钱学森主编出版过一本《论地理科学》
《1 地理科学的提出》
1 地理科学的提出
1987年钱学森发表了“发展地理科学的建议”
《1.1五维发展的科学家》
1.1五维发展的科学家
一个科学家在一个领域中深入到底, 然后再返回上来, 越是钻研得深, 越是反弹得高, 只有这样才能既是科学家又是哲学家。这样的科学家不是一般的科学家, 而是战略科学家。这好比一棵大树, 根越深, 树越高;根系分布越宽广, 树冠覆盖越茂密。钱学森正好比是一棵大树, 他在力学领域是钻研极深的科学家, 他能够用微观物理学来解释宏观力学现象 (20世纪50年代他研究了物理力学) 。钱学森在思维逻辑上, 得益于数学与力学严紧的有序化, 奠定了一个极好的智慧脑基础, 这好比是他的“根很深”, 达到了现代科学的最前沿, 这是第一维深度。后来又在航天技术、控制论、系统科学等方面做出了突出的贡献, 这好比是他的“根系很宽广”;20世纪70年代以来, 在自然科学与社会科学的基础上, 进而对地理科学、建筑科学、军事科学、思维科学、人体科学、行为科学、社会科学、科学与文艺等进行论述, 这好比是他的“树冠很茂密”, 这是第二维广度。最后提出大成智慧, 这好比是他的“树干既粗又高”, 并且上升到哲学的高度, 这是第三维高度。钱学森从简单性科学的研究中提出了复杂性科学, 提出了难度极大的一类科学, 这是第四维难度。钱学森提出的现代人类科学体系具有超前的预见性, 这是第五维远度。
钱学森从整个人类认识世界的高度上研究科学的体系, 提出了11个研究部门, 地理科学是其中之一。又从开放的复杂巨系统的研究中提出五大系统, 地理系统又是其中之一。在社会主义建设的系统结构中的四大建设, 地理建设也是其中之一。钱学森居高临下, 从整个科学体系中提出界于自然科学与社会科学之间的“桥梁科学”——地理科学, 把古老的地理学提升到为国民经济主战场服务的地理科学, 其目的也很明确, 是为了可操作的可持续发展的战略目标。
《1.2从地理学到地理科学》
1.2从地理学到地理科学
20世纪下半叶是地理学向地理科学飞速发展的半个世纪。本来地理学是介于文理科之间的科学, 但是大学所属地理系长期归属于文学院。在西方国家, 直到今天, 地理系仍然属于文学院。按照康德的观点, 地理是研究空间的科学, 历史是研究时间的科学, 解放前中国大学中的地理与历史同属于史地系。1949年以后, 受到苏联的科学体系的影响, 地理学归入理学院。地理学的研究以描述性、思辨性定性方法为主, 也伴随着一些定量的计算。地球经历了天文期、地文期、生文期、人文期, 地理学是人文期人类社会与地理环境的关系
《1.3地理科学的层次性》
1.3地理科学的层次性
钱学森对各门科学都划分了研究的层次。从马克思主义哲学 (性智、量智) ;哲学与科学之间的桥梁, 包括地理哲学;科学自身的基础理论、技术科学、应用技术;再到前科学 (实践经验知识库和哲学思维, 不成文的实践感受)
《2 地理科学的特点》
2 地理科学的特点
钱学森认为地理科学是自然科学与社会科学之间的汇合科学
《2.1地理科学与自然科学和社会科学的关系》
2.1地理科学与自然科学和社会科学的关系
地理科学与自然科学、社会科学并列, 实际上是非常重要的。这意味着对于国民经济建设, 除了建立自然科学院、社会科学院外, 还应建立地理科学院。根据我们的研究, 人地系统中地理系统和社会系统与自然科学之间确实有一系列的地理科学研究对象, 而且是国民经济中的主战场, 见图2。
《图2》
图2 地理科学 (在工程技术层次上) 在自然科学与社会科学之间的地位
Fig.2 Position of geographical science between natural science and social science
《2.2地理科学与地理学和地球科学的区别》
2.2地理科学与地理学和地球科学的区别
于景元等提出地理建设和地理系统工程的思想基本上是符合国情的
《3 地理系统》
3 地理系统
钱学森认为人类的科学研究, 说到底是五个开放的复杂巨系统, 即星系系统 (物理) 、地理系统 (地理) 、社会系统 (事理) 、人体系统 (人理) 、人脑系统 (脑理)
