“横断科学”的典范--协同学及其应用讲座(2)

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第二讲:协同学发展历程的启示

丁裕国 2008.10.14

     哈肯(Hermann Haken1927~),德国理论物理学家,协同学的创始人。1951年在德国爱尔朗根大学获得数学博士学位,1956年成为该校理论物理学讲师。1959年和1960年间在美国康奈尔大学做访问学者,后到贝尔电话实验室任顾问,参与激光器的试制工作。自1960年起一直担任德国斯图加特大学理论物理学教授,1967年起成为霍思海姆大学的荣誉 教授。他还担任美国、英国、法国、日本等多种研究机构的客座教授。哈肯在群论、固态物理学、激光物理学、非线性光学、统计物理学、化学反应模型以及形态形成理论等方面均有杰出贡献。他是新兴的横断学科——协同学的创始人,哈肯的名字始终与协同学联系在一起。1976年,英国物理研究院和德意志物理研究学会授予他马克思玻恩奖金和奖章。1981年美国富兰克林研究院授予他米切尔森奖章。1984年又被授予德国功勋科学家称号。主要著作有《激光理论》、《协同学导论》、《高等协同学》、《信息与自组织》等。

1960年,一种奇妙的新光源——激光器问世。它所产生的光具有普通光源所不具有的性质,如亮度高,方向性、单色性和相干性都好等特点,引起了人们的广泛注意。激光为什么会与普通灯光有如此大的区别?它产生的机理是什么?这些问题亟待从理论上加以解决。尽管美国物理学家汤斯和肖洛早在1958年就已经提出了关于激光器的基本原理,但他们认为其原理与微波放大器的原理一样,只不过是微波放大器推广到光波段而已,况且他们在当时对于激光器的构造还没有太多的了解。激光器发明出来以后,许多物理学家都致力于激光内在过程的研究。年轻的德国物理学家哈肯也不甘落后。1960年,他在美国贝尔电话公司任顾问,当时公司里的研究人员正在积极研制这种新光源,这自然也引起了哈肯的浓厚兴趣。1962年,他提出了一种可以解释激光许多特征的理论。然而美中不足的是,它不能解释普通灯光所具有的性质,亦即比激光要简单得多的普通灯光并不能包含在这个理论之中。哈肯对此作了深入的思考。他发现,尽管激光与普通灯光都源于原子发射光波的过程,然而却有着本质的不同。在普通光源里,所有的原子发光过程是杂乱无章的,形成频带很宽的光场,然而激光器产生的却是频带很窄的光场。以哈肯的话来说,前者仅仅产生噪声,而后者的产生物犹如小提琴发出的单音。哈肯满怀信心地认为,以前所发表的种种理论并不能解释激光的原理,这些理论一般都把激光解释为一种放大效应。它们以为原子发射光波,当一些原子发射出来的光波打在另一些原子上时,这些光波就被加强,被放大,因此激光器仅仅起了一种放大器的作用。当某种信号被产生之后,激光器就放大这种信号。而他自己则预言激光光场不是一种放大器,它与现存任何一种普通光源都迥然不同。哈肯的理论遭到了一些专家们的反对,但不久实验物理学家却以实验事实证实了这一理论,对此哈肯深有感触:我从这次经历中长了一智:如你相信自己的理论是正确的,就不要为专家们所左右,坚持下去,找到支持你的理论的种种依据,这也是我一生中学到的重要一课。从那时起,我再也不迷信任何权威,即便他们有极高的威望。相信你自己!’——这是我从中得到的重要经验。
 
那么普通灯光是怎样过渡到激光的?哈肯深入研究后指出,激光之所以与普通灯光不同,很重要的是,在激光器里大量原子发光过程从无序变为有序。也就是说,在激光产生过程中,原子是自己组织起来行动的,正是通过这种自组织作用导致了有序状态的形成。这种从无序到有序的过渡,使哈肯联想到了热力学中的相变,因为相变也会明显地出现从无序到有序的转变或者相反的过程。例如水有三态——气态、液态与固态,每一态即为一。不同态之间的转变即为相变。液态的水变为水蒸气,水分子狂奔乱窜,相互碰撞,变得更无序;液态的水结成冰,分子都严格安排在周期晶格之中,变得非常有序。即便在晶体里,也会发生相变,使晶体突然改变其性能。例如,磁铁加热到一定的温度会突然失去磁性,这是由于组成磁铁的众多元磁体之排列从有序到无序所引起的;失去磁性的磁铁放入到磁场中,当磁化强度达到某一数值,它又被磁化,元磁体之排列又从无序到有序。金属在低温下出现超导现象,也是内部存在十分特殊的有序状态引起的。金属中的电子每次成对地通过晶体,这些电子对按严格规定的动态连接在一起,从而抗拒原子的电阻作用。哈肯意识到,从灯光到激光的转变与热力学相变之间存在极其优美的相似性。哈肯想得更远,他发现激光形成过程中具有的竞争机制与达尔文主义之间极为相似。生物界的达尔文主义认为淘汰和突变决定了新物种的起源。既然达尔文主义是生物界,或者说是生命世界中的一条普遍适用原理,为什么它不能同时也适用无生命世界,诸如激光、流体和其他系统呢?此外,相变是热力学平衡系统中的普遍现象,为什么不能同时也是存在远离平衡系统,包括生命系统中的一个普遍现象呢?这种关于普遍现象的观点,促使哈肯萌生了开拓一个新的研究领域的想法。上世纪60年代末至70年代初,其他领域的一系列新发现有力地支持了哈肯的想法。这些新发现包括普里戈金的耗散结构论、托姆的突变论以及艾根的超循环论。尤其是艾根的学说,对哈肯的启发更大。哈肯自己是这样说的:大约在1969年,艾根发表了许多谈话,对他的生物分子理论进行了阐述。出乎意料的是,他应用的方程与我们对激光所建立的方程极其相似。也就是说,我们现在有两门截然不同的学科:一方面是分子或生物分子的生物进化,另一方面是激光。然而这两个截然不同的领域却由同样类型的方程所支配!当时我认为:这不可能是出于巧合,在这些问题的背后可能有更基本的原理在起作用。因此我开始考虑更多的其他系统,并阅读一些文献。结果我发现了越来越多的例子,比如来自流体力学的例子,来自生物学的例子(如某种特定式样的蘑菇的生长)等等。由此,哈肯决心要把躲藏在普遍现象背后的共同原理找出来。

笔者特别赞颂哈肯的一句名言:科学家只有在无需借助于任何公式,单凭日常用语就能说明一门科学的内涵时,才算是完全理解了它.也正是将自己的思想对非专业人员讲清楚的那种需要,使科学家对主要的相互关系有了新的洞见。

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