【智库报告】北斗西虹桥模式总结之负熵驱动的创新集群(一)
2018-08-01


作者:张宏洲


关键词:负熵 创新集群

引  言

        热力学第二定律指出,孤立的热力学系统是绝对熵增的,熵增的结果是死寂。统计力学从物理学概念出发指出孤立系统总是自发地从熵值较小的状态向熵值较大(即从有序走向无序)的状态演变,最后达到平衡状态。薛定谔则指出,一个系统要从无序变为有序必须汲取负熵。理论和实践都已经证明了生命在于运动,即不断进行新陈代谢,以消除有机体内生存过程中必须产生的正熵。普利高津则进一步指出,一个远离平衡态的非线性的开放系统,只要通过不断地与外界进行物质与能量的交换,在外界条件变化达到一定的阈值时,系统状态可能发生突变,从原有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,这种新的宏观稳定的有序结构就称为耗散结构。创新集群是由一系列有生命力的创新创业企业和管理及服务机构组成的彼此之间联系并发生业务往来的有机系统,需要对整个系统进行必要和适度的干预和管理,对其中的企业和管理及服务机构之间的业务往来进行适度的推动,否则集群就会慢慢走向混乱状态,就会失去创造力和竞争力。因此,需要采取有效的措施,不断输入硬环境负熵流和软环境负熵流,维持创新集群的开放性及内部的非线性作用和随机涨落作用,使其远离平衡态,使其成为一个负熵驱动的良好的耗散结构,才能使集群保持强大的生命力、创造力和竞争力。


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负熵及耗散结构理论


(一)热力学熵的概念及熵增原理


约一百四十多年前,科学家们发现了热力学第一定律(能量守恒定律),它能帮助我们理解一个给定过程中的能量,但不能描述能量转化的量和转化方向。1824 年,卡诺在他的著名论文《关于热力学以及热动力机制的看法》中介绍了“可逆性”这个基本概念。克劳修斯基于卡诺的研究成果,于 1856 年在《热之唯动说》一书中,指出能量的传递总是从高能位向低能位、由集中到分散、从有序到无序进行,在传递过程中不仅需要消耗一部分能量,而目总会有一部分成为无用能逸散到环境之中。对一个孤立系统而言,由于与周围环境没有物质、能量和信息的交换,外部熵流为零,而内部的不可逆过程使熵产生、熵增加并趋于最大化,增加着的熵相当于系统自发地进化,这些自然过程最终把系统带到对应于最大熵状态的热力学“平衡态”。在热力学平衡态下,无序性最高,系统混乱度最大。这意味着系统的熵只能从低到高,而且绝不会向相反方向进行。这就是热力学第二定律,即“熵增原理”。


(二)统计力学熵的概念


1872 年,奥地利物理学家玻尔兹曼在研究气体分子运动过程中,基于把热量转移理解为微观分子运动的观点,对熵概念给出微观物理解释。他从分子运动论的角度对熵增加原理作出了统计描述,论证了熵与微现状态数的量化关系,并用著名的玻尔兹曼关系式反映了熵概念的统计学意义,从而将系统的宏观物理量与微观物理量联系起来。对于某一热力学系统,它所对应的微观状态数决定了其熵的大小。熵增加表示系统从包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态过渡,即从有规则、有秩序的状态向无规则、无秩序的状态演变。所以,孤立系统总是自发地从熵值较小的状态向熵值较大(即从有序走向无序)的状态演变,最后达到平衡状态。因此,熵是系统混乱状态或无序程度的度量。


(三)负熵的概念


奥地利著名理论物理学家、量子力学创始人薛定谔在其著作《生命是什么?》一书中首次提出了“负熵”概念。他指出:“生命有机体要摆脱死亡,唯一的办法就是不断地从环境中汲取负熵,汲取一连串负熵去抵消它在生活中产生的熵增加,从而使它自身维持在一个稳定的而又很低的熵的水平上;否则,一个生命有机体在不断增加它的正熵,并趋近于熵的最大值的危险状态,那就是死亡”,“生命有机体就是依赖负熵为生的”。从本质上看,负熵是系统有序度的度量。负熵引入了一个与正熵完全相反的概念,正熵增加代表着事物向着混乱无序的方向发展,表示退化;而负熵增加则代表着事物向着有序的方向发展,表示进化。薛定谔用负熵概念解释生命现象,为热力学系统自发过程熵增加与生物系统进化过程熵减小之间的沟通,架起了一座熵概念的桥梁。一个系统要从无序变为有序必须汲取负熵。理论和实践都已经证明了生命在于运动,即不断进行新陈代谢,以消除有机体内生存过程中必须产生的正熵。


