学海涌泉：系统视野，天上人间 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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这是一本内容和叙述方式都不循过往课本常套的书，可以当作「开卷有益」的趣味科普读物，满足中学程度有志读者的好奇心。全书分成5篇13章，每章大致上都自成整体，採用一两则小故事作为楔子，引出重要的主题概念：宇宙的形成、生物的演化；系统的结构、功能、和互动的法则；「涌现」的「非线性数学」诠释；因果与自由意志；彼、己之分和「大我」概念扩充下的合作互惠。我们更粗略地介绍复杂性理论里分形的诡奇、混沌的启示、自发性自我组织的涌现与套叠、大自然的演变、和群体社会的形成和运作。全书有相当详细的脚註，供应交互参照，更让富好奇心的读者可以作进一步的参考。

　　近年来，笔者搁置退休生活，从美国回到香港中文大学，建立一门以系统概念为出发点的通识教育新课：「宇宙、学术与人生。」不知不觉已过了十六寒暑；自己也从讲授中学习，取得了许多珍贵的新知识。笔者曾编了《系统视野与宇宙人生》作为课本，该书曾经再版，但多年来事过境迁，在今天已有重新述作的必要。本书是改写的结果，以平易的文字、浅显扼要的数学，在有限的篇幅里用系统科学的眼光，鸟瞰大自然与人类文化的演变与运作。

　　系统科学可说是无远弗届，无孔不入。其中影响笔者最深的一个概念，是「涌现特性」：系统拥有、而构成系统的成员所无的特性。 它是这些成员互相作用的结果，也是「化约论」的难题，「统摄论」的根基。

　　本书以涌现为出发点，因此也以「学海涌泉」命名。
 

作者简介

陈天机教授

　　早年留学美国，在美国白朗大学取得化学学士学位，继在美国杜克大学获化学硕士和物理学博士学位；曾受僱于IBM担任高级程式师、研究员；1979年加入香港中文大学，历任电子系访问教授、计算机科学与电子学讲座教授及主任、联合书院院长；1992年退休，膺计算机科学与工程学荣休讲座教授；2003年，获颁中文大学荣誉院士及联合书院荣誉院士。自1998年迄今，陈教授一直于中文大学通识教育部任教。

vi    序

I    开场白
一    爱神的涌现：系统与涌现特性
3    1. 楔子：爱神的涌现
5    2. 系统的概念
13    3. 涌现特性
15    4. 系统间的异同
17    5. 实质世界里的一些涌现特性
20    6. 宇宙、地球、生物与社会
21    7. 小结：涌现的套叠
22    附录A. 三本参考书

II    宇宙与生物
二    意外的诺贝尔奖：宇宙的宏轰
27    1. 楔子：意外的诺贝尔奖
28    2. 三字母经
30    3. 三十年的大论争
34    4. 我们宇宙的历史
39    5. 未完成的探讨
40    6. 从大到小

三    二十三亿年前的悲喜剧：共同演化
45    1. 楔子：太古时的悲喜剧
49    2. 生命
52    3. 寒武纪的大爆炸
55    4. 结构、功能与反馈
58    5. 生物物种间的共同演化
63    6. 生态循环
65    7. 英雄与时势
66    8. 演化、学习与教育
68    9. 人类与工具的共同演化
69    10. 小结：结构、功能与共同演化

III    规律与假设
四    阿拉伯全驼宴：略谈套叠系统
73    1. 楔子：全驼宴与俄国套娃
76    2. 系统的两种主要表示方式：图象与「枝、结」
78    3. 套叠系统与树式
84    4. 生物的套叠分类
88    5. 套叠系统的常见表示方式
94    6. 语言文字作为不完全的套叠
97    7. 小结：套叠系统与人类文化

五    臭皮匠的智慧：涌现特性与数学
99    1. 楔子：臭皮匠与诸葛亮
101    2. 「线性」与「非线性」
104    3. 揭开名言的面纱
107    4. 原子弹与临界效应
113    5. 小结：量变、质变与非线性数学

六    覆巢下的完蛋：时间之箭与生物世界
115    1. 楔子：「完蛋」的两个谜
118    2. 不可逆现象与时间之箭
119    3. 自发性自我组织
121    4. 生命的简史
124    5. 演化论
128    6. 浩劫
130    7. 人的出现

七    拿破崙的假设：变化、因果与自由意志
133    1. 楔子：拿破崙的假设
135    2. 变
137    3. 因果律，出现罢！
141    4. 自由意志与志向行为
143    5. 硬性决定论盔甲上的裂痕
145    6. 自由意志与社会
147    7. 自由意志与信徒

