耗散结构论 pdf 耗散结构论的成就、缺陷及其改造



人类是一种高等的动物,具有其他低等动物所无法比拟的智慧,但人类终归是自然界物质运动的结果,总是由低等动物进化而来。价值是人类独有的运动现象,它有复杂多样的表现形式和结构层次,但它终归是伴随人类的不断进化而发展起来的,不是在人类发展过程中的某一阶段突然出现的,它必定是由某种低等的物理现象、化学现象或生物现象演变而来,关键是能否准确找到价值的原始“胚胎”。

一、耗散结构论的产生

19世纪存在着两种对立的发展观。一种是以热力学第二定律为依据推演出的退化观念体系,它认为,由于能量的耗散,世界万物趋于衰弱,宇宙趋于“热寂”,结构趋于消亡,无序度趋于极大值,整个世界随着时间的进程而走向死亡;另一种是以达尔文的进化论为基础的进化观念体系,它指出,社会进化的结果是种类不断分化、演变而增多,结构不断复杂而有序,功能不断进化而强化,整个自然界和人类社会都是向着更为高级、更为有序的组织结构发展。显然,物理学与生物学、社会学中的这两种观点至少表面上在发展观上是根本对立的。难道生命系统与非生命系统之间真的有着完全不同的运动规律吗?为此,物理学家普利高津创立了“耗散结构论”,他认为,无论是生命物质还是非生命物质,既然它们处于同一个宇宙中,是物质系统的各个相互联系的有机部分,那么就应该遵循同样的自然规律,生命的过程在任何情况下绝不存在于自然界之外,它们遵循某种非线性的远离平衡态的物理定律。

传统的价值理论往往只看到了人类社会的价值现象与自然界各种物理现象、化学现象或生物现象之间的差别,而看不到其内在联系,看不到它们在更高层次上的内在统一性。随着自然科学的发展,人们开始认识到任何生物运动都是由低等的物理运动和化学运动发展而来,必然遵循着一般的物理定律和化学定律,只是表现得更为复杂、更为奇特而已。“耗散结构论”集中体现了人们在这方面的研究成果,它把原本完全不相容的物理热力学与生物学统一起来了,实现了人类认识史上的一次大飞跃。不过,这种理论本身存在着许多缺陷,以致于不能进一步将其延伸到社会科学领域中。只有对它进行重大改造,才能真正把自然规律与生物规律及社会规律衔接起来,才能使价值现象辩证地还原为基本的物理现象和化学现象,使人类的认识实现一次更为深刻的飞跃。

二、耗散结构论的基本思想

耗散结构论是以宏观系统为研究对象,认为系统与外界交换物质和能量的状态决定着系统的发展方向。它把宏观系统区分为三种:与外界既无能量交换又无物质交换的孤立系、与外界有能量交换但无物质交换的封闭系以及与外界既有能量交换又有物质交换的开放系,并指出孤立系统永远不可能自发地形成有序状态,其发展的趋势是平衡无序态;封闭系统在温度充分低时,可以形成稳定有序的平衡结构;开放系统在远离平衡态并存在负熵流时,可能形成稳定而有序的耗散结构。

耗散结构是在远离平衡区的非线性系统中所产生的一种稳定的自组织结构,其形成和维持至少需要三个条件:①系统必须是开放系统,以保证负熵流的引入;②系统必须处于远离平衡的非线性区,在平衡态或近平衡态不可能发展质的突变而从无序走向有序,更不可能从一种有序走向新的更高级的有序,通俗地讲,平衡结构是“死”的有序结构,而耗散结构是“活”的有序结构,两者的有序存在着质的差别;③系统中必须存在某些非线性动力学过程,如正负反馈机制等,这种非线性的相互作用能够使系统的各要素之间产生协调动作和相干效应,使系统从杂乱无章变为井然有序。如果系统中各要素的相互作用仅仅呈线性关系,那么它只有量上的增减,不可能有任何质上的飞跃。

有生命的生物机体是一种开放系统,其生存与发展必须不断地与外界进行能量耗散和物质交换,主要特征是:首先,系统趋向于稳态(不随时间改变的状态)后,尽管输入和输出、组建和破坏不断地进行,但是系统的基本组成保持不变,并能自动进行调节;其次,系统有维持自身有序状态的功能,并能不断向分化性和组织性的方向演化。生物机体是一种远离平衡态的有序结构,它只有不断地进行新陈代谢才能生存和发展下去,因而是一种典型的耗散结构。人类是一种高度发达的耗散结构,具有最为复杂而精密的有序化结构和严谨协调的有序化功能。

总而言之,达尔文的进化论所反映的系统从无序走向有序,以及克劳修斯的热力学第二定律所反映的系统从有序走向无序,都只是宇宙演化序列中的一个环节。耗散结构论当初是从热力学角度提出来的,它对弥合物理学与生物学之间的巨大鸿沟起了很大作用。

