协同学——大自然构成的奥秘

协同学

——大自然构成的奥秘

《系统科学哲学》课程论文 09科学技术哲学

陈良坚、林秀芬、林凯雯

一、协同学理论的产生

1、协同学理论的提出

耗散结构理论指出了新结构诞生的条件。但是未回答新结构是一种怎样的结构，以及这种新结构究竟是如何产生的。于是，德国科学家哈肯（H.Haken）接过了系统科学的这一接力棒。他创立了协同学，回答了在系统演化的突变点上，各子系统是如何通过自组织而形成新的有序结构的。

2、协同学的产生过程

哈肯在20世纪60年代致力于激光研究，由于受到激光现象的启发，他于1969年开始转向协同学理论的创思和构建。他首先发现，热力学不能提供任何关于结构产生的原理和机制，同时他证明了统计物理学的结构有错误——即当一个远离平衡系统从无序走向有序时，熵不一定减少，甚至可能增加！因此，用熵描述自组织想象太粗糙了。所以，为了能够在原则上解释有序结构乃至生命结构的形成，协同学这个新理论就建立起来了。

哈肯在20世纪60年代致力于激光研究，由于受到激光现象的启发，他于1969年开始转向协同学理论的创思和构建。他首先发现，热力学不能提供任何关于结构产生的原理和机制，同时他证明了统计物理学的结构有错误——即当一个远离平衡系统从无序走向有序时，熵不一定减少，甚至可能增加！因此，用熵描述自组织想象太粗糙了。所以，为了能够在原则上解释有序结构乃至生命结构的形成，协同学这个新理论就建立起来了。

哈肯在1971年首次提出“协同”概念，1976年发表了《协同学导论》，1988年出版《高等协同学》，这标志着协同学作为一门新兴横断学科的诞生。

哈肯所著《协同学：大自然构成的奥秘》一书，通俗而又生动地阐述了协同学的要义，说明协同学与仿生学不同，协同学不是简单的分析、模仿生物器官的功能，而是从更普遍和一般的角度，探讨有序结构形成的奥秘，不仅探索无生命世界，而且更关心生命世界。在19年中，他主编了近20本有关协同学的专著，推动协同学由孕育、诞生走向成熟。

3、通往协同学的“御道”

哈肯认为在输入的功率较小时，激光器激活的原子彼此独立地错杂混乱发生电子的跃迁和光子的发射，此时的激光器就像是普通的电灯。当输入的能量超过某一个阈值时，各个激活原子在相干作用下变成同相震荡，消除了干扰和衰减，而形成了位移相等、运动方向相同的、同一个震荡剧烈的波源，发出了相位和方向统一的节律（频率）一致的单一脉冲单色光――激光。

4、协同学的理论来源

激光在转变中表现出通常相变的全部性质。因此哈肯吸取了平衡相不中的序参量概念和绝热消去的原理，并采用概率论和随机理论来建立关于序参量的主方程。激光是一种典型的自组织现象。因此哈肯是在控制论、信息论和耗散结构理论研究成果的基础上，进一步解决有关自组织的问题。激光是一种突变现象。哈肯利用突变论的原理和方法，对有序—无序的各种转变情况进行分析和归类。

二、协同学的主要理论观点

1、几个重要概念

（1）协同：“协同”概念有着更深的含义，不仅包括人与人之间的协作，也包括不同应用系统之间、不同数据资源之间、不同终端设备之间、不同应用情景之间、人与机器之间、科技与传统之间等全方位的协同。协同是指元素对元素的相干能力，表现了元素在整体发展运行过程中协调与合作的性质。

（2）协同学（Synergetics）是“一门关于协作的科学”，研究那些全然不同学科的极不相同类型的系统之间所普遍存在着的共同特点，即一个由大量子系统所组成的系统，在一定条件下，子系统之间如何通过非线性相互作用产生协同现象和相干效应，使系统形成有一定功能的自组织结构，出现新的有序状态。所以协同学是关于多组分系统如何通过子系统的协同行为而导致结构有序演化的一门自组织理论。

（3）序参量：是一种宏观参量，是描述系统宏观有序度或宏观模式的参量。它是处理自组织问题的一般判据，是系统相变前后所发生的质的变化的突出标志。它表示着系统有序结构的类型，是所有子系统介入系统运动程度的集中体现。

（4）序参量分析：序参量确定后，便可进行序参量分析。系统的演化关键是研究序参量，因为序参量高度集中了整个系统演化的主要信息，代表了系统演化的主流和方向。系统中每个序参量都对应着一种微观组态和宏观结构。而序参量的数目将决定系统处于稳定、振荡抑或无序的状态。如果系统只剩下一个序参量，那就是“一统天下”的格局，如果是几个序参量，那么几个序参量之间的合作、竞争将决定系统的演化过程和结局。

（5）组织系统：指一个系统如果其子系统之间的相互作用关系是在外界力量的控制下被动形成的，而它们向着有序化方向的集体行为也是由外界力量操纵的，它就是一个组织系统。

（6）自组织系统：就是通过低层次客体的局域的相互作用而形成的高层次的结构、功能有序模式的不由外部特定干预和内部控制者指令的自发过程，由此而形成的有序的较复杂的系统称为自组织系统。

（7）相：指系统宏观上具有一定特性的状态。

（8）相变：指系统从一种相到另一种相的转变。

2、协同学理论的三个“硬核”

（1）不稳定性原理

不稳定性是相对于稳定性而言的。以往的许多科学，如控制论，都是侧重于对稳定性问题的研究，而协同学以探寻系统结构有序演化为出发点，从一个全新的角度来考察不稳定性问题。它认为任何一种新结构的形成都意味着原先状态不再能够维持，即变成不稳定的。这样，不稳定性在结构有序演化中具有积极的建设性作用。当一种陈旧的框架或模式已经变得不利于系统存续和发展时，就需要出现一种激进的、力图变革的力量，把系统推向失稳点，才可能创建有利于系统存续发展的新框架、新模式。这就是协同学的不稳定性原理的基本含义。

（2）支配原理

协同学认为，在临界点系统内部的各子系统或诸参量中，存在两种变量，即快变量和慢变量。所谓支配原理，就是慢变量支配快变量而决定着系统的演化进程。慢变量和快变量各自都不能独立存在，慢变量使系统脱离旧结构，趋向新结构；而快变量又使系统在新结构上稳定下来。伴随着系统结构的有序演化，两种变量相互联系、相互制约，表现出一种协同运动。这种协同运动在宏观上则表现