復(fù)雜性和自組織理論綜述

1、復(fù)雜性和自組織理論綜述復(fù)雜性和自組織理論綜述第二次世界大戰(zhàn)以后，科學(xué)發(fā)展出現(xiàn)一個(gè)大轉(zhuǎn)折，即從簡(jiǎn)單性科學(xué)向復(fù)雜性科學(xué)發(fā)展?，F(xiàn)代的第二次世界大戰(zhàn)以后，科學(xué)發(fā)展出現(xiàn)一個(gè)大轉(zhuǎn)折，即從簡(jiǎn)單性科學(xué)向復(fù)雜性科學(xué)發(fā)展。現(xiàn)代的技術(shù)和社會(huì)已經(jīng)變得十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的研究方法和研究手段已經(jīng)不再滿(mǎn)足要求。這是用系統(tǒng)科學(xué)處技術(shù)和社會(huì)已經(jīng)變得十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的研究方法和研究手段已經(jīng)不再滿(mǎn)足要求。這是用系統(tǒng)科學(xué)處理復(fù)雜性問(wèn)題研究興起的背景?？刂茖W(xué)家阿希貝提出研究復(fù)雜系統(tǒng)的

2、戰(zhàn)略。信息學(xué)家魏沃爾“科學(xué)理復(fù)雜性問(wèn)題研究興起的背景。控制學(xué)家阿希貝提出研究復(fù)雜系統(tǒng)的戰(zhàn)略。信息學(xué)家魏沃爾“科學(xué)與復(fù)雜性”是當(dāng)時(shí)復(fù)雜性探索的最高成就，認(rèn)為未來(lái)科學(xué)主要研究有組織的復(fù)雜性。自組織理論標(biāo)與復(fù)雜性”是當(dāng)時(shí)復(fù)雜性探索的最高成就，認(rèn)為未來(lái)科學(xué)主要研究有組織的復(fù)雜性。自組織理論標(biāo)志復(fù)雜性探索的高潮。自組織理論認(rèn)為應(yīng)該以自組織為基本概念來(lái)探索復(fù)雜性的本質(zhì)和根源。志復(fù)雜性探索的高潮。自組織理論認(rèn)為應(yīng)該以自組織為基本概念來(lái)探索復(fù)雜性的本質(zhì)

3、和根源。HakenHaken基于代數(shù)復(fù)雜性定義一般復(fù)雜性，認(rèn)為復(fù)雜性研究的關(guān)鍵是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空特性和功能結(jié)構(gòu)的變基于代數(shù)復(fù)雜性定義一般復(fù)雜性，認(rèn)為復(fù)雜性研究的關(guān)鍵是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空特性和功能結(jié)構(gòu)的變化?；?。PrigoginePrigogine學(xué)派斷言現(xiàn)代科學(xué)在一切層次上都會(huì)遇到復(fù)雜性問(wèn)題，只是在復(fù)雜性的類(lèi)型，程度學(xué)派斷言現(xiàn)代科學(xué)在一切層次上都會(huì)遇到復(fù)雜性問(wèn)題，只是在復(fù)雜性的類(lèi)型，程度和層次上有所不同，主張建立復(fù)雜性科學(xué)。他們提出的耗散結(jié)構(gòu)

4、理論為探索生物復(fù)雜性和社會(huì)復(fù)雜和層次上有所不同，主張建立復(fù)雜性科學(xué)。他們提出的耗散結(jié)構(gòu)理論為探索生物復(fù)雜性和社會(huì)復(fù)雜性奠定了基礎(chǔ)。性奠定了基礎(chǔ)。8080年代末以來(lái)，圣塔菲研究所致力于建立能夠處理一切復(fù)雜性問(wèn)題的一元化理論，研究手段是年代末以來(lái)，圣塔菲研究所致力于建立能夠處理一切復(fù)雜性問(wèn)題的一元化理論，研究手段是計(jì)算機(jī)模擬。雖然能夠處理一切復(fù)雜性問(wèn)題的一元化理論很不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)閺?fù)雜性科學(xué)不是一門(mén)學(xué)計(jì)算機(jī)模擬。雖然能夠處理一切復(fù)雜性問(wèn)題的一元

5、化理論很不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)閺?fù)雜性科學(xué)不是一門(mén)學(xué)科，而是未來(lái)科學(xué)的總稱(chēng)。但他們關(guān)于演化經(jīng)濟(jì)學(xué)，人工生命，復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)，科，而是未來(lái)科學(xué)的總稱(chēng)。但他們關(guān)于演化經(jīng)濟(jì)學(xué)，人工生命，復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)，HopfieldHopfield網(wǎng)絡(luò)模型，自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)，“混沌邊緣”的研究成果深化了學(xué)術(shù)界對(duì)復(fù)雜性和復(fù)雜性科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)模型，自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)，“混沌邊緣”的研究成果深化了學(xué)術(shù)界對(duì)復(fù)雜性和復(fù)雜性科學(xué)的認(rèn)識(shí)。錢(qián)學(xué)森提出開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)概念并制定一套研

