自组织理论的主要观点

自组织理论是研究自组织现象、规律的学说的一种集合，是一个理论群。自组织的概念来自物理学中“熵”的研究。热力学中所指的熵，是一种测量在动力学方面不能做功的能量总数。熵亦被用于计算一个系统中的失序现象。热力学第二定律指出，封闭系统的物质和能量只能沿着一个方向不可逆地转化，从能量较高的状态转到能量较低的状态，从可利用到不可利用，从有效到无效，从有秩序到无秩序，熵的整个变化过程总是趋向熵的最大值。也就是说，在任何系统中，都存在能量的转化，并且在能量转化发生时，总有一定量的有用能转变成了无用能，自然界中这部分无效能量的总和就称为熵。这种有用能减少、无用能增加的过程就是系统熵变的过程。当系统的熵值达到最大时，对于整个系统而言，系统进入了“热寂”状态，即将崩溃。

通过对热力学第二定律——“熵”这一概念的重新研究，诞生了一个对现代科学产生了广泛影响的新理论——耗散结构理论。之后又相继出现了协同学、超循环论、突变理论以及混沌论、分形论等这样一些关于系统自发运动、自我组织的理论。

（一）耗散结构理论

耗散结构理论由比利时布鲁塞尔大学普利高津教授创立。尽管它是从热力学中产生并被严格证明的，但其思想和方法在物理、化学乃至社会、经济领域被广泛借用，成为人们考察系统宏观自组织特性的工具。

耗散结构理论认为：一个开放系统在到达远离平衡态的非线性区时，一旦系统的某个参量变化到一定的阈值，系统有可能从稳定进入不稳定，通过涨落发生突变，即非平衡相变。于是由原来无序的混乱状态转变到一种新的有序状态。这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性，且不因外界微小扰动而消失。这种在远离平衡的非线性区形成的新的有序结构，并以能量的耗散来维持自身的稳定性，普利高津称之为耗散结构。

根据耗散结构理论，系统要形成耗散结构需具有以下几个基本条件：一是系统属于开放系统。耗散结构是在开放环境中和非平衡条件下生成的，系统和外界有物质、能量和信息的交换。一个系统如果处于与外界隔绝的孤立状态，就不能形成耗散结构，即使原来的系统存在耗散结构，这个结构也要瓦解。二是系统要远离平衡态。系统在外界环境的影响下，能超过非平衡的线性区，处于远离平衡态的非线性区域。三是系统中各个组成要素之间存在非线性反馈。线性的正反馈可以导致系统失稳，只能使系统越来越无序，这种无序最终可能导致系统的崩溃，只有系统内部存在非线性反馈才能使系统稳定到耗散结构上。四是系统中存在涨落。涨落是系统的不稳定状态，微涨落通过系统的非线性反馈引起系统的巨涨落，涨落对系统的演变所起的是一种触发作用。

耗散结构理论第一次科学地揭示了自然界从简单到复杂、从无序到有序、从非生命到生命的演化的必然性，阐明了系统自组织的内外部条件。由于耗散结构理论的建立，“非平衡不可逆性是组织之源、有序之源”被揭示出来了，过去被看作对整体行为偏差的涨落干扰在不稳定性中则可以成为建设性因素，即普利高津学派的又一个重要结论——“通过涨落达到有序”。耗散结构理论作为全新的关于系统演化的自然科学成果，把我们对于自然界演化发展的认识推向一个新的阶段。

（二）协同学

协同学的创始人是德国的理论物理学家哈肯。他从对激光的研究中受到启发，以现代科学理论中的最新成果——信息论、控制论为基础，同时吸取了耗散结构理论的论点，采用统计力学的考察方法研究开放系统的行为，找到了复杂系统从无序向有序转变的机理。

协同学有两个很有名的论断：一是“协同导致有序”，即任何一个包括有大量子系统的复杂系统在与外界环境有物质、能量和信息交换的开放条件下，通过各子系统之间的非线性相互作用，就能产生子系统相互合作的协同现象，使系统能自动地在宏观上产生空间、时间或功能的有序结构，出现稳定的状态。这也就是说系统演化的动力是系统内部各子系统之间的竞争和协同，而不是外部的指令，系统内部各子系统通过竞争和协同，从而使竞争中的一种或几种趋势优化，并因此支配整个系统从无序走向有序，从而自组织起来。

