科學演化理論的形成與發展
——科學發展的人文歷程漫話之十八(下)

錢時惕

(河北大學 河北 保定 071002)

1 對宇宙認識的爭論與進展[1]

1．1 地心說與日心說之爭

本來，地心說與日心說之爭，完全屬于學術(科學)本身的爭論，但由于地心說被納入基督教思想體系，使日心說與地心說之爭卷入科學與宗教之沖突.

在基督教的歷史中，由于托馬斯(A.Thomas，1224～1274年)把亞里士多德學說與基督教思想相結合而開辟了基督教神學發展的新道路.這個托馬斯在吸取亞里士多德的思想時，也接受了托勒密的地心說.在基督教看來，人是上帝根據自己形象創造的，而日月星又是上帝為了人而創造的.因此，人居住的地方理應在宇宙的中心.這種觀點，與托勒密的地心說是相符的.基督教思想與托勒密理論的結合，就形成了“地球在宇宙中心，上有天堂、下有地獄”的構想，這正是中世紀末日審判畫面,再加上《圣經》上所謂“約書亞要太陽停止而不是地球停止”的故事以及贊美“將大地置于它牢固的基礎上，使其不得移動”的詩句,托勒密地心說就被納入了基督教的思想體系.1543年哥白尼出版了《天體運行論》一書.在該書中，哥白尼建立了不同于托勒密的新宇宙模型(日心說)，成為“反叛”基督教神權的革命并逐漸被科學界所接受.

1.2 牛頓的宇宙模型及其困難

按牛頓觀點，空間被理解為無限大的箱子，宇宙也就變成無邊無際的了.宇宙是一個三維的歐幾里得空間，在任何一個方向都可以無限伸展下去.在無限大的箱子中，布滿了無限多的天體，這些天體在萬有引力作用下按牛頓定律運動，這就是牛頓的宇宙圖景.

然而，這種宇宙圖景在解釋經驗事實上遇到了困難：光度佯謬——整個宇宙天空，黑夜將象白天一樣光亮；引力佯謬——對整個物質世界來說，計算出的引力勢在空間每一點上都是無限大.

1.3 膨脹的宇宙模型

1912年維斯托·斯里弗爾(Vesto Slipher,1875～1969年)首次測量了一個“旋渦星云”(“旋渦星云”是當時對旋渦星系的舊稱法)的多普勒頻移，其后他和卡·懷茲(C.Wirtz,1876～1939年)證實了絕大多數類似的星云都在退離地球.不過斯里弗爾并沒有因此聯想到這個觀測結果對宇宙學的意義.

1917年愛因斯坦將廣義相對論理論應用到整個宇宙，發表了標志著物理宇宙學誕生的論文《根據廣義相對論對宇宙學所做的考察》，得到著名的有限無邊的宇宙結構模型.所謂有限，指的是空間體積有限；所謂無邊，指的是這個三維空間并不是一個更大的三維空間中的一部分，它已經包括了全部空間.不過，從廣義相對論出發建立的宇宙模型不是靜態的.

1922年，蘇聯宇宙學家、數學家亞歷山大·弗里德曼(A.A.Friedmann,1888～1925年)在愛因斯坦引力場方程基礎上推導出弗里德曼方程，通過選取適當的參數，從弗里德曼方程得到的宇宙模型可以膨脹或收縮.

1927年，比利時物理學家、天主教牧師喬治·勒梅特(Lematre,1894～ 1966年)在不了解弗里德曼工作的情況下獨立提出了星云后退現象(1912年斯里弗爾首次發現)的原因是宇宙在膨脹 .

1929年哈勃(Hubble，1889～1953年)發現，星系遠離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比，這就是所謂哈勃定律.哈勃定律說明宇宙在膨脹.

