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系统科学思维科学与人体科学钱学森
系统科学、思维科学与人体科学---钱学森
研究现代科学技术的发展,也自然会提出科学技术体系的结构问题[1]。
在自然科学、数学科学和社会科学这三大部门之外,现在似乎应该考虑三个新的、正在形成的大部门:
系统科学、思维科学和人体科学[2]。
关于这三个部门,我在以前的几篇文章[2,3,4]中曾讲了一些初步看法,也得到了同专们对这些看法的意见。
这些意见促使我进一步考虑这三大部门科学的发展和结构问题,在这里我将谈谈一些想法,请大家讨论,批评指正。
一先说系统科学这个大部门。
以前我看到大力发展一类新的工程技术——系统工程的必要性,因而提议进一步发展和深入研究这类工程技术的理论基础。
目前系统工程,除了与各门系统工程专业有关的专门学问,如工程系统工程的应用力学、机械设计、电力工程等之外,各专业系统工程的共同理论基础是运筹学;而今后进一步发展也要用到与运筹学相关的控制论。
但是运筹学在现代科学技术体系中是紧靠工程技术实践的一般理论,属于我们称为技术科学的那类科学,技术科学是趋势为工程技术服务的;也可以说实践经验的理论总结,首先达到的台阶是技术科学。
控制论这一门
20世纪前半叶从自动控制技术成长起来的新科学也是技术科学。
但在技术科学这个台阶之上,应该还有一个台阶,即基础科学。
在自然科学这个大部门中,例如物理学是基础科学,化学是基础科学,系统工程这类工程技术迈到运筹学以及控制论这一级台阶不会就停止不动,上面还有它们的基础科学。
但什么是它们的基础科学呢?
这是从观代科学技术体系这一观点或科学学[1]的观点不能不提出的课题。
换句话说,也就是要建立系统科学的结构体系[3]。
关于系统科学的基础科学这一问题,我以前没有答案,而只是模糊地提问道[3]:
运筹学的进一步精炼会不会出一门理论事理学?
控制论（包括工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论的进一步精炼会不会出一门理论控制论?
这种提法,只引起我们思索,而没有指明途径,不解决问题。
要有进展,我们必须从系统工程的范围中走出来,在更大的视野中去考察。
我们看到生物学界的发展,正如罗申（R.Rosen在不久前的一篇论文中[5]所讲的,18世纪以来的近代科学发展,在自然科学的研究中占主导地位的是还原论和经验论的方法,或形而上学的方法,这在当时是一个伟大的进步,是对古人的反击和革命;古代人们直观地以有机物或神灵主宰一切。
然而,罗中似乎忘记了从神灵到拉普拉斯的机械论之间也曾有过古代的唯物主义和辩证法;近代科学方法是从古代唯物主义发展而来的。
罗中指出,近代科学的这种只重分析与实验的方法,在生物学的研究中把生物解剖得越来越纲,近四五十年更是攻打到了分子的层次。
我们可以说把生命现象分解为分子与分子的相互作用,现在已取得了伟大的、惊人的成就,建立了分子生物学这门有非常充实内容的科学。
但在这一发展面前,也有许多生物学家感到失望,我们知道得越细、越多,反而失去全貌,感到对生命的理解仍然很渺茫好象知道得越少了。
50年前冯·贝塔朗费比较明确地认识到这一点,他开始所谓理论生物学（Theorethche
Biologiep1932的研究,要从生物的整体,把生物整体及其环境作为一个大系统来研究。
冯·贝塔朗费还由此创立了他称为一般系统论（
generalsy3temtheory的科学[6]。
还把它应用到广泛问题的研究,例如研究人的生理,人的心理以及社会现象等。
