第六章 现代管理的基础理论之二 2011年教学教案.doc

第六章 现代管理的基础理论 (二) 随着科学技术的发展，科学方法论的研究也越来越深人，科学方法的应用亦突破了原来的范围而在人们的日常生活实践中起着越来越大的作用。其中，继信息论、系统论、控制论 (俗称老三论)之后，耗散结构论、协同论、突变论的发展最引人注目。它们的发展尤其是应用于社会生活领域的时间虽然并不很长，却被称为现代科学方法 新三论而与老三论并列，对人们的方法论亦起着不容忽视的作用。下面，我们对此进行简要介绍。第一节 耗散结构理论 在20世纪60年代末，比利时著名科学家普利高津等人通过长期研究复杂系统的演化过程，提出耗散结构理论，回答了物理世界和生命世界演化过程中的一些重要问题。在本章中，着重介绍耗散结构理论的产生及其基本概念、耗散结构及其中的哲学问题、它的实际应用等。 一、耗散结构理论的产生及其基本概念 在近代科学技术的发展过程中，所建立的经典力学、热力学和统计物理学，主要研究的是孤立系统，在这类系统中根据热力学第二定律得到的是墒增加原理。20世纪的科学技术需要从微观上解释时间的不可逆性，同时还要解释非生命系统与生命系统演化方向的问题，这就便耗散结构的诞生具有了必然性。 (一)时间的微观运动可逆与宏观运动不可逆 17世纪中叶，牛顿创立的经典力学成功地描述了天体和地球上的一切动力学问题。可是在牛顿的物理世界中，时间却是一个没有物理意义的参数。不仅牛顿方程如此，在量子力学、相对论力学等各种领域，时间本质上都只是描述可逆运动的一个儿何参量。传统的动力学，给出的是一个可逆的、对称的物理图象。 19世纪中叶，由于蒸汽机的广泛应用，热力学得到了发展。热力学第一定律即能量守恒和转化定律，指明了各种运动形式的可转化性和运动在量上的不灭性。但是，它并没有指出转化过程的方向性及转化过程进行的限度。热力学第二定律指明了热量只能从高温物体流向低温物体，而不会出现相反方向的热量传导。大量日常生活中的热力学现象也是如此，如温度不均匀或密度不均匀的物质现象，随着时间的推移，最后一定达到均匀的分布，而一旦达到均匀分布的状态就再也不会返回到不均匀分布状态了。热力学与统计物理学中的时间不可逆，向动力学的时间可逆提出了严重的挑战，如何解决微观运动可逆与宏观运动不可逆的问题，成了复杂系统物理学所面临的基本问题之一。 (二)退化与进化热力学第二定律指出，任何一个孤立的系统都要朝均匀、简单、消除差别的方向发展，这实际上是一种趋向低级运动形式的退化。克劳修斯的热寂说认为，宇宙中的万事万物最终都要发展到一种均匀的状态，即世界各处温度均匀、压强均匀，各种物理差别都不存在了，宇宙将进人一个死亡、寂寞的状态。而一旦达到了这个状态，这个世界就再也不会活。过来了。 英国生物学家达尔文的进化论告诉我们，自然界中的一切生物，在生存斗争和自然选择中不断进化和发展。为了适应周围的环境，它们的构造越来越复杂。整个生物界正是在与环境的斗争中，不断由低级向高级、由简单向复杂进化。由此可见，生物界的演化并不像克劳修斯所说的，沿着混乱、灭亡的方向发展。事实正如达尔文所揭示的那样，生物越向高一级进化，其体内构造就越复杂，越有序，人类正是生物进化的产物。随着人类的出现，又出现了有组织的人类社会，人类社会正在由低级向高级不断进化。 牛顿力学的可逆性与热力学的不可逆性，物理系统的退化与生命系统的进化，给人们提供了两种物理图像、两个世界。一个是物理的、量的世界;一个是生物的、质的世界。难道在物理学和生物学中真的存在着一个巨大的鸿沟吗?怎样把二者统一起来并给予科学的说明，这些问题引起了当代许多科学家的关注。普利高津从热力学第二定律出发，冲破传统的观念，把注意力从平衡态转移到近平衡态和远离平衡态，提出一个新的思考:为什么热力学第二定律在无机界只有耗损、退化和热寂?又怎么解释恰恰在无机界的发展中产生了有机生命和智慧之果呢?他把时间与不可逆性、墒等联系起来，深人研究自然界的自组织现象，终于 在物理学、化学的微观与宏观层次上发现了自组织结构耗散结构，创立了超出物理学、化学范围的耗散结构理论。 (三)系统的性质 耗散结构理论按照系统与外界的相互关系，指出有三种性质不同的系统: 1孤立系统。是指与外界环境不发生能量交换的系统。这种系统完全按照热力学第二定律进行演化，最终将达到完全无序平衡态。严格说来，任何系统都要受到外界的影响，在现实世界中，真正的孤立系统是不存在的。孤立系统只是物理学上的理想状态。 2封闭系统。是指与外界环境有能量交换但没有物质交换的系统。比如地球就是一个封闭系统，它不断与太阳和恒星交换能量，但不交换物质。 3开放系统。是指与外界环境既发生物质交换，又发生能量交换的系统。例如生命体、城市等都属于开放系统。开放系统的最重要特征，就是它与环境发生密切的相互作用，从而获得维持生命的活力。 (四)系统的状态 热力学系统所处的状态有两种: 1平衡态。是指系统所处的状态是一种不变的固定的状态，系统的热力学参量 (温度、密度、压强等)不再随时间变化;同时系统内也不存在物理量的宏观流动，如热流、粒子流等。可以推断，独立系统的最终结局必定是平衡态。 2非平衡态。是指系统内部热力学参量不均匀，与平衡态有偏离的系统。