自组织与耗散结构

自组织与耗散结构

 

    自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。在自然界中这种现象是大量存在的，理论研究较多的典型实例如：贝纳德(Bé nard)流体的对流花纹，贝洛索夫－扎鲍廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化学振荡花纹与化学波，激光器中的自激振荡等。自组织理论除耗散结构理论外，还包括协同学、超循环理论等，它们力图沟通物理学与生物学甚至社会科学，对时间本质问题等的研究有突破性进展，在相当程度上说明了生物及社会领域的有序现象。

    耗散结构是自组织现象中的重要部分，它是在开放的远离平衡条件下，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和内部非线性动力学机制的作用，经过突变而形成并持久稳定的宏观有序结构。

    耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。普里戈金以多年的努力，试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终，在研究了诸多远离平衡现象后，使他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。

    耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。

    耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。^[5]可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。

(1)远离平衡态

    远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；热力学第二定律：dS/dt>=0，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：p_i=e^-Ei/kT，即温度为T的系统中内能为E_i的子系统的比率为p_i.

    近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格(Onsager)倒易关系和最小熵产生原理。前者可表述为：L_ij=L_ji，即只要和不可逆过程i相应的流J_i受到不可逆过程j的力X_j的影响，那么，流J_i也会通过相等的系数L_ij受到力X_i的影响。后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。

    远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。

(2)非线性

    系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。

(3)开放系统

    热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换d_eS和系统内的熵产生d_iS两部分组成的，即：dS=d_eS+d_iS
   热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即d_iS>=0，然而外界给系统注入的熵d_eS可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定，在d_eS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消掉系统内部的熵产生d_iS外，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。所以对于开放系统来说，系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。

(4)涨落

    一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。

    在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉，系统总要回到平均值附近，这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响，因而可以被忽略掉。然而，在临界点(即所谓阈值)附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。

    当在临界点处系统内部的长程关联作用产生相干运动时，反映系统动力学机制的非线性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同结果之间进行选择的问题，在这里瞬间的涨落和扰动造成的偶然性将支配这种选择方式，所以普里戈金提出涨落导致有序的论断，它明确地说明了在非平衡系统具有了形成有序结构的宏观条件后，涨落对实现某种序所起的决定作用。

(5)突变

    阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。

 

 

自组织理论是研究系统自组织过程的机制、规律和形式的科学，它强调从世界的本身去研究世界，因而自组织理论研究的是世界进化问题，唯物辩证法是关于发展（进化）的一般学说，自组织理论和唯物辩证法都研究发展、进化问题，了解两者之间的关系，对于坚持和发展唯物辩证法有着重要的意义。

 

一、  自组织理论的形成和发展 自组织理论是由耗散结构理论、协同学及超循环理论组成的一个整体。

 

 普利高津1969年提出的耗散结构理论是建立在对热力学第二定律的研究基础之上的。他把宏观系统分为三种：一是孤立系统，它跟其周围的环境不产生信息和物质的交换；二是封闭系统，它只与环境交换信息；三是开放系统，它与环境交换信息和物质。热力学第二定律引进熵这种新的系统状态函数，它与外界的信息交换有密切联系。热力学熵（混乱度量度）原理告诉我们：对孤立系统来说，平衡态是高熵态，是无序的；非平衡态是低熵态，是趋向有序的，而随着时间的推移，一个非平衡的孤立系统只可能从有序变为无序，而不可能自发地从无序变为有序。只有在开放系统中，系统与外界交换能量，产生负熵流（信息流）使系统的总熵值减少，才能形成有序化——耗散结构。耗散结构是一个开放的有序化的组织系统。

 

 耗散结构最本质的东西是它的有序性，这种有序性是建立在非平衡态基础之上的。问题是它能否保持一段时间，如果它仅是一瞬间的事情，这对我们是没有意义的。这实质上是耗散结构的稳定性问题。一个物理、化学系统可以有千千万万个小分子组织，我们经常测量的那些宏观量和温度、压强、能量、熵等，都反映着这众多微观粒子的统计平均效应，由于人们不能完全控制微观粒子的运动过程，所以系统在每一时刻的实际物理量并不是恰好处于这些平均值，而是或多或少有些偏离，这些偏差就叫涨落。涨落是偶然的，杂乱无章的，随机的。首先在平衡态中没有涨落发生，或涨落相对于平均值来说很小。在接近平衡态的非线性区，涨落的发生只会使系统状态发生暂时的偏离，而且这种偏离状态会不断衰减直到消失，最后必定回到稳定的状态；在远离平衡态的非线性区，系统处于一种动态的平衡之中，在临界点附近，这时系统的一个微观随机的小扰动就会通过相干作用得到放大，成为一个整体的、宏观的“巨涨落”，使系统进入不稳定态，从而又跃迁到一个新的稳定的有序状态。

