系統(tǒng)科學(xué)中的老三論 新三論

系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域“老三論”、“新三論”一、引言老三論系統(tǒng)論、控制論和信息論是本世紀四十年代先后創(chuàng)立并獲得迅猛發(fā)展的三門系統(tǒng)理論的分支學(xué)科。雖然它們僅有半個世紀，但在系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域中已是資深望重的元老，合稱“老三論”。人們摘取了這三論的英文名字的第一個字母，把它們稱之為SCI論。耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、突變論是本世紀七十年代以來陸續(xù)確立并獲得極快進展的三門系統(tǒng)理論的分支學(xué)科。它們雖然時間不長，卻已是系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域中年少有為的成員，故合稱“新三論”，也稱為DSC論。二、“老三論”、“新三論”理論概述1、系統(tǒng)論、控制論和信息論系統(tǒng)論的創(chuàng)始人是美籍奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲。系統(tǒng)論要求把事物當作一個整體或系統(tǒng)來研究，并用數(shù)學(xué)模型去描述和確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為。所謂系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成的、具有特定功能的有機整體;而系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分。貝塔朗菲旗幟鮮明地提出了系統(tǒng)觀點、動態(tài)觀點和等級觀點。指出復(fù)雜事物功能遠大于某組成因果鏈中各環(huán)節(jié)的簡單總和，認為一切生命都處于積極運動狀態(tài)，有機體作為一個系統(tǒng)能夠保持動態(tài)穩(wěn)定是系統(tǒng)向環(huán)境充分開放，獲得物質(zhì)、信息、能量交換的結(jié)果。系統(tǒng)論強調(diào)整體與局部、局部與局部、系統(tǒng)本身與外部環(huán)境之間互為依存、相互影響和制約的關(guān)系，具有目的性、動態(tài)性、有序性三大基本特征。控制論是著名美國數(shù)學(xué)家維納（WienerN）同他的合作者自覺地適應(yīng)近代科學(xué)技術(shù)中不同門類相互滲透與相互融合的發(fā)展趨勢而創(chuàng)始的。它擺脫了牛頓經(jīng)典力學(xué)和拉普拉斯機械決定論的束縛，使用新的統(tǒng)計理論研究系統(tǒng)運動狀態(tài)、行為方式和變化趨勢的各種可能性?？刂普撌茄芯肯到y(tǒng)的狀態(tài)、功能、行為方式及變動趨勢，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，揭示不同系統(tǒng)的共同的控制規(guī)律，使系統(tǒng)按預(yù)定目標運行的技術(shù)科學(xué)。信息論是由美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)創(chuàng)立的，它是用概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法，從量的方面來研究系統(tǒng)的信息如何獲取、加工、處理、傳輸和控制的一門科學(xué)。信息就是指消息中所包含的新內(nèi)容與新知識，是用來減少和消除人們對于事物認識的不確定性。信息是一切系統(tǒng)保持一定結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)。狹義信息論是研究在通訊系統(tǒng)中普遍存在著的信息傳遞的共同規(guī)律、以及如何提高各信息傳輸系統(tǒng)的有效性和可靠性的一門通訊理論。廣義信息論被理解為使運用狹義信息論的觀點來研究一切問題的理論。信息論認為，系統(tǒng)正是通過獲取、傳遞、加工與處理信息而實現(xiàn)其有目的的運動的。信息論能夠揭示人類認識活動產(chǎn)生飛躍的實質(zhì)，有助于探索與研究人們的思維規(guī)律和推動與進化人們的思維活動。2、耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論和突變論（以下黑體字部分是不同表述而已）新三論是指：突變論、協(xié)同論、耗散結(jié)構(gòu)論。突變理論突變論是法國數(shù)學(xué)家托姆創(chuàng)立的。突變論是通過對事物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，來揭示事物質(zhì)變規(guī)律的學(xué)問。