广义信息系统耗散结构的.doc

辽宁对外经贸学院
第五届学术研讨会

题 目： 广义信息系统耗散结构的
“量子化”属性研究

学 科：计算机科学

单 位：信息技术系

作者姓名：陈广山

二ОО九年十一月

广义信息系统耗散结构的“量子化”属性研究
陈广山
(辽宁大连 辽宁对外经贸学院 信息技术系 116052)
摘　要　耗散结构揭示了非孤立系统在远离平衡态时经过自组织从无序状态进化成一种新的有序状态的特殊性质。由于与自然界中的许多现象具有一定的相似性，因此许多学者正致力将其推广于更复杂的化学、生命、社会学等广义信息系统之中。广义信息系统是一种高级的信息系统，其耗散结构的形成是内部“涨落”与外界共同作用的结果，具有“量子化”的属性，本文对广义信息系统耗散结构的“量子化”属性进行了研究。
关键词　耗散结构　广义信息 量子化 非线性
Research on Quantisation Property to Dissipative Structure of Generalized Information System
Chen-Guangshan
(LiaoNing DaLian Liaoning University of International Business and Economics 116052)
ABSTRACT: Dissipative structure reveals a non-isolated system away from equilibrium state through the self-organization from the chaotic state of evolution into a new state of the special nature of the orderly. As with many phenomena in nature have a certain similarity, many scholars are working hard to improve its promotional on more complex chemical, life, sociology, and other general information systems. Generalized information system is an advanced information system, the formation of dissipative structure is an internal "fluctuation" and the results of the joint effect of the outside world with a "quantum" of the property, this paper generalized information systems dissipative structures "quantum of "Properties were studied.

KEYWORDS: Dissipative Structure Generalized Information Quantisation Nonlinearity

1 引言
普利高津（I.Prigogine）提出，非平衡系统在与外界有着物质与能量的交换的情况下，由于内部各要素间存在着复杂的非线性相干效应，从而能够产生自组织现象，形成耗散结构。所谓耗散，指系统与外界有能量的交换；而结构则说明在时间与空间上相对有序性。
非平衡系统内诸多变化着相互联系、相互制约的因素决定着系统的可能状态和演变方向。也就是说，系统经过突变，通过能量的耗散与系统内非线性动力学机制来形成和维持与平衡结构完全不同的时空有序结构。而且这种突变是随机的、不可预见的，也是不可控制的。广义信息系统是一种高度进化的、由耗散子系统构成的信息系统。从熵的观点来看，若要想获得生存和发展，广义信息系统也必须不断地从外界吸收负熵，以抵消系统内正熵的增加，从而确保其不断地走向更高层次的、稳定的有序结构，即广义耗散结构。那么广义耗散结构的形成也是随机的吗？
2 耗散结构
2．1贝纳特现象
在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热。当液层底部与顶部温度差较小时，热量以传导方式通过液层，液层中不会产生任何结构。但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案（如图2-1所示）。
当 ΔT = T2 - T1 = 0 时 —— 平衡态
当 ΔT > 0 但不太大时，稳定的非平衡态 —— 单纯热传导
当 ΔT > Tc 时，出现有序的宏观对流。千千万万的分子被组织起来，参加一定方式的宏观定向运动，能量得以更有效的传递。

