自然科学四大基本问题的交叉与统一

        在展望21世纪时，人们也许会问，自然科学的四大基本问题，即宇宙的演化、物质的结构、生命的起源、意识的产生（或大脑的功能）会不会交叉甚至统一起来。有迹象表明，自然科学的四大基本问题有相似或共同的机理即对称性破缺，而对称性破缺的根源可能是真空涨落。

        自然科学四大基本问题有可能交叉与统一于真空对称性破缺。

一、“分久必合，合久必分”

        自然科学发展的历史，也是“分久必合，合久必分”。 20 世纪的自然科学以分为主。21 世纪的自然科学可能以合为主。在20 世纪，科学的学科越分越细，物质的空间结构越分越小。这样分出了许多激动人心的发明和发现，分出了许多令人眼花缭乱的理论，也分出了数百项诺贝尔奖。与此同时，分出了核能、半导体、激光、超导、超级计算机、基因工程。当然还分出了原子弹、氢弹。分的观念也深深影响了人们的思维定势与价值取向。总之，在一定

        程度上，分出了20 世纪的文明。另一方面，也是分中有合。最典型的例子是合出了弱电作用的统一理论。在技术方面，多媒体也是一种合。总的来看， 20世纪的科学，以分为主，分中有合，分得较有成效，合的任务要留给21 世纪。

        在21 世纪，分还要深入，合将成为主旋律。分要分得精美，合要合得漂亮。合的潮流将势不可挡，合将影响人们的思维方式、价值观念、经济结构与社会基础。总之， 21 世纪的文明，可能是合的文明。

        最近几年，一批中国科学家不约而同地把智慧的光芒聚焦到自然科学理论的大综合、大统一的趋势。在《21 世纪初科学发展趋势》、《21 世纪100 个科与宏观的统一，地学各学科的统一，地球演化的统一理论，遗传、发育与进化的统一理论，统一生物学，统一医学等。我国如此众多的学者，在这样的广度和深度上探讨自然科学理论的大综合、大统一，在当今国际学术界是独一无二的，在科学史上也是罕见的。

        量子力学创始人之一海森伯早就指出：“在这个时代里，各种不同的自然科学似乎正在开始融合成一个巨大的统一体”，“这正是自然科学世界图像的统一性。”李政道先生说：“20 世纪的文明是微观的。我认为，21 世纪微观与宏观应结合为一体。”“21 世纪将要把微观和宏观整体地结合起来，这不光影响，物理，也许会影响生命（科学的）发展。微观与宏观必须结合起来。”“这个突破会影响科学的将来。'

二、自然科学的四大基本问题

        自然科学理论的大交叉、大综合、大统一趋势，又会仅限于各学科、各领域的统一。微观与宏观的结合，可能还有更深远的影响。受《21世纪初科学发展趋势》和《21世纪100个科学难题》的启发，我们建议探讨自然科学四大基本问题交叉与统一的可能性。

        自然科学的四大基本问题，即宇宙的演化，物质的结构，生命的起源，意识的产生（或大脑的功能）。这究竟是四个互不相干的问题还是本质上的同一问题呢？有迹象表明，自然科学的四大基本问题，有相似或共同的机制，即对称性破缺，而对称性破缺的原因可能是真空涨落。自然科学的四大基本问题可能统一于真空对称性破缺，简称“四大皆空”猜想。

        什么是对称性破缺呢？原来均匀的变得不均匀，原来不可分别的可以区分开，原来在一定操作下保持不变的却成为有变化的，原来无序的变成相对有序的，对称性就降低了或减少了，这就叫对称性破缺。无序的对称性高，有序的对称性低。从无序到有序就是对称性破缺。相变是从无序转化为有序，所以相变是对称性破缺。自组织的本质也是对称破缺。

        对称性破缺和夸克囚禁，是当代物理学的两大疑难。李政道先生认为，“对称和不对称是从宏观世界到微观世界普遍存在着的现象”。对称性破缺的根源可能来自真空。真空涨落可以破坏对称性。夸克囚禁也可能与真空有关。“真空是很复杂的，是个凝聚态，是有构造的”。也许21世纪自然科学的一个基本任务就是揭示真空的本质，理解真空、激发真空、开发真空、利用真空。

三、宇宙的演化

        我们的宇宙起源于大约150亿年前的大爆炸。宇宙大爆炸之始，只有单纯、均匀、对称的真空状态。宇宙大爆炸就是真空的激发。在大爆炸开始时，没有粒子、原子、分子，更没有天体。那时，引力、强力、弱力和电磁力四种基本作用力是不可区分的、对称的。在大爆炸后的10^-43s、首先发生超统一相变，引力作用被首先分离出来。大爆炸后10^-35s，发生大统一相变，强作用又与弱电作用分离。在10^-10以后，发生弱电相变，弱作用与电磁作用分离。相变也就是对称性破缺。自然界四种基本作用力分离的过程，就是对称性破缺。正是对称性破缺产生了四种相互作用与相互作用规律。

