我们渺小,却举足轻重

普里高津

 地球实际上是一个封闭式系统。热力学探讨了三种系统,即,不和外部世界交换物质也不交换能量的孤立系统;交换能量但不交换物质的封闭式系统;既交换物质又交换能量的开放系统。在同太阳的关系上,地球实际上是封闭式的系统。它和太阳交换能量,但出于种种实际原因,不和太阳系的其它组织部分交换物质。偶尔有颗陨星坠落到大地上,散布了少量宇宙尘埃;有时,卫星被送入空间,除此以外,进入、离开地球的物质数量不足以引人注目,此其一。
  其二,在短时期内,地球上某些孤立的地区曾经历过搞的转折。即,由于自然力的作用,或者由于人们以高于自然再生产的速度消费掉了能量,社会利用的那个物质-能量基础便告涸竭。这迫使人们改用某个新的物质-能量基础。本书决不是说地球的热寂就在眼前。本书要说的是,我们现有的由矿物燃料和特殊金属组合构成的物质-能量基础正濒临涸竭,需要我们向新的物质-能量领域转变。
  其三,每种新的物质-能量基础都成为新一类技术的发展范围;这些技术收集、交换和排除某种物质-能量环境。与新型技术一道应运而生的还有新的组织,新的价值观念和新的世界观。尽管物质-能量基础规定了范围,它并不能严格地规定那种社会用来将环境转化成经济生活效用的决策过程。技术、组织、价值观念以及世界观可作相当大的变化,但是,它们至少要同受它们加工的物质-能量基础保持一致。
  其四,世界经济正处于历史过渡的早期阶段。由矿物燃料和稀有金属组成的消费性能源基础将被以可再生能源为主的太阳能时代所取代。目前已发展起两种互相对抗的方法论,它们为在未来太阳能时代组织起生物资源而提出了各自不同的办法。第一种办法可简称为合适技术的办法,它提倡同自然生产过程的速度保持一致,这里的首要原则是保持我们经济预算和自然的平衡。换言之,人们努力不使消费速度高于自然生产速度。人们重视分散型组织,劳动密集型技术,多样性变化,地区性自给自足以及节省地、平等地利用自然资源。合适技术的方法和基础结构已在美国社会内零零散散地发展起来了。
  在我们进入太阳能时代之际,同时出现了另一种截然不同的可再生能源的组织办法。这就是遗传工程。很多人错误地认为遗传工程是一种技术。从更深远的意义上看,它确实是可再生能源基础的组织方法。由于一些公司已开始认识到,从矿物燃料到太阳能及可再生能源的历史转折已近在眼前,所以,它们投下了几十亿美元用来发展遗传工程。人们认为,组织可再生能源的合适技术方法对于维持现有的“增长”模式过于缓慢,缺乏效率,因此,他们论证说,为了以高于自然本身的速度转化有生命的物质,并在进入太阳能时代后保持增长曲线,就必须搞地球生物工程。
  在下一个20年里,人们将作出重大决策,从这两个迥然不同的可再生能源组织方法中选择一个最终将占统治地位的方法。
  如果不想做在太阳能时代搞遗传工程这样的蠢事,我们就必须理解熵定律和热力学定律。如果读者要了解对太阳能时代搞遗传工程的严重危害性,便可以阅读我们分析更为细致的著作《谁将扮演上帝?》该书讨论了那些由遗传工程和人工创造生命所引起的生态、经济、政治和道德的问题。
