量子时代的不确定性思维及其在地质上的应用

王玉伦 2021-11-2821:27:08財經觀察评论3091字数 24722阅读82分24秒阅读模式

张旗1,原杰2,王跃3,焦守涛4,5,王振3 李晓彬6

ZHANG Qi1, YUAN Jie2, WANG Yue3, JIAO Shoutao4,5, WANG Zhen3, Li Xiaobin6

1. 中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029

2. 邢台学院资源与环境学院,邢台学院 054001

3. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

4. 中国地质调查局发展研究中心,北京100037

5. 自然资源部地质信息工程技术创新中心,北京100037

6. 江西省地质局第三勘查大队,江西省 九江市 330300

1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;

2. School of Resources and Environment, Xingtai University, Xingtai, Hebei 054001, China;

3. School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;

4. Development Research Center, China Geological Survey, Beijing 100037, China;

5. Technology Innovation Center of Geological Information, MNR, Beijing 100037, China;

6. The Third Geological Brigade of Jiangxi Bureau, Jiujiang, Jiangxi 330300, China;

Zhang Q, Yuan J, Wang Y, Jiao ST, Wang Z and Li XB. Uncertain Thinking and its Application in Geology in the Quantum Age. Acta Petrologica Sinica,Abstract: The scientific system represented by Newtonian mechanics is called Neoteric science, and that by the theory of relativity and quantum modern science. The former science obeys the deterministic thinking, which regards that the universe is knowable and predictable, whereas the later insists on the complex systemic theory, the uncertain theory and falsificationism, which regards that the universe is not total knowable is the concept of the universe itself. Now more and more people have a cognition that the property of uncertainty of the universe is absolute, the certainty of the universe is relative and the universe is the unity of opposites of both uncertainty and certainty. The geological bodies themselves are complex systems with incomplete studies, resulting in that all geological research are black-box problems. Therefore, geology is not so strict and tight as that of physics and mathematics, and geological experiments are not so direct and effective as physical ones. The uncertainty of geological research is solid, and thus geology is “romantic science”. Due to these facts, we need more wondering minds in geological research; without such minds, geological studies are stagnating. This paper discusses possible applications of wave-particle duality of light in geology, rises up a hypothesis that basalts form in different structural environments. It is pointed out that the phase transformation of metamorphic rocks belongs to the emergence theory. Further current work explores uncertain problems in ore deposits, the emergence theory which is close to ore forming process and introduced in detail, and points out that such research themselves on ore deposits are uncertain problems and different from that of volcanic and metamorphic rocks. Ore deposits are macro bodies with complex scientific systems, in which influence factors on ore forming are very extensive. Ore forming is basically a chemical process, which involves unclear problems such as how the thermal fluid forms and develops, which process it explores, and what changes it experience. Thus, the process of ore forming is a chaos problem, in which “butterfly effect” would play a major role. In the process of ore forming, the transformation (in which rains from air contribute to ore deposit) from liquid to solid of thermal fluids is mostly controlled by the emergency theory. The formation of the deposit (from liquid to solid) is basically restricted by the emergence theory, in which atmospheric precipitation may play a significant role.

Keywords: Philosophy, Neoteric science, Modern science, Uncertainty, Emergency theory, Chaos, Geology, Ore deposit

摘要:以牛顿力学为代表的是近代科学,以相对论、量子力学为代表的是现代科学。近代科学遵循固定论(确定性)思维,而现代科学则坚持复杂系统理论、不确定理论与证伪主义思想。确定性理论认为,世界万物都是可知的,可以预测的;而不确定性理论认为世界的不完全可知性才是世界的本质属性。现在,有越来越多的人明白,不确定性是绝对的,确定是相对的,世界是不确定性与确定性的对立统一体。地质本身是一个复杂系统,加上地质现象揭示的不完整,地质研究基本上是一个“黑箱”问题。因此,地质学不像物理学、数学那样的严格与严密,地质实验也不同于物理实验那样直接和有效。地质研究充满了不确定性,地质学是一门浪漫的科学(Romantic science)。正是由于这一点,地质研究更允许也更需要天马行空和奇思妙想。地质研究如果不敢放飞思想,那地质思维就干涸了。本文探讨了光的波粒二象性在地质上应用的可能性,提出了不同构造环境玄武岩成因的基因说。文中着重探讨了矿床学研究中的不确定性问题,详细介绍了可能与成矿息息相关的突现理论,指出矿床学研究不同于火成岩岩石学和变质岩岩石学,矿床学本身就是一个不确定性问题。热液成矿是一个巨复杂的复杂性科学系统,影响成矿作用的因素非常多。成矿基本上是一个化学过程,热液在下地壳底部是怎么形成的,怎么演化的,经历了什么过程,发生了什么变化,基本上是不清楚的。因此,成矿过程基本上是一个混沌问题,蝴蝶效应可能会起很大的作用。而矿床的形成(热液从液态转变为固态)基本上受突现理论的制约,其中,大气降水可能起到非同小可的作用。
关键词: 哲学,近代科学,现代科学,不确定性,突现,混沌,地质,矿床

