经济的自然原理（25）

关于自然界的基本知识（20）

三、不可逆结构的一些特征（4）

（四）开放的结构

不可逆结构的进化特征决定了它不可能是一个“封闭的”结构，而是一个“开放的”结构。所谓“封闭的”和“开放的”的衡量标准是，该结构与外部环境是否持续地进行物质和能量的交换，其交换的水平决定了该结构的开放程度。一个完全孤立的系统和外部环境不会发生物质和能量的交换，该系统内部的物质运动遵循“热力学第二定律”，即该系统的“熵”值将逐步增加，物质和能量的分布最终达到完全均衡的状态。“热寂论”是把热力学第二定律推广到了整个宇宙的一种理论——宇宙中物质和能量保持不变，宇宙的熵值将趋于一个极大值，这个趋势导致宇宙进一步变化的能力越来越小，一切机械的、物理的、化学的、生命的等多种多样的运动逐渐全部转化为热运动，最终达到温度处处相等的热平衡状态，这时一切变化都不会发生，宇宙处于死寂的永恒状态。这仅仅是一个理论上的假想，而且是一个不符合实际的假想。真实的宇宙空间是一个物质结构不断进化的动态系统，而且内部的物质总量持续地增加。从这方面来推断，宇宙的结构应该是开放的，虽然这并未得到经验的证实。如果确是如此的话，宇宙内部的物质和能量并不守恒，而且物质的分布是不均匀的。宇宙中既存在进化中的不可逆结构，也存在随机运动的物质。物质不断地从外部流入不可逆结构的内部，这些物质就成为维持结构平衡的能量来源。如果不可逆结构从外部吸收的物质以及从物质中获取的能量能够持续增加，它就有机会扩大结构的规模，否则结构的边界就会收缩。如果不可逆结构与外部环境完全隔绝，物质和能量都无法流入或流出，它就成为一个孤立的系统，那么不可逆结构就难以保持平衡状态，也无法继续进化，最终结构会瓦解，趋向于无序的运动状态。“耗散结构”是物理学家伊·普里戈金提出的概念，它表明了开放的系统因为时时出现的能量消耗而需要从外界吸收一定的物质，并从物质中获取能量来弥补损耗。一方面这些物质和能量用于系统内部运动所产生的消耗，另一方面用于结构的修复和扩张。比如，结构内部的运动、碰撞以及结构的损坏都会产生额外的消耗，结构的重建和扩张也需要额外的物质和能量，这些现象可以视为不可逆结构内部的“新陈代谢”。这些额外的消耗并不是无用的，它通过“新陈代谢”提高了结构的稳定性和有序性。不可逆结构是进化的产物，进化也是不可逆结构必须选择的道路，而且它们在这条道路上不能停歇。如果它们停止了改变，也就失去了对环境的适应力，因此改变是不可逆结构必须付出的代价，否则就会面临被淘汰的危险。根据上述的逻辑，我们可以得出一个不可逆结构的生存定律：当不可逆结构从外部获得的物质和能量持续大于它所消耗的物质和能量，它就有继续进化的可能；反之，当不可逆结构无法输入足够的物质和能量，它将会收缩、退化并趋于解体。

科学家尝试用“能量速率密度”（即单位时间里通过既定系统的单位质量的能量）的大小来衡量系统的复杂程度，对于生命系统来说就是“代谢率”。“行星比代表性的恒星（或者银河）要复杂得多，因此它们肯定会有更大的标准化能量流。例如，驱动地球气候圈的能量速率密度大约是代表性恒星或银河的100倍。生命系统甚至需要更大的能量密度，这不足为怪，因为任何形态的生命显然都比非生命系统要有序得多。光合作用的植物所使用的能量大约是恒星的1000倍，而定量配给人类一天的食物比这要多20倍，……我们的大脑使用的能量大约比上面提到的多10倍。……全体人文明——所有人类的开放系统形成现代社会，并从事它日常的能量丰富的活动——目前位居复杂性频谱的最高点，展现了几乎比恒星或者银河多100万倍的能量速率密度。……那么，随着复杂有序系统的出现，复杂性就会跟着增长。”（埃里克·简森《宇宙简史》）从细胞到城市，它们都需要依靠外部输入的物质和能量维持它们的生存状态。如果完全切断了它们与外界的联系，这些复杂的结构就会面临衰亡、解体，回到之前无序的状态。无论我们把视线朝向微观世界还是宏观世界，大致的情形都是类似的。

开放的结构自然容易受到外部环境的影响。有些结构因为受到外部的冲击而遭到破坏；有些结构因为外部环境的剧烈变化而毁灭；还有一些结构因为内部结构失去了平衡而破裂；最后总有一些结构经受住了各种考验而生存下来，进化为更加复杂的结构。在这个过程中，整体的有序性和局部的无序性的增加可能是同时发生的，但是局部的无序性不会破坏整体的有序性，反过来整体的无序性有时也同样不会破坏局部的有序性。最终的结局取决于有序性与无序性之间的相互较量——能量和作用力谁会占上风。到目前为止，宇宙中能量仍然继续在向物质转化，宇宙的有序性仍然在增加。也就是说，能量仍然处于下风，宇宙的物质化、结构化的趋势仍在继续。