第四章 科学自组织演化的随机涨落力及其作用

科学中许多发现的获得和许多概念的演化，都是其发现者和贡献人始料不及的。特别是在研究之初，研究者大概只能提出一个大致的方向， 谁能在研究过程之初就一定能知道自己在研究后所获得的成果呢？作为一个研究者，我们都有切身体会，即我们一般只知道该课题的意义如何， 根据问题所涉及的各个方面和它的基础所涉及的理论深度和广度，我们能了解课题的意义，能大致估计预期研究的意义，我们常常以“虚拟语气”说：如果研究在⋯⋯条件下能够深入，能够成功，那么将⋯⋯。在现代科学已经如此发达的今天，科学研究常常以某种基金的形式给科学家以资金资助，而为了获得基金资助，科学家必须履行申请基金资助的一套程序，在填写申请书时，我们要写清“立项依据”（项目的研究意义，国内外研究现状分析）；要提出“研究方案”（研究目标、内容和拟解决的问题，拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析， 项目的特色与创新之处，预期的研究进展和成果）；要给出“研究基础”

（研究者与该项目有关的研究工作积累和已取得的成绩；已具备的条件和尚缺少的条件，拟解决的途径；申请者的研究能力状况）。在这些项目中，许多都是事先不确定的。此外，在研究中，我们也许会发现和原来研究的初衷不一致的、新的东西，从而使研究方向有所改变。所有这一切，都是在研究之初未曾想到的、未曾料到的事情。再有，科学认识的各种形式，如假说、定律、理论等等，一方面是科学认识过程中的参与者自觉活动的结果，另一方面，这种结果的获得，却又不是事先预定的，更不是在探索之前或之中就可以确定无疑地得到的。所以，科学研究常常有很大的不确定性，即随机性，在科学探索中也常常会出现意料之外的发现。

从自组织理论观点说，意料之外的科学发现，构成了推动科学内在发展的随机性涨落力，它意外地、随机地刺激起新的观念，促使研究者发现科学中原本看似无联系的事物之间的联系，找出新的关系和线索。这样，它常常形成新的发展方向；有时，还会将新发现关联起来，形成一系列发现，从而促使整个学科或科学认识发生质的飞跃或突变。本章中我们研究三个问题，即科学研究上的意外发现及其类型，创造性思维与意外的自组织科学发现，科学研究中意外发现的作用以及意义。

一 科学研究上的意外发现及其类型

纵观科学史，意外的、偶然的科学发现大致可以分为两种类型：一是在科学研究中，原来预定的科研目标没有达到，而却意外地得到了完全不同的其他结果；二是在科学研究中虽然原来的科研目标实现了，但是其实现目标的途径与场合却是意外的。下面让我们先讨论一些案例。

第一种类型的典型案例，是伦琴关于 X 射线的发现。

X 射线的发现并不是起源于 X 射线的研究，而是起源于阴极射线的研究。换句话说，它是在研究阴极射线的过程中被意外地发现的。19 世纪末，物理学家对阴极射线的性质以及作用还没有搞清楚，因此，这一研

究是当时物理学家关注的一项重要课题，许多物理学家和物理实验室都致力于阴极射线的研究。著名的物理学家赫兹发现阴极射线能穿过金属箔，能在空气中运行一段很短的距离。当时，德国维尔茨堡大学的校长、物理学家伦琴（W.K.Rōntgen）对这个问题也很感兴趣。他是一位治学严谨、造诣很深的实验物理学家。1895 年 11 月 8 日晚，他正在操作阴极放电管，放电管用墨黑的厚纸包得严严的，房间里也一片漆黑。突然，伦琴发现在不超过一米远的小桌上那块用亚铂氰化钡做成的荧光屏上发出了闪光，伦琴没有忽略这一现象，因为，通常阴极射线是不能有这么远距离的传递的。伦琴开始把荧光屏挪远点儿，再挪远点儿，他发现仍然在屏上有伴随放电过程的断断续续的闪光。然后，他又取了各种各样的物品，其中有书本、木板、铝片等，置于放电管和荧光屏之间，继续他的实验。他进一步发现，各种物品的效果大不一样，例如，这种射线可以穿透几厘米厚的木板、薄薄的铝片，能穿透人体的肉体组织显示其骨骼。很明显，这种射线是一种穿透力很强的、新的未知的不同于阴极射线的射线。当然，为了确证这一射线的存在，他后来连续工作了六个星期，深入地研究了新射线的现象，了解了这一射线的性质和作用。最后以通讯的方式把他的发现公之于众。由于 X 射线有强大的穿透力，能够透过人体肌肉组织显示其骨骼和并能穿透薄金属，在医疗和金属检测上可能有重大的应用价值，因此这一发现引起了人们的极大兴趣，一时出现了街头巷尾谈论 X 射线和各国科学家竟相研究 X 射线的空前盛况。

