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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

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这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(6)力学的发展与复杂系统理论  

2013-02-22 13:50:23|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(6)力学的发展与复杂系统理论

 

顾自安

(厦门大学经济研究所      361005)

http://www.china&#118alue.net/Article/Archive/2005/11/28/15049.html

 

在《自然哲学的数学原理》一书中,牛顿提出了力学的三大定律和万有引力定律,对宏观物体的运动给出了精确的描述,总结了他自己的物理学发现和哲学观点。《原理》是自然科学界当之无愧的奠基性巨著。该著作把地面上物体的运动和太阳系内行星的运动统一在相同的物理定律之中,从而完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合。它不仅标志了十六、十七世纪科学革命的顶点,也是人类文明、进步的划时代标志。它不仅总结和发展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果,而且也是后来所有科学著作和科学方法的楷模。

 

牛顿力学为十八世纪的工业革命及其之后的机器生产准备了科学理论。马克思曾经认为,“在十八世纪臻于完善的力学是大工业的真正科学的基础”。毫无疑问,当时这个“科学基础”的最重要的部分是指牛顿的力学。牛顿的经典力学决不只是影响了自然科学界、工业和技术界,更重要的是它唤醒了人们对科学真理的认知,从而推动了社会变革和人们的思想革命。

 

根据牛顿的力学原理,人们利用描写物体运动的坐标及速度的初始值,就可以确定地知道该物体的未来和过去。牛顿建立了经典物理学的具有因果关系的完整体系并得到广泛的实际应用。他所建立的力学体系不仅能说明已有的理论已经说明的现象,如充分地解释伽利略发现的惯性定律和自由落体定律,而且能说明并解释已有的理论不能说明的现象,如完满地说明开普勒的行星运动三定律。更重要的是,牛顿的力学理论能预见到新的物理现象和物理事实,并能以天文观测或实验证实它们的正确性。经典力学理论体系的完美和实用威力的强大使物理学家深信,天地四方、古往今来发生的一切现象都能够用力学来描述。只要给出系统的初始条件,就能够毫无遗漏地把握它的因果性链条。

 

经典力学不可思议的成功使人们无条件地接受了这一理论,把它看作是科学解释的最高权威和最后标准。而且直到十九世纪末,它一直充当着物理学家在各个领域中的研究纲领。同时人们也普遍认为,经典力学是整个物理学的基础,只要把经典力学的基本概念和基本原理稍加扩充,就能够处理面临的一切物理现象。当时对牛顿力学的推崇正如赫尔姆霍兹1847年在《论力的守恒》中所说的:“我们最终发现,所有涉及到的物理学问题都能归结为不变的引力和斥力”,“只要把自然现象简化为力,科学的使命就终结了”。他还宣称:“整个自然科学的最终目的溶化在力学之中。”当时,在物理学家中间,出现了“把一切都归结为机械运动的狂热”(恩格斯:《自然辩证法》)。牛顿力学的超强解释力,甚至一度使人们认为物理学已经终结了,而人类关于物理学的一切探索在牛顿那里已经完成了。

 

马克思曾经指出:“科学从认识的较低阶段上升到较高阶段,愈升愈高,但是永远不能通过所谓绝对真理的发现而达到这样的一点,在这一点上它再也不能前进一步,除了袖手一旁惊愕地望着这个已经获得的绝对真理出神,就再也无事可做了”。

 

物理学也是如此,物理学从来不具有一种对一切时代都是完美无缺的形式,因为它的内容的有限性总是和可能观察到的事物的无限丰富多样性相对立的。这两者的对立统一,永远是物理学发展的持续动力。创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约,牛顿当然也不例外。

 

概括而言,牛顿经典力学的基本概念和基本原理,具有以下几个方面的局限性:

 

第一,尽管牛顿一再声明“我不做假设”,但他还是引入了超越经验的绝对时间、绝对空间等基本概念。按照牛顿的说法,绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着,而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言,是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动,牛顿以著名的旋转水桶实验证明绝对运动的存在。

 

