自組織與耗散結構

?

??? 自組織現象是指自然界中自發形成的宏觀有序現象。在自然界中這種現象是大量存在的，理論研究較多的典型實例如：貝納德(Bé?nard)流體的對流花紋，貝洛索夫－扎鮑廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化學振蕩花紋與化學波，激光器中的自激振蕩等。自組織理論除耗散結構理論外，還包括協同學、超循環理論等，它們力圖溝通物理學與生物學甚至社會科學，對時間本質問題等的研究有突破性進展，在相當程度上說明了生物及社會領域的有序現象。

??? 耗散結構是自組織現象中的重要部分，它是在開放的遠離平衡條件下，在與外界交換物質和能量的過程中，通過能量耗散和內部非線性動力學機制的作用，經過突變而形成并持久穩定的宏觀有序結構。

??? 耗散結構理論的創始人是伊里亞·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于對非平衡熱力學尤其是建立耗散結構理論方面的貢獻，他榮獲了1977年諾貝爾化學獎。普里戈金的早期工作在化學熱力學領域，1945年得出了最小熵產生原理，此原理和翁薩格倒易關系一起為近平衡態線性區熱力學奠定了理論基礎。普里戈金以多年的努力，試圖把最小熵產生原理延拓到遠離平衡的非線性區去，但以失敗告終，在研究了諸多遠離平衡現象后，使他認識到系統在遠離平衡態時，其熱力學性質可能與平衡態、近平衡態有重大原則差別。以普里戈金為首的布魯塞爾學派又經過多年的努力，終于建立起一種新的關于非平衡系統自組織的理論──耗散結構理論。這一理論于1969年由普里戈金在一次“理論物理學和生物學”的國際會議上正式提出。

??? 耗散結構理論提出后，在自然科學和社會科學的很多領域如物理學、天文學、生物學、經濟學、哲學等都產生了巨大影響。著名未來學家阿爾文·托夫勒在評價普里戈金的思想時，認為它可能代表了一次科學革命。

??? 耗散結構理論可概括為：一個遠離平衡態的非線性的開放系統(不管是物理的、化學的、生物的乃至社會的、經濟的系統)通過不斷地與外界交換物質和能量，在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時，通過漲落，系統可能發生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態轉變為一種在時間上、空間上或功能上的有序狀態。這種在遠離平衡的非線性區形成的新的穩定的宏觀有序結構，由于需要不斷與外界交換物質或能量才能維持，因此稱之為“耗散結構”(dissipative structure)。^[5]可見，要理解耗散結構理論，關鍵是弄清楚如下幾個概念：遠離平衡態、非線性、開放系統、漲落、突變。

(1)遠離平衡態

??? 遠離平衡態是相對于平衡態和近平衡態而言的。平衡態是指系統各處可測的宏觀物理性質均勻(從而系統內部沒有宏觀不可逆過程)的狀態，它遵守熱力學第一定律：dE=dQ-pdV，即系統內能的增量等于系統所吸收的熱量減去系統對外所做的功；熱力學第二定律：dS/dt>=0，即系統的自發運動總是向著熵增加的方向；和波爾茲曼有序性原理：p_i=e^-Ei/kT，即溫度為T的系統中內能為E_i的子系統的比率為p_i.

??? 近平衡態是指系統處于離平衡態不遠的線性區，它遵守昂薩格(Onsager)倒易關系和最小熵產生原理。前者可表述為：L_ij=L_ji，即只要和不可逆過程i相應的流J_i受到不可逆過程j的力X_j的影響，那么，流J_i也會通過相等的系數L_ij受到力X_i的影響。后者意味著，當給定的邊界條件阻止系統達到熱力學平衡態(即零熵產生)時，系統就落入最小耗散(即最小熵產生)的態。

??? 遠離平衡態是指系統內可測的物理性質極不均勻的狀態，這時其熱力學行為與用最小熵產生原理所預言的行為相比，可能頗為不同，甚至實際上完全相反，正如耗散結構理論所指出的，系統走向一個高熵產生的、宏觀上有序的狀態。

