《從混沌到有序》讀后感
張現(xiàn)東
《從混沌到有序》是比利時著名科學家、諾貝爾獎金獲得者伊·普里高津(IlyaPrigog－ine)教授和他的學生、同事伊·斯唐熱(Isabelle
普里高津在書中對馬克思、恩格斯關(guān)于自然科學和自然辯證法的觀點作了比較客觀、公允的介紹和評價。他在論述自然界的發(fā)展是一個歷史過程的時候指出：“自然史的思想作為唯物主義的一個完整部分，是馬克思所斷言，并由恩格斯所詳細論述過的。當代物理學的發(fā)展，不可逆性所起的建設(shè)性作用的發(fā)現(xiàn)，在自然科學中提出了一個早已由唯物主義者提出的問題。對他們來說，認識自然就意味著把自然界理解為能產(chǎn)生人類和人類社會的自然界。
同時普里高津也是最早認識到研究進化過程具有跨學科性質(zhì)的人之一。他說，生命系統(tǒng)不像時鐘可以通過其部分之間的簡單因果關(guān)系來加以解釋。在一個有機體中，每一個器官和每一個過程都是整體的一種功能。普里高津還指出，類似的觀點在社會科學中也是必需的，關(guān)于熱力學上的開放系統(tǒng)的不可逆進化理論適用于物理化學、生物學系統(tǒng)，甚至人類系統(tǒng)。
隨著20世紀以來科學革命的發(fā)生和發(fā)展，系統(tǒng)的概念與系統(tǒng)的思維開始在科學和文化等諸多領(lǐng)域中蔓延開來，普利高津提出的時間之矢的概念，建立了現(xiàn)代科學的時間觀。討論了時間可逆性思想在經(jīng)典科學研究中的作用及其存在的問題，著重探討了時間不可逆性的物理意義以及在時閫之矢概念的基礎(chǔ)上確立的耗散結(jié)構(gòu)理論。
熱力學第二定律指出：自然界中的一切宏觀自發(fā)過程都具有不可逆性，熱量只能自發(fā)地從高溫物體流向低溫物體，物質(zhì)總是自動地從高密度區(qū)域擴散到低密度區(qū)域，而不是相反。要出現(xiàn)相反的過程，必須靠外來的作用，即這些過程的正過程和逆過程是不等價的。正過程可以自發(fā)進行，逆過程不能自發(fā)進行，即有一種時間方向性，也就是“時間之矢”。普里高津說：“我們正在越來越多地覺察到這樣的事實，即在所有層次上，從基本粒子到宇宙學，隨機性和不可逆性起著越來越大的作用。“對這種不可逆過程的研究，正是重新發(fā)現(xiàn)時間的關(guān)鍵。由于對時問觀念做了重大修正，出現(xiàn)了以耗散結(jié)構(gòu)為特征的有序性。自然界不再是僵死的，被動的，而可逆性與決定性只適用于有限情況。比如牛頓力學只描述了我們物理經(jīng)驗的一部分，它只適用于和我們自身尺度差不多的物體，其質(zhì)量用克或噸來量度，其速度遠小于光速。而不可逆性與隨機性則起著根本作用，自然界必然是一個進化的自然界，打破了傳統(tǒng)科學一些固有的概念：即認為時間是可逆的。普里高津講：經(jīng)典科學“為人們揭示了一個僵死的被動的自然，其行為就像一個自動機，一旦給它編好程序，它就按程序描述的規(guī)則不停地運行下去”。
當普里高津根據(jù)自己的科學實踐把熱力學第二定律放在科學史上予以重新考察時，他又發(fā)現(xiàn)從熱力學第二定律引出的結(jié)論與達爾文創(chuàng)立的生物進化論存在著尖銳的矛盾。因為，熱力學第二定律揭示了自然界普遍存在著可逆和不可逆兩種過程。它告訴人們：物質(zhì)的演化總是朝熵增加、向混亂的方向進行?？墒?，進化論則告訴我們：生物的進化總是由低級到高級，朝熵減少、向有序的方向進行。前者給出了“宇宙熱寂說”的結(jié)論，即退化的時間箭頭，而后者則與之相反，給出了進化的時間箭頭。
