耗散结构论.doc

在新技革命浪潮中代科学方法从系统论、控制论和信息论发展到耗散结构论dis-siPativestructuretheory)、协同论(SynergeticS)、突变论(Catastrophetheory)。有人把前三者叫作“老三论”，后三者叫作“新三论”。这种称谓有一定道理，但不够确切。其实，“新三论”是系统论的继续与发展，不如统称“系统科学”为好。系统科学发展到耗散结构论、协同论和突变论，标志着现代科学技术已进入高一层次的综合化、整体化的新阶段。它们是人们认识客观事物内在因素及其与外部环境多维联系的有力工具，在情报学研究中已得到初步应用。一、耗散结构论概述1.古代的混沌一有序观中国古代哲学家认为自然界是从毫无秩序的一片混乱发展起来的。在古人看来，世界之初“混沌相连，视之不见，听之不闻”，后来盘古开天辟地，使清者上升为天，浊者下沉为地，从而形成天地分明的秩序。在印度古代世尊歌中，把上帝称为世界上最完美的东西，后来上帝创造出来的人，就不如上帝那样完美有序了，而人再繁衍下来的后代越来越不完美，越来越混乱了。你若不信，就挣开眼睛看一看吧，世界上到处是饥饿、灾荒、欺诈和战争。上述的看法反映了古代两种混沌一有序观:一种认为事物发展越来越有序;另一种认为事物发展越来越混乱。2.无序与有序的概念什么是无序呢?无序就是混乱，指事物内部诸要素或事物之间混乱而毫无规则的组合，以及事物转化的无规则性。什么是有序呢?有序指事物内部诸要素或事物之间有规则的组合、联系和转化。如作物春生夏长，秋收冬藏，应时按节，花开花落，四季循环，周而复始。自然界的事物究竟是从无序向有序发展，还是从有序向无序发展，这个问题在科学家中引起争论，典型的代表是克劳修斯与达尔文之争。3.克劳修斯与达尔文之争克劳修斯(ClausiusR.)是著名的物理学家。他认为世界是从有序向无序退化。由他发现的热力学第二定律就是明证。什么是热力学第二定律呢?首先，我们介绍一个物理量一嫡。在热力学中，为了描述系统状态混乱的程度，提出一个重要的概念一嫡(EntroPy)。该词来自希腊语，是发展变化的意思，以S表示。嫡就是混乱程度的测量单位。据此定义，高嫡态对应着无序，低嫡态对应着有序。换句话讲，系统越是混乱，嫡值就越大。系统越是有序，嫡值就越小。所谓热力学第二定律，就是在孤立系统内，自发的演化过程总是朝着滴增加的方向变化。当嫡达到最大值时，对应着热力学平衡状态，即系统的最大无序，最大混乱，这就叫作“热寂”，即“热死”，意味着系统静止，功能消失。进化论创造人达尔文认为，自然界存在着从无序到有序的发展，从低级有序向高级有序转化的现象。简单的细胞生物，经过一系统从低级有序向高级有序的进化，最后产生高度有序的人。因此，世界总是从无序向有序发展。生物的进化便是明证。两人的观点针锋相对，争论不休。后来，普里高津解决了这个问题。4.耗散结构论的提出1969年，比利时自由大学教授普里高津(Prigo-gene)提出耗散结构理论，证明自然界可以同时存在从混沌(无序)到有序和从有序到混沌的现象，从而“协助人类解决了科学上一项最扰人而又似是而非的问题”，即所谓达尔文与克劳修斯的矛盾进化与退化的矛盾问题，因而，耗散结构理论被誉为“七十年代化学领域的辉煌成就之一”。普里高津也因此项成就而获得1977年的化学诺贝尔奖。美国著名的未来学家托夫勒(A.Toffler)在第三次浪潮一书中指出“这一理论是第三次浪潮引起的思想领域的大变动的重要标志之一”。他在给普里高津有序来自混沌(orderoutorehoas)一书的前言中写到“这一理论可能代表下一次科学革命”。5.耗散结构理论的要点耗散结构理论主要讨论一个系统从混沌向有序转化的机理、条件和规律。它指出，一个远离平衡态的开放系统(不管是力学的、物理的、化学的，还是生物的、社会的)，当其某个变量变化到一定的临界值时，通过涨落发生突变，即发生非正衡相变。原来的混沌无序状态就有可能转变为一种时间、空间、功能有序的新状态。这种在远离平衡的非线性区形成的宏观有序结构，需要不断与外界交换物质和能量才能保持一定的稳定性，不再因受外界微小扰动而消失。普里高津把这种需要耗散物质和能量才能维持的有序结构，叫作耗散结构。而这种系统在一定条件下能够自行产生组织性和相干性。因此，耗散结构理论也叫非平衡系统的自组织理论。要想形成并维持系统的耗散结构，必须遵循下列四个条件。第一:系统必须是一个开放系统。系统本身要同周围环境有物质、能量、信息的交换。任何系统，按其与周围环境有无物质、能量和信息的交换，可分为三种类型:孤立系统，封闭系统和开放系统。孤立系统是与外界既没有物质，也没有能量和信息交换的系统。