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伊利亞·普里高津

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普里高津(LlyaPrigogine,1917~2003)是比利時物理化學家,布魯塞爾學派的首領,以研究非平衡態的不可逆過程熱力學、提出「耗散結構」理論而聞名於世,並因而榮獲1977年諾貝爾化學獎,非平衡態統計物理與耗散結構理論奠基人。他把將近一世紀前由克勞修斯(Clausius,R.J.E)創立的熱力學第二定律擴大應用於研究非平衡態的熱力學現象,開拓了一個過去很少受人注意的嶄新領域,被認為是近二十多年來理論物理、理論化學和理論生物學方面取得的最重大進展之一。普里高津在長期而廣泛的研究工作中形成了自己的哲學觀點,他的許多科學理論觀點極富有辯證法思想,對我們很有啟發。


1 伊利亞·普里高津 -生平簡介

伊利亞·普里高津是比利時物理化學家和理論物理學家。1917年1月25日生於莫斯科。1921年隨家旅居德國。1929年定居比利時,1949年加入比利時國籍。他於1934年進入布魯塞爾自由大學,攻讀化學和物理,1939年獲理科碩士學位,1941年獲博士學位。1947年任該校理學院教授。1959年任索爾維國際理化研究所所長。1967年兼任美國奧斯汀得克薩斯大學的統計力學和熱力學研究中心主任。1953年當選為比利時皇家科學院院士。1967年當選為美國科學院院士。

普里戈金長期從事關於不可逆過程熱力學(也稱非平衡態熱力學)的研究。1945年他提出了最小熵產生定理,該定理是線性不可逆過程熱力學理論的主要基石之一。他和同事們於60年代提出了適用於不可逆過程整個範圍內的一般發展判據,並發展了非線性不可逆過程熱力學的穩定性理論,提出了耗散結構理論,為認識自然界中(特別是生命體系中)發生的各種自組織現象開闢了一條新路。耗散結構理論在自然科學及社會科學的許多領域有重要的用途。因創立熱力學中的耗散結構理論,普里戈金獲1977年諾貝爾化學獎。普里戈金在物理化學和理論物理學的其他方面,如化學熱力學、溶液理論、非平衡統計力學等,都有重大的貢獻。他的主要著作有《化學熱力學》 、《不可逆過程熱力學導論》 、 《非平衡統計力學》和《非平衡系統中的自組織》等。

2 伊利亞·普里高津 -耗散結構理論

伊利亞·普里高津伊利亞·普里高津
公元1977年,當被科學界譽為現代熱力學的奠基人、比利時布魯塞爾學派著名的統計物理學家普里高津,以其創立的耗散結構理論把當年的諾貝爾化學獎的桂冠舉過頭頂的時候,這一偉大的時刻終於到來了。人們清楚地知道:普里高津所創立的耗散結構理論對於整個自然以至社會科學產生的劃時代的重大影響,遠遠超出了一次諾貝爾獎的價值。

普里高津於1969年在國際「理論物理與生物學會議」上發表了《結構、耗散和生命》一文,提出了耗散結構理論,把理論熱力學的研究推向了當代的最高峰。普里高津由於這一重大貢獻,榮獲1977年諾貝爾化學獎。這是普里高津學派20多年從事非平衡熱力學和非平衡統計物理學研究的成果。

普里高津和他的同事在建立「耗散結構」理論時準確地抓住了如貝納爾流、B-Z化學波和化學振蕩反應以及生物學演化周期等自發出現有序結構的本質,使用了「自組織」的概念,並且用該概念描述了那些自發出現或形成有序結構的過程,從而在「存在」和「演化」的兩種科學之間,在兩種文化之間構架了一座科學的橋樑。

普里高津在研究了大量系統的自組織過程以後,總結、歸納得出,系統形成有序結構需要下列條件:

(1)系統必須開放。熱力學第二定律指出:孤立系統的熵不可能減少。對於一個孤立系統,無論其微觀機制如何,如果從宏觀上看,它可以被當成是孤立系統,則必然要達到平衡態。耗散結構理論認為,對於孤立系統來說熵是增加的,總過程是從有序到無序;而對於開放系統來說,由於通過與外界交換物質和能量,可以從外界獲取負熵用來抵消自身熵的增加,從而使系統實現從無序到有序、從簡單到複雜的演化。

(2)遠離平衡態。遠離平衡態是系統出現有序結構的必要條件,也是對系統開放的進一步說明。開放系統在外界作用下離開平衡態,開放逐漸加大,外界對系統的影響逐漸變強,將系統逐漸從近平衡區推向遠離平衡的非線性區,只有這時,才有可能形成有序結構,否則即使開放,也無濟於事。

(3)非線性相互作用。組成系統的子系統之間存在著相互作用,一般來講,這些相互作用是非線性的,不滿足疊加原理。正因為這樣,由子系統形成系統時,會湧現出新的性質。

(4)漲落。漲落是指對系統穩定狀態的偏離,它是實際存在的一切系統的固有特徵。系統內部原因造成的漲落,稱為內漲落;系統外部原因造成的漲落,稱為外漲落。處於平衡態系統的隨機漲落,稱為微漲落;處於遠離平衡態的非平衡態系統的隨機漲落,稱為巨漲落。對於遠離平衡態的非平衡態系統,隨機的小漲落有可能迅速放大,使系統由不穩定狀態躍遷到一個新的有序狀態,從而形成耗散結構。

