十年砍柴 黑熊精:耗散结构出现的条件和一般规律

耗散结构出现的条件和一般规律市民在线 > 市民心声 > 学习俱乐部油切冰菊2007-11-02, 11:19 　尽管耗散结构理论从上个世纪中叶就已经形成，但从这门科学所面临的问题的复杂性来说，它还仅仅是揭开了复杂科学的序幕，与这座宏伟大厦的完成还有相当遥远的距离。目前，对这门科学的研究主要沿着以下三个方向进行：
　　1． 对耗散结构形成的条件进行研究，包括对各种不同的对象建立数学物理模型，力争获得解析解；
　　2． 对突变过程进行研究。在传统的观念中，突变过程是完全随机的，无法进行定量的研究。自从耗散结构理论发现以来，人们对突变现象做了大量的研究，人们发现，突变过程并不是不能够定量研究的，而且取得了许多重大的科学成果，以至于形成了一门专门的科学——突变论。
　　3． 对耗散结构理论的延伸——使之进入生物科学、历史科学、宇宙科学和哲学领域等。
　　从深度和广度来看，几乎可以说没有任何一门科学理论能够像耗散结构理论那样跨越了如此多的学科，并从研究对象的起源到无穷的演化过程进行研究。因此，我们这里也只能够对这一理论的做概括性的介绍。
　　（一） 耗散结构的形成
　　1． 远离平衡是耗散结构形成的必要条件
　　经典热力学已经证明，任何孤立系统，即，不消耗能量的系统最终必然走向平衡态，从而使熵达到最大值。这就是我们通常所说的“死亡”状态。
　　普里高津的重要贡献在于，他发现当系统处于远离平衡的条件下，原有的平衡态将失去稳定性，一些涨落通过耦合作用而被放大，而使系统形成一种新的有序结构，即，耗散结构。形成耗散结构的必要条件是系统必须远离平衡态，即，必须通过外界向它供给能量才能够形成和维持这种结构有序。
　　系统处于远离平衡是出现耗散结构的必要条件，但不是充分条件。即是说，使系统处于远离平衡还仅仅出现耗散结构的一种可能性，而不是充分条件。正因为耗散结构的出现还有很多其它限制条件，因此，甚至有不少哲学家把生命的出现看成一种偶然事件。
　　2． 分支
　　耗散结构从本质上讲就是系统从一种状态，通过分支，即，通过“突变”而进入另一个有序状态。因此，研究系统的分支现象就非常重要。
　　由于进化系统首先必须是一个复杂系统，即是说系统内部有非常多的子系统。系统的整体变化往往是从局部变化开始的，这就是我们通常所说的量变过程。但对于这种量变过程，对局部来说它又是突变。
　　无论是对子系统或是对整体系统来说，耗散结构的出现都必须首先经历一个线性区。在这个区域，系统成线性变化，并且是稳定的。当系统进一步远离平衡，即，增加开放度的时候，系统的控制方程除了热力学方程以外，还必须加入动力学方程。这时，系统将由一组热力学和动力学非线性微分方程组控制。
　　在一个庞大的复杂体系中，当系统越过稳定区以后，其中的一些子系统开始变得不稳定，即是系统将出现分支现象。如图1所示：我们要指出的是，系统的分叉有很多种形式，如，稳定分支、不稳定分支、单稳定分支和极限环型分支等。随着开放度的进一步增加，系统还会出现高级分支现象，如图2所示：系统的分支，意味着系统的复杂性增加。达尔文的生物“生长树”揭示了生物在生长过程中的分支现象。比如，古猿的分支结果就“生长”出现代的“猿”和“人”；生命的进化也是通过不断的分支，使得生物的内部结构越来越复杂；社会的分支也使得原始的单一结构演化到现代的异常复杂的社会结构。
　　3． 涨落——进化运动的革命性因素
　　在传统的观念中，各种随机因素总是微不足道的，“细浪”不可能掀翻大船。然而，近代科学却恰恰证明，正是这些“微不足道”的随机因素（涨落）才是系统进化的真正的革命性力量。
