老三论新三论.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date老三论新三论老三论新三论“老三论”、“新三论”理论概述 系统论、控制论和信息论是本世纪四十年代先后创立并获得迅猛发展的三门系统理论的分支学科。虽然它们仅有半个世纪，但在系统科学领域中已是资深望重的元老，合称“老三论”。人们摘取了这三论的英文名字的第一个字母，把它们称之为SCI论。耗散结构论、协同论、突变论是本世纪七十年代以来陆续确立并获得极快进展的三门系统理论的分支学

2、科。它们虽然时间不长，却已是系统科学领域中年少有为的成员，故合称“新三论”，也称为DSC论。 “老三论”、“新三论”理论概述 1、系统论、控制论和信息论 系统论的创始人是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究，并用数学模型去描述和确定系统的结构和行为。所谓系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体;而系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。贝塔朗菲旗帜鲜明地提出了系统观点、动态观点和等级观点。指出复杂事物功能远大于某组成因果链中各环节的简单总和，认为一切生命都处于积极运动状态，有机体作为一个系统能够保持动态稳定是系统向环境充分

3、开放，获得物质、信息、能量交换的结果。系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有目的性、动态性、有序性三大基本特征。 控制论是著名美国数学家维纳（Wiener N）同他的合作者自觉地适应近代科学技术中不同门类相互渗透与相互融合的发展趋势而创始的。它摆脱了牛顿经典力学和拉普拉斯机械决定论的束缚，使用新的统计理论研究系统运动状态、行为方式和变化趋势的各种可能性。控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋势，控制系统的稳定，揭示不同系统的共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。 信息论是由美国数学家香农创立的，它是用概率论和数理统计方法，

4、从量的方面来研究系统的信息如何获取、加工、处理、传输和控制的一门科学。信息就是指消息中所包含的新内容与新知识，是用来减少和消除人们对于事物认识的不确定性。信息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础。狭义信息论是研究在通讯系统中普遍存在着的信息传递的共同规律、以及如何提高各信息传输系统的有效性和可靠性的一门通讯理论。广义信息论被理解为使运用狭义信息论的观点来研究一切问题的理论。信息论认为，系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的。信息论能够揭示人类认识活动产生飞跃的实质，有助于探索与研究人们的思维规律和推动与进化人们的思维活动。 2、耗散结构论、协同论和突变论 耗散结构理论

5、是比利时物理学家普利高津于1969年提出来的。一般说来，开放系统有三种可能的存在方式:(l)热力学平衡态;(2)近平衡态;(3)远离平衡态。耗散结构论者认为，系统只有在远离平衡的条件下。才有可能向着有秩序、有组织、多功能的方向进化，这就是普利高津提出的“非平衡是有序之源”的著名论断。在长期的研究工作中普利高津发现，当一个远离平衡态的开放系统，由于许多复杂因素的影响而出现非对称的涨落现象，当达到非线性区时，在不断与外界进行物质和能量交换的条件下，系统将可能发生突变，由原来的无序混沌状态自发地转变为一种在时空或功能上的有序结构。事物的这种在非平衡状态下新的稳定有序结构就称为耗散结构。而耗散结构论则

6、是探索耗散结构微观机制的关于非平衡系统行为的理论。系统论所要寻求的也就是这种具有有序性的稳定结构，从这个意义上说，耗散结构论与系统有异曲同工之妙。 协同论是20世纪 70年代联邦德国著名理论物理学家赫尔曼哈肯在1973年创立的。 他科学地认为自然界是由许多系统组织起来的统一体，这许多系统就称为小系统，这个统一体就是大系统。在某个大系统中的许多小系统既相互作用，又相互制约，它们的平衡结构，而且由旧的结构转变为新的结构，则有一定的规律，研究本规律的科学就是协同论。协同学理论是处理复杂系统的一种策略。协同学的目的是建立一种用统一的观点去处理复杂系统的概念和方法。协同论的重要贡献在于通过大量的类比和严

7、谨的分析，论证了各种自然系统和社会系统从无序到有序的演化，都是组成系统的各元素之间相互影响又协调一致的结果。它的重要价值在于既为一个学科的成果推广到另一个学科提供了理论依据，也为人们从已知领域进入未知领域提供了有效手段。 突变理论是比利时科学家托姆在1972年创立的。其研究重点是在拓扑学、奇点理论和稳定性数学理论基础之上，通过描述系统在临界点的状态，来研究自然多种形态、结构和社会经济活动的非连续性突然变化现象，并通过耗散结构论、协同论与系统论联系起来，并对系统论的发展产生推动作用.。突变理论通过探讨客观世界中不同层次上各类系统普遍存在着的突变式质变过程，揭示出系统突变式质变的一般方式，说明了突

