《从存在到演化》

 

 “逝者如斯夫，不舍昼夜。”

    时间的自然流逝是我们的基本感受，生物、社会等系统的许多自然进程是不可逆的，而绚丽的生命也是诞生于这种不可逆过程之中。但经典力学和量子力学的过程方程对于时间反演t→-t不变的，而热力学第二定律则仅仅给出了从有序到无序的演化进程。物理学关于存在的描述是怎样的？自组织理论是如何探讨系统从无序到有序的演化的？如何架起一座从存在过渡到演化的桥梁？普里戈金教授在他的经典著作《从存在到演化》中，向大家深入浅出地介绍了这些基本的科学问题和研究进展。

 

 

 

张鹿：今天请狄老师来讲普里戈金的这本《从存在到演化》。其实我很感兴趣的一点就是普里戈金的这个圣塔,普里戈金的布鲁塞尔学派跟圣塔菲研究所之间的关系是怎么样的。

 

狄增如：普里戈金的这个自由学派跟圣塔菲研究所,实际上都处在复杂性研究的第三波浪潮里面。这是西蒙教授划分的。西蒙教授把复杂性研究从一战的思想上的这种认识,从还原论到整体论到二战的技术方面的发展,从信息论、控制论、运筹学这样一些技术的发展,一直到现在从基本的科学层面推进复杂性研究,分成这么三个方面。

 

实际上普里戈金的布鲁塞尔学派,包括哈肯的协同学,他们所创建的这种欧洲学派跟圣塔菲的研究所,实际上是平行的。侧重点不一样。他们更强调从基本的科学层面的自组织结构的涌现。而圣塔菲研究所,他们由John Holland教授提出来的,其实最重要的一个概念就是复杂适应性系统，它怎么能够适应和重构自己的规则进行演化。所以一波东西,但是强调的侧重点不一样。

 

张鹿：嗯，我大致翻过这本书的一些内容。我觉得它这个里面的内容,基础的方面,比如说从存在到演化,其实存在这个概念,好像在其他的学科里反复地提,比如说就像“存在主义”,或者“从存在与时间”、“存在与虚无”等。那狄老师,在普里戈金这本书里,这个“存在”指的是什么呢？

 

狄增如：普里戈金他是研究物理化学的。所以他实际上关心的是最基本的科学概念。往往呢,我们有很多特别重要的科学认识也是跟最基本的这些概念联系在一起的。比如说时间。所以普里戈金的“存在”,关心的核心问题就是时间的问题。

 

我经常跟学生说,就是碰到这样的问题的时候,其实什么事儿你都可以问个为什么。比如说当我们关心时间问题的时候,我们最关心的问题就是我们的生命是一去不复返的。我们有一个从小到老的过程。可是这是为什么？这里面其实有非常深刻的科学道理。这是普里戈金的切入点。在讨论这个问题的时候,在我们已经知道的基本物理的、普通物理的这个层面的牛顿力学,一直到现在决定微观粒子运动的薛定谔方程、量子力学,时间其实都是非常次要的一个因素。就是方程里面的一个参数。

 

并且这样的规律呢,是时间反演不变的。就是它具有时间反演的对称性。这样的规律给出来的实际的图景就是没有时间箭头,跟我们整个的这个实际的生活体验完全不一致,这就是普里戈金试图解决的问题。那么这种时间反演不变的规律,在普里戈金的语言里边,就叫做存在。因为它没有时间演化的一个途径。这是普里戈金的所谓的存在的概念。

 

张鹿：那这个我基本明白了,那么演化这一块,普里戈金是怎么说的呢？

 

狄增如：就像我刚才提到的,就是实际上我们的生活体验。我们整个的时间是有方向的,我们会一直从小变到老,而不会反过来。反过来一定是违背我们的物理规律的。但是这件事情在基本的物理规律的层面上是理解不了的。而当这些大量的粒子组成系统的时候,你就会发现就有演化了。所以在普里戈金里边,实际上他谈到了演化。这个演化一定是在系统的层面。并且我们在物理学里边已经给出来了一个系统演化的规律,这就是大家都熟悉的熵的概念和热力学第二定律。

 

我们说一个孤立的系统一定会走向熵极大。这实际上就给出来了一个系统演化的方向。所以当我们从单个的例子走向系统的时候,你就发现这时间箭头就进来了。但是呢,为什么我们现在再一次讨论这个问题？就是热力学第二定律给我们的演化方向,解释不了大家通常看到的这些图景。我们不仅有系统走向混乱和无序的这种演化的箭头,我们更多的是有生命的产生，各种各样有机结构的产生。而这样一个图景,实际上在原有的物理规律里边,大家是理解不了的。

 

我们怎么去理解它,并且建立存在和演化的关系,就是普里戈金他关心的最核心的科学问题。

 