(2)非線性

??? 系統產生耗散結構的內部動力學機制，正是子系統間的非線性相互作用，在臨界點處，非線性機制放大微漲落為巨漲落，使熱力學分支失穩，在控制參數越過臨界點時，非線性機制對漲落產生抑制作用，使系統穩定到新的耗散結構分支上。

(3)開放系統

??? 熱力學第二定律告訴我們，一個孤立系統的熵一定會隨時間增大，熵達到極大值，系統達到最無序的平衡態，所以孤立系統絕不會出現耗散結構。那么開放系統為什么會出現本質上不同于孤立系統的行為呢？其實，在開放的條件下，系統的熵增量dS是由系統與外界的熵交換d_eS和系統內的熵產生d_iS兩部分組成的，即：dS=d_eS+d_iS
?? 熱力學第二定律只要求系統內的熵產生非負，即d_iS>=0，然而外界給系統注入的熵d_eS可為正、零或負，這要根據系統與其外界的相互作用而定，在d_eS<0的情況下，只要這個負熵流足夠強，它就除了抵消掉系統內部的熵產生d_iS外，還能使系統的總熵增量dS為負，總熵S減小，從而使系統進入相對有序的狀態。所以對于開放系統來說，系統可以通過自發的對稱破缺從無序進入有序的耗散結構狀態。

(4)漲落

??? 一個由大量子系統組成的系統，其可測的宏觀量是眾多子系統的統計平均效應的反映。但系統在每一時刻的實際測度并不都精確地處于這些平均值上，而是或多或少有些偏差，這些偏差就叫漲落，漲落是偶然的、雜亂無章的、隨機的。

??? 在正常情況下，由于熱力學系統相對于其子系統來說非常大，這時漲落相對于平均值是很小的，即使偶爾有大的漲落也會立即耗散掉，系統總要回到平均值附近，這些漲落不會對宏觀的實際測量產生影響，因而可以被忽略掉。然而，在臨界點(即所謂閾值)附近，情況就大不相同了，這時漲落可能不自生自滅，而是被不穩定的系統放大，最后促使系統達到新的宏觀態。

??? 當在臨界點處系統內部的長程關聯作用產生相干運動時，反映系統動力學機制的非線性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同結果之間進行選擇的問題，在這里瞬間的漲落和擾動造成的偶然性將支配這種選擇方式，所以普里戈金提出漲落導致有序的論斷，它明確地說明了在非平衡系統具有了形成有序結構的宏觀條件后，漲落對實現某種序所起的決定作用。

(5)突變

??? 閾值即臨界值對系統性質的變化有著根本的意義。在控制參數越過臨界值時，原來的熱力學分支失去了穩定性，同時產生了新的穩定的耗散結構分支，在這一過程中系統從熱力學混沌狀態轉變為有序的耗散結構狀態，其間微小的漲落起到了關鍵的作用。這種在臨界點附近控制參數的微小改變導致系統狀態明顯的大幅度變化的現象，叫做突變。耗散結構的出現都是以這種臨界點附近的突變方式實現的。

?

?

自組織理論是研究系統自組織過程的機制、規律和形式的科學，它強調從世界的本身去研究世界，因而自組織理論研究的是世界進化問題，唯物辯證法是關于發展（進化）的一般學說，自組織理論和唯物辯證法都研究發展、進化問題，了解兩者之間的關系，對于堅持和發展唯物辯證法有著重要的意義。

?

一、? 自組織理論的形成和發展 自組織理論是由耗散結構理論、協同學及超循環理論組成的一個整體。

?

