系统科学是指研究系统的结构、功能关系、演化和调控规律的科学。它不同于其它根据研究对象来分类的科学，如物理、化学、生物学等，它比分类科学具有更高的一般性，从整体的视角来探讨各类复杂系统一般性的性质与演化规律。因此系统科学是一门综合的横断科学，所有的系统，包括自然系统、社会系统都属于它的研究范围。系统科学越来越受到人们的重视，特别是在钱学森先生时代，钱老从上世纪七十年代末开始，潜心研究系统科学与系统工程，致力于建立系统科学体系，推广系统工程在我国各行业中的应用，对我国的社会主义建设起到了非常重大的助推作用。进入新时期，以系统工程命名的研究机构如雨后春笋般纷纷建立，全国性的系统科学大会也已全新起航，神州大地再次掀起了一股研究与应用系统科学的热潮。本文在此继续探讨系统科学的发展历程，以期各位读者能从系统科学的发展脉络中去寻找系统科学未来的发展方向。
系统科学的重要意义
我们先回头审视一下我们所处的世界。从范围横向看，钱学森将世界按大小划分为渺观、微观、宏观、宇观和胀观五个层级，每个层级间的跨度是1019米。目前人类的理论认识尚只限于微观、宏观与宇观这三个层级。在微观层级，夸克等基本粒子组成了电子、质子与中子，后者又组成了原子与分子。在宏观层级、原子与分子组成了大千世界，生命特性又将宏观世界分为有机世界与无机世界两大类别。无机世界包含了我们地球环境中的物理、化学系统。在有机世界，动、植物构成了我们的自然生态系统、人类构成了我们的社会系统，而人又通过构建人造工程系统来主动改造客观世界。以上就是我们所处的世界以及存在的系统类型。从时间纵向看，我们的世界无时无刻不处在动态演化过程中。无机世界中的物理与化学的演化，造就了元素周期表中丰富的元素以及他们之间的化合物。有机生命从最初的蛋白质大分子，质变到单细胞生物，生物在适应环境的过程中从低级向高级、从简单向复杂逐级进化，从而形成了如今多姿多彩的植物和动物，乃至最高级的生命系统——人类。
系统科学为什么重要？可以从以下两点去理解。
首先，我们的世界无不由系统组成，而且自然系统往往不具有还原性。我们知道，系统之所以成为系统，不仅仅是由其组成决定的，更重要的是组成之间的关联关系，这种关联关系涌现出来的系统的整体属性使之成为该系统。在对系统进行还原分析时，系统组成之间的内部规律是极其复杂的。即使是简单的氢原子，我们将组成它的质子、中子和电子按任意的方式排布，也可能得不到一个氢原子，更何况复杂的生命系统。正是因为系统科学研究的是系统的一般性的组成与演化规律，而各学科的研究对象，要么本身是系统，要么从属于某一个系统，因此，用联系的和运动的系统科学思维来指导各学科的研究就显得非常有意义了。
其次，人们的研究工作归根到底是为了更好地指导对客观世界的适应与改造，即构造人造工程系统，这是系统工程的研究范畴。钱学森在其构建的系统科学体系中，包含工程技术、技术科学、基础科学与哲学四个层次，如系统工程属于工程技术层级，运筹学、控制论与信息论属于技术科学层级，钱老构建的系统科学体系体现了理论对工程实践的指导意义，我们研究系统科学，就是为了更好地指导系统工程，指导改造客观世界。
钱学森提出的世界层级分类与世界系统图景
系统科学的发展历程
虽然整体的、系统的思维在历史上一直都存在，但是直接提出系统的概念，并从一般意义上去探求系统的属性与演化规律，还是从贝塔朗菲的一般系统论开始的。他提倡运用整体论的观点，用逻辑与数学的方法来研究和描述系统的一般性规律，研究的系统对象是一个包含物质的、心理的和社会文化的分层次的系统集合，而非仅是自然界的物理、化学系统。同时期发展的系统科学理论还包括维纳的控制论和香农的信息论。这三个理论也常被后人称作系统科学的“老三论”。有趣的是，钱学森明确反对过所谓“老三论”、“新三论”的提法，认为理论的发展永无止境，有新三论的称呼，以后出现的系统科学新理论就不好称呼了。
一般系统论、控制论和信息论构成了系统科学发展史上的第一个阶段，称作“一般系统理论”阶段。在随后接连提出的耗散结构理论、协同学、突变论、超循环结构理论构成了系统科学发展史上的第二个阶段，称作“系统自组织理论”阶段。系统科学发展的第三个阶段以混沌、分形、复杂适应系统、以及人工生命理论为代表，称作“复杂非线性系统理论”阶段。本文在此主要介绍的是系统科学发展的第一阶段——“一般系统理论”阶段。
