擯棄短期確定性，擁抱長期開放性

文/姚斌

題記：雖然這個世界及宇宙長期是不確定性，但明天的太陽幾乎無限接近100%地照常升起。

我最近在研讀伊利亞·普裡戈金的《確定性的終結》。

普裡戈金又被譯為普利高津，他是比利時物理化學家和理論物理學家。普裡戈金長期從事關於不可逆過程熱力學的研究。

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。

接著，他於20世紀60年代又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。因創立了熱力學中的耗散結構理論，普裡戈金獲得了諾貝爾化學獎。

十九世紀的平衡態熱力學告訴我們，一個孤立封閉的系統，只會自發地發生熵增加，自發地走向崩潰瓦解。普裡戈金對此進行了深入的探討，提出並建立起耗散結構理論。

耗散結構理論表達的是這樣的一個基本思想：一個遠離平衡的開放系統，不論它是物理、化學、生物學，還是社會、經濟、精神世界，通過與環境進行物質、能量和信息的交換即通過物質、能量和信息的耗散，就有可能自發組織起來，實現從無序到有序的轉變，形成具有一定組織和秩序的動態結構。

如此，普裡戈金就改造了物理學，賦予物理學一種新的文化內涵。

在《確定性的終結》一書中，普裡戈金的核心指向「時間之矢」。

所謂的時間之矢是指自然過程的不可逆性和時間的方向性。在熱力學和統計物理學中的時間之矢，是指熵增加、無序、退化的時間方向。

經典物理學的基本定律所描述的時間不包含過去與未來之間的任何區別，因此不存在時間之矢，而時間之矢也曾被貶低到現象學範疇。隨著普裡戈金創立了非平衡過程物理學，產生了自組織和耗散結構等概念，時間之矢又成為一個核心概念。

非平衡過程物理學描述了單向時間效應，為「不可逆性」這一術語給出了新的含義。是不可逆性導致了諸如渦旋形成、化學震蕩和雷射等許多新現象，所有這些現象都說明了時間之矢至關重要的建設性作用。不可逆性導致了相干，其影響包含億萬個粒子。

形象地說，不具備時間之矢的平衡態物質是「盲目的」；具備了時間之矢，它才開始看見。沒有這種起因於不可逆非平衡過程的相干，很難想像地球上會出現生命。

經典物理學的自然法則表達的是「確定性」，一種靜止的世界觀，即只要給定了適當的初始條件，就能夠用確定性來預言未來或溯言過去。

在它們看來，是自然法則導致了確定性。於是，「拉普拉斯妖」就出現了。拉普拉斯妖無所不知，有的翻譯成「拉普拉斯惡魔」。

拉普拉斯妖有能力觀察宇宙的現今狀態並預言其演化。

然而，一旦包含了不穩定性，情況顯然就不是這樣，自然法則的意義會發生了根本的變化，因為自然法則現在表達了可能性或概率。這就是普裡戈金與西方思想的基本傳統相牴觸之所在。

拉普拉斯妖是由法國數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯於1814年提出的一種科學假設。它表達了拉普拉斯決定論的思想。決定論符合精確定義的機械論，就像被艾薩克·牛頓、埃爾溫·薛丁格和阿爾伯特·愛因斯坦所表達自然法則所顯示的那樣，它是「可數學化」的。然而，非平衡過程物理學需要的是「非決定論」。

時間可逆的物理學觀點與以時間為中心的哲學之間的矛盾，導致了衝突。

因為在所有層次上，無論是宇宙學、地質學、生物學，還是人類社會，我們都看到了與不穩定性和漲落相關的演化過程。漲落是用來處理遠離熱力學平衡(熵最大值)之下，系統的熵會在某一定時間中增加或減少的相對概率。

時間和決定論的難題形成了科學與哲學「兩種文化」之間的分界線。熵是熱力學的一個重要組成部分，熱力學是專門研究有時間方向的不可逆過程的一門學科。

每個人在某種程度上都熟悉這些不可逆過程，像放射性衰變，或者使流體的流動變慢的黏性。不可逆過程與可逆過程相反，它有一個時間方向。

如果不考慮不計其數的決定天氣和氣候變化的不可逆過程，就不可能對生態圈進行描述。自然界既包括時間可逆過程，又包括時間不可逆過程。但公平地說，不可逆過程才是常規，而可逆過程是例外。

