穩態,源自希臘語中“相同”和“穩定”的詞彙,指的是生物體用來積極維持生存所需的相當穩定條件的任何過程。這個術語由醫生沃爾特·坎農在 1930 年創造。《身體的智慧》一書描述了人體如何維持穩定的溫度水平以及其他重要條件,例如血液中的水、鹽、糖、蛋白質、脂肪、鈣和氧含量。類似的過程動態地維持地球環境中的穩態條件。
穩態在社會科學中找到了有用的應用。它指的是在相互衝突的壓力和動機下,一個人如何維持穩定的心理狀態。一個社會穩態地維持其穩定,儘管存在相互競爭的政治、經濟和文化因素。一個很好的例子是供求規律,透過供求的相互作用,市場價格保持在合理穩定的水平。
穩態思想與控制論科學(源自希臘語“舵手”)共通,控制論在 1948 年被數學家諾伯特·維納定義為“控制和通訊理論的整個領域,無論是在機器還是動物中”。控制論系統可以“記住”干擾,因此被用於計算機科學中儲存和傳輸資訊。負反饋是穩態和控制論的核心概念,指的是生物體或系統如何自動對抗強加於其上的任何變化。
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例如,人體使用多種過程來控制體溫,使其保持在接近 98.6 華氏度的平均值或正常值的範圍內。應對過熱最明顯的生理反應之一是出汗,這透過使皮膚上更多的水分可用於蒸發來冷卻身體。另一方面,在寒冷的環境中,身體透過減少出汗和減少皮膚的血液迴圈來減少熱量損失。因此,任何升高或降低正常體溫的變化都會自動觸發抵消、相反或負反饋。在這裡,“負”僅僅意味著相反,而不是壞;事實上,在這個例子中,它為了我們的福祉而運作。正反饋是對偏離正常狀況的變化的響應,它會使偏離更加劇烈。
例如,如果一個人的體溫升高到大約 107 華氏度,負反饋系統就會停止運作。發高燒的人,即使出汗幫助降溫,皮膚也會發燙乾燥。在這種情況下,不僅負反饋系統已經關閉;升高的溫度還會加速身體化學反應,導致溫度進一步升高,進而進一步加速身體化學反應,如此往復。這種正反饋的惡性迴圈,一個“失控”的過程,如果不能停止,最終只能以死亡告終。
重要的是要強調,如果系統正常執行,穩態反應是不可避免和自動發生的,並且穩態或平衡可能由許多系統共同運作來維持。例如,潮紅是身體對發熱的另一種自動反應:皮膚變紅是因為其細小的血管自動擴張,將更多受熱的血液帶到靠近表面的位置,以便散熱。打寒戰是對寒冷的另一種反應:不自主的運動燃燒身體組織以產生更多的體熱。
負反饋產生於相互影響的力與因素之間的平衡。為了說明其幾個重要的特徵,我們可以將汽車及其駕駛員視為一個統一的、複雜的、穩態的或“目標導向”的系統——一個賽博格,或“控制論生物”,因為它試圖保持汽車在軌道上行駛。駕駛員不是透過將方向盤保持在固定位置來轉向,而是不斷地稍微向左和向右轉動方向盤,尋找能使自然蜿蜒的汽車回到軌道上的方向盤位置。干擾,或偏離平衡,與負反饋同樣重要:如果系統不偏離,它們就無法自我糾正。
振盪是許多系統常見且必要的行為。如果汽車打滑,駕駛員會透過快速向相反方向轉動方向盤來自動響應。然而,這種突兀的負反饋通常會過度糾正,導致汽車向道路的另一側移動。如果負反饋與引發它的干擾一樣大,它可能會變成與原始干擾方向相反的顯著變化。汽車和駕駛員透過左右搖擺,每次擺動幅度都略微減小,從而從打滑中恢復過來。換句話說,每次反饋都小於上次偏離目標的程度,因此振盪會“衰減”。負反饋需要時間,而這種時間滯後是許多自然系統的一個重要特徵。這可能會使系統在平衡水平之上和之下振盪。