IV    小我与大我
八    向盗窟取经：异同与彼己
151    1. 楔子：向盗窟取经
152    2. 傲慢与偏见：社际关系
154    3.「纯」与「杂」
161    4. 社会心理，「群体极化」与「团体迷思」
168    5. 东西文化的异同
170    6. 小结：彼、己之判

九    吸血蝙蝠的道德：大我的层次
173    1. 楔子：吸血蝙蝠的道德
175    2. 志向行为与群体社会
179    3. 忠诚来源的三套解释
180    4. 自私基因
182    5. 施恩图报
185    6. 摹媒与文化
190    7. 忠诚来源新说
194    8. 更高的层次

V    从复杂性看世界
十    苹果树下的天灵盖：非线性数学的应用
199    1. 楔子：牛顿的苹果树
200    2. 椭圆轨道
201    3. 维度与指数定律
205    4. 小事、大事与80–20法则
211    5. 齐夫定律
212    6. 饱和现象
217    7. 物流映像与小学算术
219    8. 小结：简单数学的活用
220    附录A. 从中、英文看齐夫定律

十一    造化的板斧：奥妙的分形
223    1. 楔子：程咬金的板斧
225    2. 分形
229    3. 迭代运算与物流映像
235    4. 迭代复数运算下出现的分形
238    5. 小结：纳须弥于芥子
238    附录A 复数的运算

十二    蝴蝶的启示：混沌与你
241    1. 楔子：蝴蝶效应
244    2. 逻辑映像显出的蝴蝶效应
247    3. 混沌中的分形
252    4. 不稳定的太阳系
256    5. 硬性决定论的软化
259    6. 小结：自由的曙光

十三    窥豹一斑：自发性自我组织的涌现
261    1. 楔子：窥豹一斑
262    2. 自我组织
264    3. 物理世界的自发性自我组织
266    4. 生物的自发性自我组织
269    5. 生物群体的自我组织
274    6. 人类和人类社会
281    7. 跨物种的共同演化与体内平衡
284    8. 结语

285    中外文索引
 

序

　　1998年，笔者搁置退休生活，从美国回到香港中文大学，在梁秉中、许倬云两位教授提倡、示范之下建立一门以系统概念为出发点的通识教育新课：「宇宙、学术与人生。」光阴飞逝，不知不觉已过了十六寒暑；自己也从讲授中学习，取得了许多珍贵的新知识。

　　笔者与许倬云、关子尹两位教授合编了《系统视野与宇宙人生》一书，作为课本；该书曾经再版，到现在仍有简体字版，但多年来事过境迁，在今天已有重新述作的必要。本书是改写的结果，企图以平易的文字、浅显扼要的数学，在有限的篇幅里用系统科学的眼光，鸟瞰大自然与人类文化的演变与运作，与两本近作：《大自然与文化：环境、创造和共同演化的故事》和《天罗地网：科学与人文的探索》互相唿应。

　　系统科学可说是无远弗届，无孔不入。其中影响笔者最深的一个概念，是「涌现特性」：系统拥有、而构成系统的成员所无的特性。它是这些成员互相作用的结果，也是「化约论」的难题，「统摄论」的根基。本书以涌现为出发点，因此也以「学海涌泉」命名。

　　「学海」固然有别于实质的海，相信读者也未必强求「涌泉」当真是海底冒出来的涌泉罢？但世间竟然有好几处标榜海底涌泉的旅游名胜。例如在欧洲南部克罗地亚海岸的弗如雅便以清凉的海底淡水涌泉见称。希腊圣托里尼岛的涌泉却是从海底地缝喷出的暖水。这小岛古时叫做钖拉；3千6百年前，钖拉遭遇到全球自有历史记载以来最剧烈的火山爆发，辉煌的米诺斯文明自此开始衰退。很可能这小岛正是二千多年前、希腊哲学家柏拉图笔下所写、传说中一昼夜内被大海淹没的古文明大洲阿特兰提斯的蓝本呢。

　　在不见天日的海洋深处、地壳裂痕绵延交错，上面有好几百道、科学家暱称为「烟囱」的涌泉，不歇喷出灼热、富含矿物质的水。以亿兆计的细菌围绕着每道涌泉，组成厚毯，借消化热水中的化合物为生，也养活邻近的小虾蟹和贝壳类生物。更有许多两公尺长的巨管虫，扎根海底，挤在一起，与这些细菌共生。首位发现烟囱的海洋学家科尔立斯认为这些烟囱很可能是地球生物的发源地。这样看来，不但深洋涌泉是地壳的涌现特性，地球上现在所有的生物，可能也都是从太古时期的深洋涌泉开始、多层涌现下演化的结果了。

