第三章?系統(tǒng)及其演化

帝曰：五運之始，如環(huán)無端，其太過不及何如？

《黃帝內經》

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????????也許，當中國古代哲學家和科學家提出五行運行的相生相克學說的時候，并沒有意識到他們是在研究系統(tǒng)理論，更沒有意識到幾千年以后這種理論會變得如此重要。今天，人們運用系統(tǒng)理論來分析社會結構，處理大工業(yè)生產，規(guī)劃國民經濟，研究神經生理學，幾乎沒有一種復雜事物的研究不在系統(tǒng)理論的對象之內。

????????自然界存在著許許多多種系統(tǒng)，固然每一種系統(tǒng)都有它的特殊性，但從方法論角度來看，系統(tǒng)方法有沒有共同點呢？

????????人們常說，系統(tǒng)研究方法的特點是：從整體上來考察一個過程，盡可能全面地把握影響事物變化的因素，注重研究事物之間的相互聯(lián)系以及事物發(fā)展變化總的趨勢。這是對的。另一方面，要研究整體，又必須分析整體內的各個組成部分，尤其是分析各部分之間的因果關系。系統(tǒng)理論也首先是從剖析因果關系開始的，并且有著自己十分獨特的思路。

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3.1 系統(tǒng)研究方法中的因果聯(lián)系

????????所謂因果聯(lián)系，大家都比較熟悉。人們遇到一種現象，總習慣于考察它發(fā)生的原因是什么以及它所要引起的結果。例如水結冰，溫度下降是水結冰的原因；物質的組成和結構不同是物質具有不同性質的原因；導線周圍有磁場是導線中有電流的結果；等等。

????????這種研究方法是有效的，特別是在剖析事物某一具體的、局部聯(lián)系的時候，它是整體研究的基礎。但當我們了解了局部關系后企圖來把握整體時，特別是碰到自然界錯綜復雜的大系統(tǒng)時，這種方法就無效了。在研究大系統(tǒng)時，人們不得不跟許多新的有趣的因果聯(lián)系形式打交道，我們在這里研究其中的幾種。

????????（1）因果長鏈

????????這在科學研究中是時常會遇到的。人們不但要知道某一現象發(fā)生的原因，而且往往還要知道原因的原因是什么。如果有可能的話，還要一直追索下去，直到發(fā)掘出一長條有因果聯(lián)系的鏈來。

????????早在兩千多年前，我國大哲學家莊周就對這種因果長鏈進行了研究，記載在《莊子》里。一天，莊周到雕陵栗園去游玩，看見一只怪鳥，他緊跟過去，架起彈弓準備打鳥。這時一只蟬正躲在枝葉中叫，沒想到已被螳螂發(fā)現了，螳螂伸出長臂抓住了蟬，正要咬，卻又被那只怪鳥發(fā)現了，怪鳥一啄，就把螳螂連同蟬一道吞掉。莊周把彈弓丟在地下，十分感嘆地走出園去，園丁見了，以為他是偷栗子的，狠狠罵了他一頓。

????????莊子通過這個有趣而寓意深刻的故事說明世界上事物之間的關系是復雜的，事物的原因后面還有原因的原因，一環(huán)扣一環(huán)。如果考察下去，可以追索得很遠。如果只看到眼前局部的環(huán)節(jié)，就要犯錯誤。螳螂只看到蟬，沒顧到背后的鳥，所以被吃掉了。鳥只看到螳螂和蟬，差一點被莊周的彈弓打中，園丁只看到莊周進了園子，就以為他是偷栗子的。實際上，整個過程中各個環(huán)節(jié)的因果聯(lián)系應該是一條長鏈（圖3.1）。園丁的行為離開了蟬是難以解釋的。要了解園丁當時的行為，必須把蟬、螳螂、鳥、莊子和園丁作為一個系統(tǒng)來研究。

? ? ? ? ?這種研究因果長鏈的方法在現代科學中占有重要的地位。追索原因的原因以及結果的結果，使許多學科的研究工作越出了自己經典的領域。人們經常發(fā)現構成本學科疑點的課題，其解決方法在過去認為毫不相干的科學領域內。這就促進近幾十年來邊緣科學及新的學科分支糾紛問世。

????????這種研究因果長鏈的方法也造成了科學史上另一個有趣的現象，就是人們對自然界一些終極問題越來越感到興趣，它們構成了著名的三大起源問題。人們發(fā)現，許多學科的疑點如果按原因的原因或結果的結果追索下去，都會不約而同地涉及天體起源、生命起源、人類起源這樣一些根本問題。

????????那么，是不是一切化學問題和生物學問題都必須歸結為基本粒子或夸克的發(fā)現，是不是一切有關人類的意識和社會問題都有待弄清人類起源甚至生命起源才能解決呢？追溯因果長鏈有助于我們從整體上來把握一個事物，但如果無限地追溯下去，會有一個終結嗎？不會的。任何一個科學家如果被一條無限的因果長鏈纏住，他就無法脫身。

????????因果長鏈的無限性使人們再一次提出了所謂終極原因問題，只不過把終點放到了一個無窮遠的地方。如果把目前科學所遇到的一切問題都歸結為那個無窮遠處的原因，實際上也就把科學放逐到一個不可知的世界中去了。因此研究因果長鏈又必須有一個適當的限度。這樣就出現了一個方法論的難題。

????????一方面為了考慮整體性，人們不得不考慮越來越多的因素，不得不把越來越長的鏈包含到研究的對象中來。

????????另一方面，自然界的因果長鏈又是沒有終點的，科學必須為自己規(guī)定適當的限度。

????????那么，當我們研究一個具體問題時，追溯到哪一個因果環(huán)節(jié)可以認為是適當的呢？這正是系統(tǒng)理論所研究的基本問題。對它的研究導致了“系統(tǒng)”這個概念本身的提出。為了對此有所了解，我們還必須對系統(tǒng)方法作更深入的研究，探討其他幾種因果聯(lián)系。

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????????（2）概率因果

????????經典的因果論認為：“任何原因都必然導致一定的結果。”如果考慮到偶然性和不確定性，這種說法就有欠妥之處。問題在于原因和結果之間的聯(lián)系，常常不能由“必然”和“一定”來歸結。

????????事實上，自然界許多事物之間的聯(lián)系是有隨機性的，原因A不一定會引起結果B，結果B也不一定是由原因A引起的。我們可以借用數學上描述不確定性的術語“概率”，把這類因果稱為概率因果，它也是現代科學中常見的因果聯(lián)系方式。

????????我們假設上面那個莊周游雕陵栗園是公元前300年發(fā)生的一個事件：螳螂捕蟬，鳥啄螳螂，莊周打鳥，園丁罵莊周。如果反過來問：是不是栗園里只要有了一只蟬，就一定會惹起園丁破口大罵，或者只要園丁破口大罵，就一定是某只蟬的緣故呢？顯然不是。

????????我們設栗園中蟬被螳螂捕獲的概率平均為百分之一，螳螂被鳥啄的概率也為百分之一，余者類推，那么整個事件發(fā)生的概率實際上只有6。也就是說，園丁和蟬之間的因果聯(lián)系實際是非常微弱的，從數學上來說完全可以忽略不計。

????????這對我們有什么啟發(fā)呢？不難看出，當我們按長鏈筆直地追索原因的原因的原因的時候，雖然可以把問題聯(lián)系到很遠，但那些遙遠的原因往往只是一些實際上不起作用的原因，并不是什么“終極原因”，更不是“根本原因”。實際上科學家在處理這一類問題時，當事件之間的概率因果相關小到一定程度，就可以認為事件之間是無關的了。

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????????（3）互為因果和自為因果

????????如果我們去考察大尺度的氣象現象，比如問為什么南極會有冰山。固然，太陽輻射能較少是寒冷的原因，但南極的冰山反射掉大量陽光本身也構成冷的原因。雖然冰山是冷的結果，但這一結果反過來又會影響原因。這種互為因果的現象，當我們把某一個復雜系統(tǒng)作為一個整體來考慮特別是沿著因果長鏈追溯時，是必然要碰到的。在第一章討論反饋時，我們已經分析過，互為因果的反饋作用使結果對自身的原因產生影響，所以也可以看作自為因果現象。