 

耗散结构理论回答了在什么条件下，新的结构和新型的组织能够自发地形成，但对到底是怎样形成的却仅仅是初步探索，对这个问题的进一步研究，便产生了协同学理论。协同学的创始人哈肯对自组织系统下了一个明确的定义：如果系统在获得空间的、时间的或功能的结构过程中，没有外界的特定干预，我们便说系统是自组织的。这里的“特定”一词是指那种结构和功能并非外界强加系统的，而且外界是以非特定的方式作用于系统的。这是自然或客观事物自身自主地组织化、有序化和系统化的运动过程。这一过程具有三个明显的特征：它是一个反熵过程，是一个组织化、有序化提高的过程，在这一过程中具有充分自组织性和有序性的时空结构和功能行为从混沌状态中或从某种组织化有序水平较低的形态中产生出来；这是一个具有内在目的性和调节性的自发过程，自我完成的过程；新结构的产生或新结构的出现由少数几个序参量所主宰，序参量是决定系统有序化程度的宏观参量，是表示系统整体运动模式的状态参量。

 

自组织的运行机制由运动性质机制、自稳机制、突现机制及评价机制等四种基本机制的综合作用构成。其中突现机制是自组织运动中主要的核心机制，它是系统从低水平向高水平升级的直接过程，其主要表现为协同学的系统发展进化的质变过程和超循环理论的多样系统不断综合的过程这两种形式。自组织运动来自这四种机制的相互作用，其中任何一种单独的机制，或缺少任何一种机制的作用，都不可能完成自组织过程。协同学较耗散结构理论更进一步指出，一个系统从无序向有序转化的关键并不在于热力学平衡还是不平衡，也不在于离平衡态有多远，而在于只要是一个由大量子系统构成的系统，在一定条件下，它的子系统之间通过非线性的相互作用就能够产生协同现象和相干效应，这个系统在宏观上就能够产生时间结构、空间结构或时空结构，形成一定的自组织功能结构，表现出新的有序状态。

 

 如果说协同学是研究物理世界的自组织现象，然后把它推广到生物界和社会领域中的理论，那么，几乎与协同学同时产生的“超循环”理论则是直接从生物领域入手来研究非平衡系统的自组织的问题的。其中心思想是要说明在生命起源和发展的化学阶段和生物学进化阶段之间，有一个分子的自组织阶段。在这个进化阶段中，形成了今日人们发现的具有统一的遗传密码的细胞结构。这种统一的遗传密码的形成并不在于它是进化过程中的唯一可以进行的选择，而是在这一阶段形成一种超循环式的组织，这种组织具有“一旦建立就永存下去”的选择机制。超循环理论在科学界一直有很大争议，但寻求化学进化与生物进化的联系，无疑是一个重大课题。自组织理论的出现和发展，使系统科学的研究大大地前进了一步。但自组织理论本身是处在不断完善和发展过程中，关于自组织的临界状态以及自组织过程控制等问题的研究并未得到令人满意的结果；用自组织理论系统地研究社会经济系统更是一片待耕的处女地。

 

二、  系统自组织理论与辩证法“物质自运动”思想

 

“物质自运动”是辩证法的一个重要思想。黑格尔认为，“自运动”是生命力的表现，是生命（绝对精神）自身内部矛盾的表现。自运动又是同否定性思维联系在一起的。由于肯定性的东西在自身中具有否定性，因而它能在自身内引起变化，产生自运动。黑格尔上述的深刻思想是同神秘的绝对精神与概念的运动联系在一起的。列宁在读黑格尔《逻辑学》中有关“自己运动”的论述时，写道：“自己运动（这一点要注意，自生的、独立的）、天然的、内在的必然的运动”、“一切自己运动的原则”、“运动和生命力”。他认为这些思想是所谓“黑格尔主义”的实质，要把这些充满辩证法精神的合理的成分从唯心主义的泥坑中解脱出来，发展成为唯物主义的“物质自运动”思想。毛泽东也对这一思想进行了简要论述，他认为唯物辩证法把事物的发展看做是事物内部的必然的自己运动，其根本原因在于事物内部的矛盾性。由此可见，唯物辩证法关于“物质自运动”的思想有两个方面的含义：一是认为运动的源泉来自物质世界自身，世界的运动不是由于什么神秘的力量或上帝的第一推动引起的。二是认为物质运动的动力在于物质内部，是自身的运动，物之中必定有某种力量引起自身的运动，其最终源泉在于物体内部的矛盾。

