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耗散結構論的科學與哲學意義
耗散結構論的科學與哲學意義
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  中圖分類號O415.3;B017.8 文獻標識碼A 文章編號1005—6408(2000)04—0030—05
  現代系統理論發端于貝塔朗菲所創立的一般系統論,他最早把系統作為一個整體對待,對系統的概念、原理、方法作了歷史的、經典性的論述。從那時起,出現了各種各樣的系統理論,最終形成了一個學科群,即系統科學。在系統科學發展史上,以耗散結構論的建立為標記,對系統研究的著眼點發生了根本性的轉移。“早期的系統研究主要在于確立對待系統的整體的科學態度,在于把握系統存在的某些最一般的屬性;而耗散結構論以來的系統研究主要著眼于揭示系統演變和發展過程中所表現出的整體屬性和規律,并產生了以自組織理論為標志的新的科學理論。”[1]
  普利高津及其所創立的耗散結構理論,探討了系統從混沌到有序的演化規律,形成了一般系統理論的有序結構穩定性的嚴密的理論基礎,具有重要的科學意義與哲學意義。普利高津曾經不無感慨地說:“我們耗費了近20年心血,即從1947年到1967年,最后終于得到了‘耗散結構’的概念。”[2]普利高津也由于耗散結構理論的建立獲得了1977 年諾貝爾化學獎。正如美國著名未來學家托夫勒所言,普利高津和同事們的工作“可能很好地代表下一次的科學革命,因為他們的工作不僅與自然,而且甚至與社會本身開始了新的對話。”[3]
      1 科學意義
  耗散結構論的創立,促使我們重新考察科學的方法、目標、認識論、世界觀等問題。可以說,它是改變科學本身的一個杠桿,也是科學的歷史性轉折的標志。
    1.1 科學研究的切入點——“重新發現時間”
  耗散結構論的創立緣于普利高津的獨特視角,即從歷史科學出發對自然科學的思考。而對時間本質的再次認識是他對系統的整體性認識的切入點。
  普利高津認為,雖然近代經典科學曾經激起了人與人之間一場富有成果的對話,但也造成了某些災難性的文化后果。“兩種文化”的對立在很大程度上就是起源于經典科學的沒有時間的觀點和大多數社會科學與人文科學中普遍存在的時間定向之間的沖突。
  在普利高津看來,科學更新在很大程度上就是重新發現時間。在經典力學中,對任何事物運動的描述是無所謂歷史的,即沒有時間的優勢方向,沒有時間之矢,沒有演化;事物過去如此,現在如此,將來依然如此。十九世紀的經典熱力學,由于克勞修斯等人將熵概念引入并完善了熱力學第二定律而得到發展,使人們發現孤立系統內部的分子熱運動會隨著時間的推移,形成走向無序的熵增加不可逆運動,因而開始重視物質運動本身客觀存在著的不可逆性時間。但是,在熱力學第二定律中,時間所對應的運動只是一種僅能用線性關系描述的單調量變過程,它所表征的時間內涵依然沒有擺脫機械決定論的色彩,依然具有簡單性。愛因斯坦雖然在狹義相對論中通過對靜止參照系與運動中的參照系之間的比較,指出同時性是相對的,但并未把時間與物質世界的復雜演化、發展進程聯系起來,也因此無法解決熱力學第二定律與生物進化論在時間箭頭方向上的根本矛盾。
  按照傳統的自然觀,自然的基本過程是決定論的和可逆的,包含隨機性和不可逆的過程僅被看作是一些例外。但是,“我們正越來越多地覺察到這樣的事實,即在所有層次上,從基本粒子到宇宙學,隨機性和不可逆性起著越來越大的作用。”[3]對這種不可逆過程的研究, 正是重新發現時間的關鍵。研究表明,在遠離平衡態時,系統的熱力學性質與平衡態及近平衡態有本質的不同,在這個區域可以實現從簡單到復雜的演化,出現以耗散結構為特征的有序性。這就對時間觀念做了重大修正。自然界不再是僵死的、被動的,可逆性與決定論只適用于有限情況,不可逆性與隨機性則起著根本作用,自然界必然是一個進化的自然界。科學正在重新發現時間,由此“一種動態的觀點已在幾乎所有的科學領域中盛行,進化的概念好象成了我們物質世界的核心。”[4]