图2-1 贝纳特现象
2．2耗散结构
1．耗散结构
耗散结构理论是普利高津等人在长期研究复杂系统演化的过程中，提出的一种自组织理论。“一个远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，在这一条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态。这种新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的，称为耗散结构[1]”。
2．耗散结构形成的条件
开放系统、非平衡、非线性和涨落是耗散结构形成的条件。开放、远离平衡态是形成耗散结构所需的外部条件，系统内部具有非线性的正反馈机制是形成耗散结构的内部条件。当系统远离平衡态，偏离平均值的微小涨落被正反馈机制不断放大，变成“巨涨落”，系统的原状态就失稳。在非线性相互作用下，使构成系统的各部分间相互制约，相互耦合，相互作用形成时空有序的耗散结构。
        3．耗散结构的特征
（1）开放系统。开放系统能够与外界的能量和物质交换产生负熵流，使系统熵减少形成有序结构。耗散即强调这种交换。
（2）远离平衡态。贝纳特流中液层上下达到一定温度差的条件就是确保远离平衡态。
（3）非线性作用。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大，达到有序。
3 广义信息系统
3．1信息的概念
1．信息的经典定义　　
（1）信息论的创始人仙农在题为“通讯的数学理论”的论文中指出：“信息是用来消除随机不定性的东西”。
（2）控制论的创始人维纳在《控制论》一书中，指出：“信息就是信息，既非物质，也非能量”。
2．现代信息的涵义
目前还没有一个公认的现代信息的定义，现代信息的定义，大体上可以从以下三个方面来理解：
（1）狭义的理解。“信息是指具有新内容、新知识的消息”, “信息是消息中不定性的排除”, “信息是指对消息接受者来说预先不知道的报道”, “信息就是研究信息量、信道容量和编码问题”等等。
（2）广义的理解。“信息是对生活主体同外部客体之间有关情况的消息”, “信息就是物质存在的方式或运动的状态以及这种方式、状态的直接或间接表述”, “信息是事物运动的状态以及这种状态的知识，一切事物都在运动，它们的运动状态就给人们提供各种各样的信息”, “信息是客观世界各种事物特征和变化的反映，客观事物的特征不同，反映它的形式也不同。
（3）哲学的理解。“信息是物质的属性”, “信息是物质的一种存在形式，它以物质属性或运动状态为内容，、并且总是借助于一定的物质载体传输或存储”, “信息是物质的普遍属性。所谓物质系统的信息，是指它所属物质系统在同一切其它物质系统全面相互作用的过程中以质、能波动的形式所呈现的结构、状态和历史”； “信息是指反映客观世界中各种事物的变化及其特征的表征，是客观事物的状态经过传递后的再现，对于接受者来说是一种有用的知识”等等。
3．2广义信息系统
1．广义信息[7]
信息就是指物质用一种直接、具体的存在方式和运动状态来表明间接存在的另一事物的特征，就是这种间接存在的另一事物的特征的标志。间接存在的另一事物的特征就是信息的具体内容。什么样的物质存在方式和运动状态决定着什么样信息内容。物质的直接存在性就是客观实在性。这样实际上就确定了信息内容的范围，就是除了“客观实在”之外的一切存在都是信息，这便是信息是物质存在方式和运动状态所蕴含的间接存在物的真实意义。这一定义将信息的范围扩大到广泛的领域，可以解释一切信息现象。
2．广义信息系统
信息系统是与信息加工，信息传递，信息存贮以及信息利用等有关的系统。本文所涉及的广义信息系统是指由多个耗散子系统组成的，包括自然的、物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的等各种复杂系统。
一个远离平衡的、非线性的广义信息系统通过不断地与外界进行物质和能量交换，通过涨落，系统可能发生突变，由原来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。也就是说广义信息系统也具有耗散性。普利高津的耗散结构理论适用于基于分子运动论，以及热力学等低级信息系统之中，无法完全推广致广义信息系统。广义信息系统所具有的是经过进化的、高级的耗散性，它是由多个耗散子系统组成的复杂的耗散系统。耗散子系统的形成、发展与消亡的过程，以及它们间的相互作用就是导致“涨落”形成的过程。
3．广义熵
信息系统状态的变化通常用熵（无序度、不定度、混乱度）来描述。热力学中的熵是热力学过程不可逆程度的一种量度。统计力学中的熵是分子随机热运动状态的几率大小的量度，也就是分子热运动的混乱程度或无序度。
如果所讨论的对象不限于分子热运动，可以借用熵的概念来描述非分子热运动的其他任何物质运动方式、任何事物、任何系统的混乱度或无序度，即广义熵。广义熵是对事物运动状态的不肯定程度（不定度），这就是信息论和控制论中关于熵的概念。
得到足够的信息后所消除的关于事物运动状态的不肯定性程度，或者说所消除（或减少）的熵，可以叫做负熵。负熵所表示的是系统的有序度、组织结构程度、复杂性、特异性或进化发展程度，是熵的矛盾对立面。
4 耗散结构的“量子化”属性
4．1耗散结构的统计力学解释
目前的热力学理论尚无法解释耗散结构形成的机制，通常的作法是用非平衡态统计力学来研究这个难题。铃木增雄就曾用福克-普朗克方程得到了一个触发耗散结构的图像（如图4-1所示），他讨论的方程是
¶P(x,t)/¶t = - ¶C1(x)P(x,t)/¶t + e ¶2P(x,t)/¶x2 （1）
其中P(x,t)代表在t时刻粒子数为x的概率分布；C1(x)是x的非线性函数，它描写系统的非线性特性；e 是个小量，表示随机力。设P(x,t)的初始状态为正态分布，当C1(x) = g x(1 - x2)时，铃木增雄得出方程（1）的近似解为
（2）
式中 t µ e e(2gt) ，下标SC表示铃木增雄所采用的标度近似。式（2）显示，经过一定时间间隔，概率分布函数PSC(x,t)将从初始的正态分布变为一个有双峰的分布。这表明系统经历了一个突变，这个突变过程也就是通过涨落促使耗散结构形成的过程。

