自组织理论时空观初探，本文主要内容关键词为：时空观论文,理论论文,组织论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
内容提要 以耗散结构理论、协同学为代表的自组织理论揭示了系统时空形态形成和演化的内在机制，形成了独特的相互作用机制时空观。本文试图对此作简明概括，阐述其与以往自然科学时空观的关系和普遍意义。分析哲学物质运动时空观的物质存在型、相互作用机制时空观的形态演化型特点。
一 时空形态形成、演化的相互作用机制
耗散结构理论、协同学处理的是由为数众多相同或不相同的子系统组成的开放系统。由于系统环境间通过物质、能量交换实现相互作用的非线性特点，驱使系统内部子系统之间形成具体的、多样化相互作用机制，由此形成系统复杂的、多种类型时间、空间运动形态。随着系统与环境相互作用在临界点处发生变化，系统内部子系统之间相互作用机制也要发生变化。系统时间、空间运动形态也随之改变。
在激光系统中，激光器谐振腔内原子偶极距由于输入能量流（泵浦压强）的非线性机制，可分别采取无规、同相等振动方式，激光器分别表现为散色、单色集束等空间发射形态。随着泵浦压强在临界点处的变化，激光器谐振腔原子偶极距可由无规振动转为同相振动；激光器由散色转化为单色集束空间发射形态。当泵浦压强达到极大值时，原子偶极距转为浑沌型振动，激光器呈脉冲型振荡。
在贝洛索夫——扎博廷斯基化学反应中，将化学品硫酸铈Ce[,2]（SO[,4])[,3]、丙二酸CH[,2](COOH)[,2]、溴酸钾KBrO[,3]溶于硫酸容器内。在不同的实验条件下（充分搅拌或不加搅拌）由于控制参数的非线性特点，使得分子、离子之间相互作用呈现多种多样的机制，化学物质呈现出不同的比例分布状态，表现出多种时间、空间结构。控制参数过低，分子之间互不相关，体系呈空间均匀性定态分布；离子成分和浓度不随时间变化，因此不是时间变化率的函数。如果提高控制参数，使其达到某个临界点，分子之间出现长程相关、相干型振荡，出现离子成份和浓度的比例间均匀性分布状态随时间的变化所产生的颜色由蓝到红、由红到蓝的周期性改变运动或者离子成份和浓度空间非均匀性分布——靶形、涡旋形、多支涡旋形花样。普利高津因此针对化学钟指出“在均匀性定态的体制中体系无视时间的存在。可是一旦到了周期性的体制，突然在周期性运动的相位中发现了时间，而且事实上不同物质浓度的极大值按规定的次序一个跟着一个，我们把这称作时间的对称性破缺”。[1]耗散结构理论在研究远离平衡态非平衡体系自组织系统的形成机制时发现“非平衡约束（指外部物质、能量流——作者注）与非线性的结合允许存在多重解”，[2]其中每一个解都代表了一个具体不同的子系统之间相互作用机制和由此决定的时间、空间运动形态。因而“同一个系统可以呈现不同的状态”[3]在平衡区，子系统之间互不相关，相互作用可利用么正变换或正则变换而消去，体系的状态呈空间均匀且不随时间变化。在线性近平衡区，偏离平衡状态的局部扰动（即涨落）服从回归原理，最终将被平息，恢复平衡性定态。在远离平衡态的非平衡非线性区，回归原理失效，涨落将被迅速放大，体系内部大量子系统之间通过元胞归并、关联长度发散、互补因素的结合、成核等途径产生非线性相互作用，形成共振联系，空间均匀性被破坏，并以非均匀性空间取而代之。或者不同的均匀性空间构型随时间的变化发生周期性改变运动，并不因外界的微小扰动而消失。这同时也是系统自组织过程的主要表征。协同学理论应用相变理论、突变论等现代科学成果，特别是引入相变理论的序参量概念并加以改造，使之适合开放系统微观层次自组织现象在临界点附近序参量与子系统之间相互作用机制的情况，发现序参量之间的竞争和合作关系对系统宏观时间——空间结构的形成起着决定性的作用。进而实现了时空形态形成机制描述从微观向宏观的过渡，进一步阐明了自组织系统时间、空间形态形成的内在机制，从而大大丰富和发展了自组织理论对时间、空间的认识。
二 相互作用机制时空观内在结构
