（科学技术哲学专业论文）耗散结构理论对系统科学发展的意义.pdf

中文摘要 文章通过分析论证耗散结构理论对系统科学发展的重大理论意 义，从而阐明耗散结构理论对当代科学思维、科学方法等规范的转换 起到的突破性作用，以及由此而带来了哲学观念的更新，这又一次展 示了物质世界普遍联系和永恒运动发展的生动画面，又极大地丰富了 辩证唯物主义哲学的本体论。文章分别从三个方面进行论述：第一， 论述了耗散结构理论对以往“老三论”( 即系统论、信息论、控制论) 的超越，从而把以机械整体论为基础的系统科学理论转向了以构成整 体论为基础的新的历史阶段；第二，阐述了当系统科学发展到了以耗 散结构理论的提出为诞生标志的自组织理论阶段时，作为自组织理论 诞生标志的耗散结构理论本身的特质所在，以及它对协同学和突变论 发展所起到的推动作用，从而促使了自组织理论科学研究传统的形 成；最后，分析了耗散结构理论对非线性科学中的超循环理论和混沌 学的诞生的奠基性作用，并展现了它对现代科学思维观念转变上所起 的桥梁作用。 关键词：耗散结构理论“老三论”自组织理论非线性科学 a b s t r a c t t h o u g ha n a l y z i n ga n dp r o v i n gt h eg r e a tt h e o r ym e a n i n go ft h ed i s s i p a t i v e s t r u c t u r et h e o r yt ot h ed e v e l o p m e n to fs y s t e ms c i e n c e ，s ot h a te x p l a i nt h e b r e a k i n ga c t i o no ft h ed i s s i p a t i v es t r u c t u r et h e o r yt os w i t c ht h es c i e n t i f i c t h i n k sa n dt h es c i e n t i f i cm e t h o d si np r e s e n t ，a n dc o n t r i b u t i n gt ou p d a t et h ei d e a o fp h i l o s o p h y , a n ds h o wa g a i nt h ev i v i dp i c t u r ew h i c hi st h ep h y s i cw o r l di s u n i v e r s a lc o n n e c t i o na n dm o v i n gd e v e l o p m e n tf o r e v e r , a n de x t r e m e l yr i c h e n i t s e l f - t h e o r yo ft h e d i a l e c t i c a lm a t e r i a l i s mp h i l o s o p h y t h i sa r t i c l es e p a r a t e s t h r e ep a r t st op r o v e ；f i r s t ，p r o v e dt h ee x c e e d i n go ft h ed i s s i p a t i v es t r u c t u r e t h e o r yt of o r m e rs y s t e ms c i e n c et h e o r i e s ( i n c l u d i n gt h a ts y s t e mt h e o r y , i n f o r m a t i o nt h e o r y , a n dc y b e r n e t i c st h e o r y ) ，s ot h a te n t e r i n gan e wh i s t o r i c s t a g ef r o mb a s i n go nt h em e c h a n i ce n t i t yt h e o r yo f t h es y s t e ms c i e n c et ot h e c o n s t i t u t e de n t i t yt h e o r y ；s e c o n d ，e x p l a i n e dt h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i co ft h e d i s s i p a t i v es t r u c t u r et h e o r ya st h es y m b o lo f t h eb i r t ho f t h es e l f - o r g a n i z a t i o n t h e o r y , a n dp r o m o t i o n a la c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to ft h es y n e r g e t i ct h e o