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《大科技》封面文章：神奇转折点无处不在
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转载2003年09月 《大科技》杂志 一座大楼倒了，导致了好几个国家政权的灭亡；一个司机偶然拐错了弯，导致了一场世界大战；一块岩石不经意间断裂，导致了一次强烈的地震；森林中的一次闪电，导致了一场来势汹汹的森林大火，蝴蝶翅膀轻轻扇动几下，导致了一场狂风暴雨…… “9·11”新思考 两年前的9月11日，这个日子并不特别，但这一天在美国发生的一连串恐怖袭击事件，对世界格局产生的影响直到今天仍没有结束。 2001年9月11日，美国东部时间上午8点45分，一架从波士顿飞往纽约的美国航空公司的波音767飞机遭挟持，撞到了纽约曼哈顿世界贸易中心南侧大楼，飞机“撕开”了大楼，在大约距地面20层造成滚滚浓烟，并发生爆炸。9点3分，又一架飞机以极快的速度冲向世贸中心北侧大楼，飞机从大楼的一侧撞入，由另一侧穿出，并引起巨大爆炸。两起爆炸造成了数千人伤亡。10时30分左右，纽约世贸中心姊妹楼相继发生大规模坍塌，变成一片废墟。几乎与此同时，位于首都华盛顿中心的美国国防部五角大楼和国会山也遭到了恐怖袭击。 这不是一场孤立的恐怖袭击，它引发了一连串的多米诺骨牌效应：10月7日，美国对阿富汗发动军事进攻；12月初，阿富汗的塔利班政权垮台；2003年3月20日，与9·11袭击并无关联的伊拉克遭受美国军事攻击，4月10日，萨达姆政权灭亡；现在，美国又对朝鲜施加了愈来愈大的压力。——这一切表明，国际政治格局正在发生深刻变化。 在“9·11”之前，美国遭受到的大大小小的恐怖袭击不计其数，其中影响比较大的就有：2000年10月12日，美国“科尔”号军舰在也门亚登港口加油时遭袭击；1998年8月7日，美国驻肯尼亚和坦桑尼亚大使馆遭袭击；1995年4月19日，美国俄克拉荷马市的政府办公大楼发生爆炸；1993年2月26日，纽约世界贸易中心楼下的停车场发生爆炸；1988年12月21日，美国泛美航空公司一架自伦敦飞往纽约的波音747客机，在苏格兰小镇洛克比上空被藏在机上的炸弹炸成碎片。 但所有这些恐怖袭击都没有激发起更广阔的波澜，而是作为一个个孤立事件很快归于沉寂。只有“9·11”，成为一个深刻影响世界进程的事件而被载入史册。 从上述的事件过程中，我们可以看到，“9·11”是一个明显的分水岭、一个神奇的转折点。在一个复杂的动态系统中，如果很多变化已经累积，一个微小的扰动就能带来根本的改变，崭新的变化就会突然涌现，这种突然的变化就被成为“神奇转折点”。在转折点之前，事物在缓慢地变化着，只有引不起多大波澜的小效应，人们的感受并不是很明显。就像“9·11”之前的那么多恐怖袭击事件，并没有产生多米诺骨牌效应，也没有使美国的对外政策发生重大改变。但“9·11”之后，历史的既有轨迹被改变了，新的变化出现了。 这就像骆驼背上一堆稻草中的最后一根稻草，一个沙堆上的最后一粒沙。你可以把稻草不断地堆在骆驼背上，什么事也不会发生，直到你把一根跨过临界质量的稻草放上去，这个小改变可能使骆驼跨掉。你可以在海滩上堆出一个沙堆，沙堆越来越高、越来越陡，最终，仅仅加了一粒沙子，沙堆也会突然坍落。 转折点是我们所生存的宇宙中最为奇妙的现象之一，它遍及我们宇宙的几乎所有角落。我们的社会发展、生命演化、自然变迁、宇宙创生，无不与这神奇的转折点密切相关。 人类历史的转折点 在人类社会的历史中，像“9·11”这样的转折点不计其数。