自组织理论 _生活百科

文章插图
自组织理论【自组织理论】自组织理论是关于在没有外部指令条件下，系统内部各子系统之间能自行按照某种规则形成一定的结构或功能的自组织现象的一种理论。该理论主要研究系统怎样从混沌无序的初态向稳定有序的终态的演化过程和规律。认为无序向有序演化必须具备几个基本条件：(1) 产生自组织的系统必须是一个开放系统，系统只有通过与外界进行物质、能量和信息的交换，才有产生和维持稳定有序结构的可能。(2) 系统从无序向有序发展，必须处于远离热平衡的状态，非平衡是有序之源。开放系统必然处于非平衡状态。(3) 系统内部各子系统间存在着非线性的相互作用。这种相互作用使得各子系统之间能够产生协同动作，从而可以使系统由杂乱无章变成井然有序。除以上条件外，自组织理论还认为，系统只有通过离开原来状态或轨道的涨落才能使有序成为现实，从而完成有序新结构的自组织过程。
基本介绍中文名：自组织理论
外文名：Self-organizing Theory
时间：20世纪60年代
研究领域：複杂自组织系统的形成和发展机制
协同论概念：研究系统内部各要素之间协同
概念它的研究对象主要是複杂自组织系统(生命系统、社会系统)的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。构成1.耗散结构论主要研究系统与环境之间的物质与能量交换关係及其对自组织系统的影响等问题。建立在与环境发生物质、能量交换关係基础上的结构即为耗散结构，如城市、生命等。远离平衡态、系统的开放性、系统内不同要素间存在非线性机制、系统的涨落是耗散结构出现的四个基本条件。远离平衡态，指系统内部各个区域的物质和能量分布是极不平衡的，差距很大。2.协同论主要研究系统内部各要素之间的协同机制，认为系统各要素之间的协同是自组织过程的基础，系统内各序参量之间的竞争和协同作用是系统产生新结构的直接根源。涨落是由于系统要素的独立运动或在局部产生的各种协同运动以及环境因素的随机干扰，系统的实际状态值总会偏离平均值，这种偏离波动大小的幅度就叫涨落。当系统处在由一种稳态向另一种稳态跃迁时，系统要素间的独立运动和协同运动进入均势阶段时，任一微小的涨落都会迅速被放大为波及整个系统的巨涨落，推动系统进入有序状态。3.突变论它建立在稳定性理论的基础上，认为突变过程是由一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程，表现在数学上是标誌着系统状态的各组参数及其函式值变化的过程。突变论认为，即使是同一过程，对应于同一控制因素临界值，突变仍会产生不同的结果，即可能达到若干不同的新稳态，每个状态都呈现出一定的机率。4.协同动力论有三大要点：第一，在大量子系统存在的事物内部，在平权输入必要的物质、能量和信息的基础上，须激励竞争，形成影响和相互作用的网路；第二，提倡合作，形成与竞争相抗衡的必要的张力，并不受干扰地让合作的某些优势自发地、自主地形成更大的优势；第三，一旦形成序参量后，要注意序参量的支配不能採取被组织方式进行，应按照体系的自组织过程在序参量支配的规律下组织系统的动力学过程。这可能产生两种有序运动，一种即数量化的水平增长其複杂性和组织程度的演化，另一种则是突变式的组织程度跃升动力学演化。5.演化路径论它认为：演化的路径具有多样性，有三条路径，一是经过临界点或临界区域的演化路径，演化结局难以预料，小的激励极可能导致大的涨落；二是演化的间断性道路，有大的跌宕和起伏，常出现突然的变化，其间大部分演化路径可以预测，但有些区域或结构点不可预测；三是渐进的演化道路，路径基本可以预测。突变论所利用的形态演化方法（结构化方法）在整体背景上进行自组织演化路径的突变可能性分析，为研究者提供了一个整体观。