导 论

一“自组织”系统演化的动力、条件和基本途径概述

本世纪 70 年代以来，当代科学前沿出现了一大批像“耗散结构理论”、“协同学”、“混沌理论”、“分形理论”这样的新兴学科，它们研究的对象都是非线性的复杂系统。在这类复杂系统中，自组织系统尤为引人注目。自组织系统无需外界指令而能自行组织、自行创生、自行演化，即能自主地从无序走向有序。自组织系统不仅极为普遍，而且与人类关系密切。由于这些新兴学科的出现，人们现在对自组织系统发展的动力、条件、途径已经有了比较科学的认识，甚至可以加以科学的刻画。此外，在自然界和人类社会，也存在着与自组织系统性质完全相反的另一类系统，它不能自行组织、自行创生、自行演化，即不能自主地从无序走向有序，而只能在外界指令的推动下组织和演化，从而被动地从无序走向有序，这类系统我们称之为“他组织系统”。举例来说， 包办婚姻是“他组织”，而自由恋爱则是“自组织”；工人在工头的命令下劳动是“他组织”，工人自愿结合地劳动则是“自组织”。

“自组织”系统演化的动力在系统内部。

协同学创始人 H.哈肯指出：“如果系统在获得空间的、时间的或功能的结构过程中，没有外界的特定干预，我们便说系统是自组织的。”

（H. 哈肯：《信息与自组织》，四川教育出版社 1988 年版第 29 页）这表明系统的演化动力在系统内部而不在系统外部。按照哈肯的观点，系统演化的动力是系统内部各个子系统之间的竞争和协同，而不是外部指令，只有如此的系统才是自组织的系统。他指出，系统内部各个子系统通过竞争而协同，从而使竞争中的一种或几种趋势优势化（自组织科学理论称之为形成“序参量”的过程），并因此支配整个系统从无序走向有序，即自组织起来。举例来说，假如有许多人在一个有限的舞池中跳舞，也没有人指挥大家怎样跳舞，一开始舞池中的次序肯定是混乱的， 大家会你碰我我碰你。然而，在跳舞的过程中有些舞对就会发现，只要与他们旁边一对舞伴（或别人）跳舞的方向一致就不会发生碰撞。这种行为会像滚雪球一样逐渐扩大。于是，舞池中的秩序逐渐形成：大家都按某一方向绕舞池的中心旋转。当然，也会有个别舞对反方向跳舞，但是他们很快就会发现逆潮流的问题，而不得不改正过来。这也正如大江东去中的水分子一样，一方面存在着热运动，另一方面又都融汇在东去的大潮流之中，即融合在“序参量”支配下的总的运动模式之中。换言之，自组织系统演化的动力来自系统内部的两种相互作用：竞争和协同。子系统的竞争使系统趋于非平衡，而这正是系统自组织的首要条件；子系统之间的协同则在非平衡条件下使子系统中的某些运动趋势联合起来并加以放大，从而使之占据优势地位，支配系统整体的演化。

辩证法认为，事物发展的根本原因在于事物内部的矛盾。然而，系统内部存在着各种各样的矛盾，何种矛盾才构成推动事物自组织发展演化的动力呢？当代自组织科学理论丰富和发展了唯物辩证法关于事物发展的根本原因在于事物内部的矛盾的观点。在自组织科学理论中，系统

内部各个子系统的竞争和协同，必须是一种非线性的相互作用，只有如此，这种竞争和协同才能成为系统自组织演化的动力。这正是自组织理论的创始者们把“非线性”称之为“有序之源”的缘故。

我们知道，相互作用就是矛盾双方的排斥、吸引，在线性相互作用下，作用双方的质量相当，各种作用之间很少发生关联，因此系统内部各个要素或子系统之间很少协同甚至根本没有协同。与此相反，在非线性相互作用下，各种作用相互关联起来，形成协同，因此系统才能产生整体行为，才形成一种你中有我、我中有你的不可分割的关系，并使系统局部的小涨落得到放大，从而引起系统的从稳到非稳再到新的稳定的跃迁式演化。

