混沌與有序自組織理論的新課題

混沌與有序自組織理論的新課題

20世紀(jì)70年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)一系列自組織理論的誕生，對(duì)復(fù)雜性的研究成為現(xiàn)代科學(xué)和哲學(xué)的熱點(diǎn)。關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的自組織性,各自組織理論從不同角度給予了理論回答。自組織理論著重討論了系統(tǒng)怎樣自發(fā)地從混沌到有序,從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演化發(fā)展,研究了形成宏觀穩(wěn)定有序結(jié)構(gòu)的條件、機(jī)理和規(guī)律。1.系統(tǒng)的非平衡是有序之源普里高津指出,遠(yuǎn)離平衡的開(kāi)放系統(tǒng),其間各要素具有非線性相互作用,當(dāng)控制參量的變化達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí),系統(tǒng)由穩(wěn)定變成不穩(wěn)定,就有可能通過(guò)漲落發(fā)生突變即非平衡相變,由原來(lái)的混沌無(wú)序狀態(tài)形成一種時(shí)間、空間或功能有序的狀態(tài),或者從一種有序狀態(tài)演化成一種新的有序狀態(tài)。具體地講,自組織形成需要4個(gè)條件首先,系統(tǒng)必須是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)。熱力學(xué)告訴我們,一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)地趨于無(wú)序,代表系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量熵自發(fā)地趨于極大。而只有開(kāi)放系統(tǒng),通過(guò)與外界交換物質(zhì)和能量,從外界引入負(fù)熵流來(lái)抵消自身的熵增加,使系統(tǒng)的總熵逐步減少,才可能從無(wú)序走向有序。其次,系統(tǒng)必須處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)。一個(gè)孤立系統(tǒng)達(dá)到的不再隨時(shí)間變化的狀態(tài),稱(chēng)為熱力學(xué)平衡態(tài),例如溫度處處相同的系統(tǒng)就處于熱平衡態(tài)。宇宙如果處于熱平衡態(tài)則稱(chēng)為“熱寂”。此時(shí)系統(tǒng)處于熵極大的混亂無(wú)序狀態(tài),不可能產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)理論進(jìn)一步證明,系統(tǒng)即使處于離平衡態(tài)不遠(yuǎn)的近平衡區(qū),并與外界有物質(zhì)和能量的交換,其自發(fā)趨勢(shì)也還是回到平衡態(tài),而不會(huì)產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)只有遠(yuǎn)離平衡態(tài),才有可能形成新的穩(wěn)定有序的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)意義上,普利高津得出了“非平衡是有序之源”的結(jié)論。第三,系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)要素之間存在著非線性的相互作用,普利高津說(shuō):“對(duì)于形成耗散結(jié)構(gòu)必須的另一個(gè)基本特性,是在系統(tǒng)的各個(gè)元素之間的相互作用中存在著一種非線性的機(jī)制。”通過(guò)非線性相互作用使各個(gè)要素(子系統(tǒng))之間產(chǎn)生協(xié)同作用和相干效應(yīng),才能使系統(tǒng)從無(wú)序變?yōu)橛行?。否則,即使有負(fù)熵流的流入,也不可能使系統(tǒng)向有序轉(zhuǎn)化。非線性的相互作用要用非線性方程描述。非線性方程存在著多重解或分支解,其中有的解是穩(wěn)定的,有的解是不穩(wěn)定的,這說(shuō)明系統(tǒng)演化可能出現(xiàn)不同的結(jié)果,從而產(chǎn)生系統(tǒng)演化的復(fù)雜性和多樣性。這種復(fù)雜性和多樣性可以用數(shù)學(xué)中的隨機(jī)微分方程和分支點(diǎn)理論來(lái)計(jì)算。第四,漲落導(dǎo)致有序。