46思维模型:耗散结构理论一物理界和生物界的大一统理论

美国学者里夫金和霍华德1981年出版了《熵:一种新的世界观》的著作,书中宣称,牛顿的机械论世界观行将消失,统治人类各方面的将是熵的定律,即热力学第二定律。德国物理学家和数学家,热力学的主要奠基人之一鲁道夫·克劳修斯,最早提出了熵的概念。

熵概念的提出是19世纪科学思想的巨大贡献,他的意义完全可以和达尔文生物学中提出的“进化”相媲美,它说明了一个孤立系统朝着均匀、无序简单、趋向平衡态的方向演化,这实际上一种退化的方向,克劳修斯把这一个理论推广到全宇宙,得出了“宇宙热寂说”的悲观结论。“热寂说”利用热力学第二定律中的“熵增加原理”,将整个宇宙当成一个孤立系统,认为宇宙的熵会趋向极大,最终达到热平衡状态,即宇宙每个地方的温度都相等。“热寂说”引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题,因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界,成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。

达尔文的“进化论”描述的是系统从无序到有序,有简单到复杂,有低级到高级,由无功能到有功能,多功能到有组织的方向演化,这是一个进化的过程,在生物界和人类社会这种进化尤为明显,于是产生了克劳修斯和达尔文的矛盾,进化和退化的矛盾,生物界和人类社会遵循着完全与物理界两个不同的规律,一个是进化,一个是熵增。

牛顿用他的经典力学“把分割天体和地球之间的壁垒推到,并且把两者结合起来,统成为一个整体的宇宙。”而世界被一分为二:其一是物理世界,这个世界是简单的、被动的、僵死的,不变的可逆的和决定论的量的世界;另一个世界是生物界和人类社会,这个世界是复杂的、主动的、活跃的、进化的,不可逆和非决定论的质的世界。物理世界和生命世界之间存在着巨大的差异和不可逾越的鸿沟,它们是完全分离的,从而伴随而来的是两种科学,两种文化的对立。怎样把二者统一起来呢?能够用物理学的观点来全面的解释生命系统的演化进程,使生物学成为研究生命系统的“物理科学”,实现自然科学大的统一。这些问题引起了当代科学家极大的兴趣,不少人从事这方面的研究。

列宁说过,“自然科学的成果是概念”。任何物理理论的建立,大体都是从总结现象入手,进而建立物理概念,提出物理模型,寻找他们的运动规律,并不断的回到实践中去,进一步丰富和发展已经提出的理论。

比利时物理学家普利高津经过20多年的呕心沥血,大量的研究和实验,终于找到一个理论统一了自然界,就是大名鼎鼎的“耗散结构理论”,统一了物理界是生物界,在可逆与不可逆,对称与非对称,平衡与非平衡,有序与无序、稳定与不稳定,简单与复杂,局部与整体,决定论和非决定论等诸多范畴都有其独特的贡献。因此获得了1977年的诺贝尔化学奖。

一、什么是耗散结构?

一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)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,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌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,因此称之为“耗散结构”。系统能够自行产生的组织性和相干性,形成自组织现象,因此普利高津又把耗散结构理论称之为非平衡系统的自组织理论。

普利高津的耗散结构理论是建立在对热力学第二定律的研究基础之上的。他的研究将宏观系统分为三种类型。

一是孤立系统。它是与周围环境不产生物质和能量交换的系统,这种系统的运作服从于热力学第二定律,其内部宏观状态总是随着时间的持续趋于平衡,达到完全平衡时,系统内部宏观状态不再随时间发生变化。

二是封闭系统。它与外界环境交换能量,不交换物质。总体上看,其宏观系统近乎孤立系统,其运行状态从长时期看也遵从热力学第二定律。

三是开放系统。它既与外界交换能量,又与外界交换物质。开放系统比比皆是,生物细胞、城市均是典型的开放系统。他认为,处于远离平衡态的开放系统是在随机因素扰动(即涨落)的诱发下,从不稳定态跃迁到一个新的稳定态的有序结构,在此过程中,其内部各要素之间必定发生非线性的相互作用,各要素之间产生相干效应和协调动作,这能在多种演化的可能性中出现个稳定的参量,从而自行产生自组织现象,而孤立系统、封闭系统只能走向“死寂”,不可能产生这种“活的”自组织现象。普利高津的耗散结构论研究的对象不是孤立系统,也不是封闭系统,而是开放系统。他研究的出发点不满足于生命等开放系统的进化是否对应于宇宙的熵增加,是否符合热力学第二定律,而是研究能否用热力学来阐明生命等系统自身的进化过程。

二、耗散结构的形成条件

1、必须是开放系统

自然界的生物种类极其繁多,形态各异,功能复杂,构成了绚丽多彩的生物世界。同时生物界也是自然界中最富有生气和最具神秘感的领域。热力学第二定律告诉我们,一个孤立系统的熵一定会随时间增大,熵达到极大值,系统达到最无序的平衡态,所以孤立系统绝不会出现耗散结构。不能产生有序结构,因此耗散结构一定产生于开放系统,必须存在由环境流向系统的负熵流,而且能够抵消掉系统自身的熵增,才能使系统的熵减小,有序度增加。