8、变在系统自组织演化过程中的普遍意义；它突破了牛顿单质点的简单性思维，揭示出物质世界客观的复杂性。突变理论中所蕴含着的科学哲学思想，主要包含以下几方面的内容:内部因素与外部相关因素的辩证统一；渐变与突变的辩证关系；确定性与随机性的内在联系；质量互变规律的深化发展。 通过下面的文章可以很清楚的看到新三论和老三论的特点。 自贝塔朗菲提出一般系统论之后，出现了形而上学领域广泛探讨系统哲学的局面。现在比较流行的是由欧文拉兹洛先生的系统哲学。系统哲学的世界观为我们描绘了这样一个图景：从宇宙基本构件到可经验的有形自然实体，从有形自然实体到有机生物、人，再从人到大尺度的宇宙星体，一切存在都是相互联系的，但是万

9、物的相互作用不是无序的一团乱麻，而是有组织、有条理的，它们都具有同一或者说不变的构型，这种构型叫做系统，在我们存在的光锥内，这些系统从最基本的能量波产生出来，在相互作用的过程中形成纽结、超纽结，在各种由相互作用构成的条件中，纽结逐步演化出一个我们现在所看到的一个透明的、具有高度有序性的系统世界。在每个等级上，系统都是其下层组分的整体，同时又是上层系统的参加者。在系统等级体系内，每一个等级结构都是协调其下层组分在整体意义上发挥由上层系统决定其配定位置的效能的分界面。由系统为基本构型的存在具有不可还原性，任何一个系统如果拆成其组分后都不可能具有作为整体上存在的系统的特性和功能，这就是整体大于部分之

10、和。在由系统构成的世界中，只有一个方向，那就是从最基本的能量流向日趋复杂化的系统构型发展。这就是说系统的世界具有单一的时间之矢。系统一旦成形，它具有自我稳定特性，这种特性能够使它成为能在各种扰动环境中能够抵抗熵的宇宙的构件（构件的意义就是自稳定），任何一个系统解体都不会完全瓦解到宇宙史开端，同时任何一个系统解体而贡献出来的宇宙要素都能够在现在这个有序的世界中找到一个合乎现有秩序的容身之地。 耗散结构理论、协同学都是研究系统演化的理论，都是试图找到一个能对系统结构的自发形成起支配作用的原理。它们从二个不同的方面，互相补充地说明了系统的演化原理。耗散结构理论是物理化学家普利高津创立的，它对远离平衡

11、态的系统演化提出方案。该理论认为，一个远离平衡态的开放系统，不断地与环境交换物质和能量，一旦系统的某个参量达到一定的阈值，通过涨落，系统就可以产生转变，由原来混沌无序的混乱状态转变为一种在时间、空间或功能上的有序状态。他把这种在远离平衡情况下所形成的新的有序结构命名为“耗散结构”。一个系统由混沌向有序转化形成耗散结构，至少需要4个条件：必须是开放系统；必须远离平衡态；系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用；涨落导致有序。 协同学是物理学家哈肯创立的，形成于70年代初。它对非远离平衡态系统实现的系统演化提出了方案。哈肯在研究中发现有序结构的出现不一定要远离平衡，系统内部要素之间协同动作也能够

12、导致系统演化（内因对于系统演化的价值和途径）。他认识到熵概念的局限性，提出了序参量的概念。序参量是系统通过各要素的协同作用而形成，同时它又支配着各个子系统的行为。序参量是系统从无序到有序变化发展的主导因素，它决定着系统的自组织行为。当系统处于混乱的状态时，其序参量为零；当系统开始出现有序时，序参量为非零值，并且随着外界条件的改善和系统有序程度的提高而逐渐增大，当接近临界点时，序参量急剧增大，最终在临界域突变到最大值，导致系统不稳定而发生突变。序参量的突变意味着宏观新结构出现。 突变论吸收了系统结构稳定性理论、拓扑学和奇点理论的思想，发展出一套研究不连续现象的数学方法。突变论认为，系统的相变，即

13、由一种稳定态演化到另一种不同质的稳定态，可以通过非连续的突变，也可以通过连续的渐变来实现，相变的方式依赖于相变条件。如果相变的中间过渡态是不稳定态，相变过程就是突变；如果中间过渡态是稳定态，相变过程就是渐变。原则上可以通过控制条件的变化控制系统的相变方式.协同学（1） 哈肯传记作者：中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智说明：文章来源：世界科技英才录科学方法卷，作者：陈敬全，文章题目：从“普遍现象”中找到共同原理的协同学创始人哈肯哈肯（Hermann Haken，1927），德国理论物理学家，协同学的创始人。1951年在德国爱尔朗根大学获得数学博士学位，1956年成为该

