普里高津：耗散結構理論

雪峰按：在生命禪院理論建設中，我們容納了佛教、基督教、伊斯蘭教、道教的智慧，也容納了歷代賢哲的思想，對近代西方出現的新時代理論，如賽斯的理論、《與神對話》《告別婆娑》《一的法則》《奇迹課程》等理論也包容了，更容納了牛頓經典力學、愛因斯坦相對論、玻爾、海森堡等的量子力學理論，對馬克思列寧主義的學說和毛澤東思想也考慮了進去， 對宇宙統一場，宇宙全息理論等也吸納了不少，但我們忽視了一個重要的理論——耗散結構理論，這個理論雖然難以達到生命禪院理論的高度，但其中的許多觀點恰恰就是我們需要的，它對建設生命禪院有理論指導作用，值得我們探討並吸收，尤其是關於系統的開放性值得我們思考，我們不能讓生命禪院的熵達到最大值。

耗散結構理論證實了生命禪院關於上帝起源的理論，也更加證實了我說的“結構產生意識”的觀點，但是，不論耗散結構理論多麼偉大，它依然缺陷多多，它依然沒有跑出生命禪院關於宇宙三要素——意識、結構、能量的範疇。

我覺得耗散結構理論非常偉大，請大家仔細一讀，讀了就更加容易理解生命禪院理念。 本文轉自《哲人世紀》

2007-09-22

耗散結構理論

在近代自然科學史上，矗立著三塊舉世矚目的豐碑：與科學巨人牛頓的名字聯繫在一起的經典力學; 與現代物理學的奠基人愛因斯坦的名字聯繫在一起的相對論; 與玻爾、海森堡等人的名字聯繫在一起的量子力學。 幾十年來，全世界的科學家們在仰望科學的頂峰的同時. 都在企盼著另一塊超越巨人的豐碑矗起......

西元1977年，當被科學界譽為現代熱力學的奠基人、比利時布魯塞爾學派著名的統計物理學家普里高津，以其創立的耗散結構理論把當年的諾貝爾化學獎的桂冠舉過頭頂的時候，這一偉大的時刻終於到來了。 人們清楚地知道：普里高津所創立的耗散結構理論對於整個自然以至社會科學產生的劃時代的重大影響，遠遠超出了一次諾貝爾獎的價值。

普里高津（I.Prigogine，1917~）於1969年在國際“理論物理與生物學會議”上發表了《結構、耗散和生命》一文，提出了耗散結構理論，把理論熱力學的研究推向了當代的最高峰。 普里高津由於這一重大貢獻，榮獲1977年諾貝爾化學獎。 這是普里高津學派20多年從事非平衡熱力學和非平衡統計物理學研究的成果。

普里高津和他的同事在建立「耗散結構」理論時準確地抓住了如貝納爾流、B-Z化學波和化學振蕩反應以及生物學演化週期等自發出現有序結構的本質，使用了“自組織”的概念，並且用該概念描述了那些自發出現或形成有序結構的過程，從而在“存在”和“演化”的兩種科學之間，在兩種文化之間構架了一座科學的橋樑。

普里高津在研究了大量系統的自組織過程以後，總結、歸納得出，系統形成有序結構需要下列條件：

（1）系統必須開放。 熱力學第二定律指出：孤立系統的熵不可能減少。 對於一個孤立系統，無論其微觀機制如何，如果從宏觀上看，它可以被當成是孤立系統，則必然要達到平衡態。 耗散結構理論認為，對於孤立系統來說熵是增加的，總過程是從有序到無序; 而對於開放系統來說，由於通過與外界交換物質和能量，可以從外界獲取負熵用來抵消自身熵的增加，從而使系統實現從無序到有序、從簡單到複雜的演化。

（2）遠離平衡態。 遠離平衡態是系統出現有序結構的必要條件，也是對系統開放的進一步說明。 開放系統在外界作用下離開平衡態，開放逐漸加大，外界對系統的影響逐漸變強，將系統逐漸從近平衡區推向遠離平衡的非線性區，只有這時，才有可能形成有序結構，否則即使開放，也無濟於事。

（3）非線性相互作用。 組成系統的子系統之間存在著相互作用，一般來講，這些相互作用是非線性的，不滿足疊加原理。 正因為這樣，由子系統形成系統時，會湧現出新的性質。

（4）漲落。 漲落是指對系統穩定狀態的偏離，它是實際存在的一切系統的固有特徵。 系統內部原因造成的漲落，稱為內漲落; 系統外部原因造成的漲落，稱為外漲落。 處於平衡態系統的隨機漲落，稱為微漲落; 處於遠離平衡態的非平衡態系統的隨機漲落，稱為巨漲落。 對於遠離平衡態的非平衡態系統，隨機的小漲落有可能迅速放大，使系統由不穩定狀態躍遷到一個新的有序狀態，從而形成耗散結構。

一、基本概念

耗散結構理論涉及到大量的基本概念，如果對這些概念沒有弄清楚，也很難理解耗散結構理論的實質。 因此，我們先介紹一些基本概念。

1.複雜系統

自從牛頓創立機械定律以來，人們都把單個個體或有限個體，如自由落體，有限個星球等作為研究物件。 後來，通過把連續介質，如，流體、固體等進行單元分割，科學家們又成功地把牛頓力學應用到連續介質中。 儘管牛頓力學可以擴展到無限的個體運動，但它的本質是以有限個體，而每個個體是沒有生命力的簡單運動為研究對象的科學，包括後來的愛因斯坦所研究的物件也是屬於簡單運動的範疇。

