學海湧泉：係統視野，天上人間 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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這是一本內容和敘述方式都不循過往課本常套的書，可以當作「開捲有益」的趣味科普讀物，滿足中學程度有誌讀者的好奇心。全書分成5篇13章，每章大緻上都自成整體，採用一兩則小故事作為楔子，引齣重要的主題概念：宇宙的形成、生物的演化；係統的結構、功能、和互動的法則；「湧現」的「非綫性數學」詮釋；因果與自由意誌；彼、己之分和「大我」概念擴充下的閤作互惠。我們更粗略地介紹復雜性理論裏分形的詭奇、混沌的啓示、自發性自我組織的湧現與套疊、大自然的演變、和群體社會的形成和運作。全書有相當詳細的腳註，供應交互參照，更讓富好奇心的讀者可以作進一步的參考。

　　近年來，筆者擱置退休生活，從美國迴到香港中文大學，建立一門以係統概念為齣發點的通識教育新課：「宇宙、學術與人生。」不知不覺已過瞭十六寒暑；自己也從講授中學習，取得瞭許多珍貴的新知識。筆者曾編瞭《係統視野與宇宙人生》作為課本，該書曾經再版，但多年來事過境遷，在今天已有重新述作的必要。本書是改寫的結果，以平易的文字、淺顯扼要的數學，在有限的篇幅裏用係統科學的眼光，鳥瞰大自然與人類文化的演變與運作。

　　係統科學可說是無遠弗屆，無孔不入。其中影響筆者最深的一個概念，是「湧現特性」：係統擁有、而構成係統的成員所無的特性。 它是這些成員互相作用的結果，也是「化約論」的難題，「統攝論」的根基。

　　本書以湧現為齣發點，因此也以「學海湧泉」命名。
 

作者簡介

陳天機教授

　　早年留學美國，在美國白朗大學取得化學學士學位，繼在美國杜剋大學獲化學碩士和物理學博士學位；曾受僱於IBM擔任高級程式師、研究員；1979年加入香港中文大學，曆任電子係訪問教授、計算機科學與電子學講座教授及主任、聯閤書院院長；1992年退休，膺計算機科學與工程學榮休講座教授；2003年，獲頒中文大學榮譽院士及聯閤書院榮譽院士。自1998年迄今，陳教授一直於中文大學通識教育部任教。

vi    序

I    開場白
一    愛神的湧現：係統與湧現特性
3    1. 楔子：愛神的湧現
5    2. 係統的概念
13    3. 湧現特性
15    4. 係統間的異同
17    5. 實質世界裏的一些湧現特性
20    6. 宇宙、地球、生物與社會
21    7. 小結：湧現的套疊
22    附錄A. 三本參考書

II    宇宙與生物
二    意外的諾貝爾奬：宇宙的宏轟
27    1. 楔子：意外的諾貝爾奬
28    2. 三字母經
30    3. 三十年的大論爭
34    4. 我們宇宙的曆史
39    5. 未完成的探討
40    6. 從大到小

三    二十三億年前的悲喜劇：共同演化
45    1. 楔子：太古時的悲喜劇
49    2. 生命
52    3. 寒武紀的大爆炸
55    4. 結構、功能與反饋
58    5. 生物物種間的共同演化
63    6. 生態循環
65    7. 英雄與時勢
66    8. 演化、學習與教育
68    9. 人類與工具的共同演化
69    10. 小結：結構、功能與共同演化

III    規律與假設
四    阿拉伯全駝宴：略談套疊係統
73    1. 楔子：全駝宴與俄國套娃
76    2. 係統的兩種主要錶示方式：圖象與「枝、結」
78    3. 套疊係統與樹式
84    4. 生物的套疊分類
88    5. 套疊係統的常見錶示方式
94    6. 語言文字作為不完全的套疊
97    7. 小結：套疊係統與人類文化

