从混沌到有序

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1、从混沌到有序是比利时著名科学家、诺贝尔奖金获得者伊普 里戈金(IlyaPrigogine)教授和他的学生、同事伊斯唐热(Isabelle Stengers )博士合写的一本关于当代自然科学哲学问题的著作。在本书中，作者根据自然科学的最新成果，特别是耗散结构理论 等非平衡系统自组织理论的新进展，讨论了自然界的可逆性和不可逆 性、对称性和非对称性、决定性和随机性、简单性和复杂性、进化和 退化、稳定和不稳定、有序和无序等一系列重要的范畴。作者对热力学第二定律的内容、意义作了新的解释，论述了“时 间之矢”的意义，提出应当重新发现时间。作者总结了三百年来近代 自然科学发展的历史，把科学的演进放在一定的文

2、化背景中加以考 查，指出应当把动力学与热力学、物理学与生物学、自然科学与人文 科学、西方文化传统与中国文化传统结合起来，在一个更高的基础上 建立人与自然的新的联盟，形成一种新的科学观和自然观。普里高津在书中对马克思、恩格斯关于自然科学和自然辩证法的 观点作了比较客观、公允的介绍和评价。他在论述自然界的发展是一 个历史过程的时候指出：“自然史的思想作为唯物主义的一个完整部 分，是马克思所断言，并由恩格斯所详细论述过的。当代物理学的发 展，不可逆性所起的建设性作用的发现，在自然科学中提出了一个早 已由唯物主义者提出的问题。对他们来说，认识自然就意味着把自然 界理解为能产生人类和人类社会的自然界。1

3、865年，轮到克劳修斯出来作出从工艺学到宇宙学的飞跃。起初， 他只是重新表述了他先前得到的结论，但在这样作的时候他引进了一 个新的概念，即熵。他最初的目的是要在守恒的概念和可逆性的概念 之间作出清楚的区分。力学变化中可逆性和守恒是吻合一致的，而物 理化学的变化却不同，即使它们不可能是可逆的，却也能够是能量守 恒的。这在例如摩擦的情形中是真的，这时运动被转换为热，又例如 在傅里叶描述过的热传导的情形中。关于热力学上的开放系统的不可逆进化理论适用于物理化学、生 物学系统，甚至人类系统。系统的概念与系统的思维在科学和文化等诸多领域中蔓延开来， 普利高津提出的时间之矢的概念，建立了现代科学的时间观。讨

4、论了 时间可逆性思想在经典科学研究中的作用及其存在的问题，着重探讨 了时间不可逆性的物理意义以及在时阃之矢概念的基础上确立的耗 散结构理论。热力学第二定律指出：自然界中的一切宏观自发过程都具有不可 逆性，热量只能自发地从高温物体流向低温物体，物质总是自动地从 高密度区域扩散到低密度区域，而不是相反。要出现相反的过程，必 须靠外来的作用，即这些过程的正过程和逆过程是不等价的。正过程 可以自发进行，逆过程不能自发进行，即有一种时间方向性，也就是 “时间之矢”。普里高津说：“我们正在越来越多地觉察到这样的事实， 即在所有层次上，从基本粒子到宇宙学，随机性和不可逆性起着越来 越大的作用。对这种不可逆过

5、程的研究，正是重新发现时间的关键。 由于对时间观念做了重大修正，出现了以耗散结构为特征的有序性。 自然界不再是僵死的，被动的，而可逆性与决定性只适用于有限情况。 比如牛顿力学只描述了我们物理经验的一部分，它只适用于和我们自 身尺度差不多的物体，其质量用克或吨来量度，其速度远小于光速。 而不可逆性与随机性则起着根本作用，自然界必然是一个进化的自然 界，打破了传统科学一些固有的概念：即认为时间是可逆的。普里高 津讲：经典科学“为人们揭示了一个僵死的被动的自然，其行为就像 一个自动机，一旦给它编好程序，它就按程序描述的规则不停地运行 下去”。普里高津指出：“时间流是一全局的性质”，时间之矢是一种 整

6、体性现象。在以“绝对时空观”为基础的经典力学与以“相对时空 观”为基础的量子力学和相对论的研究中，认为时间是一个无关紧要 的参数。普列高津还讲“经典的或量子的动力学所表述的基本物理定 律，在时间上是对称的。”传统时间观认为不存在时间之矢，时间并 不反映运动在时间方向上的“过去”与“未来”的差别，t与一 t是 等价的。就连爱因斯坦也认为：“过去、现在与未来之间的差别只是 一种幻觉”。因此经典物理学被称为“无时间的科学”到了 19世纪， 热力学第二定律第一次把时间观点引入了物理学，紧紧抓住了通过时 间表述的“不可逆过程”，对传统的时间观提出了挑战。当普里高津根据自己的科学实践把热力学第二定律放在科

