义外，还包括退化的含义，即包括事物由高级到低级、由复杂到简单出现无序状态等退化过程。

《进化》书影

目前，人们对于如何翻译“evolution”仍有争议。支持使用“演化”的学者认为，演化在字面上的意义比较中性，能表达连续与随机的意义；进化则带有“进步”的含意。汉语中“进”与“退”是代表相反意义的两个字，因此若使用“进化”，则在逻辑上不易将“退化”定义为“进化”的一种类型。过去“进化”多表示生物朝适应环境的方向演化，而当前多数都认为生物的演化是随机的，并没有进步、退步之分。

（1）分叉选择方式

物种的形成与进化，在于“自然选择”。分叉是指事物发展遇到两种或多种可能性时，只能选择其中一种成为现实。现代非平衡态热力理论和混沌理论的研究表明，分叉是现实世界中复杂系统的一种奇特的变化方式。如果说自然系统开始于同一的原始状态，那么在以后的演化过程中就会由随机涨落而不断发生分叉，出现多种方向、多种形态。这种多次的逐级分叉使系统从一种有序进入更高一级有序。分叉表明了自然界演化过程中稳定性与不稳定性的统一。对系统而言，稳定是不稳定的基础，而不稳定则是达到新的稳定的必经之路，所以稳定是事物发展进化的必要条件。

（2）旧质与新质的变化方式

人类与自然界的演化，通常是通过量变和质变的相互转化而实现的。量变是一种不显著的、非根本的变化，是事物在数量上的增加或减少，质变是一种显著的、根本性的变化，是事物由一种质的形态向另一种质的形态的突变、飞跃。自然界的演化总是由量变转化为质变，旧质转化为新质，又在新质的基础上发生新的量变。量变是质变的准备，质变是量变的结果。不论采取哪种形式，一般都反映了自然界从低级到高级，从简单到复杂的演化过程。

（3）新的形态突发性方式

突发性是指自然系统的新的形态、结构和性质作为整体的突然出现。突然出现是一个演化论的概念，它表明系统的整体从潜在的“有”到实在的“有”的创建过程。自然系统的突然出现具有突发性、间断性、难以预测的特点。所谓间断性是指系统跃入新的状态所具有的一种非连续的变化，它既是渐进过程的中断，又是稳定过程的开始。生物的进化就是渐变与突变、连续与间断的统一；突然出现的难以预测性是由于事物演化的分叉所决定的。

（4）曼德勃罗分形理论

法国数学家伯努瓦·曼德勃罗（1924年～）出版了《大自然的分形几何学》提出了分形理论，被分形学界的学者视为“圣经”。按照分形理论，分形内部任何一个相对独立的部分，在一定程度上都应是整体的再现和缩影。分形是自然界演化的一种重要方式。自然界中的分形无处不在，如变幻莫测的云彩、逶迤连绵的山脉、磅礴纵横的水系、蜿蜒曲折的海岸线等。人类把构成分形整体相对独立的部分称为分形元或生成元。分形理论就是研究分形元构成整体所遵循的原则与规律的。

伯努瓦·曼德勃罗

自然分形所涉及的范围极其广泛，遍及数学、物理、化学、生物、医学、电子学、计算机、天文学、气象学、环境科学等学科。社会科学对分形理论十分敏感，目前，已经把这一新兴学科的新颖思想和研究方法引入到经济学、管理学、情报学、思维科学和艺术科学的领域。分形理论在研究分形元构成整体所遵循的原则和规律时，发现了从部分过渡到整体的媒介与桥梁，提出了从部分出发认识整体的原则和方法，揭示了复杂性背后隐含的统一性，为探索自然界演化的方式开辟了新的道路。

分形无处不在

4.人类与自然界演化的方向

演化的方向是指自然界演化朝着某种方向产生的变化。方向概念强调的是终点，而不是起点。因而，方向性与目的性颇为相似。人类普遍认为自然界的演化是没有目的。自然界演化的方向表现为三种：一是单一水平演化，即同一等级运动形式之间的变化；二是下降的演化，即从高级形式向低级形式、从有序向无序、从较复杂到较简单的变化；三是上升的演化，即由低级向高级、由无序向有序、由简单到复杂的变化。

