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才能形成有序结构建立自组织涨落原理系统理论与方法精品课程.ppt
这种有序结构,由于需要不断与外界交换物质或能量才能维
持,因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。
协同学:1977年,德国科学家哈肯出版了《协同作用学导论》 一书,创立了协同学。
协同论是一门专门研究系统进化普遍规律的科学。它研究子 系统构成的系统是如何通过协作从无序到有序演化的规律。 “协同”思想有两个最基本的观点:①“协同效应”是核心 概念。即“协同导致有序”;②“自组织”是协同思想的硬 核。
关于系统的定义,不同学科由于研究范围和重点的不同,常 常给出不同的定义。
在技术学层次上,通常采用我国科学家钱学森的定义:系统 是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体。
在基础科学层次上,通常采用美籍奥地利生物学家贝塔朗菲 (Luduig Von Bertalanffy)的定义:系统是相互联系、相互 作用的诸元素的综合体。
20世纪中期以来,当代自然科学的前沿出现了“耗散结 构论”(Dissipative Structure Theory)、“协同学” (Synergetics)、“突变论”(Morphogensis)、“超循环论” (Hypercycle Theory)、“混沌理论”(Chaos Theory)和 “分形理论”(Fractal Theory)等一批新兴学科。
不论是哪种定义都指出,系统是由部分构成且具有整体特性 的一类事物。
组织既指按照一定规则构成或存在某种秩序的事物,又指事 物形成一个空间、时间或功能上的有序结构的过程。前一种 情况是组织作名词解,后一种情况是作动词解。
系统和组织是描述事物同一种存在方式的两个不同概念,二 者的着眼点不同。系统是从整体性和相关性的立场上把握事 物,而组织是从结构和有序化的立场上把握对象。
2、自组织与他组织
自组织:如果不存在外部指令,系统按照相互默契的 某种规则,各尽其责而又协调的自动形成有序结构 就是自组织。 自组织有两种含义,一是组织的从 无到有,二是组织的从差到好。
自组织是系统科学的一个重要概念,它是复杂系统演化时出现 的一种现象。我们根据一个组织是否是按照外界特定干预而 形成的,又可以把组织分为自组织和他组织系统。
T2 大导热板
距离 很小
T2 Q
俯视图
T2
T1=T2 液体静止 平衡态 对称
T1>T2 ,△T <△TC T1 >T2 ,△T >△TC 液体静止,热传导 液体对流传热
稳定的非平衡态 出现宏观有序
对称
对称破缺
自组织理论的历史背景
自组织领域涉及的是事物自发、自主形成结构的过程,在这 种过程中存在特有的自组织特征、条件、环境和动力学规律。
突变论:突变论作为现代数学的一门新兴分支学科,是20世 纪70年代由法国数学家勒内·托姆提出的。
突变论指出系统的熵可以增加也可以减少。这种熵增熵减可 以在宏观无限小的时间内突然发生。突变熵减少产生的有序 性,可以抵消、战胜自然界某些自发熵增趋势,有可能造成 有序性的发展。
混沌论:“混沌”一词最初是一个哲学概念,源于古中国的” 混沌初开无所不包”的意思。目前主要指在确定性系统中出 现的“无序性”、“无规性”和“不可预测性”,是描述复 杂性和不能根据初始状态预知其未来的运动状态的动力学系 统的理论。
组织力来自系统内部的是自组织,组织力来自系统外部的是 他组织。
自组织方法论
自组织理论主要研究客观世界中自组织现象 的产生、演化等,关注系统在内部结构和复 杂性增加的相变期间内所表现出来的行为。
清华大学的吴彤教授认为:
耗散结构理论是解决自组织出现的条件问题
协同学基本上是解决自组织的动力学问题
自组织理论
自组织理论
自组织现象 自组织理论的历史背景 自组织理论的核心概念 自组织方法论简述 自组织的条件 自组织原理 自组织的形式
自组织现象
自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。
冬天的雪花
六角形的雪花
鱼鳞状的云
树叶有规则的形状
龟背的图案
贝纳德(Benard)对流
蜂窝模式
耗散结构论:耗散结构论是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授于1969年在“理论物理学和生物学”国际会 议上正式提出。
耗散结构是一个远离平衡态的非线性的开放系统通过不断地 与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一 定的阈值时,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变, 由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能 上的有序状态。
德国哲学家康德(Kant)最早提出自组织的思想。 第一批自组织理论出现于19世纪中叶:英国生物学家达尔文
(Charles Robert Darwin)的进化论是生物学的自组织理论, 其自然选择原理就是一种自组织原理;马克思的五种社会形 态演进理论是关于社会历史的自组织理论;相变理论是物理 学的自组织理论。 这三者都是某个特定领域的自组织理论,但均未提出和使用 自组织概念。
在近阶段,混沌理论标志了人类对客观世界的认识已进入了 一个新阶段:不仅对“非此即彼”的明晰形态,而且对“亦 此亦彼”的过渡性形态都进行研究。
超循环论:20世纪70年代德国化学家艾根(Manfred Eigen)提 出了“超循环”概念。并于1977年出版了《超循环:自然的 自组织原理》一书。
“超循环”(HyPercycle)理论,是一门研究生物信息起源的 理论,是直接建立生命现象的数学模型。艾根他们观察到生 命现象都包含许多由酶的催化作用所推动的各种循环,而基 层的循环又组成更高一层次的循环,即“超循环”也可以出 现再高层次的超循环。
尽管它们研究的对象不同,但是它们的研究具有共同特征, 即都是针对非线性的复杂系统,或非线性的复杂的自组织形 成过程,因而被统称为自组织理论。
从此,自组织系统或自组织过程成为引人注目的焦点,并且 研究发现,自组织系统和自组织过程极为普遍,而且与人类 社会关系极为密切。
自组织理论的核心概念
1、系统与组织
突变论则从数学抽象的角度研究了自组织的途径问 题
超循环论解决了自组织的结合形式问题
分形和混沌理论,则是从时间序与空间序的角度研 究了自组织的复杂性和图景问题。