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发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标题: 3.2 乐观者的时间与悲观者的时间
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年12月26日19:49:50 星期三), 站内信件

研究热输运和能量与功的转化的热力学，是一门对工程技术人员非常有用的学科，而且
非常繁难。人们通常是从听说著名的热力学第二定律而知道热力学的，第二定律预言宇
宙正在退化，宇宙最终将死于热寂或熵。
德国科学家鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)首先表述的第二定律，把时间和历史引
入牛顿和经典物理学家图解为永恒的宇宙之中。由于牛顿力学方程是“时间可逆的”，
于是物理学家形成了这样的信念：在物质的基本层次上，时间没有方向性。现在可以用
电影来通俗描述这一思想。如果一部讲述原子碰撞的影片正放或倒放，我们瞧不出有什
么差别。在原子世界里，时间没有什么偏好的方向。时间可逆性对量子力学方程(至少
在其传统诠释中)亦成立。事实上，可逆性原理已经经过几次物理学革命而幸存下来，
它是一个牢固确立的概念，就象爱因斯坦在给其好友、物理学家米歇尔·贝索(Michel
e Besso)的遗孀的信中写的那样：
〖GK2!〗〖HTK〗米歇尔已经在我之前离开了这个奇怪的世界。这并不重要。对我们这些
信念坚定的物理学家来说，过去、现在与未来之间的差别只是一种幻觉，虽然是一种长
久不变的幻觉。( 译文参考了伊·普里戈金、伊·斯唐热著《从混沌到有序》第351页，
曾庆宏、沈小峰译，上海译文出版社1987年。——译者注)
然而，热力学这门学科发现了被时间奴役的世界。在热力学看来，事物只沿一个方向变
化。时间是不可逆的，它有一个箭头。爱因斯坦的朋友贝索生老病死，他既不能青春永
驻，也无法返老还童。汽车分解为一堆铁锈，一堆铁锈可不能重组成汽车。由于这个热
力学发现，物理学家们都盯着所谓的悲观时间——衰变和分解的时间。
时间的这个侧面令年轻的普里高津着迷，但他还为以更为乐观的形式——演化——出现
的时间所吸引。他回忆说：“那些年，埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)的
美妙著作《生命是什么?》(What is Life?)(中译本《生命是什么?》，上海外国自然科
学哲学著作编译组译，上海人民出版社1973年。——译者注)深深打动了我。在这本书
的末尾，薛定谔发问，生命的组织结构是从哪里来的?生命是如何进行复制的?生命中存
在某种稳定性吗?他回答说，‘嗯，我不知道。或许生命具有无摩擦摆那样的工作方式
。’但40 年前我有了另一个看法。我的看法恰好相反。我认为，在某种程度上正是因为
摩擦和与外界交换能量，结构才能以某种方式产生。”
为这一直觉所驱使，普里高津在塞奥菲勒·德·当德(Theophile de Donder)的指
导下，在布鲁塞尔大学从事研究工作。当德是当时研究所谓非平衡热力学的少数几位科
学家之一。平衡是一种最大熵状态，其中分子陷于瘫痪或无规运动。这就是克劳修斯宣
称的宇宙正在趋向的空洞无物汤。获悉非平衡态的规律是一个重大发现。
假使你取互相连通的两个箱子，一边注入氮气，另一边注入氢气，那么这两种气体最终
将充分混合，两个箱子中的每一种气体的浓度均无甚差异。科学家们就说系统达到了平
衡和最大熵。不过，若你把两个箱子加热到略有温差，气体仍将混合，但混合不均匀。
