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协同学：大自然构成的奥秘 [德] 赫尔曼•哈肯著大千世界，品类繁多。然而，对科学家而言，这包罗万象的世界乃是一个遵循着严格规律、结构有方、秩序井然的世界。把望远镜伸向无限深邃的宇宙，我们可以瞧见无数的旋涡星云，星云旋臂似的结构和布局清晰可见。在旋臂的气体中，新的光芒熠熠的星球不断形成，数目之多难以想象。我们的地球和太阳也属于一个旋涡星云—银河。当夜空澄澈之际，遥望苍穹，银河璀璨可辨。银河系中的星球多达千亿，而我们的太阳不过是沧海一粟。地球则和其他行星一起，循着恒久不变的规律，绕着太阳旋转。然而，要看到结构，根本不必骋目天宇。自然界的千姿百态同样使我们惊讶不已。冬日看捧在手心的雪花，结构规则；观察热带蝇的眼睛，它的蜂窝状结构整齐匀称，令人为之倾倒，同时，蝇眼能对周围事物一览无余的构造亦颇具匠心。我们也往往发现，生物的结构不仅极重实用，还充满娇纵和风趣，如许多植物的花朵，结实的同时也向大自然炫耀自己的艳美绚丽。然而，不只是静态的结构令人羡慕不已，连续动作的有序性，如爱尔兰踢踏舞的节律和其或优美或奔放的舞姿，也让人心旷神怡。在人类的社会中，我们可以看到更高级的结构。在纯精神领域中，如语言、音乐和科学的世界中，我们也能遇到种种结构。长期以来，科学家只是专注于研讨结构的组织，而不就其起源。然而，近几年来，科学家开始对后一问题兴趣日浓，想探寻一个统一的宇宙观，来阐明结构是怎样自发形成，怎样才能理解结构或其中的过程呢？一种流行的方法就是将研究的对象分解为越来越小的部分。物理学家将晶体分解为原子，又把原子分解为更小的粒子，即原子核和电子。科学本身也是如此，有形形色色的分支。然而，采用这种方法的研究者，其体验就如同一个玩玩具汽车的小孩。小孩很想知道，汽车为什么会跑，就把它拆成各个零件。但我们往往看到的是他坐在一摊部件面前哭鼻子，因为他仍搞不清楚为什么汽车会跑，他也没有办法将那些零部件重新拼成一个有意义的整体。这让人体会到一句箴言的含义：整体大于部分的总和。应用到各种科学领域，这也意味着：即使发现了结构是怎样组成，还得明白组件如何协作。协同学，“协调合作之学”，为了处理这一系列问题，于是应运而生。按照物理学的基本定律，更确切地说按照热力学的基本定律，宇宙的混沌应当不断增加。几乎所有物理学家都认为，宇宙始于一场“大爆炸”，世界之初是混沌和没有秩序的，而后无序性应当越来越增加，直至极大。那么，有序的、有意义的结构，乃至生命本身还是否有可能存在？物理学主张生物学的反应是基于物理学定律的，而生命的起源却又与物理学的基本定律相矛盾。为了摆脱这一困境，许多第一流的科学家将自然界中有序状态的形成看作为一种巨大的涨落现象，然而按照概率论的法则这又具有随机不可能性。而一次幸运的事件帮助我们突破了这一恶性循环，激光的发现，使物理学自身为了创建出某种活性秩序的过程提供了一个绝妙的先例，此过程严格地依循物理学定律，后面我们会详细说明。这个例子使我们明白，无生命的物质也能自发组织，产生富有意义的过程。我们将认识到，单个组元好像一只无形的手那样自行安排，但是相反正是这些单个组元通过它们的协作才转而创建出这只无形的手，我们将这只无形的手称之为序参数。序参数由单个部分的协作而产生，反过来，序参数又支配各部分的行为。我们从序参数和支配的角度，首先从物理学，而后对化学，最后对生物学的其他现象加以探讨后发现：结构形成的过程似乎不可避免地朝着一个方向前进，但并非循着热力学规律所预言的那种方向，甚至也并非循着无序性不断增加的方向，相反，本来无序的部分系统也被卷入现存的有序状态，而且其行为受它支配。因此，前面的困惑甚至矛盾，涣然冰释。我们发现，许多个体，无论原子、分子、细胞、或是动物、人类，都是由其集体行为，一方面通过竞争，另一方面通过协作而间接地决定着自身的命运。