技术范式转换中的熵变研究
林德明 郭银鑫
摘要：为了揭示技术演化的一般规律，运用系统熵解释技术演化中的技术范式转换过程，总结技术范式转换不同阶段（旧技术范式阶段、新旧范式并存阶段、新技术范式阶段）的熵变特征，并以两次技术革命为例进行验证。结果表明，技术在旧技术范式阶段熵值较低、新旧范式并存阶段熵值较高、新技术范式阶段熵值较低，也就是说，技术演化存在着有序与无序的交替变化过程，并且一般情况下遵循从有序到无序再到有序的循环变化。
关键词：技术范式；
技术演化；
技术革命；
熵
中图分类号：G301文献标识码：
ADOI：10.3969/j.issn.1003-8256.2021.02.002
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
技术进步是促进国家经济发展的重要力量，其发展水平是衡量国家综合国力的重要标志。通过分析特定技术领域的演化过程，可以梳理其发展脉络和内部技术活动的发展历史，反映其技术活动的现状，为技术人员探究、回溯技术起源和发展提供可靠的帮助，并对识别科技优先领域、合理配置科技资源具有重要意义，因而受到各国政府、学术界的高度重视[1]。目前关于技术演化的研究主要有以下几种观点：技术范式[2-3]、技术轨道[4-5]、技术生命周期模型[6]、技术扩散[7]等，本文选择从技术范式转换的角度来研究技术演化的过程。
“范式”的概念最初是美国科学史家库恩[8]提出，其认为范式就是一种公认的模型或模式，是一种对本体论、认识论和方法论的基本承诺，是科学家集团所共同接受的一组假说、理论、准则和方法的总和，这些东西在心理上形成科学家的共同信念。库恩从科学史的视角宏观描述了科学的进化与革命，并从范式的形成、积累和变革揭示了科学革命的结构和机制。1982年，多西[9]将范式的概念引申到技术演化中，提出了技术范式的概念，认为技术范式是解决所选择的技术经济问题的一种模式，而这些解决问题的办法立足于自然科学的原理。他认为与科学理论类似，从旧技术到新技术的转变代表着从旧范式到新范式的转变。随后技术范式的概念被学界所接受，普遍认为技术范式表达了技术的宏观结构[10]，随着技术范式的发展，需求的增加带来了新的挑战，技术瓶颈或新兴技术可能会削弱这种范式。因此，旧的技术范式受到阻碍，或逐渐被新范式所取代[11]，并且在技术范式转换过程中，相关的研究活动从有序状态转移到无序状态，然后再回到有序状态[12-14]。
目前关于技术范式的研究集中在以下几方面：（1）技术范式的概念及内涵。如郑雨等[15]认为技术范式实际上是技术发展的一种模式，它包括在发展某项技术过程中建立起来的特殊方法和经验，以及所规定的未来所发展的方向；
Barbear等[16]将技术范式分为探索型技术范式和开发型技术范式。（2）基于技术范式的理论研究。如罗仲伟等[17]构建了基于动态能力、技术范式和创新战略行为之间半交互影响的理论框架；
邬晓燕[18]辩证研究了技术范式更替与文明演进的关系；
叶芬斌[19]结合生态位理论与技术范式建立了战略生态位管理理论。（3）对特定技术领域进行技术范式识别。如Moerenhout[20]认为电子医疗将成为医学界的新技术范式，可以一定程度解决人口老龄化严重、看病贵等问题；
Gourlay[21]认为用于加速器的超导磁体Nb-Ti目前发展缓慢且稳定，高温超导体（HTS）将成为新技术范式替代它；
Kuusi等[22]采用文献耦合的方法分析纳米碳管相关的专利，以识别纳米技术领域的技术范式。
但是，目前关于技术范式的研究还没有从系统的视角，将技术发展作为一个整体的深入研究，也没有挖掘出技术范式转换过程的内在机理及呈现的规律。因此，本文立足于技术演化过程中发生的技术范式转换，首先对转换过程不同阶段进行定性分析，总结不同阶段具有的特征，再通过研究两次技术革命的范式转换过程来揭示现实中技术演化的一般规律，从而指导实践中的决策。
1技术演化中的范式转换
