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摒弃短期确定性,拥抱长期开放性文/姚斌

20-11-09 21:01    作者:一只花蛤    相关股票:

题记:虽然这个世界及宇宙长期是不确定性,但明天的太阳几乎无限接近100%地照常升起。

我最近在研读伊利亚·普里戈金的《确定性的终结》。普里戈金又被译为普利高津,他是比利时物理化学家和理论物理学家。普里戈金长期从事关于不可逆过程热力学的研究。1945年,他提出了最小熵产生定理,该定理是线性不可逆过程热力学理论的主要基石之一。接着,他于20世纪60年代又提出了耗散结构理论,为认识自然界中(特别是生命体系中)发生的各种自组织现象开辟了一条新路。因创立了热力学中的耗散结构理论,普里戈金获得了诺贝尔化学奖。

十九世纪的平衡态热力学告诉我们,一个孤立封闭的系统,只会自发地发生熵增加,自发地走向崩溃瓦解。普里戈金对此进行了深入的探讨,提出并建立起耗散结构理论。耗散结构理论表达的是这样的一个基本思想:一个远离平衡的开放系统,不论它是物理、化学、生物学,还是社会、经济、精神世界,通过与环境进行物质、能量和信息的交换即通过物质、能量和信息的耗散,就有可能自发组织起来,实现从无序到有序的转变,形成具有一定组织和秩序的动态结构。如此,普里戈金就改造了物理学,赋予物理学一种新的文化内涵。

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在《确定性的终结》一书中,普里戈金的核心指向“时间之矢”。所谓的时间之矢是指自然过程的不可逆性和时间的方向性。在热力学和统计物理学中的时间之矢,是指熵增加、无序、退化的时间方向。经典物理学的基本定律所描述的时间不包含过去与未来之间的任何区别,因此不存在时间之矢,而时间之矢也曾被贬低到现象学范畴。随着普里戈金创立了非平衡过程物理学,产生了自组织和耗散结构等概念,时间之矢又成为一个核心概念。

非平衡过程物理学描述了单向时间效应,为“不可逆性”这一术语给出了新的含义。是不可逆性导致了诸如涡旋形成、化学震荡和激光等许多新现象,所有这些现象都说明了时间之矢至关重要的建设性作用。不可逆性导致了相干,其影响包含亿万个粒子。形象地说,不具备时间之矢的平衡态物质是“盲目的”;具备了时间之矢,它才开始看见。没有这种起因于不可逆非平衡过程的相干,很难想象地球上会出现生命。

经典物理学的自然法则表达的是“确定性”,一种静止的世界观,即只要给定了适当的初始条件,就能够用确定性来预言未来或溯言过去。在它们看来,是自然法则导致了确定性。于是,“拉普拉斯妖”就出现了。拉普拉斯妖无所不知,有的翻译成“拉普拉斯恶魔”。拉普拉斯妖有能力观察宇宙的现今状态并预言其演化。然而,一旦包含了不稳定性,情况显然就不是这样,自然法则的意义会发生了根本的变化,因为自然法则现在表达了可能性或概率。这就是普里戈金与西方思想的基本传统相抵触之所在。

拉普拉斯妖是由法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯于1814年提出的一种科学假设。它表达了拉普拉斯决定论的思想。决定论符合精确定义的机械论,就像被艾萨克·牛顿、埃尔温·薛定谔和阿尔伯特·爱因斯坦所表达自然法则所显示的那样,它是“可数学化”的。然而,非平衡过程物理学需要的是“非决定论”。时间可逆的物理学观点与以时间为中心的哲学之间的矛盾,导致了冲突。因为在所有层次上,无论是宇宙学、地质学、生物学,还是人类社会,我们都看到了与不稳定性和涨落相关的演化过程。涨落是用来处理远离热力学平衡(熵最大值)之下,系统的熵会在某一定时间中增加或减少的相对概率。

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时间和决定论的难题形成了科学与哲学“两种文化”之间的分界线。熵是热力学的一个重要组成部分,热力学是专门研究有时间方向的不可逆过程的一门学科。每个人在某种程度上都熟悉这些不可逆过程,像放射性衰变,或者使流体的流动变慢的黏性。不可逆过程与可逆过程相反,它有一个时间方向。如果不考虑不计其数的决定天气和气候变化的不可逆过程,就不可能对生态圈进行描述。自然界既包括时间可逆过程,又包括时间不可逆过程。但公平地说,不可逆过程才是常规,而可逆过程是例外。

