实间是一种幻影 - 《从混沌到有序》读书报告

题目 时间是一种幻影——读《从混沌到有序》有感

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能源与电气学院 10级电气工程及其自动化

1002030402 董家瑞 张晓云 致用402 13913822675

二○一一年五月 中国·南京

时间是一种幻影

----读《从混沌到有序》有感

摘要：在《从混沌到有序》中作者根据自然科学的最新成果，特别是耗散结构理论等非平衡系统自组织理论的新进展，讨论了自然界的可逆性和不可逆性、对称性和非对称性、决定性和随机性、简单性和复杂性、进化和退化、稳定和不稳定、有序和无序等一系列重要的范畴。作者对热力学第二定律的内容、意义作了新的解释，论述了“时间之矢”的意义，提出应当重新发现时间。作者总结了三百年来近代自然科学发展的历史，把科学的演进放在一定的文化背景中加以考查，指出应当把动力学与热力学、物理学与生物学、自然科学与人文科学、西方文化传统与中国文化传统结合起来，在一个更高的基础上建立人与自然的新的联盟，形成一种新的科学观和自然观。

关键词：时间 耗散结构 混沌控制 力学

引言：本书作者是当今最具有创新意识的思想家之一，本书也是对涌现现象进行深入探索的第一部著作。在本书中，作者比较了显示涌现现象的不同系统和模型，展现了它们之间共同的规则或规律，讲述了从“蕴含着规范、能够生成像巨大的红杉和普通的雏菊那样复杂而独特结构”的微小种子，到能够通过自学习在西洋跳棋游戏中让设计者一败涂地的计算机；从能够修建桥梁、跨越深沟和驾驭树叶之舟在溪流上航行的蚁群，到诗人充满感情的创作等涌现现象的具体表现。

一 熵 （一）熵的提出

1865年，轮到克劳修斯出来做出从工艺学到宇宙学的飞跃。起初，他只是重新表述了他先前得到的结论，但在这样作的时候他引进了一个新的概念，即熵。他最初的目的是要在守恒的概念和可逆性的概念之间做出清楚的区分。笔者认为力学变化中可逆性和守恒是吻合一致的，而物理化学的变化却不同，即使它们不可能是可逆的，却也能够是能量守恒的。

（二）熵的存在

当普里高津根据自己的科学实践把热力学第二定律放在科学史上予以重新

考察时，他发现从热力学第二定律引出的结论与达尔文创立的生物进化论存在着尖锐的矛盾。因为，热力学第二定律揭示了自然界普遍存在着可逆和不可逆两种过程。它告诉人们：物质的演化总是朝熵增加、向混乱的方向进行。可是，进化论则告诉我们：生物的进化总是由低级到高级，朝熵减少、向有序的方向进行。前者给出了“宇宙热寂说”的结论，即退化的时间箭头，而后者则与之相反，给出了进化的时间箭头。1945年，普利高津在原有理论基础上得出最小熵产生原理。这一原理和翁萨格倒易关系”一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。 十九世纪的平衡态热力学已经告诉我们，一个孤立封闭的系统，只会自发地发生熵增。

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二 时间之矢 （一）概念

热力学第二定律指出：自然界中的一切宏观自发过程都具有不可逆性，热量只能自发地从高温物体流向低温物体，物质总是自动地从高密度区域扩散到低密度区域，而不是相反。要出现相反的过程，必须靠外来的作用，即这些过程的正过程和逆过程是不等价的。正过程可以自发进行，逆过程不能自发进行，即有一种时间方向性，也就是“时间之矢”。

（二）形态

1、基于自“大爆炸”时起的宇宙的不断膨胀

普里高津说：“我们正在越来越多地觉察到这样的事实，即在所有层次上，从基本粒子到宇宙学，随机性和不可逆性起着越来越大的作用。“对这种不可逆过程的研究，正是重新发现时间的关键。由于对时问观念做了重大修正，出现了以耗散结构为特征的有序性。自然界不再是僵死的，被动的，而可逆性与决定性只适用于有限情况。

2、基于熵

热力学第二定律揭示了自然界普遍存在着可逆和不可逆两种过程。它告诉人们：物质的演化总是朝熵增加、向混乱的方向进行。可是，进化论则告诉我们：

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翁萨格（Onsager,Lars) 挪威出生的美国化学家。1903年11月27日生于挪威奥斯陆；1976年10月5日卒于佛罗里达州科拉尔盖布尔斯。

生物的进化总是由低级到高级，朝熵减少、向有序的方向进行。前者给出了“宇宙热寂说”的结论，即退化的时间箭头，而后者则与之相反，给出了进化的时间箭头。

3、基于生物进化和历史演变

热力学和动力学，热力学与生物学统一起来，就必须研究自然界中存在的远离平衡态的有序结构、生物和生命现象，必须朝着更为普遍的热力学理论方向发展。笔者认为，在一定条件下，不可逆过程会产生令人讨厌的消极作用，但在另一类条件下，对不可逆过程的研究可能会带来理论和实践上具有重大意义的结果。近三十年来，热力学和统计物理学研究的前沿，进一步伸展到远离平衡态的非线性区，在这里，人们发现了在远离平衡态的开放系统中一些有序和无序之间转化的普遍规律，从而推动了现代科学的又一次革命。

