系統(tǒng)自組織理論

1、第四章系統(tǒng)的自組織自組織是系統(tǒng)科學(xué)的一個(gè)重要概念，它是復(fù)雜系統(tǒng)演化時(shí)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。自組織與他組織1.1組織動(dòng)詞：按照一定目的、任務(wù)和形式加以編制，組織是一個(gè)過(guò)程；名詞：組織過(guò)程所形成的結(jié)構(gòu)。1.2特點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)相對(duì)于組織前的狀態(tài)講，其有序程度增加，對(duì)稱(chēng)性降低，相互位置關(guān)系確定，例：磚頭 房屋，人員一一團(tuán)隊(duì)。組織過(guò)程是系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變的過(guò)程，是系統(tǒng)有序程度增加的過(guò)程。系統(tǒng)演化兩種方式： 量變：數(shù)量的積累，函數(shù)關(guān)系式不變（倘若存在）。質(zhì)變：根本性質(zhì)的變化，狀態(tài)變量個(gè)數(shù)、函數(shù)關(guān)系都可能發(fā)生改變。1.3分類(lèi)他組織系統(tǒng)外有一組織者，整個(gè)系統(tǒng)的組織行為按照組織者的目的、意愿進(jìn)行，在組織者的設(shè)計(jì)、安排、協(xié) 調(diào)下

2、，系統(tǒng)完成組織行為，實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)，平時(shí)講的組織大多是這一類(lèi)。根據(jù)系統(tǒng)“死或活”（是否包含 人），他組織稱(chēng)為控制（系統(tǒng)中不包含人）或管理（系統(tǒng)中包含人），這兩者都涉及到反饋。正反饋起到激 勵(lì)作用，負(fù)反饋起穩(wěn)定作用。自組織系統(tǒng)外不存在組織者，系統(tǒng)在一定外界條件下，“自發(fā)地”組織起來(lái)，形成一定的結(jié)構(gòu)，如螞蟻、蜜 蜂的群組織。從效果上看，他組織和自組織現(xiàn)象一樣，都是系統(tǒng)達(dá)到了一定的目的，區(qū)別在于達(dá)到目的的原因不 同。對(duì)于他組織，原因在于系統(tǒng)之外。例，全班人員排序（體重或身高），孩子搭積木、插塑；而自組織 其直接原因在于系統(tǒng)的內(nèi)部，與外界無(wú)關(guān)。例，物種進(jìn)化是由系統(tǒng)內(nèi)部基因的遺傳和突變功能造成的。1.4環(huán)

3、境的作用任何系統(tǒng)都是在一定的環(huán)境中存在，離開(kāi)了環(huán)境，系統(tǒng)失去了存在、演化的可能性，哲學(xué)上講“內(nèi)因 是事物變化的根據(jù)，外因是事物變化的條件”，“外因”指系統(tǒng)的環(huán)境，外因和內(nèi)因缺一不可。例，雞孵蛋 （內(nèi)因，雞蛋；外因，適宜的溫度）。系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的依賴(lài)性，隨著環(huán)境的變化，系統(tǒng)也發(fā)生相應(yīng)的變化。例，“水的沸點(diǎn)是100oC”對(duì)或錯(cuò)？嚴(yán)格地講，此話錯(cuò)！因?yàn)闆](méi)有指明外界環(huán)境的壓力?！霸?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 下，水的沸點(diǎn)是1000C”，而隨著周?chē)h(huán)境的壓力變化，水的沸點(diǎn)也相應(yīng)變化，高山上水的沸點(diǎn)低于1000C。 物理學(xué)中討論的各種相變、月球上的“尺短鐘長(zhǎng)”現(xiàn)象都顯示了環(huán)境的作用。1.5區(qū)分他組織、自組織系統(tǒng)與環(huán)境的劃分