可逆过程和不可逆过程之间的差异,是通过与所谓的热力学第二定律相联系的熵的概念引入的。早在1865年,熵就由鲁道夫·克劳修斯所定义。按照热力学第二定律,不可逆过程产生熵,而可逆过程使熵保持不变。“宇宙的熵趋于最大”。克劳修斯是第一个以不可逆过程的存在为基础对宇宙演化进行表述,但他考虑的是孤立系统,与外界既无能量交流,也无物质交流。并且,也没有给出任何方法,用可观察量来表示熵的变化。亚瑟·爱丁顿则将熵称为“时间之矢”。普里戈金指出,正是通过与时间之矢相联系的不可逆过程,自然才达到其优美和复杂之至的结构,生命只有在非平衡的宇宙中才有可能出现。非平衡导出了一些概念,如自组织和耗散结构。

在稳定运动与不稳定运动之间有一个基本差别,稳定运动系统是初始条件的小变化产生相应小影响的系统。但对不稳定运动系统来说,初始条件的小扰动会随时间被放大。混沌系统就是不稳定运动的极端例子,因为不同初始条件确认的轨道不管多么接近,都会随时间推移指数型发散,这就叫“对初始条件的敏感性”。天气变化、经济系统、证券市场、上市公司都是属于不稳定运动的系统,充满了不确定性。一个通过混沌而放大经典例证就是蝴蝶效应:一只蝴蝶在亚马逊流域扇动它的翅膀,就可能影响到美国的天气。

考虑“拉普拉斯妖”在一个稳定运动系统里变成什么,是有意义的。除非他以无限精度知道初始条件,否则他不再能预测未来。只有那样,他才能继续使用轨道描述。但有一种更强大的不稳定性,无论初始描述的精度如何,它都会使轨道破坏。天气变化、经济系统、证券市场、上市公司就是这样,总是随机性地脱离“轨道”,使得算无遗策的预测显得极其无效。

如果世界由稳定动力系统组成,它就会与我们所观察到的周围世界迥然不同,它将是一个静态的、可以预言的世界。但在我们的世界里,我们在所有层次上都发现了涨落、分岔和不确定性。导致确定性的稳定系统仅仅与理想化、与近似性相对应。普里戈金认为,“非确定性假设”是不稳定性和混沌的现代理论的自然结果。一旦我们有了时间之矢,就会立即明白自然的两个主要属性:自然的统一性和自然的多样性。

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但是,很多著名物理学家把热力学第二定律平庸化。对此,普里戈金深感惊奇。在我们周围,处处可见成为“大自然创造性”证据的结构的出现。这种创造性必须以某种方式与距平衡态的距离联系起来,它是不可逆过程的结果。对比一下晶体和城镇。晶体是一个可以在真空中保持的平衡结构。而如果把一个城镇孤立起来,它就会自行消亡,因为它的结构依赖于它的功能,功能和结构是不可分离的。结构表达了城镇和外界的交流。

薛定谔在他的优美著作《生命是什么?》中,用熵产生和熵流讨论了生命的新陈代谢,认为生命以负熵为生,断言生命与熵产生相联系,从此与不可逆过程相联系。对此,普里戈金指出,像在动力学中一样,稳定性问题在这里再次起到重要作用,熵在热力学平衡时最大,这是孤立系的情况。在近平衡态,与熵产生相联系的耗散具有最小值,而在远离平衡态时正相反,新的过程开始,熵产生增加。在非平衡物理学中,各种形态的多样性更为显著。

宇宙本身就是高度异质性的,且远离平衡。这种情况阻止系统达到平衡态。按照热力学第二定律,自然界的过程都是向着熵增加的方向进行的,即从有序到无序。而生物进化过程中,有些生命现象正好与此相反,是向熵减少的方向进行。因此,大自然的发展演化总是勃勃生机、万千纷呈,表现出高度有序。当系统处于远离热力学平衡的状态时,在一定外界条件下,由于系统内部非线性相互作用,可以经过突变而形成新的有序结构,这就是所谓的“耗散结构”。这里的耗散指的是系统维持这种新型结构需要从外界输入能量或物质。这说明,在非平衡态下所能产生的最复杂的结构,与生物学中所发现的复杂性之间存在着一条鸿沟。

一旦拥有耗散结构,就可以谈及自组织了。自组织是普里戈金研究的重要问题。赫伯特·西蒙曾说,复杂性科学研究有三阶段:系统理论阶段-、自组织理论阶段和复杂性科学阶段。普里戈金由此开创了自组织研究,也成为复杂性科学研究之先驱。普里戈金十分明确,自组织中的组织不应也不能通过中央管理得以维持,秩序只有通过自组织才能维持。自组织系统能够适应普遍的环境,即系统以热力学响应对环境中的变化作出反应,这种响应使系统变得异常柔软且健壮,以抗衡外部的扰动。自组织系统的优越性可以用生物系统加以说明,在生物系统中,复杂的产物可以以无以伦比的精度、效能和速度形成。于是,我们在这条路径上产生了生命、文化和艺术。

