非平衡與系統(tǒng)演化過(guò)程的初探

　　非平衡與系統(tǒng)演化過(guò)程的初探
　　
　　溫文杰（太原科技大學(xué) 哲學(xué)研究所，太原 030024）
　　
　　摘 要：隨著對(duì)非平衡和系統(tǒng)演化研究的不斷深入，我們對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)在非平衡條件下的演化有了更深入的認(rèn)識(shí)。非平衡作為系統(tǒng)演化更為基本的現(xiàn)象，分析研究非平衡的問(wèn)題豐富和發(fā)展了系統(tǒng)科學(xué)，從而對(duì)人類的思維觀念和思想方法產(chǎn)生了根本性的影響，并使之發(fā)生了根本性的變革。到今天系統(tǒng)科學(xué)的理論和方法已經(jīng)廣泛地滲透到自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。
　　
　　關(guān)鍵詞：平衡；非平衡；系統(tǒng)演化；自組織
　　
　　中圖分類號(hào)：B503.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-2589（2013）03-0023-02
　　
　　自貝塔朗菲于1968年發(fā)表了一般系統(tǒng)論的代表著作《一般系統(tǒng)理論——基礎(chǔ)發(fā)展與應(yīng)用》確立了這門科學(xué)學(xué)術(shù)地位并被公認(rèn)為是這門學(xué)科的代表作以來(lái)，系統(tǒng)思想也已形成了一股重要的思潮，成為20世紀(jì)中葉以來(lái)發(fā)展最快的一大門綜合性的科學(xué)，日益發(fā)揮重大而深遠(yuǎn)的影響。系統(tǒng)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(huì)到人的思維，從無(wú)機(jī)界到有機(jī)界，從自然科學(xué)到社會(huì)科學(xué)，系統(tǒng)無(wú)所不在。人們對(duì)非平衡問(wèn)題的研究源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，從利用牛頓三大定律分析系統(tǒng)演化時(shí)，我們就認(rèn)識(shí)到非平衡是系統(tǒng)演化的原因同時(shí)也是分析系統(tǒng)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(fù)雜系統(tǒng)的方法，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)在非平衡條件下演化的深入研究，我們發(fā)現(xiàn)平衡只是非平衡現(xiàn)象的一個(gè)特例，非平衡不是“轉(zhuǎn)瞬即逝的現(xiàn)象”，而是系統(tǒng)演化更基本的現(xiàn)象。通過(guò)研究系統(tǒng)的演化、研究在非平衡條件下系統(tǒng)的性質(zhì)，才能更為深刻地認(rèn)識(shí)事物，了解系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。
　　
　　一、平衡與非平衡
　　
　　蹺蹺板是生活中經(jīng)常見到的兒童玩具，兩個(gè)體重相似的小朋友坐在蹺蹺板兩端，通過(guò)細(xì)微的調(diào)整座位與支點(diǎn)間的距離達(dá)到暫時(shí)的平衡，或者用腳尖輕觸地面破壞暫時(shí)達(dá)到的平衡狀態(tài)，使蹺蹺板上下來(lái)回?fù)u擺。很簡(jiǎn)單常見的生活現(xiàn)象，力學(xué)的研究從平衡與非平衡的分析入手，幾乎所有復(fù)雜的非平衡的問(wèn)題都是采用各種辦法將運(yùn)動(dòng)分解，將力也分解，然后找出部分平衡關(guān)系，使非平衡問(wèn)題變簡(jiǎn)單，利用分析平衡問(wèn)題來(lái)解決非平衡問(wèn)題成為處理非平衡問(wèn)題的通用方法。在這里人們通過(guò)對(duì)力的平衡狀態(tài)的深入研究奠定了后來(lái)對(duì)平衡概念的理解。
　　
