非平衡與系統演化過程的初探

非平衡與系統演化過程的初探

　　非平衡與系統演化過程的初探
　　
　　溫文杰（太原科技大學 哲學研究所，太原 030024）
　　
　　摘 要：隨著對非平衡和系統演化研究的不斷深入，我們對于復雜系統在非平衡條件下的演化有了更深入的認識。非平衡作為系統演化更為基本的現象，分析研究非平衡的問題豐富和發展了系統科學，從而對人類的思維觀念和思想方法產生了根本性的影響，并使之發生了根本性的變革。到今天系統科學的理論和方法已經廣泛地滲透到自然科學和社會科學的各個領域。
　　
　　關鍵詞：平衡；非平衡；系統演化；自組織
　　
　　中圖分類號：B503.92 文獻標志碼：A 文章編號：1002-2589（2013）03-0023-02
　　
　　自貝塔朗菲于1968年發表了一般系統論的代表著作《一般系統理論——基礎發展與應用》確立了這門科學學術地位并被公認為是這門學科的代表作以來，系統思想也已形成了一股重要的思潮，成為20世紀中葉以來發展最快的一大門綜合性的科學，日益發揮重大而深遠的影響。系統是普遍存在的，在宇宙間，從基本粒子到銀河外星系，從人類社會到人的思維，從無機界到有機界，從自然科學到社會科學，系統無所不在。人們對非平衡問題的研究源遠流長，從利用牛頓三大定律分析系統演化時，我們就認識到非平衡是系統演化的原因同時也是分析系統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組織理論，平衡、非平衡是研究復雜系統的方法，對復雜系統在非平衡條件下演化的深入研究，我們發現平衡只是非平衡現象的一個特例，非平衡不是“轉瞬即逝的現象”，而是系統演化更基本的現象。通過研究系統的演化、研究在非平衡條件下系統的性質，才能更為深刻地認識事物，了解系統的實質。
　　
　　一、平衡與非平衡
　　
　　蹺蹺板是生活中經常見到的兒童玩具，兩個體重相似的小朋友坐在蹺蹺板兩端，通過細微的調整座位與支點間的距離達到暫時的平衡，或者用腳尖輕觸地面破壞暫時達到的平衡狀態，使蹺蹺板上下來回搖擺。很簡單常見的生活現象，力學的研究從平衡與非平衡的分析入手，幾乎所有復雜的非平衡的問題都是采用各種辦法將運動分解，將力也分解，然后找出部分平衡關系，使非平衡問題變簡單，利用分析平衡問題來解決非平衡問題成為處理非平衡問題的通用方法。在這里人們通過對力的平衡狀態的深入研究奠定了后來對平衡概念的理解。
　　
　　平衡一直是人們認識事物的出發點和主要方面，在絕對的、永恒的物質運動過程中存在著相當的、暫時的靜止和平衡，利用“相對的靜止和平衡”來把握“絕對的運動和非平衡”，人們總是在系統演化的過程中尋找“平衡點”，發現“不變量”，通過“平衡點”或“不變量”來認識事物的本質，進而控制系統的演化與發展。這里的“平衡點”或“不變量”主要是指事物發展變化相對緩慢的階段，是指那些相對變化較慢的狀態變量。絕對的平衡條件下所有狀態變量在任何時間間隔內都不變化，這種情況是與事實相違背的，因此不存在絕對的平衡，平衡是相對的，平衡只是非平衡現象的一個特例，非平衡和運動一樣都是絕對的。
　　
　　平衡是系統發展相對穩定的階段，系統的相對平衡狀態是認識的開始，深入了解系統在非平衡條件下的演化才能了解系統的本質和規律。非平衡情況下的深入了解，不僅有利于了解系統的全面情況，對系統在平衡條件下的穩定、靜止都會有更為深刻的認識。非平衡是系統演化的原因，北京師范大學的姜璐教授指出，系統的平衡態是系統非平衡演化過程中的極限情況，是演化過程無限緩慢時的近似情況。人們只有了解非平衡演化過程中的整體，才能更深刻、更全面地了解平衡態的情況，也只有在這時人們獲得的關于這門學科的知識才能得到廣泛的應用。
　　
　　復雜系統在不同層次上的平衡與非平衡的性質也有所不同，在一個層次上系統是平衡的，在另一個層次上系統又是非平衡的。生態系統中，由食物鏈連接的各個不同的生物種群在通常情況下是平衡的，從宏觀上來看每個種群中生物的數目是不變的、種群分布及其他性質也是不變的；微觀層次上，從生物體來看每個生物體都處在不平衡的狀態，個體不斷由小到大發展直到死亡，各種疾病、突發事件也經常改變著每個個體的發展，如圖1所示。這里種群的平衡正是有大量個體的不平衡性造成的。
　　
　　平衡是人們認識系統的出發點，研究非平衡現象以平衡為基礎。研究非平衡狀態要借助于平衡態，要從簡單的已知的平衡狀態去分析理解復雜的未知的非平衡狀態，平衡態是一種特殊的非平衡狀態，是在系統整個非平衡演化過程中的某個相互作用平衡時的特殊狀態。平衡與非平衡是人們認識客觀事物的兩個相互區別又相互聯系的側面，它們密不可分、相互依存。
　　
　　二、非平衡自組織演化
　　
　　普利高津和哈肯分別提出了以耗散結構理論和協同學為代表的非平衡自組織理論，對研究系統演化問題產生了重要的推動作用。
　　