活力论的破灭对整体与系统的思考古来有之，古希腊亚里士多德就曾提出过“整体大于部分之和”的论断，但那些都只是朴素的系统思维，并未把“系统”作为一般意义上的概念来考察。直到贝塔朗菲提出一般系统论。贝塔朗菲是美籍奥地利生物学家，系统理论诞生于生物学领域，有其历史的必然性。虽然量子力学打破了机械决定论的统治地位，但是还原论依然大行其道，特别是在物理领域，包括不断有新的基本粒子被发现，都是基于还原论的思路在研究。但是有一个领域，还原论自始就遇到不可逾越的障碍，那便是生物学领域，在如何解释生命现象上。
从亚里士多德开始，就认为万物包含“形式”和“质料”两个方面，而生物有机体的“形式”被亚里士多德称作“隐德莱希”（希腊语：entelecheia），即一切事物追求的终极目的与动力，或灵魂。这种观点发展到17世纪，就形成了活力论，用一种超自然的精神力量来说明生命现象，即生命体除了物质的质料之外，还有一种特殊的精神附在上面，起到了化腐朽为活力的功效。这种观点把有机界和无机界对立了起来，反映到化学领域，人们认为无机物与有机物之间也是绝对对立的，有机物只能由动、植物或人等具有“活力”的生命体产生，而绝对不能由无机物变化产生。
这期间又发生了一个有趣的插曲，那就是人造尿素的产生，对当时化学界的活力论造成了很大的冲击。德国化学家弗里德里希?维勒在制取氰酸胺（NH4CNO）的实验中，意外获得一种未知的白色粉末，后发现与从人尿中提取的物质尿素（CO(NH2)2）是同一物质（尿素与氰酸胺分子式相同，属于同分异构体）。但尿素是有机生命体产生的有机物，按活力论的观点，尿素是沾染了有机“仙气”的物质，不可能通过无机物反应来制取才对。换句话说，人类第一次通过无机物之间的反应获得了有机物，打破了活力论将无机物与有机物绝对对立的观点。虽然当时的化学界试图找各种解释来继续维护活力论观点，但随着越来越多的有机物通过无机物合成出来，活力论被彻底推翻，一门新的学科——有机化学诞生。1965年，我国科学家率先在世界上合成了蛋白质—结晶牛胰岛素，成为第一个人工合成蛋白质的国家。正因为在生物学界，生物学家们不断尝试去探寻造就生命现象特殊性的原因，最终让整体论与系统论浮出水面。
贝塔朗菲与一般系统论
在中国古代也有这么一个故事，战国时期，燕国太子丹宴请荆轲，席间有美女弹琴，荆轲赞叹美女的玉手漂亮，结果太子丹将双手砍下来，玉盘呈予荆轲，以示其无所吝惜。我们暂且不去探讨燕太子的荒诞残忍和那位女子的悲惨境遇，只看这美好的玉手从有生命的身体上砍下来，哪还能保留原来的神采。黑格尔也曾经说过：“割下来的手就失去了它的独立存在……只有作为有机体的一部分，手才可以获得它的地位。这则故事恰恰反映了机械还原论在解释生命有机体上遇到的不可逾越的难题。正是基于这一点，贝塔朗菲提出了生物学的机体论概念，强调把有机体作为一个整体或系统来考虑，认为生物科学的主要目标就在可发现各个不同层次上的组织原理。在贝塔朗菲的机体论里，提到了系统和整体，提到了系统的层次性以及不同层次上的组织原理是使系统涌现出系统特性的关键，这些都是一般系统论的核心观点，因此机体论是贝塔朗菲一般系统论的萌芽，而这一年是1925年。
贝塔朗菲
贝塔朗菲继续发展他的一般系统理论。在1932年发表的《理论生物学》和1934年发表的《现代发展理论》中，他提出了用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念，并将把协调、有序、目的性等概念用于研究有机体，形成研究生命体的三个基本观点，即系统观点、动态观点和层次观点。1937年贝塔朗菲在芝加哥大学的一次哲学讨论会上第一次提出一般系统论的概念。1945年他发表《关于一般系统论》的文章，但不久毁于战火，没有引起人们的注意。1947～1948年贝塔朗菲在美国讲学和参加专题讨论会时将系统论观点上升到一般性的高度，指出不论系统的具体种类、组成部分的性质和它们之间的关系如何，存在着适用于综合系统或子系统的一般模式、原则和规律。至此，贝塔朗菲的一般系统论基本成型，但当时并未被世人所重视。直到1968年，贝塔朗菲出版了他的理论集大成的专著——《一般系统论──基础、发展和应用》，才得到世人的推崇，标志着一般系统论走向成熟，而这一天离贝塔朗菲提出生物机体论已过去了43年。可见一个新理论，特别是对传统理论产生颠覆性效果的理论，从萌芽到成熟，往往需要经历长时间的打磨。