系統(tǒng)的演化可能有幾個(gè)分支解,那么系統(tǒng)怎樣才能躍遷到一個(gè)穩(wěn)定有序的解上去呢?普利高津指出,“在耗散結(jié)構(gòu)里,在不穩(wěn)定之后出現(xiàn)的宏觀有序是由增長(zhǎng)最快的漲落決定的。因此,這個(gè)新型的有序可以叫做‘通過(guò)漲落的有序’”,漲落是指系統(tǒng)中某個(gè)變量和行為對(duì)平均值發(fā)生的偏離,它使系統(tǒng)離開(kāi)原來(lái)的的狀態(tài)或軌道。系統(tǒng)處于不同狀態(tài)時(shí),漲落起著迥然不同的作用。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),漲落是一種干擾,它引起了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌道的混亂,導(dǎo)致了無(wú)序,此時(shí)系統(tǒng)具有抗干擾的能力,它迫使?jié)q落逐步衰減,使系統(tǒng)又回到原來(lái)的狀態(tài)或軌道。如果系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的臨界狀態(tài),漲落則可能不僅不衰減,反而會(huì)放大成為“巨漲落”,使系統(tǒng)從不穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到一個(gè)新的有序狀態(tài)。這就是耗散結(jié)構(gòu)理論強(qiáng)調(diào)的“漲落導(dǎo)致有序”。2.耗散結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)穩(wěn)定性在現(xiàn)實(shí)世界中,絕對(duì)的孤立系統(tǒng)是不存在的,世界上的自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)無(wú)不處于遠(yuǎn)離平衡的開(kāi)放狀態(tài),這些開(kāi)放系統(tǒng)通過(guò)不斷同外界交換物質(zhì)、能量和信息,吸取負(fù)熵流,抵消自身內(nèi)部的熵產(chǎn)生,從發(fā)展的總趨勢(shì)來(lái)看,由于系統(tǒng)的自組織性,系統(tǒng)從外界交換獲得的負(fù)熵流的絕對(duì)值總會(huì)大于系統(tǒng)自身的熵產(chǎn)生,即|deS|>diS,則有ds=deS+diS<0,于是系統(tǒng)總熵本身就降低了,熵降低意味著有序程度的提高,所以,總的說(shuō)來(lái),自組織系統(tǒng)始終遵循從無(wú)序到有序,從低級(jí)有序向高級(jí)有序發(fā)展的道路。開(kāi)放系統(tǒng)由于與外界不斷有物質(zhì)和能量交換,所以必然處于非平衡態(tài),所謂的平衡態(tài)都是相對(duì)的,而非線性關(guān)系則反映了系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)復(fù)雜的相互作用。我們從數(shù)學(xué)知識(shí)可以知道,非線性方程對(duì)應(yīng)著多個(gè)不同的解,在系統(tǒng)躍遷到一個(gè)穩(wěn)定有序的分支解的過(guò)程中,漲落起著十分重要的作用,這樣又使系統(tǒng)由無(wú)序走向有序的必然過(guò)程帶上隨機(jī)偶然性和非決定性的色彩。耗散結(jié)構(gòu)理論揭示出,自組織過(guò)程的形成不僅與結(jié)構(gòu)和功能有關(guān),而且與漲落也有密切聯(lián)系。結(jié)構(gòu)決定功能,功能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)并反作用于結(jié)構(gòu)。而漲落一旦被放大,則激烈地改變著整個(gè)宏觀系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)。正如普里高津在《從混沌到有序》一書(shū)中指出的:“當(dāng)系統(tǒng)被推入一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài),系統(tǒng)變得對(duì)外部影響特別敏感,小的輸入能產(chǎn)生巨大而驚人的效果,整個(gè)系統(tǒng)可能以我們覺(jué)得異乎尋常的方式重新組織它自己?！狈催^(guò)來(lái),新產(chǎn)生的宏觀結(jié)構(gòu)又可以決定未來(lái)可能發(fā)生的漲落的范圍。