2021年10月19日 (二) 13:40 江南仁

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{{5}}[[董光壁]]：自然科学三大理论体系的交叉与统一问题

转2020-02-05

　　自然科学是从分科研究起步的，并且一直在分化与整合的交叉中发展。当代自然科学可大体区分为三大理论体系，即物理科学、生命科学和思维科学。它们各自有自己表述规律的基本范畴体系，而彼此之间却尚未通过实验定律和概念逻辑建立起可靠的联系。但也有一些共识的基本概念和科学原理，如质量、能量、信息作为世界的三大要素和系统、守恒、进化作为理解自然的启发性原理，已为自然科学这三大理论体系所共同接受。

　　科学家们希望在统一的物质变化、能量转换和信息控制概念之下，借助系统原理、守恒原理和进化原理，描述死物质、活物质和能够思维的物质以及它们之间的区别和联系。以某种统一的理论框架把握我们感知的世界，历来是科学家们理论研究的最高理想，并且通过还原的或者综合的方法进行了种种努力。本文试图通过20世纪下半叶以来自然科学思想的转向，从物质论走向信息论、从构成论走向生成论和从公理论走向模型论，探讨自然科学的理论统一途径并暗示一种新的科学研究纲领。

'''一、从物质论走向信息论'''

　　自然科学研究本质上不外探索物质变化、能量转换和信息控制三类基本客观过程及其相互关系，但不同的学科各有自己的侧重。自然科学的理论统一之探索有三种极端的研究纲领，分别以物质变化、能量转换和信息控制为其基础。物质统一和能量统一的探索都有较长的历史，前者不少于200年，后者也有100多年。但很可能信息统一后来居上，因为从20世纪下半叶起，科学研究的兴趣中心在物质和能量的基础上逐渐转向了信息。

　　源于通信技术和计算机技术的信息概念，正在涌入科学的各个领域。虽然物理科学先建立了信息量与热的统计形式之间的关系，而成功地引进信息概念的则是生命科学和思维科学。基于核酸分子的遗传信息的编码和传递法则，基于大脑神经元的认知计算模型，实际上己经分别建立了生命科学和思维科学的信息基础。尽管魄理科学寻找信息基础的努力尚未成功，而“万物源于比特”的计算主义却急欲兴起，系统、守值和进化三大原理也面临挑战和机遇。

　　信息作为基本要素与质量和能量并列，使得传统的系统分析所得的某些结论也不得不改变。我们所熟悉的孤立系统、封闭系统和开放系统的三分法，是在只考虑物质和能量进出的情况下得到的。如果把信息考虑在内，依质量、能量和信息的交换情况分类，将不是三类而是八类。而且孤立系统和开放系统的内涵也将发生变化，它们将分别对应于物质、能量和信息都不交换或全都交换的系统，而不再是物质和能量都不交换或全都交换的情况。

　　信息概念进入科学的范畴体系，不仅必须认真考虑质量和能量与信息的关系，而且还有必要改变守恒原理的外延和内涵。质量守恒和能量守恒是先后独立建立的，在相对论的框架中成为质量能量联合守恒定律，并且后来还数学地证明了每一种守恒定律总是与一种对称性相联系。现在还没有发现与信息转化相联系的对称性，我们不知道是否应该有信息量守恒定律。从质量、能量、信息三者的关系考虑守恒定律，可能意味着质量能量信息联合守恒。

　　信息概念进入生命科学改变了进化解释的策略，从结构功能的解释模式转向信息控制的解释模式。变异一选择的进化机制被归结为遗传信息的产生和选择，进化被理解为信息的产生和控制的过程。这不仅为全面解决发育问题提供了线索，也为理解物理系统的进化提供了启示。任何系统的进化都是信息主宰的过程，从元素的产生到智力的出现是一个连续的信息控制过程，混沌可能是沟通微观与宏观以及小宇宙与大宇宙的信息通道。

'''二、从构成论走向生成论'''

　　统一描述所有自然现象要求，对“变化”有一个统一的理解。理解变化历来有两种观点，一种观点主张变化是“产生”和“消灭”或者“转化”，另一种观点则主张变化是不变要素的结合和分离。前一种观点可称之为“生成论”，后一种观点可称之为“构成论”。构成论在科学原子论的基础上获得巨大成功，并发展为现代科学思想的主流。但20世纪下半叶以来构成论面临越来越多的困难，并且物理学的前沿学科己经开始转向生成论。

　　生成的观念虽然源于对生命现象的思考，而给出其第一个数学理论的却是物理科学。描述粒子产生和涅灭的量子场论，是一个典型的生成论的物理理论。虽然这一理论还限于质量的生成和能量的生成，但它无疑也为如何搞注信息的生成提供了启迪。生成系统是一种自组织系统，由正反馈自生成和负反馈自稳定组成的循环系统。生成的特异性和个性向服务于构成论的统计方法提出了挑战，期待一种适合于生成论的由整体推知部分的整体方法。

　　生成论为发展守恒定律提供了一个新方向。守恒定律本来指质的转化等程件量的守恒，其表述的普遍形式为当量关系。生成论将引导科学从转化的观点看待守恒定律，质量是生成的、能量是生成的、信息、是生成的，它们之间是可以相互转化的。按照生成论一切守惺定律都是转化的当最关系，爱因斯坦的质能关系式顺理成章地理解为质能转化的当量关系。并且我们期待发现质量与信息或能量与信息之间相互转化的当量关系。

　　生成论为解决进化与退化的矛盾提供了一种途径。生物学和物理学分别提出、各自的演化理论，生物进化论给出一个由简单到复杂的进化方向，而热力学；脑定律则给出一个从有序到无序的退化方向。为解决这一矛盾的各种尝试并没有共同的基础，而生成论则为解决这一矛盾准备了一个基点一一进化和退化都基于“生成”，进化的信息产生和退化的热熵产生，构成自然过程的互补结构。在一个完整的自组织循环中，进化与退化只是其局部环节。