《3.1人地系统与地理系统》
3.1人地系统与地理系统
地理学研究人地关系, 研究人与自然的关系, 把人类生活、生产的地理环境作为研究对象。但是没有上升到人地系统的高度。钱学敏阐述了钱学森的地理系统与社会系统的关系
《3.2地理系统是开放的复杂巨系统》
3.2地理系统是开放的复杂巨系统
钱学森在1983年提出地理科学的基础理论:地球表层学是开放的、有序的巨系统。因为地球表层的物质与能量, 有太阳辐射能量的输入, 有地球内部质量与能量的输入, 同时也有输出, 而输入与输出是一个具有耗散结构的开放系统
我们的研究仅仅是在航天信息与地理信息一体化网络系统及其应用方面, 从一个方面证实了钱学森的观念是正确的。该系统的框图见图3
钱学森提出的开放的复杂巨系统的研究需要用综合集成法, 从定性到定量研究等学术观点。在我们的实践中, 确实体会到了综合集成与从定性到定量关系的重要性。所谓综合集成, 在航天信息与地理信息一体化网络系统中, 遥感信息系统中的影像库与地理信息系统图形库之间的联系是用地理遥感信息模型解决的
《4 广义地理相似理论》
4 广义地理相似理论
地理逻辑中除了应用演绎逻辑、归纳逻辑外, 最多的是应用类比逻辑。但是长期以来地理学家们大多数是进行直观的类比、实验的类比、思辨的类比, 没有建立像物理学中的相似理论。
《4.1地理复杂现象》
4.1地理复杂现象
最近我们发展的非线性、复杂地理方程, 除了把物理方程的演绎逻辑与随机方程的归纳逻辑融合外, 还应用了类比的相似准则。其表达式的建立如图4
图中“π”是广义地理相似准则
《图3》
图3 航天信息与地理信息一体化网络系统 —— 开放的复杂巨系统
Fig.3 Space and geographic information network system-an open complex giant system
《图4》
Fig.4 Combined image and equation model by deduction, induction, and analogy
《4.2地理复杂模型》
4.2地理复杂模型
从形式逻辑的角度出发, 破缺形式逻辑中的排中律和不矛盾律, 必然可以达到辩证逻辑, 地理复杂模型的外延与内涵, 从其确定性与不确定性来分类可用表1来表示。
表1中的模糊数学是对形式逻辑中的排中律的破缺, 地理方程中的确定性与不确定统一是对形式逻辑中不矛盾律的破缺。
Table 1 Certain and uncertain of intension and extension in the geographic equation
《表1》
形式逻辑外延 内涵 | 外延确定 内涵确定 | 外延不确定 内涵确定 | 外延确定 内涵不确定 | 外延不确定 内涵不确定 |
数学逻辑 | 白色系统 | 模糊系统 | 灰色系统 | 黑色系统 |
数学方法 | 数理方程 | 模糊数学 | 灰色数学 | 随机统计数学 |
注:数理方程中有部分方程是自组织自相似的不确定性
由于地理现象是必然性与偶然性融合的复杂现象, 因此用演绎、归纳、类比相结合的数学方法来解决。从逻辑的角度看, 无论是定性还是定量问题, 无非是分演绎推理、归纳推理、类比推理三种类型。数学物理方程属于演绎推理的定量方法;数理统计公式属于归纳推理的定量方法;地理现象推理用类比的方法比较多, 但是过去很少用地理相似准则进行定量计算。笔者经过长期研究, 认为只有将演绎 (数理方程) 、归纳 (数理统计) 、类比 (相似准则) 融为一体, 建立非线性、复杂性、相似性、区域性、时序性的地理方程, 才能解决地理复杂现象的定量问题。笔者做过十几种地理遥感信息模型, 发现了一种适合于地理复杂现象的一般地理方程, 其特点是:随区域性地理参数可变, 确定性与不确定性辩证地随时空变化。随着科学技术的进步, 研究深入的程度与地理复杂方程是可发展的
