第二讲：协同学发展历程的启示

　    哈肯（Hermann Haken，1927～），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“相”。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。