4、是相對(duì)的，所以區(qū)分他組織與自組織不是一件容易的事。他組織：通過(guò)簡(jiǎn)單分析，找出某種因素對(duì)系統(tǒng)演化有影響，并可確定相互之間控制與響應(yīng)（即輸入與 輸出）的關(guān)系，通過(guò)劃分系統(tǒng)與環(huán)境，則將此因素劃在系統(tǒng)之外。例，天氣的好壞控制了莊稼收成的高低。 也有人把輸入、輸出關(guān)系已經(jīng)確定的系統(tǒng)稱(chēng)為他組織。自組織：無(wú)法確定外界的環(huán)境條件如何影響系統(tǒng)組織狀態(tài)的出現(xiàn)，無(wú)法分析相互之間的控制與響應(yīng)關(guān) 系，則把該因素或者劃在系統(tǒng)之內(nèi)，或者當(dāng)成某種外界條件，此時(shí)稱(chēng)為自組織。同樣，將輸入確定、輸出 行為不確定的系統(tǒng)稱(chēng)為自組織。首先，人為以自組織理論分析系統(tǒng)，若出現(xiàn)矛盾，其原因不在于自組織理論本身，而在于該現(xiàn)象可能 不屬于自組織現(xiàn)

5、象。兩種有序結(jié)構(gòu)2.1典型的自組織實(shí)驗(yàn)貝納爾對(duì)流系統(tǒng)，產(chǎn)生于流體熱對(duì)流，是1900年法國(guó)青年物理學(xué)家貝納爾在其博士論文中公布的如 下實(shí)驗(yàn)：取一薄層流體，上下各放置一塊金屬平板以便其溫度在水平方向上無(wú)差異。從下對(duì)流體加熱。未 加熱時(shí)，系統(tǒng)處于平衡態(tài)，各處溫度一樣，流體內(nèi)分子做雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)在水平方向上是對(duì)稱(chēng)的。剛 開(kāi)始加熱時(shí)，上下溫度梯度不大，從下向上的熱量流與溫度梯度力之間為線性關(guān)系，系統(tǒng)內(nèi)分子仍然做無(wú) 規(guī)運(yùn)動(dòng)，熱量傳遞是依靠雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)的分子相互碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在水平方向上仍然呈現(xiàn)為高度對(duì)稱(chēng)性的 無(wú)序狀態(tài)。繼續(xù)加熱，流體在豎直方向上溫度梯度加大，系統(tǒng)相應(yīng)的熱量流加大，逐漸遠(yuǎn)離平衡態(tài)，處于

6、非線性區(qū)。在溫度梯度大到某一閾值時(shí)，系統(tǒng)性質(zhì)發(fā)生突然變化，依靠分子碰撞傳遞熱量的無(wú)序狀態(tài)消失， 系統(tǒng)呈現(xiàn)出規(guī)則的運(yùn)動(dòng)花樣，所有流體分子開(kāi)始有規(guī)律地定向運(yùn)動(dòng)，水平方向上的對(duì)稱(chēng)性受到破壞，從側(cè) 面看過(guò)去，形成一個(gè)個(gè)環(huán)，如圖4-1所示，從頂面向下看，則是一個(gè)個(gè)正六邊形，相互挨在一起，流體 從六邊形中心流上來(lái)，又從六個(gè)邊流下去，如圖4-2所示。誠(chéng)然流體上下溫度差的大小，確實(shí)是我們看到 系統(tǒng)出現(xiàn)貝納爾圖樣的條件。但上下溫度差在水平方向上是無(wú)變化的，這一水平方向上無(wú)變化的溫度差， 如何造成了在水平方向上流體微團(tuán)的不同運(yùn)動(dòng)情況，是不能解釋的；而且外界“控制”使系統(tǒng)上下溫度差 是逐漸變化的，在溫度差變化初期，

7、系統(tǒng)狀態(tài)無(wú)任何改變，而在到達(dá)某一溫度差臨界值時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生 突變，這也使我們無(wú)法分析“控制”與“響應(yīng)”之間的關(guān)系。對(duì)這種“控制”下系統(tǒng)的演化我們?nèi)苑Q(chēng)為自 組織。在這種情況下，外界作用不稱(chēng)為控制，而稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)自組織的條件。圖4-1貝納爾流側(cè)面圖圖4-2貝納爾流平面圖2.2 序序是一個(gè)很普遍、很常用的概念，序?qū)嶋H上是對(duì)兩個(gè)元素之間關(guān)系的確定。排序：按某種規(guī)定對(duì)多數(shù)個(gè)體進(jìn)行排隊(duì)；序是指多個(gè)事物的一個(gè)比較。注意以下幾點(diǎn):有序、無(wú)序是相比較而言的，例，A相對(duì)于B有序，而A相對(duì)于C可能是無(wú)序的；按照某種確定規(guī)則、規(guī)定，不同規(guī)定，產(chǎn)生不同的排序例，全國(guó)高校排序，可以按規(guī)模、建筑面 積、科研實(shí)力等排序；有序、

