導論：對科學的挑戰
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1686年4月28日是人類歷史上最偉大的日子之一，這樣說並不誇張。牛頓在這一天向倫敦皇家學會提出了他的《自然哲學之數學原理》。這部著作總結了運動的基本定律，清晰地表述了質量、加速度、慣性等這樣一些我們至今仍在使用的基本概念。影響最大的恐怕要算這部《原理》的第三編，即《論宇宙系統》(The System of the World)，因為其中包含了對萬有引力定律的敘述。與牛頓同時代的人立刻抓住了該書的這個突出的重要之點，無論在倫敦還是在巴黎，“引力”成了人們談論的主要話題。
從牛頓的《原理》到現在，已經過了三個世紀。科學以難以置信的速度得到了發展，越來越深入我們的生活。我們的科學視野已大到簡直是異想天開的地步。在微觀範圍內，基本粒子物理學所研究的過程已涉及到10 －15 厘米和10 －22 秒數量級的物理尺度。而在宇觀範圍內，宇宙學卻把我們帶到10 10 年的數量級，即所謂“宇宙的年齡”。科學與技術的聯繫比以往任何時候都更加緊密。生物工藝學和信息技術的新進展以及其他一些因素，將使我們的社會生活發生根本的變化。
與這些量的增長相提並論的是質的深刻變化，其反響不僅遠遠超出科學的本來意義，而且還影響到自然界的形象。西方科學的偉大奠基者們強調自然定律的普適性和永恆性，他們要表述的是符合真正理性理想的普遍圖式。正如羅傑•豪歇爾(Roger Hausheer)在艾賽亞•伯林(Isaiah Berlin)的《反潮流》(Against the Current)一書的導言中極好地表述的那樣：“他們尋求包羅萬象的圖式，普適的統一框架，在這些框架中，所有存在的事物都可以被表明是系統地，即邏輯地或因果地相互連接著的。他們尋求廣泛的結構，這結構中不應為'自然發生'或'自動發展'留下空隙，在那裡所發生的一切，都應至少在原則上完全可以用不變的普遍定律來解釋。”
圍繞這一問題所發生的故事相當富有戲劇性：有過好幾次這樣的時刻，似乎尋找普遍圖式的雄偉計劃已接近完成了，一種基礎級的東西似乎已經露出了地面，物質的一切性質都可以從這個基礎上推演出來。提到這種時刻，人們會想起玻爾對原子模型的著名的表述，他的原子模型把物質歸納成由電子和質子組成的簡單的行星系統。另一次大振人心的時刻是當愛因斯坦想把物理學的一切定律都濃縮到一個“統一場論”中去的時候發生的。當時，在統一那些在自然界中已被發現的幾種基本力方面，確實取得了很大進展。然而，這個基本層次的東西畢竟只是一個幻象。無論向哪裡看去，我們發現的都是演進、多樣化和不穩定性。令人驚奇的是，在所有層次上，無論在基本粒子領域中，還是在生物學中，抑或在天體物理學中(它研究膨脹著的宇宙以及黑洞的形成)，情形都是如此。
正如我們在序言中所說的，人們對自然的看法正在經歷著一個向著多重性、暫時性和復雜性發展的根本變化。奇怪的是，在自然界中發現的意想不到的複雜性並沒有減緩科學的前進，恰恰相反，它促成了一些新的概念結構的產生，這些新的概念結構正是我們今天認識物質世界(包括我們自己在內的世界)所必需的。我們要在這本書中加以分析的，正是這種在科學史上不曾有過的新形勢。
我們在有關科學和自然的概念上的轉變，很難和另一個情節分開，這就是科學所帶來的感情。伴隨著每個新的智能計劃，總會出現新的希望、恐懼和期待。經典科學中所強調的是一些與時間無關的定律。我們將看到，一旦測量出某個系統的特殊狀態，就會提出一些可逆的經典科學定律來，以決定該系統的未來，恰如這些定律已經確定出該系統的過去一樣。對於在變化著的現象背後所隱藏的某個永恆真理的探求，自然喚起了我們的熱忱。但是用這樣的方法描述的自然，事實上是被貶低了，這又使我們受到了打擊，因為正是由於科學的成功，自然被證明只是一部自動機，一個機器人。
從古希臘原子論者的時代起，在西方思想中便出現了一種衝動，想把自然界的多樣性歸結為一個由幻象結成的蛛網。盧克萊修跟隨在他的老師德謨克利特和伊壁鳩魯之後寫道，世界“不過”是原子和虛空，並且要我們去尋找那些隱藏在表面現象背後的東西。他說：“然而，請承認那些你必須允許它們在這世界中存在卻又看不見的粒子，免得你會不相信我的話，因為人眼是無法感知這些基本物體的。”
但是，眾所周知，驅使希臘原子論者工作的動力並不是貶低自然，而是要使人們從恐懼中，從對任何超自然物的恐懼、對任何凌駕於人和自然之上的秩序的恐懼中解放出來。盧克萊修一遍又一遍地重複說，我們沒有什麼可怕的，世界的本質就是原子在虛空中的不斷變化著的結合。
