科学认识史中的耗散结构论，本文主要内容关键词为：结构论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
本世纪60年代末以来，科学家们在系统演化方面的研究取得了一系列重大突破，其中最为显赫的成果之一就是以I.普里戈金为首的布鲁塞尔学派所提出的耗散结构论(the theory of dissipative structures)。耗散结构论的创立，不仅有力地推动了系统理论本身的研究，而且还极大地丰富了人们对科学与哲学中许多重要问题的认识，从而在20世纪的科学认识史上写下了引人瞩目的一页。
一、对物理学前沿的重新认识
耗散结构论作为一种崭新的关于开放系统自组织的理论，它通过I.普金戈金所言的“物理学的重新概念化”或“科学概念的重新概念化”，揭示了系统从存在到演化之路，使物理学以及整个科学研究的格局发生了具有革命性意义的重大变化。
本世纪70年代前，人们普遍认为，物理学的前沿只有两个方向：一是宇宙学或宇宙物理学，它研究宇宙或宇观世界中的时空特性和物质演变，如宇宙大爆炸问题。二是粒子物理学，它研究微观粒子或微观世界中的物质结构及相互作用，如粒子的所谓“颜色”和“味道”问题。而在人的生存所直接依赖的宏观世界中，物质运动和变化的基本问题和基本定律似乎已弄得一清二楚了。然而，正是在这个宏观世界中，人们一再发现了一类具有共同本质的复杂现象，如流体力学中的“贝纳德不稳定性”，以及化学中的“B—Z反应”等。它们表明，在没有来自外界任何特定信息或“指令”的情况下，物理系统、化学系统等非生命系统可以从宏观上较为简单的状态自发地较变成较为复杂的状态，即系统的构成要素能够自发地组织起来，形成宏观上的一致行动，从时空上无序的结构演化出时空上有序的结构。令人困惑的是，对于这种与生物体或生命系统进步过程十分相似的系统自组织现象，人们所熟知的物理学理论却根本不能作出解释。由于研究宏观世界中物质运动和变化规律的一门主要学科就是热力学，如果说演化和自组织问题对科学提出了新的挑战，那么热力学就首当其冲，成为这一挑战所指的直接对象。
与自然科学中的其它学科相比，热力学具有一个显著的特点——普适性。“热”现象本身就是由构成物质系统的大量微观粒子（如分子）集体运动的表现，因而以探讨热现象规律为己任的热力学所关注的对象仅在于由大量粒子组成的系统即热力学系统的宏观性质，也就是系统内部大量粒子运动的总体平均行为，如温度、压强等宏观物理量，而不论作为系统构成要素的粒子本身的性质如何，也不论其中每一个粒子作为个体的运动和变化遵循着什么样的力学规律。显然，热力学从一开始就在研究思路和方法上与近代以来形成的那种将研究对象和范围不断细分的科学传统分道扬镳了，A.S.爱丁顿对此评论道，“从科学的哲学的观点来看，与熵相联系的概念应被列为十九世纪对科学思想的巨大贡献。它标志着一种反动，即对那种认为科学必须注意的每件事都是通过对客体的微观剖析而发现的观点的反动。”[1]正因为热力学是在少数几个一般原理和假设的基础上，形成了一套科学的理论，使之可以应用于各种物质构成的宏观系统，所以，它具有超出物理学领域而向化学、生物学等自然科学甚至社会科学领域转移或渗透的趋势。本世纪80年代初，美国的J.里夫金和T.霍华得两人发表了一部阐扬其社会经济文化观点的著作，即《熵——一种新的世界观》，这本书的问世，为热力学带来了更大的社会知名度。
热力学的理论基础在于能量转化过程中的两条基本定律——热力学第一定律和第二定律。热力学第一定律虽表明在每一过程中能量都是守恒的，但它并未说明凡能量守恒的过程是否在实际上都可能发生。而“熵”概念的提出，为讨论在能量守恒条件下各种过程发生的可能性开辟了道路。熵S作为一个反映系统内部特征的热力学量或状态函数，其变化dS可以看作是由两种因素造成的，其一为系统内部的不可逆过程（如热传导、化学反应等）所引起的熵产生diS，其二为系统与外部环境间物质和能量交换过程所引起的熵流deS，于是有ds=diS+deS，式中右边第一项diS永不会是负的，即diS≥0，这正是热力学第二定律的一般表达式，而右边第二项deS却没有确定的符号。对于孤立系统而言，deS=0，这时dS=diS≥0，根据这个熵增加原理，任何自发过程或不可逆过程都只能向熵增加的方向进行，结果系统进入平衡态，它的熵达到极大值。这就告诉我们，任何一个实际发生的过程仅仅与热力学第一定律不相矛盾是不够的，它还不能违反热力学第二定律。
