汪涛：王者归来——重新回归牛顿力学的核心

点击：作者：汪涛来源：纯科学发布时间:2018-01-27 10:06:55

以牛顿力学为核心的还原观发展

牛顿力学不仅是第一个实证的科学理论，也是关于宇宙最普遍、最基本的科学理论。因此，根据《实验、测量与科学》书中所介绍的科学还原方法，一切科学理论都必须能够最终还原为牛顿力学。我们把这称为“以牛顿力学为核心的还原观”。

在牛顿力学建立之后，越来越多原来分散的科学知识都逐步通过牛顿力学推导出来。天文、热力学、电学、光学、流体力学、生理学……全都一个一个统一在牛顿力学的大旗之下。人类手臂的运动，与阿基米德发现的机械杆杠竟然是完全相同的牛顿力学原理。泊松将热力学这样看似远离固体机械运动的基本规律也用牛顿力学推导出来，这样的巨大成功难免不使人认为牛顿力学已经穷尽了宇宙的一切真理，后人需要做的工作只是在牛顿力学的指引下把一切梳理得更有条理而已。整个宇宙不过是一架巨大的钟表，人们只要把其中一个个机械零件的尺寸搞清楚，按照牛顿力学的法则去预测未来的走时过程即可。不仅如此，人类和其他生物等都是可以按不同类型的钟表来思考和认识的。法国哲学家J.O.拉美特里1747年出版《人是机器》就是这种思想的典型代表。

到了19世纪末，牛顿力学的成功使得很多人认为未来的物理学已经没多大发展的空间了。普朗克曾在1924年的一次演讲中提到，他1875年在慕尼黑大学学习物理时，物理老师P.约里曾劝他不要学习物理学，因为这“是一门高度发展的、几乎是至善至美的科学……也许，在某个角落里还有一粒灰尘或一个小气泡，对它们可以去进行研究和分类。但是，作为一个完整的体系，那是建立得足够牢固的。而理论物理学正在明显地接近于几何学百年中所已具有的那样完美的程度”。普朗克的另一位导师，柏林大学的G.基尔霍夫也说过类似的话，“物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”

19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家们举行庆祝新年的聚会。这不仅是跨越新年的时刻，也是跨世纪的时刻。会上，英国著名物理学家，前英国皇家学会会长威廉·汤姆逊·开尔文在其发表的新年祝词中认为，物理大厦已经落成，所剩只是一些修修补补的工作。但是，在展望20世纪物理学前景时，他提到：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了……第一朵乌云出现在光的波动理论上……第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦—玻尔兹曼理论上。”1900年4月27日，开尔文在英国皇家学会发表了后来被广泛引用的著名演讲：《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》，将该问题更详细讨论。其中所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊—莫雷实验结果和以太假说相矛盾；第二朵乌云，主要是指黑体辐射实验中测出的辐射能谱无法用传统理论解释，尝试提出的模型都无法与实验相符合。解决这两个问题的努力在20世纪物理学领域引起了两场狂风暴雨，人们已经很熟悉了，前者导致了相对论，后者导致了量子力学。

从19世纪中期到20世纪中期，是传统科学观遭受巨大冲击的时期。在牛顿力学的公理基础受到动摇之前，数学领域的公理基础同样在遭受地动山摇的变化。欧几里德几何学历经2000多年发展，被认为成为一门完美无缺的学问后，一个同样细小的乌云引发了一场数学领域的狂风暴雨。在相当长时期内，数学家们仅仅是从直觉上感到第五公理有点复杂，有可能从其他公理推导出来，或者能够想办法证明它的确是一条公理。但经过数百年努力一直毫无所获。俄国数学家罗巴切夫斯基在证明了第五公理是一条公理的同时，却意外地发现了以第五公理的否命题与其他公理一起竟然可以形成与欧氏几何平行的另外一套完全自洽的几何学体系。这种石破天惊的全新几何惊呆了当时的数学界，以至于长期无人理解。到了1868年，意大利数学家贝特拉米将其还原为欧氏几何后，罗氏几何得到数学界认可。1854年德国数学家G.F.B.黎曼在格丁根大学发表的题为《论作为几何学基础的假设》的就职演说，这形成了另一种非欧几何体系。