1.4 大爆炸宇宙論

1931年勒梅特進一步指出，宇宙正在進行的膨脹意味著它在時間反演上會發生坍縮，這種情形會一直發生下去直到它不能再坍縮為止，此時宇宙中的所有質量都會集中到一個幾何尺寸很小的“原生原子”上，時間和空間的結構就是從這個“原生原子”所產生.勒梅特本人將其稱作“原生原子的假說”.宇宙大爆炸一詞首先是由英國天文學家弗雷德·霍伊爾(Hoyle，1915 ～2001年)所采用的.霍伊爾是與大爆炸對立的宇宙學模型——穩恒態理論的倡導者，他在1949年3月BBC的一次廣播節目中將勒梅特等人的理論稱作“大爆炸的觀點”.

第二次世界大戰以后，宇宙膨脹的觀點引出了兩種互相對立的可能理論：一種理論是由勒梅特提出，喬治·伽莫夫(Gamov，1904～1968年)支持和完善的大爆炸理論.伽莫夫提出了太初核合成理論.另一種理論則是英國天文學家弗雷德·霍伊爾等人提出的穩恒態宇宙模型.在穩恒態宇宙模型里，新物質在星系遠離留下的空間中不斷產生，從而宇宙在任何時候看上去都基本不變化.之后的許多年，這兩種理論并立，但射電源計數等一系列觀測證據使天平逐漸向大爆炸理論傾斜.1965年，宇宙微波背景輻射的發現和確認更使絕大多數物理學家都相信，大爆炸是能描述宇宙起源和演化的最好理論.根據2010年所得到的最佳觀測結果，這些初始狀態大約存在于133億年至139億年前.

1.5 宇宙大爆炸論的社會反響

宇宙大爆炸理論本身是一種科學理論，它的成立是建立在和觀測相符合的基礎上的.但作為一個闡述“實在”起源的理論，他與神學和哲學有著密切關系.

20世紀20～30年代，主流宇宙學家都更喜歡穩恒態理論，他們指責大爆炸理論提出的宇宙在時間上的開端是將宗教概念引入了物理學中，而大爆炸理論的創始人之一，喬治·勒梅特是一位羅馬天主教牧師似乎為這種意見找到佐證.

基督教教會則對宇宙大爆炸理論表示滿意，1951年11月22日庇護十二世教皇在教皇科學學會的開幕會上聲稱大爆炸理論支持《圣經》上的創世說.

在我國，從1973年初至1976年秋，在四人幫組織下，“上海理科批判組”等，在全國性的報刊和學術雜志上，至少發表了30篇批判宇宙大爆炸理論文章[2].指責宇宙大爆炸理論為反動的神學服務.實際上，宇宙大爆炸理論是繼經典力學把上帝趕出太陽系之后，進一步把上帝驅出現行茫茫宇宙之外.當然，由于宇宙大爆炸理論尚不能回答原始爆炸的原因，給神學留了一點活動空間.這是科學進一步要研究的問題[3].

2 化學進化與生命的起源[4]

化學進化論最初由蘇聯學者A·奧巴林(1924年) 和英國學者 J·B·S·霍爾丹(1929年)提出.1936年奧巴林出版的《地球上生命的起源》一書，是世界上第一部全面論述生命起源問題的專著.他認為原始地球上無游離氧的還原性大氣在短波紫外線等能源作用下能生成簡單的有機物(生物小分子)，生物小分子可生成復雜有機物(生物大分子)并在原始海洋中形成多分子體系的團聚體，后者經過長期的演變和“自然選擇”，終于出現了原始生命.關于化學進化的基本過程目前的認識如下.

(1)由無機物生成有機小分子.1952年美國芝加哥大學研究生米勒(S.L.miller)，在其導師尤里(H.C.Urey)指導下，進行了模擬原始大氣中雷鳴閃電的實驗，共得到了20種有機化合物，其中11種氨基酸中有4種(甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白質所含有的.以后其他學者又進行了大量的模擬實驗，或改用紫外線、高溫、強的陽光等作能源，結果都能產生氨基酸.

