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自组织类型
• 哈肯按照引起自组织运动的不同方式给出一种分类： • (1)改变控制参量引起的自组织；(2)改变组分数引起的自 组织；(3)瞬变引起的自组织。这里完全抛开物理学或其他 具体学科的背景，用动态系统理论的语言进行表述，已经 属于系统学的分类。但是否居于完备的分类，还有待研究。
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8.3自组织判据
自组织理论发展过程
• 阿希贝、维纳提出了自组织理论的学科任务， • 阿希贝出版《自组织原理》 • 20世纪60年代末以后，出现了一批以揭示一般自组织规律为目标 的科学学派，代表人物有普利高津、哈肯、艾根、巴克等，提出
耗散结构论、协同学、超循环论、自组织临界态理论，以现代科
学的前沿成果为依据，建构描述自组织现象的概念框架。 • 圣塔菲学派在80年代以来强有力地推动了自组织理论得发展。 • 成熟的自组织理论应是系统学的核心部分之一。但目前还没有建 立起这种理论。 • 本章只对自组织理论最基本内容作些介绍。
d eS d iS 0
d eS
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图8.1
自组织原理
• diS是系统内部混乱性产生的熵称，称为为熵产生，热力学原理 保证熵产生为非负量， diS ≥ 0； deS 是系统通过与环境相互作 用而交换来的熵，称为熵交换或熵流，可正可负。有四种可能情 形： • (1) deS ＝0，系统是封闭的，与外界没有交换，内部的熵产生使 系统混乱程度不断增加，不可能出现自组织，只可能有组织的自 发退化； • (2) deS ＞0，与外界交换得到的是正熵，总熵变diS ＞0，系统 以比封闭状态下更快的速度增加混乱程度．不会发生自组织； • (3) deS ＜0，但 deS diS ，通过对外开放从环境中取得负熵， 但从环境得到的负熵不足以克服内部的墒增加，总熵 变 dS diS deS 0 ，系统也不会发生自组织； • (4) deS ＜0，且 deS diS ，从环境中得到的负熵大于内部的 嫡增加，总熵变dS＜0，系统出现减熵过程，即自组织过程。
• 一个系统在演化过程中是否建立起某种结构、形成某种模式、 创造某种形态，应有确切的判别根据，特别希望能以精确的 数学工具来判别。自组织理论尚不成熟的重要标志是目前还 没有这种判据。不同自组织理论分别提出自己的判据，一般 还不能通用。主要有以下几种： • 自由能判据 • 记系统的自由能这是相变理论的判据。令E记系统的总能量， F记系统的自由能，T记绝对温度，S记热力学嫡，它们满足 以下公式： F E TS (8．1) • 相变理论认为，平衡相变是由自由能F(表示系统的组织程度) 与热力学嫡 S(表示系统的混乱即无组织程度)之间的竞争所 推动的，F与S达成的某种妥协，决定了系统采取某种最小自 由能状态,从一胶状态自发演化到最小自由能状态就是实现了 自组织。 8
都连续变化，不会出现间断现象。严格地说，这是热力学系统的
分类。但对更广泛的自组织现象，都很有启发意义，二阶相变尤 其如此。
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自组织类型
• 普利高津把自然组织产生的结构分为两大类。 • 通过平衡过程中的相变而形成的有序结构，称为平衡结构，如晶 体、超导体等。平衡结构的基本特点是无须与外界环境进行交换
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8.2自组织类型
• 相变理论基于热力学把相变分为两大类。
• 如果发生相变时系统的热力学势函数连续，但其一阶导数不连续，
称为一阶相变。特点是势函数代表的物理性质连续变化但其一阶 导数代表的物理性质在相变点发生突变，称为临界相变。如果相 变时势函数及其一阶导数都连续，称为二阶相变，或连续相交。 二阶相变的特点是势函数及其一阶导数代表的物理性质在相变时
自组织判据
• 最小自由能原理解释了相变的宏观机理。玻耳兹曼进一步以按 率观点给相变以微观的解释，提出微观粒子的能级分布公式
•
Ei Pi exp KT
(8．2)
• 其中，Ei为第i能级的能量，只Pi为粒子占据该能级的概串，K 为玻耳兹曼常数。(8．1)与(8．2)一起称为玻耳兹曼有序性原 理，完整地解释了形成平衡结构的自组织过程。
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自组织判据 •
熵判据 粗略地讲，熵是系统无序程度的度量，即系统无组织程 度的度量。组织的建立和瓦解过程都是熵变过程。从无组织到有
组织，从低组织度到高组织度，是系统的反熵过程。自组织是系
统在无外界干预下自我反熵的过程。令dS记系统的熵的改变量 (微分)，dS＞0(增熵)表示组织程度减小的变化，dS＜0(减熵)表 示组织程度增加的变化，因而熵的变化可以作为自组织的判据。 相变理论最早把熵S作为判据。普利高津加以推广，用熵作为非 平衡相变的判据，提出超熵概念，建立耗散结构论。但嫡判据有 很大局限性．不仅要求对象能够作为热力学系统来研究，而且只
自下而上式、自发性、突现性是自组织必备的和重要的特征。 14
自组织原理
• 开放性原理 一个与环境没有任何交换的封闭系统不可能出现自 组织行为，对环境开放即与外界进行物质、能量、信息交换的系
统才可能产生自组织运动。普利高津以总熵变公式
•
dS diS deS
