1、自组织理论 复杂性研究的欧洲学派,北京师范大学 姜璐,想法及说明,希望对理解某些哲学问题有帮助； 对象是各种学科背景的人，讲的内容以科学为基础； 对社会科学、哲学的联想只起到启发思路的作用，很可能是可笑的； 对讲课中的科学问题（主要是物理学）愿意讨论、解答；对其他学科（社会科学、哲学等）不敢再深入发言； 联系方式：,目录,一、产生背景 二、自组织理论的创始人 三、自然界的耗散结构 四、自组织的理论内容（演化方程、役使原则） 五、启发与反思,一、产生背景,对宇宙的认识，存在两种不同的看法： 一种认为宇宙是静止的，世间的万物一直没有改变；周期运动，也认为是一种不变，周期的不变。 静止宇宙的思想,牛
2、顿现代科学的基础。 问题：“上帝第一推动力”。,一、产生背景（二）,另一种认为宇宙是演化的，自然界的一切事物都是随时间变化的。 时间是有箭头的，时间反演是不对称的，用事物的变化来确定时间的方向。 自然界的任何事物都有一个发生、发展、壮大、消亡的过程。3K背景辐射、外星体光谱的红移推出宇宙膨胀,两个演化方向,无生命世界多是退化现象。浓度不同 浓度一样，温度不同温度一样，扩散、传导、辐射简单、均匀、平衡，宇宙热寂。 生命世界的进化现象。从单细胞演化成整个生物界；人类社会从每个家庭、村庄、部落全都一样地进行同样生产的均匀情况劳动分工，男耕女织，商业，形成复杂的社会形态。 生命、社会、经济的发展、进步
3、，走向复杂、非平衡，出现结构。多个物体在一起，发生相互作用的结果，存在 “马太效应”。 存在两个真理？,果耶尔（Koyre）就指出：“有件事情牛顿是应该负责任的或者更确切地说，负有责任的还不仅仅是牛顿一个人，而且一般来讲应该是整个现代科学这件事情就是把我们的世界一分为二。我曾经说过，现代科学早已把分割天体和地球之间的壁垒推倒，并且由两者结合起来，统一成为一个整体宇宙。这是千真万确的。但是我还曾说过，现代科学对宇宙的研究表明，它是研究另外一个世界，即量的世界，一个奇妙的几何世界，在这个世界中一切事物都有其位置，但却没有人的位置，它用这个世界取代我们赖以生存、爱慕、传宗接代、充满感性认识的质的世界
4、。从而，科学的世界真实的世界远离生活的世界，完全与之分离开来，科学对它也无力解释，即使是做出一种软弱无力的解释，也只能是“主观的”表面现象。” “事实上，由于科学实践，这两个世界几乎是每天而且是一天比一天更甚地结合起来。但是作为理论，它们由于根本的分歧总还是彼此分离的。” “两个世界，也可以说两个真理，或者说没有任何真理。”,同时期另一位科学家 魏格纳（Wigner）也提出了相同的看法 ：“近代科学中最重要的间隙是什么？显然是物理科学与精神科学的分离。实际上物理学家和心理学家之间毫无共同之处或许，物理学家为心理学方面较肤浅的研究提供的某些工具可以除外，而心理学家警告物理学家要小心以免所隐藏的欲
5、望影响他的思考和发现。”,欧洲学派的自组织理论正是从试图解决实际存在两种演化方向的角度来研究复杂性问题的。 他们采取的解决途径是在自然界、无生命世界找到了进化的现象、马太效应。 他们统一了演化理论：进化、退化都是客观世界可以存在的演化方向，只是条件不同系统实现演化的结果不同而已； 他们针对比较简单、容易讨论的自然界“进化”现象，建立起自组织理论，进而用自然界的自组织理论解释社会的进化现象。,二、自组织理论的创始人，,普里高津（I Prigoginer），布鲁塞尔学派，从化学反应研究出发 哈肯（H Haken）德国学派，以激光研究为背景,普里高津：白俄罗斯人，1917年出生于莫斯科，1921年随