　　平衡一直是人們認(rèn)識(shí)事物的出發(fā)點(diǎn)和主要方面，在絕對(duì)的、永恒的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在著相當(dāng)?shù)�、暫時(shí)的靜止和平衡，利用“相對(duì)的靜止和平衡”來(lái)把握“絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)和非平衡”，人們總是在系統(tǒng)演化的過(guò)程中尋找“平衡點(diǎn)”，發(fā)現(xiàn)“不變量”，通過(guò)“平衡點(diǎn)”或“不變量”來(lái)認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)，進(jìn)而控制系統(tǒng)的演化與發(fā)展。這里的“平衡點(diǎn)”或“不變量”主要是指事物發(fā)展變化相對(duì)緩慢的階段，是指那些相對(duì)變化較慢的狀態(tài)變量。絕對(duì)的平衡條件下所有狀態(tài)變量在任何時(shí)間間隔內(nèi)都不變化，這種情況是與事實(shí)相違背的，因此不存在絕對(duì)的平衡，平衡是相對(duì)的，平衡只是非平衡現(xiàn)象的一個(gè)特例，非平衡和運(yùn)動(dòng)一樣都是絕對(duì)的。
　　
　　平衡是系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)穩(wěn)定的階段，系統(tǒng)的相對(duì)平衡狀態(tài)是認(rèn)識(shí)的開始，深入了解系統(tǒng)在非平衡條件下的演化才能了解系統(tǒng)的本質(zhì)和規(guī)律。非平衡情況下的深入了解，不僅有利于了解系統(tǒng)的全面情況，對(duì)系統(tǒng)在平衡條件下的穩(wěn)定、靜止都會(huì)有更為深刻的認(rèn)識(shí)。非平衡是系統(tǒng)演化的原因，北京師范大學(xué)的姜璐教授指出，系統(tǒng)的平衡態(tài)是系統(tǒng)非平衡演化過(guò)程中的極限情況，是演化過(guò)程無(wú)限緩慢時(shí)的近似情況。人們只有了解非平衡演化過(guò)程中的整體，才能更深刻、更全面地了解平衡態(tài)的情況，也只有在這時(shí)人們獲得的關(guān)于這門學(xué)科的知識(shí)才能得到廣泛的應(yīng)用。
　　
　　復(fù)雜系統(tǒng)在不同層次上的平衡與非平衡的性質(zhì)也有所不同，在一個(gè)層次上系統(tǒng)是平衡的，在另一個(gè)層次上系統(tǒng)又是非平衡的。生態(tài)系統(tǒng)中，由食物鏈連接的各個(gè)不同的生物種群在通常情況下是平衡的，從宏觀上來(lái)看每個(gè)種群中生物的數(shù)目是不變的、種群分布及其他性質(zhì)也是不變的；微觀層次上，從生物體來(lái)看每個(gè)生物體都處在不平衡的狀態(tài)，個(gè)體不斷由小到大發(fā)展直到死亡，各種疾病、突發(fā)事件也經(jīng)常改變著每個(gè)個(gè)體的發(fā)展，如圖1所示。這里種群的平衡正是有大量個(gè)體的不平衡性造成的。
　　
　　平衡是人們認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)，研究非平衡現(xiàn)象以平衡為基礎(chǔ)。研究非平衡狀態(tài)要借助于平衡態(tài)，要從簡(jiǎn)單的已知的平衡狀態(tài)去分析理解復(fù)雜的未知的非平衡狀態(tài)，平衡態(tài)是一種特殊的非平衡狀態(tài)，是在系統(tǒng)整個(gè)非平衡演化過(guò)程中的某個(gè)相互作用平衡時(shí)的特殊狀態(tài)。平衡與非平衡是人們認(rèn)識(shí)客觀事物的兩個(gè)相互區(qū)別又相互聯(lián)系的側(cè)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(jié)構(gòu)理論和協(xié)同學(xué)為代表的非平衡自組織理論，對(duì)研究系統(tǒng)演化問(wèn)題產(chǎn)生了重要的推動(dòng)作用。
　　
