文理交融的“歷史物理學”

央視國際 2003年10月21日 10:46

　　從蔡元培先生最早提出“文理交融”開始，成為許多學者近百年來的追求，特別是用自然科學的辦法來研究社會科學的某些學科，更是一些人的夢想。本文作者係美國哥倫比亞大學博士，加州聖荷塞州立大學物理教授，中國科學院與中國科協客座教授，近兩年嘗試將物理的研究方法運用到人類的歷史學中，提出了一門新的學科，叫做“歷史物理學”（Ｈｉｓｔｏｐｈｙｓｉｃｓ）

　　為什麼説人類歷史的研究也可以從物理學的角度來考察？因為，從歷史學的研究對象來看，歷史學研究的對像是一個多體系統，在這個系統中，單體是人，本文中我們稱為“粒子”。每一個粒子是經典的（非量子力學的）、可分辨的。歷史學家所關注的是過去已經發生的與這個系統有關的所有事情。被歷史學家所研究的這個系統正是由物體組成，那麼就可以用科學的方法來研究。

　　我們為什麼要用物理的方法研究歷史？

　　人類系統是宇宙中最複雜的系統。所謂複雜系統是由很多單體組成的系統，一般是不能用還原論ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ方法來研究，比如經濟體系，螞蟻群，人的大腦，交通，人類等。對複雜系統感興趣的人應該會對人類系統有興趣。

　　用物理學的方法來研究歷史時機已經成熟。最近，在複雜系統與人類生物體的研究方面取得了很大進展，例如計算機運算能力增強，可以做海量數據的模擬；人們正在逐漸了解混沌現象；人類基因組破譯；對人的大腦可以進行實時的掃描研究等等。所以，現在從物理與生物的觀點來研究歷史正是時候，正如著名哈佛大學生物學家Ｅｄｗａｒｄ Ｗｉｌｓｏｎ所説的：“人類境況的研究是目前自然科學最重要的前沿。”

　　物理學家與歷史學家合作能夠把歷史學變成一門真正的科學。物理學家知道如何去解決多體問題，事實上，１００年前物理學家就已經發明了統計力學來研究多體問題，而且得到了相當成功的應用；物理學家不僅僅是研究材料、動量等物質對象，事實上，物理學家用物理的方法去研究任何對象都屬於物理學的範疇；事實表明，在交叉學科方面，物理學家已經有很多成功的經驗，如天體物理，生物物理等，物理學家與歷史學家合作將提高歷史學的科學性。

　　歷史學中的研究方法與通常的科學方法有哪些不同？

　　在任何學科中，科學方法都包括以下幾個步驟：（１）從原始數據或根據現有的理論提出新的假設；（２）將由假設産生的推論用數據或事實來檢驗；（３）如果事實和假設相符，則假設就成為新的定律，如果相悖，則又回到步驟（１）；（４）新的定律在有同行評議的科技期刊上發表以供交流；（５）有的時候，科學家本人或其他人會將新的發現寫成科普書籍出版。

　　在目前的歷史學領域中，上面提到的步驟並不是連續的。例如，他們如果提出新的假設，如步驟（１），這種方法被稱為“建構主義”；新的定律發現，如步驟（３），被稱為“重構主義”。有很多歷史學的研究成果是用敘述的形式來表達的，並跳過步驟（４）直接寫成書籍，即步驟（５）。從這些方面來看，歷史學的研究有些時候並未有用上整套的科學方法。

　　當歷史學家描述歷史時經常用這樣的語句：“在歷史上留下了痕跡”、“跟著先人的足跡前進”等等，這些語句如果用科學的方法來模擬則需要用到一個可變形的地貌，另一方面也需要有行走者。正如人們常説的，通過人的行為，壞事有時候可以變為好事，反之亦然。行走者應該是活性的行走者，能夠改變地貌，所以活性行走的模型就很自然地可以用於歷史學的研究。活性行走是作者在１９９２年提出來的處理複雜系統的一個方法與典範，在活性行走中一個粒子每走一步，都改變它附近的地貌，這個改變了的地貌就影響這個粒子的下一步的選擇。

　　把歷史看作一個複雜的動力學系統

　　進行任何科學研究，首先是蒐集資料，物理學和歷史學都是這樣；第二步是分析數據與資料，總結出一些經驗性的定律。在歷史學研究方面，這些經驗性的定律是有的，但比較少。有一些歷史學家甚至懷疑這些定律是否存在。

　　在超越經驗性的層次上，歷史和物理的研究很不一樣，比如， 物理學家對水的研究有三個層次：（１）唯象層次。根據幾個簡單的對稱性原理，物理學家得出一個唯象方程——Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，這一方程現在廣為應用；（２）真實性層次。當人們知道水是由分子組成，並在有強大的計算機後，人們就可以計算模擬來研究水分子群體行為。在物理學的研究中，許多真實的細節是可以避免的，不需要考慮，正因為如此才得以不斷的發展。（３）人工化層次。用“晶格氣體自動機”方法來研究水時，對水分子大大的簡化，已經成為人工化的分子。從這一方法研究得出的結果和（１）、（２）的結果是一樣的。