第二,牛顿虽然对引力的本质持审慎态度,但最终还是对它作了抽象的、纯粹数学形式的概括,把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。经典力学的定律和公式都是机械决定论的。

 

第三,在经典力学中物体的质量是恒定不变的,它与物体的速度或能量无关。

 

第四,经典力学定律只适用于宏观低速世界,对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题,当时没有涉及也不可能涉及。这些固有的局限性,就是后来引起物理学危机与革命的内在根据。而此后相对论、热力学、量子力学、以及复杂系统理论等,就是在克服上述局限性的过程中逐步发展起来的。

 

我在本章第2.1.3节曾经介绍过热力学原理的基本内容。正如我们以及指出的,热力学定律的发现是对牛顿经典力学的一个局部革命。

 

热力学第一定律只是能量守恒和转换定律的热力学表现。

 

而热力学第二定律则反映了自然界中过程进行的方向和条件的一个规律,指出自然界中出现的过程是有方向性的,某些方向的过程可以实现,而另一方向的过程则不能实现。证明了一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的。也就是说,任意过程产生的效果,无论用任何曲折复杂的方法,都不能使系统恢复原状而不引起其他变化。

 

克劳修斯通过引入“熵”的概念,将热力学第二定律表述为:在孤立系统中,实际发生的过程总是使整个系统的熵增加,即熵增原理。能量转换必然伴随着能量损失,剩下可利用的能量将不足以回到初态。热力学第二定律可以简洁而通俗的表述为:万物皆走向衰退。这是自然界普遍使用的规律。

 

生命系统中的高级秩序可以维持吗?或者换句话说,如何解释生命系统的多种多样的秩序?本质上来讲,有机体系统的存续不是一个力学问题,而主要是一个能量问题,生命系统如何能够在能量方面保持自身的稳定?生命如何保存和传递为它们的秩序所必要的信息(这最终将同样以能量的观点来考虑)。从以上热力学的讨论中似乎暗示了所有生命系统终将崩溃,而所有高度有序的结构也终将土崩瓦解,腐烂分化。

 

如果任何系统都具有这种特征的话,那么结果似乎太令人悲观了。幸好在自然界中还存在一类物理和化学现象:如广为人知的例子被称为贝纳尔不稳定性(Benard instability)的物理现象,和称之为别洛索夫-扎鲍京斯基反应(Belousov-Zhabotinskii reaction)的化学反应。前者产生于液体的热对流,后者指许多生物化学反应在特定条件下也能形成与贝纳尔波非常相似的图样。它可以起到一种化学钟的作用,其振荡频率取决于各组分的浓度。普利高津把这种需要依靠外界供应自由能来维持其有序性的结构称为“复杂系统内部的耗散结构(dissipative structure)”。

 

作为制度分析的背景知识,我们需要介绍的另外一个理论是复杂系统理论。复杂性科学中对复杂系统的描述性定义:复杂系统是具有中等数目基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的系统。概括而言,复杂系统是相对牛顿时代以来构成科学事业焦点的简单系统相比而言的,两者具有根本性的不同。简单系统通常具有少量个体对象,它们之间的相互作用比较弱,或者具有大量相近行为的个体,比如封闭的气体或遥远的星系,以至于我们能够应用简单的统计平均的方法来研究它们的行为。而复杂并不一定与系统的规模成正比,复杂系统要有一定的规模,但也不是越大越复杂。另外复杂系统中的个体一般来讲具有一定的智能性,例如组织中的细胞、股市中的股民、城市交通系统中的司机、生态系统中的动植物……,这些个体都可以根据自身所处的部分环境通过自己的规则进行智能的判断或决策。复杂系统具有以下几个核心特征:

 

(1)中等大小数目的主体,通俗的讲也就是元素不能少,也不能太多。对于一般的系统我们可以按照系统内个体的数目以及相互作用的强度进行分类:

 

(A)简单系统,特点是元素数目特别少,因此可以用较少的变数来描述,这种系统可以用牛顿力学去加以解析。

 

(B)无组织的“复杂”系统:其特征是元素和变量数很多,但其间的耦合是微弱的,或随机的,即只能用统计的方法去分析。热力学研究的对象一般就是这样的系统。

 

