1、第四章 自然界的自组织第一节 时间之矢的和自然界演化的方向性一、时间之矢的凸现1。动力学中的时间：牛顿力学方程中 ，时间以平方的形式出现，因此方向性被抹掉了。相对论、量子力学在时间问题上都是反演对称的，因此也没有方向性。22dtrdmF 2。热力学中的时间：1822年傅里叶方程 指出，只要存在着温度差，总有热流从高温物体传到低温物体，时间t反演不对称。1824年卡诺原理：一定热量作功的上限是两个热源的温度差。克劳修斯：热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体。汤姆逊：从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其它影响是不可能的。22),(),(XtXTttXT热力学第二定律：所有能量的
2、转化都是不可逆的，孤立系统的熵总是趋于最大。 波尔兹曼关于熵的定义：S=klnW爱丁顿：热力学第二定律“在自然定律中占有至高无上的地位”二、可逆与不可逆“可逆性佯谬”动力学的时间是可逆的，而热力学的时间是不可逆的谁反映了客观世界的本质？波尔兹曼：热力学第二定律只存在于宏观领域，是对大量粒子统计平均的结果。量子力学：微观层次的随机性是客观存在的。普里戈津：非平衡态热力学，发现时间内禀性自然界中实际发生的过程都是不可逆的，可逆性只是相对的，有条件的。三、不可逆与进化克劳修斯与达尔文的矛盾：概率论对熵进行的分析：系统的熵与对应的微观状态出现的概率成正比，熵值最大对应的就是对称性最大的状态，也是最无序
3、的状态。而生命现象是高度不对称的，即最有序的状态。生命的演化是不对称逐渐增加，有序性不断提高的过程。 物理学怎样解答进化过程？第二节 自组织的概念一、自组织现象：1。贝纳特对流：水平容器中的薄层液体在加热到一定程度后产生规则的多边形图案。 1）加热导致有序运动 2）对流状态下液体分子形成统一行动 3）有序状态是突现而非逐渐形成。2。激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation即受激辐射的光放大。受激幅射是产生激光的首要条件。工作物质必须具有亚稳态能级。这是产生激光的第二个条件。有些物质的电子被激发以后，处于第二能级E2的时
4、间较长，仅次于基态能级E1。这个能级就叫做亚稳能级。形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件。振荡腔是产生激光的第四个条件。其作用是使辐射频率单纯，方向集中。光子在振荡腔中振荡具有放大效应，即一次产生的光子数多于损耗的光子数是产生激光的第五个条件。3。贝洛索夫萨波金斯基反应： 1）铈离子催化柠檬酸的溴酸氧化反应： 容器内混合物的颜色周期性在黄色与无色之间变换。化学钟 2）铈离子催化丙二酸的溴酸氧化反应： 容器内混合物的颜色周期性在红色与篮色之间变换。容器的不同部位各种成分浓度不均匀分布。化学波二、自组织（Self-organization)概念： 组织：1）事物内部（及其与
5、外部）按照一定的规则形成的特定结构和功能。 2）系统中的要素按照某种指令形成特定结构和功能的过程。组织化 组织化的必要条件：信息 自组织：系统的要素通过彼此的相干性、协同性或某种默契而形成的特定结构和过程。自组织作为过程：1）自创生：由非组织发展为有序组织，或低层次跃变高层次。其特点是过程的间断性。2）自会聚：维持相同层次但复杂性不断增加。其特点是过程的连续性。自组织系统：1）自我维持稳定型：复杂性不增加，也不产生新层次。2）自我增长型：层次不变但复杂性增加。3）自创生型：新物质层次形成，而且新物质层次在起点上复杂性被简化。三、自组织理论的产生及发展1。耗散结构(Dissipative Str
