混沌理論對實驗室研究的啟示

梁祥炎

(廣西大學 公共管理學院，廣西 南寧 530004)

實驗室系統一般意義上由實驗研究人員、實驗研究對象、儀器設備、試劑、實驗方法及內容等組成。實驗研究是具有極其創造性的活動，實驗室是一個動態發展的系統。實驗室研究觀的決定論自牛頓建立了經典力學體系以來就確立了不可動搖的地位。

傳統實驗室研究主要表現為封閉、簡單的線性、可確定、可預測等，與當前的大科學動態發展的實驗室研究實際不符。因為，實驗室是一個混沌系統，應該說混沌理論已經對主要領域形成廣泛的影響力，必然對會對傳統實驗室研究造成巨大沖擊。本文基于混沌視角去思考實驗室研究，力圖從中尋求新的啟示，從而促進實驗室研究效率的提高。

一、混沌理論的實質與特征

混沌一詞源于古希臘的“Xoas”，指的是事物出現前的虛廣空間；而混沌的英文“chaos”則可以理解為雜亂無序的意思；后來羅馬人將混沌理解為原始物質的無定形性的混亂，創造者用此造出宇宙的井然有序。關于混沌，確切的定義很難給出，迄今學術界對混沌尚沒有一個統一的定義。洛倫茲則定義為“確定性周期系統內的非周期流”[1]；哈肯指出“混沌是產生決定性方程不規則的運動”[2]；赫柏林則將混沌認為是“無周期性的有序行為”[3]；錢學森認為是“混沌是宏觀無序、微觀有序的現象”[4]。美國數學家約克和李天巖在上世紀七十年代發表論文“周期三意味著混沌”，首次給出了“混沌”的概念，并在數學上給與定義。

(一)非線性和內在的隨機性

普里高津認為，我們所見的事物進化過程是非線性的并且是多樣性和復雜性不斷增多的，其中充滿著不確定性和內在的隨機性，應用復雜非線性去認識客觀世界。任何復雜系統在其發展的過程中在某些條件的作用下都會發生混沌現象。系統發生混沌的主要條件有：開放的系統處于遠離平衡態;系統內部相互的非線性作用。系統的復雜非線性并不是僅僅簡單的線性，有著確定的發展軌跡。而內在隨機性，是指在沒有外部因素的作用影響下，由于系統自身非線性復雜因素而發生的隨機不規則行為，其內部的發展是復雜的不確定，存在發生發展任何的可能。

(二) 對初始條件的極端敏感依賴性

美國氣象學家洛倫茲在他對大氣流模型的計算機數值計算中，發現了著名的“蝴碟效應”，通過一個蝴蝶扇動翅膀可能會引起一場龍卷風來說明系統長期行為對初值的高度敏感性，微小變化能產生巨大的結果差異。由于復雜系統的的產生的混度，這就使得系統的部分發生演變上的重復，使得初始差異很小，但經過短暫的時間演變后卻能形成巨大的差異。混沌對初始依賴的敏感，就在一定程度上使得長期預報變得不可能。

(三)系統的開放耗散性

系統的開放一般意義上來說系統要同外界之間有物質、能量以及信息的交換，自發的從無序耗散到有序過程，并且系統的要維持有序的狀態，就必須從外部環境中不斷的引入物質、能量和信息，且不斷的排出其“代謝”產物，“吐故納新”。普列高津指出，當開放系統與環境之間持續發生能量和物質交換時，系統可能從將從近平衡態而被推移至遠離平衡態，并且由于不可逆從而導致的系統能量的耗散，使系統發生自組織行為，并在時間和空間上發生有序的“耗散結構”。一個不斷地同外界發生能量、信息和物質交換的開放系統，就有可能從原有的遠離平衡態的混亂無序轉變為一種在空間上、時間上或功能上的有序。

二、實驗室研究中存在的不足

(一)實驗室研究的簡單線性

線性系統論認為，事物的發展具有單一性，并且認為具有可預測性，原因決定結果是比例相關的，是可以通過計劃可達到的。實驗室的研究是事先計劃好的，往往為一維的線性，有著確定的實驗目的、方法、步驟、結果。實驗室研究人員所要做的就是被動的，機械地進行操作，并要達到最終的效果。

這種有計劃的研究對動蕩的環境和實驗系統的復雜系統，是欠靈活的。因為計劃好的線性過程容易受到實驗事件的混沌影響，從而無法達到預期的實驗效果，實驗室的管理、科研人員，環境，儀器設備這些因素本身就具有復雜性和不確定性，其為實驗系統創造了混沌的必然條件，實驗室的過程遠比線性系統更為復雜的非線性，動態變化的，充滿著混沌。實驗過程中的任何微小的認人為操作失誤，儀器設備以及試劑上使用的偏差都會導致實驗結果上的千差萬別。