(C)有组织的复杂系统:特征是元素数目很多,且其间存在着强烈的耦合作用。

 

(2)智能性和自适应性:这意味着系统内的元素或主体的行为遵循一定的规则,根据“环境”和接收信息来调整自身的状态和行为,并且主体通常有能力来根据各种信息调整规则,产生以前从未有过的新规则。通过系统主体的相对低等的智能行为,系统在整体上显现出更高层次、更加复杂、更加协调职能的有序性。

 

(3)局部信息,没有中央控制:在复杂系统中,没有哪个主体能够知道其他所有主体的状态和行为,每个主题只可以从个体集合的一个相对较小的集合中获取信息,处理“局部信息”,做出相应的决策。系统的整体行为是通过个体之间的相互竞争、协作等局部相互作用而涌现出来的。最新研究表明,在一个蚂蚁王国中,每一个蚂蚁并不是根据“国王”的命令来统一行动,而是根据同伴的行为以及环境调整自身行为,而是先一个有机的群体行为。

 

另外,复杂系统还具有突现性、不稳性、非线性、不确定性、不可预测性等等特征。

 

从目前来看,人们研究复杂系统主要采用两种方法:一种方法是利用计算机仿真的方法通过模拟复杂系统中个体的行为,让一群这样的个体在计算机所营造的虚拟环境下进行相互作用并演化,从而让整体系统的复杂性行为自下而上的“凸显”出来。这就是圣塔菲(Santa Fe)研究所研究复杂系统的主要方法。

 

另一方面,人脑面对复杂系统可以通过有限的理性和一些不确定信息做出合理的决策,得到满意的结果,因此,研究人脑面对复杂系统是如何解决问题的则是另一种“自上而下”的解决问题的方法,我们不妨称这种方法为“控制”方法。

 

复杂性科学所感兴趣的正是最后一种有组织的复杂系统。因为对于第一种系统来说,传统的牛顿力学范式的分析方法已经给出了这类系统行为的很好的解释。而对于第二类系统,由于其元素数目太多,必然是元素间的耦合“失去”个性,从而能够用统计方法去研究,成为一种简单的系统。所以,复杂系统的元素并不是多数就复杂,只用具有中等数目大小的系统才是一个有趣的系统,也才是一个复杂的系统。

 

我们知道,经济运行的制度系统本身是一个复杂系统,每一个人就构成了系统的元素,他们根据自己的决策规则选择合适的时机进行经济活动。按照“凸显”的方法来研究这样的系统,目前的演化博弈论制度分析实际上采用了一个模拟的交易市场,并且创造若干相互博弈的虚拟“人”,每个“人”都用给定偏好的规则进行博弈,虽然现实中的人用到的决策规则远远比博弈模型中的“人”的复杂的多,但是这样的近似还是有意义的,因为当若干这样的个体组合在一起构成系统的时候,宏观经济的制度系统的一些现象就会自下而上的“凸显”出来,这些涌现出来的现象在很多方面还是客观反映真实经济系统的。

 

 

杨鸿智

 

 

文章的前半部分,说明了牛顿力学产生的过程和基本特点。初看似乎没有什么重要的东西。其实不然。作者在这里指出了牛顿力学一些缺点,并且指出,正是这些缺点使后来的系统理论和复杂理论得以产生。我们现在许多研究人员认为牛顿力学仍旧是完全正确的,牛顿所建立的科学方法是唯一正确的方法,是判断一项研究是否科学的唯一正确的标准。在这些人的眼中,系统论和复杂理论都成为不科学,甚至是伪科学。如果想到要改变和纠正这样的错误,那么,这段文章就是非常重要的了。

 

文章的后半部分,说明了复杂系统的结构和运动方式。这对于刚刚入门的初学者来说是非常重要的。许多人不能理解复杂理论,第一个问题就是不了解简单物质与复杂物质的区别。这是牛顿力学教育的结果。要纠正牛顿力学的局限性,就要从认识简单物质与复杂物质的区别开始。

 

 

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