一個普通系統(tǒng)的質(zhì)變，不僅僅是通過漸變，突變方式也能實現(xiàn)質(zhì)變。突變理論告訴人們，不是所有的自然、社會、思維狀態(tài)都可以被控制者隨意控制的，而是只有那些在控制因素尚未到達臨界值之前的狀態(tài)是可控的，如果控制因素一旦達到某一臨界值，則控制為隨機的，甚至?xí)兂蔁o法控制的突變過程。突變理論告訴人們，事物的質(zhì)變方式除漸變方式之外，還有一種突變方式，如何掌握突變方式問題，是一個科學(xué)思維問題。而由突變方式引起的質(zhì)變自然時效要高。創(chuàng)造者如何求得這種時效，關(guān)鍵在于樹立突變觀念和掌握突變思維的方法與藝術(shù)。突變理論是比利時科學(xué)家托姆在1972年創(chuàng)立的。其研究重點是在拓撲學(xué)、奇點理論和穩(wěn)定性數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)之上，通過描述系統(tǒng)在臨界點的狀態(tài)，來研究自然多種形態(tài)、結(jié)構(gòu)和社會經(jīng)濟活動的非連續(xù)性突然變化現(xiàn)象，并通過耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論與系統(tǒng)論聯(lián)系起來，并對系統(tǒng)論的發(fā)展產(chǎn)生推動作用.。突變理論通過探討客觀世界中不同層次上各類系統(tǒng)普遍存在著的突變式質(zhì)變過程，揭示出系統(tǒng)突變式質(zhì)變的一般方式，說明了突變在系統(tǒng)自組織演化過程中的普遍意義；它突破了牛頓單質(zhì)點的簡單性思維，揭示出物質(zhì)世界客觀的復(fù)雜性。突變理論中所蘊含著的科學(xué)哲學(xué)思想，主要包含以下幾方面的內(nèi)容:內(nèi)部因素與外部相關(guān)因素的辯證統(tǒng)一；漸變與突變的辯證關(guān)系；確定性與隨機性的內(nèi)在聯(lián)系；質(zhì)量互變規(guī)律的深化發(fā)展。突變理論的產(chǎn)生突變理論是20世紀70年代發(fā)展起來的一個新的數(shù)學(xué)分支。許多年來，自然界許多事物的連續(xù)的、漸變的、平滑的運動變化過程，都可以用微積分的方法給以圓滿解決。例如，地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)，有規(guī)律地周而復(fù)始地連續(xù)不斷進行，使人能及其精確地預(yù)測未來的運動狀態(tài)，這就需要運用經(jīng)典的微積分來描述。但是，自然界和社會現(xiàn)象中，還有許多突變和飛躍的過程，飛越造成的不連續(xù)性把系統(tǒng)的行為空間變成不可微的，微積分就無法解決。例如，水突然沸騰，冰突然融化，火山爆發(fā)，某地突然地震，房屋突然倒塌，病人突然死亡……。這種由漸變、量變發(fā)展為突變、質(zhì)變的過程，就是突變現(xiàn)象，微積分是不能描述的。以前科學(xué)家在研究這類突變現(xiàn)象時遇到了各式各樣的困難，其中主要困難就是缺乏恰當?shù)臄?shù)學(xué)工具來提供描述它們的數(shù)學(xué)模型。那么，有沒有可能建立一種關(guān)于突變現(xiàn)象的一般性數(shù)學(xué)理論來描述各種飛躍和不連續(xù)過程呢這迫使數(shù)學(xué)家進一步研究描述突變理論的飛躍過程，研究不連續(xù)性現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論。1972年法國數(shù)學(xué)家雷內(nèi)?托姆在《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學(xué)》一書中，明確地闡明了突變理論，宣告了突變理論的誕生。突變理論的內(nèi)容突變理論主要以拓撲學(xué)為工具，以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)，提出了一條新的判別突變、飛躍的原則：在嚴格控制條件下，如果質(zhì)變中經(jīng)歷的中間過渡態(tài)是穩(wěn)定的，那么它就是一個漸變過程。比如拆一堵墻，如果從上面開始一塊塊地把磚頭拆下來，整個過程就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的漸變過程。如果從底腳開始拆墻，拆到一定程度，就會破壞墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，墻就會嘩啦一聲，倒塌下來。這種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性就是突變、飛躍過程。又如社會變革，從封建社會過渡到資本主義社會，法國大革命采用暴力來實現(xiàn)，而日本的明治維新就是采用一系列改革，以漸變方式來實現(xiàn)。