        宇宙演化的根源可能是真空涨落与真空的动力学不稳定性。

        当前，物理学家正在建造大型强子对撞机和相对论离子对撞机，以便在实验室中模拟宇宙大爆炸的早期阶段。此外，宇宙学与天体物理中的暗物质问题、反物质问题、类星体能源机制，也可能与真空有关。需要从真空的性质、真空的激发与演化来探索这些问题的答案。

        我们这个宇宙的具体演化，在一定程度上决定了我们这个宇宙的物质结构、生命起源和生命形式。丽意识又是生命演化与发展到高级阶段的产物。这就是自然科学四大基本问题交叉与统一的基本线索。

四、物质的结构

        研究物质结构的最基本的科学是物理学。李政道指出，走向21世纪的物理学有两大疑难：即对称性破缺和夸克囚禁。目前，我们的物理理论都是对称的，而观测和实验表明有些对称性被破坏了。这就是对称性破缺。比较著名的对称性破缺的例子有弱相互作用的左右不对称（宇称不守恒）、正反物质不对称、时间反演不对称等。什么原因呢？是真空涨落破坏了对称性。什么是真空？真空是没有直接可测的物质的状态，但它们有作用，有作用就有能量的涨落。这能量的涨落是可以破坏对称性的。黄涛教授认为，“对称性破缺才是自然界的基本规律。”

        夸克囚禁是物理学的另一大难题。原来所有的中子、质子、原子、分子总共由6种夸克、6种轻子组成。可这6种夸克，每一个都囚禁在中子、质子等强子内，永远跑不出来，不能单独自由行动和自由存在。为什么夸克跑不出来？李政道认为，这和超导类似。超导是抗磁场的。假如有1个线圈，里面有磁场，在没变成超导以前，磁场可以任意进出，一变成超导，磁场就走不出来了。在真空涨落中很可能有单磁子和反单磁子，它们抗量子色动力学的场，使夸克跑不出来。怎样使夸克“解放”出来呢？可以用真空激发。例如，让高能的金原子核碰撞时，金核可以相互穿过去，在两个金核中间产生新的真空，在这里面夸克就可以自由行动。这与宇宙开始大爆炸的情况相似。如果实验证明真空是可以被激发的，“那么粒子的微观世界和宏观的真空就结合起来了”。

        因此，宇宙演化与物质结构这两个基本问题都与对称破缺和真空密切相关。真空可能是元物质。宇宙起源与物质结构这两个问题的接口与统一趋势是显而易见的。

五、生命的起源

        生命起源与生命的本质也可能是对称性破缺。

        生命起源中的对称性破缺是十分引人瞩目的问题。原来，在自然界中的氨基酸有右手螺旋与左手螺旋的，然陌生物蛋白质只由左手螺旋的氨基酸组成（少数低级病毒有D型）。天然糖有右手螺旋也有左手螺旋，但生命遗传物质核糖核酸则A和脱氧核糖核酸DNA中的核糖却全是右手螺旋的。蛋白质和核酸各自的左右螺旋的不对称性就称为生物分子的手性问题（或手性均一性）。手性即左手螺旋与右手螺旋不对称。有些科学家指出，“没有手性就没有生命”，手性起源可能先于生命起源。

        不少学者认为，生命起源和生命的本质就是对称性破缺。Hegstron认为“物理学家应该将生物界的手性均一性与自然界的基本作用力相联系”。Salam提出的理论认为，弱相互作用宇称不守恒会导致生物分子的手性特征。王文清教授等从实验上研究了低温下氨基酸的二级相变，以及宇称不守恒在低温条件下单晶D和L型丙氨酸和蝴氨酸相变过程中的作用。宇称不守恒也是对称性破缺。初步结果表明，在生物分子水平上的手性不对称与弱相互作用字称不守恒密切相关。

        还有一些学者用自组织理论解释生命起源，认为生命起源是自组织过程。涨落与不稳定性在生命演化中有重要作用。从无生命的分子到产生有生命的分子，有序性增加，对称性降低，即发生对称性破缺。因此，生命起源于自组织，实质上就是生命起源的机理是对称性破缺。物种起源的机理也是对称破缺。实际上，薛定谔在《生命是什么》一书中早就指出，生命的主要特征是“吃进负熵”。熵代表无序。“吃进负熵”即有序性增加。这可引申为生命起源即无序到有序的相变，即对称性破缺。

