第六节 现代科学方法论的应用

现代科学方法论其中最有代表性的是系统论、控制论和信息论，即所谓“三论”。它们是本世纪中期创立的，到 60 年代以后应用最为广泛。三论所提出的理论和思想适用于一切科学，是认识客观世界的新方法论。例如关于事物相互联系构成系统的思想，事物发展的“S”型曲线的思想（图 4-7）等。无论自然事物还是社会事物在大趋势方面其规律性近于相同。例如科学水平的提高过程和植物生产过程在大趋势上表现出惊人的一致性。信息论是关于信息的认识、描述、度量的学问；控制论是关于信息的利用、处理、控制的理论；系统论则是认识事物整体与联系的方法论。

图 4-7 事 物 发 展 的 S 型 曲 线“三论”中对地理学来说系统论应用较广，本节略加详细介绍一下。系

统论是奥地利生物学家冯·贝塔朗菲提出来的，他认为系统是由相互作用、相互依赖的若干部分组成的具有特定功能的有机整体。可以说世界就是由各种系统组成的，小到原子、分子，大到太阳系、银河系都是系统，并且发现一切系统虽各有一定范围且都按着某些可以预见的方式运行。他声称系统论思想“预示着要出现一种新的世界观”。系统论认为，系统具有整体机制和反馈机制。所谓整体机制，就是认为系统的整体效应与各组成因素的个体效应并不是恒等关系，个体一旦构成系统，彼此间还产生组织效应。如果组织效应是正向的，那么整体效应就要大于个体效应之和；如果组织效应是负向的，整体效应就要小于个体效应之和。正像同样一支军队，如果组织调动指挥得好可以以少胜多打胜仗，反之指挥不当、配合不好就要打败仗一样。反馈机制就是指系统通过输出的信息转变为输入的信息（反馈）实现自我控制。例如，在自然生态系统中当食肉动物增加时，食草动物就减少，反馈过来就抑制了食肉动物的增加；社会生活中当制定一项政策后，执行时发现有很多问题反馈过来促进政策的修改，都是反馈机制的表现。事物的有序性是应用热力学第二定律、借鉴物理学的理论来分析包括社会事物在内的物质世界的普通规律，认为系统只有与外界交换信息、能量才能够趋向有序、不断提高自己的组织水平，越来越进化发展；反之，封闭的系统就犹如没有外部能量补充的热机，熵不断增加，组织水平越来越低，趋向于死寂的状态。

地理学，特别是自然地理学很早就注意到用系统思想（尽管当时没有明确称为系统论）研究问题。道库恰也夫的自然地带学说，伊萨钦科的自然综合体思想，苏卡乔夫的生物群落思想以及西方的景观理论都是把自己的研究客体看成是互相联系、互相制约的有机整体。系统论的产生使地理学原有这些思想更加明晰、更提高了一步。前苏联科学家索恰瓦提出了“地理系统” 的思想，英国科学家称“系统论给地理学注入了新的活力”，我国的地理学家牛文元用系统思想对自然地理理论体系进行了新的探讨。系统论作为一种

方法论指导着地理学的研究实践。例如，当前许多科学家讨论的“温室效应” 问题，不少人甚至认为人类使用化石燃料将导致全球增温，使南极冰融化， 50 年左右海面上升 5 米，会给沿海大城市造成措手不及的灾难。①这是从一

个孤立因素做出的判断，如果综合分析就不那么简单了，且不论 50 年间地球的宇宙因素如何变化，就单从地球增温本身引起的反映看，地球温度增高， 散热效应加大，同时改变云量和反射率，海水中部和深层水将吸收更多的CO2，绿色植物的总量增加也会吸收更多的 CO2，占陆地光合作用 2/3 的森林还可以延长 CO2 返回大气的时间。甚至有人（G.M.Woodwell）估计，只需 80 万平方公里的森林固碳作用，就可以吸收地球每年由矿物燃料放出的 50 亿吨碳。实际测定，1940——1960 年全球大气虽然北美洲出现温暖，可全世界平均气温却稍有下降。这个事实说明系统论的方法论比传统物理学简单的单行因果论要高明得多。

