从 海 河 滨 到 天 山 麓

 

1935年我出生在天津一个回族平民家庭。小学时学业平平。中学时读科普读物,唤起了我对科学的兴趣。高中时我的理科成绩提高了,立志要弄懂最深奥的科学原理,从事科学研究。

1953年我考入北京大学物理系。那时进取是我的主旋律。自学逻辑学,把科学规律分成基本法则和从属法则,写人口论文,我成了“三好学生”。1957年毕业时反右派运动席卷了全国,我也受冲击。我主动要求去了新疆。在大学我就读的是物理系气象专业,就分到新疆气象局从事技术工作直至1998年退休。

我在气象台当了多年的气象预告员。还从事气象研究、计算机开发等。1987年我取得正研究员级高工职称(后转为研究员),1991年享受国务院特殊津贴。19831998年任过三届省级人大常委会的委员,还任过新疆气象研究所所长等职务。40年间我写过书、论文、编(译)过书、图集、表集和程序集,但为数不多。

气象预告以经验为主,又经常不准。为改进它,我在寻找一切可以实用的理论。1964年读《数理统计学》。1968年自学《概率与信息》一书,使我从统计概率的角度理解了什么是“信息熵”(熵音商),这弥补了大学时对物理学中的热力学熵的迷惑。从此我改变了对熵的敬而远之的态度。我发现信息熵概念和信息规律是分析气象预告问题的好工具,在积累了一些把信息论用于气候分析与气象预告的事例的基础上,我写成《气象预告问题的信息分析》书稿,后来由科学出版社于1981出版。

在书中我介绍了信息论的一些概念和具体计算方法,还指出:计算气象上的信息熵可以计量各地的气候变化程度的大小、天气预告任务的大小、天气预告的质量优劣。并且给出了不少计算方法和实际计算的个例。

信息论指出对数据(随机变量)的任何变换不能创造信息(至多是不损失)。这为气象人员不能盲目寻找气象预告因子提供了理论依据。我感到过去做了一些类似制造永动机的蠢事(不止我一个人)。在书中我指出了这个结论在气象预告研究上有重要意义。后来我说巧妇难成无米之炊、工程师造不出永动机、预告员创造不了信息,这三者包含了同样深奥的哲理”;此后我还把信息不可以增殖作为熵原理的一部分来介绍。

1980年廖树生同志把统计物理中的玻尔兹曼分布的思路用于气象学中的降水的概率分析。这帮助我迈入想往多年的统计力学(理论物理学的一个分支)知识体系,也使我的最大信息熵知识与统计力学知识融汇到一起了。我感到把信息熵用于气象预告仅是技术问题,把熵原理用于大气现象可能是气象理论上的突破。

在“暴雨的时面深理论关系”一文中我把降水在面积上的分布表示为一个(分布)函数。我认识到对这个分布函数的一个积分就对应着该系统的熵,而熵必然服从最大熵原理。于是,恰当地把分布函数、熵、熵原理这三个环节联系到一起就得到了一个降水在面积上的分布的理论公式。实际的雨量数据与理论公式的一致性给我很大的鼓舞。这不仅是水文气象学上是一个突破,也使我体会到把分布函数、熵、熵原理三个环节用到不同的客观事物中就可能解决更多的问题。

我感到分布函数这个概念非常有力量,沿着这个思路可以把很多含义不同的气象资料从分布函数的角度做整理。我发现水分(水汽)在大气(质量)中的分布服从负指数分布、郭爱卿同志发现海平面大气压力服从正态分布、我又找到全球大气的风速服从所谓Gamma分布(统计数学中的一种分布公式)。后来国家自然科学基金会资助了我们的研究。在马力、马淑红等同志的合作下我们找到了大约30个气象要素的分布函数。它们有的适用于各地的降水过程,有的针对全球大气总体。气象学中竟然存在这么多稳定的可以用不同公式表示的分布函数,这丰富了气象学。

在这些不同形状的实际的分布函数的启发下,如果为熵原理配合上物理意义合理的约束条件就可以得到对应的理论分布函数。而实际分布与理论分布的一致就意味着我们用熵原理解释了一批气象现象。

这些工作使我看到统计力学中对一些分布函数的理论证明实际与利用最大信息熵的做法是殊途同归。这说明,我们对现象的解释不是统计学的而是物理学的。

我们在不少(不是全部)气象要素的分布函数的论证上取得了类似降水的面积分布那样的成功。这从新的角度概括气象现象又显示了熵原理的威力。这也使我感到新的概念、新发现的一批经验公式和熵原理的引用构成了气象领域的一个新的知识体系。我把这称为熵气象学并由我和马力写成了《熵气象学》一书(1992年气象出版社)。

