耗散结构理论

　　耗散结构理论是比利时布鲁塞尔学派领导人普利高津（I.Prigogine）教授1969年在一次“理论物理与生物学”的国际会议上，针对非平衡态统计物理学的发展提出的。理论指出，一个远离平衡态的开放系统，通过不断地和外界交换物质和能量，当外界条件达到一定的阈值时，系统可能从原来的无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。普利高津把在远离平衡态情况下所形成的有序结构命名为“耗散结构”。耗散结构理论就是研究耗散结构的性质，以及它的形成、稳定和演变规律的理论。

　　耗散结构理论研究的对象是开放系统。宇宙中的系统无一不是和周围环境有着相互依存和相互作用的开放系统，不论是有生命的，还是无生命的，都是如此。因此，这一理论涉及的面之广，在科学发展史上是罕见的。这一理论从诞生到现在，短短的二十几年中，在各方面的应用都已取得了可喜的成果。

　　我们应该清楚地看到，在自然界、科学实验、乃至社会现象中，从宏观上看，都有必要、也必须区分平衡结构（平衡状态下的稳定化有序结构）和耗散结构（耗散状态下的稳定化有序结构）。这里所讲的平衡结构，是指热力学意义上的平衡，即在与外界没有物质、能量交换的条件下，宏观系统的各部分在长时间内不发生任何变化。而耗散结构是指宏观系统在非平衡条件下，通过和外界不断地进行能量和物质交换而形成并维持的一种稳定化了的有序结构，即在非平衡态下宏观体系的自组织现象。通俗一点讲，平衡结构是一种“死”的有序化结构，而耗散结构则是一种“活”的有序结构。我们熟知的晶体和液体是比较典型的平衡态下的稳定化有序结构。连续介质力学中的“贝纳特不稳流”则是布鲁塞尔学派最早用来说明耗散结构物理图象的一个例子。这个实例说，加热一个液体系统，液体内会产生一个温度梯度。温度梯度较小时，热量通过传导在液体中传递，不存在一种有序的自组织现象。但如果继续加热，当温度梯度达到一定的特征值时，一种有序的对流元胞会自动呈现，整个体系则由无数个这种对流元胞组成，它对应于一种高度有序化的分子组织，此时热量是通过宏观对流来传递的。这种图象就称为“贝纳特花样”，如右图所示。这种产生在不稳定之上，当体系达到某一特征值时稳定化的宏观有序的新组织、新结构，就是所谓的耗散结构。

　　热力学第二定律指出，熵是无序度的一种量度。熵增加原理又指出，孤立系统的熵永不减少。它终究要达到一个极大值，此时对应于一个热力学的平衡态。因此高熵对应于平衡态，低熵对应于非平衡态。而对于布鲁塞尔学派来说，耗散结构是“非平衡态是有序之源”这一基本出发点的必然结果。对于一个和外界可以交换能量或物质的开放系统，在时间dt内，体系熵的增加量ds，应该由两部分组成。一部分是由于体系和外界交换能量及物质而引起的熵增，称为熵流，用d_es表示。另一部分称为“熵源”，顾名思义，它是由于体系内部的不可逆过程所引起的，用d_is表示。ds可表示为ds＝d_es+d_is。熵增加原理告诉我们d_is≥O。而对于一个开放系统来说，只要满足d_es＜-d_is，总熵变可以小于零。由此可见，负的熵流可以使体系的熵减少，形成有序化。当一个开放系统处于稳定态的时候，必然有ds/dt＝0，因而d_es/dt=-d_is/dt。可以在开放系统得到一个有序化原理：非平衡态是有序之源。或者讲，在开放的非平衡耗散条件下，在存有负熵流的情况下，体系有可能出现耗散的有序化结构——耗散结构。

　　我们可以把非平衡区分为近平衡区（又称线性非平衡区）和远离平衡区（又称非线性非平衡区）。系统处于近平衡区的定态时，外界的约束是微弱的，系统向平衡态的过渡是连续的，此时系统具有接近于平衡态的某些性质，如空间均匀性。此时系统不可能出现有别于平衡结构的空间自组织结构。而在非线性非平衡区则不同，当约束条件变化时，体系将逐渐偏离平衡态。当约束条件的值超过某一特征值时，体系变得不稳定。此时一个微小的扰动就可以使体系离开不稳定的定态，进入一个稳定化的状态——有序化的耗散结构。