二是“支配原理”，又称伺服原理、役使原理，它是协同学的核心理论。它认为当任意系统的状态可由多个变量描述时，不同变量对系统的影响是有差异、不平衡的。它们在临界点处的行为，可以分为两类：一类是在临界点附近阻力大、衰减快的变量，称为快变量，它们犹如历史上的昙花一现，不会左右系统演化的进程；另一类是发生临界慢化、几乎不衰减的变量，称为慢变量，这种慢变量在临界点上诞生并很快成长起来，迅速成为主导力量，打破原有平衡，推动系统走向新的有序。哈肯将这种慢变量又称为序参量。支配原理可简述为：快变量服从慢变量，序参量支配子系统的行为。根据支配原理，我们可在系统处于失稳点即临界点时，消去快变量，从而将复杂系统问题简化。

（三）超循环理论

超循环理论的创立者是联邦德国生物物理化学家艾根。艾根观察到生命现象里包含许多由于酶的催化作用所推动的各种循环，即“超循环”。他吸收了进化论、分子生物学、信息论、博弈论、非平衡自组织理论以及现代数学的有关成果，把生命起源作为自发自组织现象来描述，建立了超循环理论。

艾根认为，在生命起源和发展中的化学进化阶段和生物学进化之间，从有机大分子到第一个细胞的产生的漫长进化过程中，受到“超循环”自组织机理的支配。这种过程是多阶段的，经过反应循环、催化循环、催化超循环直至自动催化超循环等阶段来完成。在循环等级提高的过程中，系统的自组织性也越强。超循环作为一种自组织过程也必定起源于随机过程。在超循环自组织过程中，包含了许多随机事件，但是，这些随机效应能反馈到它们的起点，使得它们本身变成某种放大作用的原因。经过因果的多重循环，自我复制和选择，信息不断积累，从而向高度有序的宏观组织进化。艾根等直接建立了生命现象的数学模型，提出了结构模型，它解释了生物自复制、自催化、自繁殖的现象，验证了生物信息的传递过程。

超循环方法提供了一种如何充分利用过程中的物质、能量和信息流的方法，提供了一种如何有效展开事物之间相互作用以及结合成为更紧密的事物的方法。结合是复杂性演化的核心，它提供了自组织发展之“核”。因此，超循环方法成为自组织的结合途径方法论。

（四）突变论

突变论以法国数学家托姆1972年《结构稳定性和形态发生学》一书的问世为标志。微积分模型解释了光滑而连续变化的现象，而突变理论描述了自然界大量存在的不连续的突然变化现象。在自然界和社会现象中，除了连续的渐变过程外，存在着大量不连续的、突变的过程，环境条件、控制因素的渐变能引起状态的突变，因此需要提出某些新的数学工具来描述已有的数学工具所不能说明的许多现象，建立必要的模型，做出适当的预测。突变理论正是在这种情况下产生的，并且它以拓扑学为基础，研究系统在平衡状态下临界点的性态，描述由逐渐变化的力量或运动而导致突然变化的现象，弥补了微分方程描述方法的不足，为现实世界中的突变现象提供了可资利用的数学框架和工具。

一般来讲，突变论主要是根据势函数把临界点（奇异点）进行分类，进而研究各种临界点附近非连续形态的特征。托姆指出，如果控制因素不多于四个，则突变模型可归结为七种基本类型的初等突变：折叠、尖顶、燕尾、蝴蝶、双曲脐点、椭圆脐点和抛物脐点。托姆在实际应用方面也进行了一定的研究，诸如胚胎发生、细胞分裂、博弈、人类语言的发展、人类社会的结构等，虽然这些讨论仍相当笼统，但在认识上颇具启示意义。突变理论改变了看问题的角度，描述了在不同环境外生变量的变化中，系统状态变量稳定性发生变化的特征，并以七种初等突变的形式列举了最为简单的奇点的种类和临界稳定特性。同时，也提供了面对不熟悉系统，在不了解其内部机制时，通过对其外在表现的观测进行建模的模板。

突变论方法研究了系统在其演化的可能路径方面所采取的方法论思想。临界概念、渐变和突变概念，以及对问题处理时所采取的结构化方法，对冲突的关注，对行动与理解的相互矛盾关系的揭示等都具有重要的启示。

