协同学

——大自然构成的奥秘

《系统科学哲学》课程论文    09科学技术哲学

陈良坚、林秀芬、林凯雯

 

一、协同学理论的产生

1、协同学理论的提出

    耗散结构理论指出了新结构诞生的条件。但是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。于是，德国科学家哈肯（H.Haken）接过了系统科学的这一接力棒。他创立了协同学，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。

2、协同学的产生过程

哈肯在20世纪60年代致力于激光研究，由于受到激光现象的启发，他于1969年开始转向协同学理论的创思和构建。他首先发现，热力学不能提供任何关于结构产生的原理和机制，同时他证明了统计物理学的结构有错误——即当一个远离平衡系统从无序走向有序时，熵不一定减少，甚至可能增加！因此，用熵描述自组织想象太粗糙了。所以，为了能够在原则上解释有序结构乃至生命结构的形成，协同学这个新理论就建立起来了。

哈肯在20世纪60年代致力于激光研究，由于受到激光现象的启发，他于1969年开始转向协同学理论的创思和构建。他首先发现，热力学不能提供任何关于结构产生的原理和机制，同时他证明了统计物理学的结构有错误——即当一个远离平衡系统从无序走向有序时，熵不一定减少，甚至可能增加！因此，用熵描述自组织想象太粗糙了。所以，为了能够在原则上解释有序结构乃至生命结构的形成，协同学这个新理论就建立起来了。

哈肯在1971年首次提出“协同”概念，1976年发表了《协同学导论》，1988年出版《高等协同学》，这标志着协同学作为一门新兴横断学科的诞生。

    哈肯所著《协同学：大自然构成的奥秘》一书，通俗而又生动地阐述了协同学的要义，说明协同学与仿生学不同，协同学不是简单的分析、模仿生物器官的功能，而是从更普遍和一般的角度，探讨有序结构形成的奥秘，不仅探索无生命世界，而且更关心生命世界。在19年中，他主编了近20本有关协同学的专著，推动协同学由孕育、诞生走向成熟。

3、通往协同学的“御道”

哈肯认为在输入的功率较小时，激光器激活的原子彼此独立地错杂混乱发生电子的跃迁和光子的发射，此时的激光器就像是普通的电灯。当输入的能量超过某一个阈值时，各个激活原子在相干作用下变成同相震荡，消除了干扰和衰减，而形成了位移相等、运动方向相同的、同一个震荡剧烈的波源，发出了相位和方向统一的节律（频率）一致的单一脉冲单色光――激光。

4、协同学的理论来源

激光在转变中表现出通常相变的全部性质。因此哈肯吸取了平衡相不中的序参量概念和绝热消去的原理，并采用概率论和随机理论来建立关于序参量的主方程。激光是一种典型的自组织现象。因此哈肯是在控制论、信息论和耗散结构理论研究成果的基础上，进一步解决有关自组织的问题。激光是一种突变现象。哈肯利用突变论的原理和方法，对有序—无序的各种转变情况进行分析和归类。

二、协同学的主要理论观点

1、几个重要概念

（1）协同：“协同”概念有着更深的含义，不仅包括人与人之间的协作，也包括不同应用系统之间、不同数据资源之间、不同终端设备之间、不同应用情景之间、人与机器之间、科技与传统之间等全方位的协同。 协同是指元素对元素的相干能力，表现了元素在整体发展运行过程中协调与合作的性质。

（2）协同学（Synergetics）是“一门关于协作的科学”，研究那些全然不同学科的极不相同类型的系统之间所普遍存在着的共同特点，即一个由大量子系统所组成的系统，在一定条件下，子系统之间如何通过非线性相互作用产生协同现象和相干效应，使系统形成有一定功能的自组织结构，出现新的有序状态。所以协同学是关于多组分系统如何通过子系统的协同行为而导致结构有序演化的一门自组织理论。

（3）序参量：是一种宏观参量，是描述系统宏观有序度或宏观模式的参量。它是处理自组织问题的一般判据，是系统相变前后所发生的质的变化的突出标志。它表示着系统有序结构的类型，是所有子系统介入系统运动程度的集中体现。