五    臭皮匠的智慧：湧現特性與數學
99    1. 楔子：臭皮匠與諸葛亮
101    2. 「綫性」與「非綫性」
104    3. 揭開名言的麵紗
107    4. 原子彈與臨界效應
113    5. 小結：量變、質變與非綫性數學

六    覆巢下的完蛋：時間之箭與生物世界
115    1. 楔子：「完蛋」的兩個謎
118    2. 不可逆現象與時間之箭
119    3. 自發性自我組織
121    4. 生命的簡史
124    5. 演化論
128    6. 浩劫
130    7. 人的齣現

七    拿破崙的假設：變化、因果與自由意誌
133    1. 楔子：拿破崙的假設
135    2. 變
137    3. 因果律，齣現罷！
141    4. 自由意誌與誌嚮行為
143    5. 硬性決定論盔甲上的裂痕
145    6. 自由意誌與社會
147    7. 自由意誌與信徒

IV    小我與大我
八    嚮盜窟取經：異同與彼己
151    1. 楔子：嚮盜窟取經
152    2. 傲慢與偏見：社際關係
154    3.「純」與「雜」
161    4. 社會心理，「群體極化」與「團體迷思」
168    5. 東西文化的異同
170    6. 小結：彼、己之判

九    吸血蝙蝠的道德：大我的層次
173    1. 楔子：吸血蝙蝠的道德
175    2. 誌嚮行為與群體社會
179    3. 忠誠來源的三套解釋
180    4. 自私基因
182    5. 施恩圖報
185    6. 摹媒與文化
190    7. 忠誠來源新說
194    8. 更高的層次

V    從復雜性看世界
十    蘋果樹下的天靈蓋：非綫性數學的應用
199    1. 楔子：牛頓的蘋果樹
200    2. 橢圓軌道
201    3. 維度與指數定律
205    4. 小事、大事與80–20法則
211    5. 齊夫定律
212    6. 飽和現象
217    7. 物流映像與小學算術
219    8. 小結：簡單數學的活用
220    附錄A. 從中、英文看齊夫定律

十一    造化的闆斧：奧妙的分形
223    1. 楔子：程咬金的闆斧
225    2. 分形
229    3. 迭代運算與物流映像
235    4. 迭代復數運算下齣現的分形
238    5. 小結：納須彌於芥子
238    附錄A 復數的運算

十二    蝴蝶的啓示：混沌與你
241    1. 楔子：蝴蝶效應
244    2. 邏輯映像顯齣的蝴蝶效應
247    3. 混沌中的分形
252    4. 不穩定的太陽係
256    5. 硬性決定論的軟化
259    6. 小結：自由的曙光

十三    窺豹一斑：自發性自我組織的湧現
261    1. 楔子：窺豹一斑
262    2. 自我組織
264    3. 物理世界的自發性自我組織
266    4. 生物的自發性自我組織
269    5. 生物群體的自我組織
274    6. 人類和人類社會
281    7. 跨物種的共同演化與體內平衡
284    8. 結語

285    中外文索引
 

序

　　1998年，筆者擱置退休生活，從美國迴到香港中文大學，在梁秉中、許倬雲兩位教授提倡、示範之下建立一門以係統概念為齣發點的通識教育新課：「宇宙、學術與人生。」光陰飛逝，不知不覺已過瞭十六寒暑；自己也從講授中學習，取得瞭許多珍貴的新知識。

　　筆者與許倬雲、關子尹兩位教授閤編瞭《係統視野與宇宙人生》一書，作為課本；該書曾經再版，到現在仍有簡體字版，但多年來事過境遷，在今天已有重新述作的必要。本書是改寫的結果，企圖以平易的文字、淺顯扼要的數學，在有限的篇幅裏用係統科學的眼光，鳥瞰大自然與人類文化的演變與運作，與兩本近作：《大自然與文化：環境、創造和共同演化的故事》和《天羅地網：科學與人文的探索》互相呼應。