7、学史 上予以重新考察时，他又发现从热力学第二定律引出的结论与达尔文 创立的生物进化论存在着尖锐的矛盾。因为，热力学第二定律揭示了 自然界普遍存在着可逆和不可逆两种过程。它告诉人们：物质的演化 总是朝熵增加、向混乱的方向进行。可是，进化论则告诉我们：生物 的进化总是由低级到高级，朝熵减少、向有序的方向进行。前者给出 了“宇宙热寂说”的结论，即退化的时间箭头，而后者则与之相反， 给出了进化的时间箭头。那么，自然界到底是往无序还是向有序的方向发展变化呢？普里 高津认为，要把热力学和动力学，热力学与生物学统一起来，就必须 研究自然界中存在的远离平衡态的有序结构、生物和生命现象，必须 朝着更为普遍的热力

8、学理论方向发展。他坚信，在一定条件下，不可 逆过程会产生令人讨厌的消极作用，但在另一类条件下，对不可逆过 程的研究可能会带来理论和实践上具有重大意义的结果。这个信念坚 定以后，普里高津在认识上产生了重大飞跃，而这个飞跃则为他后来 建立耗散结构理论奠定了思想基础。近三十年来，热力学和统计物理 学研究的前沿，进一步伸展到远离平衡态的非线性区，在这里，人们 又发现了在远离平衡态的开放系统中一些有序和无序之间转化的普 遍规律，从而推动了现代科学的又一次革命。这场革命正是从普里高 津提出耗散结构的理论开始的。1945 年，普利高津在原有理论基础上得出最小熵产生原理。这 一原理和翁萨格“倒易关系”一起为近

9、平衡态线性区热力学奠定了理 论基础。这项成功促使他试图将这一原理延拓到远离平衡的非线性 区。但是，经过多年努力，这种尝试以失败告终。当他把系统在远离 平衡与平衡态和近平衡态做了原则区分，重新考察系统在远离平衡态 的情况。他的研究深入到远离平衡态的热力学，经过二十年的奋斗， 终于建立起来耗散结构理论。按照耗散结构理论，一个远离平衡的开 放系统，无论是力学的、物理的、化学的、生物学的，还是社会的、 经济的系统，如果某系统不断地与外界交换物质和能量，在外界条件 变化过渡到一定程度，系统内部某个参量变化过渡到一个临界值时， 经过涨落系统可能发生突变，即非平衡相变。那么，该系统将会由原 来的混乱无序状态

10、转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状 态。这样耗散结构理论就恰好弥补了热力学和进化论之间的鸿沟。 1967 年，普里戈金发表耗散结构理论研究成果：只有在非平衡系统 中，在与外界有着物质与能量的交换的情况下，系统内各要素存在复 杂的非线性相干效应时才可能产生自组织现象，并且把这种条件下生 成的自组织有序态称之为耗散结构。产生耗散结构的系统必须是开放 系统，必定同外界进行着物质与能量的交换，处于远离平衡的状态。耗散结构理论和非平衡态热力学的研究，不仅是重要的科学成果 的进展，而且还昭示了一种新的自组织的发展观。耗散结构理论的出 现对现代科学有着革命性的意义，这不仅仅是因为它把对热力学的认 识

11、放到真实的普遍联系的自然之中，更重要的是，它从另一方面揭示 了自然界本质的不对称，显而易见的事实为，自然秩序是普遍存在的， 如果认为这些秩序必须产生于自然界的不平衡之中，那么，自然界只 可能是在不平衡运动中存在的。十九世纪有两大科学理论同自然界的 演化有关，一方面是达尔文揭示的在生物界中从无序到有序，从低级 秩序到高级秩序发展的趋势；另一方面就是克劳修斯等揭示的物质世 界从有序向无序的退化，热力学第二定律便是证明。这两个定律看起 来是矛盾重重的，但对于一个统一的物理世界而言，显然不可能存在 单独适用于生物系统或非生物系统的规律，自然规律是普遍有效的。 这就意谓着两个演化规律有着某种必然联系，很

