系统的自组织.doc

第四章 系统的自组织 自组织是系统科学的一个重要概念，它是复杂系统演化时出现的一种现象。 1. 自组织与他组织 1.1 组织 ① 动词：按照一定目的、任务和形式加以编制，组织是一个过程； ② 名词：组织过程所形成的结构。 1.2 特点 ① 组织结构相对于组织前的状态讲，其有序程度增加，对称性降低，相互位置关系确定，例：砖头——房屋，人员——团队。 ② 组织过程是系统发生质变的过程，是系统有序程度增加的过程。系统演化两种方式： 量变：数量的积累，函数关系式不变（倘若存在）。 质变：根本性质的变化，状态变量个数、函数关系都可能发生改变。 1.3 分类 ① 他组织 系统外有一组织者，整个系统的组织行为按照组织者的目的、意愿进行，在组织者的设计、安排、协调下，系统完成组织行为，实现组织结构，平时讲的组织大多是这一类。根据系统“死或活”（是否包含人），他组织称为控制（系统中不包含人）或管理（系统中包含人），这两者都涉及到反馈。正反馈起到激励作用，负反馈起稳定作用。 ② 自组织 系统外不存在组织者，系统在一定外界条件下，“自发地”组织起来，形成一定的结构，如蚂蚁、蜜蜂的群组织。 从效果上看，他组织和自组织现象一样，都是系统达到了一定的目的，区别在于达到目的的原因不同。对于他组织，原因在于系统之外。例，全班人员排序（体重或身高），孩子搭积木、插塑；而自组织其直接原因在于系统的内部，与外界无关。例，物种进化是由系统内部基因的遗传和突变功能造成的。 1.4 环境的作用 任何系统都是在一定的环境中存在，离开了环境，系统失去了存在、演化的可能性，哲学上讲“内因是事物变化的根据，外因是事物变化的条件”，“外因”指系统的环境，外因和内因缺一不可。例，鸡孵蛋（内因，鸡蛋；外因，适宜的温度）。系统对环境的依赖性，随着环境的变化，系统也发生相应的变化。例，“水的沸点是1000C”对或错？严格地讲，此话错！因为没有指明外界环境的压力。“在1标准大气压下，水的沸点是1000C”，而随着周围环境的压力变化，水的沸点也相应变化，高山上水的沸点低于1000C。物理学中讨论的各种相变、月球上的“尺短钟长”现象都显示了环境的作用。 1.5 区分他组织、自组织 系统与环境的划分是相对的，所以区分他组织与自组织不是一件容易的事。 他组织：通过简单分析，找出某种因素对系统演化有影响，并可确定相互之间控制与响应（即输入与输出）的关系，通过划分系统与环境，则将此因素划在系统之外。例，天气的好坏控制了庄稼收成的高低。也有人把输入、输出关系已经确定的系统称为他组织。 自组织：无法确定外界的环境条件如何影响系统组织状态的出现，无法分析相互之间的控制与响应关系，则把该因素或者划在系统之内，或者当成某种外界条件，此时称为自组织。同样，将输入确定、输出行为不确定的系统称为自组织。 首先，人为以自组织理论分析系统，若出现矛盾，其原因不在于自组织理论本身，而在于该现象可能不属于自组织现象。 2. 两种有序结构 2.1 典型的自组织实验 贝纳尔对流系统，产生于流体热对流，是1900年法国青年物理学家贝纳尔在其博士论文中公布的如下实验：取一薄层流体，上下各放置一块金属平板以便其温度在水平方向上无差异。从下对流体加热。未加热时，系统处于平衡态，各处温度一样，流体内分子做杂乱无章运动，系统在水平方向上是对称的。刚开始加热时，上下温度梯度不大，从下向上的热量流与温度梯度力之间为线性关系，系统内分子仍然做无规运动，热量传递是依靠杂乱无章运动的分子相互碰撞来实现的，在水平方向上仍然呈现为高度对称性的无序状态。继续加热，流体在竖直方向上温度梯度加大，系统相应的热量流加大，逐渐远离平衡态，处于非线性区。在温度梯度大到某一阈值时，系统性质发生突然变化，依靠分子碰撞传递热量的无序状态消失，系统呈现出规则的运动花样，所有流体分子开始有规律地定向运动，水平方向上的对称性受到破坏，从侧面看过去，形成一个个环，如图4－1所示，从顶面向下看，则是一个个正六边形，相互挨在一起，流体从六边形中心流上来，又从六个边流下去，如图4-2所示。诚然流体上下温度差的大小，确实是我们看到系统出现贝纳尔图样的条件。但上下温度差在水平方向上是无变化的，这一水平方向上无变化的温度差，如何造成了在水平方向上流体微团的不同运动情况，是不能解释的；而且外界“控制”使系统上下温度差是逐渐变化的，在温度差变化初期，系统状态无任何改变，而在到达某一温度差临界值时，系统状态发生突变，这也使我们无法分析“控制”与“响应”之间的关系。对这种“控制”下系统的演化我们仍称为自组织。在这种情况下，外界作用不称为控制，而称为实现自组织的条件。 图4－1 贝纳尔流侧面图 图4-2