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科學革命的溯源、發展階段及未來趨勢

來源:機械 作者:徐志磊
發布于:2021-04-26 共8671字

  0引言

  當我寫下這個題目時,感到惶恐不安,因為這是一個重大深厚的議題,不是我的學識水平能夠議論的,沒有資格說三道四,但是我寫過創新設計理論研究的提綱,了解科學知識是設計的背景,基礎必須首先搞明白,為此閱讀了一些文獻,寫下此篇膚淺的、科普性的文章來描述這個新時代科學發展的狀態,兼論“創新”方面諸問題與“創新設計”的關系。

  現在已經進入21世紀新時代,耳聞目染的新技術層出不窮;人工智能、大數據、互聯網、物聯網、云計算、區塊鏈、數字化、信息物理系統……這些前沿技術與科學之間的關系是什么?科學的發展對它們起了什么作用?科學本身是如何發展起來的?是不是科學革命驅動的?我們是不是進入了新科學的時代?這一連串的問題,需要我們進一步探索思考。

  1新科學和科學革命

  1.1新科學

  我們不能輕易地寫下“新科學”這個名詞作為主題來討論當今時代科學發展的現狀。現在并沒有看到直接用“新科學”來概括信息技術、計算機科學和網絡傳播等現代技術發展,而是用“后常規科學”“新種類科學”來表達。這是因為“新科學”的用詞太籠統,沒有把現代科學的特征與傳統的常規科學區分開來。

  常規科學是指嚴格根據一種或多種已有的科學成就所進行的科學研究,某一科學共同體傳承這些成就就是一定時期內進一步開展活動的基礎,寫進了教科書,作為基礎教育的范本,以后也可稱之為“規范”,“規范”一詞也是與常規科學密切相關的術語,不可輕易變動,所以用“后常規科學”來表達比較貼切現狀,因為當今的科學發展內乞一的規范教科書水平。

  再說“新科學”這個術語,含義比較模糊,伽利略在1678年已經提出將自己的理論命名為《兩種新科學》,歷史上,以后的科學家們也不乏將自己的理論稱為“新科學”。因此,輕易地用“新科學”簡單地冠名當代科學發展現狀是不嚴格的。

  1.2科學革命

  革命(revolution)—詞最初在科學領域中流行,意指永恒的變化(如天體地球中一年四季那樣的循環運動)。另外還有一種截然不同的含義,即突然地復雜劇變。

  用于“科學的革命”時,意為舊的、為人熟知的事物與新的、不同尋常的事物之間的分水嶺。

  后來不知何時和怎樣轉變成了一個表示政治和社會經濟事物中的劇烈變化的詞語,然后又不知何時反過來被用于科學自身。

  從18世紀到現在,許多科學家都在其著述中把他們自己的創造看作是革命,但是哥白尼和牛頓卻沒有這樣做,那時許多偉大的富有創造性的科學家們,更愿意把他們自己看作是古代知識的復興者或重新發現者而不是個革命者。還有一重意思,科學革命是科學范式的轉移,所謂范式就是一組共有的方法、標準、解釋方式或理論,或者說是一種共有的知識體。

  范式(paradigm)—詞來自希臘文,其原意包含“共同顯示”,由此引出模式、模型、范例、規范等。范式的轉變指一種范式取代了另一種范式,新舊范式之間存在不相容性一一這讓我們聯想到“顛覆性創新”有相類似之意。

  現在的問題是,如果新的科學范式出現了,是不是要否定常規科學范式而用新范式來代替之,新科學時代的來臨,我們過去傳統的科學范式,相對應的思維模式都要被代替了嗎?我們將如何理解這種新科學范式轉變(移)或科學革命?