功能、結(jié)構(gòu)、漲落的這一相互聯(lián)系、相互作用的關(guān)系,普里高津把它概括為功能一一漲落一一結(jié)構(gòu)的格式,“耗散結(jié)構(gòu)的演化是根據(jù)該格式的一個(gè)自決定序列”。耗散結(jié)構(gòu)理論從廣義熱力學(xué)角度,回答了一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的復(fù)雜系統(tǒng)形成穩(wěn)定有序的自組織結(jié)構(gòu)的宏觀機(jī)制問(wèn)題。而由哈肯提出的協(xié)同學(xué),則在此基礎(chǔ)上對(duì)相變現(xiàn)象進(jìn)行了更深入的研究,揭示出復(fù)雜系統(tǒng)在一定條件下,自發(fā)地形成穩(wěn)定有序的自組織結(jié)構(gòu)的微觀機(jī)制——協(xié)同導(dǎo)致有序。為了維持各自系統(tǒng)的穩(wěn)定并向著更有序的結(jié)構(gòu)方向發(fā)展,各系統(tǒng)或子系統(tǒng)間形成協(xié)同作用是必然的。按照通俗一點(diǎn)的說(shuō)法,即各系統(tǒng)或子系統(tǒng)間在為了獲得更多的負(fù)熵而競(jìng)爭(zhēng),同時(shí)為了各自都能從環(huán)境中得到更多的負(fù)熵,增強(qiáng)各自的生存競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展的能力,各系統(tǒng)或子系統(tǒng)間就會(huì)自發(fā)地相互協(xié)同,構(gòu)成更高級(jí)的大系統(tǒng)。在這樣的大系統(tǒng)中,各子系統(tǒng)有不同的分工、不同的結(jié)構(gòu)和功能,彼此相互配合、相互依存,形成了一個(gè)有機(jī)的整體。生物的進(jìn)化從單細(xì)胞到多細(xì)胞,直到復(fù)雜的人體都走過(guò)了這樣的歷程。協(xié)同學(xué)認(rèn)為,決定系統(tǒng)有序化程度的參量是在臨界點(diǎn)附近衰減得很慢的慢變量。根據(jù)伺服原理,衰減得很快的快變量往往如流星劃過(guò),對(duì)系統(tǒng)的變化不起主導(dǎo)作用,只有慢變量主宰著整個(gè)系統(tǒng)的演變方向,決定著系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)。。一方面,慢變量和快變量之間相互聯(lián)系,相互制約,表現(xiàn)出一種合作與競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。慢變量是支配變量,快變量是伺服變量,支配變量支配了伺服變量的變化,主導(dǎo)著系統(tǒng)演變的進(jìn)程。另一方面,序參量與序參量之間同樣也是競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同的關(guān)系。一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的序參量不只一個(gè),當(dāng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的分支點(diǎn)時(shí),每個(gè)序參量都力圖戰(zhàn)勝對(duì)方,獨(dú)自主宰系統(tǒng),但因?yàn)樗鼈兊乃p常數(shù)相似,所以它們處于勢(shì)均力敵的狀態(tài),在這種情況下,各個(gè)序參量只好協(xié)同一致形成有序結(jié)構(gòu)。然而,當(dāng)外界控制參量達(dá)到某個(gè)新的閾值時(shí),只有其中的一個(gè)序參量在競(jìng)爭(zhēng)中取勝,并形成一個(gè)特定的自組織結(jié)構(gòu)。由此看來(lái),哈肯的協(xié)同學(xué)是從微觀上揭示了自組織形成的內(nèi)在的動(dòng)力機(jī)制。超循環(huán)理論和突變論也分別從不同的領(lǐng)域探討了自組織演化的機(jī)制問(wèn)題。超循環(huán)理論對(duì)于涉及生命起源過(guò)程的生物大分子自組織進(jìn)化形式的探索,具有一般意義。按照超循環(huán)理論,在化學(xué)進(jìn)化階段和生物學(xué)進(jìn)化階段之間,有一個(gè)生物大分子自組織進(jìn)化階段,在這個(gè)生物大分子的自組織過(guò)程中,原始的蛋白質(zhì)和核酸之間的相互作用從催化循環(huán)發(fā)展到超循環(huán),超循環(huán)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的生長(zhǎng)最終導(dǎo)致了生命的起源。