把那些与平衡态偏离较小到非平衡态，称为近平衡态或线性平衡态;把那些与平衡态偏离比较大的，其系统内各部分的热力学参量极不均匀，相互作用呈非线性的系统，称为远离平衡态或者称为非线性平衡态。 (五)熵与熵增大原理 墒的概念，是德国物理学家克劳修斯提出来的。它的原意是热量被温度除的商即:S=Q/T。由公式可知，相同热时温度高则熵小;温度低则熵大。熵的本质内涵是发展演化，即热量转变为功的程度。在热力学系统中，熵是状态混乱度的函数，越是墒小的体系，其有序度越高;反之，则混乱度就高。热力学第二定律指出的孤立系统中，热能只能从高温物体流向低温物体，用墒的概念可表示为:一个孤立系统自发地朝着嫡增加的方向演化，一直达到平衡态，墒达到最大值。因此，热力学第二定律又叫做嫡增大原理。用数学表达热力学第二定律为以下不等式:dsO，它表示孤立系统墒增大过程是不可逆的。 嫡增大原理揭示了宇宙中一切物质与能量转化的趋向，总是自发地从能量集中转向能量分散，从有序趋向无序的退化。墒定律从本质上揭示了生命和进化的基础，因为生命、进化、局部的有序结构形成，都是以更大范围的无序为代价。生物的生到死，事物由生到灭的过程，都是墒增加的过程。 二、耗散结构理论的内容 耗散结构理论深刻地阐述了耗散结构的性质、形成的条件和科学意义。 (一)耗散结构普利高津一直保留着对历史科学的兴趣和哲学爱好，所以能够跳出物理学传统观念的框框，最先发现时间不可逆的意义。他认为，时间不应仅仅简单作为力学方程中说明运动的一个参量，它联系着历史、联系着演化和世界的发展。这种观念激发了他对不可逆过程的浓厚兴趣，并成为他的不可逆理论的思想基础。在热力学发展早期，非平衡态、不可逆现象等一般被人们看做是令人讨厌的因素，人们所注意维护的是平衡和减少不可逆过程的损耗。普利高津相信，在一定条件下，不可逆过程会产生令人讨厌的消极作用;但在另一类条件下，对不可逆过程的研究可能会带来理论和实践上具有重大意义的结果。他曾经写道:热力学为我们提供的许许多多的观点和各种各样的前景中，使我感受强烈、并抓住了我的注意力的是这样一点:即这一切都明显地表现出 时间的单向性这个不可逆现象。普利高津及其合作者们，经过20多年的研究，终于创立了耗散结构理论。普利高津从墒增大原理出发，他认为任何系统的总墒变化量 都要由两部分组成: ds=des+dis 在这里，第一项des是系统与外界交换物质和能量引起的墒流，第二项dis是系统内部自发产生的墒。因此，任何一个系统的dis始终大于零 (diso)，而des则因不同的系统有不同的情况。 在孤立系统中，因为系统与外界环境不发生物质和能量的交换，故没有墒流即ds=o，所以系统总墒变化ds=diso。系统的总墒是增加的，无序度增大，系统绝对不会产生新的有序的组织结构。 在开放系统中，虽然嫡流dso，但是系统并不一定是向有序性增加的方向发展。要根据所处的热力学状态作具体分析，将存在着以下三种情况: 第一种情况是热力学平衡态。在这种系统中，虽然deso，但是deso，所以物质流和能量的进人便大大增加了系统的总墒，加速了系统趋向平衡态的运动。 第二种情况是近平衡态。因为这种热力学状态与平衡态只有一点点微小的差别，deso。这种系统即使开始存在时有一些有序结构，但是最终却抵抗不了系统内部自发产生的墒dis的破坏，于是最终还是趋向平衡态。这种情况也不可能出现任何新的结构和组织。 第三种情况是远离平衡态。在这种系统中墒流大大小于零(des0)，系统不断地从环境中获取物质和能量，这些物质和能量给系统带来负墒流，结果使整个系统的有序性的增加远远大于无序性的增加，于是新的结构、新的组织就能自发地形成。这种自组织，被普利高津命名为耗散结构。 20世纪初法国化学家在实验中发现了一种自组织现象贝纳德对流。实验表明，在热传导状态下，当外界提供的温差增大到超过某一阀值时，液体的静止热传导就会被突然打破，整齐的正六边形贝纳德对流在无序的热运动中产生出来。随后，许多人在各种不同的实验条件下，见到了各种各样的对流。 20世纪60年代物理学领域发现的激光，是又一种自组织现象。 在生物界，这种自发的组织现象更是普遍。从一个单细胞的代谢功能组织到低等昆虫的精美住宅的建造，都表现了高度有序的功能。综上所述，从非生命界的物理学、化学到有生命界的细胞，生物个体和群体，郡存在一种时间、空间或功能高度有序的自组织耗散结构。耗散结构就是一个远离平衡态的开放系统，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阈值时，可能从原有的混吨无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。 耗散结构是一种 活的结构，它是靠不断耗散环境提供的物质和能量来维持它的生命活力。在现实生活中，我们到处都可以发现这类结构，如生命体，无论其结构的复杂程度多么不 同，它都是在不断的新陈代谢中保持其结构的稳定性。同样，一座城市也是一个耗散结构，城市每天都要输入食品、燃料和其他物质，同时还要输出产品和废物，只有这样，它才能生存下去，保持一定的稳定的有序结构，否则它就会趋于平衡态直至死亡。 (二)耗散结构的形成条件 普利高津发现，耗散结构的形式，必须具备四个基本条件; 1必须是开放系统。一个孤立系统内部只有墒增加的一种趋势，最终会导致有序结构的破坏，走向高度无序的热死状态。只有开放系统，通过与外界交换物质和能量，从外界辅人负墒流来抵消系统本身的墒增大，使系统的总墒逐渐减小，才有可能从无序走向有序。因此，耗散结构只能在开放的条件下生存。 z系统必须远离平衡态。开放系统处于平衡态或近平衡态时，系统都不会产生任何新的结构和组织，只有系统处于远离平衡态时才能产生新的有序组织结构。因为处于远离平衡态的开放系统与外界因素发生较大的相互作用，其内部的不均匀逐渐变大，于是系统就变得不稳定。在系统内部涨落 (是指系统自发产生的相对于宏观平均状态的小偏差)的作用下，不稳定的系统发生突变，由原来的无序、混乱状态转变到一种时空或功能有序的新状态。所以普利高津得出非平衡是有序之源的结论。 3系统内部必须存在非线性相互作用。系统内部各要素的相互作用一般可分为两种情况，一种是线性相互作用;另一种是非线性相互作用。线性相互作用的特点是具有叠加性，即总的相互作用是每个小的相互作用之和，它们在性质上、行为上完全相同。因此，线性相互作用无论有多大积累，也不会产生新的性质，当然也就不可能产生新的结构。非线性相互作用与之不同，其最大的特点是具有相干性。即对象之间存在的相互作用不是简单地从数量上叠加，而是相互制约、相互偶合形成为一种在整体上完全不同于各部分的崭新整体效应。正是这种非线性相互作用，系统才能产生新的结构。例如，激光就是光子在非线性相互作用下产生的，如果没有非线性相互作用，普通光永远是普通光，不管它积累多少，也决不会形成具有高强度的单色性的激光。因此，非线性相互作用是产生耗散结构的重要条件之一。 4涨落导致有序。在系统的演化过程中，涨落起着十分重要的作用。系统处于近平衡态时，涨落起着一种破坏稳定性的干扰作用。它只会使系统状态发生暂时的偏离，而这种偏离状态会不断衰减，直至消失，最后回到稳定态。比如一个钟摆，小小的干扰使它摆动，可是运动到最后总会停在中间的稳定位置。在远离平衡态时，系统处于一种动态的热力学系统中，系统中一个微观随机的小扰动就会通过相干作用得到放大，成为一个整体的、宏观的巨涨落，推动系统从一个不稳定态跃迁到一个新的稳定的有序状态。在这里，涨落对于耗散结构的形成起了一个触发作用。这时的涨落，对系统来说不再是干扰的因素，而是耗散结构形成的杠杆。没有这种 巨涨落的推动，系统就不可能发生质的突变。因此，耗散结构所表现出来的有序性，实际上是通过涨落的有序达到的。 (三)耗散结构理论的科学意义 普利高津从时间不可逆开始研究，不同意把热力学第二定律所描述的趋向平衡的发展与自然界及社会现象中总结出来的由简单到复杂、由低级到高级的发展观对立起来。他认为，这些现象是曲同样的规律支配的，只不过前者处于热力学平衡态附近，后者处于远离平衡态并与外界有能量和物质交换的系统中。他采取了薛定诗最早提出的负墒流的概念，使得在不违反热力学第二定律的前提下，非平衡系统可以通过负嫡流来减少系统的总墒，从而使系统达到一种新的有序状态，即耗散结构状态。 普利高津成功地用耗散结构理论解释生物系统有序化的演化过程。他认为，新陈代谢和繁殖的生物系统，总要跟它的周围环境交换能量和物质，生物体正是作为开放系统发挥机能的。另外，正如我们一再强调的，生命的维持和发育成长是跟大量的化学反应及运转现象分不开的，是由许多高度非线性的复杂因素，如激活、抑制、直接的自身催化等连锁控制着的。因此，能量与物质的供给一般是在非平衡条件下进行的，因为反应产物或是被生命系统所排除，或是被送到细胞的其他部分，以满足其他功能 的需要。总之，生命决不违背物理学定律。1969年，普利高津 在理论物理与生物学国际会议上首次提出耗散结构理论 后，又运用数理统计和现代数学的分支点理论，给耗散结构以数学形式的表达。 耗散结构理论的建立是现代科学发展史上的一件大事，用这个理论可以科学地说明物质系统是如何从无序向有序转化的，从而解决了长期以来存在的热力学与进化论之间的矛盾;把物理世界的演化规律和生物发展规律初步统一起来，跨越了生命和非生命之间的鸿沟，为用物理学、化学方法研究生物学开辟了道路。从此，耗散结构理论作为一种现代科学理论得到了科学界的公认，普利高津本人因此荣获1977年诺贝尔化学奖。 三、耗散结构理论的哲学问题 普利高津很注意从哲学观点上进行科学思想的新探索，并从西方和东方哲学史中吸收思想营养以取得哲学武器为耗散结构理论提供论证，同时他在耗散结构理论中提出的一些新的概念、观点以及所用的科学方法，又给哲学提供了科学证据，解决了一些哲学问题。 (一)时间:可逆性和不可逆性、对称性和非对称性 经典力学和量子力学 (测量过程除外)中最基本的物理定律，如牛顿运动方程和薛定谭方程，对于时间都是对称的，将时间t换为-t代人公式，方程的形式却不会发生变化。也就是说，在这些方程中时间是可逆的，过去和未来之间没有什么区别，时间向前运动同时间向后运动都是一样的。因此在动力学中无所谓进化，更谈不上历史，时间仅仅是描述运动的一个几何参量，与物质运动的性质没有什么内在的联系。