????????例如我們分析經濟結構時發(fā)現，缺電、缺煤是鋼鐵廠和機械廠生產不出鋼鐵和機械的原因，但再看煤礦，又發(fā)現，采煤機械不足是煤產量上不去的原因之一，而采煤機械之所以不足，又是和鋼鐵廠、機械廠開工不足有關。

????????在分析互為因果或自為因果的關系使各種因素的相互作用形成一個環(huán)，環(huán)是一種無端的結構，所以如果要追索終極原因的話，我們可以發(fā)現它的無限性就存在于系統(tǒng)的內部。在這樣的系統(tǒng)中，事物發(fā)展的終極原因從根本上來說可以不必追溯到系統(tǒng)以外的因素，事物內部相互作用就決定了事物的發(fā)展變化。實際上，我們在研究因果長鏈時，總會發(fā)現因果鏈的閉合現象。不發(fā)生閉合的因果鏈在自然界幾乎是不存在的。

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????????（4）因果網絡

????????科學中許多問題的復雜性還體現在眾多變量之間的交叉作用上。在因果鏈中會出現一些結構復雜的交點。這些交點意味著某一事件可能是許多原因共同作用的結果，而這一事件也可能造成或參與造成許多結果。由許多這種交點構成的復雜系統(tǒng)，變量之間縱橫交錯的關系會使整個系統(tǒng)的因果鏈像一張大網一樣張開來。

????????人們在研究生態(tài)學、國民經濟、生物組織、大腦神經生理等復雜的特大系統(tǒng)時，就經常要跟這種因果網絡打交道，就拿一塊洋白菜地來說，與它有關的生物構成一個互為因果的生態(tài)網。實際上有210個種群與它有關，即使如此，地下的生物及微生物都沒有考慮在內。

????????在以后的章節(jié)里我們將研究另外一些因果網絡，不過從這個例子中我們已經可以看出問題的復雜性。要考察任何兩種生物之間的關系可不是件容易的事。實際上人們研究的系統(tǒng)都是復雜的因果網絡，系統(tǒng)任何一處發(fā)生的變化，都會波及整個網絡。

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3.2 相對孤立系統(tǒng)

????????根據以上對幾種特殊的因果關系的分析，我們就可以理解為什么系統(tǒng)理論在處理現代科學種種復雜問題時：

????????一方面不厭其煩地考慮到所有跟所發(fā)生問題密切相關的一大批變量，詳盡周到地研究這些變量之間的相互作用和變化趨勢；

????????另一方面又把那些關系不大的變量眼睜睜地忽略掉，或者至少是暫時地忽略掉。

????????這種方法就是系統(tǒng)理論中經常采用的建立“相對孤立體系”的方法。系統(tǒng)理論中的“系統(tǒng)”，一般就是指相對孤立體系，那么什么是相對孤立體系，它是怎樣劃分的呢？

????????首先，我們沿著因果長鏈追溯時，忽略那些影響概率足夠小的因素，把它看作系統(tǒng)所受的干擾和系統(tǒng)之外的。

????????其次，一個相對孤立體系盡可能是自相閉合的互為因果網絡。

????????第三，根據我們研究的目的和系統(tǒng)變化的時間尺度，抓住主要的互為因果變量，構造出系統(tǒng)模型。

????????下面我們舉一個例子。

????????假定在一個生態(tài)環(huán)境中存在著鹿、森林、獅子、狼、氣候、土壤等因素。顯然，這里面有許多互為因果的關系。其中影響鹿的數量的因素很多，有捕食者獅子和狼的數目，森林供給鹿的食物多少等等。鹿的數目本身又對森林的茂密程度以及狼、獅子的數目等發(fā)生影響。它們三者形成一個閉合的互為因果網絡。

????????在研究這個整體時，我們發(fā)現，如果研究的時間尺度不很長，那么我們可以把鹿群、森林、捕食者三個作為一個系統(tǒng)來研究。即主要的互為因果過程是在它們三者之間發(fā)生的。當然，土壤、氣候對它們都會有影響，嚴格說來這種影響也是互為因果的。因為土壤的肥力和氣候影響森林的狀態(tài)，而森林可以影響土壤肥力，也可以影響氣候。但當我們只考慮短期作用時，土壤和氣候的影響相對比較穩(wěn)定，較少變化，我們可以把鹿、森林、捕食者這三者看作一個系統(tǒng)來研究（圖3.2）。

? ? ? ? ?而土壤和氣候對它們的影響暫時忽略不計，或者當作不變的條件來考察。必須注意，這種對系統(tǒng)的劃分是相對的，是根據我們研究的對象、要求來決定的。如果我們研究大范圍生態(tài)變化，如幾十年、幾百年，那么這個生態(tài)系統(tǒng)跟土壤、氣候的相互影響就不能忽略，這時互為因果是一個包括土壤、氣候在內的更大系統(tǒng)。

????????由此可見，系統(tǒng)理論在定義一個系統(tǒng)時，對于系統(tǒng)內究竟應當包含哪些變量是根據客觀情況和主觀目的來決定的。

????????嚴格地講，系統(tǒng)并不是指一個客觀存在的實體，而是人們的一種規(guī)定。人們把一組相互耦合并且相關程度較強的變量規(guī)定為一個系統(tǒng)。這種規(guī)定：

????????一方面考慮到各種變量之間的因果聯(lián)系形式，尤其是那些互為因果的聯(lián)系形式。

????????另一方面也考慮到各變量之間因果聯(lián)系的緊密程度，即相關性。

????????當某些變量與我們所要考察的那些變量的相關性小到一定程度，就不再把它們作為系統(tǒng)的組成部分。實際上，我們采用規(guī)定系統(tǒng)的方法，也就是對客觀事物之間錯綜復雜關系的一種科學抽象。通過對一個系統(tǒng)的規(guī)定，把一些無限的問題變換成了有限的問題來考察。當然，這種有限是相對的，因此系統(tǒng)又被稱為“相對孤立系統(tǒng)”。

????????將系統(tǒng)規(guī)定好后，怎么來研究呢？我們知道，傳統(tǒng)的對復雜事物的研究辦法是：當影響事物因素很多時，常常固定其他因素，分別考察一個個因素變化對事物的影響，然后再綜合研究。比如影響催化劑效率的有溫度、壓力、濕度等因素，常用的方法是：固定其他因素，去研究溫度和催化劑效率的關系，再固定別的變量，研究壓力等等。但系統(tǒng)中的各部分是互為因果的，因此，通常固定其他因素不變，考察其中一個因素變化而造成的影響這種傳統(tǒng)辦法就不靈了。

????????著名的開巴鹿的故事就是一個例子。1907年，美國開巴高原七十萬畝的范圍中，約有四千只鹿生活在那里，同時生存著不少狼、獅子等捕食者。起先人們用固定其他因素不變的辦法來研究這個系統(tǒng)，顯然，為了增加鹿的數量，人們就得大量捕捉猛獸。到1924年，狼和獅子等捕食者基本捕捉殆盡，鹿的數量一下子增加到10萬頭。但同時當地的森林幾乎被大量繁殖的鹿吃光，結果森林被破壞，大量鹿很快餓死。最后，鹿的數量大大減少，甚至比原來還少。

????????為什么會出現這種錯誤？因為人們忘了系統(tǒng)中存在著互為因果的作用。固然，狼和獅子等的存在是鹿數量減少的原因，但森林能供給的食物是鹿數量的另一個條件。鹿本身的大量繁殖卻有可能破壞它本來得以存在的條件。因此，在系統(tǒng)的研究中，傳統(tǒng)的研究局部單向因果關系的一些方法暴露出很大的弱點。我們必須從整體的角度來處理系統(tǒng)內互相關聯(lián)的各個部分。