可以說(shuō),無(wú)論無(wú)機(jī)或有機(jī)系統(tǒng)的自組織演化過(guò)程,還是社會(huì)文化系統(tǒng)的自組織演化過(guò)程均必然采取某種超循環(huán)形式。突變論運(yùn)用微分拓樸對(duì)奇點(diǎn)性質(zhì)研究的成果,對(duì)不連續(xù)性和突變現(xiàn)象作出解釋,研究了系統(tǒng)自組織演化的相變類(lèi)型和途徑。總之,所有這些自組織理論都說(shuō)明:世界上事物的發(fā)展是自組織的過(guò)程,沒(méi)有任何超自然的力量推動(dòng)世界的發(fā)展,世界上的事物都憑借自身的力量發(fā)展著自己。3.自組織發(fā)展的階段性整個(gè)世界上的事物都處于由低級(jí)到高級(jí),由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的自組織運(yùn)動(dòng)之中,盡管這些物理的、生物的、化學(xué)的或人類(lèi)社會(huì)的系統(tǒng)的自組織過(guò)程都是相似的,但由于組成這些系統(tǒng)的要素的本質(zhì)不同,以及這些系統(tǒng)在發(fā)展中有序化程度由低到高的不斷提高,因而體現(xiàn)出自組織發(fā)展的階段性。3.1.自組織進(jìn)化階段的超循環(huán)和催化演化自組織的發(fā)展存在階段性是很明顯的。在耗散結(jié)構(gòu)的定義中包含了自組織形成的基本條件,反過(guò)來(lái)也說(shuō)明,形成耗散結(jié)構(gòu)是自組織運(yùn)動(dòng)的低級(jí)的基礎(chǔ)的階段,在簡(jiǎn)單的化學(xué)系統(tǒng)和前細(xì)胞系統(tǒng)水平上就已經(jīng)有了最基本的自組織運(yùn)動(dòng)形式——耗散結(jié)構(gòu)。在超循環(huán)論中,反應(yīng)循環(huán)是最低級(jí)的循環(huán),反應(yīng)循環(huán)通過(guò)一個(gè)由低級(jí)循環(huán)形成高級(jí)循環(huán)的會(huì)聚過(guò)程,循環(huán)地聯(lián)接起來(lái)構(gòu)成了催化循環(huán),而催化循環(huán)又會(huì)聚成為超循環(huán),超循環(huán)是催化循環(huán)的循環(huán),因此是比催化循環(huán)更高一級(jí)的循環(huán)。由此可見(jiàn),生物大分子自組織進(jìn)化階段的超循環(huán)是自催化(即催化循環(huán))系統(tǒng)等級(jí)結(jié)構(gòu)中更高的層次,“它是由自催化或復(fù)制循環(huán)所構(gòu)成的,那些復(fù)制循環(huán)是以(二級(jí)或更高級(jí)的)非線性自催化為基礎(chǔ)的”。從一個(gè)系統(tǒng)自組織演化的過(guò)程來(lái)看,更能說(shuō)明自組織發(fā)展的階段性。(美)埃里克·詹奇指出,在系統(tǒng)自組織演化的過(guò)程中,每向上進(jìn)化一個(gè)層次都伴隨著時(shí)間或空間的對(duì)稱(chēng)破缺,每一次對(duì)稱(chēng)破缺都意味著將形成新的更有序的時(shí)空結(jié)構(gòu)。例如,生命的微觀進(jìn)化出現(xiàn)了四個(gè)階段,即熱力學(xué)/化學(xué)階段,生物學(xué)/遺傳學(xué)階段,漸成階段和神經(jīng)(社會(huì)文化)階段。每一階段都對(duì)應(yīng)著不同的自組織運(yùn)動(dòng)發(fā)展的階段性。自組織發(fā)展的不同階段各有其相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和自組織動(dòng)力學(xué),要還原到一種描述層次是不可能的。在從非生命系統(tǒng)到生命系統(tǒng),再到人類(lèi)社會(huì)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中,自組織能力顯現(xiàn)不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)。例如與無(wú)機(jī)界的系統(tǒng)相比較,生物系統(tǒng)具有新陳代謝、自我更新的自組織能力,人類(lèi)社會(huì)的自組織能力又強(qiáng)于生物系統(tǒng),它蘊(yùn)含了認(rèn)識(shí)和改造世界的能動(dòng)性,并且隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展,這種自組織能力將不斷向更高的階段發(fā)展。另外,不同自組織發(fā)展階段的自組織動(dòng)力學(xué)具有不同的特點(diǎn)。