〔提要〕诺贝尔桂冠荣获者探索渗透到科学和社会思想之中的非线性、不稳定性和涨落的观点。
Ⅰ
牛顿以后的三个世纪，科学的观点经历了根本的变化。西方科学的伟大创立者们强调自然定律的普遍性和永恒性，他们想要阐述的一般计划与理性的定义非常一致。正如伊萨亚· 伯林（Isaiah Ber-1&）在《反潮流》中简明叙述的：“他们追求包罗万象的纲要，宇宙统一的框架，在那里，任何事物的存在都表明是系统地——也就是说，逻辑地或因果地联系在一起的；巨大的组织在那里没有留下什么缺口，容许自发的、自动的发展，一切事物的发生，至少在原则上可以依据不变的一般规律完全给予解释。”今天我们离开实现这一点还很远，我们对自然的描述，日渐趋向于多样性、时间性和复杂性。
在经典科学中强调的是不依赖于时间的定律，—旦给定了初始条件，这些永恒的定律永远确定了未来，如同它确定了过去一样。这样的幻象激起了我们的热情，由于它的信息，世界易于被人的思想所理解。同时，它仍旧提出了一个问题，因为在这种情况下，世界的描述显示出类似于一部自动机，一个机器人。这是众所周知的，一种推动希腊原子论者——德谟克利特，伊壁鸠鲁，芦克莱修——工作的力量是想使人从无知的忧虑，上帝的惩罚中解脱出来。卢克莱修一再重复地说，我们没有什么可忧虑的，世界只不过是“原子”和“虚空”，没有什么更多的东西，我们必须克服我们感觉的幻想，去更深入地探索现实的意义。卢克莱修写道：
我的话仍旧让你们产生怀疑，
因为眼睛不能看见原始的物体，
现在听着，粒子，你必须承认
它在世界上的存在，
但是，却不能被我们看见。
这样描述的物理世界，原子和虚空，还提出了另外的问题。对于这种情况，法国历史学家莱诺伯（Lenoble）曾经叫作“现代人的忧虑”：在原子的偶然世界里，我们怎么能够认识自己？科学必须依据人与自然之间的裂痕来定义吗？“一切物体，太空、恒星、地球和它的王国，都不等同于最低的思想，因为思想自身了解所有这些物体，而这些物体什么也不知道。”帕斯卡的这句名言所表达的这种异化的感觉，我们同样可以在基尔克戛德（Kierkegaard），尼采（Nietzsche）以及众多的杰出的科学家当中找到。例如莫诺在他的《偶然性和必然性》—书中写道：
“……人必须在几千年的迷梦中醒来，觉悟到他完全的孤独，根本上的冷漠。现在他知道，像一个吉卜赛人，他被遗弃到必须生活的世界中——这世界听不懂他的音乐，不理解他的希望、苦恼和罪过。”
而李约瑟则强调，西方的思想通常在世界是自动机和上帝创造世界的神学之间动摇。李约瑟把这叫作“欧洲特有的精神分裂症”。我们是否真的必须做出这种造成悲剧的选择？
在《物理世界的本质》中，作者爱丁顿得出了初级定律和二级定律的区别，“初级定律”支配简单粒子的行为，“二级定律”适用于原子和分子的集合，二级定律中一个突出钓例子是热力学第二定律，它采用了熵的概念。爱丁顿写道：
“按照科学的哲学观点，和熵连在一起的概念，我想，一定会列为十九世纪科学思想的巨大贡献。它标志了对这样一种观点的反动，即科学需要予以注意的任何事物都是用对客体的微观解剖来发现的。”
我感觉到爱丁顿得出丁一个重要的观点。确实，现代科学的某些最重要的成功归因于在分子、原子或基本粒子等微观水平上的发现。例如，在分离出对于生命机制必不可少的特殊分子方面，分子生物学取得了巨大的成功。事实上，这一成功是有如此压倒的优势，因此许多科学家研究的注意力转到了“对客体的微观分析”上。
十九世纪完成了对热力学第二定律的阐述，自那以后，研究复杂系统的倾向继续不断。用一种有点过分简单的方式，我们可以说，我们的兴趣从物质转到了关系、联系和时间。
Ⅱ
