用现代科学观看中医和中国传统文化

用现代科学观看中医和中国传统文化 朱清时院士：用现代科学观看中医和中国传统文化 本文的目的有两个。 一是尝试自然科学和社会科学的交叉。二十世纪极富创造力的科学家海森堡说过：“在人类思想发展史中，最富成果的发展几乎总是发生在两种不同思维方法的交汇点上。它们可能起源于人类文化中十分不同的部分，不同的时间，不同的文化环境或不同的宗教传统。因此，如果它们真正地汇合，也就是说，如果它们之间至少关联到这样的程度，以至于发生真正的相互作用，那么我们就可以预期将继之以新颖有趣的发展。”现代自然科学源于西方和古希腊文化，它们与中国传统文化属于两种不同的思维方法，如何使它们真正地汇合，对科学的好奇心有不可抗拒的吸引力。近年来，寻找现代科学的新前沿与中国传统文化的交叉点，一直是我心中的一个目标。 二是从现代科学的角度，对我国的传统文化作一反思。自从甲午海战失败和八国联军攻入北京之后，全国舆论抛弃“中学”，掀起了全盘西化的浪潮。当时这样作的原因，是那时的科学技术与中国的传统文化显得如此格格不入，以至许多人认为中国的传统文化阻碍了近代科技在中国的发展。一个世纪之后的今天，我们已经意识到，如果把牛顿发表“自然哲学的数学原理”的1687年作为近代科学的诞生日，至今仅三百多年。在五千年的人类文明史中，它仅占十七分之一，与人类未来的漫长岁月相比，它更是短暂的一瞬。不能 用在短期内的表现来论一种文化的优劣。在过去的一个世纪中，自然科学经历了一个大跨步的发展，现代的科学观已大不同于一世纪前，甚至比三十年前也有大的变化。用现代科学观看中国传统文化，有点像辛弃疾的名句：“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处”，既可以发现它有科学内涵，也能看到它的不足。那么从现代科学的角度来看，中国传统文化的优点和长处是什么呢？ 一、什么是复杂性和复杂系统 二十世纪后半叶诞生的复杂性科学，使现代科学的观念发生了重大转变，开启了认识中国传统文化的科学性的大门。复杂性科学是研究复杂系统和复杂性的一门交叉学科，包括自然、工程、生物、经济、管理、政治与社会等各个方面。下面我们讨论什么是复杂性和复杂系统。 世界上的很多系统都是由许多组分组成的，这些组分可以是相同的或者是不同的，它们之间的相互联系可以是复杂的，也可以是简单的。晶体是由大量的组分（原子或分子）组成的，但是这些组分排列得井然有序，它们仅在平衡位置附近轻微地振动(图1)。在研究晶体的一般性质时，我们并不把它当作复杂系统。 气体是由大量的分子组成的，比如说每立方厘米中就有1022个分子。气体分子以完全无规则的形式飞来飞去，因此它们之间进行着频繁的碰撞(图2)。如果我们只对气体压强和温度或压缩率等特定的性质感兴趣，我们可以用统计力学的方法得到简单的公式，我们也不认为这些是复杂系统。但是，如果我们想跟踪研究每个分子的运动，就会发现它们是如此复杂，以致根本不可能预测，因为每个分子运动的初始条件只要有一些微小变化，它的随后状态就会发生急剧变化，正如图3所示的钢球那样。这些微小变化是不可控制的，因而这个分子的运动也是不可预测的。 因此，系统的复杂性不仅表现在它们是由大量数目的组分所构成的，而且还表现在它们具有复杂的行为，我们所称的复杂系统是指具有较高复杂性的系统。如何定义复杂性和复杂系统呢？ 代数复杂性的概念可以作复杂性的现代定义的例子。至少在某种程度上，一个系统的状态可以用一系列数据来描述，这些数据可用数字表示，它们构成一个数列，因此我们只要定义这种数列的复杂性就行了。考虑一个具体例子，比如：l、4、9、16、25、36等数字构成的数列，我们发现这个数列可以由自然数n的平方得到。每当给出一个数列时，我们就进行类似的研究，确定是否存在一个计算机程序和一组初始数据(为了规范,假设均为图灵机)，用它们可以计算出整个数列？它们若存在并能表达出来，则程序和初始数据的最短长度便是代数复杂程度的量度；若它们的长度大得难以表达（甚至不存在)，则这样的系统就称为复杂系统。 我们可以在不同层次上来研究一个复杂系统。例如，可以在宏观层次上通过对宏观行为的研究来处理人体或其它动植物，或者在中间层次上研究各个器官的功能，或者在微观层次上研究DNA的化学特性。如果想寻求系统的普适定律，我们需要决定在哪个层次上来研究更合适，在微观层次还是宏观层次？例如，气体在微观层次上完全无序，而在宏观层次上在我们看来事实上是均匀的，因此我们在宏观层次上研究气体才能得出普遍规律；与此不同，晶体在微观层次上井井有条，而在宏观层次上仍然是均匀的，因此我们无论在宏观还是微观层次上研究晶体都能得出普遍规律。 在选定的层次上，如何才能有效地研究复杂性和复杂系统呢？