6、ucture)理论：耗散结构：远离平衡态的开放系统，通过不断与外界交换物质和能量，在外界条件达到一定阈值时，形成并维持下来的有序结构。第一次使用自组织的概念；用三分子反应器模拟广泛的自组织行为。A XB+X Y+D2X+Y 3XX E三分子反应器（布鲁塞尔器）2k1k3k4k该反应中，A、B是反应物，不断得到外界的补充；而D、E一经生成，即刻取走。其中，第三步反应尤其值得强调：该反应的特点：1。X既是反应物，又是生成物，其本身数量在反应过程中增加。（自催化）2。有三个变量分子同时参加一个反应。（三分子反应）3。该反应在单位时间内产生出X分子的速率正比于。YX22。协同学（Synergetics
7、）：序参量：支配系统演化状态，反应系统有序程度变化的状态参量，取代“熵”作为处理自组织问题的一般判据。自组织是系统内部大量子系统协同的结果。3。超循环理论（Hypercycle）对核酸与蛋白质的相互作用关系和对生物学中多样性与统一性的的关系进行控讨，为生命起源的信息耦合、多样性的展开、必然性与偶然性的关系进行了解释。反应循环：酶的循环自再生。催化循环：反应循环的耦合，如DNA复制自催化、自我复制。超循环：催化循环的耦合，如噬菌体感染细胞整合性，子系统的协同性，产物增长的快速性。4。突变论。自创生的形式突变的若干数学形式及相变的临界理论。5。分形（Fractal）和混沌（Chaos）。自组织复杂
8、结构的共同特征，如自相似性、分形、维数与进化的关联。第二节 产生自组织的条件一、系统的开放性孤立系统中的熵变化dS=diS。开放系统中的熵变化dS=diS+deS，只要系统向外输出熵的速率等于或大于系统的熵产生，系统的有序状态就能维持或增长。在不影响系统的自身的规定性的前提下，充分开放是自组织的必要条件。二、远离平衡态：系统的演化是新陈代谢，远离平衡使原有的结构失稳，新结构才能产生。热力学研究发现，远离平衡态条件下，系统内部各要素的关联度增大，呈现出非线性。三、非线性机制由多种相互作用耦合而成的一种整体效应，用数学语言表述就是描述系统状态的微分方程中有二次以上的函数项。1。非线性机制是一种稳定
9、机制。正反馈是新结构产生的触发器，而非线性机制使正反馈过程不至于无限发散。2。非线性机制是复杂性的根源。非线性方程的多解性对应着系统不同演化态，具体选择哪一种状态则是由偶然性决定的。第三节 自组织演化的内在根据一、涨落和正反馈 涨落是对既定状态的唯小偏离，在平衡态及近平衡态，涨落会逐渐衰减以至于完全消失，因此是一种消极的干扰。但在临界点附近，涨落被正反馈所放大，而决定全局的结果。 “通过涨落达到有序” 正反馈是一种关联放大的过程，如自然界的雪崩、抗体的形成、核裂变过程中的链式反应。它使整个系统联成一个整体，使随机出现的序参量迅速支配全局。二、竞争和协同 竞争是指系统内各要素间相互争夺，力图取得
10、支配和主导地位的活动与过程。只要系统内存在差异就会有竞争，系统越复杂，竞争越激烈。 协同是指系统中要素之间联接、合作、协调与同步的过程。协同是系统整体性、相干性的内在根据。系统越复杂，协同作用越多样化。 竞争反映矛盾的斗争性，协同反映了矛盾的同一性。 在演化过程中，竞争与协同相互依存，互相转化。通过竞争产生信息，但是竞争中要素之间彼此摩擦，碰撞，增加了转换与传输的障碍。而协同能减少这些障碍，产生秩序，从无序走向有序。 竞争导致协同，协同又会引发更高层次的竞争。三、序参量和支配 协同效应的产生在于序参量的支配过程 序参量是微观要素或子系统集体运动的产物，是系统内部协同效应的表征和度量。 在相变过