1 前言

众所周知,近代科学的代表是牛顿力学,相对论和量子力学的发现开启了现代科学时代(也称量子时代)。近代科学崇尚决定论(或固定论、确定论),而现代科学强调不确定性理论,复杂性系统和证伪主义。确定性理论认为,世界万物都是可知的,可以预测的,其最著名的理论称为“拉普拉斯信条”,拉普拉斯信条是一个哲学命题,它认为每个事件的发生,包括人类的认知或行动,都或多或少地由先发事件所决定的。拉普拉斯说:如果准确地获得了宇宙的完整信息,就能够决定它在未来和过去任意时刻的状态。这意味着我们的宇宙是一个严格按照一个既定轨迹发展的系统,它的过去和未来我们都可以准确通过某种数学表述计算出来(谢千河和王鹏,2009)。而不确定性理论打破了上述概念,不确定性理论的代表人物是德国科学家海森堡(Werner Karl Heisenberg, 1901-1976),他在1927年提出的“不确定性原理”中指出,当你对一个微观粒子进行观测时,对于某些物理量(如动量、速度和方位等),我们无法同时准确地测准他们的数值。一个数值测的越精确,另一个数值量测的就越模糊。实验中,如果我们测得了一个微观粒子的准确位置,那么我们测得的粒子的动量就变得模糊;如果我们测得了一个微观粒子的准确动量,那么我们就无法知道它的位置。海森堡将这种现象引申至客观世界,认为这种困境不是我们的认知水平的有限所造成的,而是自然界本身的不确定性所导致的,是自然界的内在本质所造成的。因为自然界本身就是测不准的、不确定性的,这也是量子力学诉诸于统计规律的根本原因。

科学已经进入量子时代,而我们的科学研究,尤其是地球科学研究大体上还处于近代科学时代,主要采用固定论思维的方式,这不可能适应新时代科学发展的需要,也不符合时代赋予我们的任务。本文的主要对象是自然科学家,由于自然科学家对哲学很少关注,因此,本文不在哲学问题上作过多的讨论,只是提出几个哲学概念,然后探讨它们在地球科学上应用的可能性,能够解决哪些问题,所举的实例也是大家比较熟悉的。

2 确定性思维与不确定思维

2.1 两种哲学见解

自古希腊开始,人类就在对世界的本质进行探索,出现两种哲学见解:一种认为世界是确定的,这个理论肇始于古希腊哲学家泰勒斯,他主张世界是可以认知的,人们追求统一、规律、必然、因果、绝对性等思维,我们称之为“确定性思维”。近代哲学中笛卡尔主义和拉普拉斯的决定论同这种传统是一脉相承的。另一种思维则强调差异、偶然、复杂以及无序等,称之为“不确定性思维”。不确定性思想来自古希腊哲学家阿那克西曼德,他认为世界的本源是不确定的。不确定性的内容包括复杂性、随机性、模糊性和不可预见性等(丁祖豪和陈广国,2004;陈靖卿,2017)。

进入二十世纪以后,随着科学技术的发展,随着人类对微观世界认识的加深,随着相对论、量子力学、复杂性科学等一系列理论的建立,确定性思维失去了其绝对的统治力,不确定性思维逐渐在舞台上崭露头角,人们认为世界的不完全可知性才是世界的本质属性。随着现代自然科学的发展和人类对现代理性社会的反思和解构。确定性只是宏观低速世界里人类对于世界的片面解读,世界的不确定性和不可完全被认知性才是世界的本来面貌。

固定论以因果性作为其理论支柱,严格的因果性被描述为一环套一环的:原因约束结果,原因制约结果,原因决定结果。固定论认为我们这个宇宙不管是过去、现在还是未来的事物都会被严格的因果律所支配。从过去到现代,科学的基本宗旨就是还原世界的确定性法则,总是希望将生活中的不确定性现象化为可以用确定性解释的理论。

2.2 不确定思维的兴起

20 世纪中叶以来发展起来的复杂信息系统理论所揭示的事物性质的突现性、时间过程的不可逆性、空间结构的分形性以及事物演化方向和结果的分叉性、混沌性等理论,进一步地展示和推动了科学发展的复杂性、不确定性和非决定论倾向(邬焜,2015)。例如1905年爱因斯坦提出的相对论,1927海森堡提出的测不准原理和 1972年洛伦兹提出的混沌论。量子力学和测不准定理消除了关于可控测量过程的牛顿式的梦;相对论消除了关于绝对空间和时间的幻想;不完备的定理消除了人类对逻辑分析能力的自信;而混沌则消除了拉普拉斯关于决定论式可预测的幻想(王东生和曹磊,1995;谢千河和王鹏,2009)。

相对论和量子力学开启了不确定性理论的新时代,混沌理论则进一步扩展了世界的不确定性。混沌学的创立不仅引起了物理学、数学及相关学科的革命性变革,而且改变了两千多年来西方以及整个人类形成的世界是有序的、可预见的确定性世界观和方法论,它的产生标志着人类思想的真正革命。混沌在统计特性上类似于随机过程,它在本质上属于随机性.不确定性,包括随机性和模糊性(丁祖豪和陈广国,2004;吴祥兴等,2001;蔡骏,2004;陈靖卿,2017)。

美国气象学家洛伦兹是混沌论的创立者,他提出了“蝴蝶效应”这个见解:南美洲亚马逊热带雨林中的一只蝴蝶,偶然扇了几下翅膀,就可能引起两周以后美国德克萨斯州的一场龙卷风。这听起来似乎有点匪夷所思,但却说明了复杂系统中初始条件的细微变化对结果可能造成的巨大影响。洛伦兹用计算机对天气进行测算,一开始他输入设定好的程序,没发生什么问题。但洛伦兹在对天气系统的长期预测时,为了省事,他把上一次计算的结果作了四舍五入然后输入计算机。计算的结果让他大为吃惊,结果比没有经过四舍五入、精准输入的差距甚远。这与经典科学中的近似假定格格不入,经典科学中习惯用近似值、估算等数学方法来还原客观世界,这在混沌世界里可行不通。洛伦兹的实验说明,混沌对初始条件的极端敏感性:一个系统输入端的细微的差异,能够迅速放大到输出端,成为输出的巨大差别。为了说明这个问题,美国科普作家詹·格莱克还引用了一个民谣,这个民谣说:

