盡管耗散結(jié)構(gòu)理論從上個(gè)世紀(jì)中葉就已經(jīng)形成，但從這門科學(xué)所面臨的問題的復(fù)雜性來說，它還僅僅是揭開了復(fù)雜科學(xué)的序幕，與這座宏偉大廈的完成還有相當(dāng)遙遠(yuǎn)的距離。目前，對(duì)這門科學(xué)的研究主要沿著以下三個(gè)方向進(jìn)行：
1． 對(duì)耗散結(jié)構(gòu)形成的條件進(jìn)行研究，包括對(duì)各種不同的對(duì)象建立數(shù)學(xué)物理模型，力爭獲得解析解；
2． 對(duì)突變過程進(jìn)行研究。在傳統(tǒng)的觀念中，突變過程是完全隨機(jī)的，無法進(jìn)行定量的研究。自從耗散結(jié)構(gòu)理論發(fā)現(xiàn)以來，人們對(duì)突變現(xiàn)象做了大量的研究，人們發(fā)現(xiàn)，突變過程并不是不能夠定量研究的，而且取得了許多重大的科學(xué)成果，以至于形成了一門專門的科學(xué)——突變論。
3． 對(duì)耗散結(jié)構(gòu)理論的延伸——使之進(jìn)入生物科學(xué)、歷史科學(xué)、宇宙科學(xué)和哲學(xué)領(lǐng)域等。
從深度和廣度來看，幾乎可以說沒有任何一門科學(xué)理論能夠像耗散結(jié)構(gòu)理論那樣跨越了如此多的學(xué)科，并從研究對(duì)象的起源到無窮的演化過程進(jìn)行研究。因此，我們這里也只能夠?qū)@一理論的做概括性的介紹。
?。ㄒ唬?耗散結(jié)構(gòu)的形成
1． 遠(yuǎn)離平衡是耗散結(jié)構(gòu)形成的必要條件
經(jīng)典熱力學(xué)已經(jīng)證明，任何孤立系統(tǒng)，即，不消耗能量的系統(tǒng)最終必然走向平衡態(tài)，從而使熵達(dá)到最大值。這就是我們通常所說的“死亡”狀態(tài)。
普里高津的重要貢獻(xiàn)在于，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡的條件下，原有的平衡態(tài)將失去穩(wěn)定性，一些漲落通過耦合作用而被放大，而使系統(tǒng)形成一種新的有序結(jié)構(gòu)，即，耗散結(jié)構(gòu)。形成耗散結(jié)構(gòu)的必要條件是系統(tǒng)必須遠(yuǎn)離平衡態(tài)，即，必須通過外界向它供給能量才能夠形成和維持這種結(jié)構(gòu)有序。
系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡是出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)的必要條件，但不是充分條件。即是說，使系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡還僅僅出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)的一種可能性，而不是充分條件。正因?yàn)楹纳⒔Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)還有很多其它限制條件，因此，甚至有不少哲學(xué)家把生命的出現(xiàn)看成一種偶然事件。
2． 分支
耗散結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上講就是系統(tǒng)從一種狀態(tài)，通過分支，即，通過“突變”而進(jìn)入另一個(gè)有序狀態(tài)。因此，研究系統(tǒng)的分支現(xiàn)象就非常重要。
由于進(jìn)化系統(tǒng)首先必須是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，即是說系統(tǒng)內(nèi)部有非常多的子系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體變化往往是從局部變化開始的，這就是我們通常所說的量變過程。但對(duì)于這種量變過程，對(duì)局部來說它又是突變。
無論是對(duì)子系統(tǒng)或是對(duì)整體系統(tǒng)來說，耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)都必須首先經(jīng)歷一個(gè)線性區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)成線性變化，并且是穩(wěn)定的。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)一步遠(yuǎn)離平衡，即，增加開放度的時(shí)候，系統(tǒng)的控制方程除了熱力學(xué)方程以外，還必須加入動(dòng)力學(xué)方程。這時(shí)，系統(tǒng)將由一組熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)非線性微分方程組控制。
