第21章 耗散结构理论(1)
普利高津1917年1月25日生于莫斯科，时值俄国十月革命前夕，普里高津一家于1921年离开俄国，后在比利时定居并且加入比利时国籍。
1941年他在比利时自由大学获物理学博士学位，1951年起任该校理学院教授。1959年担任索尔维国际物理及化学研究所所长，1967年廉任美国得克萨斯大学统计力学研究中心主任。他曾任比利时皇家科学院院长，并且是美国全国科学院外籍通信院士。他在从事自然科学研究的同时，一直保持着对历史科学的爱好和对哲学思辨的兴趣。因此他能够跳出自然科学的束缚，在更高的层次上形成对时间和自然复杂系统的深刻见解，使他能通过讨论非平衡过程来研究时间箭头问题，并由此创立了耗散结构理论学说。
19.时间上空的乌云——耗散结构理论提出的背景
提起耗散结构理论，首先就要提到科学史上著名的“时间悖论”。
时间是物理学中最重要的基本概念之一。关于是否存在“时间箭头”，即时间是否确实具有单向性的问题，自古希腊的苏格拉底以来，一直迷惑着各个历史时期的哲学家和科学家。甚至在一些文学作品中，也出现有关于时间倒流的构想。在牛顿力学、相对论和量子力学中都否定了时间的方向性。连著名的物理学家爱因斯坦也多次强调：过去、现在、未来都是一种幻觉，时间是可逆的，不可逆只是一种主观产物。另一方面，1865年由德国物理学家克劳修斯（Clausius，R.E.1822~1888）所提出的“熵增加原理”（热力学第二定律）是演化物理学的最基本的定律，这个原理的一个最重要的意义就是它显示了“时间箭头”的存在。它体现着能量从集中到耗散、从有效到无效、从高值到低值的过程。例如，我们时时感受到我们周围世界的熵增加：火焰慢慢燃尽，留下一堆灰烬；青草渐渐枯黄，在寒风中破碎飞散；瀑布飞流直下，沿着河川流向大海；山石滚落平川，经水冲刷、风化变成泥浆……克劳修斯由此断言宇宙将走向“热寂”的最终结局。按照克劳修斯的说法，“宇宙的熵趋向于极大。宇宙越是接近于熵极大的极限状态，进一步变化的能力就越小；如果最后完全达到了这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态”。这就是热力学第二定律显示的客观世界演化的时间箭头。
但是，诞生于19世纪的达尔文进化论又给出了一个截然相反的时间箭头，这就是进化的箭头。它和前面所说的物理学上的退化箭头形成鲜明的对照。事实上，在生物界从单细胞生物发展成多细胞生物，从结构简单的低等动物发展成为结构复杂、功能齐全的高等动物，最终发展到产生了会思维的人类本身，演化方向无不体现从简单到复杂，从单一、均匀到多样化、不均匀的特点，不仅每个个体越来越复杂，功能和结构越来越复杂，而且种类也越来越多，进化的结果总是导致有序度的增加。
那么，客观世界到底是往无序还是向有序的方向发展变化呢？“时间悖论”，即退化时间箭头与进化时间箭头的矛盾，这个难以逾越的屏障摆在科学家面前。普利高津是许多探求时间特性的科学家中的一个，普利高津自己承认：“他被科学在看待时间的方法上的巨大矛盾惊呆了，正是这个矛盾促使他从此开始了一生的工作”。其实普里高津在自由大学攻读化学过程中，他就在琢磨时间问题。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，哲学家柏格森（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。他认为，要把热力学和动力学、生物学统一起来，就必须研究自然界中存在的远离平衡态的有序结构、生物和生命现象，必须朝着更为普遍的热力学理论方向发展。他坚信，在一定条件下，不可逆过程会产生令人讨厌的消极作用，但在另一类条件下，对不可逆过程的研究可能会带来理论和实践上具有重大意义的结果。带着这个坚定的信念，普利高津在认识上产生了重大飞跃，而这个飞跃则为他后来建立耗散结构理论奠定了思想基础。1945年，普利高津在原有理论基础上得出最小熵产生原理。