（4）序参量分析：序参量确定后，便可进行序参量分析。系统的演化关键是研究序参量，因为序参量高度集中了整个系统演化的主要信息，代表了系统演化的主流和方向。系统中每个序参量都对应着一种微观组态和宏观结构。而序参量的数目将决定系统处于稳定、振荡抑或无序的状态。如果系统只剩下一个序参量，那就是“一统天下”的格局，如果是几个序参量，那么几个序参量之间的合作、竞争将决定系统的演化过程和结局。

（5）组织系统：指一个系统如果其子系统之间的相互作用关系是在外界力量的控制下被动形成的，而它们向着有序化方向的集体行为也是由外界力量操纵的，它就是一个组织系统。

（6）自组织系统：就是通过低层次客体的局域的相互作用而形成的高层次的结构、功能有序模式的不由外部特定干预和内部控制者指令的自发过程，由此而形成的有序的较复杂的系统称为自组织系统。

（7）相：指系统宏观上具有一定特性的状态。

（8）相变：指系统从一种相到另一种相的转变。

2、协同学理论的三个“硬核”

（1）不稳定性原理

不稳定性是相对于稳定性而言的。以往的许多科学，如控制论，都是侧重于对稳定性问题的研究，而协同学以探寻系统结构有序演化为出发点，从一个全新的角度来考察不稳定性问题。它认为任何一种新结构的形成都意味着原先状态不再能够维持，即变成不稳定的。这样，不稳定性在结构有序演化中具有积极的建设性作用。当一种陈旧的框架或模式已经变得不利于系统存续和发展时，就需要出现一种激进的、力图变革的力量，把系统推向失稳点，才可能创建有利于系统存续发展的新框架、新模式。这就是协同学的不稳定性原理的基本含义。

（2）支配原理

协同学认为，在临界点系统内部的各子系统或诸参量中，存在两种变量，即快变量和慢变量。所谓支配原理，就是慢变量支配快变量而决定着系统的演化进程。慢变量和快变量各自都不能独立存在，慢变量使系统脱离旧结构，趋向新结构；而快变量又使系统在新结构上稳定下来。伴随着系统结构的有序演化，两种变量相互联系、相互制约，表现出一种协同运动。这种协同运动在宏观上则表现为系统的自组织运动。

（3）序参量原理

序参量原本是平衡相变理论提出的概念，哈肯把它推广到激光形成之类的非平衡相变，成为协同学的基本概念。不论什么系统，如果某个参量在系统演化过程中从无到有地产生和变化，系统处于无序状态时它的取值为0，系统出现有序结构时它取非0值，因而具有指示或显示有序结构形成的作用，就称为序参量。序参量是系统内部自组织地产生出来的，而它一旦产生出来就取得支配地位，成为系统内部的他组织者，去支配其他组分、子系统、模式，因而转化为一种他组织力量，多少有些类似于控制中心的作用。

三、协同学理论的意义

1、协同学完全从相对的意义上重新定义宏观和微观的概念,宏观是指一个系统, 微观乃指构成系统的大量子系统,这种微观子系统可以是一个工厂、一个人, 也可以是动物、植物, 乃至分子、原子, 完全以选择的系统的性质而定。这样,就使宏观和微观这对哲学范畴就具有了更加普遍的意义。

2、协同学提出的协同、有序度和序参量、慢变量和快变量等概念,对有序和无序矛盾转化的分析, 以及采用的类比研究方法,不仅具有重要的哲学意义, 而且对自然科学和社会科学学都有指导作用。

3、不同学科( 物理学、化学、生物学、社会学、经济学等) 都在不同的角度研究协同现象,研究从混沌中产生有序现象的机制和规律。协同学则抓住了不同系统中存在的共性, 用共同的数学模型去研究各个学科的不同现象, 寻求普遍原理。因此, 协同学成了连接不同学科的桥梁和纽带,具有明显的方法论意义。

