首页 > 冷门知识 > 关键词:冷门知识  日期:2022-07-05 12:11:01

系统科学:申农、维纳、贝塔朗菲、普里戈金、哈肯、托姆、艾根、洛伦兹

真正对还原论构成冲击的,是系统科学在20世纪的成长壮大。所谓系统科学,通常指的是在二战之后兴起的控制论、信息论和系统论,20世纪60年代以后出现的耗散结构论、协同学、突变论、超循环论等自组织理论,以及80年代以来日渐活跃的混沌学。这些学科有一些像维特根斯坦所说的“家族相似性”,但并没有一个通行的名称概而称之。人们从不同的角度称它们是复杂性科学、非线性科学、整体性科学,我们权且称它们为系统科学。

第二次世界大战中,为了提高战时通信的效率和可靠性,许多科学家致力于研究通信技术及其理论问题。1948年,美国应用数学家申农发表《通信的数学理论》,标志着信息论的诞生。申农首先把信息传输过程理想化为五个部分,即信息源、发送器、信道(传输媒介)、接收机、信息接受者。其次,他提出信息量的量化概念,即把信息同熵联系起来。最后,他提出了信道定理,即信道容量是信道能够几乎无误差地传送信息的最大速度,在这个速度之内,信道原则上可以无限地降低噪声造成的误差。信息论最重要的贡献在于,把通信过程看成是一种信息的传输过程,而信息本质上是统计的,其量化形式与熵密切关联。申农的信道定理可以看成是热力学第二定律在通信问题中的特殊形式。美国物理学家布里渊发展了信息与熵相联系的思想,在信息与熵等价的基础上提出了广义熵增定理,以此解释麦克斯韦妖。此后,信息论主要在通信工程领域发挥作用,而它对一般系统科学的贡献则是提出了与热力学相关的信息概念。

也是与第二次世界大战中弹道计算的要求相联系,控制论在美国科学家维纳手里被创立出来。维纳当时正从事防空火力自动控制装置的研究,对系统通过信息交换和处理进行控制的机制深有领悟。当时他与其他工程师一起合作,研究高射炮自动瞄准问题。他们仔细分析了飞行员与高射炮手的目的性行为,并力图采用技术手段进行机械模拟,以实现自动跟踪。在这些研究活动中,他抓住了自动控制过程中的两个核心概念,即“信息”和“反馈”,构造了控制论的基本框架。

信息概念引入预测过程,表明了一种革命性的转变。维纳在1948年出版的《控制论》一书的第一章就富有启发性地提出了“牛顿时间”与“柏格森时间”的区别以及天文学与气象学的区别。前者是确定的、决定论的、可精确预测的、可逆的,而后者是不确定的、非决定论的、不可精确预测的、不可逆的。关键问题是,过去后者只被看成是前者的补充,不具有决定性意义,而在维纳这里,后者第一次以一种无法回避的、成为主要关注焦点的面目出现。维纳写道:“我们是受时间支配的,我们跟未来的关系和我们跟过去的关系并不相同。我们的一切问题都被这种不对称性制约着,我们对这些问题的全部答案也同样受着这种约束。”他承认,明确这一点对我们理解通信问题非常关键,因为“能够与我们通信的任何世界,其时间方向和我们相同”。由于时间性的引入,偶然性最早在通信和控制的问题中成为科学研究的主要对象。

防空火炮的自动控制需要解决两个问题。首先是瞄准提前量的预测和计算,这涉及通信,导致维纳提出了“信息”概念。其次是自动调整偏差,这涉及控制作用,维纳提出了“负反馈”的概念。事实上,这个概念并非维纳首创,早在蒸汽机时代,瓦特发明的速度调控器就使用了负反馈的原理,而1868年麦克斯韦更对该原理进行过理论上的探讨。但维纳的贡献在于,把反馈过程在控制中的作用普遍化,指出任何一个有效的行为都必须通过反馈过程来取得信息,从而判定自身是否达到了预定的目标。

