科学演化理论的形成与发展——科学发展的人文历程漫话之十八(下)

钱时惕

(河北大学 河北 保定 071002)

1 对宇宙认识的争论与进展[1]

1．1 地心说与日心说之争

本来，地心说与日心说之争，完全属于学术(科学)本身的争论，但由于地心说被纳入基督教思想体系，使日心说与地心说之争卷入科学与宗教之冲突.

在基督教的历史中，由于托马斯(A.Thomas，1224～1274年)把亚里士多德学说与基督教思想相结合而开辟了基督教神学发展的新道路.这个托马斯在吸取亚里士多德的思想时，也接受了托勒密的地心说.在基督教看来，人是上帝根据自己形象创造的，而日月星又是上帝为了人而创造的.因此，人居住的地方理应在宇宙的中心.这种观点，与托勒密的地心说是相符的.基督教思想与托勒密理论的结合，就形成了“地球在宇宙中心，上有天堂、下有地狱”的构想，这正是中世纪末日审判画面,再加上《圣经》上所谓“约书亚要太阳停止而不是地球停止”的故事以及赞美“将大地置于它牢固的基础上，使其不得移动”的诗句,托勒密地心说就被纳入了基督教的思想体系.1543年哥白尼出版了《天体运行论》一书.在该书中，哥白尼建立了不同于托勒密的新宇宙模型(日心说)，成为“反叛”基督教神权的革命并逐渐被科学界所接受.

1.2 牛顿的宇宙模型及其困难

按牛顿观点，空间被理解为无限大的箱子，宇宙也就变成无边无际的了.宇宙是一个三维的欧几里得空间，在任何一个方向都可以无限伸展下去.在无限大的箱子中，布满了无限多的天体，这些天体在万有引力作用下按牛顿定律运动，这就是牛顿的宇宙图景.

然而，这种宇宙图景在解释经验事实上遇到了困难：光度佯谬——整个宇宙天空，黑夜将象白天一样光亮；引力佯谬——对整个物质世界来说，计算出的引力势在空间每一点上都是无限大.

1.3 膨胀的宇宙模型

1912年维斯托·斯里弗尔(Vesto Slipher,1875～1969年)首次测量了一个“旋涡星云”(“旋涡星云”是当时对旋涡星系的旧称法)的多普勒频移，其后他和卡·怀兹(C.Wirtz,1876～1939年)证实了绝大多数类似的星云都在退离地球.不过斯里弗尔并没有因此联想到这个观测结果对宇宙学的意义.

1917年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙，发表了标志着物理宇宙学诞生的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》，得到著名的有限无边的宇宙结构模型.所谓有限，指的是空间体积有限；所谓无边，指的是这个三维空间并不是一个更大的三维空间中的一部分，它已经包括了全部空间.不过，从广义相对论出发建立的宇宙模型不是静态的.

1922年，苏联宇宙学家、数学家亚历山大·弗里德曼(A.A.Friedmann,1888～1925年)在爱因斯坦引力场方程基础上推导出弗里德曼方程，通过选取适当的参数，从弗里德曼方程得到的宇宙模型可以膨胀或收缩.

1927年，比利时物理学家、天主教牧师乔治·勒梅特(Lematre,1894～ 1966年)在不了解弗里德曼工作的情况下独立提出了星云后退现象(1912年斯里弗尔首次发现)的原因是宇宙在膨胀 .

1929年哈勃(Hubble，1889～1953年)发现，星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比，这就是所谓哈勃定律.哈勃定律说明宇宙在膨胀.

1.4 大爆炸宇宙论

1931年勒梅特进一步指出，宇宙正在进行的膨胀意味着它在时间反演上会发生坍缩，这种情形会一直发生下去直到它不能再坍缩为止，此时宇宙中的所有质量都会集中到一个几何尺寸很小的“原生原子”上，时间和空间的结构就是从这个“原生原子”所产生.勒梅特本人将其称作“原生原子的假说”.宇宙大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔(Hoyle，1915 ～2001年)所采用的.霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳恒态理论的倡导者，他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“大爆炸的观点”.

第二次世界大战以后，宇宙膨胀的观点引出了两种互相对立的可能理论：一种理论是由勒梅特提出，乔治·伽莫夫(Gamov，1904～1968年)支持和完善的大爆炸理论.伽莫夫提出了太初核合成理论.另一种理论则是英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出的稳恒态宇宙模型.在稳恒态宇宙模型里，新物质在星系远离留下的空间中不断产生，从而宇宙在任何时候看上去都基本不变化.之后的许多年，这两种理论并立，但射电源计数等一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜.1965年，宇宙微波背景辐射的发现和确认更使绝大多数物理学家都相信，大爆炸是能描述宇宙起源和演化的最好理论.根据2010年所得到的最佳观测结果，这些初始状态大约存在于133亿年至139亿年前.