一般系统论这一学科来源于生物学研究,是一个重要发展。
王兴成同志在介绍它时[7]把其基本原则归纳为一是整体性原则二是相互联系的原则,三是有序性原则,四是动态原则。
既然一般系统论是研究系统,一、二两条基本原则是容易理解的。
三、四两条基本原则有些新鲜:
它们来源于观察生物和生命现象。
生物有一个有条不索的构造,而且能有目的地生长和演化,这看来是生命所特有的。
生物一死,构造立即开始破坏,生长和演化也立即停止,转入分解。
所以一般系统论的核心是这后两条基本原则。
冯·贝塔朗费等人,首先认识到这个生命所特有的现象与物理学中热力学第二定律说的不同:
热力学第二定律说一个封闭系统（同周围环境没有能量和物质交换的有限大的系统的嫡只能增加,看来越变越无序,而不是走向有序。
抓住这一点,一般系统论强调系统的开放性,‘即系统要同周围环境有能量和物质的交换。
一般系统论的一个重要成果是把生物和生命现象的有序性和目的性同系统的结构稳定性联系起来:
有序,因为只有这样才使系统结构稳定;有目的,因为系统要走向最稳定的系统结构。
这个概念当然与现代科学中的控制论有关。
但是,由于生物和生命现象的高度复杂性,理论生物学家搞一般系统论遇到的困难很大。
几十年来,一股系统论基本上处于概念的阐发,理论的具体和定量结果还很少。
当然,他们抱的希望还是很高的,罗申[6]就说:
“从演化的角度来看,生物学可认为是一部告诉人们如何有效地解决复杂问题的百科全书,以及解决这些问题中要避免的事项。
生物学给我们提供了如何在大而成员各有不同的集体中进行合作而不是竞争的实例,从而证阴这种集体合作是可能的、存在的。
”（当然他在这里把合作和竞争割裂了,在生物界里,合作与竞争也是辩证地统一的。
复杂系统中的结构稳定性代表着有序性,但这稳定性到底是怎么产生的呢?
首先给出这方面线索的是普里戈金（1.Prigogine和由他率领的所谓比利时布鲁塞尔学派。
他们在几十年的工作中,首先从平衡态热力学出发,研究了稍为偏离平衡态的热力学,从而得到处理一般不均匀物质中各种传递过程的理论。
其中利用了昂萨格（Onsargr关于传递系数的对易定理,这就是由这个学派创立的非平衡态热力学。
普里戈金由此再向远离平衡态的方向推进。
他发现只要化学反应的速度不是大到使分子运动的速度分布比超麦克斯韦平衡态分布有过分的畸变,那么线性传递关系,也就是输运流强与物态的空间梯度成线性关系,仍然是正确的,尽管现在传递系数必须作为局部物态的函数。
这就使得他们的非平衡态热力学,可以推广到远离平衡态的情况。
他们由此发现了远离平衡态的稳定结构,也就是所谓“耗散结构”（dissipativestrtlcttireCn,并认为耗散结构就是一般系统论中要找的具有有序注的系统稳定结构。
他们的系统合乎理论生物学的规定:
从热力学的角度来看,系统必须是开放的。
系统本身尽管在产生嫡,但系统又同时向环境输出嫡,输出大于生产,系统保留的嫡在减少,所以定向有序。
布鲁塞尔学派的这些成就把理论生物学推进了一大步,使一般系统论的有序结构稳定性有了严密的理论根据。
系统自己走向有序结构就可称为系统自组织,这个理论也可称为系统的自组织理论。
二
但是只从热力学考虑问题,只从宏观研究问题,虽然可信,总给人以隔靴搔痒之感,不透彻。
我们要深入到微观,从系统的每一个细微环节来考察全系统的运动。
在这方面,从比较简单的系统做起的控制论,近年来有一个新发展,即巨系统理论。
巨系统理论着重分析系统的层次结构;一级管一级,同级结构之间有一定的独立性。
这诚然是个微观理论,但直接把巨系统理论用于生物,从细胞作为基层单元开始;或用于社会经济,从每个企业、每个生产队作为基层单元开始:
