《大自然寻真》第25章

非生命宏观大自然辩证分析探讨-10

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25.15  自组织机制的实质

    “无需外界的特殊指令就能自行结合、自行组织、自行发展，系统科学把这一过程称为自组织过程”[26]。一个系统由于有了自组织功能，就能从被诞生过程中哪怕首先是无序也会走向有序（如星球），最后成为生气勃勃、稳定运行的耗散结构。这样，非生命界的大自然才会出现了千姿百态的景象，生命界也才会生灵无数和活灵活现。然而，从25.14已知，协同规律的作用是系统自组织功能中最重要的功能。

    宇宙蛋黄体内自组织的结果形成了宇宙蛋黄的自转。反过来，宇宙蛋黄的自转又促成了球心能量有序地从里向外顺畅地传了出来，而且将热能转换为动能并做了功。宇宙蛋黄这个系统做功的最后结果，主要体现在诞生出了全宇宙众多的大小天体，从而使一个核球单体系统变成了一个非常庞大和长期有规律运行的生动活泼的宇宙大系统。具体一点说，宇宙蛋黄这个宇宙中的元老，通过了自组织，先自我完善了本身的有序运作功能，包括形成自转，以及在自转带动下形成了内部复杂而有序的环流，从而成为耗散结构。然后，在漫长的演化过程中不断出现了巨涨落现象，诞生出了无数的子天体，而且把自转功能直接传给了后代（与生命界的情况何其相似乃尔）。我们通过形象思维所想象出来的这种宇宙蛋黄，其演化过程的本质正好与文献中所说的一模一样：“这种增长最快的巨涨落必然导致系统形成新的稳定有序结构，这种结构本质上是一种涨落的放大，放大后的涨落通过与外界交换能量而稳定下来”[26]。诞生出子天体就是与外界交换了物质和能量，子天体则是涨落的放大后，系统所形成的“新的稳定有序结构”。由于诞生的过程是有序系统结构分离出子系统的过程，因此一般天体的自转功能就是天生的了。在宇宙蛋黄自己被诞生初期进行自组织逐渐形成自转的过程中，自转功能是作为“一只看不见的手”被隐性地体现在协同规律的运作之中（见25.14）。到了宇宙蛋黄自己所诞生出来的无数子孙天体，由于遗传的性质，自转功能就已经变成了看得见的“手”了。后代的天体系统进行自组织时马上就能用的这一只老祖宗所给的自转的“手”，其运行原理其实就是本书唯一最重要的星球自转力学原理。这是已经年迈的笔者最想说清楚又很难说清楚，最希望物理、力学专家能进一步从理性层面做定量分析，以便给出严密完善的数理证明的原理。这一原理所体现出来的，也就是天体系统利用了自转这只“手”，对于万有引力和斥力的非线性相互作用进行着协同指挥而达到了有序的运作。具体说，正是由于有了祖传下来的这只自转的“手”，天体便可以将流体分子热运动所产生的无序斥力，很容易地就转化为离心力而形成了有序的环流运动，从而在自身的演化史中都轻而易举地就进入了有序的运作状态。自转的功能对于天体系统迅速形成耗散结构的有序运作是至关重要的。任何存有流体物态的天体，不仅整个球体系统是，在其体内或体表的所有耗散结构子系统也都是依靠星球自转力学原理进行自组织所形成和维持下去的。不论地表面上的海流、大气环流，以及大气小系统的副热带高压、冷高压、西风急流、台风、气旋、龙卷风，等等，就都是在地球自转力学原理操控下，由海水、大气本身自组织所形成和维持着的，有序运行的耗散结构。

    此外，我们还敢于推断，在地球自转力学原理作用下，不仅原始液态地球的整体有环流，而且会一直维持至今从未停息。流水不腐，户枢不蠹，不停旋转着的水泥罐车中的水泥不会结块。因此可以知道，除开了硬地壳，现在整个地球内部都应该依然是相对均匀的液体，而且依然维持着两极下沉和赤道上升的有序运行的环流。地内有序液体环流的存在才可能令南北半球中纬度自西向东带负电荷液体急流的维持，从而也才能令地磁场的依然存在。至于有没有硬地核存在？这牵涉到较多因素。一方面，球心尚存的激烈物质反应还产生着相当的高温，而高温就使任何物质难于维持固态，这不利于形成硬地核。另方面，由于“球体内的各种物质并不是绝对均匀的相混合”（见25.14），密度大的物质容易在球心附近造成沉积，这又有利于非流质地核的存在，或许也因此才造成了朝向太平洋一侧的热核反应比较强烈，而不是在球心中央的地方反应最强烈。总之，球体内物质的不均匀混合，球心内的巨大压力，配合了“流水不腐”和热核反应从未停止等多因素，究竟地球球心附近，包括太阳球心附近的物质是硬是软，或稠或稀，还有待于作更多地研究。

    天体的核球喷射论是星球自转力学原理的派生理论，它是核球天体在自组织过程中出现巨涨落时，诞生出性能与自身相同的子天体所遵循的原则。星球自转力学原理对着星球整个演化过程起作用；核球喷射论则只分管核球诞生子天体的质变过程。

