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第2篇复杂物质的运动方式——混沌（2）

2011-07-0722:15:42|分类：旧版后现代医学|标签：|字号大中小订阅

(214)第2篇复杂物质的运动方式——混沌（2）

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（四）逐步放大，长程关联——长期行为的不可预见性

科学理论的功能是给对象系统的内在机理作出解释，预测它未来的

演化过程。经典科学发现两大类系统，发现了两套描述体系。一类是确

定性系统，典型代表是机械运动，发展了确定论的描述体系，即牛顿力

学的描述体系。另一类是随机性系统，典型代表是热力学过程，发展了

须借助统计概念进行论证的概率论描述体系，即统计力学的描述体系。

不论是把统计规律看作一大类客观系统固有的属性，还是看作来自人类

知识的不完备，概率方法都是与确定论描述性质完全不同的另一种描述

体系。按照确定论描述体系，一个确定性系统的动力学规律是完全确定

的，表现为它的数学模型是完全确定论的，系统的每个具体行为轨迹完

全由初始条件决定，给定初始条件后，可以精确地预见它的未来。如人

造卫星何时进入设计轨道，何时到达近地点，可以相当精确地预测。随

机系统则相反，它的未来行为每一步都无法预测，或者说只能作统计意

义上的预测。如投掷硬币，只能预测正面朝下的概率为0.5。

混沌是确定性系统的运动体制，但与上述经典科学的基本信念不

同，由于内在非线性机制造成对初值的敏感依赖性，混沌系统的长期行

为是不可预测的。任何实际系统的初始条件都不可能绝对精确地确定，

误差是不可避免的。只要初始条件稍有误差，通过在混沌运动中逐步非

线性地放大，积累，当过程进行到足够长以后，系统将走向何方不得而

知。在这一点上，它与随机运动是一样的。确定性与可预见性并非一回

事。确定性系统的长期行为不可以预见，这是混沌研究带来的重要新认

识。但随机系统的短期行为也是不可预测的。投掷硬币的结果每一次都

不可预测。混沌是由确定性系统产生的，它的短期行为是可以预测的。

这是由随机性与外随机性的又一区别。短期行为可以预测而长期行为不

可预测，是混沌运动的另一主要特征。

非线性系统普通存在混沌运动，混沌的长期行为不可预测，这个发

现揭露出科学认识中长期存在的一种盲目性，使我们意识到人类的预见

能力极其有限。现实世界的系统都是非线性的，控制空间存在混沌区是

非线性系统相当普遍的现象。只要系统处于混沌区，我们就无法对它的

长期行为作出预测。但混沌运动并非绝对不可预测。确定性非线性系统

的混沌区在控制空间的位置是确定的，奇怪吸引子在相同空间的位置也

是确定的，从初值开始的运动必定走向吸引子，系统在其上的运动遵循

统计规律。这些都是确定性因素。因而使混沌运动又有可预见的一面。

从实用角度看，人类对于未来的长期行为并不需要把握它的细节，只要

对整体趋势有个大概估计就行了。（苗东升《系统科学精要》

P201——202）

所谓混沌运动的长期行为的不可预测性，其中最主要的一个内容就

是混沌运动的“逐步放大”的效应。也即“蝴蝶效应”。前面讲了许多不可

预测与可预测的辩证关系，说混沌运动宏观是可预测的，微观是不可预

测的，这在许多人仍是不好理解的。关键还是一个老问题，即用同一个

概念，描述两类不同性质的运动。其实，说简单一点，用经典科学的简

单概念，所作的预测，在复杂运动中没有得到实现，原因是在复杂运动

中，初始条件被放大了。最后结果大到用经典的简单线性因果关系无法

理解。因此，混沌运动的特点除第一个是“初始条件的敏感性”外，第二

个就是“逐步放大效应”。而这个放大效应也是初始条件敏感的直接原

因。当然，除了“原因”外，我们还应具体研究员复杂系统为什么会将最

初的原因放大呢？这是因为，复杂物质都有复杂的结构，每一个组成部

分，子系统都与其他多个系统有关系，相互作用，并组成无限相互作用

的网络。这样，作用于复杂物质中某一个子系统的信息，会在一段时间

后，沿着复杂物质内部相互作用的网扩大、散布。这样，就形成了初