例如，20世纪80年代中期，没有人会相信苏联即将消失，但到了1990年8月17日，一场未遂的政变让一个强大的国家突然土崩瓦解，不到半年的时间，苏联解体了。 又例如，第一次世界大战是如何爆发的？是资本主义帝国之间根深蒂固的矛盾？还是别的什么原因？现在让我们从另一个角度来看看。美国著名科普作家马克·布查纳在《临界》一书中，对爆发第一次世界大战的转折点进行过极其精彩的描述： “1914日6月28日上午11时，萨拉热窝一个晴好的夏日上午，一辆汽车载着两名乘客，司机拐错了弯。这辆车本没打算离开大街，但它的确拐出了大街，上了一个没有退路的窄道。这并不是一个严重的错误，在拥挤不堪、尘土飞扬的街道上这种失误是难免的。但是这位司机这天犯的这个错误却打乱了无数人的宁静生活，改变了世界历史的进程。 “这辆车恰好停在了一位19岁的塞尔维亚学生加夫利罗·普林西普的前面。普林西普是塞尔维亚恐怖组织黑手党的成员，他几乎不能相信自己的运气竟如此好。他大步走到汽车跟前，从口袋里拔出一只小手枪瞄准，开了两枪。车上的两位乘客——奥匈帝国的弗兰兹·费迪南大公和他的妻子索菲娅在30分钟内双双毙命。几小时之后，欧洲的政治格局就土崩瓦解了。 “事发之后，奥地利以这次暗杀为借口，开始图谋入侵塞尔维亚。俄国保证要保护塞族人，而德国则表明如果俄国介入，他们将站在奥地利一边。仅在30天内，这种国际间威胁和承诺的链式反应将奥地利、俄国、德国、法国、英国和土耳其等国缠入了一个死结。当五年后第一次世界大战结束时，1000万人为此付出了生命。之后的20年间，欧洲陷入了一种无奈的沉寂中，这时第二次世界大战又夺去了3000万人的生命。仅在30年内，世界就遭受了两次重创。这是为什么呢？难道只因为一个司机的过错吗？” 当然不是司机的过错，但如果司机那天没有拐错弯，暗杀也许就不会发生，没有了导火线，各个国家虽然已经严重对立，但未必会打一场大战。也许随着时间的推移，各方对立情绪会逐渐缓和下来。这里，那个拐错弯的司机就是“骆驼背上的最后一根稻草”。 在人类的历史中，不仅政治上，经济上的转折点也很多。在20世纪20年代，美国的经济正处于繁荣的黄金时期，股票市场高潮迭起，没有人想到危机就近在眼前。但在1929年10月29日那个“黑色的星期二”，纽约华尔街证券市场股价狂跌，股市狂泻。就在那一天，这场金融恐慌导致了史无前例的经济大萧条，美国20世纪20年代经济繁荣的神话破产了。人们谴责规章制度上的错误，并放弃了古典自由主义的自由放任政策。这一事件促成了福利国家的兴起，永远改变了政府与公民的关系。 神奇转折点无处不在 事实上，神奇转折点——这一科学家最近发现的自然法则，其印迹无所不在：战争与政治危机、股票与经济周期、人口与环境污染、生态与物种灭绝、变异与生命进化、大脑与神经网络、地震与火山爆发、黑洞与星云坍陷……它触及到了我们这个复杂世界从社会到生命、从地球到宇宙、从粒子到星云的几乎所有领域。 公元1976年7月28日，北京时间3时42分53.8秒。夜幕笼罩下的唐山市，万籁俱寂。陡然，一道蓝光刺破夜空，紧接着，天穹旋转，大地抖动。街道、铁路、楼房，在强烈的摇撼之中错位、变形，倒塌……，这就是震惊中外的“7·28”唐山大地震。 23秒钟内，一座拥有百万人口的华北著名的工业城市，被夷为平地，变成一片废墟。强烈的震波还影响到我国东部的广大地区，北起黑龙江的满洲里，南至安徽蚌埠、江苏清江一线，东临渤海湾，西抵宁夏的石嘴山，14个省、市、自治区、200多万平方公里土地上居住的几亿人受到扰动。遭受地震破坏的区内民房大量倒塌，农田淤满泥沙，水渠、水井堵塞，公路，铁路、桥梁损毁。