众所周知，经典力学和量子力学的基本定律对时间是不变量。换句话说，当我们用负的时间-t代替时间t时，即当我们交换未来与过去时，定律的形式不发生变化。然而，在基本粒子和宇宙的级别上，进化问题在今天起着本质的作用。在化学和生物学领域内，不可逆过程的作用变得越来越明显。在经典物理学中，一个无摩擦的摆或者行星的运动，我们至少可以想象成可逆过程。它们可能是理想化，但是一种富有意义的理想化。相反，化学非常明确地意味着研究不可逆过程。化学家们研究的基本的量是化学反应速率，它代表一个不可逆过程，恰如热传导或热扩散，这对于生物同样，甚至更加适用。
不可逆过程是科学界的大多数人感兴趣的中心，三十年来，情况有了非常剧烈的变化。当我在1947年布鲁塞尔一个国际会议上第一次提出非平衡热力学的某些结果时，一个著名的科学家，他在热力学方面的工作是出名的，站起来对人们浪费时间去研究这种“转瞬即变”的东西表示了他的惊讶。相反，今天，非线性、不稳定性和涨落的观点渗透到了科学甚至社会思想的广泛领域之中。仅仅几年以前，人们接受了外部气候历史的观念，现在许多人承认了被涨落和多重解决定的内部历史。
不可逆过程的研究沿着三个主要的调查线索进行：（1）现象学的热力学水平，这里宏观方程已经写出来了，它们的特性正在研究，特别是在我们离开平衡态的情况下；（2）涨落的水平，在这里我们研究无论来源于内部或外部的小的扰动的增长；（3）“基础”的水平，在这里我们试图识别不可逆过程的微观机制，近来这有可能是最需要的方面，因为不可逆过程在一定意义上说是作为经典力学和量子力学的基本概念有效性的极限而出现的。
这些不同水平产生了没有人曾想到过的诧异，事情远远没有结束，相反，许多裂口依然存在，在今后的年代里，很可能出现新的意料不到的发展。
Ⅲ
让我们首先讨论热力学水平。引人注目的新的特点是，在远离平衡状态时，物质可能产生新的力学状态。我把这些状态叫作“耗散结构”，因为它们既出现了组织又产生了相干性，并暗含着只有耗散能量才能保持其结构。令人惊异的是，同样的过程在接近平衡时导致结构的破坏，而在远离平衡时却可能导致结构的出现。
耗散结构给出了非平衡相变，有点类似于人们熟知的平衡相变，例如平衡热力学中研究了很久的液-汽、液-固转变。在这新的状态下，我感兴趣的是两个完全意想不到的特性。用稍微广泛一点的术语，我把它们叫作“传递信息”和“感觉”。通常的一个分子仅仅通过短程的分子间的力与邻近的第一个分子“传递信息”，标准的数量级是几个埃（1埃=10-8厘米）。在分支之后，可以出现扩大到超出厘米和宏观时间的长程通信。最突出的例子是化学钟，如可以实现的著名的贝洛索夫-扎包金斯基反应。在奥斯汀得克萨斯大学，一个活跃的科学家研究小组哈利· 斯威奈（Harry Swinney）博士、威廉·麦克考密克（William McCormick）博士、杰克 · 特纳（Jack Turner）博士和他们的毕业班学生——对这些化学和流体动力学分支，既作理论的又作实验的研究工作。接近这些问题的，是涉及激光物理学的重要的光学问题。这些方面在奥斯汀也被统计力学研究中心的威廉·谢夫（William Schieve）博士和他的同事们所研究。这些通信的可能性给出物质的新特性。化学系统可以完全显示出来。我们知道，在许多生物系统中，同样的通信模式表现在信号的重要活动中。例如开始聚集的霉菌微粒。