        归根结底，要从宇宙演化与物质结构的理论阐述生命起源。生命起源与宇宙演化、物质结构的理论也可能是相通的。它们的机理部涉及到对称性破缺。

六、意识的产生

        大脑的功能与意识的产生机制，也与对称性破缺有密切联系。大脑是复杂、开放、有意识的自组织系统。意识即大脑的序参量。在一定条件下，大脑中的大量神经元从无序转化为有序，即相变。大脑中的神经元激发的有序化的时空花样（spatial-temporal pattems）即对应于意识。从无序向有序转化的自组织过程，本质上是对称性破缺。因此，意识的产生机理就是大脑内的对称性破缺。意识即大脑真空态的激发。意识的产生的最深层次的根源，可能是大脑真空态的涨落。

        日本和意大利一些学者把大脑称为“一公升大小的宇宙”。他们猜想大脑内部对称性破缺的原因与宇宙大爆炸时的对称性破缺相似。我们也可以说大脑有真空态：意识即大脑真空态的激发：真空涨落可引起大脑的对称性破缺。

        日本的实验还表明，大脑功能与氨基酸手性即对称性破缺密切相关。这可能暗示，从根本上来说，大脑功能可能与生命起源有内在联系。应该指出，关于大脑功能的自组织的概念越来越引人瞩目。以大脑功能自组织为书名的专著和论文集已经出版。近年来，我们把大胞自组织系统与激光自组织系统进行对比，指出它们大约有十种“态”与特性是对应或相似的。

        大脑和神经系统与激光相似的“态”和功能可能有噪声态、相干态、二级相变、双稳态（一级相变〉、全息、自脉动态、混沌态、真空态、压缩态（sqeezed state）、纠缠态（entanglement state）。其中压缩态和纠缠态都是量子效应。

        应该特别指出，激光的压缩态和纠缠态等都已在实验上实现。所谓压缩态，即可以把噪声压缩到量子起伏极限以下。所谓纠缠态，即量子力学的叠加态。处于纠缠态的“光子对”，即二个光子态叠加而成为一个不可分的整体。近二三年，人们已利用压缩态产生的纠缠态及其他方法产生的纠缠态在实验上旗示了量子通信一一量子传态（teleportation，又译为离物传态）。它可在瞬间把量子态传到远处。另一方面，大脑与激光类比的若干'态'和特性也有一些实验基础，但大脑压缩态和大脑纠缠态还只是设想。所谓大脑压缩态或神经压缩态；

        生物压缩态，即大脑、神经系统、生物系统也有可能把噪声压缩到量子起伏极限以下，从而有超高灵敏度。1985年，Physical Review Letters有文章列举的实验数据表明，一些动物的昕觉灵敏度已接近甚至突破量子起伏的极限。我们认为，这可能正是大脑压缩态的一个迹象。大脑功能的整体性、系统性、非局域性，甚至可能与纠缠态和量子传态相似。很有可能，在细胞、神经系统与大脑出现之后，细胞、神经与大脑就一直在自然而然地产生和利用纠缠态甚至进行量子通信与量子计算。

        在探索脑与意识和宇宙演化、物质结构、生命起源的关系时，还不能不提到一些著名物理学家与学派的观点：量子力学的哥本哈根学派认为“宇宙更像大脑和精神，而不像一个机器”。泡利认为“精神现象与物质现象服从相同的规律”。的确，精神现象也可能服从对称与对称性破缺的基本规律。今后，把关于宇宙与物质的科学用于大脑与精神现象的研究，可能会有新的发现。现在国外巳出现了量子脑动力学和量子神经动力学，应该进而开创脑量子信息论。

        总之，确实有些迹象表明，对称性破缺是自然界中最基本的规律。宇宙的演化、物质的结构、生命的起源和意识的产生（大脑的功能）有相似或共同的机理即对称性破缺，而对称性破缺的本质可能是真空涨落破坏了对称性。

七、宇宙与万物演化的统一过程

        探索自然科学四大基本问题的交叉与统一，也许还应从哲学和传统文化吸取营养，并把现代科学注入哲学和传统文化。自然科学与人文社会科学交叉与统一的接口也可能是对称与对称性破缺。

        自然科学四大基本问题的交叉与统一，反映了宇宙与万物的演化是一个统一过程。从我们的宇宙开始膨胀，到演化出包括太阳、地球在内的天体：从无机物演化出生命，再从生命演化出作为万物之灵的人类：从人类智慧发展出现代文明和未来文明一一这是一系列对称性破缺的统一而整体性的演化过程。从物质到精神，也没有不可逾越的鸿沟。物质变精神、精神变物质，也是对称性破缺。

