协同学——大自然构成的奥秘

协同学：大自然构成的奥秘
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扉页文字
协同学是近二十年来新兴的、影响最大、普适性最强的横断学科之一。

协同学指出：无论什么系统从无序向有序的变化，也不管平衡相变还是非平衡相变，都是大量子系统相互作用又协调一致的结果，都可以用同样的理论方案和数学模型处理。

因此，正如《法兰克福汇报》所言：“哈肯创立的协同学不仅是可以应用于许多方面的—种物理理论，它也是对整个世界进行观察的一种新的方法。

”哈肯教授由此荣获联邦德国大十字勋章，成为与普里戈金、托姆、艾根等齐名的世界第一流科学家。

本书是哈肯本人通俗论述协同学的名著，受到国际学术界的普遍称誉。

全书不用一个数理公式，而是以大量插图和实例作深入浅出、引人入胜的介绍，并先后以德、英、意、西、日等国文字出版面世。

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 《译者的话》节选
作者：凌复华
哈肯教授所著《协同学——大自然构成的奥秘》，通俗而又生动地阐述了他所创立的协同学的要义，是揭开大自然成功之谜的一个尝试。

与仿生学简单地分析和模仿生物器官功能的目标不同，协同学试图从相当一般的角度，探讨有序、有规律结构的形成，不仅放眼无生命世界，且更关注有生命世界，甚至涉及人类社会的精神领域。

而一旦对这种规律有所了解，当然能进而加以利用，为人类造福。

这个课题是如此地广博宏大，看起来像是一项无法完成的任务。

对哲学有兴趣的读者说不定还会皱起眉头：这会不会又是一种曾被恩格斯在《反杜林论》中严肃批判过的假科学，何况哈肯又正好与十九世纪那些“不动则已，一动就要创造一个完整的‘体系’”的德国蹩脚哲学家属于同一民族。

为了作出判断，最好的办法当然是先耐心读完本书。

然而，性急的读者，或者时间不够的读者，总是喜欢先翻翻前言后语，有时甚至就此决定是否该读这本书。

因此，译者试图先把本书的要旨作一个简略的介绍。

然而，这是一本趣味盎然并且充满睿智的好书，我不敢声称已掌握了它的全部精义。

因此，这番介绍的主要目的在于引起读者的兴趣，至于本书中蕴藏的丰富精湛的思想，还有待读者在仔细阅读中自行发掘和品尝。

在介绍哈肯教授的答案之前，必须首先澄清两点。

第一点是什么叫做“序”。

遗憾的是在哲学上从未对一般的“序”下过定义，因此在各种学科中各有不同的理解。

数学家认为，若A大于B，B大于C，则A大于C，这就是“序”；生物学家则认为从卵发育为蝌蚪，为幼蛙，为成蛙，然后再产卵，这就是“序”；而许多物理学家则认为，临界涨落导致对称破缺，这就是“序”。

哈肯教授正是在这个意义上讨论了什么是有序、有规律的结构。

另一点涉及研究方法。

传统的西方哲学的分析方法，看来不甚适用于研究这类广博宏大的问题，因为这些研究者到头来都会像坐在一堆拆散的玩具汽车零件面前哭泣的孩子一样，既没有搞清汽车怎么会行驶，又不能把零部件重新完整地装配起来（参看本书第1章）。

只有用东方哲学的综合方法，才有希望探讨这类问题。

好了，现在可以说明哈肯教授的答案了。

这个答案出奇地简单，三言两语便可以说清楚。

哈肯教授认为，系统表现无序性，归根结底是因为其中存在着使系统表现不同状态的多种因素，这些因素相互竞争，没有哪一种能取得压倒的优势。

但若客观条件到达某个关节点，则往往只剩下两种（甚或多种）因素势均力敌，难分上下，这时再加上某种偶然性的作用，就可以使天平倒向一边，某种因素趋向主导，压倒所有对手，掌握全局，而使相应的状态脱颖而出。