對于這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與不穩(wěn)定現(xiàn)象，突變理論用勢函數(shù)的洼存在表示穩(wěn)定，用洼取消表示不穩(wěn)定，并有自己的一套運算方法。例如，一個小球在洼底部時是穩(wěn)定的，如果把它放在突起頂端時是不穩(wěn)定的，小球就會從頂端處，不穩(wěn)定滾下去，往新洼地過渡，事物就發(fā)生突變；當小球在新洼地底處，又開始新的穩(wěn)定，所以勢函數(shù)的洼存在與消失是判斷事物的穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性、漸變與突變過程的根據(jù)。托姆的突變理論，就是用數(shù)學(xué)工具描述系統(tǒng)狀態(tài)的飛躍，給出系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)的參數(shù)區(qū)域，參數(shù)變化時，系統(tǒng)狀態(tài)也隨著變化，當參數(shù)通過某些特定位置時，狀態(tài)就會發(fā)生突變。突變理論提出一系列數(shù)學(xué)模型，用以解是自然界和社會現(xiàn)象中所發(fā)生的不連續(xù)的變化過程，描述各種現(xiàn)象為何從形態(tài)的一種形式突然地飛躍到根本不同的另一種形式。如巖石的破裂，橋梁的斷裂，細胞的分裂，胚胎的變異，市場的破壞以及社會結(jié)構(gòu)的激變……。按照突變理論，自然界和社會現(xiàn)象中的大量的不連續(xù)事件，可以由某些特定的幾何形狀來表示。托姆指出，發(fā)生在三維空間和一維空間的四個因子控制下的突變，有七種突變類型：折迭突變、尖頂突變、燕尾突變、蝴蝶突變、雙曲臍突變、橢圓臍形突變以及拋物臍形突變。例如，用大拇指和中指夾持一段有彈性的鋼絲，使其向上彎曲，然后再用力壓鋼絲使其變形，當達到一定程度時，鋼絲會突然向下彎曲，并失去彈性。這就是生活中常見的一種突變現(xiàn)象，它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)：上彎和下彎，狀態(tài)由兩個參數(shù)決定，一個是手指夾持的力（水平方向），一個是鋼絲的壓力（垂直方向），可用尖頂突變來描述。尖頂突變和蝴蝶突變是幾種質(zhì)態(tài)之間能夠進行可逆轉(zhuǎn)的模型。自然界還有些過程是不可逆的，比如死亡是一種突變，活人可以變成死人，反過來卻不行。這一類過程可以用折迭突變、燕尾突變等時函數(shù)最高奇次的模型來描述。所以，突變理論是用形象而精確的得數(shù)學(xué)模型來描述質(zhì)量互變過程。英國數(shù)學(xué)家奇曼教授稱突變理論是“數(shù)學(xué)界的一項智力革命——微積分后最重要的發(fā)現(xiàn)”。他還組成一個研究團體，悉心研究，擴展應(yīng)用。短短幾年，論文已有四百多篇，可成為盛極一時，托姆為此成就而榮獲當前國際數(shù)學(xué)界的最高獎——菲爾茲獎。突變理論的應(yīng)用突變理論在在自然科學(xué)的應(yīng)用是相當廣泛的。在物理學(xué)研究了相變、分叉、混沌與突變的關(guān)系，提出了動態(tài)系統(tǒng)、非線性力學(xué)系統(tǒng)的突變模型，解釋了物理過程的可重復(fù)性是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的表現(xiàn)。在化學(xué)中，用蝴蝶突變描述氫氧化物的水溶液，用尖頂突變描述水的液、氣、固的變化等。在生態(tài)學(xué)中研究了物群的消長與生滅過程，提出了根治蝗蟲的模型與方法。在工程技術(shù)中，研究了彈性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過橋梁過載導(dǎo)致毀壞的實際過程，提出最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計……。突變理論在社會現(xiàn)象的一個用歸納為某種量的突變問題，人們施加控制因素影響社會狀態(tài)是有一定條件的，只有在控制因素達到臨界點之前，狀態(tài)才是可以控制的。一旦發(fā)生根本性的質(zhì)變，它就表現(xiàn)為控制因素所無法控制的突變過程。還可以用突變理論對社會進行高層次的有效控制，為此就需要研究事物狀態(tài)與控制因素之間的相互關(guān)系，以及穩(wěn)定區(qū)域、非穩(wěn)定區(qū)域、臨界曲線的分布特點，還要研究突變的方向與幅度。協(xié)同理論協(xié)同理論是聯(lián)邦德國科學(xué)家哈肯創(chuàng)立的。系統(tǒng)由混亂狀態(tài)轉(zhuǎn)為有一定結(jié)構(gòu)的有序狀態(tài)，首先需要環(huán)境提供物質(zhì)流、能量流和信息流。