11、程中，系统原有结构失稳，要素之间的竞争加剧，有的要素变化快，衰减也快，有的变化慢，衰减也慢，在临界状态时还会被放大，成为系统演化的主导因素，支配其他要素的行为。 支配理论丰富和发展了哲学中的矛盾理论。 序参量在临界状态下代表着主要矛盾或矛盾的主要方面，但在演化的普通状态下，各种矛盾或矛盾的各个方面的地位与作用相差无几。第四节 自组织演化的形式一、突变突变是指渐进过程的中断，是飞跃。 在自组织过程中，突变的主要贡献就是在进化中造成了“分叉”。在通往复杂性的道路上，分叉意味着信息倍增。 在分叉点以前，系统的演化只有唯一解，而在分叉点上系统的演化却有多重解，意味着不确定性。复杂系统是经过多次分叉而产
12、生的，每一次分叉都意味着复杂性增长。二、循环 循环是周期性运动，而周期的嵌套和耦合不仅是运动转化的体现，也是形成层次结构的重要机制。使系统的发展在总的趋势上呈现出上升的特征。循环是系统联系的形式，也是系统发展的形式。反应循环：酶的循环自再生。催化循环：反应循环的耦合，如DNA复制自催化、自我复制。超循环：催化循环的耦合，如噬菌体感染细胞整合性，子系统的协同性，产物增长的快速性。三、混沌 远离平衡态的系统经过无数次分叉就进入了决定性混沌。与平衡态混沌不同的是它是一种宏观无序而微观高度有序的状态。它是由系统内部的非线性机制自发产生的混沌。 吸引子是相空间中的一些点，或点的集合，它对动力学系统的运动
13、轨迹具有吸引作用。 1。定点吸引子。例如受精卵的发育。 2。极限环吸引子。例如ATP、ADP此消彼长的运动轨迹。 3。奇异吸引子。对初始条件极为敏感的相空间中的分维体。自相似性是其典型特征。进入混沌的道路有三种：1。倍周期分叉周期加倍走向混沌2。阵发性混沌在临界条件下周期运动与混沌交替出现最后完全混沌3。茹勒泰肯斯道路系统内不同频率的振荡互相耦合进入混沌混沌学和分形研究表明，复杂性寓于简单性之中。随机性既包括外在随机性，也包括内在随机性。而内在随机性蕴含着某种必然性。第五节 自组织理论的 自然观意义一、进化与退化的辩证统一1。进化和退化都是自然界自我运动、自我否定的表现。2。进化与退化相互包含
14、。在低层次系统形成高层次系统时，一方面有序程度提高，别一方面是低层次系统的活动空间缩小。3。进化与退化同存共生。是一个过程的两个方面。系统有序程度的提高是以环境的某些退化为代价的。4。进化与退化往往交替性相互转化。自然界物质的演化是一个曲折的过程，直线化的演化图景原则上是不会成功的。5。进化与退化具有一些共同的基本特点。表现为过程的离散性和结构的稳定性重建。二、认识复杂性的方法论意义1、什么是复杂性： 构成要素的多元性、多层次性 行为的不确定性和非周期性 属性，状态的多样性和奇异性 运动的不稳定性和不可逆性2、复杂性思维正在改变我们的提问方式、复杂性思维正在改变我们的提问方式自组织理论对科学界
15、所带来的震撼，不仅是理论层次的自组织理论对科学界所带来的震撼，不仅是理论层次的革命，而且对其背后的哲学观也提出质疑。我们思考革命，而且对其背后的哲学观也提出质疑。我们思考问题的方式常可归于某些哲学观。有时候有些问题找问题的方式常可归于某些哲学观。有时候有些问题找不到适合的答案，其实乃是源自问题本身的不恰当。不到适合的答案，其实乃是源自问题本身的不恰当。问题本非客观独立的存在，而是主观意识思考的产物。问题本非客观独立的存在，而是主观意识思考的产物。往往提出问题的方式，就已经限制了我们所能看到的往往提出问题的方式，就已经限制了我们所能看到的答案。答案。近代科学以线性方式发问，以追求简单性为崇高使命