  2 科學革命的歷史追溯

  2.1 什么是科學(S cience)

  我們很難用一句簡單的語言來定義“科學”,即便像愛因斯坦這樣的大科學家,也用了多種視角來描述什么是科學,還需要我們不斷地領會和理解,這里引用他的概括性的定義:“科學定義為尋求我們感覺經驗之間規律性關系的有條理的思想。科學直接產生知識,間接產生行動的手段,至于建立目標和作出價值的陳述則超越了它的作用范圍”。

  “科學”的理念起源于古希臘時代,哲學家們崇尚自然哲學,通過自然對象本質的直觀歸納和演繹證明物體的形式才是其本質的東西,形式只可用心智來思維,而不能用感官來感知。

  2.2 神學與科學(Creationism and Science)

  從紀元前的古希臘時代一直到16世紀,漫長歲月,西歐文明始終處于神學思想籠罩之下;神學是科學的對立面,神學思想的特征是:上帝外在于自然,而自然是卻魅的;上帝具有出于意志的行動,可以充當運動的直接因;上帝從無中創世(Create out of nothingness),形式和質料都是上帝創造的。

  2.2.1近代科學的特征

  (指伽利略、牛頓起始年代一1610年后)

  (1)有經驗要素;

  (2)通過描述來發現自然物的性質;

  (3)崇尚實驗方法;

  (4)經驗可以為得出科學結論提供證據。

  2.22科學的局限性

  (1)自然對象千差萬別,無法通過定義出共同本質;

  (2)形式對于理解自然物而言是不分的;

  (3)質料不再僅僅是物體偏離完善形式的原因,不再是消極的存在,而是積極的意義,而它要求的是感官的參與。

  表1為知識系統對照表。

  表1 知識系統對照表     

 

  2.3 知識來源之追溯

  人類所獲得的知識從何而來?在中國,古代春秋戰國時期的百家爭鳴留給了后人輝煌的遺產,諸子百家涉及人文學科的諸多方面,后來秦漢二朝到漢朝獨尊儒家,知識分子依靠背誦和理解四書五經,考取功名,以后也成為治國的基本知識一生受用。

  西方(西歐)的知識分子,在中世紀,知識的唯一來源只在于基督圣經,不可逾越,異教徒受到迫害,直到文藝復興時期開始覺醒,后來的第一次科學革命,帶來新時代的曙光,人們對客觀世界有了新的認識,有了科學知識論,開放了思想,近代科學由此萌芽。

  3 科學革命的幾個階段

  3.1 第一次科學革命

  第一次科學革命發生在1500—1800年之間,中間經歷300年,它是哥白尼、伽利略、牛頓和拉瓦錫等人研究工作的產物。

  17世紀哥白尼革命(以及以后開普勒的工作)改變了把地球看作是宇宙的靜止不動的中心觀點,而認為太陽是宇宙的中心,這是一場思想中的革命,涉及人類自身與宇宙的關系的觀念轉變,是西方思想發展中劃時代的轉折點,是價值觀轉變的一部分。

  伽利略用望遠鏡觀察天空,研究運動學、擺的等時性、自由落體是勻加速運動。伽利略注意到新科學和數學觀之間的差異,經驗世界與知識的數學形式之間會有一種和諧,那時他還不知道代數方程或微積分。牛頓認為伽利略是他自己的理論力學最初的奠基者。

  牛頓革命發展了動力學的主要概念(質量、動量、力),萬有引力定律。牛頓的經典引力物理力學達到了那個時代的頂峰。

  牛頓的出現使人相信人可以創造出一種新的社會和科學系統,人找到了自然的規律,而不是被動地聽命自然規律的約束。

  3.2 第二次科學革命

  第二次科學革命發生在1800—1950年之間,也就是第一次科學革命之后的150年,起源于逐漸認識到徹底改變機械論式的世界觀的必要性。

  這場革命產生了一種“新的世界觀”,依靠這種世界觀來看,事物不再是按照循環的模式重復出現的,而且也不再受一成不變的規則支配了。

  相比之下,這種新的世界是受一種進化的過程制約的,對有機的和無機的物質形式都會產生影響,揭示出機械論傳統的那些矛盾就是第二次科學革命的基礎。

  第二次革命是由道爾頓(化學的原子理論)、達爾文(進化論)、玻爾、愛因斯坦、弗洛伊德以及其他很多人引起的。第二次科學革命的定義是把量子力學和相對論看作是物理學的基礎,并用它取代牛頓物理學。傳統的機械論和決定論的世界觀失敗了。人們開始放棄古典的空間、時間、物質和能量的概念,熱力學、輻射理論、電磁場理論以及統計力學等新理論開始出現,它們都提出了物質結構和物理定律的真正意義的問題。