r y a n dt h e c a t a s t r o p h et h e o r y , a s t h e s y s t e m s c i e n c e e m e f i n g t h e s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r ys t a g e ，r e s u l t i n g i n f o r m i n gt h e s c i e n t i f i c s t u d y t r a d i t i o no f t h es e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y ；l a s t ，a n a l y z e dt h ef u n d a m e n t a la c t i o n o ft h ed i s s i p a t i v es t r u c t u r et h e o r yt ot h eb i r t ho ft h eh y p e r c y c l e st h e o r ya n d t h ec h a o st h e o r yo ft h en o n l i n e a rs c i e n c e ，a n ds h o w e dt h eb r i d g ee f f e c tt ot h e t r a n s f o r m a t i o no f m o d e r ns c i e n c et h o u e # ti d e a k e y w o r d s ：d i s s i p a t i v es t r u c t u r et h e o r y s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y s y s t e mt h e o r y n o n l i n e a rs c i e n c e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：杰i 嗑加。于年1 月i1 - 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：z o o 莎年1 月il 日 河海大学硕士掌位论文 1 1 研究对象 第一章绪论 论文研究作为系统科学理论之一的耗散结构理论对整个系统科学发展的科学意义与 哲学意义。 1 2 研究意义与创新点 耗散结构理论的提出，不仅是对自然科学本身的发展起到了突破性的作用( 普利高 律以耗散结构理论荣获1 9 7 7 年度诺贝尔化学奖) ，同时，我们看到，在众多从事系统科 学研究工作的科学家们之中，至今仅有普利高津一人拥有此殊荣，由此可见，普利高津 创立的耗散结构理论在整个科学史以及系统科学研究中的地位是不容小觑的。系统科学 发展到了耗散结构理论的阶段，即从耗散结构理论开始，自然观和科学观有了根本上地 转变，彻底摆脱了机械论、还原论；从构成系统遵循机械运动变化规律转向生成系统遵 循演化规律；科学研究的重点由对物质构成与空间运动的静态分析，转向对系统生成过 程的动态综合与整体把握。以耗散结构为始点的自组织理论是研究宏观系统的演化、进 化这一最为复杂的宏观现象，其哲学意义更为重大、更为深刻。并且对非线性科学 理论的诞生和发展也是一个促进，尤其是对于揭开生命科学之谜具有重大意义。耗散结 构理论已经了产生划时代的重大影响。 本文从耗散结构理论与其它系统科学理论的关系这一独特的角度出发，分别进行了 纵向和横向的研究。从纵向方面突出了耗散结构理论在整个系统科学理论发展中承上启 下的作用；从横向方面对与耗散结构理论几乎同时诞生的其他系统科学理论协同学、 突变论进行了科学方法、思维方式的转换的分析，阐述了耗散结构理论在系统科学发展 过程中的重要作用，从而论证了耗散结构理论对整个系统科学发展的科学意义与哲学意 义。 1 3 研究现状 系统科学是探索系统的存在方式和运动变化规律的学问，是对系统本质的正确反映 和理性认识，是一个知识体系。系统科学的范围很广泛，己形成一个学科群。贝塔朗菲 河海大掌司e 士学位论文 创立一般系统论标志着系统科学的诞生，这可从两方面得到说明。首先，从一般系统论 开始，“系统”、“整体”和“整体性”成为科学研究的对象，可是在不久以前它们还被看 作是超越科学界线的形而上学概念。另一方面，般系统论是第一个反对还原论的科学 理论，其方法论是非还原论的。把系统科学的发展历史划分为三个阶段，它们分别是： 第一阶段，研究存在；第二阶段，研究演化；第三阶段，为非线性科学研究阶段。第一 阶段，研究存在，在此期间，系统科学的主要成就是：一般系统论，控制论，信息论。 贝塔朗菲于2 0 世纪4 0 年代创立了般系统论，在1 9 6 8 年出版了一般系统论：基础、 发展和应用，此书全面总结了他4 0 年来的理论研究工作，是说明其一般系统论思想、 内容和理论框架的代表性著作。比较系统科学第一阶段中出现的一般系统论、控制论和 信息论三门学科，应该说一般系统论是具有代表性的成果，因为它的新思维方式和科学 方法论促成了系统科学的诞生。