严格地说，世界上不存在真正的孤立系统。封闭系统是与外界有能量交换(因而也有信息交换)，但没有物质交换的系统。开放系统是一种与外界自由地进行物质和能量及信息交换的系统。城市就是一个典型的开放系统。它输进食物、燃料、建材、各种信息等，同时它又输出产品和废料。耗散结构存在于开放系统之中。只有系统不断与外界有能量、物质、信息的交流，才能形成新的有序结构并维持下去。一个系统内部不断有嫡的产生，同时又从外部引进嫡来，使本身的总嫡发生变化。设ds为系统的总嫡变化量，其值等于:ds=des+ds式中，d。s由于系统与外界交换物质与能量所引起的嫡变化，可为负值、零值或正值。d.s由于系统不可逆过程所引起的嫡变化，按照热力学第二定律d】s一()，为了产生有序结构，必须使d。”为负值，即引进负墒流，而且其绝对值大于系统内部所产生的嫡变值即，d。s一d15这样，才能实现ds、一O，即总墒的变化为负值，才能促使系统朝着有序方向演变。第二:系统必须处于远离平衡的状态。一个孤立系统各参数达到不再随时间变化的状态，称为平衡状态。例如温度处处相同的系统，就是处于热平衡状态。此时，系统处于嫡极大的混乱状态，不可能产生有序结构。即使系统处于离平衡状态不远的近平衡区并与外界有物质与能量的交换，但由于自身的抗干扰能力而又自发地回到平衡状态，也不能产生新的有序结构。只有系统远离平衡状态时，才有可能形成有序结构。从这个意义上讲，普重高津得出，非平衡是有序之源”的结论。第三:系统各要素之间，必须存在着非线性的相互作用。一个开放系统，即使有大于内嫡的负嫡流注入，也不一定形成有序结构。只有系统内部各要素之间产生相互协调动作和相干效应，才能使系统从杂乱无章变为井然有序。例如，混乱的发光原子线性叠加以后，仍然是混乱的，只有当发光的原子产生非线性的相干效应，才能形成位相、频率均匀的激光，产生新的有序结构。各要素非线性的相互作用，t决定着系统向有序发展的方向，然而，系统的发展方向不只有一个，而可能有很多个。系统的这种不同的演化结果称之为非线性方程的不同分支解。有的解是稳定的，有的解是不稳定的，这一方程可用分支点理论求解。第四:涨落导致有序。一个系统从混沌向有序的演化，既然有几种可能性，或者说出现几个分支解，那么系统怎样不跃迁到一个稳定有序的解_L去呢?通过理论证明，在这个跃迁过程中偶然性的随机涨落起着十分重要的作用，即通过涨落导致有序。什么叫涨落呢?涨落就是起伏不定，指系统中某个变量或行为对平均值的偏离，它使系统离开原来的状态和轨道。当然不是所有的涨落都导致系统从无序向有序发展。当系统处于稳定状态时，涨落是一种干扰，它会引起系统运动轨道的混乱，但系统具有抗干扰能力，它迫使涨落逐渐衰减，使其回到原来的状态或轨道。如果系统处于不稳定的临界状态，涨落便起作用，它不会衰减，反而放大成巨涨落，使系从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。这就是“涨落异致有序”。耗散结构论是研究耗散结构的性质及其形成、稳定和演变规律的一门科学。这一理论揭示J一从混饨无序状态向稳定有序状态发展的过程，现已)泛应用于化学、生物、天文、气象、医学、地质、冶金、环境科学乃至社会科学的领域中。协同论概述1.协同论的由来我们从孩童时候起，常常对自然界感到十分惊异，我们周围的万物组织得那么谐调，那么均匀。这一切似乎都是按既定的周密计划建造的。许多宗教，力求解释或肯定宇宙的和谐性，常常把神或_L帝创造的世界用相互协调作用形成的有序性来解释。例如，圣经上说，上帝首先区分光明与黑暗，陆地与海洋。我们现在对宇宙作科学解释时，总想说明，自然界是怎样从原来的混沌状态呈现出一定的秩序，又怎样形成有序结构，然后复杂化。这里存在一些共同的特征:自组织现象。什么是自组织现象呢?“自组织”相对“组织”而言。凡是靠外部指令支配的协调行为，叫作“组织”，例如，每位工人按照厂长发出的指令，以一定的方式活动，这就是“组织”，而“自组织”则是工人按照相互默契的某种规则，各尽其能地协同合作，进行与“组织”同样的过程，但在此过程中的协调行为，不是靠外部，而是内部自行组建起来的，这就是“自组织”。自然系统.一般是多元动态集合体，它对来自外界的作用，具有稳定性，自更新性、自复杂性和自协同性，自然系统多为自组织系统。.但是人工系统，在外界作用有少许变化或控制稍有误差，其功能就迅速恶化，对比自然系统和人工系统这两种状况，迫使人们思考这样一个问题:能不能借用自然系统的这些特点来改进人工系统呢?.协同论(Synergetics)就是在这样的背景条件下涎生的。协同论这个词来自希腊文。v。PT6A，原意是协同作用，在生理学中表示“共动筋”。