耗散结构理论 [普里高津]

    普里高津：耗散结构理论

    【作者: 石丰  】【2005年12月10日 星期六 01:19】

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    1900年，法国青年物理学家贝纳尔公布了如下实验：取一薄层流体（如樟脑油），上下各放置一块金属平板以使其温度在水平方向上无差异。从下面对流体加热，使上下温度差逐渐加大，当上下温度差达到某一阀值时，系统的性质发生突然变化，原来依靠分子碰撞传递能量的无序状态消失，系统呈现出规则的运动花样。。。

    在近代自然科学史上，矗立着三块举世瞩目的丰碑：与科学巨人牛顿的名字联系在一起的经典力学；与现代物理学的奠基人爱因斯坦的名宇联系在一起的相对论；与玻尔、海森堡等人的名字联系在一起的量子力学。几十年来，全世界的科学家们在仰望科学的顶峰的同时．都在企盼着另一块超越巨人的丰碑矗起……

    公元１９７７年，当被科学界誉为现代热力学的奠基人、比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里高津，以其创立的耗散结构理论把当年的诺贝尔化学奖的桂冠举过头顶的时候，这一伟大的时刻终于到来了。人们清楚地知道：普里高津所创立的耗散结构理论对于整个自然以至社会科学产生的划时代的重大影响，远远超出了一次诺贝尔奖的价值。

    普里高津（I．Prigogine，1917~）于1969年在国际“理论物理与生物学会议”上发表了《结构、耗散和生命》一文，提出了耗散结构理论，把理论热力学的研究推向了当代的最高峰。普里高津由于这一重大贡献，荣获1977年诺贝尔化学奖。这是普里高津学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。

    普里高津和他的同事在建立“耗散结构”理论时准确地抓住了如贝纳尔流、B-Z化学波和化学振荡反应以及生物学演化周期等自发出现有序结构的本质，使用了“自组织”的概念，并且用该概念描述了那些自发出现或形成有序结构的过程，从而在 “存在”和“演化”的两种科学之间，在两种文化之间构架了一座科学的桥梁。

　　普里高津在研究了大量系统的自组织过程以后，总结、归纳得出，系统形成有序结构需要下列条件： 

    （1）系统必须开放。热力学第二定律指出：孤立系统的熵不可能减少。对于一个孤立系统，无论其微观机制如何，如果从宏观上看，它可以被当成是孤立系统，则必然要达到平衡态。耗散结构理论认为，对于孤立系统来说熵是增加的，总过程是从有序到无序；而对于开放系统来说，由于通过与外界交换物质和能量，可以从外界获取负熵用来抵消自身熵的增加，从而使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。

　　（2）远离平衡态。远离平衡态是系统出现有序结构的必要条件，也是对系统开放的进一步说明。开放系统在外界作用下离开平衡态，开放逐渐加大，外界对系统的影响逐渐变强，将系统逐渐从近平衡区推向远离平衡的非线性区，只有这时，才有可能形成有序结构，否则即使开放，也无济于事。