當一個非自組織系統(tǒng)具備充分的外界條件時，怎樣形成一定結(jié)構(gòu)的自組織呢協(xié)同理論為人們提供了一個極好的方法，那就是設(shè)法增加系統(tǒng)有序程度的參數(shù)一序參量。這種序參量決定了系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)和類型，這就是哲學(xué)中指出的外因是變化的條件，內(nèi)因是變化的根據(jù)，外因通過內(nèi)因而起作用的觀點。協(xié)同理論告訴人們，系統(tǒng)從無序到有序的過程中，不管原先是平衡相變，還是非平衡相變，都遵守相同的基本規(guī)律，即協(xié)調(diào)規(guī)律。這對于創(chuàng)新工作極為重要。將這一規(guī)律運用到創(chuàng)造性思維中，學(xué)會尋求思維系統(tǒng)的有序量，使其思維系統(tǒng)有序化，從而達到創(chuàng)新工作的有序，自然就會形成一系列有序的、協(xié)調(diào)的思維方法與藝術(shù)。協(xié)同論是20世紀70年代聯(lián)邦德國著名理論物理學(xué)家赫爾曼?哈肯在1973年創(chuàng)立的。他科學(xué)地認為自然界是由許多系統(tǒng)組織起來的統(tǒng)一體，這許多系統(tǒng)就稱為小系統(tǒng)，這個統(tǒng)一體就是大系統(tǒng)。在某個大系統(tǒng)中的許多小系統(tǒng)既相互作用，又相互制約，它們的平衡結(jié)構(gòu)，而且由舊的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌慕Y(jié)構(gòu)，則有一定的規(guī)律，研究本規(guī)律的科學(xué)就是協(xié)同論。協(xié)同學(xué)理論是處理復(fù)雜系統(tǒng)的一種策略。協(xié)同學(xué)的目的是建立一種用統(tǒng)一的觀點去處理復(fù)雜系統(tǒng)的概念和方法。協(xié)同論的重要貢獻在于通過大量的類比和嚴謹?shù)姆治?，論證了各種自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)從無序到有序的演化，都是組成系統(tǒng)的各元素之間相互影響又協(xié)調(diào)一致的結(jié)果。它的重要價值在于既為一個學(xué)科的成果推廣到另一個學(xué)科提供了理論依據(jù)，也為人們從已知領(lǐng)域進入未知領(lǐng)域提供了有效手段。耗散結(jié)構(gòu)論自組織現(xiàn)象是指自然界中自發(fā)形成的宏觀有序現(xiàn)象。在自然界中這種現(xiàn)象是大量存在的，理論研究較多的典型實例如：貝納德(BQnard)流體的對流花紋，貝洛索夫一扎鮑廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化學(xué)振蕩花紋與化學(xué)波，激光器中的自激振蕩等。自組織理論除耗散結(jié)構(gòu)理論外，還包括協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論等，它們力圖溝通物理學(xué)與生物學(xué)甚至社會科學(xué)，對時間本質(zhì)問題等的研究有突破性進展，在相當程度上說明了生物及社會領(lǐng)域的有序現(xiàn)象。耗散結(jié)構(gòu)是自組織現(xiàn)象中的重要部分，它是在開放的遠離平衡條件下，在與外界交換物質(zhì)和能量的過程中，通過能量耗散和內(nèi)部非線性動力學(xué)機制的作用，經(jīng)過突變而形成并持久穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)始人是伊里亞?普里戈金(IlyaPrigogine)教授，由于對非平衡熱力學(xué)尤其是建立耗散結(jié)構(gòu)理論方面的貢獻，他榮獲了1977年諾貝爾化學(xué)獎。普里戈金的早期工作在化學(xué)熱力學(xué)領(lǐng)域，1945年得出了最小熵產(chǎn)生原理，此原理和翁薩格倒易關(guān)系一起為近平衡態(tài)線性區(qū)熱力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。普里戈金以多年的努力，試圖把最小熵產(chǎn)生原理延拓到遠離平衡的非線性區(qū)去，但以失敗告終，在研究了諸多遠離平衡現(xiàn)象后，使他認識到系統(tǒng)在遠離平衡態(tài)時，其熱力學(xué)性質(zhì)可能與平衡態(tài)、近平衡態(tài)有重大原則差別。以普里戈金為首的布魯塞爾學(xué)派又經(jīng)過多年的努力，終于建立起一種新的關(guān)于非平衡系統(tǒng)自組織的理論一耗散結(jié)構(gòu)理論。這一理論于1969年由普里戈金在一次“理論物理學(xué)和生物學(xué)”的國際會議上正式提出。