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第7章 铺垫在混杂学前面的理论(3)

那么,突变论又是研究什么呢?在我们学习哲学时,知道渐变与突变是一对范畴,是事物发展变化的两个不同的侧面。长期以来,人类对事物的渐变过程研究得较多,而对突变过程,以及突变过程与渐变过程的关系研究甚少。然而,自然界和人类社会存在着大量的突变现象,像火山爆发、地震的发生,建筑物的倒塌、市场的崩渍,以及诸如战争的爆发,像印度尼西亚的卵丰晏褒嗽拟经济的一旦毁坏等等,人类霈要对这些现象做出科学的回答。于是,法国数学家托姆创立了他的突变论。1968年,托嬅发表了第一篇关于突变论的论文,1972年又出版了结构稳定性和形态发生学一书,全面系统阐述了突变理论,宣告了这一新学科的诞生。

突变论是一门新兴数学的分支。它从现代数学分析的角度,运用拓朴学、奇点理论和结构稳定性等数学工具,着重研究那些连续作用所导致的不连续变化的问题,即各种形态、结构的非连续突变问题,并通过建立数学模型对突变现象进行精确描述。由于突变论运用数学工具揭示了系统原因连续的作用可能导致结果的突然变化的一般机理,开辟了运用数学研究系统演化的新领域,因而被看做是现代科学的重要理论分支。

在这里,我们并非是研究数学问题或者物理问题,也不可能对这六论说得更深更透,而只是点到为止,从回顾中讲述我们要向读者讲述的问题。

这里最重要的问题是当理论还处于老三论的阶段上时,学者们还限于闭合系统方面的研究,即将一个系统看做是封闭的,与外界没有能量交换的系统。而进入了新三论之后,学者们已经开始对开放系统进行研究了。事实上,无论人际系统,还是自然系统,都不是闭合系统,而是开放系统。这就是说,开放系统更接近事物的真实,因此也更能揭示事物的本质,而闭合系统的规律也许并不适合真实的情况。从这个角度言之,学者们的研究《同时也表示人类关注的重点》开始转向更复杂更真实的现实系统,而不是假设性的实验系统。

当我们介绍一个系统里有着混沌和复杂状态,并且科学家们由此创建了混杂理论这一问题时,我们不得不承认,是普利高津的理论为这个新理论的诞生铺筑了道路。这主要是普利高津的耗散理论中首先引入了开放系统、系统的自组织能力以及涌现、有序和无序关联的思想,混沌与复杂性理论就是从这个基础上创建出来的。

普利高津在本世纪的40年代,提出了热力学第二定律所决定的熵增加并不意味着总是产生无序;在某些系统中,比如他自己在实验中发现,在放置混合化合物质的容器中,熵的变化会产生奇沙的模式。他开始意识到:结构根植于不可逆的时间流向,时间箭头在宇宙结构中是一个重要因子。从某种意义上说,正是因为这些认识使我与大物理学家爱因斯坦发生了分技。在爱因斯坦看来,时间只是一种幻觉。

00年,瓦特的旋转运动寨汽机是共飘纺识机的主要动力来什么是物理学的第二定律呢?热力学的第一定律是能量守恒定律。而第二定律的含义是,所有的能量转化都是不可逆的。例如当一部发动机的曲轴正好转过一个循环时,这台机器回到了原来的状态,或许连最有经验的机械师都看不出它与原来的初始状态有什么不同。但是由于热而产生了能量的损耗,却已经使得一些无法再被消除的变化发生了。曲轴由于机械运动受到了摩擦,一部分机械能变成了热能,这热能,我们可以想像为轴上分子无规则的随机运动,这种无规则运动的能量又有一部分被空气分子带走。最后的结果是作为热能而出现的不可逆的能量耗散。

热力学第二定律中最重要的概念是熵的概念。熵是这样的一个量,它在有耗散的情况下不停地增长,当所有进一步做功的潜力都耗尽了以后,熵就达到了最大值。熵达到了最大值就意味着能量的耗尽、系统的毁坏。要是某一个系统是可逆的,能量能够在做完功后全部返回来,那么熵的改变就是零要是不可逆的,熵就总是增加的。换句话说,燠是有方向性的,随着做功时间的增长,熵不断增加,所以熵增正好与时间箭头一致。

按照热力学第二定律,在一个孤立系统中自然发生的任何过程,都一定伴随着系统的熵的增加。因而熵给所有的孤立系统提供了一个时间箭头。当熵达到它的最大值时,孤立系统的时间演化就停止了,该系统就处于它最无序的状态。这时系统已耗尽了它所有发生变化的能力--它已经达到了热力学平衡。