少了一颗钉子,丢了一块蹄铁;

少了一块蹄铁,丢了一匹战马;

少了一匹战马,丢了一个骑手;

少了一个骑手,丢了一场胜利;

少了一场胜利,丢了一个国家。

这就是说,一颗钉子,对一个国家的存亡可以起到决定性的作用。这和蝴蝶拍动一下翅膀可以改变一场风暴的面貌是一个道理,用中国的一句话来说, 就是“差之毫厘,谬以千里”(陈中立,1994)。

洛伦兹在研究了天气这样一种无法重复自身的混沌现象后,便寻找能产生这种复杂行为的更为简单的方法。用计算机描述系统的运动,并转换成图象。这是一幅非常神奇的图象,在三维空间中的双重螺旋线,看上去像一只蝴蝶展开了两只翅膀(图1)。这个图象看上去混乱不堪,标志着纯粹的无序,但它又代表着一种新型的秩序,一种新的有序。也许这才是“蝴蝶效应”名称的真实来源。它蕴含着混沌的全部丰富内容,揭示了隐藏在随机性中的秩序,充分说明了混沌深处是有规律的,有序的。所以,后来人们便把这一展开两翅膀的蝴蝶的双重螺旋线,叫做洛伦兹吸引子,它已成为混沌的早期探索者的徽记(陈中立,1994;李坚,2006)。

量子时代的不确定性思维及其在地质上的应用图1 洛伦兹的“蝴蝶效应”(图片选自网络)

Fig. 1 Lorentz's "Butterfly Effect" (picture from network)

蝴蝶效应普遍存在于日常生活中,混沌现象具有客观的普遍性。例如人们不经意间丢的一个烟头就有可能引发一场森林火灾,刚刚过去的河南暴雨和山西暴雨也是混沌效应的结果。

2.3 确定性与不确定性的辩证统一

在不确定论的建立的100多年过程中,逐步形成的是一种不确定性与确定性相结合的辩证世界观,这一世界观认为:不确定性是绝对的,确定是相对的,世界是不确定性与确定性的对立统一体(谢千河和王鹏,2009)。19世纪以后,越来越多的科学家相信,不确定性才是这个世界的本质(蔡骏,2004;欧庭高和陈多闻,2004;李坚,2006)。宇宙的形成,生命的出现,物种的演变,都含有许许多多不确定的因素。比如现实生活中,你同你的父母看着虽然有些相似,但又不相同,这即属于遗传的不确定性。自然界中,同一物种具有相类似的特征,但又有差异,在细节上不同。这是由于生物基因中的遗传特征在复制传递的过程中发生了随机的突变,导致新的细胞或个体与它们的祖先有了一些不同(谢千河和王鹏,2009)。例如新冠病毒变异的德尔塔(Delta)毒株就是病毒遗传中的不确定性引起的。

从方法论的角度,不确定性从根本上改变了人们的思考问题的方式。不确定性思维有利于我们以更加积极的态度来面对未来,有利于我们克服思维上的单一性和片面性,更加客观的看待事物。我们的研究基本上是按照因果性来进行探索的,例如一个地区的岩浆活动是一个复杂系统,它受各种因素的制约,由于地质现象揭露的不完整,许多因素我们并不知道,因此,我们不能用简单的方法加以处理。又如一个矿床的形成,它的初始条件是什么我们基本上不知道,但是,我们可以知道的是,初始条件的稍微变化即会引发结果的巨变(蝴蝶效应)。又如有一套玄武岩,地球化学分析表明它具有岛弧环境的特征,追踪其原因可能是由多种因素造成的,如板块俯冲、陆壳混染、岩浆分异、岩浆混合、源区性质、部分熔融时有无水的加入以及加入的量等等。因此,如果你没有仔细排除其他因素,即不能仅根据它具有岛弧特征而推测它就是来源于岛弧环境这一种可能性。

3 不确定的科学与不确定的世界

“不确定的科学与不确定的世界”是一本书的题目,本文引进来将其作为本节的题目。该书的作者亨利·波拉克(Pollack, H N, 1936- )是一位地质学家,美国密歇根大学教授,主要研究全球气候变化。他在研究中发现,许多人对科学存在误解,其中首当其冲的是不确定性(Uncertainty)问题。为了解惑许多人的疑问,于是他根据自己的研究经历撰写了一本书,题目就是本节的标题(波拉克,2005)。讨论了不确定性在科学中发生的方式,如何适应和利用不确定性,如何根据不确定性得出结论,如何对不确定性做出评估等。笔者对波拉克这位同行的见解感到非常亲切,下面介绍他对不确定性的一些精彩见解,可能对读者理解不确定性理论是有益的,在下面的介绍中也有笔者的一些思考。

科学充满着不确定性,科学是如何发展,又是如何繁荣的呢?波拉克(2005)给出了他的答案。他指出,人们对于科学有许多根本性和普遍性的误解,认为科学是精确和确定的。他认为,“科学是确定的”,这只是一个神话。

确定性绝不仅仅局限于将来,它也具有过去知识的特征。例如地质学家远不能确定冰河时代的原因,古生物学家仍然在为鸟的进化而争论不休。由于过去的记录是不完全的,在某种程度上是不准确的。因此,我们对过去的理解是不确定的,我们持久的证据经常是互相矛盾的。