????????這方面，人們不得不更多地借用數學工具來研究問題?？上В?9世紀末奧地利著名的物理學家兼哲學家馬赫提出用數學函數概念代替因果概念來研究現象的相互依存關系時，他的觀點并沒有引起足夠的重視。固然，企圖用函數來代替并否定因果性，是馬赫哲學的一個缺陷。但馬赫的觀點也包含了批判形而上學因果論中不完整性、不精確性和片面性的合理內核。

????????現代系統(tǒng)理論并不否定因果性，相反，非常重視對各種復雜因果聯(lián)系的分析研究。同時，系統(tǒng)理論還充分認識到采用數學工具研究因果聯(lián)系對避免形而上學的重要性。

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3.3 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構

????????既然互為因果的系統(tǒng)是不能用單向因果決定論和尋找主要因素這種古典方法來研究的，那么怎么分析它呢？系統(tǒng)論控制論有著十分獨到的思路。

????????我們先來舉一個最簡單的互為因果的反饋系統(tǒng)，即只有二個子系統(tǒng)互相作用（圖3.3）。A可以假定為一種生物的數量，它的數量受另一種生物B的限制，限制條件用圖3.3a函數關系來表示（即B數量決定A數量），而反過來B的存在也受到A數量的限制。限制條件用圖3.3b函數關系表示。?

????????在這兩個系統(tǒng)互相作用之中，A、B數量怎樣變化呢？我們先來看，當A、B各處于哪些量時，它們各自在相互作用中不被改變。顯然，求不變的平衡態(tài)只要把兩張圖重疊起來，看兩條曲線有哪些交點即可。

????????假定兩條曲線有三個交點：。即當A、B二個子系統(tǒng)分別處于點時，系統(tǒng)的相互作用使A、B都處于不變狀態(tài)。不過，三個平衡態(tài)中只有是真正穩(wěn)定不變的。狀態(tài)和狀態(tài)雖然是平衡狀態(tài)，但只要系統(tǒng)受到微小的干擾，就會變化。

????????比如點，當系統(tǒng)B值稍許有一點偏離，會使A、B都離開點。如果B值比點稍大，那么A、B的互相作用就會使A、B值不斷增加。B值比稍小，那么A、B的相互作用就會使A、B值都趨向狀態(tài)。同樣，狀態(tài)隨干擾不同可趨向O點，也可變到狀態(tài)。這種簡單的分析告訴我們，這樣一個高度簡化的系統(tǒng)有幾種可能性：

????????（1）當A、B值處于與點之間時，系統(tǒng)最后都要變化到不變狀態(tài)去。

????????（2）當在A、B值大于時，系統(tǒng)的值是不斷增加的。

????????（3）當A、B值小于點時，系統(tǒng)值要變到O點去。

????????隨A、B二個子系統(tǒng)作用方式不同，兩條函數曲線可以沒有交點，也可以有一個、二個、三個或多個交點，但系統(tǒng)變化都不外這三種可能性。這三種可能性實際上揭示了互為因果系統(tǒng)變化規(guī)律的最基本特征：

????????第一種表示系統(tǒng)處于一種穩(wěn)態(tài)結構。

????????第二種表示系統(tǒng)發(fā)生了震蕩或崩潰。

????????第三種表示系統(tǒng)從一種穩(wěn)態(tài)結構向另一種穩(wěn)態(tài)結構的演化。

????????一個復雜系統(tǒng)包含的變量當然要比上面這個簡化了的反饋系統(tǒng)多得多，但總的發(fā)展趨勢基本還是這三種形式或這三種形式的交替出現。對于系統(tǒng)變化的后兩種可能性我們在后面還要加以討論，我們這里先來研究第一種可能性：穩(wěn)態(tài)結構。

????????顯然，當系統(tǒng)處于狀態(tài)時，有一個有趣的特點，這就是如果干擾使系統(tǒng)偏離這一狀態(tài)，系統(tǒng)內的互相作用仍可以使它回到這一狀態(tài)。這種狀態(tài)稱為穩(wěn)定態(tài)。在穩(wěn)定態(tài)附近，系統(tǒng)的兩個變量都保持在不變的數量上。它告訴我們，一個互為因果的體系可以因自身的相互作用而處于一種不變的穩(wěn)定的狀態(tài)，一般干擾都不會破壞這種狀態(tài)。在研究系統(tǒng)時，這是一個十分重要的結論。

????????自然界許多互為因果的系統(tǒng)由于系統(tǒng)各部分的相互作用而使各部分都處于一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)之中，我們將其稱為穩(wěn)態(tài)結構。整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)結構的條件是系統(tǒng)的每一個子系統(tǒng)都處于穩(wěn)定態(tài)。它們的互相作用保持著各自的穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)各生物群由于互相抑制而保持各自數量穩(wěn)定是最常見的例子。

????????就上一節(jié)所談到的開巴鹿生態(tài)系統(tǒng)，很明顯，鹿、森林、捕食獸組成一種穩(wěn)態(tài)結構。離開這種穩(wěn)態(tài)結構，系統(tǒng)不可能存在，想單個地改變某一子系統(tǒng)數量也是不可能的。實際上，我們在第一章所談的負反饋調節(jié)是一種最簡單的穩(wěn)態(tài)結構。負反饋是系統(tǒng)趨向穩(wěn)定的過程，正反饋是系統(tǒng)偏離舊穩(wěn)態(tài)向新穩(wěn)態(tài)過渡的過程（我們在后面研究質變量變時還要討論）。人們常說，系統(tǒng)理論是從反饋開始的，這確實不錯。正是反饋的發(fā)現，人們開始自覺地研究互為因果過程，把目的性與系統(tǒng)變化聯(lián)系起來考察。

????????以溫度自動調節(jié)為例，如果是一個單向的因果關系，即室內溫度取決于火爐和外界能源，那么，室內溫度是否穩(wěn)定不取決于自身，而取決于外界溫度和能源放熱的變化。

????????如果有一個溫度自動調節(jié)器，使火爐放出的熱量是室內溫度高低的原因，火爐放出熱量的多少直接受室內溫度的影響，即室內溫度高低是火爐放熱的原因。溫度低，放熱多；溫度高，放熱少。這就構成了互為因果。它可以保持室內溫度的穩(wěn)定（圖3.4）。

? ? ? ? ?對于復雜的互為因果系統(tǒng)，也是類似的。在生態(tài)學中有一種奇怪的島嶼均衡現象。生態(tài)學家發(fā)現，如果島嶼大致的生態(tài)環(huán)境一致，那么離大陸最近的大島嶼上物種數目最多，而在小的遠離大陸的島上物種數目最小，對于一定的島嶼物種數目基本不變。為什么一定島嶼上物種數目一定呢？從系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)結構的角度很容易理解。

????????我們知道，物種在一個島上的滅絕率和大陸的遷移率是物種數目的函數，據一些生態(tài)學家計算，函數關系如圖3.5所示。島上物種數越多，大陸上的物種越難遷入，但對于臨近大陸和遠離大陸的島嶼，遷入曲線是不一樣的，臨近大陸的島嶼要比遠離大陸的島嶼遷入率高（實線所示）。同樣，物種數越多，島上的物種越容易滅絕，但對于大島嶼和小島嶼滅絕曲線是不一樣的，小島嶼比大島嶼滅絕率高（虛線所示）。

?? ? ? ? 兩組曲線的交點表示系統(tǒng)物種數處于穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。即A表示遠離大陸的小島的穩(wěn)定的物種數，B表示鄰近大陸的大島穩(wěn)定物種數。也就是說，只要系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)平衡中，島上的物種數不是隨意的。如果太多，會絕滅；太少，大陸上新來的將進行補充。系統(tǒng)必然處于這種穩(wěn)定的平衡態(tài)中，這跟系統(tǒng)的狀態(tài)一開始怎樣無關。事實證明了這一結果。

