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普 利 高 津----他的耗散结构理论和科学思想
作者：任殿雷
普利高津, 当代很有哲学头脑的科学家, 因创建耗散结构理论, 获1977年诺贝尔奖金, 而其科学思想则更体现着一种不同于经典的一种新科学传统(纲领．范式)。这里拟对他的耗散结构理论和科学思想作一简要介绍，同时谈一点由此产生的联想，供大家参考。
一．普利高津的耗散结构理论
１．问题的提出
十九世纪，由于生产的发展，特别是由于蒸汽机的广泛应用，为了提高热机的效率，热力学开始建立和发展起来。1842年到1843年，由迈尔．焦耳．赫尔姆霍茨等人建立了热力学第一定律。1850年到1851年汤姆生和克劳修斯建立了热力学第二定律从而奠定了热力学的理论基础。热力学第二定律同传统物理学不同，它指出了在一个不与外界发生物质和能量交换的孤立系统中无论其初始条件和历史如何，它的一个状态函数熵会随时间的推移单调地增加，直到达到热力学平衡态时趋于极大，从而指明了不可逆过程的方向性，即“时间箭头”只能指向熵增加的方向。熵增加原理第一次把演化的观念．历史的观念引入物理学。 “熵”概念的提出，是十九世纪科学思想的一个巨大贡献，它的意义完全可以和生物学中的“进化”概念相媲美，十九世纪的热力学和生物学都涉及到世界运动变化的方向，即\时间箭头\的问题。但是，这两门学科所提出的“时间箭头”的方向却截然不同。热力学第二定律说明的是一个孤立系统朝着均匀．无序．简单，趋向平衡态的方向演化。这实际上是一种退化的方向。克劳修斯把这一理论推广到全宇宙，就得出了“宇宙热寂说”的悲观结论。而生物学描述的却是系统从无序到有序，由简单到复杂，由低级到高级，由无功能到有功能．多功能的有组织的方向发展，这是一个进化的方向。在生物界和人类社会中这种进化的现象最为明显。于是产生了一个克劳修斯和达尔文的矛盾，退化和进化的矛盾，似乎生物界包括人类社会遵循着与物理世界完全不同的规律，有着迥然不同的演化方向。
热力学和生物学之间的这一矛盾，引起了许多科学家的广泛注意。当代著名物理学家威格纳(Wigner)曾经说：“近代科学中最重要的间隙的什么？显然是物理科学和精神科学的分离。”柯伊莱(A.Koyre) 则指出，牛顿用他的经典力学“把分隔天体和地球之间的壁垒推倒，并且把两者结合起来，统一成为一个整体的宇宙。”但是他却把“我们的世界一分为二”，即分成一个物理世界．量的世界；一个生物的世界．质的世界，于是形成了两个世界．两种科学．两类文化，两者之间存在着巨大的鸿沟。怎样把两者统一起来呢？能否用物理学的观点来全面地解释生命的特点及其进化的过程，使生物学成为研究生命系统的“物理科学”实现自然科学的大统一？普利高津正是在深入探讨这些问题的过程中逐步建立起耗散结构理论来的。
２．耗散结构理论的基本观点
列宁说过：“自然科学的成果是概念的。?”而从问题的提出到概念的形成，一般都要有一定的事实作依据。耗散结构概念的形成同样也不例外。
普利高津首先考察了不同系统在远离平衡态时的不可逆过程，发现这些过程与平衡或近平衡过程具有十分不同的图象。 著名的流体力学实验贝纳特(Benard)对流提供了一个远离平衡态的典型图象。一层流体，上下各与一恒温热源板接触，从底部加热，液体中形成温度梯度和热传导。不断加大上下温差，将系统推向远离平衡状态。当温度梯度达到一定的阈值时，系统就会突然由原来的热传导状态进入十分有组织的液体宏观流动态。从上面观察就会发现液体内出现十分规则的六角形对流元胞，形成一种稳定的有序的蜂窝状宏观结构。利用这种大规模的对流，系统加快了热从下向上的输运，加快了能量耗散。 激光是另一个远离平衡时形成宏观有序结构的典型。自然光和普通灯光是电子从高能位向低能位散乱跃跹的结果，其光波的频率．相位，方向都是无序的。激光则是以“光泵”输入能量，将内层电子人为地驱赶到外围高能位上，在达到一定的临界阈值时密集的高能电子便在瞬间向内层集体跃跹并产生同相震荡，从而获得了同一相位、方向和节律的单色光。同时，由于这种震荡是诸多电子同时发生的集体释能行为，因而此种情形下的光线便具有极高的能量、极好的方向性和极纯的单色性这样的激光。此时光场系统就处于一种非平衡的有序状态。
