层级结构

• 2、层级结构的特点
• 第一、层级结构是由下而上逐级构成的。被选择的最低层 子系统一级一级构成高一级系统。低级系统是高一级系统 的构成部分。高一级系统以低一级系统为基础。从每一层 级来看，构成它的子系统是其结构要素，它所构成是上一 级是其环境要条件。 • 第二，层级结构是层层相干，层层有新质突现的结构。每 个层级的各子系统之间存在相干性关系。由此导致层级性 差异。相干性使处于同一层级之间的子系统相互限制，相 互协同也使它们的上一层成为可分析的有机体。而且上一 层总比下一层更为简约。为低层进入高层次活动模式创造 条件。
• 2、进化与退化的关系
感 • 1）进化和退化相互包含。 以进化为
主的过程往往内在地包含着退化，同样， 以退化为主的过程也常常内在地包含着 进化，纯粹的进化或纯粹的退化至少是 极其罕见的现象。 • 2）进化与退化同存共生。 进化和退 化常常是同时存在和同步发生，往往是 一个过程的两个方面。 • 3）进化和退化相互交替。直线性的 演化图景是不存在的，进化和退化两者 交替进行、相互转化。
• 3）涨落借助非线性机制而放大。 • 涨落借助非线性机制而放大，非线性机制 以远离平衡的条件表现出来。非线性的相 干性效应，临界效应和分支效应以非平衡 和涨落为条件。如果系统所有涨落都被平 息，则临界效应和分支效应无从谈起。
• 问题：1、按照熵增原理，地球会不会 越来越无序？* • 答：不会，因为地球作为一个开放系统， 不仅需要与外界交换物质和能量，本身 也有一定的自净能力。特别是地球是人 类活动的场所，人类可以根据自己的生 存需要有目的地利用和改造自然环境， 实现自然、社会的可持续发展。因此， 即使按照熵增原理，地球也不会越来越 走向无序。
XB1
YNB1
• 由上图可知：每个控制层级都独立处理仅 与本层有关的信息。在层级间传递是与上 层目标信息有关的信息。因而下层目标越 来越具体化，上层目标越来越集约化与综 合化。其结果是每一层级控制的幅度和复 杂化程序都不会联系很大。
• 3、信息集约与问题逐级简化。 • 信息逐级集约不但提供了控制方法而且提 供了研究复杂系统的方法。 • 第一，每一层级结构都有可以作为研究对 象。由于下级层级简化为内部约束条件。 • 第二，将上层级简化为外部条件。
• 在人工物建造中，自觉用这种方式实现 对复杂事 物的控制：控制法通常有三种： • 集中控制；分散控制；递阶控制； • 递阶控制就是一个复杂系统被看成若干层级的控 制器所控制。直到接近目标X0为止。
X0 R0 XA
A
BN
YAN RBN XBN YNB1
YA
YBN
YBN YBN
YB1 B1
YA1
RB1
五、演化的根据及条件
• １、内部根据（演化的方向的内部依据） • 第一，相互作用中的物质、信息与能量交 换是动态过程得以进行的原因。 • 第二，稳定了的交互方式是系统得以存在 的原因。 • 第三，相互作用中内含要素结合方式是是 结构变化的依据和新结构旌的依据。
• 2、演化的外部条件
• 根据内在的、潜在的，要使潜在变成现实的必须具备的条 件。就是从外部不断获得能量。 • 一是缺乏外部条件从而处于平衡并最终回到平衡的系统。 （封闭系统） • 二是外部条件不充分从而处于近平衡状态。（具有一定开 放性，外部的物质能量仅能维持系统的差异，仅能抵消不 可逆过程所带来的熵增） • 三是外部条件充分从而处于远离平衡状态的系统。其主要 特点是大量物质、能量的流入使系统中差异扩大到非线性 相互作用能够发生，通过自催化，正反馈等相干性效应。 不仅能抵消熵增，还能把系统推向熵减分支。 • 环境对系统的控制与选择、调节是以系统的差异为条 件的。做为参量能把系统从一种状态推向另一状态。
• 信息的逐级集约意味着高层系统形成所需 信息条件不比低层严格，更宽松，更易满 足。只要条件具备低层聚合为高层的成功 就会高。