  法拉第-麥克斯韋奠定了電磁波理論基礎,將光學和電磁學結合在一起,是科學革命的里程碑。

  與之相提并論的是達爾文的對生命科學的貢獻。

  達爾文在進化論上的偉大革命發生在19世紀,他的《物種起源》一書,作為主要的新的科學概念,不僅改變了生物學的過程和當時流行的關于科學如何進步的觀念,而且還影響到了社會學、政治科學和人類學等一些領域的理論。生命體的現象表現在:(1)多向發展的自我趨勢;(2)保持自己祖先的模式(p attern)的趨勢。這是現代研究生命體復雜性的基礎理論。

  3.3 第三次科學革命

  20世紀以來,科學革命的步伐大大加快了,特別是第二次世界大戰以后的社會環境,催生了科學的進化過程,與第二次科學革命延伸發展和交叉重疊。20世紀后50年引出了計算科學和信息技術諸多發展方向。兒種領域中的科學思想革命互相影響,交叉著形似萬花筒般的組合。

  計算機和計算科學的興起,帶動了多方面的新科學出現。

  量子力學帶來原子能科學的革命,20世紀成為原子能世紀,量子力學幾乎可以解釋所有非生命體物質的性質,從亞原子粒子到原子、分子,乃至恒星,量子力學還導出了我們所期望的能量和信息之間的新聯系。普里高津(1 9 8 0)的熱力學理論革命性地推翻了牛頓力學的機械式的經典動力學,物質世界是不可逆的過程,伴隨著香農的“熵”理論,信息科學的理論基礎就萌芽了。

  香農的信息理論導入信息量子化的概念,比特在我們現代化數字計算中是建立的模塊,由Alan Turing建立的不可逆的計算步數,信息就成為不可能被毀滅掉的,因為它是物質,信息從原來被物理學遺忘掉的分離的概念,被建立起來了。物質、能量、信息,無形的抽象的信息概念成為清楚的物理結果,信息最終成為現實的自然,數字物理形成以信息為中心的世界觀。

  信息的概念又和量子力學牽連起來,從倫琴發現X光,普朗克的光粒子學說,導出光也有原子結構,一定頻率的光是一顆顆輻射出來的光量子,它有確定的能量,這樣我們從另外的角度去理解信息是物理。

  信息科學和技術,借助于計算科學的發展(Turing機和數字化技術),描述了20世紀最后30年的世界圖景,早期第一次科學革命對“科學”的概念為:“原子是固體的粒子,不可毀滅的自然模塊;空間和時間作為獨立的框架”,已經被否定了,取而代之的是量子力學概念,測不準,隨機性,概率的表達。經典理念可理解為鐘表式的宇宙,獨立于觀察者,被推翻了。思維范式急需改變,我們面臨這個時代的新科學革命,將如何應對呢?

  另一個領域是分子生物學和基因組工程技術的革命。

  1953年生物科學革命到來,蛋白質可以用DNA精確分析,五十年后,為紀念這偉大革命,紐約時報發表了題為《1983基因DNA密碼革命的30年》,1953年4月25 H,J.D沃森和F.H.C克里克在《自然》上發表文章宣布:生物遺傳主導化學結構的發現,DNA脫氧核糖核酸在分子肽鏈上的排列次序-----媼含著基因密碼,并且是有關指令的物質載體,通過這些指令,一代有機體制約下一代的發展,這就是分子遺傳學的偉大革命,沃森說:“雙螺旋結構將使生物學發生革命。”