例如,在化學(xué)耗散結(jié)構(gòu)水平上,其動(dòng)力學(xué)反映的是能流通量;在原始形態(tài)的自復(fù)制水平上,其動(dòng)力學(xué)強(qiáng)調(diào)的是糾錯(cuò);在復(fù)雜的有性繁殖細(xì)胞水平上,其動(dòng)力學(xué)著重于多樣性;在有機(jī)體的水平上,其動(dòng)力學(xué)側(cè)重在靈活性和應(yīng)付意外的能力上;等等?？傊?自組織的發(fā)展存在階段性,這體現(xiàn)了事物運(yùn)動(dòng)變化的復(fù)雜性、多樣性和層次性,也體現(xiàn)了事物從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,由低級(jí)向高級(jí)運(yùn)動(dòng)發(fā)展。3.2.混沌運(yùn)動(dòng)的特征如果拋開(kāi)自組織發(fā)展的階段性的具體表現(xiàn),從自組織運(yùn)動(dòng)內(nèi)在的規(guī)律入手,那么自組織運(yùn)動(dòng)可按宏觀整體周期運(yùn)動(dòng)的特征劃分為不同的發(fā)展階段。如果系統(tǒng)的自組織運(yùn)動(dòng)形式具有嚴(yán)格的時(shí)間、空間特征尺度,形成有標(biāo)度周期運(yùn)動(dòng)形式的單一層次分布體系,則系統(tǒng)的自組織運(yùn)動(dòng)處于自組織的低級(jí)階段。如果系統(tǒng)的自組織運(yùn)動(dòng)形式?jīng)]有具體的時(shí)間、空間特征尺度,形成無(wú)標(biāo)度周期運(yùn)動(dòng)形式的多層次自同構(gòu)體系,則系統(tǒng)的自組織運(yùn)動(dòng)處于自組織的高級(jí)階段。這里的標(biāo)度就是指時(shí)間、空間特征長(zhǎng)度,一般大多數(shù)的自組織運(yùn)動(dòng)形式,均具有嚴(yán)格的時(shí)、空特征長(zhǎng)度,如激光器發(fā)射的單色集束光,貝納德六角形對(duì)流花紋等等。而混沌運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是無(wú)標(biāo)度性,混沌運(yùn)動(dòng)形式的自同構(gòu)可以在各種不同的時(shí)間、空間特征長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn),比如同一個(gè)湍流場(chǎng)上可以分布著尺度各不相同的無(wú)數(shù)渦旋。有標(biāo)度周期和無(wú)標(biāo)度周期是按照是否具有時(shí)空標(biāo)度來(lái)劃分的,混沌運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性常數(shù)是以分?jǐn)?shù)維的形式刻畫(huà)的,因此屬于無(wú)標(biāo)度周期,但無(wú)標(biāo)度周期并不等于非周期?；煦鐑?nèi)部的無(wú)窮嵌套的自相似結(jié)構(gòu)具有標(biāo)度變換下的不變性,正是由于無(wú)標(biāo)度周期常數(shù)將不因時(shí)空特征長(zhǎng)度(標(biāo)度)的改變而失效,所以才可以在不同的時(shí)空特征上實(shí)現(xiàn)本身的存在,這種無(wú)窮嵌套的自相似結(jié)構(gòu)就是前面所說(shuō)的多層次自同構(gòu)體系。相反,象化學(xué)振蕩這樣的自組織運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)周期運(yùn)動(dòng)形式的單一層次分布,其時(shí)間節(jié)律是嚴(yán)格銜接的,若上一次振蕩的時(shí)間是3分鐘,那么下一次振蕩的時(shí)間也是3分鐘。如此說(shuō)來(lái),按照前面的劃分,混沌就屬于自組織的高級(jí)階段。混沌運(yùn)動(dòng)決不是混亂無(wú)序的,它其實(shí)是一種高級(jí)的有序,它的復(fù)雜性體現(xiàn)于在確定性中具有內(nèi)在隨機(jī)性。具有高級(jí)組織水平的系統(tǒng)通常呈混沌態(tài),如高等生物機(jī)體、人的大腦、一個(gè)人口稠密的現(xiàn)代化城市等等。自組織運(yùn)動(dòng)從無(wú)序到有序,再由有序到混沌,經(jīng)歷了一個(gè)否定之否定的演化過(guò)程。其中第三階段混沌狀態(tài)來(lái)自有序,但又不同于一般的有序態(tài);它表現(xiàn)出某種無(wú)序性,但又不是毫無(wú)秩序和規(guī)律的,它是有序和無(wú)序的辯證統(tǒng)