维纳并没有把控制过程局限在自动机领域。他意识到,以信息和反馈为基本机制的控制过程,不仅可以用来描述自动机,大概也可以用于神经系统以及更大范围的其他领域。整个20世纪40年代,控制论的思想先是影响了脑神经生理学领域,再是计算机科学领域,直至最后蔓延到心理学、生理解剖学、人类学和经济学领域。这些不同领域的科学家们相互交流,对他们从事的事业有了基本的认同。1948年维纳的《控制论》一书宣告了这门学科的诞生。

反馈问题的研究将原来为生命系统所独有的行为目的性普遍化了。控制论学者们在许多能够有效地运用控制论的非生命科学领域中发现了这种目的性,使被近代科学否定的亚里士多德四因说中的目的因又以某种形式复活了。

信息论与控制论把一类特殊的对象,即通信和控制问题,提到了科学研究主战场的位置,系统论则从更加广泛的角度,展开了更加广阔的问题空间。这就是突出系统及其“复杂性”,与古典科学对“简单性”的寻求与解决形成鲜明的对照。

系统论有两个来源。一个是与具体的管理工作相联系的系统工程,与之相关的学科有归于运筹学之下的线性规划、非线性规划、对策论、排队论、搜索论、库存论、决策论和统筹论等。它们都直接来源于并服务于大企业管理和大工程管理。系统工程强调系统的整体目标,并围绕实现整体目标的最优化来配置和管理系统各部分的运作。这里最重要的思想是整体高于部分,部分受整体的支配、服从整体的目标,整体不单是部分的线性相加。

另一个来源是关于系统一般原则和规律的一般系统论研究,其主要代表人物是有奥地利血统的美国生物学家贝塔朗菲。贝塔朗菲的系统论最早来自他的生物有机论。在解释生命这种神奇的现象时,向来有两种观点。一种是机械论,试图用还原论将生命还原到物理化学甚至力学层次;另一种是活力论,主张生命有某种科学无法解释的神秘因素在起作用。机械论解释不能令贝塔朗菲满意,因为它忽视了生命的特质;活力论也不能令贝塔朗菲满意,因为他毕竟是一位科学家,在一种科学的解释中乞求于非科学的神秘因素只表现了科学上的无能。在他1928年出版的《现代发展理论》和1932年的《理论生物学》中,贝塔朗菲提出了比较系统的有机论思想。他的有机论把生命看成一个既具有高度的自主性,又与外界交换物质和能量的开放系统,强调生命的整体性、动态过程性、能动性和组织等级性。至此,生物系统论的思想已初步具备。此后的战争年代,贝塔朗菲把生物系统论推广到一般系统论,但他的新思想在当时没有引起注意。1948年,他出版了《生命问题》一书,系统地论述了他的一般系统论,宣告了这个新理论的诞生。

虽说一般系统论力图概括包括生命系统在内的所有系统的一般规律,但贝塔朗菲所依据的依然是生命系统的那些不可归约和还原的突出特征,而他居然能够把生命系统论推广到一般系统论,也就表明他意识到,生命的那些不可还原的特征无处不在,是具有普遍意义的。这些特征是代谢、生长、发育、繁殖、自主性活动——贝塔朗菲将它们均看作自我调节的稳态活动,而生命系统是本质上能自主活动的系统。

诚然,贝塔朗菲的系统论更多的是一种哲学思想,尚未定量化、可操作化,因而它的影响比不上控制论和信息论,也比不上那些具体的系统工程。但是,作为对传统世界图景的一个重大修正,系统论第一次试图把整体论作为哲学原则纳入科学,其目标是要建立“整体论”的科学。贝塔朗菲本人把一般系统论看作“一种整体的逻辑数学科学”。系统哲学家拉兹洛在《用系统论的观点看世界》中对这种新的科学有如下的述说:“当代科学拿这种复杂情况怎么办呢?它提供了一种解决办法。这是另外一种对事情真实状态进行简化的办法,但这种办法能更充分地把握事态的复杂性:那就是把这种复杂情况当作结合在一起的一整块来考虑。”系统科学力图恢复世界真实的复杂性,但科学总是要简化。系统科学是科学,同样也要使用简化。