但还有第二种特性，它与第一种同样令人意想不到。考虑地球重力场的效应；当我们走到山顶上时觉察到它。超过几个毫米数量级的非常小的距离，重力的效应实际非常小，它被热的涨落所冲掉。然而，在不可逆的情况下，这样弱的重力能够得出新的令人惊奇的效应。例如贝纳德不稳定：我们取一层水平的液体，从下面加热，当温度差足够大时，我们看到自发地形成花样。虽然贝纳德层的厚度可以仅仅几个毫米，但是非平衡状态“放大”了重力场。现在我们研究这种放大效应，可能有惊人的结果。化学系统接近分支点可以“感觉”出低到地球重力场的百万分之一（10-6）的重力场。这种新可能性的富有，充分地表现出来，而这在平衡态下是不可能实现的——因为和非平衡态物质相比，平衡态物质是“瞎”的。
通过这种放大的效应，我们目睹了十分不同的情况。一个解变成为主要的：只要我们重复实验，我们总是得出同样的解。一个非常小的“扰动”导致我们从偶然事件到必然事件。我们认为这种“帮助”分叉的作用，在包括宇宙学和生物学在内的许多领域中可能是非常重要的。
最后，化学反应系统已有内在的不可逆性，因为对于化学反应，未来和过去是有区别的。我们可以说时间对称性由于这个方程，从一开始就破缺了。十分有兴趣的是，这导致附加对称破缺的可能性。例如在空间出现优先的方向或优先的手征性（螺旋方向性）。这些迷人的问题现在正在奥斯汀由迪利普· 康戴普迪（Dilip Kondepudi）博士以及在布鲁塞尔进行研究。
Ⅳ
如何将不可逆性与经典力学和量子力学的可逆定律统一起来呢？这是一个困难的问题，由于如此困难，多年来所采取的解释就是简单地说：不可逆性仅仅起因于在遇到复杂系统时我们的测量必然“不精确”。
描述动力学系统的一个适当的方式是通过由吉布斯和爱因斯坦引入的系综理论。在这个理论中，我们考虑的不是一个单个的系统，而是在相空间（由坐标和动量组成）中一个系统的集合，它代表了动力学系统所有可能的状态。现在，基本的量变成了在相空间中的密度ρ（在量子力学中它应是密度算符）。然而，相空间密度反过来满足时间可逆方程，这就导致了一个被广泛接受的观点：为了描述一个不可逆的变化，需要用某些适当的“粗粒”状的分布去取代精确的分布函数ρ。
在对不可逆性的主观主义的解释中，用无知增长论（它由于与信息论模糊地相似而得到进一步加强）的话来说，观察者应对系统变化的时间非对称性负责，因为观察者不能简单一看就确定系统所有粒子的位置和速度，他不能得到接近这一系统的基本的“真相”，如同系统所表现的那样。他也不能像麦克斯韦发明的“妖怪”那样熟练地操纵这个系统。麦克斯韦妖怪能够分开运动得快的和慢的粒子，并且给系统强加一个趋向于温度分布越来越不均匀的反热力学的变化。然而，在这种解释中，热力学本当与我们的无知一样普遍，这里应当仅仅存在不可逆过程，这是基于初始条件或边界条件的不确定，对熵作出这样“简单”解释的绊脚石。因为不可逆性不是一种普遍的性质。为了联系动力学和热力学，必须引入一个区别可逆过程和不可逆过程的物理学判据，复杂性必须用物理学的术语来定义，而不能用“缺乏知识”的措辞来定义。
我们必须走的方向是明确的。只要单个的轨道（或波函数）相当于自然的基本的和完全的描述，就不可能有不可逆性。这是被不可逆过程的研究提出来的真正有吸引力之处，因为，正如我们已说过的那样，它们允许一种新的眼光，洞察到经典力学和量子力学一些最基本的概念的局限性。
经典力学的情况比量子力学简单，在经典力学中我们知道，动力学系统的重要类型是这样的，即两条相邻的轨道，无论在某一初始时刻它们之间的距离怎样小，都可能发散。因此，不可能靠我们改进测量的精度来辨认一条轨道。无论怎样精确，在任一相空间的区域内几乎都是不同性质的轨道的聚集。轨道变成了物理状态的超理想化。首先，这可能像是一个负的结果，但是实际上，在了解了这一点以后，我们可以开始发展一些新的方法，把经典力学建立在分布函数而不再建立在单个轨道上，在这种扩展了的方法的框架中，应付不可逆性问题不再有任何基本的困难。