根據實驗計劃好的方法步驟，作出來的實驗產生的現象和結果是不確定，由于其實驗本身具有內在的隨機性，存在著任何的一種走向的可能。實驗的規劃，雖然在一定程度上能促進實驗室的的發展，但不可否認的是，實驗規劃中單一的講究要達到實驗的結果，把實驗中出現得不確定因素，如果不加以任何的思考與探索，就給與直接的否定，實際上就有可能會失去實驗過程中的某些科學機遇。實驗過程是一個非線性的復雜過程中，實驗儀器的作用以及實驗對象之間的相互作用與反應，其走向本身就是一個混沌的過程，實驗構建的產物，就是打破原有平衡態，建立另一個有序狀態的過程，或由一個遠離平衡態的系統，通過誘因或契機的作用去躍遷到另一有序過程，建立新的平衡態。為了達到確定的目標，而把實驗當中的出現不確定、偶然、異常等這些非線性因素給排除，在一定程度上會和某些重大的科學發現失之交臂。

(二)實驗室研究過于信奉實驗的可預測輕視實驗中微小初始的作用

實驗室系統具有的非線性以及對初始值的敏感，以及大量錯綜復雜的因素的作用，必然會導致實驗的不可預測性。實驗的制定人員認為，通過事先確定好的實驗步驟，取得的實驗成果是可以預測的，并且他們相信，實驗過程是可以控制的，復雜的實驗過程，可以通過對實驗操作者、實驗對象、實驗內容以及實驗方法等控制整個實驗系統。研究人員特征或實驗環境的不同，可能產生不一樣的結果，根據特定條件上制定的實驗策略去預測研究成果是不合理的。

每一次相同的實驗步驟與方法，所作出的結果并不相同，因為它會受到實驗過程、人和環境的微小變化，都會導致實驗結果上的巨大差異。在實驗當中，實驗總會因為受到微小的差異而產生不確定的結果，到最后得到的結果與實驗的期望值相差甚遠，而導致實驗的重復。在實驗當中，科研人員花費大量的時間和精力在實驗的機械性重復上。實驗當中有稍小的人為為操作失誤，儀器試劑的不標準，都會導致實驗在現象、數值及結果上的千差萬別，這就為什么一個相同的實驗，按照相同的實驗步驟，得到的數值及現象結果總不盡相同，與所給的標準值有差別。因為我們實驗中受到某一點的影響，這個影響可能是試劑添加上有微小的偏差，儀器使用上的稍小失誤，在實驗過程中人的稍微不集中等等的這些微不足道的因素，到最后對實驗結果產生重大影響，而我們往往對這些因素很少關注。

(三)實驗室研究的獨立和封閉

混沌理論認為，任何一個封閉的系統，其自發演化的結果都會走向無序，達到熵最大化。由于學科與專業背景的不同，以及實驗室之間的互不信任，現在的實驗室研究具有較強的獨立性和封閉性。其主要體現在實驗室的研究不開放，不是本實驗室的人員，根本就很難進入該實驗室、實驗室的壁壘仍然很嚴重，在同行中實驗研究人員根本不清楚對方研究什么。在相關的交流過程中，他們也很少自己的最新想法創意及核心實驗部分研究告訴對方，只是老一套陳詞，很少達到交流的效果。實驗室的研究目前大多數僅僅只限于本實驗室的人員，儀器設備很難做到向外界開放，其只流于形式，其實驗室研究的成果也不及時向外界公布，為外界所了解。這種封閉的系統無法說明實驗室的創造性和平衡性。當實驗室處于封閉狀態時，由于同外界缺乏必要的物質和信息交流，閉目塞聽，往往會造成實驗研究上的局限：一方面對科學技術上的外部狀態缺乏了解，使其在制定研究方向和計劃模糊，導致研究的重復與落后；另一方面，由于缺乏對外界的交流，只是實驗室內部人員之間的單打獨斗，很難在不斷的交流和碰撞中產生火花，實驗室的研究也只是單調枯燥，缺乏活力與創造力，也往往難以有大的作為，實驗室研究成果也顯得很平常。

三、混沌理論對實驗室研究的啟示

實驗室系統是一個復雜的系統，以混沌理論的視角去思考當前中國實驗室的研究，從中尋找到的啟示。

(一)實驗室研究開放

混沌理論認為任何的系統都是開放的，實驗系統也不例外，實驗室的開放，研究上的靈活，顯示出不同學科和專業之間的信息交流和資源共享。只有實驗室的不斷開放，才能不斷的吐故納新，不斷的創造出新的東西，實驗室才能不斷的充滿活力。實驗室不斷的要加強跟外部實驗室的聯系，不斷的在交流中中碰撞產生思想的火花，不斷的發現不足，不斷的更新實驗室的做法，不斷促進科技的發展跟進步。