8、無(wú)序在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，有序、無(wú)序的轉(zhuǎn)化也可以看成是系統(tǒng)的演化行為， 而且是更高級(jí)的演化行為。當(dāng)系統(tǒng)演化時(shí)出現(xiàn)了有序、無(wú)序的轉(zhuǎn)變，實(shí)際上是出現(xiàn)了功能、結(jié)構(gòu)的變化， 出現(xiàn)了質(zhì)變。例，貝納爾對(duì)流、磁性材料磁化、導(dǎo)體產(chǎn)生電流，系統(tǒng)由無(wú)序轉(zhuǎn)化為有序，但當(dāng)外界環(huán)境變 化時(shí)（溫度差的消失、電磁場(chǎng)的取消），系統(tǒng)由有序轉(zhuǎn)化為無(wú)序。一個(gè)班級(jí)全體同學(xué)按高矮排序，則是有 序；若處于休息狀態(tài)，則是無(wú)序。在分析系統(tǒng)有序與無(wú)序時(shí)，人們通常考慮結(jié)構(gòu)排列上的結(jié)構(gòu)序與在實(shí)現(xiàn)不同功能上有一定先后的 功能序。在結(jié)構(gòu)序上，人們經(jīng)常分析下述三種有序情況：I空間序：指系統(tǒng)或其子系統(tǒng)在空間分布上的規(guī)律性。任何事物都有確定的空間分

9、布，這種分布既 不是完全均勻同一的，也不是雜亂無(wú)章、隨機(jī)分布的。高分子有機(jī)化合物中各種原子與離子的空間分布、 貝納爾流體中穩(wěn)定的六角形空間花樣等，這些都是空間序。II時(shí)間序：周期性，指系統(tǒng)發(fā)展變化時(shí)，時(shí)間上的先后次序以及周期性的變化。例，宇宙天體的周 期運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了晝夜更替、四季輪回。m時(shí)空序：系統(tǒng)在時(shí)空四維坐標(biāo)系中周而復(fù)始的變化。單純從時(shí)間或空間上來(lái)分析系統(tǒng)變化的周期 性均不明顯，而將時(shí)間與空間結(jié)合起來(lái)后，則可以看到很有規(guī)律的變化。例，樹(shù)木年輪的生長(zhǎng)、各種波的 現(xiàn)象、由動(dòng)物的牙齒來(lái)判斷其年齡。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)我們研究演化不僅關(guān)心它的演化軌跡，更主要關(guān)心它所反映出來(lái)的功能。在系統(tǒng)演化過(guò) 程中某些組

10、織結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化或變化不明顯，而其功能發(fā)生變化時(shí)，采用功能結(jié)構(gòu)討論問(wèn)題很方便。即功能 序：指系統(tǒng)具有某種新的功能或功能發(fā)生變化。例，從猿到人的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，四肢的組織結(jié)構(gòu)變化不大， 而從功能上看，猿的上、下肢區(qū)別不大，他們都具有行走、拿物的功能，發(fā)展成為人，就使上、下肢功能 出現(xiàn)了分工，不對(duì)稱(chēng)了，上肢主要用于拿取物品，下肢用于走路，可以說(shuō)人的四肢出現(xiàn)了功能結(jié)構(gòu)。2.3對(duì)稱(chēng)性有序與無(wú)序是一個(gè)較普遍的哲學(xué)范疇，有序、無(wú)序的種類(lèi)也很多，可以是空間有序、時(shí)間有序，也可 以是功能有序，不同種類(lèi)的有序是根據(jù)不同的規(guī)則來(lái)確定的。當(dāng)前，系統(tǒng)科學(xué)在研究系統(tǒng)演化時(shí)，特別是 進(jìn)行定量分析，主要對(duì)無(wú)生命系統(tǒng)的有序、無(wú)序進(jìn)