?普利高津1969年提出的耗散結構理論是建立在對熱力學第二定律的研究基礎之上的。他把宏觀系統分為三種：一是孤立系統，它跟其周圍的環境不產生信息和物質的交換；二是封閉系統，它只與環境交換信息；三是開放系統，它與環境交換信息和物質。熱力學第二定律引進熵這種新的系統狀態函數，它與外界的信息交換有密切聯系。熱力學熵（混亂度量度）原理告訴我們：對孤立系統來說，平衡態是高熵態，是無序的；非平衡態是低熵態，是趨向有序的，而隨著時間的推移，一個非平衡的孤立系統只可能從有序變為無序，而不可能自發地從無序變為有序。只有在開放系統中，系統與外界交換能量，產生負熵流（信息流）使系統的總熵值減少，才能形成有序化——耗散結構。耗散結構是一個開放的有序化的組織系統。

?

?耗散結構最本質的東西是它的有序性，這種有序性是建立在非平衡態基礎之上的。問題是它能否保持一段時間，如果它僅是一瞬間的事情，這對我們是沒有意義的。這實質上是耗散結構的穩定性問題。一個物理、化學系統可以有千千萬萬個小分子組織，我們經常測量的那些宏觀量和溫度、壓強、能量、熵等，都反映著這眾多微觀粒子的統計平均效應，由于人們不能完全控制微觀粒子的運動過程，所以系統在每一時刻的實際物理量并不是恰好處于這些平均值，而是或多或少有些偏離，這些偏差就叫漲落。漲落是偶然的，雜亂無章的，隨機的。首先在平衡態中沒有漲落發生，或漲落相對于平均值來說很小。在接近平衡態的非線性區，漲落的發生只會使系統狀態發生暫時的偏離，而且這種偏離狀態會不斷衰減直到消失，最后必定回到穩定的狀態；在遠離平衡態的非線性區，系統處于一種動態的平衡之中，在臨界點附近，這時系統的一個微觀隨機的小擾動就會通過相干作用得到放大，成為一個整體的、宏觀的“巨漲落”，使系統進入不穩定態，從而又躍遷到一個新的穩定的有序狀態。

?

耗散結構理論回答了在什么條件下，新的結構和新型的組織能夠自發地形成，但對到底是怎樣形成的卻僅僅是初步探索，對這個問題的進一步研究，便產生了協同學理論。協同學的創始人哈肯對自組織系統下了一個明確的定義：如果系統在獲得空間的、時間的或功能的結構過程中，沒有外界的特定干預，我們便說系統是自組織的。這里的“特定”一詞是指那種結構和功能并非外界強加系統的，而且外界是以非特定的方式作用于系統的。這是自然或客觀事物自身自主地組織化、有序化和系統化的運動過程。這一過程具有三個明顯的特征：它是一個反熵過程，是一個組織化、有序化提高的過程，在這一過程中具有充分自組織性和有序性的時空結構和功能行為從混沌狀態中或從某種組織化有序水平較低的形態中產生出來；這是一個具有內在目的性和調節性的自發過程，自我完成的過程；新結構的產生或新結構的出現由少數幾個序參量所主宰，序參量是決定系統有序化程度的宏觀參量，是表示系統整體運動模式的狀態參量。

?

自組織的運行機制由運動性質機制、自穩機制、突現機制及評價機制等四種基本機制的綜合作用構成。其中突現機制是自組織運動中主要的核心機制，它是系統從低水平向高水平升級的直接過程，其主要表現為協同學的系統發展進化的質變過程和超循環理論的多樣系統不斷綜合的過程這兩種形式。自組織運動來自這四種機制的相互作用，其中任何一種單獨的機制，或缺少任何一種機制的作用，都不可能完成自組織過程。協同學較耗散結構理論更進一步指出，一個系統從無序向有序轉化的關鍵并不在于熱力學平衡還是不平衡，也不在于離平衡態有多遠，而在于只要是一個由大量子系統構成的系統，在一定條件下，它的子系統之間通過非線性的相互作用就能夠產生協同現象和相干效應，這個系統在宏觀上就能夠產生時間結構、空間結構或時空結構，形成一定的自組織功能結構，表現出新的有序狀態。

?