学术界目前比较认可库恩提出的科学演化及科学范式理论，该理论认为科学范式其实就是一种知识体系，当这种知识体系取得突破，将会带来科学革命。他认为科学发展一般会遵从如图1所示的发展过程。
库恩把科学演化看成科学范式转换的过程，科学在还没有形成统一的范式之前处于前科学时期；
当大家公认的范式形成之后，进入常规科学时期，这个时期人们遵照统一范式来分析和解决问题；
发展到一定阶段，当人们发现新出现的问题无法用现有的范式来解释，就会出现科学危机，当越来越多的与范式不一致的现象被发现，科学危机会进一步加深；
此时，会有少部分人去创造新的理论来解释说明新现象，当越来越多的人开始认可新理论，将引起科学革命，逐步废弃旧科学范式，建立新的科学范式，实现范式转换；
之后，人们开始遵循新的科学范式，科学发展也相应进入新常规科学期。因此，科学演化其实就是不断从旧的科学范式转换到新的科学范式的循环过程。
类似于科学演化过程，技术演化也存在着积累规范与变革规范的交替运动过程。因此，本文结合技术范式概念及科学范式转换理论，提出技术范式转换理论，具体如图2所示。
技术范式转换的过程可以描述为以下三个阶段：
旧技术范式阶段。旧范式已经成为行业内所有人一致遵循的解决方案与行为模式，该阶段的技术已经十分成熟，产品的性能提升遇到瓶颈，而且市场趋于饱和，对于该技术的研发投入更多的是为了工艺上的改进。这一阶段人们可能会有更高的需求，需要更先进、更高性能的技术应用到产品上，于是，在技术竞争与市场需求的双重作用下，新技术开始萌芽。
新旧技术范式并存阶段。初期，市场充满了各种不确定性，会涌现较多的新技术，并且应用新技术的产品性能与市场份额都很低，功能也不如原有技术完善，几乎没有对旧技术范式造成较大影响。但是，随着技术的发展和外部环境的变化，新技术越来越适应新的市场需求，并不断地削弱旧范式对市场的作用，并吸收其有利因素（如管理方式、生产方式等）来完善自己，逐渐产生技术危机。后期，随着社会经济的发展，旧的技术范式在解决技术经济问题的不足渐渐显露，其技术发展进入瓶颈，不会再出现新的突破。同时，不同的新技术之間相互竞争，其中具有较大优势的新技术将得到行业的认可，从而走向主导地位，导致技术革命的发生，形成新的技术范式，将旧的技术范式挤出市场，实现技术范式转换。
新技术范式阶段。参与新技术研发的力量不断扩大，核心技术迅速发展成熟，辅助技术也逐渐完善，人们开始遵循新技术范式来解决技术经济问题，将新技术应用到各个领域，新技术范式也随之走向成熟，成为行业的主导者，进入下一次技术范式转换循环中并成为“旧技术范式”，更“新”的技术范式将会取代它的位置。
2技术范式转换中的熵变
熵最早是克劳修斯提出的热力学领域的一个概念，是用来表征系统状态的参量之一。后来玻尔兹曼从分子运动的角度出发，对提出的热力学熵进行了引申，把热量转移理解为系统中微观分子的运动，并提出玻尔兹曼关系式：S = klnΩ，式中S代表该宏观系统的熵值，也用来表示该系统中微观分子的混乱程度，k表示玻尔兹曼常量，Ω表示该宏观系统中的微观分子总数，可以看出宏观系统的熵值S与系统中微观分子数目Ω成正比，即Ω越小，熵值S越小，系统越有序，Ω越大，熵值S越大，系统越混乱。
技术演化作为一个复杂的非线性开放系统，也可以用熵来衡量其演化过程中的混乱程度，进而揭示其演化规律。假如把某个技术领域的演化体系看成一个宏观系统，那么该技术体系中存在的各式各样的技术都可以看作宏观系统的微观分子。结合技术演化中的技术范式转换过程，本文将分析系统不同阶段存在的微观分子数目及相应的熵值变化。
旧技术范式阶段。旧技术已经发展成为行业内成熟的主导性技术，产品的性能提升遇到瓶颈，对于该技术的研发投入更多的是进行工艺上的改进。对于技术演化系统而言，系统主要由旧技术范式为核心的技术体系构成，导致该阶段技术体系中的种类较为单一，相应地，系统中的微观分子数极少，熵值较低，系统状态的不确定性极小，这个阶段系统处于有序状态。
