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第三章 耗散结构:活的秩序需要流

能量流过时出现的秩序

在平底锅里倒一薄层油或水,从下面慢慢加热。起初看不出什么变化:热量只是以传导的方式,一个分子接一个分子地穿过液体。然后,当上下的温差超过某个值时,液体自己组织起来,分裂成规则的元胞,卷筒状或六边形;暖的液体从中间升起,冷的液体从边缘沉下。数以百万计的分子按照一个谁也没有设计过的图案一起运动。

这就是对流元胞。亨利·贝纳尔(Henri Bénard)在 1900 年前后最早仔细研究了它们。瑞利勋爵(Lord Rayleigh)在 1916 年给出了液层从下方加热时的理论;后来发现,贝纳尔自己用的浅盘有自由液面,元胞主要是表面张力驱动的,但道理相同。对流元胞是伊利亚·普里戈金所说的耗散结构的标准例子:一种只因能量流过系统、并以热的形式耗散掉才存在的有序状态 (Nicolis and Prigogine 1977)。关掉炉火,几秒钟内元胞就消失了。秩序不是储存在液体里的,它是流的形状。

证据

普里戈金因对非平衡热力学、特别是耗散结构理论的贡献,获得 1977 年诺贝尔化学奖 (Nobel Prize Outreach 1977)。其核心思想是:在远离平衡的条件下,持续的能量和物质流可以把系统推入新的有序状态,这些状态在平衡时不可能存在。这类状态向环境输出熵的速度,比它们内部产生熵的速度更快,所以第二定律从未被违反 (Prigogine and Stengers 1984)。

元胞不是逐渐出现的。低于某个阈值时一个都没有;高于它,它们就在那里。对于两块板之间的液层,阈值由一个无量纲数,即瑞利数来决定,它比较浮力的推动与黏性、热扩散的阻碍。瑞利数超过约 1708 时,对流开始。

推导

一层水需要多大的温差,才会自己组织起来?

g = 9.81           # m/s^2
beta = 2.07e-4     # 20 °C 时水的热膨胀系数,1/K
nu = 1.0e-6        # 运动黏度,m^2/s
kappa = 1.43e-7    # 热扩散率,m^2/s
Ra_c = 1708        # 两块刚性板之间液层的临界瑞利数

for d_mm in (2, 5, 10):
    d = d_mm / 1000
    dT = Ra_c * nu * kappa / (g * beta * d ** 3)
    print(f"water layer {d_mm:2d} mm: convection cells appear above a difference of {dT:6.3f} K")
# water layer  2 mm: convection cells appear above a difference of 15.035 K
# water layer  5 mm: convection cells appear above a difference of  0.962 K
# water layer 10 mm: convection cells appear above a difference of  0.120 K

这口锅给出的两条教训,适用于后面的一切。第一,开放系统中的有序结构,需要一股超过阈值的驱动流。第二,需要多少流取决于结构本身:液层更深,只需小得多的推动就能组织起来,因为阈值随深度的三次方下降。

阈值、崩塌与滞后

物理学家和数学家用序参量来描述这类变化:一个数 xx,系统无序时为零,秩序出现时增大。在阈值附近,许多截然不同的系统服从同样简单的方程。最有启发性的一个是

dxdt=μx+x3−x5,\frac{dx}{dt} = \mu x + x^3 – x^5 ,

其中 μ\mu 表示驱动流高于或低于阈值多少 (Strogatz 2015)。x3x^3 项意味着秩序一旦存在,就会帮助维持自己;x5x^5 项让它不至于无限增长。

推导

程序把 μ\mu 从 +0.30+0.30 一步步降到 −0.35-0.35,每一步都让 xx 稳定下来,然后再把 μ\mu 升回去,打印下降途中和回升途中系统保有的秩序。

def settle(mu, x, dt=0.01, steps=20000):
    """dx/dt = mu*x + x**3 - x**5: x is how much shared order the system holds."""
    for _ in range(steps):
        x += dt * (mu * x + x ** 3 - x ** 5)
    return x

mus = [round(0.30 - 0.05 * i, 2) + 0.0 for i in range(14)]     # 输入从 0.30 降到 -0.35……
x, down = 0.9, {}
for mu in mus:
    x = settle(mu, max(x, 1e-3))
    down[mu] = x
x, up = 1e-3, {}
for mu in reversed(mus):                                  # ……再升回去
    x = settle(mu, max(x, 1e-3))
    up[mu] = x