张鹿：那这个里面就是时间是如何进入这个演化过程的，从一个外在的参数成为它内在的一个因素的呢？

 

狄增如：就是在我们处理这个实验的对象的时候,时间不管是微观还是宏观都是逃不掉的一个因素。但是在微观的牛顿定律和薛定谔的这个方程里边,这样一个基本例子的运动状态的变化。它的时间就是一个参数,并且所有的规律呢,都是时间反演不变的。而到了和宏观状态演化的方程里边,比如说热扩散、粒子扩散这样的过程里边,我们的时间T,就是实质性地进入到了演化过程。

 

当我们把T变成-T的时候,这个规律就不再成立了。这是演化现象的一个最核心的本质特征。就是时间反演不对称了,这是非常独特的一点。就是宏观体系里边表现非常独特的一点。并且我们生命的产生这样有趣的故事,全都在这种从无序到有序的过程当中。有序到无序熵极大已经解释了。但是无序到有序实际上是普里戈金和哈肯他们的自组织理论的最重要的科学成果。

 

张鹿：我听说过自组织的这种方面,但是不是特别清楚。自组织是在一个什么过程中产生,它的机制又是怎么样的？

 

狄增如：当我们试图了解系统通过自组织产生有序结构的时候,大家也是花了很多的工夫。因为传统的统计物理只把研究的对象,我们系统的这个状态,包括这个过程局限在平衡态和准静态过程。因为你一涉及非平衡过程的时候,从数学物理的处理上就非常的困难。但是当我们想处理自组织和有序结构形成的时候,你发现准静态过程,包括我们关心平衡态附近的事,已经不行了。所以就必须首先把我们关注系统演化的点,从平衡推到非平衡。这是普里戈金所做的最大的一些贡献。

 

他证明当你推到非平衡的时候,近平衡都不行,就是离平衡很近,离得不远。当我们系统的相互作用能够线性化的时候,有序结构同样不能产生。只有当系统远离平衡的时候才有可能,这是普里戈金的耗散结构理论的一个非常重要的贡献。所以首先我们要把关注的点从平衡走向非平衡,在非平衡状态之下，自组织理论的研究结果是这个时候系统内部的这些要素之间的非线性相互作用就开始起作用。

 

在这样一个开放系统的环境的驱动之下,在非线性相互作用这样一个内因之下,再通过涨落,就能够使系统原来的平衡的结构失稳,而达到一个有序的结构。这就是我们目前自组织理论对我们基本的一个图象。而这个图象呢,实际上跟我们大家的生活体验是一致的。我们的生命很多的这种有序的结构,其实都维持在非平衡态。

 

张鹿：都是在非平衡态,远离平衡的时候产生的？

 

狄增如：对,这种耗散结构。

 

张鹿：那这种现象应该就是说我们周围的自然界、人、所有我们看到的东西,它是很普遍的。

 

狄增如：对,这恰恰就是普里戈金他们这个自组织理论它的意义和价值所在。实际上他揭示了这样一个大家观察到的普遍现象的比较普世性的一致的规律。

 

张鹿：就是我觉得在原来我的观念中,其实会接受爱因斯坦所说的真理是简单的,简单性很美。那么这样从普里戈金的这种工作呢,是不是在揭示一个普遍性的问题？就是说复杂性是普遍的,复杂性也很美,也是真理。而这个简单性,其实是需要说清楚它为什么简单,可以这样理解吗？

 

狄增如：我特别赞同你说的这一点。因为我们在给学生上课的时候,我也经常给他们强调这个,就是我们整个的这些科学认识,实际上发展到现在,我们已经有了一些基本的信念。这个信念就是基本的科学规律都是简单的,都是美的。并且我们同样也相信,在各种各样的复杂现象背后其实存在着普适的,简单的规律。这点是应该有信心的。

 

自组织理论,其实就是其中的成果之一。大家千万不要认为,你看现在我们的各种各样的复杂系统千差万别,怎么可能有一致的规律呢？我给学生举的例子其实就是,当我们在牛顿定律产生之前,运动的复杂性一点不比我们现在观察到的我们的社会经济和人相关的这些活动的复杂性弱。大家想一想就行。月亮、星星在运动。我们的地球上,地上有跑的,水里有游的,天上有飞的,马路上的车有各种各样的型号——拖拉机、摩托、三轮。你很难想象,这些不同的运动模式背后会有一致的规律,有一个牛顿第二定律在。

 

但是当我们发现它以后,实际上你就豁然开朗。我相信我们的复杂性和复杂现象背后,也存在着类似这样的简单规律。最近的复杂性研究的进展,实际上也说明了这一点。比如说混沌现象就揭示了我们观察到的很多的复杂的现象。其实都可以通过非常简单的这种方程就能产生出来一个简单的方程,可以产生复杂现象。从另外一个角度就可以说明,其实我们看到的各种各样复杂现象背后,都可能是一个非常简单的机制产生出来的。

