东方文捷 / 待分类 / 《耗散结构》《协同学》《超循环理论》

分享

   

《耗散结构》《协同学》《超循环理论》

2018-07-12  东方文捷
耗散结构理论
 闵家胤 
 耗散结构理论  耗散结构理论的创始人是比利时科学家伊里亚·普里高津(Ilya Prigogine)1969年他在一次理论物理学和生物学国际会议上正式提出。后来,由于对非平衡态热力学尤其是耗散结构理论的贡献,他荣获了1977年诺贝尔化学奖。最简单地说,耗散结构是开放系统在远离平衡的区域依靠不断耗散能量维持的非平衡稳定结构。要真正弄懂这句话,需要先讲清楚多个物理学的基本概念。  

最通俗地说,热力学就是研究热量传输规律的力学。热力学第一定律是能量守恒和转换定律。热力学第二定律讲在自然条件下热量只能单向地从高温向低温传输,即趋向平衡。一根铜棒,或容器中的水,或容器中的空气,两端或各个点的温度相等,就处在平衡态;有较小温差,是近平衡态;有较大温差,是非平衡态;出现巨大温差,就是远离平衡。热力学第二定律实际上是讲,热量传输的自然规律是从非平衡态趋向平衡态。稳定性是系统抗拒干扰保持结构不变或动力学特征不变的能力。稳定分静态稳定和动态稳定,一块金刚石晶体,长期保持静态稳定,一般的外界扰动不能引起任何变化;一个健康的人体保持动态稳定,对外界扰动引起的体温、脉搏、血糖、血脂等参量的波动,他总能抗拒扰动使它们恢复正常状态。稳定态和平衡态既有联系,又有区别。平衡态肯定是稳定态,而稳定态却不一定是平衡态。耗散结构就是一种远离平衡的稳定态,但却不是静态的稳定态,而是动态的稳定态。

普里高津耗散结构理论把宏观系统区分为三类:①与外界既无能量交换又无物质交换的孤立系统;②与外界有能量交换但无物质交换的封闭系统;③与外界既有能量交换又有物质交换的开放系统。它指出,孤立系统永远不可能自发地形成有序状态,其发展的趋势是趋向平衡,趋向最大熵,即趋向平衡无序状态;封闭系统在温度充分低时,可以形成稳定有序的平衡结构;开放系统在远离平衡态并存在负熵流时,可能形成稳定有序的耗散结构

    还需要讲清楚的一个基本概念是“非线性”。线性非线性原本是是数学概念。按初等代数,一次正比例函数y = f (x),在笛卡尔直角坐标系做出的图像是一条直线,应变量y随自变量x成倍增长,满足"线性叠加"关系,因此被称为“线性关系”。其它函数则为非线性函数,其图像不是直线,而是各式各样的规则曲线或不规则曲线。线性关系是互不相干的独立关系,而非线性则是多种因素相互作用的相干关系。按普里高津的研究成果,即使是开放系统,在持续的热能负熵流作用下,在接近平衡的线性区域,也不会出现耗散结构;只有进入远离平衡的非线性区域,在系统内部出现了多种因素相干作用的情况下,通过某个或某些涨落突然放大,才出现耗散结构。

出现耗散结构最简单和最直观的实例是烧开水。将扁平容器装满自来水,放到天然气灶上开小火加热。最初容器中的水各处温度相等,处于平衡态。过一段时间,底部与顶部出现温差,容器中的水进入近平衡态。当温差达到某一特定值时,进入远离平衡的非线性区域,于是出现自组织现象:在容器底部水分子自动组织起来形成六角形小水泡;水分子从每个水泡的中心涌起,再从边缘下沉,形成规则的对流,从上往下可以看到蜂窝状花纹。这种稳定的有序结构就是耗散结构,它靠不断耗散天然气灶火传来的持续的能量流维持着;一关火,能量流断了,蜂窝状的耗散结构很快就消失了。

到这里,我们就可以对耗散结构理论做一个更全面的概括:一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构,由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持,因此被称为耗散结构”(dissipative structure),其理论又被称为非平衡态热力学。

有必要说明的是,按照上述定义,耗散结构理论的关键是“开放系统在负熵流持续作用下可导致出现有序结构”,对这一点普里高津做了数学证明,或者说找出了这类系统的数学同构性,这就是著名的普里高津微分方程。

