负熵驱动的创新集群.PDF-得力文库

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1、负熵驱动的创新集群 06 07 2018 年 8 月 31 日星期五 http:/ 专版上海市青浦区科委主任、区科协主席张宏洲本版责任编辑龚福星亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡

2、亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡一、负熵及耗散结构理论（一）热力学熵的概念及熵增原理约 140 多年前，科学家们发现了热力学第一定律（能

3、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，

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、。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

10、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

11、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，它亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡

12、亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡

13、亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡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

14、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

15、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 l 977 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。 1. 系统必须是开放系统热力学第二定律指出孤

16、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。 2. 系统必须远离平衡态从热力学角度来说，平衡态

17、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

18、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 ” 。 3. 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

19、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

20、用，微涨落才有可能扩大为巨涨落，系统发生突变。 4. 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

21、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

22、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。二、创新集群的一般特征笔者在之前的研究中已经概括创新集群的一般性特征有如下几个方面：（一）产业间联系集群主体间存在产业间联系才能够产生有效的沟通需

23、求，沟通才能产生学习效应或者规模效应，才能够创造出价值。无论是基于产业链上下游之间的价值供给性联系，还是产业链水平分工的主体之间的能力互补性或者规模效应型联系都是有效的构成集群的联系。一般工业区中随机招商进来的企业间大都缺乏这样的产业间联系，导致大量企业形式上集聚在一个工业区块中，但缺乏产业间的有机

24、联系。（二）主体间互动集群内的各个主体，通常具有互补竞争优势关系，因此在供应链与价值链的作用下相互连接。集群中的主体在合作中降低交易费用，在此消彼长的竞争中次第提升技术水平和产品质量。需要合作对外时凝聚成利益共同体，产生竞争时互为对手，集群学习时互为老师，技术溢出时共同提升。这些主体因为期望得到互动而进

25、入集群，集群因主体间互动而获得良好的新陈代谢效果，整体形成科技创新生态与产业生态。互动使得集群具有超乎寻常的生命力。（三）灵活且专业化专业化是科技创新集群的显著特征之一，具体表现为区域专业化和集群内部研发和生产经营的专业化。研发和生产经营同一产品或者同一条产业链上的产品的大量中小企业在特定地区聚集，使该行

26、业或者产品与该区域紧密联系起来，从科技创新集群的名称就可以看出其专业化的方向。区域品牌是集群内企业共享的一种珍贵的无形资产，而区域品牌的形成离不开区域的专业化。对于集群内部而言，各主体之间的联系是建立在专业化分工的基础上的，各个主体专业从事产业链或者产品零部件供应链上的特定环节或产品的研发和生产经营

27、，甚至把工序都细分，每道工序的加工都由独立的企业进行。甚至从事某一道工序或者某一环节研发或者生产的主体都有很多家，而且每道工序的半成品都要通过市场进行交易。随着交易效率的提高，集群内的每个主体都可能提高其专业化水平从而选择更高分工水平的工作， “ 生产系统中劳动生产率由个人的专业化水平决定 “ 。可见，集群

28、内部的专业化分工和密切协作是形成竞争优势的基础。（四）关系网络化科技创新集群中不仅聚集作为研发或者生产经营活动主体的众多企业，还包括大学、科研机构、科技创新中介服务组织等知识生产机构和服务机构，它们作为辅助机构，同样发挥着重要且关键的作用。首先，科技创新集群内供应商、生产商、销售商和客户之间存在前向、后

29、向和水平的产业联系：其次，企业与大学或科研机构、科技创新中介服务机构、政府之间存在相互支撑的关系。它们之间以分工和专业化为基础，通过长期的合作形成本地化的集群网络，通过正式或非正式的联系频繁地进行商品、劳动力、服务、信息等方面的交易、交流和互动，从而降低企业研发新产品和生产产品的平均成本，增强整个集