  3.4 第四次科學革命

  進入到新千年,科學革命的進展更是令人驚嘆;伴隨著計算機科學和信息科學技術的進化,出現了網絡科學和數據科學。

  網絡科學的歷史:20世紀60年代,數學家Paul Erdos和A lfied Renyi建立了隨機圖理論,開創了網絡科學的理論研究,其真正的興起是從20世紀末開始的。與此同時,數據科學也開始出現。

  網絡科學研究是針對各種互不相同的復雜網絡之間的共性,處理它們的普適方法。

  “數據科學”一詞在20世紀60年代也已經開始出現,1968年,國際信息處理聯合會(IF IP)大會通過了一份題為《數據科學:數據與數據處理的科學,機器在教育中的地位》的報告。2002年,國際科學技術數據委員會(CODATA)創辦了第一本與數據科學相關的期刊一一《數據科學》,而數據科學的真正興起則是受到了近期大數據熱潮的推動。

  數據科學是研究基于實體數據的多樣性和廣泛性以及數據的共性問題,網絡在計算機中也是通過數據來表達的。

  數據是信息的載體,信息是有背景意義的數據,知識是呈現規律的信息。

  大數據現象的成因源于信息技術發展進入信息時代之后,“數據”被統稱為一切保存在電腦中的信息,包括文本、聲音、視頻等,在一般的概念中,數據也成為“信息”的代名詞。

  大數據可以被理解為傳統源于測量的小數據加上現代的各種形式記錄在電腦中的大數據(包括文本、聲音、視頻等)。

  摩爾定律奠定了大數據現象形成的物理基礎,社交媒體和數據挖掘實現了大數據的“大價值”和大容量。大數據包含了自然環境數據、商業活動過程數據和人的行為數據,最后一項占有最大量的數據。通過數據挖掘找出其中隱藏的規律和趨勢,在大量的數據屮心發現新的知識,為決策者提供參考。

  4 數學的進化和物理學革命

  物理學革命是從人們日常經驗和普通感覺抽象到非直覺的數學形式和相關性,并連接到觀察和測量到的數據,用數字符號和方程式建立一種規則,使之可復制和可傳播的形式。

  數學是宇宙的語言,人類知識的產生靠數學作為鉸鏈轉化為行動,數學不僅僅是對物理世界分析的工具,現在已被理解成為宇宙行為的表達。

  正如人類的自然語言是心智表達的鉸鏈,聯接人的行動,并由此建立統一規范的語言、語法、文字和文本,便于與他人交流和傳播,可復制、可傳播,成為人類知識。

  我們看到的每一種科學革命,必定伴隨著數學表達才能形成嚴格和完整的規范和程式。伽利略的科學觀察和實驗,依靠牛頓的微積分數學表達成為動力學運動三定律,永久傳世。愛因斯坦導出物質和能量轉化最簡單的數學公式:經典電動力學從法拉第到麥克斯韋、赫茲的電磁現象統一理論,用偏微分方程來表達。數學作為物理世界用抽象思維來模擬表達時最直接的工具,數學的進化也與物理科學革命相伴而行。數學的勾股定理、歐幾里得幾何、代數方程、復雜的對數、解析幾何、黎曼球面、傅里葉變換、偏微方程、向量場拓撲學等等,無不是為了解釋客觀物理世界而發展出來的。

  數學需要適應新科學革命的要求,已經進入離散計算的領域,以數字為基礎、算法為核心,再加上計算機軟件開發,已經成為數學科學的主攻方向。數字世界的語義學、算術、幾何和分析將在計算機上找尋新的數學真理。

  5 未來新科學和新物理

  從第一次科學革命以來,經歷了400年,物理世界被人類的心智用數學來解釋了宇宙的一部分,包含大尺度的天體運動到物質微觀尺度精細結構,經過科學家們的不懈努力,已有了卓有成效的理解。