热力学第二定律在某种意义上说是一条可怕的定律。将熵概念引第二定律的克劳修斯认为,宇宙本身是一个完全孤立(也叫做封闭)的系统。要是宇宙不是孤立的系统,那么它的外边应当还有些什么,但谁也想像不出宇宙的外边会有什么。由此,克劳修斯于865年把热力学的两条定律写成宇宙学的形式。第一定律说,宇宙的总能量是守恒的;第二定律说,如我们已看到的,宇宙的总熵是在无情地朝着它的极大值增长。那么,新的问题来了,当宇宙的总熵到达了最大值的那一刻一热寂状态,那就是宇宙死亡之时。

1945年,普利高津登上了热力学的舞台。普利高津1917年出生于莫斯科。10年后,他随同家人迁往西欧,在布鲁塞尔定居了下来。在由比利时物理化学家顿德尔创立的布鲁塞尔热力学派里,他从一个小学徒的身份开始,一步一步成长起来,他的大部分生涯是在布鲁塞尔自由大学度过的。

28岁的普利高津发现,在线性表现良好的区域,热力耗散到它可能的最低点。这样,系统熵的变化率,也就是内累的熵产生将会减小:一般地,系统将会演化到一个稳定的或不变的状态,此时耗散处于一个极小值。在热扩散的情况下,总的熵可能是增加的,但是当气体最终的浓度梯度已经建立起来以后,内襄熵的产生率就处于它的最低值。

普利高津的博士论文在1947年发表,题目是《不可逆现象的热力学研究》。它包括有最小熵产生定理,并且也为他今后一生的研究打下了基础。

普利高津的最小耗散图像,比起最大熵的平衔概念来对我们更为有用,因为它与实际世界的关联更为密切一在实际世界中,没有东西是真正处于平衡态的。进一步演化的趋势总是有的5液体会混合,建筑物会风化,物体会冷却。但只要有一个很小的外部影响,使得系统保持在偏离热平衡状态,则将持续出现的是一种稳恒态,而不是坍缩到完全无序状态。

又经过长达20多年的研究,以普利高津为代表的布鲁塞尔学派精心研究出一种称之为广义热力学的理论。这个理论把整个总体分解成若干个局部,每个局部都会出现局部的平衡,也会出现不平衡。由于能量和质量都是可以流动的,系统的行为由非常复杂的非线性关系所支配,并且对于每个局部而言,它们对于总体都是开放性的体系。

当系统远离平衡时,整体熵产生以极快的速率增长,这是与热力学第二定律相一致的,然而我们却同时观察到极其有序的行为的出现。这样,我们就必须修改前人留给我们的信条一时间箭头总是联系着向无序状态的退化。确实,当时间走到了终点,再不会发生任何变化的时侯,可能会出现无序状态。但是,在较短的时间尺度上,我们可以看到短暂的结构的出现,只要物质和能量的流动可以继续,这种结构就可以维系存在。但有一点必须是要加以肯定的,即这个系统是要对外开放的。惟有开放的系统才能保持偏离平衡的状态。这是因为,正由于系统的开放,它与外界在进行着能量的交流,这种交流使这个系统由于做功而产生的熵增可以输送到该系统的外面去,从而系统可以维持在有序状态之中,同时容许系统和外界所构成的整体熵增加。

读了这些文字,没有接触过热力学和宇宙发生字的读者仍然不懂。那么,让我们把一切啰嗦的话都砍掉,剩下两句读者能够听仅的话就成了:当热力学第二定律说,宇宙是个闭合系统时,普利高津说不见得,许许多多的系统是开放你当第二定律认为这种封闭的系统由于熵增的结果会走向无序、走向死亡时,普利高津也说不见得,似乎系统中还有另外一股力,能使无序组织成有序,使熵不再增加,普利高津认为他的观点能对认识社会现象提供哲学基础。他同时强调:人类的行为不可能用科学的数学棋型来确定人类生活中没有简单的基本方程!当你决定是否喝一杯咖啡时,就已经是一个非常复杂的决策。结果取决于某日某时你是否想喝咖啡等等因素。普利高津一直致力于做出伟大的发现。后来他终于公布了成果:混沌、不稳定性、非线性动力学以及相关概念。这些概念不仅为自然科学家所接受,而且也为普通公众所接受,因为社会总是处于变动不定的状态之中。无论对宗教、政治、艺术还是科学,人们过去建立起来的髙度统的信念正在解体。

我们在这里可以这样说,是普利高津的这些观念,促使了混沌、复杂性理论的创立。当然,不应该把所有的功劳归功于他一人,这是一批科学家半个世纪的努力的结果,其中包括着他。而且,整个人类的思想进程也走到这一步了面对如此复杂的世界应当有更复杂一些的解释。

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