式中πy, πx1, πx2, …, πxn为地理相似准则, a0为地理时空系数, 并代表省略号中尚未白化的因子, 属于“随机黑箱”, a1, a2, …, an=ai为地理时空指数, 当时空指数发生不同变化时, 有如下关系:
1) 当 ai (i=1, 2, …, n) = 0 时, πaixi与πy无关;
2) 当 ai (i=1, 2, …, n) = 1时, πaixi与πy为线性关系;
3) 当 ai (i=1, 2, …, n) =
4) 当
该式是部分白化、部分黑箱的, 是一个非线性的灰色方程。求解地理方程时, 两边取对数, 则有
对式 (2) 进行分析, 令两端都等于1, 则有
式中a1, a2, …, an是各因子团的权重。专家打分也要给出权重, 在我们的公式中, 不需要人为的打分, 而用实测数据自动给出权重。这里的权重也就是模糊数学中的隶属度, 因此式 (1) 也是一个多元模糊数学方程。
进一步讨论地理时空系数a0时, 可见确定性问题与随机问题是式 (1) 的特例。
5) 当a0=1时, 是确定性问题。
例如在确定的牛顿第二定律F=ma中, 将等式两边分别除以ma, 得F/ma=1。又如确定的爱因斯坦质能公式E/mc2=1, 这些说明完全确定性的物理方程问题是式 (1) 的特例。
6) 当有a=k (x, y, z, t) 时, 是随机性问题。
例如在随机的谢才公式
人类的现代科学史大约500年, 人类的社会历史大约5 000~6 000年, 人类的历史大约200万年, 地球的历史大约46亿年, 我们怎么可能用一个一成不变的数学公式把规律框死呢?式 (1) 是一个可以从删节号中不断地提出新相似准则的方程, 随着地理现象变化的周期, 日变化必须每天计算, 不断修整地理参数;年变化必须每年计算, 不断修整地理参数, 不断地提高准确度和精度。
由此, 证明了地理非线性复杂方程是集演绎、归纳与类比 (相似理论) 为一体的;确定性与不确定性 (随机不确定性、灰色不确定性、模糊不确定性、自组织自相似不确定性) 辩证的;图像与数据对应的, 即抽象思维与形象思维对应的定量计算方法。这是西方科学还原论所不及的, 只有具有辩证逻辑的东西方式结合的系统复杂论才能解决。其中的形象思维不是低阶段的感性认识, 而是在抽象思维基础上的形象思维, 图像计算。撰写本文时, 笔者翻阅有关文献, 发现
《5 钱学森论地理哲学》
5 钱学森论地理哲学
地理学家黄秉维院士在评论地球表层研究时:一、肯定了地球表层不是一个面, 而是一个层, 该层是一个巨系统;二、要用系统学和系统工程方法来研究这个巨系统;三、提出一些有重要意义的研究课题, 为此黄秉维提出了华南坡地利用与改良, 解决华北水源短缺和黄河隐患的途径, 以及西北干旱区开发三个问题。指出钱学森“是见闻甚广, 博学多思的科学家。……像在天地生领域上回旋的苍鹰, 具有搜索追击移动目标的本领, 一发现目标, 即疾下猎取。他不受天、地、生行业的束缚, 看问题比我们株守于一个学科的人更敏锐、更准确”
地理学界长期以来是很重视哲学思想的, 尤其是自然地理, 以自然辩证法为指导, 有研究自然地理辩证法的历史。但是往往由于地理现象太复杂, 研究深入不下去, 各个要素之间不能分割, 用还原论的方法无法解决, 因此又退回到哲学的层次, 用辩证唯物主义哲学解释地理现象, 这样做是无法使地理学成为科学的, 只能停留在从感性认识基础上到达哲学的层次上。钱学森的地理哲学是建立在马克思主义哲学与地理科学之间的“桥梁科学”上, 以地理系统是开放的复杂巨系统为理论基础, 以从定性到定量综合集成方法为手段, 以国民经济总体发展部为实践对象的思想, 作为地理哲学的核心。在我们研究的天地信息一体化网络系统、人地协调系统、地理遥感信息模型的实践中, 提出航天信息与地面信息辩证统一概念、社会系统与地理系统辩证统一概念, 以及集确定性与不确定性辩证统一的地理复杂方程, 大概可以属于地理哲学的内容。我们是从具体地理科学对象的研究, 上升到地理哲学上去的, 与钱学森从普遍哲学规律指导地理哲学的研究, 应该是殊途同归的。
《注释》
注释
1 徐光宪2001年8月17日在“钱学森与现代科学技术”研讨会上的发言中提出五维标准的科学家