14、校理论物理学讲师。 1959年和1960年间在美国康奈尔大学做访问学者，后到贝尔电话实验室任顾问，参与激光器的试制工作。自1960年起一直担任德国斯图加特大学理论物理学教授，1967年起成为霍思海姆大学的荣誉教授。他还担任美国、英国、法国、日本等多种研究机构的客座教授。哈肯在群论、固态物理学、激光物理学、非线性光学、统计物理学、化学反应模型以及形态形成理论等方面均有杰出贡献。他是新兴的横断学科协同学的创始人，哈肯的名字始终与协同学联系在一起。1976年，英国物理研究院和德意志物理研究学会授予他马克思玻恩奖金和奖章。1981年美国富兰克林研究院授予他米切尔森奖章。1984年又被授予德国功勋科学家

15、称号。主要著作有激光理论、协同学导论、高等协同学、信息与自组织等。一 激光器与普通光源迥然不同的新光源1960年，一种奇妙的新光源激光器问世。它所产生的光具有普通光源所不具有的性质，如亮度高，方向性、单色性和相干性都好等特点，引起了人们的广泛注意。激光为什么会与普通灯光有如此大的区别？它产生的机理是什么？这些问题亟待从理论上加以解决。尽管美国物理学家汤斯和肖洛早在1958年就已经提出了关于激光器的基本原理，但他们认为其原理与微波放大器的原理一样，只不过是微波放大器推广到光波段而已，况且他们在当时对于激光器的构造还没有太多的了解。激光器发明出来以后，许多物理学家都致力于激光内在过程的研究。年轻的

16、德国物理学家哈肯也不甘落后。 1960年，他在美国贝尔电话公司任顾问，当时公司里的研究人员正在积极研制这种新光源，这自然也引起了哈肯的浓厚兴趣。1962年，他提出了一种可以解释激光许多特征的理论。然而美中不足的是，它不能解释普通灯光所具有的性质，亦即比激光要简单得多的普通灯光并不能包含在这个理论之中。哈肯对此作了深入的思考。他发现，尽管激光与普通灯光都源于原子发射光波的过程，然而却有着本质的不同。在普通光源里，所有的原子发光过程是杂乱无章的，形成频带很宽的光场，然而激光器产生的却是频带很窄的光场。以哈肯的话来说，前者仅仅产生“噪声”，而后者的产生物犹如“小提琴发出的单音”。哈肯满怀信心地认为，

17、以前所发表的种种理论并不能解释激光的原理，这些理论一般都把激光解释为一种放大效应。它们以为原子发射光波，当一些原子发射出来的光波打在另一些原子上时，这些光波就被加强，被放大，因此激光器仅仅起了一种放大器的作用。当某种信号被产生之后，激光器就放大这种信号。而他自己则预言激光光场不是一种放大器，它与现存任何一种普通光源都迥然不同。哈肯的理论遭到了一些专家们的反对，但不久实验物理学家却以实验事实证实了这一理论，对此哈肯深有感触：“我从这次经历中长了一智：如你相信自己的理论是正确的，就不要为专家们所左右，坚持下去，找到支持你的理论的种种依据，这也是我一生中学到的重要一课。从那时起，我再也不迷信任何权威

18、即便他们有极高的威望。相信你自己！这是我从中得到的重要经验。”二 普遍现象有序与无序的相互转化那么普通灯光是怎样过渡到激光的？哈肯深入研究后指出，激光之所以与普通灯光不同，很重要的是，在激光器里大量原子发光过程从无序变为有序。也就是说，在激光产生过程中，原子是“自己组织起来行动的”，正是通过这种自组织作用导致了有序状态的形成。这种从无序到有序的过渡，使哈肯联想到了热力学中的相变，因为相变也会明显地出现从无序到有序的转变或者相反的过程。例如水有三态气态、液态与固态，每一态即为一“相”。不同态之间的转变即为“相变”。液态的水变为水蒸气，水分子狂奔乱窜，相互碰撞，变得更无序；液态的水结成冰，分子都

19、严格安排在周期“晶格”之中，变得非常有序。即便在晶体里，也会发生相变，使晶体突然改变其性能。例如，磁铁加热到一定的温度会突然失去磁性，这是由于组成磁铁的众多“元磁体”之排列从有序到无序所引起的；失去磁性的磁铁放入到磁场中，当磁化强度达到某一数值，它又被磁化，“元磁体”之排列又从无序到有序。金属在低温下出现超导现象，也是内部存在十分特殊的有序状态引起的。金属中的电子每次成对地通过晶体，这些“电子对”按严格规定的动态连接在一起，从而抗拒原子的电阻作用。哈肯意识到，从灯光到激光的转变与热力学相变之间“存在极其优美的相似性”。哈肯想得更远，他发现激光形成过程中具有的竞争机制与达尔文主义之间极为相似。生