据京津唐地区累计，地震中死亡24.2万余人，重伤16.4万余人，轻伤者不计其数。 大地震是一种破坏性极强的突发性自然灾害，大地震的发生，往往在几秒至十几秒的瞬间即可释放出极具破坏力的巨大能量。在刚刚过去的20世纪里，数以千计的破坏性地震袭击了世界上众多的国家和地区，造成了大约150万人的死亡和难以计数的巨大经济损失。 地震预报至今仍然是一个尚未突破的世界性科学难题，目前能作出预报的地震还只是极少数，以至于有一种说法是：“只有傻瓜、骗子和说谎者才会预报地震”。地震为什么难以预测？地壳中的几小块岩石突然裂开了，这本身并没有什么稀奇——地壳的小规模变动每天都会发生，这是大陆板块相互摩擦而慢慢累积的压力引起的。但有时几小块岩石的断裂改变了附近其他岩石的受力，使它们也裂开了，这时，转折点就出现了——越来越多的岩石也随之断裂，很快，地震开始了。虽然今天我们对地震的物理机制有了完善的认识，但理解地震与预测地震是两码事，一次地震极有可能产生于一个我们永远也掌握不了的微小细节，因此我们对地震几乎无法做出准确的预报。我们的周围的确有着太多无法预测的突然事件：一场不期而至的地震；一场肆虐千里的森林大火；进化史上大量物种的突然灭绝；乃至人类社会中股市的波动、战争的爆发……一场惊天动地的灾变(或是革命)只是起于最初微小因素的不经意积累，当这种积累到达某个转折点时，结果不可收拾。至于以何种方式到达转折点，则难以预测：也许一个司机偶然拐错了弯就导致了一场世界大战；也许一块岩石不经意间断裂就导致了一次强烈的地震；也许森林中的一次闪电就导致了一场来势汹汹的森林大火，也许蝴蝶翅膀轻轻扇动几下就导致了一场狂风暴雨……诸如此类，不一而足。 转折点如何产生？ 转折点是如何产生的呢？ 首先，产生转折点的系统都包含有大量复杂的成分。天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴、水晶和空气，是含有多成分的复杂系统，因此地球的气候系统可以产生著名的“蝴蝶效应”：纽约的一只蝴蝶振翅飞舞，有可能引发上海一场猛烈的风暴。而一个小的、简单的系统是不可能产生复杂变化的，你看到过一只气球里面的翻云覆雨吗？一只气球里的蝴蝶即使一直振翅，永不停歇，也不会得到任何回应。 第二，产生转折点的系统必须是开放系统，必定同外界进行着物质与能量的交换。天空中的云一定会和周围的大气和云进行物质交换并和外界进行能量交换。 第三，产生转折点的系统必须处于一种临界状态，临界状态是一种界于平衡与非平衡之间的状态。当一个事物的系统处于平衡状态时，事物内部即使有小的变动，也不会导致整个系统的彻底改变，只有当新的情况不断出现，使得系统逐渐远离平衡状态，最终，在某一点上，系统到达临界状态，这时，只要有任意微小的因素介入，转折点就出现了。 当大气的冷流、暖流处于均衡状态时，蝴蝶无论怎么扇动翅膀都改变不了什么。只有当复杂的气候系统处于非常敏感的临界状态时，蝴蝶轻轻振翅，才有可能引起一场天气巨变。地震的情况也同样如此，地球上大陆板块的交汇处就是处于一种临界状态，大陆板块总是在缓慢而又不可逆转地漂移，使得地壳处于不可预测的变动中，任何一次微小的变动都有可能导致一次强烈的地震。 让我们看一看海滩上的孩子让沙粒缓缓流下而形成一堆沙的场景。开始的时候，沙堆是平的，沙粒很稳定，这是一种平衡状态，这时一粒沙的偶然移