人类在任何层次上研究事物都有“还原论”和“整体观”这两种不同而互补的立场和方法。 “还原论”方法又称作分析的方法。它把系统分解成各种更简单的组分,研究这些组分的性质,据此再用形式逻辑推知其整体状态。此方法的优点是容易借助工具，结论清晰；缺点是在分解时必然会丢掉一些东西，它们虽小，但在长时期或大范围内可能起重要作用，如同造成混沌现象的“蝴蝶效应”或者像钢球落到刀刃上（见图3）那样，它们产生的结果难以预测。 另一种方法可以称作“整体观”方法，它把系统作为一个整体来研究,不把系统进一步分解成各种简单组分,它研究和描述系统的整体状态及其随时间及各种情况变化而发生的变化。此方法优点是可以完整全面地认识复杂事物;缺点是不易借助工具、很强地依赖人的知识、经验和直觉。 对于简单的系统，整体观和还原论是一致的。例如，对于理想气体组成的体系，热力学（用热量，压强，熵等概念描述宏观状态）和统计力学（用分子的速度分布，动能分布，混乱和有序的几率等概念描述微观状态）是完全一致的。我们可以用统计力学的微观定律推导出有关气体压强和温度的热力学定律。 由于科学在过去几百年中的大发展主要使用了还原论或分析的方法，现在自然界的各种简单系统的规律已经大致清楚，科学开始转向研究真实世界的复杂系统本身，才发现许多复杂系统的组分单元的数目太大，类型太多，无法用统计方法简单处理。使用分解和抽象时会丢掉许多看起来很小的因素，还有一些无法控制的初始条件中的微小变化可能导致最终结果的巨大差异，使这些系统的行为看起来像随机的（例如图3中的钢球与类似的掷色子、扔硬币和天气现象等），其规律不能由其组分单元的规律推出。还原论或分析的方法面临到局限，科学开始更加重视整体观方法。 需要特别强调的是，整体观方法并非总是在还原论方法无法用时才不得已而用的，它也可能是描述复杂系统的最佳方法，而且科学在过去几百年的大发展中就使用过。例如，为了最好地描述气体的状态，我们不是给出组成气体的分子在每一时刻的所有坐标和动能，而是用压强和温度等宏观量。其实，正是自然界本身给我们人类提供了测量或感知这些量的方法。 二、生物复杂系统的特点：信息交换与协调 在化学反应中，大量分子参与的化学反应往往就是复杂系统，它们生成新的分子。生命现象比物理和化学中的现象又更复杂。在生物世界中随处可见复杂系统。细胞由复杂的细胞膜、细胞核和细胞质组成，它们之中的每一个都含有许多低一层次的组分。在细胞中，在同一时间有条不紊地进行着几十到几千个新陈代谢过程。人体更是一个复杂系统，成年人是由大约1016个细胞组成，每个细胞在演化过程中还有随机性，因此在细胞层次上研究人体的所有问题是不可能的。器官由大量细胞组成,它们以非常规则的方式协调一致地进行合作。各个器官又进一步服务于各种特定的目的，并在一个动物体内协调一致地进行合 作。 世界上最复杂的系统大概要数人的大脑了，它由1010个甚至更多的神经细胞所组成。它们协调一致地进行合作才使我们能够识别图样和说话，或者进行其它的思维活动。 每个生物体都是一个复杂系统，而且它们有许多级层次，从分子层次、细胞层次、器官层次，直到整个植物或动物。在这里“微观的”和“宏观的”变成了相对的概念。例如一个生物分子，同组成它的原子相比可以看作是“宏观的”，而同细胞相比它就是“微观的”了。 生物复杂性凸现出了复杂系统的两个重要特点： 首先，在每一个层次上，我们都会发现一些特定的组织或结构。因此，物理学不可能取代化学，精通化学并不意味着我们了解了生命。同样地，懂得了人体的生理结构和机能并不能完全解释人类的行为和社会的规律。当从微观过渡到宏观层次时，系统一次又一次地出现那些并不出现在前一个层次上的新特性。因此还原论方法不再是研究它们的有效方法。事实上，现代研究已经发现，物理学越是涉及复杂系统，就越需要新的概念，而且它的某些主要特点(比如准确预言的和可重复的能力)就会逐渐丧失。复杂系统的行为存在着深刻的类似性。换句话说，复杂行为可在极不相同的基质上实现。越是复杂的系统越具有与人类相似的行为特征。 第二，在任何层次上，复杂系统的演化都需要有以交换信息为基础的各个部分之间的高度协调。生物复杂系统最重要的特点就在于它的各个部分之间的高度协调。在一个细胞中，在同一时刻有条不紊地进行着数千个代谢过程。在动物体内，成千上万个神经和肌肉细胞密切协作，产生了井然有序的运动：心跳，呼吸或思维。认知识别是需要大量细胞高度协调地合作进行的过程，人类的思维和言谈也是如此。显然，所有这些高度协调、密切相关的过程只有通过交换信息才能实现。这些信息被产生、传输、接收、处理，还要转换成新的信息，并同时在系统的不同部分之间和不同的层次之间交流。因此可知，信息是生命赖以存在的至为关键的因素。