print("  mu    order (input falling)   order (input rising)")
for mu in mus:
    print(f"{mu:+.2f}   {down[mu]:21.2f}   {up[mu]:20.2f}")
#   mu    order (input falling)   order (input rising)
# +0.30                    1.11                   1.11
# +0.25                    1.10                   1.10
# +0.20                    1.08                   1.08
# +0.15                    1.06                   1.06
# +0.10                    1.04                   1.04
# +0.05                    1.02                   1.02
# +0.00                    1.00                   0.00
# -0.05                    0.97                   0.00
# -0.10                    0.94                   0.00
# -0.15                    0.90                   0.00
# -0.20                    0.85                   0.00
# -0.25                    0.71                   0.00
# -0.30                    0.00                   0.00
# -0.35                    0.00                   0.00
滞后。驱动 μ 下降时,有序态(上方曲线)在远低于它最初出现的地方仍然存在,只略微下沉,然后在 μ = −0.25 处突然消失。要让它回来,驱动必须一直升到 μ = 0。虚线是不稳定的状态。

这张表里有三个出人意料之处。

秩序抵抗衰退。驱动降到零以下时,有序态并没有消失。驱动下降了它整个范围的五分之一,秩序只从 1.00 略降到 0.85。

然后它崩塌了。在 μ=−0.25\mu = -0.25 与 −0.30-0.30 之间,再小小地下降一步,秩序就完全消失。驱动并没有发生什么剧烈变化,它和之前一样,只降了同样小的一步。

回来比留下更贵。对于 −0.25-0.25 到 00 之间的每一个 μ\mu 值,系统既可以有序,也可以无序,只取决于它从哪里来。一个已经崩塌的系统会一直保持崩塌,直到驱动一路升到零,远高于当初足以维持它的水平。这种对历史的依赖,叫做滞后。

证据

具有这类阈值的系统,从湖泊、珊瑚礁到气候子系统,在倾覆之前往往有预警。它们接近崩塌点时,从小扰动中恢复得越来越慢,这种现象叫做临界慢化,可以从它们的波动中检测出来 (Scheffer et al. 2009)。

作为耗散结构的亲密关系

现在回到前两章的那对伴侣。他们的共同生活是一种秩序:一种不太可能的安排,两个人的注意力、时间和计划在其中彼此协调。第一章指出,任其自然,这种安排会松弛,因为共同注意力在统计上是不太可能的。第二章指出,最初几个月里更新的天然来源,即新奇带来的预测误差,会随着两人彼此熟悉而枯竭。

证据

亚瑟·阿伦(Arthur Aron)及其同事在一系列研究中,让伴侣们一起做新奇而令人兴奋的活动,包括一项实验室任务:两人的手腕和脚踝绑在一起,不用手和牙齿,把一个靠垫运过一段体操垫铺成的路线;或者让他们做愉快但平常的活动。做新奇兴奋活动的伴侣,报告的关系质量提高得更多 (Aron et al. 2000)。

假说 · 尚未验证 · 作为耗散结构的伴侣

一段关系的共同秩序,表现得像上面的序参量 xx,其驱动为

μ=J−L−c,\mu = J – L – c,

其中 JJ 是流入:新的、有意义的或具有修复作用的共同经历(一起做新鲜的事、为共同目标努力、冲突之后的修复);LL 是漏出:从关系中流向其他要求和刺激的注意力,第一章建议用每个人注意力分布的熵来测量它;cc 是这对伴侣的具体处境所设定的阈值。

如果这是对的,应当观察到三件事。缓慢下滑之后的突然结束:伴侣可能报告一段很长的、几乎平坦的轻度下滑,随后亲密感突然崩塌,而崩塌那一刻并没有什么重大事件。滞后:这样的崩塌之后,恢复亲密所需的流入,应当明显多于此前维持它所需的。预警:在崩塌前的几个月里,伴侣在小冲突之后回到平常亲密程度所需的时间应当变长。

如果亲密感的下降总是与流入的下降成正比,而恢复所需并不比维持所需更多,这个模型就是错的,应当换成更简单的线性模型。

这个模型有意做得很粗糙:两个人不是一锅水,JJ、LL、cc 也还不是任何人能从仪表上读出的量。它的价值在于它预言的形状。它说,该行动的时候,远在任何事情让人觉得不对之前,因为有序态会把自己的衰退藏起来,直到失效那一刻;它还说,让一堆火继续烧,比重新点燃便宜。

漏:一个古老的词,一个新的想法

活的秩序通过外流损失能量,这个想法并不新。它是亚洲修行传统中最古老的比喻之一。

证据

在佛教教义中,梵文 āsrava(巴利文 āsava,汉译「漏」)指心的能量借以向感官对象流出的烦恼。早期经典列出三种:欲漏、有漏、无明漏,有时再加上第四种:见漏。与之相应的经验称为「有漏」(sāsrava);修行之道的终点是诸漏的灭尽,即「漏尽」(āsravakṣaya),这是对阿罗汉的标准描述 (Buswell and Lopez 2014)。

原典

塞其兑,闭其门,终身不勤。开其兑,济其事,终身不救。(老子, n.d.)