“共动筋”就是一组共同为实现一个动作的筋肉。在物理学中该术语意味着某些因素的协同作用。1977年，西德著名的物理学家哈肯(H.Ilaken)提出了协同论。他把统计学与动力学美妙地结合在-起，创立了全面的描述系统由无序向有序转变的自组织理论。协同学由于它所研究的现象十分普遍，因而发展极为迅速。哈肯由此于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔森A.Mieehelson)奖章。2.协同论的主要内容协同论又称协同学、协和学。它是一门描述系统从无序到有序和从有序到无序相互转变的条件和规律的一门横断学科。其要点如下:1)协同论较之耗散结构论向前近进一大步，就在于它首次把无序和有序真正统一起来、耗散结构论主要研究远离平衡的开放系统，这种系统在保证与外界有物质流、能量流交换的情况下可自发地产生一定的有序结构或功能。而协同论不仅研究这类系统从无序向有序的演化规律，而且还研究从有序向混沌的演化规律。2)无论什么系统，都是大量子系统相互协同的有机整体，都可以用同样的理论方案和数学模型进行处理。哈肯指出:各种不同性质、不同成分的子系统，诸如电子、原子、分子、光子、细胞、_动物和人，当它们自身组织起来形成电子振荡，流休花纹，化学波、激光束、器官、动物群体和人类社会时均遵循某种共同的原理，即通过子系统之间的协同作用和相干效应，在宏观尺度上产生空间、时间或功能有序的结构。3)用序参量的概念描述一个系统的宏观有序的程度，通过序参量的变化刻画一个系统从无序向有序的转变。什么叫作序参量呢?序参量是描述系统有序程度的一个或几个物理量。它的大小代表一个系统有序程度的大小。其变化反映了系统有序与无序之间的转化。在任意一个系统中各子系统既右自发的无规则的独立运动，又有子系统之间的协同运动。当物质从一种状态向另一种状态转变以前，各子系统之间的关联束缚不住子系统的独立运动，此时子系统的独立运动占主导地位，整个系统呈无序状态，序参量为零。但随着控制参量不断变化，系统向状态变化的临接点接近时，各子系统之间的关连运动占主导地位，因而它所引起的协同运动控制了系统，系统的)序参量从零很快地增大起来。序参量是所有子系统对协同运动的贡献的总和，反映了子系统之间的关联的强弱。序参来源于子系统，但又支配着子系统。通常，我们描过某个系统的某个方面状态变化时，总是以具有对应性质的某种模型来表示子系统，然后再找到围绕这种性质所出现的子系统祸合或关联。这样，对数目巨大的子一系统(少一102，数量级)所组成的系统来说，必需建橇.难以胜数的偏微分方程。但是，如果把所有的参量分析一下，就会发现，这些参数在临界点所表现的临界行为却相差悬殊。其中绝大多数的参量阻尼大，衰减快，对系统的演化过程，对系统的过渡行为和发展方向，不起明显的作用。这种参量叫作快驰豫参量。也就是说，在临界点附近阻尼大、衰减快，对整个转化进程没有明显影响的参数，就是快驰豫参量。此外，还有一个或少数几个参量，它们在临界点处的阻尼系统趋于零，即出现了临界无阻尼现象，这类参量叫作慢驰豫参量，它自始至终决定着系统的整个演化进程，决定着演化结果所出现的结构和功能，因此，慢驰豫参量是表示系统的有序度的序参量。正象经过一系列的工序生产某种产晶时，产品的产量取决于加工最慢的那道工序一样。为了抓住主要矛盾，可以忽略快驰豫参量变化对系统演化的影响。如果解偏微分方程，可令快驰豫参量的时间微商等于零然后将得到的关系式代入其它方程，由此便得到慢驰豫参量的演化方程-一序参量方程。这就是绝热消去原理，它可使求解的方程大大简化。4)协同导致有序一个系统的协同作用是通过内部的矛盾斗争来实现的。这里“协同作用有三层意思:第一层意思，系指子系统之间的关联引起协同运动，随着控制参量直到临界点，子系统之间的关联所形成的宏观规则运亏沙便占主导地位，一子系统介入协同运动的程度就越大。我们用统计方法，可以得到一个平均值，这就是序参量第二层意思，系指系统在临界点可能同时存在几个序参量，每个序参量都包含一组微观状态，一并对应着要实现的一定的宏观结构。每个序参量都企图“吃掉”对方，独立主宰系统，但是，当它们的衰减常数相近，处于势均力敌的状态时，彼此便自动采取妥协的办法，通过合作，协同一致地主宰系统。此时系统的有序结构是序参量之间的协同合作产生的。第三层意思，系指随着控制参量继续变化，序参量之间的竞争日趋尖锐，直到达到新的闭值时，系统只有一个序参量取胜，由它单独主宰系统，形成新的有序结构，如果从子系统之间协同运动来看，也可以说达到了更高一级的协同，即更高一级的有序。协同论的提出，在哲学上有其深远意义。辩证法中有一个原理:抓主要矛盾。哈肯把