X 射线的发现完全不在研究者预定的研究项目之中，也不在其计划和预想范围之内，而是在研究阴极射线即另外一种现象时，意外地发现的， 真可谓：“射獐得马”啊！

案例之二：柏琴（W.H.Perkin）因采用某种苯胺物质提取奎宁而发现苯胺紫。

1856 年，英国皇家理学院学生柏琴在做实验时，想用化学方法即用重铬酸钾氧化烯丙基－Ｏ－甲苯胺的方法来提取奎宁，但他失败了。然而，他虽然失败了，但却很想知道如用同样的氧化物与一较简单的碱相互作用会出现什么情况。柏琴选用了硫酸苯胺。这样，在实验中第一次提取出了苯胺染色剂。这一发现为人工合成染色剂的工业方法开辟了新途径。这一案例也是试图发现 A，却意外地得到了 B 的案例。（参见 W.I.B.贝弗里奇：《科学研究的艺术》，附录）

案例之三：贝克勒尔研究荧光物质与 X 射线关系而发现放射性。1895 年底，伦琴将他的第一篇描述 X 射线的论文“初步通信：一种

新射线”和一些用 X 射线拍摄的照片分别寄送给各国知名学者。当时法国著名科学家、法国科学院院士彭加勒也收到了伦琴的照片和论文。1896 年 1 月 20 日，在法国科学院例会上，彭加勒展示了照片和论文。这一重要发现对与会者震动很大，其中也有贝克勒尔，他当时就问彭加勒产生这种射线的机制，彭回答说可能是从阴极对面的那部分管壁发出的，而荧光物质也许同阴极射线同一机理。贝克勒尔回家后立刻开始实验荧光物质在发荧光的同时会不会发出 X 射线，但他试来试去始终没有找到这种同 X 射线的联系。后来，他按照彭加勒的思想开始寻找荧光与 X 射线的关系，并在不久找到了有这种效应的物质即铀盐。在 1896 年 2 月 24 日向法国科学院的报告中，他说：“我用了两张厚黑纸⋯⋯包了一张感

光片，纸非常厚，即使放在太阳光下晒一整天也不致使底片变色，我在黑纸上面放一层磷光物质，然后一起拿到太阳光下晒几小时。显影之后， 我在底片上看到了磷光物质的黑影。⋯⋯在磷光物质和黑纸之间夹一层玻璃，也做出了同样的实验。这样就排除了由于太阳光线的热从磷光物质发出某种蒸气而产生化学作用的可能性。所以，从这些实验可作出如下结论：所研究的磷光物质会发射一种辐射，能贯穿对光不透明的纸而使银盐还原。”在这里，贝克勒尔误以为 X 射线的产生是由于太阳光照射铀盐的结果。24 日以后，他继续做实验时，老天不做美，一连几天没有出太阳，他只好把所有物品放在抽屉里，把铀盐也搁在包好的底片纸上，等待好天气。在他给科学院的第二次报告中，他这样描述了当时的情景：“由于好几天没有出太阳，我在 3 月 1 日把底片冲了出来，原想也许会得到非常微弱的影子。相反，底片的廓影十分强烈。我立即想到， 这一作用很可能在黑暗中也能进行。” （参见 A.Romer ， TheDiscovervofRadioactivityandTransmuta-tion，Dover（1964）P.8）。在此，任何一个智力健全的人都会想到原来以为磷光（和荧光）物质与 X 射线同一机理的设想不符合实际。他立即放弃了原来的设想，转而研究铀盐的各种因素对辐射的影响。他通过进一步的实验发现，纯金属铀的辐射比铀化合物强好多倍。他搞清铀盐辐射性质后，才正确报告了关于铀盐的贯穿辐射是一种自发现象，只要存在铀这种元素，就会产生贯穿辐射。