在生物和人类社会等领域，牛顿力学也遇到越来越多的困难。在这些领域，单纯的牛顿力学应用并不顺利。生物的进化过程难以简单地归结为机械运动，人类也不是简单的机器或钟表。因此，到了20世纪初，人们已经普遍认为19世纪以牛顿力学为核心的“机械宇宙观”已经破产，甚至认为相对论和量子力学“推翻了”牛顿力学。同时，一系列适用于复杂系统的全新理论纷纷问世——老三论：系统论、信息论、控制论；新三论：耗散结构论、协同论、突变论。另外还有：混沌学、超循环理论。

美籍奥地利人、理论生物学家L.V.贝塔朗菲在1932年发表了“抗体系统论”，提出了系统论的思想。1937年提出了一般系统论原理。1968年发表的专著：《一般系统理论基础、发展和应用》，系统论到此基本成熟。

1948 年，美国应用数学家诺伯特·维纳发表《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书，标志控制论的诞生。

1948年，美国数学家克劳德·艾尔伍德·香农发表论文“通信的数学理论”，标志信息论诞生。

1969年，比利时物理化学家和理论物理学家伊里亚·普里戈金提出“耗散结构”理论。

1969年，联邦德国斯图加特大学教授、物理学家赫尔曼·哈肯提出“协同学”这一名称。1971年与格雷厄姆合作撰文发表论文《协同学：一门协作的科学》。1972年在联邦德国埃尔姆召开第一届国际协同学会议。1973年将这次国际会议论文集整理后以《协同学》名称出版，协同学随之正式登场。

1972年，法国数学家勒内·托姆发表《结构稳定性和形态发生学》一书，系统阐述了突变理论。

1963年，美国麻省理工学院教授、气象学家爱德华·诺顿·洛伦茨提出”混沌理论“。1972年12月29日， E.N.洛伦兹在美国科学发展学会第139次会议上发表了题为“蝴蝶效应”的著名论文。“蝴蝶效应”也成为一个远超出气象领域，在社会领域也非常广泛使用的名词。

1970年，德国科学家M.艾肯从研究细胞的生化系统、分子系统与信息进化系统中，提出“超循环理论”。1979年，M.艾肯与P.舒斯特一起出版《超循环》一书。

除信息论之外，其他新科学方法尽管数学原理差异巨大，理论体系各异，但事实上在最终极的逻辑上存在相同的出发点，就是存在循环因果，因此会出现系统、反馈、自组织、协同、微小扰动被无限放大和突变、负熵流等现象。牛顿力学之所以难以适用于生物进化和人类社会，主要原因不在于其物理机制，而在于其因果逻辑基础在过去只是限于经典的单向因果律。作者在《生态社会人口论》一书附录中建立的“循环因果律”，事实上具备除信息论之外，统一以上所有其他方法论的潜力。更重要的是，由于我已经将循环因果律完全还原为经典因果律，因此它可以使牛顿力学以此为基础广泛应用到生物进化和人类社会领域。

重新回归牛顿力学的核心

尽管科学本身应当是纯客观的，但发展科学的人心态上其实也有些类似于社会中的人。当科学有一个完善的统治者时，可能会感到没有可以作为的空间，但当原来的权威倒塌时，又会感到陷入巨大的混乱。但合久必分，分久必合。19世纪中期之前，科学是统一的，此后到20世纪中期，是科学大分裂的时期。但在这个过程中，最严谨的科学家们从未放弃过通过还原统一科学的努力。尽管相对论和量子力学远远超越了牛顿力学的作用范围，但一切新的物理学理论都会在宏观低速条件下还原为牛顿力学。当我们将循环因果律还原为经典因果律之后，一切生物进化和人类社会领域的规律都可以重新还原为牛顿力学了。在这些领域，甚至连相对论和量子力学的全部知识几乎都不需要。因此，当我们不是以决定论的方式，而是加上回溯式还原方法之后，是可以将一切实证科学领域全都还原为牛顿力学的。由此，我们可以使一切实证科学领域全部建立在以牛顿力学为核心的还原观之上。