新旧技术范式并存阶段。在技术竞争与市场需求的刺激下，将不断涌现出威胁到旧技术的新技术，对于技术演化系统来讲，这一阶段的微观分子数极大增加，除了以旧技术范式为核心的单一技术体系，还新增了诸多与旧技术存在竞争关系的新技术，而且各个技术之间竞争极为激烈，为了抢占市场资源，不断改进自身的结构和功能来巩固自己的地位，一方面不断从旧技术范式中汲取有利因素来完善自身的技术，另一方面还要及时掌握其他新技术的动态以采取最优战略。这一阶段系统的熵值较大，系统状态的不确定性也较大，系统处于无序状态。
新技术范式阶段。经历了新旧范式并存阶段的残酷竞争，更先进、更适应市场的新技术存活下来，并形成行业内大家都遵守的新技术范式，完成了技术范式转换。对于技术演化系统而言，系统主要由新技术范式为核心的技术体系构成，导致该阶段技术体系中的种类较为单一，相应地，系统中的微观分子数极少，熵值较低，系统状态的不确定性极小，这个阶段系统处于有序状态。
通过对技术范式转换三个阶段的系统熵值分析，可以发现技术演化系统在整个范式转换过程中微观分子数的变化从少到多再变少，也意味着，系统的熵从最初的低值状态上升到高值状态又落回低值状态。可以发现技术演化经历了从有序状态到无序状态，再到有序状态的变化，而且这个变化过程会随着新技术范式的出现循环往复。
3技术革命中的范式转换及熵变
为了进一步证明前文揭示的技术演化规律，本文选取现实中的两次技术范式转换过程进行研究。从世界近代技术史来看，显著的技术范式转换当属两次技术大革命所带来的巨大社会变革与技术更替。第一次技术革命，人类进入了“蒸汽时代”，机器代替了手工劳动，大大提高了生产效率，社会生产力实现质的飞跃；
第二次技术革命，人类进入了“电气时代”，电力的应用和电器的创造进一步推动了社会的快速发展。
本文采用玻尔兹曼关系式：S = klnΩ来计算技术演化系统的熵值，由于上式中k为常量，即S∝Ω，此处计算熵值简化为S = lnΩ，Ω在原式中代表该宏观系统中的微观分子总数，此处Ω为《简明世界科学技术史年表》记载的技术成果数量。
3.1第一次技术革命
十八世纪中期在英国爆发了第一次技术革命，实现了从传统的人力、畜力提供驱动力转变为利用蒸汽供力。本文选取几个标志性事件作为范式转换不同阶段的分界点。1765年珍妮纺织机的发明，标志着第一次技术革命的开始。1785年瓦特改良蒸汽机的发明，人类由此进入蒸汽时代。1800年开始，蒸汽机得到大规模的应用，不仅用于纺织业，更渗透到交通运输、冶金、炼钢等行业。因此，本文以1765年，1785年，1800年作为时间节点，将第一次技术革命划分为四个阶段，通过统计每个阶段的技术成果数量Ω，计算得到各阶段的系统熵值S，结果如图3所示。
旧技术范式阶段（17655年以前）：这一阶段的技术范式是以人力、畜力作为驱动力，如纺织厂通过雇佣工人进行手工生产，此时的生产技术已经很难再突破，生产工艺已趋于成熟。面对日益增长的市场需求，旧技术范式的不足渐渐暴露，工厂只能购买更多的纺织机，雇佣更多的熟练工人来提高生产效率。在这个阶段，渐渐出现一些新技术来替代人力、畜力，但是这些新技术几乎没有得到认可及应用，并没有对旧技术范式造成影响，该阶段的技术成果只有7项，主要的技术成果有：1705年，英国工程师纽科门及其助手卡利制造了最早的实用蒸汽机；
1712年，纽科门制造大气压力蒸汽机；
1733年，英国人凯伊发明使用飞梭的手工织布机。这一阶段，技术成果数量Ω较少，所以熵值S也比较低。
新旧范式并存阶段（17655—17855年）：在初期，大部分工厂仍遵循着旧技术范式，将人力、畜力作为主要驱动力，随着新技术范式的不断发展，越来越多的工厂开始接纳新技术范式，使用机器作为驱动力。因为这个阶段有非常多的人参与研发新技术，所以技术成果较多，有14项。主要的技术成果有：1765年，纺织工哈格里夫斯发明了“珍妮纺织机”；
1769年，理查德·阿克莱特发明了卷轴纺纱机；
1779年克隆普顿发明了走锭精紡机；
1785年，卡特莱特发明了水力织布机。这一阶段，新技术经历了成长期的迅速发展及成熟期的激烈竞争，诞生了很多技术成果，所以熵值S较高。