30、群获得新知识和积累知识的能力，产生集群效益，共同推动集群的发展和企业的持续创新，这种效应是非集群企业单纯在地理空间尺度上集中所达不到的。（五）衍生根植性衍生根植性是指科技创新集群的各种网络关系和企业、科研机构以及大学的活动是构建在地方社会架构上的，它们具有较强的地方归属性，其它区域很难简单模仿。能够进入

31、同一科技创新集群的企业、科研机构大多具有相同的科研背景、文化背亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡

32、亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡景和制度环境，其行为都遵循集群内共同的语言规则、交易规则和背景知识，因而具有可靠性、可预测性，易于产生

33、交往默契，便于交流一些行业共性知识和技术诀窍。这样既可以防止各种机会主义行为，又可以促进技术和知识的 “ 溢出 “ 。溢出的技术和知识不仅包括已经明确的知识，还包括很多行业内的 “ 默会 ” 知识，及难以言传的而又普遍知晓的知识。从某种意义上，我们可以认为这些根植在特定地区的集群是一群年龄相仿、有着相近的身体素质和

34、相同的奋斗目标的运动员，他们竞争着，又相互促进着，在共同的环境和规则下进行比赛。它们的命运联系在一起，整体凝聚力的增强促进每个个体的发展，反之亦然。根植性的强弱与产业集群的稳定性以及持续性发展密切相关：根植性强的集群相对稳定且应变灵活；反之就会不稳定因素增多，波动性大。这个特征告诉我们，在促进和发展

35、创新集群时，不能片面追求科研机构和企业的 “ 集中 ” ，而应该重视企业的研发背景、文化背景和生产特点是否适应当地的地域文化，是否能融入集群，与其它同类主体进行交流和合作。（六）技术溢出高效成熟的科技创新集群是科技创新占据主导地位且创新活动异常活跃的集群，这样的集群具有良好的知识转移机制，能加快知识和技术的传播，

36、集群化使企业学习新技术变得容易且低成本。集群的竞争优势取决于新知识和新技术的转移速度和转移效率，而高效的知识转移又以企业间的密切交流和互信合作为基础。首先，集群知识转移主体、集群知识转移意境和集群知识转移媒介都为集群企业营造了良好的知识转移机制和转移通道；再次，通过企业之间的专业分工和协作，将知识转

37、移至相关企业，再通过成员企业的模仿而提高整个创新集群的竞争力。除了知识转移机制，科技创新集群还具备良好的技术学习与扩散机制：集群内资金雄厚的龙头企业通过外向型学习，从集群以外获取新知识、新技术，其它的中小型企业从这些知识在集群内部的后续扩散中学习，进而形成 “ 外部引进内部扩散 “ 的良性知识流动，其中，正

38、式和非正式的集群内部学习都是集群内企业学习的主要途径。三、创新集群成为耗散结构的条件（一）开放性是创新集群成为耗散结构的整体基础创新过程一定程度就是科学技术理论和设计思想的 “ 商业化 ” 的过程，就是转化有创新意义的科技成果为有经济价值的商品及其产业的过程。创新集群演化一方面要求企业、高校、科研机构、政府部门、教育中介机构等构成子系统

39、持续输入物质、能量和信息；另一方面要求推广或销售各种产品和成果，这是输出的过程。创新集群以与外部环境的输入输出为基本条件。科技资源优化配置、企业生产和市场消费的增长、公司企业的经营管理、高校和科研机构的研究开发投入、政府的宏观调控，都是在开放中进行，在不断与外部环境进行知识、人才、资金、技术、产品、

40、设备等广泛的交流中进行。只有当这个交流适度时，才能使其结构和功能不断改善，即持续增加系统负熵值。创新集群的熵变化是由两个方面的因素引起的，一是创新集群与创新环境交换创新物质、能量、信息而引起的熵流改变，其改变值可正可负；二是创新集群自身由于不可逆性而引起的熵的变化，其增加值始终为正。当创新集群获得创