二十世紀中葉以後，人們開始關注複雜現象。 在這樣的系統中，它首先有“非常非常多”的個體，而對每個個體已經不再把它們看成是無生命力的了。 它們之間的相互運動又構成了複雜的整體運動。 個體和整體之間出現了相互關聯的因果聯繫。 對於這樣的系統就是複雜系統。

對複雜運動的研究是二十世紀所開創的最偉大的科學活動之一。 目前正是方興未艾之時，有著十分廣闊的前景。 它是揭示，如生物進化、社會進化、宇宙進化和一系列化學、物理進化的強大的科學工具。

2.孤立體系、封閉體系、開放體系

達爾文的偉大貢獻之一就是把生物種群的進化與環境關聯起來。 熱力學也發現，系統內部的運動與周圍環境存在非常密切的關係，這是熱力學與其它科學的獨到之處。 熱力學用了一系列科學術語來描述系統與環境之間的關係：

A.孤立體系：孤立體系是指系統與環境之間既沒有能量交換和品質交換的系統;

B.封閉體系：系統與環境之間只有能量交換，而沒有品質交換的體系叫做封閉體系;

C.開放體系：系統與環境之間既有能量交換又有品質交換的體系叫做開放體系。

我們要指出的是，以上定義是在熱力學的範疇中來描述的。 如果對於不同的研究物件和不同的時間範疇，以上定義是要做一些修正的。 比如，人類歷史系統，如果對整個人類和無限的歷史長河來說，我們是可以原用上述定義的。 但如果我們僅僅針對一個國家，甚至團體在某一個歷史階段的演化，就必須對上述概念按照歷史運動要素予以修正。 本人在《馬克思社會經濟形態學說與耗散結構理論》一文中做過這方面的嘗試。

3.平衡態、準平衡態、近平衡態和遠平衡態

以上四個概念是描述系統內部特徵的熱力學術語。

A.平衡態：平衡態是一個非常重要的概念，它是複雜系統運動的起點，也是經典熱力學和耗散結構理論在研究方法上的一個分水嶺。

平衡態是指系統內部的每一點的任何宏觀參數，如溫度、壓力、密度等等都完全一致的狀態。 很顯然，這樣的狀態在引力範圍內是不存在的。 因為即使沒有運動也有引力的作用而使得系統內部並不能完全保持一致。 當然，現代科學是可以人造這種狀態的，那就是在空間站上由於重力消失而出現平衡態。

在熱力學上，很多情況我們可以忽略重力的影響，如，當高差不是太大的氣體，我們可以忽略重力的影響，當其它參數都一致的情況下我們可以把它看成平衡態。 平衡態的內部除了熱運動（微觀運動）以外，其它一切宏觀運動全部停止。 因此，它是一種“死”的狀態。

由於系統內部與環境之間的作用，如果系統是一個開放系統，那麼該系統一定不會成為平衡系統。 因此，平衡態出現的一個充分條件是，它必須是一個孤立系統，這就把系統內部的狀態與環境聯繫了起來。

B.準平衡態

很顯然，平衡態是不會運動的。 如果我們要把系統的每一點都作為我們的研究物件，熱力學的研究就非常複雜。 因此，經典熱力學又對平衡態進行了處理，即，假定在環境的作用下，系統內部是按“平均”水平而整體上升或下降的。 比如，燒開水，真實的情況是，鍋內的每一點的溫度都不一樣，但我們假定它內部的溫度是“平均”上升的，並且每一點的差別都可以忽略。 對這樣的狀態我們稱之為「準平衡態」。 於是，我們的“熱靜力學”（Thermostatics， 這是一個熱力學家杜選的單詞，表示經典的熱動力學應當稱為熱靜力學）就通過科學家的處理變為了“熱動力學”（Thermodynamics）。 之所以經典熱力學能夠在現代工業中得到廣泛應用，准平衡態的假設是一個十分巧妙的槓桿。

非常有意思的是，馬克思在研究人類歷史運動時，對人類歷史系統也做了類似的假設，詳細情況可以參閱本人的文章《馬克思社會經濟形態學說與耗散結構理論》。

C.近平衡態

在開放度比較小的情況下，系統內部的變化也是比較小的。 那麼什麼叫「大」，什麼叫「小」呢？ 科學家發現，當開放度比較小的時候，系統內部的狀態變化是成線性關係的，而且是穩定的。 如果開放度進一步加大，系統就會出現結構的不穩定，最後出現新的結構，這就叫“耗散結構”。 因此，近平衡態是指系統內部滿足線性變化的狀態。

D.遠平衡態

與近平衡態相對應，是指開放度比較大，系統內部的線性變化被破壞的狀態。 很顯然，耗散結構出現的必要條件是系統處於遠平衡態。 我們所要指出的是，系統處於遠平衡態僅僅是耗散結構出現的必要條件，而不是充分條件，即是說遠離平衡不一定出現有序結構。 這就像生命的出現還必須有很多其它條件同時具備才 能出現一樣。

4.混沌、無序和有序

A.混沌

混沌態就是一種內部處於高度不穩定的、雜亂無章的狀態。 平衡態也是一種雜亂無章的狀態。 但這兩者有著本質的區別。

首先，平衡態是處於一個孤立系統之中，而混沌態則是處於一個開放系統之中; 第二，平衡態是分子水準上的混亂，它是一種微觀混亂; 而混沌態則是在遠離平衡的狀態下，系統所出現的宏觀混亂現象。

中國哲學很早就出現了“混沌”的概念，它通常指宇宙在形成的之前的一種雜亂無章、沒有時間、沒有空間的狀態。 很顯然，中國哲學的混沌概念與耗散結構的混沌概念基本上是一致的。