6、家移居国外，1929年定居比利时，2003年卒于布鲁塞尔。 他于1941年在比利时的布鲁塞尔自由大学获得博士学位，1951年开始担任该校理学院教授，1959年任国际索尔维物理和化学研究所所长，1967年兼任美国得克萨斯大学统计力学中心主任。他曾先后任比利时皇家科学院院长、美国全国科学院外籍院士。 1965年提出耗散结构概念，1977年获得诺贝尔化学奖，1978年出版非平衡系统中的自组织专著，形成布鲁塞尔学派。 1979年以来，普里高津多次到我国交流访问，被北京师范大学等多所大学聘为名誉教授。,哈肯：德国人，1927年出生在德国的莱比锡，1951年在爱尔朗根大学获数学博士学位，1956年成为该校
7、理论物理讲师，1960年到斯图加特大学任理论物理学教授，1967年担任霍恩海姆大学荣誉教授。 他是联邦德国利奥波迪纳科学院院士、巴伐利亚科学院通讯院士，他还担任美国、英国、法国、日本、苏联等多个国家大学、研究机构的课座科学家、课座教授等。 他的研究领域非常广泛，包括群论、固态物理、激光物理、统计物理、非线性科学等，1969年提出协同学理论。 1976年他被授予马克思玻恩奖金和奖章，1981年被美国富兰克林研究院授予米切尔森奖章，1984年获德国功勋科学家称号。,三、自然界的耗散结构（进化现象）,美丽的岩石花纹 变化无穷的云彩花样， 以及冬天的雪花等等， 实际上都是自然界形成的有组织的有序结构。
8、,贝纳德对流,这是一个由法国青年物理学家贝纳德（Benard）于1900年利用流体完成的著名实验。 上下温度差比较小时，流体微团为杂乱的热运动，整个系统显示出整体的对称性，流体表现为宏观上的静止； 当温差T大于临界值TC时，大量的分子被组织起来协同参加了统一的运动，出现了流动。在流体上下对流的状态下，系统从原本无序的热运动中产生了规则的流动，形成了正六边形图样，,耗散结构特点,外界环境控制。这种花样是活的花样，是以不断消耗外界供给的能量为代价的，一旦对流体停止从下方加热，流体微团协同定向运动停止，花样也随之被破坏。 宏观尺度。是宏观的花样，是依靠流体微团的不停运动而形成的，微观上没有花样。 临
9、界点。花样在临界点突然形成，存在相变。 触发机制。发生时间地点有一定随意性。,贝洛索夫萨波金斯基反应（BZ反应）,铈离子催化下的柠檬酸被溴酸钾氧化反应。类似一类反应称为B-Z反应。 看到现象：非线性特点混合物颜色周期性地在红色和蓝色之间变换（反应不同，颜色不同），呈现出时间结构、化学振荡的现象。 容器中不同部位的各种成分存在浓度不均匀，形成空间分布花样。反应介质呈现出时间、空间上的周期变化结构，即时空结构的化学波。分叉、混沌现象。,四、自组织理论内容,概念：耗散结构，序参量，对称破缺，时空结构，熵，稳定性，鲁棒性 结论：最小熵产生，役使原则 数学工具：微分方程，稳定性分析，突变论，超循环理论，
10、分叉理论,概念（序参量）,描述系统整体有序程度可定义序参量概念。 系统状态众多的变量，可以大致分成两类： 一类随时间变化快，数量多，被称为快变量， 另一类数量少，随时间变化慢，被称为慢变量，它也可以被作为序产量。,结论（1）,利用昂萨格非平衡系统内流与力之间的倒易关系，证明了在近平衡区，系统满足最小熵产生原理，不可能形成稳定的有序结构。 通过分析，给出了系统进化形成耗散结构要满足的四个条件：即系统开放，要与外界有物质、能量、信息的交换；系统内部子系统之间要存在非线性相互作用；系统要远离平衡态；系统要存在自身的涨落。,结论（2）,研究临界点附近的运动发现，并总结出役使原理（Slaving Pri
11、nciple）。在系统发生质变（物理学称为相变）时，子系统杂乱无章的运动将被统一的协同作用所代替，其过程主要由慢变量决定，快变量对质变没有影响，它的变化完全由慢变量来决定。 应用：在多变量复杂系统演化发生相变时，可以对众多的快变量进行绝热消去，将描述系统演化的多变量微分方程的个数大大减少；典型情况下，慢变量只有一个，方程简化成单变量的微分方程，使问题完全可解。,数学工具微分方程,根据系统的演化机制，建立描述系统状态变量满足的非线性抛物型微分方程组。通常称其为反应扩散方程。 一般来讲，无法精确求解。 数值计算，给出针对某些参数的系统演化曲线。 微分方程的定性理论，如稳定性理论、分叉理论等，给出系
