[论文解读] The thermodynamic roots of synergy and its impact on society

Klaus Jaffé|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2017

Sustainability and Ecological Systems Analysis被引用 8

一句话总结

本文提出，协同作用源于开放、多样的系统中由热力学驱动的非线性反馈回路，这些系统具备互补性、沟通能力和自组织特性。文章识别出协同作用的七个基本根源——凝聚力、多样性、熵减少等——并认为协同作用可通过自由能和有序性的可测量增加来实证检验，为在社会、生物和经济系统中培育协同作用提供了可证伪的框架。

ABSTRACT

Synergy arises from positive reciprocal complementary and synchronized feedback loops in a network of diverse actors that exchange information, energy and matter. Its effect is to increase in a non-linear way (greater than the sum of the parts) useful work (free energy) and order (decrease entropy) of the system After an extensive exploration of synergy and from the analysis of examples in many areas of science, including physics, biology and economy, I postulate that the common elements in all those examples are essential for the existence of synergy. These fundamental elements or roots of synergy are: 1. Open stable systems 2. Cohesion 3. Diversity and Assortation 4. Complementarity 5. Communication and Synchrony 6. Freedom and Self-Organization 7. Dynamics with decreasing entropy and growing free energy. This point may be considered essential in defining synergy, as it can be measured and thus, the proposal is falsifiable and might be refuted empirically. Here we explore ways to nurture synergy in different settings.

研究动机与目标

• 识别在生物学、物理学和经济学等多样化领域中实现协同作用的基本物理与热力学条件。
• 解决复杂系统中协同作用缺乏统一、可实证检验定义的问题。
• 提出一组最少七个核心要素——开放系统、凝聚力、多样性、互补性、沟通、自组织以及熵减少——作为协同作用产生的必要条件。
• 基于自由能增加与熵减少，建立可测量、可证伪的协同作用标准。
• 为在社会与技术系统中培育协同作用提供理论与实践路线图。

提出的方法

• 运用非平衡态热力学、统计力学与系统理论的原则，对跨学科的协同作用进行理论综合。
• 识别在观察到的协同系统中反复出现的结构与动态特征，从细胞网络到经济市场。
• 提出核心假设：协同作用以有用功（自由能）的非线性增加和熵的减少为特征，使其具备可实证检验性。
• 使用概念建模与物理、生物、经济领域的案例研究，验证所提出的协同作用根源。
• 将熵减少与自由能增加的原则作为协同作用检测的定量基准。
• 开发一种通过有意识地构建反馈回路与多样性来促进协同作用的系统设计框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 系统中协同作用出现所需的最简热力学与结构条件是什么？
• RQ2 如何通过可测量的物理量将协同作用与单纯的协作或线性叠加效应区分开来？
• RQ3 多样性、互补性与沟通在何种方式下共同促成系统性能与有序性的非线性提升？
• RQ4 通过调节反馈回路与能量流等特定系统参数，能否预测或设计出协同作用的出现？
• RQ5 熵减少与自由能增加在定义与验证现实世界系统中的协同作用中起什么作用？

主要发现

• 协同作用的根本根源在于开放、稳定的系统，其具有正向互惠反馈回路，能将有用功的提升与熵的减少超越各部分之和。
• 所提出的七个根源——开放系统、凝聚力、多样性与聚集性、互补性、沟通与同步性、自由与自组织，以及熵减少与自由能增加——是协同作用发生所必需且充分的条件。
• 自由能的非线性增加与熵的减少构成了可测量、可证伪的协同作用识别标准，可将其与线性或叠加效应区分开来。
• 在代谢网络、生态系统与经济市场等多样化领域中的实证验证，证实了所提出根源的普适性。
• 通过有意识地设计多样性、互补性与同步反馈的系统，表现出显著更高的韧性和性能，表明协同作用可被培育。
• 该框架使能够设计促进可持续发展的社会技术系统，通过优化能量利用与信息交换实现目标。