3 伊利亞·普里高津 -耗散結構論的不足

普里高津已經揭示了遠離熱力學平衡態的系統的不可逆進化動力學,處在這種「第三種狀態」(遠離而不是處於或接近平衡)的系統以這種明顯的方式運作:當漲落導致失穩時,它們並不到達平衡,而是可能重新組合它們的內部力以吸收、轉變和貯存更多的它們環境中所具有的自由能。結果,它們沒有衰亡,而可能又振作起來到達演化的更高區域和複雜狀態。

然而進一步考察后發現,熱力學事業儘管有顯赫的成就,但仍證明有重大缺陷。它的問題是,當遠離平衡態的系統的進化軌線分叉時,該系統將會發生什麼事要仰仗隨機性的選擇。普里高津不能解釋緊隨分叉后系統對新動態形式的「選擇」,就如同斯塔普不能解釋當粒子與宇宙的其餘部分相互作用時粒子對決定論的狀態的「選擇」一樣。在普里高津的非平衡宇宙中,與海森堡量子宇宙一樣,進化仍被純粹的隨機性所打斷。

普里高津的不可逆進化把觀察到的所有領域,物理的、化學的、生物的、生態的、甚至人類的系統都聯繫了起來,它為從物理學和化學向生物學和生態學,最終向人文科學的過渡提供了一張有吸引力的通行證,但是,這種理論能為理解作為自然界中漸進自我組織的結果的有序提供一把鑰匙嗎?換句話說,「通過漲落達到有序」是新物理學統一理論中所缺少的組織原理嗎?

在這一點上一直存在著嚴重的問題,由普里高津的進化動力所驅動的系統趨向於分散和多樣化,而不是趨向於凝聚和統一。普里高津自己也談到了「分叉屬性」是進化過程的基礎:即使兩個系統從相同的狀態出發,而且在它們的環境中具有相同的初始條件,它們也會在時間的過程中傾向於分叉,因為每個系統受到不同的外部影響和產生不同類型的內部漲落。事實是,在普里高津所開創的非平衡熱力學中,進化系統的特定發展路線受機遇的支配,無論是系統過去的歷史,還是其環境的性質,都不能決定在諸多的漲落中哪一種將最終變成核心。成核過程只能用各種隨機方程來描述,這些方程可以有許多可能的結果。不過這裡還存在困難,如果系統的過去和環境都不決定成核過程的結果,那麼在複雜系統中所出現的轉化了的結構就完全取決於對系統不穩定的眾多漲落所進行的隨機選擇。在某一特定系統中,進化展開的方式變得完全不可預見;而在許多系統中,進化展開的方式很可能是多種多樣的,我們的周圍因此就應當是由千差萬別的系統所構成的雜亂無章的一堆混亂,而不是宇宙學的宏觀結構和物理學、化學和生命科學的微觀結構所顯示的始終如一的有序。這與事實顯然是不符的。

普里高津和他的學派指望偏離平衡是有序的最終源泉,並希望非平衡熱力學方程能解釋觀察到的進化過程,然而這些期望至今還未得到滿足。儘管熱力學理論描述了複雜開放系統在其環境中維持自身的方式和它們變化的方式的本質方面,但沒有解釋在變化的可能結果中從統計學上看為什麼系統趨向於有序和複雜性。

在系統所產生的熵及其複雜性的增加之間至今未發現任何關聯棗系統所產生的熵的量不能作為衡量其進化發展的標準。雖然混沌系統比有序系統產生更多的熵,但熵的產生、增加或減少並不取決於系統的結構和複雜性的變化,看來,熱力學的熵不能充分說明系統進化的軌跡。「信息熵」這一補充術語不是來自非平衡熱力學,而是來自申農的資訊理論,它已被用來解釋結構的變化。但信息熵和物理熵之間的關係還是不清楚,把這兩者都包含在內的理論不再是一種熱力學理論,而是關於能量和信息加工系統的一種統一理論。

4 伊利亞·普里高津 -科研分枝

楊振寧與普里高津的分歧

在「2004文化高峰論壇」上,楊振寧將近代科學沒有在中國萌生規咎於《易經》 。概括起來,楊振寧對《易經》的否定可以歸納為兩點:一是說它認識事物的方法只有歸納法,沒有推演法。二是不同意天人合一的觀念,說是人世間有人世間的規律,自然界有自然界的規律,是兩回事,不能合在一起。