研究荧光物质与 X 射线的关系，却发现了同 X 射线无关的放射性现象。这个案例也说明了最初研究和研究发现的意外关

系。

在科学史上这种案例还有很多。例如，伽伐尼解剖动物却意外地发现了电流；闵可夫斯基研究胰脏消化功能时意外地发现了胰岛素治疗糖尿病的方法，等等。

第二种类型的典型案例，是英国细菌学家弗莱明意外发现青霉素的案例。

“当时弗莱明正在进行葡萄球菌平皿培养，实验过程需要多次启开，从而培养物受到了污染，这种情况是常见的。弗莱明注意到，某个菌落周围的葡萄球菌菌落都死了。许多细菌学家不会觉得这有什么特别了不起，因为当时早就知道有些细菌会阻碍其他细菌的生长。然而弗莱明看到了这种现象可能具有的重大意义，予以深入研究，发现了青霉素。⋯⋯还有一点值得一提，当时弗莱明若不是在一座拥有大量灰尘从而容易发生污染的旧房子这种‘不利’条件下工作，那么这个发现可能也就做不出来了。”（参见 W.I.B.贝弗里奇：《科学研究的艺术》，附录）

第二个这方面的典型案例是丹麦物理学家奥斯特发现电流磁效应。丹麦物理学家奥斯特长期致力于研究电和磁的相互关系。在自然哲

学方面，他是德国哲学家谢林的“统一性哲学”的信徒，多次听过谢林的自然哲学讲座。他一直认为，自然界中的一切都是统一的，千差万别的各类事物都是有联系的，是某种力的表现效应。在电与磁关系上，他一直就认为电、磁是一家。然而从 1912 年左右开始到 1920 年前，他却一直未能发现电流的磁效应。1820 年 4 月，在一次演示报告会上，他把

一个小磁针无意地放在了通电电流导线之下，发现小磁针的指针发生了偏转。对此他激动异常，过去他总是把导线垂直地放置，而从未有过磁针偏转的现象出现。据说，他不善于做实验，总是需要有一个助手（参见［美］弗·卡约里：《物理学史》，内蒙古人民出版社 1981 年版，第

222 页），除了在当时刚刚有了比较强的伽伐尼电池这一客观条件外，这可能是他一直没有作出发现的基本原因。

奥斯特发现电流磁效应也十分清晰地再现了在科学研究中虽然达到了原来的科研目标，但是其实现目标的途径与场合却是意外的发现的典型情况。

以上，我们仅仅讨论了实验上或物质上的科学发现，在观念上的发现或发明同样有这样两种类型。有时我们对一个问题冥思苦想，百思不得其解，在长时间思考后，思维反而放松时，结论或观念却突然蹦了出来；有时我们在思考一个问题时却得到了对另一个问题的解答。这里第二种类型就是实验上意外发现的第一种类型；而这里第一种类型则是实验上意外发现的第二种类型。

二 创造性思维与意外的自组织科学发现

在关于创造性思维方面，我们经常听到有关“灵感、顿悟和直觉” 等非理性思维因素的创造性作用。在导论中，我们曾把科学发现证明为一种自组织的过程。在那里，我们一方面证明了科学发现的自组织性质， 另一方面也指出科学家特别是其创造性思维在科学发现中的作用。在创造性思维中，非理性的因素即“灵感、顿悟和直觉”等对于科学家而言， 就特别具有意外性。例如，在贝弗里奇《科学研究中的艺术》一书中专门有一章探讨“直觉”，他对直觉所下的定义是：