图4-1 Psc(x,t)中x的分布随时间变化的情况
4．2突变的“量子化”属性
4．2．1 突变的“量子化”机制分析
铃木增雄从数学上模拟了突变的原理，但是传统的观点却认为这种突变机制的产生是随机的、不可预见和不可控制的。在广义信息系统中似乎也存在着这种随机的突变机制，之所以给人一种随机的印象，是因为忽略了广义信息系统的结构和功能属性。也就是说，广义上信息系统的内部是有着非常复杂的结构的，统计学规律从宏观上解释了突变机制的可能性和合理性，却忽视了这种机制产生、发展的内部结构和功能作用。实际上，正是这种复杂结构内部的相互作用导致的涨落与外因的“谐振”才导致了突变的发生。

（a） （b）
图4-2傅立叶分析曲线
在处于平衡态的广义信息系统中每时每刻都有涨落现象的发生，为了便于表述，假设是一个复杂的波形，如图4-2（a）所示。根据傅立叶分析，任何一个复杂的周期运动看成是许多不同频率的简谐振动的叠加，如将周期为的周期函数用一系列三角函数组成的级数来表示，记为

其中，都为常数。
因此，可以认为图4-2（a）是由许多不同频率的正弦波按一定比例叠加而成的，如图4-2（b）所示，其中每一正弦分量称为一种涨落分量。在远离平衡态的区域，涨落可以使系统的状态发生突变。
随着外界控制条件的变化，有的涨落分量很快衰减掉，有的涨落分量却得到放大，放大到了宏观尺度，就使系统进入某种有序状态。那么是什么样的外界条件导致了这种突变呢？从上述分析可以看出，这个外界条件可不是随机的，而是有选择的，与内部作用间必须满足一定的“谐振”频率，如图4-2（b）所示，其中的各种频率是离散的，并不是连续的，这说明形成耗散结构的突变是“量子化”的。
其实，这一本质也可以用福克-普朗克方程进一步解释。在福克-普朗克方程中，e 是个小量，定义为随机力，在此可以理解为一个与外界因素有关的状态参量（如负熵的量度）；g反映了内部的作用，也就是内部耗散子系统间非线性相互作用的结果，从而形成了必然的涨落；t µ e e(2gt)反映了内部作用g与外部作用e间的相互关系，其结果是一些非连续的、离散的值，即具有“量子化”的性质，如图4-3所示。该表达式也说明了耗散结构的形成并不是随机的，而是可以预见和控制的。如果e和g满足“谐振”条件，在一定的时间间隔后就会发生必然的“量子化”突变。
图4-3 t的 “量子化”状态

……
e e (2gt)