（1）有序与无序论

“序”指事物在空间和时间上的先后排列。有序是系统要素之间联系的规则性，无序是系统要素之间联系的无规则性。

任何系统都是有序与无序的不同程度的辩证统一，其一是没有离开有序的绝对无序，事物即使处于看起来毫无秩序的混乱状态，其内部也包含着有序的因素；其二是没有离开无序的绝对有序。热力学第三定律指出，绝对零度不可能达到，系统的熵不可能等于零（熵是无序的量度，负熵是有序的量度）。因此，系统不可能完全有序。任何系统都是在这种有序与无序的相互关系中构成系统的一定秩序，对系统不同秩序的衡量称为序参数。事物的状态由不同的序参数构成一系列的阶梯。如果系统向有序化发展，序参数愈来愈高，从低级有序上升到高级有序，则表明系统在进化；反之，则是系统的退化。

自组织理论认为，一个远离平衡态的开放系统，其内部各要素存在着非线性相互作用以及导致有序的涨落，能够从无序状态演化为新的稳定的有序结构。混沌理论进一步指出，系统不仅可以通过突现从无序转化为有序，也可能通过突现从有序转化为无序。

地球上的生命起源

（2）可逆与不可逆

“逆”的本意是指向着相反的方向，跟“顺”相对，可逆与不可逆也就是指逆与顺的关系问题。自然界演化的可逆是指自然系统经过变化后又回到了原来的状态，而不引起环境的任何变化。可逆性概念强调的是回到原来的状态，至于经过什么样的过程并不重要。如果系统经过变化后，引起了环境的变化，再也不能完全复原到原来的状态，就是不可逆性。可逆性与不可逆性在很大程度上与时间相关。时间也有方向性，时间箭头总是从现在指向未来。时间的不可逆性是自然界演化不可逆性的反映，因为，事物的运动与时间和空间不可分离。因此，严格地说，自然界中实际发生的过程都是不可逆的、有时间方向的。

从自然界真实的演化过程来看，不可逆是无条件的、绝对的。任何系统的演化都有其演化的历史，在演化的单行道上是不允许走回头路的。相反，可逆是相对的、有条件的，是舍弃许多具体规定性后的一种抽象形式。经典力学、量子力学等用可逆性的物理方式描述客观世界只是一种相对的、有条件的、简化了的认识，是忽略了时间、空间等真实过程的理论抽象，这种局部的、暂时的可逆过程，并不能否认自然界系统演化的不可逆性。

（3）进化与退化论

进化与退化是相对的，各自以对方为存在的前提，两者又相互渗透，即进化中包含着退化，退化中又有进化的因素或可能。这是因为，自然系统都具有丰富的规定性，蕴涵多方面、多层次的本质，它们在演化中不同步、不均衡。有的要素进化了，有的却退化了。根据耗散结构理论，一个系统序参数的提高，需要从环境引进负熵，这就意味着环境的熵增。

自然界的许多进化都是以一定的退化为代价的。在自然界中，绝对的进化与绝对的退化都是没有的，所谓进化与退化只能从总的发展趋势、大的发展要素上去把握，从进化与退化的辩证关系中去认识。例如：在恒星的生生不息的演化中，有上升的过程，也有下降的过程，同时也存在平稳发展的过程；生物进化具有不可逆性，灭绝的物种在一般情况下很难再重新出现；在生物进化之中也有退化，生物的一些结构、功能的进化，同时也意味着另一些结构、功能的退化。

（4）周期性与无限性

人类的长毛近亲

自然界的许多现象呈现周期性，如日出日落、寒暑易节。自然界在演化发展中也表现出周期性，大到总星系、星系、恒星，小到基本粒子，都无一例外地经历着产生、发展、灭亡的不断重复的周期性过程。自然界演化的周期性，由于受发展方向的制约和支配，不是封闭的而是开放的。每一周期的终点，同时也是下一周期的起点。系统的演化就是一个周期接着一个周期，循环往复，以至无穷，形成由无数个周期衔接起来的无限演化过程。自然界演化的周期性也说明其演化的无限性。

实际上，自然界在时间上无始无终，在空间上无边无沿。人类对自然界的认识只是对这个庞大无比的演化过程中一个阶段和部分的有限认识，因此，人类对自然界的认识也是一个不断深化、不断扩展的无限过程。