    十分奇妙的是，在演化过程中，生命界与非生命界之间很相似。在生命界中，母生子，子不离母，母子之间永远心心相印；在非生命界中，天体核球诞生出子天体，子天体则长久围绕着核球公转，形影不离。非生命界与生命界的诞生现象和母子关系如此相似，这也充分说明了自然辩证法在整个大自然中有着很普遍的指导意义，俗话中的“隔行不隔理”也道出了其中玄机。两者唯一最明显的差异只在于，因为生命界有生命，所以子系统会逐渐长大直至接近于母系统的大小尺寸，以至于母子的循环繁殖是无穷尽的，而非生命界则只能繁殖到一定尺寸便停止了。这就是说，非生命界在演化和诞生过程中会逐渐退化，而生命界既有退化也有进化。生命界中子系统从母体遗传到了最优秀的物质和较高的能级，因而更加适应变化了的环境就是进化，反之就是退化。在历史长河中，假如不同档级的千千万万个同类生命体在演化过程中普遍都更适应了环境的变化，则该物种进化了。反之，该物种退化了，甚至灭种了。

    对一个盛有薄层液体的平底容器底部进行均匀加热，到达一定温度时就会突然自发地形成六角形结构，液体从六角形的中心向上流而从边缘流下，或者相反（视中心与边缘之间的火力差异而定），这就是贝纳德花纹；如果进一步加温到超过某一临界值时，液体会出现从左向右或者从右向左的滚筒式运动；继续加温又会转变为湍流形式。这是有关液体有序环流结构（耗散结构）自组织过程的人工实验。分析原因，该实验热源在底部，源源不断地加热便恒定地保持容器底部的液体远离平衡态。开始加热时，液体不断增加无序的分子热运动，协同规律就不断发挥作用，让无序的分子热运动逐渐趋于有序而形成了方向一致的力，促使产生了有规律和迅速流动的环流，以便顺畅地将热能从底部带到液体表面来散开摊均匀，于是便形成了很有规则的六角形的贝纳德花纹；当液体温度升得更高时，六角形结构的环流变得不适应热能的传送，于是改变为滚筒式环流运动；后来又再改变为湍流形式，以便适应更快地传递热能。

    其实，最普通的煮开水过程，也是一种形成耗散结构的自组织过程的最简单体验。水开之前温度不断升高，若打开锅盖，可以明显见到整个锅中的水都在进行复杂的环流，这是协同规律在不断发挥作用对无序的分子热运动进行调整，将热量不停从锅底传开并重新分布。当达到100℃时，水温不能再升高，于是水锅煮水这个系统只能将贴紧锅底的水直接汽化，然后直送水面将热能释放掉。这最后的现象叫做沸腾，是稳定有序的环流模式──耗散结构。由于煮水锅不像贝纳德实验装置那么要求严格，所以形成不了漂亮的贝纳德花纹，也分不清沸腾之前各种环流形式的变化调整阶段。但如果打开锅盖细细观察，也可发现整个煮水过程中，为了将热能不停从锅底传开并重新分布，协同规律同样对环流进行着越来越复杂和激烈的调整。这都与贝纳德实验一样，是自组织功能在不断地调整变换着环流形式，让液体环流更趋有序，更适应能量的传送和分配。而且到了最后，不论贝纳德实验或者煮开水，都肯定是以沸腾的环流模式而告终。

    从本质看，贝纳德花纹、滚筒式运动等各种环流形式都不能称为耗散结构，它们与环境之间并无进行有效的能量交换，仅仅是为了将液体内部的热能重新分配而表现出来的不同环流现象，是耗散结构形成过程中的某一具体阶段。由于它们并未有效地将能量从液面耗散出去，所以，环流的结果都未能使液面能量的重新分配和释放与锅底的恒定热能供给之间取得相互平衡。最后的沸腾模式才能真正算为稳定的耗散结构，是一种有序运行的开放系统，它可以稳定地一直维持到把水煮干，把热能转化为动能而令水汽飘向天空。虽然煮开水过程是人人能见，司空见惯，从而见怪不怪的日常小事，但与贝纳德实验道理完全一样，都是有序开放系统（耗散结构）的形成过程。贝纳德花纹是只有在实验室里才能见得到的有关耗散结构形成过程中的一种有趣的环流现象，煮开水过程则是最通俗的日常化的耗散结构形成过程。如果只知道贝纳德实验的奇异表面现象而不知其内在实质，把实验过程中有趣的贝纳德花纹当成了“耗散结构”，而且津津乐道，就会使开放系统、耗散结构这些概念十分神秘。笔者年轻时曾经听过几天“耗散结构”的课，就总觉得深不可测，满脑浆糊，不知所用，原因正是教者茫茫，学者渺渺。只有充分揭示贝纳德实验的本质，将它与实质上完全相同的煮水系统联系在一起，才能使大众也了解相关的知识，将自然科学常识还原于人民大众。这正说明了真理本来很简单，复杂难懂的大论未必都是真理。

    从大到小而简单地说，宇宙中心核球从不自转到会自转，直至诞生出无数的有序运行的子天体；地球为了保持系统的有序运作，在星球自转力学原理作用下利用了老祖宗遗传下来的这只自转的“手”，指挥着地内岩浆形成了有序环流，将地心恒定自产的核反应热能源源不断传到热带的海底上来；海洋有了低纬度海底的恒定热源之后就使整个水圈都有序地运转起来；大气也因低纬度海水的热能供给配合了地球自转这只“手”的指挥而形成了有序的环流。显然，宇宙蛋黄、地球、海洋、大气、贝纳德实验、煮开水系统，都以热能为能源，都是耗散结构系统，它们的有序运作的形成过程都充分体现了系统自组织功能的作用。只要系统内部是远离平衡态的，也即是高能量的，又是对外开放的，自组织功能就会在系统中自动起作用，根本不需要上帝的推动，整个宇宙都会从无序变成有序；地球自然能够自转；条件成熟了贝纳德花纹就会出现；炉子一打开，锅里的水就会从慢到快的不停翻动直至最后沸腾起来……。显然，大自然系统中的自组织功能是一种自动完成的，能使系统形成和保持有序运行的非线性综合协同调节规律。