現代科學把這一基本上是倫理學的態度轉變成看上去像是一種已有真理的東西，而這個真理，即把自然歸結為原子和虛空的說法，又進一步引出了萊諾伯(Lenoble )稱之為“現代人的憂慮”的情形。我們怎能在這隨機的原子世界中認出我們自己呢？科學一定是根據人與自然決裂這種思想定義的嗎？ “一切物體，蒼穹、星辰、地球及其王國，都不等同於最低級的思維，因為思維在自身中知道所有這些物體，而這些物體卻什麼也不知道。”這個帕斯卡的“箴言”表達的是同樣的疏遠感情，這種疏遠感情我們在當代科學家如雅克•莫諾(Jacques Monod)那裡也找到了：
人類一定會從千年的夢幻中甦醒過來；這樣，人類就會發現他自身是完全孤獨的，與外界根本隔絕的。他最後會認識到，他就像一個吉普賽人那樣生活在異國他鄉的邊境上。在那個世界裡，對他所彈奏的音樂是充耳不聞的，對他的希望、苦痛和罪惡也是漠不關心的。
這是一個佯謬。分子生物學中的一個輝煌成就，即莫諾積極參與的對基因密碼的破譯，卻以悲劇的調子告終。我們懂得了，正是這個進步才使我們成為宇宙的吉普賽人。我們怎樣解釋這個局面呢？難道科學不是一種交流的手段，不是一種人與自然間的對話嗎？
在過去，人們常常指出在人的世界和被想像得完全不同的自然的世界之間有著巨大的差異。維科(Vico)在其《新科學》(The New Science)裡有一段著名的話，十分生動地描寫了這一點：
……在那包藏著最古老的古董的漆黑之夜，在離開我們如此遙遠的地方，閃耀著永恆的、永不衰竭的真理之光。毫無疑問，文明社會的世界肯定是人創造的，因此它的原理是在我們人的思維的改變之中發現的。無論是誰，只要想到這點，就禁不住感到驚奇：哲學家們竟會傾其全部精力去研究那由上帝創造的因而也只有上帝自己才能認識的自然世界，他們竟會忽略對各個國家所組成的世界(或民眾世界)的研究，而這是人創造的世界，因而人能夠去認識它。
今天，研究工作使我們距離人與自然的對立越來越遠，本書的主要目的之一就是要說明，代替這兩者的決裂和對立的，是我們關於人的認識與自然的不斷增長著的一致性。
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在過去，人們對自然的發問是採用極為多種多樣的形式的。修謨人發明了寫字，修謨的牧師們曾經推測：“未來”可能是以某種隱匿的方式寫在現在發生在我們周圍的事件之中的。他們甚至把魔術的因素與推理的因素混合起來，使他們的這種信念系統化。在這種意義上，我們可以說，十七世紀建立起來的西方科學僅僅是打開了人與自然間的永不完結的對話的新篇章。
亞歷山大•柯伊萊是用所謂“實驗”的術語來定義近代科學所帶來的發明創造的。近代科學的基礎在於發現與自然進行通信的新的特殊形式，也就是說，在於相信自然界能夠對實驗所提出的問題作出響應。我們怎樣才能更精確地定義這個實驗的對話呢？實驗並不只是對所發生的事實進行忠實的觀察，也不只是尋找諸現象之間的經驗聯繫，而且還事先提出一種假設，假設在理論概念與實際觀測之間有著某種系統的相互作用。
當科學家們提出那個需要自然作出答覆的問題，而發現他們能夠看到這個謎底是多麼吻合的時候，他們以數百種不同的方式表達了他們的驚奇。在這種意義上，科學像是兩個對手之間的賭博，在這場賭博中我們不得不猜測某個現實的行為，而這些行為與我們的信念、我們的抱負、我們的慾望無關。自然界不可能聽任擺佈地說那些我們要它說的話，科學研究不是獨白。正因為捲入了冒險，才使這場賭博變得無比緊張和驚心動魄。
但是，西方科學的獨到之處遠遠不是這種方法論的考慮所能描述無遺的。卡爾•波普爾(Karl Popper)在討論科學理性的正統描述時不得不承認，在最後的分析中，合理的科學把它的存在歸功於它的成功。科學方法之可用僅僅是由於我們事先想像的模型與實驗的結果驚人地一致。科學是冒險的遊戲，但它好像已經發現了一些問題，對於這些問題，自然所給出的答案是始終如一的。
西方科學的成功是個歷史事實，是不可先驗地預言的，但又是不可被抹煞的。現代科學的驚人成功已經導致我們與自然的關係上發生了不可逆的轉化。在這個意義上，可以合法地使用“科學革命”這個詞兒。人類的歷史是由一個又一個轉折點所標記的，是由一些導致了不可逆變化的場景的奇特銜接所標記的。這種關鍵事件之一就是“新石器時代的革命”。不過在那裡，也像“選擇”標誌著生物進化的情形一樣，我們在今天只能通過推測的方法去進行。而在科學進化中，卻有著關於各個決定性事件的豐富的資料。所謂“新石器時代的革命”經歷了幾千年。概略地說，科學革命是三百年前才開始的。我們有一個像是唯一的機會來理解促成這場革命的“偶然性”與“必然性”的特殊而明了的混合。
科學開創了與自然的一次成功對話。另一方面，這次對話的首要成果就是發現了一個沉默的世界。這就是經典科學的佯謬。它為人們揭露了一個僵死的、被動的自然，其行為就像是一個自動機，一旦給它編好程序，它就按照程序中描述的規則不停地運行下去。在這種意義上，與自然的對話把人從自然界中孤立出來，而不是使人和自然更加密切。人類推理的勝利轉變成一個令人悲傷的真理，似乎科學把它所接觸到的一切都貶低了。