16、，从本原简单性到逻辑的简单性，从自然的简单性到学科的简单性，又从概念系统的简单性推定自然界是简单的。近代科学的思维方式主要有以下三性：1).连续性或无断裂性，否认自然界存在着飞跃。在方法论上导致片面强调逻辑否定非逻辑因素的积极意义。2).可分性，否认事物间的关联性和系统的整体性。在方法论上导致各种形式的还原论。3).确定性，否定随机性和偶然性，否定事物的突现与生成。在方法论上导致形形色色的决定论。例如，爱因斯坦曾说：“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉”。他所说的统一性就是指自然规律的内在一致性和逻辑简单性。他说，科学最伟大的目标就是“要从
17、尽可能少的假说和公理出发，通过逻辑的演绎，概括尽可能多的经验事实”，“要得到那些普遍的基本定律，由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来”。然而，世界本来就是非线性的，简单性只是复杂性海洋中的一个个孤岛，复杂性方法才能揭示世界的本质。3、在还原论与目的论之间保持必要的张力还原论和决定论的观点应有所修正，但并不该是被全盘推翻或取代。不可否认，我们今日所享的科学成就绝大多数还是拜它们所赐。但今天在许多领域之中，它们该让给目的论或整体论（holism）观点的，恐怕已是远不只一席之地了。注：E迈尔将还原论的内涵分为三种：1）组成性还原论，主张生物界的事态与过程与原子、分子层次的物理学化学过程一致。这一观
18、点为现代生物学家所接受。 2）解释的还原论，主张整体就必须将其分解为组成部分，一直到等级结构的最低层次。这取决于一定的条件，即高层次过程大多与低层次过程无关。 3）学说的还原论，主张某一学科的学说和定律可以看作是另一学科学说和定律的特殊事例。这种还原论从末成功过。目的论的内涵也可分为以下几种：1）本体目的性，亚里士多德提出，将自然界的和谐有序归因于“目的因”。2）系统目的性，是现代科学用以解释生命机体及有机系统的自组织规律的一个基本概念。 目的性被归结为负反馈。3）结构目的性，雅克莫诺 认为生物结构目的性起源于生物自主的形态发生，并且正是生物的目的性器官使得生物中高度有序的结构得以维持、复制和
19、增殖。4）程序目的性。这一概念为美国生物学家迈尔所提出：“程序目的性过程或行为是由于某种程序的运行而（按）目标定向的。程序目的性这词就意味着目标指向”。5）规律目的性。这一概念亦为迈尔所提出。他认为：非生物界的一切物体都具有改变其状态的能力，其状态变化均遵从自然规律（引力定律和热力学第二定律）。不过“非生物界物体状态变化的目的定向只是被动的、无意识的，是由外界力量或条件所支配”。且其变化的最终状态就是“目的”。我们对非生命物质环境的知识已相当丰富，但对于从最基本的生命现象乃至于最抽象的情感、思维活动等认识，却仍然十分模糊。还原论的观点提供给我们的知识，似乎更多的是“生物”而不是“生命”。以至有
20、人认为，科学越发达，我们反而离生命的本质越远，因为整个科学界根本走上了一个错误的方向。或许，混沌、复杂、自组织理论提供了另一片广阔的视野，能让科学从另一个角度重新来探讨这个问题。生命的不同层面，不仅仅是一成不变的秩序，或者全然的混沌，而更多是介于它们之间的一个微妙地带复杂。虽然我们不能确信这次一定是最终的方向，但却也有足够的理由相信，至少这条路还有很长的一段值得走。也许我们永远无法知道最终的答案，但追寻答案的每一步却并不因此而失去光彩。这正是科学精神之所在。4、复杂性前沿还把自然科学前沿和人文社会科学密切联系在一起。 思维、机器智能、经济发展中的混沌问题、社会发展工程、全球生态都是复杂问题。它们不仅具有内在的复杂性，而且与外在的复杂性缠绕在一起；不仅具有自然的复杂性，而且与人类社会的价值以及不同社会集团的利益和伦理问题、政治问题缠绕在一起。因此，其科学研究的内涵和方法也更为复杂。