12、统发生相变的条件，以及出现的稳定有序结构的具体形式。 利用在研究非线性问题时建立的突变论、超循环理论、混沌理论、分形理论等来研究自组织理论所讨论的问题。,数学工具（2）,对系统进行微观层次上的分析，通常选择随机变量进行讨论。 根据简单巨系统演化的机制建立随机变量满足的主方程、FokkerPlanck方程、或Langevin方程，针对方程的不同形式，选择相应的数学方法进行求解。 无论宏观上用反映扩散方程讨论，还是微观上用三种随机微分方程来分析，都已经形成了相当完整的理论体系，提出了不少数学处理问题的方法。,自组织与控制论之间差别,讨论要点1)控制论研究系统演化（复习）2)从控制看自组织（新观点）
13、,1)控制论研究系统演化,不关注能否通过控制达到目标，多数讨论能控能观空间的行为； 关注如何实现（过程）：时间长短，变化情况，最优控制。 控制的是系统的状态变量，它与输出的关系看得清楚。,2)从控制看自组织,控制量与输出量（量）无定性正比例关系，是相变控制，输出突然变化、性质变化。 控制量与输出量（质）在对称性上没有关系，例：竖直的控制，导出水平方向上的变化。 目前未找到控制与输出之间机制上的关系。自组织是无奈之举，还是确实如此？ 控制是形成条件，提供可能性，是否发生输出改变，存在触发机制（涨落）；控制结果有多种可能性，具体出现那一种状态有随机性。 另一角度看：适应环境。自组织不是达尔文进化论
14、，更像突变论,五、自组织理论给我们启发 （应用原则）,自组织理论作为研究复杂系统演化的一种理论，可以很好地解决简单巨系统的演化问题。有适用范围。 凡是简单巨系统，或经过简化、近似可以化成简单巨系统的实际问题都可以应用这一理论进行讨论，并且可以得到与实际非常符合的结果。 很多系统不能简化为简单巨系统，对于这些系统我们将无法对它们进行分析，必须选择或建立其他理论来进行讨论。,五、自组织理论给我们启发,首先，从有序结构形成的条件上来看，在国家发展、企业经营上都很有借鉴意义。必须突出优势，形成互补，加强交流，加强协作，不能搞大而全、小而全，那种经济上万事不求人的想法是有害的。当前政治多元化、经济全球化
15、，正体现出自组织理论对全球系统有序结构的分析。,其次，役使原理告诉我们在研究系统相变问题上，主要矛盾就是由慢变量反映的内容，我们抓住了慢变量就是抓住了主要矛盾。 管理工作中，质量与数量的关系，质量是主要矛盾，在完成生产任务与培养人才上，应该对人才培养花更多的精力，这才能使企业发展得更好。 内容好像尽人皆知，但是现在是把经验之谈，建立在了稳固的科学理论上，更自觉地按科学规律思考问题、处理工作。给哲学规律具体的解释、说明，使抽象的哲学更形象、生动。,第三，自组织管理理论。 管理工作实际上就是控制，采取的计件、考核等办法，控制工人的工作状态，控制工人的输出，很容易引起工人的反感。 自组织管理强调对环
16、境的管理，控制环境，形成一定的氛围，依靠工人自己组织，提高工作效率。自组织理论是人文关怀管理的理论基础，在管理工作中建立激励机制，进行间接管理、情感管理，发挥工人自身的积极性。,补充,对自组织理论的反思 钱老的系统科学,一、不足数学工具的局限性,方程在反映系统演化上起着重要作用：状态用变量（连续）表示，相互作用用方程（初级用函数，方程可以看成变化率的函数关系）表示，（微分、迭代） 数字化原则上解决状态描述问题 需要用多种数学工具反映演化规律,一、不足初级理论,讨论相互作用不分层次：每一个子系统以相同的概率（时间、强度）与所有子系统作用 子系统数目要满足热力学极限（数目趋于无穷，单位体积的广延量