  可見,耗散結構論以其對時間本質的再認識這一切入點的獨特性,具有重要的方法論意義。
    1.2 科學研究的本質——“人與自然的同盟”
  在普利高津的視界中,人們對自然的發問所采取的形式是多種多樣的。科學正是這樣一種形式。科學不是獨白,而是人與自然的對話。
  由于實驗方法的發明,近代科學開創了人與自然的一次成功對話。但是另一方面,這次對話的首要成果卻是發現了一個沉默的世界。近代科學主張主客觀嚴格分離,堅持在科學探索中排除主觀的成份以追求絕對客觀性,這樣,人與自然的關系,不是一個整體,而是互相分離著的。研究者相對于自然來講是一個旁觀者,其任務就是不加任何偏見,公正地描述自然界中發生的一切。普利高津認為,經典自然觀“試圖把物質世界描述成一個我們不屬于其中的分析對象,按照這種觀點,世界成了一個好象是被從世界之外看到的對象。”[4]在這種意義上, 與自然的對話把人從自然界中孤立出來,而不是使人和自然更加密切。人類發現自身是完全孤獨的,就像一個吉普賽人那樣生活在異國他鄉的邊境上,世界對他彈奏的音樂充耳不聞。普利高津說:“近代科學使它的反對者以及部分支持都感到恐懼。反對者把他看作是致命的危險,支持者從科學所‘發現’的人的孤獨中看到了必須為這個新理性付出的代價。”[3]
  但是普利高津認為,現代科學的發展也為我們帶來“某種更加普適的信息”,這種信息關系到人與自然以及人與人之間的相互作用。經典自然觀之所以主張人與自然完全分開,原因在于它主張自然過程在本質上是可逆的,自然規律具有普適性和客觀性,唯此,人才能以觀念、旁觀者的身份去認識它。耗散結構理論表明,自然的演化是一種不可逆過程,人類對自然的認識也是在這不可逆中進行的,人類不可能脫離這個不可逆過程而去研究不可逆過程的問題。“雖然可逆過程與不可逆過程的區別是一個動力學問題而且并不涉及宇宙學的論據,生命的可能性、觀察者的活動卻不能從我們恰好身在其中的宇宙環境中分離出來。”[4] 可以說,由不可逆的發現所暗示的動力學變化,使我們對玻爾的著名論斷有了新的認識:在這個世界上我們既是演員又是觀眾。我們對世界的描述,“是一種對話,是一種通信,而這種通信所受到的約束表明我們是被嵌入在物理世界中的宏觀存在物。”[3]
  因此,耗散結構論一個重要科學意義在于,它重建了人與自然的同盟。正如普利高津所言:“代替‘現在即意味著將來’的觀念結構,我們正步入一個世界,在這里將來是未決的,時間是一種構造:我們所有的人都可以參與其中。”[5]
    1.3 科學研究的生長點——“學說間的交鋒”
  普利高津認為,科學自近代以來的歷史的發展遠不是直線式地展開的,它并非向著某個固有真理的一系列的逐漸接近,而是充滿著矛盾,充滿著難以預料的轉折點。在動力學的靜態觀點與勢力學的進化范式之間有著明顯的矛盾,這是兩種根本不同的世界圖像和發展演化方向。那么,究竟哪一種更符合世界的本性呢?動力學與熱力學有沒有統一性?這些問題的解決,必然會帶來世界觀的變革,產生重大認識論和方法論的影響,掀起科學思維模式革命的高潮。
  普利高津不無興奮地說:“科學史中如此充滿希望的機會是很少的:兩個世界(動力學的世界和熱力學的世界)面對面地走到一起。”[3]牛頓科學是一種成果,是對幾個世紀的實驗及理論研究路線集中的綜合。對熱力學來說,同樣也是如此。不同問題和觀點的集中有利于激勵科學的開化,而全局性的問題往往是鼓舞科學的源泉。他認為,幾種學說的交鋒,存在和演化之間的沖突,提出了一個新的轉折點已經來臨,指出了一個新的綜合是必要的。