• 2、信息的逐级集约与逐级控制； • 信息的逐级集约意味着行为 的逐级控制。 每个子系统的消除内部的不确定性时就会 形成一个控制等级。子系统之间不确定的 消除就会形成上一个控制等级。由于上一 个控制等级处理的是集约化了的信息，其 控制幅度不会太大，调控的复杂性也不会 更多。如生命演化体系：细胞的生理活动 是由核苷酸自治控制。并不是中枢神经来 控制。只有组织器官层级的活动才与中枢 神经系统相干。由此带来与生命机体与不 境和适应性。
• 二、层级结构中的信息流 • 1、信息与逐级信约
• 狭义的信息特指消除人们认识上不确定的东西（申农）。 信源的可能性态数越多，可能状态的分配越均匀，其不确 定性就越大。用于消除这种不确定性所用的信息就会越大。 维纳从控制论对信息作了进一步说明：他认为信息是组织 性的量度。混乱而无组织的事物要调整为有序程度高组织 性强的事物就意味着内部约束强化不确定性减少。在热力 学称熵减，维纳称负熵。 • 普利高津认为信息是远离平衡条件下相干性的分子通信机 制，而且把有组织事物对环境的适应称做组织对环境的通 信。这就是说：完全独立的事物没有约束力，没有信息交 换，不存在有序性，其熵最大，结构信息量最小。反之， 相互协同活动信息量最大，有序性高，其熵值最小。
四、演化的两种分支
• １、序变 • 有序程度的变化。用以表示不可逆过程初态与未 态的差异。 • 序变是系统相互作用的方式变化，是结构性变化， 如果系统内部约束变大，相互限制协同增强，各 要素活动自由度减少，表现为有序度提高。反之， 约束淡化，带来自由度增大，表现为有序程度降 低。 • 序变可以由预先存在的程序加以控制加以控制。 也可以自由发展。我们只讨论自发的序变。这一 过程也称自组织。
２、序变的熵wenku.baidu.com分支
• 熵增原理所描述的不可逆过程虽有演 化过程，但到期达熵最大化后系统将忘记 历史，不能找到期其初始状态。这种过程 不可能有新结构产生。 • 玻你兹曼认为热力学几率最大化的状态 中配容数最大化，不可逆过程所表现的是 小几率向大几率的演化。
３、序变的熵减分支
• 在非平衡系统中发现了不可逆具有导致致有序程 度提高的现象。超循理论则用远离平衡条件下的 交叉催化过程研究生命的演化同样发现不可逆过 程导致有序程度提高的问题。它们的共同点在于： 都发生于外界物质、能量、信息的大量输入使系 统处于远离平衡条件下此时系统内部的非线性作 用不仅抵消了内部不可逆过程的熵增而且还规整 无序，造成自凝聚力自组织的结果。 • 处于熵减分支的不可逆过程不仅有演化的历史 还能回溯到初始条件，对这一过程来说时间之矢 的意义在于现在包含过去，但不完全包含未来。
• 上向因果关系
• 由于高层系统由低层系统经相干作 用而产生，以低层系统为其基础和 载体，故低层子系统及其相互作用 作为原因会对高层系统产生一定的 结果，这种低层次系统协同对高层 次系统起到的根源作用、原因作用 或影响作用，叫做物质层次结构的 上向因果关系。
• 这种解释涉及逻辑要素：低层次规律， 低层次过渡到期高层次的条件，环境 陈述。其关键在于分析低层次到高层 次的相干性条件，找到低层次过渡过 到高层次的相互作用方式。只有找到 相干性条件才能说是上向的因果链。
• 2．下向因果关系
• 构成高层系统的低层子系统与单独 存在时的低层系统有所不同，低层 子系统会受到高层次系统及其规律 的影响、制约和支配。这种高层系 统对低层系统的支配和限制作用， 叫做物质层次结构的下向因果关系。
• 解释需引入：高层次规律，低层次结构条 件，环境陈述等逻辑要素。 • 高层次属于环境条件，是外部约束条件。 涉及背景。可扩展性解释，通过解释，从 低层次来看是偶然性的、随机事件在高层 看来具有某种必然性可进行解释和预言。 • 双向因果链表明低层系统对高层系统具有 基础性作用。高层系统对低层系统具有支 配和调节作用，通过递进和扩展性解释达 到期对层级关系的理解。
第三节 物质系统的演化
第三节 物质系统的层级结构
• 一、层次结构的含义与特点
• 1．含义：层次结构指的是若干个组成元素经相
干关系构成的系统，再经过新的相干关系而构成 新的系统的逐级构成结构关系。 • 它提供是是一种理解复杂系统的基本方法,就是把 复杂系统看成是一种由多层系统构成的大系统.整 个系统的层级也很多，但每层包含的数量并不大。 研究不复杂的子系统可获得对复杂系统理解。
