第114篇 复杂性理论（8）— 系统理论发展的三个阶段

杨鸿智

第114篇  复杂性理论（8）— 系统理论发展的三个阶段
作者：
中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智
一  系统理论的发展，分为三个阶段。
第一个阶段称为“经典系统论”阶段。20世纪自然科学的第一件大事是相对论和量子论的诞生。20世纪第二件大事是老三论的诞生。这老三论是指系统论、控制论、信息论。这些理论告诉我们，物质世界有简单物质和复杂物质的区别。复杂物质是由许多简单物质组成的。这些简单物质之间，即组成部分之间存在着相互作用，相互作用的产物称为信息。因此信息具有能量，可以与物质相互转化。这些相互作用的综合功能，大于各组成部分的功能的简单相加。这样的复杂物体被称为系统。系统的特点就是总体大于部分之和。系统的存在必须保持子系统相互作用的平衡。平衡的调节称为控制。控制以负反馈的方式进行。这就是老三论的基本内容。老三论的意义就在于发现了复杂系统的存在这个事实，并发现系统的功能与子系统的功能不同，系统功能大于子系统功能之和，不能简单地用子系统的规律来说明大系统。这就彻底否定了近代自然科学的还原论原理。因为近代自然科学的两个基本原理不能存在，现代自然科学存在的历史也就到此结束，并开始向后现代自然科学转化。这个阶段系统理论的作用是描述系统的结构、组成、以及各组成部分之间的关系状态。基本是静态的描述。或者说是给我们描述了一个静态的系统。
二  系统理论发展的第二个阶段：
经典系统理论是对系统论的静态描述，主要在于起到“发现系统存在”的作用。因此实用意义不大。第二个阶段即进入对系统的运动进行认识。这个阶段主要是对一个系统处在相对稳定时期，量变运动的认识。是对系统的动态描述。即系统是如何维持其存在的。主要是发现系统的存在完全依靠子系统之间的相互作用，这个相互作用需要环境给予物质和能量的补充。这个相互作用是随机涨落。而此时系统整体仍处于相对稳定时期。主要介绍两个理论，一个是“耗散结构理论”，另一个是“混沌论”。
①耗散结构理论
在经典力学中有一个热力学第一定律，即能量守恒定律。指出在一个封闭系统内热与功的转换守恒。按照这个思路，研究人员研究了在孤立系统中热力学的规律。这时发现系统的熵趋于无穷大。这就叫做热力学第二定律，熵是指热的散失。最大熵，就是最大热量散失。也就是说，对于一个孤立系统，一杯热水落石出最终会变成冷水，不能再作功。腐烂的尸体，最终化成腐土。在发现了热力学第二定律后，人们又发现了一个现象，有一些系统，这些系统的熵并不趋向无穷大。系统能保持处在远离平衡点的位置上长时期不改变。比如生命系统。研究发现，这些系统在向环境散发热量的同时，能够从环境中吸收自己需要的物质和能量，补充自己热量的散失，因而可以在开放散热的同时保持熵不增加，研究人员给这样的开放系统称作：“耗散结构”。根据这个道理，物理学家给生命下了这样的定义：生命是一个开放的巨系统，生命是一个以负熵为生的耗散结构。正因为如此，生命才可以保持自己远离热平衡点——死亡。耗散结构揭示出一个开放系统得以存在的条件。
②混沌论
系统论是对系统存在静态描述，混沌论则是对系统的动态描述。研究发现系统永远处于一种运动状态，这个运动有一个确定的宏观边界，这个边界不是一条线，不是一个数值，而是有一个上限，有一个下限。而且上下限之间范围相当宽广。这样一来就造成一种现象，系统运动，从宏观上总体上来看，运动是稳定的，不会超出上下限的范围。然而在局部，微观处具体研究运动的状态时，系统状态可在上限范围内任一时空范围内变化，形成一种无法预测、无法计算的“混乱”局面。这种混乱是在全局稳定前提下的局部的混乱。不是真正的完全无条件的混乱。因此科学家选择了“混沌”来命名它。以便与真正的混乱相区别。研究认识到系统这种大范围内摆，是因系统内部多种子系统之间不断的复杂的多变的相互作用造成的。这种摆动，科学家称为涨落，它使系统具有可变的功能状态，以适应系统所在环境的改变，没有这种适应能力，系统即不能在变化的环境中存在。
三  系统理论发展的第三个阶段是“复杂性”理论
经典系统论就已经指出，系统是由多个层次的子系统组成。那么低层次的子系统如何逐渐上升为高层次呢？或一个系统如何转化成本质不同的另一个系统呢？这种层次之间的转化，系统之间的转化问题，就是系统理论发展第三个阶段研究的对象。
研究结果发现，只要给系统中某个子系统不断供给充足的物质和能量，这些能量积累得足够大，超过了系统平衡控制的能力时，子系统的量变就会超出系统的组织框架，在一个新的水平上建立一个新的结构。这就是我们常说的量变引发质变的过程。这是复杂理论研究的第一个结果。即：子系统的简单的量变就可以引发系统的神秘而复杂的质变。这就把质变通俗化、数量化，把神秘的结果与可操作的实际结合起来。这是直接在混沌论研究的基础上解决的。混沌论发现系统的“现状”是由子系统间简单的相互作用来维持的。现在，将这一条再继续推进一步，系统的质变，一个旧系统向新系统的转变，也是由这些子系统的简单的相互作用完成的。只不过这两个阶段中的子系统间相互作用的强度大小在数量上有不同而已。质变之所以发生，是因为作用的强度明显加大，超过了一个数值而引起的。
复杂性理论研究的第二个成果是，发现在质变过程中，当一个子系统作为量变的主体发生正反馈时，其它周围相关子系统不是静止不变的，而是相应发生各自的正反馈。以协同或制约那个首先发生正反馈量变的子系统。并最终使系统在新的基础上达到新的平衡。这就表明，量变由一个子系统正反馈开始，但并不总是这一个子系统在变化，而是很快系统中所有相关子系统都以自己特殊的方式参加到变化中来。使系统形成“一片混乱”的局面。然而，正是这一片混乱，正是多个子系统也发生了变化，才使系统得以在新的水平上达成新的平衡。并使系统继续保持存在。否则，如果系统中只有一个子系统在变化，其它子系统无变化，那么这个系统将失去平衡，趋于死亡。
复杂性理论研究的第三个成果是发现，在质变发生前，会出现一个短的时间，在这段时间里，系统的平衡控制明显减弱，子系统因而获得了充分的自由去建立自己的新结构。因此人们认为，中枢控制的减弱是有利于质变的，有利于新结构的产生。因而，这也成为人们控制系统，促使系统向新结构改变的重要手段。研究者们认为，在冲破了原系统的控制，又没有建立新的控制之前的这个中间阶段，正是新结构诞生的地方。他们将这种具有“自组织”、“自适应”的复杂结构都模拟为生命结构。这样，研究者就认为，这个阶段正是生命诞生的地方。因为这个阶段正处在原结构（一种旧的混沌状态）已经失控，新结构（另一种新的混沌状态）尚未产生。所以，研究者们将这个阶段称为“混沌的边缘”。（新、旧两个混沌的边缘）。这些知识，主要是美国圣达菲研究所为首的一批科学家研究的。研究人员将这些理论总称为“复杂”。这样，复杂科学也就成为诞生于秩序（新结构、新混沌）与混沌（旧混沌、旧结构）边缘的科学。

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理论性归纳具有引导性意义。

胡来元

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