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1、第六章 现代管理的基础理论 (二) 随着科学技术的发展，科学方法论的研究也越来越深人，科学方法的应用亦突破了原来的范围而在人们的日常生活实践中起着越来越大的作用。其中，继信息论、系统论、控制论 (俗称老三论)之后，耗散结构论、协同论、突变论的发展最引人注目。它们的发展尤其是应用于社会生活领域的时间虽然并不很长，却被称为现代科学方法 新三论而与老三论并列，对人们的方法论亦起着不容忽视的作用。下面，我们对此进行简要介绍。第一节 耗散结构理论 在20世纪60年代末，比利时著名科学家普利高津等人通过长期研究复杂系统的演化过程，提出耗散结构理论，回答了物理世界和生命世界演化过程中的一些重要问题。在本章中
2、，着重介绍耗散结构理论的产生及其基本概念、耗散结构及其中的哲学问题、它的实际应用等。 一、耗散结构理论的产生及其基本概念 在近代科学技术的发展过程中，所建立的经典力学、热力学和统计物理学，主要研究的是孤立系统，在这类系统中根据热力学第二定律得到的是墒增加原理。20世纪的科学技术需要从微观上解释时间的不可逆性，同时还要解释非生命系统与生命系统演化方向的问题，这就便耗散结构的诞生具有了必然性。 (一)时间的微观运动可逆与宏观运动不可逆 17世纪中叶，牛顿创立的经典力学成功地描述了天体和地球上的一切动力学问题。可是在牛顿的物理世界中，时间却是一个没有物理意义的参数。不仅牛顿方程如此，在量子力学、相对
3、论力学等各种领域，时间本质上都只是描述可逆运动的一个儿何参量。传统的动力学，给出的是一个可逆的、对称的物理图象。 19世纪中叶，由于蒸汽机的广泛应用，热力学得到了发展。热力学第一定律即能量守恒和转化定律，指明了各种运动形式的可转化性和运动在量上的不灭性。但是，它并没有指出转化过程的方向性及转化过程进行的限度。热力学第二定律指明了热量只能从高温物体流向低温物体，而不会出现相反方向的热量传导。大量日常生活中的热力学现象也是如此，如温度不均匀或密度不均匀的物质现象，随着时间的推移，最后一定达到均匀的分布，而一旦达到均匀分布的状态就再也不会返回到不均匀分布状态了。热力学与统计物理学中的时间不可逆，向动
4、力学的时间可逆提出了严重的挑战，如何解决微观运动可逆与宏观运动不可逆的问题，成了复杂系统物理学所面临的基本问题之一。 (二)退化与进化热力学第二定律指出，任何一个孤立的系统都要朝均匀、简单、消除差别的方向发展，这实际上是一种趋向低级运动形式的退化。克劳修斯的热寂说认为，宇宙中的万事万物最终都要发展到一种均匀的状态，即世界各处温度均匀、压强均匀，各种物理差别都不存在了，宇宙将进人一个死亡、寂寞的状态。而一旦达到了这个状态，这个世界就再也不会活。过来了。 英国生物学家达尔文的进化论告诉我们，自然界中的一切生物，在生存斗争和自然选择中不断进化和发展。为了适应周围的环境，它们的构造越来越复杂。整个生物
5、界正是在与环境的斗争中，不断由低级向高级、由简单向复杂进化。由此可见，生物界的演化并不像克劳修斯所说的，沿着混乱、灭亡的方向发展。事实正如达尔文所揭示的那样，生物越向高一级进化，其体内构造就越复杂，越有序，人类正是生物进化的产物。随着人类的出现，又出现了有组织的人类社会，人类社会正在由低级向高级不断进化。 牛顿力学的可逆性与热力学的不可逆性，物理系统的退化与生命系统的进化，给人们提供了两种物理图像、两个世界。一个是物理的、量的世界;一个是生物的、质的世界。难道在物理学和生物学中真的存在着一个巨大的鸿沟吗?怎样把二者统一起来并给予科学的说明，这些问题引起了当代许多科学家的关注。普利高津从热力学第
