自组织理论概览

【生命都是需要新陈代谢的，都是开放的系统，也都是典型的耗散结构。

热力学第二定律是封闭系统的规律，避免熵死的方法之一就是建立耗散结构。】

【熵增原理与耗散系统

一个封闭的系统，总是倾向于无序状态的最大化。这就是热力学第二定律（熵增原理）。熵是什么？熵，是事物无序状态的量度！对于企业组织来说，熵增原理意味着企业总是趋向于效率下降、能力丧失、崩溃瓦解。良好的企业管理，就在于构建一个符合“耗散结构理论”的管理系统。

“耗散结构理论”是比利时理论物理学家、1977年诺贝尔化学奖得主普利高津，在1967年提出的。

按照耗散结构理论，一个熵减的系统，需要满足：

1.开放；

2.远离平衡；

3.非线性。

封闭没有发展，平衡也没有发展，这是耗散结构理论的基本结论。耗散结构理论认为，一个远离平衡的、非线性的、开放系统（不论它是物理、化学的，还是生物学、生态学的，乃至是社会、经济或精神的），只有通过与环境进行物质、能量和信息的交换，在耗散过程中产生负熵流，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变，即产生非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态，才有可能自组织起来，从无序走向有序，形成具有一定组织和秩序的动态结构。 】

一般来说，组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。

德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。

如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；

如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。

自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。

自组织理论的主要部分

　　它主要有三个部分组成：耗散结构理论（Dissipative Structure）、协同学（Synergertios）、 突变论（Calastrophe Theory），但基本思想和理论内核可以完全由耗散结构理论和协同学给出。其实，任何一个组织都有自组织属性，否则就失去了存在的基础和发展的动力。

1、耗散结构理论

耗散结构理论主要研究系统与环境之间的物质与能量交换关系及其对自组织系统的影响等问题。建立在与环境发生物质、能量交换关系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是耗散结构出现的三个条件。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、协同学

耗散结构理论阐释了系统自组织的条件和环境，协同学则解释了复杂系统自组织的从无序到有序结构的内在动力机制，即完全不同性质的子系统通过怎样的合作在宏观尺度上形成空间、时间或功能上的有序结构。

协同学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使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。

协同学突破了以往线性、封闭、稳定科学着眼于他组织的局限，探讨了系统如何通过内部各子系统之间的竞争及由竞争导致的协同，最终形成有序结构的系统自组织动力机制问题。协同学看来，任何复杂系统的子系统都有两种运动趋向：一种是自发地倾向无序的运动，另一种是子系统之间的关联引起的协调、合作运动，前者是系统走向无序、最终瓦解的重要原因，后者是系统自发走向有序的重要原因。系统各要素、各子系统之间的相互作用改变了系统的性质，是发生从无序到有序还是从有序到无序的两种相反的运动趋向，是由占据主导地位的运动所决定的。复杂系统的自组织过程实质上是在一定条件下自发的协同而形成有序的过程，即系统内部大量子系统之间相互竞合而产生协同效应，以及由此产生的序参量支配，导致宏观的空间或时间有序结构形成的过程。

3、突变论

突变论则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，表现在数学上是标志着系统状态的各组参数及其函数值变化的过程。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概率。

【自组织临界理论（self-organized criticality，SOC）

自组织临界理论（self-organized criticality，简称SOC）是一个有趣且影响较大的理论。该理论认为，由大量相互作用成分组成的系统会自然地向自组织临界态发展；当系统达到自组织临界态时，即使小的干扰事件也可引起系统发生一系列灾变。Bak等人（1988，Bak，1996）用著名的“沙堆模型”（sandpile model）来形象地说明自组织临界态的形成和特点。

美国物理学家Per Bak和Kan Chen做过一个内涵深刻的研究：他们让沙子一粒一粒落在桌上，形成逐渐增高的一小堆，借助慢速录象和计算机模仿精确地计算每在沙堆顶部落置一粒沙会连带多少沙粒移动； 初始阶段，落下的沙粒对沙堆整体影响很小； 然而当沙堆增高到一定程度，落下一粒沙却可能导致整个沙堆发生坍塌。 Bak和Chen由此提出一种“自组织临界”（self-organized criticality）的理论； 沙堆一达到“临界”状态，每粒沙与其他沙粒就处于“一体性”接触， 那时每粒新落下的沙都会产生一种 “力波”，尽管微细，却能贯穿沙堆整体，把碰撞次第传给所有沙粒，导致沙堆发生整体性的连锁改变或重新组合； 沙堆的结构将随每粒新沙落下而变得脆弱，最终发生结构性失衡——坍塌。临界态时，沙崩规模的大小与其出现的频率呈幂函数关系。

所谓“自组织”是指该状态的形成主要是由系统内部组织间的相互作用产生，而不是由任何外界因素控制或主导所致。所谓“临界态”是指系统处于一种特殊敏感状态，微小的局部变化可以不断放大、扩延至整个系统。也就是说，系统在临界态时，其所有组份的行为都相互关联。临界态概念与“相变”（phase transition）密切联系；相变是由量变到质变的过程，而临界态正是系统转变时刻的特征。因为在临界态时，系统内事件大小与其频率之间是幂函数关系，这时系统不存在特征尺度（characteristic scales）；也就是说，事件发生在所有尺度上，或与尺度无关（即f(x)的相对变化与x无关）。

Bak还把自组织临界态与分形结构联系在一起，并毫不含糊地指出分形结构是自组织临界态在空间上的“指纹”。Bak认为，自组织临界理论可以解释诸如地震、交通阻塞、金融市场、生物进化和物种绝灭过程、以及生态系统动态诸现象，并认为SOC是目前描述动态系统整体性规律的“惟一的模型或数学表达”。与混沌行为不同，自组织临界态是一个吸引域（attractor），即使改变初始条件，系统最终都会达到这一临界态。Bak反复指出，“复杂系统必然在所有时空尺度上具有信息，简言之，复杂性就是临界性”；“自组织临界性是自然界趋向最大复杂性的驱动力”（Bak，1996）。】

一些新兴的横断学科从不同的角度对“自组织”的概念给予了界说： 从系统论的观点来说，“自组织”是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精细度的过程； 从热力学的观点来说，“自组织”是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息，而不断地降低自身的熵含量，提高其有序度的过程； 从统计力学的观点来说，“自组织”是指一个系统自发地从最可几状态向几率较低的方向迁移的过程； 从进化论的观点来说，“自组织”是指一个系统在“遗传”、“变异”和“优胜劣汰”机制的作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从而不断提高其对于环境的适应能力的过程。C. R. Darwin的生物进化论的最大功绩就是排除了外因的主宰作用，首次从内在机制上、从一个自组织的发展过程中来解释物种的起源和生物的进化。

从结构论- 泛进化理论的观点来说，"自组织"是指一个开放系统的结构稳态从低层次系统向高层次系统的构造过程，因系统的物质、能量和信息的量度增加，而形成比如生物系统的分子系统、细胞系统到器官系统乃至生态系统的组织化度增加，基因数量和种类自组织化和基因时空表达调控等导致生物的进化与发育（Evo-Dev）过程。

自组织的特征

自组织现象是包括生命系统在内的许多天然系统中，最引人入胜而又发人深思的一种行为。与“他组织”相比较，自组织系统的行为模式具有以下突出的特征： 信息共享 系统中每一个单元都掌握全套的“游戏规则”和行为准则，这一部分信息相当于生物DNA中的遗传信息，为所有的细胞所共享； 单元自律 自组织系统中的组成单元具有独立决策的能力，在“游戏规则”的约束下，每一个单元有权决定决定它自己的对策与下一步的行动； 短程通讯 每个单元在决定自己的对策和行为时，除了根据它自身的状态以外，往往还要了解与它临近的单元的状态，单元之间通讯的距离比起系统的宏观特征尺度来，要小得多，而所得到的信息往往也是不完整的、非良态的； 微观决策 每个单元所作出的决策只关乎它自己的行为，而与系统中其它单元的行为无关；所有单元各自的行为的总和，决定整个系统的宏观行为；自组织系统一般并不需要关乎整个系统的宏观决策； 并行操作 系统中各个单元的决策与行动是并行的，并不需要按什么标准来排队，以决定其决策与行动顺序； 整体协调 在诸单元并行决策与行动的情况下，系统结构和游戏规则保证了整个系统的协调一致性和稳定性； 迭代趋优 自组织系统的宏观调整和演化并非一蹴而就，而是在反复迭代中不断趋于优化；事实上，这类系统一般无法达到平衡态，而往往处在远离平衡态的区域进行永无休止的调整和演化；一旦静止下来，就表示这类系统的“死亡”。

自组织的机制

物种起源、生物进化和社会发展等自组织过程的发展方向是从混乱走向有序，可是热力学第二定律却断言一个孤立系统必然从有序走向混乱。这曾经是一个长期使人困惑的问题，在学术界引发过激烈的争论。

20世纪最后30年对关于自组织机制的研究从不同的角度对于这一使人困惑的问题给出了理论上的解释： 耗散结构理论 认为一个远离平衡态的非线性、开放系统通过与外界交换物质和能量，可以提高自身的有序度，降低熵含量。这一理论认为“非平衡”是有序之源。 协同学 认为由大量微小单元组成的系统，在一定的外部条件下，通过各单元的相互作用，可以自发地协调各个单元的行为，从而产生宏观的空间结构、时间结构与功能结构。这一理论认为在临界状态（分叉点）上，偶然的涨落经过放大，将起到推进有序化的作用。 元胞自动机 以计算机建模和仿真的方法，研究由类似于生物细胞的大量并行个体所组成的系统的宏观行为与规律。在研究方法上多采用离散的空间布局和时间间隔。一个典型的元胞自动机是所谓“生命游戏”，它形象地表明，随机的初始布局是如何经过单元之间的短程通讯、微观决策、并行协调和反复迭代，最后演化成为稳定、有序的空间结构。 人工生命 以计算机建模和仿真的方法研究生命或生态系统的组织结构、功能及其主要的行为特征，包括遗传、个体复制、发育和自组织等等。人工生命的研究认为生命的真谛在于其组织结构和行为特征，而不必拘泥于这些结构与特征所依托它的物质材料。人工生命的研究表明，在秩序与混沌的边沿存在一片孕育生命的神奇的绿洲，自组织现象就在此发生。