近代科學使它的反對者以及部分支持者都感到恐懼。反對者把它看作是致命的危險，支持者從科學所“發現”的人的孤獨中看到了必須為這個新理性付出的代價。
與經典科學相連的文化上的動盪不安至少可以部分地說明科學在社會中所處位置不穩定的原因。它引起了對於理性的那些很難捉摸的含義的一種大膽的臆測，但它也招致了嚴厲的拒絕。稍後，我們再回過頭來論述當代的反科學運動。現在讓我們舉一個較早一點的例子，即1920年德國的非理性運動，它構成了量子力學的文化背景。在與因果性、決定論、約化論以及理性等這樣一些概念相等同的科學的對立面，有一個思想的狂潮，這些思想被科學所否定，但卻被看作是自然界基本非理性的體現。於是，生命、命運、自由、自發性便成了一個不通情理的陰暗地獄的種種表現。用不著深入到使這種對科學的排除運動得以十分激烈的特殊的社會政治背景中去，我們就可以肯定，它說明了與經典科學相伴的危險。對於人們認為有意義的一組經驗，只允許有一種主觀的含義，這樣一來，科學就冒著賦予生命、命運、自由、自發性等以一種討厭的動力而把它們推向非理性王國中去的危險。
如李約瑟所強調過的那樣，西方思想總是在兩個世界之間擺動，一個是被看作自動機的世界，另一個是上帝統治著宇宙的神學世界。李約瑟把這稱為“典型的歐洲癡呆病”。事實上，這兩種觀點是聯在一起的，自動機需要一個外部的上帝。
我們當真必須作出這種悲劇的選擇嗎？我們一定要在導致疏遠的科學與反科學的形而上學自然觀這兩者之間進行選擇嗎？我們認為，這樣的選擇不再是必要的了，因為科學今天所經歷的變化產生了一種從根本上說是新的形勢。最近的科學進化給我們一個獨有的機會去重新考慮它在總的文化中的地位。近代科學起源於歐洲十七世紀這樣一個特殊的歷史環境。現在我們正接近二十世紀末，看來，科學為我們帶來某種更加普適的信息，這信息關係到人與自然以及人與人之間的相互作用。
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什麼是經典科學的假定，使我們由這些假定而相信科學今天已經解放了它自己呢？一般說來，這些假定是以這樣的基本信念為中心的，即相信在某個層次上世界是簡單的，且為一些時間可逆的基本定律所支配。今天看來，這是一種過分的簡單化。我們可以把它比作是把一些建築物歸結為幾堆磚。然而用同一些磚，我們可以建成一座工廠，一座宮殿，或一座教堂。從建築物整體的層次上，我們把它理解為一個時間的創造物，理解為某種文化、某種社會、某種風格的產物。但是，這裡還有一個明顯的問題：由於沒有誰要去建造大自然，我們必須對它的所謂“磚”(就是說對它的微觀活動性)給出一種描述，以便說明這個建造的過程。
經典科學的問題所在，就是它在其自身之中說明了在西方思想史中貫徹始終的兩分性。用柏拉圖的表達方法，只有那不變的思想世界才被傳統地認為是“智慧的陽光所照亮的”。在同樣的意義上，只有永恆的定律才被看作是科學理性的表示。暫時性則如同幻影一般受到歧視。今天這已不再是真的了。我們已經發現，不可逆性遠不是什麼幻影，而是在自然界中起著重要作用，並且處在大多數自組織過程的始端。我們發現我們自己處在一個可逆性和決定論只適用於有限的簡單情況，而不可逆性和隨機性卻佔統治地位的世界之中。
對時間和復雜性的排除是經典定義上的科學事業所引出的文化爭端的中心。這些概念的挑戰對於我們要描述的科學形變而言也是有決定意義的。阿瑟•愛丁頓在他的巨著《物質世界的本性》(The Nature of the Physical World)一書中，引入了第一級定律與第二級定律的區分。 “第一級定律”控制著單個粒子的行為；“第二級定律”可適用於原子或分子的集合。堅持第二級定律，就是強調對基本行為的描述還不足以把系統作為一個整體去認識。按照愛丁頓的看法，第二級定律的一個傑出範例，就是在物理學上引入“時間之矢”這個概念的熱力學第二定律。愛丁頓寫道：“從科學的哲學觀點來看，我認為，與熵相連的概念一定會被當作十九世紀對科學思想的偉大貢獻。因為它標誌了對科學需要加以注意的任何事物都是用對客體的微觀解剖來發現的這樣一種觀點的反動。”今天，這個趨勢已被戲劇般地加以擴大。
近代科學的一些最偉大的成功確實是在微觀的(即分子、原子、基本粒子的)層次上發現的。例如，分子生物學由於分離出在生命機制中起根本作用的特殊分子而獲得了巨大的成功。實際上，這個成功是如此地壓倒一切，以致對許多科學家來說，研究的目的，按愛丁頓的說法，已經變成“對客體的微觀解剖”了。然而，熱力學第二定律向這樣的一種自然概念(它消除複雜性並把複雜性約化為某個隱藏著的世界的簡單性)第一次提出了挑戰。今天，我們的興趣正從“實體”轉移到“關係”，轉移到“信息”，轉移到“時間”上。
這個觀點上的改變並不是出自某種武斷。在物理學裡，它是由那些誰也不可能先知的新發現強加給我們的。誰曾預料過大多數的(而且也許是所有的)基本粒子被證明是不穩定的呢？誰曾期望過，對膨脹著的宇宙的實驗驗證，使我們能去想像整個世界的歷史呢？