那就要把亿万个细胞,千百万个企业、生产队,一齐进入计算分析,毕竟太繁琐,无法取痒具体结果,所以直接从微观来考察系统又不实际,不现实。
这一进退两难的处境,正如当年人们认识到气体由相互作用的亿亿万万个分子组成,一对分子的相互作用的规律是清楚的,就是分子太多,作为这亿亿万万分子整体的系统一气体的性质,却无法取得具体结果。
我们需要一个微观过度到宏观的理论。
实现这一过渡的奥秘在于:
我们其实并不需要知道每一个分子的运动才能知道作为整体的气体的性质,宏观知识不要求知道那么多细节。
这一认识使19世纪后半叶的物理学家发展了一门新学科一
统计力学,不求知道每个分子的运动,但求得到整体分子的平均行为。
统计力学使得热力学这一宏观规律的学问能通过分子的微观运动来解释,微观到宏观的道路打通了。
这是近代物理学的一项辉煌成就。
它绘我们一个启示:
在研究复杂的巨系统中,我们也要与用统计方法,才能透彻地看到局部到整体的过渡,才能避开不必要的细节,把握注主要的现象。
啥肯（I:
ermanaHar1:
en[9]就是用这样的观点柬研究系统行为的。
他的工作是从60年代研究激光发射机理开始的。
由于当时现代科学校术的多方面成果已经摆在他面前,他吸收了概率论,信息论和控制论的有关部分,并且从’些平衡态,细超导现象和铁磁现象的理论发现,有序结构的出观并不是非远离平衡不可。
超导体和铣磁体的结构是一种有序结构,就连液体和固体结构也在一定程度上是有序的,而它们都可以在热力学平衡下,从无序的状态产生。
哈肯还发现激光发射这种远离平衡态的系统与上述平衡态的系统,在形成系统的有序结构的机理方面是相似的,都是本系统固有的性质。
这就是说关键不在于热力学平衡还是热力学不平衡,也不在于离平衡有多远,而在于下面的情况:
系统的详细运动或微观描述可以用一大组联立一阶时间导数的常微分方程来表达,有多少个描述系统状态的变数,方程组的方程就有多少。
对复杂的系统来说,描述系统的蛮数在某瞬阔可以成千上万,上亿万,但不管多少,用一个座标标出一个系统变换的值,那系统的瞬间状态总可以用这样一个许许多多互相垂直的座标轴所形成的多维空间中的一个点来表达。
这个多维空间在统计力学中称相空间,系统随时间的变化,就是这个代表系统状态的点在相空阅随时间的移动。
所以,如果系统自己要定向一种有序结构,那就是说代表那种系统有序结构的点是系统的目标,不管从空间的那一点开始,终归要走到这个代表有序结构的点。
更复杂的情况也可以出观,有序结构不是固定不随时间变的,而是一种往返重复的振荡,那就在相空间有一个封闭的环,这个环就是系统的目标。
如果还要把在有序结构点或往返重复振荡附近的随机涨落也包括进去,那就说在相空间的这种点或环是不那么清晰的,有些模糊。
哈肯的贡献在于具体地解释上述相空间的“目的点”或“目的环”是怎么出现的。
他的理论阐明,所谓目的,就是在绘定购环境中,系统只有在目的点戎目的环上才是稳定的,离开了就不稳定,系统自己要拖到点或环上才能罢休。
这也就是系统的自组织。
研究社空问系统购稳定性,哈肯得力于托姆（R.Tllom的突变论。
所以哈肯是综合了现代理论科学的许多成就才创立了他的系统理论的,他称他和他一起工作者的理论为“协合学”（n或“协同学”（syncrgetks,并把它应用到物理现象、化学和生物化学现象以及生物现象,甚至用到社会现象。
从上节和本节的阐述,可以看到系统理论的研究是多么广阔的一条战线。