空间对称和时间对称历来是物理学的基本概念，几何学和物理学的许多定律都奠基在与欧几里得和枷利略关于空间和时间的简单概念之上，认为时间是均匀的，时间的平移变换对物理规律不起作用。同样，空间也是均匀的和各向同性的，平移和旋转不改变对物理世界的描述。时间对称可以导出能量守恒定律，空间旋转对称可以导出动量矩守恒定律，空间平移对称可以导出动量守恒定律，追求形式上的对称美是物理学的一种理想，而不可逆过程也被经典物理学当成一种幻象。 但是，在传统物理学中，时间的可逆性和对称性，常常与实践经验及其他科学部门所揭示的客观现象发生尖锐矛盾，在许多现象中时间的方向性明显地表现出来。其实，物理学中的热力学第二定律最先就揭示了时间的不可逆性，这个定律用墒增加原理第一次把进化观念引人到物理学。到20世纪，普利高津提出的以时间不可逆性为基础的耗散结构理论，把物理学分为两大部分，即存在的物理学和演化的物理学，前者包括时间可逆的经典力学和量子力学，后者研究热力学第二定律所描述的不可逆现象，从简单的热传导到复杂的生物自组织过程，通过对不可逆过程微观理论和墒的研究，实现从存在到演化的过渡，从而把这两部分物理学统一起来。普利高津认为，不可逆是客观存在的，并不是人们碰到复杂现象由于测量不精确而采用的附加的近似假定;反之，可逆过程才是一种科学的抽象，而不可逆过程在不同的运动现象中是起着基本的作用的。可见，正确分析和处理时间的可逆性和不可逆性、对称和非对称性的辩证关系，在哲学上有十分重要的意义。 (二)结构:平衡和不平衡，有序和无序，稳定和不稳定 物质结构问题是富有哲学意义的最基本的科学问题之一，各门科学所研究的是不同层次的物质结构，热力学和统计物理却不局限于讨论固、液、气等一类具体的物质结构，而是研究各种由大量较小单位或层次构成的系统。它们的性质，它们的结构的形成、稳定和变化的条件和过程，系统的有序和无序之间的联系和转化的规律。经典热力学和统计物理学主要讨论平衡结构，在与外界没有物质和能量交换的孤立系统和外界只有能量而无物质交换的封闭系统申，平衡结构的形成和破坏、有序和无序之间的转化，遵循的是玻尔兹曼有序性原理。普利高津等人经过多年研究回答了非平衡系统中是否也能产生稳定有序结构这个问题，他们指出一个远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，是可能在一定条件下形成新的稳定的有序结构，实现无序向新的有序的转化的。因为，任何系统实际上都和外界环境相互间有一定的联系和作用，完全有可能找到从无序状态过渡到新的有序状态的途径。普利高津认为，一个远离平衡态的开放系统，有可能通过从外界取得负墒流的办法来抵偿系统本身内部的墒产生，使系统总的墒的变化为零甚至为负值。这就在不违反热力学第二定律的条件下，把物理世界的规律与生物界的发展规律统一起来了。 平衡和非平衡是一对矛盾，它们相互联系并在一定条件下相互转化。一个平衡结构从宏观上看是平衡的，系统的状态不随时间变化;但从微观上看，由于存在着由外部或内部引起的涨落，因此又是不平衡的。由于涨落可正可负，最后是可以通过统计平均，从微观的不平衡得到宏观的平衡，作出整个系统是平衡的结论。这是局部不平衡转化为整体的平衡的方式。普利高津等人却注意到相反的转化，在研究非平衡态热力学时引用了局域平衡假说。一个系统从整体上看是非平衡的，但可以采用一一定的方式将系统分解为许多从宏观上看是足够小、从微观上看又足够大的单元。这样每个单元从宏观上看其内部的各种性能在一个很短的时间内可以看做是均匀平衡的，每个单元从微观上又包含有许许多多个粒子，仍然可以看做是一个宏观热力学体系。这就巧妙地处理了宏观和微观、整体和局部的关系，把一个非衡态的问题化为许多局域平衡的问题来研究。运用这种化整为零和集零为整的方法，注意到平衡与非平衡之间矛盾的相互转化，就找到了一条贯通平衡态热力学和非平衡态热力学的桥梁。耗散结构理论讨论了系统从平衡态到近平衡态直到远离平衡的发展过程中，其结构约有序和无序、平衡和不平衡、稳定和不稳定这几对矛盾相互转化的规律，这就论证和丰富了哲学思想。 (三)世界:简单性和复杂性，局部性和整体性 相信世界的简单性，是从古希腊德漠克利特以来在西方科学中形成的基本信念，后来人们据此提出了一条重要的方法论原则即简单性原则。爱因斯坦认为:自然规律的简单性也是一种客观事实，而且正确的概念体系必须使这种简单性的主观方面和客观方面保持平衡。美籍华裔物理学家李政道也认为，最重要的东西往往都是最简单的。但是，片面强调事物的简单性方面，忽视或否认事物的复杂性，就会导致简单化的错误倾向。 普利高津看到，现代物理学的发展正在结束 现实世界简单性信念。无论从宇宙世界中天体的形成和演化发展，还是微观领域内几百种粒子的相互转化、衰变和湮灭，不管是生物的繁衍进化，还是人类社会的延绵发展，到处见到的都是不断增加着复杂性和多样性的进化行程。把复杂的系统归之于简单的要素的机械组合，就相当于把一座大楼归结为砖头的集合物，但是用同样一些砖头，可以建造工厂，也可以修筑宫殿和教堂。在整个建筑物的水平上，我们看到了整体性和复杂性，也看到事物的复杂性和时间的不可逆性是相互联系的。