6、究方法，他把復(fù)雜性研究納入系統(tǒng)科學(xué)體認(rèn)識(shí)。錢(qián)學(xué)森提出開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)概念并制定一套研究方法，他把復(fù)雜性研究納入系統(tǒng)科學(xué)體系，采用系統(tǒng)概念解釋復(fù)雜性?，F(xiàn)在還不可能給復(fù)雜性下一個(gè)精確的，統(tǒng)一的定義。我認(rèn)為應(yīng)該從系，采用系統(tǒng)概念解釋復(fù)雜性?，F(xiàn)在還不可能給復(fù)雜性下一個(gè)精確的，統(tǒng)一的定義。我認(rèn)為應(yīng)該從系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性角度出發(fā)來(lái)定義復(fù)雜性，即復(fù)雜性是開(kāi)放的，元素之間關(guān)聯(lián)方式差異顯著的，多系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性角度出發(fā)來(lái)定義復(fù)雜性，即復(fù)雜性是開(kāi)放的，元素之

7、間關(guān)聯(lián)方式差異顯著的，多層次巨系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。層次巨系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。下面介紹自組織理論及用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)來(lái)研究復(fù)雜性。下面介紹自組織理論及用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)來(lái)研究復(fù)雜性。耗散結(jié)構(gòu)理論（耗散結(jié)構(gòu)理論（19671967年P(guān)rigoginePrigogine創(chuàng)建）認(rèn)為一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開(kāi)放系統(tǒng)通過(guò)不斷與外界交換物質(zhì)創(chuàng)建）認(rèn)為一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開(kāi)放系統(tǒng)通過(guò)不斷與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件變化達(dá)到一定閾值時(shí)，就可能從原來(lái)的無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)空上或功

8、能上和能量，在外界條件變化達(dá)到一定閾值時(shí)，就可能從原來(lái)的無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)空上或功能上有序的狀態(tài)。一個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自組織而形成耗散結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足：有序的狀態(tài)。一個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自組織而形成耗散結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足：（1）系統(tǒng)開(kāi)放，系統(tǒng)充分開(kāi)放就有可能驅(qū)使系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)。）系統(tǒng)開(kāi)放，系統(tǒng)充分開(kāi)放就有可能驅(qū)使系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)。（2）系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)。）系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)。（3）系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)烈的非線(xiàn)性作用，正反饋成為系統(tǒng)演化的建設(shè)性作用。）系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)烈的非線(xiàn)性

9、作用，正反饋成為系統(tǒng)演化的建設(shè)性作用。（4）漲落，系統(tǒng)形成耗散結(jié)構(gòu)的源動(dòng)力。）漲落，系統(tǒng)形成耗散結(jié)構(gòu)的源動(dòng)力。耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為系統(tǒng)通過(guò)漲落達(dá)到有序，其中非線(xiàn)性正反饋對(duì)于導(dǎo)致漲落放大有著決定性意耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為系統(tǒng)通過(guò)漲落達(dá)到有序，其中非線(xiàn)性正反饋對(duì)于導(dǎo)致漲落放大有著決定性意義。耗散結(jié)構(gòu)可以看作由于物質(zhì)和能量交換而穩(wěn)定了的巨漲落。通過(guò)漲落達(dá)到有序?qū)嵸|(zhì)是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)義。耗散結(jié)構(gòu)可以看作由于物質(zhì)和能量交換而穩(wěn)定了的巨漲落。通過(guò)漲落達(dá)到有序?qū)嵸|(zhì)是通

10、過(guò)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同，因此競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同是系統(tǒng)自組織演化的動(dòng)力和源泉。實(shí)現(xiàn)協(xié)同，因此競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同是系統(tǒng)自組織演化的動(dòng)力和源泉。19771977年HakenHaken在把握激光一類(lèi)非平衡相變內(nèi)在機(jī)制的基礎(chǔ)上，吸收耗散結(jié)構(gòu)理論和突變理論的合在把握激光一類(lèi)非平衡相變內(nèi)在機(jī)制的基礎(chǔ)上，吸收耗散結(jié)構(gòu)理論和突變理論的合理內(nèi)核，創(chuàng)建了一套處理各種非平衡相變的統(tǒng)一方法，統(tǒng)一地解決了系統(tǒng)從無(wú)序到有序的過(guò)程。役理內(nèi)核，創(chuàng)建了一套處理各種非平衡相變的統(tǒng)一方法，統(tǒng)一地解決

11、了系統(tǒng)從無(wú)序到有序的過(guò)程。役使原理和最大熵原理是協(xié)同學(xué)的兩大基本原理。協(xié)同學(xué)認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用導(dǎo)使原理和最大熵原理是協(xié)同學(xué)的兩大基本原理。協(xié)同學(xué)認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用導(dǎo)致系統(tǒng)的質(zhì)變。每個(gè)子系統(tǒng)存在自發(fā)地傾向無(wú)序的運(yùn)動(dòng)和子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)引起的協(xié)調(diào)，合作的運(yùn)致系統(tǒng)的質(zhì)變。每個(gè)子系統(tǒng)存在自發(fā)地傾向無(wú)序的運(yùn)動(dòng)和子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)引起的協(xié)調(diào)，合作的運(yùn)動(dòng)。協(xié)同學(xué)采用相變理論中的序參量來(lái)刻畫(huà)系統(tǒng)有序程度。序參量通過(guò)子系統(tǒng)的競(jìng)

12、爭(zhēng)和協(xié)同產(chǎn)生并動(dòng)。協(xié)同學(xué)采用相變理論中的序參量來(lái)刻畫(huà)系統(tǒng)有序程度。序參量通過(guò)子系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同產(chǎn)生并支配著各個(gè)子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)序參量的支配著各個(gè)子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)序參量的口，當(dāng)控制參數(shù)在混沌區(qū)內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)作混沌與周期兩種運(yùn)動(dòng)?；煦缇哂凶酉嗨茖哟吻短捉Y(jié)構(gòu)?？?，當(dāng)控制參數(shù)在混沌區(qū)內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)作混沌與周期兩種運(yùn)動(dòng)。混沌具有子相似層次嵌套結(jié)構(gòu)?；煦缇哂薪Y(jié)構(gòu)普適性和測(cè)度普適性?；煦缋碚撜J(rèn)為復(fù)雜性來(lái)自混沌的邊緣。促使人們更加深刻地認(rèn)混沌具

13、有結(jié)構(gòu)普適性和測(cè)度普適性。混沌理論認(rèn)為復(fù)雜性來(lái)自混沌的邊緣。促使人們更加深刻地認(rèn)識(shí)無(wú)序和有序的相互轉(zhuǎn)化，確定性和隨機(jī)性的統(tǒng)一，穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性的結(jié)合，自組織過(guò)程的復(fù)雜識(shí)無(wú)序和有序的相互轉(zhuǎn)化，確定性和隨機(jī)性的統(tǒng)一，穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性的結(jié)合，自組織過(guò)程的復(fù)雜性。在某些臨界點(diǎn)上，控制參量變化引起系統(tǒng)定性性質(zhì)（如定態(tài)點(diǎn)的類(lèi)型，個(gè)數(shù)，在相空間的分布性。在某些臨界點(diǎn)上，控制參量變化引起系統(tǒng)定性性質(zhì)（如定態(tài)點(diǎn)的類(lèi)型，個(gè)數(shù)，在相空間的分布以及穩(wěn)定性）的變

14、化稱(chēng)為分叉。以及穩(wěn)定性）的變化稱(chēng)為分叉。分叉理論研究分叉的類(lèi)型，發(fā)生條件，如何求分叉解以及解的穩(wěn)定性，解的對(duì)稱(chēng)破缺等。與突分叉理論研究分叉的類(lèi)型，發(fā)生條件，如何求分叉解以及解的穩(wěn)定性，解的對(duì)稱(chēng)破缺等。與突變理論不同，突變理論強(qiáng)調(diào)的是臨界點(diǎn)上變化的不連續(xù)性，而分叉理論強(qiáng)調(diào)的是臨界點(diǎn)的多重性和變理論不同，突變理論強(qiáng)調(diào)的是臨界點(diǎn)上變化的不連續(xù)性，而分叉理論強(qiáng)調(diào)的是臨界點(diǎn)的多重性和選擇性。分叉意味著獲取新質(zhì)的不確定性，這是由于系統(tǒng)在自組織過(guò)程中

15、系統(tǒng)內(nèi)部的不確定性和環(huán)選擇性。分叉意味著獲取新質(zhì)的不確定性，這是由于系統(tǒng)在自組織過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)部的不確定性和環(huán)境因素的不確定性。分叉是系統(tǒng)演化過(guò)程中一種普遍存在的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。系統(tǒng)演化過(guò)程中經(jīng)過(guò)一系境因素的不確定性。分叉是系統(tǒng)演化過(guò)程中一種普遍存在的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。系統(tǒng)演化過(guò)程中經(jīng)過(guò)一系列的分叉而形成逐級(jí)分叉序列，不斷分叉導(dǎo)致系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性不斷增加。系統(tǒng)后續(xù)演化所建列的分叉而形成逐級(jí)分叉序列，不斷分叉導(dǎo)致系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性不斷增加。系統(tǒng)