B.無序

無序是指系統內部的運動無規律可循，完全是一種雜亂無章的運動狀態。 平衡態自然是一種無序狀態，但它是屬於分子水準的無序狀態。 因此，耗散結構理論的無序通常不是指平衡態意義上的無序，而是指高度開放狀態下的“混沌態”的無序。

有序

是相對立於無序而言的。 有序系統通常有三種有序狀態，這就是空間有序、時間有序和功能有序。 空間有序是指它具有一定的空間形狀，比如天體運動，它的運動軌跡都是有精確的形狀的，大氣中有時會出現「雲街」也是一種空間有序結構; 時間有序是指複雜運動所出現的明顯的“時間節奏”。 幾乎所有的天體運動除了精確的空間有序以外還有精確的時間有序，日出、日落、溫寒冷暖都非常準確。 除了時間和空間有序以外，很多進化系統還有功能有序。 所有的生物都具有功能有序的特徵。 比如，人體的免疫功能、生殖功能、調節功能等等。 人類社會也是一個具有功能特性的進化系統。 比如，大氣變化、經濟變化、戰爭等等，整個社會都知道做響應的調整。

5.量變和突變

A.量變是指系統內部的結構以一種緩慢的方式發生變化。

B.突變是指系統內部的結構以一種劇烈的、跳躍的方式發生變化。 在以往的概念中，量變和突變是一對哲學術語，而現在則是一對科學術語。 哲學和科學的區別在於，哲學是不能夠量化的，而科學則是可以量化的。

現代理論研究證明，系統在量變數的過程中也有部分突變，即是說，新的生命總是在系統內部不斷產生。 而大部分子系統又在不斷消亡，就像人的新陳代謝一樣，人不是在一天內突然死亡的。

在過去的哲學中，甚至在科學中突變都是無法預見和量化的。 因此，把突變又稱為“跳躍”。 隨著科學的發展，人們已經能深入到突變運動的內部，研究其變化。 實際上突變也有一個過程，只是變化劇烈一些而已，比如中國從封建社會到社會主義社會經歷了一百多年。 因此，把突變成為“跳躍”是不科學的。

6.漲落

在所有的宏觀運動中都存在一定的與宏觀軌跡的偏離，比如，火車運行中的顛簸; 室內溫度在任何瞬間都存在不停的跳動; 人的大腦中總是不停的出現各種偏離正常思維的想像等等。 在耗散結構理論中，這種微小的偏差就叫做漲落。

在過去的觀念中，漲落是微不足道的，完全可以把它忽略。 而現代理論恰恰發現了這種漲落正是進化系統中的革命力量，沒有漲落就沒有進化運動。 整個進化過程就是漲落與系統的宏觀結構在開放條件下，在相互對抗中的產生、成長、系統結構更迭和自身消亡的過程。 “星星之火可以燎原”就是揭示的漲落的這一成長過程。

7.耦合

耦合是指複雜系統中在開放條件下，很多複雜因素共同加強或削弱某一因素的行為就叫“耦合”。 耦合現在在進化系統中非常普遍。 人們常說的「牆倒眾人推」，“成功一勃焉，失敗一忽焉”就是一種耦合現象。 複雜系統的結構更迭就是因為開放系統具有「耦合」功能，它可以共同加強微小漲落，最後使之成長為「巨漲落」，從而“改朝換代”形成新的結構。

8.奇怪吸引子

當複雜系統處於突變過程的時候，一些漲落達到了相當大的規模，這些具有 相當規模的運動體就叫奇怪吸引子，而系統內部在最後階段的宏觀運動總是圍繞這些奇怪因素運動的。 為什麼把這樣的東西叫做奇怪吸引子呢？ 是因為這些東西的行為非常古怪，無法琢磨。

奇怪吸引子在人類歷史進化中也大量出現，幾乎可以說每一次朝代更迭，或者大的社會變革都會出現很多奇怪吸引子。 回顧所有的歷史變革，都會發現一個共同的特徵，即，開始出現社會不穩定，然後出現較大的力量團體，這些團體就是奇怪吸引子。 再然後，這些奇怪吸引子就出現矛盾衝突。 在衝突過程中大量的吸引子被消滅，最後在兩個巨大的吸引子之間展開鬥爭，最終有一個又被消滅，形成了新的系統結構，即，完成了一次突變過程，使進化運動又向新的一個高度前進了一步。

9.自組織

在自然界中有兩種有序結構，一種象晶體那樣的固定有序結構。 這種結構是一種「死」的有序，它不需要任何能量就能夠維持其結構有序; 而另一種，比如生物的組織，它仍然是一種有序結構。 而這種有序完全是由於機體內部的細胞自發組織、調節所形成的有序，要維持這種有序結構就必須供給能量。 我們把這種依靠機體內部自發組織起來，自發調節，並通過外界供給能量來維持的有序結構叫做“自組織”結構。

在複雜系統中只有這種自組織結構才能夠真正做到有序，而那種依靠外界的力量來直接控制複雜系統的方式是一種無序結構。 一個最典型的例子是，我們的計劃經濟體系，表面上看來非常有序，一切都按我們人為的計劃運行。 而實際上我們越計劃，社會越亂，以至於最後不得不解體。 而市場經濟，我們幾乎不需要宏觀計劃，而只需要保障經濟體系中各個組織健康發展的條件，整個體系就會自動的形成有序運動。 正是這種自組織現象將完全改變我們的世界觀和認識論。

二、耗散結構理論的基本定律

1.熱力學第一定律

熱力學第一定律，即，能量守恆定律是一個整個科學的普適定律之一。 它是有邁耶、焦耳、赫爾姆霍茨等人在1840年~1851年之間建立的。 這裡不打算詳細論述。

2.熱力學第二定律

在整個人類歷史長中，十九世紀是一個里程碑。 在這個世紀出現了許多驚人的進步和發現。 在人文思想上，西方文藝復興運動已經達到了頂峰，新時代的思想體系、政治體系、經濟體系和科學體系已經建立，為現代社會奠定了強有力的基礎。