新技术范式阶段（17866—18400年）：随着机器生产逐渐代替手工生产，旧技术范式被市场淘汰，新技术范式奠定了其主导地位，实现了范式转换。这一阶段，技术变革已经完成，蒸汽供力的方式已经被人们接收，并将其广泛应用于生产和生活中，涌现出更多基于新范式的发明。在这一阶段初期（1786—1800年），因为新技术范式已经确立，原来成熟期时的百家争鸣的状态已经结束，蒸汽技术实现统一，针对该技术的研究成果数量较少，仅有4项，熵值S较低，主要技术成果有：1794年，瓦特发明蒸汽机气缸用指示器；
1796年，特列维西克开始研究高压蒸汽机。在这一阶段后期（1801年-1840年），人们已经完全遵循新技术范式，越来越多的人开始参与研发，产生了更多基于新技术范式的技术成果，有10项，所以熵值S较高，主要技术成果有：1807年，富尔顿制造蒸汽汽船“克莱蒙特号”；
1814年，史蒂芬孙发明蒸汽机车。到1840年，机器生产基本替代了手工生产，第一次技术革命基本完成。
3.2第二次技术革命
十九世纪七十年代，以电能的突破、应用以及内燃机的出现为标志，在德国和美国发生了第二次技术革命。这次技术革命的爆发，实现了从“蒸汽时代”进入“电气时代”，有实质性的能源技术变革，将第一次技术革命带来的蒸汽供能转变为电力供能。本文选取几个标志性事件作为新旧范式不同阶段的分界点。1866年，德国工程师西门子发明了自激式发电机，标志着第二次技术革命的开始。1878年，爱迪生发明了白炽灯，将第二次技术革命推向高潮。1890年开始，电能开始在各行各业得到推广引用。因此，本文以1866年、1878年、1890年作为时间节点，将第二次技术革命划分为四个阶段，通过统计每个阶段的技术成果数量Ω，计算得到各阶段的系统熵值S，结果如图4所示。
旧技术范式阶段（18666年以前）：这一阶段的技术范式是以蒸汽供能，英美等国仍遵循着第一次技术革命形成的技术范式，并迅速实现工业化，巩固了资本主义各国的统治地位。同时，这一阶段也是自然科学空前活跃的时期，诞生了许多重大科学发现，如法拉第电磁感应现象、麦克斯韦电磁理论等，基于这些电磁科学理论，一些电力技术开始萌芽。技术成果只有10项，主要的技术成果有：1808年英国工程师戴维使用2000个电池产生电弧；
1825年，英国人斯塔肖制作电磁铁；
1829年，英国人亨利制作最早的电动机等。这一阶段，电力技术仍处于萌芽期，因为技术成果较少，所以熵值也比较低。
新旧范式并存阶段（18666—18788年）：在初期，大部分工厂仍使用旧技术范式，将蒸汽供力作为驱动力，随着新技术范式的不断发展，越来越多的工厂开始接纳新技术范式，使用电力作为驱动力。因为新技术在这个阶段有较多的人参与，所以这个阶段的技术成果较多，有13项。主要的技术成果有：1866年，西门子发明了自激式发电机；
1876年，贝尔发明了电话，并且一年后，波士顿开通了第一条电话线路；
1878年，爱迪生发明了白炽灯等等。这一阶段，新技术经历了成长期的迅速发展及成熟期的激烈竞争，诞生了很多技术成果，所以熵值较高。
新技术范式阶段（18799—19100年）：随着电力生产逐渐代替蒸汽生产，旧技术范式被市场淘汰，新技术范式奠定了其主导地位，实现了范式转换。这一阶段，技术变革已经完成，电能供力的方式已经被人们接收，并将其广泛应用于生产和生活中，涌现出更多基于新范式的发明。在这一阶段初期（1879—1890年），因为新技术范式已经确立，针对新技术的研究成果較少，仅有5项，熵值较低，主要技术成果有：1879年，爱迪生在真空灯泡中放入白金螺旋线作灯丝；
1880年，爱迪生用竹制炭丝制作点灯；
1882年，美国人拉普拉格公开最早用于电力牵引的直流电动机。在这一阶段后期（1891—1910年），人们已经完全遵循新技术范式，越来越多的人开始参与研发，产生了更多基于新技术范式的技术成果，有16项，所以熵值较高，主要技术成果有：1901年，意大利发明家马可尼实现了横越大西洋的无线电通讯；
1904年，英国工程师弗莱明根据爱迪生效应发明二极真空检波管；