　　（3）非线性相互作用。组成系统的子系统之间存在着相互作用，一般来讲，这些相互作用是非线性的，不满足叠加原理。正因为这样，由子系统形成系统时，会涌现出新的性质。

    （4）涨落。涨落是指对系统稳定状态的偏离，它是实际存在的一切系统的固有特征。系统内部原因造成的涨落，称为内涨落；系统外部原因造成的涨落，称为外涨落。处于平衡态系统的随机涨落，称为微涨落；处于远离平衡态的非平衡态系统的随机涨落，称为巨涨落。对于远离平衡态的非平衡态系统，随机的小涨落有可能迅速放大，使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态，从而形成耗散结构。
    一． 基本概念
　　
　　耗散结构理论涉及到大量的基本概念，如果对这些概念没有弄清楚，也很难理解耗散结构理论的实质。因此，我们先介绍一些基本概念。
 　　1． 复杂系统
    自从牛顿创立机械定律以来，人们都把单个个体或有限个体，如自由落体，有限个星球等作为研究对象。后来，通过把连续介质，如，流体、固体等进行单元分割，科学家们又成功地把牛顿力学应用到连续介质中。尽管牛顿力学可以扩展到无限的个体运动，但它的本质是以有限个体，而每个个体是没有生命力的简单运动为研究对象的科学，包括后来的爱因斯坦所研究的对象也是属于简单运动的范畴。
　　二十世纪中叶以后，人们开始关注复杂现象。在这样的系统中，它首先有“非常非常多”的个体，而对每个个体已经不再把它们看成是无生命力的了。它们之间的相互运动又构成了复杂的整体运动。个体和整体之间出现了相互关联的因果联系。对于这样的系统就是复杂系统。
　　对复杂运动的研究是二十世纪所开创的最伟大的科学活动之一。目前正是方兴未艾之时，有着十分广阔的前景。它是揭示，如生物进化、社会进化、宇宙进化和一系列化学、物理进化的强大的科学工具。
　　2． 孤立体系、封闭体系、开放体系
　　达尔文的伟大贡献之一就是把生物种群的进化与环境关联起来。热力学也发现，系统内部的运动与周围环境存在非常密切的关系，这是热力学与其它科学的独到之处。热力学用了一系列科学术语来描述系统与环境之间的关系：
　　A． 孤立体系：孤立体系是指系统与环境之间既没有能量交换和质量交换的系统；
　　B． 封闭体系：系统与环境之间只有能量交换，而没有质量交换的体系叫做封闭体系；
　　C． 开放体系：系统与环境之间既有能量交换又有质量交换的体系叫做开放体系。
    我们要指出的是，以上定义是在热力学的范畴中来描述的。如果对于不同的研究对象和不同的时间范畴，以上定义是要做一些修正的。比如，人类历史系统，如果对整个人类和无限的历史长河来说，我们是可以原用上述定义的。但如果我们仅仅针对一个国家，甚至团体在某一个历史阶段的演化，就必须对上述概念按照历史运动要素予以修正。本人在《马克思社会经济形态学说与耗散结构理论》一文中做过这方面的尝试。
 　　3． 平衡态、准平衡态、近平衡态和远平衡态
　　以上四个概念是描述系统内部特征的热力学术语。
　　A． 平衡态：平衡态是一个非常重要的概念，它是复杂系统运动的起点，也是经典热力学和耗散结构理论在研究方法上的一个分水岭。
平衡态是指系统内部的每一点的任何宏观参数，如温度、压力、密度等等都完全一致的状态。很显然，这样的状态在引力范围内是不存在的。因为即使没有运动也有引力的作用而使得系统内部并不能完全保持一致。当然，现代科学是可以人造这种状态的，那就是在空间站上由于重力消失而出现平衡态。
　　在热力学上，很多情况我们可以忽略重力的影响，如，当高差不是太大的气体，我们可以忽略重力的影响，当其它参数都一致的情况下我们可以把它看成平衡态。平衡态的内部除了热运动（微观运动）以外，其它一切宏观运动全部停止。因此，它是一种“死”的状态。
　　由于系统内部与环境之间的作用，如果系统是一个开放系统，那么该系统一定不会成为平衡系统。因此，平衡态出现的一个充分条件是，它必须是一个孤立系统，这就把系统内部的状态与环境联系了起来。
　　B． 准平衡态
很显然，平衡态是不会运动的。如果我们要把系统的每一点都作为我们的研究对象，热力学的研究就非常复杂。因此，经典热力学又对平衡态进行了处理，即，假定在环境的作用下，系统内部是按“平均”水平而整体上升或下降的。比如，烧开水，真实的情况是，锅内的每一点的温度都不一样，但我们假定它内部的温度是 “平均”上升的，并且每一点的差别都可以忽略。对这样的状态我们称之为“准平衡态”。于是，我们的“热静力学”（Thermostatics，这是一个热力学家杜选的单词，表示经典的热动力学应当称为热静力学）就通过科学家的处理变为了“热动力学”（Thermodynamics）。之所以经典热力学能够在现代工业中得到广泛应用，准平衡态的假设是一个十分巧妙的杠杆。
　　非常有意思的是，马克思在研究人类历史运动时，对人类历史系统也做了类似的假设，详细情况可以参阅本人的文章《马克思社会经济形态学说与耗散结构理论》。
　　C． 近平衡态
在开放度比较小的情况下，系统内部的变化也是比较小的。那么什么叫“大”，什么叫“小”呢？科学家发现，当开放度比较小的时候，系统内部的状态变化是成线性关系的，而且是稳定的。如果开放度进一步加大，系统就会出现结构的不稳定，最后出现新的结构，这就叫“耗散结构”。因此，近平衡态是指系统内部满足线性变化的状态。
　　D． 远平衡态
　　与近平衡态相对应，是指开放度比较大，系统内部的线性变化被破坏的状态。很显然，耗散结构出现的必要条件是系统处于远平衡态。我们所要指出的是，系统处于远平衡态仅仅是耗散结构出现的必要条件，而不是充分条件，即是说远离平衡不一定出现有序结构。这就像生命的出现还必须有很多其它条件同时具备才能出现一样。