  但是,我們對人類自身作為生命體和周圍人際集群以及與環境相互作用的現象學,了解得很不夠,這是復雜系統,它不是用包括在傳統科學范式內的知識所能解釋。

  未來已來,人類追求知識的欲望是無窮盡的,現在期望通過人工智能,計算模擬人類生命機理和復雜系統理論來理解破譯這些密碼,又一輪科學革命或新科學范式的改變正在進行。

  5.1 人工智能的理論革命

  人工智能模擬人的大腦功能,要從目前的生理學模仿進一步深化到心理學模仿,即從模仿人腦的基本功能如感知、記憶、學習和分析、決策功能等上升到心理功能,這就是要求人工智能能夠理解和表達人的心智,結合情感、抽象、認知,理解人的復雜思維,從而能理解人間問題。

  現在的人工智能還沒有人的通用智能的能力,即使是最簡單的人類常識。可以從兩個方面提升人工智能的能力:分析和計算。人工智能用機器學習的方法促使分析能力的進化,通過數據驅動作為關鍵資源提升思考和洞察能力。數據科學的未來聚焦于算法的進化:大規模圖計算、自然語言產生、結構數據庫產生、認知機器和聯合學習、全自動機器學習等。

  人工智能技術的核心是用硅計算機模擬人類大腦的計算功能,首先是算法,而要模擬“人工生命”就必須借助于復雜系統理論。從個體智能延伸到群體智能的理論研究,可在復雜系統理論中找到啟發。

  人工智能的符號主義通過已有知識的編程,用知識圖譜、專家系統、啟發式算法在機器上編碼知識,連接主義通過數學公式推導聚焦數據,機器學習自然語言,理解人類的復雜關系,解碼預測問題,行為主義發展控制論模擬生命系統的自組織行為,從復雜系統理論中理解模擬生物生命體的行為。

  5.2 復雜性理論的革命

  復雜系統定義:復雜系統是由很多交互或互聯的元素,組成的系統。

  交互是豐富的、非線性的和短變化的。

  復雜系統傾向于開放系統。

  復雜系統有豐富的歷史,過去是現在行為的原因,作為整體行為,每個元素是不知道的。

  生命體或生命體集群是復雜系統。

  物理世界(物質世界、非生命世界)是由人類心智用數學來解碼,用分析數學來理解這個世界,這是一種知識產生的范式,但是對復雜現象的理解,并不包括在這些知識范式之內。

  21世紀以來,產生了新的范式,知識產生用復雜算法應對復雜系統的理解,復雜系統靠算法模擬生命世界。

  復雜系統理論由這些科學家作出了貢獻:Bertalanffy (系統理論)、W iener (控制論)、Haken (協同論),Prigogine (耗散結構論)等。

  復雜系統的兩個中心主題為:自組織(Self-organization)和涌現(Em ergence)

  (1)從混沌系統中(熱平衡系統),地涌現。

  (2)從微觀元素相互作用中涌現系統觀行為。

  (3)對外界環境具有自適應、順應性能力。

  復雜系統的科學范式的革命改變是由兩個原因造成的:

  (1)科學家群體的思維范式改變;從論思維到系統和整體范式思維。

  (2)數據作為流入供給原料,形成命,大數據建立了科學數據庫,網絡提供了數據流動,貯存容量指數增長,云貯存提供全球任何地方的動態應用。

  5.3 新科學和新物理

  如果把科學研究的對象分為非生命體和生命體,那就是物理學和生物學。

  生物學的主要分支是研究人類生命體,從人體解剖學開始了解宏觀的人體生理結構,追溯到1543年,安德烈、維薩里的著作《論人體的結構》,到現代生物學對人類生命體的深入理解:人體的四種系統組成為能量輸入系統、新陳代謝的血液循環系統、內分泌調節系統和免疫系統。

  1953年發現了DNA的分子化學結構,從此在分子水平上對人體結構組成有較深入的理解,發展了分子生物學。

  現代物理學和生物學的區別:物理學家通過能量-熵-分子力-反應等來研究生物。生物學家則完全不同,他們考察的是信息、編碼、轉錄、轉換這些信息的語言概念現在用全基因編輯技術(C R IS PR)賦于科學家編輯生命密碼本的能力。通過對各類生物控制網絡的信息流動和存儲的建模模擬,跨越了生物學和物理學的鴻溝,在細胞層面上有多種物理機制會發出信號進而促進合作。所以生命=物質+信息。