在科學上，瓦特發明瞭蒸汽機，創造了人類有史以來的第一次工業革命; 達爾文創立了生物進化論，揭開了生物進化的秘密，同時也揭開了整個進化運動的序幕; 馬克思創立了歷史唯物主義理論。 從而，樹起了人類歷史科學的豐碑。 還有一個偉大的科學發現，就是發現了熱力學第二定律。 這一定律在當時並沒有引起很大的重視，而到了二十世紀末期，人們才逐步認識到它的偉大意義所在——一切進化運動的基本定律。

瓦特發明的蒸汽機的熱效率大約為1%，經過卡諾的改進以後大約能夠達到2%。 熱力學第二定律的最初發現是為了提高蒸汽機的熱效率。 這一定律從表面上看來十分簡單，甚至是婦孺皆知的常識。 而正是這種最簡單的東西卻反映了客觀世界最普遍和最深刻的科學理論和哲理。 熱力學第二定律的基本表述如下：

熱不能夠自發地從低溫傳向高溫——克勞修斯說法，1850年;

不能夠從單一的熱源吸熱來做功，而不產生任何損失——開爾文說法

以上兩種說法在本質上是一致的。 看起來它非常簡單，但它所產生的深刻思想在於，它指出了一切熱力過程運動的方向。 自然科學家從這一定律出發建立了物理進化模型，最終由普里高津創立了耗散結構理論。 由於生物運動、人類歷史運動和宇宙的天體運動都是進化運動，因此，這一理論對人們認識世界和認識自身起著越來越重要的影響。

由於根據這一定律所產生的相關理論很多，以下我們將介紹幾個基本的原理：

A.熵的概念

既然熱力過程都是不可逆的，那麼我們能不能找到一個狀態參數來反映這種不可逆特性，就像用溫度來反映冷熱、用壓力來反映氣體對容器的作用力一樣。 最後，由克勞修斯證明瞭這個參數是存在的，並把它稱為“熵”，用S表示。 起數學表示式為：

S=δq/T

其中δq是指微量的熱交換，T是指開爾文溫度。

因此，熵的第一個基本含義是：它是一個衡量過程不可逆的狀態參數。 在克勞修斯找到熵的數學表達式，並用它來說明過程不可逆特性以後，玻爾茲蔓又成 功地用熵來說明系統的紊亂度。 紊亂度越高，它的熵就越大。

正是由於熵與不可逆過程和紊亂度聯繫了起來，所以現代很多物理現象，甚至社會現象人們都力圖用熵來予以說明。

B.熵增原理

一個系統熵的變化有兩部分，一部分是由外界環境輸入的熵，叫熵流，另一部分是自己系統內部產生的熵，叫熵產。 熵流可以大於 、等於、或小於零。 而系統內部自己產生的熵則永遠只能大於，或等於零。 即是說; “對於孤立體系，系統的熵只能向著熵增加的方向運動。” 這就是著名的熵增原理。 根據這個原理可以得出以下推論：

第一，孤立體系的最後必然要達到最大值，使系統達到平衡態，即，「死亡」狀態; 這種狀態自熱力學系統中到處可見，如果把它推廣到人類歷史發展領域，也可以得出一個結論：對於一個封閉的社會，最後也必然會進入平衡、停滯的狀態。 中國封建社會停滯兩千多年，其根本原因就是社會封閉。 相反，一個系統或社會要使它運動，就必須開放。 很顯然，這一原理不僅在自然科學中適用，在歷史科學中仍然適用。

第二，時間之矢。 除熱力學以外，其它所有的科學都沒有指出運動的方向問題。 而在這裡，熱力學第二定律找到了運動的方向，並且用熵對它的運動過程進行了科學的、定量的描述。 我們知道，歷史車輪不可倒轉，江水不可迴流，生物進化、宇宙進化也不可重來，事實上所有的運動都是不可逆的，而我們的科學，自從牛頓、愛因斯坦以來的所有定律都被簡化成了可逆運動，即，時間是可逆的。 這就對我們的經典科學提出了挑戰：這種經典的科學究竟在什麼條件下適用？ 它們是普遍真理嗎？ 霍金把愛因斯坦的相對論推廣到整個宇宙生成的系統正確嗎？ 我們已經建立起來的馬克思主義歷史科學理論又將會有什麼變化呢？ 這一系列問題都是對經典科學的嚴重挑戰！

第三，經典熱力學的困惑。 根據熵增原理，似乎所有的過程，包括宇宙的歸宿都是平衡態，即，死亡狀態。 而我們看到的生物系統、人類歷史系統，也包括宇宙系統，他們都在不停的由低級向高級發展，這究竟是為什麼呢？ 這就是熵增原理的疑提。 也正是在這裡，普里高津找到了答案，創立了耗散結構理論，完成了自然與人之間的統一。

三、自然、宇宙、生物和人類社會中的自組織現象

達爾文創立了生物進化論，確立了生物體系是一個自組織體系，即，生物系統是一個通過體系內部的自由競爭而形成的有機組織系統。 那麼，我們還將進一步確定，人類社會，宇宙天體也是一個自組織，即，是一個耗散結構系統嗎？ 在物理、化學系統中能夠看到物質從無序到有序，從無生命到有生命的成長過程嗎？