一方面是各种系统工程的实践带来了运筹学以及控制论,特别是巨系统理论的发展;另一方面是理论生物学的研究带出了一般系统论,同时推动了非平衡态热力学的研究,产生了开放系统远离热力学平衡的耗散结构概念,作为有序性、自组织的理论。
近年来,哈肯综合了现代科学的多方面成就,建立了比较深刻的系统理论,打破了热力学封闭或开放的隔阂,甩开了经典热力学概念的牵制。
当然,布鲁塞尔学派、哈肯学派以及一般系统论都还在进一步发,而且我们也远不能把有关系统理论的研究都归纳为这几方面,还有我没有讲到的研究工作。
把所有这些成果同运筹学、控制论结合起来,建立一门系统的基础理论科学---“系统学”,看来是不会太远了,而系统科学这一科学技术部门的体系可以建立起来了。
这比我以前讲的具体得多,毕竟有了一个系统学的形象轮廓了,这是扩大视野带来的好处。
我们可以预期系统学的结果也将帮助理论生物学和其他科学理论的发展。
本文后面将会提到。
系统学的建立也将向马克思主义哲学提供深化和发展的素材。
普里戈金的开放系统强调了世界的一个局部可以走向有序的结论是很有启发性的,它使我们从经典热力学的窒息气氛中解放出来,再也不必去召唤麦克斯韦的幽灵来减小菜处的嫡了〔10。
当然,由此而深化和发展了的哲学又反过来指导科学技术的研究,而且将不只是对系统学本身,也对整个系统科学有意义,并且对其他科学、其他技术也都有深刻的意义。
从马克思主义哲学到系统学的桥梁,可以称为“系统观”或“系统论”,它将成为辩证唯物主义的一个组成部分。
三
现在我来讲本文的第二个题目,思维科学以前[2]我没有明确思维科学的研究范围。
为了与本文的再下一个题目人体科学划清研究领域,我想思维科学似乎应该是专门研穷人的有意识的思维,即入自己能加以控制的思维。
下意识不包括在思维科学的研究范围,而归人人体科学的研究范围,是心理学的事。
当然这个划分不是一成不变的;非意识的或现在还不能控制的大脑活动,将来也有可能终于为人所认识,变成可以控制的了,那就会归入思维科学的范围。
我以前也说过,在思维科学和马克思主义哲学之间的桥梁是认识论。
我现在仍然认为可以这样讲。
当然思维科学的发展会大大丰富认识论的内容,从而也为马克思主义哲学提供发展的材料。
明确了思维科学和哲学的关系,也就可以帮助解决近来在讨论辩证逻辑中的分歧[11]显然,唯物辩证法属于哲学,而辩证逻辑属于思维科学。
现在让我们考虑,有意识的思维到底有几大类?
一般好象认为思维有两大类[12],一类叫逻辑思维,戎抽象思维,一类叫形象思维。
直到现在我们仅对逻辑思维有了比较系统的研究,从而总结出了它的规律——逻辑学;而形象思维则研究得很不够,还没有成为一门科学。
这是不是由于人们总想形象思维跟文学艺术的创造有密切关系,因而也就以为是文艺领域的事,无关科学了呢?
如果是这样,那也是个误解,因为文艺创作活动也是人的一项社会实践,实践才造成文学家、艺术家在创作中进行形象思维的能力,如果形象思维真的没规律,可以乱来,那也就不会有文学家、艺术家了;而且形象思维不但文艺工作者使用,其他人包括自然科学家、工程师也经常使用。
所以一定有规律,一定可以建立一门形象思维的科学,叫“形象思维学”。
但我认为,就是现在也不能以为思维就只有逻辑思维和形象思维这两类,还有一类可称为灵感,也就是人在科学或文艺创作中的高潮,突然出观的、瞬息即逝的短暂思维过程。
它不是逻辑思维,也不是形象思,这后两种思维持续时阎都很长,以至人说废寝忘食,而灵感却为时极短,几秒钟,一秒钟而已。
那灵感是不是可控的呢T一点是肯定的,人不求灵感,灵感也不会柬,得灵感的人总是要经过一长段其他两种思维的苦苦思索来作其准备的。
所以灵感还是人自己可以控制的大脑活动,是一种思维。
有没有规律?