4．2．2 熵与能量
熵是一个状态量，熵本身不能直接输入或输出，即“熵流”和“负熵”不能单独存在的，它只有依附于一定的能量之上，或者说，熵或负熵只有以一定的能量为载体，才能进行输入或输出，即推动系统的熵变的动力源只能是能量。
熵变的动力源来自于能量，但不是单纯地决定于外部的能量，更不是决定于外部能量的大小。对于分子运动论中的耗散结构，输入的负熵与输入的能量是成正比的。但对于广义信息系统，输入的信息与输入的能量之间却不存在这种比例关系；同样，消耗不同的能量可以传递同样多的信息，而不同的信息量却又可以用同样多的能量传递出去。如“蝴蝶效应”中，能量只是个“负熵”的载体，内部能量的“涨落”与“负熵”满足“量子化”谐振才是突变的根本原因。
4．2．3“蝴蝶效应”的“量子化”解释
1．“蝴蝶效应”
“蝴蝶效应”是气象学家洛伦兹1963年提出的观点。其大意为：一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可能在两周后引起美国德克萨斯引起一场龙卷风。对这种现象通常的解释为：蝴蝶翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并引起微弱气流的产生，而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起连锁反应，最终导致其他系统的极大变化。
2．“蝴蝶效应”的“量子化”解释
“蝴蝶效应”产生的原因并不在于蝴蝶扇动翅膀所产生的能量，其实也不可能产生多大的能量，其对周围的空气系统也根本不可能产生结构性的变化。而根本原因在于其扇动翅膀“频率”的大小，正是这个“频率”信息被空气介质传递到“德克萨斯风场”，由于该信息所蕴涵的熵情与“德克萨斯风场”系统结构内部作用的效果满足“谐振”条件，才最终导致了突变----龙卷风的产生。
值得注意的是，并不是任何“频率”都能导致龙卷风产生的，也就是说“德克萨斯风场”对外界的“频率”是具有选择性的。正是由于蝴蝶振动满足与“德克萨斯风场系统所需的“量子化”频率一致才促使了突变的发生。当然，这个“量子化”的效果也并不一定非由蝴蝶所激发，只要“频率”相同谁都可以激发所谓的“蝴蝶效应”。否则，如果“频率”过小，这种统计性的涨落是不会破坏整个系统的平衡的，即局部的不平衡并不会导致整个系统发生质的变化。相反，如果“频率”过大，也不会发生突变，其结果却可能会导致系统原来的平衡状态被破坏，甚至形成“雪崩效应”，使系统最终退化到原始的平衡态，而不是原来的平衡态，因为整个过程是不可逆的。
5 结束语
耗散结构的产生首先来自于系统内部的功能，即系统内部的非线性、自催化、反馈机制等。一方面，由于这种功能的存在，当系统离开平衡时，其无序状态会失去稳定性；另一方面是时空或功能结构的原因，当无序状态失稳时，系统的功能所容许的有序结构是稳定的，最后一方面是涨落，当无序状态失稳后，涨落扮演了扰动的角色，促使系统从无序状态跃迁到有序状态。
对稳定系统来说，涨落是一种干扰，它引起系统的无序，这时系统有抗干扰能力，迫使涨落衰减，如果系统处在不稳定的临界状态，小的涨落不仅不会衰减，反而会被放大，驱动系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。对于广义信息系统：
（1）耗散结构并不是信息系统发展的惟一趋势。由于内部涨落变化不确定性，以及外界作用效果的不同，满足“谐振”条件可以形成耗散结构，否则平衡将不覆存在，甚至可能导致“雪崩效应”现象的发生，从而使系统退化到原始的平衡状态。
（2）耗散状态也不是惟一的，耗散结构态存在多种可能。由于内部非线性作用效果的不同，在外界的不同作用下可能形成“分叉”现象，当出现“分叉”现象时系统对新动态形式的“选择”也不是随机的，而是内部涨落与外界作用“量子化”的结果。也就是说，虽然进化展开的方式可能有多种多样的状态，但进化展开的方式是可以预见的，也能够被控制。
（3）信息（熵）对于耗散结构的作用是提高耗散结构的功能的有序性，而不是提高耗散结构的结构有序性。决定耗散结构形成与发展的本质是能量，能量是信息（熵）的载体，“量子化”的能量，即内部能量积累导致的涨落与信息（熵）的“谐振”是广义耗散结构突变本质原因。

参考文献
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[10]

作者简介
陈广山 1967年1月16日 男 汉族 辽宁台安 教授 硕士 网络应用