11、行分析時(shí)，是通過(guò)對(duì)稱(chēng)性來(lái)認(rèn)識(shí)狀態(tài)的有序、無(wú)序，通 過(guò)對(duì)稱(chēng)破缺來(lái)分析有序、無(wú)序的轉(zhuǎn)化，為此有必要介紹對(duì)稱(chēng)性概念。2.3.1定義某事物或運(yùn)動(dòng)以一定的中介進(jìn)行某種變換（平移、旋轉(zhuǎn)）時(shí)，若變換后結(jié)果保持不變，則稱(chēng)該事物或 運(yùn)動(dòng)在該中介變換下是對(duì)稱(chēng)的，否則是不對(duì)稱(chēng)的。對(duì)稱(chēng)性越高的事物，越可以用較少的語(yǔ)言將其描述清楚。 例，正方形只給出邊長(zhǎng)即可，而對(duì)于對(duì)稱(chēng)性低于正方形的長(zhǎng)方形來(lái)講，則必須給出兩條邊長(zhǎng)。系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，若從無(wú)序均勻分布狀態(tài)變化為有序結(jié)構(gòu)，對(duì)稱(chēng)性降低了，物理上稱(chēng)之為對(duì)稱(chēng)破 缺。在耗散結(jié)構(gòu)理論中，統(tǒng)一用對(duì)稱(chēng)性的高低來(lái)表示系統(tǒng)有序程度的多少，用對(duì)稱(chēng)性破缺來(lái)表示系統(tǒng)狀態(tài) 的突變。2.3.2分類(lèi)形

12、象對(duì)稱(chēng)：最直觀、最普遍的對(duì)稱(chēng)形式。例，幾何中的全等及關(guān)于X軸、Y軸、坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的圖形。 結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)：晶體中晶格對(duì)稱(chēng)。形象對(duì)稱(chēng)與結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)都指空間對(duì)稱(chēng)，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)、反射、平移等，使系統(tǒng)位置發(fā)生變化，若操作前后系 統(tǒng)的狀態(tài)未發(fā)生變化，則稱(chēng)該系統(tǒng)對(duì)此操作是對(duì)稱(chēng)的。時(shí)間對(duì)稱(chēng)：系統(tǒng)每運(yùn)動(dòng)變化一段確定時(shí)間以后的狀態(tài)，與原來(lái)狀態(tài)保持一致。f（t） = f （t+mT），其 中m為任意整數(shù)，T為對(duì)稱(chēng)周期。時(shí)間對(duì)稱(chēng)通常有時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)、時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)等。2.3.3對(duì)稱(chēng)性與有序的關(guān)系對(duì)稱(chēng)既是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)性質(zhì)的描述，又是研究系統(tǒng)的方法。在比較兩個(gè)狀態(tài)的有序程度時(shí)，規(guī)定對(duì)稱(chēng)性 低的狀態(tài)更有序，對(duì)稱(chēng)性高的狀態(tài)更無(wú)序。在系統(tǒng)演化時(shí)

13、，由對(duì)稱(chēng)性低的狀態(tài)向?qū)ΨQ(chēng)性高的狀態(tài)演化，稱(chēng) 為退化；反之，由對(duì)稱(chēng)性高的狀態(tài)向?qū)ΨQ(chēng)性低的狀態(tài)演化，稱(chēng)為進(jìn)化。之所以這樣規(guī)定，是為了與熱力學(xué) 的概念一致?！办亍泵鑼?xiě)集合整體的不確定（雜亂無(wú)章）程度。按照熱力學(xué)的分析，高熵狀態(tài)所包含的微 觀態(tài)數(shù)多，即在此態(tài)中分子相互交換的可能性大。通常認(rèn)為系統(tǒng)這樣的狀態(tài)更無(wú)序，其原因在于，在這樣 的狀態(tài)下，子系統(tǒng)變化可有更多的自由度，即運(yùn)動(dòng)更加混亂。某狀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)多，則表明它可以在 更多的對(duì)稱(chēng)操作下保持不變，也即具有更大的對(duì)稱(chēng)性，故用對(duì)稱(chēng)性多的狀態(tài)來(lái)代表無(wú)序狀態(tài)是很自然的， 系統(tǒng)從無(wú)序狀態(tài)向有序狀態(tài)的演化是系統(tǒng)不斷地對(duì)稱(chēng)破缺的過(guò)程。熱力學(xué)平衡態(tài)是系統(tǒng)熵最大的狀