20、物界的达尔文主义认为淘汰和突变决定了新物种的起源。既然达尔文主义是生物界，或者说是生命世界中的一条普遍适用原理，为什么它不能同时也适用无生命世界，诸如激光、流体和其他系统呢？此外，相变是热力学平衡系统中的普遍现象，为什么不能同时也是存在远离平衡系统，包括生命系统中的一个普遍现象呢？这种关于“普遍现象”的观点，促使哈肯萌生了开拓一个新的研究领域的想法。60年代末、70年代初其他领域的一系列新发现有力地支持了哈肯的想法。这些新发现包括普里戈金的耗散结构论、托姆的突变论以及艾根的超循环论。尤其是艾根的学说，对哈肯的启发更大。哈肯自己是这样说的：“大约在1969年，艾根发表了许多谈话，对他的生物分子理

21、论进行了阐述。出乎意料的是，他应用的方程与我们对激光所建立的方程极其相似。也就是说，我们现在有两门截然不同的学科：一方面是分子或生物分子的生物进化，另一方面是激光。然而这两个截然不同的领域却由同样类型的方程所支配！当时我认为：这不可能是出于巧合，在这些问题的背后可能有更基本的原理在起作用。因此我开始考虑更多的其他系统，并阅读一些文献。结果我发现了越来越多的例子，比如来自流体力学的例子，来自生物学的例子（如某种特定式样的蘑菇的生长）等等。”哈肯决心要把躲藏在普遍现象背后的共同原理找出来。三 协同学一门关于协作的新兴学科哈肯发现，可以用某个特定的量，即序参量来刻画普遍的现象。序参量是相变理论中描述

22、一个系统宏观有序程度的参量，序参量的变化可以反映系统从无序向有序的转变。序参量的变化，遵循概率分布随时间变化的所谓“主方程”，其意义是用确定的方程来描写随机的、不确定的过程。在不同条件下，求解序参量遵循的主方程，原则上可以描述从无序到有序的形成过程及其形成的结构。哈肯在描写临界现象时采用了突变理论来判断序参量方程的类型，描述有序结构形成的质变过程。然而一个系统里的变量成千上万，怎样选择一个或几个序参量描述系统在临界点处有序度的变化呢？哈肯发现，不同参数在临界点处的行为是不同的，绝大多数参数在临界点附近阻尼大，衰减快，对转变的进程没有明显的影响；有一个或几个参数则出现临界无阻尼现象，它不仅不衰减

23、而且始终左右着演化的进程。哈肯把前者称为快变量，将后者称为慢变量。慢变量主宰系统演化的进程，决定演化结果出现的结构和功能，它就是表示系统有序度的序参量。比如在由激活原子和光场构成的激光系统中，序参量是电场强度；在铁磁体的磁化过程中，序参量是磁化强度；在化学反应中序参量往往代表粒子数或浓度。哈肯继而提出了“支配原理”，即快变量服从慢变量，序参量由子系统协同作用产生，序参量又支配着子系统的行为。哈肯采用了统计物理学中的绝热消去法，得到只含有一个或几个参数的序参量方程，使方程中消去大量的快弛豫变量。这样，方程求解就大为简化。哈肯实际上得到了具有普遍意义的支配原理的数学理论。哈肯和他的同事们把他们得到

24、的理论应用到不同的领域，不仅得到了一些原已得到的结论，同时也发现了一些全新的结果。例如对于流体力学中著名的贝尔纳对流现象，他们能给出比较完满的解释。所谓的贝尔纳对流现象，是指从底部加热有一定厚度的液体。在加热的不同过程中，液体对流会产生不同的花纹。按哈肯的理论，这正是系统从无序到有序，从一种有序到另一种有序的典型事例。底部受热的有一定厚度的液体，是一个较为特殊的系统，它在临界点附近同时有几个序参量，每个序参量对应一种宏观结构。哈肯指出，对于这样的系统，其演变的进程取决于几个序参量之间协作与竞争的状况。如果它们的衰减常数相近，处于势均力敌的状态，彼此采取妥协的办法，协同一致来共同形成系统的有序结

25、构。然而统一是暂时的，随外界控制参量的继续变化，序参量之间的竞争日趋激烈，当控制参量变化达到某一新的阈值时，必有某一序参量取胜，此时由它单独主宰系统。给一定厚度的液体加热，当自下而上的温度梯度较小时，主要靠热传导传输能量，系统处于混乱无序状态。当温度梯度加到某一阈值时，液体靠对流来传递热量，系统进入有序状态。此时形成3个序参量，每一序参量支配一个平面波的辐度，3个序参量势均力敌，出现暂时协作。系统的结构便由3个平面波叠加而成，形成六角形的蜂窝状结构。当温度梯度继续增加达到另一新的阈值时，3个序参量出现新的竞争，最终形成只有一个阻尼系数小的序参量单独主宰系统的局面，这时六角形花纹就变成了卷筒状的