  其五,当太阳在遥远的未来最终熄灭之后,地球就将变成一个寒冷、荒凉的星球,而且,最后将变成飘荡于宇宙舞台之上的灰尘。过去,学者们把熵和太阳系的最终热寂等同起来,并据此下结论说,由于熵的实现是遥远未来的事情,所以,它对人类生命无关紧要。相反,本书将注意力集中在作为过程,而不是最终状态的熵上。本书讨论了地球上物质-能量环境的重大变化以及人类同热力学定律、熵流动之间的关系。其目的在于提供分析的框架。我们讨论了人类和文明为了适应能源环境的剧变而作出的政治、文化和经济上的奋斗,但我们没有深入地探讨下去。我们期望,这种以热力学定律为基础的新型观念结构将激励其他人用新的眼光观察政治。文化和经济等的不同侧面。
  其六,某些人将认为搞定律过于使人沮丧。这确实奇怪,因为,摘定律不过是一个物理学定律而已。当哥白尼宣布宇宙不是围绕地球运转时,很多人同样地感到了沮丧,但是,人终于设法适应了现实。物理学定律告诉我们的仅仅是客观世界的运转方式。我们同这些定律之间的关系决定了我们的精神状态。奇怪的是,我们听见人们哀叹说,客观世界确实有限,而且每分每秒都在逼近死亡,我们努力又有什么用呢?为什么不就此罢休呢?我们每个人的生命也受嫡定律的支配。我们都经历了生、死两个关头。我们的客观存在是有限的,不管我们如何努力,我们终归无法克服现实。当我们认识到自己的存在有限时,我们一般不会问自己:如果这一切都在走下坡路(从生到死),我们为什么还得耐心去努力一番?相反,我们认识到人固有一死后,就明白,人生中所作的一切都是不可替代,不可倒流的,这只会促使我们至少在短时间内爱惜、尊重人生的每段经历。很不幸,人们只是偶尔认识到人生固有一死,其它的时间则用来进行疯狂的征服熵的活动。适合于我们个人存在的规律同样也适合于我们周围的其它客观存在。我们常常难以承认我们的肉体是必有一死的,我们的生活经历是不可倒转的,同样,我们也不能承认周围世界也具有不可逆转的、有限的性质。
  熵的过程既非乐观也非悲观。它只是描述了客观世界是如何展开的。我们个人和社会的世界观取决于我们如何同摘的过程作观念上的妥协。“妥协”意味着我们已懂得,熵本身既不是好事,也不是坏事。确实,嫡代表了腐败和混乱,但它同时也代表着生命本身的展开。在我们决定如何同熵的流动相互作用时,价值观念便开始发生作用了。
  最后,如同所有科学思维的产物那样,熵定律和热力学定律在本质上都是以人类为宇宙中心的。所有科学定律都表明我们有必要利用符号、抽象概念而尽力试验、理解客观世界的运转。假如有人问,在这个客观世界上我们最确信的有哪些概念,我们可能会这样回答:生与死,热与冷,集中与分散,可得与不可得,价值与垃圾,秩序与混乱,开始与结束。这些有关客观世界如何展开的概念象征着熵定律。
  有关熵定律的学问有助于我们理解同客观存在之间的关系。在这客观存在中,我们既是渺小,然而也是举足轻重。如同万有引力定律一样,熵不过是一个物理定律,不管是那些完全否定其合理性的人,还是那些把它当作一种包罗所有意识形态的人,都应理解这一点。作为一种以人类为宇宙中心的概念,摘有助于为生命的游戏规定物理规则。然而,究竟怎样做这场游戏,还要看人们在相互影响时,在同环境相互影响时,他们的思想会产生出什么样的价值观念,什么样的远见,什么样的怪诞念头,什么样的意识形态和“主义”。