        宇宙演化是必然性与偶然性统一的过程。人类是宇宙演化中必然性与偶然性联姻的结晶。人类只有认识自己在宇宙万物演化中的地位，只有把自己的存在与自己的精神意识纳入宇宙万物演化的图景，才能回答“我是谁”、“我从哪里来到哪里去”；才能理解“天人合一”、“万物一体”的真谛：才能达到人、自然、社会的和谐统一。

        客观世界既是统一的，又是多样性的。不仅自然科学有交叉、统一的趋势，而且自然科学与人文社会科学也可能走向融合统一。康德曾追求“知识的最高统一”。傅里叶认为，“物质世界和精神世界之间存在着运动体系的统一性”。

        马克思更精辟地指出，“自然科学将包括人的科学，正像关于人的科学包括自然科学一样：这将是一门科学”。列宁也预言了，“自然科学奔向社会科学的强大潮流”，并认为，“这种潮流会越来越强大”。

        一些自然科学家也很重视自然科学与人文社会科学的融合统一。量子力学创始人之一薛定谔说，“要敢于冒险去着手综合己有的事实和理论”，“要把所有已知的知识综合成为一个统一体”。弗兰克进而明确提出，“要建立一个能同时包容自然科学和哲学、人文科学的概念和定律的统一的体系”。钱学森先生倡导“大成智慧学”，集古今中外之大成，融科学人文于一炉。

        唯物主义“它在自己萌芽时期就十分自然地把自然现象的无限多样的统一看作不言而喻的”（恩格斯）。“从那些看来与直接的真理十分不同的各种复杂现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感受”（爱因斯坦）。

        “中国传统文化崇尚一个自发的组织（即自组织）的世界”（普里高津）。许多先哲探索过世界大统一图景。老子曾试图把世界统一于一个“道”字。在当代，“人类对真空的认识……经过曲折的道路，回到了老子生成论的‘道’的概念上来”（董光璧）。我们不妨设想，“道”即真空与真空对称性破缺。“无”即均匀对称的真空态，“有”即真空对称性破缺。均匀对称的真空态是宇宙之始，真空对称性破缺是万物之母。这就是“天下万物生于有，有生于无”。

        “道生一，一生二，二生三，三生万物”则是一系列的对称性破缺。“无为无不为”与“道法自然”则相当于广义的自组织原理。

        我们在2004年8月中匮哲学大会的论文中指出，李政道和杨振宁先生关于对称与不对称的深刻研究和精辟论述，不只是对物理学的巨大贡献，也是对人类文化的巨大贡献，必然会深刻影响人们的世界观和新世纪的文化建设。从世界观的高度来看，对称与对称性破缺是世界的普遍规律，适于自然、社会和思维。我们要巧妙处理政治、经济、社会和个人生活中对称与不对称的关系，正确掌握对称与不对称的度。在当代，特别要强调非对称的重要性。我们生活的世界是充满非对称的世界。我们当今时代的基本特征是非对称。国家的发展、社会的进步，以及个人的幸福都有赖于非对称思维、非对称智慧和非对称制胜的战略战术。

        作为21吐纪大交叉科学的百年难题，自然科学四大基本问题的交叉与统一无疑是具有挑战性的、引人入胜的。这实际上还是先哲们追求的“致广大而尽精微”和“判天地之美，析万物之理”。人们将继续“穷理于事物始生之处，研几于心意初动之时”。对真空与对称性破缺的深入研究，有可能揭示自然科学四大基本问题相似或共同的机制，掀开科学史上新的一页，并推动自然科学与人文社会科学的融合与统一。

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李福利，教授，博士生导师。1958-1996年在中国科学技术大学物理系学习和工作，1980-1982年在英国帝国理工学院进修激光理论，1984-1985年在国际理论物理中心和罗马大学研究激光物理与混沌理论，1996年在英国利兹大学医学院研究神经元的混沌控制与同步，1996年7月调入首都师范大学。

对光学双稳态、光学混沌与孤子以及激光与大脑的自组织进行了较深入的研究。在国际上率先提出了混沌控制论、大脑压缩态、经络自组织理论、统一医学。近年来，从理论上证明了两个远距离的无连接的神经元在相同剌激与噪声作用下可自动实现混沌同步振荡，并研究了“想像”过程的脑功能核磁共振成像与心态学。曾任攀登计划“经络的研究”专家委员，《量子电子学报》副主编，Chinese Physìcs Letters及《中国激光》编委，中国科技大学学术委员。现任首都师大科学与人文中心主任、光学所所长，清华大学、中国科技大学、中国科学院研究生院兼职教授。