非平衡与系统演化过程的初探

非平衡与系统演化过程的初探

　　非平衡与系统演化过程的初探
　　
　　温文杰（太原科技大学 哲学研究所，太原 030024）
　　
　　摘 要：随着对非平衡和系统演化研究的不断深入，我们对于复杂系统在非平衡条件下的演化有了更深入的认识。非平衡作为系统演化更为基本的现象，分析研究非平衡的问题丰富和发展了系统科学，从而对人类的思维观念和思想方法产生了根本性的影响，并使之发生了根本性的变革。到今天系统科学的理论和方法已经广泛地渗透到自然科学和社会科学的各个领域。
　　
　　关键词：平衡；非平衡；系统演化；自组织
　　
　　中图分类号：B503.92 文献标志码：A 文章编号：1002-2589（2013）03-0023-02
　　
　　自贝塔朗菲于1968年发表了一般系统论的代表著作《一般系统理论——基础发展与应用》确立了这门科学学术地位并被公认为是这门学科的代表作以来，系统思想也已形成了一股重要的思潮，成为20世纪中叶以来发展最快的一大门综合性的科学，日益发挥重大而深远的影响。系统是普遍存在的，在宇宙间，从基本粒子到银河外星系，从人类社会到人的思维，从无机界到有机界，从自然科学到社会科学，系统无所不在。人们对非平衡问题的研究源远流长，从利用牛顿三大定律分析系统演化时，我们就认识到非平衡是系统演化的原因同时也是分析系统演化的基本方法和工具。而后普利高津和哈肯提出非平衡自组织理论，平衡、非平衡是研究复杂系统的方法，对复杂系统在非平衡条件下演化的深入研究，我们发现平衡只是非平衡现象的一个特例，非平衡不是“转瞬即逝的现象”，而是系统演化更基本的现象。通过研究系统的演化、研究在非平衡条件下系统的性质，才能更为深刻地认识事物，了解系统的实质。
　　
　　一、平衡与非平衡
　　
　　跷跷板是生活中经常见到的儿童玩具，两个体重相似的小朋友坐在跷跷板两端，通过细微的调整座位与支点间的距离达到暂时的平衡，或者用脚尖轻触地面破坏暂时达到的平衡状态，使跷跷板上下来回摇摆。很简单常见的生活现象，力学的研究从平衡与非平衡的分析入手，几乎所有复杂的非平衡的问题都是采用各种办法将运动分解，将力也分解，然后找出部分平衡关系，使非平衡问题变简单，利用分析平衡问题来解决非平衡问题成为处理非平衡问题的通用方法。在这里人们通过对力的平衡状态的深入研究奠定了后来对平衡概念的理解。
　　
　　平衡一直是人们认识事物的出发点和主要方面，在绝对的、永恒的物质运动过程中存在着相当的、暂时的静止和平衡，利用“相对的静止和平衡”来把握“绝对的运动和非平衡”，人们总是在系统演化的过程中寻找“平衡点”，发现“不变量”，通过“平衡点”或“不变量”来认识事物的本质，进而控制系统的演化与发展。这里的“平衡点”或“不变量”主要是指事物发展变化相对缓慢的阶段，是指那些相对变化较慢的状态变量。绝对的平衡条件下所有状态变量在任何时间间隔内都不变化，这种情况是与事实相违背的，因此不存在绝对的平衡，平衡是相对的，平衡只是非平衡现象的一个特例，非平衡和运动一样都是绝对的。
　　
　　平衡是系统发展相对稳定的阶段，系统的相对平衡状态是认识的开始，深入了解系统在非平衡条件下的演化才能了解系统的本质和规律。非平衡情况下的深入了解，不仅有利于了解系统的全面情况，对系统在平衡条件下的稳定、静止都会有更为深刻的认识。非平衡是系统演化的原因，北京师范大学的姜璐教授指出，系统的平衡态是系统非平衡演化过程中的极限情况，是演化过程无限缓慢时的近似情况。人们只有了解非平衡演化过程中的整体，才能更深刻、更全面地了解平衡态的情况，也只有在这时人们获得的关于这门学科的知识才能得到广泛的应用。
　　
　　复杂系统在不同层次上的平衡与非平衡的性质也有所不同，在一个层次上系统是平衡的，在另一个层次上系统又是非平衡的。生态系统中，由食物链连接的各个不同的生物种群在通常情况下是平衡的，从宏观上来看每个种群中生物的数目是不变的、种群分布及其他性质也是不变的；微观层次上，从生物体来看每个生物体都处在不平衡的状态，个体不断由小到大发展直到死亡，各种疾病、突发事件也经常改变着每个个体的发展，如图1所示。这里种群的平衡正是有大量个体的不平衡性造成的。
　　
　　平衡是人们认识系统的出发点，研究非平衡现象以平衡为基础。研究非平衡状态要借助于平衡态，要从简单的已知的平衡状态去分析理解复杂的未知的非平衡状态，平衡态是一种特殊的非平衡状态，是在系统整个非平衡演化过程中的某个相互作用平衡时的特殊状态。平衡与非平衡是人们认识客观事物的两个相互区别又相互联系的侧面，它们密不可分、相互依存。
　　
　　二、非平衡自组织演化
　　
　　普利高津和哈肯分别提出了以耗散结构理论和协同学为代表的非平衡自组织理论，对研究系统演化问题产生了重要的推动作用。
　　