????????生態(tài)學家發(fā)現，在最后一次冰河期，有些島是和大陸相連的，因此物種數與大陸相同。但大約距今一萬年前，冰河時代結束時，由于水從冰川釋放使海平面升高而形成這些島嶼。結果原有島上的物種減少，并達到這些島嶼上應該有的穩(wěn)定數目。生物地理學家對不列顛島、阿魯群島、特里尼達德島和日本的分析都證明了這一結論。

????????實際上，如果不從整個系統(tǒng)互相作用的觀點出發(fā)，很難理解為什么物種數會保持某一穩(wěn)定態(tài)。在這里沒有一個原因是終極原因。

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3.4 穩(wěn)態(tài)結構和預言

????????利用穩(wěn)態(tài)結構我們可以預見那些看來極為復雜的系統(tǒng)將怎樣發(fā)展變化。復雜系統(tǒng)的可能結構很多，并且發(fā)展方向像樹枝一樣縱橫交錯。如果我們能判斷系統(tǒng)未來可能結構中哪些穩(wěn)定，哪些不穩(wěn)定，我們就可以期望那些穩(wěn)定的結構將是事物最可能趨向的目標。這對需要作出預言的科學家尤為重要。

????????地質學家就是運用“穩(wěn)態(tài)結構”這一概念來找石油的。石油的生成要有一定的古地理條件，如適當的氣候，周圍有大量生物繁殖，陸上經常輸入大量泥沙等等。但僅有生油條件是不夠的，因為生成的石油往往是分散的，只有這些分散的點滴石油集中起來，才能形成油田。在漫長的地質年代中，地殼結構在變化，石油也在不斷地流動。如果地質學家要確定生油地質系統(tǒng)的具體演化過程，那到目前為止，還是做不到的。但卻可以用穩(wěn)定結構來預見系統(tǒng)最終的狀態(tài)。

????????比如說，油田要滿足一個重要的條件——儲油條件。即形成一個空間，油可以從四面八方聚集到這里，并且一旦進入了這一地區(qū)，就流不到別的地方去了。顯然，所謂儲油條件就是說，油田對于石油流動來說是一個穩(wěn)態(tài)結構。石油不斷富集的過程就是石油流向穩(wěn)定區(qū)的過程。地質學家指出了維持這一穩(wěn)態(tài)結構的條件，如它必須是一個廣闊的低洼地區(qū)，它在慢慢下降，周圍在逐漸上升等等。

????????天上的月亮盡管或圓或缺，但我們從地球上始終只能看到它固定的半面。多少年來，人們對它背面的景觀猜測紛紜，在宇宙飛行時代之前，人們始終未能看到一眼。我們知道，這是因為月球的自轉速度跟它繞地球公轉速度一致的緣故。那么，為什么月亮自轉速度恰恰會和它繞地球公轉速度相一致呢？這是巧合嗎？以后月球的自轉速度會不會快一點或者慢一點，使它的背面能夠轉過來朝向地球呢？

????????原來，由于月球跟地球之間存在著潮汐摩擦，不管月球原來的自轉速度比它的公轉速度快還是慢，最后總會趨向一致，也就是說，月球永遠把固定的一面朝向地球是一種穩(wěn)態(tài)結構，不大會發(fā)生改變。根據同樣的道理，人們預言地球的自轉速度也將逐漸緩慢下來，最終將跟月球的公轉速度一致。

????????1754年康德寫了《關于地球自轉問題的研究》一文，他認為，只有當地球表面和月球表面處于相對靜止的時候，潮汐摩擦才會終結。那時候只有半個地球上的人才能看到月亮，另外半個地球上的人想看一眼月亮，得漂洋過海跑到地球的另一端去。

????????利用穩(wěn)態(tài)結構研究事物變化趨勢的方法，使我們可以省略考慮許多中間步驟，當只需要知道最后結果的時候尤其是這樣。

????????碳氫化合物可能進行哪些化學反應，可能分解或化合為哪些中間產物？是一個非常復雜的問題。但稍有一點化學知識的人都知道碳氫化合物在燃燒以后最后必定形成水和二氧化碳。因為在高溫和氧充分的條件下，只有水和二氧化碳這兩種產物才是穩(wěn)定的。

????????一群蜜蜂在田野里飛著，假設要對它們兩小時后的位置進行估計。如果我們把蜜蜂飛行的路線及到達空間各點的時間都一一記下來，像研究行星軌道一樣來研究它，那也許是一件十分艱巨的工作。誰知道每一只蜜蜂下一時刻會飛到空間哪一點去呢？不過我們只要看一看附近田野里哪兒有較豐盛的花草，并估計一下兩小時內蜜蜂所能飛行的距離，斷言蜜蜂會出現在那些花草多的地方，總是不會錯的。因為，蜜蜂停在花上，這對于系統(tǒng)的各種可能狀態(tài)（結構）來說是一種穩(wěn)態(tài)結構。

????????用穩(wěn)態(tài)結構來預測事物發(fā)展方向時，必須注意，要把可能結構中一切穩(wěn)定態(tài)都找出來，進行分析比較，看哪一個更穩(wěn)定些。古時候洪水泛濫，大禹的爸爸鯀用“堙”法治水，治了九年不見效，結果被舜處死了。大禹改用“導”法，經過長期努力終于征服了洪水。為什么“導”法比“堙”法好呢？

????????“堙”就是填塞，鯀企圖用筑堤堆土的方法堵住洪水的去路。從暫時的局部的范圍來看，洪水稍微穩(wěn)定了一些，這種方法可能有點用處。但從整體來看，洪水仍處于高勢位，這里不泛濫了，必然要在別處泛濫，整個系統(tǒng)依然是極不穩(wěn)定的。大禹采用“導”法疏通河川，讓洪水東流歸海?！皻w海”是洪水最穩(wěn)定的狀態(tài)，大禹總結了他父親的經驗教訓，選擇這個最穩(wěn)定狀態(tài)為治水的目標，所以取得了成功。

????????系統(tǒng)總是自動趨于穩(wěn)態(tài)結構，這是不是總是好的、有用的呢？不見得。有時候，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構會給我們帶來很大的麻煩。儀表的指針如果在某一位置或角度上是穩(wěn)定的，比如總是不動或者總往某個刻度偏，那可是很糟糕的事。我們會說，這種儀表太不靈敏了。系統(tǒng)對外界反應的靈敏性跟穩(wěn)態(tài)結構常常會發(fā)生矛盾。

????????很久以來人們對一種名叫北鱒的魚一直感到困惑。北鱒平時生活在海里，它的身體是流線形的。交尾時沿著江河逆流而上，但不知為什么，體形發(fā)生了很大的變化，一到江河口，它的脊背上就長出了一個又高又扁的大包。后來人們發(fā)現，北鱒的這種變化是為了在江河中運動能夠具有更大的靈敏性。在海里，北鱒的體形適于作穩(wěn)定的高速運動，但江河里地形復雜，這種穩(wěn)定性就有害了。運動速度總是很快，隨機應變地控制轉彎就會困難。為了適應環(huán)境，北鱒就改變了體形，使得重心盡可能靠近動壓力作用點。這樣，運動的穩(wěn)定性差了，但靈敏度提高了。

????????了解系統(tǒng)變化中的穩(wěn)態(tài)結構，就是為了我們在控制系統(tǒng)時更好地利用它、改造它，促使事物向有利的方向發(fā)展。如果自然的穩(wěn)態(tài)結構不利于我們達到所需要的目的，我們就必須實行控制改變系統(tǒng)，選擇適當的條件，破壞自然的穩(wěn)態(tài)結構，建立對我們有利的穩(wěn)態(tài)結構。

????????古時候有兩個人，一個叫？，一個叫囫。他們不大會種田，田里雜草長得很茂盛。？想了一個辦法，用一把火將田里的草和稻子都燒得干干凈凈。結果稻子倒沒長，雜草又很快茂盛起來。囫采用了另一個辦法，他任草和稻子一塊兒生長，結果稻子不但沒長好，反而退化了，稻子變成稗子。長雜草，這是農田的穩(wěn)態(tài)結構。只有實行控制，比如經常除草等等，才能使不長雜草成為新的穩(wěn)態(tài)結構。