?如果說協同學是研究物理世界的自組織現象，然后把它推廣到生物界和社會領域中的理論，那么，幾乎與協同學同時產生的“超循環”理論則是直接從生物領域入手來研究非平衡系統的自組織的問題的。其中心思想是要說明在生命起源和發展的化學階段和生物學進化階段之間，有一個分子的自組織階段。在這個進化階段中，形成了今日人們發現的具有統一的遺傳密碼的細胞結構。這種統一的遺傳密碼的形成并不在于它是進化過程中的唯一可以進行的選擇，而是在這一階段形成一種超循環式的組織，這種組織具有“一旦建立就永存下去”的選擇機制。超循環理論在科學界一直有很大爭議，但尋求化學進化與生物進化的聯系，無疑是一個重大課題。自組織理論的出現和發展，使系統科學的研究大大地前進了一步。但自組織理論本身是處在不斷完善和發展過程中，關于自組織的臨界狀態以及自組織過程控制等問題的研究并未得到令人滿意的結果；用自組織理論系統地研究社會經濟系統更是一片待耕的×××地。

?

二、? 系統自組織理論與辯證法“物質自運動”思想

?

“物質自運動”是辯證法的一個重要思想。黑格爾認為，“自運動”是生命力的表現，是生命（絕對精神）自身內部矛盾的表現。自運動又是同否定性思維聯系在一起的。由于肯定性的東西在自身中具有否定性，因而它能在自身內引起變化，產生自運動。黑格爾上述的深刻思想是同神秘的絕對精神與概念的運動聯系在一起的。列寧在讀黑格爾《邏輯學》中有關“自己運動”的論述時，寫道：“自己運動（這一點要注意，自生的、獨立的）、天然的、內在的必然的運動”、“一切自己運動的原則”、“運動和生命力”。他認為這些思想是所謂“黑格爾主義”的實質，要把這些充滿辯證法精神的合理的成分從唯心主義的泥坑中解脫出來，發展成為唯物主義的“物質自運動”思想。×××也對這一思想進行了簡要論述，他認為唯物辯證法把事物的發展看做是事物內部的必然的自己運動，其根本原因在于事物內部的矛盾性。由此可見，唯物辯證法關于“物質自運動”的思想有兩個方面的含義：一是認為運動的源泉來自物質世界自身，世界的運動不是由于什么神秘的力量或上帝的第一推動引起的。二是認為物質運動的動力在于物質內部，是自身的運動，物之中必定有某種力量引起自身的運動，其最終源泉在于物體內部的矛盾。

?

唯物辯證法關于“物質自運動”的思想之最重要的意義在于駁斥唯心主義在于上帝創造世界、“上帝第一推動”的觀點，從而確立了唯物主義的自然觀。但是由于當時科學發展水平的限制，唯物主義哲學家還沒有能夠（當時也不可能）依據現代自然科學的有關材料揭示出物質自運動的內在的機制，特別是未能揭示物理世界運動的具體的方式。因此，唯物辯證法關于“物質自運動”的思想在沒有進一步的科學理論加以說明之前還只是一種帶有思辯性的哲學思想，具有科學假說的特點。 自組織理論的創立不僅證明了“物質自運動”的正確性，而且還進一步豐富了唯物辯證法關于“物質自運動”的內在機制與具體形式的思想，并從不同角度描述了自組織過程的機制、規律和進化形式，從而使“物質自運動”思想成為了一種科學理論。

?

耗散結構理論認為，在強制力保持一定的值時，迫使系統遠離平衡態，在這種情況下，新的組織和新型的結構能夠自發地形成。這說明，就新結構和新組織形成過程而言，物質運動的源泉、動力在于物質自身。協同學理論認為，當系統受到外界環境的影響達到一定的閾值后，也就是說外來的能量和物質聚積達到一定的程度時，子系統之間相互作用越來越強，系統便形成了協調運動，經過進一步的發展，原先的秩序有可能被打破而進入到一種臨界狀態，直到最后形成新的結構和新的組織。相對于耗散結構理論，協同學更進一步揭示了物質自運動的機理，即新結構和新組織的產生，不在于系統離平衡態有多遠，而在于這個系統之間通過非線性的相互作用，就能夠產生協同現象和相干效應。它強調的是子系統之間的非線性相互作用。超循環理論闡明了在生命起源和發展的化學階段和生物學階段之間，存在著一個分子的自組織階段，而在這個進化階段上，形成了具有統一的遺傳密碼的細胞結構，而這種統一的遺傳密碼的形成是由于在此階段上形成了超循環式的組織，并且有“一旦建立就永存下去”的選擇機制。

?