　　尽管系统出现了不稳定，它将出现分支，如果没有涨落的出现，这种分支也会变得很单调，甚至无法进行。所谓的涨落就是一种随机的扰动。并且这些涨落不仅大小无法确定，而且它的结构和特性也异常的复杂，几乎是不可决定的。比如，战争中的天气，大气运动中的各种温度扰动，人们头脑中各种无时不存在的“奇怪”念头等等都是涨落。
　　在系统处于稳定状态的时候，这些扰动的确是“微不足道”的，它的出现很快就会被系统所消灭，这就是不对它引起重视的根本原因所在。
　　但是当系统处于不稳定的时候，涨落再也不是微不足道的了。它的行为甚至将在结构变化中起到决定性的作用。为了清楚说明涨落的革命性贡献，我们可以用下图来予以说明： 图3.涨落的饿革命性贡献图示在图3中当小球运动到不稳定点C点时，随机扰动的性质几乎完全可以决定小球是向A分支，或是向B分支运动。当然，在复杂系统中，系统究竟是向A分支，或是向B分支运动，它将取决于原始的系统结构和涨落性质的综合影响。用历史的观点来说，就是历史的走向是由历史本身和随机因素共同决定的。
　　4． 竞争机制的作用
　　当系统处于不稳定的时候，它的子系统就像“链式反应”一样将大量出现分支结构，从而使系统越来越复杂，这就是我们通常看到的爆炸现象。由于系统大量的复制子结构，当它达到一定数量的时候竞争机制就将起作用。通过这种竞争，最后保留一个“最适合生存”的结构。
　　进化系统选择的本质是系统在远离平衡的条件下所发生的耦合作。即，通过系统内部的复杂因素共同加强或削弱某些子系统，以加速它们的成长或者消亡。普里高津经过计算，如果没有这种竞争的耦合作用，生命的出现将还需要几万万万亿年，几乎是整个宇宙年龄的数万万万倍。
　　当生命出现以后，大约在4至5亿年左右，便出现了大规模的“生物大爆炸”。即是说当时出现了大量的生物物种。如果说生命在起源过程中我们未能亲眼看见生命物质的大爆炸，而缺乏物质证据的话，那么生物大爆炸则可以提供实物证据。近年来，我国在许多地方都发现了大量的古生物化石，其中在重庆巫溪县就发现了大量的在四亿五千万年左右海洋生物化石。在这些化石中可以清楚的看到在那个时代已经出现了堆积如山的海洋生物。达尔文早就证明，今天的生物正是古代生物通过竞争淘汰机制而留下的“优良”品种。
　　5． 巨涨落的出现——完成从混沌到有序的突变
　　如果仅仅是单个的子系统出现不稳定性，系统还不会发生根本性的变化。然而，对于一个处于远离平衡的复杂系统，系统中将会出现耦合作用，即，一系列复杂因素将共同加强某些涨落，使之得到放大。对于这些放大了的涨落，再也不是像平衡态那样的“微不足道”的因素了，而是具有了较大的宏观规模。
　　然而，在复杂系统中复杂因素并不是只对某一个涨落进行加强，而是对多个涨落都同时得到了加强，使它们具有了一定的宏观尺度。而这些得到加强的涨落具有非常独特的性质，它的运动是完全随机的，不可预测的。因此，整个系统所处于的状态也是混乱的，无法预测的。我们通常把这样的状态叫做混沌态。
　　混沌态与平衡态的区别在于，混沌态是具有宏观尺度的涨落之间的“混乱”，而平衡态则是分子水平上的“微观”混乱。混沌态是具有生命迹象，如生命中的蛋白质、核糖核酸，战争中的各个大的集团之间的混乱；而平衡态则完全是无生命力的，“死”的混乱。
　　对于涨落的运动特性也并不是完全不知的，任何事物都是在“可知”与“不可知”之间徘徊的。对涨落的认识也是如此，并且随着科学的发展，人们已经逐步深入到涨落的内部结构中去了。
　　在一定意义上，混沌态也是一种吸引子。它具有非常复杂的内部结构，它的维数甚至可以是非整数；它的运动对初始条件异常敏感，只要有十分微小的变化，它的运动特性就会发生巨大变化。曾经有这样的报告，在一定条件下，在印度的上空的一只麻雀的扰动就有可能导致远在太平洋彼岸的美国出现一次巨大的风暴！正是由于混沌态中的吸引子有如此古怪的特性，科学家们通常把它称为“奇怪吸引子”（strange attractor）。
