第四章.docx
- 文档编号:18018768
- 上传时间:2023-08-05
- 格式:DOCX
- 页数:8
- 大小:22.40KB
第四章.docx
《第四章.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第四章.docx(8页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
第四章
第四章:
自然界的复杂性
一、几个基本概念:
1、简单和复杂:
客观世界的一切事物既是复杂的又是简单。
复杂中有简单,简单中有复杂。
传统的思维方法爱因斯坦表达得非常精辟:
“从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中,不断地有人力图把表面的上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本概念和关系。
”而在当代的许多科学问题采用这种方法已经有极大的局限性了,因此产生了——复杂性研究
所谓复杂性研究:
就是要把复杂的事物当作复杂的事物来研究。
这并不是是对复杂的事物不需要分析,或完全不用还原方法去解剖。
但复杂性研究的其出发点是:
“复杂——简单——复杂”,而不仅仅是简单——复杂,或复杂——简单。
复杂性研究的方法主要是综合,而不是分析。
(系统论的出现,使人类的思维发生了深刻的变化。
以往研究问题,人们把事物分成若干部分,抽象出最简单的因素来,然后再以部分的性质来说明复杂的事物。
这是笛卡尔奠定的理论基础的分析方法。
这种方法的着眼点在局部要素,遵循的是单项因果决定论,虽然几百年来在特定范围内行之有效、是人们最熟悉的思维方法,但是它不能如实地说明事物的整体性,不能反映事物之间的联系和相互作用,它只能认识较为简单的事物,而不能胜任对复杂问题的研究。
在现代科学的整体化和高度综合化发展的趋势下,在人类面临许多规模巨大、关系复杂、参数众多的复杂问题面前,就显得无能为力了。
正当传统的方法缩手无策的时候,系统分析的方法却能站在时代的前列,别开生面地为现代化复杂问题提供了有效的思维方式。
系统论对复杂问题的研究起了非常重要的作用,复杂问题只能用系统的对复杂问题的方法来解决。
它是笛卡儿似的方法的否定之否定,是科学方法的飞跃。
)
2、线形与非线形(理解复杂性和进行其研究的关键)
(1)线形:
主要指相互作用的量之间比例关系,各个作用是彼此独立的,其作用可以叠加。
结果是稳定的、必然的。
已知M和A就必然确定F。
F=M.A。
(2)非线形:
是指相互作用的量之间没有比例关系,各项变化不均匀,各个作用彼此相干和相叉,叠加原理失效,结果通常是随机的、多元的。
对初始值极度敏感。
“蹄钉效应”:
丢失一个钉子,坏了一只蹄铁;坏了一只蹄铁,折了一匹战马;折了一匹战马,伤了一位骑士;伤了一位骑士,输了一场战斗;输了一场战斗,亡了一个帝国。
这又不妨叫做。
气象上的粉蝶效应
"小蝴蝶"掀起美国政坛风暴。
这些现象是经典科学忽略的东西;也是经典科学无法研究的东西。
所以,对混沌的研究已经对人类的思维产生了革命性的影响——线形思维和非线形思维的矛盾。
3、竞争与协同:
在复杂性研究中,正确认识各要素之间既有竞争又有协同的关系是很重要的。
(1)竞争:
系统内部不同要素之间或不同子系统之间,或不同系统之间,通过某种斗争,而促使系统演化的活动。
(2)协同:
它是系统中许多子系统的联合作用。
(矛盾的同一性)
(协同学在哲学上的一个重要的观点,是认为在系统的各个要素或子系统之间,不仅有相互排除的关系,而且,这些相互竞争的要素还会在一定条件下走向协同。
正是这两股力量的结合,使系统形成活生生的从无序到有序的结构。
前沿52页)。
二、自然界的自组织
1、有序与无序
(1)有序:
是系统各部分(要素)在空间上的分布比较有规则,形成确定的整体结构,或者在时间上的分布有规则形成确定的整体变化程序,有序是时间和空间的规则性、组织性和确定性。
