文理交融的“历史物理学”林 磊（美国加州圣何塞州立大学） 内容摘要内容摘要从蔡元培先生 1918 年提出“文理交融” ，特别是用自然科学方法来研究社会科学的某 些学科，成为许多学者近百年来的追求。本文作者近两年将物理的研究方法运用到人类的 历史学中，提出建立一门新的学科，叫做“历史物理学”(histophysics)。历史研究的是 由生物物质组成的多体系统，应该是可以用科学的方法来研究的。本文提出了物理学家在 发展人类历史学方面所能扮演的独特的角色。文章详细论述了几个方面的问题：历史学 的研究方法；世界观；把历史作为一个复杂的动力学系统来模拟；怎样预测未来和 反推过去；人工历史。我们将阐明活性行走可以用于建立新的世界观，能广泛应用于模 拟历史，并分别用社会学、经济学和进化学历史 3 个例子来加以说明。历史学研究什么新的学科总是在不断地的产生，从历史上看，当物理学与其他自然科学相结合就会诞 生新的学科，比如天体物理学、生物物理学、地球物理学等。再比如最近的一个例子，物 理学向经济学的渗透交叉产生了一门新的学科经济物理学。本文将提出人类历史的研 究也是可以从物理学的角度来考察的。历史学研究的对象是个多体系统，在这个系统中，单体是人，本文中我们称为“粒子” 。 每一个粒子都是经典的(非量子力学的)、可分辨的。由于尺寸、年龄和种族等方面的差异， 这个多体系统也是个不同种类组成 (heterogeneous)的系统。历史学家所关注的是过去已经发生的与这个系统有关的所有事情，而被历史学家所研 究的这个系统正是由物体组成，那么就可以用科学的方法来研究。怎样来研究呢?我们以水为参考来进行比较：(1)在水中，单体是水分子，历史学中，单体是生物体。(2)水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成，而每个原子又由原子核和电子组成，每 个原子核由中子和质子组成，中子和质子又由夸克组成。与此相对应，历史学中每个生物 体由器官(如大脑、心脏、胃等)、血液和其他液体组成，而每个器官由细胞组成(人体中约 有 1012个细胞)，每个细胞由分子组成(如 DNA 分子)，而分子由原子组成，然后是原子核 和电子，然后是中子和质子与水分子情况一样。(3)在这两个系统中，结构上有很多层次，每个单体有很多形态，这也是类似的。(4)水和历史学系统中的原子自身的存在都具有很长的历史，水分子的性质一直没有改 变。那么人呢?人的演化历史很漫长，但人性基本上是没有改变的，正因为如此，历史学家 才有可能去推测几千年前人类的思想。(5)水分子尺寸很小，约 108cm，是量子力学的粒子，而人体尺寸大约为 40 200cm；可视为经典粒子。动 机 作者简介作者简介：林 磊 美国哥伦比亚大学博士、加州圣荷塞州立大学物理教授与中国科协客座教授。林磊教授发明了世界上 3 种液晶中的 1 种：碗形液晶 (1982)、复杂系统研究中新的一种典范：活性行走 (1992)和一门新的学科：历史物理学(2002)，发表了 150 多篇论文和 10 本专著。我们从物理学角度展开研究历史的工作是基于以下几个方面的考虑。 1人类系统是宇宙中最复杂的系统人类系统是宇宙中最复杂的系统 所谓复杂系统是由很多单体组成的系统，一般是不能用还原论(reduction)方法来研究的， 比如经济体系、蚂蚁群、人的大脑、交通、人类等。对复杂系统感兴趣的人应该会对人类 系统有兴趣。 2用物理学的方法来研究历史时机已经成熟用物理学的方法来研究历史时机已经成熟 最近，在复杂系统与人类生物体的研究方面取得了很大进展，例如计算机运算能力增 强，可以做海量数据的模拟；人们正在逐渐了解混沌现象；人类基因组破译；对人的大脑 可以进行实时的扫描研究等。所以，现在从物理与生物的观点来研究历史正是时候。正如 著名哈佛大学生物学家 Edward OWilson 所说的：“人类境况的研究是目前自然科学最重 要的前沿。 ” 3历史学家需要借助其他学科的力量来把历史学变成一门真正的科学历史学家需要借助其他学科的力量来把历史学变成一门真正的科学 历史学家从过去到现在所受到的科学训练是不充分的，例如在大学里，历史学本科生 和研究生都没有在高等数学和计算机程序等方面受到系统的教育。 4物理学家与历史学家合作能够把历史学变成一门真正的科学物理学家与历史学家合作能够把历史学变成一门真正的科学 物理学家知道如何去解决多体问题。事实上，20 世纪初物理学家就已经发明了用统计 力学来研究多体问题，而且得到了相当成功的应用。物理学不仅仅是研究材料、动量等物 质对象，用物理的方法去研究任何对象都属于物理学的范畴。事实表明，在交叉学科方面， 物理学家已经有很多成功的经验，如在天体物理、生物物理等方面，物理学家与历史学家 合作将提高历史学的科学性。历史学中的研究方法在任何学科中，科学方法都包括以下几个步骤：(1)根据原始数据或现有理论提出假设；(2)将由假设产生的推论用数据或事实来检验；(3)如果事实和假设相符，则假设就成为新的定律，如果相悖，则又回到步骤(1)；(4)新的定律在有同行评议的科技期刊上发表以供交流； (5)有的时候，科学家本人或其他人会将新的发现写成科普书籍出版。 在目前的历史学领域中，上面提到的步骤并不是连续的。例如，他们如果提出新的假 设，如步骤(1)，这种方法被称为“建构主义” ；新的定律发现，如步骤(3)，被称为“重构 主义” 。有很多历史学的研究成果是用叙述的形式来表达的，并跳过步骤(4)直接写成书籍， 即步骤(5)。从这些方面来看，历史学还不是真正意义上的科学。下面简单介绍历史学中 3 个具有代表性的研究方法。(1)英国历史学家 Robin Collingwood 强调，当历史学家去研究历史时，他应该想想所 研究的人物当时在想什么。用物理学的术语讲，他其实强调的是大脑内态的重要性。这一 方法在电影表演中叫做“方法演技”(method acting)。(2)历史学与考古学、古生物学或者天文学中的大部分相类似，都是研究已经发生的事 情。而过去已经发生的事情与现在应该是关系很紧密的，因为在历史的演变中过去与现在 并没有很明显的界限。在历史学领域，法国巴黎的年报学派很强调社会科学在历史研究中 的重要性。(3)Hayden White 和 Jacques Derrida 以及其他解构学家认为，由于任何写出的文字其含 意都是没有确定性的，而历史学的研究是用叙述的形式来表达，因此不可能完全重建以前 的历史。20 世纪 90 年代，这一观点与其他来自后现代主义的攻击在历史学领域引起了危 机。然而，在下文中我们将让大家看到一些在物理学中发展出来的方法将有助于历史学的 研究。世 界 观自组织临界性最先是在物理学领域中引进的，最近有人用这一方法来解释人类历史。 他们认为，历史的运作就像一个沙堆一样，不断地建立、崩溃。有一些人的人生过程也许 正是这样，但并不是历史上每个人的人生过程都是这样的。历史是由偶然性和必然性两方面因素组成的一个随机过程，有很多的可能性和结果。 历史的某些方面看起来是周期性的，其他方面是螺旋前进的，或者有混沌性。是的，历史 有些时候甚至也像沙堆一样，建立，然后崩溃，但是历史的过程可能会有一些很奇怪的轨 迹。我们在 1992 年提出的活性行走(active walk)模型是处理复杂系统的范式，正可以成为 这样一个世界观的物理基础。在活性行走模型中，一个粒子(行走者)会改变地貌一个可以 改变的势(fitness)的空间分布。改变的地貌反过来又将影响粒子下一步的行走。例如蚂蚁 就是这样一个活性行走者。活性行走模型已经成功地应用于模拟从自然科学到社会科学中 的很多现象。在过去的两年中，我们指出了活性行走与历史的紧密关系，这一关系其实是很自然的。 当历史学家描述历史时经常用这样的语句：“在历史上留下了痕迹” 、 “跟着先人的足迹前 进”等，这些语句如果用科学的方法来模拟则需要用到一个可变形的地貌。