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系统科学研究的是系统的结构、功能关系、演化和调控规律。如果说，由一般系统论、控制论和信息论组成的“一般系统理论”完成了对系统的结构、功能关系和维持系统内部稳定的指导，那么对系统演化过程和调控规律的研究则需要发展新的理论来支持，这就是接下来出现的所谓系统“自组织”理论。 一般认为系统科学发展到自组织理论阶段，主要包含以下四个理论，分别是普利高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、托姆的突变论与艾根的超循环结构理论。他们分别源于不同的学科领域，耗散结构理论来自热力学，协同学发起于激光物理，突变论是数学领域的研究成果，而超循环结构理论则是从有机生物进化起源的猜想中得来。但是它们又紧紧围绕一个主题，那就是系统在自然规则的约束下，无外部指令条件下的演化规律，即系统的自组织演化规律。 据天文学家们观测，我们的宇宙正处在膨胀扩张的过程中，可以想象，原来的宇宙星系比现在应该靠的更近，乃至于聚集成一个质量无限大、空间无限小的奇点。大约在130亿年前，奇点发生了大爆炸，宇宙开始了膨胀、物质开始了漫长的演化进程，形成了宇宙星系，其中就包括银河系、太阳和地球。地球上的物质又不断演化，经历了从基本粒子到元素周期表中的各类元素，从无机物到有机生物的质变，再到有机生物从简单到复杂的进化，最终形成了我们的生存环境。正如夸克之父美国物理学家盖尔曼在其《夸克与美洲豹》中说的：“在我看来，亚瑟塑造的夸克和美洲豹的形象完全表达了我所称之为简单与复杂的自然界的两个方面：一方面，是关于物质和宇宙的基本物理规律；另一方面，是我们直接观察到的包括我们自身在内的世界之纷繁的结构。”盖尔曼用夸克与美洲豹隐喻了我们地球经历的进化进程的两极。在人类出现之前，所有的系统演化，包括无机世界与生物世界，都是在没有外部指令的条件下自发进行的，遵循的是自然界的物理的、化学的或有机的规则，虽然这些规则大部分仍有待去发掘，但这就是系统的自组织演化过程。与“自组织”对应的是“他组织”，演化过程受外部指令的控制，人造工程系统就是一种典型的“他组织”系统。 我们可以从沙漠中的沙丘去理解自然界的自组织现象。在砂粒自身重力、砂粒间的摩擦力以及外界风力的作用下，沙漠中的沙丘斜面总是保持一定的角度，低于这一角度时，风吹砂粒使斜面角度不断升高，而一旦达到临界角度，再增加砂粒则会造成沙丘的崩塌。北大物理学家汤超就曾参与提出了实验室沙堆模型，在实验室模拟沙堆的形成过程，随着沙堆高度的不断提升，达到某一临界高度后，即使只新增一粒砂粒，都可能造成整个沙堆的崩塌。人们根据实验室沙堆实验，提出了“自组织临界”理论。仿佛有一只无形的手在左右着系统状态的演化，使系统自己随着环境的改变而演化状态。在系统的状态演化中，有一个非常重要的概念要被引入，那就是熵。 实验室沙堆模型，沙堆一旦达到临界高度后，新增一粒砂粒，都可能造成沙堆的崩塌，形成“自组织临界”现象 熵 熵，是一个让初接触者难以理解的概念。钱学森在《我对系统学认识的历程》中写道：“我在大学里听老师讲热力学，讲温度。这个温度还好办，人还有些感觉嘛。最糟糕的就是熵。熵是什么？简直是莫名其妙。老师也讲不清楚，只有一句话，你若不信，请你按我这个办法算，算出来准对。。。。。。后来出国了，念研究生，开始学统计物理，统计物理可以得出熵的概念。嗬，原来熵是这么回事。按照统计物理，熵是什么，那很清楚。