耗散結構論、協同論和突變論簡介

系統科學領域中把耗散結構論、協同論、突變論合稱為“新三論”。另外把系統論、控制論和信息論合稱為“老三論”。

耗散結構論、協同論、突變論是二十世紀七十年代以來陸續確立並獲得極快進展的三門系統理論的分支學科。它們雖然時間不長,卻已是系統科學領域中年少有為的成員,故合稱“新三論”,也稱為DSC論。

系統論、控制論和信息論是二十世紀四十年代先後創立並獲得迅猛發展的三門系統理論的分支學科。雖然它們僅有半個世紀,但在系統科學領域中已是資深望重的元老,合稱“老三論”。人們摘取了這三論的英文名字的第一個字母,把它們稱之為SCI論。

耗散結構論

耗散結構理論的創始人是伊里亞·普里戈金(Ilya Prigogine)教授,由於對非平衡熱力學尤其是建立耗散結構理論方面的貢獻,他榮獲了1977年諾貝爾化學獎。普里戈金的早期工作在化學熱力學領域,1945年得出了最小熵產生原理,此原理和昂薩格倒易關係一起為近平衡態線性區熱力學奠定了理論基礎。普里戈金以多年的努力,試圖把最小熵產生原理延拓到遠離平衡的非線性區去,但以失敗告終,在研究了諸多遠離平衡現象後,使他認識到系統在遠離平衡態時,其熱力學性質可能與平衡態、近平衡態有重大原則差別。

耗散結構論、協同論和突變論簡介

耗散結構論可概括為:一個遠離平衡態的非線性的開放系統(不管是物理的、化學的、生物的乃至社會的、經濟的系統)通過不斷地與外界交換物質和能量,在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時,通過漲落,系統可能發生突變即非平衡相變,由原來的混沌無序狀態轉變為一種在時間上、空間上或功能上的有序狀態。這種在遠離平衡的非線性區形成的新的穩定的宏觀有序結構,由於需要不斷與外界交換物質或能量才能維持,因此稱之為“耗散結構”(dissipative structure)。

可見,要理解耗散結構理論,關鍵是弄清楚如下幾個概念:遠離平衡態、非線性、開放系統、漲落、突變。

耗散結構論、協同論和突變論簡介

耗散結構論把宏觀系統區分為三種:①與外界既無能量交換又無物質交換的孤立系;②與外界有能量交換但無物質交換的封閉系;③與外界既有能量交換又有物質交換的開放系。它指出,孤立系統永遠不可能自發地形成有序狀態,其發展的趨勢是“平衡無序態”;封閉系統在溫度充分低時,可以形成“穩定有序的平衡結構”;開放系統在遠離平衡態並存在負熵流時,可能形成“穩定有序的耗散結構”。

協同論

耗散結構論、協同論和突變論簡介

協同學亦稱協同論或協和學,是研究不同事物共同特徵及其協同機理的新興學科,是近十幾年來獲得發展並被廣泛應用的綜合性學科。它著重探討各種系統從無序變為有序時的相似性。協同論的創始人哈肯說過,他把這個學科稱為“協同學”,一方面是由於我們所研究的對象是許多子系統的聯合作用,以產生宏觀尺度上結構和功能;另一方面,它又是由許多不同的學科進行合作,來發現自組織系統的一般原理。

耗散結構論、協同論和突變論簡介

協同學的創立者,是聯邦德國斯圖加特大學教授、著名物理學家哈肯(Haken)。1971年他提出協同的概念,1976年系統地論述了協同理論,發表了《協同學導論》,還著有《高等協同學》等等。

耗散結構論、協同論和突變論簡介

協同論認為,千差萬別的系統,儘管其屬性不同,但在整個環境中,各個系統間存在著相互影響而又相互合作的關係。其中也包括通常的社會現象,如不同單位間的相互配合與協作,部門間關係的協調,企業間相互競爭的作用,以及系統中的相互干擾和制約等。

突變論

突變論是研究自然界和人類社會中連續漸變如何引起突變或飛躍,併力求以統一的數學模型來描述,預測並控制這些突變或飛躍的一門學科。它把人們關於質變的經驗總結成數學模型,表明質變既可通過飛躍的方式,也可通過漸變的方式來實現,並給出了兩種質變方式的判別方法,它還表明,在一定情況下,只要改變控制條件,一個飛躍過程可以轉化為漸變,而一個漸變過程又可轉化為飛躍。突變論認為事物結構的穩定性是突變論的基礎,事物的不同質態從根本上說就是一些具有穩定性的狀態,這就是為什麼有的事物不變,有的漸變,有的則突變的內在原因。在嚴格控制條件的情況下,如果質變經歷的中間過渡狀態是不穩定的,它就是一個飛躍過程; 如果中間狀態是穩定的,它就是一個漸變過程。

耗散結構論、協同論和突變論簡介

突變理論是比利時科學家託姆在1972年創立的。其研究重點是在拓撲學、奇點理論和穩定性數學理論基礎之上,通過描述系統在臨界點的狀態,來研究自然多種形態、結構和社會經濟活動的非連續性突然變化現象,並通過耗散結構論、協同論與系統論聯繫起來,並對系統論的發展產生推動作用.。突變理論通過探討客觀世界中不同層次上各類系統普遍存在著的突變式質變過程,揭示出系統突變式質變的一般方式,說明了突變在系統自組織演化過程中的普遍意義;它突破了牛頓單質點的簡單性思維,揭示出物質世界客觀的複雜性。突變理論中所蘊含著的科學哲學思想,主要包含以下幾方面的內容:內部因素與外部相關因素的辯證統一;漸變與突變的辯證關係;確定性與隨機性的內在聯繫;質量互變規律的深化發展。

“突變”一詞,法文原意是“災變”,是強調變化過程的間斷或突然轉換的意思。突變論的主要特點是用形象而精確的數學模型來描述和預測事物的連續性中斷的質變過程。

突變論是一門著重應用的科學,它既可以用在“硬”科學方面,又可以用於“軟”科學方面。在數學上突變論屬於微分流形拓撲學的一個分支,是關於奇點的理論。它可以根據勢函數而把臨界點分類,並且研究各種臨界點附近的非連續現象的特徵。

耗散結構論、協同論和突變論簡介


分享到:


相關文章: