内在随机性

认识内在的随机性

内在随机性

系统自然观认为，自然界是确定性和随机性的统一。确定系统的内在随机性是自然界的普遍现象。内在随机性与混沌紧密相关。

混沌是由确定性系统所产生内在的随机性。在我们的宏观世界的现象和规律中，完全确定的和完全随机的是较少的两种极端，大部分是不完全确定的。

即使没有外部随机作用，不涉及大多数现象或群体效应，初始条件也是确定的，非线性系统自身也会产生随机性（波动）。这是确定性系统固有的特征，所以被称为“内在随机性”。

全球正在经历一场科学技术革命，人类迈进了知识经济信息时代。混沌学堪称是20世纪物理学的第三次革命。它不仅提供了一种崭新的方法论，使描述自然界的两种方法论（决定论与概率论）达到了和谐的统一，使人类的认识产生了一次新的飞跃，而且从自然科学拓广到技术科学、社会科学和人文科学，具有诱人的发展应用前景。

混沌是自然界及人类社会中的一种普遍现象，它是在一个确定论系统中出现的一种貌似不规则的、内在的随机性运动，展示了事物的复杂性。混沌实际上并 不“混”，既非纯粹的“无序”，又非纯粹的“有序”，而是两者的统一，即有序与无序的统一，确定性与随机性的统一，具有内在的规律性和普适性，内部包含着丰富的信息资源及可开发应用的潜能。

认识内在的随机性

《自然哲学之数学原理》是牛顿一生中最重要的科学著作，书中构建了科学有史以来第一个完整的、科学的宇宙论和科学理论体系，并试图用统一的力学原因解释从地面物体到天体的所有运动和现象，它所造成的影响极其深远。

1986年，这部划时代巨著出版整整三百周年，英国皇家学会专门举办了隆重的纪念大会。在这次大会上，著名的流体力学权威詹姆士.莱特希尔爵士发表了令人震惊的道歉宣言。他说：“今天，我们深深意识到，我们的前辈对牛顿力学惊人成就的崇拜，促使他们认为世界具有可预见性，的确，我们在1960年以前大都倾向于相信这个说法，但现在我们知道这是错误的。我们曾经误导了公众，向他们宣传说满足牛顿运动定律的系统是决定论的，可在1960年后这已被证明不是真的，为此，我们愿意向公众表示道歉。”这种看似出乎意料的举动，却是发展着的科学的一种正常的表现，实际上是科学对自身发展的一种反思。

当科学从牛顿时代走来，辉煌的成功使得它得意忘形，认为自己终将具有预测一切的能力：万事万物都已经由物理定律规定了下来，一个细节都不能更改。过去、现在和未来都像已经写好的剧本，宇宙的发展只能严格地按照这个剧本进行，不允许加以任何的发挥。这就是牛顿力学的可预见性假设，是决定论的或者说是确定论的牛顿力学送给我们的礼物。18世纪，法国著名科学家拉普拉斯曾以此为依据豪迈地宣告：如果已知宇宙中每一粒子的位置和速度，我就能够预测整个宇宙的未来。

这一美好的图景在20世纪变得黯淡了许多，先是遭遇量子论的严重挑战，随后又被兴起的混沌学彻底击碎。

1963年，美国气象学家洛仑兹建立了一个描述大气对流状况的数学模型，叫洛仑兹动力学方程。这是一个简单确定性方程。说它简单，因为它只有三个变量用来分别代表大气中的风速、温度和气压；说它是确定性的，因为它不含有任何随机项，初始值也可以给定。但就是由这个方程所描述的只有三个变量的简单确定性系统里，却让我们出乎意料地见到了混沌，见识了混沌非比寻常的特性。