我們已經談到，任何生命都是由無生命的元素組成。 用科學的術語來表達生命的含義就是：生命是一個“時間有序、空間有序和功能有序的自組織系統”。

生命的起源已經遠離我們四、五億年前了，我們除了能夠找到一些生物進化過程中的化石以外，我們無法提供實物證據。 但我們能否看到一些真實的從無機到有機，從無序到有序，看到——生命起源的原始基因呢？ 答案是肯定的，很多的自組織現象將把我們帶到生命的源頭，帶到一個嶄新的世界。

1.上帝之手編製美麗的圖案——貝納德水花

大家知道，熱運動是一種雜亂無章的運動。 因此，當給水加熱的時候，它的水花也應當是雜亂無章的。 那麼，當你看見那些水花突然自發的出現了規則的圖案，並且成有序運動，你是否會驚奇，並認為那是上帝的傑作，是否看到了生命中最原始的基因呢？ 這個實驗是，將一個平坦的鍋里盛上一薄層水，當在鍋的下面慢慢均勻加熱。 開始時，鍋內會出現一些不規則運動的小氣泡，隨著熱量的增加氣泡增多，當達到一臨界值的時候，原來不規則運動的氣泡突然變成了有規則的、呈六角型翻轉的花紋，而這些花紋又組成一個美麗的圖案，這就是著名的貝納德水花，見圖1.9

從表面上看來，貝納德水花並沒有多大的驚奇之處。 但如果我們深入思考，是什麼力量讓這些無數的無生命的水分子突然間「自發地」出現了規則運動呢？ 這些無生命的東西為什麼會出現了一些有生命的特徵呢？ 我們在這裡看見了生命的原始胚胎！

2.雲街

在一般情況下，雲團的運動是雜亂無章的，是無序的運動。 但在一定條件下，平常無規則的雲團突然會像步兵排隊一樣，形成整齊的“佇列”，形成有序結構，如圖1.4所示 ：

3.週期化學反應現象

最引起科學家們興趣的是蘇聯化學家Belousov和生物化學家Zhabotinsky進行的實驗。 1958，Belousov在金屬鈰離子作催化劑的情況下檸檬酸的溴酸氧化反應。 他發現在某些條件下苛些組分（例如溴離子、鉀離子）的濃度會隨時間作週期變化，造成反應介質的顏色在黃色和無色之間作週期性的變換。 其後Zhabotinsky等人繼續並改進了Belousov的實驗，發現另外一些有機酸（例如丙二酸）的溴酸氧化反應也能呈現出這種組分濃度和反應介質的顏色隨週期變化的現象。 利用適當的催化劑，介質的顏色變化可更加明顯，例如在紅色和蘭色之間作週期性變換。 反應介質一會兒紅色，一會兒蘭色，再一會兒紅，一會兒蘭色，象鐘擺一樣發生規則的時間振蕩。 因此這類現象一般稱之為化學振蕩或化學鐘。 後來Zhabotinsky等人又發現在某些條件下體系中組份的濃度並不總是均勻分佈的，而是可以形成規則的空間分佈，出現好多漂亮的花紋。 如圖1.10所示：

生物中的自組織

3.生物系統的自組織

達爾文已經注意到，環境是生物種群的決定性因素。 耗散結構理論從物理學證明，一個有序的自組織結構其決定性因素也仍然是環境。 即，當外界（環境）向系統供給能量，形成自組織以後，這個系統內部通過競爭的作用，它的結構就會逐步穩定下來。 當外界對系統不斷開放，達到另一個閾值時，系統就會通過突變形成新的結構，從而使系統進入一個新的階段進行演化。

自從生命起源以後，可以確切證明的生物突變有兩次。 一次是在5億年前左右，出現過一次生物“大爆炸”。 在重慶巫溪縣有一種古生物化石，它清楚地記載著4億5千萬年前這裡曾經出現過堆積如山的各種生物。

造成這次生物爆炸的原因是，由於當時的生命剛剛起源不久，各種生物迅速繁衍，從而出現大量的生物種群。 當生物種群迅速增加的時候，生物間的競爭機製作起作用，從而又使大量的生物滅絕。 最後形成穩定的生物種群。

大約在6000萬年前左右，由於氣候的變化，再一次使大量的生物滅絕，同時出現新的生物種群。 這一次的生物結構突變的直接證據就是恐龍時代的終結和新生生物時代的出現。

我們已經發現，現代生物種群，包括植物和動物，並不是單個生物的簡單疊加，而是一個有機鏈條。 即，一個生物是與另一個生物密切相連的，它們之間具有自發的自我調節機制，最終形成一個完整的整體。 這樣一個有機體正是一個生物自組織體系。

4.生命的起源：無機分子的自組織系統

大家知道，任何生命的機體都是由自然界中的各種元素，如碳、氫、氧等構成，這些元素與其它元素並沒有任何區別，是一些無機分子。 這些無機分子，再通過一定的組合形成低分子有機化合物，如，酸、糖、鹼等。 這些低分子有機化合物再通過選擇和競爭形成生物高聚物——核酸和蛋白質等，從而最終形成生命。

對於生命的起源過程，普里高津用耗散結構理論做了詳細的證明（詳見《非平衡系統的自組織》，科學出版社），這裡不做敘述。 就從我們現有的生物體來看，它是一個“時間有序、空間有序和功能有序”的自組織系統是毫無疑問的。

6.宇宙中的自組織系統

中國哲學一直認為天人合一，即，天的構成和運轉與我們人體的構成和運轉是一致的。

達爾文在一個半世紀前已經發現生物系統是一個進化系統，一百年後普里高津又證明生命的起源也是一個進化系統。 那我們不禁要問：宇宙上一個進化系統呢？

從目前我們觀察到的宇宙來看，每一顆恆星有幾顆，甚至幾十顆行星，每一個星系大約有2000億顆恆星，而整個宇宙又大約有2000億個星系。 因此，整個宇宙是一個真正的複雜系統。 那麼，對於這樣一個龐大的系統，它是怎樣運動的呢？