在二十世紀末，我們學會了更好地理解曾為當代物理學定形的兩次偉大革命(量子力學和相對論)的意義。這兩次偉大革命的起始點是試圖對經典力學進行校正並把新發現的兩個普適常數納入其中。今天，局面已經改觀。量子力學為我們給出了描述基本粒子不斷相互轉化的理論框架。同樣，廣義相對論已經成為使我們能夠描述我們宇宙早期熱史的基本理論。
我們的宇宙具有一個多元論的複雜特點。結構可能消失，也可能出現。就我們所知，有些過程能夠用決定論的方程很好地描述，但另一些卻涉及概率過程。
那末，我們怎麼能克服這些概念間的明顯的矛盾呢？我們生活在一個單一的宇宙之中。我們將看到，我們正在開始對這些問題的意義進行估價。而且，我們現在對我們觀察和描述的各種現象所賦予的重要性，和經典物理學對它們所賦予的重要性相比，有相當大的差別，甚至是正好相反。我們已經提過，在經典物理學中，基本的過程被認為是決定論的和可逆的。涉及隨機性和不可逆性的過程則被認為是例外。今天，我們在各處都看到不可逆過程所起的作用，看到漲落所起的作用。在我們看來，經典物理學所考慮的模型只是在一些有限的場合發生的，有些場合我們能夠人為地造出來，比如把物質放入一個盒子裡，然後等待其達到平衡態。
人為的過程可以是決定論的和可逆的。自然的過程包含著隨機性和不可逆性的基本要素。這就導致了一種新的物質觀，在其中，物質不再是機械論世界觀中所描述的那種被動的實體，而是與自發的活性相聯的。這個轉變是如此深遠，所以我們在序言中指出，我們真的能夠說到人與自然的新的對話。
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本書討論從經典科學的黃金時代到今天的科學上的這個概念的變遷。為描述這一變遷，我們可以選擇多種方法。我們可以研究基本粒子問題，我們可以追溯近來在天體物理學中的引人矚目的進展。這些都是可能為科學劃出前沿的題目。但是我們在序言中說過，在過去的幾年中，就在我們這個層次上發現了自然界如此繁多的新特點，以致我們決定就集中到這個中間層次上，集中到基本上屬於我們宏觀世界(包括原子、分子，特別是生物分子)的一些問題上。還應強調，在各個層次上，無論是基本粒子、化學、生物學或宇宙學的層次上，科學的進化是在一些差不多平行的線上進行的。在每個領域，自組織、複雜性和時間都起著一種新的意想不到的作用。
因此，我們的目的是從一個確定的觀點出發，考察三個世紀來科學進步的意義。在我們選擇我們的材料的方法上，無疑含有主觀的因素。時間的問題確實是我們研究的中心所在，我們當中的一個人已經從事這個研究一輩子了。當他還是個青年學生，在布魯塞爾大學初次接觸到物理學和化學的時候，使他感到驚奇的是，科學對於“時間”竟談得如此之少，特別是因為他的早年教育主要是以歷史和考古為中心的。這種驚奇可能把他引導到兩種態度上去，關於這兩種態度我們都找到了過去的例證。一種是拋棄這個問題，因為在經典科學裡看來是沒有“時間”的位置的；另一種態度就是去尋找理解自然的其他途徑，在其中時間將起著不同的但更為根本的作用。我們只要舉出我們時代的兩位哲學家為例，柏格森和懷特海就選擇了這樣的道路。前者的見解被稱作“實證主義”的，後者的見解叫作“形而上學”的。
但是，這裡還有第三條道路，就是要問一問，在物理學和化學中慣常考慮的時間演化的簡單性，是不是由於這樣的事實，即把注意力主要放到了某些非常簡單化的場合，放到了我們提過的磚堆上而不是教堂上。
本書分為三部分。第一部分討論經典科學的勝利以及這個勝利所帶來的文化上的後果。最初，科學受到了熱情的恭維。隨後，我們將敘述文化上的兩極分化，它是經典科學的存在及其驚人的成功所帶來的結果。這一成功是被當作成功(也許要限制其含義)來接受呢，還是一定要把科學方法本身當作偏見或錯覺而加以拒絕呢？兩種選擇都導致同一結果——通常所說的“兩種文化”即自然科學與人文科學之間的抵觸。
自從經典科學形成以來，這些問題在西方思想中起著基本的作用。我們一而再、再而三地遇到這個問題：“怎樣選擇？”在這個問題中，艾賽亞•伯林已經正確地看出了自然科學與人文科學之間分裂的起點：
特殊和唯一對重複和普適，具體對抽象，永恆的運動對靜止，內部對外部，質對量，受文明製約的對無時間限制的原則，作為人的一種永恆狀態的精神奮鬥與自我改造對和平、有序、最終諧和以及人類一切合理希望得到滿足的可能性(及合意性)——這些就是形成對比的一些方面。
我們花了很大篇幅討論經典力學。的確，從我們的觀點來看，這是最有利的要點，從這個要點我們可以細看當今科學的變化。經典力學以特別清楚和顯著的方式表達了靜止的自然觀。這裡，時間顯然被約化為一個參數，未來和過去是等價的。誠然，量子論已經提出了許多經典動力學未能解決的新問題。但它仍然保留了不少經典動力學的概念立場，尤其是對時間和過程而言。