熵，就是玻耳兹曼（Boltzmann）常数乘上概率的自然对数。这一下，我才眼界大开，世界的道理原来是这么回事！” 熵由德国物理学家鲁道夫.克劳修斯在1854年提出，1865年命名为entropie，我国物理学家胡刚复教授1923年将其翻译为中文“熵”。熵有两个定义，一是在经典热力学上的定义，克劳修斯将熵定义为系统趋向于热平衡态程度的度量。并指出了热力学第二定律的熵增表达，即任何孤立系统的熵永不减少。 二是在统计热力学上，玻尔兹曼与普朗克共同导出了玻尔兹曼-普朗克公式： 其中k为普朗克常数，Ω为系统相应的热力学状态的概率。该定义揭示了热力学第二定律的统计学本质，即对于孤立系统来说，内部的演化过程总是从热力学几率小的状态向几率大的状态过渡，例如系统内部出现温度不均衡的情况时，热量会自发趋于均衡，热量传递过程其实质是系统内分子运动的过程，当系统内部趋于热平衡，系统的熵达到最大，但此刻的系统达到最大的无序状态。 熵增的现象在生活中随处可见，房间不打扫，过段时间便会凌乱，房屋不维护，长时间便会散架、还于自然。为此克劳修斯提出了“宇宙热寂说”，认为整个宇宙都将走向一片死寂，归于尘土，让人不免对人类未来的命运莫名伤感。但好在熵增原理只适用于孤立系统，就地球而言，他是一个开放系统，虽然我们不断消耗地球上亿万年来积累的化石能源，总有一天将会耗尽，但同时我们也时刻接收伟大的太阳无私馈赠的热能，从这个意义上说，太阳不灭，人类不息。真到太阳熄灭的那一天，希望人类的科技已经发展到具备逃离太阳系的程度，带上地球这位人类的母亲，到星辰大海中去流浪。大家设想，在开放系统中，系统从外界接收的能量产生的熵如果大于系统自发增加的熵，会是怎样一番景象呢，这就是普利高津的耗散结构理论需要探讨的话题。 普利高津与耗散结构理论 普利高津是比利时物理化学家和理论物理学家，因提出了耗散结构理论获得了1977年度的化学诺贝尔奖。耗散结构是指系统远离平衡态的一种稳定结构。举一个简单的例子，我们用壶烧水，烧之前，壶中的水的温度与周边环境的温度是趋于平衡的，因此壶中的水系统是处于一种平衡态的稳定结构。在烧水过程中，外界不断输入能量，水温不断上升，直到达到沸点温度，一般是100度，这时候壶中的水系统就处于一种远离平衡态的稳定结构中，100度的水的状态就是一种耗散结构。而要维持这种耗散结构，就需要持续的能量输入，一旦能量终止，负熵消失，100度的沸水又将与外界环境进行熵增的自发过程，重归原有的平衡态。现在看来生命过程也是一个不断建立新的耗散结构的过程，如人不断与外界进行物质与能量的交换，从婴儿逐渐长大成人，又逐渐老去，人生的每一个阶段都是一个新的耗散结构。从这两个例子中我们可以得到，首先系统不是只有静态结构的系统，也不是只会熵增，一种一旦产生都等着消亡的消极，系统可能存在着远离平衡态且稳定的耗散结构。其次，新的耗散结构的形成需要外界不断的能量输入，人生不也如此，如逆水行舟不进则退，只有不断学习新的知识，掌握新的本领，才能走向新的更高的平台。再次，耗散结构需要从远离平衡态去探寻，所以说非平衡是有序之源。 普利高津 普利高津与中国颇有渊源，他曾两次被邀请到中国来演讲。北师大的方福康教授是他“流传有序”的高徒，方教授把非平衡热力学带回了中国，在北师大扎根，成立了非平衡系统研究所，目前已发展成为北京师范大学系统科学学院。钱老在《我对系统学认识的历程》中还提到了一段趣事，大意说是参加了一个“自组织，有序化”的讨论会，会上评价冯·贝塔朗菲和普利高津不怎么样，真正行的是哈肯。讲完以后，有人给钱老介绍，坐在旁边的是方福康教授，他刚从普利高津那里回来，得到博士学位。