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1、非平衡和系统演化过程的初探自贝塔朗菲于1968年发表了一般系统论的代表着作《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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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。
7、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[1][2][3]下一页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,就是着名的“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
8、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