26、结构。哈肯以其深邃的洞察力预示到一门新的横断学科即将诞生，1969年他在斯图加特大学的教学中宣布协同学一门关于协作的新兴学科的诞生。1972年，哈肯组织了国际性的协同学会议，世界各地的许多专家应邀参加了会议，与会者们对于在不同领域的众多现象中存在共同的基本原理、截然不同的系统由同样类型的序参量方程所支配达成了共识，这说明协同学已经得到了国际上的公认。哈肯把协同学定义为一门关于“各类系统的各部分之间互相协作，结果整个系统形成一些微观个体层次不存在的新结构和特征”的学问。2005-8-2 15:39 杨鸿智 四 协同学不同学科、不同方法的协作和碰撞哈肯领导的德国斯图加特大学理论物理研究所是目前世界

27、上非平衡系统组织理论的研究中心，该研究所汇集了来自许多国家不同学科的著名学者。以他为首的哈肯学派在德国著名的斯普林格出版社出版了几十本关于协同学的系列丛书，其中有哈肯撰写的协同学导论（1977），该书讨论了物理学、化学和生物学中的非平衡相变和自组织，构建了协同学的理论框架。 1983年哈肯又写成高等协同学一书，总结了自1977年以来协同学在理论和应用方面的新进展，标志着这门新兴学科的日臻成熟和完善。80年代以来，哈肯致力于研究引入信息论之后的协同学宏观方法，协同学的研究重点也发生了转移，一个是研究混沌现象，探究自然界中有序与混沌之间的转化；另一个重点则是从宏观尺度向微观水平的转移，研究微观的、

28、分子水平的变化与宏观的表现型水平的变化之间的关联。协同学架设了从无生命体到有生命的自然界之间的桥梁，不仅为人类研究自然现象，而且为人类研究生命起源、生物进化、人体功能，乃至社会经济文化变革这样的复杂性事物的演化发展规律提供了新的原则和方法。如今，从激光束中有序的排列，到化学钟的振荡，乃至动物细胞模式的构造、企业中经济事态的发展、社会公众舆论的形成等等，都可以用协同学加以研究。协同学正广泛应用于各种不同系统的自组织现象的建模、分析乃至预测和决策过程之中。哈肯在将近10年的时间里建立起一门具有广阔发展前景的新学科，除了他有厚实的理论功底之外，还得益于科学的研究方法。哈肯很推崇类比方法，他从激光的形

29、成、热力学相变、流体力学中对流过程以及其他类似的现象中找出了共同的原理。他说：“类比的好处是显而易见的，一旦一个领域中解决了一个问题，它的结果就可以推广到另一个领域，一个系统可以作为另一个不同系统的模拟计算机。”哈肯还采取了所谓的“中观”方法，所谓中观，即从宏观上看足够小，从微观上看又足够大的层次或单元。他在高等协同学里指出：“在协同学中，我们可以在不同层次上使用系统这一概念。在微观层次上，我们考虑单个原子；但对流体力学来说，我们要考虑中观的层次，这时可以用统计力学的方法来加以处理，使我们能引入温度、浓度等概念。在宏观的层次上，我们将考虑整个流体。”哈肯用“中观”方法把宏观和微观结合起来，是他

30、又一成功之处。他不无得意地说：“这种中观的方法在其他领域也很有用，如在生物学中，我们可以考虑单个细胞，由之可构成组织。在宏观的尺度上，这个组织就称器官。”综合不同学科的知识，注意与不同研究领域的学者通力协作，博采各家之长，使不同的学科思想发生碰撞，产生新的科学思想，是哈肯开展科学研究工作的指导思想，也是他的工作方法。他认为协同学具有双重含义，除了学科含义外，“协同学还意味着完全不同学科之间的协作、碰撞，进而产生新的科学思想和概念。从这个意义上说，也许存在着某种 相变，使得我们能共同形成一个对世界更为深刻的理解。”耗散结构理论在近代自然科学史上，矗立着三块举世瞩目的丰碑：与科学巨人牛顿的名字联系