14、態(tài)，是最無(wú)序的狀態(tài)，它所滿足的對(duì)稱(chēng)性也最多，無(wú)論采取什么樣的 操作，系統(tǒng)的狀態(tài)均不發(fā)生改變，即具有各種對(duì)稱(chēng)性。平時(shí)我們有一種錯(cuò)覺(jué)：認(rèn)為似乎有序程度越高的狀 態(tài)其對(duì)稱(chēng)性也越高，比如晶體比高溫下其轉(zhuǎn)變成的氣體更有序，且通常又說(shuō)晶體有某些對(duì)稱(chēng)性，似乎對(duì)稱(chēng) 性高和有序是正相關(guān)。實(shí)際上是不對(duì)的。對(duì)于晶體和其轉(zhuǎn)變成的氣體，所以出現(xiàn)對(duì)其對(duì)稱(chēng)性與有序性關(guān)系 上認(rèn)識(shí)的錯(cuò)誤，在于既未看到氣體具有更多對(duì)稱(chēng)性，又忽略了晶體與氣體相比由于對(duì)稱(chēng)破缺失去了大量的 對(duì)稱(chēng)性，僅僅保留了某些有限的對(duì)稱(chēng)性。通常在分析晶體時(shí)，不指出均勻氣體具有各種物理操作的對(duì)稱(chēng)性， 也不討論晶體與氣體相比失去的對(duì)稱(chēng)性，僅指出晶體還保留的那部分對(duì)稱(chēng)性

15、，這才給人們?cè)斐慑e(cuò)覺(jué)，認(rèn)為 這部分對(duì)稱(chēng)性是均勻氣體沒(méi)有的，而晶體特有的。2.3.4應(yīng)用利用對(duì)稱(chēng)性與有序之間的關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)稱(chēng)性的多少來(lái)判定系統(tǒng)狀態(tài)的有序程度，再利用狀 態(tài)有序程度的變化來(lái)討論系統(tǒng)的演化方向等問(wèn)題。2.4兩種有序靜態(tài)有序一一平衡結(jié)構(gòu)，物理學(xué)中討論的一級(jí)相變（冰變水，水變汽等）、二級(jí)相變（順磁、鐵磁之 間的變化等）均是對(duì)靜止有序結(jié)構(gòu)變化的研究，也稱(chēng)為平衡相變。動(dòng)態(tài)有序一一耗散結(jié)構(gòu)或非平衡結(jié)構(gòu)：貝納爾對(duì)流。動(dòng)態(tài)有序廣泛存在于自然界，一年四季的變化、 地球上的晝夜交替、各類(lèi)動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及它們軀體構(gòu)造的分布都是動(dòng)態(tài)有序。在人文社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域 中也可以到處見(jiàn)到動(dòng)態(tài)有序的例子，經(jīng)濟(jì)

16、發(fā)展的周期，穩(wěn)定的社會(huì)組織形式，人的思維活動(dòng)，都可以從動(dòng) 態(tài)有序的角度分析。人可以感覺(jué)到動(dòng)態(tài)有序和靜態(tài)有序。在系統(tǒng)科學(xué)中，如果不作說(shuō)明，通常情況下討論有序結(jié)構(gòu)是指討 論活的結(jié)構(gòu)即耗散結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)區(qū)別：結(jié)構(gòu)的形式平衡結(jié)構(gòu)是死的、宏觀不變的結(jié)構(gòu)，由微觀粒子的規(guī)則排列構(gòu)成，并且沒(méi)有空間尺度的限制，只具有 空間有序一種形式；而耗散結(jié)構(gòu)是活的結(jié)構(gòu)，微觀上每個(gè)子系統(tǒng)在不停地運(yùn)動(dòng)變化，是微觀的不停運(yùn)動(dòng)構(gòu) 成了宏觀上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)并受系統(tǒng)尺度的影響，除空間結(jié)構(gòu)有序外，還存在時(shí)間結(jié)構(gòu)有序、時(shí)空結(jié)構(gòu)有序等。形成機(jī)制、維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件靜止結(jié)構(gòu)的形成需要確定的外界環(huán)境，一旦形成結(jié)構(gòu)，則與外界再無(wú)任何交換，而且此時(shí)與外界