刚生下来的娃娃不会有灵感,
所以灵感是人社会实践的结果,不是神授。
既是社会实践的结果就是经验的总结,应该有规律。
总而言之,灵感是又一种人可以控制的大脑活动,又一种思维,也是有规律的。
我们也要研究它,要创立一门“灵感学”。
将来我们还会发现其他类型的思维。
逻辑学、形象思维学、灵感学都是属于思维科学这一科学技术大部门中的基础科学,至于诸如语言学、文字学、密码学、人工智能、计算机软件技术、图象识别技术等等,似乎都可以当作思维科学体系中的应用技术,属工程技术类。
至于什么是思维科学中介乎基础科学和应用技术之间的技术科学,现在更看不清楚。
我们也甚至可以考虑把美学归入思维科学的体系。
总之,思维科学的体系还有待于进一步的研究与发展,现在还说不清;只不过正象本文开头时讲过的,思维科学和数学科学是两大不同的科学技术部门,有各自的体系。
逻辑学、形象思维学和灵感学作为基础科学,作为“恩维学”,也只有逻辑学部分比较成熟,其他两部分还有待于创中;但一旦有了这些学问,对科学技术的进展,影响将是巨大的。
我们这样说,因为有逻辑学这个例子:
逻辑学是观代电子数值计算机的理论基础,电子计算机的巨大成就,先是数值计算,现已发展到数学公式的推演,并进而实现定理的计算机证明,其作用已涉及到生产、科研、管理、行政等现代社会的各个方面。
电子计算机可以称得起是一项技术革命,与18世纪的蒸汽机、
19世纪的电力和现代的核能并列。
而这一发展得力于逻辑学的应用,出了软件技术这一门在电子计算机技术中非常重要的学问,没有芭就形不成计算机科学技术。
与此相比,形象思维就未创立,我们还不清楚形象思维的规律:
就是图形的识别也还是个大问题,不知道人脑是怎么识别图形的!
所以也就不知道怎样造一台识图机器,或怎样叫计算机去识图。
现在有人在试作,但机器识图的结果令人很不满意,机器笨极了,而且不可靠。
例如观在邮局用来读信封邮政编码的机器据说也只有大约60%的成功率,其余根当大的一部分机器读不出,还得剔出来请人来认。
所谓“一家方更万家难”的一家方便也是有限的。
这比超机器数值计算,每秒运算几十万次、几百万次、几千万次、几亿次,真可谓天壤之别原因在哪里?
在于我们掌握了逻辑学,但没有掌握形象恩继学那我们一旦掌握了形象思维学,会不会用它来掀起又一项新的技术革命呢?
这是颇为值得玩味的一个设想。
那未,如果我们掌握了灵感学呢?
那人的创造能力将普遍地及大地提高,岂不人人都成了“天才”,这是更发人深思的了。
认识到深入研究思维学和发展思维科学的重大和深远意义,我们要问:
到底如何去研究思维学这门这么重要的科学呢?
一条途径是比较古者的,可以称为心理学的方法:
人自己内省,即自己考察自己的思维过程,即以入用自己作试验。
老方法也有新内容,我们可以引用一些较新的科学,如认识科学和科学方法论[3]的成果;而且现在试验技术也有很大的提高,
可以用各种精密的科学测量仪器了,例如脑电图技术有发展,测到的电位信号可以经过电子计算机处理,滤去噪声,取得各种纯信号。
有一种叫做‘事件电位”（event—2.elatedpotential,ERPf标志不同大脑思维活动单元,试验中还可以使用各种对大脑部位产生特定作用的药物,来改变其活动作用,然后观察对思维的效果。
这条途径也可称为宏观的研究方法。
又一条途径是微观的方法。
人脑是由许许多多神经细胞所组成。
细胞种类也很多,有人估计有5000万种;细胞总数约1000亿,或1011个（以前估计有1010个。
每个纲脑又伸出许许多多支叉,有一个主校,叫轴突,还有不少分校,叫树突。
轴突和树突都同相邻细胞或神经细胞形成一对一对的接触,叫突触;一个突触就好比一个开关,开关作用是通过特定的有机化学分子来实现的。
大脑一共有多少对开关呢?
一共有1015个（以前估计为1014个,所以人的大脑好比一台有1015个开关的电子计算机1这比目前世界上最大的计算机还不知大多少倍。
而且还有一个重要区别:
电子计算机,至少是目前的电子计算机,内部结构是固定的,不变,作成了就那样了;但人脑,从小孩到成年、到老,一辈子在人的实践中改造、完善,人的智力可以不断提高。
这也就是说人脑的功能和人的社会活动有密切关系,人脑是一个受社会作用的、活的、变化的系统,我们必须注意这一特征。
以上都只是现代脑神经解剖学告诉我们的人脑的概貌。
不只是上述概貌,脑神经解副学和脑神经生理学还告诉我们人脑的大致构造,特别是神经细胞轴突和树突的具体动作,动作的细节也一天天搞得越来越清楚了。
这是近十年来的巨大成就[19]
我们说的研究思维学的微观方法,就是人脑这种微观结构和一个个单元的动作性能同人的思维联系起来,看到人脑有l015单元,或说人脑是由1015单元组成的超级巨系统。
研究思维的微观方法行得通吗?
