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| 內容簡介： |
基于作者创立的耗散结构理论，讨论时间演化史的革命性著作。主体部分由绪论、上篇、中篇和下篇构成。“绪论”提出物理学中的时间问题。上篇为“存在的物理学”，讨论经典力学和量子力学问题；中篇为“演化的物理学”，讨论热力学、自组织和非平衡涨落问题；下篇主要讨论“从存在到演化的桥梁”，涉及动力学、不可逆过程的微观理论、不可逆性与时空结构等问题。探讨了不可逆性以及时间在描述物质世界变化过程中的作用，试图将生物学和物理学整合在一起，把必然性和偶然性统一起来，在科学与人文、西方文化和东方文化之间搭建新的桥梁，展现出宽广的视野和对物质世界统一性的坚定信念。
——《中国教育报》
《从存在到演化》是诺贝尔化学奖获得者、著名物理化学家普里戈金的经典著作。本书为中学生量身打造，分为上篇、中篇和下篇三部分。上篇为阅读指导，由北京师范大学教授沈小峰撰写，深入浅出地介绍了普里戈金的生平、《从存在到演化》的主要内容、普里戈金的科学贡献，并为学生提供切实的阅读建议。中篇精选《从存在到演化》原著精华，由著名学者沈小峰、曾庆宏、严士健、马本堃联合翻译，将这部时间演化史的革命性著作的精华内容突出呈现。下篇为学习资源，包括扩展阅读、数字课程、思考题、阅读笔记。名著名译，名家导读，配备优质融媒体学习资源，有助于中学生更好地阅读经典、理解经典、感受经典魅力。
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| 關於作者： |
普里戈金（Ilya Prigogine，1917—2003），比利时物理化学家、理论物理学家，1977年诺贝尔化学奖获得者。其著作以优雅明畅而著称，有“热力学诗人”的美誉。代表作《从存在到演化》是一部时间演化的历史，与霍金的《时间简史》堪称姊妹书。
译者简介：沈小峰，北京师范大学哲学与社会学学院教授。曾庆宏，北京机械工业自动化研究所研究员、副总工程师。严士健，北京师范大学数学系教授、系主任，中国数学会副理事长。马本堃，中国著名凝聚态理论物理学家。北京大学物理系教授、北京师范大学物理系系主任。
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| 目錄：
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目录
弁 言 / 1
上篇 阅读指导
普里戈金的学术之路 / 3
时间的维度 / 8
普里戈金的科学贡献 / 25
诺贝尔奖颁奖词 / 36
中篇 从存在到演化(节选)
物理学中的时间 / 43
经典力学 / 64
量子力学 / 68
热力学 / 75
自组织 / 109
非平衡涨落 / 143
变化的规律 / 171
不可逆性与时空结构 / 195
下篇 学习资源
扩展阅读 / 209
数字课程 / 211
思考题 / 212
阅读笔记 / 214
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| 內容試閱：
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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。
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，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。
时间的维度
普里戈金
比利时物理化学家，1977 年诺贝尔化学奖获得者
本书是论述时间问题的。书名原打算定为“ 时间———被遗忘的维数”(Time， the Forgotten Dimension)，这样的书名可能会使一些读者感到奇怪，时间不是从一开始就结合到动力学，即运动的研究中去了吗? 时间不就是狭义相对论讨论的重点吗? 这当然是对的。但是，在动力学描述中，无论是经典力学的描述，还是量子力学的描述，引入时间的方式有很大的局限性，这表现在这些方程对于时间反演t→；-t 是不变的。诚然，在特殊类型的相互作用，即所谓超弱相互作用中，这种时间对称性似乎是破缺的，但这种破缺对于本书所要讨论的问题并不起作用。
时间在动力学中不过是作为一个“几何参数”出现，达朗贝尔(d’Alembert)早在1754 年就已注意到这个特点。拉格朗日(Lagrange)走得更远，他甚至把动力学叫作“四维几何”，这比爱因斯坦(Einstein)和闵可夫斯基(Minkowski)的工作早了一百多年。按照这种观点，将来和过去起着同样的作用。组成我们宇宙的原子或粒子所沿着运动的“世界线”，也就是它们的轨道，既可以延伸到将来，也可以追踪到过去。
