梁祥炎

(廣西大學(xué) 公共管理學(xué)院，廣西 南寧 530004)

實驗室系統(tǒng)一般意義上由實驗研究人員、實驗研究對象、儀器設(shè)備、試劑、實驗方法及內(nèi)容等組成。實驗研究是具有極其創(chuàng)造性的活動，實驗室是一個動態(tài)發(fā)展的系統(tǒng)。實驗室研究觀的決定論自牛頓建立了經(jīng)典力學(xué)體系以來就確立了不可動搖的地位。

傳統(tǒng)實驗室研究主要表現(xiàn)為封閉、簡單的線性、可確定、可預(yù)測等，與當(dāng)前的大科學(xué)動態(tài)發(fā)展的實驗室研究實際不符。因為，實驗室是一個混沌系統(tǒng)，應(yīng)該說混沌理論已經(jīng)對主要領(lǐng)域形成廣泛的影響力，必然對會對傳統(tǒng)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(zhì)與特征

混沌一詞源于古希臘的“Xoas”，指的是事物出現(xiàn)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(zhì)的無定形性的混亂，創(chuàng)造者用此造出宇宙的井然有序。關(guān)于混沌，確切的定義很難給出，迄今學(xué)術(shù)界對混沌尚沒有一個統(tǒng)一的定義。洛倫茲則定義為“確定性周期系統(tǒng)內(nèi)的非周期流”[1]；哈肯指出“混沌是產(chǎn)生決定性方程不規(guī)則的運動”[2]；赫柏林則將混沌認(rèn)為是“無周期性的有序行為”[3]；錢學(xué)森認(rèn)為是“混沌是宏觀無序、微觀有序的現(xiàn)象”[4]。美國數(shù)學(xué)家約克和李天巖在上世紀(jì)七十年代發(fā)表論文“周期三意味著混沌”，首次給出了“混沌”的概念，并在數(shù)學(xué)上給與定義。

(一)非線性和內(nèi)在的隨機性

普里高津認(rèn)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(fù)雜性不斷增多的，其中充滿著不確定性和內(nèi)在的隨機性，應(yīng)用復(fù)雜非線性去認(rèn)識客觀世界。任何復(fù)雜系統(tǒng)在其發(fā)展的過程中在某些條件的作用下都會發(fā)生混沌現(xiàn)象。系統(tǒng)發(fā)生混沌的主要條件有：開放的系統(tǒng)處于遠離平衡態(tài);系統(tǒng)內(nèi)部相互的非線性作用。系統(tǒng)的復(fù)雜非線性并不是僅僅簡單的線性，有著確定的發(fā)展軌跡。而內(nèi)在隨機性，是指在沒有外部因素的作用影響下，由于系統(tǒng)自身非線性復(fù)雜因素而發(fā)生的隨機不規(guī)則行為，其內(nèi)部的發(fā)展是復(fù)雜的不確定，存在發(fā)生發(fā)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(xué)家洛倫茲在他對大氣流模型的計算機數(shù)值計算中，發(fā)現(xiàn)了著名的“蝴碟效應(yīng)”，通過一個蝴蝶扇動翅膀可能會引起一場龍卷風(fēng)來說明系統(tǒng)長期行為對初值的高度敏感性，微小變化能產(chǎn)生巨大的結(jié)果差異。由于復(fù)雜系統(tǒng)的的產(chǎn)生的混度，這就使得系統(tǒng)的部分發(fā)生演變上的重復(fù)，使得初始差異很小，但經(jīng)過短暫的時間演變后卻能形成巨大的差異?；煦鐚Τ跏家蕾嚨拿舾?，就在一定程度上使得長期預(yù)報變得不可能。