12、可能可以统一到一个 理论之中。在这种思想指导下，科学家们不断完善了已有的理论，更 深刻地揭示了自然界有序和无序之间的统一性。在以往波尔兹曼对热 力学问题的研究中，曾断言存在着某种形式的永恒。其实这种永恒就 是有序和无序之间转化的普遍规律。根据能量守恒定律，一个系统从 不平衡走向平衡，能量是不可能消失的，但这种能量是以怎样的形式 存在的呢？系统又是怎样保持整体上的一种平衡状态呢？谨慎的观 察可知，在达到平衡态的系统中，能量是在更为微观的物质不平衡运 动中存在的，具体地说，微观的物质是在不断的周期组织与离散中存 在的，不平衡不断在微观产生有序，不过这种序是不稳定的，它马上 就会沦于无序，并释放内聚

13、的能量重新在周围产生不平衡，而这种不 平衡又会使混沌的物质重新产生有序，以此往复，能量便在这永恒的 不平衡运动中存在下来，系统也就是在微观这种永恒的不平衡的运动 中保持整体的平衡态的。在近代自然科学的发展过程中，人们习惯于把生物等价于生命， 今天这种观点随着系统论的发展变得荒诞起来，因为系统论的研究显 示，生命是一种普遍的自然现象，它存在于组成宇宙的任何一个事物 之中，不管是无序存在的混沌物质，还是有序存在的物质集合，它们 都是有生命的，也都是在紧张地相互压迫与反抗中存在的，生命的意 义就在于反抗，反抗使一些物质不断组织起来一致对外，从而组成了 一系列秩序存在的实体，同时，有限的反抗能力也使许

14、多实体在周围 物质的压迫中不断走向灭亡，能量就是对物质的这种紧张作用的一种 生动的描述。混沌的物质运动本身是不可观察的，我们只能通过对一系列有序 实体从产生到灭亡的过程来理解生命的本质，因此，狭义上的生命仅 仅是在反抗外在世界变化中秩序存在的实体。系统秩序的出现不是偶 然的，它总是和它所反抗的外在世界的变化息息相关。首先是在系统 产生的过程中，哪一个要素能够被优选出来成为统治者决定系统的性 质取决于最初的生成状态，因为任意两个要素都是在竞争中存在的， 在其中一个要素与周围众多要素的竞争中，个体的力量是微不足道 的，只有在它顺应了众多要素的发展意志以后，它才有可能成为统治 者并将自己的意志强加在

15、每一个要素身上，从而出现系统的秩序。每 一个系统都是在反抗外在世界变化中存在的，外在世界的力量是巨大 的、不可抗拒的，因此，系统的存在与发展都是以顺应外在世界的变 化并和整个世界融为一体为先决条件的。外在世界是在规律变化中存 在的，系统也是在不断顺应这种变化中存在，然而系统性质却随着中 心要素的相对稳定而基本不变，这使得系统适应环境变化有一定极 限，一旦超过这个极限，系统就会随着中心要素的改变而成为另一种 性质的系统，或者由于中心要素的不稳定而进入混沌状态。由于系统 的发展过程是不对称的，因此，系统沦于混沌时所释放的能量并不会 象热力学第二定律所指出的那样平均开来，相反，它的灭亡又会使另 一个

16、系统产生。从这种意义来看，有序都是以周围物质的无序为代价 的，无序可以产生有序，有序也可以导致无序，关键在于物质空间能 量的流动。封闭没有发展，平衡也没有发展，这是耗散结构理论的基本结论。 十九世纪的平衡态热力学已经告诉我们，一个孤立封闭的系统，只会 自发地发生熵增，自发地走向崩溃瓦解。换言之，开放和非平衡是系 统发展的必要前提。发展是通过涨落达到有序，自组织的机制就是通 过涨落的有序，这是耗散结构理论的又一个重要结论。涨落也被称作 起伏，通常被看作是噪声、干扰。从系统的存在状态上看，涨落是对 系统的稳定的平均的状态的偏离；例如，人们的个子有高有低，也可 以看作是对于平均身高的偏离。从系统的演化过程来看，涨落是系统 同一发展演化过程之中的差异，也表现出发展成果中的不平衡。涨落 普遍存在，只要是由大量子系统或要素组成的宏观系统，其中就必定 存在着一定的涨落。在传统的思维中，涨落仅仅被看作某种不利于系 统稳定存在的因素，只被看作干扰、破坏性因素，是人们不希望的、 讨厌的东西。耗散结构理论的重要发现是，涨落可以是系统的创新之 源，