6.混沌论它对研究複杂性的非线性方法具有重大贡献。首先，混沌不仅可以出现在简单系统中，而且常常通过简单的规则就能产生混沌。简单系统能够产生複杂行为，複杂系统也能够产生简单行为。分层、分岔、分支、锁定、放大，非线性的发展或演化过程就是这样神奇而不可预测；其次，非线性动力学混沌是内在的，固有的，而不是外加的、外生的。尤其是在管理中的混沌特性决定了“混沌管理”方法的非最最佳化和不确定性。企业并不追求最最佳化和最高效率——这是由稳定的管理价值观所决定的；管理过程与结果之间无决定的直接的关係。研究複杂的企业系统的行为，自组织的方法论要求我们在企业管理中，必须从整体出发，把管理看作是一个複杂的过程而且是自组织演化的过程。企业的发展有其自己的发展演变轨迹，企业管理者必须顺着企业发展的“脉络”实施恰当的管理。反应自组一个开放、远离平衡的化学体系，在一定条件下可以自发地组织成时间和空间的有序结构，呈现出类似于生命特徵的自组织现象。这一发现及其耗散结构理论的建立具有重要的科学意义和哲学意义，是当代化学发展的重要前沿领域。振荡化学家自19世纪以后陆续发现，有一些化学反应中的某些组分或中间产物的浓度能够随时间发生有序的周期性变化，即所谓化学振荡现象。由于当时这些现象都是在非均相体系中发现的，因此曾误以为只有在非均相条件下才能产生，以致未能真正揭示出反应的实质。1959年在均相体系中发现的化学振荡现象，使人们的认识发生了根本性转变。当时苏联化学家Belousov B P用硫酸铈盐（Ce3+和Ce4+）的溶液为催化剂，在25℃时，以溴酸钾氧化柠檬酸。当把反应物和生成物的浓度控制在远离平衡态的浓度时发现，溶液中四价铈离子的黄色时而出现，时而消失。在两种状态之间振荡，时间也极準确，周期为30s ，呈现出具有一定节奏的“化学钟”现象。如果能够不断加入反应物和排出生成物即保持体系的远离平衡态，则“化学钟”可长期保持，否则只能维持50min ，在达到化学平衡后消失。1964年，苏联化学家Zhabotinsky A M改进了这一实验。用铁盐代替铈盐为催化剂，以丙二酸代替柠檬酸用溴酸钾氧化，从而出现了时而变蓝、时而变红的更加鲜明的化学振荡现象。特别是还发现了在容器中不同部位溶液浓度不均匀的空间有序结构，展现出同心圆形或旋转螺旋状的捲曲花纹波，且由里向外“喷涌” ，呈现出一幅幅彩色壮观的动力学画面。Belousov B P和Zhabotinsky A M发现的化学振荡反应（简称贝－札反应或B－Z反应）表明，不仅在非均相体系中而且在均相体系中也能产生化学振荡现象，即体系的某些组分或若干组分的浓度随时间、空间而发生周期性变化的现象。传统理论认为，参加化学反应的亿万分子只能以混沌无序的形式随机地相互碰撞，进行无规则的热运动；反应后各种生成物的分子也只能是无序地在一起均匀混杂着，混沌一片。此外，依照过去对热力学第二定律的理解，一个开放体系就意味着存在一个不断破坏平衡的不可逆过程，应该朝着无序度增大方向不断发展，不可能出现时空有序结构。因此，在化学振荡反应发现的初期，人们感到难以理解。他们认为，这种魔术一般的“古怪行为”是在跟热力学第二定律开玩笑，是由于实验条件的错误安排或某种干扰所致，从而认为所谓的发现是绝不可能的。这样， Belousov的发现长期未被承认，其论文也未能及时发表，被搁置达6年之久。在此以前，美国伯克利加州大学的Bray W于1921年在过氧化氢转化为水的过程中也发现了化学振荡反应，然而也被认为是由于实验操作低劣而产生的人为现象而未被接受。直到60年代以后，由于发现的事实越来越多，化学振荡的存在已不容置疑才逐渐被承认，并日益引起了广大化学家的注目。耗散1968年，比利时化学家Prigogine I R在历经了近20年的探索以后，提出了耗散结构理论。