这种在关节点出现的偶然性，便是所谓“临界涨落”，而两种因素不再同等（对称），便是所谓“对称破缺”。

一旦这种局面出现，其他因素就“趋炎附势”，摇身一变，投到主导因素的麾下。

偶有不甘倒戈者，毕竟势单力孤，终于或早或迟自行泯灭。

另一种也有所见的情形是，两种或多种状态相互合作，造成一种新的主导状态。

不过这也显然不脱上述理论的窠臼。

还应该注意到，上述过程都是在一定的客观条件下自发地产生的，因此是一种“自组织”的过程。

最后，自组织过程通常需要与外界有能量交换或物质交换，或二者兼而有之。

从这段简单的论述可见，无论是有序还是无序状态，都是多种因素共同作用的结果。

哈肯教授因此称他的新理论为“协同学”———Synergetics，这个词源出古希腊语，本意是合作，亦即协同作用。

一种理论能否为人们接受，关键在于能否在实践中得到验证。

本书首先提到的是许多读者都曾听说过的激光，它的发现虽然比计算机的发明略逊一筹，但肯定可以跻身于二十世纪的“十佳”科学技术成就之列。

光在某种意义上是一种电磁波。

常见的普通光是成千上万个原子独立无规律的辐射，如白炽灯光，它是不同频率、不同振幅的各种光的混合物。

激光具有高度的单色性、方向性和相干性的优势，但这种优势并不是一开始就产生的。

在激光器的临界电压值以下，所有的原子互不同步，它们的光场无规律而服从所谓高斯分布，一旦实验条件达到某个临界值，所有的原子由于共振腔的相干作用而协同整齐地辐射，这时激光光场服从所谓泊松分布，这是自然界最典型的合作或协同现象。

哈肯教授正是从对激光的研究出发，总结出上述协同学的规律，然后推广应用于其他系统。

但是这种推广并非生搬硬套。

本书中还提到无生命自然界中的其他例子：流体底部加热后形成的蜂窝状型式、天空中整齐排列的"云街”、化学反应中的螺线形波。

有生命自然界中的情况也是如此，达尔文的进化论，“优胜劣汰，适者生存”——这与我们所介绍的协同学的基本原理何其相似乃尔。

比如在生物分子的形成中，就已出现了这种竞争和自组织，而后在细胞、组织、器官、物种的形成中，都有同样的规律在起作用。

就是大自然最伟大的创造——人的大脑，协同学也对它的发育过程和作用机制提出了一系列看法。

再来看看人类社会，无论是人的心理状态、经济生活中的竞争、舆论问题、报刊杂志电视的功能及受到的制约，应用协同学都能得到某种解释。

对于二十世纪的最大发明——电子计算机，特别是当前越来越受到重视的所谓并行计算（若干台小计算机组成网络，自行分工，协同工作），协同学更有用武之地。

最后，协同学也进入了科学学领域，研究科学知识发展的动力学和科学家之间的竞争。

最为有趣的是，协同学还可以应用于协同学本身，如哈肯教授所说，协同学的形成过程本身，就是一种典型的自组织过程。

然而，哈肯教授与他的那些“一统大业”的先人有本质上的不同，他清醒地认识到协同学决非万能，协同学既不能对人们的行动和办事方式提供一张万应灵丹，也不能解释所有现象。

特别是，它像人类的其他知识一样，有着一些也许是不可逾越的界限，其中一条重要的界限是：除了有唯一解的“好”问题外，还有许多它们的解并非唯一或原则上无解的“坏”问题，甚至还有着一些“怪”问题，它们的可解性是无法确定的，也就是人们永远不能知道，这些问题究竟是可解还是不可解。

这种实事求是的态度，对协同学的发展大有好处。

协同学中用到的基本概念是“建序者”（德文：Ordner，哈肯教授所用的标准英文名是Order parameter，我们译之为“序参数”），也就是前面提到的最后完成“一统大业”的那种因素及相应的状态（应当广义地加以理解，既可以是一种具体的物质形式，也可以是一种现象、心理和社会形态等等）。

“order”这个英文词至少有两个重要意义，即“命令”和“秩序”。

哈肯教授曾明确告诉译者，他有意识地应用了这个词的二义性。

协同学的基本原理是役使原理（德文：Versklavungsprinzip，英文：Slaving principle），也就是上面所说的，序参数迫使其他因素和状态纳入它的轨道。

以上概念和原理都在本书中多次用到并加以说明，精确的数学定义和阐述则请参看书末参考书目中所引作者的专著。

作为一本科学普及书籍，本书并未提到协同学中用到的重要数学工具——绝热消去法及其推广，这一工具与目前非线性分析中应用甚广的中心流形定理有密切关系，也请参看上述专著。

总之，这本书以深入浅出的方式、大量生动的实例、精美的插图，介绍了协同学的基本观点和具体应用。

读完本书，读者会发现哈肯教授的知识极其丰富，观察非常深刻，思想十分敏锐。

更可贵的是，他有着既具科学根据、又富创造精神的自由驰骋的想象力。

他在书中提到的许多想法，例如用生物分子膜作为开关元件，猜测可能存在一种不能分解成简单基元的思维过程，指出在暂时停止能量供应的条件下也能保持有序结构也许是生命过程的又一特点，等等，都使人茅寒顿开。