  具體地講,可逆變化屬于經典科學中動力學的核心,它確定了對一個系統施加作用和控制該系統的可能性,即動力學對象可以通過其初始條件來加以控制。熱力學系統則不同,它不是借助于粒子間的相互作用來預言系統的變化,而是預言當我們從外部對該系統施加一些改變時,系統將怎樣做出反應。然而,熱力學系統以可逆為基礎只是理想表達,不符合任何實際系統。在熱力學中,dS=d[,e]S+d[,i]S的真正含義就是它表達了系統的真實情況,它意味著平衡態在孤立系統中是非平衡態的一個吸引中心,這與邊界條件確定的變化不同,它已經包含著不可逆性運動。但是,經典熱力學只關注孤立系統和封閉系統,對開放系統則置之不理。而普利高津認為,開放系統更加能體現熱力學的本性。對于開放的熱力學系統來說,它的本質就是系統處于熱運動的不可逆的過程中,即不可逆性體現了運動過程的基本特征。進而,他從熵變入手,基于經典熱力學理論而擴張到非平衡態相變系統中去,闡明了熵的世界觀的主要觀點。
  從以上過程可以看出,耗散結構論的創立,是普利高津對經典的動力學和熱力學批判地繼承和發展的結果,它體現了動力學與熱力學二者的綜合。動力學與熱力學的矛盾之處,正是耗散結構論的理論生長點。這也正如懷特海所言,幾種學說的交鋒,并不是一場災難,而是一個好機會。
    1.4 科學研究的重心——“從存在到演化”
  從近代科學以存在的、被組織的眼光看待自然,到以演化的、自組織的眼光看待自然,是一次重要的科學革命,它標志著科學研究重心的轉移。其中,耗散結構論是這一轉移的典型代表。這包括以下兩個方面:
  一方面,從整個科學的發展歷程看,普利高津沖破了關于孤立系統、封閉系統的習慣思維的束縛,從有關開放系統的研究入手,并根據熱力學第二定律,討論了自然界的發展方向問題。在19世紀,關于自然界的發展方向有兩種對立的觀點。克勞修斯認為,自然界的發展是從有序到無序,從復雜到簡單,最后達到宇宙“熱寂”的退化過程。達爾文則認為,生命從單細胞到人類的發展是從無序到有序、從簡單到復雜的進化過程。從現象上看,生命世界和物理世界似乎有著完全不同的規律和發展方向,這就產生了熱力學和進化論的矛盾。耗散結構理論指出,一個開放系統通過與外界交換物質和能量,可以從外界吸收負熵流抵消自身的熵產生,使系統的總熵保持不變或逐步減少,實現從無序向有序的轉化,從而形成并維持一個低熵的非平衡態的有序結構。這就表明,自然界中兩種相反的發展方向可以在不同條件下存在于同一個總過程之中,并在這個意義上解決了進化與退化的矛盾。
  產生耗散結構,除了要求一個遠離平衡態的系統從外界吸收負熵流以外,還需要系統內部各個要素之間存在著非線性的相互作用。這種相互作用會使系統產生協同作用和相干效應,通過隨機的漲落,系統就會從無序轉為有序。反之,如果系統處于平衡或近平衡態,則漲落是破壞系統有序的因素,它會使系統向無序方向發展。
  這樣,耗散結構論把物理學推進到非平衡態熱力學的發展階段,實現了知識從動力學向熱力學、從熱力學到生物學的過渡。
  另一方面,從系統科學自身發展歷程看,耗散結構論的創立標志著系統科學研究重心的根本轉移。早期的系統科學主要在于確立對待系統的整體的科學態度,在于把握系統存在的某些最一般的屬性。比如,貝塔朗菲主要描述了開放系統的一些基本特征,維納的著眼點則是系統中信息的轉換,以及伴隨這一過程而顯示出的通訊和控制。普利高津則特別關心系統的演化及熵變的作用,著眼于描述系統演變和發展過程中所表現出的整體性,并形成了以自組織理論為標志的新的科學理論。
  由以上兩個方面可知,普利高津的耗散結構理論實現了科學研究重心從存在、被組織到演化、自組織的轉移。
  總之,耗散結構理論在科學研究的切入點、本質、生長點、重心等方面給了我們許多有益的方法論啟示,具有重要的科學意義。
      2 哲學意義
  耗散結構論的創立,不僅具有重要的科學方法論意義,而且具有重要的哲學世界觀意義。
  普利高津認為,為了理解科學在總的文化中的地位,必須把科學史放到觀念史的框架中去,甚至把科學與文化的演變合成一個整體來加以考察。而哲學作為觀念、文化的代表,與科學必然具有密切的聯系。在他看來,科學就其實質而言,是人與自然的對話;并且,“不言而喻,科學與哲學是匯合在一起的,科學發現了權威性的自然哲學的原理。”[3]隨著科學的每一次重大進展, 我們的自然哲學觀念也會發生重大變革。在科學的每個偉大時期,都引出了某種自然界的模型:對經典科學來說,這個模型是鐘表;對19世紀的科學即工業革命時代來說,這個模型是一個逐漸慢下來的發動機。毫無疑問,耗散結構論的創立,也必然會帶來自然觀的深刻變革。