第二阶段，系统科学研究演化。使系统科学获得重要进 展的分支是运筹学、控制论、信息论等技术科学，但研究对象基本属于简单系统，尚未 触及真正的复杂性。然而，产生和形成于2 0 世纪6 0 和7 0 年代的自组织理论群，它包括： 耗散结构理论、协同学、突变论，这些科学理论它们都是从时间发展的角度，研究系统 的演化行为和性质，由其是耗散结构理论的诞生，标志着系统科学进入了一个崭新的阶 段。研究系统从无序到有序或从一种有序结构到另外一种有序结构的演变过程，所用的 研究方法不是还原分解，而是物理实验或模型、数学模型、计算机模拟等，因此其方法 论是非还原论的。在研究演化方面，还原分解方法的作用十分有限，因为还原分解方法 主要用于研究物质的组成结构。研究演化的主要方法是整体研究方法，即在保持系统整 体完整的情况下，利用模型、模拟等手段来研究系统的整体演化行为。系统自组织理论 第一次从物理学、化学、生物、数学等众多科学领域，全面证实了物质世界的普遍联系 与无限发展及其内在的复杂机制，指出了在物质世界的普遍联系与无限发展中，非平衡 态是其整体演化特征非线性相互作用是其基本作用方式，自组织是其内在发展机制； 指出了单质点思维所研究的领域，可整体归结为在平衡态下的某种线性相互作用及其结 果，而平衡态只是现实世界整体非平衡态的某种近似的特例，线性相互作用只是现实世 界整体非线性相互作用的某种近似的特例。从而，系统自组织理论对单质点思维给予了 整体的否定，表明单质点思维实质上是传统科学对真实而复杂的客观世界进行简单的思 维操作的结果，而这也恰恰符合了单质点思维追求世界的简单性的基本特征。第三阶段， 为非线性科学研究阶段。以超循环理论、分开理论、混沌理论为代表的非线性科学第一 次提出了整体作为整体、非线性作为非线性的重要思想和方法，标志着系统科学发展的 河海大掌硕士掌位论文 新阶段。 耗散结构理论是研究耗散结构的性质、形成、稳定和演变规律的科学。该理论强调 一个远离平衡的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化达到一 定的阂值时，可能从原有的混沌无序的状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有 序状态。这种在远离平衡情况下所形成的新的有序结构，普利高津把它命名为“耗散结 构”。普利高滓等人提出了一种自然科学的自组织理论并阐述了它的一系列基本原理。自 然界从低度有序向高度有序演化的过程，是耗散结构形成或从一种耗散结构转变到另一 种耗散结构的过程。平衡态和近平衡态都不会出现耗散结构只有远离平衡态才有可能。 普里高津科学思想的独到之处在于，他敏锐地意识到，人类活动的目标正转向各种复杂 的无机系统、有机系统、生命系统和社会系统，从而提出了复杂性的新概念和新方法。 他说“科学今天所经历着的变化导致了一种全新的局面。科学的兴趣正从简单性向着复 杂性转变。对于微观世界简单性的信念己经打破了。”在这种思想原则的指导下，他抛 弃了传统科学追求的简单性、必然性、决定论的目标和以分析为主的科研范式，着眼探 索复杂性、偶然性、非决定论，提出了综合性和整体性的研究范式。耗散结构理论，把 热力学从平衡态推向近平衡态直至远离平衡态，揭示了非生命物质向生命物质转化的机 制，从而把物理学和生命科学、自然科学和社会科学统一起来，提出了科学大统一的研 究目标。非平衡自组织理论选择的科学目标和使用的研究范式，与经典科学不同，是对 经典科学的突破。传统科学追求简单性、必然性、决定论的目标，以分析为基本研究范 式，非平衡自组织理论则扬弃了传统科学的目标和范式，探索复杂性、偶然性、非决定论， 强调了综合性和整体性的研究范式。尼科里斯和普里高津在1 9 7 7 年出版了非平衡系统 中的自组织一书，把非线性相互作用看成是自组织系统的不可缺少的特征。这是因为， “在一个系统内部，如果各个元素之间存在的相互作用是线性的，那么，系统的宏观特 性仅仅是其每个要素单独特征的简单线性叠加，这种叠加还只是一种量的组合，并不会 引起系统整体新质的产生，系统的整体性质也不会反过来改变其组成要素在孤立状态下 的性质。因此，“在线性平衡热力学框架内，我们实在谈不到什么新的结构”。2 而非线性 作用是较为复杂的作用方式，是具有相干性的作用机制，系统内部的作用关系不再是各种 作用的简单相加所能说明的，而是多种作用相互制约、耦合而成的全新的整体效应。这 意味着：在系统内要素相互制约、耦合的过程中，各自独立性丧失，各要素按一定方式在 大范围内协调运动，从而导致系统新质的出现。因此，非线性或相干性是自组织的必要 1 朱亚宗伟大的探索者爱冈斯坦r m 北京：北京人民i f 版社1 9 8 5 2 4 0 2 尼科里斯普利高津非平衡态的自组织【m 】北京：科学出版社1 9 8 63 3 - 条件。普里高津在建立耗散结构理论中提出了许多关于确定性与不确定性关系的深刻思 想观点。他认为，以经典物理学根本特征的确定性为基础的自然法则己经走到尽头，新 的自然法则将为可能性、不确定性和概率留下空间。我们要在完全确定性与纯粹机遇性 之间保持一种“必要的张力”，建立起关于从不确定性走向确定性的以概率为基础的新的 自然法则。