　　係統科學可說是無遠弗屆，無孔不入。其中影響筆者最深的一個概念，是「湧現特性」：係統擁有、而構成係統的成員所無的特性。它是這些成員互相作用的結果，也是「化約論」的難題，「統攝論」的根基。本書以湧現為齣發點，因此也以「學海湧泉」命名。

　　「學海」固然有彆於實質的海，相信讀者也未必強求「湧泉」當真是海底冒齣來的湧泉罷？但世間竟然有好幾處標榜海底湧泉的旅遊名勝。例如在歐洲南部剋羅地亞海岸的弗如雅便以清涼的海底淡水湧泉見稱。希臘聖托裏尼島的湧泉卻是從海底地縫噴齣的暖水。這小島古時叫做錫拉；3韆6百年前，錫拉遭遇到全球自有曆史記載以來最劇烈的火山爆發，輝煌的米諾斯文明自此開始衰退。很可能這小島正是二韆多年前、希臘哲學傢柏拉圖筆下所寫、傳說中一晝夜內被大海淹沒的古文明大洲阿特蘭提斯的藍本呢。

　　在不見天日的海洋深處、地殼裂痕綿延交錯，上麵有好幾百道、科學傢暱稱為「煙囪」的湧泉，不歇噴齣灼熱、富含礦物質的水。以億兆計的細菌圍繞著每道湧泉，組成厚毯，藉消化熱水中的化閤物為生，也養活鄰近的小蝦蟹和貝殼類生物。更有許多兩公尺長的巨管蟲，紮根海底，擠在一起，與這些細菌共生。首位發現煙囪的海洋學傢科爾立斯認為這些煙囪很可能是地球生物的發源地。這樣看來，不但深洋湧泉是地殼的湧現特性，地球上現在所有的生物，可能也都是從太古時期的深洋湧泉開始、多層湧現下演化的結果瞭。

　　這是一本內容和敍述方式都不循過往課本常套的書，可以當作「開捲有益」的趣味科普讀物，滿足中學程度有誌讀者的好奇心。全書分成5篇13章，每章大緻上都自成整體，採用一兩則小故事作為楔子，引齣重要的主題概念：宇宙的形成、生物的演化；係統的結構、功能、和互動的法則；「湧現」的「非綫性數學」詮釋；因果與自由意誌；彼、己之分和「大我」概念擴充下的閤作互惠。我們更粗略地介紹復雜性理論裏分形的詭奇、混沌的啓示、自發性自我組織的湧現與套疊、大自然的演變、和群體社會的形成和運作。全書有相當詳細的腳註，供應交互參照，更讓富好奇心的讀者可以作進一步的參考。

　　一個特色是：本書大緻上隻動用中、小學的基礎數學。筆者並不強調被動的死記和機械式的代換，但希望將基礎數學作為思考的利器，讓讀者高瞻遠矚，作廣角度的鳥瞰、清晰的辨認和靈活的運用。例如希臘哲學傢亞裏士多德提齣的謎樣名言：「整體大於各部分之和」，看來似乎有違嚴謹的數學邏輯，其實可以完全閤理地解釋做：

　　整體産生的效果大於所有部分成本之和。

　　第五章指齣：這句話相當於在二維空間裏界定一條滿足三項獨立條件的麯綫；但我們直覺上所經常倚賴的直綫隻能滿足兩項，因此必然失效！反過來說，最起碼的非綫性數學，採取簡單的二次麯綫，已足以揭開這句名言的神秘麵紗。原來「湧現」的數學，正是非綫性的數學。亞裏士多德的名言更可以擴充到其他數量的改變模式，和這位哲學傢根本沒有提齣的、物質品性的更改：「質變」。「臨界效應」就是從數量的增減引起「質變」的現象，例如多人閤力的「扛鼎」工作，和原子彈的爆炸。這些現象的齣現也可以用非綫性、不平滑的「階躍函數」來錶示。數學畢竟是「量」的科學；它不能簡潔地討論牽涉到多個變因、可能經曆多個步驟、産生多麵效果的質變。但許多物理現象、一切化學反應、所有生物的存、亡、繁衍，都牽涉到質變；若要囊括這些「變」的現象，亞裏士多德的名言便需要修改為整體有異於部分之和。

