书城科普读物影响世界的62部科学名著
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第43章 科学普及(18)

1988年,他出版了第一本著作《混沌:开创新科学》,书中收有多幅彩色分形图片。此书获得了美国非小说类国家图书奖的提名,并被翻译成约20种文字,在世界各地销售。1992年,格莱克为当时刚去世不久的杰出理论物理学家费恩曼写成一本传记《天才:理查德·费恩曼的生活和科学》,此书一出版,又成为美国的一部畅销书。

格莱克本人不是一位科学家,自身也并不是理工科出身,但他能够深入地了解和分析自然科学和技术,能够以一种独到的视角去看待科技界发生的事件。因此,不仅自然科学家可以得到有益的补充,而且广大阅读者都可以从格莱克写的书里获得教益、受到启发。

格莱克的作品主要有:科学报告文学集《混沌:开创新科学》、《天才:理查德·费恩曼的生活和科学》、《越来越快——飞奔的时代飞奔的一切》等。

【内容提要】

作者提出现代混沌研究始自60年代,当时人们缓慢地意识到十分简单的数学方程能成为完全同瀑布一般猛烈的一些系统的模型。输入的微细差异可能很快成为输出的巨大差别,这种现象被为“对初始条件的敏感依赖性”。例如在气象中,这就成了人们半开玩笑说的“蝴蝶效应”——今天在北京有一只蝴蝶扇动空气,可能改变下个月在纽约的风暴。

作者提出自然界的不规则的方面,不连续和不稳定的方面,一直是科学的观念题,或许更糟些,是无法理解的怪物。但是在20世纪70年代,美国和欧洲的少数科学家开始找到了无序的门径。他们是数学家、物理学家、生物学家和化学家,他们都在寻求各种不同的不规则现象之间的联系。生理学家们在人类心脏生发出来的混沌中发现了令人惊奇的有序,这种混沌曾是无法解释的猝死的主要原因。经济学家们发掘出陈旧的股票价格数据,并试用新的方法来分析。由此种种方面得到的启示,直接引入了自然界,包括对云彩的形状、闪电的径迹、微血管的缠结、星体形成银河星团的过程的认识。在物理学内部,混沌的研究是从一潭死水中产生的。在20世纪的大部分时间内,主流曾是粒子物理,它在更高更高的能量、更小更小的尺度和更短更短的时间范围内探索物质的构造模块。除粒子物理之外,就是关于自然界基本力和宇宙起源的理论。然而,还是有一些年轻的物理学家越来越不满足于这种最有声望的科学方向。科学的进展开始显得缓慢了,新粒子的命名无济于事,理论体系乱糟糟。混沌打破了各门学科的界限。由于它是关于系统的整体性质的科学,它把思考者们从相距甚远的各个领域带到了一起。

作者说当混沌革命走上正轨时,优秀的物理学家们觉得他们毫不为难地回到了与人同尺度的现象。他们不仅研究星系,还研究云彩。他们不仅在“克雷”计算机上进行有成效的计算,还使用“麦金多施”。重要的期刊把关于球在桌上弹跳的奇怪动力学的论文与星子物理的文章同时发表。现在人们看到最简单的系统提出非常困难的可预见性问题。然而,有序也在这些系统中自发地出现——混沌和有序同在。只有一种新科学才能开始跨越这巨大的知识深渊,它的一岸是单个的对象——一个水分子,一个心脏组织细胞,一个神经元——的行为,而另一岸是成百万这种对象的行为。这门新科学就是混沌学。作者认为一位物理学家所说的很对:“相对论排除了对绝对空间和时间的牛顿幻觉;量子论排除了对可控测量过程的牛顿迷梦;混沌则排除了拉普拉斯决定论的可预见性的狂想。”在这三大革命中,混沌革命适用于我们看得见、摸得到的世界,适用于和人自己同一尺度的对象。

作者认为混沌创造了特殊的计算机使用技术和各种特殊的图像,于是抓住复杂性背后的古怪而精致的结构。混沌无所不在。上升的香烟柱破成缭乱的旋涡。旗帜在风中前后飘拂。龙头滴水从稳定样式变成随机样式。混沌出现在天气行为中,出现在飞机飞翔中,出现在高速公路上阻塞的汽车的行为中,出现在地下的油流中。不管在什么介质中,这些行为都遵从新发现的同样的定律。这种认识已经开始改变企业经理作保险决定的方式,改变天文学家看待太阳系的方式,改变政治理论家谈论紧张局势导致武装冲突的方式。