系统论不仅仅是一种科学的方法论，而且有较严密的理论体系和相应的定量方法。根据人对系统构造机制认识程度的不同，可将系统理论分为白箱理论、灰箱理论和黑箱理论。所谓白箱就是机制和结构完全明了的系统，如同电视机对电视发明制造者来说就是“白箱”。所谓灰箱，就是相当部分的结构机制已经明了，但并没有完全明了的系统，如电视机对一个并不高明的修理者来说就是“灰箱”。所谓黑箱就是结构机制完全不明了，仅仅知道输入输出信息之间某些简单关系的系统，如电视机对一个根本不懂电器的用户来说，他只知道打开钮就亮、闭掉钮就灭一样。地理事物大多属于中间状态， 即灰箱理论应用较为普遍。下边我们简单介绍灰箱理论的定量方法——系统动力学。

系统动力学是美国麻省理工学院史隆管理学院的 W.Fer-rester 创立的学说。1956——1961 年间他研究了以平衡条件变动为主的“稳态动力学”， 出版了《工业动力学》一书，创立了专门的计算机语言 DYNAMO 语言。1962

——1975 年期间他又研究了

增长动力学和一般系统论。指出，系统的概念到目前为止还是不完全，反馈理论在数学上还很复杂，企图对系统做出全部精确的数学表现尚不可能，必须把反馈过程的数学处理简化，人们通过实用练习来理解系统的各种行为原理，此即一种粗略定量解决“灰箱”问题的思想。系统动力学集控制论、信息论、反馈理论、决策理论之大成，建立了可以实用的系统仿真方法。被称为“战略策略实验室”，W.Ferrestet 被誉为伽利略式的人物。其系统内各因素之间的关系和系统整体效应的分析基本是通过因果反馈环实现的。当研究某一系统时先确定系统的目标，然后确定系统及子系统的边界，确定各子系统之间的相互关系、控制机理，建立模式，构成整体框架。例如，研究或预测人口、资源、环境与生产的关系，应用系统动力学则需首先确定人口、资源、环境与生产相互影响的范围——这一系统的边界，再搞清相互之间的关系、控制机理，然后建立因果环（如图 4－8 所示）。它们彼此间呈不同的反馈因果环关系，相互制约性很强，彼此构成系统。弄清制约关系后，进一步研究彼此影响的数量关系式，例如在生产与资源的关系中要找出生产发展速度与资源减少速度，及资源减少速度与对生产发展的影响程度之间的数量

① J.H.Mercer：《西部南极洲冰盖和 CO2 温室效应——一个灾难性的威胁》，世界科学译刊，1979.8.

关系并建立关系表达式。以此类推，建立另外几个因果反馈环的数学关系式。这样连成一体就可以分析、预测或设计社会生产系统的动态变化，用专门的计算机语言加以计算，加以调控，以找出最佳的科学组织结构。通过这一动态系统也可以分析各个因

素对整体的影响，如图 4-9 就是不保护环境、不节约资源，盲目发展生产增殖人口的预测图示。当然系统动力学方法也是有缺点的，1972 年 D.L.梅多斯写的《增长的极限》书，用系统动力学的观点对世界资源、能源的未来前景所作出的悲观预测，曾经一时震动了全世界，引起了科学界、经济界甚至政界的广泛争论。但是 80 年代发展的结论证明当时的预测并不正确，原因是十多年来节能和替代能源的技术发展很迅速，再加上石油输出国之间政治上的竞争，使 80 年代不但没有出现能源危机，相反油价还下跌了。这就告诉我们， 当把数学应用到人类社会事物中来的时候，就要充分注意到人们的技术、意志行为等多方面因素的作用。钱学森也批评过（1991），认为系统动力学是研究简单巨系统的方法，对开放复杂巨系统研究不适用。总之，系统动力学的方法是研究地理系统。定量方法之一，在一定条件有其应用价值。但值得注意的是，在因果分析时不能只抽取复杂系统的几个简单的指标，尤其对人的自身因素要予以充分的注意和充分的估计。

除了“三论”以外，近年来又提出耗散结构理论、突变论、协同论、扩散论等新的科学方法论。总而言之，地理学必须跟上科学发展的步伐，不断吸收用科学思想的最新成果武装自己。只有这样，才能挤身于现代科学的行列，为社会实践做出更大的贡献。