　　这是一本内容和敍述方式都不循过往课本常套的书，可以当作「开卷有益」的趣味科普读物，满足中学程度有志读者的好奇心。全书分成5篇13章，每章大致上都自成整体，採用一两则小故事作为楔子，引出重要的主题概念：宇宙的形成、生物的演化；系统的结构、功能、和互动的法则；「涌现」的「非线性数学」诠释；因果与自由意志；彼、己之分和「大我」概念扩充下的合作互惠。我们更粗略地介绍复杂性理论里分形的诡奇、混沌的启示、自发性自我组织的涌现与套叠、大自然的演变、和群体社会的形成和运作。全书有相当详细的脚註，供应交互参照，更让富好奇心的读者可以作进一步的参考。

　　一个特色是：本书大致上只动用中、小学的基础数学。笔者并不强调被动的死记和机械式的代换，但希望将基础数学作为思考的利器，让读者高瞻远瞩，作广角度的鸟瞰、清晰的辨认和灵活的运用。例如希腊哲学家亚里士多德提出的谜样名言：「整体大于各部分之和」，看来似乎有违严谨的数学逻辑，其实可以完全合理地解释做：

　　整体产生的效果大于所有部分成本之和。

　　第五章指出：这句话相当于在二维空间里界定一条满足三项独立条件的曲线；但我们直觉上所经常倚赖的直线只能满足两项，因此必然失效！反过来说，最起码的非线性数学，採取简单的二次曲线，已足以揭开这句名言的神秘面纱。原来「涌现」的数学，正是非线性的数学。亚里士多德的名言更可以扩充到其他数量的改变模式，和这位哲学家根本没有提出的、物质品性的更改：「质变」。「临界效应」就是从数量的增减引起「质变」的现象，例如多人合力的「扛鼎」工作，和原子弹的爆炸。这些现象的出现也可以用非线性、不平滑的「阶跃函数」来表示。数学毕竟是「量」的科学；它不能简洁地讨论牵涉到多个变因、可能经历多个步骤、产生多面效果的质变。但许多物理现象、一切化学反应、所有生物的存、亡、繁衍，都牵涉到质变；若要囊括这些「变」的现象，亚里士多德的名言便需要修改为整体有异于部分之和。

　　与两位复杂性科学家：米哲尔和摩若维茨，看齐了。

　　本书末四章简略地观察世界的「复杂性」。第十章讨论一些包容广阔的简单非线性数学，也为跟着的混沌理论作入门的准备。内容包括

　　指数定律：    与操作的效果成比例的，未必是单纯的成本，而往往是成本的某个乘方。
　　饱和现象：    无尽的投资或只能取得有限的成果。生命历程：生物的「生、老、病、死」历程；也反映商品销路的消长、朝代「天命」的兴衰。
　　迭代运算：    小学算术的活用，已足以带领我们踏进混沌理论的神秘厅堂。

　　近年发展出来的混沌理论，讨论分形和混沌动力学，为复杂性理论注了强心针，影响既深且远；本书第十一，十二两章只能作一个开端。本书末章讨论「自发性自我组织」的出现和发扬，也同时为全书作一个简略的回溯和总结。

　　本书也尽量与读者共享笔者自己探讨系统科学的不少心得。例如因果律与自由意志的存在，虽云都无法证明，却已成为人类文明的基石；笔者认为，「高等动物」的重要涌现特性：「志向行为」，已是自由意志的活生表现了。过去演化论的讲授，往往强调生物物种间的血腥争斗，而低估了互惠合作的一面。但今天我们肉眼所看得到的花花生物世界，大致上都是「真核细胞」群体的涌现特性；而真核细胞本身正是二十三亿年前开始、几种简单原核细胞在紧密合作下涌现出来的「体内共生」系统！笔者因此认为我们在发挥自己的自由意志时，也应该考虑与外界互惠合作的可能性。

　　现在的知识青年对许多事物都已经有直觉上的分别认识；本书从系统的眼光，指出它们相互的关联：一个特例的诠释，可能启发对整个领域的了解。但我们并不标榜全面的包涵或绝对的严谨；敍述时也不拘泥于整齐的分类和划一的编排。今天的社会愈趋复杂；我们需要争取统筹大局、眼观四方、洞察因果、权衡轻重的智慧、好作择善而从的决策。笔者认为因此每人都应该建立一张庞大、但必然疏漏的「认知网」，代表个人所拥有的一切认知，包括：社会、环境供应的常识、通过常规教育渠道取得的学问、自己发掘出来的资讯和过去解题的经验。当面对新问题时，我们在认知网上总会找到几个有关的据点作为基础，编织一面解决问题的「应变网」；这应变网也自然成为新认知网的一部分。认知网愈广阔，应变网愈易编织；新认知网因而变得更丰富、更缜密、更强韧、更能应付眼前和将来的需要。它的威力是整体的涌现特性，任何一组局部网络都无法比拟。希望本书能引起共鸣，协助读者主动编织有意义、有价值的认知网，作自己将来探讨学问、面世处事的指南。