洛仑兹动力学方程描绘出的运动轨迹，具有一种奇特的形状，象一只展开了双翼的蝴蝶，在中国科技馆里有这个运动轨迹的动态展示。在这个奇妙精巧的蝴蝶上，确定性和随机性被有机地结合在一起：一方面，运动的轨迹必然落在“蝴蝶”上，绝不会远离它们而去，这是确定性的表现，表明系统未来的所有运动都被限制在一个明确的范围之内。另一方面，运动轨迹变化缠绕的规则却是随机性的，任何时候你都无法准确判定运动的轨迹将落在“蝴蝶”的哪一侧翅膀上的哪一点上。也就是说，这个系统运动大的范围是确定的，可预测的；但是运动的细节是随机的，不可预测的。

可以用想象来体验这种感受：你，正在天安门广场上等一辆公共汽车。这辆车正在绕着北京城不停地行驶。你知道它肯定会来，而且将重复地经过广场，但你却不知道究竟该到哪一个地方去等它，因为它每次在广场上停靠的地点都是不确定的。奇怪之处并不是这种不可预测性本身，而在于你知道驾车的司机是个极为严谨的人，他在一丝不苟地按照一个极为确定的指令——洛仑兹动力方程驾驶他的汽车。换句话说，最让人奇怪的地方是，不可预测性这种本来应该是随机性系统才会具有的特性，却堂而皇之地出现在确定性系统中了。

混沌学的研究指出，具有这种奇怪特性的系统就是混沌系统，只有混沌系统才会在仅有区区几个变量（三个以上）的简单确定性系统中出现随机性，而且，这种随机性是确定性系统内在的随机性。

确定性系统内在的随机性具有两方面的含义，一是说它出现在一个没有受到任何外力作用的简单确定性系统中。二是说它与普通的随机性相比有根本的不同。对于普通的随机性来说，当认识深入，所能收集到的信息量增大时，它的随机性就有可能降低，甚至完全消失。而对于内在的随机性，你就是搜集再多的信息，也不能使这种随机性降低或者消失。因此，它是所在系统的一种根本的、内在的、无法根除的性质。

以往，当我们面对一个因素众多的系统时，能够为无法把握它找到借口：“对它的了解还有待深入”，但同时也充满希望：“早晚有一天会彻底认识它，从而预测它的整个行为。” 确定性系统内在随机性的发现却将我们的希望变成了奢望，它实际上告诉我们，哪怕只有区区三个变量，只要有非线性作用其中，你就不要指望对系统运动的细节了如指掌，更不要奢望预测它精细的未来。

定神想想，你我一定都有过这样的体验：当你最不想为人们所关注时，却阴差阳错地成为事件的焦点；当你尽心尽力、小心翼翼做一件事时，却在最后一刻功败垂成；……；总之，“如果坏事有可能发生，不管这种可能性多么小，它总会发生，并造成最大的损失。”这就是大名鼎鼎的墨菲定律。自1949年在玩笑中诞生之后，墨菲定律的不时应验总让人们感到困惑，是什么造成了这种不确定性？现在，混沌学给我们解了惑，它告诉我们这是复杂系统的内在随机性造成的。正是内在随机性导致的不可预测性使人无法准确地操纵和控制局面。

以2004年末发生的印度洋大地震为例，依照板块构造理论，在板块的边缘出现断裂而引发地震是极为正常的，苏门答腊岛正位于板块的边缘，因此发生地震本身并不令人吃惊，然而，在这个时间，在这个岛上，发生这样大烈度的地震，却无法从板块构造理论中推测出来。这实在令人沮丧！

不过，内在随机性的存在虽然导致一些“坏”的不确定性的出现，但同时也打开了另一扇门：你可能与千载难逢的好机会迎头碰上。（当然，遇上机会并不一定就能成功，还要看你能不能发觉和把握机会，可这并非我们现在要说的话题。）最明显的表现是在艺术家身上，当画家、诗人、作家和作曲家处身于混沌之中时，创造力最为活跃。混沌中的内在随机性蕴含着创造性。

内在的随机性并不会让我们陷入不可知论，因为混沌仍是有规律的；却把我们从盲目乐观的可预见性幻想中唤醒。这种来自牛顿力学的幻想已经使人类沉醉了三百年，并将世界简化到失真的地步，而现在世界将在一定程度上恢复其原有的复杂性。