新三论 普 利 高 津----他的耗散结构理论和科学思想

普利高津----他的耗散结构理论和科学思想

作者：任殿雷

普利高津, 当代很有哲学头脑的科学家, 因创建耗散结构理论, 获1977年诺贝尔奖金, 而其科学思想则更体现着一种不同于经典的一种新科学传统(纲领．范式)。这里拟对他的耗散结构理论和科学思想作一简要介绍，同时谈一点由此产生的联想，供大家参考。

一．普利高津的耗散结构理论

１．问题的提出

十九世纪，由于生产的发展，特别是由于蒸汽机的广泛应用，为了提高热机的效率，热力学开始建立和发展起来。1842年到1843年，由迈尔．焦耳．赫尔姆霍茨等人建立了热力学第一定律。1850年到1851年汤姆生和克劳修斯建立了热力学第二定律从而奠定了热力学的理论基础。热力学第二定律同传统物理学不同，它指出了在一个不与外界发生物质和能量交换的孤立系统中无论其初始条件和历史如何，它的一个状态函数熵会随时间的推移单调地增加，直到达到热力学平衡态时趋于极大，从而指明了不可逆过程的方向性，即“时间箭头”只能指向熵增加的方向。熵增加原理第一次把演化的观念．历史的观念引入物理学。“熵”概念的提出，是十九世纪科学思想的一个巨大贡献，它的意义完全可以和生物学中的“进化”概念相媲美，十九世纪的热力学和生物学都涉及到世界运动变化的方向，即"时间箭头"的问题。但是，这两门学科所提出的“时间箭头”的方向却截然不同。热力学第二定律说明的是一个孤立系统朝着均匀．无序．简单，趋向平衡态的方向演化。这实际上是一种退化的方向。克劳修斯把这一理论推广到全宇宙，就得出了“宇宙热寂说”的悲观结论。而生物学描述的却是系统从无序到有序，由简单到复杂，由低级到高级，由无功能到有功能．多功能的有组织的方向发展，这是一个进化的方向。在生物界和人类社会中这种进化的现象最为明显。于是产生了一个克劳修斯和达尔文的矛盾，退化和进化的矛盾，似乎生物界包括人类社会遵循着与物理世界完全不同的规律，有着迥然不同的演化方向。

热力学和生物学之间的这一矛盾，引起了许多科学家的广泛注意。当代著名物理学家威格纳(Wigner)曾经说：“近代科学中最重要的间隙的什么？显然是物理科学和精神科学的分离。”柯伊莱(A.Koyre) 则指出，牛顿用他的经典力学“把分隔天体和地球之间的壁垒推倒，并且把两者结合起来，统一成为一个整体的宇宙。”但是他却把“我们的世界一分为二”，即分成一个物理世界．量的世界；一个生物的世界．质的世界，于是形成了两个世界．两种科学．两类文化，两者之间存在着巨大的鸿沟。怎样把两者统一起来呢？能否用物理学的观点来全面地解释生命的特点及其进化的过程，使生物学成为研究生命系统的“物理科学”实现自然科学的大统一？普利高津正是在深入探讨这些问题的过程中逐步建立起耗散结构理论来的。

２．耗散结构理论的基本观点

列宁说过：“自然科学的成果是概念的。•”而从问题的提出到概念的形成，一般都要有一定的事实作依据。耗散结构概念的形成同样也不例外。

普利高津首先考察了不同系统在远离平衡态时的不可逆过程，发现这些过程与平衡或近平衡过程具有十分不同的图象。

著名的流体力学实验贝纳特(Benard)对流提供了一个远离平衡态的典型图象。一层流体，上下各与一恒温热源板接触，从底部加热，液体中形成温度梯度和热传导。不断加大上下温差，将系统推向远离平衡状态。当温度梯度达到一定的阈值时，系统就会突然由原来的热传导状态进入十分有组织的液体宏观流动态。从上面观察就会发现液体内出现十分规则的六角形对流元胞，形成一种稳定的有序的蜂窝状宏观结构。利用这种大规模的对流，系统加快了热从下向上的输运，加快了能量耗散。

激光是另一个远离平衡时形成宏观有序结构的典型。自然光和普通灯光是电子从高能位向低能位散乱跃跹的结果，其光波的频率．相位，方向都是无序的。激光则是以“光泵”输入能量，将内层电子人为地驱赶到外围高能位上，在达到一定的临界阈值时密集的高能电子便在瞬间向内层集体跃跹并产生同相震荡，从而获得了同一相位、方向和节律的单色光。同时，由于这种震荡是诸多电子同时发生的集体释能行为，因而此种情形下的光线便具有极高的能量、极好的方向性和极纯的单色性这样的激光。此时光场系统就处于一种非平衡的有序状态。

普利高津特别对化学中的贝洛索夫—札布金斯基(Belousov-habotinski)•反应作了深入的分析。丙二酸在催化剂铈的作用下被溴酸氧化。当外加物在一定浓度范围内，即离平衡条件较近时，在均匀边界条件下，生成物均匀混合地分布在整个容器内，呈现出对称性最强的无序状态。适当控制某些反应物或反应物浓度，使反应条件远离平衡，就能出现各种不同的宏观协作现象。在一定条件下会出现浓度随时间周期性改变的化学振荡，周期为30秒可持续50分钟。在另一些条件下，浓度会呈现空间不均匀分布，形成一种空间结构，或者两者兼而有之，呈现空－时结构，即化学波。其他一些化学振荡反应也有类似的特性。

生物是一种远离平衡的高度有序的结构，要不断与外界进行物质和能量的交换即新陈代谢才能维持生命。即使是一个单细胞生物，其代谢功能也包括几千个耦合的化学反应，其中每一步反应被一种特殊的酶所催化，具有非常巧妙的配位和调节机制。

从上面一些现象中，普利高津发现在力学．物理学。化学和生物化学的不可逆现象中，确实也存在着与生物进化类似的第二类的演化方式，存在着从简单到复杂，从无序到有序，从对称到对称破缺的进化。普利高津通过从平衡态到近平衡态再到远离平衡态的研究，而后发现，在一个开放系统中，在从平衡态到近平衡态再到远离平衡态推进的过程中，当到达远离平衡态的非线性区时，一旦系统的某个参量变化达到一定的阈值，通过涨落，系统就可能发生突变，即非平衡相变，由原来的无序的混乱状态转变为一种时间．空间或功能有序的新的状态。这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性，且不因外界微小的扰动而消失。这种远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观的有序结构，普利高津称之为耗散结构。系统这种能够自行产生的组织性和相干性，称为自组织现象。因此普利高津又把它称之为非平衡系统的自组织理论。

耗散结构的概念是对比平衡结构建立起来的。普利高津在第一篇论述耗散结构的论文中就指出了两者的区别。他说：“平衡结构不进行任何能量或物质的交换就能维持。晶体是平衡结构的典型。?薄胺粗 纳⒔峁怪挥型ü 胪饨缃换荒芰?在某些情况下也交换物质) 才能维持。