另一方面也需 要有行走者。正如人们常说的，通过人的行为，坏事有时候可以变为好事，反之亦然。行 走者应该是活性的行走者，能够改变地貌，所以活性行走的模型就很自然地的可以用于历 史学的研究。把历史看作一个复杂的动力学系统进行任何科学研究，首先是搜集资料，物理学和历史学都是这样；第二步是分析数据 与资料，总结出一些经验性的定律。在历史学研究方面，这些经验性的定律是有的，但比 较少。有一些历史学家甚至怀疑这些定律是否存在。这些定律中的一个例子是 Michael Shermer 的偶然性必然性模型。这一模型认为历史是由偶然性和必然性共同产生的，并 且，在一个历史过程的初期，偶然性起着较为重要的作用。在超越经验性的层次上，历史和物理的研究很不一样，比如，物理学家对水的研究有 3 个层次：(1)唯象层次 根据几个简单的对称性原理，物理学家得出一个唯象方程Navier- Stokes 方程。这一方程现在广为应用。(2)真实性层次 当人们知道水是由分子组成，并在有了强大的计算机后，人们就可以 用计算模拟来研究水分子的群体行为。物理学家做了两个简化，一是分子数目简化为几百 个，远小于真实数目 1023个cm3；另一个简化是把分子与分子间的相互作用简化。在物 理学的研究中，许多真实的细节是可以避免的，不需要考虑，正因为如此才得以不断的发 展。(3)人工化层次 用“晶格气体自动机”方法来研究水时，对水分子大大地简化，已经 成为人工化的分子。从这一方法研究得出的结果和 (1)、(2)的结果是一样的。在历史学的研究中是没有这 3 个层次的。可能的原因是历史学家相信，要充分了解历 史需要了解人与人之间的相互作用，因此历史事件的细节越多越好。换言之，他们是想马 上进入第(2)个层次，所以是很困难的。我们从物理学研究中得到两个经验：(1)不需要知道全部细节；(2)通过简化但同时保留 主要关键因素就可以把研究往前推进。刚才说过历史的过程是一个随机过程，为了理解随机过程的一般性质，我们举 3 个物 理例子：(1)在斜面上三角形晶格结点位置摆放立柱，球从坡顶开始下滑，碰到立柱后向左或向 右下滑的几率各为 12。以此类推，同样再从坡顶放下第 2 个球，每次每个球的位置是不 能预测的，但是球落在斜面底线某个位置的概率是遵从高斯分布的。(2)斜坡表面是软的，可以变形，坡面上没有立柱，球从坡顶下滑。在这个系统中，每 个球都是一个活性行走者。每个球留下的痕迹都会影响下一个球的轨迹，这是一个依赖于 历史的随机过程，是有可能预测的。人类历史过程和此例类似，也是一个活性行走的过程。(3)在一个硬的(不可变形)平面上的随机行走，行走粒子的轨迹是不能预测的，但可以 问行走粒子轨迹的形态(morphology)是什么样的，轨迹图样的维数是多少，是一个分形吗? 从起始点到终点的距离与时间的关系如何?物理学家问了这些问题，也找到了答案。我们的注意力不单放在研究轨迹本身，除了轨迹还有很多其他方面的问题可以研究， 下面我们举 3 个例子说明。(1)战争规模的统计分布 几十年前，英国学者 Leslie Richardson 把世界上发生的战争，及死伤人数做了一个统计， 发现总体来说，大的战争出现的数目比较少，小规模的最多。这个结果可以用幂函数曲线 即变数(纵坐标)正比于自变数(横坐标)的某次方表现(如图 1 所示)。令人惊异的是，在自 然界有许多复杂系统，如地震、城市人口的分布也莫不如此。虽然人类战争的爆发和规模 从偶然性来说与某些历史人物的个人行为有关，但它们并不能改变符合幂函数的特性。因 此，人类历史的发展与很多复杂系统有着共性。(2)模拟经济学中的历史为什么一个开始处于劣势的产品能够最后占有市场?在意大利佛罗伦萨有座教堂的钟建于 1443 年，钟的时针是逆时针方向转动的，可以猜 想当时是有两种钟同时存在的。在北半球，时钟发明以前，用日晷计时，而北半球日晷的 影子是顺时针方向移动的。从这个意义上讲，当时的逆时针方向转动的钟是一个处于劣势 的产品