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3.5 均勻和穩(wěn)定

????????有一種現象跟系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構有著密切的關系，這就是均勻性。

????????什么是“均勻”？直觀上講，一杯糖水是均勻的，無非是指它各點濃度一致。這是對的，但不深刻。說得更精確一些，所謂某一系統(tǒng)在空間上是均勻的，是指對物體空間各位置實行任一變換，變換后，系統(tǒng)不變。也就是屬于“均勻”的那種性質是系統(tǒng)空間位置交換中的不變量。

????????我們用筷子攪拌一下糖水，使糖水發(fā)生對流，如果糖水是均勻的，那么在進行這一變換后，糖水各點濃度分布和原來一樣。如果糖水濃度分布不均勻，攪拌（對糖水各部分進行變換）后得到的新的濃度分布就和原來不一樣了。既然如此，我們馬上就可以想到，為什么均勻和穩(wěn)定之間常有著緊密的聯(lián)系。

????????穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在干擾作用下不變的性質，如果干擾剛好是對系統(tǒng)空間位置的無序變動，那么它顯然不會改變系統(tǒng)那種稱為均勻的性質，這種性質就是穩(wěn)定的。

????????均勻和穩(wěn)定的這種聯(lián)系也可以使我們解釋為什么自然界許多系統(tǒng)會自動地趨向均勻。

????????往一杯水里滴一滴紅墨水，開始墨水局限在一個小區(qū)域內，它的紅色和水的無色形成鮮明的對照，整個系統(tǒng)是不均勻的。但這種狀態(tài)不能持續(xù)下去，因為它不穩(wěn)定。隨著墨水的擴散作用，系統(tǒng)自動趨向穩(wěn)定，逐漸成為淡紅色的均勻的液體。這種狀態(tài)是穩(wěn)定態(tài)，能長期地維持下去。我們把電池的正負極連結起來，就會產生電流，這個電流使正負極的電位互相接近，最后電位差為零。一個物體跟環(huán)境交換熱量，它的溫度最后會跟環(huán)境溫度一致。這都是系統(tǒng)自動趨向均勻的例子。

????????人們常常利用均勻性來控制和選擇某些系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構。我們知道，金屬的晶體組成并不到處一樣，有些地方晶體缺少電子，會發(fā)生變形，這種情況稱為空穴?？昭ㄊ墙饘俳Y構中比較脆弱的地方，金屬在受力情況下，一般在空穴多的地方容易斷裂。那么怎樣增加金屬的強度呢？一個辦法是消滅空穴。但這很困難，空穴出現的機會太多了。我們可以利用均勻和穩(wěn)定的相互關系來解決這一問題。

????????實際上，我們并不需要消滅空穴，只要使空穴在整塊金屬中分布均勻，金屬的強度就可以大大提高。因為在外力（干擾）引起晶體位置變化時，空穴如不均勻，那么將引起空穴的重新分布，應力可能在空穴周圍積累起來，金屬容易斷裂。如果空穴分布均勻，那金屬在受到外力作用時，空穴和空穴之間互相牽制，重新使應力分布變得均勻，金屬就不易斷裂。因此，用X射線轟擊金屬，使空穴均勻，是增加金屬強度的有效途徑。

????????熱力學第二定律對這種均勻導致穩(wěn)定的現象進行了理論上的概括。這個定律認為，一個孤立系統(tǒng)不管內部如何變化，它的熵總要趨向極大。熵趨向極大就是變成一種內部均勻的、無序的、混亂的情況。這種狀態(tài)是系統(tǒng)自然趨向的最穩(wěn)定結構。

????????但是，事情并不這么簡單。如果把熱力學第二定律推廣開來，我們這個宇宙早就應當變成一團溫度均勻密度一致的物質了。而現實的宇宙卻并非如此，在我們這個世界上，找不到一小塊內部絕對均勻絕對無序的物質。恰恰相反，有許多系統(tǒng)一旦內部趨向混亂、無序，它們就不能穩(wěn)定地存在下去。

????????最明顯的是生物界，這是一個大不均勻的世界。幾乎無須舉例，就可以證明任何穩(wěn)定的生命體都具有不均勻的結構。生物體只有死亡之后，才真正開始被環(huán)境同化，跟環(huán)境均勻一致。一部生物進化史，就是生物從原始的比較均勻的無序結構發(fā)展為高級的比較不均勻的有序結構的歷史。原始細胞有了細胞膜，避免了自身和海水的均勻。真核細胞更進一步，在細胞內分化出細胞核和各種細胞器來。植物為什么要由根、莖、葉、花、果組成？動物為什么要分化出各種系統(tǒng)、器官？無非是這種不均勻性有利于生命的穩(wěn)定。任何一棵由花均勻地構成的草和任何一只由胃均勻地構成的狗都是不可思議的。

????????奧地利物理學家薛定鍔最早注意到生命體這種特點，它似乎與熱力學第二定律描述的體系的熵趨于極大的原則不同，它使生命物質能避免趨向與環(huán)境平衡的衰退。薛定鍔認為，生命體之所以能免于趨近最大值熵的死亡狀態(tài)，就是因為生命體能通過吃、喝、呼吸等新陳代謝的過程從環(huán)境里不斷汲取負熵。他認為，有機體就是賴負熵為生的。新陳代謝中本質的東西，乃是使有機體成功地消除了當它自身活著的時候不得不產生的全部的熵。

????????生命體只有通過一種有序化的過程才能維持自身的穩(wěn)定。類似的現象具有普遍性。例如社會組織，整個人類文明史都證明穩(wěn)定的社會需要一種有序的結構。一個國家，一支軍隊，一個企業(yè)，它們能否在社會上穩(wěn)定地存在、發(fā)展，它們是否能繁榮昌盛，是否具有戰(zhàn)斗力和競爭能力，主要取決于它們內部的組織程度。我們常常用“一盤散沙”來形容那些瀕于滅亡的社會組織，就是因為那種無序的均勻體系是極不穩(wěn)定的。

????????在無機世界中，我們也可以到處看到系統(tǒng)自動趨于有序結構的現象。星系、分子、原子、原子核，都不是絕對均勻體，它們具有不同特點的結構。星云就是從密度極稀的星際彌漫物質中集結起來的，在這種集結過程中，又逐漸形成密度集中的恒星群。我國古代早有混沌創(chuàng)世說，其基本思想也認為目前的有序結構產生于原始的無差異的均勻的物質。

????????獲得諾貝爾獎金的化學家普里高京創(chuàng)立了耗散結構的熱力學。他認為一個與外界有能量和物質交換的開放體系不能維持均勻穩(wěn)定結構，它們在與外界交換過程中會自動趨向有序的不均勻結構，以保證自身的穩(wěn)定。一個封閉體系跟外界隔絕，它們的無序狀態(tài)是“死”的，其實在現實世界中很難找到?，F實世界中大量存在的是跟外界有密切交往的開放體系。它們是“活”的，能夠通過新陳代謝存在下去。

????????系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構與均勻的關系是現代科學正在密切注視的課題。

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3.6 不穩(wěn)定和周期性振蕩

????????系統(tǒng)由于其子系統(tǒng)互相作用處于不穩(wěn)定狀態(tài)，也是常見的。這種不穩(wěn)定狀態(tài)可以分為兩種基本情況，一種是慢慢趨向穩(wěn)定結構，另一種是處于周期性的振蕩之中。我們在這里談談周期性振蕩。先看一個例子：北美的樅蚜蟲和它的寄主針樅、香葉樅組成一個互為因果系統(tǒng)（圖3.6）。