系統自組織理論不僅說明了生命現象有自運動特征，也說明了物理現象的自運動特征，這就把黑格爾對于“生命自運動”的大膽猜測而得出的“一切自己運動”的原則推廣到了整個物質世界，這進一步證明了唯物主義的正確性，使唯心主義從它在科學中的最后避難所“牛頓力學”之中被驅逐出去。在系統自組織理論產生以前，唯物辯證法關于“物質自運動”的思想是通過對立統一的觀點、肯定與否定的觀點來說明的。在唯物辯證法看來，“物質自運動”是事物內部的必然的運動，是由于事物內部具有自身否定自身的因素。換言之，任何事物都是由肯定方面和否定方面構成，事物的自身否定性是事物運動的動力。建立在對立統一觀點和肯定與否定觀點基礎上的物質自運動思想雖然也能有力地駁斥物質運動的外力論，也能直觀地描述物的運動過程：種子——禾苗——種子（肯定——否定——否定之否定），但是對于物質自運動的具體過程和機理未能進行充分的科學論證。系統自組織理論的產生，不但科學地證實了物質自運動的思想，而且也證明了以對立統一為核心的唯物辯證法也具有科學性、預測性，從而為唯物辯證法的進一步發展奠定了基礎。

?

?三、系統自組織理論與部分質變思想

?

系統自組織理論關于突變與漸變的思想深化了我們對于量變質變規律的認識，證明了從量變到質變過程中存在著一個部分質變的階段。 量變和質變是事物運動的兩種基本狀態，一切事物的發展都表現為由量變到質變和由質變到量變的過程。在系統自組織演化過程中，當系統的外來能量和物質的聚積過程未達到閾值時，系統狀態或質不發生變化，只是表現出一種“量”的積累，當外來能量和物質的聚積達到閾值時，系統子系統之間相互作用力加強，以至自組織產生新的結構和新的組織，于是質變就發生了。系統自組織的量變狀態通常稱為漸變，而質變狀態通常稱為突變或飛躍。在系統自組織演化中，突變與漸變是相互聯系的，在相變過程中既有突變又可能有漸變，突變是漸變的中斷。

?

超循環進化有兩種突變形式：一種是通過會聚式發展，由低級循環發展到高級循環；另一種是已經形成的超循環的生長。前一種進化發生的是系統整體的突變，后一種進化發生的是系統的局部的突變和整體的漸變。整體的漸變過程中包含著局部的突變。系統自組織過程中，子系統的突變是經常發生的，但是只有出現與系統整體相應的這種子系統的突變才會演變為系統整體全局的突變。也就是說系統整體的突變是以系統內各子系統的局部質變為基礎、以系統部分質變為前提，這表明在系統的量變到系統的質變過程中必然包含一個部分質變過程，從而證明了唯物辯證法關于部分質變原理的正確性。

?

?四、系統自組織理論與唯物辯證法的矛盾思想

?

唯物辯證法認為，對立面的同一和斗爭是物質世界發展的動力和源泉，對立統一規律不僅適用于社會科學，也適用于自然科學。系統自組織理論認為，事物的進化是系統內各子系統之間相互作用的結果，子系統之間競爭與協同是系統進化發展的動力所在。系統自組織理論所指的競爭與協同是一種非線性的相互作用。相互作用是矛盾雙方的吸引和排斥、同一和斗爭、競爭與協同。相互作用有兩種：線性的和非線性的。線性相互作用的矛盾雙方是可以分離的，而非線性相互作用的矛盾雙方是難以截然分開的，這樣的對立雙方是一種內在聯系的有機整體。競爭與協同的關系正是建立在非線性相互作用的基礎之上的，使系統產生整體行為，并形成具有整體性的矛盾體系，使系統成為牽一發而動全身的有機整體。在這個有機整體中，競爭與協同的矛盾成為該系統發展的源泉和動力。耗散結構理論認為，系統充分開放，遠離平衡態為系統發生自組織演化創造了必要條件，而推動系統演化的動力則是系統內各子系統之間的非線性相互作用。

?