　　4． 混沌、无序和有序
　　A. 混沌
　　混沌态就是一种内部处于高度不稳定的、杂乱无章的状态。平衡态也是一种杂乱无章的状态。但这两者有着本质的区别。
　　首先，平衡态是处于一个孤立系统之中，而混沌态则是处于一个开放系统之中；第二，平衡态是分子水平上的混乱，它是一种微观混乱；而混沌态则是在远离平衡的状态下，系统所出现的宏观混乱现象。
　　中国哲学很早就出现了“混沌”的概念，它通常指宇宙在形成的之前的一种杂乱无章、没有时间、没有空间的状态。很显然，中国哲学的混沌概念与耗散结构的混沌概念基本上是一致的。
　　B. 无序
　　无序是指系统内部的运动无规律可循，完全是一种杂乱无章的运动状态。平衡态自然是一种无序状态，但它是属于分子水平的无序状态。因此，耗散结构理论的无序通常不是指平衡态意义上的无序，而是指高度开放状态下的“混沌态”的无序。
　　C.有序
    是相对立于无序而言的。有序系统通常有三种有序状态，这就是空间有序、时间有序和功能有序。空间有序是指它具有一定的空间形状，比如天体运动，它的运动轨迹都是有精确的形状的，大气中有时会出现“云街”也是一种空间有序结构；时间有序是指复杂运动所出现的明显的“时间节奏”。几乎所有的天体运动除了精确的空间有序以外还有精确的时间有序，日出、日落、温寒冷暖都非常准确。除了时间和空间有序以外，很多进化系统还有功能有序。所有的生物都具有功能有序的特征。比如，人体的免疫功能、生殖功能、调节功能等等。人类社会也是一个具有功能特性的进化系统。比如，大气变化、经济变化、战争等等，整个社会都知道做响应的调整。
　　5． 量变和突变
　　A． 量变是指系统内部的结构以一种缓慢的方式发生变化。
　　B． 突变是指系统内部的结构以一种剧烈的、跳跃的方式发生变化。在以往的概念中，量变和突变是一对哲学术语，而现在则是一对科学术语。哲学和科学的区别在于，哲学是不能够量化的，而科学则是可以量化的。
　　现代理论研究证明，系统在量变的过程中也有部分突变，即是说，新的生命总是在系统内部不断产生。而大部分子系统又在不断消亡，就像人的新陈代谢一样，人不是在一天内突然死亡的。
    在过去的哲学中，甚至在科学中突变都是无法预见和量化的。因此，把突变又称为“跳跃”。随着科学的发展，人们已经能深入到突变运动的内部，研究其变化。实际上突变也有一个过程，只是变化剧烈一些而已，比如中国从封建社会到社会主义社会经历了一百多年。因此，把突变成为“跳跃”是不科学的。
 　　6．涨落
　　在所有的宏观运动中都存在一定的与宏观轨迹的偏离，比如，火车运行中的颠簸；室内温度在任何瞬间都存在不停的跳动；人的大脑中总是不停的出现各种偏离正常思维的想象等等。在耗散结构理论中，这种微小的偏差就叫做涨落。
    在过去的观念中，涨落是微不足道的，完全可以把它忽略。而现代理论恰恰发现了这种涨落正是进化系统中的革命力量，没有涨落就没有进化运动。整个进化过程就是涨落与系统的宏观结构在开放条件下，在相互对抗中的产生、成长、系统结构更迭和自身消亡的过程。“星星之火可以燎原”就是揭示的涨落的这一成长过程。
　　7．耦合
    耦合是指复杂系统中在开放条件下，很多复杂因素共同加强或削弱某一因素的行为就叫“耦合”。耦合现在在进化系统中非常普遍。人们常说的“墙倒众人推”， “成功一勃焉，失败一忽焉”就是一种耦合现象。复杂系统的结构更迭就是因为开放系统具有“耦合”功能，它可以共同加强微小涨落，最后使之成长为“巨涨落”，从而“改朝换代”形成新的结构。
 　　8．奇怪吸引子
　　当复杂系统处于突变过程的时候，一些涨落达到了相当大的规模，这些具有相当规模的运动体就叫奇怪吸引子，而系统内部在最后阶段的宏观运动总是围绕这些奇怪因素运动的。为什么把这样的东西叫做奇怪吸引子呢？是因为这些东西的行为非常古怪，无法琢磨。
    奇怪吸引子在人类历史进化中也大量出现，几乎可以说每一次朝代更迭，或者大的社会变革都会出现很多奇怪吸引子。回顾所有的历史变革，都会发现一个共同的特征，即，开始出现社会不稳定，然后出现较大的力量团体，这些团体就是奇怪吸引子。再然后，这些奇怪吸引子就出现矛盾冲突。在冲突过程中大量的吸引子被消灭，最后在两个巨大的吸引子之间展开斗争，最终有一个又被消灭，形成了新的系统结构，即，完成了一次突变过程，使进化运动又向新的一个高度前进了一步。
　　    9．自组织
    在自然界中有两种有序结构，一种象晶体那样的固定有序结构。这种结构是一种“死”的有序，它不需要任何能量就能够维持其结构有序；而另一种，比如生物的组织，它仍然是一种有序结构。而这种有序完全是由于机体内部的细胞自发组织、调节所形成的有序，要维持这种有序结构就必须供给能量。我们把这种依靠机体内部自发组织起来，自发调节，并通过外界供给能量来维持的有序结构叫做“自组织”结构。
　　在复杂系统中只有这种自组织结构才能够真正作到有序，而那种依靠外界的力量来直接控制复杂系统的方式是一种无序结构。一个最典型的例子是，我们的计划经济体系，表面上看来非常有序，一切都按我们人为的计划运行。而实际上我们越计划，社会越乱，以至于最后不得不解体。而市场经济，我们几乎不需要宏观计划，而只需要保障经济体系中各个组织健康发展的条件，整个体系就会自动的形成有序运动。正是这种自组织现象将完全改变我们的世界观和认识论。
　　
　　二． 耗散结构理论的基本定律
　　
　　1． 热力学第一定律
　　热力学第一定律，即，能量守恒定律是一个整个科学的普适定律之一。它是有迈耶、焦耳、赫尔姆霍茨等人在1840年~1851年之间建立的。这里不打算详细论述。
　　    2． 热力学第二定律