早在十九世紀初，正當經典科學獲得勝利，牛頓的綱領統治了法蘭西科學而法蘭西科學又統治了歐洲的時候，對牛頓結構的首次威脅就已經隱約可見了。在我們研究的第二部分裡，我們將從傅里葉表述熱傳播定律時的第一次挑戰開始，跟踪牛頓引力學說的對手——熱學的發展。實際上，傅里葉的熱傳播定律就是對經典力學中某個不可想像的事物即不可逆過程的第一次定量的描述。
熱學的兩個後代，即能量轉換的學說和熱機的學說，產生了第一個“非經典”的科學——熱力學。熱力學的最初始的貢獻就是著名的第二定律，它在物理學中引入了時間之矢。這個引入是更全面的知識進步的一部分。十九世紀真是進化的世紀，生物學、地質學和社會學都強調了演化的過程，即不斷增加著複雜性的過程。至於熱力學，它的產生正是基於對兩種過程的區分：與時間的方向無關的可逆過程和與時間的方向有關的不可逆過程。我們將在後面看到它們的一些例子。正是為了區分這兩種過程才引入了熵的概念，因為熵的增加僅僅是由於不可逆過程。
在十九世紀，熱力學變化的終態是科學研究的重點，這是平衡態熱力學。不可逆過程被當作是討厭的東西，是乾擾，是不值得研究的題目而遭到蔑視。但今天這種情況完全改變了。我們現在知道，在遠離平衡態的地方，一些新型的結構可能自發地出現。在遠離平衡的條件下，我們可能得到從無序、從熱混沌到有序的轉變。可能產生一些物質的新力學態，反映了給定係統與其周圍環境相互作用的態。我們把這些新的結構叫作耗散結構，以強調耗散過程在這些結構的形成中所起的建設性的作用。
本書敘述了一些新的方法，這些方法是近年來為處理耗散結構的產生和變化而發展起來的。在這裡我們能找到一些像主旋律一樣在本書始終反覆出現的關鍵詞：非線性，不穩定性，漲落。它們已經開始把我們的自然觀滲透到甚至超出物理學和化學的固有領域之外。
我們在討論自然科學與人文科學的對立時，曾引述過艾賽亞•伯林的話，他把特殊和唯一列在與重複和普適相對的地位。但是值得指出的是，當我們從平衡態走到遠離平衡態時，我們便離開了重複和普適而達到了特殊和唯一。誠然，平衡態的定律是普適的，近於平衡態的物質是以“重複”的方式動作的。但另一方面，遠離平衡態時卻出現了各種各樣的機制，對應著發生各種各樣耗散結構的可能性。例如，在遠離平衡態的地方，我們可以看到化學鐘的出現。化學鐘就是以連貫的、有節奏的方式進行的化學反應。我們還能得到一些自組織過程，導致非平衡態晶體的不均勻結構。
我們要著重指出這一行為的出人意料的特點。對於化學反應是怎樣發生的，我們每個人都有一種直覺的看法。我們想像在空間中浮動的分子彼此碰撞著，並以新的形式再現。我們看到的是混沌的行為，有點像原子論者在說到空氣中飛揚的灰塵時所描述的那樣。但在化學鐘裡，這個行為是十分不同的。雖然有點過於簡化，但我們還是可以這樣說，在化學鐘裡，所有分子以一定的時間間隔，同時改變它們的化學性質。如果可以把這些分子想像成是藍色的或紅色的，我們就會看到它們的顏色隨著化學鐘反應的節奏而變化。
顯然，這種情形不能再用“混沌行為”的術語去描述了，一種新型的有序已經出現了。我們可以說它是一種新的相干性，一種分子之間的“通信”機制。但這種形式的通信只能在遠離平衡態的條件下出現。令人十分感興趣的是，這種形式的通信似乎是生物世界的慣例。這在實際上可被用來當作定義某個生物系統的恰當基礎。
此外，耗散結構的類型嚴格地依賴於它們得以形成的那些條件。諸如地球引力場以及磁場等那樣的外部場可能在自組織的選擇機制上起著主要作用。
我們開始看到我們怎樣能從化學出發，去建造複雜的結構，複雜的形式，其中的一些可能已是生命的先驅。看來可以肯定，這些遠離平衡態的現像說明了物質具有一種根本的且出人意料的性質：從此物理學便可描述適應外部條件的結構。在相當簡單的化學系統中我們遇到一種“前生物”的適應機制。用帶有擬人化的語言來說，處於平衡態的物質是“瞎”的，但在遠離平衡態條件下，它開始能以它的機能去感知，去“考慮”外部世界(例如弱引力場或電場)的差別。
當然，生命起源的問題仍然是個困難的問題，我們不能設想這個問題的一個簡單的解就在我們的眼前。但是從這個前景來看，生命不再和物理學的“常規”定律相對立(生命在和這些定律作鬥爭，以避免其衰亡的正常命運)，相反，生命好像在用一種特殊的方式表達著我們的生物圈得以寄身的那些條件，其中包括化學反應的非線性以及太陽輻射給予生物圈的遠離平衡態的條件。
我們已經討論了使我們能描述耗散結構形成的一些概念，例如分叉理論。值得指出的是，靠近分叉點的系統呈現出很大的漲落。這樣的系統好像是在各種可能的進化方向之間“猶豫不決”，通常意義下的著名的大數定律被打破了。一個小的漲落可以引起一個全新的變化，這新的變化將劇烈地改變該宏觀系統的整個行為。人們無疑會把這些和社會現象進行類比，甚至和歷史進行類比。我們遠遠不是將“偶然性”與“必然性”對立起來，我們現在看到這兩者在描述遠離平衡態的非線性系統時同樣都是主要的。