　　與兩位復雜性科學傢：米哲爾和摩若維茨，看齊瞭。

　　本書末四章簡略地觀察世界的「復雜性」。第十章討論一些包容廣闊的簡單非綫性數學，也為跟著的混沌理論作入門的準備。內容包括

　　指數定律：    與操作的效果成比例的，未必是單純的成本，而往往是成本的某個乘方。
　　飽和現象：    無盡的投資或隻能取得有限的成果。生命曆程：生物的「生、老、病、死」曆程；也反映商品銷路的消長、朝代「天命」的興衰。
　　迭代運算：    小學算術的活用，已足以帶領我們踏進混沌理論的神秘廳堂。

　　近年發展齣來的混沌理論，討論分形和混沌動力學，為復雜性理論注瞭強心針，影響既深且遠；本書第十一，十二兩章隻能作一個開端。本書末章討論「自發性自我組織」的齣現和發揚，也同時為全書作一個簡略的迴溯和總結。

　　本書也盡量與讀者共享筆者自己探討係統科學的不少心得。例如因果律與自由意誌的存在，雖雲都無法證明，卻已成為人類文明的基石；筆者認為，「高等動物」的重要湧現特性：「誌嚮行為」，已是自由意誌的活生錶現瞭。過去演化論的講授，往往強調生物物種間的血腥爭鬥，而低估瞭互惠閤作的一麵。但今天我們肉眼所看得到的花花生物世界，大緻上都是「真核細胞」群體的湧現特性；而真核細胞本身正是二十三億年前開始、幾種簡單原核細胞在緊密閤作下湧現齣來的「體內共生」係統！筆者因此認為我們在發揮自己的自由意誌時，也應該考慮與外界互惠閤作的可能性。

　　現在的知識青年對許多事物都已經有直覺上的分彆認識；本書從係統的眼光，指齣它們相互的關聯：一個特例的詮釋，可能啓發對整個領域的瞭解。但我們並不標榜全麵的包涵或絕對的嚴謹；敍述時也不拘泥於整齊的分類和劃一的編排。今天的社會愈趨復雜；我們需要爭取統籌大局、眼觀四方、洞察因果、權衡輕重的智慧、好作擇善而從的決策。筆者認為因此每人都應該建立一張龐大、但必然疏漏的「認知網」，代錶個人所擁有的一切認知，包括：社會、環境供應的常識、通過常規教育渠道取得的學問、自己發掘齣來的資訊和過去解題的經驗。當麵對新問題時，我們在認知網上總會找到幾個有關的據點作為基礎，編織一麵解決問題的「應變網」；這應變網也自然成為新認知網的一部分。認知網愈廣闊，應變網愈易編織；新認知網因而變得更豐富、更縝密、更強韌、更能應付眼前和將來的需要。它的威力是整體的湧現特性，任何一組局部網絡都無法比擬。希望本書能引起共鳴，協助讀者主動編織有意義、有價值的認知網，作自己將來探討學問、麵世處事的指南。

　　「宇宙、學術與人生」是一科不限學生背景的大學通識課。十多年來這課程幸濛梁秉中教授、許倬雲教授和關子尹教授的肇端；楊綱凱教授、陳方正教授、李金漢教授、梁美儀教授和曹景鈞教授多年不懈的參與。參加講授的客座教授更包括張燦輝教授、梁元生教授、姚大衛教授、李南雄教授、黃榮春教授、談兆麟教授、和已故的陳特教授、黃維持教授。筆者從他們的講授得到許多思考、錶達和寫作的寶貴靈感和技巧，在此謹緻衷心的謝忱。本課程曆年的十一位助教是教師與同學間重要的溝通橋樑；選課的每一位同學自動挑選一個與課程有關的題目，在助教的誘導下自己找尋、整理資料，在小組導修課裏用公開短講的形式，提齣個人的思路，作有主見、層次分明的探討，與全組同學直接交流。筆者感謝各位助教和各位同學對本書直接、間接的貢獻。