6、二定律出发，冲破传统的观念，把注意力从平衡态转移到近平衡态和远离平衡态，提出一个新的思考:为什么热力学第二定律在无机界只有耗损、退化和热寂?又怎么解释恰恰在无机界的发展中产生了有机生命和智慧之果呢?他把时间与不可逆性、墒等联系起来，深人研究自然界的自组织现象，终于 在物理学、化学的微观与宏观层次上发现了自组织结构耗散结构，创立了超出物理学、化学范围的耗散结构理论。 (三)系统的性质 耗散结构理论按照系统与外界的相互关系，指出有三种性质不同的系统: 1孤立系统。是指与外界环境不发生能量交换的系统。这种系统完全按照热力学第二定律进行演化，最终将达到完全无序平衡态。严格说来，任何系统都要受到外界的影
7、响，在现实世界中，真正的孤立系统是不存在的。孤立系统只是物理学上的理想状态。 2封闭系统。是指与外界环境有能量交换但没有物质交换的系统。比如地球就是一个封闭系统，它不断与太阳和恒星交换能量，但不交换物质。 3开放系统。是指与外界环境既发生物质交换，又发生能量交换的系统。例如生命体、城市等都属于开放系统。开放系统的最重要特征，就是它与环境发生密切的相互作用，从而获得维持生命的活力。 (四)系统的状态 热力学系统所处的状态有两种: 1平衡态。是指系统所处的状态是一种不变的固定的状态，系统的热力学参量 (温度、密度、压强等)不再随时间变化;同时系统内也不存在物理量的宏观流动，如热流、粒子流等。可以推
8、断，独立系统的最终结局必定是平衡态。 2非平衡态。是指系统内部热力学参量不均匀，与平衡态有偏离的系统。把那些与平衡态偏离较小到非平衡态，称为近平衡态或线性平衡态;把那些与平衡态偏离比较大的，其系统内各部分的热力学参量极不均匀，相互作用呈非线性的系统，称为远离平衡态或者称为非线性平衡态。 (五)熵与熵增大原理 墒的概念，是德国物理学家克劳修斯提出来的。它的原意是热量被温度除的商即:S=Q/T。由公式可知，相同热时温度高则熵小;温度低则熵大。熵的本质内涵是发展演化，即热量转变为功的程度。在热力学系统中，熵是状态混乱度的函数，越是墒小的体系，其有序度越高;反之，则混乱度就高。热力学第二定律指出的孤立
9、系统中，热能只能从高温物体流向低温物体，用墒的概念可表示为:一个孤立系统自发地朝着嫡增加的方向演化，一直达到平衡态，墒达到最大值。因此，热力学第二定律又叫做嫡增大原理。用数学表达热力学第二定律为以下不等式:dsO，它表示孤立系统墒增大过程是不可逆的。 嫡增大原理揭示了宇宙中一切物质与能量转化的趋向，总是自发地从能量集中转向能量分散，从有序趋向无序的退化。墒定律从本质上揭示了生命和进化的基础，因为生命、进化、局部的有序结构形成，都是以更大范围的无序为代价。生物的生到死，事物由生到灭的过程，都是墒增加的过程。 二、耗散结构理论的内容 耗散结构理论深刻地阐述了耗散结构的性质、形成的条件和科学意义。
10、(一)耗散结构普利高津一直保留着对历史科学的兴趣和哲学爱好，所以能够跳出物理学传统观念的框框，最先发现时间不可逆的意义。他认为，时间不应仅仅简单作为力学方程中说明运动的一个参量，它联系着历史、联系着演化和世界的发展。这种观念激发了他对不可逆过程的浓厚兴趣，并成为他的不可逆理论的思想基础。在热力学发展早期，非平衡态、不可逆现象等一般被人们看做是令人讨厌的因素，人们所注意维护的是平衡和减少不可逆过程的损耗。普利高津相信，在一定条件下，不可逆过程会产生令人讨厌的消极作用;但在另一类条件下，对不可逆过程的研究可能会带来理论和实践上具有重大意义的结果。他曾经写道:热力学为我们提供的许许多多的观点和各种各
11、样的前景中，使我感受强烈、并抓住了我的注意力的是这样一点:即这一切都明显地表现出 时间的单向性这个不可逆现象。普利高津及其合作者们，经过20多年的研究，终于创立了耗散结构理论。普利高津从墒增大原理出发，他认为任何系统的总墒变化量 都要由两部分组成: ds=des+dis 在这里，第一项des是系统与外界交换物质和能量引起的墒流，第二项dis是系统内部自发产生的墒。因此，任何一个系统的dis始终大于零 (diso)，而des则因不同的系统有不同的情况。 在孤立系统中，因为系统与外界环境不发生物质和能量的交换，故没有墒流即ds=o，所以系统总墒变化ds=diso。系统的总墒是增加的，无序度增大，系