耗散结构理论向生物学的渗透，导致全新的科学的生物学理论形成。普里高 津理论统一了有序与无序的矛盾，成功的解释了生命现象。把对生命现象的认识提高到 了一个新的水平。混沌学是复杂性科学的又一支柱性学说。混沌学发现，确定性动力学 系统具有“内在随机性”，系统的演化对初始条件具有敏感依赖性，原因的微小误差导致 结果的巨大差异。确定的动力学过程使系统因果之间的关联不再保持线性关系，这对传 统的拉普拉斯决定论的因果观与可预测性信念是一个极大的冲击和突破。我认为，“内在 随机性”不同于一般的随机性，其实质是系统内部存在的非线性相互作用机制对系统初 始条件的微小变化加以放大而导致系统结局的巨大变化。内在随机性即是由确定性系统 通过非线性机制自我内在产生的结果状态空间( 奇怪吸引子) 的多种可能性或非唯一性， 然而，也只有耗散结构中才有奇怪吸引子。自组织系统无需外界特定指令而能自行组织、 自行创生、自行演化，能够自主地从无序走向有序，形成有结构的系统。自组织理论重 视演化，重视演化过程中那些不同的歧路、分衍点和不同的方向，重视由此而产生和演 化出的万千世界。它蕴含着现代社会的一种重要的思维方式。复杂系统处于临界状态时 具有一种与其平衡态绝然不同的异乎寻常的灵敏度，即“初值敏感性”，它代表了内在随 机性的根本特征，所以，自组织产生出复杂性。自组织理论群的出现，导致了经典科学 “确定性的终结”。 正如南京大学李曙华教授总结的那样：“系统科学诞生的标志是贝塔朗菲于2 0 世纪 4 0 年代创立的一般系统论的创立。系统科学自2 0 世纪4 0 年代系统的创立至今，已发 展成蔚为壮观的庞大学科群，形成当代重要的科学思潮，并代表着未来科学发展的趋势与 方向。可以把系统科学及其整体论思想的发展简示。如图表1 ( 箭头j r 表示系统科学的 历史发展线索。箭头t 表示生成整体论体系的层次与演绎的逻辑顺序) ： 李曙华当代科学的规范转换从还原论到生成整体论 j 】哲学研究2 0 0 61 1 河海大尊颂士掌位论二 图表1 系统科学及其整体论思想的发展 系统理论 系统论 控制论+ +信息论 自组织理论 耗散结构理论 协同学+ _ +突变论 非线性科学 超循环理论 分形+ _ + 混沌 复杂系统与复杂网络研究 机体整体论 机械整体论 问题：系统是如何组织起来的? 构成整体论 突变演化论或进化论 问题：新结构诞生必需的催化反应 具体机制如何? o口 生成进化论 整体或群体演化论 问题：超循环生成的复杂网络 性质、规律如何? 生成整体论 复杂网络的生长、整体结构与功能 通过以上这幅图示，我们可以清楚的厘清系统科学的发展与最新成果为我们立足生 成整体论的自然观，从整体上理解和把握从系统论到混沌学直至复杂网络的历史脉络， 重新梳理、认识系统科学这一学科群，厘清各理论之间的内在逻辑、建构生成整体论的 科学体系奠定了基础。 李曙华当代科学的规范转换从还原论到生成整体论 j 哲学研究2 0 0 6 1 1 5 河罚 大掣硕士掌位论文 1 4 总体思路与研究方法 本文的研究可分为三个部分。第一部分是综合分析耗散结构理论的提出及其对“老 三论”的拓展和对以往科学推测性、局限性方面的重大突破，论述其所引起的科学观念、 科学方法、思维方式的整体转换；第二部分论述了耗散结构理论对自组织理论形成、发 展的推进作用，体现其在自组织理论中的基础和起点作用；第三部分研究的是把耗散结 构理论推广至其他自然科学领域，并促成了非线性科学的诞生。文章的观点是：耗散结 构理论的提出，不仅解决了以往自然科学或“老三论”中悬而未决的问题，而且在新的 科学理论的形成与发展中起到了不可忽视的作用，在某种意义上说，耗散结构理论的诞 生也是促进人类社会及其文化进化的- - f l 科学，随着系统科学研究发展的不断深入，我 们可以清晰地看到耗散结构理论的提出是扭转人类对世界的看法及其改造世界的方法的 深刻转折的原动力。 本文运用哲学、社会科学( 主要是历史学) 的观点、方法来分析耗散结构理论发展 的历史过程，描述科学思想发展的脉络，探索科学思想发展的规律，说明科学发展、哲 学发展和文化发展的历史联系。 分别运用了以下几种研究方法： 文献法：查阅涉及相关理论的文献和原始资料。 访谈法：对涉及研究耗散结构理论、自组织理论或系统科学的教师、学者及工作人 员进行访谈。 对比法：对比国内外对耗散结构理论、自组织理论或系统科学研究的基本情况以及 随着研究发展的不断深入所引起的人类思维方式的转折。 第二章对“老三论”的超越 以系统论、信息论、控制论为代表的“老三论”对西方近现代科学传统的冲击是巨 大的。对后来以信息技术为标志的当代科技与社会发展的影响是深远的，因此可以称为 当代系统科学的理论奠基。之所以还仅仅是奠基，因为从系统科学发展的历程来看，“老 三论”主要研究了系统的结构与功能，揭示了既存系统是如何通过信息反馈来控制系统， 维持系统稳定的：却未能更深人地研究和揭示系统是如何创生，如何利用信息交流将不 同部分组织起来而形成整体，以及系统如何演化等问题，这些使命将由此后诞生的自组 6 河浔大掌硕士掌位论文 织理论与非线性科学来完成。在二十世纪七十年代以前，“老三论”主要是从表态的观点 研究了一般系统的特征、类型和功能。