(三)系統(tǒng)的開放耗散性

系統(tǒng)的開放一般意義上來說系統(tǒng)要同外界之間有物質(zhì)、能量以及信息的交換，自發(fā)的從無序耗散到有序過程，并且系統(tǒng)的要維持有序的狀態(tài)，就必須從外部環(huán)境中不斷的引入物質(zhì)、能量和信息，且不斷的排出其“代謝”產(chǎn)物，“吐故納新”。普列高津指出，當(dāng)開放系統(tǒng)與環(huán)境之間持續(xù)發(fā)生能量和物質(zhì)交換時，系統(tǒng)可能從將從近平衡態(tài)而被推移至遠離平衡態(tài)，并且由于不可逆從而導(dǎo)致的系統(tǒng)能量的耗散，使系統(tǒng)發(fā)生自組織行為，并在時間和空間上發(fā)生有序的“耗散結(jié)構(gòu)”。一個不斷地同外界發(fā)生能量、信息和物質(zhì)交換的開放系統(tǒng)，就有可能從原有的遠離平衡態(tài)的混亂無序轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N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(tǒng)論認(rèn)為，事物的發(fā)展具有單一性，并且認(rèn)為具有可預(yù)測性，原因決定結(jié)果是比例相關(guān)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?zāi)康?、方法、步驟、結(jié)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(huán)境和實驗系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，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(yù)期的實驗效果，實驗室的管理、科研人員，環(huán)境，儀器設(shè)備這些因素本身就具有復(fù)雜性和不確定性，其為實驗系統(tǒng)創(chuàng)造了混沌的必然條件，實驗室的過程遠比線性系統(tǒng)更為復(fù)雜的非線性，動態(tài)變化的，充滿著混沌。實驗過程中的任何微小的認(rèn)人為操作失誤，儀器設(shè)備以及試劑上使用的偏差都會導(dǎo)致實驗結(jié)果上的千差萬別。

根據(jù)實驗計劃好的方法步驟，作出來的實驗產(chǎn)生的現(xiàn)象和結(jié)果是不確定，由于其實驗本身具有內(nèi)在的隨機性，存在著任何的一種走向的可能。實驗的規(guī)劃，雖然在一定程度上能促進實驗室的的發(fā)展，但不可否認(rèn)的是，實驗規(guī)劃中單一的講究要達到實驗的結(jié)果，把實驗中出現(xiàn)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(xué)機遇。實驗過程是一個非線性的復(fù)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(yīng)，其走向本身就是一個混沌的過程，實驗構(gòu)建的產(chǎn)物，就是打破原有平衡態(tài)，建立另一個有序狀態(tài)的過程，或由一個遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)，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(tài)。為了達到確定的目標(biāo)，而把實驗當(dāng)中的出現(xiàn)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(xué)發(fā)現(xiàn)失之交臂。

(二)實驗室研究過于信奉實驗的可預(yù)測輕視實驗中微小初始的作用

實驗室系統(tǒng)具有的非線性以及對初始值的敏感，以及大量錯綜復(fù)雜的因素的作用，必然會導(dǎo)致實驗的不可預(yù)測性。實驗的制定人員認(rèn)為，通過事先確定好的實驗步驟，取得的實驗成果是可以預(yù)測的，并且他們相信，實驗過程是可以控制的，復(fù)雜的實驗過程，可以通過對實驗操作者、實驗對象、實驗內(nèi)容以及實驗方法等控制整個實驗系統(tǒng)。研究人員特征或?qū)嶒灜h(huán)境的不同，可能產(chǎn)生不一樣的結(jié)果，根據(jù)特定條件上制定的實驗策略去預(yù)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(jié)果并不相同，因為它會受到實驗過程、人和環(huán)境的微小變化，都會導(dǎo)致實驗結(jié)果上的巨大差異。在實驗當(dāng)中，實驗總會因為受到微小的差異而產(chǎn)生不確定的結(jié)果，到最后得到的結(jié)果與實驗的期望值相差甚遠，而導(dǎo)致實驗的重復(fù)。在實驗當(dāng)中，科研人員花費大量的時間和精力在實驗的機械性重復(fù)上。實驗當(dāng)中有稍小的人為為操作失誤，儀器試劑的不標(biāo)準(zhǔn)，都會導(dǎo)致實驗在現(xiàn)象、數(shù)值及結(jié)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(shù)值及現(xiàn)象結(jié)果總不盡相同，與所給的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果產(chǎn)生重大影響，而我們往往對這些因素很少關(guān)注。

(三)實驗室研究的獨立和封閉

混沌理論認(rèn)為，任何一個封閉的系統(tǒng)，其自發(fā)演化的結(jié)果都會走向無序，達到熵最大化。由于學(xué)科與專業(yè)背景的不同，以及實驗室之間的互不信任，現(xiàn)在的實驗室研究具有較強的獨立性和封閉性。其主要體現(xiàn)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(yán)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(guān)的交流過程中，他們也很少自己的最新想法創(chuàng)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(shù)僅僅只限于本實驗室的人員，儀器設(shè)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(tǒng)無法說明實驗室的創(chuàng)造性和平衡性。當(dāng)實驗室處于封閉狀態(tài)時，由于同外界缺乏必要的物質(zhì)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(xué)技術(shù)上的外部狀態(tài)缺乏了解，使其在制定研究方向和計劃模糊，導(dǎo)致研究的重復(fù)與落后；另一方面，由于缺乏對外界的交流，只是實驗室內(nèi)部人員之間的單打獨斗，很難在不斷的交流和碰撞中產(chǎn)生火花，實驗室的研究也只是單調(diào)枯燥，缺乏活力與創(chuàng)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(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，以混沌理論的視角去思考當(dāng)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(rèn)為任何的系統(tǒng)都是開放的，實驗系統(tǒng)也不例外，實驗室的開放，研究上的靈活，顯示出不同學(xué)科和專業(yè)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(chuàng)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(lián)系，不斷的在交流中中碰撞產(chǎn)生思想的火花，不斷的發(fā)現(xiàn)不足，不斷的更新實驗室的做法，不斷促進科技的發(fā)展跟進步。