　　1969年普利高津正式提出了耗散結(jié)構(gòu)理論。“耗散結(jié)構(gòu)”指在開放和遠(yuǎn)離平衡態(tài)的條件下，在外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的過(guò)程中，通過(guò)能量耗散和系統(tǒng)內(nèi)部的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制而形成和維持的宏觀有序結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)不懈地努力找到了可以表達(dá)耗散結(jié)構(gòu)建立的數(shù)學(xué)條件、分析方法和模型，就是著名的“布魯塞爾器”，并且以此來(lái)分析一般的耗散結(jié)構(gòu)建立的失穩(wěn)條件，怎樣使體系出現(xiàn)失穩(wěn)，然后向耗散結(jié)構(gòu)過(guò)度。普利高津?qū)⒖藙谛匏沟臒崃�學(xué)第二定律加以限定，它只是廣義熱力學(xué)定律的一個(gè)特例，提出了對(duì)于開發(fā)系統(tǒng)中系統(tǒng)的總熵變可能出現(xiàn)的四種情況，從而解決了熱力學(xué)和生物進(jìn)化論、克勞修斯和達(dá)爾文之間的矛盾。狹義的熱力學(xué)第二定律認(rèn)為整個(gè)宇宙將自發(fā)的由有序變?yōu)闊o(wú)序，最后達(dá)到平衡也就是死亡；而生物進(jìn)化論認(rèn)為由單細(xì)胞生物發(fā)展到人，進(jìn)化越來(lái)越有序。普利高津在研究非平衡熱力學(xué)時(shí)提出與傳統(tǒng)觀點(diǎn)截然不同的新的研究方法，傳統(tǒng)的思維方式將局部非平衡轉(zhuǎn)化為整體的平衡，將整個(gè)系統(tǒng)看做平衡系統(tǒng)，而普利高津?qū)⒁粋�(gè)系統(tǒng)從整體上看做是非平衡的，把一個(gè)非平衡態(tài)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為許多個(gè)局域平衡的問(wèn)題來(lái)研究。
　　
　　20世紀(jì)70年代，耗散結(jié)構(gòu)理論之后，德國(guó)物理學(xué)家赫爾曼·哈肯建立了研究自組織系統(tǒng)有序演化的系統(tǒng)理論——協(xié)同學(xué)。協(xié)同學(xué)是研究協(xié)同系統(tǒng)從無(wú)序到有序的演化規(guī)律的學(xué)科。協(xié)同學(xué)的主要內(nèi)容就是用演化方程來(lái)研究協(xié)同系統(tǒng)的各種非平衡定態(tài)和非平衡相變。哈肯指出系統(tǒng)從無(wú)序向有序轉(zhuǎn)化關(guān)鍵在于一個(gè)由大量子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)，在一定條件下，它的子系統(tǒng)之間通過(guò)非線性的相互作用就能夠產(chǎn)生時(shí)間結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)或時(shí)空結(jié)構(gòu)，形成一定功能的自組織結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出新的有序狀態(tài)。
　　
　　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(gè)基本觀點(diǎn)。這個(gè)基本的觀點(diǎn)包括兩個(gè)方面的含義：一方面是說(shuō)，系統(tǒng)狀態(tài)是遠(yuǎn)離平衡態(tài)，即指系統(tǒng)的開發(fā)和流動(dòng)；另一方面是說(shuō)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為非平衡有序結(jié)構(gòu)，即指對(duì)稱性破缺的結(jié)構(gòu)。
　　
　　非平衡的含義是開放和流動(dòng)，我們可以將“非平衡是有序之源”表述為開放和流動(dòng)是有序之源�！伴_放與流動(dòng)”與耗散直接相關(guān)，耗散意指自由度較少的高品質(zhì)能量向自由度較大的低品質(zhì)能量轉(zhuǎn)化，對(duì)于非平衡相變，外界給予系統(tǒng)的是高品質(zhì)（低熵）能量流、物質(zhì)流和信息流，而系統(tǒng)排出到外界的卻是低品質(zhì)（高熵）的能量流、信息流和物質(zhì)流，系統(tǒng)的熵減少而走向有序。世界上任何事物都處于永恒的運(yùn)動(dòng)、發(fā)展、變化之中，在這之中每一個(gè)個(gè)別系統(tǒng)都是有生有滅的。