　　1969年普利高津正式提出了耗散结构理论。“耗散结构”指在开放和远离平衡态的条件下，在外界环境交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和系统内部的非线性动力学机制而形成和维持的宏观有序结构。经过不懈地努力找到了可以表达耗散结构建立的数学条件、分析方法和模型，就是著名的“布鲁塞尔器”，并且以此来分析一般的耗散结构建立的失稳条件，怎样使体系出现失稳，然后向耗散结构过度。普利高津将克劳修斯的热力学第二定律加以限定，它只是广义热力学定律的一个特例，提出了对于开发系统中系统的总熵变可能出现的四种情况，从而解决了热力学和生物进化论、克劳修斯和达尔文之间的矛盾。狭义的热力学第二定律认为整个宇宙将自发的由有序变为无序，最后达到平衡也就是死亡；而生物进化论认为由单细胞生物发展到人，进化越来越有序。普利高津在研究非平衡热力学时提出与传统观点截然不同的新的研究方法，传统的思维方式将局部非平衡转化为整体的平衡，将整个系统看做平衡系统，而普利高津将一个系统从整体上看做是非平衡的，把一个非平衡态的问题转化为许多个局域平衡的问题来研究。
　　
　　20世纪70年代，耗散结构理论之后，德国物理学家赫尔曼·哈肯建立了研究自组织系统有序演化的系统理论——协同学。协同学是研究协同系统从无序到有序的演化规律的学科。协同学的主要内容就是用演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和非平衡相变。哈肯指出系统从无序向有序转化关键在于一个由大量子系统构成的系统，在一定条件下，它的子系统之间通过非线性的相互作用就能够产生时间结构、空间结构或时空结构，形成一定功能的自组织结构，表现出新的有序状态。
　　
　　三、非平衡是有序之源
　　
　　“非平衡是有序之源”是自组织理论的一个基本观点。这个基本的观点包括两个方面的含义：一方面是说，系统状态是远离平衡态，即指系统的开发和流动；另一方面是说，系统结构为非平衡有序结构，即指对称性破缺的结构。
　　
　　非平衡的含义是开放和流动，我们可以将“非平衡是有序之源”表述为开放和流动是有序之源。“开放与流动”与耗散直接相关，耗散意指自由度较少的高品质能量向自由度较大的低品质能量转化，对于非平衡相变，外界给予系统的是高品质（低熵）能量流、物质流和信息流，而系统排出到外界的却是低品质（高熵）的能量流、信息流和物质流，系统的熵减少而走向有序。世界上任何事物都处于永恒的运动、发展、变化之中，在这之中每一个个别系统都是有生有灭的。系统的产生，就是从无序到有序的转化；系统的发展，就是有序程度的提高；系统的消亡，就是从有序到无序的转化（如图2所示）。自然界的各种系统不断地与外界进行物质、能量、信息的交换。哈肯认为，“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了这种过程。在不断地输入能量，或许还有新加入的物质的影响下，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，通常我们认为系统这样所达到的新状态具有较高级的有序性。”开放的稳定才是真正的稳定，开放系统思维方式从有机观点出发，强调系统与环境的有机联系，从系统与环境保持着物质、能量与信息交换的开放思维角度，去认识系统的稳定性和进化，从生命机体到一切物理世界。
　　
　　非平衡导致的有序主要得益于非平衡的重要性质，对称性破缺就是非平衡显示的重要特征，也是一切事物演化发展的基本前提。非平衡就是对称性破缺，对称性破缺就是非平衡；平衡就是一种对称，对称也是一种平衡。系统要走向有序，就必须打破平衡，使对称性发生破缺，有序是对称性破缺的结果。所谓对称性破缺，是指一定变换下所表现的可变性，或对称性的降低。由于时间的不可逆以及空间的对称性破缺，世界才能产生有序性。没有对称性破缺，就不会产生宇宙。著名科学家图灵认为在非平衡或远离非平衡时，所有的生态都是对称的，对称性破缺是进化的重要依据。
　　
　　四、结语
　　
　　综上所述，如果我们将世界看成是一个开放的世界，物质世界中的任何系统都处于演化的过程中，无论是系统的结构，还是系统的功能，以至系统本身，都是系统在一定条件下、一定阶段上的具体表现。而在这里，非平衡是系统演化更基本的现象，非平衡是系统演化的原因，非平衡是分析系统演化的基本方法和工具。通过对非平衡和系统演化研究的不断深入，特别是在自组织理论的推动下，我们对非平衡条件下系统演化有了更为深刻的认识，同时也使得其他学科也进行了非平衡方面的研究，如非平衡经济学、非平衡生态学等。
　　
　　参考文献：
　　
　　[1]姜璐，王德胜，于秀彬。从平衡到非平衡[J].自然辩证法研究，1993，（5）。
　　
　　[2]武杰。跨学科研究与非线性思维[M].北京：中国社会科学出版社，2004.
　　
　　[3]乌杰。哈肯，拉兹洛。洲际对话[M].北京：人民出版社，1988.

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