超循環理論在討論生物大分子的自組織現象時也指出，只有通過競爭達到合作，形成協同整合的超循環組織，系統才能向高級階段發展，直至導致生命的起源。可見在生物大分子自組織形成中對立面的相互作用仍然起著決定性的作用。協同學更一般地討論了系統中的競爭與合作問題，哈肯認為：種種系統，都以其集體行為，一方面通過競爭，一方面通過合作，間接地決定自己的運動。例如孤粒子形成的非線性方程中，色散項體現了競爭發散的作用，而非線性項體現的是協作集中的作用。這兩種相反的效應達到集中均衡時，雙方的矛盾協調起來，就形成穩定的系統孤粒子。由此可見，競爭和協同的相互依賴、相互轉化就是該系統發展的演化過程；競爭和協同的相互依賴、相互轉化形成了該系統發展演化的推動力。

?

從上可見，系統自組織理論關于競爭與協同之間的排斥、吸引推動系統演化的思想，雄辯地證明了唯物辯證法關于矛盾是事物運動、發展的動力與源泉的論斷。系統自組織理論并沒有否定唯物辯證法的矛盾思想，相反，它關于系統之間非線性相互作用是一種內在的有機的相互作用的思想卻深化了我們對于矛盾的認識。過去我們所認識到的矛盾之間相互關系的確帶有一種簡單性、機械性，系統內的非線性相互作用的思想使我們對于對立面的雙方的關系的認識得到了升華。不過這并不能說明矛盾思想已過時。相反，系統自組織理論豐富了唯物辯證法的矛盾思想，同時也說明矛盾思想有相當大的發展余地。

?

有研究者認為，自組織協同學強調協同是對唯物辯證法關于對立統一關系的論述的否定，特別是對×××有關對立統一論述中“對立面的斗爭是主要的，同一是次要的”論斷的否定。其實這是對自組織理論中有關觀點的誤解。自組織理論尤其是哈肯的協同學并不否認協同的對立面競爭在于自組織運動的過程中，乃至事物運動整個過程中的作用。相反，沒有競爭，也沒有協同。協同作為一種狀態的存在并不否認另一種狀態的競爭，正如哈肯所說的競爭與合作都是決定系統的運動，而不僅僅是協同。固然以往有關系統理論并未重視協同在系統自組織運動過程中的作用，而哈肯重點說明協同在系統自組織運動過程中的重要性，故稱“協同學”，但這并不意味著協同學完全否認競爭。就哈肯本人而言，也從未否認競爭。競爭與協同在協同學中依然是互相作用、互相依存的對立統一關系，而不是截然對立的。×××關于對立與同一的辯證關系的論斷也仍然有其適用性。因為在特定狀況下，競爭而不是協同在運動中起著主要的作用。當然，×××說，斗爭是主要的，這有其特殊的時代背景。但當今無論自然科學還是社會科學的成果都未否定斗爭與同一的辯證關系。我們從以上三個方面說明了系統自組織理論的確證明了唯物辯證法的科學性。國內外有人以系統科學的出現為契機，提出了建構系統哲學、系統辯證法的設想，這并不能說明唯物辯證法或傳統的以對立統一學說為核心的唯物辯證法已過時，本文已充分說明了唯物辯證法的基本規律對于系統科學中的許多思想仍有其解釋力。

轉載于:https://blog.51cto.com/wellbeing/318176

總結

以上是生活随笔為你收集整理的自组织与耗散结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。