　　1969年普利高津正式提出了耗散結構理論。“耗散結構”指在開放和遠離平衡態的條件下，在外界環境交換物質和能量的過程中，通過能量耗散和系統內部的非線性動力學機制而形成和維持的宏觀有序結構。經過不懈地努力找到了可以表達耗散結構建立的數學條件、分析方法和模型，就是著名的“布魯塞爾器”，并且以此來分析一般的耗散結構建立的失穩條件，怎樣使體系出現失穩，然后向耗散結構過度。普利高津將克勞修斯的熱力學第二定律加以限定，它只是廣義熱力學定律的一個特例，提出了對于開發系統中系統的總熵變可能出現的四種情況，從而解決了熱力學和生物進化論、克勞修斯和達爾文之間的矛盾。狹義的熱力學第二定律認為整個宇宙將自發的由有序變為無序，最后達到平衡也就是死亡；而生物進化論認為由單細胞生物發展到人，進化越來越有序。普利高津在研究非平衡熱力學時提出與傳統觀點截然不同的新的研究方法，傳統的思維方式將局部非平衡轉化為整體的平衡，將整個系統看做平衡系統，而普利高津將一個系統從整體上看做是非平衡的，把一個非平衡態的問題轉化為許多個局域平衡的問題來研究。
　　
　　20世紀70年代，耗散結構理論之后，德國物理學家赫爾曼·哈肯建立了研究自組織系統有序演化的系統理論——協同學。協同學是研究協同系統從無序到有序的演化規律的學科。協同學的主要內容就是用演化方程來研究協同系統的各種非平衡定態和非平衡相變。哈肯指出系統從無序向有序轉化關鍵在于一個由大量子系統構成的系統，在一定條件下，它的子系統之間通過非線性的相互作用就能夠產生時間結構、空間結構或時空結構，形成一定功能的自組織結構，表現出新的有序狀態。
　　
　　三、非平衡是有序之源
　　
　　“非平衡是有序之源”是自組織理論的一個基本觀點。這個基本的觀點包括兩個方面的含義：一方面是說，系統狀態是遠離平衡態，即指系統的開發和流動；另一方面是說，系統結構為非平衡有序結構，即指對稱性破缺的結構。
　　
　　非平衡的含義是開放和流動，我們可以將“非平衡是有序之源”表述為開放和流動是有序之源。“開放與流動”與耗散直接相關，耗散意指自由度較少的高品質能量向自由度較大的低品質能量轉化，對于非平衡相變，外界給予系統的是高品質（低熵）能量流、物質流和信息流，而系統排出到外界的卻是低品質（高熵）的能量流、信息流和物質流，系統的熵減少而走向有序。世界上任何事物都處于永恒的運動、發展、變化之中，在這之中每一個個別系統都是有生有滅的。系統的產生，就是從無序到有序的轉化；系統的發展，就是有序程度的提高；系統的消亡，就是從有序到無序的轉化（如圖2所示）。自然界的各種系統不斷地與外界進行物質、能量、信息的交換。哈肯認為，“在一個開放系統中各組成部分不斷地相互探索新的位置、新的運動過程或新的反應過程，系統的很多部分都參與了這種過程。在不斷地輸入能量，或許還有新加入的物質的影響下，一種或幾種共同的，也就是集體的運動或反應過程壓倒了其他過程，通常我們認為系統這樣所達到的新狀態具有較高級的有序性。”開放的穩定才是真正的穩定，開放系統思維方式從有機觀點出發，強調系統與環境的有機聯系，從系統與環境保持著物質、能量與信息交換的開放思維角度，去認識系統的穩定性和進化，從生命機體到一切物理世界。
　　
　　非平衡導致的有序主要得益于非平衡的重要性質，對稱性破缺就是非平衡顯示的重要特征，也是一切事物演化發展的基本前提。非平衡就是對稱性破缺，對稱性破缺就是非平衡；平衡就是一種對稱，對稱也是一種平衡。系統要走向有序，就必須打破平衡，使對稱性發生破缺，有序是對稱性破缺的結果。所謂對稱性破缺，是指一定變換下所表現的可變性，或對稱性的降低。由于時間的不可逆以及空間的對稱性破缺，世界才能產生有序性。沒有對稱性破缺，就不會產生宇宙。著名科學家圖靈認為在非平衡或遠離非平衡時，所有的生態都是對稱的，對稱性破缺是進化的重要依據。
　　
　　四、結語
　　
　　綜上所述，如果我們將世界看成是一個開放的世界，物質世界中的任何系統都處于演化的過程中，無論是系統的結構，還是系統的功能，以至系統本身，都是系統在一定條件下、一定階段上的具體表現。而在這里，非平衡是系統演化更基本的現象，非平衡是系統演化的原因，非平衡是分析系統演化的基本方法和工具。通過對非平衡和系統演化研究的不斷深入，特別是在自組織理論的推動下，我們對非平衡條件下系統演化有了更為深刻的認識，同時也使得其他學科也進行了非平衡方面的研究，如非平衡經濟學、非平衡生態學等。
　　
　　參考文獻：
　　
　　[1]姜璐，王德勝，于秀彬。從平衡到非平衡[J].自然辯證法研究，1993，（5）。
　　
　　[2]武杰。跨學科研究與非線性思維[M].北京：中國社會科學出版社，2004.
　　
　　[3]烏杰。哈肯，拉茲洛。洲際對話[M].北京：人民出版社，1988.

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