我們身邊的太陽系、銀河系、以及相距我們一百多億光年的星系都具有有序的空間結構和非常準確的時間結構和嚴格的功能結構。 因此，我們完全有理由認為宇宙是一個耗散結構，即宇宙系統是一個自組織系統。 中國的天人合一的思想是有科學依據的。

從宇宙的運行特徵來看，它是一個耗散結構是不容懷疑的。 那麼從他的生成 條件來看，它是否具備耗散結構的特徵呢？ 耗散結構的一個重要特徵是，維持它的有序運動需要能量。 那麼，這些能量存在嗎？ 它是從哪裡來的呢？

2003年12月23日《參考消息》報導，美國2003年出版的《科學》雜誌上，把“暗能量”的發現評為本年度最重大的科學突破。 該文報導「約23%的宇宙物質是」暗物質“，沒有人知道它們究竟是什麼，因為它們無法被檢測到，但他們的品質大大超過了可見宇宙的總合。 而近73%的宇宙是最新發現的“暗能量”。 這種奇特的力量似乎正在使宇宙加速膨脹。 “如果這種”暗能量“確實存在，那麼宇宙是一個耗散結構就可以得到圓滿的解釋，即，由暗能量供給能量以維持整 個天體的有序運動。

7.人類社會中的自組織

人類社會的運動與牛頓描述的自然運動是不一致的，而與生物運動的特徵是一致的，這已得到世界的公認。 正因為如此，許多歷史學家，如斯賓塞把自己的理論明確的界定為歷史進化論。 馬克思、恩格斯也把自己的學說與生物進化論做類比。

然而，雖然生物系統與人類歷史系統都是屬於進化系統，但兩者的行為是具有本質差別的。 因此，如果像斯賓塞等人那樣對兩種系統做簡單的類比，是不可能發現人類社會的本質的。 雖然馬克思也把人類歷史系統看成一個進化系統，但他研究的手段和方法完全是根據人類社會的基本特性出發的，而不是從簡單的類比出發的。 因此，馬克思的歷史進化論與斯賓塞的歷史進化論是有本質區別的。 　　由於馬克思所處的時代才剛剛是經典熱力學初步建立的時代，人們還沒有建立物理進化理論，更無法分析進化運動的機理，即，無法真正從運動的角度來看待進化運動，而只能以“靜止”的方式和方法來看待進化運動。 就正如當時的熱力學家那樣，通過一種簡單的處理方法使“不能運動”的熱力學（thermostatics）轉變為“可以運動”的熱力學（thermodynamics）。 儘管達爾文的生物進化論、馬克思的歷史進化論和熱力學第二定律幾乎是同時發現的（彼此相距不到20年），也許馬克思當時根本沒注意到熱力學第二定律（馬克思和恩格斯建立他們的歷史科學理論是在1845年，而熱力學第二定律獲得完整表述是在1850年），但馬克思對歷史科學體系的處理方法幾乎與經典熱力學的處理方法有驚人的一致性。 本人在《馬克思社會經濟形態學說與耗散結構理論》一文中有所論述。

馬克思為人類歷史科學創立了第一塊不朽的豐碑，建立了一個真正的歷史科學體系。 然而，他的理論決不是該理論的終結，而僅僅是開始。 我以為，對馬克思主義理論準確定位的話，應當是“人類歷史科學靜力學理論”。 當我們把開放的要素納入馬克思主義理論的時候，就會建立起人類歷史科學動力學理論。

當我們建立起人類歷史科學動力學理論以後，我們就會對一系列與現實社會密切相關的重大問題的科學結論。 比如，為什麼計劃經濟必然失敗，而市場經濟則是歷史的必然趨勢; 為什麼科學技術是第一生產力，馬克思勞動價值理論在現代社會中的表述; 促進社會發展的動力是什麼？ 怎樣發展社會生產力等等。

四、耗散結構出現的條件和一般規律

儘管耗散結構理論從上個世紀中葉就已經形成，但從這門科學所面臨的問題的複雜性來說，它還僅僅是揭開了複雜科學的序幕，與這座宏偉大廈的完成還有相當遙遠的距離。 目前，對這門科學的研究主要沿著以下三個方向進行：

1.對耗散結構形成的條件進行研究，包括對各種不同的物件建立數學物理模型，力爭獲得解析解;

2.對突變過程進行研究。 在傳統的觀念中，突變過程是完全隨機的，無法進行定量的研究。 自從耗散結構理論發現以來，人們對突變現象做了大量的研究，人們發現，突變過程並不是不能夠定量研究的，而且取得了許多重大的科學成果，以至於形成了一門專門的科學——突變論。

3.對耗散結構理論的延伸——使之進入生物科學、歷史科學、宇宙科學和哲學領域等。

從深度和廣度來看，幾乎可以說沒有任何一門科學理論能夠像耗散結構理論那樣跨越了如此多的學科，並從研究物件的起源到無窮的演化過程進行研究。 因此，我們這裡也只能夠對這一理論的做概括性的介紹。

（一）耗散結構的形成

1.遠離平衡是耗散結構形成的必要條件

經典熱力學已經證明，任何孤立系統，即，不消耗能量的系統最終必然走向平衡態，從而使熵達到最大值。 這就是我們通常所說的“死亡”狀態。

普里高津的重要貢獻在於，他發現當系統處於遠離平衡的條件下，原有的平衡態將失去穩定性，一些漲落通過耦合作用而被放大，而使系統形成一種新的有序結構，即，耗散結構。 形成耗散結構的必要條件是系統必須遠離平衡態，即，必須通過外界向它供給能量才能夠形成和維持這種結構有序。