以及与之相关一些基本概念和基本原理，并探讨 了“老三论”的实际应用，形成了众多领域的系统工程，而在七十年代出现的耗散结构 理论、协同学、突变论等，则主要是从动态的角度探讨了各种具体系统的演化和发展， 特别是系统有序结构形成和发展的一般规律，从而使系统科学理论与系统科学方法发展 到一个新的水平，并得到广泛的应用研究。一般系统论研究系统的最一般性质，揭示了 已经形成的系统在特定存在的状态下的规律，但关于系统形成及其发展的内在机制问题 尚待研究。当经典的热力学理论面对自然界中大量自组织现象感到困惑和迷茫时，耗散 结构理论就如黑暗中的一盏明灯，给古老的热力学带来了一线光明，耗散结构问题是在 为解决生物界和非生命界等一系列的矛盾中而确立起来的，最终导致耗散结构理论的创 生。2 0 世纪7 0 年代后产生的自组织理论群，特别是耗散结构理论等新学科，试图从实 践和理论两个方面深入研究一般系统形成与演变的规律，从而使系统科学的研究大大前 进了一步。 2 1 解决了“老三论”中未曾解决的问题 由生物学家贝塔朗菲创立的一般系统论，提出了关于系统科学的新范式及其一般原 则与方法，它起源于基础科学，研究领域广泛，代表了科学的整体哲学与人类看待世界 的方式的一次重大转变。依据生物运动的规律，贝塔朗菲提出了从机械论概念向机体论 概念的转变，这就是从分析和累加的观点到作为一个整体的系统概念。“整体大于部分之 和”以一种隐喻的方式表达了系统论的整体性原理，宣布了系统论对传统分析方法的超 越。但是，贝塔朗菲本人在一般系统论基础发展和应用一书中写到：“我相信现在普 遍接受的。综合进化论充其量只是部分真理，不是完备的理论。开放“老三论”及其 前沿上的问题，除了要在生物学上进一步研究外，还必须从物理学的原理加以考虑。普 利高津从对耗散结构的研究中找到了判定非线性区定念的判据，从而发现了只有在远离 平衡态的非线性系统才有可能建立新的系统结构：通过提出内部时间的概念，从而揭示了 生长与发展乃是开放系统本身的一种属性：以及之后普利高津把对物理学领域中的非平 衡态的非线性区域的研究拓展到了生物学领域之中，从而揭示出了自组织的奥秘，以及 随之而来的对自组织现象的深入研究，由此，也为自组织理论的诞生打下了坚实的基础。 美 冯贝塔朗菲魏宏森等译一般系统论基础发展和应用 m 北京：清华大学出版社1 9 8 76 1 4 4 河海大曹埙士掌位论文 2 1 1 对开放系统的稳态定义 “还没有一个热力学标准，像用最大熵定义封闭系统的平衡态那样，用种类似的 方式来定义开放系统的稳态。在非平衡系统的线性区，最小熵产生原理保证了定态的 稳定性，但在非平衡系统的非线性区，由于系统是开放的，因而熵不具有极值行为( 不 像孤立系统平衡态那样熵取极大值) ；同时由于不可逆过程的力和流不具有线性关系，因 而这里定态的熵产生不一定取最小值，最小熵产生原理不再有效。普利高津在1 9 4 5 年得 到最小熵产生原理后，一直考虑怎样把它推广应用于非平衡系统的非线性区。经过多年 的努力，最终普利高津是通过超熵产生这一概念终于找到了82 s ( 对定态熵的二级偏离) 这样一个非线性区的李亚普诺夫函数，由此，便有了判定非线性区定态的判据。对非线 性定态的稳定性分析：对于远离平衡态，即在非平衡的非线性区，对于定态振动所引起 的熵的二级偏离62 s 同样是总小于零的。但超熵产生或熵的二级偏离对时间的变化率 6 ，p = d d t ( 1 262 s ) 没有确定的正负号，要取决于非线性不可逆过程的动力学的具 体情况，即各种力和各种流之间相互影响的详细情形。 0系统渐近稳定( 图表2 曲线a 表示) = o系统临界稳定( 图表2 曲线c 表示) i 十关 系被满足就能够使体系出现失稳，然后向耗散结构过渡。这个模型具有典型的示范意义， 它类似于库恩所说的“范式”，是从事非线性方法论研究的概念模型和解题工具。布鲁塞 尔学派给出了一个真j 下的失稳并导致耗散结构形成的模型，以之解释系统如何通过分叉， 由平衡到近平衡，再到远离平衡，最后出现耗散结构的。事实上，这个方程和反应分析 的意义是非常广泛的，它虽然原来是从化学反应中得到的，但是可以应用于各种相互作 用过程。把这个反应方程的静态解进行转义，应用到科学理论的进化与革命过程中，较 好地解释了科学理论的进化与革命。 3 1 3 通过涨落达到有序结构 系统形成耗散结构，还必须远离平衡的地方有非线性的巨涨落，通过它来触发系统 的失稳，驱动系统由原来状态转变为新的有序状态。系统的涨落是同系统动力学过程中 的反馈步骤密切相关的，涨落行为要受到反馈机制的调节。“通过涨落达到有序”，系统 进化实质上是由偶然性与必然性的相互影响所决定的，这是普利高津耗散结构理论的又 一基本观点。 系统的涨落行为是不受宏观条件支配的，不论系统的宏观状态及外部环境是否发生 变化，涨落都会不断发生。涨落是由组成系统的大量微观元素的无规则运动及外界环境 不可控制的微观变动引起的，它是一种偶然发生、不可预言的随机事件。 河海大掌硕士掌位论文 x a 图表3 对于某一体系，若以控制参量a ( a 代表外界对体系的控制) 为横坐标，以状态变量x 为纵坐标作图可得图3 ，平面上每点代表体系的一种可能的状态。与a 。对应的x 。表 示平衡态，随着a 偏离a 。