将时间、空间形态与相互作用机制有机地联系起来，是自组织理论对时间、空间形态发生一般机理认识的独特之处。自组织系统的相互作用，按作用范围和相互关系划分，可分为两类：第一类是系统与环境之间的相互作用，主要体现为系统与环境之间物质、能量交换状态；第二类相互作用是系统内部大量相同的或不相同的子系统之间的关联状态。所谓时间、空间结构是针对系统运动状态而言的，不宜与上述二种类型的相互作用混同。因此，为了研究系统时间、空间结构形成的一般机理，有必要将系统与环境之间的相互作用、系统内部子系统之间的相互作用、时间空间结构三者加以区别和比较：
（一）系统内部子系统之间相互作用与系统时空结构分别属于不同的层次。组成系统的子系统与系统本身相比，在数量上相差悬殊，在性质上不相同。例如，激光器谐振腔内原子偶极距的振动方式是亿万个原子之间集体的相关状态形成的，激光器空间结构则取某种特有的发射形式。组成化学振荡的化学物在一立方厘米的体积中拥有几十亿个分子，分子之间的相互作用与时间振荡在质上是无法比较的。前者属于微观层次相互作用，后者属于宏观层次时空结构。
（二）子系统之间相互作用与时空结构反映的对象也有着明确的区别。从整个系统的角度考察，前者反映的是组成系统的子系统——部份之间的相互关系，后者反映的是系统的整体行为。这一点很容易理解，例如，激光器内原子偶极距属于前者，激光器空间结构属于后者。贝洛索夫——扎博廷斯基反应中分子之间的“通信”机制属于前者，时空花样属于后者。
（三）子系统之间的相互作用与时空结构二者之间有确定的因果联系。从时空结构形成机理的角度出发考察，总是子系统之间的相互作用形成系统整体时间空间结构。前者为原因，后者为结果。激光器谐振腔内原子偶极距振动方式与空间结构、分子间相互作用范围和离子浓度与时空花样之间的关系均是如此。
（四）能够体现系统行为的是系统之间的相互作用。系统的行为是相对于子系统之间的相互作用而言的。单色激光系统行为是相对于原子偶极距同相振动方式而言的，时空花样行为是对于分子间长程相关状态而言的。因此，只有子系统之间相互作用机制体现系统行为的本质特征。我们说系统是自己组织起来的，也是针对子系统之间的某种相互作用而言的。
（五）一旦子系统之间的相互作用机制形成之后。系统的边界条件业已确定，其结果是必然要以各自独特的方式形成特有的空间形态，并以各自独特的时间持续性维持本身的存在。这就是自组织理论时间——空间结构的含义，也是系统自复制、自同构、自反馈、自保持这些系统的功能的表现形式。正如普利高津所述“在宏观空间及时间尺度内物质构型的出现，意味着体系在不同的部分之间出现并保持了再现、复制的关系”。[4]因此有人将系统的时间、空间看作是系统的功能，从形态存在的角度来看，不无道理。所以，系统的运动，正是系统功能通过子系统之间的相互作用形成的时间、空间运动形式。
通过以上分析，可以看出：子系统之间相互作用机制是系统微观层次组成部分之间的相互关系，它代表了系统行为的本质。时间、空间结构是系统宏观整体功能的反映形式。可以初步地将此作为二者的简略定义。
（六）由于系统与环境之间的相互作用通过物质、能量的交换的非线性机制控制着系统内部子系统之间的相互作用，[5]由此形成系统时间、空间结构；并且，时间、空间结构一旦形成，则对子系统之间相互作用起着稳定、微涨落的平息等作用，并产生对外界物质条件的选择，三者之间相互作用构成自组织论相互作用机制时空观基本结构：
设：系统环境相互作用为A
子系统之间相互作用为B
时空结构为S
用图式表示：
上层箭头表示因果发生作用。
下层箭头表示反馈、反作用。
三 相互作用机制时空观的普遍意义
从相互作用机制时空观的角度来看，以往自然科学时空理论均可视为相互作用机制时空观的具体情形。在牛顿力学，宏观低速惯性运动对于外界引力场的大小的影响可以忽略不计，时空为平直型形态。爱因斯坦在考察物体以接近光速运动时的时空形态的发现；物质质量的分布决定物体的运动方程；空间和时间的形态，不仅取决于物体本身的速度，而且与引力场的强度有关；较强的引力场原子振动速度低于较弱的引力场原子振动速度。所以，出现空间弯曲时钟变慢的情形。系统按与环境实行物质、能量交换的状态可分为线性近平衡区和非线性非平衡区，子系统之间相互作用机制表现为线性相关和非线性相干，由此形成均匀对称时空和非均匀对称性破缺时空形态。