系统科学力图凸现的“整体性”用通俗的话来说,就是所谓的“整体大于部分之和”。系统整体上凸现出了某些为它们的组成部分所不具有的特征,这些新的特征绝不是通过对其组成部分的分析可以得出的。我们身体中的细胞大约7年之后就全部换过一遍,但我依旧还是我,使我得以保持我之同一性的不是构成我的细胞,而是我的身体系统整体性的东西。一个国家大概经过100年,它的人民就会全部更换,但这个国家依然是这个国家,在这里起同一作用的是国家系统整体性的东西。这个意义上的整体性,在物质世界的各个层次上,包括无机界、有机界直至人类社会,都可以或多或少地找到。

系统科学所凸现的“整体性”的另一方面是系统自我保持、自我修复的稳定性。这种稳定状态,贝塔朗菲曾经称它是“稳态”。这样的稳定性依赖于系统的开放性,因为唯有系统与外界进行物质和能量的交换行为,才能保持这样的稳定性。

控制论、信息论和系统论这三门大致在二战结束后形成的学科,实际上有强烈的家族相似性,即都以系统中的信息问题为主要研究对象。它们的突出特征是与具体的工程技术问题联系密切,因而有着广泛的实际用途。其影响也来源于此。它们在理论上的成就是,在由“还原论”科学向着“整体论”科学的道路上迈出了一大步,虽然它们中走得最远的“一般系统论”并不是影响最大的。也许正是与具体的工程问题联系过于紧密这一点,影响了它们在一般世界观意义上发挥作用。中国学术界通常有所谓“老三论”“新三论”之说。“老三论”指的正是控制论、信息论和系统论。说它们“老”,除了指时间上在先,也指它们在走向“整体论”的道路上还走得不太远。

“新三论”是耗散结构论、突变论和协同学理论,后来有人也把“超循环理论”添加进来,组成系统科学的新生代。新生代的系统科学群朝着“整体论”方向走得更远,理论成就也更大。它们的共同特征是,不仅指出了系统的整体性,而且将这种整体性予以动力学的表述——如果说“老三论”更多地强调了系统静态的整体性,那么“新三论”则强调这种整体性的动态的方面,因而在基础理论层面上更富有成果。“新三论”突出了系统的“自组织”能力,发展出了在或大或小范围内有效的自组织动力学。这种动力学假定,当系统满足如下三个条件时就会出现系统的自我组织、自我维护、自我修复、自我复制和自我更新现象。这三个条件是:第一,它是开放系统;第二,它远离平衡态;第三,它内部各要素之间存在非线性的相互作用。对一个封闭系统而言,热力学第二定律确认它必定走向无序和混乱,因此唯有系统开放,从外界引进负熵流以抵消系统内部的熵增,才有可能出现有序结构。此外,开放系统还必须远离平衡态。对于近平衡态的系统,它的必然趋势是回到平衡态,自组织机制在这里难以发挥作用。远离平衡态的系统最终能够出现高度有序的结构,原因在于非线性作用给出了多种多样发展的可能性和分支,其中就存在高度有序的分支。这些有序分支通过随机涨落被选择出来。

普里戈金领导的布鲁塞尔学派经过近20年的努力,终于在1969年推出了“耗散结构”理论(dissipativestructuretheory)。该理论认为,一个远离平衡态的开放系统,当其变化达到一定的阈值,通过涨落有可能发生突变,由原来的混沌无序状态转变为一种在空间上、时间上或功能上的有序状态和有组织结构。这种结构由于需要与外界交换物质和能量才能够维持,所以被称作“耗散结构”。导致由混沌到有序的是极度的非平衡,是随机涨落。耗散结构理论把发展的方向性、系统的复杂性、演化的不确定性所有这些整体性特征,整合进了一个完整的动力学模型之中。