 

唯物辩证法关于“物质自运动”的思想之最重要的意义在于驳斥唯心主义在于上帝创造世界、“上帝第一推动”的观点，从而确立了唯物主义的自然观。但是由于当时科学发展水平的限制，唯物主义哲学家还没有能够（当时也不可能）依据现代自然科学的有关材料揭示出物质自运动的内在的机制，特别是未能揭示物理世界运动的具体的方式。因此，唯物辩证法关于“物质自运动”的思想在没有进一步的科学理论加以说明之前还只是一种带有思辩性的哲学思想，具有科学假说的特点。 自组织理论的创立不仅证明了“物质自运动”的正确性，而且还进一步丰富了唯物辩证法关于“物质自运动”的内在机制与具体形式的思想，并从不同角度描述了自组织过程的机制、规律和进化形式，从而使“物质自运动”思想成为了一种科学理论。

 

耗散结构理论认为，在强制力保持一定的值时，迫使系统远离平衡态，在这种情况下，新的组织和新型的结构能够自发地形成。这说明，就新结构和新组织形成过程而言，物质运动的源泉、动力在于物质自身。协同学理论认为，当系统受到外界环境的影响达到一定的阈值后，也就是说外来的能量和物质聚积达到一定的程度时，子系统之间相互作用越来越强，系统便形成了协调运动，经过进一步的发展，原先的秩序有可能被打破而进入到一种临界状态，直到最后形成新的结构和新的组织。相对于耗散结构理论，协同学更进一步揭示了物质自运动的机理，即新结构和新组织的产生，不在于系统离平衡态有多远，而在于这个系统之间通过非线性的相互作用，就能够产生协同现象和相干效应。它强调的是子系统之间的非线性相互作用。超循环理论阐明了在生命起源和发展的化学阶段和生物学阶段之间，存在着一个分子的自组织阶段，而在这个进化阶段上，形成了具有统一的遗传密码的细胞结构，而这种统一的遗传密码的形成是由于在此阶段上形成了超循环式的组织，并且有“一旦建立就永存下去”的选择机制。

 

系统自组织理论不仅说明了生命现象有自运动特征，也说明了物理现象的自运动特征，这就把黑格尔对于“生命自运动”的大胆猜测而得出的“一切自己运动”的原则推广到了整个物质世界，这进一步证明了唯物主义的正确性，使唯心主义从它在科学中的最后避难所“牛顿力学”之中被驱逐出去。在系统自组织理论产生以前，唯物辩证法关于“物质自运动”的思想是通过对立统一的观点、肯定与否定的观点来说明的。在唯物辩证法看来，“物质自运动”是事物内部的必然的运动，是由于事物内部具有自身否定自身的因素。换言之，任何事物都是由肯定方面和否定方面构成，事物的自身否定性是事物运动的动力。建立在对立统一观点和肯定与否定观点基础上的物质自运动思想虽然也能有力地驳斥物质运动的外力论，也能直观地描述物的运动过程：种子——禾苗——种子（肯定——否定——否定之否定），但是对于物质自运动的具体过程和机理未能进行充分的科学论证。系统自组织理论的产生，不但科学地证实了物质自运动的思想，而且也证明了以对立统一为核心的唯物辩证法也具有科学性、预测性，从而为唯物辩证法的进一步发展奠定了基础。

 

 三、系统自组织理论与部分质变思想

 

系统自组织理论关于突变与渐变的思想深化了我们对于量变质变规律的认识，证明了从量变到质变过程中存在着一个部分质变的阶段。 量变和质变是事物运动的两种基本状态，一切事物的发展都表现为由量变到质变和由质变到量变的过程。在系统自组织演化过程中，当系统的外来能量和物质的聚积过程未达到阈值时，系统状态或质不发生变化，只是表现出一种“量”的积累，当外来能量和物质的聚积达到阈值时，系统子系统之间相互作用力加强，以至自组织产生新的结构和新的组织，于是质变就发生了。系统自组织的量变状态通常称为渐变，而质变状态通常称为突变或飞跃。在系统自组织演化中，突变与渐变是相互联系的，在相变过程中既有突变又可能有渐变，突变是渐变的中断。

 

超循环进化有两种突变形式：一种是通过会聚式发展，由低级循环发展到高级循环；另一种是已经形成的超循环的生长。前一种进化发生的是系统整体的突变，后一种进化发生的是系统的局部的突变和整体的渐变。整体的渐变过程中包含着局部的突变。系统自组织过程中，子系统的突变是经常发生的，但是只有出现与系统整体相应的这种子系统的突变才会演变为系统整体全局的突变。也就是说系统整体的突变是以系统内各子系统的局部质变为基础、以系统部分质变为前提，这表明在系统的量变到系统的质变过程中必然包含一个部分质变过程，从而证明了唯物辩证法关于部分质变原理的正确性。