1910年，美国人克利治将钨丝灯泡实用化等等。到二十世纪初期，工业生产的主要动力来源已成为电能驱动，第二次技术革命基本完成。
通过对两次技术革命的分析，可以发现技术演化系统在旧技术范式阶段的技术成果数目较少，导致系统熵值较低；
在新旧范式并存阶段，由于出现各式各样具有竞争力的新技术，系统熵值较高；
在新技术范式阶段，系统中围绕新技术的发明成果较少，熵值较低。这个现象与前文揭示的技术演化规律一致，证实了该规律的适用性及准确性。
3结论
本文从熵的角度对技术演化中的技术范式转换过程进行了分析，总结了三个不同阶段的熵值特征并从中揭示了技术演化的一般规律，最后通过对近代史上两次技术革命的范式转换过程进行研究，证明技术演化遵循这样的规律：一般情况下，技术演化过程会经历从有序状态到无序状态，再到有序状态的变化，而且这个变化过程会随着新技术范式的出现循环往复。
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Research on the Entropy in Technology Pradigm Tranfer
LIN Deming，GUO Yinxin（Institute of Science of Science and S&T management， Dalian University of Technology， Dalian 116024，China）
Abstract：
In order to determine the universal law of technology evolution， entropy has been used to investigate the process of technology paradigm transfer in the period of technology evolution，as well as to examine change characteristics of entropy in the three stages of technology paradigm transfer including original technology paradigm， the coexistence of original and emerging technology paradigm， emerging technology paradigm. Therewith， cases of the twice Technology Revolutions have been analyzed to demonstrate the entropy change in the technology evolution. Herein， the results indicate that the value of entropy is low in the stage of original technology paradigm， is large in the coexistence stage of the original and emerging technology paradigm， forwards to descend in the stage of emerging technology paradigm. In other words， the technology evolution is an alternating process of order state or disorder state， this cyclic process is from order state to disorder state， then return to order state.
Keywords：
technology paradigm；
technology evolution；
technology revolution；
entropy