在实际系统中，现在不仅在物理、化学、生物系统的自组织演化过程中证明了非线性相互作用下的竞争和协同是系统演化的动力，而且人文社会系统的自组织演化过程亦同样可以说明这一原理的正确性和适用性。例如，在科学史上就充满了竞争和协同推动科学研究发展进步的案例。不同观点的争论、同时的发现、发现前后的奋斗和竞赛，有谁能说它们没有推动科学的进步呢？科学社会学家 H.朱克曼经过对 1901 年— 1972 年间 286 位诺贝尔奖金获得者的调查研究发现，那种认为优秀科学家都是单干者的观点，或认为科学贡献都是个体思维的产物的观点，纯属陈腐观念。她发现，其中 185 人即占获奖人总数 64.7％的人是因与他人合作研究而获奖的（参见［美］H.朱克曼：《科学界的精英》，商务印书馆， 1982 年版，第 243—244 页）。这表明，从 19、20 世纪之交起， 合作研究与从事合作研究的科学家分别正在成为科学研究的主要方式和主要力量。而这种变化既不是外加的也不是人为的，而是自然而然地自组织起来的。再如对技术创新经济学的研究表明，在市场经济条件下， 完全竞争或完全垄断的经济结构都不利于技术创新，而既有垄断又有竞争的市场结构才最有利于技术创新（参见厉以宁：“技术创新经济学—

—它的由来和当前研究的问题”，《科技导报》，1990 年第 2 期，第 3

—8、11 页）。虽然垄断并不完全等于协同，但是垄断总是一些大企业的联合行为，其间又包含着竞争行为。因此，这种发现既竞争又协同对技术创新有巨大推动作用的研究所表明的事实，不也恰恰印证了当代自组织科学理论关于系统自组织演化的动力的基本观点吗？

在系统演化的过程中，自组织科学理论还特别强调“涨落”对于系统自组织演化的动力作用。什么是涨落呢？从系统的存在状态看，涨落是对系统稳定的平均状态的偏差；从系统的演化看，涨落这种偏差则是系统演化过程中的随机性非平衡因素。任何一个系统都必然存在着涨落，涨落的这种无处不在无时不在的特性是由运动的不灭性造成的，涨落的发生又是不确定的，是无法精确预见的。涨落的这种随机特征，不是人们的认识反映不精确造成的，而是系统演化的客观特性。自组织理论（如混沌理论）揭示，完全确定的系统，即可以用确定论方程描述的系统，在自己的进一步演化中也会出现不确定性，使系统演化结果变得不可预料，其原因就是系统中存在着“涨落”。所以，系统自身的涨落实际是一种内在随机性。在如何看待涨落作用的问题上，传统思维一般把它仅作为不利于系统稳定的干扰、噪声来对待；而在自组织理论中， 涨落被赋予新的意义，“‘通过涨落达到有序”，则是当代自组织理论

的基本结论。自组织理论认为，涨落是系统进化到更有序状态的诱因， 涨落驱动了系统中各个子系统在获取物质、能量和信息方面的非平衡过程。因此也可以把涨落视为是与必然性的非线性作用动力不同的另一类自组织演化动力，即随机性动力。例如，在有机界，微小变异的随机涨落（包括基因随机漂移）最终会导致物种的进化；科学上的意外发现， 有时则会带来突变式的“科学革命”。

一个系统要想成为“自组织”系统，也需要一些基本条件。

从系统内部来说，组成系统的要素必须大于三，即至少需要三个要素以上。这是保证系统内部存在非线性相互作用的前提，而非线性相互作用又是“自组织”系统演化的基本动力。

从系统外部来说，“自组织”系统并不是不需要与外部环境相互交换物质、能量与信息，恰恰相反，只有当外部环境向系统输入的物质、能量和信息达到一定阈值时，系统的自组织才能发生。换言之，系统必须是开放系统。所以闭关锁国不行，改革开放才对。但是，外界向系统的输入不能是特定的“干预”，不能只给予系统中的某一要素或某一部分，特别是作为系统的外部控制参量不能向系统内部输入特定的“指令”。否则，系统的演化就变成了“他组织”的了。