始条件扩大的途径、模式。再有，每一个接受作用的子系统它的接受和

再发送，也不是简单的镜面式的反射，它都有一个自己的加工过程，这

样，随着逐级传播，不但有一个空间的扩大过程，还伴随着质量、内容

的充实，扩大过程。举一个简单例子，我们经常会在电视上看到这样一

种文艺节目，令一组演员排成一排，由第一个人说一句话传给后面的

人，并依次传到最后一个人，然后往往出现很大差距，并由此引发观众

大笑不止。或者，由第一人作一个动作，后面的人依次学习，下传，到

最后一个人时那动作已经完全不同了。这个表演就充分显示了信息在复

杂系统中传播时的放大效应。这个放大效应得以出现，有两个条件：

（1）要有许多人传播，人越多，放大越明显；

（2）参与传播的每个人都有自己的再加工能力，如果没有这个能

力，信息就不会改变、放大。

混沌运动有了初始条件的敏感性和放大效应之后，在此基础上就出

现了“长程”关联的特点。这就是指：初始条件，经过一个相当长的传播

过程后，得到了一个放大的结果，那么，我们反过来仍就会宏观地认定，

这个表面上，用形而上学的经典力学无法理解的后果仍旧是与初始条件

有关的。即如果我们现在是站在经典牛顿力学的水平上，我们就会说，

这个结果是不可预测的，可是，如果我们站在系统理论，站在混沌论的

水平上，我们就会清楚的知道，这个初始条件一定会在一个长程传播之

后，得到一个放大的结果。这就象我们在看电视的那个表演之前，我们

一定会知道最后一个人听到的那句话一定与第一个人说得那句话不一

样。

这样，我们这一节的内容，就是讲混沌运动有如下三个特点：

第一，初始条件敏感。

第二，信息传播逐渐放大。

第三，这两个过程合在一起就表现为长程关联。

而所有这些特点，都是实在的，可预测，可操作的，而这些对于经

典牛顿力学来讲，却成为“长期行为的不可预测性”。所以，我们要理解，

同一个事实，站在不同的理论立场上有两种不同的说法，对于复杂物质

的混沌运动，站在后现代系统理论的立场上，正面表述就叫做：初始条

件敏感，逐步放大，长程关联，而现代机械论科学的水平就叫做“长期

行为的不可预测性”。另外，还有一种人，还有一种立场，即用机械论

的语言说明系统论的概念，这种表述方法就是说混沌运动是整体运动可

预测，局部运动不可预测。凡是听到这种说法的人都有点“说不清”的体

会，而对于某些人来讲“说不清”似乎就是辩证法，其实不是辩证法说不

清，而是他们自己没有真正弄清系统理论与机械论的区别，没有弄清复

杂物质与简单物质的区别。

（五）混沌运动的稳定性

混沌运动的稳定性是指某个混沌运动一旦形成，一般外力作用很难

改变这个混沌运动，如无特殊情况，该混动运动将在时间和空间上保留

相当长的时间。

混沌运动得以出现的第一个基础条件是要有一个复杂的网络结

构，而这个复杂的网络结构中各子系统之间的负反馈作用，使这个网络

具有了“自组织”特性。也正是这个自组织特性，使复杂系统具有了与简

单系统根本不同的运动方式，这个运动方式就是混沌的运动方式，而在

机械论时代，人们尚无混沌运动概念时，就称之为“生命力”来说明无生

命的复杂物质。这就是说，混沌运动是有自组织能力的，有生命力的运

动，它能通过无限网络的负反馈相互作用动态的维持自己的运动状态。

这就表示了混沌运动的稳定性。这种稳定性表现在，任何单一的外力作

用不容易终止和改变复杂系统的目前运行的混沌运动。这个道德很简

单：

（1）一个单一的外力，只能具体作用于复杂系统中的一个子系统，

不可能同时作用于其他子系统，因此，未被作用的子系统仍会按原来的

运转形式继续运转下去，这是从空间范围说的。

（2）从时间角度，混沌运动的一个特点是“长程关联”，你作用于

空间的一点，即使这一点能发挥作用，那也要在相当长一段时间之后才

能显现，那么，在这未显现的作用的长时间中，就表现了混沌运动的稳

定性。用简单机械的观点，作用与反作用，应该是即时表现出来的，而

在复杂系统，作用与反作用，要有一个时间差，而且不单是一个时间差，

其实最后结果往往与作用差别很大放大作用），这些都是在处理混沌运

动果要注意的。