这一原理和昂萨格“倒易关系”一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。这项成功促使他试图将这一原理延拓到远离平衡的非线性区。但是，经过多年努力，这种尝试以失败告终。
在挫折面前普利高津并未后退，他把系统在远离平衡与平衡态和近平衡态作了原则区分，重新考察系统在远离平衡态的情况。经过20多年的努力，他终于与布鲁塞尔学派的同事们创立了一种新的关于非平衡系统自组织理论——耗散结构理论。
20.处处留心皆学问——谈自组织现象
20.1是谁编制了美丽的“贝纳德花纹”图案
我们清楚，热运动是一种杂乱无章的运动。因此，当给水加热的时候，它的水花也应当是杂乱无章的。那么，当你看见那些水花突然自发地出现了规则的图案，并且成有序运动时，你一定会感到惊奇。这个实验是，在一个平坦的锅里盛上一薄层水，当在锅的下面慢慢均匀加热。
开始时，锅内会出现一些不规则运动的小气泡，随着热量的增加气泡增多，当达到一临界值的时候，原来不规则运动的气泡突然变成了有规则的、呈六角型翻转的花纹，而这些花纹又组成一个美丽的图案，这就是著名的贝纳德花纹。
从表面上看来，贝纳德花纹并没有多大的惊奇之处。但如果我们深入思考，是什么力量让这些无数的无生命的水分子突然间“自发地”出现了规则运动呢？这些无生命的东西为什么会出现了一些有生命的特征呢？
20.2天空中的奇观——云街
你注意到天空中浮游不变的白云了吗？在很多情况下，云团的运动是没有规律的无序运动。但在一定条件下，平常无规则的云团会突然像步兵排队一样，形成整齐的“队列”，形成有序结构。
20.3周期化学反应（BZ化学反应）现象
最引起科学家们兴趣的是前苏联化学家Belousov和生物化学家Zhabotinsky进行的实验。1958年，Belousov在金属铈离子做催化剂的情况下进行柠檬酸的溴酸氧化反应，他发现在某些条件下有些组分（例如溴离子、铈离子）的浓度会随时间作周期变化，造成反应介质的颜色在黄色和无色之间作周期性的变换。其后Zhabotinsky等人继续并改进了Belousov的实验，发现另外一些有机酸（例如丙二酸）的溴酸氧化反应也能呈现出这种组分浓度和反应介质的颜色随周期变化的现象。利用适当的催化剂，介质的颜色变化可更加明显，例如在红色和蓝色之间作周期性变换。反应介质一会儿红色，一会儿蓝色，再一会儿红，一会儿蓝色，像钟摆一样发生规则的时间振荡。因此这类现象一般称之为化学振荡或化学钟。后来Zhabotinsky等人又发现在某些条件下体系中组分的浓度并不总是均匀分布的，而是可以形成规则的空间分布，出现很多漂亮的花纹。
类似的现象还有六角形的雪花、有规则形状的树叶、动物毛皮有规则花纹、蜜蜂窝、龟背和当我们打开松花蛋外壳看到的排列有序的雪花似的“松花”等，上述现象（除BZ化学反应外）都是一种空间上的有序现象。
当然，自然界还有时间上的有序现象和功能上的有序现象，时间上的有序现象如太阳东起西落、四季的温寒冷暖、候鸟的迁移、中华鲟的徊游。而人体的免疫功能、生殖功能、调节功能等等应属于功能上的有序现象。人类社会也是一个具有功能特性的进化系统，比如，大气变化、经济变化、战争等等，整个社会都知道作相应的调整。还有生命过程中的蛋白质大分子链由成千上万个几十种类型的氨基酸分子按一定的规律排列起来组成，大脑是150亿个神经细胞有规律排列组成的极精密极有序的系统，这种有组织的排列绝不是随机可以形成的。
人们把上面这些在一定条件下系统由无序变为有序的现象统称为自组织现象。通过前面列举的存在于现实世界的一系列自组织现象，我们对自组织现象就有了更深一步的认识，尤其是贝纳德花纹，给我们展示了一个系统如何从无序到有序、从平衡态向非平衡态转化的全过程。其实这些自组织现象的出现就是典型的耗散结构。这些现象对我们来说并不陌生，也许是“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。
