临界突变方法_复杂组织的突变机制分析_黄欣荣

２０１３年７月第３６卷／第４期／

河北师范大学学报／哲学社会科学版／

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＢＥＩ　ＮＯＲＭＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ／Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙ　

ａｎｄ　Ｓｏｃｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｅｄｉｔｉｏｎ／Ｊｕｌｙ

．２０１３Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．４

收稿日期：２０１２－１０－１２

基金项目：国家社会科学基金项目（项目编号：０７ＢＺＸ０２０）；教育部人文社会科学研究规划项目（项目编号：０６ＪＡ７２００１４）作者简介：黄欣荣（１９６２－）

，男，江西赣州人，哲学博士，经济学博士后，教授，主要从事复杂性科学与哲学研究。临界突变方法：复杂组织的突变机制分析

黄欣荣

（江西财经大学马克思主义学院，江西南昌　３３００１３

）摘　要：自组织临界性理论是美国学者巴克提出的复杂性科学重要理论分支，它试图从科学层面解决复杂组织的突变问题。该理论既是一门重要的新科学理论，从科学方法论视野来看，它同时更具有丰富的科学方法意蕴。自组织临界性理论从临界态、

幂率、雪崩、自组织等四个方面科学解释了复杂组织的突变机制，对组织的突变过程提出了一套比较科学的解释方案，

从而为科学方法论宝库提供了重要的科学新方法。关键词：复杂系统；自组织临界性；临界突变方法；科学方法

中图分类号：Ｎ　０２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－５５８７（２０１３）０４－００８９－０５

复杂组织在生成演化过程中，

系统状态有时连续而缓慢演化，

有时急剧而快速突变。面对急速变化的过程，

质变量变规律和突变论都曾经试图进行描述和解释，但对突变现象还缺少科学的刻画。在复杂性理论分支中，巴克（Ｐｅｒ　Ｂａｋ）等科学家创立的自组织临界性理论对临界现象及其突变规律进行了系统的分析和刻画，

为我们分析大量存在的各类组织的临界边缘的系统状态突变规律及其机制提供了科学方法新工具。

一、临界：系统突变的边缘状态

大自然中，突变现象几乎发生在所有领域，地震、泥石流、森林火灾、生物灭绝以及社会生活中的股灾、

瘟疫和社会变迁等现象都是一些突发的事件。马克·布查纳（Ｍａｒｋ　Ｂｕｃｈａｎａｎ）在《临界》一书中，以生动的文学手法描绘了自然界中各种各样处于临界状态下的突发事件。他说：

“无论我们看向何处，世界似乎都在一块简单模板上塑造成型：像一个陡峭的沙堆一样，

它正悬于动荡的边缘，如雪崩———在事物中遵循一种普遍的变化模式。

”［１］（Ｐ９）

多年来这些突发的复杂现象一直困扰着科学家和哲学家，它们产生的根源是什么？自然界以什么方式进行演化？是否能够找到其变化的规律？从哲学上来说，马克思主义哲学很早就探讨了事物发展

的两种普遍方式，即量变和质变。量变是一种缓慢的数量变化，

变化前后其性质不会有重大的改变，而质变是一种爆发性的急速变化，

除了数量变化之外，变化前后组织状态的性质也发生了变化。马克思主义哲学虽然区分了两种发展变化的方式，但由于受当时科学发展的限制，

对变化的规律、路径、动力等细节问题虽有所触及，但仍然不够详尽，特别是缺少自然科学的依据。

最早对这些现象进行科学研究的是物理学中的相变理论。随着热力学的兴起，

物理学家们逐渐认识到，固态、液态和气态这三种物体存在的状态中，从一种状态变化到另一种状态，在其临界阶段的变化特别复杂，

并由此建立起相变理论。但是，相变理论还是建立在还原论基础上的简单性科学理论，对相变过程中的复杂现象和状态还缺少必要的科学刻画。

２０世纪６０年代，

法国数学家建立了刻画组织突变状态的突变论。突变论借用数学拓扑理论作为工具，对初等突变进行了分类，描述了突变的轨线，并建立了部分数学模型。突变论是研究组织突变状态的重大突破，它刻画了复杂组织突变的路径和轨迹，为我们理解突变的过程提供了科学分析的工具。但是，突变论对组织突变期间的刻画还比较粗糙，只对初等突变给出了几种路径的拓扑图形，对突变的

规律、动力以及其他细节都没有描述。

随着复杂性科学的兴起，组织突变的秘密和机理逐渐显现出来，让我们对其中的奥秘有了更加深刻的认识。复杂性理论中有两种相似但又有区别的理论分别对组织突变进行了探讨。这两种理论分别是朗顿等人提出的混沌边缘理论和巴克等人提出的自组织临界性理论。