波拉克(2005)认为,“不熟悉导致不确定”。当我们在生活中经历一些事情时,我们会熟悉它,也许会理解它们进而接受它。但是当我们遇到先前从未经历过又不熟悉的某事物时,很自然我们会怀疑它。而且如果我们面对的是一个抽象概念的话,而这又完全超出了我们的经验,那么怀疑或甚至不相信都是一个自然的反应。在这种情况下,不确定性与不熟悉紧密相关。

波拉克(2005)对实验研究有非常深刻的理解,尤其对地质学实验来说。波拉克(2005)认为,“实验”这个术语就暗含着不确定性,要不然如果实验的结果是确定的,那为什么还要做实验呢?实验的目标是了解一个系统的新东西、未知的东西或者所知甚少的东西。实验是模型的自然发展,因为无论是概念的、物理的或数值的模型,都是对系统的简化表达,对模型进行实验有助于我们了解模型的优势和弱点。从结果来讲,模型中包含的简化在许多情况下可能不妨事,但是在特殊情况下,模型会非常脆弱。在这种背景下及模型确认过程中,需要通过实验对它们进行检验。按照笔者的理解,地质实验的含义完全不同于物理实验,物理离不开实验,物理学的发展在很大程度上依靠实验。杨振宁和李政道于1956年提出的“弱相互作用中宇称不守恒定律”,如果没有吴健雄的实验验证,他们可能不会这么快就获得了1957年的诺贝尔奖。地质实验具有局限性,实验室研究的结果能否应用于大自然是一个没有解决的问题,实际上问题可能是很多的,因此,将地质实验的结果等同于物理实验是十分危险的。

能够将实验室结果迅速进行外推来预测现实世界的行为吗?在这方面,波拉克(2005)提出了许多告诫。他说:在现实世界中,通过自然过程对地球地壳的扭曲一般是发生在千百万年的时间尺度内,然而在实验室,即使一个耐心的实验者,这些挤压和扭曲却发生在几天或者几个月之内。在现实世界,与一场大地震相联系的断层在几公里之上也许才裂开。然而在实验室中,典型的样本被拉裂时的尺寸只有几厘米或几十厘米长。在更大的自然环境中,岩石种类的多样性在确定断层可能在哪里发生以及何时发生方面很可能扮演着一个重要的角色,然而在实验室,可能更多的是样本的单一性。对于地质学家来说,这只是一种生活事实。他们在实验室对地质过程的努力探索所面对的显而易见的事实说明,地球并不是很适合进入实验室,而且人类没有以自然进程的速度来从事实验奢侈时间(波拉克,2005)。看来,通过小的简化的实验室模型对大的自然系统的行为进行预测是一件充满着不确定性的问题。

波拉克(2005)指出,地质学的历史告诉我们,静止的世界只是幻觉。未来是和过去相关的,它建立在过去之上,但它很少是过去的精确重复。弗朗西斯·培根说过:我们如果以确定开始,就会以疑惑结束;如果以疑惑开始,并且耐心地解决疑惑,就会以确定结束。笔者认为,科学研究中的创新很难,难在前面没有人领路,路在何方不知道,因此创新是具有强烈的不确定性的。而跟踪式的研究可以跟在别人的屁股后面亦步亦趋地走,有先例可循,有确定性,天塌下来有高人顶着,没有风险或风险很小,这即是人们追求确定性的心理反映。

4 量子力学理论对地质研究的启示

光的一个最重要的特点是波粒二象性,表明光子兼具波动性与粒子性的双重含义。从宏观上说,光的传播具波动性,从微观上说,光具有粒子性。这个特征在地质上有类似的应用,例如玄武岩构造环境判别图。由于玄武岩不同构造环境微量元素含量与比值不同,因而可以做成判别图,Pearce等采用因果关系的处理方法得出许多判别图(Pearce and Cann, 1973; Pearce and Norry, 1979; Pearce et al. 1984a, b; Wood, 1980; Shervais, 1982)。从目前来看,上述判别图问题较多,原因是他们制作的判别图主要是根据归纳法的思路厘定的,采用的是抽样的数据。归纳法只能说明过去,不能预测未来(波普尔,1963)。如何解决这个判别图的局限性的问题呢?我们采用大数据方法,而且主要利用全数据模式,即一网打尽全球该领域的全部数据,挖掘数据中隐含的相关关系。例如,我们收集了全球MORB、OIB、IAB的全部数据,对上述数据进行统计分析,得出的判别图的效果远远超出了过去的判别图(张旗等,2020)。不仅如此,我们随后的研究发现,不仅玄武岩可以判别环境,辉长岩、安山岩也可以判别环境,且判别效果并不比玄武岩差,甚至效果还要好一些(如焦守涛等,2018;罗应等,2018;李玉琼等,2018;刘欣雨等,2019;Han et al., 2020)。上述结果表明,不同构造环境可能是有本质区别的,来自大洋中脊的岩浆岩(MORB),无论如何演化,它的基因是会被保留下来的(保留在岩石中,矿物中),OIB,IAB同样如此(图2)。这个不同是否可以用不同的“基因”来解释呢?例如图3,从宏观角度,不同构造环境的样本掺和在一起,得到的是混合后的样本,但是,揭开宏观面貌,从(基因)粒子的角度,它们的混合的不同来源的本质是不一样的,仍然是可以识别的。这个“基因说”究竟是是什么,目前还不清楚。

量子时代的不确定性思维及其在地质上的应用图2 不同构造背景的岩浆岩基因不同(不同颜色表示不同的基因,据张旗等,2020)

Fig. 2 Different DNA of magmatic rocks with different tectonic backgrounds (Zhang et al., 2020)