　　尽管奇怪吸引子有如此古怪的、琢磨不透的特性，混沌态的发展总是围绕这些“奇怪中心”来运动的。比如，在世界大战中，或者古代朝代更迭中，战争场面总是千变万化的，但战争的走向总在这些集团之间交替进行着。随着演化过程的逐步发展，这些奇怪吸引子逐步被更大的吸引子所代替，最终形成一个巨大的吸引子。这个吸引子就是通过一个“微不足道”的涨落逐步演化形成的“巨涨落”。
　　很显然，巨涨落完全是一个新的结构，它已经取代了原有的结构。这个新的饿结构就是耗散结构。因此，普里高津把这种从混沌到有序的过程称之为“通过涨落的有序”。而毛泽东则用诗一样的语言成之为“星星之火可以燎原”。
　　从这里我们可以看到，整个突变过程，首先是由于系统远离平衡，导致系统出现不稳定，从而出现大量的分支结构，使系统进入混沌态。然后，随着进一步开放，系统通过“涨落的有序”，形成新的巨涨落而取代原来的结构。这个新的结构是比原有结构更复杂，但更有序的高级结构。
　　我国著名物理学家郝柏林从物理学的角度对分支、混沌和奇怪吸引子的特性做了深入研究，如图4.所示。从该图中可以清楚的看到系统从平衡态，或低级有序结构通过分支，进入混沌态，最后又通过“涨落有序”形成新的，高级的有序结构的全过程。
　　对于生命系统来说，它已经演化了几十亿年了，即使对生物系统也演化了几亿年，已经进入了相对稳定的阶段，我们已经无法看到从平衡态到有序的突变过程。但对人类社会系统来说才演化了几千年，尤其重要的是，我们目前正处在一个历史巨变的时期。因此，我们可以看到大量的突变现象。图5就是我国正在进行的从计划经济到市场经济的突变过程的真实记录。从图中完全可以看到我国的经济体系从分支，到混沌再到新的有序的过程。图5.我国经济体制改革的过程图
　　6． 高级系统的无限演化
　　我们目前在实验室中观察到的耗散结构是很低级的耗散结构。对于这种结构，当我们的开放度进一步加大时，它不是进入更高级的有序状态，而是进入耗散更大的混沌状态。但对于生命系统、生物系统和人类社会系统，在它的形成过程中都经历了漫长的，开放度逐步增大的演化过程。即是说这些高级的进化系统都经历了无数个阶段的演化。普里高津把这个演化过程描述为；这个图示说明，当复杂系统处于非平衡状态，并达到一定阈值的时候，系统出现不稳定性。然后“通过涨落的有序”形成耗散结构。由于这个新的 结构是在更加远离平衡的状态。因此，它需要消耗更多的能量，即增加耗散。这个新增加的耗散又确定了一个更高的阈值，也即确定了发生下一个结构飞跃所需的能量耗散。依次逐步演化，系统便从一个阶段到另一个阶段运动，进化系统也逐步从低级到高级逐步发展。
　　我们应当注意到，进化系统的演化过程总是与环境状态紧密相连的。也即是说，当环境不变，系统内部完全与环境状态相适应的时候，系统的内部结构也进入相对稳定的状态。比如，我们的地球环境在最近几千万年内并没有教大的改变，因此，这一时期的生物特征也没有太大的变化。
　　而我们的文化状态就与生物的情况有很大的不同。因为我们的社会系统才仅仅有几千年的历史，因此，我们的社会结构与环境系统还远远没有达到完全适应的状态。社会消耗的能量也在不断的、迅速的增加，社会结构也越来越复杂和越来越有序。我们完全可以预见，如果仅仅在地球范围内，我们的社会结构最终会形成一种相对稳定的状态。
　　但是，人与动物所不同的是，人可以改变他们的生存环境，从而获得新的动力。一个最明显的例子是，人们不断的向外层空间发展。尽在目前阶段，人们就已经直接触及到了月球和火星。完全可以预见，随着科学技术的发展，人们还会触及到更加遥远的空间。因此，人类社会的演化将比生物系统的演化要宽广得多。
　　毫无疑问，耗散结构理论已经把我们带到了一个无限广阔的思维空间，揭开了关于我们自己的身体，社会和宇宙演化的序幕。普里高津认为这一整套理论，是理解进化运动的关键所在。