(2)生物大分子的合成.可以推想，被雨水沖淋到原始海洋中的有機小分子(單體)，經過彼此的相互作用，可以形成蛋白質、核酸等生物大分子.這一步已得到實驗證實.

(3)多分子體系的出現.生物大分子必須組成體系、形成界膜才能與周圍環境明確分開，才可能進一步演變.目前，多分子體系的出現有兩種實驗模型在開展研究.

(4)多分子體系進化為原始生命.這是生命起源最關鍵的一步.這里有兩個重要問題要解決,一個是生物膜如何產生，另一個則是遺傳器怎樣起源.對這兩個問題目前尚無實驗模型能加以說明，僅憑一些間接資料進行推測.

化學進化顯然不限于原始地球，在宇宙和其他天體上也會發生.星際分子和隕石中有機物的發現證實了這一點.1969年9月墜落在澳大利亞東南部默奇森鎮的隕石，經分析發現含有多種氨基酸，其種類與含量同米勒放電實驗生成的相當一致.這就表明，原始大氣由無機物生成生物小分子不但是可能的，而且這種過程在宇宙間仍在發生.

3 世界統一進化鏈的揭示[5]

綜合宇宙大爆炸論、化學進化論、生命的起源論與生物進化論、社會進化學說，現代科學已揭示出世界統一進化鏈，如圖1所示，包括以下幾方面.

(1)物理進化.原始爆炸(10-43s，溫度可以達到1031K)→各種粒子的相互碰撞、相互轉化處于平衡之中(原始爆炸后10-6s，1013K)→平衡中止(原始爆炸后1 s，1010K )→氦的形成(原始爆炸后30 min，108K)→元素復合(原始爆炸后2×105年，4×103K)→觀察到第一個星系(原始爆炸后7×109年，)→目前狀態(133億年，3 K ).

(2)化學進化.元素復合(原始爆炸后2×105年，C,H,O,N等)→星際小分子(CH4,H2,H2O,NH3等)→生物小分子(氨基酸、核甘酸等)→生物大分子(蛋白質、核酸等).

(3)生物進化.生物大分子(蛋白質、核酸等)→原始細胞→原核細胞→真核單細胞→真核多細胞→低等生物……人類出現.

(4)社會進化.按社會主要生產關系進化有，原始社會→封建社會→資本主義社會→社會主義社會→共產主義社會；按社會主要生產力形態進化有，農業文明→工業文明→信息文明.

這個世界統一進化鏈(圖1)的時間跨度約130億年，空間范圍130億光年，在這個范圍內發生的現象，都可在這個進化鏈中找到其適當地位并得到合理的解釋.

圖1 世界統一進化鏈

4 現代科學對演化問題的認識[6]

4．1 兩種截然相反的演化圖景

在物理學中，19世紀中葉建立的熱力學第二定律，被克勞修斯(R.Clausius,1822～1888年)表述為熵增原理：一個孤立系統，總要朝著熵增的方向演化，即一個孤立系統總是走向均勻、簡單、無差別、無序狀態.正是依據熵增原理，克勞修斯得出宇宙必將“熱寂”的結論.

然而，在生物學中，達爾文(C.R.Darwin,1797～1895年)的生物進化論，卻提供了完全相反的演化圖像.按照生物進化論，生命世界經歷了一個從低級到高級、從簡單到復雜的演化.

自然科學提供了兩種截然相反的演化圖景，其原因何在?正是試圖回答并研究這個問題，普里高津(I.Prigogine，1917～2003年)1967年在一次“理論物理與生物學”的國際會議上提出了耗散結構理論.