普里戈金的模型最先在化学系统的研究中取得成果,并使他本人获得1977年的诺贝尔化学奖。大概在普里戈金获奖的同一年,德国理论物理学家哈肯系统而全面地提出了协同学(Synergetics)理论,从另一个角度解释系统的自组织行为。协同学认为,系统的自组织是由于子系统之间的协同运动造成的,而协同学就是给出这种协同运动的条件和规律,从而为自组织提供理论依据。

哈肯生于德国莱比锡,毕业于埃尔兰根大学,24岁以群论方面的论文获得数学博士学位,1956年在埃尔兰根大学任数学讲师,1960年成为斯图加特大学理论物理学教授。1959年至1960年,哈肯因担任美国贝尔实验室顾问而参与了世界上第一台激光器的研制工作。他从激光现象得到启发,开始研究远离平衡的物理相变问题,因为激光正是系统在远离平衡时出现的典型的非平衡相变。通过分析和比较多领域的非平衡相变问题,哈肯确信可以建立一门统一的学科,来阐述处理非平衡相变问题的统一方案。1971年,哈肯发表《协同学:一门协作的学说》,给出了协同学的主要概念构架。1977年,哈肯出版了《协同学导论》,全面推出了协同学的理论体系。此后,哈肯致力于协同学的应用研究,研制协同计算机。

协同学认为,任何系统的子系统都同时存在两种运动倾向。第一种是无规则运动,它通常导致系统走上无序的道路;第二种是由于子系统之间的关联引起的协调运动,它导致宏观有序。不同的协同运动导致不同的宏观结构。子系统的这两种运动倾向同时存在。如果前者占上风,则系统表现出均匀的无序状态;如果后者占上风,则系统会在某一个关节点上突然表现出高度有序的结构。这两种运动的此消彼长受制于外界环境条件的改变。因此,协同学把这些决定着系统相变的环境条件称作控制参量。随着控制参量量上的变化,系统则会发生由无序到有序的质的转变。协同学就研究这种变化的动力学。

贝塔朗菲已经指出,系统科学的任务就在于揭示“整体大于部分之和”中那多出来的东西。它是什么?是如何出现的?对此,他也提出了“突现”(emergence)的概念,以说明这种多出来的东西的产生方式。“新三论”致力于以动力学的语言描述这些突现过程。耗散结构论在化学领域,协同学在物理学领域均做出了卓有成效的工作。突变论则是法国数学家勒内·托姆在数学领域里的贡献。

凡人皆知,哲学上有所谓“量变引起质变”的命题,但刻画这些变化的机制的科学理论到了20世纪70年代才出现。突变论就是这样的数学理论。托姆1951年获巴黎大学国家博士学位,1958年获国际最高数学奖——四年一度的菲尔兹大奖。托姆从20世纪60年代开始研究突变现象,1968年发表第一篇论文《生物学中的拓扑模型》,1972年出版《结构稳定性和形态发生学》,系统地论述了突变理论。

从前的数学分析以及用微分方程表述的理论物理学,处理的都是连续和光滑的情况。对不连续和突变现象的研究不在传统数学的视野之内。个别数学家就奇点和奇性的研究,也没有引起数学界的注意和重视。托姆注意到,微分拓扑学领域关于奇点研究已取得的成果,与生物形态分类学有密切的关系。他从这个角度切入,发展出了突变理论。突变论提出后引起了很大的反响。20世纪70年代中期开始,曾经一度出现所谓的“突变热”。有人甚至认为它是“自牛顿发明微积分以来数学史上最大的成就”。还有人认为它是“说明参数的连续改变怎样会引起不连续现象的第一种理论”。不久,有的科学家提出批评,突变热开始降温,但突变理论的应用部分所取得的成果还是被人们接受。一些被突变论所深化的概念如“奇点”“临界点”“分叉”等被人们继续使用。

也是从70年代开始,德国生物物理化学家曼弗雷德·艾根提出超循环理论,以解释生命起源问题,即生命如何从物理和化学的层次突现出来的问题。超循环论认为,在化学进化之后,存在一个生物大分子的自组织进化。在这个进化过程中,原始的蛋白质和核酸之间的相互作用形成了某种超循环组织,这种超循环组织能够稳定地、协同整合地朝着自我优化的方向进化。艾根认为,这个超循环的自组织进化阶段,是理解自然界由化学进化过渡到生物学进化的关键。