實驗室是一個開放耗散的自組織系統，實驗室的開放：一是實驗室對來自不同領域不同專業學科背景的人員開放，以達到不同學科之間的交流合作。二實對研究人員課題的選擇、研究方向上的開放，不做硬性的要求。三是時間上的開放，使實驗研究不受時間的限制，以及研究人員的工作休息時間不做強制性要求。四是研究信息的開放，實驗室在接受外來信息的同時，也應將本實驗室的研究動態及研究成果向外給予公布，以到達對系統內部的最優狀態，從而不斷促進實驗室的發展。

同時開放也要控制在一定的閾值，系統也是在一定的階段一定的閾值內達到最優狀態，所以實驗室的開放要根據不同時期的不同特點進行不同的開放，比如說實驗室建立之初，更多的是硬件設備的開放，從外部尋找更多的資源，促進實驗室自身的發展。實驗室在成熟階段更多的是實驗研究成果的不斷向外公布開放，讓外界了解科研，提供給外界的學習場所。

(二)實驗中的非線性發展

實驗室系統的復雜，它是由多種因素多方面作用非線性的一個發展過程，實驗室總要打破原有的平衡。實驗室當中的實驗對象，儀器設備具有多樣性，并且實驗研究研究人員之間也是具有差異的，實驗過程中的的變化是不確定的，實驗可能因為各種因素的作用會產生奇異的現象，從而使實驗室走向復雜性，從而使實驗的走向是非線性的。所以在實驗室研究當中我們應該使用復雜非線性科學的思維，以抵消簡單線性思維對實驗室的研究中的不良影響，在講究規劃實驗的同時，對實驗的非線性發展的關注，在我們實驗室研究當中同樣也遇到很多的這種偶然，異象，突發，不可預期等這些因素，我們應該對這些因素給關注與思考，并對這些因素進行研究，而不是為了達到實驗的計劃和目的，而對這些因素予以忽略。要做到在計劃確定性線性發展的同時也要注意到，其復雜以及非線性發展，在計劃之外的一面，從而從中尋找更多的科學發現。

(三)實驗中的蝴蝶效應

在實驗當中我們總會遇到超乎我們意外的事情，而這些超出實驗意外的事情總戶發揮出乎意料的作用，產生巨大的效應。倫琴因為在實驗過程中的實驗失誤，產生了不正常的現象，從而導致了X射線的發現；弗萊明因為在做葡萄菌實驗時意外的看到發霉的面包，從而發現了青霉素等等這些，在是因為實驗中出現的異象、偶然等這些變化，到最后導致重大科學成果的產生。

混沌理論中的蝴蝶效應告訴我們，一方面，要鼓勵對實驗產生的異常的研究，抓住實驗過程中的突發性的偶然事件以及思想的閃光點，進行科學研究，產生巨大的研究效果；另一方面，我們為了避免不好的初始條件對實驗的走向產生巨大的影響，我們應該使我們的儀器設備精確，試劑合格，人為操作正確，管理要科學規范，環境符合實驗研究的條件，研究人員應具備充足的科學知識等。讓實驗室形成一個自組織系統，內部科研人員主動自由的研究，激發他們的主動性和創造性，使實驗室充滿活力。實驗研究者應該通過實驗中混沌漲落過程，開動腦筋啟發智慧，不失時機的抓住實驗過程中具有突發、不可預期、具有極其復雜性的事件以及思想閃光，使其產生較巨大的科研效果。

混沌理論對實驗室的啟示遠不止以上研究例舉的，它對科技的影響是深遠的。從混沌理論里面我們是否能反思對我國現行的科研和人才培養模式，首先在科研方式上讓科研人員進行自由的研究，這是非常重要的一點，因為自由意味著，在一定程度上，使科研百花齊放，百家爭鳴。其次，在科研人才培養可以多樣化的培養模式，充分支持和鼓勵人才具有開創性的以及具有極其獨特性的科學研究，制定專門人才支撐計劃。最后，我們可以在國家制度的層面革去現時對科研的諸多不利因素，例如科研的選題、科研經費的分配、科研布局、科研的評價等多方面的不足和缺陷。

[1] 【美】愛德華.諾頓.洛倫茲.混沌的本質[M].劉式達譯.北京：氣象出版社，1997.

[2] 【德】H.哈肯.高等協同學[M].郭治安譯.北京：科學出版社，1989.

[3] 赫柏林.自然界中的有序和混沌[M]．北京：百科知識出版社，1984.

[4] 錢學森.論信息空間的大成智慧：思維科學、文學藝術與信息網絡的交融[M].上海交大出版社，2007.

[5] 普里高津等. 從混沌到有序[M]. 曾慶宏譯. 上海譯文出版社，1987.

[6] 【美】李天巖和約克年.周期三意味著混沌[J].美國數學月刊，1975.