 

张鹿：还有一点就是存在跟演化之间的联系是怎么样的？在普里戈金这个书里,他是怎么来描述这件事的？我会觉得,这似乎像是两个世界。然后这个里面是不是会有一个桥梁,会有一个连接,把它们从我们看到的一些简单的,或者时间作为一个外在参数,和时间作为一个内部因素的这种系统能够连接起来？

 

狄增如：普里戈金这本《从存在到演化》,其实主要就分成三部分。分别讨论了存在、演化、以及存在和演化之间的联系。我们如何从存在走到演化,这是物理学研究或者说科学研究的一个非常重要的命题。那么目前就是从存在到演化的这个途径呢,主要有统计物理的途径。就相当于是我们的基本粒子的规律,确实是时间反演对称的。但是当大量的粒子组成一个系统的时候,由于这样一个系统它本身的内在的不确定性,它的不稳定性,就导致了系统演化的时间箭头。它的整个的过程就是时间反演不变的。

 

时间反演变化的,包括量子力学里边的不确定性,这种随机因素也是导致时间反演变化的一个重要的因素。所以从统计的角度去认识它是建立存在到演化关联的一个桥梁。当然普里戈金在获得诺贝尔化学奖以后,他带领他的团队从更基本的层次来关注这个问题,他们就是从微观粒子运动规律的量子力学的层次,拓展了原来的量子力学的希尔伯特空间的这种描述的基础。引入了非幺正算符。希望能够把时间的概念内生化。最基本的作用规律里边也做了很多的工作,获得了一些成果。

 

当然从整个工作的影响,他们这一部分工作呢,还没有得到大部分科学家的认可和赞赏。所以我认为从存在到演化的这个桥梁问题,现在仍然是值得我们科学家去深入地讨论和理解的问题。也应该是科学认识的一个非常重要的领域。

 

张鹿：那狄老师,您看我这样来理解这本书是否可以。就是说我从另外一个侧面,那能不能够说普里戈金其实是通过存在系统跟演化系统,还有最后他的团队继续深挖。其实在思考时间的这个问题,这个很大的问题。那么这个问题,那我相信在之后大家会继续思考,会继续有前沿的新的发现,跟新的继续。

 

狄增如：没错,就像现在复杂性研究变成整个国际上学术的一个非常热点的领域是一样的。因为这其中有很多的科学问题。特别是这种从存在到演化的桥梁这样一些最基本的科学问题。并没有得到非常彻底的理解。我同意你刚才说的。这应该是今后科学研究的一个非常重要的方向。

 

张鹿：好,谢谢狄老师！这本书的确挺精彩的。其实在时间问题上的思考,有时候我会感觉到在别的学科里,大家也有这种相应的思考,只是他的角度不一样。不像普里戈金从科学的角度看得这么清晰,然后最后会把复杂性系统推演得非常好。其实我能够记得到的,比如说就像米塞斯在书里也会思考时间,然后还有一些哲学家的书里会思考这个问题。

 

狄增如：从科学认识的角度来讲,反正我自己是有点,可以说是大科学主义。就是特别赞赏我们许多的问题,实际上都是能够也应该从科学的角度去理解的。包括像时间这样的非常基本的,大家司空见惯的一些概念,其实背后它都是有它的科学基础的。这样的一个科学认知的方向,我相信是会变成大家,真正的我们整个人类文明的一部分。

 

张鹿：那狄老师您看这本书,那我们为什么介绍,为什么要读这本书呢？其实这本书从一个新书的角度上来讲,它可能不是最新的。但是我会认为呢,其实科学书往往是这样,就是说它其实有可能是二三十年出的科学书,它现在会再版,或者这本书对大众来讲，对思想上来讲仍然是新的。它可能没有深入到思想观念没有普及进去。往往就会觉得其实现在很热闹的一些东西呢,其实是很多年前一个科学家真正的已经把这个问题都做得很清楚了。我就想知道,狄老师推荐这本书的给大家的想法是怎么样的？

 

狄增如：大家知道我们之所以推广复杂性研究的这样一些读物,或者说研究成果,是跟目前的科学研究的进展联系在一起的。进入到21世纪以来,连非常著名的理论物理学家霍金都讲21世纪是复杂性的世界。这是因为我们整个的社会经济的发展,包括科学研究的认识,已经走到了这个阶段。我们20世纪,通过还原论所得到这些科学知识,极大地丰富和发展了我们的科学认识和改善了我们的生活。但回过头来我们发现很多非常重要的科学问题包括生命的产生的问题,我们并没有真正的科学理解。

 