一边氢气多，另一边氮气多。热流动产生了某种秩序，即产生了一个近平衡系统。
近平衡可以比作一个能量阱，能量阱中的系统，失去能量同获得能量一样快。能量阱起
一种点吸引子的作用。普里高津不久认识到，甚至近平衡系统也没有真实的时间感，因
为系统不断返回其吸引子。他把此种系统比作没有过去的梦游者或被催眠者。普里高津
要找的时间秘密不在这。
于是，研究近平衡一段时日之后，他开始探究远离平衡情形发生的事情，即从外部输入
大量能量经历的情形。正是在这，普里高津发现了“来自浑沌的秩序”，发现了时间的
本质。
普里高津以两种截然不同的、尽管有时可相互替换的方式，使用〖HTH〗浑沌一词。一
种是平衡和最大熵的消极浑沌，其中各组元亲密混合，根本不存在任何组织结构。这便
是克劳修斯预言的最终冷寂宇宙的“热平衡浑沌”。但第二种浑沌是积极的，是热烈而
有生气的“远离平衡的湍动浑沌”。这就是我们在镜子的另一边介绍过的吸引费根鲍姆
、洛仑兹、梅、福特及其他诸位科学家注意力的浑沌。普里高津是率先发觉在这一远离
平衡浑沌中会出现怪事的当代科学家之一。他发现，在远离平衡态下，旧系统虽然崩溃
，但涌现出新的系统。
想象一下工厂里一条油管往一口大池中输油。油光滑地流下，在注入池中的油表面处形
成波纹。现在，假设某人打开龙头，让更多的油流经管道。新油突然喷出，造成的第一
个后果是，湍动和涨落增加。这些涨落无规地加剧，好象顺着某种道路通向全面的浑沌
，直至达到一个分岔点。在一个临界点上，许多涨落中的一个被放大和扩展，影响并支
配了该系统。涡旋模式形成。秩序从浑沌中涌现。只要维持从输油管来的流量，这些涡
旋便保持稳定。即使流量增加或减少一点点，涡旋模式的稳定性仍然保持。不过，若流
量增加或减少过大，则产生新的浑沌态势和新的秩序排布。
普里高津最喜欢用我们在镜子另一边见过的贝纳不稳定性，来描述这种从浑沌产生的秩
序( 见62-63页)。在那一边，我们介绍的是对流元胞分解为浑沌的道路。然而在这一边
，我们将考察贝纳元胞由浑沌转化为秩序的方式。
如果一平锅液体受热，下部比上部热，热量起先靠传导从下部向上传送。液体中的流动
又规则又光滑。这是近平衡情形。然而，随着不断加热，两层之间的温差增大，达到远
离平衡态，重力开始更强烈地曳引上层，上层较凉，从而较为致密。涡旋在整个流体里
出现，湍动增长，直到系统濒于完全无序。在不借助大规模对流的情况下，热量不能足
够快地弥散的时候，达到了临界分岔点。在这点处，系统摆脱其浑沌状态，先前乱七八
糟的涡旋转变为一个个六角形对流网格，即贝纳元胞。
再进一步加热，贝纳元胞又会分解为浑沌。
普里高津在与伊萨贝勒·斯唐热(Isabelle Stengers)合著的书《来自浑沌的秩序》(Or
der Out of Chaos)(上海译文出版社1987年中文版定名为《从混沌到有序：人与自然的
新对话》。——译者注)中指出，“在化学里，秩序与浑沌之间的关系显得非常复杂：
逐个有序的(振荡的)态势伴随着浑沌的行为体系”。他说贝纳元胞是由上亿个分子突然
一致运动产生的一种“特异现象”。(参见《从混沌到有序》第186页。——译者注)
显而易见，远离平衡浑沌的性质在于，它包含自组织的可能性。自组织的另一个突出例
子，已经在一大类化学反应中找到了。若一种反应物的浓度增加到临界点，则反应经历
一种转变：化学浓度开始象化学钟那样有规律地涨落。普里高津和斯唐热在书中写道：

图3.1(A)平锅底部受热，水呈现六角形贝纳元胞模式。(B)科学家们认为大气的球形外壳
(或许整个大气)可能是一片奔腾不息的贝纳元胞汪洋。(C)撒哈拉沙漠的航空照片显示
出由这一大气贝纳海洋留下的印迹。大气对流涡旋的这些印迹亦出现于雪地和冰山上。

让我们暂停一下，来强调这种现象多么出人意料。假设我们有两种分子：“红色”分子