熵反映了系统宏观过程进行的方向，因此它将“时间之矢”引入物理学，并为物理学增加了一个前所未有的表征“演化”的指标。从本质上看，熵反映了一个系统的混乱程度：熵越大，系统的混乱程度就越大；熵越小，系统的混乱程度就越小。因而热力学第二定律意味着，一切自发过程或不可逆过程都是使系统从一种几率小的状态变为一种几率大的状态，即只能向混乱程度增大的方向进行。在平衡态，熵达到极大值，这表明平衡态是最混乱的状态，也是实现概率最大的状态。一个孤立系统，无论它在开始时处于何种状态，最终都将趋于一个无序的平衡态，即热力学几率最大的均匀状态。
对于热力学第二定律，人们发现它并没有解决另一个非常重要的问题，即系统如何从混乱程度较高的无序状态转变为混乱程度较低的有序状态。系统演化或自组织过程并不违反热力学第二定律，但热力学第二定律却不能对系统演化或自组织过程作出任何说明。在另一方面，玻尔茨曼有序原理虽然提供了支配各种平衡态条件下有序结构的基本原则，却也无法解释非平衡态条件下的系统演化及自组织现象。这就是为什么说热力学乃至整个科学面临严重挑战的原因所在。显然，这种挑战使人们不得不重新认识物理学前沿领域的构成，不得不在物理学前沿领域原有的两个方向之外再增加第三个方向——宏观世界中的系统演化和自组织问题。正是沿着这第三个方向的推进，形成了耗散结构论等系统自组织理论。由此，物理学的外延被大大地拓展了，而系统思想和系统哲学的内涵也变得更加丰富了。
二、对远离平衡态的深入探索
人们对平衡态条件下的热力学过程早已有相当全面和深入的研究，其成果就是平衡态热力学或经典热力学。作为一位物理化学家，I.普里戈金的工作始于近平衡态——一种接近于平衡态的非平衡态条件下的热力学研究。研究非平衡态条件下的热力学过程时，首先遇到的困难就是如何描述系统的热力学状态。因为在经典热力学中，用于描述系统的热力学量或状态函数，如熵S等，都是通过平衡态定义的，显然它们不能被直接推广到非平衡态的情况。为了确定在非平衡态条件下能够描述系统状态的热力学量，I.普里戈金引入所谓局域平衡假设，使经典热力学的成果可以推广到非平衡态热力学中，于是这个假设构成了非平衡态热力学的基本出发点。
人们也许知道，要使系统的熵不增加，也就是使系统不变得更加混乱，那就要让dS为零，即dS=diS+deS=0，或diS=-deS，此时的熵流为负值，故称负熵流。这就意味着只要有足够的负熵流进入系统，系统就可以维持有序的结构而不趋向混乱；如果再继续增大负熵流，dS便会小于零，这样系统就变得更有序、更有组织了。如此一番分析仿佛把系统生成有序结构的问题轻而易举地加以解决了，其实不然。因为这种讨论虽很有启发意义，但它毕竟是笼统的、空泛的，它并没有针对具体的系统和过程，人们并不清楚熵产生、熵流究竟代表什么，负熵流到底能不能乱过熵产生也不得而知，所以对系统最终要朝什么方向演化也就无从作出明确的判断了。这样就提出一个要求：必须使用精密的数学语言，在局域平衡假设的基础上，根据热力学定律和被处理系统的具体特征，建立描述该系统状态的各热力学量之间的平衡方程，如熵平衡方程等。这些方程一般是偏微分方程组，它们的解反映了被研究系统的状态，解的变化就代表了相应系统状态的变化，即系统的具体过程。