　　在歷史學的研究中是沒有這三個層次的，可能的原因是歷史學家相信要充分了解歷史需要了解人與人之間的相互作用，歷史事件的細節越細越好。換言之，他們是想馬上進入第（２）個層次，所以是很困難的。我們從物理學研究中得到兩個經驗：（１）不需要知道全部細節；（２）通過簡化但同時保留主要關鍵因素就可以把研究往前推進。

　　歷史的過程是一個隨機過程，我們舉三個用物理來研究歷史的例子：

　　①戰爭規模的統計分佈：幾十年前，英國學者Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ把世界上發生的戰爭，死傷人數做了一個統計，發現總體來説，大的戰爭出現的數目比較少，小規模的最多，這個結果可以用冪函數曲線（即變數ｙ正比于自變數ｘ的某次方）表現。令人驚異的是，在自然界有許多複雜系統，如地震、城市人口的多少分佈，也莫不如此。雖然人類戰爭的爆發和規模從偶然性來説與某些歷史人物的個人行為有關，但它並不能改變符合冪函數的特性。因此，人類歷史的發展與很多複雜系統有著共性。

　　②模擬經濟學中的歷史：為什麼一個開始處於劣勢的産品能夠最後佔有市場。

　　在意大利佛羅倫薩有座教堂的鐘建於１４４３年，鐘的時針是逆時針方向轉動的，可以猜想當時是有兩種鐘同時存在的。在北半球，時鐘發明以前，用日晷計時，而北半球日晷的影子是順時針方向移動的。從這個意義上講，當時的逆時針方向轉動的鐘是一個處於劣勢的産品，因而逐漸被淘汰了。這個例子説明的是劣勢産品消失的例子，這似乎是很自然的，但奇怪的是劣勢産品最終也會有可能贏得市場，比如“ＱＷＥＲＴＹ”鍵盤的存在。

　　要了解這些現象，描述經濟學的歷史，我們可以用活性行走的模型。在這一模型中，粒子只在兩點位置上跳躍，每個位置代表一種産品，每個位置有一定的高度。當粒子選擇某一位置時，位置的高度增加一個定量，高度越大粒子選擇這個位置的概率越大。

　　我們的解析解和數字計算結果表明：某種情況，這兩個産品可以在市場上共存；在其他的情況則首先售出去的産品將把另一個産品擠出市場；另一情況，開始處於優勢的産品有更大機會贏得市場，但另一産品也有一定概率追上並贏得市場。同時，追上的概率在某一時間可以達到最大值，也就是説初始劣勢的産品不應該過早退出市場。

　　③模擬進化論中的歷史：如果生命的歷史可以重新來一次，偶然性對於生命的存在有多重要呢？

　　１９８９年，著名古生物學家和科普作家Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｇｏｕｌｄ出版了Ｗｏｎｄｅｒｆｕｌ Ｌｉｆｅ一書，談到在加拿大溫哥華附近發現一些化石，從化石上發現有一些“高級”的生物體，但它們並沒有生存下來。從這單一數據，Ｇｏｕｌｄ認為，機遇在生物的進化歷史中極為重要，與達爾文的理論不同，並不一定是適者生存。他提出問題：如果生命就像放映錄像一樣，可以從頭重放，歷史的進化再來一遍，人類還會存在嗎？答案是：不。這一觀點引發了很多爭論，但並沒有進一步的科學論證。更可惜的是迄今為止還沒有發現第二個數據。我們的活性行走模型對這一爭論提出了有價值的看法，我們發現偶然性相對於必然性的重要性依賴於所考察的系統在參數空間所處的位置，如果事件處於“敏感區”，那麼偶然性很重要。其結果是如果生命可以重來，歷史就可能很不一樣，否則歷史是可以重復的，問題在於事件處於什麼區域。

　　歷史實在太重要，不能單靠歷史學家來研究，物理學家應該可以更多地參與歷史的研究。歷史過程的複雜性和隨機性不能作為躲避研究的藉口。我們從研究複雜系統中獲得一些經驗和工具可以用來研究歷史。去要求現在的歷史學家學習數學和計算機程序是有困難的，但歷史學家與物理學家合作這一形式將是可行的，也是富有成效的。

　　歷史學的研究除了以敘述的形式表達外應該還有更多的東西，單是描述隨歷史發生的過程是不足夠的。活性行走在模擬歷史中相當有用，也是很自然的應用。在中國，如果要打破文理割裂的堅冰，使它們真正你中有我，我中有你，就要有具體可行的措施。起碼要讓文理科的研究者知道彼此的研究內容，簡單的做法比如在北京中關村知識密集地區建立相應的網站，有一個暢通的信息通道。另外，有關的基金會，要鼓勵和支持由文理科研究者共同完成的新的項目並給予必要的經費支持。（科學網）

　　（林磊先生歡迎讀者通過郵件與他探討，他的Ｅ－ｍａｉｌ地址：Ｌｕｉ２００２Ｌａｍ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ） (文／林磊)