浅谈系统科学与系统思维

浅谈系统科学与系统思维

摘要：本文首先简要地介绍了系统科学产生的由来及其发展，然后讨论了我对系统科学中一些概念的浅显认识，最后总结了一下通过学习系统科学方面的知识给我们工作和生活带来的启示。

1.引言

我们正处在一个人类社会大变革的过程中，人类对于宇宙和社会，以及人类自身的认识正在发生着巨大的变化。以牛顿的经典物理学为基础的近代科学在二十世纪的大变革面前，暴露出许多难以适应的弱点，遇到了严重的挑战。科学思想的更新已经势在必行了。新时代需要新的思维方式，需要新的科学观念。二十世纪的科学史就是近代科学观念不断遇到挑战，现代科学逐步建立起来的过程。在这个过程中，系统科学是一个特别重要的、具有基础意义的学科。它是现代科学思维方法的重要组成部分。

系统科学发端于二十世纪二十年代，奥地利生物学家L.von贝塔朗菲倡导的机体论就是一般系统论的萌芽。后来系统科学的发展经历了三次浪潮，分别是系统科学的形成与发展（20世纪40年代到60年代）、自组织理论的建立（20世纪70年代到80年代）和复杂系统的兴起（20世纪80年代至今）。通过前辈科学家们的不断努力和探究，系统科学已经获得了一系列非常重要的成果，并且在人类的科学和生活实践中获得了应用，发挥了重要作用。

2.系统思想的由来及发展

有人说，当前科学研究的前沿概括起来可以分为三个方面，分别称为“极小”、“极大”和“极复杂”。

“极小”指的是物理化学中的原子、分子、基本粒子，生物学中的基因片段等。统治极小世界的规律是量子力学和量子场论。

“极大”指的是我们所处的宇宙环境以及其中的天体等。爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论奠定了研究极大的基础。

过去的两百年历史中人类社会始终处于战乱环境中，为了在国际社会中占有一席之地，各国政府始终积极致力于“极大”和“极小的”研究中。将大量的研究经费投入了原子弹、导弹、飞机、火箭、卫星等国防武器领域中，使“极大”和“极小”两个领域飞速发展，取得了举世瞩目的成就，大量的新材料、新技术、新武器等不断涌现。但是随着苏联解体，美苏两国冷战结束，军费的大幅缩减使这两方面的研究规模大为缩小。科学研究的中心正在向生物学、经济学和管理科学转移。这就走向了科学研究的第三个前沿“极复杂”。但是生物系统、社会系统的研究要比物理化学系统困难得多。因为生物系统、社会系统强调的整体的功能和联系，它这种整体性不是各部分功能的简单加和。

我们都知道人是一种生命系统，人体最基本的单元是细胞，细胞构成组织、器官、人体。当我们单独研究一个细胞时，我们可以发现它和外界进行物质和能量交换，保持新陈代谢。但是我们无法由此联想到它能构成手臂去抓取某个东西、构成眼睛让我们看到这个世界。同样的单独研究人的一个器官，比如手，我们无法想象它能画出清明上河图这样精巧又宏伟的画作。因此我们需要将细胞联系到器官的层次去看待它的功能，将器官整合到人体的角度去

看待它的功能。只有这样从整体的角度进行系统的研究与分析，我们才能把握人的生命系统的特征与本质。

但是20世纪之前甚至是现在西方科学的主流依然是从希腊原子论到现代基本粒子论为代表的分析科学。近代科学这种只重分析和实验的方法，在生物学研究中把生物解剖得越来越细，近百年来更是攻打到了分子的层次。我们可以说把生命现象分解为分子与分子间的相互作用，现在也取得了伟大的、惊人的成就，建立了分子生物学等科学。但在这些发展面前，也有很多生物学家感到失望，他们知道得越细、越多，反而失去全貌，感到对生命的理解仍然很渺茫，好像知道得越少了。直到20世纪40年代，贝塔朗菲才比较明确地认识到这一点，开始了理论生物学的研究。要从生物的整体，把生物整体及其环境作为一个大系统来研究。他还由此创立了一般系统论的科学。后来普利高津提出来耗散结构理论，哈肯提出了协同学理论，他俩的理论较之贝塔朗菲更具数理化，同时导出了许多凭直观思辨无法得到且形式具体的新规律。

3.系统理论的主要内容

3.1系统

当今社会“系统”这个名词泛滥，不管说什么都喜欢加上系统两个字，比如政府系统、安防系统、社会系统等等。但是很多人其实对系统的具体含义模棱两可，说不出个所以然。根据比较权威的定义，系统是指由若干相互联系、相互作用的部分组成，在一定环境中具有特定功能的有机整体。组成系统的各个部分，被称为要素、单元或子系统。由于系统可以划分为不同层次的要素，所以要素具有相对性。系统的一般特征包括集合性、相关性、层次性、环境制约性、整体性、动态性。

