科技知识之科学前沿3

4．人类起源

    智力的进化和人类的起源是相互联系的。古人类学家和分子遗传学家正在对何时、何地和怎样从猿的系统分化出来并如何进化成现代人的问题，卷入一场论战。古人类学家以化石遗骸和人工制造物为证据，坚持认为现代人类是由其居住在世界各地的古老祖先进化而来的，这一进化历程历时数百万年。相反，分子遗传学家根据人类线粒体DNA谱系推断，当今人类所有各个种族共同的女性祖先，也就是人类始祖夏娃，其生存年代大约距今150万一180万年之间。

5．智力的本质

    智力是指人认识客观事物并运用知识解决实际问题的能力，集中表现在反映客观事物深刻、正确、完全的程序上，往往通过观察、记忆、想象、思考、判断等表现出来。它是在掌握人类知识经验和从事实践活动中发展的，但又不等同于知识和实践。它是先天素质、社会历史遗产和教育的影响以及个人努力三方面因素相互作用的产物。智能是人的内在智力和由智力外化的行为的总和。明斯基在《智力社会》一书中写道：“我们的智力包含了能使我们解决认为困难的问题的过程，智能是我们仍不了解的那些过程的统称。”智力包含在“知其然”中，而智能却表现在处理“知其然而不知其所以然”的过程中。

    人类大脑是已知的最复杂的组织结构。它有上千亿个神经细胞(神经元)。这个数字相当于整个银河系星星的数目。神经细胞之间通过突触相互联结。突触的结构和功能的发现，其重要性可以与原子和DNA的发现相提并论。因为原子的发现有助于回答物质是什么，DNA的发现有助于理解生命的本质，而突触的发现对于认识脑功能是至关重要的。假定每个突触有两个状态，那么，人脑中所包含的不同状态总数则为2的1015幂。这个数字大大超过了整个宇宙中的基本粒子(质子和中子)的总数(不超过21000)。作为进化的一种结果来看，人类大脑无疑是生物史上最伟大的成功之一。自然选择在脑的进化中起着一种智力筛选的作用，从而产生出愈来愈能胜任应付自然法则的大脑与智力。

6.复杂性问题

    本世纪60年代以来由于计算机作为研究手段(而不仅仅是数值计算工具)的广泛应用，与理论、实验手段相结合，促成了非线性科学的建立。这方面研究的迅速进展，使人们对一些久悬不解的基本难题，诸如物理学的确定性描述和概率性描述的关系、湍流发生的机制、自然界有序和无序转变的条件等，有了新认识，并开始影响人类的自然观，促进人们从事物总体联系的角度去探索和把握自然界的复杂运动形式。

    湍动的大气、奔腾的河流、被磁场束缚着的高温电离气体、大量原子结合起来的固体，都是典型的复杂系统，但认真观察这些系统中的运动状态时，除了发现人们预料的急剧变动的复杂运动形态外，还会发现与这些运动共存着在空间上局域、时间上寿命很长的规整结构，即相干结构，孤子就是一种特殊的相干结构。存在这种结构的原因，是非线性相互作用。

    早在1834年，一位名叫罗素的英国工程师观察一条木船在运河中运动时，偶然看到在摇荡的船首挤出高约0．3米到0．5米、长约10米的一堆水来。当船突然停止时，这堆水保持自己的形状，以每小时13公里的速度沿运河往前传播。罗素沿运河骑马追逐了约3公里，它才逐渐消失。罗素将这堆水称为“孤波”，并认为它应当是流体力学方程的一个解。

    孤波被重新记起并被命名为“孤子”，是本世纪60年代电子计算机广泛应用之后的成就。电子计算机的出现和应用，使得科学家们敢于也可能去探索过去解析手段难于处理的复杂问题。

    孤子是一维空间上的一种特殊相干结构，它之所以能长期局域化，是由于系统中的色散与非线性两种作用相互平衡的结果。它的出奇的稳定性与这些非线性系统具有无穷多守恒律密切相关。除孤子外，自然界还存着大量的其他相干结构，最引人注目的是各种尺度的涡旋，大者如木星上直径4万公里的大红斑，小者如只有几个纳米的晶体中的电荷密度波。它们与孤子相似之处在于空间上局域，时间上长寿，相当稳定，不同之处是它们在相互作用时并不严格保持形状不变，而是可以汇合、分裂。几个流体旋涡可集合成一个大涡，一个大涡也可以在强的外作用下被打碎。对这些结构形成机理的认识和相互作用的探索，仍是非线性科学的前沿。通过计算机模拟和实验室实验，对木星红斑的形成机理已有了较好的理解。

    孤子和其他相干结构存在于用连续介质或流体方程来描述的系统中。与平面摆等只具有几个自由度的动力系统相比，流体系统实际上是具有无穷多自由度的复杂系统。然而正是在这个无穷维系统中却可以形成结构规整、相当稳定的孤子和涡旋，这表现了非线性作用的非同寻常之处。

    与非线性作用在无穷多自由度的复杂系统中可以促成规整性的孤子的发现相呼应，非线性科学近20年来又从另一个极端向人民展示了在微观和宏观两个层次上，由确定性方程描述的简单系统可以出现极为复杂的、貌似无规的运动——混沌，进一步动摇了牛顿以来占主导地位的“机械决定论”。