，x 值( 体系) 也就偏离平衡态，如果a 偏离较小，则体系会演 变到近平衡态的非平衡定态( a 段) ，这是平衡态的延伸，因此这一段称为热力学分支。 当a 达到或超过阈值& ，线段a 的延续b 上各非平衡定态就变得不稳定( 失稳) ，非线性 作用通过局部涨落或扰动的放大，足以引起体系的突变，离开代表无序状态的热力学分 支而跃变到稳定的新分支c 或c 上，新分支上每点都对应着体系的某种时空有序结构， 即耗散结构。相应的分支( c 或c ) 称为耗散结构分支。这种由于热力学分支在a c 处状态 失稳而使体系突变到有序化的过程，称为非线性非平衡相变，即自组织现象。耗散结构 理论认为，在接近平衡态的线性非平衡区，涨落的发生只使体系状态暂时偏离，这种偏 离状态不断衰减，直至回到稳定状态。而在远离平衡的非线性区，体系中个随机的微 小涨落，通过非线性的相互作用和连锁效应被迅速放大，就可以形成整体的宏观的“巨 涨落”，从而导致体系发生突变，形成一种新的稳定有序状态。正如普利高津所说：在耗 散结构里，在不稳定之后出现的宏观有序是由增涨最快的涨落决定的。因此，这种新型 的有序可以叫做通过涨落的有序。由此看来，涨落是形成新结构的杠杆，是新结构的胚 胎，通过涨落达到有序，是一个重大的概念革新。 3 2 耗散结构理论推动协同学、突变论的发展 耗散结构理论是比利时物理学家普利高津于1 9 6 9 年提出来的，协同学是德国著名理 论物理学家赫尔曼哈肯在1 9 7 3 年创立的，突变理论是比利时科学家托姆在1 9 7 2 年创 立的，这三个理论都是研究复杂体系状态发生突变时的理论。耗散结构理论指出了新结 构诞生的条件，但并未回答新结构是一种怎样的结构，以及这种新结构究竟是如何产生 的。德国科学家哈肯接过了系统科学的这一接力棒，他创立的协同学回答了在系统演化 的突变点上，各子系统是如何通过自组织而形成新的有序结构的。当传统数学方法只能 描述连续、平滑的渐变，无法处理复杂而又不连续的突变现象时，突变论是对系统生成 演化中的突变现象进行研究的新兴数学学科，它不仅作为自组织理论的主要研究方法和 数学工具，而且还丰富和发展了系统科学。 在方法论方面的贡献，为把非平衡相变研究建立在严格科学的基础上，耗散结构理 论提出要把热力学方法与动力学方法、确定论方法与概率论方法结合起来，对描述复杂 系统演化行为很有意义。同一般系统理论相比，耗散结构理论在定量化描述上有明显进 步，给出一些比较严格的论证和结果。这些工作表明，稳定性理论、分叉理论、突变理 论、概率论，是描述复杂系统演化行为的有效数学工具。它们应成为系统学的适当工具。 耗散结构方法论起一个构建自组织系统需要条件的作用，它研究了体系如何开放，开放 的尺度，如何创造条件走向自组织等诸多问题，因此在一定意义上，我们也可以把自组 织的耗散结构方法论称为自组织的创造条件方法论。“耗散结构方法论在自组织方法论就 其按照自组织的本意而言，它是一种起点意义的方法论，就本体论和认识论上看，它具 有第一原理的意义；就其方法论意义而言，创造条件使得系统自发走向自组织也是遵循 自组织原理的一种方法论。 3 2 1 创造系统开放的条件 耗散结构理论在总结大量实体系统的基础上证明：当系统处于热力学分支前，涨落 的作用是一种破坏稳定的干扰。但此时系统是稳定的，一般性的涨落不足以导致系统宏 观状态的变化，涨落最终趋于衰减，系统通过一个微扰过程后又回到原来的状态，不可 能形成新的有序结构：然而当系统处于分支点附近时，涨落则起到触发器的作用，此时系 统处于一种不稳定状态，某些随机微小的涨落可能通过相干效应迅速放大，形成宏观上 吴彤多维融贯一系统分析与哲学思维方法 岫昆明：云南人民出版社2 0 0 5 ，1 8 5 2 4 的巨涨落，使系统实现由一种不稳定状态到另一种新的稳定态的转变，即形成新的有序 结构。协同学在研究大量系统的基础上指出：协同是形成自组织结构的内在依据。协同 作用是系统自发形成的对子系统进行协调和组织的固有能力，是系统由无序转变为有序 的动力，是系统与环境进行物质、能量、信息交换的方式，是一切不同功能系统具有的 自然机理。协同学则是研究系统如何由于子系统问的协同作用而产生序参量，序参量之 间的协同与合作又如何形成自组织结构。它是- - 1 1 以各类系统所共同具有的协同作用这 一特征为研究对象，并运用数学方法与计算工具加以抽象化，从而揭示系统进化一般规 律的科学。 耗散结构理论及自组织原理是将西方科学发展中形成的新观点与中国注重整体与关 系的自然观融合起来，走向了一个新的综合，它给世界带来更为一般的普适的新信息， 而且在深刻地改变着人们对世界、对宇宙看法的自然观。在耗散结构理论与自组织原理 中，首先不同于传统科学，它把世界看成是不断演化，在无序中产生有序，呈现出在质 上不断进化，涌现出新质的美丽图景，它在研究处理问题时不是把研究对象孤立起来研 究其中物质的运动与变化它不是像传统科学那样把世界看成是“运动变化着的物质的集 合体”它是把研究对象看成是一个开放着的系统，研究其中所包含着的系列子系统或子 过程间的相互作用和演化，把世界看成是“无数演化着的过程系统的集合”它注重的是 系统的整体，研究的是系统中所包含的子过程间的相互作用的关系。我们认为这是“耗 散结构理论”与“自组织原理”中包含的最重要的基本观点，可以见到它与过去有多大 的不同，它是多么深刻地影响了人们认识和理解客观世界的自然观。 