Page 184 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

在科学领域，相互作用是一个使用范围越来越宽泛的概念，例如，传统的“力”的概念
就已经被“相互作用”概念所取代，自然界四种基本的力（引力、电磁力、弱力和强力）被

认为是四种基本的相互作用（引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用），
物质运动的根本原因不是“力”而是相互作用，而相互作用的实质是物质和能量的交换。关
于四种基本相互作用已经有非常完备的理论体系，但这些理论无一例外都是线性的，完全不
能解释复杂的非线性行为。近几十年来，非线性科学发展迅速，但总体上仍然停留在现象学
层面，大部分研究只是对非线性系统的非线性行为和非线性现象的观察、描述和模拟，如孤
子、混沌、分形和自组织等。虽然人们把这些现象和行为归因于非线性相互作用，但究竟什
么是非线性相互作用以及非线性相互作用的物理机制，至今还没有搞清楚，甚至还没有一个
普遍认可的严格的非线性相互作用的定义。
一般认为，非线性相互作用是具有相干性、非均匀性和非对称性等特征的物质间相互作

用。所谓相干性，系指相互作用效应是多个相互作用耦合而成的整体效应，而不是这些相互
作用在数量上的简单叠加，系统因相干效应而产生新质。所谓非均匀性，系指系统演变不是
连续均匀的，在某些节点上可能产生突变并有新质产生，比如倍周期分岔。所谓非对称性，
系指作用对象之间存在着支配与从属、策动与响应、控制与反馈等关系，它们之间没有倒易
关系，用热力学语言来说，就是昂萨格倒易关系不成立（如果昂萨格倒易关系成立，则意味
着相互作用的各种“流”和“力”之间存在对等关系，并可以用线性方程进行处理）。显而
易见，这样的定义实质上只是对非线性现象和行为变换了一种描述方式而已，即把非线性行

为的起源归结为非线性相互作用，又用非线性行为的特点来定义非线性相互作用，这是一种
循环定义。
关于非线性相互作用的物理机制主要有普利高津提出的涨落机制和哈肯提出的协同机
制。所谓涨落，是指对某种既定状态的微小偏移。在系统内部，各种涨落随机产生着，平衡
态或近平衡态的涨落会逐渐衰减以至于消失，然而在远离平衡态时，有的涨落会因非线性相
互作用而放大成为巨涨落，这种巨涨落的形成机制是正反馈，它是一种关联放大的过程，由
于系统要素之间的长程关联作用把整个系统联成一个整体，因而局部的事件会在整个系统迅
速得到反应，使系统内随机出现的微小变化被放大和加剧，从而推动系统进入一种宏观有序
状态，普利高津把这个过程叫做“通过涨落达到有序”。

哈肯的协同论对涨落产生有序的说明可能更具有启发性。哈肯认为，系统内部各要素（子
系统）之间的非线性相互作用或关联引起的协同作用使得系统从无序转化为有序。一般来讲，
系统中各个要素的运动状态由各自独立的运动和要素间的关联引起的协同运动共同决定。当
要素间的关联能量小于独立运动能量时，要素独立运动占主导地位，系统就处于无序状态，
当要素间的关联能量大于要素的运动能量时，要素的独立运动就受到约束，它要服从由关联
形成的协同运动，于是系统就显出有序的特征。涨落是系统中各局部要素间相互耦合变化的
反映。系统在偏离平衡态较小的状态时，独立运动和协同运动能量的相对大小未发生明显的

变化，涨落相对较小。在控制参数变化时，这两种能量的相对大小也在变化，当控制参数达
到临界值时，这两种能量的相对地位几乎处在均势状态，因此局部要素间可能的各种耦合相
当活跃，使得涨落变大。每个涨落都具有特定的内容，代表着一种结构或组织的“胚芽状态”。
涨落的出现是偶然的，但只有适应系统动力学性质的那些涨落才能得到系统中绝大部分要素
的响应而波及整个系统，将系统推进到一种新的有序结构——耗散结构。
那么，哈肯所说的关联能量究竟是一种什么能量呢？我们知道，任何相互作用都不是凭
空产生的，而是以物质和能量为基础的，四种基本的相互作用就是通过交换媒介粒子（质量

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