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普里高津：耗散结构理论 — 揭示生命起源【转载】
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转自《石丰博客—http://goutong.bokee.com》 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。 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。 |
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