他写道:“在时间间隔dt内,系统熵S的改变dS应该由两部分贡献:

dS = de S + diS

其中de S 是系统与外界交换能量和物质引入的负熵流diS 是系统内部不可逆的自发的增熵。按照热力学第二定律diS 0 。所以对孤立系统来说由于de S = 0则系统的总熵变化dS = diS 0。对开放系统来说,总熵变化可以小于零,只要de S + diS < 0, de S < - diS。可见,大于自发增熵的负熵流可以使开放系统总熵值减小,从而形成有序结构。”[1]

    耗散结构可以通过“巨涨落放大”而进化,这就需要解释什么是“涨落”。涨落是指对系统稳定状态的偏离,它是实际存在的所有复杂系统特别是微观粒子构成的复杂系统的固有特征。 涨落总是围绕系统多种参量平均值自发地、随机地产生,通常是一种自生自灭的波动;可是,在远离平衡的区域,在临界点阈值附近,情况就大不相同了。这时涨落可能被系统放大,变成巨涨落,从而导致系统突变,原有结构瓦解和新结构诞生,整个系统进化到新的结构和新的宏观状态。

总之,对耗散结构,我们应当记住这样几句格言式的口头禅:开放系统是前提,持续的负熵流是动力,非平衡态是有序之源,涨落导致有序和进化。



[1] 《普里高津与耗散结构理论》,第241页,湛垦华 沈小峰等编,陕西科学技术出版社,西安,1982年。


协同学 

 闵家胤

协同学 (Synergetics)  协同学是德国理论物理学家哈肯20世纪70年代创立的。哈肯60年代初最先投入对激光的研究,他发现在光子协同现象背后隐藏着某种更为深刻的普遍规律。1969年哈肯首次提出Synergetics协同学),这一德文名称来自希腊文,原意是“一个系统的各个部分协同工作”; 1973年首届以Synergetics为题国际会议论文集《协同学》出版,标志学科诞生。随后哈肯接连出版《协同学导论》、《高等协同学》等书,这门新学科走向成熟。

   协同学是一种自组织原理,研究在接近相变临界点时,由于序参量发挥主导作用支配原先是无序的子系统呈现协调一致的运动致使系统整体发生对称性破缺并形成空间或时间宏观结构的规律。

要把协同学的这个定义完全读懂,我们仍然需要先搞清楚某些基本概念。

首先要区分控制参量和状态变量。在系统的数学模型中,一般有两种变量:控制参量和状态变量。控制参量反映系统对环境依存和环境对系统制约的关系,经常是一些给定的常数。状态变量是反映系统状态变化的诸多变量。由控制参量和状态变量共同构成的描述系统动态变化的数学方程式叫状态方程

哈肯在“控制参量”和“状态变量”之外提出“序参量”(Order Parameter),因为他发现,在系统相变过程中,有一个或几个状态变量最初为0,然后逐渐增大变为正数值。同其它状态变量相比,这一个或几个变化慢,因此被称为“慢变量”(慢弛豫参量),而其它状态变量则被称为“快变量”。这一个或几个慢变量可以表征系统对称性破缺的程度或者有序化的程度,于是被命名为序参量

在系统相变过程中,序参量支配、主宰众多变化快的状态变量的现象叫“支配原理”。在相应的数学模型中,由于快变量先期到达相变点我们可以用导数取零的办法将其消去,进而得出仅含序参量的微分方程,于是只需要计算这个起决定作用的方程我们就能近似描述系统从失稳的热力学分支到稳定的耗散结构演化的过程。

物理学通常将事物原来有某种对称性,后来丧失了这种对称性,从而对称性降低了的现象叫做对称性破缺。系统科学后来发现, 两个事物比较,对称性高的更无序而对称性低的更有序。这样一来,我们就可以说,进化是从无序到有序,从高对称性到低对称性的不断发生对称性破缺的过程。于是,“对称性破缺”就成了进化的一种尺度。举一个最浅显的例子,几何对称性指图形旋转后与原图形的重合。按这个标准,圆形有3600360种对称性,正方形有9001800两种对称性,而长方形就只有1800一种对称性。圆形→正方形→长方形就是对称性破缺过程,意即几何图形的进化过程。

现在,让我们以激光为例说明什么是协同学。激光器由一根晶棒或充满气体的玻璃管构成,两端有反射光子的两面镜子,其一部分透光。当光泵对内中的激光材料进行激发时,受激原子的电子跃迁到外轨道,可是它并不稳定,一旦退激它们就从外轨道退迁回内轨道并发射光子。最初激光器中的光场杂乱无章,发出的是自然光;可是,当光泵功率增大到一定阈值后,这些受激原子的电子便会以规则方式退迁,实现粒子数反转,发出相同方向和相位的光子。这些光子经一端镜子反射后,从另一端的一个小孔辐射出去,形成频率相同的极强的光(比太阳光强100亿倍)。在诸状态变量中,“平均光场强度”是慢变量,支配其它变量,成为表征光子协同和有序度的序参量。[1]