在一個(gè)龐大的復(fù)雜體系中，當(dāng)系統(tǒng)越過穩(wěn)定區(qū)以后，其中的一些子系統(tǒng)開始變得不穩(wěn)定，即是系統(tǒng)將出現(xiàn)分支現(xiàn)象。如圖1所示：我們要指出的是，系統(tǒng)的分叉有很多種形式，如，穩(wěn)定分支、不穩(wěn)定分支、單穩(wěn)定分支和極限環(huán)型分支等。隨著開放度的進(jìn)一步增加，系統(tǒng)還會(huì)出現(xiàn)高級(jí)分支現(xiàn)象，如圖2所示：系統(tǒng)的分支，意味著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。達(dá)爾文的生物“生長樹”揭示了生物在生長過程中的分支現(xiàn)象。比如，古猿的分支結(jié)果就“生長”出現(xiàn)代的“猿”和“人”；生命的進(jìn)化也是通過不斷的分支，使得生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜；社會(huì)的分支也使得原始的單一結(jié)構(gòu)演化到現(xiàn)代的異常復(fù)雜的社會(huì)結(jié)構(gòu)。
3． 漲落——進(jìn)化運(yùn)動(dòng)的革命性因素
在傳統(tǒng)的觀念中，各種隨機(jī)因素總是微不足道的，“細(xì)浪”不可能掀翻大船。然而，近代科學(xué)卻恰恰證明，正是這些“微不足道”的隨機(jī)因素（漲落）才是系統(tǒng)進(jìn)化的真正的革命性力量。
盡管系統(tǒng)出現(xiàn)了不穩(wěn)定，它將出現(xiàn)分支，如果沒有漲落的出現(xiàn)，這種分支也會(huì)變得很單調(diào)，甚至無法進(jìn)行。所謂的漲落就是一種隨機(jī)的擾動(dòng)。并且這些漲落不僅大小無法確定，而且它的結(jié)構(gòu)和特性也異常的復(fù)雜，幾乎是不可決定的。比如，戰(zhàn)爭中的天氣，大氣運(yùn)動(dòng)中的各種溫度擾動(dòng)，人們頭腦中各種無時(shí)不存在的“奇怪”念頭等等都是漲落。
在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，這些擾動(dòng)的確是“微不足道”的，它的出現(xiàn)很快就會(huì)被系統(tǒng)所消滅，這就是不對(duì)它引起重視的根本原因所在。
但是當(dāng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的時(shí)候，漲落再也不是微不足道的了。它的行為甚至將在結(jié)構(gòu)變化中起到?jīng)Q定性的作用。為了清楚說明漲落的革命性貢獻(xiàn)，我們可以用下圖來予以說明： 圖3.漲落的餓革命性貢獻(xiàn)圖示在圖3中當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到不穩(wěn)定點(diǎn)C點(diǎn)時(shí)，隨機(jī)擾動(dòng)的性質(zhì)幾乎完全可以決定小球是向A分支，或是向B分支運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，在復(fù)雜系統(tǒng)中，系統(tǒng)究竟是向A分支，或是向B分支運(yùn)動(dòng)，它將取決于原始的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和漲落性質(zhì)的綜合影響。用歷史的觀點(diǎn)來說，就是歷史的走向是由歷史本身和隨機(jī)因素共同決定的。
4． 競爭機(jī)制的作用
當(dāng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的時(shí)候，它的子系統(tǒng)就像“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”一樣將大量出現(xiàn)分支結(jié)構(gòu)，從而使系統(tǒng)越來越復(fù)雜，這就是我們通?？吹降谋ìF(xiàn)象。由于系統(tǒng)大量的復(fù)制子結(jié)構(gòu)，當(dāng)它達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候競爭機(jī)制就將起作用。通過這種競爭，最后保留一個(gè)“最適合生存”的結(jié)構(gòu)。
進(jìn)化系統(tǒng)選擇的本質(zhì)是系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡的條件下所發(fā)生的耦合作。即，通過系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜因素共同加強(qiáng)或削弱某些子系統(tǒng)，以加速它們的成長或者消亡。普里高津經(jīng)過計(jì)算，如果沒有這種競爭的耦合作用，生命的出現(xiàn)將還需要幾萬萬萬億年，幾乎是整個(gè)宇宙年齡的數(shù)萬萬萬倍。
當(dāng)生命出現(xiàn)以后，大約在4至5億年左右，便出現(xiàn)了大規(guī)模的“生物大爆炸”。即是說當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了大量的生物物種。如果說生命在起源過程中我們未能親眼看見生命物質(zhì)的大爆炸，而缺乏物質(zhì)證據(jù)的話，那么生物大爆炸則可以提供實(shí)物證據(jù)。近年來，我國在許多地方都發(fā)現(xiàn)了大量的古生物化石，其中在重慶巫溪縣就發(fā)現(xiàn)了大量的在四億五千萬年左右海洋生物化石。在這些化石中可以清楚的看到在那個(gè)時(shí)代已經(jīng)出現(xiàn)了堆積如山的海洋生物。達(dá)爾文早就證明，今天的生物正是古代生物通過競爭淘汰機(jī)制而留下的“優(yōu)良”品種。