31、在一起的经典力学；与现代物理学的奠基人爱因斯坦的名宇联系在一起的相对论；与玻尔、海森堡等人的名字联系在一起的量子力学。几十年来，全世界的科学家们在仰望科学的顶峰的同时都在企盼着另一块超越巨人的丰碑矗起公元年，当被科学界誉为现代热力学的奠基人、比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里高津，以其创立的耗散结构理论把当年的诺贝尔化学奖的桂冠举过头顶的时候，这一伟大的时刻终于到来了。人们清楚地知道：普里高津所创立的耗散结构理论对于整个自然以至社会科学产生的划时代的重大影响，远远超出了一次诺贝尔奖的价值。普里高津（IPrigogine，1917）于1969年在国际“理论物理与生物学会议”上发表了结构、耗

32、散和生命一文，提出了耗散结构理论，把理论热力学的研究推向了当代的最高峰。普里高津由于这一重大贡献，荣获1977年诺贝尔化学奖。这是普里高津学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。 普里高津和他的同事在建立“耗散结构”理论时准确地抓住了如贝纳尔流、B-Z化学波和化学振荡反应以及生物学演化周期等自发出现有序结构的本质，使用了“自组织”的概念，并且用该概念描述了那些自发出现或形成有序结构的过程，从而在“存在”和 “演化”的两种科学之间，在两种文化之间构架了一座科学的桥梁。 普里高津在研究了大量系统的自组织过程以后，总结、归纳得出，系统形成有序结构需要下列条件： （1）系统必须开放。

33、热力学第二定律指出：孤立系统的熵不可能减少。对于一个孤立系统，无论其微观机制如何，如果从宏观上看，它可以被当成是孤立系统，则必然要达到平衡态。耗散结构理论认为，对于孤立系统来说熵是增加的，总过程是从有序到无序；而对于开放系统来说，由于通过与外界交换物质和能量，可以从外界获取负熵用来抵消自身熵的增加，从而使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。 （2）远离平衡态。远离平衡态是系统出现有序结构的必要条件，也是对系统开放的进一步说明。开放系统在外界作用下离开平衡态，开放逐渐加大，外界对系统的影响逐渐变强，将系统逐渐从近平衡区推向远离平衡的非线性区，只有这时，才有可能形成有序结构，否则即使开放，也

34、无济于事。 （3）非线性相互作用。组成系统的子系统之间存在着相互作用，一般来讲，这些相互作用是非线性的，不满足叠加原理。正因为这样，由子系统形成系统时，会涌现出新的性质。 （4）涨落。涨落是指对系统稳定状态的偏离，它是实际存在的一切系统的固有特征。系统内部原因造成的涨落，称为内涨落；系统外部原因造成的涨落，称为外涨落。处于平衡态系统的随机涨落，称为微涨落；处于远离平衡态的非平衡态系统的随机涨落，称为巨涨落。对于远离平衡态的非平衡态系统，随机的小涨落有可能迅速放大，使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态，从而形成耗散结构。 一 基本概念耗散结构理论涉及到大量的基本概念，如果对这些概念没有弄清楚

35、也很难理解耗散结构理论的实质。因此，我们先介绍一些基本概念。1 复杂系统自从牛顿创立机械定律以来，人们都把单个个体或有限个体，如自由落体，有限个星球等作为研究对象。后来，通过把连续介质，如，流体、固体等进行单元分割，科学家们又成功地把牛顿力学应用到连续介质中。尽管牛顿力学可以扩展到无限的个体运动，但它的本质是以有限个体，而每个个体是没有生命力的简单运动为研究对象的科学，包括后来的爱因斯坦所研究的对象也是属于简单运动的范畴。二十世纪中叶以后，人们开始关注复杂现象。在这样的系统中，它首先有“非常非常多”的个体，而对每个个体已经不再把它们看成是无生命力的了。它们之间的相互运动又构成了复杂的整体运动

36、个体和整体之间出现了相互关联的因果联系。对于这样的系统就是复杂系统。对复杂运动的研究是二十世纪所开创的最伟大的科学活动之一。目前正是方兴未艾之时，有着十分广阔的前景。它是揭示，如生物进化、社会进化、宇宙进化和一系列化学、物理进化的强大的科学工具。2 孤立体系、封闭体系、开放体系达尔文的伟大贡献之一就是把生物种群的进化与环境关联起来。热力学也发现，系统内部的运动与周围环境存在非常密切的关系，这是热力学与其它科学的独到之处。热力学用了一系列科学术语来描述系统与环境之间的关系：A 孤立体系：孤立体系是指系统与环境之间既没有能量交换和质量交换的系统；B 封闭体系：系统与环境之间只有能量交换，而没有质

