用認(rèn)知論分析天氣的可預(yù)報性

史湘軍

摘要規(guī)律是預(yù)測的依據(jù)，自然規(guī)律是在一定時空分辨率上的。由于總是能發(fā)現(xiàn)更小尺度的物體，總有無法被認(rèn)知的規(guī)律。因此，完美的預(yù)測是不存在的。為了更準(zhǔn)確的預(yù)測，需要不斷認(rèn)知規(guī)律。

關(guān)鍵詞可預(yù)報性；天氣；認(rèn)知論

1動機(jī)與目的

科學(xué)發(fā)展的目的是利用知識改造世界，為人類造福。掌握知識是預(yù)測未來的前提。預(yù)測是利用知識的第一步。不能預(yù)測，就無法明確地指導(dǎo)行動。氣象學(xué)可以說是一門與人類文明一同誕生的學(xué)科，體現(xiàn)著人類千百年來試圖預(yù)知外部世界的欲望。氣象研究不斷提升預(yù)測的上限。氣象學(xué)家一直試圖對大氣狀況進(jìn)行完美無誤的預(yù)測。不過，完美的預(yù)測是否可能？至今還沒有給出一個容易讓人信服的科學(xué)論證。在課堂上，學(xué)生常常詢問怎樣來分析天氣的可預(yù)測性問題。這個問題難以用氣象學(xué)的知識簡單講述。不過，可以把它當(dāng)作一個哲學(xué)問題來思考，尋求答案。

對于大自然，完美的預(yù)測是否存在？可以歸于哲學(xué)分支的認(rèn)知論。哲學(xué)是人類了解世界的一種特殊方式。它所關(guān)注的，是這些具體科學(xué)的“基本常識”，或是其中被人們經(jīng)常使用因而視作理所當(dāng)然的概念、準(zhǔn)則、定律等?？深A(yù)測性這個問題答案就在認(rèn)識論中。認(rèn)知與預(yù)測的關(guān)系是打開這扇門的鑰匙。哲學(xué)領(lǐng)域存在很多流派，認(rèn)識論各有不同，且對認(rèn)識與預(yù)測的關(guān)系論述不多。想把認(rèn)知與預(yù)測的關(guān)系梳理清楚，不是件很容易的事。不過，無論多么復(fù)雜抽象的問題，都存在阿客流斯腳跟。

規(guī)律是預(yù)測的依據(jù)，規(guī)律的屬性就是分析認(rèn)知與預(yù)測關(guān)系的關(guān)鍵點。本文首先論證自然規(guī)律是否可以被徹底認(rèn)知，總結(jié)認(rèn)知與預(yù)測的關(guān)系。其次，思考自然界此時的狀態(tài)是否完全決定了此時的發(fā)展趨勢。最后，討論完美的預(yù)測是否存在。

2自然規(guī)律是否可以被徹底認(rèn)知

大氣是自然界的一部分，是個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。其演變規(guī)律是否可以被徹底認(rèn)知？自然界是否可以被徹底認(rèn)知？有人支持可知論，相信終究有一天自然規(guī)律是可以被徹底認(rèn)知的。有人相信不可知論，懷疑人類認(rèn)知自然規(guī)律的能力。其實，只要明確了自然規(guī)律的一個特殊屬性，問題的答案就很明確了。

對自然界的認(rèn)識是指經(jīng)過理性認(rèn)識，掌握自然規(guī)律。這里所說的自然規(guī)律是指從實踐觀測中得到的，而且能夠被實踐觀測所證實的自然規(guī)律。人類能觀測到的只能是一定的空間范圍和時間間隔內(nèi)的平均值，這樣一來，觀測值本身與一定的時空分辨率是不可分割的。也就是說，自然規(guī)律必然是與一定的時空分辨率有不可分割的屬性，告訴我們能否徹底認(rèn)識自然界取決于能觀測到的時空間分辨率。當(dāng)能觀測到的分辨率達(dá)到一定尺度時，在這一尺度上的自然規(guī)律將會逐漸地被認(rèn)知。在這一尺度自然規(guī)律被認(rèn)知的基礎(chǔ)上，由于更小尺度的物體運(yùn)動必然會在上一尺度中有所反映，觀測手段也將向前推進(jìn)，可以觀測到更小的尺度。不斷發(fā)展，觀測的分辨率逐步提高，被掌握的自然規(guī)律也就越來越多。不過，作為觀測對象的自然界客觀物體，尺度是可以無限小的。觀測、認(rèn)知、再深入的觀測、更深層次的認(rèn)知，這種循環(huán)不會終止。自然界不可以徹底被認(rèn)知的。換句話說，自然界總有奧秘可以去觀測、認(rèn)知。