系統處於遠離平衡是出現耗散結構的必要條件，但不是充分條件。 即是說，使系統處於遠離平衡還僅僅出現耗散結構的一種可能性，而不是充分條件。 正因為耗散結構的出現還有很多其它限制條件，因此，甚至有不少哲學家把生命的出現看成一種偶然事件。

2.分支

耗散結構從本質上講就是系統從一種狀態，通過分支，即，通過“突變”而進入另一個有序狀態。 因此，研究系統的分支現象就非常重要。

由於進化系統首先必須是一個複雜系統，即是說系統內部有非常多的子系統。 系統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。 但對於這種量變過程，對局部來說它又是突變。

無論是對子系統或是對整體系統來說，耗散結構的出現都必須首先經歷一個線性區。 在這個區域，系統呈線性變化，並且是穩定的。 當系統進一步遠離平衡，即，增加開放度的時候，系統的控制方程除了熱力學方程以外，還必須加入動力學方程。 這時，系統將由一組熱力學和動力學非線性微分方程組控制。

在一個龐大的複雜體系中，當系統越過穩定區以後，其中的一些子系統開始變得不穩定，即是系統將出現分支現象。 如圖1所示：我們要指出的是，系統的分叉有很多種形式，如，穩定分支、不穩定分支、單穩定分支和極限環型分支等。 隨著開放度的進一步增加，系統還會出現高級分支現象，如圖2所示：系統的分支，意味著系統的複雜性增加。 達爾文的生物“生長樹”揭示了生物在生長過程中的分支現象。 比如，古猿的分支結果就「生長」出現代的「猿」和「人」; 生命的進化也是通過不斷的分支，使得生物的內部結構越來越複雜; 社會的分支也使得原始的單一結構演化到現代的異常複雜的社會結構。

3.漲落——進化運動的革命性因素

在傳統的觀念中，各種隨機因素總是微不足道的，“細浪”不可能掀翻大船。 然而，近代科學卻恰恰證明，正是這些「微不足道」的隨機因素（漲落）才是系統進化的真正的革命性力量。

儘管系統出現了不穩定，它將出現分支，如果沒有漲落的出現，這種分支也會變得很單調，甚至無法進行。 所謂的漲落就是一種隨機的擾動。 並且這些漲落不僅大小無法確定，而且它的結構和特性也異常的複雜，幾乎是不可決定的。 比如，戰爭中的天氣，大氣運動中的各種溫度擾動，人們頭腦中各種無時不存在的“奇怪”念頭等等都是漲落。

在系統處於穩定狀態的時候，這些擾動的確是“微不足道”的，它的出現很快就會被系統所消滅，這就是不對它引起重視的根本原因所在。

但是當系統處於不穩定的時候，漲落再也不是微不足道的了。 它的行為甚至將在結構變化中起到決定性的作用。 為了清楚說明漲落的革命性貢獻，我們可以用下圖來予以說明： 圖3.漲落的餓革命性貢獻圖示在圖3中當小球運動到不穩定點C點時，隨機擾動的性質幾乎完全可以決定小球是向A分支，或是向B分支運動。 當然，在複雜系統中，系統究竟是向A分支，或是向B分支運動，它將取決於原始的系統結構和漲落性質的綜合影響。 用歷史的觀點來說，就是歷史的走向是由歷史本身和隨機因素共同決定的。

4.競爭機制的作用

當系統處於不穩定的時候，它的子系統就像「鏈式反應」一樣將大量出現分支結構，從而使系統越來越複雜，這就是我們通常看到的爆炸現象。 由於系統大量的複製子結構，當它達到一定數量的時候競爭機制就將起作用。 通過這種競爭，最後保留一個「最適合生存」的結構。

進化系統選擇的本質是系統在遠離平衡的條件下所發生的耦合作。 即，通過系統內部的複雜因素共同加強或削弱某些子系統，以加速它們的成長或者消亡。 普里高津經過計算，如果沒有這種競爭的耦合作用，生命的出現將還需要幾萬萬萬億年，幾乎是整個宇宙年齡的數萬萬萬倍。

當生命出現以後，大約在4至5億年左右，便出現了大規模的“生物大爆炸”。 即是說當時出現了大量的生物物種。 如果說生命在起源過程中我們未能親眼看見生命物質的大爆炸，而缺乏物質證據的話，那麼生物大爆炸則可以提供實物證據。 近年來，我國在許多地方都發現了大量的古生物化石，其中在重慶巫溪縣就發現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時代已經出現了堆積如山的海洋生物。 達爾文早就證明，今天的生物正是古代生物通過競爭淘汰機制而留下的“優良”品種。

5.巨漲落的出現——完成從混沌到有序的突變

如果僅僅是單個的子系統出現不穩定性，系統還不會發生根本性的變化。 然而，對於一個處於遠離平衡的複雜系統，系統中將會出現耦合作用，即，一系列複雜因素將共同加強某些漲落，使之得到放大。 對於這些放大了的漲落，再也不是像平衡態那樣的“微不足道”的因素了，而是具有了較大的宏觀規模。

然而，在複雜系統中複雜因素並不是只對某一個漲落進行加強，而是對多個漲落都同時得到了加強，使它們具有了一定的宏觀尺度。 而這些得到加強的漲落具有非常獨特的性質，它的運動是完全隨機的，不可預測的。 因此，整個系統所處於的狀態也是混亂的，無法預測的。 我們通常把這樣的狀態叫做混沌態。

混沌態與平衡態的區別在於，混沌態是具有宏觀尺度的漲落之間的“混亂”，而平衡態則是分子水準上的“微觀”混亂。 混沌態是具有生命跡象，如生命中的蛋白質、核糖核酸，戰爭中的各個大的集團之間的混亂; 而平衡態則完全是無生命力的，“死”的混亂。