动不会对沙堆产生任何影响。堆沙的过程在继续，沙堆变得越来越陡，开始有沙粒沿着沙堆滑动，沙堆在逐渐偏离平衡状态。随着时间的推移，沙粒的滑动越来越大，最终，一些滑动的沙粒甚至跨越了整个沙堆。这时，整个沙堆系统到达了临界状态，沙堆形成了崩溃的力量——转折点产生了，只要有一粒沙加上去，整个沙堆就发生了大规模的坍落。 自然界的复杂系统在远离平衡的临界状态上运作，微小的扰动可能导致以阵发的、混沌的、类似雪崩的形式演化。大多数的转折点都是通过灾难性的事件而不是通过遵循一种平和渐变的路线来实现的，地震、大灭绝，还有人类的工业革命和社会革命，都是这样的雪崩式演化。 临界状态对于我们这个世界意义重大。如果我们的世界永远处于稳定的平衡状态，那就不会产生任何新奇的事物，世界将守着僵死固定的法则和无休止的宁静，漫长、单调而乏味；反过来，如果我们的世界一直处于疯狂的非平衡状态中，任何事物随时随地都在改变，没有任何秩序和连续性可言，这也是个令人绝望的世界——我们会很快被折磨得发疯。只有在临界状态，我们的世界才充满趣味和希望，它既不是静止不动的，也不是任意变化，一切都有章可循，但又在不断产生出十分新奇的事物。 突现的性质 转折点最重要的特点就在于它具有突现性，也就是说，当事物从一个状态到另一个状态的跃变时，事物起了质的变化。新的信息会自发涌现出来，新的结构和秩序会自发创造出来。 在牛顿力学的机械观看来，物质的运动只是数量的增减和场所的变更，这是一种线性的变化。但是，在自然界发展、进化中，那些有重大意义的新事物的出现却是在量的变化越过一定关节点之后突然出现的。当我们把纯净的水加热到80℃、90℃，还看不到它有什么明显的变化，但在95℃以上，水中开始有小的气泡冒出，热水滋滋发响。再进一步加热到100℃，水的状态出现了突变。整个容器中水翻腾起来，气化的步伐大大加快。这时，一种新的气态结构出现了。 当一块磁铁处于常温状态下，磁铁里的原子会像一支训练有素军队一样排列得井然有序，所有的磁性箭头都指向同一个方向，它们的共同作用使整个磁铁显示出了磁性。但是如果给磁铁加热，热量会不断搅乱磁铁里的原子，使它们的磁性箭头排序变乱。当温度上升一个关键值时，原子的磁性箭头彻底变乱，整块磁铁的磁性消失了，磁铁呈现出新的性质。 时间本身也是突现的产物。单一的粒子可以在时间中向前或向后移
动，你根本分不清它的方向，失去了方向，时间也就可以说不存在了。可是把一批原子放到一起后，时间本身就突现出来，显示出了它的方向：泼出去的水再也收不回来，打碎的镜子再也不能复原，白发苍苍的老者再也回不到青春时代……可是在任何原子中，都找不到任何时间的痕迹。 我们的宇宙是一个永远充满活力的开放系统，一切简化的模型都是现实的一种近似，实在的宇宙是一个向着无限复杂性演化的超巨系统。在这个宇宙里，每时每刻都有新的星体创生和旧的星体死亡，遥远的爆炸声时时响起，而地球上也在随时随地发生着十分复杂的变化：人和动物在出生、成长、衰老、死亡；植物在出苗、开花、结果、枯萎；沧海在变成桑田……随着时间的流逝，自然界在发生着丰富多彩却一去不复返的变化。如此众多的变化正是来源于突现的性质——这宇宙中令人惊讶的深层秩序。 无中可以生有 转折点在我们的宇宙中具有极为重要的意义。我们今天复杂广阔的宇宙就是由无数大大小小的转折点带来的，复杂的生命现象也是因了转折点才产生的。 为什么我们所处的世界如此复杂，而物理规律却如此简单？为什么大爆炸导致复杂性不断增加，地球上有了生命，产生了具有智慧的人类，最终形成了复杂的社会，而不是像通常的爆炸那样产生一些简单的气体粒子？宇宙怎样以大爆炸中产生的几种基本粒子开始而进化成复杂的星球、生命和社会结构？转折点所包含的突现性给了我们解答这些问题的可能性。 我们的宇宙是从“无”中突然产生的，“宇宙大爆炸”是在一片空无中突然开始的，大量粒子也是在宇宙大爆炸后突然产生的。