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我们的自然法则描述的实际上是一个不规则的、混沌运动的世界,一个更像古代原子论者的图景,而不是规则的牛顿轨道的世界。无序构成了宏观系统的基础。这个演化宇宙的根源隐含在物理学的基本定律之中。我们能够通过与确定性混沌和不可积性相联系的不稳定性概念来追溯其根源。机遇和概率不再是承认无知的一种方便途径,而是一种被扩展的新理性之组成部分。

值得注意的是,不可逆的地质过程与生物过程相比有不同的时间尺度。更重要的是,存在着进化的多样性,它们在生物学领域中特别显著。正如史蒂芬·古尔德所述,细菌自前寒武纪以来大致保持相同,而其他物种在短时间尺度里却显著地进化。因此,考虑简单的一维进化可能是一个错误。大约2亿年前,某些爬行动物开始飞行,而另一些爬行动物则留在地面上。在后来的一个阶段,某些哺乳动物回归海洋,而另一些哺乳动物则留在陆地上。同理,某些猿进化为人,而另一些猿则不然。

古尔德对生命的历史属性是这样定义的:为了理解生命进程中的偶然事件和一般性,我们必须超越进化论原则,即超越地球生命史中偶然模式的古生物学考察——在成千上万、未偶然发生的、似有道理的可能性中实现的那一种。这样的生命史观与西方科学的传统确定性模型,和以人类为历史顶峰作为生命最高表达,及有目的行星管理的西方文化的深远社会传统和心理期望背道而驰。

我们处在一个多种涨落的世界,有的涨落进化,有的涨落退化。这些涨落是不稳定动力学系统微观层次上产生的涨落的根本属性的宏观表现。因此,古尔德所强调的这些困难不再出现在我们对自然法则的统计表述中。不可逆过程没有因为我们宇宙的创生而停止,它们今天在所有层次(包括地质演化和生物进化上)依然存在。因此,我们需要一种新自然法则来表述,它不再基于确定性,而基于概然性。承认未来不被确定,普里戈金由此得出了“确定性终结”的结论。世界是一个具有不确定性的世界。

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据说,熵的增加总是让人类绝望。在古代,时间的轮回思想就十分流行。古人以轮回界定了逃离生命苦难的理想的存在。就连爱因斯坦也对人类状况怀有较深的悲观主义的色彩。他一生经历了人类历史上特别悲惨的时期:法西斯主义和反犹太主义与两次世界大战爆发。然而,爱因斯坦的物理直觉可以认为是人类理性超越暴力世界的最高成就,它把客观知识从不确定性和主观范畴分离出来,以此逃离人类存在之变幻无常。

在《奥德赛》和《伊利亚特》两部古希腊史诗中,荷马的《奥德赛》以《伊利亚特》的辩证对立面出现。奥德修斯是很幸运的,他能在永为卡吕普索的情人从而永生不死与回归人性且最终老死之间作出抉择。海之女神卡吕普索为了永远得到奥德修斯,愿意让奥德修斯永葆青春,并且与天地同寿。然而,奥德修斯最终却选择了超越永恒的时间,选择了超越诸神命运的人的命运。

系统从无序状态过渡到耗散结构有两个必要条件:一是系统必须开放,系统必须与外界进行物质或能量的交换;二是系统必须远离平衡态,开放系统在远离平衡态时可以涌现出新的结构,将能够自组织形成一系列的有序结构。生命系统里的耗散结构和自组织意味着更高层次的秩序,比如,生命节律、新陈代谢和复杂系统。秩序只能在自组织系统下维持。自组织系统可以适应大环境,它能对环境的变化作出积极的反应,这就使得这个体系具有强大的抗干扰能力。

物理演化与生命演化并不相同。研究生命演化必须在开放系统中处理。因此,热力学第二定律不是普遍合理的。对此,普里戈金充满了乐观主义的理性精神:“我们不能离开受污染的城市而迁居高山,我们必须参与明天社会的建设。”他引用彼得·斯科特的话来说:“世界,我们的世界要不断拓展知识和价值的疆域,超越事物的已知性质,想象新的、更美好的世界。”这就是一种脆弱中的坚强。

现今世界正在出现的,是位于确定性世界与纯机遇的变幻无常世界这两个异化图景之间某处的一个“中间”描述。物理学定律产生了一种新型可理解性,它由不可约的概率表述来表达。当与不稳定相联系时,新自然法则无论是在微观层次还是在宏观层次都处理事件的概率,而不是把这些概率约化到可推断、可预言的结局。


 
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