和“ 蓝色”分子。由于分子的浑沌运动，我们可以指望在给定瞬间有比较多的红色分
子位于(比如说)容器的左半部。过一小会儿，有较多的蓝色分子出现，如此等等。这个
容器在我们看来将呈现“紫色”，并偶然而不规则地闪现红色或蓝色。但是，化学钟并
〖 HTH〗不〖HTK〗是如此。对于化学钟，系统完全是蓝色的，然后，颜色突然变为红色
。之后又变为蓝色。因为所有这些改变都以〖HTH〗有规则的〖HTK〗时间间隔发生，所
以我们得到的是一个相干的过程。
从亿万分子的活动中产生的此种程度的秩序，简直令人难以置信，要不是化学钟确实被
观察到的话，谁也不会相信这种过程是可能的。要同时改变颜色，这些分子必须具有一
种“通信 ”的手段。系统必须作为一个整体来活动。(参考了《从混沌到有序》第191-
192页的译文。——译者注)
他们说，就好象每个分子都得到关于整体系统状态的“通知”一样。普里高津不光在谈
论这一方式时用到拟人的语气。对他来说，通信和信息概念与随机行为如何导致复杂的
反馈耦合和自发秩序，是紧密联系在一起的。拿白蚁如何筑巢来作例子吧。
不存在什么指挥筑巢工作的中枢蚁僚。起初，白蚁无规地游走，拾拣土块，把土块从一
处运到另一处。白蚁这么做的时候，用一滴吸引其它白蚁的化学物质浸渍土地。在某个
区域随机形成较高的浓度，随后这一区域成为其它白蚁及其土块的聚集地。土柱出现，
白蚁的活动渐有联系，直至蚁巢筑成。
更切近一些，我们都有过陷于此类相互关系中的体验。在高速公路上两次高峰期之间行
车，我们很少受其它汽车的影响。但到4点钟，交通变得滞重，我们开始与其他驾驶员
相互作用。在某个临界点处，我们开始受整个交通模式“驱使”。交通成了一个自组织
系统。
〖KH8〗
〖HT6H〗图3.2
浑沌涨落产生自组织的另一个例子，涉及某种叫做粘菌的变形虫。粘菌(图3.2)的部分生
命是以单细胞形式度过的。但是，在被剥夺食物时，它们会发出一种化学脉冲，通知其
它变形虫。数以千计的变形虫随机地聚集，直至其涨落达到一临界点，在此时刻，它
们自我组织形成能够在林地上爬行的粘合体。最后，在一个新地方，粘菌长出肉柄和子
体，子体长出孢子，孢子生出新的、独立的变形虫。粘菌集个体行为与集体行为于一身
，两者互为内容。
普里高津及其同事发现，正如这些例子显示的，自组织结构无处不在：在生物学中，在
涡旋中，在城市发展和政治运动中，在恒星演化中。他把失平衡和自组织实例命名为“
耗散结构 ”。
这个名称源于这样的事实：为了演化并保持其形态，城市、涡旋和粘菌都要消耗能量和
物质。它们是开放系统，即从外界吸取能量，同时产生向周围环境耗散的熵(废弃的、
零散的能量)。当然，一个系统的熵可能是另一个系统的食物。比如，考察金龟子，或
者考虑我们自己细胞中的线粒体，线粒体把发酵食物分子排放的废物转变成ATP，ATP实
际上是一种贮存能量的分子。第二定律(即熵总是增加)并不因为出现这些系统而被违反
，正象万有引力不因存在轨道卫星而失效一样。卫星利用万有引力留在轨道上，耗散结
构则利用熵。
〖HTH〗耗散结构这一称谓，表达了普里高津观点中的一个极为重要的矛盾。耗散意味
着浑沌和分解；结构却是其反面。耗散结构是能够通过向其环境的能流和物流连续开放
来维持其本体的系统。考虑我们在上一章发现的孤子。象平移波和烛火之类的孤子，也
是产生于远离平衡能流并驾驭它的耗散结构。

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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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