量子理论表明，时空和粒子都可以自发地、没有原因地创生和毁灭，一个粒子可以突然产生，一小块空间也会从原先没有任何空间的地方出现。这是宇宙的第一个转折点——“无”中突然生出“有”。 随着宇宙的膨胀，空间的扩大，宇宙中的粒子越来越丰富，粒子之间的相互作用越来越多。量变引发质变，粒子本身的复杂性也随之增加，宇宙中会不断出现大大小小的转折点。最终，新的性质出现了，新的物质诞生了，而新的物质又进一步促进了更多的复杂性和丰富性。我们可以举一个简单的例子：单一的原子没有粗糙、易碎或甜味这些特性，然而当它们以某种方式排列组合成物质时，它们突然有了如颜色、味道、导电性、强度等等性质。这就是量变引发质变，在这个转变过程中，转折点表现出了突现的性质。 生命的诞生也与突现的性质有关，如果没有突现的性质，生命是不可能出现的。科学家计算过，由原子随意排列成DNA分子的可能性微乎其微，大约只有1040000分之一的概率，按照这个概率，即使有几十亿倍目前宇宙年龄的时间，生命都不会成形。这就好比一阵旋风吹过一家飞机制造厂，将所有的散乱零件刮起来然后组装成一架性能良好的大客机！或者一只猴子乱弹钢琴，居然弹出了一首世界名曲！这样不可思议的事情能够发生吗？可它偏偏发生了！ 生命，从根本上讲，是多种分子集合起来时不断催化的结果：一个孤立的分子在任何情况下都不能形成什么转折点，也不会产生新的令人惊讶的变化；但一个合起来的集体分子系统就是活的，它能够创造新的物质，产生新的秩序。一个由10个分子和百万分之一催化几率组成的简单系统只不过是一组死气沉沉的分子，这10个分子中，没有任何一个能够催化其它分子的任何反应，在这盘死气沉沉的分子汤里将不会发生任何事件。如果增加了分子的种类，并增加它们的原子复杂性，它们之间就会催化出越来越多的化学反应，最终会出现质的变化。 这就是突现的性质所起的作用。在地球早期，当一道原始化学汤里的分子种类超过特定的数目时，转折点便发生了——分子多样性本身引起了自己的大爆炸！细胞彼此间相互作用，创生了新型的分子，这些分子同样富有创造性，马上产生出更加多样的分子。这时，一个自我支持的反应网络，一个自我催化的代谢机制，就会倏然出现，最初的生命诞生了！也就是说，生命是在复杂的分子系统中自发产生出来的！ 不仅生命的出现来自于突现的性质，生命的进化也同样有赖于突现的性质。我们知道，生命在诞生后的差不多30亿年中，其形态一直停顿不前，就是一些简单的单细胞生物。然而，到了5.5亿年前的寒武纪，生命形式突然来了一次大爆炸，进化的创意突然迸发，天上飞的、水中游的、地上走的、地底爬的，挤满了地球的每一个角落、每一道缝隙，似乎所有的生命都一下子创生出来。这个问题用达尔文进化论是无法解释的，只能用转折点——突现的性质来解释，大自然突然间往前一跃，生命系统一下子进入了新的境界。 可以说，如果没有神奇转折点，如果没有转折点所表现出来的突现的性质，我们的宇宙就不会有今天这样的浩淼无边和丰富多彩，我们这样高级的智慧生命也永远不可能出现。今天，神奇的转折点又在人类文明的系统中现出身影，在战争、经济、城市交通等诸多领域显示着自身的意义，人类文明的发展与转折点息息相关。桂之隆/文
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关于出版《探索——北京相对论研究联谊会首届年会论文集（乙种本）》的通知 《探索——北京相对论研究联谊会首届年会论文集（甲种本）》后记
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