三、现代自然科学的有关进展

几乎在耗散结构论产生的同时,一系列现代自然科学理论如协同学、突变论和超循环论等相继问世,它们更深入地探索了耗散结构有序化过程的动力学机理,更具体地研究了复杂的生物现象和社会现象,从而进一步弥合了自然科学与社会科学之间的巨大鸿沟。

协同学起源于激光理论,它研究的是怎样从原始均匀的无序态发展为有序结构,或从一种有序结构转变为另一种有序结构;它以定量方法研究系统的有序结构和行为演化;它摆脱了热力学概念的束缚,也不限于有势系统,因而具有更大的普适性;它突破了平衡相变与非平衡相变的界限,提出对两类相变作统一的研究;它运用吸引中心或吸引子概念来阐述目的性概念,协同学的创始人哈肯认为:“所谓目的,就是在给定的环境中,系统只有在目的点或目的环上才是稳定的,离开了就不稳定,系统自己要拖到点或环上才肯罢休”。

超循环理论创始人爱根首先提出了反应循环和催化循环的概念,最后提出了超循环的概念。他认为超循环是较高级的循环,是由小循环组成的大循环,现实的生命形式在它的分子进化阶段如同达尔文所提出的生物进化一样,是长期的自然选择的结果,其间需要形成超循环的组织形式。从生物大分子的水平来看,选择和进化的分子基础主要是代谢、自复制和变异,其中:代谢是在不平衡系统中进行的合成与分解循环,自复制才使进化和选择的信息得以积累,变异是指自复制中的错误,它提供了新信息的来源。

    突变论首先是一门数学科学,它是建立在数学关于连续理论和不连续理论基础上的,它撇开不连续现象的具体特性,完全抽象为数学形式,试图用统一的手段给系统演化中的突变行为以精确的刻划,它在初等突变理论所限定的范围内,对发生突变的机制作出透彻的分析,给突变形式以完备的分类。突变论的创始人托姆认为,突变现象的本质是系统从一种稳定结构跃迁到另一种稳定结构。

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这些现代自然科学理论都是试图以自然科学的方法来研究复杂的生物学或社会科学问题,耗散结构论集中反映了这些理论的总体方向和原则思路,因而可以作为它们的典型代表。

四、耗散结构论等的重大缺陷

尽管耗散结构论等自然科学理论在原则上拉近了物理学与生物学之间的距离,但仍然无法把它直接应用到生物学的研究之中,更无法把它顺利推广应用到社会科学之中。耗散结构论等所建立的概念体系几乎与社会科学的概念体系没有直接的联系,其研究思路也与社会科学的研究思路相距甚远,这说明耗散结构论等本身存在着重大的理论缺陷。归纳起来,耗散结构论等的缺陷主要表现在以下几个方面。

1、用“序参量”来度量有序化程度。协同学的创始人哈肯提出用“序参量”来描述一个系统宏观有序的程度,用“序参量”的变化值来刻画系统从有序向无序的转变情况。他认为:当系统处于完全无序的混沌态时,其序参量为零;当外界条件接近临界区域时,序参量增大很快;最后在临界点,序参量的突变意味着宏观有序结构的出现。但是一个系统的变量有成千上万,究竟应该选择哪一个或哪几个变量作为其序参量呢?对此,他又提出用所谓“长寿命”的序参量作为参量,通过“伺服原理”来最大限度地消除方程中的大量自由度。然而,即使这样,也仍然存在许多自由度无法消除。一般来说,耗散结构的序参量方程的求解是非常困难的,甚至是根本不可能的。因此,采用“序参量”来描述一个系统宏观有序的程度,是不现实和不科学的。

2、没能建立“负熵”与“价值”的联系。耗散结构论认为,任何耗散结构的生存与发展,需要不断地生产与消费负熵,社会科学则认为,人类的生存与发展需要不断地生产和消费价值。既然,人类社会可以看作是一种特殊的耗散结构,那么,负熵与价值之间到底存在什么样的联系与区别呢?耗散结构论没能回答,因而就无法顺利地将它推广应用于社会科学领域。有人把负熵与价值截然割裂开来,认为“负熵与价值没有任何联系”;也有人简单而机械地把负熵与价值联系起来,认为“负熵就是价值”,显然,这两者都是非常错误的。

3、没能准确把握信息的本质。信息论的创始人申农认为,信息是使不肯定程度减少的量,是一种消除不确定性的东西。控制论的创始人维纳认为信息量是负熵,他还提出了信息量的计算公式。他们对信息的理解都建立在抽象意义上、结构特征上和形式逻辑上,而不是建立在本质意义上,这些信息概念与社会科学意义上的信息概念存在着巨大的差异。