需要注意的是，对于已经建立的系统状态方程，一个关键性的工作在于先判断解的稳定性。如果解是稳定的，则系统处于稳定状态，这时系统没有发生演化的可能。如果解是不稳定的，则系统处于不稳定的状态，而只有不稳定的系统才有可能发生变化——从原有的旧状态进入到一个未来的新状态。倘若这个新状态的无序或混乱程度比旧状态要低，那么系统就朝有序的方向演化了。怎样判断系统状态方程解的稳定性呢？幸好，关于微分方程解的稳定性问题，已经有了比较成熟的理论——李雅普诺夫稳定性理论，而I.普金戈金所做的工作正是将其应用到非平衡态热力学研究中，在非平衡态问题中寻找李雅普诺夫函数作为稳定性的判据。
对于开放系统，当边界条件迫使系统离开平衡态时，宏观不可逆过程随即开始，当系统的状态偏离平衡态很小时，或者说系统接近于平衡态时，描述系统状态的方程满足线性关系，这时的非平衡态可称为非平衡态线性区。在这里，根据L.翁萨格所确定的“倒易关系”，非平衡态热力学与平衡态热力学一样，具有与特定分子模型或微观模型无关的普适性。同时，根据I.普里戈金本人提出的最小熵产生定理，在近平衡态条件下，与外界的限制性条件相适应的非平衡定态的熵产生具有极小值。这意味着在平衡态附近，非平衡定态是稳定的，系统不会自发形成时空有序结构，即使有负熵流输进，它也不会进入新的有序状态。有趣的是，以普里戈金为首的布鲁塞尔学派曾连续多年花费巨大努力，试图将这个最小熵产生定理从近平衡态推广到远离平衡态的情况，但他们没有获得成功。最后的结论是：在远离平衡态条件下，系统的热力学行为与最小熵产生定理不相符合，甚至背道而驰。
然而，当开放系统远离平衡态时，描述系统状态的方程表现出非线性关系，这时的非平衡态称为非平衡态的非线性区。研究表明，在远离平衡条件下，系统所处的状态可以是稳定的，也可以是不稳定的。在不稳定的情况下，一个很小的扰动就可能使系统越来越偏离原来的无序状态而发展到一个新的稳定的有序状态。因此，对于远离平衡态，大有文章可做。
在远离平衡态条件下的系统失去稳定后，会达到何种新的状态呢？I.普里戈金指出，“在平衡态的定律与远离平衡态的定律之间有着本质的区别。平衡态的定律是普适的。但远离平衡态时，行为可能变得非常特殊。”[2]的确，当系统进入远离平衡态时，并不再象处于近平衡态时那样有一个关于热力学过程确定的普适规律，系统的何去何从依赖于动力学过程的“个案”。在这里需要针对具体的系统行为及过程，结合热力学分析，展开详细的动力学分析，因为热力学理论本身并不能确定新状态即新分支的数目及其行为。根据微分方程的分支理论，系统失稳后可产生若干新的分支解，每个分支解对应于系统的一种稳定的时空有序结构。而面对若干稳定的分支，系统究竟最终跳跃到哪一个具体的分支上呢？要回答这个问题，就又要探讨系统在分支点（临界点）附近涨落的行为，这就需要随机过程理论。因此，对远离平衡态系统研究的最终步骤乃是引进和运用分支理论和随机过程理论分析系统失稳后如何进入一个新的有序稳定状态。
由此可见，正是从平衡态到非平衡态、从近平衡态到远离平衡态的逐步探索中，I.普里戈金基于局域平衡假设，拓展了平衡态热力学，并运用李雅普诺夫稳定性理论、分支理论和随机过程理论，对以物理化学系统为主的各种系统在不可逆演化过程中的共同特点加以分析和概括，终于建立了一种崭新的系统自组织理论——耗散结构论。它表明，一个开放系统在从平衡态到非平衡态的演化过程中，当进入到远离平衡态的非线性区时，如果描述系统的某个参量达到一定的临界值时，那么，系统就可能通过涨落而发生状态突变（非平衡相变），并产生分支现象，从原来的无序状态转变为新的有序状态，从而形成宏观上有序的稳定结构——耗散结构。值得注意的是，耗散结构是在宏观水平上定义的空间有序、时间有序或时空有序，这种有序表现为系统内部的“长程关联”，它只有在非平衡条件下与外部环境交换物质和能量才得以形成和维持。而对能量的“耗散”，正是形成和维持耗散结构所要付出的“代价”。
三、对系统研究的重要贡献
耗散结构论乃是发轫于自然科学领域中的一种系统理论，它通过对系统演化和自组织问题的探讨，为系统研究，进而为科学思想和哲学思想的发展作出了重要贡献。