  生物系統變化的描述應該是把動力學規則的變化視為系統狀態的函數,這種隨狀態自發宏改變的動力學控制(狀態依賴動力學機制),信息的動力學模式與實踐依賴的化學網絡相耦合,并且信息的表達(如基因的開啟)既可以受整體系統的物理力的控制,也可以由局部化學信號管理。

  原革狀態依賴動力學機制也能產生通往復雜性和多樣性的新進化道路,這些概念體現了量子邊緣的生命,狀態依賴動力學就是量子力學。量子生物學這個新興領域現在已經進入到深入研究的階段。

  生物物理學正處在科學領域的交匯之處,物理學的根基是力學概念,生物學的根基是信息概念,預示著信息的物理量占據了核心位置,起到了整合物理學和生物學的作用。

  分子生物學一一物理力學+生物學

  新物理學一一生物有機體+信息

  6討論

  有若干新的問題需要深入的討論:

  (1)革命、進化、范式改變、創新等名詞的內涵的區別:

  革命是激進型創新或顛覆性創新,舊的范式發生了危機,改變成新的范式。革命是突變。

  進化是較長時間或緩慢的改變,但有突變,量變到質變,進化是進程,有宏觀的進程。

  革命將舊的范式顛覆了,用新的范式代替,但某些部分還有繼承的適用。

  (2)范式改變主要是思維模式的改變,拋棄舊的思維用新思維來代替。

  (3)科學革命是指那些使科學家改變基本觀念的大事,科學家如何拋棄以前接受的那些常常已被確信的舊理論,去接受完全相反的新理論。

  (4)革命、顛覆性創新、重大的科展更多時候起源于思想的碰撞,而非事實的穩定堆積,不同領域的交匯、思想的碰撞產生新的理念或實變。

  (5)科學和技術的區別在于科學為提供知識和認識的理論基礎,我們今天的技術發展是要去找尋科學革命歷史的根源。

  (6)創新是發展的推動力,從物理上找到了根據。熱力學理論告訴我們系統的非平衡狀態是維持系統有序的描述。如果系統進入平衡態,就是混沌無序,非平衡態在混沌的邊緣,需要開放的能量輸入有用的信息提供非平衡態的維持,革命、進化、創新是生命系統的自然特性。

  (7)量子理論導出了我們所期望的能和信息之間的新聯系,量子論的粒子世界觀點導向統計學、數據科學、復雜性、不確定性、隨機和概率論的發展。經典動力學解釋了物質的運動行為,但解決不了人類、生命體、群體活動行為的現象學問題,量子力學、電磁理論、信息理論提供理解現象學的基礎,導出了復雜性理論,發展了人工智能理論和技術實踐,科學研究的進展向著生物學和生命科學方向前進。

  (8)科學革命的進展,使人類心智延了它的認知、知識的范圍,千年以來建立的以經驗觀察、實驗為基石的邏輯觀念,用歸納和演繹推理的方法,遇到了概念問題。后來的科學在進化中被理解為經歷了突然的不可預見的范式改變。但是社會發展的現實制約了更多的假設和猜想,科學的發展離不開社會的實踐。

  (9)設計與科學知識

  進術論眾所周知,設計師的知識來源自身的設計經驗和科學知識,設計學的理論研究要知道一些新科學和科學革命的歷史過程,這看起來似乎離開現實的知識獲得太遠,但是正好相反,這個問題太重要了,當你閱讀和大量引用國外文獻,人云亦云、頭頭是道的引證來做我們的設計理論研究時,請別忘了國外的那些論文作者們,他們如何導出今天的理論發展。所以我們的設計師如果沒有(哪怕一點點)科學歷史知識的底蘊,我們的知識認知水平將是十分膚淺的,更談不上如何導向創新。

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作者單位:中國工程院
原文出處:徐志磊.新科學與科學革命[J].機械,2021,48(03):1-8.
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