普利高津特别对化学中的贝洛索夫—札布金斯基(Belousov-habotinski)?反应作了深入的分析。丙二酸在催化剂铈的作用下被溴酸氧化。当外加物在一定浓度范围内，即离平衡条件较近时，在均匀边界条件下，生成物均匀混合地分布在整个容器内，呈现出对称性最强的无序状态。适当控制某些反应物或反应物浓度，使反应条件远离平衡，就能出现各种不同的宏观协作现象。在一定条件下会出现浓度随时间周期性改变的化学振荡，周期为30秒可持续50分钟。在另一些条件下，浓度会呈现空间不均匀分布，形成一种空间结构，或者两者兼而有之，呈现空－时结构，即化学波。其他一些化学振荡反应也有类似的特性。 生物是一种远离平衡的高度有序的结构，要不断与外界进行物质和能量的交换即新陈代谢才能维持生命。即使是一个单细胞生物，其代谢功能也包括几千个耦合的化学反应，其中每一步反应被一种特殊的酶所催化，具有非常巧妙的配位和调节机制。 从上面一些现象中，普利高津发现在力学．物理学。化学和生物化学的不可逆现象中，确实也存在着与生物进化类似的第二类的演化方式，存在着从简单到复杂，从无序到有序，从对称到对称破缺的进化。 普利高津通过从平衡态到近平衡态再到远离平衡态的研究，而后发现，在一个开放系统中，在从平衡态到近平衡态再到远离平衡态推进的过程中，当到达远离平衡态的非线性区时，一旦系统的某个参量变化达到一定的阈值，通过涨落，系统就可能发生突变，即非平衡相变，由原来的无序的混乱状态转变为一种时间．空间或功能有序的新的状态。这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性，且不因外界微小的扰动而消失。这种远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观的有序结构，普利高津称之为耗散结构。系统这种能够自行产生的组织性和相干性，称为自组织现象。因此普利高津又把它称之为非平衡系统的自组织理论。 耗散结构的概念是对比平衡结构建立起来的。普利高津在第一篇论述耗散结构的论文中就指出了两者的区别。他说：“平衡结构不进行任何能量或物质的交换就能维持。晶体是平衡结构的典型。?薄胺粗纳⒔峁怪挥型ü胪饨缃换荒芰?在某些情况下也交换物质) 才能维持。
普利高津指出，形成耗散结构至少需要以下四个条件。 第一．系统必须是一个开放系统。
根据热力学第二定律,? 一个孤立系统的熵自发地趋于极大，随着熵的增加，非平衡总是趋于平衡态，有序状态会逐步变为无序状态。而对于开放系统来说，熵(Ｓ)的变化则可以分为两部分，?一部分是系统本身由于不可逆过程（例如热传导．扩散．化学反应等）引起的熵的增加，即熵产生（ｄｉｓ），这一项永远是正的；另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的熵流（ｄｅｓ），这一项可正可负，整个系统熵的变化ｄｓ就是这两项之和： ｄｓ＝ｄｅｓ＋ｄｉｓ
根据熵增加原理，ｄｉｓ>=0(平衡态dis=0)而des 可以大于或小于零。如果ｄｅｓ小于零，其绝对值又大于dis,则 ｄｓ＝ｄｅｓ＋ｄｉｓ〈０
这表明只要从外界流入的负熵流足够大，就可以抵消系统自身的熵产生，使系统的总熵减少，逐步从无序向新的有序方向发展，形成并维持一个低熵的非平衡态的有序结构。这样，普利高津在不违反热力学第二定律的条件下，通过引入负熵流来抵消熵产生，说明了开放系统可能从混沌无序状态向新的有序状态转化，从而解决了克劳修斯和达尔文的矛盾，回答了科学上这个似是而非的问题。他把热力学和进化论统一起来，把物理世界的规律和生物世界的规律统一起来，为用物理学．化学方法研究生物学开辟了道路。
显然，开放系统仅仅是产生耗散结构的一个必要条件而不是充分条件。如果开放系统从外界引入的是正熵流而不是负熵流，那末将只能加快系统无序化的过程，而不可能形成新的有序结构。 第二．系统应当远离平衡态。
普利高津根据最小熵产生原理指出，不仅系统在平衡态时自发趋势是趋于无序，在近平衡线性区时的系统，即使有负熵流的流入，也不能形成新的有序结构，而只能是逐步趋于平衡，导致有序性的破坏。系统只有远离时才具有新的规律性，才有可能形成新的有序结构。只有在远离平衡的条件下，系统才可能在不与热力学第二定律发生冲突的条件下向有序．有组织．多功能方向进化。因此，他提出了“非平衡是有序之源”的著名论断。