37、量交换的体系叫做封闭体系；C 开放体系：系统与环境之间既有能量交换又有质量交换的体系叫做开放体系。我们要指出的是，以上定义是在热力学的范畴中来描述的。如果对于不同的研究对象和不同的时间范畴，以上定义是要做一些修正的。比如，人类历史系统，如果对整个人类和无限的历史长河来说，我们是可以原用上述定义的。但如果我们仅仅针对一个国家，甚至团体在某一个历史阶段的演化，就必须对上述概念按照历史运动要素予以修正。本人在马克思社会经济形态学说与耗散结构理论一文中做过这方面的尝试。3 平衡态、准平衡态、近平衡态和远平衡态以上四个概念是描述系统内部特征的热力学术语。A 平衡态：平衡态是一个非常重要的概念，它是复杂系

38、统运动的起点，也是经典热力学和耗散结构理论在研究方法上的一个分水岭。平衡态是指系统内部的每一点的任何宏观参数，如温度、压力、密度等等都完全一致的状态。很显然，这样的状态在引力范围内是不存在的。因为即使没有运动也有引力的作用而使得系统内部并不能完全保持一致。当然，现代科学是可以人造这种状态的，那就是在空间站上由于重力消失而出现平衡态。在热力学上，很多情况我们可以忽略重力的影响，如，当高差不是太大的气体，我们可以忽略重力的影响，当其它参数都一致的情况下我们可以把它看成平衡态。平衡态的内部除了热运动（微观运动）以外，其它一切宏观运动全部停止。因此，它是一种“死”的状态。由于系统内部与环境之间的作用，

39、如果系统是一个开放系统，那么该系统一定不会成为平衡系统。因此，平衡态出现的一个充分条件是，它必须是一个孤立系统，这就把系统内部的状态与环境联系了起来。B 准平衡态很显然，平衡态是不会运动的。如果我们要把系统的每一点都作为我们的研究对象，热力学的研究就非常复杂。因此，经典热力学又对平衡态进行了处理，即，假定在环境的作用下，系统内部是按“平均”水平而整体上升或下降的。比如，烧开水，真实的情况是，锅内的每一点的温度都不一样，但我们假定它内部的温度是 “平均”上升的，并且每一点的差别都可以忽略。对这样的状态我们称之为“准平衡态”。于是，我们的“热静力学”（Thermostatics，这是一个热力学家杜

40、选的单词，表示经典的热动力学应当称为热静力学）就通过科学家的处理变为了“热动力学”（Thermodynamics）。之所以经典热力学能够在现代工业中得到广泛应用，准平衡态的假设是一个十分巧妙的杠杆。非常有意思的是，马克思在研究人类历史运动时，对人类历史系统也做了类似的假设，详细情况可以参阅本人的文章马克思社会经济形态学说与耗散结构理论。C 近平衡态在开放度比较小的情况下，系统内部的变化也是比较小的。那么什么叫“大”，什么叫“小”呢？科学家发现，当开放度比较小的时候，系统内部的状态变化是成线性关系的，而且是稳定的。如果开放度进一步加大，系统就会出现结构的不稳定，最后出现新的结构，这就叫“耗散结构

41、因此，近平衡态是指系统内部满足线性变化的状态。D 远平衡态与近平衡态相对应，是指开放度比较大，系统内部的线性变化被破坏的状态。很显然，耗散结构出现的必要条件是系统处于远平衡态。我们所要指出的是，系统处于远平衡态仅仅是耗散结构出现的必要条件，而不是充分条件，即是说远离平衡不一定出现有序结构。这就像生命的出现还必须有很多其它条件同时具备才能出现一样。4 混沌、无序和有序A. 混沌混沌态就是一种内部处于高度不稳定的、杂乱无章的状态。平衡态也是一种杂乱无章的状态。但这两者有着本质的区别。首先，平衡态是处于一个孤立系统之中，而混沌态则是处于一个开放系统之中；第二，平衡态是分子水平上的混乱，它是一种微

42、观混乱；而混沌态则是在远离平衡的状态下，系统所出现的宏观混乱现象。中国哲学很早就出现了“混沌”的概念，它通常指宇宙在形成的之前的一种杂乱无章、没有时间、没有空间的状态。很显然，中国哲学的混沌概念与耗散结构的混沌概念基本上是一致的。 B. 无序无序是指系统内部的运动无规律可循，完全是一种杂乱无章的运动状态。平衡态自然是一种无序状态，但它是属于分子水平的无序状态。因此，耗散结构理论的无序通常不是指平衡态意义上的无序，而是指高度开放状态下的“混沌态”的无序。有序是相对立于无序而言的。有序系统通常有三种有序状态，这就是空间有序、时间有序和功能有序。空间有序是指它具有一定的空间形状，比如天体运动，它的运