此外,协同论、突变论和超循环论等都是从生物分子的结构特征、组织形式及其动力学特征等微观领域来探索耗散结构的有序化过程,而不能超越这些微观领域,进入人类社会的宏观领域,这在根本上决定了它们的发展局限性。

五、对耗散结构论等的改造

为了消除耗散结构论等的缺陷,使自然科学与生物学及整个社会科学衔接起来,使社会科学的价值概念辩证地还原为自然科学的负熵概念,以实现整个社会科学与自然科学的统一,就必须对以耗散结构论为代表的现代自然科学进行重大改造。

1、区分功能有序与结构有序,用“价值率”来替代“序参量”。耗散结构的所谓有序应该是指它在功能上“活”的有序,而不是指它在结构上“死”的有序。“序参量”只能用来反映耗散结构的结构有序化程度,而不能用来反映功能有序化程度,其结果是把人们引向一个理论误区,使人们错误地把耗散结构的某些结构特征作为其有序程度的客观尺度,从而混淆“结构有序”与“功能有序”。哈肯在他的一篇题为“协同学:最新趋势与发展”的论文中,把协同学的内容扩展到了功能有序,但没能深入研究下去。事实上,只有事物的价值率(即价值的增长率)才能客观地、准确地反映事物内部各要素之间在功能上的协调作用和相干作用,才能客观地、准确地度量耗散结构的有序化程度。

2、拓展“负熵”内涵,使之与“价值”内涵相联系。要把负熵与价值联系起来,就必须广义地理解负熵。促进耗散结构有序化的负熵除了直接负熵,还应包括间接负熵,所谓间接负熵是指那些能够对直接负熵产生替代、弥补、改善和加强作用的负熵。负熵概念最初是从物理学角度提出来的,它只考虑了能量交换对耗散结构有序化的影响情况,而没有考虑其它非能量交换对耗散结构有序化的影响情况。一个耗散结构为了生存与发展除了需要与外界进行能量交换外,还需要与外界进行物质交换和信息交换,这表明除了物质的能量特征,其它非能量特征也可以对耗散结构的有序化产生影响。事实上,物质的许多非能量特性虽然本身不具有直接的负熵,但它可以对直接负熵产生替代、弥补、改善和加强作用,以影响直接负熵的使用效率,因而可以看作是一种间接的负熵。例如,动物在寒冷季节可以通过利用洞穴、皮毛等物质的绝热性来减少体热的散失,从而相对地增加自身的负熵;人类通过利用某种安全或健康的设施可以降低自己的伤亡率,也会相对地增加自身的负熵。这样建立起来的广义负熵概念已经与社会科学领域的价值概念非常接近了。由于负熵需要考虑温度变量,不便于进行直接的测量和研究,而且动物界负熵的基本来源是食物,而食物中起根本作用的是它所具备的能量,而不是它所具备的温度,因此采用“有序化能量”以及在此基础上扩展而来的“广义有序化能量”来描述直接或间接负熵对耗散结构有序化的影响情况更为合适。不难发现,建立在负熵概念基础之上的“广义有序化能量”概念已经完全等价于社会科学领域的价值概念。

3、区分信息的功能特性与结构特性,准确把握信息的本质。任何生物之所以要不断的吸收信息和传播信息,并不是为了抽象意义上的消除不确定性,而在于实实在在地提高自己的功能特性,以增强自己生存与发展的能力,因此信息的本质应该从它的功能特性去理解,而不能从它的结构特性去理解。“消除不确定性”只能描述信息对耗散结构的结构特征的影响情况,而不能描述信息对耗散结构的功能特征的影响情况,因而不能作为信息的本质内涵。有些不同信息虽然在消除主体的不确定性上具有相等的作用,但对于主体生存与发展的意义可能存在着很大的差异。维纳所提出的信息量计算公式实际上只能描述信息的形式模量,而不能描述信息的功能特性,更不能描述信息对于耗散结构的意义或价值关系。维纳还提出了信息量是负熵的观点,这种观点虽然开始意识到了应该从信息的功能特征来认识信息的本质,但他把信息等同于一般形式的负熵。事实上,耗散结构的有序化可分为外延扩展和内涵深化两种方式,因此负熵有两种具体形式:外延扩展型负熵与内涵深化型负熵。显然,信息应该属于后者。信息的准确定义是:“一切能够改变事物价值率的内外因素称为信息”。信息在生物进化与人类发展过程中扮演着十分重要角色。生物之所以不断进化,关键在于生物信息的积累;人类社会之所以高速发展,关键在于社会信息(知识和精神)的积累;劳动之所以是价值的唯一源泉,并不是因为抽象意义上的定义,而是因为劳动在信息的形成、传播、处理和运行过程中起着决定性作用。

   

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