混沌与反馈
来源:《太极进化主义》第1篇 | 作者:段勇 | 发布时间: 2021-10-04 | 1783 次浏览 | 分享到:

  很多学者认为,混沌的发现是20世纪科学当中除相对论和量子力学之外的第三次革命,但是现在对于混沌的产生和作用的认识还有一些误区,主要原因是没有把混沌和反馈联系起来。

说起正反馈,大家会感到比较陌生,过去很多人只把它当成一种破坏力量,如果说它对宇宙和生命有重大意义,恐怕很难被大家接受。正反馈就是我们常说的良性循环或恶性循环,正反馈又可以称为马太效应和蘑菇定律。《新约·马泰福音》中说:“凡是少的,就连他所有的也要夺过来,凡是多的,还要给他,叫他多多益善”。蘑菇长大之前很难被人发现,人们经常把垃圾、污水倒在它们头上,于是更难长大,20世纪70年代的一批年轻的电脑程序员借此编写了“蘑菇定律”。翟文明.人一生要掌握的60个生活法则[M].北京:中国戏剧出版社,2005:34.

很多人只把逻辑斯谛方程式看作一个普通的迭代公式,其实它是反馈的定义式

初始条件X0确定后作为系统的输入,系统的输出值X1由方程确定:

        X1=f (m,X0)

  然后这个输出值作为系统新的输入,产生新的输出X2

        X2=f (m,X1)

  这样构成反馈。依此类推,可以得到X3X4…。

定义:若系统的输出X成为系统的输入,即:

  Xn+1=f(m,Xn)

其中,m代表一个或多个参量,则称X反馈

这里所说的系统可以指生物系统、非生物系统或社会系统。在普通的迭代公式中,系统的输出可以是另一个系统的输入,不一定成为本系统新的输入,即在求解X2时参数m的值有可能与求解X1时不同。例如动物的粪便会成为植物的养料,这在生态系统中构成一种反馈关系,但对于动物自身而言不能构成反馈。如果mf都不变,表示每次输出都成为本系统新的输入,那么这个公式就是反馈的表达式

在反馈系统中,构成反馈的环节可能有多个,设AXn的函数,BA的函数,CB的函数,…YW的函数,Xn+1Y的函数。因此,ABC,…W,Y构成反馈的中间环节,它们都可以用递推公式表示。

XnXn+1构成的平面内,正反馈系统变量X的数值是发散的,负反馈系统的变量X的数值可能趋向于某个不动点, 即存在确定的吸引子。如果不是发散的,也不存在不动点,那么X的轨道还有4种情况:周期轨道、准周期轨道、随机轨道和混沌轨道。混沌轨道是确定的但是非周期的,类似于随机的轨道,所以混沌是反馈的产物

定义:如果反馈系统的变量X的数值是发散的,则称这种反馈系统为正反馈系统

定义:如果反馈系统的变量X的数值不发散,则称这种反馈系统为广义负反馈系统。如果X的数值趋于某个不动点,则称这种反馈系统为狭义负反馈系统

不动点是指不考虑时间变量时为不动点,在考虑时间变量时应该是一条线,可以是直线、规则曲线或不规则曲线。当狼追一只兔子的时候,它的轨迹就是一条不规则曲线,但在任何一个时间点,它的吸引子都是一个确定点,所以这也属于狭义负反馈系统,而不是混沌系统。在生物系统和社会系统当中,多数是狭义负反馈系统。所以后来提到负反馈系统时,如果不加说明,就都指狭义负反馈系统。


(a)               (b)

图1.4 负反馈和正反馈在Xn-Xn+1平面内的轨迹

(a)负反馈;(b)正反馈

  欧阳莹之说:“一个确定性动力学系统可以是规则的或混沌的,这取决于系统不同组的可能路径的相对行为。如果邻近的路径随着时间线性地分离,则系统行为是规则的。如果相邻的路径以指数速率分离,则系统行为是混沌的。”(欧阳莹之.复杂系统理论基础[M].田宝国等译.上海科技教育出版社,2002:241.这个定义没有说明相邻路径以指数速率分离时,系统变量是发散的,还是不发散的

按照前面的分类,混沌系统属于广义负反馈系统。任何负反馈系统都不可能产生指数增长,只有正反馈系统能产生指数增长。所以混沌系统不可能产生指数增长。过去,很多人误把正反馈系统当成混沌系统,并认为指数增长是混沌的结果。当然,在混沌这个概念还没有公认的准确定义时,有不同的理解是可以的。如果真的可以把指数增长当成混沌的结果,那么我们就应该把混沌分成两类:正反馈混沌和非正反馈混沌。只有正反馈混沌能导致指数增长,非正反馈混沌不能导致指数增长。

在生命起源和宇宙起源的过程中正反馈(包括自复制)起主要作用,在生物进化的过程中,负反馈起主要作用

现在之所以公认混沌的发现是20世纪科学的第三次革命,一方面是因为混沌指示了一种通过确定方式达到不可预见性的途径,更主要的原因是因为过去人们看到了正反馈的巨大作用,然后误把其中很多作用当成混沌的作用例如蝴蝶效应被认为是混沌的结果(张建树,管忠,于学文