钱老一想坏了，这一下子骂到他老师头上了，这还得了，得罪人了。这是钱老的幽默，但钱老的评价也从一个侧面说明了耗散结构理论的历史定位。 首先需要肯定的是普利高津提出的耗散结构理论打破了克劳修斯消极的热寂说，明确指出了系统远离平衡态的耗散结构的存在，这对于系统科学的理论指导来说是意义非常重大的。普利高津还在系统的不确定性、时间的方向性以及系统复杂性方面有突出贡献，先后出版了《确定性的终结》、《时间之箭》、《从存在到演化》与《探索复杂性》等著作，对系统科学的发展做出了突出贡献。但耗散结构理论的局限性也非常明显，从他是位物理学家获得的却是诺贝尔化学奖就可见端倪。物理学家们对他的学说并不太认可，它只是一种对系统状态定性的描述，系统新的耗散结构是如何产生的？即系统是如何进行自组织与演化的，这种演化是否存在普遍性规律？普利高津并未给出答案。接下来，有几位科学家分别在不同的领域对不同系统的演化过程进行了研究，各自悟道，形成了不同的理论，它们是协同学、突变论和超循环结构理论。 哈肯与协同学 哈肯是德国的理论物理学家。哈肯在研究激光的发生过程中得到启发，激光产生前是光波之间的竞争与选择的过程，一旦确立选择，所有的电子都受某种光波的支配，使得光波迅速得到加强而产生激光。哈肯从激光的理论模型出发，与热力学－统计力学以及化学动力学模型对比，发现了在系统从有序到无序之间的相互转变中，都存在着稳定态与非稳定态在相空间中共存且呈现相互合作的现象。由此他得出一个重要结论：大量性质完全不同的系统，在状态发生变化过程中都存在着一种深刻的相似，那就是它们都是子系统相互协同合作的结果。而协同学的使命就是要探讨是否存在支配生物界和非生物界结构和功能的自组织形成过程的某些普遍原理。 哈肯 哈肯的协同学的意义在于他解决了耗散结构理论并未回答的问题，那就是新的耗散结构是如何产生的，协同学指出系统内部子系统间的自组织协同产生了新的非平衡稳定结构。哈肯深化了系统结构研究，指出系统的结构永远在形成、消失、竞争、协作或组成更大结构。而且协同学研究的是结构形成的普遍规律，摆脱了热力学的束缚，从而采用了更为普适的概念和方法。从哈肯发现自然界协同规律并创立协同学的过程可以得出以下两点，一是自然界的自组织演化规律就是存在于万物之中，等待我们去发现、总结和利用，这也是科学研究的永恒目标；二是科学研究中应该从现象到本质，去抽象、去提炼。《周易》上说，形而上者谓之道，形而下者谓之器，我们要勇于和善于从器中总结出道来，从而形成普适性规律，推动科学的发展。 托姆与突变论 勒内.托姆是法国著名数学家，曾长期在法国从事微分拓扑学研究。自然界中系统状态的变化有连续渐变与阶跃突变两种形态，如金属加热过程中，首先是长时间的渐变过程，温度越来越高，但仍是固体的状态，而一旦达到熔点，固态会出现向液态的突变。托姆从60年代开始他潜心研究突变现象。1968年他把自己在这方面研究的成果、第一部手稿《结构稳定性和形态发生学》送交出版社，但直到1972年底才得以出版。人们将这一新的理论定名为“突变论”，并将他纳入系统论的范畴，协同学的哈肯将突变论作为数学工具来研究系统结构的形成过程，因此突变论也被认为是一种自组织系统理论。系统的状态变化到底是通过渐变实现的还是通过“飞跃”实现的？成为当时科学界争论的焦点。数学家托姆通过研究得出结论：当变量小于4时，自然界的各种突变只有7种基本方式，分别是：折线形、尖点型、燕尾形、蝴蝶型、双曲型、椭圆型以及抛物型。托姆的理论向世人表明，自然界的突变存在着一般性的规律。 