(2)无序:
则是其不规则性、不确定性和混乱。
(任何系统都是有序和无序在不同程度上的统一。
)
(3)序度:
系统有序和无序的相对量或程度,并以此区分为有序化和无序化。
(4)自然悖论:
热力学描写的是典型的无序化过程,生物进化论描述的是有序化过程。
这被称为自然悖论。
(系统的有序和无序是一个整体概念,孤立要素是无所谓有序和无序的。
一个系统中的物质和能量分布不均匀,就会显示出某种有序性。
如果要素分配是均匀的,即任何要素都可以出现在任何位置,整体就显得混乱无序。
)
(5)熵:
是用来度量系统的无序程度。
(热寂说是从低熵到高熵,达尔文主义是从高熵到低熵)反之,用信息来表示系统内的有序程度。
信息可以看为熵的消除和负熵。
2、自组织与他组织
任何系统都有一个产生和形成的过程,(即可认为是从无序到有序的过程)要不是自组织或者是他组织。
A、自组织:
如果系统在获得空间结构或时间结构的过程中并没有特定的外界干预,而是一个自然自发的组织化、有序化和系统化过程。
B、他组织:
如果系统的空间结构和时间结构以及功能结构,是在特定的外界干预下获得其组织化、系统化和有序化,我们称之为他组织。
”
3、自组织的条件
(1)开放系统:
只有开放系统才可能具有发展潜力和实现自组织,封闭系统只会自发地走向混乱和无序。
根据热力学第二定律,孤立系统总是自发的增熵,直到最大熵为止,其表达式为熵增ds≥0。
孤立系统不可能自发地减熵,使系统通过自组织走向有序。
这就是热力学第二定律与进化论冲突的焦点所在。
开放系统的情况不一样了。
开放系统的熵变可以分为两项:
dis+des,其中dis是系统内部不可逆过程产生的熵的变化,称为熵的产生项。
它服从热力学第二定理,其符号总是正的或等于零(在热平衡态),即dis≥0。
des是系统与环境交换物质和能量过程中流入系统的熵,称为熵流项,其符号可正可负。
des的符号正的含义是,系统输入的熵大于系统输出的熵(系统在这种情况下增加无序态);des的符号为负的意义是系统输入的熵小于输出的熵,或者说一般负熵流通过系统。
(此时,系统内有序度增加)。
如果des的符号为负且绝对值等于dis那么负熵流可以抵消系统内部的不可逆的增熵,总的后果是ds=0,从而使系统可以维持其原来的有序度。
如果des的符号为负且绝对值大于dis,则ds<0,系统在总体上还会降低熵,从而有可能提高系统的有序程度。
所以系统开放有足够大的负熵流,是系统维持其有序性和进化的必要条件。
自组织过程必须在开放中才能进行。
一定的开放程度是形成有序的必要条件,但不是充分条件。
一个开放的但并没有自组织现象的系统大量存在,只有当开放系统的外部条件(控制参量)加强并超过一定临界点,使系统越出近平衡的区域,达到远离平衡状态,才可能出现自组织。
(2)远离平衡态:
平衡态或近平衡态的系统没有发展的活力。
“非平衡态是有序之源。
”
A、平衡态:
指系统可测的宏观物理性质均匀(系统内部没有宏观不可逆过程)的状态。
(它遵守热力学第二定律,即系统内部的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功;热力学第二定理,即系统的自发运动总是向着熵增加的方向。
)
B、则远离平衡态:
是指系统内部可测的物理性质极不均匀的状态。
(这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比,可能颇为不同,甚至实际完全相反,系统走向一个宏观有序的状态)
在系统远离平衡态时,一方面,其熵增过程增大,能量耗散加大,已有的结构瓦解加快。
人们从“平衡才有序,非平衡导致混乱“的观点出发,把非平衡和远离平衡的状态只看着是消极的,应力求减少乃至避免的东西。