【熵

1854年，鲁道夫·克劳修斯发现热力学第二定律时，定义了熵。自然社会任何时候都是高温自动向低温转移的。在一个封闭系统最终会达到热平衡，没有了温差，再不能作功。这个过程叫熵增，最后状态就是熵死，也称热寂。

熵首先是物理学概念，熵的单位是焦耳/热力学温度。热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态。因此，热力学第二定律也被称为熵增定律。

1877年左右，玻尔兹曼提出熵的统计物理学解释，揭示了熵的本质是一个系统“内在的混乱程度”。

1943年，薛定谔在三一学院的讲台上，面对爱尔兰总统等一众嘉宾，在“生命是什么”的主题演讲中提到，“自然万物都趋向从有序到无序，即熵值增加。而生命需要通过不断抵消其生活中产生的正熵，使自己维持在一个稳定而低的熵水平上。生命以负熵为食。” 1944年，薛定谔把这一演讲主题写作成书，即《生命是什么》，引导了以DNA为标志的现代生物学发展。

薛定谔将生命活力称为负熵，使得自然万物与热力学的熵増反向运动。同理，企业要保持发展动力，需要依靠的就是人的生命活力。

开放性、远离平衡、非线性是耗散结构的三个特征。

生命都是需要新陈代谢的，都是开放的系统，也都是典型的耗散结构。

热力学第二定律是封闭系统的规律，避免熵死的方法之一就是建立耗散结构。耗散结构是普利高津在研究不违背热力学第二定律情况下，如何阐明生命系统自身的进化过程时提出的新概念，他因此获得了1977年诺贝尔化学奖。

耗散结构就是一个远离平衡的开放系统，通过不断与外界进行物质和能量交换，在耗散过程中产生负熵流，从原来的无序状态转变为有序状态，这种新的有序结构就是耗散结构。

人类社会和群体既是一个远离平衡的结构，也具有非线性发展的特征，而且可以具有开放性，完全符合耗散结构的三个特征定义。因此，耗散结构的动力学模型应该适合人类社会。这是普利高津在20世纪80年代进一步发展耗散结构时提出的重要观点。】

自组织过程对于环境的影响

1．自组织过程的伴随过程

如前所述，自组织现象是一种降低系统的熵含量、提高其有序度的过程，是系统的状态由高几率向低几率迁移的过程。如所周知，热力学第二定律和统计力学认为这样的变化是不会自发地产生的。可是，它确实是发生了，其中的奥妙在于系统的开放性——一个开放系统的熵变化由两项组成：DS =DSi +DSe，其中DS是过程总的熵变化, 对于自组织过程来说，有DS < 0；DSi 表示自组织系统内部的熵产生，按照热力学第二定律，必有DSi > 0；因此，反映系统与外部熵交换的那 一项DSe必然为负，即DSe< 0。这就是说，自组织系统有赖于外界给它输送负熵，以提高其有序度。因此，与自组织过程相伴的必然有另一个“伴随过程”，后者向前者输送负熵，也就是输送有序度或信息。

2．熵污染

由上述分析可知，制造系统不仅需要从外界输入物质材料和能量，而且还需要从外界吸取负熵或有序度。于是，每一件精美的产品问世，必然在世界上另外某一个地方造成了熵的增加，而且环境的熵增必然大于产品的熵减，从而使得我们这个已经十分拥挤的世界变得更加紊乱。这种现象称为“熵污染”。 熵污染是由热力学第二定律决定的，而与制造过程的具体的物理特性无关。如前所述，两百多年来工业经济发展的历史已经充分地表明了“熵污染”的严重性。 制造过程的“熵污染”虽然不可避免，但可以大大地减轻。问题症结在于传统的“他组织”的制造过程中，由于人为的干预，对于环境造成了大量不必要的熵增，使得“熵污染”更趋严重。近平衡态热力学有一个“最小能量耗散原理”：在满足约束条件的前提下，非平衡定态的熵产生趋于最小，能量耗散趋于最低，而任何外加的强制或人为的干预必然使熵产生或能量耗散增加。

总之，人为的工艺和人为的结构往往不能最节省地利用能量和信息，从而给环境造成不必要的熵增。而采取自组织策略，实施自组织制造或仿生制造，可以将环境熵增降低到最低限度。从这个意义上说，自组织制造是真正的绿色制造。

生物的生长、发育则是一种在内在基因控制下，通过细胞并行分裂而成形，称为“自成形”，或自组织成形。生物界或人类自身已经证明，以“自成形”方法能够产生非常精巧、复杂的结构。在自组织成形方面，需要解决的关键问题包括： 由大量基元的自律行为生成宏观模式的原理及其数学模型； 在内在基因控制下、由“种子”发育成形的新一代快速自成形方法；

生物在进化过程中的寻优机制，抵御“组合爆炸”和防止陷入“局部最优”的策略。

有序度和熵的角度

自组织度