16、后續(xù)演化所建立的定態(tài)與先前經(jīng)過(guò)的分叉路徑有關(guān)，第一次揭示物理系統(tǒng)存在歷史性。當(dāng)分叉點(diǎn)上存在不止一個(gè)立的定態(tài)與先前經(jīng)過(guò)的分叉路徑有關(guān)，第一次揭示物理系統(tǒng)存在歷史性。當(dāng)分叉點(diǎn)上存在不止一個(gè)新的穩(wěn)定分支解時(shí)，系統(tǒng)有兩種選擇方式：誘導(dǎo)破缺方式和自發(fā)破缺方式。分叉的基本類(lèi)型有鞍結(jié)新的穩(wěn)定分支解時(shí)，系統(tǒng)有兩種選擇方式：誘導(dǎo)破缺方式和自發(fā)破缺方式。分叉的基本類(lèi)型有鞍結(jié)分叉、跨臨界分叉、叉式分叉、霍普夫分叉、單極限環(huán)分叉、環(huán)面分叉、吸引子分叉。分叉、跨

17、臨界分叉、叉式分叉、霍普夫分叉、單極限環(huán)分叉、環(huán)面分叉、吸引子分叉。系統(tǒng)論的基本原理：系統(tǒng)論的基本原理：（1）整體性原理。系統(tǒng)是由若干要素組成的具有獨(dú)立要素所沒(méi)有的性質(zhì)和功能的有機(jī)整體，表現(xiàn)出）整體性原理。系統(tǒng)是由若干要素組成的具有獨(dú)立要素所沒(méi)有的性質(zhì)和功能的有機(jī)整體，表現(xiàn)出整體的性質(zhì)和功能不等于各個(gè)要素性質(zhì)和功能的簡(jiǎn)單疊加。整體的性質(zhì)和功能不等于各個(gè)要素性質(zhì)和功能的簡(jiǎn)單疊加。（2）層次性原理：由于組成系統(tǒng)的各個(gè)要素存在各種差異，系統(tǒng)組

18、織在地位和作用，結(jié)構(gòu)和功能上）層次性原理：由于組成系統(tǒng)的各個(gè)要素存在各種差異，系統(tǒng)組織在地位和作用，結(jié)構(gòu)和功能上表現(xiàn)出具有質(zhì)的差異的等級(jí)秩序性即層次性。表現(xiàn)出具有質(zhì)的差異的等級(jí)秩序性即層次性。（3）開(kāi)放性原理：系統(tǒng)具有不斷與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)，能量，信息交換的性質(zhì)和功能，開(kāi)放性是系）開(kāi)放性原理：系統(tǒng)具有不斷與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)，能量，信息交換的性質(zhì)和功能，開(kāi)放性是系統(tǒng)演化的前提，也是系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。統(tǒng)演化的前提，也是系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。（4）目

19、的性原理：系統(tǒng)在與環(huán)境相互作用的過(guò)程中，在一定范圍內(nèi)系統(tǒng)的發(fā)展和變化幾乎不受條件）目的性原理：系統(tǒng)在與環(huán)境相互作用的過(guò)程中，在一定范圍內(nèi)系統(tǒng)的發(fā)展和變化幾乎不受條件和途徑的影響，表現(xiàn)出某種趨向預(yù)定狀態(tài)的特性。和途徑的影響，表現(xiàn)出某種趨向預(yù)定狀態(tài)的特性。（5）突變性原理：系統(tǒng)失穩(wěn)而發(fā)生狀態(tài)變化是一個(gè)突變過(guò)程，是系統(tǒng)質(zhì)變的一種基本形式。系統(tǒng)發(fā)）突變性原理：系統(tǒng)失穩(wěn)而發(fā)生狀態(tài)變化是一個(gè)突變過(guò)程，是系統(tǒng)質(zhì)變的一種基本形式。系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中存在分叉

20、而且突變方式很多，使系統(tǒng)質(zhì)變和發(fā)展也存在多樣性。展過(guò)程中存在分叉而且突變方式很多，使系統(tǒng)質(zhì)變和發(fā)展也存在多樣性。（6）穩(wěn)定性原理：開(kāi)放系統(tǒng)能夠在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，保持和恢復(fù)系統(tǒng)原有的有序狀態(tài)，）穩(wěn)定性原理：開(kāi)放系統(tǒng)能夠在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，保持和恢復(fù)系統(tǒng)原有的有序狀態(tài)，功能結(jié)構(gòu)，具有一定自我穩(wěn)定的能力。功能結(jié)構(gòu)，具有一定自我穩(wěn)定的能力。（7）自組織原理：開(kāi)放系統(tǒng)由于復(fù)雜的非線(xiàn)性作用而使?jié)q落得以放大，從而產(chǎn)生更大范圍更強(qiáng)烈的