量子时代的不确定性思维及其在地质上的应用图3 判别图识别不同模式(张旗等,2020)

图中红色粒子代表MORB基因,绿色代表陆壳基因,浅蓝色代表OIB基因,灰色代表LILE基因,黄色代表IAB基因等。不同构造背景岩浆基因不同的基因(包括陆壳和蚀变也有各自不同的基因),宏观是样品的地球化学分析所得到的结果,自然模糊不清,而其内核的基因是不变的,查明它们的基因即可恢复其原始的状态

Fig. 3 Discrimination diagram to identify different patterns (Zhang et al., 2020)

量子的另一个重要的规律是不确定性,波普尔认为理论具有不确定性,真理具有不确定性,是深得量子纠缠理论的精华。地质上的不确定性更加明显,要求地质给出一个不是即非的答案通常是很困难的,地质的影响因素太多,我们有太多不知道的东西。因此,地质的不确定性应当是地质最基本的规律。地质是浪漫的学科,因此,地质更加允许天马行空,地质如果不允许奇思妙想是一事无成的。量子是不确定性的,量子力学又是科学界最完美、最科学的理论,二者似乎很难统一起来,其实,量子理论的确立是经过了千难万险的,地质理论也如此,只要坚持不懈,认真证伪,终有接近真理,最大限度逼近真理的那一刻。

5 突现论在矿床学中的应用

突现论是一个崭新的哲学理论。例如大家所熟悉的质变即属于突现的一种,但却无需量变的积累,突现是一种突然的、偶然的事件,但是,其中也孕育了必然性。例如碳、氢、氧组合形成的化合物糖,就是突现理论的一个实例。按照上述认识,矿床成矿可能即是突现的一个实例。由于突现论对于地质学研究可能具有的巨大潜力,故下面先作一简要介绍,再探讨其应用的可能性。

5.1 突现概念的由来

“突现”一词Emergence,意为“浮现”、 “出现”、 “涌现”、“突然发生”的意思。1956年,艾什比在《控制论导论》一书中对突现作了如下说明:“突现这一概念从来没有人明确下过定义,但以下例子也许可以作为讨论的基础:(1)氨是气体,HCL也是气体,这两种气体混合在一起,结果得到白色的氯化铵固体,这是两种反应物原来都没有的性质。(2)碳、氢、氧都是无味的,但它们的一种特定化合物糖却具有一种甜味,是三者都没有的。(3)细菌体内20种左右的氨基酸都没有繁殖的性质,但它们合在一起(再加上一些别的物质)之后,却具有了这种性质,上述均属于“突现”(庞元正和李建华,1989)。”哲学界目前还没有统一的突现的定义,谢爱华(2003)在比较了不同学者的见解以后,给“突现”下了一个简单的定义:“突现是指一系统新质(未曾有过的结构或其子系统都不具有的功能)作为整体的突然出现的过程。”

5.2 突现概念的主要内容

19世纪末20世纪初,一批学者开创了英国突现主义学派,他们以“突现”为核心,勾画出了一个突现理念与问题的全景。首先,他们将突现问题的实质视为层次之间的关系,他们认为:(1)世界是一种层级结构和突现进化的,世界的层次是按照事物的有组织复杂性不断提高划分的。例如,最基本的层次有三个:物理、生命与心灵。每一大层次中还可再划分为若干小的层级,例如物质层级可进一步划分为电子、原子核、原子、分子和有机物等,而心灵的层次又可划分为感觉、知觉与理智等。从一个层次到一个更高的层次的发展被称为突现的进化。(2)突现规律就是跨层次规律,每一个层次都具有某些基本的、不可还原的性质与规律,高层次性质是从低层次性质中突现出来的,它由跨层次的“突现规律”所支配。

突现理论具有以下4个特征:

(1)突现性是高层次所具有的新性质。即“高层次B具有低层次A 所不具有的性质”,高层次性质来源于低层次的存在,那是它的根。但是既然它已经从那里突现出来,就已经不属于那个层次了,而构成一个新的存在阶层并拥有自己特殊的行为规律。例如氢和氧结合成为水(H2O),在这里,氢和氧是低层次A,水是高层次B,高层次的B来源于低层次的A,水既然突现为B了,它就不再具有低层次氢和氧(A)的性质了。

(2)突现具有不可预测的新奇性。也就是说,在突现出现之前,即使我们对支配它的组成部分的特征及其规律有完备的认识,也不能预言它的出现。Morgan 说:“新关系与旧关系的区别,就在于它所具有的特殊性质的不可预测性。在它们成为事实而为我们观察到之前,我们无从预先推测。”例如前面举的C、H、O结合成为糖的实例,C、H、O是无色无味的,糖是甜的,这就是突现造成的新奇性。又如成矿是液态的含矿热液在一定的条件下经过一系列反应形成固态矿床的过程。在这里,液态的含矿热液是低层次A,固态的矿床是高层次B。热液的性质不清楚,热液在什么时候,什么条件下形成矿床也不清楚,矿床的种类、品位、位置、规模也不清楚,这就是“不可预测性”。

(3)突现表现为层次间具有不可还原性。每一个层次都具有某些基本的、不可还原的性质与规律,高层级性质是从低层级性质中突现出来的,由跨层次的“突现规律”所支配,“突现规律”具有根本性和不可还原性。例如C、H、O结合成为糖,糖就不可能再回到C、H、O的气态;氢和氧结合成为了水,也回不到当初的氢和氧的状态;矿床同样,当矿床形成以后就不可能再回到含矿热液状态了。这可能就是不可还原性。

