什么是稳态?

伊利诺伊大学芝加哥分校地球与环境科学系荣誉教授凯尔文·罗多尔福提供了这个答案

稳态,源自希腊语中“相同”和“稳定”的词汇,指的是生物体用来积极维持生存所需的相当稳定条件的任何过程。这个术语由医生沃尔特·坎农在 1930 年创造。《身体的智慧》一书描述了人体如何维持稳定的温度水平以及其他重要条件,例如血液中的水、盐、糖、蛋白质、脂肪、钙和氧含量。类似的过程动态地维持地球环境中的稳态条件。

稳态在社会科学中找到了有用的应用。它指的是在相互冲突的压力和动机下,一个人如何维持稳定的心理状态。一个社会稳态地维持其稳定,尽管存在相互竞争的政治、经济和文化因素。一个很好的例子是供求规律,通过供求的相互作用,市场价格保持在合理稳定的水平。

稳态思想与控制论科学(源自希腊语“舵手”)共通,控制论在 1948 年被数学家诺伯特·维纳定义为“控制和通信理论的整个领域,无论是在机器还是动物中”。控制论系统可以“记住”干扰,因此被用于计算机科学中存储和传输信息。负反馈是稳态和控制论的核心概念,指的是生物体或系统如何自动对抗强加于其上的任何变化。


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例如,人体使用多种过程来控制体温,使其保持在接近 98.6 华氏度的平均值或正常值的范围内。应对过热最明显的生理反应之一是出汗,这通过使皮肤上更多的水分可用于蒸发来冷却身体。另一方面,在寒冷的环境中,身体通过减少出汗和减少皮肤的血液循环来减少热量损失。因此,任何升高或降低正常体温的变化都会自动触发抵消、相反或负反馈。在这里,“负”仅仅意味着相反,而不是坏;事实上,在这个例子中,它为了我们的福祉而运作。正反馈是对偏离正常状况的变化的响应,它会使偏离更加剧烈。

例如,如果一个人的体温升高到大约 107 华氏度,负反馈系统就会停止运作。发高烧的人,即使出汗帮助降温,皮肤也会发烫干燥。在这种情况下,不仅负反馈系统已经关闭;升高的温度还会加速身体化学反应,导致温度进一步升高,进而进一步加速身体化学反应,如此往复。这种正反馈的恶性循环,一个“失控”的过程,如果不能停止,最终只能以死亡告终。

重要的是要强调,如果系统正常运行,稳态反应是不可避免和自动发生的,并且稳态或平衡可能由许多系统共同运作来维持。例如,潮红是身体对发热的另一种自动反应:皮肤变红是因为其细小的血管自动扩张,将更多受热的血液带到靠近表面的位置,以便散热。打寒战是对寒冷的另一种反应:不自主的运动燃烧身体组织以产生更多的体热。

负反馈产生于相互影响的力与因素之间的平衡。为了说明其几个重要的特征,我们可以将汽车及其驾驶员视为一个统一的、复杂的、稳态的或“目标导向”的系统——一个赛博格,或“控制论生物”,因为它试图保持汽车在轨道上行驶。驾驶员不是通过将方向盘保持在固定位置来转向,而是不断地稍微向左和向右转动方向盘,寻找能使自然蜿蜒的汽车回到轨道上的方向盘位置。干扰,或偏离平衡,与负反馈同样重要:如果系统不偏离,它们就无法自我纠正。

振荡是许多系统常见且必要的行为。如果汽车打滑,驾驶员会通过快速向相反方向转动方向盘来自动响应。然而,这种突兀的负反馈通常会过度纠正,导致汽车向道路的另一侧移动。如果负反馈与引发它的干扰一样大,它可能会变成与原始干扰方向相反的显著变化。汽车和驾驶员通过左右摇摆,每次摆动幅度都略微减小,从而从打滑中恢复过来。换句话说,每次反馈都小于上次偏离目标的程度,因此振荡会“衰减”。负反馈需要时间,而这种时间滞后是许多自然系统的一个重要特征。这可能会使系统在平衡水平之上和之下振荡。

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