　　在整个人类历史长中，十九世纪是一个里程碑。在这个世纪出现了许多惊人的进步和发现。在人文思想上，西方文艺复兴运动已经达到了顶峰，新时代的思想体系、政治体系、经济体系和科学体系已经建立，为现代社会奠定了强有力的基础。
    在科学上，瓦特发明了蒸汽机，创造了人类有史以来的第一次工业革命；达尔文创立了生物进化论，揭开了生物进化的秘密，同时也揭开了整个进化运动的序幕；马克思创立了历史唯物主义理论。从而，树起了人类历史科学的丰碑。还有一个伟大的科学发现，就是发现了热力学第二定律。这一定律在当时并没有引起很大的重视，而到了二十世纪末期，人们才逐步认识到它的伟大意义所在——一切进化运动的基本定律。
　　瓦特发明的蒸汽机的热效率大约为1%，经过卡诺的改进以后大约能够达到2%。热力学第二定律的最初发现是为了提高蒸汽机的热效率。这一定律从表面上看来十分简单，甚至是妇孺皆知的常识。而正是这种最简单的东西却反映了客观世界最普遍和最深刻的科学理论和哲理。热力学第二定律的基本表述如下：
　　热不能够自发地从低温传向高温——克劳修斯说法，1850年；
　　不能够从单一的热源吸热来做功，而不产生任何损失——开尔文说法
    以上两种说法在本质上是一致的。看起来它非常简单，但它所产生的深刻思想在于，它指出了一切热力过程运动的方向。自然科学家从这一定律出发建立了物理进化模型，最终由普里高津创立了耗散结构理论。由于生物运动、人类历史运动和宇宙的天体运动都是进化运动，因此，这一理论对人们认识世界和认识自身起着越来越重要的影响。
　　由于根据这一定律所产生的相关理论很多，以下我们将介绍几个基本的原理：
　　A． 熵的概念
　　既然热力过程都是不可逆的，那么我们能不能找到一个状态参数来反映这种不可逆特性，就象用温度来反映冷热、用压力来反映气体对容器的作用力一样。最后，由克劳修斯证明了这个参数是存在的，并把它称为“熵”，用S表示。起数学表达式为：
　　S = δq/T
　　其中δq是指微量的热交换，T是指开尔文温度。
　　因此，熵的第一个基本含义是：它是一个衡量过程不可逆的状态参数。在克劳修斯找到熵的数学表达式，并用它来说明过程不可逆特性以后，玻尔兹蔓又成功地用熵来说明系统的紊乱度。紊乱度越高，它的熵就越大。
　　正是由于熵与不可逆过程和紊乱度联系了起来，所以现代很多物理现象，甚至社会现象人们都力图用熵来予以说明。
　　B． 熵增原理
一个系统熵的变化有两部分，一部分是由外界环境输入的熵，叫熵流，另一部分是自己系统内部产生的熵，叫熵产。熵流可以大于、等于、或小于零。而系统内部自己产生的熵则永远只能大于，或等于零。即是说；“对于孤立体系，系统的熵只能向着熵增加的方向运动”。这就是著名的熵增原理。根据这个原理可以得出以下推论：
　　第一，孤立体系的最后必然要达到最大值，使系统达到平衡态，即，“死亡”状态；这种状态字热力学系统中到处可见，如果把它推广到人类历史发展领域，也可以得出一个结论：对于一个封闭的社会，最后也必然会进入平衡、停滞的状态。中国封建社会停滞两千多年，其根本原因就是社会封闭。相反，一个系统或社会要使它运动，就必须开放。很显然，这一原理不仅在自然科学中适用，在历史科学中仍然适用。
　　第二，时间之矢。除热力学以外，其它所有的科学都没有指出运动的方向问题。而在这里，热力学第二定律找到了运动的方向，并且用熵对它的运动过程进行了科学的、定量的描述。我们知道，历史车轮不可倒转，江水不可回流，生物进化、宇宙进化也不可重来，事实上所有的运动都是不可逆的，而我们的科学，自从牛顿、爱因斯坦以来的所有定律都被简化成了可逆运动，即，时间是可逆的。这就对我们的经典科学提出了挑战：这种经典的科学究竟在什么条件下适用？它们是普遍真理吗？霍金把爱因斯坦的相对论推广到整个宇宙生成的系统正确吗？我们已经建立起来的马克思主义历史科学理论又将会有什么变化呢？这一系列问题都是对经典科学的严重挑战！
　　第三，经典热力学的困惑。根据熵增原理，似乎所有的过程，包括宇宙的归宿都是平衡态，即，死亡状态。而我们看到的生物系统、人类历史系统，也包括宇宙系统，他们都在不停的由低级向高级发展，这究竟是为什么呢？这就是熵增原理的疑提。也正是在这里，普里高津找到了答案，创立了耗散结构理论，完成了自然与人之间的统一。
　　
　　三． 自然、宇宙、生物和人类社会中的自组织现象
　　
　　达尔文创立了生物进化论，确立了生物体系是一个自组织体系，即，生物系统是一个通过体系内部的自由竞争而形成的有机组织系统。那么，我们还将进一步确定，人类社会，宇宙天体也是一个自组织，即，是一个耗散结构系统吗？在物理、化学系统中能够看到物质从无序到有序，从无生命到有生命的成长过程吗？
　　我们已经谈到，任何生命都是由无生命的元素组成。用科学的术语来表达生命的含义就是：生命是一个“时间有序、空间有序和功能有序的自组织系统”。
    生命的起源已经远离我们四、五亿年前了，我们除了能够找到一些生物进化过程中的化石以外，我们无法提供实物证据。但我们能否看到一些真实的从无机到有机，从无序到有序，看到——生命起源的原始基因呢？答案是肯定的，很多的自组织现象将把我们带到生命的源头，带到一个崭新的世界。
　　    1． 上帝之手编制美丽的图案——贝纳德水花
    大家知道，热运动是一种杂乱无章的运动。因此，当给水加热的时候，它的水花也应当是杂乱无章的。那么，当你看见那些水花突然自发的出现了规则的图案，并且成有序运动，你是否会惊奇，并认为那是上帝的杰作，是否看到了生命中最原始的基因呢？这个实验是，将一个平坦的锅里盛上一薄层水，当在锅的下面慢慢均匀加热。开始时，锅内会出现一些不规则运动的小气泡，随着热量的增加气泡增多，当达到一临界值的时候，原来不规则运动的气泡突然变成了有规则的、呈六角型翻转的花纹，而这些花纹又组成一个美丽的图案，这就是著名的贝纳德水花，见图1.9　　