    2.1  從機械決定論到辯證決定論
  決定論和非決定論是本世紀哲學研究中最有爭議的問題之一,也是當代科學最關心的問題之一。
  機械決定論的基礎是牛頓力學方程,它認為只要存在某種原因,就必然會導致某種結果,即因果關系是一種單值函數關系。拉普拉斯把這一思想發展到了頂點。他宣稱,只要找到一個無所不包的宇宙方程,而且知道宇宙的一些初始條件和邊界條件。那么,無論過去還是未來,一切都會昭然若揭。
  耗散結構論的創立極大地豐富了決定論的內涵:首先,它重新認識了時間的本質。耗散結構理論認為,當一個開放系統遠離平衡態時,由于其內部的非線性相互作用,系統從一種狀態躍遷到另一種狀態。時間在這里是一種不可逆的演化過程,而不可逆性即意味著非機械決定論。其次,耗散結構論的漲落、分叉、臨界點等概念進一步深化了事物演化的非機械決定論本質。漲落不僅具有對系統的穩定性產生干擾的作用,而且更重要的是它在系統演化中所起的誘發器作用。漲落的形成是隨機的,系統對漲落的選擇也是隨機的。這樣,系統的演化就不是機械決定論的,而是有某種隨機性。但從整個演化過程來看,進化和發展又是不可避免的,即在演化的整體上具有一定的規律性和決定論性。
  可見,機械決定論和非決定論都是不可取的,耗散結構論的創立,使辯證決定論得以發揚。
    2.2 從簡單到復雜
  普利高津指出,相信現實世界的簡單性,是自德謨克利特以來在西方思想中形成的基本信念,比如牛頓就曾認為,自然界喜歡簡單化,而不愛用什么多余的原因去夸耀自己。這種信念的形成主要有兩個原因:其一是近代科學的分析精神,即還原論方法;其二是對不可逆過程重要性的錯誤認識。
  耗散結構論的創立則徹底改變了這種信念。首先,不可逆過程和可逆過程一樣實在,不可逆過程同我們不得不加在時間可逆定律上的某些附加近似并不等價。其次,不可逆過程在物質世界中起著基本的建設性的作用,它們是一些重要的相干過程的基礎。所以,對隨機性和不可逆性是自然過程的基本要素的認識,必然導致一種對物質的新認識:“物質不再是機械論世界觀中所描述的那種被動的實體,而是與自發的活性相聯的。”[3]過去,我們總認為活性、 復雜性這些概念只與生物有關,在非生物界,自然過程是簡單的。耗散結構論表明,事實遠非如此,不僅在生物學中,在物理學和化學中也存在著進化,存在著不斷增加復雜性的演化過程。可見,由于認識到不可逆過程在自然界中的重大作用,人們已經看到自然過程的復雜性本質。正如普利高津所言:“自六十年代以來,我們目睹著數學和物理學中掀起的革命,它們正迫使我們接受一種描述大自然的新觀點。長期以來,不可逆現象熱力學、動力系統理論以及經典力學平行發展,最后共同提出了一條必由之路:簡單與復雜、無序和有序之間的距離遠比人們通常想象的狹得多……復雜性不再僅僅屬于生物學了。它正在進入物理學領域,似乎已經植根于自然法則之中。”[5]
    2.3 從外力論到整體論
  世界演化和發展的原因是什么呢?古代及近代的主流觀點認為,世界演化是外部特定指令作用的結果。亞里士多德試圖尋求“第一推動”,托馬斯·阿奎那證明“第一推動者即上帝”,牛頓等近代科學家則從科學上得出外部作用是事物存在、運動的原因的結論。這種外力論自然觀從根本上顛倒了事物演化的原因,并進而造成了各種宗教、神學理論。