托姆 突变论的研究力求以统一的数学模型来描述、预测和控制突变，从而提高人们认识系统改造系统的能力。托姆的突变论研究过程同样是一种通过特定研究抽象到一般性规律的科学提升过程，是一个从器到道的过程。一般认为，一旦数学进入某一领域，则代表了该领域逐渐走向成熟，因此托姆对系统状态突变过程的数学描述对推动系统科学与系统自组织理论的研究发挥的重要作用，并成为同时代的普利高津与哈肯继续开展系统科学研究的工具。托姆的突变论中提到了普通突变与“托姆突变”两种不同意义的突变概念。其中的“托姆突变”指系统突破临界点后，并不会崩溃，而是向另一个可行状态阶跃，如下图所示，网络节点6故障后，系统自发将节点6的服务转移到节点5，从而使系统形成新的稳定结构，系统保持持续完整。因此托姆的突变论为工程系统实现自恢复能力提供了方向性指导。 网络节点6故障后，系统自发将节点6的服务转移到节点5，从而使系统形成新的稳定结构 艾根与超循环结构 艾根是德国的化学家，研究化学分子动力学，1967年获得诺贝尔化学奖。他关注的问题是生命的起源问题，即最初始的蛋白质大分子是如何从无机世界实现“非生命”到“生命”的转化的。以往人们将生命的起源分为化学进化阶段与生物进化阶段，但对于在生命诞生过程中起关键作用的遗传密码和它的翻译机制的起源几乎一无所知，生命如何从无机中诞生的始终是一个难解之谜。艾根指出，在化学进化阶段与生物进化阶段之间还存在一个分子的自组织阶段，在这个阶段中，要求既能产生、保持和积累信息，又能选择、复制和进化，以形成统一的细胞机构，从而保证生命从无生命中涌现出来。这种大分子的自组织过程就是超循环结构。超循环具有一种“一旦选择便永恒”的选择机制，且是一种自复制循环，从而确保进化的成果得到保存和累积。 艾根 艾根在分子生物学水平上，把生物进化的达尔文学说通过巨系统高阶环理论，进行数学化，建立了一个通过自我复制、自然选择而进化到高度有序水平的自组织系统模型，以解释多分子体系向原始生命的进化。这个理论在科学界仍有争议，姑且称之为超循环结构猜想，但它无疑把系统科学的研究推进了一步。去触碰那个堪称人类终极谜团的问题。艾根的超循环结构也为工程系统如何实现经验累积，实现自我进化提供了路径指导。 总结 如果说一般系统理论解决的是系统在某一时间剖面上的组成、结构与稳定控制问题，那么自组织系统理论基本上解决的是系统在生命周期时间尺度内的动态演化问题，超循环结构理论除外。耗散结构理论明确了系统除了平衡态的稳定结构外，还有远离平衡态的耗散结构，并且指出了达到耗散结构的条件。协同学则研究了系统在结构上如何达到耗散结构，即通过系统内部的竞争与协同的促进。突变论则从数学的角度描述了系统状态变化的一般规律，为自组织系统理论的发展提供了数学工具，提升了自组织系统理论的成熟度。而超循环结构理论则从分子生物学的角度，探寻了生命系统质变与进化的机理。上述四个理论对于理解我们所处的世界的系统自组织进化过程提供了理论指导。 虽然超循环结构理论初步涉及了生命的进化机制，但它的尺度只限于生物分子层面，纷繁复杂的世界由大量的更大规模尺度的复杂适应性系统组成，目的性与对环境的适应性驱使系统在更大时间尺度下代系更替，不断进化升级。大规模尺度与大时间尺度的系统的进化图景究竟是怎样的？人类作为自然进化金字塔的顶端，面对日前非洲出现的越来越多没有象牙的母象群体，又将何以自处？这些问题将在系统科学后续的发展中寻找答案。 作者：张宏军 黄百乔 鞠鸿彬 |
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