关于“开放”这一条件，我们经过研究（参见《自组织的哲学—— 一种新的自然观和科学观》）发现，这里有两点需要注意，第一，输入阈值的存在表明，有一个最小开放度，低于这个开放度，系统将不能自组织，或是自组织起来了也会坍塌下去；同样，系统也不能百分之百开放，开放度等于 100％，意味着系统与它的环境之间不再存在边界，意味着系统已经解体。令开放度为 K，对应输入阈值的开放度为 Kc，则 Kc≤K

＜1。此外从系统与环境的关系上看，开放意味着系统与环境之间既存在着边界也存在着跨界线的部分。按照系统理论，边界对输入输出起着过滤、隔离和标准化的作用；而跨界线的部分则在系统和环境之间缓冲着它们的输入和输出。两者都对系统演化的稳定性、持续性有着重要作用。

一般而言，“自组织”系统的演化要优于“他组织”系统的演化。当然也有例外，只有当“他组织”系统的外部指令系统能够接收内、外全部信息，并能对其全部加以处理时，“他组织”系统的演化可以优于“自组织”系统。“包办婚姻”偶尔也会比“自由恋爱”更符合当事人的长远利益，但其前提是包办者相当于一个全能的“神”。“自组织” 系统的演化之所以要优于“他组织”系统的演化，关键在于“自组织” 系统的演化动力在系统内部，是系统内部子系统的相互作用推动了系统的演化，因此，系统整体和内部各个子系统都具有活力。相反，“他组织”系统的动力来自于系统外部，系统整体的活力依赖于外部控制参量， 外部控制参量是个“拉普拉斯妖”（即全能的神），系统整体可以向理想状态逼近。外部控制参量是个“孬种”，系统运转就会失灵。此外， 无论哪种情况，系统的子系统都是缺乏活力的，都是被推动的。

自组织现象纷繁复杂、丰富多采。然而，无论无机、有机系统还是人文社会系统的自组织过程都存在着内在统一性，即它们都采取了“循环”的演化形式。什么是循环呢？如果一个系统是由 A、B 两个子系统组成，其中存在着 A 作用 B、B 又作用 A 的作用链，那么就构成了一种最简单的“循环”。由这种简单的反应循环作为环节再构成的更复杂的循环

在自组织理论中被称之为“催化循环”；而再由催化循环作为环节所构成的更为复杂的循环就是所谓“超循环”（Hypercycle）了。上述的“反应循环一催化循环一超循环”链，实际就是系统自组织演化的层次跃迁与复杂性增长的过程链。反过来看，系统在其自组织演化过程中只有采取这些“循环”耦合的组织形式，才能有效地聚合、利用能量，促进系统内部非线性的竞争和协同的整合，自我复制、交互复制，分叉、选择， 突变，从而促使系统增长复杂性，即更加有序。

一般而言，系统自组织演化的途径有三种：第一种，经过“临界” 状态的突变途径；第二种，不经过“临界”状态的突变途径；第三种， 渐变途径。其中，经过“临界”状态突变途径的自组织演化过程最为新奇，引人注目。例如，在“临界”状态下即系统经过“临界点”时，系统突变前的状态与突变后的状态变得无法区分，此时，系统的状态是极不稳定的，系统突变前的状态与突变后的状态是你中有我我中有你，相互胶织缠绕在一起。严格地说，此时系统的状态，既非系统突变前的状态也非突变后的状态，此时系统演化的微观图景呈现为一种有着系统突变前状态花纹与突变后状态花纹、你中有我我中有你、相互胶织缠绕且动态演化的样子。（参见于渌、郝柏林：《相变和临界现象》，科学出版社，1988 年版）而不经过“临界”状态的突变途径则没有这般复杂， 在此时系统演化的微观图景中，系统突变前的状态与突变后的状态是可以区分的。在演化早期，系统以突变前的状态为主要状态，而突变后的状态是以一种“晶核”的形式含在系统突变前的状态中的；而后，系统的这种“晶核”（即突变后的状态）愈益发展，最终变为系统的占据支配地位的状态。在第一种演化途径中，突变的是系统的某些关键性演化性质，系统的整体状态并未突变；而在第二种演化途径中，突变的是系统的整体状态，系统的某些关键性演化性质并未突变。