（1）集合性。系统总是由若干元素组成的，单独一个元素不能称为系统。而且系统中各元素有相对独立和可识别的界限。

（2）相关性。系统中的各个元素不是孤立存在的，它们之间都会产生直接或间接的相互作用，一部分的变化会影响其它部分的变化。

（3）层次性。大多数系统都有复杂的层次结构，比如人体系统，大的层次包括脑袋、躯体、四肢等组成，再细分有各种器官、组织等，还可以细分到细胞、分子等层次。

（4）环境制约性。系统不是孤立存在的，它要与周围环境发生各种联系，比如卫星系统的工作就受到太空环境的制约。

（5）整体性。系统的整体性集中体现在系统的功能，系统功能不是若干元素的机械堆砌，而是有机联系的整体。贝塔朗菲举例说，尽管人体器官都是由细胞、组织构成的，但人体器官的功能却是组成器官的细胞或组织所没有的。

（6）动态性。系统的状态或功能不是一成不变的，比如人体系统、经济系统、社会系统都在无时不刻发生着变化。

3.2涌现与自组织

我们先来观察一下自然界中的鸟群，规模比较小的鸟群通常会排成V字形队列，头鸟飞在V字形的顶点，其他鸟儿整齐地排在后面。大一些的鸟群会形成更接近球形的队列。但是无论鸟儿在天空中怎样的高飞或盘旋，鸟群整体的形状却基本保持不变。那么这些鸟群系统是如何保持队形不变的呢？

我们知道当我们把鸟群分割开来，把每一只鸟儿作为研究对象时，每只鸟的的飞行轨迹都是不可预知的，可以忽上忽下、忽左忽右。这样简单加和后整个鸟群的形状肯定是非常混乱，无法描述的。只有整体的去看待这个鸟群系统，才能看到整体体现的这种高度有序性。

系统科学把这种整体才具有，孤立部分及其总合不具有的性质称为整体涌现性。涌现性就是组成成分按照系统结构方式相互作用、相互补充、相互制约而激发出来，是一种组分之间的相干效应，即结构效应。不同的结构方式，不同的相互激发产生不同的整体涌现性。整体涌现性的产生不是单一的，是规模效应和结构效应共同的结果。

上述鸟群这种稳定的动态结构称为自组织。那么鸟群的这种涌现性和自组织的行为是如何产生的呢？有人可能会说鸟儿之间可以进行交流，也许是头鸟发出了命令，然后一级级传递下来的。最终鸟群都按照头鸟的命令飞行。但是用这种理论去解释其他系统是非常荒谬的，比如飓风，飓风是有海洋中蒸发，在空气中混合的水分子组成的。但是水分子之间应该是没有主动交流的能力的，但还是形成巨大的漩涡。这些巨型漩涡由微小的水分子组成，通过机理不明的行为共同形成了一致的、威力惊人的宏观结构。

根据前人的研究，自组织系统之所以能够保持这种高度有序的状态，原因在于它们都拥有一个微小的共性。它们之中都存在这能量流。飓风通过与它周围环境之间的热量传递，来维持自己的结构。鸟群中鸟儿则根据相邻鸟儿引起的气流变化而作出相应动作。更显然的比如我们人体系统，我们通过食物的摄入获得能量来维持自己身体的有序状态。当我们某天没有食物可以摄入时，我们的这种有序状态就会被打破，便是死亡。

3.3反馈

研究涌现和自组织的产生机理是现在比较热门的一个研究领域。而反馈正是该领域研究得到的一个比较引人注目的成果。

我们可以用自然界中蚁群觅食的例子来说明一下反馈产生了涌现和自组织的合理性。经过科学家实验观察得知，蚁群总是能在蚁穴和食物之间找到一条最短路径。但是单个蚂蚁很难做到这点。我们知道蚂蚁之间是不能直接交流觅食路线等这种信息的。那它们是怎么做到的呢？研究发现蚂蚁在行进过程中会释放一种叫信息素的物质，而且蚂蚁总趋向于走信息素浓度高的那条路径。这样最短路径上的信息素浓度增长的速度会比较快，因为蚂蚁往返一趟最短路径时间短，那么在同样时间内最短路径上走过的蚂蚁数量就多，这样当然留下的信息素也比较多。因为信息素浓度高，所以越来越多的蚂蚁会选择最短路径，进而在最短路径上增加了更多信息素的量，形成了一个正反馈。最终整个蚁群都会沿着最短路径觅食。

由蚁群觅食的行为我们可以看到虽然单个蚂蚁行为非常简单，不具备寻找最短路径的能力，但是蚁群整体却涌现出了这种寻优的性质，而其根本所在是一种正反馈的机理。

在自组织系统中，反馈还经常和另一种聚合属性密切相关，称为自修正。人骑自行车也是一种自组织系统，当人通过脚踏板给人车系统注入能量后人车系统就会维持一种稳定的状态。当人车系统行进中遇到一个小障碍，系统就会摇晃，但很快就能再次稳定下来，这就是系统的自修正性质。无论外界产生怎样的干扰，它都会主动维持有序、自组织的状态。这一切都是通过反馈得到的。我们学控制应该很明白这是一个负反馈的过程。但是如果颠簸非常大，超过了人车系统自修正的能力，那么人车系统就会陷入混乱状态，结果就是摔倒。就像我们的控制系统，面对小的干扰、噪声，系统可以正常工作。但是如果干扰超出了控制系统