12、统绝对不会产生新的有序的组织结构。 在开放系统中，虽然嫡流dso，但是系统并不一定是向有序性增加的方向发展。要根据所处的热力学状态作具体分析，将存在着以下三种情况: 第一种情况是热力学平衡态。在这种系统中，虽然deso，但是deso，所以物质流和能量的进人便大大增加了系统的总墒，加速了系统趋向平衡态的运动。 第二种情况是近平衡态。因为这种热力学状态与平衡态只有一点点微小的差别，deso。这种系统即使开始存在时有一些有序结构，但是最终却抵抗不了系统内部自发产生的墒dis的破坏，于是最终还是趋向平衡态。这种情况也不可能出现任何新的结构和组织。 第三种情况是远离平衡态。在这种系统中墒流大大小于零(d
13、es0)，系统不断地从环境中获取物质和能量，这些物质和能量给系统带来负墒流，结果使整个系统的有序性的增加远远大于无序性的增加，于是新的结构、新的组织就能自发地形成。这种自组织，被普利高津命名为耗散结构。 20世纪初法国化学家在实验中发现了一种自组织现象贝纳德对流。实验表明，在热传导状态下，当外界提供的温差增大到超过某一阀值时，液体的静止热传导就会被突然打破，整齐的正六边形贝纳德对流在无序的热运动中产生出来。随后，许多人在各种不同的实验条件下，见到了各种各样的对流。 20世纪60年代物理学领域发现的激光，是又一种自组织现象。 在生物界，这种自发的组织现象更是普遍。从一个单细胞的代谢功能组织到低等
14、昆虫的精美住宅的建造，都表现了高度有序的功能。综上所述，从非生命界的物理学、化学到有生命界的细胞，生物个体和群体，郡存在一种时间、空间或功能高度有序的自组织耗散结构。耗散结构就是一个远离平衡态的开放系统，通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化达到一定阈值时，可能从原有的混吨无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。 耗散结构是一种 活的结构，它是靠不断耗散环境提供的物质和能量来维持它的生命活力。在现实生活中，我们到处都可以发现这类结构，如生命体，无论其结构的复杂程度多么不 同，它都是在不断的新陈代谢中保持其结构的稳定性。同样，一座城市也是一个耗散结构，城市每天都要
15、输入食品、燃料和其他物质，同时还要输出产品和废物，只有这样，它才能生存下去，保持一定的稳定的有序结构，否则它就会趋于平衡态直至死亡。 (二)耗散结构的形成条件 普利高津发现，耗散结构的形式，必须具备四个基本条件; 1必须是开放系统。一个孤立系统内部只有墒增加的一种趋势，最终会导致有序结构的破坏，走向高度无序的热死状态。只有开放系统，通过与外界交换物质和能量，从外界辅人负墒流来抵消系统本身的墒增大，使系统的总墒逐渐减小，才有可能从无序走向有序。因此，耗散结构只能在开放的条件下生存。 z系统必须远离平衡态。开放系统处于平衡态或近平衡态时，系统都不会产生任何新的结构和组织，只有系统处于远离平衡态时才能产生新的有序组织结构。因为处于远离平衡态的开放系统与外界因素发生较大的相互作用，其内部的不均匀逐渐变大，于是系统就变得不稳定。在系统内部涨落 (是指系统自发产生的相对于宏观平均状态的小偏差)的作用下，不稳定的系统发生突变，由原来的无序、混乱状态转变到一种时空或功能有序的新状态。所以普利高津得出非平衡是有序之源的结论。 3系统内部必须存在非线性相互作用。系统内部各要素的相互作用一般可分为两种情况，一种是线性