贝塔朗菲的一般系统论首先确立了一种系统哲学，用整体的、系统的视角去审视我们的研究对象，并指出系统不同层次上的组织结构是造成系统之所以成为系统的关键因素，它强调系统的整体性、层次性、关联性与统一性，这是对传统的机械还原论的直接否定。第二，一般系统论用逻辑的、数学的方法去描述系统的一般运动规律，这是一种全新的尝试。但是贝塔朗菲的一般系统论也有其局限性，一方面他过多地强调了系统的整体性，过犹不及，系统应该是还原与整体的辩证统一，这才是对系统最科学的认识。另一方面，他认为中心化愈强的系统才是愈高级的系统，忽略了系统中个体的主体性，直到圣塔菲研究所的出现，霍兰、盖尔曼等科学家们提出了复杂适应系统理论，才真正揭示了系统的本质。
维纳与控制论
控制论是一门揭示系统内部运行规律，具有“系统”特性的横断学科，之所以能被维纳抓住并名流千古，偶然中有其历史的必然性。机会总是留给有准备的人的，套用一句话说，一切都刚刚好。这还得从维纳的学习和工作经历说起。维纳从小就被父亲训练成为了神童，12岁上大学，15岁数学系毕业，大学毕业后对生物学产生了浓厚的兴趣，但因为实验动手能力差，不得不放弃他的生物学家梦想，被父亲强迫转学哲学，获得了哲学博士学位，博士毕业后利用出国进修的机会，到欧洲师从罗素继续学习哲学与数学。可以说维纳的学生时代，是比别的学生早熟了些，但并没有其它特别惊艳的表现，却为其后续在工作中的突出表现奠定了广博的跨学科知识基础。
维纳
工作中的维纳逐渐展现其厚积薄发的优势来，他参与了防空火炮的研究工作，设计防空火炮自动控制装置，这应该是维纳控制论中反馈思想的最直接来源，他面临着两大难题，一是需要准确预测飞机未来的位置；二是需要设计一个自动控制装置，使得发现敌机、预测、瞄准和发射能快速协调完成。要解决这两个问题，就必须以飞机当前的位置作为输入，反过来控制火炮的运动，而且必须实时连续地控制，这就是反馈的原型。而为了达到实时反馈控制的目的，通信和信息处理是必不可少的环节，维纳把消息看作可测事件的时间序列，把通信看作统计问题，维纳在通信与信息领域的工作有力地推动了信息论的创立，难怪连香农自己也评价说，“光荣应归于维纳教授”。
在神经生理学方面的涉猎对维纳创立控制论也起到了非常重要的作用。维纳把火炮控制过程类比为人的神经对肢体的控制过程，例如要去捡一支铅笔，我们动员身上的一组肌肉来实现这一动作，而为了完成这一动作，必须不断将我们与铅笔之间的差距随时报告大脑，来指导后续对肌肉的控制，维纳预测如果在此过程中大脑的反馈过大，就有可能会引起身体的震颤，通过请教医学专家，果然存在着这种病理情形，病人因小脑受伤，在做捡铅笔这一类随意动作时就会超过目的物，然后发生一种不能控制的摆动，这种病就称作“目的性震颤”，从而证明了在人的神经控制方面也确实存在着反馈机制。
将机器与人和动物类比是维纳创建控制论的思想源泉。从他的两本书名中可见端倪，第一本是《控制论（或关于在动物和机器中控制和通信的科学）》，第二本是《人有人的用处——控制论与社会》。所以在维纳的控制论中，他除了强调反馈概念之外，还提到了学习与繁殖，认为机器不仅能够通过信息与通信达到控制和反馈，还能够自我学习和自我繁殖，他的最终目的是实现所谓的“智能机”，他也首先提出了“自动化”的概念。在当时的技术条件下，维纳的这些提法非常具有前瞻性，但更多的是一种哲学层面的意义，为将来的技术发展指明了方向。而随着科学技术的发展，特别是当前大数据、云计算和人工智能技术的发展，机器的反馈和学习已然实现，而机器实现信息空间的自我繁殖也已然提上日程，从这个意义上说，维纳还应该被称作人工智能的思想先驱者。
在当前人工智能领域存在着三大学派，符号主义学派、连接主义学派和行为主义学派，而行为主义学派又称作控制论学派，是一种基于“感知——行动”的行为智能模拟方法，控制论便是其指导思想。连接主义学派是一种基于神经网络及网络间的连接机制与学习算法的智能模拟方法。连接主义中声名鹊起的阿尔法狗的作者司戴密斯·哈萨比斯恰恰是神经科学博士，其灵感也来源于类比大脑的学习与记忆的过程。
