自组织系统理论

才能保持有序结构。这种分类是以现代热力学为根据给出的的，
但耗散结构十分广泛，不仅存在于物理界，一切生命系统和社会
系统都是耗散结构，精神领域的各种系统，如语言、科学理论、
文化形态等，也是耗散结构。
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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
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。
• 历史上哲学——“自己运动”
• “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。
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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
即可保持其结构，甚至只有隔断与外界的联系才能长久保持自己。
系统在远离平衡态的条件下通过相变而形成的有序结构，称为耗
散结构，基本特点是只有与外部环境不断交换物质、能量、信息，
• 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。
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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，
• 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。
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Hale Waihona Puke Baidu 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 有在能够给出熵S的可计算数学形式时才有实际意义，这只在很
(8．3)
Hm
• 在0与1之间取值， =0表示系统完全无序，系统增加信息意
味着增加剩余度，即
d 0
dt
(8．4)
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自组织判据
• 在系统自组织过程中，信息熵H和最大熵Hm都是时间的函数。
将(8．3)代入(8．4)，有
•
H dHm Hm dH
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？
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有限的情况下能够作到。哈肯认为嫡判据太粗糙是有道理的。
自组织判据
• 信息判据
• 信息是负熵，有序度、组织度增加的过程是系统增加信息的过程， 有序度、组织度减少的过程是系统损失信息的过程。因此，一些
系统理论家，待别是控制理论家，试图以系统信息量的变化作为
自组织的判据，令 记系统的剩余度。
•
1 H
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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
•
Pi exp Ei 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。
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
• 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：
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 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。
• 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