對於漲落的運動特性也並不是完全不知的，任何事物都是在“可知”與“不可知”之間徘徊的。 對漲落的認識也是如此，並且隨著科學的發展，人們已經逐步深入到漲落的內部結構中去了。

在一定意義上，混沌態也是一種吸引子。 它具有非常複雜的內部結構，它的維數甚至可以是非整數; 它的運動對初始條件異常敏感，只要有十分微小的變化，它的運動特性就會發生巨大變化。 曾經有這樣的報告，在一定條件下，在印度的上空的一隻麻雀的擾動就有可能導致遠在太平洋彼岸的美國出現一次巨大的風暴！ 正是由於混沌態中的吸引子有如此古怪的特性，科學家們通常把它稱為「奇怪吸引子」（strange attractor）。

儘管奇怪吸引子有如此古怪的、琢磨不透的特性，混沌態的發展總是圍繞這些“奇怪中心”來運動的。 比如，在世界大戰中，或者古代朝代更迭中，戰爭場面總是千變萬化的，但戰爭的走向總在這些集團之間交替進行著。 隨著演化過程的逐步發展，這些奇怪吸引子逐步被更大的吸引子所代替，最終形成一個巨大的吸引子。 這個吸引子就是通過一個「微不足道」的漲落逐步演化形成的「巨漲落」。。 　　很顯然，巨漲落完全是一個新的結構，它已經取代了原有的結構。 這個新的餓結構就是耗散結構。 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稱之為「星星之火可以燎原」。。

從這裡我們可以看到，整個突變過程，首先是由於系統遠離平衡，導致系統出現不穩定，從而出現大量的分支結構，使系統進入混沌態。 然後，隨著進一步開放，系統通過「漲落的有序」，形成新的巨漲落而取代原來的結構。 這個新的結構是比原有結構更複雜，但更有序的高級結構。

我國著名物理學家郝柏林從物理學的角度對分支、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從平衡態，或低級有序結構通過分支，進入混沌態，最後又通過“漲落有序”形成新的，高級的有序結構的全過程。

對於生命系統來說，它已經演化了幾十億年了，即使對生物系統也演化了幾億年，已經進入了相對穩定的階段，我們已經無法看到從平衡態到有序的突變過程。 但對人類社會系統來說才演化了幾千年，尤其重要的是，我們目前正處在一個歷史巨變的時期。 因此，我們可以看到大量的突變現象。 圖5就是我國正在進行的從計劃經濟到市場經濟的突變過程的真實記錄。 從圖中完全可以看到我國的經濟體系從分支，到混沌再到新的有序的過程。 圖5.我國經濟體制改革的過程圖

6.高級系統的無限演化

我們目前在實驗室中觀察到的耗散結構是很低級的耗散結構。 對於這種結構，當我們的開放度進一步加大時，它不是進入更高級的有序狀態，而是進入耗散更大的混沌狀態。 但對於生命系統、生物系統和人類社會系統，在它的形成過程中都經歷了漫長的，開放度逐步增大的演化過程。 即是說這些高級的進化系統都經歷了無數個階段的演化。 普里高津把這個演化過程描述為; 這個圖示說明，當複雜系統處於非平衡狀態，並達到一定閾值的時候，系統出現不穩定性。 然後“通過漲落的有序”形成耗散結構。 由於這個新的結構是在更加遠離平衡的狀態。 因此，它需要消耗更多的能量，即增加耗散。 這個新增加的耗散又確定了一個更高的閾值，也即確定了發生下一個結構飛躍所需的能量耗散。 依次逐步演化，系統便從一個階段到另一個階段運動，進化系統也逐步從低級到高級逐步發展。

我們應當注意到，進化系統的演化過程總是與環境狀態緊密相連的。 也即是說，當環境不變，系統內部完全與環境狀態相適應的時候，系統的內部結構也進入相對穩定的狀態。 比如，我們的地球環境在最近幾千萬年內並沒有較大的改變，因此，這一時期的生物特徵也沒有太大的變化。

而我們的文化狀態就與生物的情況有很大的不同。 因為我們的社會系統才僅僅有幾千年的歷史，因此，我們的社會結構與環境系統還遠遠沒有達到完全適應的狀態。 社會消耗的能量也在不斷的、迅速的增加，社會結構也越來越複雜和越來越有序。 我們完全可以預見，如果僅僅在地球範圍內，我們的社會結構最終會形成一種相對穩定的狀態。

但是，人與動物所不同的是，人可以改變他們的生存環境，從而獲得新的動力。 一個最明顯的例子是，人們不斷的向外層空間發展。 盡在目前階段，人們就已經直接觸及到了月球和火星。 完全可以預見，隨著科學技術的發展，人們還會觸及到更加遙遠的空間。 因此，人類社會的演化將比生物系統的演化要寬廣得多。

毫無疑問，耗散結構理論已經把我們帶到了一個無限廣闊的思維空間，揭開了關於我們自己的身體，社會和宇宙演化的序幕。 普里高津認為這一整套理論，是理解進化運動的關鍵所在。

柏拉圖說，人的靈魂來自一個完美的家園，那裡沒有我們這個世界上任何的污穢和醜陋，只有純凈和美麗。 靈魂離開了家園，來到這個世界，漂泊了很久，寄居在一個軀殼裡面，它忘記了自己是從哪裡來的，也忘記了家鄉的一切。 但每當它看到、聽到或感受到這世界上一切美好的事物時，它就會不由自主地感動，它就覺得非常舒暢和親切，它知道那些美好的東西，來自它的故園，那似曾相識的純淨和美好喚醒了它的記憶。