(8．6)
为工具，科学地论证了开放性是自组织的必要条件。如图8．1所示。
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自组织原理
• 上面的论证表明，对外开放是系统自组织的必要条件，封闭系 统不可能出现减熵运动；但开放性只是自组织的必要条件，错误
的开放从外界得到的是正熵，必将导致系统有序结构更快的瓦解；
正确的开放才能从外界得到负熵，但若开放程度不够，通过熵交 换从外部得到的负熵不足以克服自身的熵增加，仍然不能出现自
•
8.4 自组织原理
• 自组织理论的基本信念是：尽管现实世界的自组织过程产生 的结构、模式、形态干差万别，必定存在普遍起作用的原理 和规律支配着这种过程。现代科学还不能系统地揭示自组织 的一般规律，但已获得许多深入的认识，提出一系列自组织
原理，主要有：
• 突现原理 一种自行组织起来的结构、模式、形态．或者它们 所呈现的特性、行为、功能，不是系统的构成成分所固有的， 而是组织的产物、组织的效应，是通过众多组分相互作用而 在整体上突现(涌现)出来的，是由组分自下而上自发产生的。
组织行为的动力。没有组分之间的合作，没有系统与环境
之间的合作，不会有新结构的出现。没有组分之间的竞争， 特别是没有系统与环境中其他系统的竞争，也不会有新结 构的出现。合作与竞争本质上是非线性的。线性的相互作 用至多能产生平庸的自组织，真正的自组织只能出现在非
线性系统中，而且要有足够强的非线性才行。
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组织。只有正确而又充分地对外开放，才能保证系统出现自组织。 • 以上论证只对于明确定义了可计算熵的系统才有实际意义。但

在隐响的意义上，其结论运用于一切系统。
• 自组织过程是系统开放性与封闭性的统一。
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自组织原理
• 非线性原理 满足叠加原理的线性系统无法产生整体突现 性，整体突现性是系统组成部分之间、系统与环境之间非 线性相互作用的产物，是典型的非线性效应。组分之间的 相互作用大体分为合作和竞争两种形式，都是系统产生自
• “自己运动”机理——自组织理论
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自组织理论发展过程
• 第一批自组织理论出现于19世纪中叶。
• 达尔文的进化论是生物学的自组织理论，自然选择（或物竞天择） 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， 生产力决定生产关系、经济基础决定上层建筑的原理是对社会历 史系统自组织机制的一种理论阐述。 • 相变理论是物理学的自组织理论，系统地解释了物质三态转变的 机理。 • 以上三者都是某个特定领域的自组织理论，但都未提出和使用自 组织概念。前两种理论还停留于，对自组织现象的定性描述，尚 不满足现代科学的规范要求。相变理论是关于自组织现象的定量 描述，但限于物理学范围，且只能描述平衡过程的自组织。 3
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自组织判据
序参量判据 如果宏观变量P当系统处于无序状态时为0，处于有 序状态时不为0，P的性质可以指示有序结构的产生和转变，则称 P为系统的一个序参量。相变理论最先提出序参量概念。哈肯把 它推广到非平衡相交，提出序参量原理，建立了有广泛应用的协 同学。但序参量判据也不是普适的，像生命、社会、思维等复杂 系统，一般难以确定有效的序参量。哈肯把语言、科学学派等作 为序参量，只在隐喻的意义上有价值，无法对系统作出定量描述 (有人因此而建议称为序因子)，也就无法应用协同学原理处理这 类问题。 • 非线性动力学没有明确提出自组织判据问题。它以稳定定态概 念来表征系统结构，到达稳定定态就意味着建立起一定的有序结 构，从一个稳定定态向另一个稳定定态转变就是从一种有序结构 向另一种有序结构转变。这实质上也是一种判据，只要有了系统 的动力学方程，即可按严谨的数学方法作出判断，十分有效。但 当面临没有或无法建立动力学方程的复杂系统时，这种方法也无 13 助于解决问题。
与负反馈适当结合起来，才能实现系统的自我组织。线性系统要
么有正反馈而无负反馈，要么有负反馈而无正反馈；非线性系统 才可能同时有正反馈和负反馈，把两者适当结合起来，使系统能 够自我创造、维持和更新。
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自组织原理
• 不稳定性原理 新结构的出现要以原有结构失去稳定性为前提，
或者以破坏系统与环境的稳定平衡为前提。但新结构只有能够稳
第八章 自组织系统理论
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8.1概述
• 在不同领域和层次上，存在各种各样的结构、模式、形态 • 物理层次：晶体、山峦、云团、星球 • 生命层次：花卉、树木、飞禽走兽 • 社会领域：家庭、社区、村镇、城市、国家等 • 精神领域：语言、概念、理论、文化 • 这些结构、模式及形态是如何产生的？如何演化的？支配它们的 一般原理？ • 历史上哲学——“自己运动”
dHm dt
(8．5)
最大熵Hm由系统的规模(可能状态数)决定， ＞0表示系统 不断增加状态和元素，相当于系统从环境中吸收营养而不断
dHm dt
壮大其规模，即自我组织。 ＜0表示系统通过实践和学习不