就是這樣，本書的前兩部分討論了兩種互相矛盾的物理宇宙觀：經典動力學的靜止觀點和與熵聯在一起的進化觀點。這兩種觀點之間的交鋒已成為不可避免的了。但由於把不可逆性看作是一種幻影，一種近似，這場交鋒被拖延了相當長的一段時間，正是人，在一個沒有時間的宇宙中引入了時間。不過，把不可逆性約化成一個幻影或約化成一些近似，這種解決問題的辦法不再能被接受。因為我們知道，不可逆性可能是有序的源泉，相干的源泉，組織的源泉。
我們再也不能避免這場交鋒了。這就是本書第三部分的主題。我們敘述最初在經典力學中後來在量子力學中慣常使用的解決不可逆性問題的幾種嘗試。這裡，玻耳茲曼和吉布斯等人作出了開創性的工作。但是我們可以說，問題基本上仍未得到解決。如卡爾•波普爾所述，這是一個戲劇般的故事：起初，玻耳茲曼想，他已經對隱含在第二定律中的新的時間概念給出了一個客觀的表述。但他和澤梅洛(Zermelo)等人辯論的結果卻使他不得不退卻下來。
在歷史的光明中(或在歷史的黑暗中)玻耳茲曼被打敗了。雖然大家都承認玻耳茲曼是一位卓越的物理學家，然而按照所有被接受的標準，他被打敗了。因為他從來不曾成功地闡明他的定理的狀態，他也沒有解釋清楚熵的增加……就是這個壓力使他喪失了對他自己的信任……
不可逆性的問題依然是一個引起激烈爭論的題目。在熱力學第二定律被發現的一百五十年之後，這怎麼會可能呢？這個問題有許多方面的原因，有些是文化上的，有些是技術上的。在對時間的懷疑中，有一個文化上的成分。我們將在幾種場合引述愛因斯坦的觀點。他的判斷是不再改變的：時間(和不可逆性一樣)是一種幻影。事實上，愛因斯坦是在重複喬爾丹諾•布魯諾在十六世紀寫過的並且已經在幾個世紀內成為科學信條的話：“因此，宇宙是單一的、無限的、不動的……它不移動自身的位置……它不產生自身……它是不可毀滅的……它是不可改變的……”在一段很長的時期內，布魯諾的看法統治著西方世界的科學觀。因此，主要來自工程科學和物理化學的不可逆性的闖入是被帶著懷疑接受的，這一點並不奇怪。可是，除了文化上的原因之外，還有一些技術上的原因。所有想從動力學中“導出”不可逆性的嘗試都必然要失敗，因為不可逆性並不是一種普適的現象。我們可以想像一些嚴格可逆的情況，比如無摩擦的擺，或行星的運動。這個失敗使人感到氣餒，感到不可逆性的整個概念終於具有一個主觀的來源。我們將相當詳細地討論這些問題。讓我們在這裡說，我們今天可以從一種不同的觀點來看這一問題，因為我們現在知道有著不同類別的動力學系統。世界遠不是均勻的。因此這個問題可以用不同的術語提出：能夠“區分”過去和未來的那些動力學系統的特殊結構是什麼？所涉及的最低複雜性是什麼？
沿著這些路線已經取得了進步。現在我們能對時間在自然界中的根源知道得更加確切。這具有深遠的後果。熱力學第二定律，即熵定律，在宏觀世界中引入了不可逆性。我們現在在微觀層次上也能理解它的意義。我們將看到，第二定律相當於一種選擇規則，相當於對初始條件的一個限制，這個限制後來被熱力學定律所傳播。因此，第二定律為我們對自然的描述引入了一個新的不可缺少的要素。它是和動力學相一致的，但是它不可能從動力學導出。
玻耳茲曼已經認識到概率一定和不可逆性有密切的關係。僅當一個系統以某種足夠隨機的方式動作時，過去和未來的差別(因此還有不可逆性)才能進入它的描述中去。我們的分析證實了這種觀點。的確，在對自然的決定論的描述中，時間之矢的意義是什麼呢？假如未來已經以某種方式被包含在現在之中，現在也包含著過去，那末時間之矢還有什麼意義呢？時間之矢是這樣一種事實的表現，即未來並沒有被給出，或者像法國詩人保爾•瓦萊利(Paul )所強調的那樣，“時間是構造”。
我們日常生活的經驗表明在時間與空間之間有著根本區別。我們可以從空間中的一點移到另一點。但是，我們不能把時間倒過來。我們不能交換過去和未來。我們將看到，這個不可能性的感覺現在正在得到精確的科學含義。用某個無限的熵壘，可以把被允許的那些態和被熱力學第二定律禁止的那些態區分開。在物理學中還有另外一些壘。其一就是光速，按照我們今天的觀點，它是信號傳播速度的極限。這個壘的存在是很重要的，假如不存在的話，因果性就會摔成碎片。同樣，熵壘是為通信賦予某種意義的前提。想像一下，假如我們的未來對另一些人來說成了過去，那末將會發生什麼事情!後面我們還要回到這個問題上來。
物理學的最近進展已經強調了時間的真實性。在這個過程中，時間的新的方面已經被揭示出來。對時間的關注貫穿在我們的整個世紀之中。讓我們想一下愛因斯坦、普魯斯特、弗洛伊德、泰爾哈德(Teilhard)、皮爾斯或懷特海。
愛因斯坦在1905年發表的狹義相對論的最令人吃驚的結果之一，就是引入了一個與每個觀察者相聯的地方時。但是，這個地方時依然是可逆的時間。無論是在狹義相對論中，還是在廣義相對論中，愛因斯坦的問題主要是觀察者之間的“通信”問題，是這些觀察者能夠比較時間間隔的方法。然而現在我們能夠在另一些概念的來龍去脈中去研究時間了。