指对情况的一种突如其来的颖悟或理解，也就是人们在不自觉地想着某一题目时，虽不一定但却常常跃入意识的一种使问题得到澄清的思想。灵感、启示、和“预感”这些词也是用来形容这种现象的⋯⋯当人们不自觉地想着某一题目时，戏剧性地出现的思想就是直觉最突出的例子。⋯⋯在自觉地思考问题时突如其来的思想也是直觉。（第 72 页）

意外的发现之所以是意外的，就是发现者事先未曾预料到的；然而， 在另一方面，如果发现者在事件来临之际还不能从主观上自觉地意识到发现，那么科学发现也就会从他的指间缝隙中悄悄溜走。换句话说，也就是发现来临之际，发现者必须能对这一发现的意义有所颖悟，有所理解。这就是一种直觉。很明显，这里需要两方面的努力并且这两方面还要合拍，即第一需要发现的来临（客观），第二需要研究者的意识到位

（主观）。这第一方面强调的是科学发现的自组织性质，这第二方面强调的是科学家的创造性作用，科学发现就是在这两种作用的综合与统一动力下做出的。

意外性的思想或发现的出现，更证明了科学发展的自组织性质。因

为它并不依赖于科学家本人，而是超出了科学家的自觉思考范围之外的东西。

许多科学家认为，直觉还是可以探索和捕获的。他们绝大多数认为有助于产生直觉的方法和条件有如下方面：

①对问题和资料进行长时间的考虑，直至达到思想的饱和，这是最重要的前提；必须对问题抱有浓厚的兴趣，对问题的解决抱有强烈的愿望。⋯⋯当然，头脑中思考的资料针对性越强，作出结论的可能性也越大。

②摆脱分散注意力的其它问题或有兴趣的事，特别是有关私生活的烦恼，这是一项重要条件。

③另一有利条件是不受中断。

④多数人发现：在紧张工作一段时间以后，悠游闲适和暂时放下工作的期间，更容易产生直觉。

⑤与他人接触对思维活动有积极的促进作用，如与同事或一个外行进行讨论，写研究报告或做有关的演讲，阅读科学论文，包括与自己观点不同的论文，都可能促进直觉的产生。

⑥新想法常常瞬息即逝，所以必须努力集中注意，牢记在心，方能捕获。（参见贝弗里奇：《科学研究的艺术》第 81—82 页）

从以上几点看，对于直觉而言造成一个能够产生直觉的环境似乎更重要，这个环境正是使直觉产生所需的各种物质的、能量的和信息的要素得以积累，从而达到一定阈值，使直觉自然而然地、不依赖于思考者或研究者地产生出来；甚至有的哲学家这样认为，人并没有什么预先注定的本质，人的本质决定于自由和创造能力，人的特征是创造的产物。这就表明，类似直觉和创造性这样的思维因素也都同样具有自组织的特性，所以，科学发现作为这些思维的产物或结果就更是自组织的过程的自然结果了。

三 科学研究中意外发现的作用以及意义

仔细考察，我们会发现，科学史上绝大多数划时代的科学发现（包括技术发明）或多或少都带有意外性。这是因为，所谓开创性的发现必定意味着，它们在逻辑或本质上不会存在于旧知识或已有知识的框架内，有的甚至还与其相左。所以，人们根本不可能从已有知识中对这类发现作出预见，而只能在科学实践的具体过程中从偶然产生的意外现象中作出发现。发现的意外性、偶然性在这里表现得比较突出。而这种突出的表现又反过来说明，所发现的事物或知识不能容纳到已有知识的仓库中，或是已有知识需要部分变革，或是已需要从基础上进行根本性的变革了。于是，发现的意外性和偶然性，也从反面反映了所认识的事物的性质和规律的所在范围和深度。这正如恩格斯所说：“在表面上是偶然性起作用的地方，这种偶然性始终是受内部的隐蔽着的规律支配的， 而问题只是在于发现这些规律。”（《马克思恩格斯选集》第 4 卷，第

