自组织、非线性与复杂性研究

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1、自组织、非线性与复杂性研究西安非线性   物理探索刘华杰主页分形艺术分形频道           对当代科学观念最具有里程碑式影响的理论，则是比利时学派领袖普里高津的耗散结构理论。他提出：有序的组织可以通过一个“自组织”的过程从无序和混沌中“自发地”产生出来。普里高津教授坚定地认为混沌与耗散结构代表了宇宙万物的根本规律，并运用他智慧的头脑、广博的知识、天才的幽默来证明混沌理论内核的普遍适用性。除了宗教教义以外，普里高津教授第一次把可逆时间和不可逆时间，无序和有序，偶然性和必然性，热力学和动力学，物理学和生物学，自然科学与人文科学，西方文化传统与中国文化

2、传统等都带到同一个新框架之内，并探讨它们相互间的关系，从而形成一种全新的科学观和自然观。托夫勒对这些思想的评价是“可能代表了下一次科学革命”。生命系统与熵定律那么，熵定律又是什么呢？1972年，美国马萨诸塞理工学院的丹尼斯·米都斯领导的一个17人小组向“罗马俱乐部”提交了一份题为“增长的极限”的报告以后，在世界范围的政治、经济、科学、哲学界引起相当大的波动。在于民告引起的那场广泛争论中，杰里米·里夫金和特德·霍华德又发表了著名的著作《熵，一种新的世界观》。这是一本论述热力学定律，并由之探讨人类乃至宇宙前途的书，其涉及的领域比“报告”更广泛，意义也更深远

3、。现在让我们先看看究竟什么是热力学定律。热力学有两个定律，第一定律也称为能量守恒定律，指出宇宙的能量总和是一个常数，既不可能增加，也不可能减少。热力学第二定律就是著名的熵定律，它指在一个封闭的系统里，能量总是从高的地方流向低的地方，系统从有序渐渐变成无序，系统的熵最终将达到最大值。这是一个不可逆的过程。生命系统就是根本不服从熵定律的一个庞大的世界。大约40亿年前，地球刚刚形成不久，炙热的岩浆分解出还原成分的气体，形成大气层。而正是当时刚起源的原始生命通过生物地球化学作用使得大气渐渐变成氧化型大气。氧气成分增加了，生命更加蓬勃地发展起来，一直进化到今天。

4、从某种意义上说，是生命造就了今天的行星地球，而作为地球生命的最高级形式――人类，将运用那前所未有的主动精神继续改造和影响外部世界。那么生命系统真的不服从熵定律吗？让我们先看看一个人的生命周期过程：受精卵在母体内开始进行细胞分裂和复制，逐渐形成胚胎的各种器官，成熟后便诞生出世。随着婴儿的成长，各种器官与器官功能日趋完善，越来越有序化。谁也不会否认，当孩子渐渐长大，他体内储存的能量也就与日俱增了。不仅一个人是如此，每当我们观察任何一种生命个体时，都会发现这个“能量从低向高流动”的熵定律的逆过程。不但每个生命个体是如此，整体生物进化过程本身就代表着日益增长的

5、秩序的不断积累。就连某种生物群体内部也一样，例如主人群组成的人类社会。人类社会本身也是一个封闭系统，无疑是附合熵定律条件的。可恰恰在人类社会这个系统中，同样存在着实实在在的熵定律的逆过程。古往今来，人类社会的历史总是贫的越贫，富的越富，社会变得越有序，直到爆发一场社会动荡，例如农民起义或世界大战。动荡使世界在瞬间从有序变回无序状态，再重新开始新一轮有序化过程。此外，从原始社会到今天的后工业社会，人类一直进行着能量积累，而且积累的能力和速度越来越快。总之，无论植物、动物还是人类，都向着熵定律的反方向发展，这也可以说是生命的共性吧。这不禁使人联想到，我们过

6、去把生命定义为“能够自我复制的过程”，而今天，我们似乎应当给生命下一个更深刻的定义：“生命是一个从无序到有序的发展过程。”这是一个与非生命的自然界截然相反的过程，而且是一个主动的过程。杰里米·里夫金和特德·霍华德并不否认生命系统对熵定律的挑战，但他们认为，生命积累能量是以消耗宇宙更多的能量为代价的，也就是说，有机体的生长所体现的熵的微小的、局部的递减，都伴随着宇宙总熵的更大范围的递增。因此，生命正在使世界加速走向“热寂”。从选择与调整人类与自然关系的角度来看，他们的观点并没有错，因为在无穷大的时间和空间尺度上，生命以及我们生存的世界肯定是“死定了”。但

7、是随着生命科学的不断发展，人类应当找到全新的生命与非生命世界“和平共处”的方式，在比“无穷大”稍稍小一点的时间尺度内，使人类能够子孙万代地繁衍下去。实际上，源于宇宙大爆炸热力学理论的“熵定律”学说，在与突飞猛进的粒子研究新成果联姻中，正在把科学导向一个全新的境界。在超微观或超宏观领域中，当我们突破光速壁垒、时间壁垒、熵垒等人类认知与思考的种种界限以后，就一定能够发现和理解与生命系统类似的许多其他系统，并以此来证明世界并不是“死路一条”。线性科学向非线性科学的转变　　线性是指量与量之间的正比关系；在直角坐标系里，这是用一根直线表征的关系。近代自然科学正是

8、从研究线性系统这种简单对象开始的。由于人的认识的发展总是从简单事物开始的，所以在科学发展的早期