混沌边缘理论有不少人已经触及过，但真正作为一个学科提出来的是美国圣菲研究所的朗顿，而考夫曼、帕卡德等人则把它发扬光大。不过，真正将突变作为一种科学现象进行深入研究的是美籍丹麦科学家巴克（Ｐｅｒ　Ｂａｋ）、美籍华裔科学家汤超以及美国科学家维森菲尔德（Ｋｕｒｔ　Ｗｉｅｓｅｎｆｅｌｄ），他们在对噪声、耦合摆特别是沙堆等试验研究的基础上，正式提出了刻画临界、突变的一门新科学，他们称之为自组织临界性（ＳＯＣ）［２］。巴克等科学家发现，大自然中，临界性行为是一种普遍的行为，而且这种行为是组织系统自组织而成的，没有外界的干预。临界性看似复杂，甚至似乎无规律可循，但它们在双对数坐标上却表现为一条直线，简洁得像牛顿第二定律Ｆ＝ｍａ那样干脆。

自组织临界性经典的例子就是沙堆模型。一个沙堆展示了临界行为，其中渐变的抑制期由于不断有沙滑下而被打断。沙的下滑或雪崩是由多米诺效应造成的，其中单个的沙粒推动一个或更多其他的沙粒从而导致它们下滑。那些倒下的沙粒又轮流地以链式反应的方式和其他沙粒产生相互作用。临界现象的大雪崩不是逐渐的改变，而是把质的行为和量的行为连在一起，从而形成了突发现象的基础。巴克认为，从临界性研究中发现，不稳定性和大灾难是不可避免的，“自组织临界性可以看作是灾难主义的理论判据”［３］（Ｐ３３）。

自组织临界性是观察大自然的一种新方法，其基本的图像是，大自然在某处永久地偏离平衡，却又被组织在一种稳定状态中，这种状态就是自组织临界态。自组织临界性解释了大自然中存在的看来相当复杂的某些普遍存在的结构，地震、大灭绝，还有人类的工业革命和社会革命都是这样的雪崩式演化。如果世界被组织成临界状态或与之很接近的某种状态的话，那么即使最微小的力量也会产生巨大的影响。

二、幂率：边缘状态的规律刻画

在临界、边缘的突变行为，由于其属于急速的变化，并且是难于预测，因此要进行科学的刻画还真有一定的难度。但如果没有科学的刻画，没有找出隐藏在背后的规律，那么边缘状态的突变行为的奥秘就将永远藏匿在黑暗之中。因此发现边缘状态突变行为的规律是走向科学研究的重要一步，也是判断事物是否处于边缘突变的重要科学依据。

传统研究方法的一个共同特点是寻求每种突变的具体路径和规律，就像分子物理学家要去寻求每个分子的运动轨迹和规律一样。因为突变是在特别短暂的时间里发生着巨大的变化，而且这样的变化还很难追究其具体的路径。分子物理学家后来改变了研究方法，不再单独跟踪单个分子的规律，而是利用统计的手段，统计分析大量分子的运动规律，结果发现，从单个分子来看似乎是没有规律，但从统计视野来看，大量的分子却显示出明确的统计规律，这就是后来兴起的统计物理学。

巴克等人也像统计物理学家一样，不再追究单个突变事件的确切规律，而是从统计的视野去重新观察、研究大量临界突变事件的群体性规律。他们发现，从统计的视野看，像地震、１／ｆ噪声、火灾等诸多的雪崩性事件，如果进行大量的统计分析，它们都遵循一种简单的模式。从自组织临界性理论看来，各种事物都能按照完全确定的统计规律发生。以地震为例，何时何地将发生多大震级的地震，这是很难预测和回答的问题，但如果对已经发生的地震进行统计后发现，地震的发生遵循一种不可思议的简单分布函数。

某种东西在双对数坐标是一条直线，从数学上来说就是遵守“幂律”，因为它们表明某个量Ｎ能用另外一个量ｓ的幂次表示出来：

Ｎ（ｓ）＝ｓ－τ

在这里，ｓ可以是地震中释放出来的能量，而Ｎ（ｓ）就是释放那个能量的地震的数目。ｓ也可以是海湾的长度，而Ｎ（ｓ）就是具有那个长度的海湾的数目。对上式两边都取对数，我们会发现

ｌｏｇ　Ｎ（ｓ）＝－τｌｏｇ　ｓ

这表明ｌｏｇ　Ｎ（ｓ）和ｌｏｇ　ｓ的关系在图上表现为一条直线，幂次τ是直线的斜率。幂律也被称为标度不变性，因为从双对数的直线处处看起来都一样这个简单的事实中看出来。在这个标度上并没有什么特性使这个标度显得很特别。

巴克说，所有这些问题的关键在于，在大自然中幂律行为屡见不鲜。无论是从太阳的活动，从银河之光，还是从通过电阻的电流和河流的流动中，都能

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