作者认为这门新科学产生了自己的语言,亦即分形和分岔,阵发和周期等等高雅的行话。这些是新的运动要素,正像在传统的物理学中,夸克和胶子是物质的新要素一样。对一些物理学家说来,混沌是过程的科学而不是状态的科学,是演化的科学而不是存在的科学。混沌所提出的问题使科学上业已公认的工作方法失效。它强烈主张复杂系统有普适行为。第一批混沌理论家们,亦即使这门学科发动起来的那些人,具有共同的敏感性。他们注视着图样花纹,特别是那些同时在不同尺度上出现的图样花纹。他们对随机性和复杂性有特别的爱好,喜欢参差不齐的边缘和突然的跳跃。

作者认为,说到混沌,也得提到霍金,他是宇宙学家,身居剑桥大学牛顿讲座席位。1980年作了题为“理论物理看到尽头了吗?”的演讲。在对他的这门科学作估量时,霍金就物理学的大部分说了一番话:“我们已经知道支配日常生活中我们所经历的每件事的物理规律。……现在要用庞大的设备和巨额的金钱来做我们不能预言其结果的实验,这件事本身就是对理论物理长足进步的称颂。”作者认为人们长期有一种感觉,只是不常公开表露,即理论物理已经同人类对世界的直觉偏离太远。谁也不知道,这是富有成果的异端,还是直截了当的邪说。但是,有些认为物理学正走进死胡同的人,现在把混沌当作一条出路。

作者对霍金所描述的物理学有不同的看法,他表示疑惑:霍金的理论能回答关于自然界的某些最基本的问题而完成它的使命吗?生命是怎样开始的?湍流是什么?首先,在一个由熵支配的宇宙中,一切都无情地趋向更大的无序,怎样出现有序呢?同时,人们日常经历的许多对象,如流体和机械系统,在我们看来是很基本和普通的,从而使物理学家们自然倾向于假定它们已经被很好地理解。但实际并非如此。

作者说,混沌的信徒们,他们有时自称是信徒,是皈依者,是福音传教士,他们思索决定论,思索有意识的智力的本质。他们感觉到,他们正在扭转科学中简化论的倾向,即只从系统的组成零件夸克、染色体或神经元来作分析的倾向。他们相信自己是在寻求整体。

作者认为大约10年之后,混沌已经成为一种迅速发展的运动的简称,而这个运动正在改变着整个科学建筑的结构。到处是混沌会议和混沌刊物。政府中那些负责军事机构、中央情报局和能源部的研究经费的官员,把不断增加的金钱投入混沌研究,并且为管理这种资助建立专门的机构。在每一所重要的大学和重要的共同研究中心,一些理论家们首先使自己同混沌结合起来,然后才结合到名义上的原有专业。在洛斯阿拉莫斯建立了一个非线性研究中心来协调混沌和有关问题的研究;全国各大学校园里都出现了类似的机构。一位负责科学资金的海军官员对一批数学家、生物学家、物理学家和医生说,“15年前,科学正陷入专业化越来越细的危机。由于混沌,专业化的过程戏剧性地倒过来了。”

精彩语录

1、自然界的不规则的方面,不连续和不稳定的方面,一直是科学的难题,或许更糟些,是无法理解的怪物。

2、混沌开始之处,经典科学就终止了。

3、云彩代表了自然界的一方面,既模糊又细致,既有结构而又不可预言。他们对随机性和复杂性有特别的爱好,喜欢参差不齐的边缘和突然的跳跃。

4、当混沌的探索者们开始回顾这门新科学的家谱时,他们发现许多来自过去的知识轨迹。但有一点颇为突出:对于那些带头进行这场革命的老年的物理学家和数学家们,蝴蝶效应曾是一个出发点。5、科学的最热情的鼓吹者们竟然宣称,20世纪的科学只有三件事将被记住:相对论、量子力学和混沌。他们主张,混沌是本世纪物理科学中第三次大革命。

《大脑如何思维》

作者:威廉·卡尔文(美)

成书时间:1994年

推荐版本:上海科学技术出版社1996年版

【作者简介】

威廉·卡尔文(William H.Calvin),美国华盛顿大学医学院教授、理论神经生物学家。早年曾经在西北大学学习物理,后来转入麻省理工学院和哈佛大学医学院学习神经科学,1966年获得华盛顿大学生理学和生物物理学博士。