但是另一方面,正是在远离平衡的状态下,系统有可能不断从外界引入负熵流,熵减过程也加强,产生和维持一种吐故纳新的活结构,也就是进入非常活跃的自组织活动,使系统脱离原来的无序或低序状态向有序或高序突变。
(正所谓,天下大乱达到天下大治,北洋军阀统治时期是中国混乱无序的顶点,同时又是最远离平衡太的状态。
)
(3)涨落:
是对系统稳定状态的偏离,它可以破坏系统的稳定性,也可以使系统失稳而获得新的稳定性。
另定义:
涨落:
一个由大量子系统组成的系统,其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。
但是子系统的每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上,而是或多或少地有所偏差,这些偏差就叫涨落,涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。
在控制参量达到了临界点时,系统定态虽不稳定,但是如果没有任何扰动是不会离开已有的状态的,系统的涨落就是这种扰动。
因此,涨落是自组织的诱因,可以发展成为新有序结构的种子。
(涨落的特点通常是随机的,并且它是系统演化的诱因和契机,这一点要着重理解,这也是复杂性的测不准的根本之所在。
袁世凯、孙中山、毛泽东、邓小平的行为都是一种历史的涨落或历史发展的诱因。
正是涨落构成了变化末测的丰富世界,它不可能是确定的,它是测不准的,令人神往的世界。
)
(4)突变:
这种在临界点附近控制参数的微小变化导致系统状态明显的大幅度变化的现象,叫突变。
(突破平衡态的涨落,就成为了事物变化的至关重要在涨落契机,从而引起了系统的整体更新,可以说是质变的那瞬间的涨落)
(5)非线形相互作用的实现:
线形的相互作用可以强化或弱化原有的功能,只有非线形性相互作用才会导致系统向新的有序结构转化。
在线形系统中,系统要素的相互作用,在宏观上可以综合地看着过程的原因产生过程的结果;而非线形性相互作用可以使过程的结果又影响过程的原因和过程本身,这是反馈作用。
非线形性的正反馈作用把微小的偏差或偶然性的涨落迅速的放大,使系统定态失稳而形成新的有序结构。
在非线形性过程中,一旦环境开启自组织必须的能量之门,就会出现能量倍增,自组织的浪潮便会奔涌而至,一发不可收拾,因而自组织又具有必然性。
(人工生命的倡导者兰顿认为:
“生命是一种形式性质,而非物质性质,是物质组织的结果,而非物质自身固有的东西。
无论核苷酸、氨基酸或碳链分子都不是活的,但是,只要以正确的方法把它们聚集起来,由它们的非线形的相互作用涌现出来的动力学行为就是被我们称为生命的东西。
”这是很有说服力的。
组织在细胞中的分子同处于非细胞实体中的分子并无两样,令人迷惑的“生命力”或“活力”只能是物质分子按照细胞这种结构模式进行组织所带来的涌现性。
生命现象如此,一切涌现现象都如此,都应作为组织的产物来理解。
我们在大自然中看到的至今难以解释的那些整体特性,都是物质世界通过自组织涌现出来的。
(自组织的条件必须具备系统开放的远离平衡态和有随机性的涨落契机,还必须有非线形性相互作用的实现和发生。
)、
耗散结构理论可以概括为:
一个远离平衡态
(1)的非线形
(2)的开放系统(3)(不管是物理的、化学的、生物乃至社会的、经济的系统)通过不断地和外界交换能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,通过涨落(4),系统可能发生突变(5)即非平衡项变,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。
这种远离平衡的非线形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,称之为耗散结构。
三、混沌与系统演化
1、混沌:
确定性系统有内在的随机性;对初始条件的敏感性;初始条件经过非线形作用逐级放大,演化过程会导致重大区别的结果,即“差之毫厘,失之千里”。