在量子理论中不可逆性的问题颇有不同。我们在经典力学中已经认识到，在微观的尺度下，没有任何无序的存在。用经典的方式去描述量子力学是不可能的，但是我们或许可能用普朗克常数λ引入一个相邻轨道之间的相关性，给量子力学以可观察的意义；物质现在表现出相干方式的行为，这通常表述为著名的波粒二象性。结果，把不可逆性引入到量子力学的相干的“寂静世界”去，要比引入到经典力学中去更为困难。
因此、不得不需要一个附加的概念。物理系的约翰·阿基伯德· 惠勒（John Archibald Wheeler）在他的漂亮的演讲《关于时间的界限》中，谈到关于“一个与人分享的宇宙”，我相信我们能够用一个更为精确的方式去阐述这一观点。我们相信一个与人分享的宇宙意味着从过去到未来有一个共同的方向，任何属于这个宇宙的事物均嵌入在共同的经验中，因而不可逆性是一个原始的概念。但可以证明，只要我们能定义一个函数（或者，更精确地，一个算符），它随时间增加，我们就还能定义另一个，它朝着过去的方向增加。在一种形式的变化中，相关的性质被破坏了。好像一个小石子落到水池中以后，圆形的波纹发散和消失。在另一方面，相关性将被产生：我们可以在实验室中做实验，在那里，圆形波纹确实聚合为一点。在这种情况下，我们引入了有限距离粒子间的相关性，“时间反转”的现象只是一种暂时的状态。为了说明“与人共享的宇宙”有一个共同的时间之矢的观点，要先验地排除一类初始状态：这状态意味着无限远距离的事件之间有相关性，它将给出永久的时间反转现象。这也意味着我们不能随意地操纵自然，我们必须更加精确地识别什么对于我们是可能的，而我们是嵌入在我们所描述的自然之中的。由不可逆性的发现所暗示的动力学的变化，使我们对尼· 玻尔的著名论断有一个新的认识：在这个世界上，我们既是演员又是观众。
Ⅴ
科学更新在很大程度上是重新发现时间的历史。我们已经把客观现实的概念丢到我们后面，它要求的新颖性和多样性必须在不变的普遍法则的名下被否定。我们不再被合理性所吸引，它把世界和知识描述成它所能达到的某些事物。将来不再是给定的；它不再隐含在现在之中。这表明经典的无所不包的理想的终结。我们生活在一个过程世界之中，它是我们的一部分，不再能当作被我们观察的方式所决定的幻象或幻想拒绝。在西方世界的开端，亚里士多德在神的、不变的天上世界与变动的、无法预测的月下世界（我们的地球属于它）之间引入了一个基本的区分。在某种意义上，经典的科学把亚里士多德对天上的描述带到地上。今天，我们证明了看来可能是相反的变换：我们现在把地带到天上。这是确实性的终结，知识和操作可能是同一的世界的终结。它开创了一个多样性实验的时代，一个不断认识我们人类状况所隐含的既不肯定又十分可能的时代。
编者按：这篇文章说明的观点，在最近由作者和I. Stengers合著的新书《新的同盟》中有更充分的发展。（Gallimard，1979）。英文译本在准备中。
《新的同盟》的中文译本也在准备之中。——译注
[Discovery，1980年9月号]
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*普利高津博士，奥斯汀得克萨斯大学教授。在奥斯汀得克萨斯大学，他指导了普利高津统计力学研究中心。普利高津博士由于他的耗散结构理论获得1977年诺贝尔化学奖，这一理论是经典热力学理论的扩展。通过一个数学模型，他预言存在一种结构，其本质是变化和与环境的相互作用；在同事们用试管里的化学反应产生的耗散结构说明了他的理论以后，他的预言被证实了。普利高津的工作给化学、物理学和生物学的研究奠定了新的基础。