《人类科学技术史-401》非平衡自组织理论的发展

非平衡自组织理论的发展

60-70年代建立起来的非平衡自组织理论，在探索复杂性方面取得了重大进展。非平衡自组织理论是一个学科群，主要包括耗散结构理论、协同学、超循环理论、混沌理论等。

自组织系统在自然界中是普遍存在的。例如，动物都有一定的再生能力；人受了轻伤，伤口会很快愈合。激光的产生也是自组织作用。人类社会、社会组织和人的思维都是自组织系统。各种非平衡自组织理论就是以自组织系统作为对象，研究有序与无序的转化机制与条件等问题。

1.耗散结构理论

1969年，比利时科学家普利高津(1917-)在"理论物理与生物学"国际会议上首次提出了耗散结构理论。

19世纪建立的热力学第二定律，描述了系统从复杂到简单、从不均匀到均匀的退化，而进化论则反映了生物界从低级向高级、从无序向有序的进化。

退化与进化之间的矛盾犹如一条鸿沟，把物理学与生物学隔裂开来。上一世纪的这个悬案，引起了普利高津的兴趣。他决心在这条鸿沟上架起一座桥梁。

他把物理学分为存在物理学和演化物理学两大部分。他认为，物理世界中不仅有退化，也有进化，而且这种进化可以定性定量地描述；物理界与生物界不应对立，而应把它们作为一个系统来考察退化与进化。他从1946年开始，经过20多年的潜心研究，终于取得了突破性进展。他发现：一个开放系统，在远离平衡态的非线性区，当系统内的状态参数达到一定的阈值时，某一涨落得到放大，系统就有可能发生突变，由原来的无序状态进入有序状态，形成一种动态稳定的有序结构。因为形成和维持这种新的有序结构需要不断耗散能量，所以普利高津把这种有序结构称为耗散结构。它的形成正是一种自组织过程。耗散结构理论研究的就是这种自组织系统。

一个最典型的例子是贝纳德效应。1906年，贝纳德做过一个著名实验。他在一个圆形的水平容器内放一层很薄的液体，然后在容器底部均匀缓慢地加热。当温差达到某一临界点时，液体突然发生对流，并呈现一种结构性和有序性。自上向下看，液层形成许多正六角形花纹；从水平方向观察液层，可看到有规律的、象蛋卷一样的对流线，相邻两水花的对流线的旋转方向相反。人们把这种现象称作"贝纳德花纹"或"贝纳德蛋卷"。它是首先被详细研究的耗散结构。

普利高津指出，一个系统由无序向有序转化形成耗散结构，至少具备4个条件：①该系统必须是开放系统，可以与外界环境交换物质和能量；②该系统必须远离平衡态；③该系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用；④该系统内的涨落是直接诱因。

普利高津非常重视科学思维方法和哲学的作用。在耗散结构理论中，他提出了一些富有哲理性的科学思想和思维方法。在探索时间的可逆与不可逆、系统的有序与无序、稳定与不稳定、平衡与非平衡等方面，他都提出了深刻的见解。他认为："远离平衡条件下的自组织过程，相当于偶然性与必然性之间、涨落和决定论法则之间的一个微妙的相互作用"(普利高津：《从浊沌到有序》，上海译文出版社，1987年版，第223页）。这种辩证思想是很有启发性的。普利高津具备的哲学素养和科学思维方法，使得他能够善于抓住复杂问题的突破口。这是他获得成功的重要因素之一。

耗散结构理论的创立，至今仅有20多年的时间，但它已在自然科学、工程技术、社会科学、文艺、经济等领域获得广泛的应用，取得丰硕的成果，被誉为70年代化学领域的辉煌成就之一。普利高津因此而荣获1977年诺贝尔化学奖。

2.协同学

协同学一词是由希腊文衍变而来的，指的是协同作用的科学。协同学是德国物理学家哈肯(1927-)首创的。它是在统计物理、相变理论、系统论、控制论、信息论和突变论等基础上建立起来的，是耗散结构理论的突破和推广。

60年代初，第一台激光器刚刚问世，哈肯就投入对激光的研究。他于1962年提出激光理论，成功地解释了激光的一些特征。他发现普通光与激光之间的过渡与热力学的相变十分相似，并发现了激光产生过程中相互协同的自组织现象。在此基础上，哈肯对各类不同系统的相变过程进行研究。60年代末70年代初，他又把研究转向生物界。他探索了支配所有这些系统演化的一般规律。经过十几年的努力，哈肯终于在1976年创立了协同学。

哈肯在协同学中提出了序参量的概念。它是从宏观上定量表示系统有序程度的参量。序参量不仅决定了系统相变的特点和性质，而且决定了其他变量的变化。序参量来源于系统内部各子系统之间的协同作用。序参量一旦出现，就会主宰整个系统进入有序状态。因此，只要弄清楚这些序参量的演化规律，即可随之了解其他变量以及整个系统的演化特点。与序参量密切相关，哈肯又提出了支配原则。他认为，对一个复杂系统，可能有许多变量，其中有一个或几个变量变化慢，而大多数变量变化快；慢变量的变化决定了系统的相变，快变量则与相变无关，快变量本身的变化也要受慢变量的支配。协同学中采用了"绝热消去法"，可以消去快变量，而只对慢变量即序参量进行讨论。协同学理论认为，形成系统有序结构的关键并不在于是否处于热力学的非平衡态，也不在于离平衡态有多远，而在于系统内部各子系统之间相互关联的"协同作用"。这种协同作用，导致序参量的出现，而序参量又支配系统进入有序状态。