　　从表面上看来，贝纳德水花并没有多大的惊奇之处。但如果我们深入思考，是什么力量让这些无数的无生命的水分子突然间“自发地”出现了规则运动呢？这些无生命的东西为什么会出现了一些有生命的特征呢？我们在这里看见了生命的原始胚胎！

　　2． 云街
　　在一般情况下，云团的运动是杂乱无章的，是无序的运动。但在一定条件下，平常无规则的云团突然会象步兵排队一样，形成整齐的“队列”，形成有序结构，如图1.4所示 ：
　　

　　3．周期化学反应现象
最引起科学家们兴趣的是苏联化学家Belousov和生物化学家Zhabotinsky进行的实验。1958，Belousov在金属铈离子作催化剂的情况下柠檬酸的溴酸氧化反应。他发现在某些条件下苛些组份（例如溴离子、铈离子）的浓度会随时间作周期变化，造成反应介质的颜色在黄色和无色之间作周期性的变换。其后Zhabotinsky等人继续并改进了Belousov的实验，发现另外一些有机酸（例如丙二酸）的溴酸氧化反应也能呈现出这种组份浓度和反应介质的颜色随周期变化的现象。利用适当的催化剂，介质的颜色变化可更加明显，例如在红色和兰色之间作周期性变换。反应介质一会儿红色，一会儿兰色，再一会儿红，一会儿兰色，象钟摆一样发生规则的时间振荡。因此这类现象一般称之为化学振荡或化学钟。后来Zhabotinsky等人又发现在某些条件下体系中组份的浓度并不总是均匀分布的，而是可以形成规则的空间分布，出现放多漂亮的花纹。如图1.10所示：
　　