之所以一个复杂的整体不能看做许多小的单元的简单组合，这主要是因为各个简单要素之间存在着复杂的相互作用，一个系统内的各个要素不是完全独立、彼此无关的，它们存在着相互联系和相互制约，如反馈、自催化、自组织、自复制等现象。科学上从简单性向复杂性转变，打破世界简单性的概念，引导我们形成新概念和新方法，对哲学具有重大的意义。， (四)规律:决定论和非决定论 耗散结构理论认为，决定性和随机性、力学性和统计性之间不是绝对对立的，决不能用一个代替另一个，也不能把统计规律还原为力学规律。必然性和偶然性在描述远离平衡的非线性系统时，同样具有基本的性质。决定论和非决定论、动力学和热力学、力学规律和统计规律等，是互补的。 经典的动力学理论从时间的可逆性和现实世界的简单性原则出发，必然得出严格的决定论。这种决定论认为任何一个系统，只要知道了它的初始状态，就可以根据普通的动力学定律，推演出它随着时间变化所经历的一系列状态。拉普拉斯把这种决定论推广到整个宇宙，认为未来已经包含在过去的条件之中。一切都是给定了的，这实际上是一种宿命论。 概率，统计的概念和方法引人物理学使人们的思想发生巨大革命。普利高津认为，统计性和概率是客观物理世界的本质，它反映了客观存在着的随机性、偶然性，如起伏、涨落和突变，可逆性和机械决定论只适用于有限的简单的情况，而不可逆性和非决定论、随机性才是物质世界发展的规律。这方面的研究有力地丰富了哲学上关于规律的理论。 四、耗散结构理论的应用 耗散结构理论不仅促进自然科学、社会科学、数学理论以及哲学的发展，还能够应用在化学、生物、激光、核反应等方面，用来研究生态系统中的人口分布、环境保护、交通运输、城市发展、经济学等问题。 (一)应用的条件和方法 耗散结构理论的实际应用，需要具备一定的条件。主要有: 1、系统必须是开放的，即系统与环境不断进行物质和能量的交换，从而ds=des+dis有可能小于o。式中ds为总墒变;des为嫡流，可以是正的、负的或是o;dis为墒产生，大于o。 2系统必须保持远离平衡，在平衡区和近平衡的线性区可能出现新结构。 3耗散结构的有序是来自涨落的有序。系统随时以小涨落检查自己的稳定性。在平衡态时，所有涨落都是衰减的，但是在远离平衡区涨落有很大反常，从而使系统从一个状态跃迁到另一状态。 在耗散结构形成之前，涨落是系统自组织的契机，而在耗散结构形成之后，涨落就转化为破坏已形成的有序结构的因素，从而可以把己变得不稳定的系统推向新的有序结构中去。这就是系统进化过程。 耗散结构理论的基本方法，大体需要以下程序和步骤: 1确定问题，明确需要解决的对象，一般是远离平衡态的开放体系或不可逆过程。 z研究作为动态的耗散结构对象，确定系统的内墒和与外界交换的墒，嫡可以看做是系统无序程度的度量。 3建立耗散结构模型，计算或测定墒及与外界交换的墒值等。 4、根据系统的总墒值，确定系统有序程度，作出相应判断。 5根据判断、决策进行实施。 耗散结构理论己超出热力学范围，用于大量的非热力学系统，但是该理论只适用于缓慢变化的非平衡连续系统。因为主要是基于对非线性方程解的分支点的分析，进而研究系统的稳定性问题。怎样看待稳定和不稳定，在什么情况下失稳等，分支现象与这些讨论直接相关。虽然日前基本上处于宏观描述阶段，但也取得了一定程度的进展。建立和发展远离平衡区的理论方面，联邦德国哈肯学派、日本久得铃木学派都作出了重要贡献。 (二)在社会系统中的应用 社会系统的复杂性，传统的自然科学方法是无能为力的。一个社会系统内部各子系统之间不是简单的线性作用，而是相互影响、相互制约的非线性关系，社会科学研究不同于自然科学研究是在于有人的作用。 普利高津等人用随机过程的数学理论研究非平衡态的涨落，主张在功能、结构、涨落之间的相互作用，是理解社会结构及其进化的基础。一个社会系统总是要不断和外界交换物质、能量、信息，才可能得到进步和发展。耗散结构中的结构、功能、涨落是互相关联的方面，结构指时间或空间结构，即失稳引起的振荡或波;功能如化学和生物的活性;涨落是在结构和功能中引起的中间作用，触发失稳现象，或称为触发机和导火线。 一个封闭的系统，其内部的紊乱程度是不断增加的;一个开放的系统则恰恰相反。我们考察经济系统发现，封建所有制结构下的自然经济，并不是绝对没有商品交换，经济系统内部墒很大，协同力很差，不能获得负墒流，流通在其经济活动中不占重要位置。开放系统的资本主义经济，受世界市场刺激是主要因素，不可避免地要产生周期性的经济波动。一个发展的现代经济系统应该是一个非平衡的开放系统。从空间上看，产业与部门之间是不平衡的，从时间上看，发展速度是非均匀的，造成经济过程中的涨落现象。非平衡系统理论探讨经济开放系统相互联系和制约的规律，形成非平衡系统经济学。其任务是研究经济系统在外界条件影响下，在内部子系统间协同作用下出现稳定有序的功能、结构，使经济系统发生良性循环的条件、特点及其规律性，并为经济部门制定发展决策提供科学依据。但是，耗散结构的经济系统，必须是远离平衡的，经济系统的发展是一个不断形成新的耗散结构的过程。只有把系统控制在远离平衡态的临界状态，才有可能出现新的有序结构。由于经济系统的耗散结构模式是一个新的问题，耗散结构理论的创立，是建立在研究非生命系统基础上的，推广到社会系统，仍需作大量研究和探索。 