（五）分形学

1975年，美籍法国数学家曼德布罗特自造了一个英文单词，即fractal，中文译为“分形”。所谓分形是指某种具有不规则、破碎形状的同时其部分又与整体具有某种相似性、维数不必为整数的几何体或演化着的形态。与此相应，我们把那种规则形状的、维数必定为整数的几何体或形态称为整形。

描述事物的空间几何形状与结构，是认识客观世界的一项重要内容。以往的几何学，如欧氏几何、黎曼几何、微分几何，研究的都是规则的形状。因此传统几何又称为规则整形几何。而客观世界自然存在的许多事物不仅不具有规则形状和规则的结构，而且其外部和内部具有极其复杂的、互相嵌套的形状与结构。例如，哺乳动物肺的血管、我们司空见惯了的树木，就都是这样的形状。具有这样结构的事物一直存在着，它们比人造的规则几何形体寿命不知要长多少，但直到20世纪70年代，它们却在科学的词典中还丝毫未被用相应的概念加以表达。因此，分形概念比较真实地反映和描述了客观事物。

传统定义来讲，维数只能是自然数而且是正整数。但是如果维数是刻画图形或几何对象（集合）填充空间规模和整体复杂性的量度，则可以取任何实数。分形的事物的维数一般都是非整数的维数，简称分维。而整形的维数一般是整数。因此维数是度量分形与整形的一个基本方法，而且能够区分分形的复杂程度。分形的分数维数大小还是度量两个分形复杂程度的有效工具。分形概念为我们提供了描述混沌形状的复杂性事物和过程的一种新语言。分形的分数维还成为度量两个分形集的不规则程度和复杂程度的客观工具。

分形和分数维是科学家观察、描述和解释世界的新视角。分形学帮助人们重新认识客观世界事物的形状和结构，它对非规则的、部分与整体具有某种相似性的演化形态有着深刻理解，因而为研究复杂性、非线性和系统演化的空间图景提供了思想武器。

（六）混沌学

混沌学源于美国气象学家洛仑兹提出的“蝴蝶效应”：一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，可能会在德州引起一场龙卷风，指随机发生而实际上其行为却由精确的法则决定的状态和过程，是貌似随机性的非周期行为，由确定性产生。有人对这种情形作了生动的描述：钉子缺，蹄铁卸；蹄铁卸，战马蹶；战马蹶，骑士绝；骑士绝，战事折；战事折，国家灭。钉子缺这样一个微不足道的小事，经逐级放大导致了国家的灭亡，所谓“差之毫厘，失之千里”。

混沌行为所表现出来的方程式是简单的，但却是不可推导的。看似可解的，可预测的，但事实上混沌却表现出一种随机的、不可预测的运动方式。混沌具备的特征包括：一是对于某些参量值，在几乎所有的初始条件下，都将产生非周期动力学过程。二是随着时间的推移，任意靠近的各个初始条件将表现出各自独立的时间演化，即存在对初始条件的敏感依赖性。三是确定性系统的内随机性。在混沌区，系统的定态行为就表现出与我们通常讲的随机行为十分类似的特征，既具有不确定性，又表现出一定的统计确定性，可以用统计方法来描述。四是混沌不是通常意义下的有序运动，但混沌不是简单的无序，而是像不具备周期性和其他明显对称特征的有序态，称之为“混沌态”。

上述的这些理论尽管研究各有不同，但它们都是研究非线性的复杂系统，或非线性的复杂系统的自组织形成过程。自组织理论强调：系统自组织的演化条件是系统的开放性和系统内部的差异性以及系统的非线性运动；而系统自组织演化的动力在于系统内部的差异性所产生的竞争与协同的关系，即系统内部多样化的相互制衡、共同发展；自组织系统存在渐变和突变两种形式，因此需要抓住渐变与突变的关键节点；寻求自组织系统中各层次之间的多次闭合循环以保证能量和信息的充分利用，寻求更多的演化的可能性；把握系统结构中局部与整体的自相似性，从而掌握自组织系统内在的统一性；充分了解自组织的混沌系统缘于其对于内部初始条件的极端敏感性，而其边缘状态是具有自发性和适应性的有生命的系统；它既能稳定到足以储存信息，又能快速地传递信息。