三 耗散结构理论

（一）耗散结构：系统内各要素存在复杂的非线性相干效应时才可产生自组织现象

一个远离平衡的开放系统，无论是力学的、物理的、化学的、生物学的，还是社会的、经济的系统，如果某系统不断地与外界交换物质和能量，在外界条件变化过渡到一定程度，系统内部某个参量变化过渡到一个临界值时，经过涨落系统可能发生突变，即非平衡相变。那么，该系统将会由原来的混乱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。这样耗散结构理论就恰好弥补了热力学和进化论之间的鸿沟。1967年，普里戈金发表耗散结构理论研究成果:只有在非平衡系统中，在与外界有着物质与能量的交换的情况下，系统内各要素存在复杂的非线性相干效应时才可能产生自组织现象，并且把这种条件下生成的自组织有序态称之为耗散结构。产生耗散结构的系统必须是开放系统，必定同外界进行着物质与能量的交换，处于远离平衡的状态。

（二）昭示一种新的自组织的发展观

耗散结构理论和非平衡态热力学的研究，不仅是重要的科学成果的进展，而且还昭示了一种新的自组织的发展观。耗散结构理论的出现对现代科学有着革命性的意义，这不仅仅是因为它把对热力学的认识放到真实的普遍联系的自然之

中，更重要的是，它从另一方面揭示了自然界本质的不对称，显而易见的事实为，自然秩序是普遍存在的，如果认为这些秩序必须产生于自然界的不平衡之中，那么，自然界只可能是在不平衡运动中存在的。

（三）互相“矛盾”的两种观点：有序与无序

十九世纪有两大科学理论同自然界的演化有关，一方面是达尔文揭示的在生物界中从无序到有序，从低级秩序到高级秩序发展的趋势；另一方面就是克劳修斯2等揭示的物质世界从有序向无序的退化，热力学第二定律便是证明。这两个定律看起来是矛盾重重的，但对于一个统一的物理世界而言，显然不可能存在单独适用于生物系统或非生物系统的规律，自然规律是普遍有效的。这就意谓着两个演化规律有着某种必然联系，很可能可以统一到一个理论之中。在这种思想指导下，科学家们不断完善了已有的理论，更深刻地揭示了自然界有序和无序之间的统一性。在以往波尔兹曼3对热力学问题的研究中，曾断言存在着某种形式的永恒。其实这种永恒就是有序和无序之间转化的普遍规律。

四 总结

这是一本关于复杂性研究的基础读物，但是它却揭示了人类世界多彩斑斓背后的隐性力量。人类所孜孜以求的就是确定性，也就是成竹在胸的掌控力，但与此同时，世界就像和人类在做游戏，或者叫做在比赛，控制——非控制——控制——非控制??这是一场永远也玩不完的游戏，即使人类灭亡，这种游戏还是会继续，只不过换换主体角色。但我们人类可以选择的是，用不同的玩法和路径组合起来参与这场游戏，从这个角度来讲，人还是有一定能动性的。

书里面有很多刺痛神经的小格言，笔者不敢肯定他说的一定有理，但激发我的思考和分析，读起来饶有兴味，时常去反思一些大问题，比如，世界的本质从能量的流动看趋于平均，从大爆炸以来任何运动都是在耗散组织的能量，但为何在这个熵的时间之矢维度上组织，特别是生物社会却在进化到越来越精密复杂的存在方式？莫非发明和创新、科技进步等从无到有的组织创造也是能量在自组织中平均得到的结果？混沌中的有序貌似应该越来越平静，但混沌创造出来的新混沌呢？比以前还要混沌呢？

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鲁道夫·朱利叶斯·埃曼努埃尔·克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日），德国物理学家和数学家，热力学的主要奠基人之一。 3

路德维希·玻尔兹曼，男，奥地利物理学家。热力学和统计物理学的奠基人之一。

老子说的道法自然也是描述同一件事情，给出的答案却神之乌之，十分混沌，笔者倒觉得那些貌似矛盾十分糊涂的自然观摒弃了语言这个系统的局限，更加接近万物的本真，虽然它没有实用性，超逻辑是我的哲学兴趣，，在这点上，哲学比物理前卫。从混沌到有序看上去是一个无聊的上帝警察在万物的幕后指挥交通，这个上帝还包含了偶然性、随机和不可逆性，仿佛一场游戏一场梦，笔者更同意灭是新生，只不过世界灭来灭去，多半还是不能新生出新一代的漂亮有序的新型好的混沌。

参考文献

[1] P·葛兰斯多夫,I·普里高津.结构、稳定和涨落的热力学理论[M].陕西：陕山人民教育出版社，1990

[2] (美)里夫金 霍华德.熵：一种新的世界观（吕明等译）[M].上海：上海译文出版社，1987 [3]（美）隆内克.一种统一的进化学说——耗散结构理论概述[M] .江苏：华夏出版社，2002 [4]（英）胡·普赖斯.时间之矢与阿基米德之点:物理学时间的新方向（肖巍译）[M].上海：上海科学技术出版社，2001

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