17、的任 何交換，只會(huì)破壞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和有序程度；活結(jié)構(gòu)則不然，只有在系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，在外界環(huán)境的物質(zhì)與 能量對(duì)系統(tǒng)的作用下，才能使系統(tǒng)形成活的有序結(jié)構(gòu)，而且形成結(jié)構(gòu)以后，也仍然需要與外界環(huán)境進(jìn)行交 換，才能使結(jié)構(gòu)維持下去。如果減少與外界的交流，甚至取消交流，已經(jīng)形成的結(jié)構(gòu)必將遭到破壞，即活 結(jié)構(gòu)的形成和維持需要消耗外界的物質(zhì)、能量等，普利高津形象地將這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為耗散結(jié)構(gòu)一一消耗能量 產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。組織存在形式對(duì)于靜止結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，它的每一部分是不變的，所謂結(jié)構(gòu)就是它們的一個(gè)規(guī)則排列。而對(duì)于活結(jié)構(gòu)來(lái) 講，從宏觀上看，系統(tǒng)有確定的形狀、規(guī)律，然而從微觀上看，子系統(tǒng)又是在不斷變化。例，動(dòng)植物體的 每一部分，

18、其舊細(xì)胞不斷死亡，新細(xì)胞不斷成長(zhǎng)，而在宏觀上保持一定的形狀，即各組分都在“新陳代謝”。自組織理論通常人們將普利高津創(chuàng)建的耗散結(jié)構(gòu)理論和哈肯創(chuàng)建的協(xié)同學(xué)理論統(tǒng)稱(chēng)為自組織理論。目前自組織理 論處于初級(jí)階段？其一由于自組織的形成大多與系統(tǒng)的非線性相互作用密切相關(guān)，而目前對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)的非線性相互 作用，還不能提出一種普遍適用的處理方法（定性、定量的優(yōu)缺點(diǎn)）；其二耗散結(jié)構(gòu)理論和協(xié)同學(xué)理論都 是從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單形式，如物理運(yùn)動(dòng)（激光）、化學(xué)運(yùn)動(dòng)（時(shí)間振蕩、化學(xué)反應(yīng)）等形式中總結(jié)出來(lái)的， 它能夠很好地解決物理、化學(xué)中的一些自組織運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，但是把它推廣到一般系統(tǒng)，特別是生命運(yùn)動(dòng)、社 會(huì)運(yùn)動(dòng)等高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式，還

19、有一個(gè)不斷完善的過(guò)程。3.1耗散結(jié)構(gòu)消耗能量產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，形成條件如下:系統(tǒng)必須開(kāi)放從熵的角度來(lái)討論。ds = d s + d s,d s i e 一，、. 一 _其中，dis表示由于系統(tǒng)內(nèi)部原因，使系統(tǒng)熵發(fā)生改變的部分，與外界無(wú)關(guān)。熱力學(xué)第二定律已經(jīng)指 出，孤立系統(tǒng)的熵不可能減少。對(duì)于一個(gè)孤立的系統(tǒng)，其演化結(jié)果必然是達(dá)到熵最大的平衡態(tài)，所以dis） 0。deS表示由于系統(tǒng)與外界有聯(lián)系，所形成系統(tǒng)熵發(fā)生改變的部分。若與外界無(wú)聯(lián)系，deS = 0，ds T maX，則系統(tǒng)平衡；否則des 0。系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系各式各樣，所以des可正可負(fù)。要使系統(tǒng)有 序，只能ds0，所以只有叩瀝且desl）4,，所

20、以系統(tǒng)必須開(kāi)放與外界有物質(zhì)、能量交換。遠(yuǎn)離平衡態(tài)平衡態(tài)是系統(tǒng)經(jīng)過(guò)無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間后，穩(wěn)定存在的一種最均勻無(wú)序的狀態(tài)，熵最大。要使*0，只能 系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)。非線性相互作用非線性相互作用是系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的內(nèi)在條件。漲落現(xiàn)象漲落既是對(duì)處于平衡態(tài)的系統(tǒng)的破壞，又是維持系統(tǒng)處于穩(wěn)定的平衡態(tài)的動(dòng)力，漲落具有隨機(jī)性 沒(méi)有確定的方向與準(zhǔn)確的發(fā)生時(shí)間，漲落隨時(shí)都可能發(fā)生。以上4個(gè)條件是相互緊密聯(lián)系的。不向外界開(kāi)放，系統(tǒng)無(wú)法與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息的交流， 系統(tǒng)就不能遠(yuǎn)離平衡態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)之間的任何非線性相互作用也不能使系統(tǒng)脫離平衡態(tài)，系統(tǒng)的漲落 也僅能起穩(wěn)定系統(tǒng)，使之處于平衡態(tài)的作用，而無(wú)法形成有序狀態(tài)。沒(méi)有

