漲落與有序結(jié)構(gòu)形成

郭建崴

進(jìn)化論系列講座（三十一）

前文說到，普利高津的耗散結(jié)構(gòu)理論把遠(yuǎn)離平衡態(tài)作為自組織現(xiàn)象產(chǎn)生的必要條件之一。除此之外，系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象卻又能形成穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)的另一個必要條件，是系統(tǒng)的動力學(xué)過程中包含的非線性反饋步驟。

反饋的概念來自于控制論——系統(tǒng)輸出的信息又被輸入回系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的再輸出，這一過程稱之為反饋。反饋有正反饋和負(fù)反饋兩種基本類型。一般情況下，負(fù)反饋是維持系統(tǒng)穩(wěn)定的反饋，正反饋則是放大系統(tǒng)偏離的反饋。

系統(tǒng)的動力學(xué)過程是否包含反饋步驟，情況大不相同。一個遠(yuǎn)離平衡的系統(tǒng)，當(dāng)其內(nèi)部的動力學(xué)過程存在非線性的反饋時，不可逆過程不僅能夠使系統(tǒng)的原有狀態(tài)失去穩(wěn)定性，還可以從中產(chǎn)生出新的有序結(jié)構(gòu)，并且還能使有序結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在。例如在生命活動中發(fā)生的各種酶的催化調(diào)節(jié)（即酶促反應(yīng)）中，就存在非線性反饋的這種雙重作用。既能使酶活化并不斷增強酶促反應(yīng)，對有機體某種狀態(tài)的穩(wěn)定性產(chǎn)生動搖；又能進(jìn)行抑制調(diào)節(jié)，使酶促反應(yīng)保持在適當(dāng)?shù)南薅葍?nèi)，從而維持有機體的穩(wěn)定狀態(tài)。

那么，當(dāng)上述兩個必要條件均具備了，系統(tǒng)是如何跨越從無序到有序的“門檻”形成耗散結(jié)構(gòu)呢？一個決定性的觸發(fā)因素是——漲落。

介紹漲落之前，還必須先鋪墊一個概念——控制參數(shù)。

前面曾經(jīng)介紹過，當(dāng)一個系統(tǒng)在經(jīng)歷了一段時間的自發(fā)變化到達(dá)平衡態(tài)時，系統(tǒng)不僅內(nèi)部不再發(fā)生任何宏觀過程，而且與環(huán)境之間也不再發(fā)生宏觀的物質(zhì)轉(zhuǎn)移和能量傳輸。對環(huán)境而言，此時一定處于某種特定的不變狀態(tài)。這種狀況可以一定的環(huán)境參數(shù)來表征。用A代表環(huán)境對系統(tǒng)的輸入、B代表系統(tǒng)對環(huán)境的輸出，那么當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)平衡態(tài)時，A和B就會有彼此密切相關(guān)的兩個確定值A(chǔ)0和B0。一旦A0和B0的值改變，系統(tǒng)就將出現(xiàn)宏觀過程從而離開平衡態(tài)。環(huán)境參數(shù)A和B代表了從外部控制系統(tǒng)狀態(tài)的作用。當(dāng)把這種控制作用同系統(tǒng)內(nèi)部的動力學(xué)過程結(jié)合起來，可以用一個綜合的量——控制參數(shù)，來表征外部和內(nèi)部相結(jié)合的對系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)的控制參數(shù)用λ來表示，可以是一個、也可以是一組。系統(tǒng)平衡態(tài)的控制參數(shù)就是λ0，與A0和B0相對應(yīng)。