协同学开始研究的只是非平衡开放系统的时空有序问题。1978年，哈肯在"协同学：最新趋势与发展"一文中将协同学扩展到功能有序。1979年，他又考察了混沌现象，认为一个非平衡开放系统既可以从无序到有序，也可以从有序到混沌。这一发现使协同学发展到一个新阶段。1981年，哈肯在"20世纪80年代的物理思想"一文中指出，宇宙系统也呈现有序结构。协同学及其应用范围的不断扩展，说明了自然界各系统演化发展中某些基本规律的统一性和普适性。耗散结构理论是非平衡系统的自组织理论，而协同学既适合非平衡系统，也适合平衡系统，因此它是一种更广义更普适的自组织理论。

协同学的产生和发展使我们对自然界演化过程中的一些问题的认识更加清晰和深刻。但是，仍有许多问题尚待进一步解决。

3.超循环理论

超循环理论是德国物理化学家艾根(1927-)创立的。艾根早年主要研究方向是快速化学反应动力学及其反应机理。1954年，他将弛豫技术引入快速化学反应。由于这一研究成果，他荣获1967年诺贝尔化学奖。

艾根在研究生物体内的快速化学反应时，对蛋白质、核酸的起源及二者之间的关系进行了深入考察。1971年，他在德国《自然杂志》上发表了"物质的自组织和生物大分子的进化"一文，提出了超循环理论。这是有关生命起源的自组织理论，探讨的是生物信息起源这一关键性问题。

对于生命进化，当时人们普遍认为存在着化学进化与生物进化两个阶段。但化学进化如何飞跃到生物进化，人们还不能作出说明。艾根等人通过多年研究提出：在化学进化与生物进化之间还存在一个分子自组织进化阶段。他认为在这个阶段实现了非生命物质向生命物质的转化；这是一种超循环组织形成的过程。循环是自然界普遍存在的现象，对于形形色色的循环，可以从低级到高级分为3个等级，即反应循环、催化循环和超循环。超循环是自催化剂或自复制单元通过功能的循环耦合而联系起来的高级循环组织。在超循环中，每个复制单元既能指导自己的复制，又对下一个中间物的产生提供催化支持。这种超循环有一旦建立就永远存在下去的选择机制。

1979年，艾根发表了《超循环：自然界的一个自组织原理》一书，系统阐述了他的思想，论证了超循环的形成是生命起源的最佳选择。

艾根的超循环理论将达尔文的进化论从生物的整体水平推广到生物的分子水平，而且将生物间的竞争与协同结合起来，使人类对生命起源的认识又前进了一步。同时，它的研究方法和方向也有重要意义。

4.混沌理论

混沌理论在本世纪60年代开始出现。目前使用的"混沌"，在科学上有两种不同的含义，一种指平衡态混沌，另一种指非平衡态混沌。混沌理论研究的是系统如何从混沌到有序、从有序进入新的混沌以及混沌的性质、特点等问题。它是研究过程和演化的科学。

1963年，气象学家洛仑兹在研究大气热对流问题时，发现天气变化的非周期性与不可预言性之间有联系，从而揭示了天气变化的随机性因素，并用实验证明了天气演变对大气状况初值的敏感依赖。他曾夸张地举了一个例子：南美洲亚马逊河热带雨林中的一只蝴蝶煽动几下翅膀，所产生的微风随时间增长，可能在美国引起一场龙卷风。这就是所谓的"蝴蝶效应"。它表明，演化规律是确定的，但演化结果是不确定的，初始值存在微小偏差就会产生极为不同的结果。

1975年，数学家茹厄尔和塔肯提出了一种湍流发生机制，认为向湍流的转变取决于少数自由度，经过两三次突变，运动就到了维数不高的"奇怪吸引子"上。人们无法描述奇怪吸引子上的运动轨道，也无法预测其未来的状态。奇怪吸引子上的运动轨道，对轨道初始位置的细微变化极其敏感。当运动自由度减少，最终局限在低维的奇怪吸引子上时，就出现了宏观层次上的混沌运动。

在非平衡过程中，有序进入混沌的一种道路是倍周期分岔。一个系统在一定条件下，经过周期加倍，会逐步丧失周期行为而进入混沌。1978年，美国科学家费根鲍姆发现，系统在不断地倍周期分岔时，相邻两次分岔对应的参数之差的比值，惊人地趋近一个常数。这说明，倍周期分岔进入混沌是一种相当普遍的现象。系统经过倍周期分岔进入混沌，原来的有序结构并未完全消失，而是形成无穷多个结构，所以显示出杂乱无章的混沌状态。但在混沌区内，从大到小，一层一层彼此相似的结构互相重叠，形成"无穷嵌套的自相似结构"，犹如中国的套箱。

分形与分维是描述奇怪吸引子的重要手段。1975年，美国科学家曼德布罗特提出了分形理论。分形是指具有非均匀分布和自相似层次结构的几何对象。分形已成为描写那些不规则、不光滑和断裂的形状的典型方法，可用它刻画飘动的云彩、飞舞的雪花、弯曲的海岸线等。分形几何学更接近大自然本身。分形是具有分维的几何结构。现实世界中的非连续、不光滑、不可微等特征需要用分数维数来描写。在分形几何学的基础上，分维物理学正成为一个蓬勃发展的重要研究领域。

混沌理论为我们认识复杂性提供了有力的工具。简单原因可能导致复杂后果。因此通过研究混沌，可以寻求复杂现象的简单根源，并找到新的方法。

混沌理论揭示了自然界的辩证统一，使人们对自然界演化过程的决定性和随机性、有序和无序等问题有了更深刻的认识。