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发信人: monica (怎么报告你), 信区: UIBE
标 题: 3.2 乐观者的时间与悲观者的时间
发信站: BBS 水木清华站 (Tue Apr 6 00:13:02 2004), 转信
3.2 乐观者的时间与悲观者的时间
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(Michele 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 Schrodinger)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(Theophile 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》(Order
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)
。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》(Order
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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※ 来源:·BBS 水木清华站 smth.org·[FROM: 162.105.31.*]
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