5． 巨漲落的出現(xiàn)——完成從混沌到有序的突變
如果僅僅是單個(gè)的子系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性，系統(tǒng)還不會(huì)發(fā)生根本性的變化。然而，對(duì)于一個(gè)處于遠(yuǎn)離平衡的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中將會(huì)出現(xiàn)耦合作用，即，一系列復(fù)雜因素將共同加強(qiáng)某些漲落，使之得到放大。對(duì)于這些放大了的漲落，再也不是像平衡態(tài)那樣的“微不足道”的因素了，而是具有了較大的宏觀規(guī)模。
然而，在復(fù)雜系統(tǒng)中復(fù)雜因素并不是只對(duì)某一個(gè)漲落進(jìn)行加強(qiáng)，而是對(duì)多個(gè)漲落都同時(shí)得到了加強(qiáng)，使它們具有了一定的宏觀尺度。而這些得到加強(qiáng)的漲落具有非常獨(dú)特的性質(zhì)，它的運(yùn)動(dòng)是完全隨機(jī)的，不可預(yù)測(cè)的。因此，整個(gè)系統(tǒng)所處于的狀態(tài)也是混亂的，無法預(yù)測(cè)的。我們通常把這樣的狀態(tài)叫做混沌態(tài)。
混沌態(tài)與平衡態(tài)的區(qū)別在于，混沌態(tài)是具有宏觀尺度的漲落之間的“混亂”，而平衡態(tài)則是分子水平上的“微觀”混亂?；煦鐟B(tài)是具有生命跡象，如生命中的蛋白質(zhì)、核糖核酸，戰(zhàn)爭中的各個(gè)大的集團(tuán)之間的混亂；而平衡態(tài)則完全是無生命力的，“死”的混亂。
對(duì)于漲落的運(yùn)動(dòng)特性也并不是完全不知的，任何事物都是在“可知”與“不可知”之間徘徊的。對(duì)漲落的認(rèn)識(shí)也是如此，并且隨著科學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)逐步深入到漲落的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中去了。
在一定意義上，混沌態(tài)也是一種吸引子。它具有非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的維數(shù)甚至可以是非整數(shù)；它的運(yùn)動(dòng)對(duì)初始條件異常敏感，只要有十分微小的變化，它的運(yùn)動(dòng)特性就會(huì)發(fā)生巨大變化。曾經(jīng)有這樣的報(bào)告，在一定條件下，在印度的上空的一只麻雀的擾動(dòng)就有可能導(dǎo)致遠(yuǎn)在太平洋彼岸的美國出現(xiàn)一次巨大的風(fēng)暴！正是由于混沌態(tài)中的吸引子有如此古怪的特性，科學(xué)家們通常把它稱為“奇怪吸引子”（strange attractor）。
盡管奇怪吸引子有如此古怪的、琢磨不透的特性，混沌態(tài)的發(fā)展總是圍繞這些“奇怪中心”來運(yùn)動(dòng)的。比如，在世界大戰(zhàn)中，或者古代朝代更迭中，戰(zhàn)爭場(chǎng)面總是千變?nèi)f化的，但戰(zhàn)爭的走向總在這些集團(tuán)之間交替進(jìn)行著。隨著演化過程的逐步發(fā)展，這些奇怪吸引子逐步被更大的吸引子所代替，最終形成一個(gè)巨大的吸引子。這個(gè)吸引子就是通過一個(gè)“微不足道”的漲落逐步演化形成的“巨漲落”。
很顯然，巨漲落完全是一個(gè)新的結(jié)構(gòu)，它已經(jīng)取代了原有的結(jié)構(gòu)。這個(gè)新的餓結(jié)構(gòu)就是耗散結(jié)構(gòu)。因此，普里高津把這種從混沌到有序的過程稱之為“通過漲落的有序”。而毛澤東則用詩一樣的語言成之為“星星之火可以燎原”。
從這里我們可以看到，整個(gè)突變過程，首先是由于系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定，從而出現(xiàn)大量的分支結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)進(jìn)入混沌態(tài)。然后，隨著進(jìn)一步開放，系統(tǒng)通過“漲落的有序”，形成新的巨漲落而取代原來的結(jié)構(gòu)。這個(gè)新的結(jié)構(gòu)是比原有結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但更有序的高級(jí)結(jié)構(gòu)。
我國著名物理學(xué)家郝柏林從物理學(xué)的角度對(duì)分支、混沌和奇怪吸引子的特性做了深入研究，如圖4.所示。從該圖中可以清楚的看到系統(tǒng)從平衡態(tài)，或低級(jí)有序結(jié)構(gòu)通過分支，進(jìn)入混沌態(tài)，最后又通過“漲落有序”形成新的，高級(jí)的有序結(jié)構(gòu)的全過程。