他指出：一个开放体系在达到远离平衡态的非线性区域时，一旦体系的某一个参量达到一定阈值后，通过涨落就可以使体系发生突变，从无序走向有序，产生化学振荡一类的自组织现象。这里，实质上是提出了产生有序结构的以下四个必要条件：1.开放体系这样才可能同外界交换物质与能量形成有序结构。具体说来，这样才可能从外界向体系输入反应物等来使体系的自由能或有效能量不断增加，即有序度不断增加；同时，才可能从体系向外界输出生成物等来使体系无效能不断减少，即无序度或熵量不断减少。前者是向体系输入负熵，后者是从体系输出正熵，从而使体系的总熵量增长为零或为负值，以形成或保持有序结构。输入负熵，是消耗外界有效物质与能量的过程；输出正熵，是发散体系无效物质与能量的过程。这一耗一散，也就成了产生自组织有序结构的必要条件。因此，自组织有序结构也就可以称为耗散结构。显然，耗散结构在非开放体系中是不可能形成或保持的。2.远离平衡态这样才可能使体系具有足够的反应推动力，推进无序转化为有序，形成耗散结构。例如在恆温恆压条件下，可以使反应物浓度远高于平衡浓度，生成物浓度远低于平衡浓度，从而在实际浓度与平衡浓度间造成巨大浓度差，以推进化学振荡反应的产生。相反，如果在平衡态，则实际浓度与平衡浓度相等，二者之差为零，反应推动力为零，反应已经达到极限，反应体系的浓度已经不再随时间变化发生任何变化，即已经达到“时间终点” 。因此，也就不可能产生浓度随时间空间而发生周期性变化的化学振荡现象。此外，在平衡态，体系的熵量已经增至极大，无序度已经增至极大，从而也不可能产生有序。所以PrigogineIR说，非平衡是有序之源。形象地看，这好比是往咖啡里面加牛奶，达到平衡时的最后状态只能是一碗混沌无序的灰色浑汤。但是在达到那个状态以前的非平衡态，则白牛奶在黑咖啡里排演了多少瞬息万变的漩涡花样和结构！可见，有序的生机是在远离平衡态时萌动的。3.非线性作用即体系内各要素之间具有超出整体是局部线性叠加效果的非线性作用，是一种所得超所望的非线性因果关係，即一个小的输入就能产生巨大而惊人效果。这样才可能使体系具有自我放大的变化机制，产生突变行为和相干效应、协同动作，以异乎寻常的方式重新组织自己，实现有序。相反，如果只是具有线性作用，要素间的作用只能是线性叠加即量的增长而不能产生质的飞跃和实现有序。这种非线性作用，在化学体系中是体现在反应链上存在着自催化或交叉催化的环节，即某些反应物分子的一个生成物正是它们自身所需要的催化剂，从而使反应速率达到雪崩式的加快（自催化）；或属于两个不同反应链上的两个产物能各自催化对方的反应（交叉催化），其结果是可以产生一种难以控制的剧变行为。这种自催化或交叉催化产生的剧变行为，在技术控制论中被称为正反馈，即某种对于指定参考值的偏差不仅未能消除反而得到加强的行为。在化学振荡反应中，正是由于具有了正反馈，才使体系得以造成失稳、活化、放大成“化学钟”里的前后呼应的颜色变化，产生周期性的振荡。实际上，正反馈是一种自我複製、自我放大的变化机制，因此才能使亿万分子的微观行为像得到指令般地协同动作并在巨观上实现有序。可见，正反馈、自催化或交叉催化或非线性的相互作用，是产生化学耗散结构的不可缺少的动力条件。4.涨落作用即体系中温度、压力、浓度等某个变数或行为与其平均值发生偏差的作用。体系具有涨落或起伏的变化，才能启动非线性的相互作用，使体系离开原来的状态，发生质的变化，跃迁到一个新的稳定的有序态，形成耗散结构。因此，涨落是一种启动力，涨落导致有序。涨落主要是由于受到体系内部或外部的一些难以控制的複杂因素干扰引起的，带有随机的偶然性，然而却可以导致必然的有序。这就再一次表明，必然性要通过偶然性来表现，偶然性是必然性的补充。