2、远离平衡态

普利高津认为,非平衡是有序之源。平衡态是指在没有外界影响条件下热力学系统的各部分宏观性质在长时间里不发生变化的状态。这里所说的没有外界影响,是指系统与外界没有相互作用,既无物质交换,又无能量传递(做功和传热),即系统是孤立系。平衡态与非平衡态是对于某个物理量,在系统内部的各处相等、均匀分布,则称系统在宏观上呈现出的完全均匀状态为系统的平衡态。反之,则称之为非平衡态。这些物理量可以是温度、浓度等。常用熵来描述系统的状态,熵达到最大值时,对应系统呈平衡态,熵未达到最大值时,对应系统呈非平衡态。熵最大意味着系统完全无序,所以,平衡态是无序的或“混乱”的。接近平衡态的非平衡态叫近平衡态,离平衡足够远的非平衡态叫远离平衡态。

在封闭系统中,平衡态是系统的必然的最终态,即终态是“混乱”的,在开放系统中,近平衡态的系统的终态只能是平衡态,趋于“混乱”,只有远离平衡态的系统才可能趋于有序。在一瓶水中滴入一滴墨水,墨水将渐渐在水中扩散,最后墨水在水中均匀分布,扩散停止,这时达到平衡态。

3、非线性

系统的不同元素之间存在着非线性的机制。系统元素之间的线性关系是指一一对应的关系,如元素A的小变化引起B的小变化,A的大变化才能引起B的大变化。如果系统之间是这样一种线性关系,则哪怕是在远离平衡态的开放系统的场合,耗散结构仍然不可能产生。只有在系统的元素间存在非线性机制,即并非一一对应的关系,而是A的小的变化会引起B的大的变化的条件下,在生命系统和社会关系中,这种非线性作用非常常见,正是这种非线性相互作用使得系统内各要素之间产生协同动作和相互效应,从而使得系统从杂乱无章变为井然有序,并且不因外界微小扰动而消失,保持一种活的稳定性,系统才能出现耗散结构。

4、涨落

涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离,它使系统离开了原来的状态或轨道。对稳定系统来说,涨落是一种干扰,它引起系统的无序,这时系统有抗干扰能力,迫使涨落衰减,如果系统处在不稳定的临界状态,小的涨落不仅不会衰减,反而会被放大,驱动系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。这就是耗散结构强调的“涨落导致有序”。

在正常情况下,由于热力学系统相对于其子系统来说非常大,由于外部能量的输入会产生涨落,这时涨落相对于平均值是很小的,即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉,系统总要回到平均值附近,这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响,因而可以被忽略掉。然而,在临界点(即所谓阈值)附近,情况就大不相同了,这时涨落可能不自生自灭,而是被不稳定的系统放大,最后促使系统达到新的宏观态(相变)。阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。在控制参数越过临界值时,原来的热力学分支失去了稳定性,同时产生了新的稳定的耗散结构分支,在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态,其间微小的涨落起到了关键的作用。这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象,叫做突变。耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。

总之,耗散结构理论认为,从混沌到有序,必须满足四个条件:⑴系统必须是开放的,⑵系统必须处于远离平衡态,⑶系统内部存在非线性的相互作用,⑷涨落导致有序。

它把系统与外界的物质、能量、信息的交换,看作是实现自组织的外部条件;把各要素之间发生非线性的相互作用,看作是实现自组织的内在依据;把随机涨落的出现,看作是系统实现自组织的直接诱因。这即是耗散结构理论关于系统演进的内在机制和演化途径。

三、耗散结构理论的应用

1、医学和生命科学

耗散结构理论可以深刻揭示人体的统一性及其与外界因素的统一性,为医学模式转变提供理论依据。因为,这一理论用整体观研究生命现象,并且认为只有开放的、能与外界进行物质、能量、信息交换的系统,才能形成稳定的有序结构。医务工作者掌握耗散结构观点,首先有助于实现从生物医学向生物、心理、社会医学模式转变。其次,有助于临床工作中,形成全方位立体的系统思维。因为,人体是一个开放的,远离平衡态,非线性涨落的自组织系统,因此,耗散结构理论的提出,对于人体生理病理过程的解释,必将进一步推动现代医学的发展。

耗散结构理论提出“非平衡是有序之源”,非平衡,不是不平衡,也不是平衡,而是巨涨落前的远离平衡态,是处于失稳临界点附近没有超过临界点的稳态。与此相对应,失稳包括两方面,一是因平衡变为不平衡而失稳,如细胞外液pH值过高过低将导致碱中毒或酸中毒。二是不平衡趋向平衡而失稳,如细胞外液钾浓度增高,而致高血症;各种组织中较特异酶谱由区别而趋向一致性,意味着癌症出现。所以,现代医学强调的是动态平衡。然面,我们许多医务工作者在实践中,努力纠正不平衡的同时,往往不自觉地走向另一极端追求平衡。而且忽视了心理,社会动态平衡对健康的意义,这对实践是有害的。