第一、耗散结构论作为“演化的物理学”，它将系统思想从生物学、社会学等领域拓展到物理学、化学领域，并得到了前所未有的定量化或半定量化的精确形式。在以往的物理学、化学中，虽然也时有“系统”的提法，但这个所谓的“系统”往往只是“体系”或多体对象的同义词，而并非指系统科学意义上的系统。人们在研究某个“体系”时，也谈到它的组成部分和外部环境，但基本上不涉及它的宏观结构和整体有序问题。正是耗散结构论首先针对物理学、化学领域中的演化现象，就宏观结构和整体有序问题展开了深入的研究，如发现“化学不稳定性包含了长程有序性，通过这种长程有序性，系统作为一个整体起作用。”[3]于是，关于物理系统和化学系统演化和自组织的理论应运而生，这既是物理学、化学等传统科学的更新换代，也是系统思想本身的一大飞跃。
值得注意的是，在耗散结构论出现以前，存在着简单地把物理、化学等非生命过程与生命过程对立起来的倾向，在人们看来，前一类过程代表的是走向混乱、无序和无组织化，其理论依据在于熵增加原理或热力学第二定律，而后一类过程反映的则是趋于有规则、有秩序和组织化，其理论诠释在于达尔文的生物进化论。但由于熵增加原理仅仅适用于孤立系统，而生命系统却必然表现为开放系统，上述两种观点的对立或矛盾其实不过是一个“佯谬”，它们之间本来就不具有严格的可比性。然而，物理、化学系统与生命系统之间毕竟存在着一道鸿沟，它们之间到底有没有内在联系，如果有的话那么这种联系又在哪里呢？根据耗散结构论，“现在可以确信，普通的物理化学系统可以表现出复杂性能，它们具有许多往往属于生物的特性；人们自然要问，上述的某些生物特性是否能够归因于由非平衡约束引起的转变以及类似于自催化作用的某种不稳定机制。这也许是科学提出的一个最基本问题。”[4]普里戈金等人对这个问题作出了初步问答，他们的研究成果表明，耗散结构论不仅能够解释物理、化学系统的演化和自组织现象，而且还可以说明生命系统的演化和自组织过程，因而它在很大程度上打破了非生命科学与生命科学之间的界限，甚至已经在物理、化学系统和生命系统之间架起了一座理论桥梁。
第二，耗散结构论作为热力学和动力学的一种综合，它较为全面地揭示了系统宏观有序结构的形成机制。可以认为，系统的开放、远离平衡态、内部非线性相互作用和随机涨落构成了从无序到有序演化过程的具体机制。一般而言，系统的开放和内部存在随机涨落的条件总是容易得到满足，所以在这里我们重点讨论远离平衡态和内部非线性相互作用的问题。耗散结构论有两块最重要的理论基石，一是热力学，二是动力学，与此相对应，耗散结构的形成亦具有热力学和动力学两个方面的条件——非平衡和非线性。在探索复杂性的过程中，耗散结构论将热力学研究与动力学研究紧密地结合起来，“它阐明了非线性与非平衡这两个要素如何使物质具有高度的灵敏性，展现出长程的秩序并演化出多样化的自组织状态。”[5]
首先，系统要远离平衡态，这是热力学方面的必要条件。与在近平衡态下的情况有重大区别的是，对于在远离平衡态条件下的系统而言，一个无序的非平衡定态的稳定性并不一定总有保证，系统通过与外部环境交换物质和能量，以及通过内部的不可逆过程，即所谓能量的耗散，起初的无序状态有可能失去稳定性，某些内部涨落有可能被放大，从而使系统转入宏观有序的状态。只有远离平衡态，才有可能产生不稳定性；只有出现不稳定性，才有可能突破旧的无序状态而进入新的有序状态。当然，远离平衡态只是产生不稳定性的一个必要条件，而不是充分条件。例如，就大多数化学反应体系而言，无论化学反应多么远离化学平衡，与外部环境相适应的非平衡定态通常保持其稳定性。这也许就是为什么在化学反应中宏观的系统自组织过程并不多见的一个原因。