1.5 宇宙大爆炸论的社会反响

宇宙大爆炸理论本身是一种科学理论，它的成立是建立在和观测相符合的基础上的.但作为一个阐述“实在”起源的理论，他与神学和哲学有着密切关系.

20世纪20～30年代，主流宇宙学家都更喜欢稳恒态理论，他们指责大爆炸理论提出的宇宙在时间上的开端是将宗教概念引入了物理学中，而大爆炸理论的创始人之一，乔治·勒梅特是一位罗马天主教牧师似乎为这种意见找到佐证.

基督教教会则对宇宙大爆炸理论表示满意，1951年11月22日庇护十二世教皇在教皇科学学会的开幕会上声称大爆炸理论支持《圣经》上的创世说.

在我国，从1973年初至1976年秋，在四人帮组织下，“上海理科批判组”等，在全国性的报刊和学术杂志上，至少发表了30篇批判宇宙大爆炸理论文章[2].指责宇宙大爆炸理论为反动的神学服务.实际上，宇宙大爆炸理论是继经典力学把上帝赶出太阳系之后，进一步把上帝驱出现行茫茫宇宙之外.当然，由于宇宙大爆炸理论尚不能回答原始爆炸的原因，给神学留了一点活动空间.这是科学进一步要研究的问题[3].

2 化学进化与生命的起源[4]

化学进化论最初由苏联学者A·奥巴林(1924年) 和英国学者 J·B·S·霍尔丹(1929年)提出.1936年奥巴林出版的《地球上生命的起源》一书，是世界上第一部全面论述生命起源问题的专著.他认为原始地球上无游离氧的还原性大气在短波紫外线等能源作用下能生成简单的有机物(生物小分子)，生物小分子可生成复杂有机物(生物大分子)并在原始海洋中形成多分子体系的团聚体，后者经过长期的演变和“自然选择”，终于出现了原始生命.关于化学进化的基本过程目前的认识如下.

(1)由无机物生成有机小分子.1952年美国芝加哥大学研究生米勒(S.L.miller)，在其导师尤里(H.C.Urey)指导下，进行了模拟原始大气中雷鸣闪电的实验，共得到了20种有机化合物，其中11种氨基酸中有4种(甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白质所含有的.以后其他学者又进行了大量的模拟实验，或改用紫外线、高温、强的阳光等作能源，结果都能产生氨基酸.

(2)生物大分子的合成.可以推想，被雨水冲淋到原始海洋中的有机小分子(单体)，经过彼此的相互作用，可以形成蛋白质、核酸等生物大分子.这一步已得到实验证实.

(3)多分子体系的出现.生物大分子必须组成体系、形成界膜才能与周围环境明确分开，才可能进一步演变.目前，多分子体系的出现有两种实验模型在开展研究.

(4)多分子体系进化为原始生命.这是生命起源最关键的一步.这里有两个重要问题要解决,一个是生物膜如何产生，另一个则是遗传器怎样起源.对这两个问题目前尚无实验模型能加以说明，仅凭一些间接资料进行推测.

化学进化显然不限于原始地球，在宇宙和其他天体上也会发生.星际分子和陨石中有机物的发现证实了这一点.1969年9月坠落在澳大利亚东南部默奇森镇的陨石，经分析发现含有多种氨基酸，其种类与含量同米勒放电实验生成的相当一致.这就表明，原始大气由无机物生成生物小分子不但是可能的，而且这种过程在宇宙间仍在发生.

3 世界统一进化链的揭示[5]

综合宇宙大爆炸论、化学进化论、生命的起源论与生物进化论、社会进化学说，现代科学已揭示出世界统一进化链，如图1所示，包括以下几方面.

(1)物理进化.原始爆炸(10-43s，温度可以达到1031K)→各种粒子的相互碰撞、相互转化处于平衡之中(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)→元素复合(原始爆炸后2×105年，4×103K)→观察到第一个星系(原始爆炸后7×109年，)→目前状态(133亿年，3 K ).

(2)化学进化.元素复合(原始爆炸后2×105年，C,H,O,N等)→星际小分子(CH4,H2,H2O,NH3等)→生物小分子(氨基酸、核甘酸等)→生物大分子(蛋白质、核酸等).

(3)生物进化.生物大分子(蛋白质、核酸等)→原始细胞→原核细胞→真核单细胞→真核多细胞→低等生物……人类出现.

(4)社会进化.按社会主要生产关系进化有，原始社会→封建社会→资本主义社会→社会主义社会→共产主义社会；按社会主要生产力形态进化有，农业文明→工业文明→信息文明.

这个世界统一进化链(图1)的时间跨度约130亿年，空间范围130亿光年，在这个范围内发生的现象，都可在这个进化链中找到其适当地位并得到合理的解释.