哈肯提出的协同学，对于耗散结构理论中研究的开放系统，子系统或子过程的竞争 与协作，也有一个控制它们进行的基本规则，在哈肯的协同论中提出了“序参数”与“支 配”及“役使”等概念，或者亦可以用一个支配过程进行的“支配原则”来说明。这也 就是说，对于一个复杂系统，在依自组织原理演化时，都有一个规则来促进和协调其中 各个子系统间的协作和更替，如果这个复杂系统是一个社会系统或政治系统，这个规则 往往就是政策和法律，这对社会、国家以至国际社会来讲都有重要意义。哈肯的协同论 对无序与有序的转化作了统计性的说明，认为是分子( 或组元) 之间的非线性关联所引起 的协同作用使系统从无序转化为有序。一般讲来，系统内各分( 组元) 的运动状态由分子 热运动( 或组元的各自独立的运动) 和分子间的关联引起的协同运动共同决定。当关联能 量小于独立运动能量时，系统就处于无序状态；当关联能量大于独立运动能量时，独立 运动受到明显的约束而服从协同运动，系统就显出有序的特征。协同学的最基本观点， 河海大掌硕士掌位论文 是把事物的发展演化看作不仅仅是矛盾双方对立斗争的结果，而是包含着多个层次现象 中的各个子现象相互竞争和协作推动着的演化的结果。这种观点深刻地影响着人们的思 维，还会积极地丰富和推动辩证法研究的深入和进一步发展。随着整体突现、结构演变、 生命诞生、系统崩溃等问题的提出，自然界进化中的突变现象日益成为科学关注的焦点。 人们日益发现：非生命过程和生命过程有着共同的变化源，其中必然具有普遍的共同规 律和机制。然而，只能处理连续光滑变化的传统数学方法显然无法解释，也不宜处理这 些复杂而又不连续的现象。科学的发展迫切需要一种新的数学基础。突变论是拓扑学和 分析学中关于结构稳定性研究，是一种定性研究系统生成演化的数学理论，与生物学中 关于形态发生学研究交汇综合的成果。突变论提出后，哈肯、艾根都以它作为研究自组 织理论的主要方法。因此，人们也将突变论作为自组织理论的一部分。 3 2 2 把不可逆性引入科学观测 传统上，物理学家面对动力学描述和热力学描述的令人烦恼的矛盾，一般都把前者 作为基础描述，而把后者看作是附加在前者上的近似过程得出的结果，甚至把热力学第 二定律看作是主观的或拟人的。玻恩断言，不可逆性是把无知明显地引入到基础( 动力学) 中去的结果。爱因斯坦则写道：在物理学的基本定律中没有任何不可逆性，你必须接受 这样的思想：主观的时间连同它对现在的强调，都是没有任何客观意义的。与此相反， 普利高津指出：在今天，从生物学到宇宙学，不可逆性都展示出某种比上述看法更为基 本的作用。在微观领域，基本粒子的不稳定性，它们按指数规律衰变，也表明不可逆性 是一种基本的作用。他写道：我们今天立于何处? 我相信，已经取得的主要进步是：我 们开始看到，概率性并非一定和无知连在一起，决定论描述与概率论描述间的距离并没 有爱因斯坦及其绝大多数同时代人所认为的那样大。当进一步把热力学第二定律表述为 一个选择原则时，即断言对称破缺变换导出两个时间方向，其中只有一个方向是物理上 可以实现的。引入这种变换的系统叫做“内在随机系统”，选择原则也有效时可叫做“内 在不可逆系统”，概率在此获得了内在的意义，并非主观或无知的代名词。由此可见，对 于一个系统，或更一般地，对于自然界，某些状态是被严格禁止的，既不会自发发生， 也不会由我们制备出来，而被容许的态则与一个概率测度联系起来。同时不可逆性也不 是主观的或无知的结果，而是一种新的深藏在空时结构中的非局域性的表现。哈肯指出： 以往统计物理中的玻尔兹曼原理只涉及一个系统中可分子实现的分布数目，而且每次涉 河海大掌司i 士掌位论文 及的只是一个确定的数目，从而是一个静态的原则。那么，对开放系统结构的形成有没 有一个普遍的新原则昵? 答案是：有。这是一个动态的原则。在协同学中，哈肯用序参量 ( 变称序参数) 作为系统宏观有序程度的度量，并以序参量的变化来刻画系统从无序向有 序的转变。序参量与系统的整体状态相对应，它是由系统本身的集体运动或集体行动产 生的。协同学运用序参量概念和支配原理向我们揭示了这个薪的动态的原则。突变论是 一种定性研究系统生成演化的数学理论。形态发生问题是突变论的理论来源之一，也是 突变论的核心。托姆指出：以往科学对形态发生的现象知之甚少，经典动力学的缺陷在 于：既不研究物体的发生，也不研究物体的终结。物理学家们只关心世界的物质性构成 和受力运动。却从未将形态发生作为科学研究的对象。以至迄今尚无理论能够解释晶体 树枝状增长等现象。而突变论所要研究的恰恰就是形态发生及形态发生的过程，这种“形 态发生”是指动态的伴随着整体上有空间运动的突变过程。与以往科学不同，这种表示 创造形态或消灭形态的任一过程。不考虑所述形态之基质的( 物质性或其他方面的) 特性， 也不研究引起这类变化的力的本质。而是研究形态发生作为一种整体突变现象的一般规 律，揭示形态学中任一形态的实质，并且试图解决以往数学最棘手的不连续性问题，对 那些难以再现而又无法加以数学描述的不稳定现象给出一个解释的方案。突变论通过对 深藏在形态变化中的结构所作的分析，使我们对个体形态的发生和物种进化的机制有了 更为清楚的了解。