远平衡态热力学的奠墓人普里高津和他的耗散结构理论

   普里高津( Prigogine , Ilya , 1917 —), 1917 年 1 月 25 日 生于莫斯科,比利时化学家。

   普里高津曾就读于比利时自由大学,自 1947 年起担任该校化学教授,他还担任美国奥斯汀·德克萨斯大学统计力学和热力学中心主任。

   普里高津在自由大学攻读化学过程中,有一问题常使他疑惑不解,即时间的作用。物理和化学中的过去和现在起着同样的作用;而在人们的经验中,昨天、今天和明天却完全不同。在他看来,物理和化学中所描述的是一个没有时间的世界,或者是一个时间可逆的世界。中学时代,哲学家 H ·本格森( Bergson )的《创造进化论》中关于在科学理论中使用的时间和人们日常体验中的时间存在着差别的思想,给年轻的普里高津留下了很深的印象。

   为了研究时间的作用,普里高津从 1939 年起决定学习和研究热力学。老师 T ·德·唐道( De Donder )是一位理论热力学家,对非平衡态和不可逆过程情有独钟;而在他之前,大多数热力学家却只注重平衡态而忽视非平衡态和不可逆过程,他们认为非平衡只是一种暂时现象,而不可逆过程总是浪费有用功,是有害无益的。唐道详细研究了最早由 R ·克劳修斯( Clausius )提出的“非补偿热”和不可逆过程的关系,首次把“非补偿热”(即熵)概念和化学反应过程联系起来,提出作为反应推动力的化学亲合势和描述反应体系状态的反应进度的新概念,并以此为基础提出热力学第二定律在化学中新的表现形式。唐道对不可逆过程的独到见解,吸引了年轻的普里高津的全部注意力,因为他感觉到,时间的概念是和不可逆过程紧密联系在一起的。

1944 年,普里高津和 R ·德菲( Delay )合作出版《采用吉布斯和德·唐道方法的化学热力学》,详细介绍了德·唐道的热力学方法,特别是熵产生原理,开创了从不可逆过程的角度论述化学热力学的道路,至今仍为一部很有影响的著作。

1945 年,普里高津证明了在非平衡态的线性区和外界的约束(限制条件)相适应的非平衡定态(即不随时间变化的非平衡态)的熵产生具有极小值。这一结论后来被称为最小熵产生原理,它与昂萨格倒易关系被誉为线性非平衡态热力学的两块基石。另外,普里高津还将居里对称性原理应用于非平衡态热力学,最早提出在各向同性介质中不同对称特性的热力学流和力之间不存在耦合的观点,例如,他认为在各向同性介质中作为标量过程的化学反应和具有矢量特性的扩散过程或热传导过程之间的耦合系数应为零。这种观点得到了大量实验事实的证实。空间对称性原理对不可逆过程线性唯象关系中唯象系数的这种限制有时称为居里—普里高津原理。

   为了进一步弄清生命这种高度有序的时—空有序结构产生的机制,普里高津从 40 年代末开始着手研究如何把不可逆过程热力学从不可逆过程的线性区推广到非线性区。因为他在确立了最小熵产生原理以后很快就领悟到,在线性区,熵产生在定态具有极小值这一点,就像自由能在平衡态具有极小值而保证了平衡态的稳定性一样,最小熵产生原理保证了近平衡的非平衡定态的稳定性,任何对这种稳定定态的偏离都会随时间消亡,不可能在稳定的定态附近自发产生时—空有序结构。从流体力学的稳定性理论中得到启发,普里高津和他的同事们(俗称布鲁塞尔学派)认识到,有序结构的产生是与不稳定性紧密联系在一起的,任何一种时—空有序结构的产生,总是可以看作是某种参考态失去稳定性的结果。为此,他和他的同事们花了相当多的精力从事包括非线性区的热力学稳定性理论的研究。 1954 年,他和 P ·格兰斯多夫( Glansdorff )提出了所谓普适发展准则,即由热力学力随时间的变化对熵产生的贡献总是非正的。在线性区,这一准则等价于最小熵产生原理,但这一准则超出了最小熵产生原理的有效范围,同时适用于非平衡态的非线性区。从这一准则出发,他们又于 60 年代得到了同时适用于线性区和非线性区的稳定性判据。按照这个判据,一个系统的熵对定态的熵的二级偏差(δ 2S )和对平衡态的熵的二级偏差一样是负的:δ2S < 0