21.一个也不能少——耗散结构理论形成的条件和特点
从以上自组织现象出发，我们不难归纳出系统出现进化和产生耗散结构的条件。
21.1系统必须是开放系统
产生耗散结构的系统必须是开放系统，与外界进行着物质和能量的交换。天街的出现是因为周围的大气和云进行物质以及能量的交换。BelousovZhabotinsky化学反应则需要不断地向反应的容器里加入所需的化学物质，其实这正是系统与外界进行着物质和能量的交换。
耗散结构理论之所以依赖于系统开放，是因为根据热力学第二定理，一个孤立系统，其内部只会有熵增加，而且熵值总是大于零，最终将导致有序结构的破坏，使系统走向高度无序的死亡状态。只有开放系统与外界交换物质和能量，从外界输入负熵流来抵消系统本身的熵增大，使系统的总熵逐步减少，才有可能从无序走向有序，因此，耗散结构只能在开放的条件下才能“生存”。
21.2系统必须远离平衡态
首先，在平衡状态系统不可能形成稳定的有序的结构。因为在平衡态时，系统完全处于一种无序状态，它的宏观性质不随时间的变化而变化。只要没有外力的作用，无论过多少时间，系统自身不可能出现有序结构的状态。虽然从微观上看，处在平衡状态的系统中的每个分子还在做不停息的运动，这种运动仍可能发生对平衡状态微小偏离的涨落（所谓涨落是指系统自发产生的相对于宏观平均状态的小偏差）。但这种涨落对系统的宏观行为的影响是极小的。
其次，在近平衡态，由于受到外界的作用，系统内部会出现微小的差别，但是外界的影响较小，外界的作用与系统状态的变化可以看成简单的线性关系能达到的稳定非平衡态，这种差别所引起的涨落仍然是很小的，系统最后还要恢复到平衡态。例如贝纳德实验中，ΔT＞0（但较小）的情形下，就不可能发生自组织的现象（外界对内部的熵流远远小于系统内部本身的熵增加）。这样，系统总的趋势仍然是向着熵增加发展，一直到平衡状态，熵最大为止。可见，近平衡态也不能产生新的结构。
普利高津认为，在远离平衡态时情况就大不一样了。由于外界的影响强烈，系统由外界因素发生较大的相互作用，其内部的差别逐渐变大，它引起系统状态的变化已不能看成简单的线性关系，于是系统就变得不稳定。在涨落的作用下，不稳定的系统就可能被推向一个新的稳定状态，从而使系统发生突变，由原来的无序、混乱状态转变到一种时空或功能有序的新状态。所以普利高津得出“非平衡是有序之源”的结论。最明显的例子是贝纳德流体实验，若上下温差很小，不会出现六角形花纹，表明系统离开平衡态不够远。只有温差达到一定程度，即离开平衡态足够远，才发生贝纳德对流，即贝纳德花纹。
21.3系统内部必须存在非线性相互作用
系统内部各要素的相互作用一般可分两种情况，一种是线性相互作用，另一种是非线性相互作用。线性相互作用的特点是具有叠加性，即总的相互作用是每个小的相互作用之和，在性质上、行为上完全相同。因此，线性相互作用无论有多大的积累，也不会产生新的性质，当然也就不可能产生新的结构。非线性相互作用与之不同，其最大特点是具有相干性。即对象之间存在的相互作用不是简单地从数量上叠加，而是相互制约、相互耦合形成为一种在整体上完全不同于各部分、崭新的整体效应。正是这种非线性相互作用，系统才能在一定条件下使微小的涨落不断放大，成为引起系统相变的巨涨落，促使系统从某无序状态转变为有序状态。
21.4涨落导致有序
在系统的演化过程中，涨落起着十分重要的作用。系统处于近平衡时，涨落起着一种破坏稳定性的干扰作用，使系统离开定态，逐步走向远离平衡态。在远离平衡态，系统处于稳定的定态，随机的涨落通过相干效应逐渐放大，形成一种具有较强力量的“巨涨落”，推动系统从一个不稳定态跃迁到一个新的、稳定的有序状态。没有这种“巨涨落”的推动，系统不可能发生质的突变。因此，耗散结构所表现出来的有序性实际上是通过涨落的有序。