 

 四、系统自组织理论与唯物辩证法的矛盾思想

 

唯物辩证法认为，对立面的同一和斗争是物质世界发展的动力和源泉，对立统一规律不仅适用于社会科学，也适用于自然科学。系统自组织理论认为，事物的进化是系统内各子系统之间相互作用的结果，子系统之间竞争与协同是系统进化发展的动力所在。系统自组织理论所指的竞争与协同是一种非线性的相互作用。相互作用是矛盾双方的吸引和排斥、同一和斗争、竞争与协同。相互作用有两种：线性的和非线性的。线性相互作用的矛盾双方是可以分离的，而非线性相互作用的矛盾双方是难以截然分开的，这样的对立双方是一种内在联系的有机整体。竞争与协同的关系正是建立在非线性相互作用的基础之上的，使系统产生整体行为，并形成具有整体性的矛盾体系，使系统成为牵一发而动全身的有机整体。在这个有机整体中，竞争与协同的矛盾成为该系统发展的源泉和动力。耗散结构理论认为，系统充分开放，远离平衡态为系统发生自组织演化创造了必要条件，而推动系统演化的动力则是系统内各子系统之间的非线性相互作用。

 

超循环理论在讨论生物大分子的自组织现象时也指出，只有通过竞争达到合作，形成协同整合的超循环组织，系统才能向高级阶段发展，直至导致生命的起源。可见在生物大分子自组织形成中对立面的相互作用仍然起着决定性的作用。协同学更一般地讨论了系统中的竞争与合作问题，哈肯认为：种种系统，都以其集体行为，一方面通过竞争，一方面通过合作，间接地决定自己的运动。例如孤粒子形成的非线性方程中，色散项体现了竞争发散的作用，而非线性项体现的是协作集中的作用。这两种相反的效应达到集中均衡时，双方的矛盾协调起来，就形成稳定的系统孤粒子。由此可见，竞争和协同的相互依赖、相互转化就是该系统发展的演化过程；竞争和协同的相互依赖、相互转化形成了该系统发展演化的推动力。

 

从上可见，系统自组织理论关于竞争与协同之间的排斥、吸引推动系统演化的思想，雄辩地证明了唯物辩证法关于矛盾是事物运动、发展的动力与源泉的论断。系统自组织理论并没有否定唯物辩证法的矛盾思想，相反，它关于系统之间非线性相互作用是一种内在的有机的相互作用的思想却深化了我们对于矛盾的认识。过去我们所认识到的矛盾之间相互关系的确带有一种简单性、机械性，系统内的非线性相互作用的思想使我们对于对立面的双方的关系的认识得到了升华。不过这并不能说明矛盾思想已过时。相反，系统自组织理论丰富了唯物辩证法的矛盾思想，同时也说明矛盾思想有相当大的发展余地。

 

有研究者认为，自组织协同学强调协同是对唯物辩证法关于对立统一关系的论述的否定，特别是对毛泽东有关对立统一论述中“对立面的斗争是主要的，同一是次要的”论断的否定。其实这是对自组织理论中有关观点的误解。自组织理论尤其是哈肯的协同学并不否认协同的对立面竞争在于自组织运动的过程中，乃至事物运动整个过程中的作用。相反，没有竞争，也没有协同。协同作为一种状态的存在并不否认另一种状态的竞争，正如哈肯所说的竞争与合作都是决定系统的运动，而不仅仅是协同。固然以往有关系统理论并未重视协同在系统自组织运动过程中的作用，而哈肯重点说明协同在系统自组织运动过程中的重要性，故称“协同学”，但这并不意味着协同学完全否认竞争。就哈肯本人而言，也从未否认竞争。竞争与协同在协同学中依然是互相作用、互相依存的对立统一关系，而不是截然对立的。毛泽东关于对立与同一的辩证关系的论断也仍然有其适用性。因为在特定状况下，竞争而不是协同在运动中起着主要的作用。当然，毛泽东说，斗争是主要的，这有其特殊的时代背景。但当今无论自然科学还是社会科学的成果都未否定斗争与同一的辩证关系。我们从以上三个方面说明了系统自组织理论的确证明了唯物辩证法的科学性。国内外有人以系统科学的出现为契机，提出了建构系统哲学、系统辩证法的设想，这并不能说明唯物辩证法或传统的以对立统一学说为核心的唯物辩证法已过时，本文已充分说明了唯物辩证法的基本规律对于系统科学中的许多思想仍有其解释力。