进化的边界条件

作者：胡皓

系统辩证学学报 2004年04期

　　中图分类号：O 415文献标识码：A

　　由于至少两方面的原因，有必要将耗散结构理论与协同学等诸种具体的非平衡系统的自组织理论，综合提升为一种对所有进化现象都普遍适用的一般进化论：其一，诸种具体的自组织理论各自的学科背景不同，各自的概念方法不尽相同，有待于在现代理论物理学的基础之上，加以统一地规范、阐发和完善；其二，以前诸种具体的自组织理论的许多认识成果尚处于唯象的水平，有待于着重在动力学层次上加以发掘、深化并系统化。本文作为尝试建构一般进化论的系列论文之一，其主题为集中探讨一般进化在系统与环境之间的边界条件。

　　1　转向开放系统

　　热力学第二定律早已指出，对于孤立系统，随着时间的推移，其内部不可逆过程必然引起熵增加，并趋向熵的极大值。正如我们已经知道的，熵是系统混乱无序的量度。这就是说，孤立系统只可能从有序向无序退化，不存在任何从无序向有序进化的可能性。

　　然而，我们又知道，无论在理论上还是在实际上，全部系统都并非只有孤立系统一种类型。在热力学中，按照系统与外部环境之间的不同关系，系统通常被分为三类：第一类，由于与外部环境之间既没有质料交换，也没有能量交换，被称作“孤立系统”；第二类，由于与外部环境之间虽无质料交换，但有能量交换，被称作“封闭系统”；第三类，由于与外部环境之间既有能量交换，又有质料交换，被称作“开放系统”。由于在我们的讨论范围内，主要受到关注的是系统与外部环境究竟是否发生相互作用，也即是否存在某种交换，而不是交换的具体内容是仅限于能量还是同时包含质料与能量，何况在更为复杂的情形下还可能包含信息的交换。因而，我们以下的讨论将全部系统“一分为二”为孤立系统与开放系统两大类，后者也包括了上述的“封闭系统”。

　　基于这种划分，普利高津及其布鲁塞尔学派另辟蹊径，将眼光转向开放系统，找到了系统从无序转变为有序的途径，从理论上论证了系统从无序转变为有序的可能性。

　　普利高津指出，对于一个与外部环境不存在任何交换的孤立系统，熵(S)的变化唯一地取决于系统本身由于不可逆过程引起的熵的增加，即熵产生，这一项永远为正值，因此系统只可能走向无序。然而，对于一个与外部环境存在某种交换的开放系统，熵(S)的变化可以由两部分构成：一是上述系统本身由于不可逆过程引起的熵的增加，即熵产生，另一部分是系统与外部环境发生交换所引起的熵流。整个系统熵的变化dS可以写作两项之和：。

　　如前所述，熵产生虽永远为正，但熵流却可正可负。在开放系统中，如熵流为负值，即为负熵流。作进一步分析，开放系统总熵的变化就存在着以下三种可能：

　　第一种可能，由于系统与外部环境之间的交换在量上未达到特定阈值，由此引起的熵流虽为负值，但其绝对值小于熵产生时，系统总熵的变化dS大于零，这时，系统总熵dS随时间推移逐步增大，系统的任何有序状态都不可能形成，而且任何已经形成的有序状态都将被破坏，系统只可能趋向无序。

　　第二种可能，由于系统与外部环境之间的交换在量上恰好达到特定阈值，由此引起的熵流为负值其绝对值与熵产生的值相等，两项相抵消，则系统总的熵变化dS为零，系统可以保持原有的有序程度稳定不变。

　　第三种可能，由于系统与外部环境的交换在量上超过了特定阈值，由此引起的熵流为负且其绝对值大于熵产生的值，两项相抵销，则系统总熵的变化dS可以小于零，系统的总熵随时间的推移逐步减少，系统就可以由无序趋达有序。

　　由上述分析我们可以看到，对于一个与外部环境持续地交换大量质料和能量的开放系统来说，完全有可能通过从外部环境获得的负熵流来抵销系统本身内部的熵产生，使系统演化指向由无序到有序的进化方向。从理论上讲，开放系统的演化指向由无序到有序的进化方向，与指向从有序到无序的退化方向一样，都是完全可能的，它们可以与热力学第二定律相容不悖。

　　进一步需要指出的是，在真实的情况下，与外部环境完全不存在任何交换的严格的孤立系统，实际上是不存在的。任何真实存在的系统，实际上都是与外部环境或多或少地存在这种或那种交换的开放系统，因而，只要我们不把眼光始终局限于与外部环境不存在任何交换的理想的孤立系统，而转向与外部环境实际上普遍存在交换的真实的开放系统，系统从无序到有序的进化就决不是什么完全不可思议的“奇迹”。