波士顿动力公司(Boston Dynamics)制造的机器人。人工智能行为主义学派的典型代表，其完美的后空翻动作让人惊叹。
就维纳的控制论在历史上的贡献而言，最大的贡献还是明确了反馈的概念以及反馈实现的方式（通信与信息）。反馈本身就存在于自然世界中，生命体对外界环境的适应就是反馈，维纳将其引入到人造工程系统中，从而将人造电子元件与机械元件组合在一起，形成稳定的、可实现自动化控制的系统。第三次工业革命被称为“自动化与信息化”的革命，可以说，维纳的控制论，成为打开第三次工业革命大门的关键钥匙。维纳还提议将控制理论推广到社会领域，为社会的管理与经济的控制提供了理论参考。因此在管理领域，反馈应用的例子随处可见，比如软件工程的项目管理中，CMMI二级的过程域之间构建的就是一个基于反馈的管理框架。
CMMI二级过程域管理框架，通过PMC过程域将MA过程域的结果输出与PP过程域策划的计划进行比较，从而对计划进行调整，形成反馈回路
香农与信息论
信息是当今社会非常重要的概念。我们常说我们处在一个信息爆炸的时代。那么什么是信息呢？信息和物质与能量一起，被看作是构成世界的三大要素。我们知道，构成世界的系统是时刻演化着的，系统的演化一方面具有自身的状态，状态便是信息；另一方面，促成系统演化的是系统内部以及系统与外界环境之间的交互作用，这种交互作用的媒介便是信息。维纳在《人有人的用处》中也曾说到，“信息就是任何外界相互作用的过程中相互交换的内容的名称”。
信息论是研究信息的本质和传输规律的理论。信息的传输叫通信，人类的通信手段经历了漫长的发展过程，从烽火传令到飞鸽传书，从快马驿站到邮局信差，这些都是比较落后的通信方式。1832年莫尔斯发明了电报，实现了短信息的远距离传输；1876年，贝尔发明了电话，出现了有线声音传输。通信技术的发展对信息的传输能力和传输可靠性方面提出了理论研究的需求。从而促成了信息论的产生。
历史上，很多科学家在信息论上都做出过不错的成绩，其中也包括维纳。但香农被推崇为信息论的奠基人，1948年，美国贝尔电话研究所的数学家香农，在《贝尔系统技术杂志》上发表了关于信源和信道特性的两篇权威性论文——《通信的数学理论》和《噪声中的通信》，确立了信息论研究的数学方法和基本原理。香农提出了信息的定义，明确地把信息量定义为随机不定性程度的减少。或香农逆定义：信息是确定性的增加。他也提出了信息的度量公式。为信息论和数字通信奠定了基础。
香农信息熵度量公式
香农理论的重要特征是熵（entropy）的概念，他证明熵与信息内容的不确定程度有等价关系。熵曾经是波尔兹曼在热力学第二定律引入的概念，我们可以把它理解为分子运动的混乱度，信息熵也有类似意义。但是香农的信息理论也存在着很大的局限性。他将信息的概念简化到只包含统计信息这一层含义，而抛弃了信息的具体内容和含义。在后续信息论的发展中逐渐被丰富和完善。
香农
总结
贝塔朗菲的一般系统论提出了系统的整体论视角、提倡从一般意义上去研究系统的结构和演化规律；维纳的控制论描述了系统达到内部稳定、实现自动化的通信和控制原理；而香农的信息论则为系统间交互所需传输的信息的度量与控制提供了理论依据。三者构成了一般意义上的系统适应外部环境，维持自身稳定的一整套理论依据，它们合在一起被称作“一般系统理论”。一般系统理论打破了还原论的统治地位，为科学研究提供了全新的系统视角，为人造工程领域的自动化与稳定控制提供了理论依据，再加上同期出现的计算机技术对控制理论与信息理论的支持，极大地促进了第三次工业革命的到来。
虽然一般系统论为生命现象找到了全新的解释视角，但只是指明了一个思考的方向，生命到底如何从无机中产生，又如何从低级进化到高级，依然有待探索。根据热力学第二定律中的熵增原理，克劳修斯提出了“宇宙热寂说”，宇宙最终将走向一片无序的死寂，那人类又将何去何从？这些疑问留待系统科学第二阶段的理论发展来进一步探讨。
作者：张宏军 黄百乔 鞠鸿彬
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