21、遠(yuǎn)離平衡態(tài)，系統(tǒng)開(kāi)放也是沒(méi) 有用的，系統(tǒng)僅能在平衡態(tài)附近，與外界交流也僅能是類(lèi)似微擾的作用，不能使系統(tǒng)發(fā)生本質(zhì)的變化。 非線性相互作用是系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生質(zhì)變的基礎(chǔ)，從研究的歷史來(lái)看，以前物理學(xué)是建立在線性相互作用的基 礎(chǔ)上，系統(tǒng)滿足疊加原理，在這樣的理論框架下，系統(tǒng)不可能形成耗散結(jié)構(gòu)，任何計(jì)算分析也無(wú)法討論實(shí)際系統(tǒng)向有序結(jié)構(gòu)演化的結(jié)果。漲落機(jī)制對(duì)于由多子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)總是存在的，雖然在有關(guān)理論計(jì)算 中漲落不起太大的作用，但實(shí)質(zhì)上漲落是系統(tǒng)從一個(gè)定態(tài)解變?yōu)榱硪粋€(gè)定態(tài)解、系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變的一個(gè)基礎(chǔ)。 沒(méi)有漲落，其他條件再具備，系統(tǒng)也不會(huì)出現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)，而且沒(méi)有漲落，系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)也不能維持；對(duì) 于一個(gè)穩(wěn)定的

22、系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間相互作用的傳遞也必然會(huì)出現(xiàn)誤差，必然存在漲落；否則，對(duì)于一個(gè)復(fù) 雜系統(tǒng)，任何一點(diǎn)小的變化，不論是外界的隨機(jī)擾動(dòng)，還是系統(tǒng)內(nèi)部的各種誤差，都會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部長(zhǎng)期存 在，無(wú)法消除，使系統(tǒng)處于“病態(tài)”，可以說(shuō)沒(méi)有漲落復(fù)雜系統(tǒng)就不能存在。漲落是否等同于突變？3.2協(xié)同學(xué)協(xié)同學(xué)是繼耗散結(jié)構(gòu)理論之后產(chǎn)生的又一重要的關(guān)于非平衡系統(tǒng)的自組織理論。其創(chuàng)始人是德國(guó)著名 物理學(xué)家哈肯(Hermann Haken)教授。協(xié)同學(xué)的一個(gè)中心任務(wù)是，用序參量和役使原理使系統(tǒng)各個(gè)部分 的運(yùn)作相協(xié)調(diào)。協(xié)同效應(yīng)原理(Synergos)協(xié)同，即協(xié)同作用的意思。協(xié)同效應(yīng)是指在復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)，各子系統(tǒng)的協(xié)同行為產(chǎn)生的超越各要

23、素自身 的單獨(dú)作用，從而形成整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一作用和聯(lián)合。協(xié)同效應(yīng)原理就是用復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)間的相互作 用，來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)自組織現(xiàn)象的觀點(diǎn)、方法和原則。這一原理指出，系統(tǒng)的有序性是由諸要素的協(xié)同作用形 成的，協(xié)同作用是任何復(fù)雜系統(tǒng)本身所固有的自組織能力，是形成系統(tǒng)有序結(jié)構(gòu)的內(nèi)部作用力。役使原理(Enslavement)序參量序參量是用來(lái)表示系統(tǒng)宏觀有序程度的量，它是相變熱力學(xué)中的概念，被哈肯用來(lái)描述系統(tǒng)進(jìn)化中從 無(wú)序到有序的演化過(guò)程。它的大小標(biāo)志著系統(tǒng)宏觀有序的程度。在不同的系統(tǒng)中，雖然序參量代表的意義 有所不同，但是序參量所起的作用對(duì)所有的系統(tǒng)都是一樣。序參量在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中具有決定性的作用，