普利高津用耗散结构理论初步讨论了生物和社会文化的进化。生物群体的变化可以描述为出生、死亡和其他物种相互作用的方程，这一生物进化方程和化学动力学方程有惊人的相似性。并指出，无论是蚂蚁、蜜蜂等昆虫群体内部分工的起源和调节问题，还是植物群落在不同纬度的分布问题，都可以用这些方法进行研究。他说:社会文化的进化固然有其自己非常特殊的特点，但自然科学和数学的最近发展指出，社会文化的进化是我们物理宇宙进化的许多方面之一，在这个物理宇宙中，非线性过程和非平衡条件对于自然组织起着很大作用。虽然，无论自然科学、社会科学、人文科学，也不论是宏观系统、中观系统和宇宙系统，甚至微观系统，只要它们是非平衡开放系统，在一定条件下都可以利用非平衡态自组织理论来探讨。著名科学家钱学森最近强调，上述理论只能用到简单的巨系统中，组成巨系统的子系统虽然数量上万上亿，但是种类比较简单。社会这样一个系统应该称为复杂的巨系统，它不是目前国际上的理论所能处理的。这个意见很重要，值得我们注意。第二节 协同学理论 协同学是耗散结构理论的发展，它迸一步指出系统自组织现象从无序到有序转变，关键在于系统内部，在于各子系统在一定条件下相互作用所造成的协同现象。这一章将介绍协同学的典型例子激光，阐述序参量、支配原理、协同作用，以及协同效应的例证、协同学的理论启示等问题。 一、协同学及其典型例子激光 (一)协同学的含义 协同学是联邦德国物理学家H哈肯在20世纪60年代创建的一门关于系统自组织运动的新学科。协同学 (Synergetim)是从希腊文引人的一个词，又译作协合学，其含义是 一门关于共同协作或合作的科学。协同学的研究对象是一类由许多子系统构成的复杂系统。系统的性质可以截然不同，可能是由电子、原子、分子、细胞、神经元、器官、动物或者人等不同的子系统所组成。协同学探求这些子系统是如何协作而形成宏观尺度上的空间结构、时间结构或功能结构，特别研究这种有序结构是如何通过自组织的方式而形成的。1969年哈肯开始在课堂上、刊物中公开宣传他的协同学思想，大胆地提出:在不同的领域和现象中存在着一个共同的基本原理，即在截然不同的系统中都存在着同样类型的某种特定参量(序参量)的方程起支配、控制的作用。1970年起，哈肯等人一方面致力于发展协同学的数学基础，建立具有普遍意义的支配原理的数学理论，另一方面开始将它推广应用。1977年，哈肯将1975年发表的一篇论文 远离热动平衡系统中的和非物理系统中的合作现象加以扩充改写，以协同学为书名出版，这标志着协同学的正式建立。目前的协同学的定义，指的是系统的各个部分之间的互相协作，其结果使整个系统产生出一些在微观个体层次中并不存在的新的结构和特征。协同学所要回答的主要问题是:能否找到某种能够支配存在于各类系统中的自组织现象的一般原理，这种一般原理与系统组成部分的性质无关。在寻找这种基本原理的过程中，激光器曾经提供很多启示。因此，透过激光形成的过程，将能看到一个子系统协同作用的完整过程，一个自组织系统从无序向有序演化的基本模式。研究激光是了解协同学基本思想的一个窗口。 (二)普通光与激光 普通光与激光在性质上有很大差别。 普通光是由各种频率的光复合起来的复色光，不具相干性，方向性也很差。而激光是单一频率的光，单色性好，方向性强，具有相干性。这种差别是怎样产生的呢?我们知道，光是由光源中原子或分子的运动状态发生变化时辐射出来的。每个原子或分子每一次发出的光波只有短短的一列，持续时间大约18一8秒，每个波列的长度只有1米的数量级。人眼感觉到的光波是大量原子或分子发光的总结果。对于普通光源来说，由于各个原子或分子的激发和辐射参差不齐，因此，一列列光波的发射都是偶然的，彼此之间没有联系。又由于在同一时刻，各个分子或原子所发出的光波的频率、振动方向和位相各不相同。所以，累加的总效果是一条杂乱无章的光波串。 在激光器中，如果输人的能量较小，发出的光则与普通光无异，换句话说，此时激光器形成的光场也是杂乱无章的。而当输人的能量增加到某一临界值时，各个原子或分子的发光行为突然发生了明显改变:所有的原子或分子都以一种统一规则的方式发光，光波的频率、波长、相位保持一致，累加的总效果是一条规整的正弦波，发光效率明显提高，光强度骤然上升，激光器发出的光变成激光。 显而易见，普通光与激光的本质差别在于:普通光的发射中，各原子或分子处于一种无组织发射状态，发出的光完全是混乱无序的;而在激光发射中，原子或分子能够以某种方式组织起来，形成一种有序状态，发出的光具有严格的规律性。哈肯曾用如下的比喻生动地说明这两类光的不同:把光源中的每一个原子想象成一个个站在水槽里、正准备将手中的棍棒扔到水中的小人。水表示光场，平静的水面对应着没有光场状态，一片漆黑。如果小人将棍棒扔入水中，水的表面就会产生波动，相当于光场产生。不同的水波反映着不同的光场性质。对应于普通光的情形，不同的小人彼此互不联系，独立地、随意地将手中的棍棒扔到水中，形成杂乱无章的水波。而对应于激光的情形却是，这些小人好像在服从一个统一的号令，协同一致地将棍棒扔人水中，结果形成了一个优美的相干水波。 值得注意的是，在激光器中并不存在一个能够对原子发号施令的东西，而是原子自己相互配合形成相干运动的。