绪 论

人类认识自然（包括人自身）是在科学的名义下进行的。本质上说， 科学就是训练有素的专业集体对于混沌的、强定向的感知素材的种种序化，这类序化集构成人类对于自然的反映与认识。很明显，人类对于自然的这种科学认知，包含着相互关联的两个本质要素。一是科学的观测与实验，它把人的感知触针“锐化”与“延伸”，插向一切可能的领域，从而不断获取新的自然信息；二是科学的理论思维，它具有序化庞杂实验信息的本性，从而不断产生覆盖各种经验领域的科学理论。反过来，内涵深、外延广的新理论，又预示着更新、更隐蔽的观测与实验，⋯⋯，这个过程不断进化，永不完结，科学的生命力就在于此。

科学中的疑难问题，是科学迄今尚未征服的领域。对于疑难问题的探索求解，从来都是科学研究中最活跃、最富生命力的部分，是科学活动的本性所在。科学中的疑难直接相关于科学理论本身的结构及其实际的发展水平。当科学信念与科学事实发生冲突时，就出现科学中的疑难。这不一定只限于理论的推论与实验事实直接矛盾这一种情况。当一个深信其成立的命题还未得到理论的严格证明时，它也会成为人们为之困惑的疑难问题。

科学中的各种疑难是具有不同的价值的。就是说，有的疑难问题的探索求解对于一个学科的发展至关重要，有的则不那么重要。然而，辨认出一个学科中的关键疑难并非易事。

疑难可以来自实验方面，也可能来自理论方面。因此，要判断一个疑难的性质，往往需要从两方面做细致的审核工作。一是看其实验方面有无差错？考虑能否在更高的精确度上重现实验，或能否设计新的实验方案作对照核实。二是分析理论有无差错？考虑能否改进演绎和计算的方法，或理论结构是否自治。经过这样的检查与校正之后随即消失的疑难，叫做平凡疑难。如果实验事实是可靠的，理论又是自洽的，可就是找不到理论与事实之间的吻合关系；或是理论演绎不出事实结果来；或是理论命题与实验命题直接抵触。这些情况对于科学工作者具有很大的吸引力。探索求解这些疑难的努力，或有助于深入揭示原有科学理论的甚为隐蔽的内涵，从而可能开辟理论应用的许多新前景，或有助探明原有科学理论的有效域边界。属于前一情况的疑难并非理论本身所固有，它的解决使得原理论更加精细化。因此，这类疑难本质上是平凡疑难。属于后一情况的疑难则为原有理论所不固有，叫做非平凡疑难，它的探索求解将导致科学理论的根本变革，促进崭新理论的诞生。

读者将会看到：在科学的王国里不仅存在上述性质各别的、孤立的疑难问题，而且存在着更为复杂的疑难交叉、疑难串联、疑难并联与疑难嵌套等情况。

本书属潜科学丛书之列，定名为《科学前沿集》。全书选用了 24 篇文稿，试图为读者提供一些观察窗口，去窥视科学前沿的现状。全书涉及到天文、地学、气象、物理、化学、数学、生物、医学、人工智能等学科。其中以物理文稿最多，生物学次之。这反映了当今物理学在科学前沿中取领先与基础地位以及生物学最为活跃的现状。

纵观自然科学的发展史，学科的分化与学科的综合两者总是相辅相

成、竞相前进的。可是，20 世纪以前科学的基本特点是分门别类地对自然进行考察，这种考察是建立在对于科学对象的可分性假设基础之上的。然而，20 世纪以来的科学，则是在揭示自然界的整体性特征中发展起来的。量子理论揭示了量子系统或量子现象的整体性，这种整体性已为贝尔不等式的否定性实验所佐证。在现代科学技术的名义下，再也找不到一门门孤立的分隔的学问了。相反，现代科学研究中的创新，往往出于科学整体化的进程之中。现代化学在量子力学那里找到了自身的理论基础；现代生物学原则上把生物学、化学和物理学沟通了起来；基本粒子物理学与现代宇宙学的新近发展，走上了合流的道路。这一切表明：现代科学已经进入了这样的阶段，即把自然界的渺观、微观、宏观（生命在此层次内）、宇观和胀观等五个层次〔注〕连成一个整体进行考察。离开整体联系去孤立地阐述某一现象的学问，已经不够登上现代科学宝殿的资格了。它们只是潜科学（相对于公认的显科学而言）或前科学（相对于成熟的常规科学而言） 的成分。但是，这些成分是极为广大的知识海洋，构成了现代科学这个有序的、动态的、整体化的开放系统的生长环境。

现代科学的整体化，不仅表现在自然科学内部各学科之间的渗透与综合和生长新的边缘学科，而且表现在自然科学与社会科学的交流与统一。科学的哲学就是在这种更大范畴的现代科学整体化进程中形成的体系和追求的目标。它要科学地回答世界的本性、科学（即意识）的本性及它们之间的关系等根本性问题，要在更高的水平上研究科学的本体论、认识论与方法论问题。现已表明：马克思主义哲学是同现代科学自身合理发展所导致的整体化体系相容不悖的。不仅于此，西方科学哲学中各流派曾发挥过积极作用的观点，都可以在马克思主义哲学体系中找到其受制于其他脉络因素的（context dependent）合法地位。

编辑这本书为一种强烈的动机所驱使，那就是，我们认识到沟通信息的重要性。我们以为：对于长期从事某单一学科教学与研究工作的同志来说，如果能了解到上述背景状况，明确自己是在整体科学结构中哪个层次上同哪些学科相关地工作着，那将是件大有裨益的事。对于青年科学工作者（包括大学生与研究生）来说，如果能够跨越自己学科的边界去试图了解整个科学前沿的现状，这对于培植全方向的科学感知能力，也是大有好处的。这就是我们为什么要把众多学科的前沿论题组编到一本书中来的原因。

科学前沿是随着旧有疑难问题的解决和新的疑难问题的产生而不断向前推移的。因此，这本书必然带有时代的局限性，终将会被贴上历史的标签。然而，书中提到的许多问题却具有非常根本的性质，它们很可能顽固地变换自己的形式，不会轻易地在科学前沿中消失；有些基于坚实科学基础所作出的哲理概括，更会在更长的历史时期中发挥其积极作用。

细心的读者将会发现，在不同的学科领域中，撰稿人是在不同水平上提出疑难问题并展望未来的。这是各学科发展不平衡的必然表现。在尚未高度发展的学科领域中，只能定性地提出疑难事实和粗略地描述可能的解决方案；而在高度发展的学科领域内，疑难问题本身就带有高度的理论性质，它们的求解往往是从一个复杂的理论模型跳到另一个复杂的理论模型。为了便于读者阅读，对比较复杂的理论作了简化处理，努力做到学术性与可读性兼容；同时，在编排上尽量做到按类分块、难易搭配和由浅入

深。

本书撰稿人全是在高校与科研机构工作的教育与科学工作者。他们为了实现本书的宗旨作出了巨大的努力。在此，笔者对于他们的大力支持与通力合作表示衷心感谢。

钱学森同志读了本序初稿，并提出了宝贵的建设性意见。吴为平、王身立两同志参加了本书的部分统稿工作。在此一并致谢。

书中可能出现一些不足之处甚至错误，我们殷切期望读者对此提出批评意见。

洪定国1986 年 9 月 13 日于长沙

〔注〕在 1985 年 6 月 5 日钱学森同志给笔者的信中，他对于五层次新宇宙观作了如下描述：

他强调：每从下一个层次升到上一个层次都是系统学。