所谓超循环,是相对于在化学反应中普遍存在的循环反应而言的。在通常的循环反应中,催化剂与反应底物相结合生成产物和催化剂,形成了催化剂的自我再生。如果这样的循环反应本身就构成了某种催化剂,那么就可以形成更高层次的催化循环。而超循环,就是比催化循环再高一个层次的循环,即把催化循环本身作为催化剂的超级循环。超循环具备自我复制能力,而且作为一个整体具备自我选择的能力。艾根揭示出,超循环可以作为生物大分子的一般模式,由它的种种高阶形式,可以解释由化学过程向生命过程的种种突变现象。

超循环对生命必然发生的解释引起了国际学术界的不同反响。主张生命纯属偶然事件的法国生物学家莫诺对此不以为然。有的科学家认为,艾根的理论只涉及“复制”问题,只相当于生命起源的“软件”层次,并没有涉及生命起源的“硬件”层次即“代谢”问题。艾根及其同事尚在继续他们的研究。

系统科学的新生代大多在20世纪五六十年代酝酿,于70年代提出,显示了这个研究方向的大趋势。它们分别在数学(托姆的突变论)、物理学(哈肯的协同学)、化学(普里戈金的耗散结构论)、生物学(艾根的超循环论)上,创造了为科学共同体所认可的成果。但是,从70年代末开始,致力于探索复杂性、非线性和整体性的科学家们,几乎又被另一个新的领域所吸引,这就是混沌学。

正如新生代的系统科学注重系统整体性的“自组织”的方面,在解释“整体突现”的机制方面下了许多功夫,混沌学则抓住了系统整体性的“随机”的方面,研究偶然性、无规则性、不可预测性背后的非线性动力系统的确定性规律。来自各门学科的混沌研究者们,从各自的领域发现了“混沌现象”,即服从确定性规则的非周期性的随机现象。这里有心脏的运动、昆虫数目的更迭、股票价格的涨落,也有电路噪声、云的形状、闪电的路径、行星的轨道、地震、气象的“蝴蝶效应”。它们来自流行病学、种群生物学、生理学、电学、天文学、气象学和经济学等领域。

混沌是非线性造成的。气象学家洛伦兹在保留非线性的前提下将模型简化到只剩下三个变量,混沌依然能够出现。混沌来自确定性的规则,是由确定性导致的随机性。对一个非常简单的非线性方程进行迭代,就能得出混沌。混沌局部的不稳定性是与整体的稳定性相适应的。混沌学家们普遍认为,混沌是普遍存在的,而非特异的,相反,古典力学所给出的情况倒是十分少见的理想状态。对混沌的研究将导致世界图景的改观。

近半个多世纪的系统科学发起的整体论运动并未结束,毋宁说刚刚开始,所以,对这一运动的走向还不能说得十分清楚。非线性既导致自组织,也导致混沌。何时出现自组织,何时出现混沌,这两者是什么关系?所有这些问题提示着,非线性科学、复杂性科学,或者说系统科学需要一个新的概念框架,以整合在多个领域、多个战场奋力开拓的系统科学大军。

1984年,包括诺贝尔物理学奖获得者盖尔曼、安德森,诺贝尔经济学奖获得者阿罗在内的一批大科学家,在美国成立了圣塔菲研究所(SantaFeInstitute),试图建立一元化的复杂系统科学理论,整合系统科学半个多世纪的发展。他们提出的重要概念就是系统的“突现性”。这个概念早就被贝塔朗菲提出过,但经过半个多世纪的发展,这一概念的内涵已经非常丰富。人们现在可以规定整体突现的不同程度和水平。如果说控制论和运筹学处理的是简单大系统,那么协同学等自组织理论所处理的就是简单巨系统,但真正复杂的巨系统的研究还没有十分明显的成果。圣塔菲学者们在经过十年努力之后,居然有“从复杂性走向困惑”的感叹。

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