耗散結(jié)構(gòu)理論提出后，在自然科學(xué)和社會科學(xué)的很多領(lǐng)域如物理學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、哲學(xué)等都產(chǎn)生了巨大影響。著名未來學(xué)家阿爾文?托夫勒在評價普里戈金的思想時，認為它可能代表了一次科學(xué)革命。耗散結(jié)構(gòu)理論可概括為：一個遠離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)（不管是物理的、化學(xué)的、生物的乃至社會的、經(jīng)濟的系統(tǒng)）通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在系統(tǒng)內(nèi)部某個參量的變化達到一定的閾值時，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這種在遠離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持，因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”（dissipativestructure）。［5］可見，要理解耗散結(jié)構(gòu)理論，關(guān)鍵是弄清楚如下幾個概念：遠離平衡態(tài)、非線性、開放系統(tǒng)、漲落、突變。（1）遠離平衡態(tài)遠離平衡態(tài)是相對于平衡態(tài)和近平衡態(tài)而言的。平衡態(tài)是指系統(tǒng)各處可測的宏觀物理性質(zhì)均勻（從而系統(tǒng)內(nèi)部沒有宏觀不可逆過程）的狀態(tài)，它遵守熱力學(xué)第一定律：dE二dQ-pdV,即系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)所吸收的熱量減去系統(tǒng)對外所做的功；熱力學(xué)第二定律：dS/dt>=0,即系統(tǒng)的自發(fā)運動總是向著熵增加的方向；和波爾茲曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即溫度為T的系統(tǒng)中內(nèi)能為Ei的子系統(tǒng)的比率為pi.近平衡態(tài)是指系統(tǒng)處于離平衡態(tài)不遠的線性區(qū)，它遵守昂薩格（Onsager）倒易關(guān)系和最小熵產(chǎn)生原理。前者可表述為：Lij=Lji，即只要和不可逆過程i相應(yīng)的流Ji受到不可逆過程j的力Xj的影響，那么，流Ji也會通過相等的系數(shù)Lij受到力Xi的影響。后者意味著，當給定的邊界條件阻止系統(tǒng)達到熱力學(xué)平衡態(tài)（即零熵產(chǎn)生）時，系統(tǒng)就落入最小耗散（即最小熵產(chǎn)生）的態(tài)。遠離平衡態(tài)是指系統(tǒng)內(nèi)可測的物理性質(zhì)極不均勻的狀態(tài)，這時其熱力學(xué)行為與用最小熵產(chǎn)生原理所預(yù)言的行為相比，可能頗為不同，甚至實際上完全相反，正如耗散結(jié)構(gòu)理論所指出的，系統(tǒng)走向一個高熵產(chǎn)生的、宏觀上有序的狀態(tài)。非線性系統(tǒng)產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的內(nèi)部動力學(xué)機制，正是子系統(tǒng)間的非線性相互作用，在臨界點處，非線性機制放大微漲落為巨漲落，使熱力學(xué)分支失穩(wěn)，在控制參數(shù)越過臨界點時，非線性機制對漲落產(chǎn)生抑制作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定到新的耗散結(jié)構(gòu)分支上。開放系統(tǒng)熱力學(xué)第二定律告訴我們，一個孤立系統(tǒng)的熵一定會隨時間增大，熵達到極大值，系統(tǒng)達到最無序的平衡態(tài)，所以孤立系統(tǒng)絕不會出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)。那么開放系統(tǒng)為什么會出現(xiàn)本質(zhì)上不同于孤立系統(tǒng)的行為呢其實，在開放的條件下，系統(tǒng)的熵增量dS是由系統(tǒng)與外界的熵交換deS和系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)生diS兩部分組成的,即：dS二deS+diS熱力學(xué)第二定律只要求系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)生非負，即diS>=0,然而外界給系統(tǒng)注入的熵deS可為正、零或負，這要根據(jù)系統(tǒng)與其外界的相互作用而定，在deS<0的情況下，只要這個負熵流足夠強，它就除了抵消掉系統(tǒng)