白话(作者译):堵住孔窍,关上门户,终身不会劳竭。打开孔窍,增添事务,终身不可救药。(《道德经》第五十二章)

这两段文字描述的,正是本章模型中的 LL。《道德经》的「兑」与「门」,通常被理解为感官和欲望;「塞」与「闭」不是不再看、不再听,而是不再被所见所闻耗干。佛教的「漏」更具体:不是注意力本身,而是贪爱,那种对「更多」的强迫性追逐。

注

有些道教内丹典籍把「不漏」引申到保存身体的精气,包括节制性生活,并对健康与长寿作出生理上的断言。本书不跟着走到那里。那些断言没有可靠的证据;本书只在可以测量的意义上使用「漏」:注意力、时间和关怀从一个人所选择的事物上流走。

假说 · 尚未验证

古典的劝告和这个模型在一点上不谋而合,而这一点很容易被忽略:提高驱动 μ\mu 最便宜的办法,往往不是增加流入 JJ,而是减少漏出 LL。一对伴侣如果加了一个精彩的周末,却让每个晚上都散落在十六块屏幕上,得到的可能还不如另一对每晚只是把「漏」堵上一个小时。这一点可以检验:在同一人群中比较这两种干预。

预告:会预测的心智

还有一个想法,补全本书的框架。卡尔·弗里斯顿的自由能原理提出:任何得以持续存在的自组织系统,从细胞到大脑,都必须把自己维持在有限的状态范围之内;它做到这一点的方式,是最小化一个叫做变分自由能的量,这个量是它对自身感觉有多「意外」的一个上界 (Friston 2010)。

注

弗里斯顿的「自由能」是信息论和统计学中的量。它在形式上与热力学的自由能相关,名字由此而来,但它不以焦耳计量。本书把两者分开。

这引出一个明显的反驳,弗里斯顿和同事称之为「暗室问题」:如果心智在最小化意外,它为什么不永远待在一间黑暗安静的屋子里?他们的回答是:生物对世界的模型中,包含着对自己应当处于何种状态的预期,而且减少对世界的不确定本身就有价值,所以同一个追求可预测性的原理,也驱动着探索与好奇 (Friston, Thornton, and Clark 2012)。

对一对伴侣来说,这正是一句话就能说完的核心张力:每个人都需要对方足够可预测,才觉得安全;又足够不可预测,才依然有趣。第四章讨论这个张力。第五章回到「漏」,问一个人的注意力还有多少真正是他自己可以给出的。

参考文献

Aron, Arthur, Christina C. Norman, Elaine N. Aron, Colin McKenna, and Richard E. Heyman. 2000. “Couples’ Shared Participation in Novel and Arousing Activities and Experienced Relationship Quality.” Journal of Personality and Social Psychology 78 (2): 273–84.
Buswell, Jr., Robert E., and Jr. Lopez Donald S. 2014. The Princeton Dictionary of Buddhism. Princeton: Princeton University Press.
Friston, Karl. 2010. “The Free-Energy Principle: A Unified Brain Theory?” Nature Reviews Neuroscience 11 (2): 127–38.
Friston, Karl, Christopher Thornton, and Andy Clark. 2012. “Free-Energy Minimization and the Dark-Room Problem.” Frontiers in Psychology 3: 130.
Nicolis, Grégoire, and Ilya Prigogine. 1977. Self-Organization in Nonequilibrium Systems: From Dissipative Structures to Order Through Fluctuations. New York: Wiley.
Nobel Prize Outreach. 1977. “The Nobel Prize in Chemistry 1977: Ilya Prigogine.” https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1977/summary/.
Prigogine, Ilya, and Isabelle Stengers. 1984. Order Out of Chaos: Man’s New Dialogue with Nature. New York: Bantam Books.
Scheffer, Marten, Jordi Bascompte, William A. Brock, Victor Brovkin, Stephen R. Carpenter, Vasilis Dakos, Hermann Held, Egbert H. van Nes, Max Rietkerk, and George Sugihara. 2009. “Early-Warning Signals for Critical Transitions.” Nature 461 (7260): 53–59.
Strogatz, Steven H. 2015. Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering. 2nd ed. Boulder, CO: Westview Press.
老子. n.d. 道德经.

Fan, Y. (2026). The Thermodynamics of Desire: Entropy, Dopamine Prediction Error and Dissipative Structures in Human Bonds [欲望的热力学] (Version 1.0.0). 5D Library. https://doi.org/10.5281/zenodo.23682498 · Licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).