243 页）所以，从这个意义上说，意外的科学发现正是科学演化自组织过程带有必然性（达到一定条件就一定会出现自组织过程）的随机涨落。

随机涨落在当代自组织科学理论中是被当做非常重要的动力作用而看待的重要因素。普里戈金认为，“在通过能量和物质流动而形成稳定结构之前，涨落起着主要作用。”（参见湛垦华等编《普里高津与耗散结构理论》，陕西科学技术出版社 1982 年版第 54 页）这表明，**涨落是演变的触发器，通过涨落才能达到有序。**事实上，科学史中有关重大的意外的科学发现引发科学革命，导致整个科学基础的重大变革，从而带来科学的重大演变的案例并不在少数。19、20 世纪之交的那场物理学革命，就是由几个开始看来不过小小的发现及其发现的连锁反应打开序幕的。小的意外的发现，有时会带来雪崩式的跃变发展。

归纳起来，作为随机涨落性的意外科学发现，对科学发展的推动作用主要有以下方面：

**①意外的科学发现常常为科学新知识的生长提供生长点，是科学 “相变”的晶核。**我们知道，极为纯净的水是很难结晶的。然而，如果 在水中有一粒尘埃或花粉粒子或其他粒子，即提供了结晶核的话，那么结晶过程会非常迅速地进行起来。科学认识也是同样如此，在完全未知的情况下，人们很难认识一个事物，而一旦意外的发现打开一个认识的突破口，认识就会迅速从该突破口发展进去，扩展开来，就像结晶过程那样。例如，电流效应和电流磁效应的发现，就是电磁场理论发展的晶核，电流性质的研究和电磁理论的建立与发展正是以此为基础而迅速生长起来的。

**②有些科学上的意外发现常常会引起一系列的发现，造成一种随机发现的关联、放大、会聚，从而引起科学革命。**这在 19、20 世纪之交的物理学革命之前，表现得尤为明显。例如，伦琴从阴级射线的研究中意外地发现了 X 射线，这一发现由于吸引了大批科学家，因此引发、催化了一系列新发现，如直接的有放射性的发现，间接的有放射性元素的发现、同位素的发现和认识、量子现象的认识，等等。我认为这种连锁式的发现正是自组织中典型的随机涨落的关联放大效应在发挥作用， 是这种效应的体现。在这场物理学革命到来之际，那些曾先后涌现出一大批对传统科学而言是意外的现象、事实或称为“反常”和“危机”事实上成了物理学革命的催化剂。例如，对旧的以太理论而言是意外的“反常”的迈克尔逊-莫雷以太实验，激励了许多物理学家（如菲兹杰惹，洛伦兹等）研究以太问题，从而使这一问题成为一个在当时突现的问题， 这就带来了解决该问题的更多的机会和可能性；对旧的关于微观世界的认识也都是意外和反常的由 X 射线到放射性元素的一系列发现，以及 a 粒子散射实验结果，为打开原子世界的大门、结束原子是组成物质世界的最小单元的认识，提供了坚实的基础；对经典热力学理论是反常和意外的黑体辐射的实验，为普朗克最终解决问题作了最后的推动；对旧波动说是意外的量子光电效应，为量子论的建立提供了证据。而当所有这些问题或接踵而来或同时蜂拥而至时，它们在科学家心理上也造成了一种革命性的效应，至少他们会感觉到，或可能问：这么多问题出来了， 经典理论对此又无能为力，出路何在？当绝大多数科学家都有这种感觉时，就会从根本上动摇对旧理论的信念，所谓“山雨欲来风满楼”就是这个道理。当这种气氛笼罩部分或整个科学界时，它就会促使科学家特别是优秀的科学家去检验旧理论的根基，促使一批年轻科学家另辟蹊

径，从而激励了、催生了新思想、新观念、新方法、新理论的诞生。

至此，我们已经讨论了三种科学演化的基本动力，第一种即科学作为一种认识活动的动力，它主要涉及科学知识体系中的基本要素，如问题、实验、理论等要素的相互作用；第二种即科学作为一种社会活动的动力，它主要涉及科学认识活动的主体承担者——科学家的竞争与合作性的相互作用；第三种即在科学既作为认识活动又作为社会活动的过程中，随机因素的动力作用。三种动力作用可以列表如下。表 4—1 科学