那么，自然界到底是往無序還是向有序的方向發(fā)展變化呢？這個帶有根本性的問題嚴峻地擺在物理學家面前。普里高津認為，要把熱力學和動力學，熱力學與生物學統(tǒng)一起來，就必須研究自然界中存在的遠離平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)、生物和生命現(xiàn)象，必須朝著更為普遍的熱力學理論方向發(fā)展。他堅信，在一定條件下，不可逆過程會產(chǎn)生令人討厭的消極作用，但在另一類條件下，對不可逆過程的研究可能會帶來理論和實踐上具有重大意義的結(jié)果。這個信念堅定以后，普里高津在認識上產(chǎn)生了重大飛躍，而這個飛躍則為他后來建立耗散結(jié)構(gòu)理論奠定了思想基礎(chǔ)。近三十年來，熱力學和統(tǒng)計物理學研究的前沿，進一步伸展到遠離平衡態(tài)的非線性區(qū)，在這里，人們又發(fā)現(xiàn)了在遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)中一些有序和無序之間轉(zhuǎn)化的普遍規(guī)律，從而推動了現(xiàn)代科學的又一次革命。這場革命正是從普里高津提出耗散結(jié)構(gòu)的理論開始的。
在挫折面前普利高津并未后退，他把系統(tǒng)在遠離平衡與平衡態(tài)和近平衡態(tài)做了原則區(qū)分，重新考察系統(tǒng)在遠離平衡態(tài)的情況。他的研究深入到遠離平衡態(tài)的熱力學，經(jīng)過二十年的奮斗，終于建立起來耗散結(jié)構(gòu)理論。按照耗散結(jié)構(gòu)理論，一個遠離平衡的開放系統(tǒng)，無論是力學的、物理的、化學的、生物學的，還是社會的、經(jīng)濟的系統(tǒng)，如果某系統(tǒng)不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件變化過渡到一定程度，系統(tǒng)內(nèi)部某個參量變化過渡到一個臨界值時，經(jīng)過漲落系統(tǒng)可能發(fā)生突變，即非平衡相變。那么，該系統(tǒng)將會由原來的混亂無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這樣耗散結(jié)構(gòu)理論就恰好彌補了熱力學和進化論之間的鴻溝。1967年，普里戈金首次在一次國際學術(shù)會議上發(fā)表了關(guān)于耗散結(jié)構(gòu)理論的研究成果。他認為，只有在非平衡系統(tǒng)中，在與外界有著物質(zhì)與能量的交換的情況下，系統(tǒng)內(nèi)各要素存在復(fù)雜的非線性相干效應(yīng)時才可能產(chǎn)生自組織現(xiàn)象，并且把這種條件下生成的自組織有序態(tài)稱之為耗散結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)必須是開放系統(tǒng)，必定同外界進行著物質(zhì)與能量的交換，處于遠離平衡的狀態(tài)。正是這項果使他獲得了諾貝爾化學獎。