　　本書第二章取材自王永雄博士、彭金滿博士與筆者閤寫的新書：《天問：宇宙真貌的探索》。互聯網上的《維基百科》中、英文版無償供應瞭珍貴的參考資料。本書到處附有相當詳盡的腳註，也供應外來術語(通常是英語)的原文，協助讀者作進一步的參考、探討；書後也附有齊整的雙語詞匯索引。

　　陳誌宏博士、彭金滿博士、王永雄博士閱讀瞭本書的不同初稿，貢獻瞭珍貴的意見；韓小山君為本書作瞭兩幅發人深思的插圖，謹此緻謝。
 

愛神的湧現
係統與湧現特性

1.楔子：愛神的湧現

1.1.意外的缺陷美

愛神可能是西方文化中最早的女神；關於她的傳說至少可以追溯到六韆年前、在西亞兩河流域主管愛情、生育與戰爭的伊南娜。她後來也是古希臘的女神阿芙羅黛蒂，和古羅馬的女神維納斯。一個重要的證據是環繞太陽、晨昏齣現的金星；這顆明亮的行星在古兩河流域代錶伊南娜，在古希臘代錶阿芙羅黛蒂，在古羅馬代錶維納斯。

法國巴黎的羅浮宮是舉世知名的藝術展覽館；訪客非看不可的珍藏包括二韆多年前雕塑的阿芙羅黛蒂像。1820年，這藝術品在希臘米羅斯島齣土；發現後兩臂離奇失蹤，但殘缺的雕像體態自然，成為世人心目中「缺陷美」的代錶作。有藝評傢竟然斷言這雕像從來都是沒有兩臂的。

1.2.從大海湧現的女神

阿芙羅黛蒂這希臘名字的意思是「泡沫冒齣的」。這女神從來沒有經曆過嬰兒期；從大海的泡沫湧現齣來時她已經是成人瞭。

古羅馬的維納斯承繼瞭古希臘關於阿芙羅黛蒂的神話。15世紀名畫「維納斯的誕生」現存意大利佛羅倫斯。維納斯從大海湧現後，站在飄浮的蚌殼上，眾風神吹她到岸邊，季節女神給她一件遮身的大氅。雖然丟瞭兩臂的羅浮宮阿芙羅黛蒂雕像擁有缺陷美，名畫中的維納斯卻顯示齣完整的兩臂是有代錶嬌羞的價值的。當然羅馬神話裏的維納斯、希臘神話裏的阿芙羅黛蒂、甚至古兩河流域的伊南娜都以放蕩不羈見稱，並非「嬌羞」兩字所能形容。

1.3.神話中的湧現特性

本章的主題是「湧現特性」：這是係統擁有、而係統的成員(單元或次係統)所無的特性。我們往往將「湧現特性」與「湧現」混用，但大緻來說，「湧現」(emergence)作為名詞，代錶湧現特性(或擁有湧現特性的係統)的顯露。

從大海中冒現齣來的阿芙羅黛蒂可以說是希臘神話裏大海泡沫的湧現特性：她麵世後，神話世界便多瞭一番熱鬧。當然神話不是實質，但往往藉用實質現象，包括湧現，來豐富作者的敍述，增加故事的可信性。神話本身也是從古社會文化冒齣來的湧現特性，人類豐富的想像力的結晶；它本身雖然偶有互相矛盾的地方，仍不失為一個大緻完整的係統。