可逆過程和不可逆過程之間的差異，是通過與所謂的熱力學第二定律相聯繫的熵的概念引入的。

早在1865年，熵就由魯道夫·克勞修斯所定義。按照熱力學第二定律，不可逆過程產生熵，而可逆過程使熵保持不變。

「宇宙的熵趨於最大」。克勞修斯是第一個以不可逆過程的存在為基礎對宇宙演化進行表述，但他考慮的是孤立系統，與外界既無能量交流，也無物質交流。

並且，也沒有給出任何方法，用可觀察量來表示熵的變化。亞瑟·愛丁頓則將熵稱為「時間之矢」。

普裡戈金指出，正是通過與時間之矢相聯繫的不可逆過程，自然才達到其優美和複雜之至的結構，生命只有在非平衡的宇宙中才有可能出現。非平衡導出了一些概念，如自組織和耗散結構。

在穩定運動與不穩定運動之間有一個基本差別，穩定運動系統是初始條件的小變化產生相應小影響的系統。

但對不穩定運動系統來說，初始條件的小擾動會隨時間被放大。混沌系統就是不穩定運動的極端例子，因為不同初始條件確認的軌道不管多麼接近，都會隨時間推移指數型發散，這就叫「對初始條件的敏感性」。

天氣變化、經濟系統、證券市場、上市公司都是屬於不穩定運動的系統，充滿了不確定性。一個通過混沌而放大經典例證就是蝴蝶效應：一隻蝴蝶在亞馬遜流域扇動它的翅膀，就可能影響到美國的天氣。

考慮「拉普拉斯妖」在一個穩定運動系統裡變成什麼，是有意義的。除非他以無限精度知道初始條件，否則他不再能預測未來。

只有那樣，他才能繼續使用軌道描述。但有一種更強大的不穩定性，無論初始描述的精度如何，它都會使軌道破壞。天氣變化、經濟系統、證券市場、上市公司就是這樣，總是隨機性地脫離「軌道」，使得算無遺策的預測顯得極其無效。

如果世界由穩定動力系統組成，它就會與我們所觀察到的周圍世界迥然不同，它將是一個靜態的、可以預言的世界。

但在我們的世界裡，我們在所有層次上都發現了漲落、分岔和不確定性。導致確定性的穩定系統僅僅與理想化、與近似性相對應。

普裡戈金認為，「非確定性假設」是不穩定性和混沌的現代理論的自然結果。一旦我們有了時間之矢，就會立即明白自然的兩個主要屬性：自然的統一性和自然的多樣性。

但是，很多著名物理學家把熱力學第二定律平庸化。對此，普裡戈金深感驚奇。在我們周圍，處處可見成為「大自然創造性」證據的結構的出現。這種創造性必須以某種方式與距平衡態的距離聯繫起來，它是不可逆過程的結果。

對比一下晶體和城鎮。晶體是一個可以在真空中保持的平衡結構。而如果把一個城鎮孤立起來，它就會自行消亡，因為它的結構依賴於它的功能，功能和結構是不可分離的。結構表達了城鎮和外界的交流。

薛丁格在他的優美著作《生命是什麼？》中，用熵產生和熵流討論了生命的新陳代謝，認為生命以負熵為生，斷言生命與熵產生相聯繫，從此與不可逆過程相聯繫。對此，普裡戈金指出，像在動力學中一樣，穩定性問題在這裡再次起到重要作用，熵在熱力學平衡時最大，這是孤立系的情況。

在近平衡態，與熵產生相聯繫的耗散具有最小值，而在遠離平衡態時正相反，新的過程開始，熵產生增加。在非平衡物理學中，各種形態的多樣性更為顯著。

宇宙本身就是高度異質性的，且遠離平衡。這種情況阻止系統達到平衡態。按照熱力學第二定律，自然界的過程都是向著熵增加的方向進行的，即從有序到無序。

而生物進化過程中，有些生命現象正好與此相反，是向熵減少的方向進行。因此，大自然的發展演化總是勃勃生機、萬千紛呈，表現出高度有序。

當系統處於遠離熱力學平衡的狀態時，在一定外界條件下，由於系統內部非線性相互作用，可以經過突變而形成新的有序結構，這就是所謂的「耗散結構」。這裡的耗散指的是系統維持這種新型結構需要從外界輸入能量或物質。

這說明，在非平衡態下所能產生的最複雜的結構，與生物學中所發現的複雜性之間存在著一條鴻溝。

一旦擁有耗散結構，就可以談及自組織了。自組織是普裡戈金研究的重要問題。赫伯特·西蒙曾說，複雜性科學研究有三階段：系統理論階段-、自組織理論階段和複雜性科學階段。普裡戈金由此開創了自組織研究，也成為複雜性科學研究之先驅。

普裡戈金十分明確，自組織中的組織不應也不能通過中央管理得以維持，秩序只有通過自組織才能維持。自組織系統能夠適應普遍的環境，即系統以熱力學響應對環境中的變化作出反應，這種響應使系統變得異常柔軟且健壯，以抗衡外部的擾動。