1971 年,他和格兰斯多夫出版了《结构、稳定性和涨落的热力学理论》一书,详细分析了有序结构之产生,参考状态的稳定性与涨落行为之间的关系,对超熵产生判据在各方面(特别是流体力学和化学)的具体应用作了进一步的阐述。从超熵产生判据出发,他们发现,在不可逆过程的线性区,如果不可逆过程满足适当的动力学条件(非线性反馈),同时体系偏离平衡的程度足够强,无序的非平衡态有可能失去稳定性,某些特定的涨落得以放大,从而导致某种宏观的时—空有序结构的产生。在这过程中非平衡和不可逆性起了十分关键的作用。他们越来越感觉到,耗散能量的不可逆过程并不总是像人们习惯认为的那样,只是起一种浪费有用功的消极作用,它们在建立有序方面也可以起到某种积极作用。正是为了强调能量耗散过程在建立有序方面的积极作用,同时为了和人们早已熟知的像晶体那样能在平衡条件下产生和形成的结构(平衡结构)相区别,普里高津把那些在非平衡和开放条件下通过体系内部耗散能量的不可逆过程产生和维持的时—空有序结构称为耗散结构。

   按照耗散结构理论,一个宏观有序状态的自发产生和维持,至少需要三个基本条件: (1) 系统必须是开放的。根据热力学第二定律,孤立系统的熵总是增加,因而总是趋于无序。而对于开放系统,随着体系和环境间物质和能量的交换,同时有熵的交换,通过维持一个足够强的负熵流,系统可以维持一个足够强的负熵流,系统可以维持在相对低熵和有序的状态。 (2) 系统必须处于远离平衡的条件下,这是因为近平衡的非平衡定态和平衡态一样总是稳定的,从这样的状态不能自发发展到有序状态。只有在远离平衡的条件下,非平衡的定态有可能失去稳定性,从而自发发展到某种有序状态。普里高津把这称之为“非平衡可以是有序之源”。 (3) 系统内部必须存在适当的“非线性反馈”步骤。在化学中有一种理想化的非线性反馈是如下形式的自动催化反应:

A+nX →( n+1 ) X

   在自动催化反应中,随着反应的进行,有更多的 X 生成,由于 X 参与反应本身,它的增加会导致反应加快,从而产生更多的 X ,如此循环,在一定的条件下可导致失稳现象。在失稳和导致有序状态产生的过程中,涨落起着十分重要的作用。对于任何一个宏观系统,涨落总是存在的。在通常条件下,涨落随生随灭,对系统的宏观行为的影响不大,但在系统失稳的情况下,涨落可以放大,最终可达到宏观的量级,驱使系统从一种状态达到另一种可能有序的状态,普里高津把这称之为“通过涨落达到有序”。

   “耗散结构”这一名词最早是由普里高津于 1967 年在法国凡尔赛举行的第一届“理论物理和生物学”国际会议上提出来的。耗散概念的确立,使得人们对热力学第二定律和自然界的发展规律有了更完整的认识,极大地推动了人们对自然界中各种有序现象包括 生命这种高度有序现象的研究,并展示了广阔的应用前景。例如,人们在很早以前就发现,有些化学反应系统中某些组份的浓度会随时间周期地变化,即所谓化学振荡现象。但长期以来,这种现象并没有引起人们的重视,甚至不被承认,其中一个重要原因是许多人习惯于认为这种现象是违背热力学第二定律的,因而是不可能发生的。耗散结构的确立完全改变了这种观念。按照耗散结构理论,化学振荡现象根本不违反热力学第二定律。自此以后,化学振荡现象以及其他非平衡非线性化学现象的研究取得了飞速的发展。和化学振荡现象相类似,生命现象曾长期被认为是不能用热力学第二定律解释的为生命体所特有的现象。从 19 世纪中叶开始,科学上就有所谓的达尔文和克劳修斯的矛盾——进化和退化的矛盾。耗散结构至少从原则上解决了这一矛盾。由于他在“非平衡热力学,尤其是在他的耗散结构理论”方面的成就,普里高津被授予 1977 年诺贝尔化学奖。

   耗散结构理论除了在化学、物理学、生物学以及其他自然科学中都有重要的应用外,甚至对社会科学的发展产生了重大的影响。美国著名未来学家 A ·托夫勒( Toffler )在他的《第三次浪潮》一书中指出,耗散结构理论“直接打击了第二次浪潮的假设,是第三次浪潮引起的‘思想领域的大变动'的重要标志之一”。他甚至认为,耗散结构理论可能代表了下一次科学革命。