　　生物中的自组织

　　3． 生物系统的自组织
达尔文已经注意到，环境是生物种群的决定性因素。耗散结构理论从物理学证明，一个有序的自组织结构其决定性因素也仍然是环境。即，当外界（环境）向系统供给能量，形成自组织以后，这个系统内部通过竞争的作用，它的结构就会逐步稳定下来。当外界对系统不断开放，达到另一个阈值时，系统就会通过突变形成新的结构，从而使系统进入一个新的阶段进行演化。
　　自从生命起源以后，可以确切证明的生物突变有两次。一次是在5亿年前左右，出现过一次生物“大爆炸”。在重庆巫溪县有一种古生物化石，它清楚地记载着4亿5千万年前这里曾经出现过堆积如山的各种生物。
　　造成这次生物爆炸的原因是，由于当时的生命刚刚起源不久，各种生物迅速繁衍，从而出现大量的生物种群。当生物种群迅速增加的时候，生物间的竞争机制起作用，从而又使大量的生物灭绝。最后形成稳定的生物种群。
　　大约在6000万年前左右，由于气候的变化，再一次使大量的生物灭绝，同时出现新的生物种群。这一次的生物结构突变的直接证据就是恐龙时代的终结和新生生物时代的出现。
　　我们已经发现，现代生物种群，包括植物和动物，并不是单个生物的简单叠加，而是一个有机链条。即，一个生物是与另一个生物密切相连的，它们之间具有自发的自我调节机制，最终形成一个完整的整体。这样一个有机体正是一个生物自组织体系。
　　4． 生命的起源：无机分子的自组织系统
    大家知道，任何生命的机体都是由自然界中的各种元素，如碳、氢、氧等构成，这些元素与其它元素并没有任何区别，是一些无机分子。这些无机分子，再通过一定的组合形成低分子有机化合物，如，酸、糖、碱等。这些低分子有机化合物再通过选择和竞争形成生物高聚物——核酸和蛋白质等，从而最终形成生命。
　　对于生命的起源过程，普里高津用耗散结构理论做了详细的证明（详见《非平衡系统的自组织》，科学出版社），这里不做叙述。就从我们现有的生物体来看，它是一个“时间有序、空间有序和功能有序”的自组织系统是毫无疑问的。
　　6． 宇宙中的自组织系统
　　中国哲学一直认为天人合一，即，天的构成和运转与我们人体的构成和运转是一致的。
　　达尔文在一个半世纪前已经发现生物系统是一个进化系统，一百年后普里高津又证明生命的起源也是一个进化系统。那我们不禁要问：宇宙上一个进化系统吗？
　　从目前我们观察到的宇宙来看，每一颗恒星有几颗，甚至几十颗行星，每一个星系大约有2000亿颗恒星，而整个宇宙又大约有2000亿个星系。因此，整个宇宙是一个真正的复杂系统。那么，对于这样一个庞大的系统，它是怎样运动的呢？
　　我们身边的太阳系、银河系、以及相距我们一百多亿光年的星系都具有有序的空间结构和非常准确的时间结构和严格的功能结构。因此，我们完全有理由认为宇宙是一个耗散结构，即宇宙系统是一个自组织系统。中国的天人合一的思想是有科学依据的。
　　从宇宙的运行特征来看，它是一个耗散结构是不容怀疑的。那么从他的生成条件来看，它是否具备耗散结构的特征呢？耗散结构的一个重要特征是，维持它的有序运动需要能量。那么，这些能量存在吗？它是从哪里来的呢？
    2003年12月23日《参考消息》报道，美国2003年出版的《科学》杂志上，把“暗能量”的发现评为本年度最重大的科学突破。该文报道“约23%的宇宙物质是“暗物质”，没有人知道它们究竟是什么，因为它们无法被检测到，但他们的质量大大超过了可见宇宙的总合。而近73%的宇宙是最新发现的“暗能量”。这种奇特的力量似乎正在使宇宙加速膨胀。”如果这种“暗能量”确实存在，那么宇宙是一个耗散结构就可以得到圆满的解释，即，由暗能量供给能量以维持整个天体的有序运动。
　　7． 人类社会中的自组织
　　人类社会的运动与牛顿描述的自然运动是不一致的，而与生物运动的特征是一致的，这已得到世界的公认。正因为如此，许多历史学家，如斯宾塞把自己的理论明确的界定为历史进化论。马克思、恩格斯也把自己的学说与生物进化论做类比。
    然而，虽然生物系统与人类历史系统都是属于进化系统，但两者的行为是具有本事差别的。因此，如果像斯宾塞等人那样对两种系统做简单的类比，是不可能发现人类社会的本质的。虽然马克思也把人类历史系统看成一个进化系统，但他研究的手段和方法完全是根据人类社会的基本特性出发的，而不是从简单的类比出发的。因此，马克思的历史进化论与斯宾塞的历史进化论是有本质区别的。
　　由于马克思所处的时代才刚刚是经典热力学初步建立的时代，人们还没有建立物理进化理论，更无法分析进化运动的机理，即，无法真正从运动的角度来看待进化运动，而只能以“静止”的方式和方法来看待进化运动。就正如当时的热力学家那样，通过一种简单的处理方法使“不能运动”的热力学（thermostatics）转变为“可以运动”的热力学（thermodynamics）。尽管达尔文的生物进化论、马克思的历史进化论和热力学第二定律几乎是同时发现的（彼此相距不到20年），也许马克思当时根本没注意到热力学第二定律（马克思和恩格斯建立他们的历史科学理论是在1845年，而热力学第二定律获得完整表述是在1850年），但马克思对历史科学体系的处理方法几乎与经典热力学的处理方法有惊人的一致性。本人在《马克思社会经济形态学说与耗散结构理论》一文中有所论述。
　　马克思为人类历史科学创立了第一块不朽的丰碑，建立了一个真正的历史科学体系。然而，他的理论决不是该理论的终结，而仅仅是开始。我以为，对马克思主义理论准确定位的话，应当是“人类历史科学静力学理论”。当我们把开放的要素纳入马克思主义理论的时候，就会建立起人类历史科学动力学理论。
　　当我们建立起人类历史科学动力学理论以后，我们就会对一系列与现实社会密切相关的重大问题的科学结论。比如，为什么计划经济必然失败，而市场经济则是历史的必然趋势；为什么科学技术是第一生产力，马克思劳动价值理论在现代社会中的表述；促进社会发展的动力是什么？怎样发展社会生产力等等。