由于自组织系统演化存在着途径的多样性，所以在自组织系统演化的现象上往往表现出一种丰富多采的“分叉”行为来，使系统的演化呈现出一种“树形”结构，一种从简单到复杂、从少到多的不断的分叉图景。对于这种图景的描述和解释，是自组织理论群中的“分形”（Fractal）理论与混沌（Chaos） 理论。传统上，“混沌”常常被当做乱七八糟、混乱无序的同义词。热力学平衡态的混沌的确如此。中国古代寓言中的“混沌”也是如此，给它凿开七窍，让它转变为秩序，它就会“死寂”。

（见《庄子·应帝王》）。平衡态的混沌，即系统宏观没有演化而微观

（内部）演化毫无规律，而混沌理论中的非平衡态的混沌则表现为系统宏观演化无规律而微观（内部）演化有规律。从时间上看，这种规律表现为长时段不可预测，其精确的定义为：确定论系统中的内在随机性。从空间上看，混沌状态是系统自组织的运动收缩到状态空间中有限区域的一种形式，科学上把它称为“奇异吸引子”。它奇异就奇异在可使系统一切在吸引子外的运动轨线被吸引子吸引，即具有把吸引子外的运动积聚到吸引子态上的凝聚力，反映了极强的稳定系统运动的作用；而一旦系统状态都引入吸引子，则又向外排斥这些运动，所以系统宏观运动表现为“乱七八糟”而微观运动则有其内在的规律性；其空间结构呈现为一种“分形”结构，其空间维数也不是整数，而是分数。这种“分形”， 从几何角度看，则为那些具有不规则形状、内部具有层次结构与不均匀

性的形体。现在已经发现，事物自组织地从简单向复杂演化时，其演化的“分叉”结构就是一种分形结构。所以，分形与混沌又是度量自组织系统演化复杂程度的标准。自然界存在着大量的分形结构，例如，分叉的树、凹凸不平的山峦、大脑的褶皱皮层、心脏的血管，等等。我们也发现，科学研究的前仆后继的研究路线，科学学科的不断分叉，都具有分形结构。分形理论表明，规则整形的事物只是这个世界的特例和理想的抽象，而不规则分形的事物才是世界的普遍现象。有的科学家认为， 分形和分数维的发现，其意义可能是划时代的。我们已知的一切物质形态和运动都存在于小于三维的空间中，那么余下的间隙维中存在着什么形态和运动呢？这是我们可能面对的一个崭新的课题。（参见高歌：“对非线性科学的理解、体验和思考”，《科技导报》，3/1991，3—5，17） 我们认为，分形的发现，从一个崭新的角度提供给我们一种度量自组织演化复杂性的工具，为我们判定一个系统是否自组织提供了一种图景性的理论根据；而混沌现象的揭示，则使我们进一步看到了系统自组织演化的全过程，它亦包含三个阶段、两个飞跃，即：混沌（平衡态）—— 有序——混沌（非平衡态）。其图景则表现为一种从简单到复杂的“分叉”，样态（如图 0.0）：

图 0.0 混沌（平衡态）──有序

──混沌（非平衡态）“分叉”样态

综上所述，自组织系统理论所刻画的系统演化可以概括为：在开放的、远离平衡的和有外部物质、能量、信息的非特定输入/输出的条件下， 系统以其内部子系统之间的非线性相互作用为动力即以其子系统之间的竞争和协同为动力，同时受到内、外涨落的随机启动，产生出集体运动的协同效应，其协同关联所产生的“序参量”（即集体运动的基本模式） 又进一步支配了系统内各个子系统的竞争与协同，从而使系统走入循环、交叉作用并关联于放大的循环链圈之中。于是，通过这种有效利用物质、能量和信息的循环过程，系统便经历多种突变、渐变从无序跃变为有序或使有序程度进一步得以提高；于是，系统便从混沌（平衡态） 走向有序，又进一步演化为包含有序结构的非平衡混沌；于是，呈现在人们面前的，便是一幅系统从简单到复杂、从无序到有序、从低级到高级的自然历史演化的图景。