如今，协同学正广泛应用于各种不同系统的自组织现象的分析、建模乃至预测和决策过程中。其适用或应用的范围和问题大致有：

（1）物理学：如激光的相干振荡以及固体物理学中的多重稳定性、脉动等问题，流动动力学模型的形成，包括气象学中的大气流等问题。

（2）化学：各种化学波和螺线的形成，化学钟的振荡以及其他化学宏观模式。

（3）生物学和生态学：生物的形态形成、细胞构造、生物分子基础上的宏观模型，以及群体动力学和生物进化与生态平衡等问题。

（4）计算机科学：计算机网的自组织、并行就算，机器的模式识别以及如何由不可靠元件构成可靠系统等问题

（5）工程学：在建筑、机械、电子以及航天工程中广泛应用，如对各种无线电波中的相干电磁振荡、飞机机翼的颤动等问题的研究。

（6）经济学：经济中的各种协同效应问题，如城市发展。经济的繁荣与衰退，技术革新和经济事态的发展，等等。

（7）脑科学：大脑的功能，大脑的兴奋模式，大脑的“整块思维”等问题。

（8）社会学：关于舆论形成，大众传播媒介的作用，社会体制等问题，以及社会演变，包括社会革命和科学革命等问题。

四、对协同学的评价

1、国内学者对协同学的评价

    钱学森认为“协同学实际上就是系统学”。并且从系统学的角度对哈肯的观点作了进一步的概括：……在给定的环境中，系统只有在目的的点或目的的环上才是稳定的，离开了就不稳定，系统自己要拖到点或环上才罢休。这就是系统的自组织。

2、国外学者对协同学的评价

恩格斯指出: “ 随着科学领域中的每一划时代的发现, 唯物主义要改变自己的形式。”在科学技术革命的今天, 马克思主义哲学尤其要从现代科学中吸取营养丰富自己。而协同学确实能够给我们以哲学的启迪：（1）协同学的自组织理论丰富了辩证唯物主义的物质运动观；（2）协同学丰富了矛盾的同一性原理；（3）协同学提供了一种解决矛盾的基本方式——协合。

3、我们对协同学的评价

从协同学的角度看，系统科学在西方科学的大背景中，正是从零而逐渐成长为一种序参量的，它正试图超越西方科学的传统，建立科学世界的新的有序。简言之，就是超越构成论的自然观和经典分析方法。以往，在近代科学传统的基础上，物理学家习惯于把晶体分解为原子、基本粒子、夸克，以求找到构成物质的最基本的构件。生物学家则将机体分解成细胞、细胞核、生物分子，以求找到最基本的组织单元。甚至科学本身也被分解成越来越细的分支科学科。

哈肯批判了西方科学这种“拆零”然后再“构成”的传统，他批评道：这种方法就像小孩将玩具汽车拆成零件，结果既搞不清汽车为什么会奔跑，又不能把零件重新完整地组装起来，只好坐在一堆拆散的零件钱哭泣一样。他强调协同学是从系统整体的角度研究“组件”，并从总体上说明结构是怎样建成的。

    但是哈肯在协同学研究中，使用的基本数学方法却仍然是微分方程，因此作为其核心的微观方法，对生命领域的巨系统，以及社会巨系统并不适用。此外，序参量从零开始增长，说明序参量的出现是从无到有的生成，自组织过程更像生成过程，而非构成过程，然而哈肯却仍以“构成”作为他的专著的书名。这样，一切“新结构”都只能是在“旧结构”基础上的突现与飞跃。

从根本上说，西方科学的分析方法，不完全适合于探讨整体与生成问题。而中国古代文化与科学传统恰恰是一种彻底的生成论和整体论。在系统科学未来的发展中，西方的原子论、构成论与中国的整体论、生成论应成为两个重要的序参量，通过它们的竞争协作，交流互补，可能推动科学走向生命与无生命真正统一的新的有序。

五、协同学发展趋势

协同学的建立和发展虽只有二十多年的历史, 但它在建立与发展过程中不断渗透和融人新的领域和学科, 使其研究的领域越来越广. 它已被推广应用于理化、生地及社会科学领域, 斯普林格的协同学丛书也已逾四十卷。至今, 已系统地用协同学的观点对复杂系统作了实验和理论的研究. 近年, 协同学的重要进展是研究自组织系统从有序到混沌的演化系列, 研究混沌现象, 使协同学深人到了更为广阔和复杂的领域.

 

 

参考文献：

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[9]王贵友编著.从混沌到有序——协同学简介[M].湖北人民出版社，1987.

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[14]H. Haken，“Basic Concepts of Synergetics”，Appl. Phys. A57, 1993，111-115.

[15]Helena Knyazeva，Synergetics and the Images of Future ，Futures，1999