第四节 物质系统的演化
• • • • 一、演化及其不可逆： 演化是不可逆的过程。 二、可逆与不可逆 １、可逆过程，系统从初始状态到期达另一状态。 如果存在另一过程系统和环境得以完全复原。 • ２、不可逆。可以完全复原的过程。 • ３、特点：首先它是刻画过程的概念 • 其次，它是刻画过程复原性的概念。
• 三、不可逆性与演化的方向性
• 不可逆性意味着过程进行确有方向。符合方向的事物可以 自发出现。逆反这一方向的事物不会出现。或者不会自发 出现。即使出现需设定特殊的环境条件。这种条件通常是 来自另一类不可逆过程。 • 物理学家爱丁顿提出了“时间矢”。 • 可逆过程完全可复原，过程向前或逆转对应运动规律没区 别。时间只是从外部描述运动的参量。它的流向与运动性 质无关，没有物理内容。 • 不可逆过程。它是不能复原的过程，因而过程经历的状态 对应的物理运动规律不同过程向前或过程逆转具有不同物 理内容。 • 可逆过程时间反演对称，过去，现在，将来不存在规律差 异。 • 不可逆过程时间对称破缺，意味新现象，新结构不断产生， 有了真正的历史。 •
• 4、结合度弟减速的存在论意义 • 结合度递增减无疑是层级结构存在的必 要性条件。高级结合度强于低级系统，低 级系统则无法存在。只有结合度递减，低 层系统才会以单体稳定的方式发生相干性 效应，从而造成上层系统的出现。 • 结合度递减意味着上层系统稳定性存在 的范围较下层系统更为狭小。
• 5、结合度递减的存在论意义： • 结合实际度递减不仅为系统存在有意义，也为系 统进化提供了有利方式。 • 现在知道无论是人工物还是天然物其复杂形态多 是在稳定低层系统的基础上经过聚合方式而产生 的。在这一过程中先前稳定的低次系统对聚合方 向起到选择作用，将各种可能随机出现的聚合方 式确定为现实可行方式。如氢原子的存在及其热 核反映决定了氦的出现。现时先前稳定存在的低 层系统还提供了聚合的原料，加速成了聚合过程 • 如果高层系统解体，低层系统的稳定性不一定丧 失，可能在低层系统稳定性基础上重建新的构型 体。
• 在层级结构中，由于低层系统结合度大，进入上 层系统后其结合度较大，子系统的相互联系仅能 使系统间制约和彼此协同。这样与子系统自身活 动有关的信息不必全部进入子系统之间的通道。 只有涉及子系间相互关系的信息才会在层间流转。 • 就是，子系统内部的不确定性由子系统内部通 信消除，子系统之间关系的不确定性由上层结构 消除。因而进入上层的信息是集约了的信息，只 是与系统整体性相关的信息，不包括子系统内部 活动有关的信息。这种信息集约与逐级处理的方 式，显然能使层级间结构的内部循环信息量减少。
3、演化的诱因条件
• 1）诱因：引起重大结果的微小原因。 • 2）涨落：引起系统向有序方向演化的诱因。 • 普训高津说：“某种不稳定的存在可以看成 某个涨落的结果。”“系统涨落的的类型影 响着分支的选择。”“耗散结构可以被认为 是物质和能量交换而稳定的巨涨落。”涨落 的作用： • 第一，涨落触发系统失稳。 • 第二，涨落导引分支选择。 • 第三，涨落孕育新结构。
三、高层次系统与低层次系统的因果链
• • • • • 因果链指因果关系传递方式。 原因引起怕结果可以引起新的结果，称长度链。 一因多果，多因一果，多因多果称为复合链。 原因引起的结果双反过来原因 的变化称反馈链。 层级间的反馈链特别重要，它表明了层级间差 别又表明层级间的联结。
1、上向因果链与递进性解释
• 3、层级的结合度
• 第一，结合度递减的趋势： • 结合度泛指相互结合的强度。可以用势能，结合能， 键能、信息量给以计量。一般以物质能量流为主的 交换，空间邻近结合度越大。信息交换则不以空间 邻近为限制。 • 在层级结构中各层级结合度彼此不同，一般来说， 随着层级由低到高推进，结合度也就由大变小呈现 递减趋势。拉兹洛说：“当我们从初级组织层次的 微观系统走向较为宏观系统，我们就是从强有力地 牢固结合在一体的系统走向较弱和较灵活的结合能 量系统。”