普里戈金的学术之路

沈小峰

北京师范大学 教授

本书的作者伊利亚·普里戈金(I.Prigogine)教授,是比利时布鲁塞尔自由大学索尔维国际物理学和化学研究所所长,兼美国奥斯汀得克萨斯大学统计力学和复杂系统研究中心主任。他的祖籍是俄罗斯,1917年1月25日生于莫斯科,父亲罗曼·普里戈金(R.Prigogine)是化学工程师。1921年他随其家庭移栖国外,经过几年漂泊不定的生活之后,于1929年定居比利时,1949年取得了比利时国籍。

普里戈金在布鲁塞尔上小学和中学,青年时代的兴趣集中在历史学、考古学和哲学方面,爱好音乐特别是钢琴。后来他转攻物理学和化学,1941年在比利时自由大学获博士学位,1951年起任该校理学院教授。他曾任比利时皇家科学院院长,后被选为美国国家科学院外籍通讯院士,又被选为苏联科学院通讯院士。他还做过不少国家的客座教授,获得过多种奖金和奖章。

普里戈金长期从事化学热力学方面的研究。早期他研究的问题有溶液理论、对应状态理论以及处于凝结阶段的同位素作用理论,取得了一系列的成果。他对历史和哲学的爱好激起了他探讨时间单向性的兴趣,他在物理化学领域中进行的大量工作使他从感性和理性上丰富了对不可逆过程的理解。

普里戈金在回顾他的科学生涯时曾经写道：“热力学为我们提供的这许许多多的观点和各种各样的前景中,使我感受强烈,并抓住了我的注意力的是这样一点:这一切都明显地表现出‘时间的单向性’这个不可逆现象。从这点出发,我总是把任何一项富有建设性的作用都归功于某种‘过程’,而不是采取传统的‘静止’的态度对待。”当人们还将不可逆现象当作令人讨厌的因素而极力回避的时候,他却敏感地意识到对不可逆过程的研究可能会带来重大的成果。此后,他集中精力研究不可逆过程热力学,于1945年得出了最小熵产生原理,这一原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。这是普里戈金早期对热力学的一个重大贡献。

最小熵产生原理在近平衡态线性区取得的成功促使他试图将这一原理延拓到远离平衡的非线性区去,但是,经过多年努力,这种尝试以失败告终。普里戈金从挫折中吸取了有益的启示,认识到系统在远离平衡态时,其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。在远离平衡的非线性区,系统的状态出现了多种可能性,表现出更加复杂的性质,因此研究工作应当另辟蹊径。以普里戈金为首的布鲁塞尔学派在这一新认识的指导下重新进行了探索。经过多年努力,他们终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论——耗散结构理论。普里戈金在回顾他们这一段科学历程时曾经说,当他了解到翁萨格倒易关系和最小熵产生原理一般只在不可逆现象的线性范围内有价值时,就提出了这样一个问题: 在翁萨格倒易关系之外,“但仍在宏观描述的范围之内,远离平衡的稳定状态会是个什么样子呢?”这些问题“使我们耗费了近20年心血,即从1947年到1967年,最后终于得到了‘耗散结构’的概念”。

1969年,普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上,正式提出了耗散结构理论。这一理论指出: 一个远离平衡的开放系统(不管是力学的、物理学的、化学的、生物学的乃至社会学的、经济学的系统),通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,经过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构,由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持,因此被称为“耗散结构”。普里戈金在谈到宏观现象中存在的两种结构——耗散结构与平衡结构之间的区别时曾经指出:“平衡结构不进行任何能量或物质的交换就能维持。晶体是平衡结构的典型。”“反之,‘耗散结构’只有通过与外界交换能量(在某些情况也交换物质)才能维持。一个非常简单的例子是热扩散电池,其浓度梯度由能量流维持着,”这就表明,是否耗散能量是两类结构的根本区别。

耗散结构理论研究一个开放系统在远离平衡的非线性区从混沌向有序转化的共同机制和规律。这一理论不仅可以应用于物理学、化学和生物学领域,而且还成为描述社会系统的方法,因而受到了不同学科的学者的广泛重视。普里戈金由于对非平衡热力学特别是建立耗散结构理论方面的贡献,获得1977年诺贝尔化学奖。