(4)高低层次之间存在着因果关系。一方面,高层次由低层次而产生,它不能脱离低层次事物而独立存在。另一方面,高层次具有低层次所不具有的性质并对其组成部分(低层次)有支配作用(以上引自范冬萍,2005)。例如铜矿来源于含铜热液,这是受因果关系制约的。

英国突现主义者把自然界比喻为一个黑箱,是永远打不开的,我们只能从它的输入与输出来观察它。虽然他们承认突现是一种进化,但却认为,这个从部分突现出整体的过程是一个离散的跳跃的过程,中间没有什么步骤和连贯的过程可供我们追寻(范冬萍和张华夏,2005)。

5.3 突现论的意义

“突现论”是目前正蓬勃兴起的复杂性研究中的热点,它对传统的科学和哲学都构成了挑战,也带来了新的机遇。自然界中最有魅力也最令人费解的现象就是从简单的子系统的相互作用中突现出高度复杂的集体行为: 鱼群编队突然没有任何指挥的聚集在一起;原子通过形成相互间的化学键寻找最小的能量形式从而形成分子;现代宇宙学认为,宇宙和时间-空间均产生于大爆炸的那一瞬间,上述都是突现的表现(谢爱华,2003)。

比利时学者普利高津指出,“突现”是复杂性科学的重要内容之一,已经成为复杂性科学研究的重要领域。突现是一种自然现象,是事物发展过程中方向向上的一种质变,是关键的转折点。在复杂系统中,突现性是由于系统中各部分相互作用、相互补充、相互制约而激发出来的一种相干效应。系统中各部分不同的组合形式产生的突现的效果也不一样。突现又可以理解为非还原性,任何复杂系统都具有突现性。普利高津所提出的突现,指的是复杂体系中组织体系内部突然出现的新的结构或新的性质,在整个自组织过程当中这些新的结构或性质展现出没有出现过的新特征,这在宏观的层面上被定义为突现。普利高津把突现现象描述为一种不确定性、不可预测的机制。复杂性系统中的一些出乎意料、让人惊奇的现象被普利高津描述为突现,突现是复杂系统中众多组织和部分相互作用组成产生的异变的一种称呼,代表了系统中出现的无法预测行为、难以想象的变化(陈靖卿,2017)。

5.4 突现论在矿床学上的应用

气态的氨和盐酸发生反应生成氯化铵,为白色的固体,NH3+HCl=NH4Cl。碳、氢、氧组合生成糖(C6H12O6)。上述化学反应是我们所熟悉的,从哲学上已经归入突现理论,这是前所未有的见识。一个简单的化学反应具有深厚的哲学蕴意,这是令人吃惊的。如此说来,含矿热液的一系列演化过程岂不是也可以用突现理论来解释吗?如普利高津所说,突现是一种自然现象,是事物发展过程中方向向上的一种质变,是关键的转折点(湛垦华等,1998)。如上所述,含矿热液本身就是一个复杂性系统,它的来源非常复杂,可以来源于地幔、下地壳、热液向上运移过程中与围岩交换加入的物质,上升过程中裹挟的物质以及与周围物质交换的产物,直至大气水的带入。这些都是不确定的,无法预知的。如果假定在下地壳底部形成的初始热液为H0,(H代表含矿热液)热液上升发生一系列反应,H0将改变为H1,H2,H3等等,一直到HD(假定H0,H1,H2等为液态或气态,HD为固态,例如白钨矿,黑钨矿,黄铜矿等)。现在HD(矿床)已知,而从HD返回到H(D-1)(H(D-1)为液态或气态,设其为成矿前形成矿床的那份热液)的过程我们也很难确切知道。上述H2、H3、H(D-1)等应当是一个一个层次的突现,这些突现都是不可预知的,是人们所不了解的。突现的规模、层次可能也有大有小,但都是一种具有质变含义的变化。尤其当热液与大气水交汇的时候,在大气水临界面附近发生的剧烈的化学反应,形成了矿床,终结了热液的一系列过程,是确确实实的突现,是一个最具有价值的突现。正是由于这个突现,矿液才变成了矿床,无疑这就是矿床学研究的关键点。这个从液态或气态到固态的成矿过程,这个“突现”的实现,按照哲学的说法,应当是由于系统(含矿热液)中各部分相互作用、相互补充、相互制约而激发出来的一种相干效应,即叠加效应,共振效应的结果。共振效应的极端化则是地学大事件发生的根本原因。

根据上面的介绍,从H(D-1)到HD,显然是“跨层的突现”,是从低级的层次跨越到高一级的层次。这个跨层是“不可还原的”它完全符合突现的上述4个特征:

(1)高层次(HD)比低层次(H(D-1))具有的“新性质”,即“高层次HD具有低层次聚合体(H(D-1))所不具有的性质”。高层次性质的HD来源于低层次(H(D-1))的存在,那是HD的根。但是既然它从那里突现出来,就已经不属于那个层次了,而构成一个新的存在阶层并拥有自己特殊的行为规律。”也就是说,HD来自于(H(D-1)),但是HD已经不具有低层次(H(D-1))的性质了。

(2)“突现具有不可预测的新奇性”。也就是说,在HD突现出现之前,即使我们对支配它的组成部分的特征(H(D-1))及其规律有完备的认识,也不能预言HD的出现。例如,我们根据各种手段的研究,如果已知含矿热液(H(D-1))及其规律,也不能预言矿床HD的出现。

(3)突现表现为层次间具有不可还原性。每一个层次都具有某些基本的、不可还原的性质与规律,高层级性质(HD)是从低层级性质(H(D-1))中突现出来的。它由跨层次的“突现规律”所支配,“突现规律”具有根本性和不可还原性,矿床已经形成,固态的HD即不可能再返回到含矿热液的H(D-1)的状态。