41、新信息所带来的熵流为负值，且其绝对值大于创新集群本身由于不可逆过程而增加的熵值时，创新集群的总熵变就小于零，创新集群的熵逐渐减小，创新集群就向有序或高级有序的状态转变。随着全球经济一体化和科技交流全球化的发展，在创新集群的形成和发展过程中，不仅需要集群内的各个主体间进行频繁的交流互动，相互学习和共同

42、创新，与集群外主体的全方位、多层次的互动也必不可少，包括进行学术研讨、开辟新市场、寻找新的合作伙伴和拓展区域创新空间等，从而获取远距离的资源和知识，完成集群内外的合理链接。集群中企业和服务机构通过在集群中的互相联系得到自身价值的实现，它们在相互联系中贡献越大，自身价值实现的机会也就越大。不难设想，如

43、果它们只在集群中获取信息、能量和物质，而对集群无所贡献，那么这个集群积存的信息、物质和能量就会逐渐枯竭，整个集群也就走向死寂。避免这一情况发生的办法就要是保持集群整体开放，整个集群对外开放和集群中每个个体相互开放，使整个集群积极、充分地与外界保持信息、能量和物质的交换，同时，集群的组成个体之间也保持

44、积极、充分的信息、能量和物质的交换。这种全方位交换会在促进要素增值的同时也促进整个集群的增值，集群为组成个体提供平台，个体为平台添砖加瓦，这也是现代社会互动双赢原理的重要体现。此外，由于科技进步是持续的，科技创新集群也应持续接纳新生的研发机构和企业与之适应。总之，在开放条件下，创新集群通过对科技信息

45、、物质的引进、消化和吸收才能使系统产生负熵流，从而增强了系统有序发展的可能。（二）远离平衡是创新集群有序演进的内在源泉普利高津指出： “ 非平衡是有序之源 ” 。这里所说的非平衡态是指系统远离平衡态的状态，平衡态和近平衡态都被排除在外。当系统处于平衡态时，熵值最大，系统最无序，组织最简单，信息量最小，系统就会变成一种稳定的

46、死结构。只有当系统远离平衡态，系统处于一种十分不稳定的状态时，一旦外界对系统施加足够的影响，系统才有可能通过涨落或突变进入一个新的稳定有序状态，形成新的稳定有序结构。一个内有动力和外有活力的系统必定是一个有差异的非均匀、非平衡的系统。系统的非均衡、非对称、存在某种梯度，才会在宏观上产生持续的流动。如

47、果一个系统处于无差异的平衡态，就意味着该系统内部不存在势能差。无势能差的平衡系统服从势能最小原理，必然是一个低功能系统。同样，一个有内动力和充满活力的创新集群必定是一个有差异的、非均匀的、非平衡的社会系统，如果创新集群一旦进入 “ 死 ” 结构的平衡态，便维持这种状态不变，任何涨落在平衡附近都是衰减的。无论

48、从时间还是空间的角度来研究，创新集群的有序演进都应该具备非平衡性。从时间上看，知识、技术、社会和经济发展的速度应该是非均衡的，系统内部非均衡的物质流、资金流、知识流、人才流和信息流产生有规则的波动和无规则的随机涨落相叠加，才会造成集群创新演化过程的波动和起落。从空间上看，创新集群有组成它的子系统（科

49、技企业、科研机构、高校、政府部门、中介机构、金融机构等），子系统之内还有更小的系统（企业的不同部门、高校里的不同院系、政府中的不同机构等），系统具有多层次的差异性。创新活动的行为主体在创新集群中的功能、作用和机制等各方面存在巨大异质性，创新集群的不同企业、不同机构之间的发展，也都常表现为非平衡状态。创新集群作为社会系统客观存在，其状态集合与环境集合都是非空的，状态参量随着时间和空间的变化而变化，是个动态系统。巨大势差引起竞争与合作并形成各种动态的知识流和创新力，在外界环境的驱动作用下，系统远离平衡态。一个系统的演变即从它子系统之间的差异和不平衡性开始。当创新集群在

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