對(duì)于生命系統(tǒng)來說，它已經(jīng)演化了幾十億年了，即使對(duì)生物系統(tǒng)也演化了幾億年，已經(jīng)進(jìn)入了相對(duì)穩(wěn)定的階段，我們已經(jīng)無法看到從平衡態(tài)到有序的突變過程。但對(duì)人類社會(huì)系統(tǒng)來說才演化了幾千年，尤其重要的是，我們目前正處在一個(gè)歷史巨變的時(shí)期。因此，我們可以看到大量的突變現(xiàn)象。圖5就是我國正在進(jìn)行的從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)到市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的突變過程的真實(shí)記錄。從圖中完全可以看到我國的經(jīng)濟(jì)體系從分支，到混沌再到新的有序的過程。圖5.我國經(jīng)濟(jì)體制改革的過程圖
6． 高級(jí)系統(tǒng)的無限演化
我們目前在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的耗散結(jié)構(gòu)是很低級(jí)的耗散結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)我們的開放度進(jìn)一步加大時(shí)，它不是進(jìn)入更高級(jí)的有序狀態(tài)，而是進(jìn)入耗散更大的混沌狀態(tài)。但對(duì)于生命系統(tǒng)、生物系統(tǒng)和人類社會(huì)系統(tǒng)，在它的形成過程中都經(jīng)歷了漫長的，開放度逐步增大的演化過程。即是說這些高級(jí)的進(jìn)化系統(tǒng)都經(jīng)歷了無數(shù)個(gè)階段的演化。普里高津把這個(gè)演化過程描述為；這個(gè)圖示說明，當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)，并達(dá)到一定閾值的時(shí)候，系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性。然后“通過漲落的有序”形成耗散結(jié)構(gòu)。由于這個(gè)新的 結(jié)構(gòu)是在更加遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)。因此，它需要消耗更多的能量，即增加耗散。這個(gè)新增加的耗散又確定了一個(gè)更高的閾值，也即確定了發(fā)生下一個(gè)結(jié)構(gòu)飛躍所需的能量耗散。依次逐步演化，系統(tǒng)便從一個(gè)階段到另一個(gè)階段運(yùn)動(dòng)，進(jìn)化系統(tǒng)也逐步從低級(jí)到高級(jí)逐步發(fā)展。
我們應(yīng)當(dāng)注意到，進(jìn)化系統(tǒng)的演化過程總是與環(huán)境狀態(tài)緊密相連的。也即是說，當(dāng)環(huán)境不變，系統(tǒng)內(nèi)部完全與環(huán)境狀態(tài)相適應(yīng)的時(shí)候，系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。比如，我們的地球環(huán)境在最近幾千萬年內(nèi)并沒有教大的改變，因此，這一時(shí)期的生物特征也沒有太大的變化。
而我們的文化狀態(tài)就與生物的情況有很大的不同。因?yàn)槲覀兊纳鐣?huì)系統(tǒng)才僅僅有幾千年的歷史，因此，我們的社會(huì)結(jié)構(gòu)與環(huán)境系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到完全適應(yīng)的狀態(tài)。社會(huì)消耗的能量也在不斷的、迅速的增加，社會(huì)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜和越來越有序。我們完全可以預(yù)見，如果僅僅在地球范圍內(nèi)，我們的社會(huì)結(jié)構(gòu)最終會(huì)形成一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。
但是，人與動(dòng)物所不同的是，人可以改變他們的生存環(huán)境，從而獲得新的動(dòng)力。一個(gè)最明顯的例子是，人們不斷的向外層空間發(fā)展。盡在目前階段，人們就已經(jīng)直接觸及到了月球和火星。完全可以預(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們還會(huì)觸及到更加遙遠(yuǎn)的空間。因此，人類社會(huì)的演化將比生物系統(tǒng)的演化要寬廣得多。
毫無疑問，耗散結(jié)構(gòu)理論已經(jīng)把我們帶到了一個(gè)無限廣闊的思維空間，揭開了關(guān)于我們自己的身體，社會(huì)和宇宙演化的序幕。普里高津認(rèn)為這一整套理論，是理解進(jìn)化運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵所在。