这种静止的世界观，其根源可以追溯到西方科学的发端时期。米利都学派把所谓“原始物质”的思想和物质不灭定律联系在一起。该学派杰出的创始人之一泰勒斯(Thales)认为，由单一物质(如水)构成了原始物质，因而自然现象中的一切变化，例如生长和衰亡，就必然只是一些幻象而已。
物理学家和化学家都知道，过去和将来起着同样作用的描述，并不适用于所有现象。我们可以观察到，把两种液体放入同一容器里，一般都会扩散成某种均匀的混合物。在这个实验中，时间的方向就是关键。我们观察到一个逐渐均匀化的过程，这时，时间的单向性就是很显然的了，因为我们不会观察到两种混合在一起的液体自发地分离。但是，这类现象很久以来都被排斥在物理学的基本描述之外。一切与时间方向有关的过程都被看作一种特殊的，“不可几”(improbable)的初始条件的效果。
我们看到，20 世纪初，这种静止的观点几乎为科学界一致接受。但从那时起，我们便朝着远离静止观点的方向发展了。一种动态的观点(时间在其中起着重要的作用)已在几乎所有的科学领域中盛行。进化的概念好像成了我们认识物质世界的核心。这个概念在19 世纪就完全形成了，值得注意的是，它几乎同时出现在物理学、生物学和社会学中，只是具有十分不同的特殊含义而已。在物理学中，它的引入是通过热力学第二定律，即著名的熵增加定律，这个定律是本书的主题之一。
按照经典看法，热力学第二定律表达了分子无序性的增加。正如玻耳兹曼(Boltzmann)所指出的，热力学平衡态相当于“概率”的态。但在生物学和社会学中，进化概念的基本含义正好相反，它描述向更高级别的复杂性的转变。在动力学中，时间被当作运动；在热力学中，时间与不可逆性联系在一起；在生物学和社会学中，时间作为历史，我们怎样把这些不同含义的时间相互联系起来呢? 这显然不是一件轻而易举的事情。但是，我们生活在一个单一的世界之中。为了对我们居身的这个世界建立一个统一的观点，我们必须找到某种方法，使我们能够从一种描述过渡到另一种描述。
本书的基本目的之一是向读者传达我的一个信念:我们正经历着一个科学革命的时期，这个时期涉及重新评估科学方法的地位和意义，这个时期有些类似于古希腊科学方法的诞生以及伽利略时代的科学思想的复兴。
许多有趣的和十分重要的发现，扩大了我们的科学视野。这里仅举几例:基本粒子物理学中的夸克，天文学中像脉冲星那样的奇妙天体，分子生物学的惊人进展等。这些都是我们时代的里程碑，我们的时代是一个特别富有重大发现的时代。然而，当我说到科学革命的时候，我想到的却是另一些东西，也许是更难以捉摸的一些东西。自从西方科学兴起以来，我们一直相信所谓微观世界———分子、原子、基本粒子的“简单性”。于是，不可逆性和进化就表现为一些幻象，这些幻象与自身简单的客体的集体行为所具有的复杂性联系在一起。这种简单性的概念在历史上曾经是西方科学的一个推动力，然而今天却很难再维持下去了。我们所熟悉的基本粒子，就是一些复杂的客体，它们既可产生，也会衰变。如果说物理学和化学中还存在简单性，那它不会存在于微观模型之中。它倒是可能存在于理想化的宏观模型中，如谐振子或二体问题的简单运动模型。但是，如果我们用这些模型去描述大系统或非常小的系统的行为，这个
简单性就会消失。只要我们不再相信微观世界的简单性，就必须重新评估时间所起的作用。于是我们就遇到了本书的主题，这个主题可以表述如下:
，不可逆过程和可逆过程一样实在，不可逆过程同我们不得不加在时间可逆定律上的某些附加近似并不相当。
第二，不可逆过程在物质世界中起着基本的建设性的作用；它们是一些重要的相干过程的础，这些相干过程在生物学的水准上显现得特别清晰。
第三，不可逆性深深扎根于动力学中。人们可以说，在不可逆性开始的地方，经典力学和量子力学的基本概念(如轨道或波函数)不再是可观察量。不可逆性并不相当于在动力学定律中引进某种附加的近似，而是相当于把动力学纳入更为广泛的形式体系中去。因此，如我们将要指出的，存在一个微观表述，它超出经典力学和量子力学的传统表述，明显地揭示出不可逆过程的作用。
这种表述导致一个统一的图景，使得我们可以在许多方面把从物理系统观察到的和从生物系统观察到的联系起来。这并非意味着要把物理学和生物学都“约化”为一种单纯的格式，而是要清晰地规定不同级别的描述，并为从一种描述过渡到另一种描述提供条件。
经典物理学中，几何表象的作用是众所周知的。经典物理学以欧几里得几何为基础，相对论及其他领域的现代发展，则与几何概念的扩展紧密相连。但是，我们这里考察的是另一个: 场论已被胚胎学家用来描述有关形态发生学的复杂现象。观看描写诸如小鸡胚胎发育过程之类电影的经历是令人难忘的，尤其对于不研究生物学的人更是如此。我们看到一个逐渐组织起来的生物空间，每个事件都在某个瞬时和某个区域进行，从而使过程的整体协调成为可能。这种生物空间是具有机能的空间，而不是一个几何空间。标准的几何空间，即欧几里得空间，对于平移或旋转是不变的。生物空间就不是这样。在生物空间里，事件是局域于空间和时间的过程，而不是仅仅局域于轨道。我们很接近亚里士多德(Aristotle)的宇宙观。
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