24、支配或規(guī)定著各種微觀子系統(tǒng)及其參量的存在和行為，支配和規(guī)定著宏觀系統(tǒng)的有序狀態(tài)、結(jié)構(gòu)性能以及設(shè)有個(gè)狀態(tài)變量，用七表示狀態(tài)變量j的活動(dòng)，根據(jù)系統(tǒng)的類(lèi)型，七會(huì)有很多其它解釋?zhuān)瑺顟B(tài)變有序度的變化。序參量是抽象的量，在許多應(yīng)用中，序參量經(jīng)由役使原理才得到具體的含義。X (Xn.X ).七=fj (點(diǎn)M )或用語(yǔ)言表述：狀態(tài)變量七是由序參量確定的。尤其當(dāng)序參量是時(shí)間函數(shù)時(shí)，這個(gè)公量X( 1，N)。設(shè)有M個(gè)序參量，則分別用 ，M表示，從而可把役使原理表示為式同樣成立。一般來(lái)說(shuō)，由于序參量的數(shù)目M比系統(tǒng)狀態(tài)變量的數(shù)目N少得多，七=f(匕，點(diǎn)m )就是信息壓縮的數(shù)學(xué)表示，類(lèi)似于多元統(tǒng)計(jì)中的因子分析。應(yīng)用役使原

25、理的前提：序參量和狀態(tài)變量時(shí)間標(biāo)度的分離是否成立，即可以劃分出快變量、慢變量， 序參量一一慢變量。役使原理的形象表示如圖4-1。循環(huán)因果律(Circular Causality)一方面當(dāng)序參量決定狀態(tài)變量時(shí)，各個(gè)狀態(tài)變量同樣也影響序參量，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為循環(huán)因果律。循 環(huán)因果律形象表示如圖4-4。循環(huán)因果率是協(xié)同學(xué)的核心，它反映了復(fù)雜系統(tǒng)在演化過(guò)程中，如何通過(guò)內(nèi) 部諸要素的自行主動(dòng)協(xié)同來(lái)達(dá)到宏觀有序的客觀規(guī)律。這一定律指出，在一定的外部能量流或物質(zhì)流輸入 的情況下，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)大量子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用，在自身漲落力的推動(dòng)下，達(dá)到新的穩(wěn)定，形成新的時(shí) 間、空間或時(shí)空有序結(jié)構(gòu)。哈肯特別強(qiáng)調(diào)循環(huán)因果律是

26、指系統(tǒng)在沒(méi)有外部指令的條件下，內(nèi)部子系統(tǒng)之間 能夠按照某種規(guī)則自動(dòng)形成一定的結(jié)構(gòu)或功能，它具有內(nèi)在性和自生性。哈肯認(rèn)為，循環(huán)因果律可能發(fā)生 的必要條件有兩個(gè)：一個(gè)是系統(tǒng)必須是開(kāi)放的，以保證外界物質(zhì)、能量和信息的輸入，這是循環(huán)因果律發(fā) 生的外部條件；另一個(gè)是系統(tǒng)必須是包含子系統(tǒng)的宏觀系統(tǒng)，且子系統(tǒng)間的相互作用是非線性的，這是循 環(huán)因果律發(fā)生的內(nèi)部條件。序參量產(chǎn)生的幾種形式由于系統(tǒng)不同，序參量確定、產(chǎn)生也不同。I較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，在它的各種變量當(dāng)中即存在一個(gè)明顯比其它變量變化慢的變量，它就是序參量。 例，對(duì)于某些函數(shù)關(guān)系確定的系統(tǒng)，通過(guò)求導(dǎo)等函數(shù)運(yùn)算可以得到序參量。II無(wú)法區(qū)分它們隨時(shí)間變化的快慢程度，通過(guò)坐標(biāo)變換，得到新的狀態(tài)變量，在新變量中，可明顯 地看出序參量。m更復(fù)雜系統(tǒng)，不僅無(wú)法區(qū)分各個(gè)狀態(tài)變量之間的變化快慢，而且經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換也無(wú)法將它們之間的 快慢變化程度加以區(qū)分，需選擇更高層次的變量來(lái)做為系統(tǒng)的序參量?？梢哉f(shuō)