其次，系统内部要有非线性相互作用，这是动力学方面的必要条件。在数学上，系统的动力学行为可以通过动力学方程来加以描述，这种动力学方程的形式一般是微分方程（组）。系统的某一特定状态对应于描述系统动力学行为的微分方程的某个特解，因而失稳现象就相当于微分方程特解的失稳。不过，不稳定的特解是不可能描述一个在宏观时间间隔内可以观测到的时间或空间有序状态的，系统的这种状态必须与微分方程某个稳定的特解相对应。把以上两个方面的要求综合起来就可以看出，能正确描述系统动力学行为的微分方程应该既具有不稳定的特解，又允许存在稳定的特解。根据微分方程理论，具有这种特性的微分方程只能是非线性的。由此可见，除远离平衡态外，产生有可能导致新的有序状态的不稳定现象的另一个必要条件乃是系统内部必须具有非线性相互作用，也就是说，系统的动力学过程中应当包含某种非线性反馈，使一个过程的结果可能会影响到这个过程本身，使一个小的变化可能会导致一个大的响应，使一个原有的旧状态可能会突变成若干个有待选择的新状态即新分支。从某种意义上可以说，非线性这种动力学因素可以补偿热力学的不可几性而导致宏观有序结构的形成。
实际上，非平衡与非线性这两个条件并不是相互独立的。当系统接近于平衡态时，动力学方程都可用线性方程来近似，只有在远离平衡态的条件下，系统的动力学方程才真正是非线性的。G.尼科里斯和I.普里戈金已洞察到，“非平衡态展现了隐藏于非线性之中的潜力，而它在平衡态或邻近平衡态时却保持‘潜伏’状态。”[6]因此，耗散结构形成过程中所依赖的非线性可被理解为系统在远离平衡态条件下所产生的一种动力学性质。
第三，耗散结构论作为一种以演化和自组织为研究对象的系统理论，它丰富了人类关于自然和社会普遍联系和不断发展的哲学思想。系统演化和自组织这一复杂性问题起源于“对物理和化学领域内的简单观察，但却把我们引导到了已经成为自然科学和哲学的核心的种种基本问题。”[7]热力学第二定律肯定了演化、不可逆过程这一现实，并引入一个新的物理量——熵来对这个过程加以定量地描述。但长期以来这个定律主要是作为对物理学、化学领域中一些现象进行观察的结果，或者说是一种经验性归纳，它并没有能够由此进一步发展或演绎出更加深刻、更加富有内涵的普适理论，结果迟迟未能在理论物理学中占据一个应有的更加重要的位置，并跻身科学的主流。G.尼科里斯和I.普里戈金在论述其耗散结构论思想时指出，“不可逆性在自然界中起着基本的作用。……绝不可能因为不可逆性的概念与传统上所接受的物理学观点相抵触就将它摒弃。这就是我们要在这里采用一种迥然不同观点的原因：我们假定第二定律是一个基本的物理事实，并研究该假设所隐含着的对我们的时空观和动力学的修正。”[8]在他们看来，从热力学第二定律出发，探讨不可逆性的作用和意义，乃是理论物理学中最基本的问题之一。实际上，耗散结构论拓展和发挥了热力学第二定律所包含的不可逆性思想，将不可逆性与耗散结构本身的形成紧密地联系在一起，并使之成为耗散结构论中的一个基本概念，成为理解现实的复杂现象的一条进路。
如果说，以往人与自然“对话”的语言是包括经典力学和量子力学在内的“存在的物理学”，那么，今天人与自然之间正进行着的新一轮对话所用的语言除了“存在的物理学”外，还有以耗散结构论等系统自组织理论为内容的“演化的物理学”。对于耗散结构论在认识和理解世界方面的根本性意义，A.托夫勒有一个很高的评价——“I.普里戈金和他在所谓‘布鲁塞尔学派’中的同事们的工作可能很好地代表了下一次的科学革命，因为他们的工作不仅与自然，而且甚至与社会本身开始了新的对话。”[9]
注释：
[1]A.S.爱丁顿：《物理世界的本性》(1958)，转引自I.普里戈金：《从存在到演化》，上海科学技术出版社1986年版，第96页。
[2][3]I.普里戈金：《从存在到演化》，第87页，第96页。
[4][5][6][7][8]G.尼科里斯，I.普里戈金：《探索复杂性》，四川教育出版社1986年版，第29页，第1页，第62页，第241—242页，第216页。
[9]A.托夫勒：《科学和变化》，载I.普里戈金，I.斯唐热，《从混沌到有序》，上海译文出版社1987年版。
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