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复杂性和自组织理论综述

时间:2010-02-27 00:28:21  来源:  作者:

第二次世界大战以后,科学发展出现一个大转折,即从简单性科学向复杂性科学发展 。现代的技术和社会已经变得十分复杂,传统的研究方法和研究手段已经不再满足要求。 这是用系统科学处理复杂性问题研究兴起的背景。控制学家阿希贝提出研究复杂系统的战 略。信息学家魏沃尔“科学与复杂性”是当时复杂性探索的最高成就,认为未来科学主要 研究有组织的复杂性。自组织理论标志复杂性探索的高潮。自组织理论认为应该以自组织 为基本概念来探索复杂性的本质和根源。Haken基于代数复杂性定义一般复杂性,认为复 杂性研究的关键是对复杂系统时空特性和功能结构的变化。Prigogine学派断言现代科学 在一切层次上都会遇到复杂性问题,只是在复杂性的类型,程度和层次上有所不同,主张 建立复杂性科学。他们提出的耗散结构理论为探索生物复杂性和社会复杂性奠定了基础。 80年代末以来,圣塔菲研究所致力于建立能够处理一切复杂性问题的一元化理论,研究手 段是计算机模拟。虽然能够处理一切复杂性问题的一元化理论很不现实,因为复杂性科学 不是一门学科,而是未来科学的总称。但他们关于演化经济学,人工生命,复杂自适应系 统,免疫系统,Hopfield网络模型,自动机网络,“混沌边缘”的研究成果深化了学术界 对复杂性和复杂性科学的认识。钱学森提出开放的复杂巨系统概念并制定一套研究方法, 他把复杂性研究纳入系统科学体系,采用系统概念解释复杂性。现在还不可能给复杂性下 一个精确的,统一的定义。我认为应该从系统的动力学特性角度出发来定义复杂性,即复 杂性是开放的,元素之间关联方式差异显著的,多层次巨系统的动力学特性。下面介绍自 组织理论及用系统论的观点来研究复杂性。 耗散结构理论(1967年Prigogine创建)认为一个远离平衡的开放系统通过不断与外 界交换物质和能量,在外界条件变化达到一定阈值时,就可能从原来的无序状态转变为一 种在时空上或功能上有序的状态。一个系统能够实现自组织而形成耗散结构必须满足:( 1)系统开放,系统充分开放就有可能驱使系统远离平衡态。(2)系统远离平衡态。(3 )系统内部强烈的非线性作用,正反馈成为系统演化的建设性作用。(4)涨落,系统形 成耗散结构的源动力。耗散结构理论认为系统通过涨落达到有序,其中非线性正反馈对于 导致涨落放大有着决定性意义。耗散结构可以看作由于物质和能量交换而稳定了的巨涨落 。通过涨落达到有序实质是通过竞争实现协同,因此竞争和协同是系统自组织演化的动力 和源泉。 1977年Haken在把握激光一类非平衡相变内在机制的基础上,吸收耗散结构理论和突 变理论的合理内核,创建了一套处理各种非平衡相变的统一方法,统一地解决了系统从无 序到有序的过程。役使原理和最大熵原理是协同学的两大基本原理。协同学认为系统内部 各个子系统之间的相互作用导致系统的质变。每个子系统存在自发地倾向无序的运动和子 系统之间关联引起的协调,合作的运动。协同学采用相变理论中的序参量来刻画系统有序 程度。序参量通过子系统的竞争和协同产生并支配着各个子系统。各个子系统对序参量的 “侍侯”强化了序参量本身并进一步促进子系统对序参量的“侍侯”,从而使系统自发地 组织起来。序参量的相互竞争和协同使系统具有不同的自组织演化形式。 1972年Eigen发表“物质的自组织和生物大分子的进化”,建立了超循环理论。超循 环理论认为在关于生命起源的化学进化和生物进化之间存在生物大分子自组织进化阶段, 随机无序的生物大分子以循环的方式进行自组织而形成有序的组织并向具有更高的组织结 构和复杂性方向进化,最终导致生命的起源。超循环理论认为相互作用和因果转化构成循 环。提出循环等级学说,认为系统以循环的方式演化发展。超循环理论认为在某种拟种分 布中,只要存在各个组分之间的相互作用,不论这种作用最初是多么微弱,都不可避免地 出现催化耦合和互补指令,两者相互结合,形成协同整合的非线性非平衡的超循环组织。 1968年Thom发表“生物学中的拓扑模型”,在《结构稳定性与形态发生学》中系统地 阐述了突变理论。这是一种说明参数的连续变化引起不连续现象的理论。突变理论的研究 对象是在相空间几乎处处结构稳定而在某些0测度的点集上存在结构不稳定性的系统。突 变系统的基本特征是:多稳态,不稳定定态的不可达性,突跳,滞后(反映突变的发生与 控制参量变化的方向有关),发散(演化轨道对控制参量变化路径的敏感性)。初等突变 理论对有势系统可能的突变现象作了严格而透彻的分析,提出了Thom原理,认为有势系统 的基本突变类型随控制参量数目的增加而增加。高等突变理论研究非有势系统的突变,目 前还很不成熟。突变理论研究静态分支点问题,与系统演化的相变密切相关,表明原因的 连续作用可能导致结果的突然变化。加深了人们对于系统从有序到无序转化的方式和途径 的多样性的认识。

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