  耗散結構論認為,自然界是一個大系統,其演化是一種自發的自組織過程,它強調的是外因與內因相結合的整體論。在系統的自組織中,內部原因是根據,外部因素是系統演化的條件。系統內漲落、非線性作用機制等是系統演化的內在動力;同時,只有開放的系統才能演化,系統與外界環境保持物質、能量、信息的交流。自組織演化并不意味著自身孤立地運動,而是多種因素協同作用的結果。我們看到,耗散結構論在一定程度上發展了外部條件的作用,將自身與外部聯系在一起,從而形成一種整體運動。因此,我們認為,耗散結構論的自組織演化觀在摒棄了自然界演化外力論的同時,又肯定了外部因素的作用,但這種作用是通過系統內部的自組織機制而實現的,從而形成了關于自然界演化、發展原因的整體論觀點。
  耗散結構論的創立,還提出了許多重要的哲學問題,具有重要的哲學意義。限于篇幅,這里不再深入討論。
  綜上所述,我們認為,通過耗散結構理論,普利高津討論了自然界的可逆性與不可逆性、決定性與隨機性、簡單與復雜、存在與演化等一系列重要問題。他對熱力學第二定律作出了新的解釋,討論了時間之“矢”的意義,提出應當“重新發現時間”。他還總結了近代科學發展史的歷程,把科學的演進放在一定的文化背景中,提倡在一個更高的基礎上建立人與自然的同盟,從而形成了一種新的科學觀與自然觀,具有十分重要的科學與哲學意義。
  收稿日期:2000—01—21
  (注:本文曾得到山西大學哲學系喬瑞金教授的悉心指導,謹表謝意。)
系統辯證學學報太原30~34B2科學技術哲學管曉剛20002000隨著二十世紀以來科學革命的發生和發展,系統的概念和系統的思維開始在科學與文化等諸多領域中蔓延開來,形成了在系統的意義上對傳統思想和觀念的世界性的反思。在這個過程中,普利高津及其創立的耗散結構論扮演了不可替代的重要角色。從世界觀與方法論的角度,討論了耗散結構論的科學意義與哲學意義。耗散結構論/系統/科學/哲學  the theory of dissipative structure/system/science/philosophyThe Scientific and Philosophical Meaning of the Theory of Dissipative Structure  (Shanxi University)With the emergence and development of scientificrevolution since 1900's, the concept and thought of systemspread through science and culture,  and the  worldwidereflection upon traditional thoughts and ideas is takingshape.In this course, Prigogine and his theory of DissipativeStructure have played an important role. From the view pointof world view and methodology,  the author elaborated thescientific and philosophical significance of the theory ofdissipative structure.管曉剛,男,1975年2月生,山西大學哲學系教師,030006 山西太原 作者:系統辯證學學報太原30~34B2科學技術哲學管曉剛20002000隨著二十世紀以來科學革命的發生和發展,系統的概念和系統的思維開始在科學與文化等諸多領域中蔓延開來,形成了在系統的意義上對傳統思想和觀念的世界性的反思。在這個過程中,普利高津及其創立的耗散結構論扮演了不可替代的重要角色。從世界觀與方法論的角度,討論了耗散結構論的科學意義與哲學意義。耗散結構論/系統/科學/哲學  the theory of dissipative structure/system/science/philosophy
2013-09-10 21:37

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