实践告诉我们,难治性心力衰竭一类顽症之所以难治,就在于只引入负熵流(即各种改善心衰的措施,包括药物等)并不一定能刺激机体达到临界点,要使机体完成“无序→有序”的跃进,必须使机体远离平衡即机体要有相当的自身活力和抵抗力,通过涨落达到临界点才能使新的跃进完成,使机体从无序状态恢复到有序状态。所以,我们必须注意,治疗中不能单纯依靠药物等一系列外来因素的作用,还必须大力提高患者的整体机能,包括非药物的心理治疗,排除影响机体机能恢复的各种干扰。才能使患者到达非平衡态,通过自组织完成身体的康复。

2、证券市场

热力学的耗散结构理论告诉我们,任何一个开放的系统,均要从外部交换能量。证券交易系统可以看作是一一个远离平衡的非平衡的开放系统。它通过不断地与外界交换物质(补充资金或抽走资金)、能量(市场扩容和证券的其它衍生品种的创新)和信息(证券市场中的各种“消息”“热点”),从周围环境中引进负嫡流来抵消熵增加,由于证券市场存在买,卖价格的“差"(即“势"),因此市场有“涨落”存在,“涨落”对耗散结构的形成具有重要触发作用,通过“涨落"的作用,形成某种时间,空间和功能都具有稳定有序的耗散结构。

所以证券市场一定是开放的,并且要不断的输入负熵流,加强社会管理和监管,强调信息的对称性,强调交易市场的公正.公开、公平、开放等原则,这正是遵循证券市场本身发展演化规律,发挥正券市场的杠杆作用,让非平衡开放的证券市场在一定条件下产生自组织的有序结构。

3、学习型组织构建与知识创新

一个组织或者个人,必须形成知识的耗散结构,才能适应新的环境。

知识耗散结构形成的前提条件

⑴组织是远离平衡态的开放系统,企业或个人开放程度越高,接受外界的新知识就越多,负熵流就越大。

⑵组织内部各个系统之间存在着非线性的相互作用,通过涨落发生突变,产生出新的思想。

例如:企业内部人员的多样性(来自不同的国家和地区,拥有不同的知识机构),思想在进行随机性的碰撞后就会产生蝴蝶效应,涨落越过阈值进而涌现出新思想。

这样组织内部同环境不断地进行知识信息的交换,从而使组织的总熵为负。这些条件对组织发生作用,使之从无序再到有序,从混沌到协同.从而产生自组织现象,进而形成耗散结构。

知识的演进不是按单一轨线方式进行的,而是按照突变分叉、多束轨线方式进行的。当不稳定性达到一定的临界阀域时,就会发生突变分叉。知识耗散结构总是通过某种突变过程出现的,对旧的知识系统产生突变性的替代,从而使知识系统从无序走向有序。企业通过培训引进外部知识,与内部知识和信息进行交换,在互相吸收中发生非线性碰撞作用,从而使动态系统产生许多随机涨落,使系统失去稳定性。当原知识在碰撞中产生的能量累计到一定的阀值时,就会发生知识突变,产生新的知识物质,这就是知识创新。这些创新知识流帮助企业取得更大的成功,企业成功反馈给每个个体,进行形成良性循环,建立学习型组织。

随着环境的不断变化,新的知识需求又冲击知识动态平衡系统,产生新的随机涨落,使系统又处于不稳定无序状态,企业再次需要知识迭代,再次形成新的动态平衡系统,只有这种螺旋上升循环学习才能使企业保持竞争力,反之企业原有的知识不能适应新的环境,系统封闭,熵增致死。

同时企业家创新行为也是一个复杂的自组织耗散结构系统,企业家只有不断开放自己,开阔视野,从各种知识的激烈冲突与碰撞中,产生创新冲动与创新火花通过各种非平衡产生的势差,才能推动创新行为朝着有序的方向演化。企业家的任何一项创新活动都不是独立进行的,必须不断从外部环境引入人才、信息、资金等负熵流,多层次、多角度激发创新思维,培养自己的创新精神与创新能力。

总结

普利高津的耗散结构论把必然性与偶然性、生物学和物理学、自然科学与人文科学重新结合在一起。无论是世界经济系统、国家经济系统、微观经济系统、证券系统、生物系统、人类系统、生命系统等,都呈现为一种演进过程中的开放系统态势,必须通过与外界交换物质、能量和信息,不断地从外界引入负熵,以抵消对象体内正熵的增加,提供一种高效的变换机制,这种机制亦即由“微涨落”转换成为“巨涨落”的非线性作用机制。越过阈值产生相变,达到远离平衡态,形成“耗散结构”的自组织机制。正是这种自组织机制的出现,才能确保各种复杂系统不断地走向更高层次的稳定有序结构,完成从低级向高级的跃迁。

参考资料:

证券市场耗散结构及涨落分析   程启月 邱蔻华

耗散结构理论的建立   沈小峰 胡岗 姜璐

耗散结构论的经济发展观  汤正仁

基于耗散结构论的知识流分析  王越

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