系統(tǒng)的產(chǎn)生，就是從無(wú)序到有序的轉(zhuǎn)化；系統(tǒng)的發(fā)展，就是有序程度的提高；系統(tǒng)的消亡，就是從有序到無(wú)序的轉(zhuǎn)化（如圖2所示）。自然界的各種系統(tǒng)不斷地與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息的交換。哈肯認(rèn)為，“在一個(gè)開放系統(tǒng)中各組成部分不斷地相互探索新的位置、新的運(yùn)動(dòng)過(guò)程或新的反應(yīng)過(guò)程，系統(tǒng)的很多部分都參與了這種過(guò)程。在不斷地輸入能量，或許還有新加入的物質(zhì)的影響下，一種或幾種共同的，也就是集體的運(yùn)動(dòng)或反應(yīng)過(guò)程壓倒了其他過(guò)程，通常我們認(rèn)為系統(tǒng)這樣所達(dá)到的新狀態(tài)具有較高級(jí)的有序性�！遍_放的穩(wěn)定才是真正的穩(wěn)定，開放系統(tǒng)思維方式從有機(jī)觀點(diǎn)出發(fā)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)與環(huán)境的有機(jī)聯(lián)系，從系統(tǒng)與環(huán)境保持著物質(zhì)、能量與信息交換的開放思維角度，去認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和進(jìn)化，從生命機(jī)體到一切物理世界。
　　
　　非平衡導(dǎo)致的有序主要得益于非平衡的重要性質(zhì)，對(duì)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(fā)展的基本前提。非平衡就是對(duì)稱性破缺，對(duì)稱性破缺就是非平衡；平衡就是一種對(duì)稱，對(duì)稱也是一種平衡。系統(tǒng)要走向有序，就必須打破平衡，使對(duì)稱性發(fā)生破缺，有序是對(duì)稱性破缺的結(jié)果。所謂對(duì)稱性破缺，是指一定變換下所表現(xiàn)的可變性，或?qū)ΨQ性的降低。由于時(shí)間的不可逆以及空間的對(duì)稱性破缺，世界才能產(chǎn)生有序性。沒有對(duì)稱性破缺，就不會(huì)產(chǎn)生宇宙。著名科學(xué)家圖靈認(rèn)為在非平衡或遠(yuǎn)離非平衡時(shí)，所有的生態(tài)都是對(duì)稱的，對(duì)稱性破缺是進(jìn)化的重要依據(jù)。
　　
　　四、結(jié)語(yǔ)
　　
　　綜上所述，如果我們將世界看成是一個(gè)開放的世界，物質(zhì)世界中的任何系統(tǒng)都處于演化的過(guò)程中，無(wú)論是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還是系統(tǒng)的功能，以至系統(tǒng)本身，都是系統(tǒng)在一定條件下、一定階段上的具體表現(xiàn)。而在這里，非平衡是系統(tǒng)演化更基本的現(xiàn)象，非平衡是系統(tǒng)演化的原因，非平衡是分析系統(tǒng)演化的基本方法和工具。通過(guò)對(duì)非平衡和系統(tǒng)演化研究的不斷深入，特別是在自組織理論的推動(dòng)下，我們對(duì)非平衡條件下系統(tǒng)演化有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也使得其他學(xué)科也進(jìn)行了非平衡方面的研究，如非平衡經(jīng)濟(jì)學(xué)、非平衡生態(tài)學(xué)等。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　
　　[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(xué)科研究與非線性思維[M].北京：中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，2004.
　　
　　[3]烏杰。哈肯，拉茲洛。洲際對(duì)話[M].北京：人民出版社，1988.

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