研究自然界四种基本的相互作用（弱、强、电磁、引力相互作用）形式统一性的超弦理论认为，粒子的内禀性质决定时间空间的性质，随着费米子与玻色子之间的相互转换，时空的性质也随之改变。量子物理在研究空间为普朗克长度I[,P]～10[-33]cm，时间为普朗克时间t[,P]～10[-43]秒的范围内物理相互作用机制时，发现时间t[,n]，空间I[,n]不能精确测量，现有的时空形态失效；这意味着，时空形态因相互作用机制变化而采取某种未知的、新的形态，“可能出现新的观念，即包含着有效的范围也概括着失效的范围”。[6]通过以上事例，可以看出自然科学时空观与相互作用机制时空观之间的特殊与一般关系，均可纳入相互作用时空观的理论框架。
协同学创始人哈肯发现，时空有序现象不仅在宏观领域（如激光、城市）、而且在微观领域（如粒子的状态）和宇观领域（如地球大气云层，恒星起源）同样存在，将时空有序从宏观领域扩展到微观和宇观领域。
因此，自组织理论相互作用机制时空观具有普遍的、世界观意义。我们知道，自然界的事物，是以系统的方式存在的。耗散结构理论、协同学揭示了系统时空结构形成相互作用机制之一般机理，将运动与时空密切联系起来，这无疑地将是时空理论的重大发展，至少在目前，可视相互作用机制时空观为系统科学时空理论。因此如果说，系统科学是介于哲学和具体科学之间的中间层次的话；那么，作为系统科学的时空理论——自组织理论相互作用机制时空观同样添补了时空理论哲学和具体科学之间的空白。
相互作用机制时空观的诞生是人类对时空认识的一次飞跃。从十七世纪到十九世纪末，对于时空形态发生的认识，就上升到科学理性程度来看，只有牛顿的机械力学，且带有浓厚的形而上学烙印。恩格斯受自然科学时空理论极其贫乏的历史条件的限制，未能对时空理论形态发生机制作一般思考，这是不能苛求于前人的。随着二十世纪自然科学的迅速发展，人类对自然界物质运动认识日益丰富和深化，作为物质运动的反映形式——时空形态，自然成为各门学科侧重研究的对象。尤其是，当代研究物质系统运动形式演化一般规律的自组织理论的兴起，为概括自然科学时空理论起到了由特殊上升到一般的作用。因此，从哲学世界观的角度对时空形态形成的一般机理作出概括总结，不仅必要，而且条件业已成熟。
Space-time Concept of Self-organization Theory
Liu Heping (Train Service Section，Handan)
Fu Deben (Hebei Normal University)
Abstract
The self-organization theory represented by dissipative structuretheory and synergetics gives the internal mechanism of the forming and evolving of systematical space-time pattern，and forms a distinctivespace-time concept of interaction mechanism.This paper makes a briefsummary of this concept，interprets the relations between the above concept and the space-time concept in traditional natural science andtheir universal significance.It also analyses the space-time matterbeing type in matter motion of traditional philosophy and the space-time pattern and evolving properties of interaction mechanism.
注释：
①本文1993年4月8日收到。