在这个意义上，我们可以把协同学看成是一门在普遍规律支配下的有序的、自组织的集体行为的科学。下面，我们将用协同学来探讨激光器中的自组织现象。事实上在激光器发射时，其中的光波完全不同，它们是几个“冒失”的光电子放射出来的。这些波相互竞争，以求从其他受激光电子得到加强。但是，这些电子加强各种光波的方式并不完全相同，而通常是将自己的能量交给自己稍为爱好的某一种波。虽然这种特定的波常常只占据很微弱的优势，但它将以排山倒海之势等到加强，最终压倒其他的波。这些波将受到抑制，光电子的所有能量都将输给那种非常有规律地振动的波。相反，一旦这种波建立了它的主导地位，它将支配每一个原子的每一个新受激的电子，并使光电子按它的周期共振。这样，新生的波确定了激光器中的序，它起着序参数的作用。电子为序参数所“支配”，反过来，正是电子通过它们一致的振荡而产生了光波，即产生了序参数。一方面是序参数的存在，另一方面是电子的相干性态，二者相互制约。这是一种典型的协同现象。另一个例子是化学钟。其中最著名的是由俄国人别洛索夫发现，而后又由沙包廷斯基系统地进行了研究的一种反应组合。这种反应十分复杂，但它形成的化学模式却非常有趣。随着时间的推移，溶液的颜色发生周期性的变化，从红色到蓝色再恢复到红色，以此类推。根据这种反应可以制成一个钟，因为钟无非是一种不断给我们指明某种周期性的时间持续的装置。需要指出的是，在原来的试验中，是一次把几种物质放在一起，并充分混合，然后它们自行进行的反应就显示出周期性的颜色变化。但是这种颜色变化不会永远进行下去。约几分钟后，就会达到一个最后的静止状态。然而，可以把实验这样改一下，不断把新鲜物质添加进反应的容器中去，并取出反应的产物。这样一来，这种周期性颜色变化就可以永久地持续下去。这类涨落的发现对生物学家有着极为重要的意义。生物体中的活动过程归根结蒂基于化学或电化学的过程，其中有许多反应是有节奏地进行。一旦明白了化学钟能起作用的道理，我们就在理解生物体中有节奏过程（例如心脏跳动）方面迈出了一大步。如同在激光中那样，在涨落现象中序参数概念和支配原理起着作用。当加入的物质达到某个浓度时，本来稳定的反应变得不稳定，并将由周期性的变化（即一个涨落）取而代之。这种涨落起着序参数的作用，支配着各个分子。它迫使分子周期性地化合后又分解，分解后又化合，于是宏观上溶液周期性地呈现红色或蓝色。最近的研究表明，与能量转换相联系的单个细胞的代谢过程是循环的、周期性的。与协同学相关的例子其实还有很多，再比如说液体中的蜂窝状结构或化学中的螺线形波。这些都是开放系统，他们得到持续的能量供应，有的也不断得到新的物质供应，经过转化，最终以变化过的形式输出。对于一个开放系统，在一个不受外界干预的系统中无序性不断增加的原则是不适用的。玻尔兹曼原理，即熵是无序性的一种度量并趋向于极大，只对封闭系统成立。于是，对于开放系统结构的形成，就需要一个普遍的新的原则。这也正是协同学所揭示的。在一个开放系统中各组成部分不断地相互探索新的位置、新的运动过程或新的反应过程，系统的很多部分都参与这种过程。在不断输入的能量，或许还有新的物质加入的影响下，一种或几种共同的，也就是集体的运动或反应过程压倒了其他过程。这些特殊的过程不断加强自身，如同我们在激光光波或液体滚卷中所看到的那样，它们不断增长，最终战胜和支配了所有其他运动形式。这些新的运动过程给予系统一种很容易认识的宏观结构。协同学的宗旨并不只在于发现无生命自然界中的一般规律，它还打算在无生命自然界与有生命自然界之间架起一座桥梁。由于有下列两个发现，特别使这座桥梁的架设成为可能。第一个发现是：甚至在有生命自然界中，所有的系统都是开放系统；第二个发现是：过程或方式之间存在竞争，最终那种结构得以实现，将取决于各个集体运动形式的增长率。同样，就协同学而言，至少直觉地就必然估计到有些问题是我们在该原则上无法回答的。虽然这种“无法回答”会令我们有些失望，但也可以感到宽慰：有大量的问题是可以解决而必须解决的，以便保证人类的继续生存。