第2章SE基本理论3(新发展理论)

耗散结构理论、协同论、突变论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。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环境问题协同学基本上是解决自组织的动力学问题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。在这样的定位下，不同的方法论不存在逻辑冲突，它们是一个序列，是一个研究自组织各个方面和全过程的方法论集合体，它们各自在整体的自组织方法论中有自己的“生态龛”。32.3.SE理论：自组织理论（Self-organizingTheory）自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论，主要是L.VonBertalanfy的一般系统论的新发展。它的研究对象主要是复杂自组织系统（生命系统、社会系统）的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。4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。研究对象主要是复杂自组织系统（生命系统、社会系统）的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。德国哲学家康德（Kant，1724.4—1804.2）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（CharlesRobertDarwin）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；相变理论是物理学的自组织理论。这二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。5组织与系统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。前一种情况组织作名词解，后一种情况作动词解。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组织是从结构和有序化的立场上把握对象6德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。7自组织定义：无需外界特定指令而能自行组织、自行创生、自行演化，能够自主的从无序走向有序，形成有序结构的系统。自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。如大江大河的流动，生态的循环等。自组织过程的实现方式：自创生、自生长、自适应、自复制。自组织是现代非线性科学和非平衡态热力学的最令人惊异的发现之一。基于对物种起源、生物进化和社会发展等过程的深入观察和研究，一些新兴的横断学科从不同的角度对自组织的概念给予了解说：从系统论的观点来说，自组织是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精细度的过程；从热力学的观点来说，自组织是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息，而不断地降低自身的熵含量，提高其有序度的过程；从统计力学的观点来说，自组织是指一个系统自发地从最可几状态向几率较低的方向迁移的过程；8从不同的角度理解“自组织”从进化论的观点来说，自组织是指一个系统在遗传、变异和优胜劣汰机制的作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从而不断提高其对于环境的适应能力的过程。C.R.Darwin的生物进化论的最大功绩就是排除了外因的主宰作用，首次从内在遗传突变的自然选择机制的过程中来解释物种的起源和生物的进化；从结构论-泛进化理论的观点来说，自组织是指一个开放系统的结构稳态从低层次系统向高层次系统的构造过程，因系统的物质、能量和信息的量度增加，而形成比如生物系统的分子系统、细胞系统到器官系统乃至生态系统的组织化度增加，基因数量和种类自组织化和基因时空表达调控等导致生物的进化与发育（Evo-Dev）过程。910自组织理论方法主要包括：自组织的条件方法论自组织的协同动力学方法论自组织演化路径（突变论）的方法论自组织超循环结合方法论自组织分形结构方法论自组织动力学（混沌）演化过程论综合的自组织理论方法论111、自组织的协同动力学方法论有三大要点：第一，通过竞争形成网络：在大量子系统存在的事物内部，在输入必要的物质、能量和信息的基础上，通过激励竞争，形成影响和相互作用的网络；第二，提倡合作：形成与竞争相抗衡的必要的张力，并不受干扰地让合作的某些优势自发地、自主地形成更大的优势；第三，出现序参量，系统有序发展：一旦形成序参量后，要注意序参量的支配不能采取被组织方式进行，应按照体系的自组织过程在序参量支配的规律下组织系统的动力学过程。这可能产生两种有序运动，一种是数量化的水平增长使其复杂性和组织程度的演化，另一种则是突变式的组织程度跃升动力学演化。122、自组织演化路径的方法论演化的路径具有多样性，有三条路径：一是经过临界点或临界区域的演化路径，演化结局难以预料，小的激励极可能导致大的涨落；二是演化的间断性道路，有大的跌宕和起伏，常出现突然的变化，其间大部分演化路径可以预测，但有些区域或结构点不可预测；三是渐进的演化道路，路径基本可以预测。突变论所利用的形态演化方法（结构化方法）在整体背景上进行自组织演化路径的突变可能性分析，为研究者提供了一个整体观。133、综合的自组织方法论5、通过自组织的方法论，使得在自然界中纯粹自发的自组织的发展，在人类演化中成为一种自觉的行为。