(4)高低层次之间存在着两种因果关系。这一点比较费解,按照范冬萍(2005)的解释,“一方面,高层次由低层次经组合而产生,它不能脱离低层次事物而独立存在。”即高层次的HD由低层次的H(D-1)形成的,HD不能脱离H(D-1)而独立存在。HD与H(D-1)具有因果关系,(H(D-1))是因,HD是果。“另一方面,高层次具有低层次所不具有的性质并对其组成部分(低层)有支配作用,即突现意味着高层因果作用的出现”。这句话的意思是HD具有H2(D-1) 所不具有的性质并对H(D-1)有支配作用,这是另一层次的因果作用(范冬萍,2005)。

研究表明,矿床的形成的一个非常复杂的问题,但是,突变点或关键点可能主要发生在两处:一个是上面说到的大气水临界面;另一个是断裂。例如大岩体有利于成矿还是小岩体有利于成矿的问题,其实质就是一个构造问题。一个大岩体侵位到地壳浅部,一般会对周边围岩产生强烈的挤压作用,例如引起岩体顶部地层的拱起,形成一个背斜构造,背斜造成地层弯曲,伸展,产生断裂,出现裂隙(主要是张裂隙)。这时,未固结的岩浆即可挤入(或被吸入)上述断层或裂隙,形成小规模的岩体。因此,一个小岩体即代表一个构造,一个断裂。有些断裂有岩体侵入,有些没有;有些断裂有岩体侵入还伴随流体,有些断裂有岩体侵入却不伴随流体;有些断裂仅有流体进入而无岩体,有些断层没有流体进入;流体有的含矿,有的不含矿等等。含矿的流体在合适的位置上汇聚、交代、与围岩发生反应或因温度下降而成矿;有些流体则分散了、消失了而不成矿。这些,均与构造有关。断裂有利成矿还在于断裂可能导致压力的释放,产生瞬间压力“真空”,即通常所说的压力致裂作用。压力的瞬间变化,也可能导致含矿热液性质的突然变化,出现突现效应,有利于从热液转化为矿床。因此,构造也是含矿流体发生转变的关键点,突变点。

大气水同样,这是矿液从开始形成到演化一路行来遭遇改变的最大的突变点了,也是最可能引发突现的部位,也即成矿的最佳部位(张旗,2013)。根据上面的论述,我们已经知道,从液态转变为固态不是一个量变与质变的问题,而是一个突发性事件,适合采用突现论解释。来自深部的热液的性质与大气水的性质完全不同,因此,二者的汇合最容易导致成矿。在这里,含矿热液是一个突变相,大气降水是另一个突变相,二者汇合形成的矿床即交互相。张德会等(2011)指出,地下水的存在和运动控制着热液矿床的规模和分布。季克俭和王立本认为(1994),侵入无地下水地区的岩浆岩不伴生热液矿床。姜福芝和王玉往(2005)则更加简单明了:“无(地下)水不成矿”。同位素测试的矿床大多存在大气水的痕迹,相反的实例很少,足见地下水作为成矿的一个重要因素对成矿的重要性(张旗,2013)。

热液或含矿热液本身很复杂,其初始成分(H0)基本上是不知道的,在其演化的过程中又极易受各种因素的影响,加上蝴蝶效应,混沌理论的作用,使热液演化过程更加难以捉摸。这时,包裹体研究即有了用武之地了。因为,它是为数不多的可以给出流体演化过程信息的载体,虽然包裹体给出的信息也具有不确定性。例如一个反应:A+B=C+D,如果A、B、C、D都有或一部分有包裹体保留,你所测定的包裹体代表反应的哪个载体也是很难确定的。因此,矿床学与岩石学比较,其复杂程度不知道增加了多少倍。而正是由于矿床学的复杂性、不可预期性和不可捉摸性,才带来矿床学更多的问题,更多的不可知性、偶然性、模糊性,才激起人们更加努力探索的激情。

按照笔者粗浅的理解,在热液成矿过程的自始至终都可以用新提出来的突现理论来解释。突现具有质变的特征,但它不是质变,没有量变的积累,是突发性的,不可预测、不可预知的,这是由系统中(如含矿热液)各部分相互作用、相互补充、相互制约而激发出来的一种相干效应,叠加效应,共振效应的结果。矿床有大有小,品位有高有低,主要看突发事件导致的相干效应,叠加效应和共振效应的结果。如果效应不断放大,即可在合适的情况下形成较大规模的矿床,如果突发效应不明显,热液含矿规模小,则不可能形成规模很大的矿床。这些均很难预测。成矿本来就是一个不确定性的事情,再加上突现理论的叠加,使其更加不可预期。

6 讨论

6.1 地质研究呼唤不确定性

以牛顿力学为代表的是近代科学,相对论、量子力学和复杂性科学的崛起代表了现代科学时代的到来。确定论思维是近代科学的思维方式,现代科学则使确定性思维让位于不确定性思维。