3自然界此時的狀態(tài)是否完全決定了此時的發(fā)展趨勢

當(dāng)分析的是鐘擺、拋石子這樣的經(jīng)典力學(xué)的問題時，物體此時的狀態(tài)完全決定此時的發(fā)展趨勢。牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)以及以此為基礎(chǔ)的經(jīng)典科學(xué)體系加速了人類文明的進(jìn)程，引發(fā)了工業(yè)革命。經(jīng)典力學(xué)的確定論觀點也就逐漸埋于人的意識之中。拉普拉斯把確定論的觀點發(fā)展到了極致，他說：“我們必須把目前宇宙狀態(tài)看作是以前狀態(tài)的結(jié)果以及以后發(fā)展的原因，如果有一種智慧能了解在一定時刻支配著自然界的所有力，了解組成它們的實體的各自位置，如果他還偉大到足以分析所有這些事物，他能用一個單獨的公式概括出宇宙萬物的運(yùn)動，從最大的天體到最小的原子，都毫不例外，而且對于未來就像對于過去那樣，都能一目了然?！边@就是著名的拉普拉斯機(jī)械決定論自然觀。這個自然觀的精髓是一切事物的運(yùn)動變化都存在著確定的、必然的聯(lián)系，服從某種規(guī)律。這是個美好的愿望，科學(xué)家一直朝著這個愿望在努力。這個愿望，不該遭受抨擊。但是，愿望與現(xiàn)實存在差距。若世界最小的組成元素是原子，總有一天所有的自然規(guī)律都能認(rèn)識清楚。那時，將是一個怎樣的世界呢？自然界一切都被安排好了。人生的一切也都已經(jīng)被安排好了，追求、理想還有什么用。還好，自然界最小的組成元素不是原子，自然界中物體的尺度可以無限小，自然界總有奧秘存在，決定論的前提不存在。決定論忽略了一個矛盾。自然規(guī)律的分辨率是有限的，并且能夠認(rèn)知的自然規(guī)律的分辨率在不斷提高。但是，總是能發(fā)現(xiàn)更小尺度的自然界物體。也就是說，總有還沒有被認(rèn)識的自然規(guī)律。在分析討論自然問題時不可以拋開這個矛盾。

根據(jù)所研究對象的性質(zhì)，可以分為確定系統(tǒng)與概率系統(tǒng)兩大類。確定系統(tǒng)，系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間確定性變化的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，沒有不確定狀態(tài)對可分析狀態(tài)的影響。系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以用可分析狀態(tài)中已知變量唯一的確定的表示。它的精髓是肯定事物發(fā)展的必然性。系統(tǒng)現(xiàn)有的狀態(tài)可以完全決定未來。經(jīng)典力學(xué)研究的動力系統(tǒng)都是確定系統(tǒng)。概率系統(tǒng)，系統(tǒng)的狀態(tài)隨時問變化發(fā)展不確定的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，不確定狀態(tài)對可分析狀態(tài)有影響。它體現(xiàn)事物發(fā)展的偶然性。例如：秋天常見的樹葉飄落、非線性動力學(xué)中的繞球試驗、同心球間試驗。在概率系統(tǒng)中，系統(tǒng)現(xiàn)有的狀態(tài)不能完全決定未來。

自然界是由一部分確定系統(tǒng)和一部分概率系統(tǒng)組成的概率系統(tǒng)。此時的狀態(tài)不能完全決定此時的發(fā)展趨勢。不可能對自然界的未來作出完全準(zhǔn)確的預(yù)測。不能作出完美的預(yù)測，對科學(xué)家來說是件好事。為了更好地預(yù)測未來，或者說提高預(yù)測技能，需要不斷地觀測、認(rèn)知世界?？茖W(xué)家有做不完的工作。上述分析中用到了如下假設(shè)，自然界中物體的尺度可以無限小，小尺度的物體運(yùn)動必然會在上一尺度中有所反映。對于這種假設(shè)，可以舉出很多例子說明。不過，目前無法對此作出理論論證，只能期望直覺上的認(rèn)同。

4完美的預(yù)測是否存在

為了定量地分析預(yù)測能力，需要有個可以度量預(yù)測能力的定義。在動力系統(tǒng)的研究中，常用總能量表示對系統(tǒng)的一個總的度量，分析總能量的變化情況。在分析預(yù)測能力時，我們暫且用信息量來定量描述系統(tǒng)的一個總體特征。對于一個系統(tǒng)，若可以忽略其與外界的信息交換，那么描述系統(tǒng)狀態(tài)所需的信息量（簡稱系統(tǒng)信息量）是個常數(shù)。我們把初始時刻系統(tǒng)的信息含量是N。若分析的對象是一個保守的確定系統(tǒng)，也就是此時刻的狀況可以推出下一時刻的狀況，下一時刻的狀況也能反推出此時刻的狀態(tài)。不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的信息含量不發(fā)生變化，始終是Nn。保守的確定系統(tǒng)可以完美的作出預(yù)測。不過，自然界中確定系統(tǒng)基本上都是耗散的，也就是此時刻的狀況可以推出下一時刻的狀況，下一時刻的狀況不能反推出此時刻的狀態(tài)。隨著預(yù)測時間的延長，可以用于預(yù)測的信息N不斷減少。若系統(tǒng)大小不變，描述系統(tǒng)所需事件信息量始終是Nn。預(yù)測能力為Nt/Nn。預(yù)測信息量Nt隨時間不斷減小，預(yù)測能力不斷下降。

規(guī)律是聯(lián)系認(rèn)知與預(yù)測的橋梁。認(rèn)知規(guī)律是預(yù)測未來的依據(jù)。然而，規(guī)律都是具有一定時空分辨率的。自然規(guī)律具有一定的時空分辨率這一屬性，決定了自然界總是可以劃分為無規(guī)律可循的不確定狀態(tài)和有規(guī)律可循的可分析狀態(tài)，而且這兩個狀態(tài)是相互影響的。因此，基于目前能夠觀測的自然界，其此時的狀態(tài)是不能完全決定此時自然界的發(fā)展趨勢。完美的預(yù)測是不存在的。預(yù)測的不完美，說明總是有規(guī)律沒有掌握。為了更準(zhǔn)確的預(yù)測，需要不斷去認(rèn)知規(guī)律。endprint