值得一提的是，非生命物质受自己形态的影响较小，而生命的生存却 与自身的形态密切相关。数学开始研究形态发生问题，标志着数学的视野从无生命世界 扩展到了生命世界。 从静态的即时间可逆的观点看待科学观钡0 ，总是在认识的此岸和彼岸、主体和客体 之间跳跃或截然两分。只有把演化的，即不可逆的观点引入科学观测，才能理解科学观 测作为一种科学认识的实践，联系着主体和客体的辩证法。 3 3 促使自组织理论科学研究传统的形成 自从牛顿时代把世界分为物理世界和生命世界、把科学分为自然科学和人文科学以 后，3 0 0 年来，二者之间一直存在着不可逾越的鸿沟。非平衡自组织理论则力图把这个 鸿沟填平它们所使用的概念和研究的结论，不仅给自然科学提供了方法，同时也给人 文科学提供了研究手段。非平衡自组织理论选择的科学目标和使用的研究范式，与经典 科学不同，是对经典科学的突破。传统科学追求简单性、必然性、决定论的目标，以分 析为基本研究范式，非平衡自组织理论则扬弃了传统科学的目标和范式，探索复杂性、 河海大掌司l 士掌位论文 偶然性、非决定论，强调了综合性整体性的研究范式，代表批判经典科学传统的新阶段， 普利高津的科学思想代表了继古代科学传统、近代经典科学传统之后的第三个科学传统。 自组织理论是研究系统自组织过程的机制、规律和形式的科学，它强调从世界的本身去 研究世界。自组织理论研究的是世界进化问题，具有一般方法论意义，因而，研究社会 系统的自组织发展过程，首先应该了解系统科学中关于自组织理论的论述。自组织理论 重视演化，重视演化过程中那些不同的歧路、分岔点和不同的方向，重视由此而产生和 演化出的万千世界，它蕴含着现代社会的一种重要的思维方式。复杂系统处于临界状态 时具有一种与其平衡态截然不同的异乎寻常的灵敏度，即“初值敏感性”，它代表了内在 随机性的根本特征，所以自组织产生出系统。自组织理论群的出现，导致了经典科学“确 定性的终结”，至此，2 0 世纪的科学主流思想可以简单地概括为“统计和进化”的观念。 未来学家托夫勒在为普利高津从混沌到有序一书的“前言”中指出：“普利高津试图 去把这些细部重新装到一起，这里具体地说，就是把生物学和物理学重新装到一起， 把必然性和偶然性重新装到一起，把自然科学和人文科学重新装到一起。“科学传统的 变革实际上是哲学观点的变革。 3 3 1 从对存在物理学的研究转到演化物理学的探究 自组织理论作为进化机制理论，自然带来了对时间本质的新认识，现在按时间的作 用物理学已被划分成两大块：一是存在的物理学，其代表是经典力学、量子力学和相对 论；二是演化的物理学，其代表就是热力学和自组织理论。两种物理学可以用英语中的 时态加以区别：在存在物理学中没有时态，时间在其中仅作为一个“几何参数”出现。 在演化的物理学中有时态，时间有过去、现在和将来之别。按这种分类，自组织理论是 热力学的继续和发展。事实上，自组织理论正是热力学从平衡态到非平衡态经过一段曲 折的历程发展而来的。自组织理论作为演化物理学，用一种动态的思想武装着物理学， 这是与热力学的基本观点完全一致的：自组织理论就是热力学在现代的延伸和发展。物 理学是自然科学的带头学科，普适的物理定律对于“运动”的描述是比较充分的，机械 论的观点就根植于这种描述上。这反过来说明，要摒弃机械论，归根到底要看物理学能 不能体现出一种自然界历史发展的思想。热力学对科学的突出贡献是建立了热力学第二 定律。熵定律明显地将独立于时间方向的可逆过程和依赖于时间方向的不可逆过程加以 区别。热力学揭示的不可逆性使我们认识到不同于守恒系统的另一类系统，即耗散系统。 比 普利高津，f 法】斯唐热，曾庆宏- 沈小峰译从混沌到有序 m 上海：上海译文出版杜1 9 8 7 8 5 - 2 3 河海大掣呵士掌位论文 在耗散系统中动能和势能之和不再守恒，而是部分不可逆地变成其他形式的能量( 主要 是热能) 。热力学和动力学不同，热力学中系统所能经历的所有态不是等权的，自然偏爱 某些态，这些态成为最终将系统吸引过去的吸引中心。热力学首先向机械论的宇宙图景 中暗含的没有时间的可逆性进行了挑战，因此普里高津把它称为第一个“非经典”的科 学。很显然，热力学的建立以及熵的概念的提出，应该被看作科学上的次大飞跃。 2 0 世纪初的物理学革命诞生了相对论和量子力学，变革了牛顿力学的时间空间观念 及能量连续性的观念，使得包括力学在内的整个物理学理论发展到一个新的阶段。不论 是牛顿力学还是相对论、量子力学在实践中都得到广泛的运用，获得了巨大的成功。然 而，就这些理论本身来说，还是对存在着的自然界的描述，它们提供的仅仅是一幅没有 演化的自然画，尚未反映出自然界的完整图景。普利高律把它们称为“存在的物理学”。 1 9 世纪5 0 年代，英国物理学家汤姆逊和德国物理学家克劳修斯先后总结出热力学第二 定律，最先把演化观念带进了物理学。然而，由此自1 9 世纪以来，主张发展观念的人长 期处于一种矛盾的状况：在物理学中，不可逆和耗散被认为是衰退，而另一方面，明显 地属于不可逆过程的生物进化却与向高级的发展( 复杂性的不断增加) 联系在一起。现在 看来热力学第二定律要比我们过去所认为的更加基本。将热力学和自组织理论放在一起 作为演化的物理学，对一系列问题重新进行思考，我们就获得了新认识。具体说来有： 如