43、动轨迹都是有精确的形状的，大气中有时会出现“云街”也是一种空间有序结构；时间有序是指复杂运动所出现的明显的“时间节奏”。几乎所有的天体运动除了精确的空间有序以外还有精确的时间有序，日出、日落、温寒冷暖都非常准确。除了时间和空间有序以外，很多进化系统还有功能有序。所有的生物都具有功能有序的特征。比如，人体的免疫功能、生殖功能、调节功能等等。人类社会也是一个具有功能特性的进化系统。比如，大气变化、经济变化、战争等等，整个社会都知道做响应的调整。 5 量变和突变A 量变是指系统内部的结构以一种缓慢的方式发生变化。B 突变是指系统内部的结构以一种剧烈的、跳跃的方式发生变化。在以往的概念中，量变和突变是

44、一对哲学术语，而现在则是一对科学术语。哲学和科学的区别在于，哲学是不能够量化的，而科学则是可以量化的。现代理论研究证明，系统在量变的过程中也有部分突变，即是说，新的生命总是在系统内部不断产生。而大部分子系统又在不断消亡，就像人的新陈代谢一样，人不是在一天内突然死亡的。在过去的哲学中，甚至在科学中突变都是无法预见和量化的。因此，把突变又称为“跳跃”。随着科学的发展，人们已经能深入到突变运动的内部，研究其变化。实际上突变也有一个过程，只是变化剧烈一些而已，比如中国从封建社会到社会主义社会经历了一百多年。因此，把突变成为 “跳跃”是不科学的。6涨落在所有的宏观运动中都存在一定的与宏观轨迹的偏离，比如

45、火车运行中的颠簸；室内温度在任何瞬间都存在不停的跳动；人的大脑中总是不停的出现各种偏离正常思维的想象等等。在耗散结构理论中，这种微小的偏差就叫做涨落。在过去的观念中，涨落是微不足道的，完全可以把它忽略。而现代理论恰恰发现了这种涨落正是进化系统中的革命力量，没有涨落就没有进化运动。整个进化过程就是涨落与系统的宏观结构在开放条件下，在相互对抗中的产生、成长、系统结构更迭和自身消亡的过程。“星星之火可以燎原”就是揭示的涨落的这一成长过程。7耦合耦合是指复杂系统中在开放条件下，很多复杂因素共同加强或削弱某一因素的行为就叫“耦合”。耦合现在在进化系统中非常普遍。人们常说的“墙倒众人推”， “成功一勃焉

46、失败一忽焉”就是一种耦合现象。复杂系统的结构更迭就是因为开放系统具有“耦合”功能，它可以共同加强微小涨落，最后使之成长为“巨涨落”，从而“改朝换代”形成新的结构。8奇怪吸引子当复杂系统处于突变过程的时候，一些涨落达到了相当大的规模，这些具有相当规模的运动体就叫奇怪吸引子，而系统内部在最后阶段的宏观运动总是围绕这些奇怪因素运动的。为什么把这样的东西叫做奇怪吸引子呢？是因为这些东西的行为非常古怪，无法琢磨。奇怪吸引子在人类历史进化中也大量出现，几乎可以说每一次朝代更迭，或者大的社会变革都会出现很多奇怪吸引子。回顾所有的历史变革，都会发现一个共同的特征，即，开始出现社会不稳定，然后出现较大的力量团

47、体，这些团体就是奇怪吸引子。再然后，这些奇怪吸引子就出现矛盾冲突。在冲突过程中大量的吸引子被消灭，最后在两个巨大的吸引子之间展开斗争，最终有一个又被消灭，形成了新的系统结构，即，完成了一次突变过程，使进化运动又向新的一个高度前进了一步。9自组织在自然界中有两种有序结构，一种象晶体那样的固定有序结构。这种结构是一种“死”的有序，它不需要任何能量就能够维持其结构有序；而另一种，比如生物的组织，它仍然是一种有序结构。而这种有序完全是由于机体内部的细胞自发组织、调节所形成的有序，要维持这种有序结构就必须供给能量。我们把这种依靠机体内部自发组织起来，自发调节，并通过外界供给能量来维持的有序结构叫做“自组织”结构。在复杂系统中只有这种自组织结构才能够真正作到有序，而那种依靠外界的力量来直接控制复杂系统的方式是一种无序结构。一个最典型的例子是，我们的计划经济体系，表面上看来非常有序，一切都按我们人为的计划运行。而实际上我们越计划，社会越乱，以至于最后不得不解体。而市场经济，我们几乎不需要宏观计划，而只需要保障经济体系中各个组织健康发展的条件，整个体系就会自动的形成有序运动。正是这种自组织现象将完全改变我们的世界观和认识论。 二 耗散结构理论的基本定律1 热力学第一定律热力学第一定律，即，能量守恒定律是一个整个科学的普适定律之一。它是有迈耶、焦耳、赫尔姆霍茨等人在1840年1851