地质研究基本上采用的是确定性思维方法,还处于近代科学范畴。其次,地质学研究的特殊性说明地质学需要哲学的指引。Seddon(1996)指出,地质学是一种思想体系,一种思考世界的方式。其核心问题是:地质学是如何影响人们的思维方式、感知方式和行为方式的?什么是地质学文化?他还说,地质学是一门浪漫的科学(Romantic science),而不是一门像物理、数学那样的经典的科学(Classical science)。雷援朝(1988)在讨论地质思维及其特点时提出了一个“黑箱”理论。他指出,地质思维是人脑与地质体相互作用的过程中对客观地质现象概括的、间接的反映,这是一个“黑箱”问题。地质学是研究地质历史的一门科学,地质历史本身也是一个“黑箱”,而作为具体研究对象的任何一个地质历史时期中的地质现象或地质事件同样也是一个黑箱。地质思维的过程是人脑(主动黑箱)与地质体(被动黑箱)之间相互作用的过程,它们之间的关系是相互映射的关系(雷援朝,1988)。看来,地质研究是黑箱对黑箱,如果没有严密的逻辑思维和广泛的知识,是很难得到真知灼见的。因此,地质研究特别需要注入不确定性思想,尤其我们在思考量子与地球科学如何结合的问题时。我们已经处于现代科学时代,如果我们的思想,研究方法仍然停留在近代科学阶段,仍然不善于用不确定性思维思考问题,我们将愧对这个时代,我们的路也不可能走得很远。

6.2 成矿是一个不确定性问题

不确定性理论最适合矿床学,成矿就是一个典型的不确定性问题,主要表现在下述几个方面:

1,成矿是一个复杂性科学系统。成矿作用受制约的因素非常多,岩浆、构造、地层、围岩、蚀变、源区、温度、压力、地下水等等都能够对成矿或不成矿产生影响,且很难确定上述影响的权重分配。

2,成矿基本上是一个化学过程,次要的是一个物理变化。因此,现在所见所获成矿的数据、知识,是含矿热液转变为矿床的产物,早先的含矿热液是个什么情况,几乎完全不知道。因此,矿床成矿规律研究的难度不是一般的大。在这种情况下,找矿的难度就更大了。矿床赋存在哪里,需要研究成矿规律,但是,其中许多是不确定的。

3,成矿过程基本上是一个混沌问题。这里有几个关键环节:(1)成矿热液流体的起源。在下地壳底部,由于地幔上涌导致的下地壳底部升温,变质岩发生脱水反应,释放出流体。由于变质岩原岩性质不同,释放的流体数量、性质也不尽相同。上述流体有无数个来源,流体在下地壳底部循环,汇聚,交代,由少聚多,其中有的含矿,有的不含矿,含矿多少,含什么矿均不清楚。流体起源可以比喻为蝴蝶效应,类似于一个蝴蝶扇动了几下翅膀,蝴蝶扇动的翅膀引起的振动是否会放大,是否会引起一系列连锁反应是不清楚的。(2)蝴蝶效应放大必须使翅膀的振动与周围的振动产生同频共振,即波峰与波峰叠加,波谷与波谷叠加,才能产生共振效应,而且这个效应还必须继续放大,才能最终形成风暴。成矿大抵也可能如此,含矿热液必须有合适的条件才能汇聚起来,不同的含矿热液互相汇合,在向上迁移时不断汇聚,发展壮大,形成一定的规模,才也可能形成具有一定经济价值的矿床。这就好比波峰与波峰之间的叠加。如果好不容易形成的一股含矿热液不断地与不含矿的热液叠加,相当于波峰与波谷的叠加,则成矿热液就被不断稀释了。(3)含矿热液是流体,这些流体在什么情况下变为固体,才能形成矿床。这个情况也是比较复杂的,最可能的是深部含矿流体遇见了来自地表的地下水渗透,热液与大气水交汇产生的突变效应导致成矿。从上述分析看,成矿就是一个不确定性问题,一个混沌问题,必须出现一系列的同频振动的叠加,放大,才能最终形成具有一定规模的矿床。

4,研究表明,矿床形成基本上是一个突现论的问题。成矿的关键是何时何地在何种条件下从液态转变为固态的问题。这其中,地下水(大气降水)可能是一个关键要素,这是一个明显的体现过程。矿床找矿可能主要需要关注的正是这个阶段。看来,从矿床形成的不确定性中抓确定性,抓突现出现的位置及产生突现的最基本的条件,可能是找矿研究的一个新思路。

7 结论

1,以牛顿力学为代表的是近代科学,以相对论、量子力学为代表的是现代科学。近代科学遵循固定论(即决定论或确定性理论)思维,而现代科学则坚持复杂系统理论、不确定理论与证伪主义思想。确定性理论认为,世界万物都是可知的,可以预测的;而不确定性理论认为世界的不完全可知性才是世界的本质属性。现在,有越来越多的人相信,不确定性是绝对的,确定是相对的,世界是不确定性与确定性的对立统一。

2,地质学本身是一个复杂系统,加上地质现象揭示的不完整,地质研究基本上是一个黑箱问题。因此,地质学不像物理学、数学那样的严格与严密,地质实验也不同于物理实验那样直接和有效。地质研究充满了不确定性,正是由于这一点,地质研究更允许也更需要天马行空和奇思妙想。地质研究如果不敢放飞思想,那地质思维就干涸了。

3,本文着重探讨了矿床学研究中的不确定性问题,认为矿床学研究不同于火成岩岩石学和变质岩岩石学,矿床学本身就是一个不确定性问题。成矿是一个巨复杂的复杂性科学系统,影响成矿作用的因素非常多。成矿基本上是一个化学过程,热液在下地壳底部是怎么形成的,怎么演化的,经历了什么过程,发生了什么变化,基本上是不清楚的。因此,成矿过程基本上是一个混沌问题,而矿床的形成(热液从液态转变为固态)又基本上受突现理论的制约,其中,大气降水可能起到非同小可的作用。

致谢:本文撰写中,与路来君教授和秦克章研究员做过交流,对笔者深有启发,深表感谢。

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编辑;王玉伦

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