而我们现在需要做的就是一种系统的、整体的和综合集成的角度来认识这些问题。这恰恰是复杂性研究关注的。而这样一个科学研究的进展、自组织理论是其中的科学基础,也是我们复杂性研究的最重要的科学进展的成果之一。这是为什么我特别推荐这本书的一个非常重要的原因。因为它从上个世纪六七十年代发展,并且得到公认,实际上它是成就了,们现在整个复杂性研究的一个基础。我们了解了自组织理论，对于我们理解我们现在复杂性研究所面临的科学问题是非常重要的。

 

所以这本书,可以说是非常基础和经典的科学著作。从普里戈金来讲呢,他们有很多非常专业的这种学术研究。但是这本书呢,把所有的相关的学术研究做了一个梳理,并且从这种科学认识的角度深入浅出地介绍了这部分的科学进展。所以非常值得大家去看一看。

 

张鹿：那这本书我们就沟通到这儿。我就顺便说一个闲话。我昨天去拜访普里戈金的学生陈平,经济学的博士生。我去找他的时候呢,陈平老师就说,我去找普里戈金的时候,普里戈金说来我这儿读博士,然后你得说清楚两个问题。就是第一你自己有什么问题吗？能提出什么问题吗？第二你对你提出的问题有没有什么解决方法。然后两个都没有的话就不用来了。

 

他说你也是一样的。你照样。先要提一个问题。然后你要有个解决的方法。假如说你没有,也不用来了。我对他说这个事儿印象特别深刻。他给我讲普里戈金是这么看待的。后来我就发现这个东西挺好。他其实是沿着一个问题去做科学探索的。后来我才慢慢体会到普里戈金的这点其实挺棒的。

 

狄增如：这都是他之所以能够成为大家的一个非常重要的原因。就是站得高嘛！有一个高的层次和视角,并且所有的具体的研究都是围绕着一个非常核心的科学问题来展开的。说白了就是不像现在我们这种比较功利化的科研的氛围。大家都是为了发文章是完全不一样的。所以只有关注最核心的科学问题才真正的能够在科学上获得进展。这个是毫无疑问的。当然你可能花的时间要比较多,投入的精力要比较多。但是你如果没有这个追求的话,你很难创造出有影响的这种学术成就。

 

正好趁着你说的陈平老师的话呢,顺便说一点普里戈金跟中国的情结。其实普里戈金教授呢,首先他非常强调中国的传统文化对他创建自组织理论的影响。因为我们大家都知道中国的传统文化更强调整体和系统,这是东方文化的一个非常重要的特点。所以他每次到中国国内来做讲座的时候,都要强调这一点。包括在他很多的学术著作的序言里边都强调这一点。

 

另外一个就是普里戈金教授对中国非常友好。他带了很多的中国学生。刚才你提到了,现在在北京大学工作的陈平老师,我们北京师范大学就有4个——方福康老师、漆安慎老师、胡岗老师和赵峥老师,都是从普里戈金那里获得的博士学位。我们知道的还有后来到了耶鲁大学做计算神经科学的汪小京老师也是普里戈金的学生。并且在各个领域里边都非常有成就。

 

我们北师大的这4位老师回来以后呢,工作方向都非常代表复杂性研究的方向。胡岗老师就把工作的重点集中在基本的科学理论层面。非平衡动力学、非平衡统计。而方福康老师呢,就把整个的这种复杂性研究的脉络推广到了社会经济。漆安慎老师呢,运用这些理论去处理生命的问题,包括肿瘤的增长,人体的免疫系统、所以实际上整个目前的复杂性研究的主要领域都含在这几位老师的研究对象里边。这也是为什么北京师范大学的系统科学学院能够在复杂性研究里边有一个相对比较好的表现的原因之一。

 

因为我们说白了,我们就是从普里戈金的这个自组织理论获得了很多的营养和基础,而造就了目前我们整个复杂性研究的这么一个状态。从这个意义上来讲呢,普里戈金包括哈肯的整个自组织理论,对于中国在非平衡统计和复杂性研究的方面,贡献还是非常大的。

 

张鹿：狄老师这么一说,我还真的才清楚这样的一个脉络,关于传承的这种关系。赵峥老师好像就是在做广义相对论。

 

狄增如：对,对。

 

张鹿：他那个广义相对论跟普里戈金这个传承是怎么传承的呢？

 

狄增如：实际上他关注的问题是广义相对论领域里边的统计问题。既是我们处理宇宙,处理一些最基本的时空的问题。其中有一些统计的现象和问题在里边。所以赵峥教授是在这个方面做出了很多成就。包括黑洞的辐射这样的问题。它一定是一个系统的和统计的问题。从统计物理的角度去认识整个天体的这种演化的性质,也是非常重要的一个研究方向。而这些学生里边呢,其实非常代表了目前复杂性研究的方向。包括陈平老师,现在是更多地关注经济系统。而汪小京老师呢,大概研究的重点就是大脑科学,计算神经科学这个领域。