? ? ? ? ?樅蚜蟲可將針樅等毬果類植物的芽吃掉，甚至還去吃花與葉子。這兩個子系統(tǒng)的相互作用可以成為穩(wěn)定結構，如蚜蟲數量保持一定，針樅的數量也保持一定。但在某些條件下，這一系統(tǒng)內的相互作用使它們各子系統(tǒng)數量都處于一種振蕩狀態(tài)。該蚜蟲壽命可達5年之久，若其族群數量增多了，就會導致該地區(qū)針葉樅葉子過多地掉落，當葉落盡時，蚜蟲食物減少，而使大量蚜蟲缺乏食物死亡。但蚜蟲一少，樅樹出芽時損失相對減少，樅樹又多起來。這樣二者交互地作用，形成蚜蟲族群和樅樹數都會發(fā)生振蕩。圖3.7表明一些生態(tài)系統(tǒng)處于周期性振蕩的情況。

?? ? ? ? 系統(tǒng)處于不穩(wěn)或周期性振蕩狀態(tài)是作為系統(tǒng)處于穩(wěn)定結構的一種補充而存在的。幾乎所有的穩(wěn)定系統(tǒng)，在一定條件下都可以轉化為不穩(wěn)和振蕩。果樹有大小年，氣候會出現周期性冰河，這些都和系統(tǒng)的振蕩有關。

????????當振蕩頻率一定時，可以用這種振蕩來構成計時系統(tǒng)。實際上，生物種就是靠生命系統(tǒng)中這些周期性振蕩來實現的。

????????什么條件下，系統(tǒng)處于穩(wěn)定結構，什么時候出現不穩(wěn)和振蕩，這在系統(tǒng)研究中十分重要。系統(tǒng)在結構基本不變的條件下，系統(tǒng)的初始狀態(tài)往往有很大作用。在上一節(jié)第一個例子中，系統(tǒng)的初始值大于點時，系統(tǒng)就進入不斷增值的不穩(wěn)定狀態(tài)。小于值時，就進入不斷減少的不穩(wěn)狀態(tài)。只有在和之間時才會穩(wěn)定。對于我們后面將要討論到的自繁殖系統(tǒng)，和就是兩個臨界值，是自繁殖爆炸的臨界值，是滅絕的臨界值。

????????對于生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)的初始值是十分重要的。比如，美國的黑格母雞，以往值是穩(wěn)定的，但一旦它的數量降到臨界點以下，就開始不穩(wěn)定。如1916年，黑格母雞還有2000只，但經過一場大火、大風和一個難度的冬天，僅余下50對。以后，系統(tǒng)即使條件不變，因初始值小，其數目也不能穩(wěn)定。到1927年，只有20只。1937年，只有最后一只了。

????????當然，主要決定系統(tǒng)振蕩的還是系統(tǒng)內各子系統(tǒng)的相互作用方式。我們前面已經討論過正反饋耦合使系統(tǒng)偏離平衡的現象。子系統(tǒng)以正反饋這種方式相互作用，就會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。而負反饋則是使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定的作用方式。

????????子系統(tǒng)之間的作用方式在控制論中用各種數學關系式來表示。人們通過精確的計算來確定一個系統(tǒng)是趨于穩(wěn)定或不穩(wěn)定。一般說來，那些相互作用過分強烈的子系統(tǒng)往往會發(fā)生振蕩。根據這個道理，人們可以通過改變系統(tǒng)結構的辦法來控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

????????通常，在一個反饋回路中加一個放大器，在一定條件下可以將原來趨向穩(wěn)定的相互作用變成不穩(wěn)定的，而在反饋回路中加一個濾波器，則可以使原來不穩(wěn)定的相互作用變成穩(wěn)定（圖3.8）。

????????所謂放大器就是增大A對B的作用。比如人對自己說話的控制如圖3.9a。這里有兩個反饋回路。

????????一個是大腦→口→大腦，即大腦神經通過對嘴的動作的自我感覺來控制嘴說話。

????????還有另一反饋回路，即大腦→口→聲音→耳朵→大腦，大腦通過耳朵聽到聲音，反饋回來糾正自己發(fā)音的準確性。對于一般人這一系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但對于口吃的人這一系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，尤其第二條反饋回路的作用常常過分強烈。

????????口吃的人聽到自己的發(fā)音，不但不能幫助他控制自己的發(fā)音準確，反而引起他神經的過分緊張。他對自己的聲音太注意了，越口吃得重，心越慌；心越慌，越口吃，形成了惡性循環(huán)。怎樣使這一系統(tǒng)由不穩(wěn)定變成穩(wěn)定呢？一般加一個濾波器就可以做到這一點，使其相互作用變?yōu)閳D3.9b。濾波器是這樣工作的：當人一說話，一個發(fā)音器立即發(fā)出嗡嗡聲，以減弱聲音→耳→大腦之間的作用。這是糾正口吃的一種較有效的辦法。

????????有時干脆把某一影響完全切斷（如果可能的話），也可使一系統(tǒng)由不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定。比如我們用手端著盛得很滿的一碗水，如果眼睛盯著它，小心地走著，反而容易晃出來。這是因為我們的腦→手→腦這一控制系統(tǒng)上又加上一個從眼→腦的反饋回路，正是這回路作用，使系統(tǒng)反而不穩(wěn)定了。這時，只要眼睛不看水，這一條影響通道切斷了，系統(tǒng)就穩(wěn)定了。

????????同樣，如果要使穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定，可加上新的影響（當然要看具體情況是否可能）。很多時候，改變結構和改變初始條件的方法是同時運用的，比如在糾正口吃的例子中，系統(tǒng)不穩(wěn)時，加上濾波器，改變了系統(tǒng)的結構，待系統(tǒng)在新結構中得到穩(wěn)定后，重新把濾波器去掉，使結構恢復到原來狀態(tài)。

????????這就是兩種辦法并用的例子。對于復雜系統(tǒng)，上述研究反饋過程中碰到的振蕩和穩(wěn)定轉化的條件常常也是適用的。

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3.7 超穩(wěn)定系統(tǒng)

????????我們知道，當系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間相互作用方式和子系統(tǒng)本身不變時，一般整個系統(tǒng)保持在穩(wěn)態(tài)結構之中。這種穩(wěn)態(tài)結構有某種抗干擾能力，能保持一個時期不變。但是，實際上任一系統(tǒng)內部的子系統(tǒng)總在變，并且從長時期來看，其相互作用也在變，還要受到外界的影響。系統(tǒng)原先的穩(wěn)態(tài)結構總要破壞的。有沒有一種特殊的系統(tǒng)可以抗拒這種變化趨勢，而保持高度的穩(wěn)定性呢？有的，這就是超穩(wěn)定系統(tǒng)。

????????超穩(wěn)定系統(tǒng)有一個重要特點，就是靠不穩(wěn)定來維持穩(wěn)定。為什么只有靠不穩(wěn)定才能維持超穩(wěn)定呢？因為系統(tǒng)本身的變化往往是一種不可抗拒的趨勢。實際上要維持系統(tǒng)長期不變是做不到的，惟一的辦法是當系統(tǒng)本身變化了，不穩(wěn)定出現時，重新修復系統(tǒng)。

????????比如一架溫度控制器，使室內溫度保持不變，這是一個一般的穩(wěn)定結構。但時間長了，溫度控制器的零件總會損壞，零件一壞，整個系統(tǒng)就壞了。我們可以把被破壞的系統(tǒng)看作一個新系統(tǒng)，對于這種系統(tǒng)，它可能產生新的穩(wěn)定結構。因此，一般的系統(tǒng)由于本身系統(tǒng)變化會演變到其他的穩(wěn)定結構。但是，如果我們另外加上一個控制機制，比如安置一個維修工人，看到恒溫器壞了，系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞時，能夠給溫度控制器換零件，使系統(tǒng)恢復。這樣，系統(tǒng)一經破壞，不久又恢復到原來的穩(wěn)定結構，這就是一個超穩(wěn)定系統(tǒng)。