　　「宇宙、学术与人生」是一科不限学生背景的大学通识课。十多年来这课程幸蒙梁秉中教授、许倬云教授和关子尹教授的肇端；杨纲凯教授、陈方正教授、李金汉教授、梁美仪教授和曹景钧教授多年不懈的参与。参加讲授的客座教授更包括张灿辉教授、梁元生教授、姚大卫教授、李南雄教授、黄荣春教授、谈兆麟教授、和已故的陈特教授、黄维持教授。笔者从他们的讲授得到许多思考、表达和写作的宝贵灵感和技巧，在此谨致衷心的谢忱。本课程历年的十一位助教是教师与同学间重要的沟通桥樑；选课的每一位同学自动挑选一个与课程有关的题目，在助教的诱导下自己找寻、整理资料，在小组导修课里用公开短讲的形式，提出个人的思路，作有主见、层次分明的探讨，与全组同学直接交流。笔者感谢各位助教和各位同学对本书直接、间接的贡献。

　　本书第二章取材自王永雄博士、彭金满博士与笔者合写的新书：《天问：宇宙真貌的探索》。互联网上的《维基百科》中、英文版无偿供应了珍贵的参考资料。本书到处附有相当详尽的脚註，也供应外来术语(通常是英语)的原文，协助读者作进一步的参考、探讨；书后也附有齐整的双语词汇索引。

　　陈志宏博士、彭金满博士、王永雄博士阅读了本书的不同初稿，贡献了珍贵的意见；韩小山君为本书作了两幅发人深思的插图，谨此致谢。
 

爱神的涌现
系统与涌现特性

1.楔子：爱神的涌现

1.1.意外的缺陷美

爱神可能是西方文化中最早的女神；关于她的传说至少可以追溯到六千年前、在西亚两河流域主管爱情、生育与战争的伊南娜。她后来也是古希腊的女神阿芙罗黛蒂，和古罗马的女神维纳斯。一个重要的证据是环绕太阳、晨昏出现的金星；这颗明亮的行星在古两河流域代表伊南娜，在古希腊代表阿芙罗黛蒂，在古罗马代表维纳斯。

法国巴黎的罗浮宫是举世知名的艺术展览馆；访客非看不可的珍藏包括二千多年前雕塑的阿芙罗黛蒂像。1820年，这艺术品在希腊米罗斯岛出土；发现后两臂离奇失踪，但残缺的雕像体态自然，成为世人心目中「缺陷美」的代表作。有艺评家竟然断言这雕像从来都是没有两臂的。

1.2.从大海涌现的女神

阿芙罗黛蒂这希腊名字的意思是「泡沫冒出的」。这女神从来没有经历过婴儿期；从大海的泡沫涌现出来时她已经是成人了。

古罗马的维纳斯承继了古希腊关于阿芙罗黛蒂的神话。15世纪名画「维纳斯的诞生」现存意大利佛罗伦斯。维纳斯从大海涌现后，站在飘浮的蚌壳上，众风神吹她到岸边，季节女神给她一件遮身的大氅。虽然丢了两臂的罗浮宫阿芙罗黛蒂雕像拥有缺陷美，名画中的维纳斯却显示出完整的两臂是有代表娇羞的价值的。当然罗马神话里的维纳斯、希腊神话里的阿芙罗黛蒂、甚至古两河流域的伊南娜都以放荡不羁见称，并非「娇羞」两字所能形容。

1.3.神话中的涌现特性

本章的主题是「涌现特性」：这是系统拥有、而系统的成员(单元或次系统)所无的特性。我们往往将「涌现特性」与「涌现」混用，但大致来说，「涌现」(emergence)作为名词，代表涌现特性(或拥有涌现特性的系统)的显露。

从大海中冒现出来的阿芙罗黛蒂可以说是希腊神话里大海泡沫的涌现特性：她面世后，神话世界便多了一番热闹。当然神话不是实质，但往往借用实质现象，包括涌现，来丰富作者的敍述，增加故事的可信性。神话本身也是从古社会文化冒出来的涌现特性，人类丰富的想像力的结晶；它本身虽然偶有互相矛盾的地方，仍不失为一个大致完整的系统。