　　布鲁塞尔学派认为，耗散结构的形成的直接原因是涨落。从本质上讲，耗散结构的出现，对应于一个巨涨落，例如贝纳特不稳流中的温度梯度特征值。

　　耗散结构理论所研究的对象极其广泛，几乎覆盖了整个宇宙，它的诞生和发展，不仅对自然科学各个领域的发展产生巨大的推动作用，而且对社会科学的各领域的发展也将产生巨大的作用。

普利高津曾经不无感慨地说：“我们耗费了近20年心血，即从1947年到1967年，最后终于得到了‘耗散结构’的概念。”普利高津也由于耗散结构理论的建立获得了1977 年诺贝尔化学奖。正如美国著名未来学家托夫勒所言，普利高津和同事们的工作“可能很好地代表下一次的科学革命，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。”

一 科学意义

耗散结构论的创立，促使我们重新考察科学的方法、目标、认识论、世界观等问题。可以说，它是改变科学本身的一个杠杆，也是科学的历史性转折的标志。

（一）科学研究的切入点——“重新发现时间”

耗散结构论的创立缘于普利高津的独特视角，即从历史科学出发对自然科学的思考。而对时间本质的再次认识是他对系统的整体性认识的切入点。

普利高津认为，虽然近代经典科学曾经激起了人与人之间一场富有成果的对话，但也造成了某些灾难性的文化后果。“两种文化”的对立在很大程度上就是起源于经典科学的没有时间的观点和大多数社会科学与人文科学中普遍存在的时间定向之间的冲突。

在普利高津看来，科学更新在很大程度上就是重新发现时间。在经典力学中，对任何事物运动的描述是无所谓历史的，即没有时间的优势方向，没有时间之矢，没有演化；事物过去如此，现在如此，将来依然如此。十九世纪的经典热力学，由于克劳修斯等人将熵概念引入并完善了热力学第二定律而得到发展，使人们发现孤立系统内部的分子热运动会随着时间的推移，形成走向无序的熵增加不可逆运动，因而开始重视物质运动本身客观存在着的不可逆性时间。但是，在热力学第二定律中，时间所对应的运动只是一种仅能用线性关系描述的单调量变过程，它所表征的时间内涵依然没有摆脱机械决定论的色彩，依然具有简单性。爱因斯坦虽然在狭义相对论中通过对静止参照系与运动中的参照系之间的比较，指出同时性是相对的，但并未把时间与物质世界的复杂演化、发展进程联系起来，也因此无法解决热力学第二定律与生物进化论在时间箭头方向上的根本矛盾。

按照传统的自然观，自然的基本过程是决定论的和可逆的，包含随机性和不可逆的过程仅被看作是一些例外。但是，“我们正越来越多地觉察到这样的事实，即在所有层次上，从基本粒子到宇宙学，随机性和不可逆性起着越来越大的作用。”[3]对这种不可逆过程的研究， 正是重新发现时间的关键。研究表明，在远离平衡态时，系统的热力学性质与平衡态及近平衡态有本质的不同，在这个区域可以实现从简单到复杂的演化，出现以耗散结构为特征的有序性。这就对时间观念做了重大修正。自然界不再是僵死的、被动的，可逆性与决定论只适用于有限情况，不可逆性与随机性则起着根本作用，自然界必然是一个进化的自然界。科学正在重新发现时间，由此“一种动态的观点已在几乎所有的科学领域中盛行，进化的概念好象成了我们物质世界的核心。”

可见，耗散结构论以其对时间本质的再认识这一切入点的独特性，具有重要的方法论意义。

（二）科学研究的本质——“人与自然的同盟”

在普利高津的视界中，人们对自然的发问所采取的形式是多种多样的。科学正是这样一种形式。科学不是独白，而是人与自然的对话。

由于实验方法的发明，近代科学开创了人与自然的一次成功对话。但是另一方面，这次对话的首要成果却是发现了一个沉默的世界。近代科学主张主客观严格分离，坚持在科学探索中排除主观的成份以追求绝对客观性，这样，人与自然的关系，不是一个整体，而是互相分离着的。研究者相对于自然来讲是一个旁观者，其任务就是不加任何偏见，公正地描述自然界中发生的一切。普利高津认为，经典自然观“试图把物质世界描述成一个我们不属于其中的分析对象，按照这种观点，世界成了一个好像是被从世界之外看到的对象。”在这种意义上，与自然的对话把人从自然界中孤立出来，而不是使人和自然更加密切。人类发现自身是完全孤独的，就像一个吉普赛人那样生活在异国他乡的边境上，世界对他弹奏的音乐充耳不闻。普利高津说：“近代科学使它的反对者以及部分支持都感到恐惧。反对者把他看作是致命的危险，支持者从科学所‘发现’的人的孤独中看到了必须为这个新理性付出的代价。”