實驗室是一個開放耗散的自組織系統(tǒng)，實驗室的開放：一是實驗室對來自不同領(lǐng)域不同專業(yè)學(xué)科背景的人員開放，以達到不同學(xué)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(yīng)將本實驗室的研究動態(tài)及研究成果向外給予公布，以到達對系統(tǒng)內(nèi)部的最優(yōu)狀態(tài)，從而不斷促進實驗室的發(fā)展。

同時開放也要控制在一定的閾值，系統(tǒng)也是在一定的階段一定的閾值內(nèi)達到最優(yōu)狀態(tài)，所以實驗室的開放要根據(jù)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(shè)備的開放，從外部尋找更多的資源，促進實驗室自身的發(fā)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(xué)習(xí)場所。

(二)實驗中的非線性發(fā)展

實驗室系統(tǒng)的復(fù)雜，它是由多種因素多方面作用非線性的一個發(fā)展過程，實驗室總要打破原有的平衡。實驗室當(dāng)中的實驗對象，儀器設(shè)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(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，從而使實驗室走向復(fù)雜性，從而使實驗的走向是非線性的。所以在實驗室研究當(dāng)中我們應(yīng)該使用復(fù)雜非線性科學(xué)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(guī)劃實驗的同時，對實驗的非線性發(fā)展的關(guān)注，在我們實驗室研究當(dāng)中同樣也遇到很多的這種偶然，異象，突發(fā)，不可預(yù)期等這些因素，我們應(yīng)該對這些因素給關(guān)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(fā)展的同時也要注意到，其復(fù)雜以及非線性發(fā)展，在計劃之外的一面，從而從中尋找更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

(三)實驗中的蝴蝶效應(yīng)

在實驗當(dāng)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(fā)揮出乎意料的作用，產(chǎn)生巨大的效應(yīng)。倫琴因為在實驗過程中的實驗失誤，產(chǎn)生了不正常的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了X射線的發(fā)現(xiàn)；弗萊明因為在做葡萄菌實驗時意外的看到發(fā)霉的面包，從而發(fā)現(xiàn)了青霉素等等這些，在是因為實驗中出現(xiàn)的異象、偶然等這些變化，到最后導(dǎo)致重大科學(xué)成果的產(chǎn)生。

混沌理論中的蝴蝶效應(yīng)告訴我們，一方面，要鼓勵對實驗產(chǎn)生的異常的研究，抓住實驗過程中的突發(fā)性的偶然事件以及思想的閃光點，進行科學(xué)研究，產(chǎn)生巨大的研究效果；另一方面，我們?yōu)榱吮苊獠缓玫某跏紬l件對實驗的走向產(chǎn)生巨大的影響，我們應(yīng)該使我們的儀器設(shè)備精確，試劑合格，人為操作正確，管理要科學(xué)規(guī)范，環(huán)境符合實驗研究的條件，研究人員應(yīng)具備充足的科學(xué)知識等。讓實驗室形成一個自組織系統(tǒng)，內(nèi)部科研人員主動自由的研究，激發(fā)他們的主動性和創(chuàng)造性，使實驗室充滿活力。實驗研究者應(yīng)該通過實驗中混沌漲落過程，開動腦筋啟發(fā)智慧，不失時機的抓住實驗過程中具有突發(fā)、不可預(yù)期、具有極其復(fù)雜性的事件以及思想閃光，使其產(chǎn)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(xiàn)行的科研和人才培養(yǎng)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(yǎng)可以多樣化的培養(yǎng)模式，充分支持和鼓勵人才具有開創(chuàng)性的以及具有極其獨特性的科學(xué)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(xiàn)時對科研的諸多不利因素，例如科研的選題、科研經(jīng)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(zhì)[M].劉式達譯.北京：氣象出版社，1997.

[2] 【德】H.哈肯.高等協(xié)同學(xué)[M].郭治安譯.北京：科學(xué)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(xué)森.論信息空間的大成智慧：思維科學(xué)、文學(xué)藝術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)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(shù)學(xué)月刊，1975.