17、不变） 未脱离简单系统的体系（无涌现、有叠加原理）（存在两个层次，如质心；整体局部关系，如统计物理）,二、增加复杂性,层次性：分部讨论，增加计算难度，只要每个局部仍保持简单巨系统性质，自组织理论可以讨论 对其他子系统相互作用非等概率，数学采用贝叶斯概率体系 存在极大化要求适应自然环境实现能量（自由能）最小、熵最大机器学习 存在涌现性（下面重点分析） 主客观交互、符号信息作用等造成的复杂性，现在未讨论,二、改进分析工具,讨论要点：计算机描述系统状态， 计算机实现系统演化， 计算机建立宏观微观联系,1、描述系统状态,复杂系统状态描述的多样性（形状、颜色、图形、分布等） ， 各类状态数字化可能性，建
18、立1-1对应关系，实现状态“可视” 要解决理论与实践问题：连续状态变量离散化描述，人眼视觉要求,2、计算机实现系统演化,“定理”：数字化信息之间的关系可以通过计算机程序实现，（红+黄=绿） 困难：怎样用计算机程序实现实际物理演化机制是核心问题 目前工具：遗传算法，神经网络算法，模拟退火算法，更多的是再现实际演化情况 观点：没有不能实现的机制，多数是对演化机制认识不清,3、计算机建立宏观微观联系,局域演化规则，反映子系统之间作用 计算机图形反映整体状态 具体问题在技术层面解决，理论研究落后 观点：对系统建立以计算机为数学工具的演化理论（原来只注意数值计算、文字处理、程序管理）,三、涌现复杂系统层
19、次之间关系,讨论重点宏观与微观之间的关系 计算机能否、如何解决这一问题,1、涌现复杂系统 层次之间关系（下到上）,宏观状态变量是微观变量的简单取和：体积、总产值非涌现，简单系统、简单巨系统 宏观状态变量是微观变量的加总，需用新的变量描述：动量与压强，平动动能与温度涌现，简单巨系统 宏观状态变量在微观时不存在（被瓦解）：计算机图形涌现,涌现复杂系统 层次之间关系（下到上）,宏观状态变量与微观变量加总没有简单数量关系涌现，三个臭裨将顶个诸葛亮 宏观与微观性质发生变化，形成新的“集团”涌现，氢氧结合成水（常温液体，热容量最大） 涌现出的“集团”是进化的依托，集团（功能块）是研究的基础（没必要，不可能
20、从头研究） 还原论方法失效（可能，没必要不可能，社会系统永远不可能？）,屏蔽复杂系统 层次之间关系（下到上）,只讨论性质改变出现的涌现（前述）， 屏蔽与涌现同时出现，单独一个性质不存在？一个方面的屏蔽，另一方面的涌现 在还原论方法为基础的研究中，不重视屏蔽（寻找宏观性质的微观解释）,层次之间全面关系,整体的涌现性，是组织、结构带来的新性质； 整体的屏蔽性，是组织、结构约束和限制了局部的展示； 还原的释放性，是整体的解构（约束和限制的解除）； 还原的消失性，是整体的瓦解（组织的性质当然消失）。,如何分析层次之间关系（方法论）,分别在两个层次上对系统进行分析（状态描述；演化原因分析），然后建立两个
21、层次之间的关系 给出微观演化机制，按照给定机制，得出系统性质，与观察到系统性质比较；根据差别修正模型，不断计算、比较、修正，直至得到满意结果,2、计算机能否解决涌现,宏观、微观，两类变量之间有联系，但无数量关系，目前无法解决。可能属于社会系统研究内容。 计算机容易处理的两类涌现（宏观上消失、新出现）；宏观状态变量在微观时不存在问题是是当前讨论重点复杂适应性系统。 技术层面，解决具体问题；统一看法要利用哲学。,观点总结,自组织理论讨论了复杂性（有序状态描述，相变条件）未脱离牛顿体系（利用微积分，沿用叠加原理） 使用计算机是关键变化，重点研究涌现问题（两个层次之间联系） 网络突出关系，体现整体与局