　　
　　四． 耗散结构出现的条件和一般规律
　　
　　尽管耗散结构理论从上个世纪中叶就已经形成，但从这门科学所面临的问题的复杂性来说，它还仅仅是揭开了复杂科学的序幕，与这座宏伟大厦的完成还有相当遥远的距离。目前，对这门科学的研究主要沿着以下三个方向进行：
　　1． 对耗散结构形成的条件进行研究，包括对各种不同的对象建立数学物理模型，力争获得解析解；
　　2． 对突变过程进行研究。在传统的观念中，突变过程是完全随机的，无法进行定量的研究。自从耗散结构理论发现以来，人们对突变现象做了大量的研究，人们发现，突变过程并不是不能够定量研究的，而且取得了许多重大的科学成果，以至于形成了一门专门的科学——突变论。
　　3． 对耗散结构理论的延伸——使之进入生物科学、历史科学、宇宙科学和哲学领域等。
　　从深度和广度来看，几乎可以说没有任何一门科学理论能够像耗散结构理论那样跨越了如此多的学科，并从研究对象的起源到无穷的演化过程进行研究。因此，我们这里也只能够对这一理论的做概括性的介绍。
　　（一） 耗散结构的形成
　　1． 远离平衡是耗散结构形成的必要条件
　　经典热力学已经证明，任何孤立系统，即，不消耗能量的系统最终必然走向平衡态，从而使熵达到最大值。这就是我们通常所说的“死亡”状态。
    普里高津的重要贡献在于，他发现当系统处于远离平衡的条件下，原有的平衡态将失去稳定性，一些涨落通过耦合作用而被放大，而使系统形成一种新的有序结构，即，耗散结构。形成耗散结构的必要条件是系统必须远离平衡态，即，必须通过外界向它供给能量才能够形成和维持这种结构有序。
　　系统处于远离平衡是出现耗散结构的必要条件，但不是充分条件。即是说，使系统处于远离平衡还仅仅出现耗散结构的一种可能性，而不是充分条件。正因为耗散结构的出现还有很多其它限制条件，因此，甚至有不少哲学家把生命的出现看成一种偶然事件。
　　2． 分支
　　耗散结构从本质上讲就是系统从一种状态，通过分支，即，通过“突变”而进入另一个有序状态。因此，研究系统的分支现象就非常重要。
　　由于进化系统首先必须是一个复杂系统，即是说系统内部有非常多的子系统。系统的整体变化往往是从局部变化开始的，这就是我们通常所说的量变过程。但对于这种量变过程，对局部来说它又是突变。
    无论是对子系统或是对整体系统来说，耗散结构的出现都必须首先经历一个线性区。在这个区域，系统成线性变化，并且是稳定的。当系统进一步远离平衡，即，增加开放度的时候，系统的控制方程除了热力学方程以外，还必须加入动力学方程。这时，系统将由一组热力学和动力学非线性微分方程组控制。
　　在一个庞大的复杂体系中，当系统越过稳定区以后，其中的一些子系统开始变得不稳定，即是系统将出现分支现象。如图1所示：我们要指出的是，系统的分叉有很多种形式，如，稳定分支、不稳定分支、单稳定分支和极限环型分支等。随着开放度的进一步增加，系统还会出现高级分支现象，如图2所示：系统的分支，意味着系统的复杂性增加。达尔文的生物“生长树”揭示了生物在生长过程中的分支现象。比如，古猿的分支结果就“生长”出现代的“猿”和“人”；生命的进化也是通过不断的分支，使得生物的内部结构越来越复杂；社会的分支也使得原始的单一结构演化到现代的异常复杂的社会结构。
　　3． 涨落——进化运动的革命性因素
　　在传统的观念中，各种随机因素总是微不足道的，“细浪”不可能掀翻大船。然而，近代科学却恰恰证明，正是这些“微不足道”的随机因素（涨落）才是系统进化的真正的革命性力量。
    尽管系统出现了不稳定，它将出现分支，如果没有涨落的出现，这种分支也会变得很单调，甚至无法进行。所谓的涨落就是一种随机的扰动。并且这些涨落不仅大小无法确定，而且它的结构和特性也异常的复杂，几乎是不可决定的。比如，战争中的天气，大气运动中的各种温度扰动，人们头脑中各种无时不存在的“奇怪”念头等等都是涨落。
　　在系统处于稳定状态的时候，这些扰动的确是“微不足道”的，它的出现很快就会被系统所消灭，这就是不对它引起重视的根本原因所在。
但是当系统处于不稳定的时候，涨落再也不是微不足道的了。它的行为甚至将在结构变化中起到决定性的作用。为了清楚说明涨落的革命性贡献，我们可以用下图来予以说明：图3.涨落的饿革命性贡献图示在图3中当小球运动到不稳定点C点时，随机扰动的性质几乎完全可以决定小球是向A分支，或是向B分支运动。当然，在复杂系统中，系统究竟是向A分支，或是向B分支运动，它将取决于原始的系统结构和涨落性质的综合影响。用历史的观点来说，就是历史的走向是由历史本身和随机因素共同决定的。
　　4． 竞争机制的作用
　　当系统处于不稳定的时候，它的子系统就像“链式反应”一样将大量出现分支结构，从而使系统越来越复杂，这就是我们通常看到的爆炸现象。由于系统大量的复制子结构，当它达到一定数量的时候竞争机制就将起作用。通过这种竞争，最后保留一个“最适合生存”的结构。
　　进化系统选择的本质是系统在远离平衡的条件下所发生的耦合作。即，通过系统内部的复杂因素共同加强或削弱某些子系统，以加速它们的成长或者消亡。普里高津经过计算，如果没有这种竞争的耦合作用，生命的出现将还需要几万万万亿年，几乎是整个宇宙年龄的数万万万倍。
    当生命出现以后，大约在4至5亿年左右，便出现了大规模的“生物大爆炸”。即是说当时出现了大量的生物物种。如果说生命在起源过程中我们未能亲眼看见生命物质的大爆炸，而缺乏物质证据的话，那么生物大爆炸则可以提供实物证据。近年来，我国在许多地方都发现了大量的古生物化石，其中在重庆巫溪县就发现了大量的在四亿五千万年左右海洋生物化石。在这些化石中可以清楚的看到在那个时代已经出现了堆积如山的海洋生物。达尔文早就证明，今天的生物正是古代生物通过竞争淘汰机制而留下的“优良”品种。