最后,需要说明的是,协同学发现的序参量及其支配原理,仅适用于系统接近相变点的临界状态,而在远离相变点的时刻一般状态下,则诸多快变量共同发挥支配作用。与此相关,在研究系统小尺度演化时,我们可以忽略作为慢变量的序参量,而仅仅注意诸多快变量对系统的支配;反之,在研究系统大尺度演化时,我们忽略的是诸多快变量,而集中注意作为慢变量的序参量。

受到上述原理的启发,在我们研究一个社会系统的演化时,就短期事件而言,我们注意的是作为快变量的人心所向、舆论动向、某些偶然事件以及某些个人发挥的作用;相反,就长期的历史进程而言,我们会发现最终是作为慢变量-序参量的文化在隐秘地支配着历史的的进程。愿知其详,可以阅读我提出的“社会文化遗传基因(S-CDNA)学说”。



[1] 《系统科学导论》,第70页,谭璐 姜璐编著,北京师范大学出版社


 超循环理论

闵家胤 

超循环理论(hypercycle theory)超循环理论是德国诺贝尔化学奖得主M·艾根(M·Eigen)在1971年提出的一种新的自组织理论,所论问题超出物理学进入化学-生物学层次。人们早就知道,生命进化过程分为化学进化和生物学进化,在这两个阶段之间有一个生物大分子的自组织进化阶段,完成从生物大分子到原始细胞的进化,艾根发现这个阶段生物大分子自组织的形式是超循环。

所谓“超循环”,就是由两个或两个以上循环圈耦合形成的更高一级和更大规模的循环圈内的循环,而超循环理论则是解释具有自催化能力的生物大分子拟种,通过随机选择最终形成交叉催化闭合环路,完成从无生命系统到生命系统进化的自组织理论。

“拟种”(quasi-species)又被称为分子物种,指前细胞进化过程中形成的具有自组织、自复制和自催化功能的相对稳定的大分子群体。“耦合”(coupling)指两个系统之间的一种特殊关系:A系统的输出是B系统的输入,而B系统的输出又是A系统的输入。“自催化”指化学反应的某种产物又反过来加快该反应的速度,而“交叉催化”则指两个化学反应的某种产物互相加快对方的反应速度。

艾根认为,在生命的原始汤中已经出现了某些生物大分子拟种,包括核酸和蛋白质。核酸是自复制的信息模板,它所编码的蛋白质又反过来作为酶催化特定化学反应,加速另一段核酸(RNA)和蛋白质的自复制,这样便形成超循环结构。他写道:“由核酸和蛋白质之间的耦合(非线性的)所产生的反应循环层级已经表明了生命系统的本质特征,并且一直进化到活细胞。”[1]这种超循环结构的出现是“非决定论的,但又是不可避免的”;并且有“一旦-永远”特征,即一旦出现便永远保存;因为,凭借更快的复制速度和更高的稳定性,它们会赢得大分子层次上的达尔文生物竞争优势。

在艾根的《超循环论》这本书里有一节的标题是“问题和伪问题”,在那里我们读到有趣的讨论。他认为,在生命微观层次上问“先有核酸还是先有蛋白质”,恰好相当于在宏观层次上问“先有鸡还是先有蛋”。他认为这都是伪问题,核酸和蛋白质先是在生命的原始汤里分别产生出来的,然而一旦它们耦合形成一个完整的超循环结构,就再也说不出来谁先谁后了。我还可以补充说,这就像是对于一个已经画好了的圆形,你永远找不出来哪个点是起点,哪个点是终点。

诚然,超循环理论是在生物化学领域发展起来的新学科,然而这个理论把握的系统同型性具有普遍意义,所以它就成为系统科学的一个学科。我们在生态系统中可以找出难以数计的超循环结构,它们被称为“共生关系”。在现代社会系统内,教育-科研-生产实际上庞大的超循环结构。在全球社会,谁会否认欧盟是在37个欧洲国家层次之上涌现出来的具有超循环结构的国家联盟系统?谁会看不到,效仿欧盟,东亚十国正在努力形成类似的超循环国家联盟?并且,即便是在政治、经济和意识形态方面严重对立的中国-美国之间,在金融、商贸等领域不也是业已形成俱荣俱毁的超循环关系了吗?


[1] 《超循环论》,第371页,M·艾根、P·舒斯特尔著,曾国屏、沈小峰译,上海译文出版社,1990



    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>