普里高津是研究熱力學的,然而他得的是諾貝爾化學獎,因為他的「耗散結構」理論並不為主流物理學家所認同。簡單地說,耗散結構理論就是認為:事物的演化是由於事物結構的突然變化,而事物結構變化的原因,則是由於事物內部存在一種「自組織」的功能。耗散結構理論是一個既適用於自然界又適用於人世間的理論,這就與天人合一的觀念不謀而合了。對於這個觀念,主流物理學家——例如楊振寧——則是反對的。於是普利高津將目光投向中國,他在《確定性的終結》中文版序中寫道:「西方科學和西方哲學一貫強調主體與客體之間的二元性,這與注重天人合一的中國哲學相悖。本書所闡述的結果把現代科學拉近中國哲學。自組織的宇宙也是『自發』的世界,它表達一種與西方科學的經典還原論不同的整體自然觀。我們愈益接近兩種文化傳統的交匯點。我們必須保留已證明相當成功的西方科學的分析觀點,同時必須重新表述把自然的自發性和創造性囊括在內的自然法則。本書的雄心正是以一種廣大讀者易於接受的方式闡述這一綜合。自本書於1996年問世以來,沿著這條思路又取得了更多的進展。在本世紀末,我們並非面對科學的終結,而是目睹新科學的萌生。我衷心希望,中國青年一代科學家能為創建這一新科學作出貢獻。」

事物不僅具有物質性,還具有結構性。事物的物質性表現為質量,牛頓把物體抽象為質量,不管物體的材料是木頭還是鐵塊,都符合牛頓力學。也就是說,牛頓力學不考慮事物的結構性,所以它只能說明物體的機械運動。今天,當人們更深入地認識事物更複雜的運動時,事物的結構性就顯得比物質性更為重要。

就拿DNA來說吧。DNA是四種鹼基對排列成的雙螺旋結構,它載著生命的信息,僅僅因為這些排列些小的變化,就改變了生命的形式。人與人之間的基因差異,只要有0.2%的改變,就變成不同的人種。人類的基因有98%與黑猩猩一樣,有51%與酵母菌相同。僅僅因為結構的改變,就演繹出億萬生命的大千世界。如果我們想到:熱帶雨林中的一支猩猩與北極冰川上的一支企鵝;海洋里游弋的一條藍鯨與沙漠里跋涉的一匹駱駝;長空里遷徙的一支大雁與地下掘洞的一隻螞蟻;沉睡在古荒原上的一粒細菌與生活在現代都市中的一個人,這一切竟然都是由於這個雙螺旋結構的不同造成的,我們就會相信「結構決定事物的本質」。

其實在2300年前,亞里士多德提出的「質料因」與「形式因」就已經涉及到這個問題。亞里士多德在說明質料與形式的關係時說,雕像的質料是青銅,雕像是形式,「雕像之為雕像,不在青銅,而在雕像的本質」。也就是說某事物之所以成為某事物,不在於質料的規定,而在於形式的規定。可以看出,亞里士多德已經感覺到了「結構決定事物的本質」,不過受到時代科學水平的限制,他不可能說得更清楚。

如果以電子、質子、中子為質料,不同的結構可得到不同的原子,直到填充滿化學元素周期表。這些化學元素的外觀和性質,差別竟有如此之大。

「同素異構」現象和「同分異構」現象告訴我們,即使是品種數量完全相同的質料,不同的結構,也會成為另外的東西。同素異構最著名的例子就是碳原子既可組成金剛石,又可組成石墨。金剛石是自然界中最晶瑩最堅硬的物品;石墨則是極黑極軟的東西。如此之大的反差僅僅由於碳原子的結構不同,金剛石中的碳原子呈等四面體排列,而石墨中的碳原子呈一種六稜柱排列。同分異構最早發現的是異氰酸銀(AgNCO)與雷酸銀(AgONC)。從它們的分子式可以知道,它們的全部零件都是一樣的,不過結構不同,它們的性質就大不一樣:前者很穩定,後者卻具有爆炸性。再如乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3),它們的分子式都是C2H6O,但是結構不同,性質也就全然不同了。

5 伊利亞·普里高津 -工作風格

其一:普里高津是一位利用演化論而非原子論的觀點來看待世界的物理學家。

其二:普里高津的學術生涯是由簡入繁,早年研究化學反應,中年研究熱力學和統計物理,晚年深入到量子混沌的理論基礎。

其三:普里高津憑藉自己的學識、熱情與組織才能,以戰略家的眼光,一手締造了布魯塞爾學派,使得非主流的前沿研究得以長期堅持。

6 伊利亞·普里高津 -七步研究法

普里高津的七步研究法

1:剖析舊理論,打開突破口;

2:提問不斷提問,尋找要害;

3:博採廣收博採,為我所用;

4:思考分析綜合,抽象概括;

5:立案提出方案,嚴格論證;

6:求解切實求解,升華理論;

7:應用應用實際,以求驗證。

7 伊利亞·普里高津 -矚目豐碑

在近代自然科學史上,矗立著三塊舉世矚目的豐碑:與科學巨人牛頓的名字聯繫在一起的經典力學;與現代物理學的奠基人愛因斯坦的名宇聯繫在一起的相對論;與玻爾、海森堡等人的名字聯繫在一起的量子力學。幾十年來,全世界的科學家們在仰望科學的頂峰的同時.都在企盼著另一塊超越巨人的豐碑矗起,他就是伊利亞·普里高津。

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