图1 世界统一进化链

4 现代科学对演化问题的认识[6]

4．1 两种截然相反的演化图景

在物理学中，19世纪中叶建立的热力学第二定律，被克劳修斯(R.Clausius,1822～1888年)表述为熵增原理：一个孤立系统，总要朝着熵增的方向演化，即一个孤立系统总是走向均匀、简单、无差别、无序状态.正是依据熵增原理，克劳修斯得出宇宙必将“热寂”的结论.

然而，在生物学中，达尔文(C.R.Darwin,1797～1895年)的生物进化论，却提供了完全相反的演化图像.按照生物进化论，生命世界经历了一个从低级到高级、从简单到复杂的演化.

自然科学提供了两种截然相反的演化图景，其原因何在?正是试图回答并研究这个问题，普里高津(I.Prigogine，1917～2003年)1967年在一次“理论物理与生物学”的国际会议上提出了耗散结构理论.

4.2 耗散结构理论的基本内容[7]

耗散结构理论指出,对于一个与外界有物质、能量、信息交换的开放系统来说，熵的变化可以分为两部分，见图2，一部分是系统本身由于不可逆过程引起的熵增加(diS)，这一项永远是正的；另一部分是系统与外界交换物质、能量、信息引起的熵流(deS)，这一项可正、可负.整个系统熵的变化dS，就可以写作两项之和

dS=deS(熵流)+diS(熵增加)

图2 熵流

根据热力学第二定律，在孤立系统中，由于不可逆过程引起熵增加diS≥0，对孤立系统来说，没有熵流， deS=0.而在开放系统中，熵流deS可以大于或小于零.如果deS为负值，其绝对值又大于diS，则

dS=deS+diS<0

这时总熵可以逐步减少，系统由无序趋向新的有序.在什么条件下，系统才可能实现从无序走向有序呢?

普里高津进一步指出，系统从无序走向有序必须满足三个条件：其一，系统是开放的；其二，系统远离平衡态；其三，系统内存在非线性相互作用.

按耗散结构理论，自然科学中的两种演化方向的矛盾仅仅是表观的.原来，热力学第二定律揭示的是一个孤立的处于热平衡状态系统的演化(退化)方向；而生物进化论揭示的是一种开放的、远离平衡态、存在着非线性相互作用的系统的演化(进化)方向.它们各自适用于不同条件.后一种演化(进化)，不仅存在于生命世界，也存在于非生命(力学、物理、化学等)世界，还存在于人类社会.

4.3 协同学 突变论 超循环论等系统演化学说

除耗散结构理论，其他科学家从不同角度研究了系统的演化问题.其中较为著名的有协同学、超循环论.

4.3.1 协同学

德国物理学家哈肯(H·Haken,1927年～ )1977年出版了《协同学导论》一书，给出了协同学的理论体系，标志着协同学的诞生.协同学认为，系统性质的改变是由于系统中要素、子系统之间的相互作用所造成的.任何系统的子系统都有两种演化趋向，一种是自发地倾向无规无序的运动，这是系统瓦解走向无序的重要原因；另一种是子系统之间的关联引起的协调、合作运动，这是系统自发走向有序的重要原因.系统到底是自发地发生从无序到有序还是从有序到无序，就取决于其中哪一种演化趋势占主导地位.协同学采用相变理论中的序参量概念来描述一个系统的宏观有序的程度，用序参量来刻划系统从无序到有序的转变，从而大大加深了我们对于系统演化的内部机制的认识.

4.3.2 超循环论

德国化学家及生物物理学家艾根(M·Eigen,1927年～ )1972年在德国的《自然杂志》上发表了《物质的自组织和生物大分子的进化》一文，正式建立超循环理论.

超循环理论提出，在关于生命起源的化学进化和生物进化之间，还有一个生物大分子自组织进化阶段，随机无序的大分子通过采取循环形式的自组织，发展起来有序的组织，并向更高的组织和复杂性进化，从而最终导致了生命的起源.超循环理论认为，相互作用、因果转化构成循环，这成为超循环理论的一个基本出发点，也是我们理解超循环基本思想的一个关键.超循环理论结合化学、生物学等领域的成果，考察了自然界的种种循环现象，从而提出了循环等级学说.超循环论从研究生物大分子的进化问题出发，揭示了系统的演化发展采取了循环发展形式：从低级循环到高级循环，不同的循环层次与一定的发展水平相联系，因而，具有普遍意义.

参考文献

1 埃里克·简森.宇宙简史.上海： 上海科学技术文献出版社，2011

2 屈儆诚，许良英．关于我国“文化大革命”时期批判爱因斯坦和相对论运动的初步考查．收入许良英主编，爱因斯坦研究.北京：科学出版社，1989

3 钱时惕.科学与宗教的关系及其历史演变.北京：人民出版社，2002

4 A·N·奥巴林.地球上生命的起源.北京：科学出版社，1960

5 钱时惕.世界统一性问题的现代认识.哲学研究，1985(12)

6 钱时惕.对发展问题的现代理解.哲学动态，1992(2)

7 普里高津.从混沌到有序.上海：上海译文出版社，1987