(四)耗散结构理论


热力学第二定律描述了孤立系统演化的方向,即系统朝着熵增加或有序程度减小的方向演化,这实际上是一种趋向低级运动形式的退化。克劳修斯将这一理论推广得出:整个世界将趋向完全无序,乃至整个宇宙将达到“热寂”。但是达尔文生物进化论则认为生物的进化是由低级到高级、由简单到复杂,即朝着熵减小或有序度增加的方向进化,按照这一结论整个世界将变得更加有序、更加复杂。热力学第二定律和达尔文生物进化论都揭示出系统的演化方向,却得出了两种截然相反的结论,它们之间形成的尖锐矛盾成为物理学家和生物学家争论和研究的重要议题。为了回答上述问题,1969年,比利时物理学家普利高津,在“理论物理与生物学”的国际会议上首次提出了耗散结构理论。他认为,一个远离平衡态的非线性的开放系统,只要通过不断地与外界进行物质与能量的交换,在外界条件变化达到一定的阈值时,系统状态可能发生突变,从原有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,这种新的宏观稳定的有序结构就称为耗散结构。耗散结构理论是研究一个开放系统由无序向有序转化的机理、条件和演化规律的科学。它的研究对象是开放系统,而宇宙中各种系统无一不是与周围环境有着相互依存、相互作用的开放系统,因而这一理论涉及范围之广,在整个科学史上可以说是罕见的。普利高津因这一成果荣获l977年诺贝尔化学奖。


(五)耗散结构形成的条件


耗散结构理论指出,一个系统从无序向有序方向转化,形成耗散结构必须满足以下四个条件。

01 系统必须是开放系统

热力学第二定律指出孤立系统自发地趋于无序。只有开放系统,通过与外界交换物质和能量,系统从外界引入负熵流抵消系统内部的熵产生,才能使系统总熵逐步减少,使系统从无序状态趋向有序状态发展,形成耗散结构。生物体是典型的耗散结构,它必须从外界摄取物质和能量维持新陈代谢,否则就会死亡。


02 系统必须远离平衡态

从热力学角度来说,平衡态是指在与外界环境没有物质和能量交换的条件下,系统宏观状态长时间不发生任何变化,系统稳定存在的一种最均匀、最无序的状态。非平衡态是指在与外界有物质、能量和信息交换的条件下,随着时间的变化,宏观系统的各部分或全部发生各种变化、变异的状态。当系统处于平衡态时,系统自身的熵产生率为零,系统的熵值达到最大,不再发生变化,系统保持混乱无序的状态。在线性近平衡态区域,即使外界有负熵流流入,它对系统产生的影响也是极其微小的,不会改变系统向平衡态演化的事实。只有在远离平衡态的条件下,系统才有可能发生突变,形成新的有序结构,即“非平衡是有序之源”。


03 系统内部各个元素之间存在着非线性的相互作用

线性是指系统各部分元素之间可以用二元一次方程或多元线性方程来表达的函数关系;非线性是指系统各部分元素之间可以用微分方程、差分方程或代数方程来表达的函数关系。如果元素间的相互作用是线性的,则其中一个元素的微小变化只能引起与之对应的元素的微小变化,不可能由微涨落形成巨涨落,系统的突变就不可能发生。只有元素间存在非线性的相互作用,微涨落才有可能扩大为巨涨落,系统发生突变。


04 涨落导致有序

涨落是指系统的某个变量对平衡位置的偏离。涨落是偶然的、随机的,在不同状态的系统,涨落的作用是不同的。当系统处于平衡态或者线性近平衡区域时,涨落是一种干扰,由于这时该系统本身具有较大抗干扰能力并保持原来的稳定状态,涨落的发生只使系统状态暂时偏离平衡位置,最终还要回到稳定的平衡位置。当系统处于非线性远离平衡态区域时,系统中一个随机的微小涨落,通过非线性的相互作用和连锁效应被迅速放大,引起系统从不稳定状态跃迁到一个新的稳定的有序状态,导致系统发生突变,从而形成一种新的稳定的有序结构。任何事物都有其保持自身特质并可以与他质相区别的阈值,由涨落运动所引起的扰动达到或超过一定阈值时,系统原有结构就会遭到严重破坏,为系统出现新的有序结构提供可能。在远离平衡态的非线性区域,涨落对耗散结构的形成起触发和激化作用。


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