近代物理與新認識論
1992, 3, 26 吳文成
http://alumni.nctu.edu.tw/~sinner/science/part_1/epistemology/page6.htm

混沌
  ──不測風雲的背後

  混沌理論,是近二十年才興起的科學革命,它與相對論與量子力學同被列為二十世紀的最偉大發現和科學傳世之作。量子力學質疑微觀世界的物理因果律,而混沌理論則緊接著否定了包括巨觀世界拉普拉斯(Laplace)式的決定型因果律

  長久以來,世界各地的物理學家都在探求自然的秩序,但對無秩序如大氣、騷動的海洋、野生動物數目的突兀增減及心臟跳動和腦部的變化,卻都顯得相當的無知。但是在七O年代,美國與歐洲有少數科學家開始穿越混亂去打開一條出路。包括物學家、物理學家及化學家等等,所有的人都在找尋各種俯拾皆是的混沌現象──裊繞上昇的香菸煙束爆裂成狂亂的煙渦、風中來回擺動的旗幟、水龍頭由穩定的滴漏變成零亂、複雜不定的天氣變化與大崩盤的全球股市──的規則與一些簡單模式中所隱藏令人驚訝的複雜行為。

  十年之後,混沌已經變成一項代表重塑科學體系的狂飆運動,四處充斥為著混沌理論而舉行的會議和印行的期刊。它跨越了不同科學學門的界線,因為它是各種系統的宏觀共相,它將天南地北各學門的思想家聚集一堂。年輕的科學家相信他們正面臨物理學改朝換代的序幕。他們覺得物理學這行已經被高能粒子和量子力學這些華麗而抽象的名詞主宰得夠久,直到混沌革命──可以連接微觀和宏觀上百萬物體集體行為之間的深深鴻溝的新起科學──開始時,頂尖物理學家才發現自己心安理得地回歸到屬於人類尺度的某些現象。

  混沌理論的近代研究,逐漸領悟到自己正抗拒科學走向化約主義的趨勢。相當簡單的數學方程式可以形容像天氣或瀑布一樣粗暴難料的系統,只要在開頭輸入小差異,很快就會造成南轅北轍的結果,這個現象被稱為「對初始條件的敏感依賴」。例如蝴蝶效應──今天北京一隻蝴蝶展翅翩翩對空氣造成擾動,可能導致下個月紐約的大風暴──使得科學家始終無法模擬天氣這個複雜系統,更不用說去精確地預測天氣。

  許多學科中,都背負著牛頓式決定論的擔子。就像一位理論學家這麼教他的學生:「西方科學的基本理念就是如此:如果你正計算地球檯面上的一顆撞球,你就不必去理會另一座銀河系統其星球上樹葉的掉落。很輕微的影響可以忽略,任意小的干擾,並不會膨脹到任意大的後果。」又說:「通常無解的非線性系統應被排除在科學研究之外。」但混沌理論根本駁斥這二種說法。

  非線性因素──意指玩遊戲的過程倒過來改變遊戲的規則──支配著絕大多數物理現象。一方面,物理學家不該因著它難以計算而逃避它,在另一方面,它不容許我們忽略任何變因,無論來自於遙遠的震動或是實驗者本身──這點告訴我們,觀察者始終無法與觀察對象作分離或各別考慮,儘管「我們所有的努力,就是要使自己置身例外」。在這種情況下,我們必須放棄對事件發展的決定論式之天真預測。混沌理論亦難自外於非決定論的趨勢,粉碎了唯物論者的夢想:欲以簡潔、化約的方程式來描述自然界。

  混沌創造了使用電腦來處理特殊圖形,在複雜表相下捕捉奇幻與細膩結構圖案的特殊技巧。同時,科學家在混沌裡發掘出「自然幾何學」之美。德國物理學家艾連柏格,有感而發:

  「為什麼一株被風暴拉扯的枯樹,浮現於冬日黃昏的剪影,會帶來絕美的感受?而建築師千辛萬苦,設計出多重功能的大學校舍卻讓人無動於衷?雖然有些猜測成分,但是我認為答案可以從動力系統的嶄新觀點尋找。我們對美的感覺來自於自然界一亂一序,疏落有致的安排,比如雲朵、樹林、山嶺或雪花。所有這些形狀都是經由動力過程誕生的物理實體,這種參揉亂和序的組合最尋常不過。


  「這些線條反覆交織成金碧輝煌,在地面所形成的循環,帶來了旋風、大風暴與雷電。」

  實驗家李奧.卡達諾夫感動地說:

  「這種感受無可言喻,必定是科學家所能嚐到最甜美的滋味──當他終於意識到,發諸內心者與形諸自然界者合而為一,並且百試不爽,那種驚喜莫名的感覺!誰能料及,心智幽玄的密室,竟能反映了風和日麗的大自然景象,這是何等的震撼!何等何等的喜悅!」

  大自然的微笑是科學家心靈深處始終的支持,這份與自然結合的一體感構成了他們最深邃的情感,誰說科學家沒有感動,誰說科學家是造成世界文明非人性化的罪魁禍首。即使是物理也是一門充滿感情的學科,它包含著物理學家的執著
,物理學家的奔走,也包含著科學家所有對自然宇宙的渴求,正如神學家期盼上帝的眷顧那般的深刻!當人們失去情感,自然也不會再向人們招手。

  某研究混沌的學者,撰寫有關蝴蝶效應的論文時,說道:「其實每個人都是那隻有著魔力翅膀的蝴蝶,因為每個人的一舉一動都可能使世界變得不一樣。這告訴了我們世界的真相:這個世界不能失去你,也不能失去他,對於這個世界我們無法置身事外,也無法孤立局部的現象……如果上帝真的有骰子,祂會讓我們自己擲的,」他意猶未盡的繼續說「也許我們該相信魔法……這正是為什麼古代人在自然界裡有天賦異稟,而現代人始終只能依賴技術與機械的緣故」雖然他扯離了物理的範疇,卻相當由衷地把現代人的處境表達出來。

  由於科學家必須模擬混沌現象,於是帶動電腦實驗的趨勢與極精密儀器的設計,這導致「複雜性科學」的興起,此打破了各學科的界線門檻,結合有物理、化學、數學、社會學、生物與太空技術、電腦工業。目前科學雖然在表面上是分工的,但事實上它們是相連的。可以這麼說,「複雜性科學」本身正醞釀一股反對舊時化約主義的聲浪,這才使我們真正認識世界的本貌。

  零亂往往是假相,混沌之中隱藏著更深層次的規則(吸引子、自我組織、自我重複與尺度無關性……)。這種正在蓬勃發展的理論,給全世界帶來巨大的衝擊,絕不亞於相對論與量子力學。一流期刊上所刊載有關一粒球在桌上跳躍的奇異動力,亦和量子力學的文章平起平坐。(註十)

  註十:以上混沌部分參考《混沌》全書,天下文化出版。


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