第三．系统内部各要素之间存在非线性的相互作用。普利高津说：对于形成耗散结构所必须的另一个基本特性是在系统的各元素之间的相互作用存在着一种非线性的机制。”这种相互作用使各个要素之间产生相干效应和协调动作。加外，由于各要素之间的关系是非线性的，因此，只能用非线性方程来描述运动状态。非线性方程必然存在多个解，其中有些解是稳定的，有的解是不稳定的，从而使系统演化发展可能出现几种不同的结果，这就产生了进化的多样性和复杂性。这里的数学工具主要是非线性方程的分支理论。
第四．系统从无序向有序演化是通过随机的涨落来实现的。涨落在不同条件下起着不同的作用。对于处在近平衡区的系统，涨落引起了在相空间中系统运动轨道的混乱，将导致无序。而对于远离平衡区的系统来说，涨落却成了促使系统从不稳定的定态跃迁到一个新的稳定的有序结构的因素，是形成耗散结构的杠杆。普利高津说：“令人惊奇的是，同样的过程在接近平衡时导致结构的破坏，而远离平衡时却可能导致结构出现”通过涨落导致有序，是耗散结构的另一个重要结论。
３．耗散结构理论的实际应用
耗散结构理论在各自然科学和社会经济各个领域的研究中都得到广泛的应用。
生命起源是一个极其复杂的问题。蛋白质是构成生物的基本成分，它的聚合物大分子链是由许许多多小单元高度有规律的组织起来的.?各类单元有特定的功能并处于特定的部位.生物体内这种高度的组织性如果发生一点混乱都将引起严重后果。我们可以把这种特定的排列作为这些集合体的各种可能排列的一种，假如各种排列的概率相同，那么这种特定排列出现的概率几乎等于零只有经过宇宙年令那样长的时间才会出现一次。这就是法国生物学家莫诺(Monon) 为什么说生命的产生是绝无仅有的偶然事件的原因。普利高津等人运用耗散结构理论来讨论时指出，这种生物大分子链的出现并不仅仅是概率的结果，而是在远离平衡态的条件下，系统内部的自我组织，协调一致产生的。因此它是地球长期演化的必然产物,?而并不是纯粹的偶然事件。因此，可以看到，耗散结构理论的发展， ?对研究生命起源这样基本理论 问题将会起重要作用。 普利高津认为城市也是一种耗散结构，?城市每天要输入食品原料．燃料，同时要输出产品和废物，这样才可能生存下去，保持一定有序状态，否则就会趋于混乱乃至消亡。布鲁塞尔学派不少人用耗散结构理论研究城市的演化，交通运输的发展等社会经济系统问题并取得成果。 ２．从简单性到复杂性
从热力学到耗散结构理论，到自组织理论的发展，引起了科学概念的又一重大变革，从简单性到复杂性的转变。
简单和复杂，是对立的统一。但科学的发展，似乎一直在追求简单性。“自然界喜欢简单化”，牛顿的这一名言，构成科学发展的基本信念。十七世纪以来近代自然科学的发展，强调在实验的基础上分析和解剖，把复杂的系统分解为简单的要素来研究，简单性原则成了科学研究的重要方法论原则，并且正是由此取得了巨大的成功。于是就更加强了这一信念：自然具有简单性。直到爱因斯坦，对简单性的追求仍然有增无减。爱因斯坦说：“自然规律的简单性也是一种客观事实，而且正确的概念体系必须使这种简单性的主观方面和客观方面保持平衡。”简单性原则对今天的科学研究具有重大意义。
然而，片面强调事物简单性方面，忽视．否认事物的复杂性就会导致简单化倾向。普利高津反复批评了这种简单化观点。他指出，简单性概念在历史上曾经是西方科学的一个推动力，但这种简单性概念，今天却很难再维持下去了。２０世纪以来的现代科学的研究，无论向哪里看去，遇到的却是自然界的不可约化的复杂性。牛顿力学的研究对象的确是相当简单的，可以建立某种简单性模型。可是一当超出了理想化条件，其复杂性就日趋明显例如天体力学中的二体问题是比较简单的，三体问题就很复杂，很难求出精确解。多体问题就更复杂了。物理－化学系统同生物系统相比，组织程度是比较低的，但在一定条件下，如耗散结构协同学等自组织理论告诉我们的，物理－化学系统也可以通过自组织过程产生复杂性。生命体无疑是复杂的，但它也可以分解为分子，一切物体似乎都可以分解成微观粒子，而微观世界常被认为是简单的。然而，现代物理学的发展告诉我们，基本粒子既有产生的过程也有衰变过程，并且有复杂性。“微观世界简单性”的古老格言再也不能适用了。
更为重要的还不在于微观世界也是复杂的，而是在于一个复杂的系统不能看作是许多小单元的线性组合。普利高津指出，把复杂的系统归之于简单要素的机械组合，这相当于把一座大楼归结为砖头的堆砌，但是用同样一些砖头，我们可以建造工厂，也可以修筑宫殿和教堂。在整个建筑物水平上，我们看到了整体性和复杂性。系统论一条重要的原理就是整体不是部分的简单
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