因此，这是一个典型的自组织例子。那么，也许我们会与哈肯一样提出这样的疑问:是什么精灵告诉子系统，(即原子)使它们以很有组织的方式行动?或者用更科学的语言说，用什么机制和原理能够解释原子的自组织现象? (三)激光中的自组织 一个典型的激光器是由一根晶棒或充满气体的玻璃管构成的。以气体激光器为例:这是一个两端镶有镜子的充气管，其中的一面是半透光的。管中的气体是易于受到外界能量激发的稀有原子 (如氖等)气体，激励能源是电源。当电源的输入功率达到一定阂值时，激光就从半透光的镜子射出。 激光器中的两个平行镜面构成了一个光学谐振腔，它的作用是:一方面，延长沿管轴传播的光在管中逗留的时间，以便提供一种机会，让此光波能够迫使一个受激电子与它以相同的节奏一起振荡，直至此电子将全部能量传给自己。另一方面，确立一种限制，为激光原子以及由此产生的光波创造特定的环境。因为，在一对相互平行的镜子之间只有一些特定波长的光才能传播。光学谐振腔的设置意味着只有这些具有特定波长的与管铀平行的光波才能成为激光光波。在激光器开始发射激光之前，就己经有各种各样的光波存在了，它们是由那些反应灵敏、动作迅速的电子枪先发射出来的，其中包括符合上述两个条件的光波。这些光波都有权力要求其他受激电子来使自己得到增加，相互之间展开了激烈竞争。不过，那些尚末发射光波的电子也不是纯粹被动的，它们拥有着选择权。对那些节奏上最符合电子振荡节拍的光波，往往略施优惠，先给予能量。虽然这些特殊的光波常常只是领先了半步，但它们却迅速得到加强，势如雪崩，最终战胜了所有其他的竞争者。这种波一旦确立了优势，便会迫使每个新受激的电子把能量都只传给作同样振荡的波，所有的光波将以同一种波长、同一种频率、同一种相位出现。因此，正是从竞争中脱颖而出的这种特殊光波，决定着激光的秩序，支配着激光的自组织过程。 上面所说的只是激光自组织过程的一种形式，即通过控制外界输人能量，如增加电流强度来激活光电子，使激光产生。在这种过程中，存在着一个电流临界强度，在此临界值附近，只要稍稍加强电流强度，就会使激光的有序态发生急剧变化，宏观上突然出现从普通光到激光的转变。除此过程之外，我们还可看到激光的另一种形式的自组织过程:便每一激光原子的发射强度相同，但使其数目不断增加。在激光原子数目达到某一临界值时，激光也会突然出现。这表明了自组织过程可以通过不同形式出现。 激光器是一种处于自然系统和人造系统边缘上的系统，激光不仅出现在人造激光器中，也出现在星际空间中。激光又犹如非生命与生命自然界之间的一座桥梁，它像所有的生物系统那样，在增加能量输人的时候通过自组织保持着有序态。因此，激光的自组织过程很有代表性。所以，在介绍协同学的基本概念和基本原理时，总把激光作为一个典型例子。 二、序参量与支配原理 (一)序参量 协同学所要寻找的是一种统一的基本法则，以便据此了解复杂系统的自组织过程。但它所面对的却往往是由众多子系统组成的复杂系统，对认识的主体来说这些复杂系统包含着众多的或白或灰或 黑的信息内容。因此，怎样才能描述这类系统的行为，成为协同学所要解决的问题。如果要对每个子系统、子系统之间的每种作用，子系统与外界的各种联系，以及系统整体的状况都做出详尽的描述，就需要无限多个状态参量，列出数目惊人的方程，但实际情况并不允许这样去做，而且，即便能够收集所有参量，得到所有数据，也未必能帮助我们进行判断，反而有可能陷入“只见树木，不见森林的境地。 那么，在描述复杂系统的结构过程方面，我们难道真的无能为力了吗?为了能够有效地描述系统的状态和结构，研究系统演化进程中的共同特征及普遍法则，哈首选择了支配系统行为的序 参量这个概念来描述复杂系统的自组织行为，复杂系统中的整个 联系的有关信息将由序参量向我们提供。 序参量是描述系统宏观有序度或宏观模式的参量。对于一个系统，我们不必考虑它的微观子系统的所有参量，以及所有子系统的存在、作用及具体的运动方式，而只要选择一个或几个能够有效地描述系统宏观秩序的序参量，就能够知道它的整体运动方式，能够描述它的宏观有序状态及其变化模式。形象地解说:一个复杂系统好比一本包罗万象的巨著，为了真正理解全书，完全、准确地掌握其内涵，最好的办法当然是能够从头到尾细致认真地读上几遍。如果没有足够的时间和精力，显然还可以采用其他方法，如阅读书的内容提要，这个内容提要所起的作用就类似于序参量。同样地，一个复杂系统的宏观状态也可以仅用一个或几个序参量来描述。我们可以忽略不重要的细枝末节，把注意力集中在掌握总的来龙去脉上，只收集与我们目的有关的那些信息。在复杂系统中，整个联系的有关信息将由序参量提供，这样便可以降低系统的复杂性，使我们能把视线集中在系统的主要关系上。哈肯曾举过一个例子来帮助理解序参量概念。有一条两端固定的弦，是由许许多多的分子相互联结在一起而组成的。要考察这个系统的运动状态，我们有两种方法。一是运用分析的方法，描述这根弦上各个质点的运动情况。此时，我们能够得到每一瞬间各个质点的运动状态，却无法搞清这条弦的整体运动方式，即我们用这种方法只能描述各个质点本身在不同时间上的纯粹的振动情况。