    5． 巨涨落的出现——完成从混沌到有序的突变
　　如果仅仅是单个的子系统出现不稳定性，系统还不会发生根本性的变化。然而，对于一个处于远离平衡的复杂系统，系统中将会出现耦合作用，即，一系列复杂因素将共同加强某些涨落，使之得到放大。对于这些放大了的涨落，再也不是像平衡态那样的“微不足道”的因素了，而是具有了较大的宏观规模。
　　然而，在复杂系统中复杂因素并不是只对某一个涨落进行加强，而是对多个涨落都同时得到了加强，使它们具有了一定的宏观尺度。而这些得到加强的涨落具有非常独特的性质，它的运动是完全随机的，不可预测的。因此，整个系统所处于的状态也是混乱的，无法预测的。我们通常把这样的状态叫做混沌态。
　　混沌态与平衡态的区别在于，混沌态是具有宏观尺度的涨落之间的“混乱”，而平衡态则是分子水平上的“微观”混乱。混沌态是具有生命迹象，如生命中的蛋白质、核糖核酸，战争中的各个大的集团之间的混乱；而平衡态则完全是无生命力的，“死”的混乱。
　　对于涨落的运动特性也并不是完全不知的，任何事物都是在“可知”与“不可知”之间徘徊的。对涨落的认识也是如此，并且随着科学的发展，人们已经逐步深入到涨落的内部结构中去了。
在一定意义上，混沌态也是一种吸引子。它具有非常复杂的内部结构，它的维数甚至可以是非整数；它的运动对初始条件异常敏感，只要有十分微小的变化，它的运动特性就会发生巨大变化。曾经有这样的报告，在一定条件下，在印度的上空的一只麻雀的扰动就有可能导致远在太平洋彼岸的美国出现一次巨大的风暴！正是由于混沌态中的吸引子有如此古怪的特性，科学家们通常把它称为“奇怪吸引子”（strange attractor）。
　　尽管奇怪吸引子有如此古怪的、琢磨不透的特性，混沌态的发展总是围绕这些“奇怪中心”来运动的。比如，在世界大战中，或者古代朝代更迭中，战争场面总是千变万化的，但战争的走向总在这些集团之间交替进行着。随着演化过程的逐步发展，这些奇怪吸引子逐步被更大的吸引子所代替，最终形成一个巨大的吸引子。这个吸引子就是通过一个“微不足道”的涨落逐步演化形成的“巨涨落”。
　　很显然，巨涨落完全是一个新的结构，它已经取代了原有的结构。这个新的饿结构就是耗散结构。因此，普里高津把这种从混沌到有序的过程称之为“通过涨落的有序”。而毛泽东则用诗一样的语言成之为“星星之火可以燎原”。
　　从这里我们可以看到，整个突变过程，首先是由于系统远离平衡，导致系统出现不稳定，从而出现大量的分支结构，使系统进入混沌态。然后，随着进一步开放，系统通过“涨落的有序”，形成新的巨涨落而取代原来的结构。这个新的结构是比原有结构更复杂，但更有序的高级结构。
　　我国著名物理学家郝柏林从物理学的角度对分支、混沌和奇怪吸引子的特性做了深入研究，如图4.所示。从该图中可以清楚的看到系统从平衡态，或低级有序结构通过分支，进入混沌态，最后又通过“涨落有序”形成新的，高级的有序结构的全过程。
    对于生命系统来说，它已经演化了几十亿年了，即使对生物系统也演化了几亿年，已经进入了相对稳定的阶段，我们已经无法看到从平衡态到有序的突变过程。但对人类社会系统来说才演化了几千年，尤其重要的是，我们目前正处在一个历史巨变的时期。因此，我们可以看到大量的突变现象。图5就是我国正在进行的从计划经济到市场经济的突变过程的真实记录。从图中完全可以看到我国的经济体系从分支，到混沌再到新的有序的过程。图5.我国经济体制改革的过程图
　　6． 高级系统的无限演化
    我们目前在实验室中观察到的耗散结构是很低级的耗散结构。对于这种结构，当我们的开放度进一步加大时，它不是进入更高级的有序状态，而是进入耗散更大的混沌状态。但对于生命系统、生物系统和人类社会系统，在它的形成过程中都经历了漫长的，开放度逐步增大的演化过程。即是说这些高级的进化系统都经历了无数个阶段的演化。普里高津把这个演化过程描述为；这个图示说明，当复杂系统处于非平衡状态，并达到一定阈值的时候，系统出现不稳定性。然后“通过涨落的有序”形成耗散结构。由于这个新的结构是在更加远离平衡的状态。因此，它需要消耗更多的能量，即增加耗散。这个新增加的耗散又确定了一个更高的阈值，也即确定了发生下一个结构飞跃所需的能量耗散。依次逐步演化，系统便从一个阶段到另一个阶段运动，进化系统也逐步从低级到高级逐步发展。
　　我们应当注意到，进化系统的演化过程总是与环境状态紧密相连的。也即是说，当环境不变，系统内部完全与环境状态相适应的时候，系统的内部结构也进入相对稳定的状态。比如，我们的地球环境在最近几千万年内并没有教大的改变，因此，这一时期的生物特征也没有太大的变化。
    而我们的文化状态就与生物的情况有很大的不同。因为我们的社会系统才仅仅有几千年的历史，因此，我们的社会结构与环境系统还远远没有达到完全适应的状态。社会消耗的能量也在不断的、迅速的增加，社会结构也越来越复杂和越来越有序。我们完全可以预见，如果仅仅在地球范围内，我们的社会结构最终会形成一种相对稳定的状态。
　　但是，人与动物所不同的是，人可以改变他们的生存环境，从而获得新的动力。一个最明显的例子是，人们不断的向外层空间发展。尽在目前阶段，人们就已经直接触及到了月球和火星。完全可以预见，随着科学技术的发展，人们还会触及到更加遥远的空间。因此，人类社会的演化将比生物系统的演化要宽广得多。
　　毫无疑问，耗散结构理论已经把我们带到了一个无限广阔的思维空间，揭开了关于我们自己的身体，社会和宇宙演化的序幕。普里高津认为这一整套理论，是理解进化运动的关键所在。

    【作者: 石丰】 【2005年12月10日 星期六 01:19】