4.2 耗散結構理論的基本內容[7]

耗散結構理論指出,對于一個與外界有物質、能量、信息交換的開放系統來說，熵的變化可以分為兩部分，見圖2，一部分是系統本身由于不可逆過程引起的熵增加(diS)，這一項永遠是正的；另一部分是系統與外界交換物質、能量、信息引起的熵流(deS)，這一項可正、可負.整個系統熵的變化dS，就可以寫作兩項之和

dS=deS(熵流)+diS(熵增加)

圖2 熵流

根據熱力學第二定律，在孤立系統中，由于不可逆過程引起熵增加diS≥0，對孤立系統來說，沒有熵流， deS=0.而在開放系統中，熵流deS可以大于或小于零.如果deS為負值，其絕對值又大于diS，則

dS=deS+diS<0

這時總熵可以逐步減少，系統由無序趨向新的有序.在什么條件下，系統才可能實現從無序走向有序呢?

普里高津進一步指出，系統從無序走向有序必須滿足三個條件：其一，系統是開放的；其二，系統遠離平衡態；其三，系統內存在非線性相互作用.

按耗散結構理論，自然科學中的兩種演化方向的矛盾僅僅是表觀的.原來，熱力學第二定律揭示的是一個孤立的處于熱平衡狀態系統的演化(退化)方向；而生物進化論揭示的是一種開放的、遠離平衡態、存在著非線性相互作用的系統的演化(進化)方向.它們各自適用于不同條件.后一種演化(進化)，不僅存在于生命世界，也存在于非生命(力學、物理、化學等)世界，還存在于人類社會.

4.3 協同學 突變論 超循環論等系統演化學說

除耗散結構理論，其他科學家從不同角度研究了系統的演化問題.其中較為著名的有協同學、超循環論.

4.3.1 協同學

德國物理學家哈肯(H·Haken,1927年～ )1977年出版了《協同學導論》一書，給出了協同學的理論體系，標志著協同學的誕生.協同學認為，系統性質的改變是由于系統中要素、子系統之間的相互作用所造成的.任何系統的子系統都有兩種演化趨向，一種是自發地傾向無規無序的運動，這是系統瓦解走向無序的重要原因；另一種是子系統之間的關聯引起的協調、合作運動，這是系統自發走向有序的重要原因.系統到底是自發地發生從無序到有序還是從有序到無序，就取決于其中哪一種演化趨勢占主導地位.協同學采用相變理論中的序參量概念來描述一個系統的宏觀有序的程度，用序參量來刻劃系統從無序到有序的轉變，從而大大加深了我們對于系統演化的內部機制的認識.

4.3.2 超循環論

德國化學家及生物物理學家艾根(M·Eigen,1927年～ )1972年在德國的《自然雜志》上發表了《物質的自組織和生物大分子的進化》一文，正式建立超循環理論.

超循環理論提出，在關于生命起源的化學進化和生物進化之間，還有一個生物大分子自組織進化階段，隨機無序的大分子通過采取循環形式的自組織，發展起來有序的組織，并向更高的組織和復雜性進化，從而最終導致了生命的起源.超循環理論認為，相互作用、因果轉化構成循環，這成為超循環理論的一個基本出發點，也是我們理解超循環基本思想的一個關鍵.超循環理論結合化學、生物學等領域的成果，考察了自然界的種種循環現象，從而提出了循環等級學說.超循環論從研究生物大分子的進化問題出發，揭示了系統的演化發展采取了循環發展形式：從低級循環到高級循環，不同的循環層次與一定的發展水平相聯系，因而，具有普遍意義.

參考文獻

1 埃里克·簡森.宇宙簡史.上海： 上海科學技術文獻出版社，2011

2 屈儆誠，許良英．關于我國“文化大革命”時期批判愛因斯坦和相對論運動的初步考查．收入許良英主編，愛因斯坦研究.北京：科學出版社，1989

3 錢時惕.科學與宗教的關系及其歷史演變.北京：人民出版社，2002

4 A·N·奧巴林.地球上生命的起源.北京：科學出版社，1960

5 錢時惕.世界統一性問題的現代認識.哲學研究，1985(12)

6 錢時惕.對發展問題的現代理解.哲學動態，1992(2)

7 普里高津.從混沌到有序.上海：上海譯文出版社，1987