从分布函数的角度归纳各种客观事物,借助分布函数与熵的关系联系到熵原理,这就形成了一个为客观事物寻找理论说明的链条。我感到这个思路的应用范围还可以扩大。我曾说“……统计物理中的深刻思想不应当仅供物理学家独享,它实际上也是众多学科共享的理论武器。它会帮助众多学科向理论阵地迈进一大步”。1987年我发起组织了我国的“熵与交叉科学研讨会”。这个会后来每两年一届,到1999年已在全国各地开过七次。出版了四册会议文集。90年代中国自然辩证法研究会还把这个组织定为它的二级学会。

这些年我也对熵的含义、规律、结构等等问题有一些新认识,“物理场的熵”、“自然界有自发的非热力学熵的减少过程存在”、“熵是复杂程度”、“概率论中主要的概率分布公式都可以利用熵最大和一些约束条件推导出来”、“熵原理就是最复杂原理”等等论点在慢慢形成。1989年我写成本书的前身“复杂度定律”(第二届熵会的长文)。

这些年的科学实践告诉我分布函数概念在概括现象联系熵原理方面起着纽带作用。为了介绍和应用熵,必须提高分布函数概念的地位、扩大分布函数概念的应用。为了说明分布函数概念的普遍性和实用性,就得说明它用到什么主体(客体)上。即哪些客观事物可以概括出它的分布函数?为了回答这个一般问题,我终于在1997年提出了客观事物的广义集合模型(集合概念是它的特例)。我认识到,如果客观事物符合这个模型,那么分布函数就是它必然的伴生物。即该广义集合(客观事物)就必然存在对应的分布函数。我感到广义集合概念使分布函数有了主人。1999年我发现用类似代数学中的多项式的符号可以进行离散型的广义集合的运算。这简化了描述,也巩固了广义集合的地位。

1998年退休后我有了比较多的时间,也就把这些认识作整理,并且在因特网上逐步作介绍。

2001年想到广义集合的分布函数实际是描述一个系统的内部的组成(不同性质、不同状态的个体各有多少),复杂程度也就是事物组成的复杂性,最复杂原理可以推导出分布函数也就是推导出客观事物的组成分配规律。我感到“组成”是我等待好久的主人。鉴于“组成论”是比较容易接受的词,我决定把多年形成的概括客观事物又寻找理论说明的思路(认识模型)取一个概括性的名称“组成论”。

所以组成论是我在多年科技实践中最后找到的一个落脚点,而不是我多年工作的出发点。

组成论就是吸收了一些科学的成果,补入(也改造)了一些重要概念而形成的一组知识。它是一个认识客观事物的一般模型,它帮助我们概括客观事实(得到一些类型不同的经验公式)还引领我们到最复杂原理(熵原理)去寻找对现象、经验公式的理论解释。组成论是概括客观事物组成,解释事物组成的一个新武器。

确实,存在组成问题的事物很多,估计其中的大多数至今没有想到要用这里推荐的思路分析它。所以把组成论用到自然科学和社会科学的各个领域就可能帮助它们解决若干与组成问题有关的实践与理论问题。

《组成论》的成书就是我介绍这个知识体系的一种努力。希望它可以唤起各种背景的读者的注意、兴趣、宣传、研究与应用。当然,公开了的思想认识也应当接受社会各个方面的审查与批判。

吴学谋、冯向军教授从泛系的角度对本书做了概括。王彬教授长期关心鼓励本书的写作,她推荐“组成论介绍”在《物理与工程》杂志上的发表,帮助联系出版社并且热情地写了序言。在序言中从物理学侧面对本书做了积极评价。苗东升教授热情接受了我请他写序的要求,并且从系统科学角度对本书做了积极评价并且提出了一些置疑。所有这些对读者是引导,对我也是激励,我十分感激。我还感谢曹鸿兴研究员、鲁晨光先生给予的评价和帮助。另外,通过电子邮件和因特网,组成论也得到了很多朋友的积极评价和鼓励,在此一并感谢!

正在美国读博士的崔旭同学把本书的网络版编入他的网站文库,译了内容提要、目录。他参加了某些部分的计算与写作、积极参加了一些问题的讨论,特此说明和感谢!本书也吸收了马力同志过去的某些计算,这里顺致说明和谢意!

感谢中国科学技术大学出版社的责任编辑黄德先生、封面设计王红星女士和周代庆先生在出版本书过程中付出的种种辛劳。赵金龙先生以及我的家庭成员也都为本书的出版给予了多方面的帮助和建议,这里一并致谢!

欢迎读者、专家自由评论《组成论》。可以发电子邮件(zhangxw@mail.xj.cninfo.net)也可以在“熵、信息、复杂性”网站上(http://entropy.com.cn)的论坛上自由发言。

 

张学文

20039月于乌鲁木齐