卡尔文是一位受读者欢迎的科普作家,他在大脑的智力研究方面获得了突出的成果。他提出思维的运作机制的实质是“时空模式”的复制竞争,即一种“达尔文过程”。卡尔文创作的《大脑如何思维》这本中等篇幅的科普作品,生动地论述了许多年来科学家们为之魂萦梦牵的关于人类智力的重大问题:什么是智力的本质?动物的智力如何向人类智力进化?思维是如何进行的?对超人智力能作何展望?在论述的过程中,达尔文的进化观点始终贯穿全书,无论在阐述动物智力进化的过程时,还是在对思维机制的探索中,这一观点都有深刻的体现。

卡尔文的主要著作有:《大脑交响乐》、《大脑密码》、《大脑如何思维》等。

【内容提要】

作者将本书命名为《大脑如何思维》,已经相当直接地点明了书的主题。在这本中等篇幅的科普作品中,进化生物学家、理论神经科学家威廉·卡尔文教授十分详细地论述了很多年来令科学家们普遍热切关注的问题,这些问题是关于人类智力的重大问题,如:什么是智力的本质?动物的智力如何向人类智力进化?思维是如何进行的?对超人智力能作何展望?综观本书的各章节,有一条始终贯穿全书的线索,那就是达尔文的进化观点。无论在阐述动物智力进化的过程时,还是在对思维机制的探索中,这一观点都有深刻的体现。实际上,作者所提出的思维的运作机制的实质是“时空模式”的复制竞争,按作者的说法就是一种“达尔文过程”,这是本书的一个显著特点。

在生物学家眼中,达尔文理论被广泛地理解为一种创造性机制。无规则的变异在成千上万年后成型为大自然的特性,而人类却经过了一百多年才意识到这样的复制竞争是多么的强有力。在现代社会里,由于科技的进步,我们要想看到同样的过程,不再需要漫长的等待,因为这个过程已经能在几天或几周的时间尺度上运转,例如免疫反应形成一种更适合的抗体,这种新皮层的达尔文机制在毫秒至分的范围内运转只是再一次改变时间尺度而已;如今人们对这种过程所能完成的任务有了一定的认识,作者认为应该把这种认识从进化生物学和免疫学扩展到思想和行为所实现的时间尺度。并且作者相信目前人类有这个能力。

作者前几部分主要讲有些词虽然大家平常也会使用,但这些词具有仅为圈内人所使用的特殊的转义。理由是对所有的人(除了圈内人外)掩饰真正的争议点以避免麻烦,用现代习语来说,就是保持否认的本领。新闻记者们常用的提问内容是:“谁—什么—哪里—何时—为何—如何。”这对于探索智力的奥秘是一种有用的策略,这可以避免不成熟的定义。作者从智力由“什么”构成,何时需要智力开始——因为这词有众多的涵义,有时很容易被搞混。他说,若是几百年以前,甚至在比较宽容的西欧,如果谁敢对精神作一种不加掩饰的机械论的类比,那么一定会闯下大祸。作者认为我们应该承认,朱利恩·拉曼特利(Julien Offory de La Mettriee)在不经意中说的并不全错。这位法国医生(1709—1751年)在1747年曾写过一本名为《人——机器》的小册子,在这本书中他把人的动机比喻为机器中释放能量的弹簧。

作者对智力进化过程的问题是怎么看的呢?尤其是在讨论人类的远祖的智力进化时,作者以冰河期的演化来作类比具有重要意义。阿拉斯加的海岸线是考察仍处于活动期冰川最佳场所。冰川湾长约80千米,几百年前它还被冰川填满,现在则挤满了引起交通阻塞的海豹、独木舟和游船。他在描述冰川期气候变化时对论题驾驭自如,通览全书,旁征博引,从科学到哲学,从语言学到人工智能,从进化生物学到神经生物学,反映了在这样广阔的知识领域中他对问题的认识深度。使人不止一次感受到作者宽广的知识背景,

作者对智力本质的阐述主要是综合现有科学资料对本书主题的背景材料,并以此为铺垫。在此基础上,作者对这个问题系统地阐述了自己的观点,在此过程中,作者不免也与某些从事意识研究的物理学家发生争论,但作者对这些争论只是偶尔提到。作者认为,任何对智力的解释,必须符合人类洞察不同于地球上的生命的智力所循途径,也必须为这些途径提供启示。换句话说,它必须对人工智能(AI),对增强动物和人类智力提供启示,智力是一种过程,而不是一个位置。它是一种有许多脑区参予的过程,通过这种过程我们探寻新的涵义,这常常是“有意识地”进行的。这也许会有助于发现来自地球外智能的信号。对于“地球外的智能”问题能说的还不多,但作者尝试从行为学的角度作一点展望,这可能会有助于我们思考人工智能和智能的增强。