耗散結(jié)構(gòu)理論和非平衡態(tài)熱力學的研究，不僅是重要的科學成果的進展，而且還昭示了一種新的自組織的發(fā)展觀。耗散結(jié)構(gòu)理論的出現(xiàn)對現(xiàn)代科學有著革命性的意義，這不僅僅是因為它把對熱力學的認識放到真實的普遍聯(lián)系的自然之中，更重要的是，它從另一方面揭示了自然界本質(zhì)的不對稱，顯而易見的事實為，自然秩序是普遍存在的，如果認為這些秩序必須產(chǎn)生于自然界的不平衡之中，那么，自然界只可能是在不平衡運動中存在的。十九世紀有兩大科學理論同自然界的演化有關(guān)，一方面是達爾文揭示的在生物界中從無序到有序，從低級秩序到高級秩序發(fā)展的趨勢；另一方面就是克勞修斯等揭示的物質(zhì)世界從有序向無序的退化，熱力學第二定律便是證明。這兩個定律看起來是矛盾重重的，但對于一個統(tǒng)一的物理世界而言，顯然不可能存在單獨適用于生物系統(tǒng)或非生物系統(tǒng)的規(guī)律，自然規(guī)律是普遍有效的。這就意謂著兩個演化規(guī)律有著某種必然聯(lián)系，很可能可以統(tǒng)一到一個理論之中。在這種思想指導(dǎo)下，科學家們不斷完善了已有的理論，更深刻地揭示了自然界有序和無序之間的統(tǒng)一性。在以往波爾茲曼對熱力學問題的研究中，曾斷言存在著某種形式的永恒。其實這種永恒就是有序和無序之間轉(zhuǎn)化的普遍規(guī)律。根據(jù)能量守恒定律，一個系統(tǒng)從不平衡走向平衡，能量是不可能消失的，但這種能量是以怎樣的形式存在的呢？系統(tǒng)又是怎樣保持整體上的一種平衡狀態(tài)呢？謹慎的觀察可知，在達到平衡態(tài)的系統(tǒng)中，能量是在更為微觀的物質(zhì)不平衡運動中存在的，具體地說，微觀的物質(zhì)是在不斷的周期組織與離散中存在的，不平衡不斷在微觀產(chǎn)生有序，不過這種序是不穩(wěn)定的，它馬上就會淪于無序，并釋放內(nèi)聚的能量重新在周圍產(chǎn)生不平衡，而這種不平衡又會使混沌的物質(zhì)重新產(chǎn)生有序，以此往復(fù)，能量便在這永恒的不平衡運動中存在下來，系統(tǒng)也就是在微觀這種永恒的不平衡的運動中保持整體的平衡態(tài)的。
在近代自然科學的發(fā)展過程中，人們習慣于把生物等價于生命，今天這種觀點隨著系統(tǒng)論的發(fā)展變得荒誕起來，因為系統(tǒng)論的研究顯示，生命是一種普遍的自然現(xiàn)象，它存在于組成宇宙的任何一個事物之中，不管是無序存在的混沌物質(zhì)，還是有序存在的物質(zhì)集合，它們都是有生命的，也都是在緊張地相互壓迫與反抗中存在的，生命的意義就在于反抗，反抗使一些物質(zhì)不斷組織起來一致對外，從而組成了一系列秩序存在的實體，同時，有限的反抗能力也使許多實體在周圍物質(zhì)的壓迫中不斷走向滅亡，能量就是對物質(zhì)的這種緊張作用的一種生動的描述。
混沌的物質(zhì)運動本身是不可觀察的，我們只能通過對一系列有序?qū)嶓w從產(chǎn)生到滅亡的過程來理解生命的本質(zhì)，因此，狹義上的生命僅僅是在反抗外在世界變化中秩序存在的實體。系統(tǒng)秩序的出現(xiàn)不是偶然的，它總是和它所反抗的外在世界的變化息息相關(guān)。首先是在系統(tǒng)產(chǎn)生的過程中，哪一個要素能夠被優(yōu)選出來成為統(tǒng)治者決定系統(tǒng)的性質(zhì)取決于最初的生成狀態(tài)，因為任意兩個要素都是在競爭中存在的，在其中一個要素與周圍眾多要素的競爭中，個體的力量是微不足道的，只有在它順應(yīng)了眾多要素的發(fā)展意志以后，它才有可能成為統(tǒng)治者并將自己的意志強加在每一個要素身上，從而出現(xiàn)系統(tǒng)的秩序。每一個系統(tǒng)都是在反抗外在世界變化中存在的，外在世界的力量是巨大的、不可抗拒的，因此，系統(tǒng)的存在與發(fā)展都是以順應(yīng)外在世界的變化并和整個世界融為一體為先決條件的。