在經典力學中，時間是一個數，標誌著一個點在其軌道上的位置。但是在某個全局性的層次上，時間可能還有另一種不同的意義。當我們看一個小孩並猜測他或她的年齡時，這個年齡並不存在於這小孩身體的任何一個特殊部位上。這是一種全局性的判斷。人們常常說科學把時間空間化了。但我們現在發現，另一種觀點也是可能的。考慮一處風景及其變化：村莊在發展，橋和路聯接了不同的區域，並使它們得到改造。這樣，空間得到了一個時間維，按照地理學家貝里(B.Berry)的說法，我們已被引導去研究“空間的計時”了。
不過，最重要的進步也許就是，我們現在可以從另一種不同的角度來看結構的問題，有序的問題。我們將在第八章中說明，按照動力學的觀點(無論是經典動力學的還是量子力學的觀點)，不可能有任何一種由時間指向的進化。由於“信息”可以用動力學的術語來定義，信息在時間中仍是不變的。這聽起來是悖理的。當我們混合兩種液體的時候，並沒有發生任何“演變”，儘管事實上我們不可能不用某種外來的手段而取消這混合的結果。相反，熵定律把這個混合描述成是向“無序”的演變，向最大概率狀態的演變。現在我們可以證明，這兩種描述並不矛盾，但是說到信息或有序，我們必須重新定義我們所考慮的單元。重要的新事實是，我們現在可以建立從一種形式的單元到另一種形式的單元的精確規則。換句話說，我們已經得出第二定律所表達的進化範式的一種微觀表述。由於這種進化範式包括了化學的全部和生物學及社會科學的主要部分，在我們看來，這是一個重要的結論。這種深刻的認識是在晚近得到的。在物理學中發生的重新概念化的過程還遠遠沒有完成。但是我們的意圖並不是要把科學的確定收穫，它的穩定的和完全確立的成果弄個明白。我們想做的是強調科學活動的概念創造能力，以及它所帶來的新前景和新問題。無論如何，我們現在懂得，我們不過剛剛開始這種探索。我們不應該認為疑問或危險即將結束。因此，我們決定使事物像我們現在所看到的樣子呈現出來，並且完全知道我們的答案是多麼不完善。
5
歐文•薛定諤有一次寫了下面這段話，惹起了許多科學哲學家的憤怒：
……有一種傾向，忘記了整個科學是與總的人類文化緊密相聯的，忘記了科學發現，哪怕那些在當時是最先進的、深奧的和難於掌握的發現，離開了它們在文化中的前因後果也都是毫無意義的。如果有一種理論科學，它不懂得它的結構中那些被認為是要害的部分，最終不免要被納入一些概念和詞語(它們抓住了有教養的團體)的框架之中並成為一般世界圖式的一部分——我認為，如果有一種理論科學，在那裡，這一點已被忘記，在那裡，已經對它入了們的人用那些最多只被少數遊客所懂得的術語互相繼續著冥想，那末，這種理論科學必將被其他有教養的人所拋棄。儘管深奧難懂的閒談可能會在那些樂於孤立的專家群內部繼續著，但隨著時間的流逝，它注定要萎縮和僵化。
本書的基本論題之一就是下述兩者之間的強相互作用：整個文化所固有的問題和個別科學內部的概念問題。正在科學的心臟之處，我們發現了關於時間的問題。演化和不可逆性，這是幾代哲學家也為之付出了畢生精力的問題。今天，當歷史(無論是經濟的、人口學的或是政治的歷史)正以前所未有的速度前進時，新問題和新興趣要求我們進行新的對話，尋找新的一致性。
但是我們知道，科學的進步經常被人們用分裂的術語描述成一種從具體經驗到越來越難掌握的抽象階段的變換。我們相信，在認識論上，這種解釋只是歷史情況的反映(經典科學在這種歷史情況中找到了自己)，是經典科學無能把人與環境相互關係的廣泛領域包括到它的理論框架中去的結果。
毫無疑問，存在著科學理論的抽象發展。但是對於科學發展來說有決定意義的概念革新並不一定屬於這種類型。時間的再發現既有科學內部歷史的根源，又有社會關係中的根源，今天，科學正是在這個社會關係中找到了自己。諸如不穩定基本粒子的發現或膨脹宇宙的發現，都清楚地屬於科學的內部歷史。但在非平衡的情形，在進化著的系統中，一般的興趣可能反映出我們感覺到整個人文學科今天正處於一個變遷的時期。我們將要在第五章和第六章中報告的許多結果，例如有關振盪化學反應的結果，有可能在許多年前就被發現，但是對這些非平衡態問題的研究工作在當時的文化和意識形態的環境中被壓抑了。
我們知道，肯定這種對文化內容的敏感，就違背了科學的傳統概念。按照這種觀點，科學是通過把自己從認識自然的過時形式中解放出來而得到發展的。它在一種可以比作是理性“苦修”的過程中純潔了它自己。但這一點又引出瞭如下的結論：科學應當只由那些獨立生活、不問世事的團體去實踐。按照這個觀點，理想的科學團體應當得到免於社會的壓力和需求的保護。科學進步應當主要是自治的過程，任何“外面”的影響，比如科學家參與其他的文化、社會或經濟活動，將僅僅起干擾或延遲的作用。