二 科学是自组织的吗？

当我们以自组织的思想考察科学的演化时，我们首先遇到的问题就是：科学的演化是自组织的吗？在“导论”的第一部分中，我们已经提及，在历史上有自组织演化的科学，也有被组织演化的科学。我们认为， 近代在西欧产生的科学，其演化是自组织的，而从古代到近代发展的中国科学，其演化从表现上看则是被组织的。第一，说中国古代到近代的科学演化从表现上看是被组织的，是因为这一时段的环境没有为科学提供“阈限”以上的物质、能量和信息，外部对科学研究控制得过死。第二，中国古代的科学作为一种知识形态，始终未与其它知识形态分离开来，这表明，此时的科学还处在一种平衡态的“混沌”状态之中；但是，

谁又能保证它未来的发展不能自发地自主地演化为今天科学的形态呢？ 第三，如果仅从微观上考察所有的科学研究，我们就会发现，微观科学研究具有共性，科学研究基本上是自组织的。这里，让我们先来限定一下，即这部分所说的科学，无论微观还是宏观，都是指西欧演化而来的那种科学形态和科学研究。我们已经提出，这个科学的演化是自组织的， 现在就让我们来加以证明。

说科学演化是自组织的，意味着要问：第一，科学是不是系统？是不是从非系统演化成为系统的？第二，如果科学是系统，作为一个系统的科学是不是具备自组织演化系统的全部特征？

首先，现代科学毫无疑问是系统。它不仅是系统而且是十分复杂的复杂系统。系统都是有结构的。我们亦可以清晰地发现科学的结构。科学系统可有三个层次的结构：微观结构、中观结构和宏观结构。所谓微观结构的科学即指单个的科学理论，很明显，它包括科学概念、定律和逻辑程序以及由此推论的命题，它是有结构的。所谓中观结构的科学即指一组同在一个研究领域的科学理论群，通常把它们称之为科学体系。如经典物理学即指经典力学、电磁学、分子运动论和经典统计物理学等学科构成的体系，再如现代物理学就是由基本粒子物理学、核子物理学、原子分子物理学、凝聚态物理学、等离子体物理学和相对论等构成的科学体系。所谓宏观结构的科学即指由众多门类的科学组成的整个科学。如现代自然科学就是由现代物理学、现代化学、现代生物学等单领域科学和现代环境科学等综合科学以及现代系统科学等横断科学所组成的复杂系统。

现代科学也毫无疑问地是从古代科学形态经由近代科学形态演化而来的。这种演化也毫无疑问地是从简单到复杂、从无序到有序的过程。即是一个从非系统到系统演化的过程。问题在于，这种演化是自组织的还是被（或他）组织的？

我们都知道著名科学社会学家默顿的代表作《十七世纪英国的科学、技术和社会》。在那本著作中，默顿有说服力地证明了近代科学是伴随近代资本主义的产生自发地发展起来的。官方或政府并没有刻意地去组织科学，然而近代科学却在欧洲蓬勃地发展起来了。相反，我们在古代的中国却看到了另一幅图景：官方政府把科学中的若干门类收归国有，使之成为官方科学，如天文学、医药学，并且禁止民间习之，这些科学学科虽然有过辉煌——其辉煌期恰恰都是官方对科学采取比较宽松的政策允许民间从事天文历算和医药养生活动之时，但在明朝却都衰败下去了（明朝对民间从事天文历算医药养生研究的禁令最严）。这不很能说明问题吗？！当科学被组织或他组织时，它反而不能很好地生长； 当不去人为地组织科学时，科学反而生长起来了。说这话的意思决不是可以不管科学，让它自生自灭；而是说一方面既不创造科学发展的条件， 一方面又不顾科学发展的规律，人为地规定科学发展方向，是必定要使科学衰落下去的。

可以看出，对科学发展演化至关重要的，是有无一个开放的适宜的环境。自组织的环境亦有一些要求，如开放性和开放程度上的要求、控制参量即外部“科技政策”的控制程度上的要求、系统与系统边界和跨边界部分的相互关系上的要求，等等。当这些条件都被满足时，科学