當(dāng)環(huán)境因素產(chǎn)生變化，A和B的值偏離了A0和B0，控制參數(shù)λ必然偏離λ0，意味著系統(tǒng)也離開了平衡態(tài)。A和B的值離開A0和B0越遠(yuǎn)，λ與λ0的偏離也越大。如74頁圖所示，λ=λ0時系統(tǒng)處在平衡態(tài)，隨著λ離開λ0系統(tǒng)也離開平衡態(tài)。在λ移動到臨界控制參數(shù)λc之前，系統(tǒng)的所有定態(tài)依然是漸趨穩(wěn)定的，表現(xiàn)為與之對應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)曲線（a）是平滑連續(xù)的，線上的所有點代表的狀態(tài)的行為與平衡態(tài)相似。曲線（a）因此被稱為熱力學(xué)分支，是平衡態(tài)的自然延伸。當(dāng)控制參數(shù)λ≥λc，熱力學(xué)分支（a）不再向其延伸曲線（b）平滑連續(xù)，很小的一個擾動就會迫使系統(tǒng)離開熱力學(xué)分支而跳躍到某個其他的穩(wěn)定分支（c）或（c')。分支（c）或（c'）上的所有點可能對應(yīng)于某種時空有序狀態(tài)。只有當(dāng)λ的值與λ0偏離足夠大、系統(tǒng)離開平衡態(tài)足夠遠(yuǎn)、不可逆的耗散過程足夠強烈時才可能出現(xiàn)，而且其發(fā)生是突變式的。這樣的時空有序狀態(tài)屬于耗散結(jié)構(gòu)，分支（c）或（c')也因此被稱為耗散結(jié)構(gòu)分支。熱力學(xué)分支開始變得不穩(wěn)定始于λ=λc，隨后幾個新的分支從這里發(fā)展出來（具體數(shù)目取決于具體的動力學(xué)行為），它們組成的圖案形似一把叉子，這類現(xiàn)象因此被稱為分叉現(xiàn)象或分支現(xiàn)象，這是一個自組織系統(tǒng)產(chǎn)生發(fā)展的必然。

系統(tǒng)狀態(tài)隨控制參數(shù)的變化

系統(tǒng)狀態(tài)隨控制參數(shù)變化的這個圖示，形象地描述了環(huán)境因素和系統(tǒng)的動力學(xué)行為對系統(tǒng)狀態(tài)變化的作用。但是這些作用還僅是宏觀的、可控制的一個方面。另一方面，系統(tǒng)的狀態(tài)也受到系統(tǒng)內(nèi)部微觀的、不可控作用及環(huán)境微觀改變的影響。在到達(dá)控制參數(shù)的臨界值之前，這種影響是微弱的；但是當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)處于臨界點時，它們會成為系統(tǒng)狀態(tài)如何變化的決定性因素。經(jīng)臨界點怎么出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)分支，則是漲落的“杰作”。

“漲落”一詞的漢語原意指潮水的上漲和下落，也引申為物價的升降、情緒的起伏等等，本身就意味著對某種平均值的偏離。把它用于一種特定物理概念的譯名再貼切不過，那便是“由大量子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)的可測的宏觀量在每一時刻的實際測度相對于平均值或多或少有些偏差，這些偏差就叫漲落。漲落是偶然的、雜亂無章的、隨機的?！?/p>

相關(guān)的，還要介紹一個“大數(shù)定律”——當(dāng)一個隨機變量取值非常多時，這些值有一個集中的位置特征，即對應(yīng)于一個幾乎不變的值。

有了這些鋪墊，普利高津所說的“通過漲落達(dá)到有序”的基本思想就可以概況如下了：

系統(tǒng)內(nèi)部微觀隨機運動給系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)造成干擾，形成漲落。漲落有兩種結(jié)局，決定于系統(tǒng)的初始狀態(tài)如果。當(dāng)系統(tǒng)宏觀狀態(tài)為平衡態(tài)或平衡態(tài)附近的某個定態(tài)時，所有的漲落都將衰減，不會對系統(tǒng)狀態(tài)產(chǎn)生大的影響，隨機運動的大數(shù)定律支配著系統(tǒng)具有抗干擾性。但在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時，當(dāng)控制參數(shù)到達(dá)或超過臨界值，漲落會出現(xiàn)“反?，F(xiàn)象”，隨機的小漲落可能通過反饋等相干效應(yīng)不斷被放大，最后大范圍出現(xiàn)，形成相對于宏觀狀態(tài)平均值的“巨漲落”；此時隨機運動的大數(shù)定律發(fā)生破缺，不再能夠支配系統(tǒng)狀態(tài)，在原來狀態(tài)已經(jīng)失去穩(wěn)定性的同時，巨漲落驅(qū)動系統(tǒng)躍變?yōu)橐环N新的穩(wěn)定狀態(tài)，這種新的穩(wěn)定狀態(tài)則保持著巨漲落所具有的時空有序特征。

至此，對普利高津的耗散結(jié)構(gòu)理論的簡介告一段落。下一期，將介紹自組織理論的其他觀點，并就自組織理論如何解釋生命起源與生物進(jìn)化展開若干探討。