自組織系統的優越性可以用生物系統加以說明，在生物系統中，複雜的產物可以以無以倫比的精度、效能和速度形成。於是，我們在這條路徑上產生了生命、文化和藝術。

我們的自然法則描述的實際上是一個不規則的、混沌運動的世界，一個更像古代原子論者的圖景，而不是規則的牛頓軌道的世界。

無序構成了宏觀系統的基礎。這個演化宇宙的根源隱含在物理學的基本定律之中。我們能夠通過與確定性混沌和不可積性相聯繫的不穩定性概念來追溯其根源。機遇和概率不再是承認無知的一種方便途徑，而是一種被擴展的新理性之組成部分。

值得注意的是，不可逆的地質過程與生物過程相比有不同的時間尺度。更重要的是，存在著進化的多樣性，它們在生物學領域中特別顯著。正如史蒂芬·古爾德所述，細菌自前寒武紀以來大致保持相同，而其他物種在短時間尺度裡卻顯著地進化。

因此，考慮簡單的一維進化可能是一個錯誤。大約2億年前，某些爬行動物開始飛行，而另一些爬行動物則留在地面上。在後來的一個階段，某些哺乳動物回歸海洋，而另一些哺乳動物則留在陸地上。同理，某些猿進化為人，而另一些猿則不然。

古爾德對生命的歷史屬性是這樣定義的：為了理解生命進程中的偶然事件和一般性，我們必須超越進化論原則，即超越地球生命史中偶然模式的古生物學考察——在成千上萬、未偶然發生的、似有道理的可能性中實現的那一種。這樣的生命史觀與西方科學的傳統確定性模型，和以人類為歷史頂峰作為生命最高表達，及有目的行星管理的西方文化的深遠社會傳統和心理期望背道而馳。

我們處在一個多種漲落的世界，有的漲落進化，有的漲落退化。這些漲落是不穩定動力學系統微觀層次上產生的漲落的根本屬性的宏觀表現。因此，古爾德所強調的這些困難不再出現在我們對自然法則的統計表述中。

不可逆過程沒有因為我們宇宙的創生而停止，它們今天在所有層次(包括地質演化和生物進化上)依然存在。因此，我們需要一種新自然法則來表述，它不再基於確定性，而基於概然性。承認未來不被確定，普裡戈金由此得出了「確定性終結」的結論。世界是一個具有不確定性的世界。

據說，熵的增加總是讓人類絕望。在古代，時間的輪迴思想就十分流行。古人以輪迴界定了逃離生命苦難的理想的存在。

就連愛因斯坦也對人類狀況懷有較深的悲觀主義的色彩。他一生經歷了人類歷史上特別悲慘的時期：法西斯主義和反猶太主義與兩次世界大戰爆發。然而，愛因斯坦的物理直覺可以認為是人類理性超越暴力世界的最高成就，它把客觀知識從不確定性和主觀範疇分離出來，以此逃離人類存在之變幻無常。

在《奧德賽》和《伊利亞特》兩部古希臘史詩中，荷馬的《奧德賽》以《伊利亞特》的辯證對立面出現。奧德修斯是很幸運的，他能在永為卡呂普索的情人從而永生不死與回歸人性且最終老死之間作出抉擇。

海之女神卡呂普索為了永遠得到奧德修斯，願意讓奧德修斯永葆青春，並且與天地同壽。然而，奧德修斯最終卻選擇了超越永恆的時間，選擇了超越諸神命運的人的命運。

系統從無序狀態過渡到耗散結構有兩個必要條件：一是系統必須開放，系統必須與外界進行物質或能量的交換；二是系統必須遠離平衡態，開放系統在遠離平衡態時可以湧現出新的結構，將能夠自組織形成一系列的有序結構。

生命系統裡的耗散結構和自組織意味著更高層次的秩序，比如，生命節律、新陳代謝和複雜系統。秩序只能在自組織系統下維持。自組織系統可以適應大環境，它能對環境的變化作出積極的反應，這就使得這個體系具有強大的抗幹擾能力。

物理演化與生命演化並不相同。研究生命演化必須在開放系統中處理。因此，熱力學第二定律不是普遍合理的。對此，普裡戈金充滿了樂觀主義的理性精神：「我們不能離開受汙染的城市而遷居高山，我們必須參與明天社會的建設。

他引用彼得·斯科特的話來說：「世界，我們的世界要不斷拓展知識和價值的疆域，超越事物的已知性質，想像新的、更美好的世界。」這就是一種脆弱中的堅強。

現今世界正在出現的，是位於確定性世界與純機遇的變幻無常世界這兩個異化圖景之間某處的一個「中間」描述。物理學定律產生了一種新型可理解性，它由不可約的概率表述來表達。

當與不穩定相聯繫時，新自然法則無論是在微觀層次還是在宏觀層次都處理事件的概率，而不是把這些概率約化到可推斷、可預言的結局。

作者：一隻花蛤