　　2 非平衡的非线性区

　　可能形成宏观有序的一定是在开放系统之中，然而，即使是在本节讨论的进化的边界条件之中，系统对外部环境的开放性也只是必要条件，尚不是充分必要条件。这种充分的必要条件是：系统与外部环境的相互作用（开放）必须达到足够的强度，在该强度上，系统在宏观上远离平衡且达到足够距离——平衡的非线性区。对此，普利高津等这样写道：

　　这些系统一定是“远离平衡态”的。在不稳定可能存在的情形，我们必须确定一个阈值，即与平衡态的距离，在该阈值上涨落可能引出新的状态，不同于那些作为平衡态或近平衡态系统的特征的“正常”的稳定状态。[1]

　　也就是说，如果要靠涨落的放大来实现系统向新宏观有序态的转变，涨落要有可能由原先的局部范围放大到整体范围，系统与外部环境的相互作用必须强到可以驱使系统离开平衡态且达到特定阈值，亦即非平衡的非线性区。

　　我们这里讲的“平衡”与“非平衡”，都是热力学意义上的，有别于我们在哲学意义上以及其它意义上所赋予的含义。在热力学中，“平衡态”指的是系统的如下状态：由于在空间上每处均匀无差异，系统内不存在任何宏观迁移过程。例如，一个流体力学系统，由于温度各处均匀无差异，其内部不会发生任何宏观的热流；一个化学系统，由于物质浓度各处均匀无差异，其内部不会发生任何宏观的质量流。相反，“非平衡态”指的则是系统的如下状态：由于在空间上存在某种不均匀即差异，系统内发生着某种宏观的迁移过程。例如，一个流体力学系统中，由于温度在不同局域的不均匀即温度差，其内部会发生某种宏观的热对流；一个化学系统中，由于化学物质在不同局域的不均匀即浓度差，其内部会发生某种宏观的质量流。我们知道，孤立系统内任何不均匀即差异随着时间推移都会趋于逐渐消失，不可能自发地产生任何不均匀即差异。因此，系统内任何不均匀即差异的产生，都只能依靠系统与外部环境开放，与外部环境交换质料或（和）能量，驱使系统产生并维持某种宏观的迁移过程。这样，如果将系统内部宏观上的各种迁移过程看作广义的“流”的话，那么，由于与外部环境相互作用造成的系统内部的不均匀即差异则可以看作是造成这种“流”的“力”。借助于这种广义的“力”和“流”的概念，我们便可以进而较为具体地讨论进化的充分必要的边界条件。

　　从上述广义“流”和“力”的关系来看，一个系统处于平衡态的含义在于，由于不均匀即差异形成的“力”与由此“力”引发的“流”均为零。热力学研究表明，在这种状态中的涨落可正可负，可以通过求统计平均的方法加以消除，也即任何涨落都只能趋于衰减直到消失，不可能被放大。

　　如果系统通过与外部环境的交换形成并维持系统内部某种不均匀即差异，由此形成的“力”会引发并维持系统内部某种相应的宏观迁移过程即“流”，系统便离开平衡态进入非平衡态。不过，进入非平衡态的系统依然可能处于以下两种不同的情形。一种情形，由于系统与外部环境之间相互作用的强度不足，上述“流”与“力”成线性函数关系，系统处于所谓非平衡的“线性区域”，也即系统内部相应的宏观迁移现象即“流”对作为某种不均匀形成的“力”的响应是均匀的，任何小的原因都不足以引发大的结果。在此线性区域内，如普利高津和斯唐热所形象描述的，“系统对涨落是有‘免疫力’的”，也即系统具有抗干扰能力，任何涨落都依然会被不断衰减直到消失，不可能被放大。

　　然而，由于系统与外部环境之间相互作用的强度足够大，上述“流”与“力”成非线性函数关系，系统便进入了如上所引普利高津等人所讲的非平衡的“非线性区域”，也即系统内部相应的宏观迁移现象即“流”对某种不均匀即差异形成的“呼”的响应变得不均匀，某种小的原因就有可能引发某种大的结果。与前述平衡态以及非平衡态的线性区域都可能截然不同，在此非线性区域内，某种涨落就有可能不仅不是在衰减下去，而是可能由原先所处的一个局域范围迅速放大到整体范围并稳定下来，从而导致系统跃迁到某种新的宏观有序态。这一情形正如普利高津和斯唐热这样描述的：

　　然而，当作用于一个系统的热力学力变得超过线性区域时，该定态的稳定性，或它对涨落的独立性，便不再有保证。……某个态是“不稳定”的，在这样的态，一定的涨落不是在衰减下去，而是可能被放大，而且影响到整个系统，强迫系统向着某个新的秩序进化，这个新的秩序和最小熵产生所对应的定态相比，在性质上可能是完全不同的。[1]

　　收稿日期：2002-09-25

　　[1]　普利高津，斯唐热.从浑沌到有序[M].曾庆宏，沈小峰译.上海：上海译文出版社，1986.184,186.

作者介绍：胡皓(1949-)，男，江苏兴化人，教授，主要研究方向：现代系统科学的哲学问题。 上海海运学院社会发展研究所，上海　200126