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复杂适应系统的进化
中国科学院院士 周光召

二、封闭系统和开放系统

  系统论把系统概念一般化为由相互作用着的要素构成的有机整体。在系统论的发展和应用过程中,依其与环境有无物质、能量和信息的交换将系统区分为封闭系统和开放系统,依其热力学状态的不同将系统的状态区分为平衡态、近平衡态和远离平衡态。

  1、不可逆过程

  对封闭系统,运动的无序度将不断增大。描述系统无序度的物理量称为熵。因此,热力学第二定律也可表述为一个封闭系统的熵将随时间不断增加。封闭系统中进行的过程是不可逆的。其中的有序状态会逐渐消失,转为无序的热平衡状态。

  封闭使系统状态走向无序,但是自然界中不断地从无序状态下生成有序结构的事物,如晶体、生物、社会组织等等,它们是不是违反热力学第二定律呢?研究表明,当然不是。因为它们不是从处于热平衡的封闭系统中产生,而是从远离热平衡的开放系统中产生。这是很重要的一个观念。

  2、平衡与稳定

  在系统结构的每一个层次中间都有两种或更多的相互制约的作用力,在主要维系系统的运动态平衡与稳定的作用。当各种相互矛盾的作用力势均力敌相持不下的时候,系统的运动就处于平衡的状态。平衡状态一般不一定是静止状态或无序状态。热平衡状态只是平衡态的一种,是最稳定的平衡态。

  太阳系的行星轨道是万有引力与行星运动产生的离心力,两个相反作用的力达到平衡的结果。比如,地球与月球,地球对月球有吸引力,月球飞向地球,月球运动有一个离心力,这两个力正好平衡且相反,月球就始终围绕地球沿一定轨道运动达到一种平衡。

  3、物质运动变化的动力

  引起物质运动变化的动因是物质之间的相互作用力。相互作用力有好多种,最基本的是四种物理的作用力:万有引力、电磁作用力、弱作用力和强作用力。天体运动和地球宏观运动由万有引力、电磁作用力推动。到生物和化学层次,分子、原子和电子之间主要起作用的是电磁力,弱作用力和强作用力只有到了原子、粒子结构或更基本的一些结构才起作用。

  4、维系复杂系统的作用力

  到复杂系统结构的高级层次,当信息在形成系统结构中起重要作用时,维系系统结构稳定的作用力已经不是物理作用力,而是相互传递的信息。比如在生物系统中,生物为吸引异性或驱逐天敌就会散发特殊气味或声音使生态系统达到一定的平衡。社会组织中则除暴力外,有权威、法律、道德、伦理、感情、文化等的作用于个人的力量。这些根本上都是信息的作用。

  平衡与稳定:

  当系统偏离平衡状态时,若作用力的总和使系统恢复到平衡状态,这时系统处于稳定状态。否则,处于不稳定状态。由于某种偶然或其它原因使系统状态偏离,比如:平衡于状态作用干系统对它的作用力就不再平衡了,而必然有一种作用力占主导地位。比如:把一个球放到山顶,万有引力和山顶二作用力会使它处于平衡、稳定二状态,稍微改偏下点,球就会滚到山底,那山顶的那一个顶尖,就是一个不稳定的平衡点。而山谷里一个球,你若把它拉起来一点,它还是落到山谷,山谷那一个点就是一个稳定的平衡点。处于不稳定状态的系统,在外界偶然的干扰下就会偏离原有轨道,发生大的可能是灾难性的变化。如自然界中的山体滑波,泥石流等就是一种不稳定的状态。处于相对平衡状态的系统保持系统状态渐近的变化是进化或改革,如我们现在社会的改革,若状态的变化是突发的大变化,就是革命或灾变。