這種抽象的理想，科學家退隱的理想，在另一個理想中找到了同盟者，這個理想關心的是一個“真正”研究者的天職，就是說他要從世俗變遷中逃脫出去的願望。愛因斯坦描寫過這樣一類科學家，假如“上帝的天使”被賦予把一切“無價值”的人——沒有說是在哪一方面——從“科學廟堂”中逐出的任務，那末這類科學家將會得到天使的青睞。一般說來，他們是
……相當怪癖、沉默寡言和孤獨的人，儘管有這些共同特點，實際上他們彼此之間很不一樣，不像被趕走的那許多人那樣彼此相似。
究竟是什麼把他們引到這座廟堂裡來的呢？ ……把人們引向藝術和科學的最強烈的動機之一，是要逃避日常生活中令人厭惡的粗俗的和使人絕望的沉悶，是要擺脫人們自己反覆無常的慾望的桎梏。一個修養有素的人總是渴望逃避個人生活而進入客觀知覺和思維的世界；這種願望好比城市裡的人渴望逃避喧囂擁擠的環境，而到高山上去享受幽靜的生活，在那裡，透過清寂而純潔的空氣，可以自由地眺望，陶醉於那似乎是為永恆而設計的寧靜景色。
除了這種消極的動機以外，還有一種積極的動機。人們總想以最適當的方式來畫出一幅簡化的和易領悟的世界圖像，於是他就試圖用他的這種世界體係來代替經驗的世界，並來征服它。
一方面是科學所尋求的禁慾主義的美，另一方面是被愛因斯坦如此敏銳地感覺到的市俗經驗的小旋渦，這兩者之間的不相容性，容易被另一種不相容性增強。這另一種不相容性是公然的摩尼教式的不相容性，是科學與社會之間，更確切地說，是自由的人類創造力與政治權力之間的不相容性。在這種情況下，研究工作不必在孤立的團體中或在廟堂中進行，而是在一個堡壘中，或者還可以像德林邁特(Dǖerrenmatt)在他的劇作《物理學家》(The Physicists)裡所想像的，在瘋人院裡進行。在這個劇中，三位物理學家討論要用怎樣的方法和手段推進物理學的發展，同時又能保護人類避免政治權力盜用物理學進步成果所造成的可怕的後果。他們得出結論：唯一可能的方法就是他們當中的一個人已經選擇的方法。他們全都決定裝瘋，躲到瘋人院裡去。該劇結尾時，如命中註定的那樣，他們的最後避難所被發現只是一個幻想。瘋人院的女院長暗中偵查了她的病人，偷竊了他的研究成果，奪得了世界政權。
德林邁特的劇作把我們引到科學活動的第三概念：科學通過把現實的複雜性約化為一種隱藏的簡單性而得到進步。物理學家摩比尤斯(Moebius，劇中的人物)試圖在瘋人院中隱藏的是這樣的事實，即他已經成功地解決了引力的問題，解決了基本粒子的統一場論，以及最後得出了“萬能發明原理”——絕對權力的源泉。當然，德林邁特為建立他的觀點進行了簡化，但得到公認的是：在“科學廟堂”中被尋找的東西正是宇宙的“公式”。已經被描繪成禁慾主義者的科學家，現在變成了一種魔術師，一個與世隔絕的人，揭露一切物理現象的萬能鑰匙的潛在掌握者，因此，他具有潛在地萬能的知識。這把我們帶回到我們已經提出過的問題：只有在簡單的世界中(特別是經典科學的世界中，在那裡，複雜性僅僅是基本的簡單性的面紗而已)，某種能提供萬能鑰匙的知識才會存在。
我們時代的問題之一就是克服那種認為科學團體的孤立狀態是正常的並要加強這種狀態的傾向。我們必須為科學與社會間的溝通打開新渠道。本書正是在這樣的思想指導下寫成的。我們都知道，人類正在以前所未有的規模改造著他的自然環境。如塞奇•莫斯科維奇(Serge Moscovici)指出的，人類在創造一個“新的自然”。但是，為了理解這個人造的世界，我們需要一種科學，它不僅是順從外部興趣的工具，也不是任其在底層社會滋長的癌瘤。
早在兩千年前，莊子就寫道：
天其運乎!地其處乎!日月其爭於所乎？孰主張是？孰維綱是？孰居無事推而行是？意者其有機緘而不得已邪？意者其運轉而不能自止邪？
我們相信，我們正朝著一種新的綜合前進，朝著一種新的自然主義前進。也許我們最終能夠把西方的傳統(帶著它對實驗和定量表述的強調)與中國的傳統(帶著它那自發的、自組織的世界觀)結合起來。在本導論的開始，我們引述了雅克•莫諾的話，他的結論是，“古老的盟約撕成了碎片，人類至少知道他在宇宙的冷冰冰的無限空間中是孤獨的，他的出現是偶然的。”也許莫諾是對的。古代的同盟已被打碎。我們的任務不是去悲嘆過去，而是要試圖在這科學的極不平凡的多樣性中發現某種統一的線索。科學的每個偉大時期，都引出某個自然界的模型。對經典科學來說，這個模型是鍾表。對十九世紀的科學，即工業革命時代來說，這個模型是一個逐漸慢下來的發動機。對於我們來說，標誌可能是什麼呢？我們頭腦裡的東西也許可以用那些從古印度或前哥倫布的藝術直到我們時代為止的雕刻最好地表達出來。在一些最美的雕像中(無論是在舞蹈的濕婆(Shiva)中或是蓋來羅(Guerrero)的小型廟堂中)，十分清晰地表現出一種尋求，尋求靜止與運動之間、捕捉到的時間與流逝的時間之間的接合。我們相信，這個對照將把它的獨一無二的特點賦予我們的時代。
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