但是普利高津认为，现代科学的发展也为我们带来“某种更加普适的信息”，这种信息关系到人与自然以及人与人之间的相互作用。经典自然观之所以主张人与自然完全分开，原因在于它主张自然过程在本质上是可逆的，自然规律具有普适性和客观性，唯此，人才能以观念、旁观者的身份去认识它。耗散结构理论表明，自然的演化是一种不可逆过程，人类对自然的认识也是在这不可逆中进行的，人类不可能脱离这个不可逆过程而去研究不可逆过程的问题。“虽然可逆过程与不可逆过程的区别是一个动力学问题而且并不涉及宇宙学的论据，生命的可能性、观察者的活动却不能从我们恰好身在其中的宇宙环境中分离出来。”[4] 可以说，由不可逆的发现所暗示的动力学变化，使我们对玻尔的著名论断有了新的认识：在这个世界上我们既是演员又是观众。我们对世界的描述，“是一种对话，是一种通信，而这种通信所受到的约束表明我们是被嵌入在物理世界中的宏观存在物。”

因此，耗散结构论一个重要科学意义在于，它重建了人与自然的同盟。正如普利高津所言：“代替‘现在即意味着将来’的观念结构，我们正步入一个世界，在这里将来是未决的，时间是一种构造：我们所有的人都可以参与其中。”

（三）科学研究的生长点——“学说间的交锋”

普利高津认为，科学自近代以来的历史的发展远不是直线式地展开的，它并非向着某个固有真理的一系列的逐渐接近，而是充满着矛盾，充满着难以预料的转折点。在动力学的静态观点与势力学的进化范式之间有着明显的矛盾，这是两种根本不同的世界图像和发展演化方向。那么，究竟哪一种更符合世界的本性呢？动力学与热力学有没有统一性？这些问题的解决，必然会带来世界观的变革，产生重大认识论和方法论的影响，掀起科学思维模式革命的高潮。

普利高津不无兴奋地说：“科学史中如此充满希望的机会是很少的：两个世界（动力学的世界和热力学的世界）面对面地走到一起。”牛顿科学是一种成果，是对几个世纪的实验及理论研究路线集中的综合。对热力学来说，同样也是如此。不同问题和观点的集中有利于激励科学的开化，而全局性的问题往往是鼓舞科学的源泉。他认为，几种学说的交锋，存在和演化之间的冲突，提出了一个新的转折点已经来临，指出了一个新的综合是必要的。

具体地讲，可逆变化属于经典科学中动力学的核心，它确定了对一个系统施加作用和控制该系统的可能性，即动力学对象可以通过其初始条件来加以控制。热力学系统则不同，它不是借助于粒子间的相互作用来预言系统的变化，而是预言当我们从外部对该系统施加一些改变时，系统将怎样做出反应。然而，热力学系统以可逆为基础只是理想表达，不符合任何实际系统。在热力学中，dS＝d[,e]S+d[,i]S的真正含义就是它表达了系统的真实情况，它意味着平衡态在孤立系统中是非平衡态的一个吸引中心，这与边界条件确定的变化不同，它已经包含着不可逆性运动。但是，经典热力学只关注孤立系统和封闭系统，对开放系统则置之不理。而普利高津认为，开放系统更加能体现热力学的本性。对于开放的热力学系统来说，它的本质就是系统处于热运动的不可逆的过程中，即不可逆性体现了运动过程的基本特征。进而，他从熵变入手，基于经典热力学理论而扩张到非平衡态相变系统中去，阐明了熵的世界观的主要观点。

从以上过程可以看出，耗散结构论的创立，是普利高津对经典的动力学和热力学批判地继承和发展的结果，它体现了动力学与热力学二者的综合。动力学与热力学的矛盾之处，正是耗散结构论的理论生长点。这也正如怀特海所言，几种学说的交锋，并不是一场灾难，而是一个好机会。

