4.2　耗散结构：秩序源于混沌

看看图4.1和图4.2中显示的美丽图案。这些漂亮的图案不是艺术家设计的，它们来自一些非生命物质的化学相互作用。所以，在设计图案方面，非生命的化学物质可以比人类更智能！

1952年，英国数学家和计算先驱阿兰·图灵（Alan Turing）意识到，如果混合一些化学反应物，当某些参数超过阈值时，会出现静止的、空间周期性的模式反应物的浓度现象，如图4.1所示。

20世纪五六十年代，两位俄罗斯科学家保瑞斯·贝洛索夫（Boris Belousov）和阿那托·扎鲍廷斯基（Anatol Zhabotinsky）发现了著名的振荡化学反应（现在称为Belousov-Zhabotinsky反应或简称BZ反应）。他们发现，溴酸钾、硫酸铈（Ⅳ）、丙二酸和柠檬酸在稀硫酸中混合，铈（Ⅳ）和铈（Ⅲ）离子的浓度比发生振荡，导致颜色发生变化，溶液在黄色和无色之间振荡。特别地，反应中间体和催化剂浓度的周期性变化对应于它们的几何形状、形式和颜色的逐渐变化 ^[3,4] 。图4.2只是展示了这个动态过程的单次图片。有兴趣的读者可以在网上搜索“Belousov-Zhabotinsky反应”，观察这个美丽现象的视频。这一发现在应用物理化学领域引发了激烈的争论。

时空结构的创造非常有趣，因为自组织秩序是从统一和混乱的初始状态产生的，而自组织与智能直接相关。

自组织发生在许多物理、化学、生物、机器人和认知系统中，特别是有趣的系统。生命、思想、燃烧、生态、交通、流行病、股票市场、行星环境、天气、城市也具有这些特征，这些特征在物质、能量和信息流动的情况下自发地出现 ^[5,6] 。

伊利亚·普里高津于1969年在国际“理论物理与生物学会议”上发表研究报告《结构、耗散和生命》，正式提出了耗散结构理论 ^[7] 。普里高津是比利时物理化学家和理论物理学家。普里高津于1917年1月25日生于莫斯科，1921年随家旅居德国，1929年定居比利时，1949年加入比利时国籍。耗散结构理论是布鲁塞尔学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的重大成果。普里高津和他的同事在建立耗散结构理论时深入研究了B-Z化学波、贝纳对流、化学振荡反应及其他生物学演化周期等自发出现有序结构的本质。他们使用“自组织”的概念描述了那些形成有序结构的过程，从而在“存在”和“演化”之间构架了一座科学的桥梁。普里高津由于这一重大贡献，荣获1977年的诺贝尔化学奖。

普里高津认为，在没有秩序的非平衡状态下，能量和物质的波动可以从混沌中产生秩序 ^[8] 。耗散结构中空间构型和时间节律的产生是一种称为“涨落有序”的现象。他认为以牛顿的经典物理学为代表的近代科学，描述的是一个像钟表一样的自然界，一个永无发展的静态世界，一个存在绝对化和相对静止的世界。在牛顿经典物理学中，把时间参数 t 换为- t 有相同的结果，时间可逆，过去和未来看来没有实质性的区别。然而，近代的热力学成果正如热力学第二定律指出的，一个封闭系统只会自发地熵增，走向无规无序 ^[9] （在下面会有介绍）。这揭示的是一个时间有方向、不断演化的世界。比如，生物进化论也告诉我们，世界处于不断的发展之中，时间之箭不可逆地指向未来。

耗散结构理论的物理内涵可以理解为：一个远离平衡态的非线性的开放系统（如物理的、化学的、生物的，乃至社会或经济的系统）不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变，即产生非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”。

发生耗散结构的根本原因是什么？一个可能的原因是，类似于第3章中讨论的最少作用量路径，耗散结构使系统能够以比采用另一种结构（或没有结构，即混沌）时更有效的速率稳定。这再次表明，智能在这个稳定过程中自然出现。

事实上，它表明系统的熵以比耗散结构不存在时更快的速度增加 ^[10] 。一般来说，如果忽略细节，可以简单理解为，系统中的熵增加意味着系统正在从不稳定状态转变为更稳定的状态。从这个意义上说，“耗散结构”应称为“促进稳定的结构”。 IGGk3QpmRtNRIESajzcamOqw+kKW7Hpv28GWEXW2DukqwDForTSl/uCoyP27BdSh