1、对于一个开放系统，可以通过创造条件，加强物质、能量与信息输入使得自组织过程得以产生。2、激励系统内部子系统的非线性相互作用，通过竞争、合作推动系统产生整体新的模式和功能。3、通过循环耦合，突变渐变途径，使得系统得以维持自组织并且发展演化的多样性，增强有序程度和关联程度。4、通过自相似构建和寻求混沌临界点或域，将系统的演化推进到最大的复杂性可能空间，创造演化有序发展的良机。142.4.SE理论：新增理论1.超循环理论超循环理论：20世纪70年代德国化学家艾根(ManfredEigen)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环，即“超循环”也可以出现再高层次的超循环。15超循环有如下一些重要性质：①超循环使借助于循环联系起来的所有物种稳定共存，允许它们相干地增长，并与不属于此循环的复制单元竞争。②超循环可以放大或缩小，只要这种改变具有选择的优势。③超循环一旦出现便可稳定地保持下去。总之，生物大分子的形成和进化的逐步发展过程需要超循环的组织形式。它既是稳定的又允许变异，因而导致普适密码的建立，并在密码的基础上构成细胞。16设有n个物种，其状态变量记作xi(i=1,2,...,n)，它们形成自复制的催化超循环结构需要依靠外界的能量和物质流来维持，在不断复制过程中会产生误差，这样就导致优势物种的变异。描述这种进化过程的方程组是：式中：Ai是复制率,Qi是模板的品质因子,Di是分解率,Фji是j物种到i物种的误合成系数，Ω是环境影响因子，可以是非线性的。因此在这一方程组中包含了物种变异的各种因素。17超循环理论的意义1、超循环理论对于生物大分子的形成和进化提供了一种模型。对于具有大量信息并能遗传复制和变异进化的生物分子，其结构必然是十分复杂的。超循环结构便是携带信息并进行处理的一种基本形式。2、在复杂系统中信息量的积累和提取不可能在一个单一的不可逆过程中完成，多个不可逆过程或循环过程将是高度自组织系统的结构方式之一。2、社会经济系统也是个超循环系统，具有超循环系统的一切特征。182.混沌理论混沌理论：是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的研讨。混沌理论认为在混沌系统中，初始条件十分微小的变化，经过不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。我们引用西方的一首民谣来说明：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。“相对论消除了关于绝对空间和时间的幻想；量子力学则消除了关于可控测量过程的牛顿式的梦；而混沌则消除了拉普拉斯关于决定论式可预测的幻想。”19混沌理论两个基本概念：1）未来无法确定。如果你某一天确定了，那是你撞上了。2）事物的发展是通过自我相似的秩序来实现的。看见云彩，知道他是云彩，看见一座山，就知道是一座山，凭什么？就是自我相似。混沌理论关于事物发展的原则：一个是事物的发展总是向他阻力最小的方向运动。第二个原则当事物改变方向的时候，他存在一些结构。20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。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”的过渡性形态都能进行研究。21混沌现象的意义1.lorenz蝴蝶效应现象：是指事物发展的结果对初始条件具有极为敏感的依赖性.初始条件极小的偏差将会引起结果的巨大差异。2.阿瑟的路径锁定效应：事物的发展过程对道路和规则的选择有依赖性，一旦选择了某种道路就很难改弦易辙。3.Logistic倍周期分叉现象：事物在经历了一定的阶段之后，就必然会迎来一个崭新的阶段。在新旧阶段交替的时点上，人们将面临选择的两难困境，同时，人们也只能在各种两难选择方案中确定其中之一种，作为其发展的道路。这种选择的过程，就称为倍周期分叉现象。它在现实世界的政治、经济、生活中具有普遍性。224.政治、经济生活中的奇怪吸引子现象：当一个国家或地区的政治、经济体系处于结构变革时期时，它的体系就属于结构耗散系统。这时该国的政治或经济生活中就会出现一些按常理难以解释的奇特现象，而且这种现象的影响力极大。这种现象就叫奇怪吸引子现象5.无穷多分叉的混沌现象当一个企业或一个企业群面临着无穷多两难选择时，当一个人或一群人面临着无穷多职业、生活等两难选择时，那么就说企业和人都处在一种面临选择困境的混沌状态。233.分形理论分形理论是当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科。分形的概念是美籍数学家曼德布罗特(B.B.Mandelbort)首先提出的。1967年他在《科学》杂志上发表了题为《英国的海岸线有多长?》的著名论文。海岸线作为曲线,其特征是极不规则、极不光滑的,呈现极其蜿蜒复杂的变化。我们不能从形状和结构上区分这部分海岸与那部分海岸有什么本质的不同,这种几乎同样程度的不规则性和复杂性,说明海岸线在形貌上是自相似的,也就是局部形态和整体态的相似。在没有建筑物或其他东西作为参照物时,在空中拍摄的100公里长的海岸线与放大了的10公里长海岸线的两张照片,看上去会十分相似。25具有自相似性的形态广泛存在于自然界中,如:连绵的山川、飘浮的云朵、岩石的断裂口、布朗粒子运动的轨迹、树冠、花菜、大脑皮层……,曼德布罗特把这些部分与整体以某种方式相似的形体称为分形(fractal)。1975年,他创立了分形几何学(fractalgeometry)。在此基础上,形成了研究分形性质及其应用的科学,称为分形理论(fractaltheory)。分形理论的重要原则:自相似原则和迭代生成原则26根据自相似性的程度，分形可以