22、部之间区别（涌现）值得总结 具体问题研究是切入点脑神经、功能材料、生物体（蛋白质）,二、钱学森及创立系统科学,钱学森经历 钱学森对系统科学贡献 系统科学结构,认识钱老,空气动力学实验室教授， 三代大师：冯 卡门（1881），钱学森（1911），普朗特（1875） 学术成果：空气动力学，工程控制论（MIT经典教材），物理力学 培养人才：力学所，控制论、运筹学研究室，创办科技大学（院士、出国） ，系统学讨论班 科学研究方向：物理力学，发展飞机（或导弹）；战略科学家:系统工程、系统科学，总体设计部 了解途径：四本文集：工程控制论（戴汝为、何善育译）、论系统工程、创建系统学、钱学森系统科学思想研究；十
23、本书信；“上交大”纪念馆,学科体系上贡献,十一大学科门类：数学、自然科学、系统科学、人体科学、思维科学、行为科学、社会科学、军事科学、文学艺术、地理科学、建筑科学 三个层次：基础理论（系统学）、技术基础（控制论、运筹学）、工程技术（系统工程） 马克思主义哲学及桥梁系统论（丰富了内容） 与其他研究的关系：管理科学、复杂性科学、非线性科学、信息科学、现代科学哲学,系统科学学科结构,简单系统（牛顿力学体系） 复杂系统简单巨系统（热力学系统自组织理论）复杂巨系统复杂适应性系统（生物系统演化理论）开放的复杂巨系统（社会系统综合集成，大成智慧）,简单系统,子系统数量少，相互作用简单（计算机使用，子系统为几
24、十个） 可以解决问题测度为零（线性谐振子、二体问题、氢原子），近似方法大量应用 线性体系，叠加原理,简单系统（续）,线性化：演化机制线性化，（量子力学为例）氢原子为基础，氢分子、氦原子（1，忽略电子间作用），氟原子（2，空穴概念），碱金属（3，原子实概念），卤族元素（2+3），碱土金属（2+1），硫族元素（2+3+1）演化时间线性化：动态规划转变成线性规划,简单巨系统,特点：子系统数量多，相互作用简单；使用统计平均，N趋于无穷 两个层次问题，存在涌现，实际无法解决 重点研究非平衡统计（外界控制下系统自组织形成有序结构）,简单巨系统（续）,在宏观层次研究非线性问题 层次之间仍然按叠加原理计算 思
25、想方法上，从线性（最简单）到最复杂（无穷多字系统，指数相互作用）,复杂巨系统I （复杂适应性系统）,特点：子系统有学习、适应能力；整体有序结构呈现某种分布，用数学式子难以表达；层次之间存在涌现 计算工具：采用计算机程序，分析子系统之间相互作用 新内容：信息作用突现,复杂巨系统II （开放的复杂巨系统）,经济系统、社会系统、教育系统、金融系统 子系统（人）本身是一个复杂系统，演化性质不清楚 进行简化研究：现代社会科学理论（人力资本、数理经济学等）、金融物理学、简单巨系统理论、人工智能 从定性到定量的综合集成研讨厅体系 人机结合，以人为主,研讨厅体系,结构与过程：人机结合，以人为主；专家系统、数据
26、库系统、模型系统（根据对象建立）。 从定性到定量的综合集成：定性促进模型建立，模型运算得到定量结论，专家定性判断合理性，最终给出定量结论及实现途径，多次定量结论促成更高层次定性结论的形成。 咨询专家集体（公正性），利用数据支持（真实性），解决实际问题（动态性）。,谢谢,补充,一、复杂性研究的思考（涌现复杂系统层次之间关系）二、钱学森及创立系统科学三、系统科学对经济的几点思考,三、系统科学对经济的几点思考,平衡与结构市场经济与计划经济,平衡与结构,物理学中的平衡：系统的状态变量（X）不随时间（t）不随空间（r）改变。 状态随任何量的改变则称为非平衡 结构：组成系统的各部分有规律的分布，相互之间性能的配合、组织、关系等。 物理上的平衡结构（晶体）与非平衡结构 社会科学：均衡发展，市场均衡多指非平衡结构,市场经济与计划经济,经济运行的两种模式：市场、计划 自组织市场经济，发展和谐，国家创造条件。自组织理论 它组织（控制）计划经济，国家安排生产，利于应对危机；综合集成研讨厅体系思想 人是微观演员，又借助国家形成环境，因此不能套用前面的理论。是一个需要研究的课题。,谢谢,