如果不是有本文前几节讲述的系统学研究作准备,我想对这个问题是难以答复的。
有了这个准备,我们总可以说:
尽管人脑是极为复杂而庞大的系统,系统学的进一步发展终会佼微观研究思维学的方法取得成功,完成从微观到宏观的过渡。
在研究中我们也可以借助于电子计算机模拟的人工智能工作[3]从而我们终将不但知道我们自己思维的“当然”,而且知道其“所以然”。
四现在再谈本文的第三个题目,人体科学[4]。
首先我说说人体科学的研究范围。
它是研究人体的功能,如何保护人体的功能,并进一步发展人体潜在的功能,发挥人的潜力〔3]有意识的大脑活动,即思维虽然是人体的一项非常重要的功能但已归人思维科学的研究范围,就不包含在人体科学的研究范围内了。
再就是名词问题。
以前我曾用过[2]“生理科学”这个词,这不确切,太狭窄了。
现在有的同志用“人体生命科学”这个词,
加入了“生命”两字,我感到这有限制一下的意思。
考虑到人体科学是一个科学技术大部门,一个体系,包括如同系统科学和思维科学那样从基础科学到技术科学、到应用工程技术三大类,特别是到应用技术,会包括非生命的内容,限制了反而不妥,还是不
加“生命”为好,也省两个宇,名词短些。
说短,也有另一个名词:
“入学”。
这个词有两种不同的涵义。
高林同志[14]的入学是要全面地、综合地研究人,其研究范围远远超出人体科学。
“入学”的另一种解释是说,由于当前我国社会中出现的不良风气,有那么一门拉关系、走后门阿谈奉承、溜须报马的“学
问”。
这都和这里谈的人体科学不同。
现在来谈谈人体科学的体系。
从应用技术、工程技术说超,可以先讲体育技术,这也包括武术、杂技,以及中国戏剧中的武打功、身段功。
这方面的活动自然是在现代社会中占非常重要的位置,而且有国际影响。
我在这儿提出,是说要把体育技术作为一门科学技术来看待,要能讲出道理,不是只靠巧劲儿或挤体力。
有时运动器械威道具也很重要,例如撑杆跳高,杆的重量、弹性非常重要,竹汗不如玻璃钢杆,玻璃纲的又不如碳纤维的。
这都是学问。
人一机工程是又一门非常重要的应用人体科学技术。
这是专门研究人和机器的配合,考虑到人的功能能力,如何设计机器,求得人在使用机职时,整个人和机器的效果达到最佳状态。
在生产过程中,人一机工程搞好了,生产效率可以大大提高。
在武器设计中,人一机工程搞好了,战斗力可以大大加强。
在特殊环境中,如载人航天飞行器里,人处于失重状态,而再人大气层返回地面时,又要经受超重加速度等等,如何培训航天员和设计飞行器的各种工作系统,自然是个严重的问题,这也是人一机工程。
对有些自动化系统,人们发观,如能让人对系统作适时、适当的干预。
比全不要人参加要好。
这也就是让人发挥综合形势、权衡多方面利弊、作出判断的长处,也让机器发挥大功率、高速度、精确运动的长处。
就在电子计算机的运算过程中,也会有人干预计算而缩短计算过程的情况。
人一机工程是人体科学和机械科学、电子科学的结合,是今天发展很快的一门技术。
从人体科学的角度来看,大家熟知的医疗学科可以认为是这
---科学体系中的应用技术。
这包括各临床学科如内科学、外科学、妇产科学、儿科学、眼科学、耳鼻喉科学、皮肤科学、神经病学、精神病学、口腔医学,以及内分泌学、肿瘤学、围产期医学、老年病学、传染病学、骨科学等等。
此外作为人体科学体系中的应用技术还有各种预防医学学科,如职业病学、少年儿童卫生学、营养卫生学、劳动卫生学等。
在应用技术方面,还有非常重要而决不容忽视的气功疗法。
在人体科学的体系中,为上述应用技术提供直接理论依据的是技术科学性
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