外在世界是在規(guī)律變化中存在的，系統(tǒng)也是在不斷順應(yīng)這種變化中存在，然而系統(tǒng)性質(zhì)卻隨著中心要素的相對穩(wěn)定而基本不變，這使得系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境變化有一定極限，一旦超過這個極限，系統(tǒng)就會隨著中心要素的改變而成為另一種性質(zhì)的系統(tǒng)，或者由于中心要素的不穩(wěn)定而進入混沌狀態(tài)。由于系統(tǒng)的發(fā)展過程是不對稱的，因此，系統(tǒng)淪于混沌時所釋放的能量并不會象熱力學第二定律所指出的那樣平均開來，相反，它的滅亡又會使另一個系統(tǒng)產(chǎn)生。從這種意義來看，有序都是以周圍物質(zhì)的無序為代價的，無序可以產(chǎn)生有序，有序也可以導(dǎo)致無序，關(guān)鍵在于物質(zhì)空間能量的流動。
封閉沒有發(fā)展，平衡也沒有發(fā)展，這是耗散結(jié)構(gòu)理論的基本結(jié)論。十九世紀的平衡態(tài)熱力學已經(jīng)告訴我們，一個孤立封閉的系統(tǒng)，只會自發(fā)地發(fā)生熵增，自發(fā)地走向崩潰瓦解。換言之，開放和非平衡是系統(tǒng)發(fā)展的必要前提。發(fā)展是通過漲落達到有序，自組織的機制就是通過漲落的有序，這是耗散結(jié)構(gòu)理論的又一個重要結(jié)論。漲落也被稱作起伏，通常被看作是噪聲、干擾。從系統(tǒng)的存在狀態(tài)上看，漲落是對系統(tǒng)的穩(wěn)定的平均的狀態(tài)的偏離；例如，人們的個子有高有低，也可以看作是對于平均身高的偏離。從系統(tǒng)的演化過程來看，漲落是系統(tǒng)同一發(fā)展演化過程之中的差異，也表現(xiàn)出發(fā)展成果中的不平衡。漲落普遍存在，只要是由大量子系統(tǒng)或要素組成的宏觀系統(tǒng)，其中就必定存在著一定的漲落。在傳統(tǒng)的思維中，漲落僅僅被看作某種不利于系統(tǒng)穩(wěn)定存在的因素，只被看作干擾、破壞性因素，是人們不希望的、討厭的東西。耗散結(jié)構(gòu)理論的重要發(fā)現(xiàn)是，漲落可以是系統(tǒng)的創(chuàng)新之源，漲落也可以是系統(tǒng)發(fā)展的建設(shè)性因素。在一定的條件下，當一定的漲落得到系統(tǒng)整體的響應(yīng)時，小的漲落就被放大成為引起系統(tǒng)整體進入新的有序態(tài)的巨漲落。星星之火，可以燎原，漲落就是燎原的火種。
發(fā)展并非一往直前，而是充滿著分叉和選擇。這也是耗散結(jié)構(gòu)理論新發(fā)現(xiàn)的重要組成部分。近代科學提供給世人的是一幅靜態(tài)的軌道圖景，只要前提條件給定了，事物的命運也就決定了，就將沿著一條軌道運行下去，而且還將可以沿著這條軌道折身返回。這樣的觀點，在十八世紀提出的著名的拉普拉斯決定論中得到了集中的體現(xiàn)，只要知道了事物的前提條件，就不止是“前知五百年”，還可以“預(yù)知五百年”乃至永遠?，F(xiàn)在，耗散結(jié)構(gòu)理論開始向我們表明，復(fù)雜系統(tǒng)的從存在到生成、從混沌之中涌現(xiàn)有序，是不可逆的充滿著不確定性的發(fā)展過程。我們置身于一個既非全然確定無疑的世界，也非置身于一個全然變化無常的世界，而是置身于一個決定論和非決定論在系統(tǒng)的發(fā)展中難分難解地聯(lián)系在一起的世界。