（四）科学研究的重心——“从存在到演化”

从近代科学以存在的、被组织的眼光看待自然，到以演化的、自组织的眼光看待自然，是一次重要的科学革命，它标志着科学研究重心的转移。其中，耗散结构论是这一转移的典型代表。这包括以下两个方面：

一方面，从整个科学的发展历程看，普利高津冲破了关于孤立系统、封闭系统的习惯思维的束缚，从有关开放系统的研究入手，并根据热力学第二定律，讨论了自然界的发展方向问题。在19世纪，关于自然界的发展方向有两种对立的观点。克劳修斯认为，自然界的发展是从有序到无序，从复杂到简单，最后达到宇宙“热寂”的退化过程。达尔文则认为，生命从单细胞到人类的发展是从无序到有序、从简单到复杂的进化过程。从现象上看，生命世界和物理世界似乎有着完全不同的规律和发展方向，这就产生了热力学和进化论的矛盾。耗散结构理论指出，一个开放系统通过与外界交换物质和能量，可以从外界吸收负熵流抵消自身的熵产生，使系统的总熵保持不变或逐步减少，实现从无序向有序的转化，从而形成并维持一个低熵的非平衡态的有序结构。这就表明，自然界中两种相反的发展方向可以在不同条件下存在于同一个总过程之中，并在这个意义上解决了进化与退化的矛盾。

产生耗散结构，除了要求一个远离平衡态的系统从外界吸收负熵流以外，还需要系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用。这种相互作用会使系统产生协同作用和相干效应，通过随机的涨落，系统就会从无序转为有序。反之，如果系统处于平衡或近平衡态，则涨落是破坏系统有序的因素，它会使系统向无序方向发展。

这样，耗散结构论把物理学推进到非平衡态热力学的发展阶段，实现了知识从动力学向热力学、从热力学到生物学的过渡。

另一方面，从系统科学自身发展历程看，耗散结构论的创立标志着系统科学研究重心的根本转移。早期的系统科学主要在于确立对待系统的整体的科学态度，在于把握系统存在的某些最一般的属性。比如，贝塔朗菲主要描述了开放系统的一些基本特征，维纳的着眼点则是系统中信息的转换，以及伴随这一过程而显示出的通讯和控制。普利高津则特别关心系统的演化及熵变的作用，着眼于描述系统演变和发展过程中所表现出的整体性，并形成了以自组织理论为标志的新的科学理论。

由以上两个方面可知，普利高津的耗散结构理论实现了科学研究重心从存在、被组织到演化、自组织的转移。

总之，耗散结构理论在科学研究的切入点、本质、生长点、重心等方面给了我们许多有益的方法论启示，具有重要的科学意义。

二 哲学意义

耗散结构论的创立，不仅具有重要的科学方法论意义，而且具有重要的哲学世界观意义。Mb4
普利高津认为，为了理解科学在总的文化中的地位，必须把科学史放到观念史的框架中去，甚至把科学与文化的演变合成一个整体来加以考察。而哲学作为观念、文化的代表，与科学必然具有密切的联系。在他看来，科学就其实质而言，是人与自然的对话；并且，“不言而喻，科学与哲学是汇合在一起的，科学发现了权威性的自然哲学的原理。”[3]随着科学的每一次重大进展， 我们的自然哲学观念也会发生重大变革。在科学的每个伟大时期，都引出了某种自然界的模型：对经典科学来说，这个模型是钟表；对19世纪的科学即工业革命时代来说，这个模型是一个逐渐慢下来的发动机。毫无疑问，耗散结构论的创立，也必然会带来自然观的深刻变革。

（一）从机械决定论到辩证决定论

决定论和非决定论是本世纪哲学研究中最有争议的问题之一，也是当代科学最关心的问题之一。

机械决定论的基础是牛顿力学方程，它认为只要存在某种原因，就必然会导致某种结果，即因果关系是一种单值函数关系。拉普拉斯把这一思想发展到了顶点。他宣称，只要找到一个无所不包的宇宙方程，而且知道宇宙的一些初始条件和边界条件。那么，无论过去还是未来，一切都会昭然若揭。