????????為什么叫超穩(wěn)定，因為它比一般的穩(wěn)定結構更多了一層，這一超穩(wěn)定是通過對不穩(wěn)定的修復來實現的。剛才的例子因為有修復者存在，使人們覺得這種系統(tǒng)太平常，并沒有專門研究的必要。實際上，可以存在一類系統(tǒng)，當它不穩(wěn)定時，開動修復機制不是由人來做的，而由系統(tǒng)本身完成，這就很有趣了。

????????自然界能保持長期不變的系統(tǒng)都是超穩(wěn)定系統(tǒng)，它們都有這種修復機制存在。因此，超穩(wěn)定系統(tǒng)有一種特殊的現象，那就是周期性地出現穩(wěn)定——不穩(wěn)定——穩(wěn)定現象。不穩(wěn)定時，新的機制發(fā)生作用，使系統(tǒng)回到原有的穩(wěn)定結構，而不是新的穩(wěn)定結構。這種超穩(wěn)定系統(tǒng)應用在社會科學中，非常有趣地說明中國封建社會長期停滯的原因。中國封建社會有兩個明顯特點，一個是幾千年來社會結構基本保持不變，另一個是幾百年出現一次周期性的大動蕩。這明顯地表現出超穩(wěn)定系統(tǒng)的特點，并暗示了中國封建社會停滯原因在于它是一個超穩(wěn)定系統(tǒng)。

????????超穩(wěn)定機制是一種重新尋找穩(wěn)定的機制，一直到找到原有的穩(wěn)態(tài)結構，系統(tǒng)才回到不變狀態(tài)。所以，有時人們也把超穩(wěn)定系統(tǒng)稱為自穩(wěn)定系統(tǒng)。自穩(wěn)定系統(tǒng)最早由著名控制論專家艾什比提出。在《大腦設計》一書中，他詳細地描述了一種叫內穩(wěn)定器的特點。這種機器被用來模擬那些結構復雜而又能自動保持穩(wěn)定的系統(tǒng)。內穩(wěn)定器有兩個非常有趣的特點：

????????第一，如果某一子系統(tǒng)對穩(wěn)定態(tài)有著不大的偏移，這時其他子系統(tǒng)對它的相互反饋作用可以幫助它回到原穩(wěn)定態(tài)。但一旦這個偏移充分大，在短時間內，其他子系統(tǒng)的相互作用不能使它回到穩(wěn)定態(tài)，那么由于它的影響，別的一個或幾個子系統(tǒng)也可能偏離穩(wěn)定態(tài)。

????????第二，如果系統(tǒng)只有一個穩(wěn)定態(tài)，那么不管系統(tǒng)開始處于什么狀態(tài)，由于子系統(tǒng)之間的相互作用，系統(tǒng)最終總會達到這個穩(wěn)定態(tài)。只要系統(tǒng)處于非穩(wěn)定態(tài)，機器就會不斷運轉，好像在尋找穩(wěn)定態(tài)。

????????在自然界中，最妙的內穩(wěn)定器或許就是人體本身。內穩(wěn)定器的一些重要性質在人體內是廣泛存在的。在各種關于人體的生理病理模型中，中醫(yī)的臟象學說別樹一幟。在某種意義上說，臟象學說正是人體內穩(wěn)定器的一個簡化模型。臟象學說把人體結構分為5個主要的子系統(tǒng)：心臟、脾臟、肺臟、腎臟、肝臟。每個臟與其余四臟都有反饋作用（圖3.10）。這個模型反映了人體各部分生理功能的相互滋養(yǎng)、生化和相互約束、克制作用。也反映了病理狀態(tài)下疾病的轉變方式以及機體各部分抗病功能的協(xié)調方式。?

????????臟象學說中穩(wěn)定的觀念是十分基本的。各子系統(tǒng)的變量之間，由各種正反饋回路和負反饋回路交織成復雜的調節(jié)關系，使人體的各種生命運動、各種功能維持在穩(wěn)定狀態(tài)。在一般情況下，這種穩(wěn)定的維持是強有力的。如果機體受到接連不斷的內外因素干擾，一些子系統(tǒng)的變化可能越出某個閾值，我們就說人得病了，這時人體的功能處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。

????????一般情況下，人體具有極強的恢復功能，借助各子系統(tǒng)之間的調節(jié)作用，整個系統(tǒng)仍然回到原來的健康狀態(tài)。只有當致病作用十分強烈，而人體的抵抗能力不足時，才會形成病態(tài)穩(wěn)定態(tài)。這時可能要借助一定的外部輸入，使系統(tǒng)脫離病態(tài)，回到正常狀態(tài)。臟腑模型提供了各種正氣的協(xié)調方式，也提供了各種致病干擾的傳遞方式，因此根據這個模型還可以有效地指導對許多疾病的調節(jié)和控制。

????????中醫(yī)提出的臟腑模型跟內穩(wěn)定器極其類似，這絕非偶然巧合。這是祖國醫(yī)學在長期實踐中把握了人體各部分互相調節(jié)趨于穩(wěn)定特性的結果。在控制論產生之前兩千年，我國人民就開始運用這樣一個內穩(wěn)定器模型來調節(jié)人體，是非常了不起的。

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3.8 系統(tǒng)的演化

????????系統(tǒng)舊有穩(wěn)定性破壞后，在新的作用方式下，一般又有新的穩(wěn)定結構。當系統(tǒng)沒有變到這種新的穩(wěn)定結構中去時，它將處于不穩(wěn)定狀態(tài)之中，它的各個子系統(tǒng)都在變。但只要它一進入新結構所規(guī)定的范圍之內，就會形成新的穩(wěn)定性。

????????我們先分析一個由老鼠、蛇、三葉草和土蜂組成的生態(tài)系統(tǒng)。假定一開始，這個生態(tài)系統(tǒng)處于老鼠多、土蜂少、三葉草少、蛇少這樣一個狀態(tài)（圖3.11a）。老鼠多，大量的土蜂窩被破壞，造成土蜂少。土蜂少不能傳播三葉草花粉，造成三葉草少。三葉草少使蛇得不到生息的環(huán)境，造成蛇少。蛇是老鼠的天敵，蛇少對老鼠不會構成威脅。顯然，由于各子系統(tǒng)的相互作用，結構a是穩(wěn)定的。各個子系統(tǒng)如果偏離了原來的狀態(tài)，都會被子系統(tǒng)之間的這種相互作用拉回來。

????????但如果有大量貓被引入這個系統(tǒng)，因為貓大量吃老鼠，系統(tǒng)的穩(wěn)定結構被破壞。老鼠數量的變化造成整個系統(tǒng)發(fā)生一連串的變化。老鼠變少則被破壞的土蜂窩變少，土蜂變多使三葉草和蛇增多，而蛇變多又使老鼠數量更加減少。這樣，整個系統(tǒng)都處于不斷改變中。最后變到新的結構：老鼠少，土蜂多，三葉草多，蛇多（圖3.11b）。新結構也是一種穩(wěn)定結構。為什么是一種穩(wěn)定結構呢？因為即使在新結構中貓變少了，老鼠也不見得能增加。因為蛇很多，蛇大量捕食老鼠使老鼠數量受到抑制。

????????從這個例子我們可以看到，盡管系統(tǒng)中各子系統(tǒng)互相影響很復雜，系統(tǒng)在不穩(wěn)定時具體會怎樣變也很復雜，可能通過非常曲折的途徑，但穩(wěn)定結構之間卻可以轉化，這種轉化是可以從系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的互相作用方式來分析的。這一結論對研究復雜系統(tǒng)的變化很有意義。因為對于復雜系統(tǒng)，雖然其中不穩(wěn)定結構的變化過程非常復雜，一時難以預測，但有哪些穩(wěn)定結構，卻是可以把握的。這就為研究復雜系統(tǒng)的變化提供了方便。

