| 3.4 系统的自组织
本文所指的自组织，采用传统定义：即系统内部各层次的单元，存在自我组织性与关联性，并可以经过这种自我组织形成稳定的宏观有序结构。
这个定义比较广义，系统可以是任意的物质组合态集，系统内部结构可以是多层次的复杂结构，相应的系统内部组织单元也是分层次的。为了更具体和简单化，下文具体论述的系统，主要以由微观粒子组成的热力学系统为对象，随后个别小节扩展到生物体和地球生态生物圈系统。（事实上，自组织最普遍的存在于生物体中，以及人类的社会实践活动中。从这个意义上讲，自组织的理论逻辑，完全超越了热力学的范畴，也不纯属物理学问题。）
20世纪60年代，比利时的普利高津（I. Prigogine）提出了所谓“耗散结构”理论，对不可逆热力学过程中的自组织现象，作了理论阐述与解释，也开辟了一个新的学术领域。所谓耗散结构，被定义为，在远离平衡态的非平衡态下，热力学系统可能出现的一种稳定的有序结构。形成有序结构的过程，即为自组织过程。普利高津认为，系统产生自组织现象的要素条件是，开放系统、远离平衡态、系统单元存在非线性相互作用，而产生自组织行为，即系统从无序到有序，是随机涨落的结果。
自组织是动态过程，肯定不是平衡态。用“开放系统”来解释自组织过程熵没增加这一热力学悖论，似是而非。广义上的自组织，“单元之间的存在非线性相互作用”就更无意义。春天一到，绿色遍野，这种自组织现象，“无序到有序”，显然不能用涨落来解释。
本文无意对普利高津的相关理论作过多的评述。本章节将利用时空结构几何与时空统计等更为本质的理论逻辑，对自组织的能态关系与时空结构特征、自组织机理、生物细胞的自组织行为等，进行分析与论证，以求对自然界普遍存在的自组织现象，有更为清晰、本质的理论认识。
3.4.1 自组织系统能态关系与时空结构特征
3.4.1.1 有序和无序
有关有序、无序问题，前文已经讲到很多，这里就二者的关系，简单作些总结，以便下文利用。
无序是一种随机统计状态，有序是一种确定状态。无序的宏观效果也可以是确定的，无序中有有序；有序的确定性也是相对的，有序表象中，几乎永远存在无序的一面。
有序是一种结构、排列组合。结构内部存在精细结构，精细结构内部可能存在更精细的深层结构，结构的环境、结构本身的排列组合或深层精细结构内部都存在无序。有序与无序相互包容，相互存在。
任何系统的一种确定的结构，不仅仅是系统的一个状态，其包含了系统在此状态下的所用物理属性与信息内容。自组织为动态过程，不是均衡态，自组织结构，不同于简单热力学系统的平衡态或等能简并态；也就是说，一个复杂的自组织结构，不能等同于热力学系统的一个简并态，它可以包括无穷多个信息内容，用热力学熵来简单描述系统自组织结构态不合适，将一个复杂的自组织结构态的熵界定为零，是错误的解释方法。如果一定要在复杂的自然界推广熵的概念，自组织结构中的信息量及有序结构中所包含的无序内容（组合），都应该算为对熵的贡献。这样，自组织过程熵不增反降这一悖论即不存在。
3.4.1.2 自组织系统能态关系特征
前文已经讲过，自组织的有序结构势能，为高位势能。系统自组织过程肯定由外界做功或从外界吸热引起，为吸能有序。自组织形成有序结构的过程，一般为不可逆的净吸能的动态过程，系统本身可以被认为是开放系统。开放系统在净吸能量和物质的条件下，持续增加有序组织结构和高位有序势能是最可能的状态。
在体积与密度、压力等状态参量基本稳定的情况下，系统通过持续净吸外界能量，保持内能不断增加。系统内能包括热内能和有序结构能。如果系统吸收外界能变为热内能，则使温度升高；如果系统吸收外界能变为有序结构能（高位有序结构势能），则产生自组织，形成局部或整体空间有序结构，以“储存”吸收的能量物质。当然两种情形可以同时出现。
高位结构势能会自然释放，自组织高位势能结构存在势能梯度。因此维持高位势能结构稳定或维持自组织结构（势能）不断壮大，都需要外界功力，否则，自组织结构会自然消亡。这正是一般自组织过程存在胚胎、成长、稳定、衰败等“生命周期”特点的原因。
自组织结构一定不是单一的或简单的均衡态，内能密度是时间与空间位移的函数，对应的时空结构形态集簇复杂，同时因为自组织过程不可逆，能量密度分布函数变化不可逆；从连续函数与微分角度分析，内能密度确定的系统空间结构形态集，是每个空间点周围无限小体积内内能所对应子空间结构形态集的组合（积关系），显然是总能相同的单一均衡态的简并态数不可比拟的；因此，根据玻尔兹曼熵定义，高位势能有序结构的自组织过程是“熵”增加过程（这个结论，作为定理 9），这是开放系统的自组织过程，不能简单用封闭系统有序化过程熵减少原理来分析解释。均衡态是内能密度单一稳定态，一般是低位结构势能态。晶格生长、结晶不能被称为自组织过程，这正是文本将降温相变与自组织区分开并分别论述的原因。
作为普遍结论，定理9更宽泛的表述为：
定理 9 自组织过程系统熵不一定减少。
前文作为重要结论指出，空间结构形态的复杂程度（可用简并态数表征）与能量密度存在正相关关系，这对自组织系统同样成立。成长周期越长的自组织系统，吸能越多；有序结构层次越多、结构更精细更复杂的自组织的定域能量密度越高，包含的信息熵越大。
3.4.1.3 自组织系统的时空结构特征
时空结构几何的基本逻辑基础之一，即是空间与结构是一体的，这也是时空或拓扑变换的逻辑基础。真空也是一种结构，可称为零结构。完全混沌的状态，也只是一种时空结构。系统内部微观粒子单元均匀分布的均衡态（如常态下的液体、固体等），也是相对比较简单的时空空间结构。理论上讲，由少数几种稳定的、普遍的基础粒子，如质子、电子、中子，及由质子、电子、中子组成的原子分子，在满足基本作用关系定律的条件下，在空间中可以构造组合无限多的、结构形态各异的物质空间结构。物体形态、性质、特点等属性，与物体内部空间结构态集相对应。由原子、分子等微观粒子单元组成的现实世界的任何宏观物体，都有其自身独特的空间（时空）结构。自然环境下客观现实呈现多样性，正说明这一点。 24/30 首页 上一页 22 23 24 25 26 27 下一页 尾页 |