在这里,对初始条件的敏感性非常重要,但是同时不能忽略逐级放大。
前沿60页概括起来,人们对混沌有以下几种认识:
1、混沌是决定性的随机的;2、混沌是一种不可预测的随机性行为;3、混沌是一种既有决定性又有随机性的二从状态;4混沌是一种宏观的无序无律的状态。
2、系统演化过程的分叉:
自组织动态系统从来不是平滑地、连续地进化,而是突然的跃迁和爆发,通过演化的分叉,走想复杂性的道路。
(宇宙大爆炸,寒五季生物大爆炸,……)
四、复杂性研究的重大意义
1、重新描绘了世界图景。
经典科学描述的是一个僵死的被动的世界,其行动就像一个自动机,一旦给他编好程序,它就按照程序中描述的规则不停地运动下去。
混沌学的发展以及自组织理论的产生,整个世界的大图景得到了重新的描绘。
整个世界被描绘成一副非线形、非稳定的、不可逆的和不规则的复杂图景。
完全的决定论在这里遭到了最深刻的否定。
自然界和社会中的相互作用实际上都是非线形的,线形作用只是实际情况的近似而已。
2、展示了世界、系统演化的历程。
任何系统都有生有灭,有自己的演化起点和归宿,并且系统演化的一般模式表现为从无序到有序、最后回到无序中。
这是过去一贯的基本观点。
然而,复杂学、混沌理论告诉人们,系统演化的起点和终点不可能是绝对的无序态,而只能是相对的。
混沌过程中包含了产生新的有序结构的必要条件和基础,系统的演化起源于混沌,同时也终结于混沌。
混沌运动为我们重新描绘了系统演化的一般模式。
混沌态
(1)……有序态
(2)……混沌态(3)……有序态(3)……
从这个模式中可以看出系统的“一生”在整个演化历程中所处的地位,它不过是在混沌世界中一个“序”的显现。
单个的孤立系统有如流星一闪而过,而系统群体的演化犹如一把永不熄灭的火炬。
3引起人们对简单与复杂的辨证思考。
简单系统行为简单原因,复杂行为意味作复杂原因,不同的系统有不同的行为和性态。
这曾经是人们共同的信念。
然而现在一切全变了,简单系统产生复杂行为,复杂系统产生简单行为,各类不同系统的复杂性具有相同的普适性,尤其是对简单系统的复杂揭示,成了混沌学在最重要的特征之一。
现在人们相信“简单的决定论的系统可以滋生复杂性;相信对传统数学来说过于复杂的系统仍然可能遵从简单规律。
”
4、人类的智力提出了严峻的挑战。
现在人们已经知道,一个完全决定论的方程或系统可以走向混沌。
混沌意味着终态对初态的指数的敏感性,意味着我们要计算的轨道有可能是随机的。
也就是说轨道是不可测的,尽管决定论的轨道是唯一的,但由于“存在——唯一性”定理一般都是非构造的。
它们对决定论轨道提不出任何建议,“存在——唯一性”定理并不排除决定论轨道可以走向混沌而成为不可预测的混沌轨道。
这里的随机性成为了不可约化的一个重要因素。
这样一来,混沌被归结为随机性,而随机性又被归结为一个不可计算问题,于是我们突然发现,混沌的不可测性就在于其不可计算性,在于人类理性思维的局限性。
如果在联系到歌德尔不完备性定律和图灵不可判定性定理,联系到最一般的不可计算、不可判定即不可解的数学问题,便不难看到一个这样的局面:
当我们费尽心思地去判定一个问题的时候,我们不知道是不是在判定一个不可判定的命题;当我们绞尽脑汁地去求解一个问题的时候,我们不知道是不是在求解一个不可解的问题。
我们想要知道的东西是不是已经包含了某些超越我们人类智力所能把握的困难?
这便是混沌学以及歌德尔、图灵定律直接针对人类智力所提出的一个严峻的挑战,也就是当代混沌学告诉我们的最重要的东西。
综上所述,我们认为,混沌学最大的意义在于它用全新的视角和方法重新刻画了世界以及其演变的图景,深刻地改变了人类原有的许多观念,而且更重要的是向人类本身的智力提出了最严峻的挑战,这一挑战或许将使人类重新诠释自己的认识能力,当然,这还有待人们作更进一步的探素。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第四