另一种方法是，从总体上去把握这条弦的运动，这时弦上所有质点的振动在同一瞬间呈现一条连续的曲线，曲线的运动就构成了弦的运动，它是一种正弦波。比较这两种方法，我们可以看出，只有第二种方法才真正描述了弦这个系统在宏观上的有序行为。因此，我们应用弦的集体作用方式去描述弦的宏观有序行为时，需要采用一种不同于微观描述的全新的综合性描述方式。这时，我们不必注意每个质点的时间、空间坐标，不必知道每个质点的速度、质量、能量，不必考虑每个质点随时间的变化情况，只要用波长和振幅等参量就足以表征弦的整体运动，这些参量就是弦这个系统运动的序参量。由此可见，引人微观参量为了考察系统的组成要素及其行为，这是从分析原则出发的;而序参量则是为了描述系统整体上的有序性或系统的宏观模式而引入的。但序参量并不只是用来反映系统宏观秩序的，同时还可以通过它了解各税子系统的行为或运动状态。在弦这个例子中，波长和振幅这两个序参量不仅表征了弦的整体运动，而且间接表征了各个质点的振动情况，可以从波动方程导出单个质点的振动方程。 在激光的例子中。当激光器的输入功率达到阂值后，它便发射出以正弦波形式存在和运动的激光。光波的概念能够反映光的这种特殊运行模式，光波振幅和波长能够描述激光的强度和颜色。因此，我们可以选择光波振幅或光场强度作为描述激光系统宏观有序性的序参量。这样，我们不必去考察所有光波列和所有原子的状态和行为，只要知道光波和光场强度的变化情况，就可推出激光系统的有序化程度，了解光波列的协调运行状态。 序参量是协同学中极为重要的概念。从序参量的规定性来看，复杂系统是简单的，这是自然界中普遍存在的法则。一方面，自组织系统的产生和发展是一个从无序到有序的变化过程，抓住了序参量也就把握了系统演化的本质;另一方面，序参量像一只无形的手在驱动子系统，抓住了序参量也就找到了认识难以直接观察的微观层次子系统行为的钥匙。 (二)支配原理 协同学中的所谓支配原理就是快变量受慢变量支配，慢变量在系统中起主要作用的原理。慢变量和快变量这两个概念与序参量、非序参量的区别，从本质上来讲，慢变量与序参量，快变量与非序参量是等价的，它们是对同一间题分别从两个不同角度上作出的异曲同工的说明。快、慢是以作用时间的长短来衡量的，而序、非序是用保持系统有序的程度来衡量的。这一点，从下面的慢变量和快变量在系统中的具体作用过程就可明显看出。 在一个远离平衡态的开放系统中，当外界作用达到某个临界值时，其状态和结构就会失稳。系统中的各种子系统及其参量的地位、作用、寿命等都会发生激烈的动荡，其特征是系统中的所有参量依照变化的快慢分成了性质不同的两组。一组是长寿命的子系统和慢变量，它们随时间的变化很慢，阻尼很小，阻尼系数趋于零，因而达到稳定态的固有驰豫时间很长甚至趋于无穷;一组是短寿命的子系统和快变量，它们随时间迅速变化，阻尼很大，因而固有驰豫时间很短。由于慢变量并不按指数衰减而趋于一个稳定态，相反在临界点处迅速增长，加剧系统的不稳定，因此又被称为不稳定变量。快变量能够迅速地按指数衰减达到某种稳定状态，所以又被称为稳定变量。显然，在系统自组织过程中，不稳定变量 慢变量具有特别重要的意义，它们能够使系统偏离原来的稳定状态，并引导其逐步进入新的状态，形成新的结构。而稳定变量 快变量则对系统的演化不具意义，它们只能使系统维持原有状态，保持原有结构不变。支配原理正是通过严格的数学证明，描述了这两类变量在自组织形成过程中各自的地位和作用，以及相互之间的关系。用日常语言来表述支配原理的含义，就是:在系统达到临界点时，慢变量与快变量的地位、作用大不相同，慢变量决定和控制着快变量，快变量受慢变量的支配和役使，从而导致新的结构和新的模式的产生。这也表明慢变量决定整个系统的秩序和有序度的变化，决定系统的最终结构，它的大小或幅度就是前面所说的序参量。在一个复杂系统中，慢变量和快变量的判别，或者说序参量的确立，可以通过运用绝热近似技术来进行。这是一种实用的数学物理方法，能够将原来描述系统的极其复杂的方程简化成相对简单的方程，即序参量演化方程。此方程消去了所有的快变量，只包含少数几个慢变量，从而将序参量从众多的参量中选择出来。同时，此方程又用精确的数学语言表明了慢变量是如何支配控制快变量的。 支配原理在协同学中起着核心作用。支配原理表明，在性质截然不同的自组织系统中，从无序中产生有序，或从一种秩序逐渐转到另一秩序时，有一种普遍的规律起着作用。不论是由原子、分子、细胞、器官组成的系统，还是由人组成的社会系统，其结构的形成都是大量子系统相互协同的结果，子系统之间的协同作用受相同的原理支配。 三、协同作用协同学认为，子系统之间的协同作用导致了系统的自组织。这种协同作用具有两方面的含义:一是序参量与其他参量之间的合作关系或联合作用;再是序参量之间的合作关系或联合作用。当我们考察第一种含义的协同作用时，首先看到的是序参量支配着其他参量，然而当我们的目光向前追溯到序参量的形成时，却发现序参量与参量之间互因对方而存在，既对立，又统一。一方面，各个子系统被序参量驱动、控制，彼此协同作用;另一方面，又正是这些子系统通过其协同作用，反过来创造了序参量，序参量与参量之间形成一个封闭的循环。在激光中，虽然最终是序参量 (光波)使各个电子以完全相同的节奏一起振荡，决定着激光的秩