耗散结构论的创立极大地丰富了决定论的内涵：首先，它重新认识了时间的本质。耗散结构理论认为，当一个开放系统远离平衡态时，由于其内部的非线性相互作用，系统从一种状态跃迁到另一种状态。时间在这里是一种不可逆的演化过程，而不可逆性即意味着非机械决定论。其次，耗散结构论的涨落、分叉、临界点等概念进一步深化了事物演化的非机械决定论本质。涨落不仅具有对系统的稳定性产生干扰的作用，而且更重要的是它在系统演化中所起的诱发器作用。涨落的形成是随机的，系统对涨落的选择也是随机的。这样，系统的演化就不是机械决定论的，而是有某种随机性。但从整个演化过程来看，进化和发展又是不可避免的，即在演化的整体上具有一定的规律性和决定论性。

可见，机械决定论和非决定论都是不可取的，耗散结构论的创立，使辩证决定论得以发扬。

（二）从简单到复杂=

普利高津指出，相信现实世界的简单性，是自德谟克利特以来在西方思想中形成的基本信念，比如牛顿就曾认为，自然界喜欢简单化，而不爱用什么多余的原因去夸耀自己。这种信念的形成主要有两个原因：其一是近代科学的分析精神，即还原论方法；其二是对不可逆过程重要性的错误认识。

耗散结构论的创立则彻底改变了这种信念。首先，不可逆过程和可逆过程一样实在，不可逆过程同我们不得不加在时间可逆定律上的某些附加近似并不等价。其次，不可逆过程在物质世界中起着基本的建设性的作用，它们是一些重要的相干过程的基础。所以，对随机性和不可逆性是自然过程的基本要素的认识，必然导致一种对物质的新认识：“物质不再是机械论世界观中所描述的那种被动的实体，而是与自发的活性相联的。”[3]过去，我们总认为活性、 复杂性这些概念只与生物有关，在非生物界，自然过程是简单的。耗散结构论表明，事实远非如此，不仅在生物学中，在物理学和化学中也存在着进化，存在着不断增加复杂性的演化过程。可见，由于认识到不可逆过程在自然界中的重大作用，人们已经看到自然过程的复杂性本质。正如普利高津所言：“自六十年代以来，我们目睹着数学和物理学中掀起的革命，它们正迫使我们接受一种描述大自然的新观点。长期以来，不可逆现象热力学、动力系统理论以及经典力学平行发展，最后共同提出了一条必由之路：简单与复杂、无序和有序之间的距离远比人们通常想象的狭得多……复杂性不再仅仅属于生物学了。它正在进入物理学领域，似乎已经植根于自然法则之中。”

（三）从外力论到整体论

世界演化和发展的原因是什么呢？古代及近代的主流观点认为，世界演化是外部特定指令作用的结果。亚里士多德试图寻求“第一推动”，托马斯·阿奎那证明“第一推动者即上帝”，牛顿等近代科学家则从科学上得出外部作用是事物存在、运动的原因的结论。这种外力论自然观从根本上颠倒了事物演化的原因，并进而造成了各种宗教、神学理论。

因相结合的整体论。在系统的自组织中，内部原因是根据，外部因素是系统演化的条件。系统内涨落、非线性作用机制等是系统演化的内在动力；同时，只有开放的系统才能演化，系统与外界环境保持物质、能量、信息的交流。自组织演化并不意味着自身孤立地运动，而是多种因素协同作用的结果。我们看到，耗散结构论在一定程度上发展了外部条件的作用，将自身与外部联系在一起，从而形成一种整体运动。因此，我们认为，耗散结构论的自组织演化观在摒弃了自然界演化外力论的同时，又肯定了外部因素的作用，但这种作用是通过系统内部的自组织机制而实现的，从而形成了关于自然界演化、发展原因的整体论观点。

耗散结构论的创立，还提出了许多重要的哲学问题，具有重要的哲学意义。限于篇幅，这里不再深入讨论。

三 总结

综上所述，通过耗散结构理论，普利高津讨论了自然界的可逆性与不可逆性、决定性与随机性、简单与复杂、存在与演化等一系列重要问题。他对热力学第二定律做出了新的解释，讨论了时间之“矢”的意义，提出应当“重新发现时间”。他还总结了近代科学发展史的历程，把科学的演进放在一定的文化背景中，提倡在一个更高的基础上建立人与自然的同盟，从而形成了一种新的科学观与自然观，具有十分重要的科学与哲学意义。