　　生成论为理解复杂性提供了一个新视点。迄今的系统理论本质上还是属于构成论的，因为它不考虑系统内结构要素的产生和理灭。一个完善的系统理论应该是生成论的，并自然地把系统区分为构成的和生成的。这种区分似乎可以提供一种“简单”与“复杂”的划界原则，构成的系统是简单系统，生成的系统是复杂系统。这无疑可以为正在兴起的复杂性科学研究提供一种本体论的基础，超越复杂系统界定的方法论水平和认识论水平。

'''三、从公理论走向模型论'''

　　理论的任务在于把定律组织成命题系统，在历史上形成了两种不同的方法。一种是把理论看作是由公理和定理组成的演绎系统，另一种是把理论看作一簇与经验同构的模型。由于欧几里得几何学和牛顿力学的演绎体系典范，特别是经由数学家希尔伯特（1862~1943）提倡，现代自然科学家的主流一直把公理化作为其最高的理想。哥德尔定理实际上己经摧毁了这种理想，而且科学哲学的研究也倾向于认为模型化比公理化更接近和更适合于现代科学的发展。

　　模型论主张通过“同构”建立理论与对象之间的对应关系，以寻求某种理想化的理论形式。作为理论的一种逻辑演算形式而建立的模型，虽然并不要求其中的一切命题都是实际存在的，但在它们的集合中必须是彼此可逻辑推演的。模型的方法论的意义在于它的逻辑作用，我们可以借助它从原始观察陈述出发推论出尚未观察到的一些有关的命题，而这些推论的结果又可以成为新的初始命题，从而能不断地去寻找越来越多的可观察性质。

　　自然科学的理论统一不可能是公理化的，因为我们不可能得到关于整个自然界的定律。像宇宙物理学借助于局部的自然定律和宇宙学原理建立宇宙模型一样，我们只能借助来自三大科学领域的定律和适当的整体原理建立自然科学的统一理论模型。我们己有众多的物理定律、生理定律和心理定律，困难在于如何选择建立模型所需要的整体原理。但模型化的理论只能是自然界的模型而非自然本身，而且它也不排斥为模型服务的公理。

　　自然科学的理论统一可能要走某种综合的道路，在物质变化、能量转换和信息控制的特殊形式的基础上，寻找物理、生命和思维的统一理论框架。它可能是一种广义进化的模型系统，包括从物理系统到生命系统的进化和从生命系统到思维系统的进化。这样的模型框架应容纳三大起源，即物质起源、生命起源和智力起源。最关键的困难是如何通过生理的物理定律和心理的生理定律，把物理、生命和思维三大类经验定律连接起来。

　　自然科学的理论统一不以寻找包罗万象的“宇宙方程式”为目标，而是不断地完善理论整合的途径。对于在分化与综合的交叉中发展着的科学来说，理论统一只不过是其整合的侧面。而且理论的整合也只能是同时在不同的层面上进行，自然科学的理论统一是这种整合的最高层面。物理科学领域内局域性与全域性的整合，生命科学领域内遗传与进化的整合，思维科学领域内精神与物质的整合，很可能在自然科学的理论统一进程中一起解决。
【完】

[[董光璧]]，1935年出生在河北丰润，1964年毕业于北京大学，先后在北京大学无线电电子学系（1964-1978）、中国科学技术协会中国自然辩证法研究会（1979-1983）和中国科学院自然科学史研究所（1984-1995）任职，1995年退休，后返聘继续工作。

主要从事自然科学史研究，重点在现代物理学史，并旁及科学哲学和科学文化。在近百种书刊上发表学术论文200余篇，在十几家出版社出版了著作。学术兴趣广泛，曾任中国科学技术史学会等多个学会的理事和《自然科学史研究》等多个学报的编委。

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 [[董光璧]]，1935年出生在河北丰润，1964年毕业于北京大学，先后在北京大学无线电电子学系（1964-1978）、中国科学技术协会中国自然辩证法研究会（1979-1983）和中国科学院自然科学史研究所（1984-1995）任职，1995年退休，后返聘继续工作。
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 主要从事自然科学史研究，重点在现代物理学史，并旁及科学哲学和科学文化。在近百种书刊上发表学术论文200余篇，在十几家出版社出版了著作。学术兴趣广泛，曾任中国科学技术史学会等多个学会的理事和《自然科学史研究》等多个学报的编委。
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 [[羊哥]]：2021-10-19 8:38<br>
 我十分赞同董先生揭示自然科学思想从物质论走向信息论、从构成论走向生成论、从公理论走向模型论的途径，终将为自然科学理论的统一提供思路的观点。他不愧为当代科学大家，上述观点他在三十多年前就已形成并陆续发表，我在学习过程中不断地感到觉悟的光辉。去年成就的此篇大作用科学的语言高度概括了他思想的精华，令我钦佩！关于自然科学理论统一问题，我觉得值得一提的还有哲学思想从实体本体论走向关系本体论这一重要趋势和途径，自然科学理论的统一离不开哲学思想的转变和革命。你以为如何？
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 [[启明星]]：2021-10-19 8:54<br>
 非常赞成！哲思的转变，还应催生新的数学手段和语言。但是，贯通形而上和形而下的数学语言，是智慧的权柄，不考虑客观环境，不顾一切地全面公开，会导致灾难。所以，自然语言和艺术，新一轮的文（艺）化复兴运动显得重要。这使得决定人类行为的积重难返精神体系，有可能平和过渡到新的体系。必须强调大文化战略，必须软着陆。这是我的观点。

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