????????二百萬年前的更新世，北美洲和南美洲的巴拿馬陸橋形成之前，南美洲與北美洲是兩個孤立的大系統(tǒng)。從大范圍看它們各自哺乳動物數目處于穩(wěn)定狀態(tài)。巴拿馬陸橋形成后，兩個系統(tǒng)發(fā)生了互相影響，物種在兩個大陸中進行遷移。這時兩個系統(tǒng)原先物種穩(wěn)定結構打破了。固然，遷移過程物種變化是十分復雜的，但最后兩個系統(tǒng)都進入新的穩(wěn)定狀態(tài)，哺乳動物物種數量又重新穩(wěn)定下來（圖3.12）。

?? ? ? ? 一個生態(tài)系統(tǒng)本身可以允許多少物種穩(wěn)定地存在，可以從系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的互相作用來預測。但在遷移過程中物種具體怎么變化極為復雜，并且具有很大的隨機性。現代生態(tài)學在研究大生態(tài)系統(tǒng)幾千年中演變時，使用這種方法，獲得了有意義的結果，這就是生態(tài)消長理論。

????????研究大時間尺度上生態(tài)系統(tǒng)的變化，一般把生態(tài)系統(tǒng)分成三個互相作用的子系統(tǒng)：生物群落、土壤和氣候（圖3.13）。這個系統(tǒng)有兩種穩(wěn)定態(tài)。

????????一種是不毛狀態(tài)，即沒有生物群，但當氣候適宜和附近有生物群落時，這種不毛狀態(tài)會慢慢變化。假定某地一開始是沙漠和巖石，慢慢由于地衣的生長，會有薄薄的土層出現。隨著土壤中生物有機質的增加，生態(tài)系統(tǒng)進入苔期，土壤加厚二三公分，保水力加強。保水力加強的后果有利生態(tài)系統(tǒng)進一步改變，生態(tài)系統(tǒng)進入雜草期，有早熟禾、車前草、狗牙根、蒲公英出現。隨著雜草叢生，土壤中有機質進一步增加，生態(tài)系統(tǒng)進入了灌木期，土層越來越厚，保水力也越來越強。最后樹木茂盛到一定程度，地面蒸發(fā)減少，使微生物在其間繁衍，地面上地衣、苔蘚及草叢逐漸減少。最后，生態(tài)系統(tǒng)達到盛林期，各種樹木競爭，達到穩(wěn)定，土壤有機質達到動態(tài)平衡。生態(tài)系統(tǒng)把這一整個系統(tǒng)的平衡態(tài)稱為頂極狀態(tài)。到這一狀態(tài)，生態(tài)消長不再變化。并且森林對氣候也有一定調節(jié)能力。整個系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定態(tài)（圖3.14，圖3.15）。

????????從系統(tǒng)理論看來，系統(tǒng)結構不同，互相作用方式不同，它們的演化過程也不同。就拿生態(tài)消長過程來看，在系統(tǒng)中沒有別的因素（如人）的干擾時，演化后果趨向頂極群聚。但在美國東部的溫帶區(qū)，有一個牧草受損群聚的例證，原因是人類大量放牧（圖3.16）。如果沒有人的活動，本區(qū)將會產生落葉性灌木、葡萄樹等植物，最后演變成頂極群聚。但因為有人類活動，系統(tǒng)將穩(wěn)定在受損群聚。又比如臺灣的高山地帶，季風時火災頻繁，使消長停滯在草原期，若火災可制止，則此種高山草原可繼續(xù)演化，在短期內發(fā)展為森林，到達頂極群聚。

????????如果系統(tǒng)的演化可以歸為由一種穩(wěn)定結構向另一種穩(wěn)定結構的過渡，那么演化過程可以用兩種不同的基本模式來表示，一種是分叉，一種是匯流。

????????分叉是這樣一種現象，系統(tǒng)原來具有穩(wěn)定結構A，由于系統(tǒng)內子系統(tǒng)及其相互作用方式的改變，原有穩(wěn)定結構不再穩(wěn)定，在新的作用方式下，系統(tǒng)有一些新的穩(wěn)定結構，但穩(wěn)定結構很可能不止一種，而有B、C兩種。這時系統(tǒng)演化到新的穩(wěn)定結構就有兩種可能B和C，而系統(tǒng)一旦演化到B或C，系統(tǒng)就出現較大的差別。內部和外部條件改變時，它們又不能進一步穩(wěn)定，可能孕育出新的穩(wěn)定結構（圖3.17）。

?????????我們在談可能性空間時就談到過這一點。實際上，分叉現象是可能性空間一種特殊的展開形式。它的特點是可能性空間各元素都代表穩(wěn)定態(tài)結構。

????????生物的進化可以看作生物和環(huán)境組成的系統(tǒng)的演化。物種適應于環(huán)境就是兩個子系統(tǒng)在相互作用中保持穩(wěn)定結構。同一種原始物種如犀牛祖先，進化到犀牛，頭上長出角來是有利于適應環(huán)境的，這是穩(wěn)定結構。但同一犀牛祖先，對環(huán)境有兩種適應辦法，一種是頭上長出兩只角（如非洲犀牛），一種是只長一只角（印度犀牛），這是同一系統(tǒng)的兩種穩(wěn)定結構。

????????生物系統(tǒng)適應環(huán)境的穩(wěn)定結構可用適應空間的適應峰（也可用洼）來表示。或者說同一個問題有兩個答案。這時，系統(tǒng)到底演化到兩種穩(wěn)定結構的哪一種去，就或多或少帶有一點偶然性。我們沒有理由說非洲犀牛必定是兩只角，而印度犀牛注定只可能有一只角，當系統(tǒng)演化面臨分叉現象時，單純的決定論是不適用的。很多時候，初始條件微小的差異，可以導致系統(tǒng)演化到有巨大差異的不同系統(tǒng)。

????????匯流和分叉現象相反，它表明開始系統(tǒng)可以有許許多多不同的穩(wěn)定結構，但這些穩(wěn)定結構打破后，系統(tǒng)都面臨著一些共同的穩(wěn)定結構。

????????系統(tǒng)在什么條件下的演化是分叉，什么條件是匯流呢？這要具體問題具體分析。一般說來，一個孤立的系統(tǒng)在演變時常出現分叉的現象。而許許多多原先孤立但后來發(fā)生了密切互相影響和聯(lián)系的系統(tǒng)往往出現匯流現象。

????????生物的進化就是分叉。在人類歷史的早期，各民族之間交往影響較小時，社會形態(tài)變化也基本是分叉。但隨著技術的進步，各民族之間交往的增多，匯流現象漸漸占主要地位。

????????復雜系統(tǒng)的演化，也常常取分叉和匯流的中間形態(tài)，即演化為復雜的網狀結構。

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3.9 系統(tǒng)的崩潰：自繁殖現象

????????我們有必要專門討論一下系統(tǒng)演化過程中舊結構瓦解時發(fā)生的一種特殊情況，這就是自繁殖。自繁殖現象往往標志著系統(tǒng)原有穩(wěn)態(tài)結構迅速打破，發(fā)生崩潰，造成系統(tǒng)舊穩(wěn)態(tài)結構急驟瓦解，系統(tǒng)以暴風驟雨般的力量向新穩(wěn)態(tài)過渡。核爆炸、激光、細菌繁殖、癌的生長、傳染病的流行等現象，表面看去，它們之間毫無共同之處，但控制論卻給它們一個統(tǒng)一的名字：自繁殖系統(tǒng)。它們是系統(tǒng)從一種穩(wěn)態(tài)結構向另一種結構演化過程中出現的現象，它們有一個共同的特征：在一定條件下，某變量值越大，變量值增加越快。

????????比如核爆炸，在一定條件下，核反應速度隨著核物質質量的增加而迅速地增快，即參與核反應的原子越多，放出的中子就越多，核反應也進行得越快。這樣一來，參與反應的原子以幾何級數增加著，直到核燃料全部參加反應為止，在極短的時間里釋放出巨大的能量。自繁殖系統(tǒng)一旦存在，那么不管開始它對周圍的影響是多么小，最后將產生巨大的不可忽視的影響。一個光量子放出的能量是很小的，可一旦具有同一頻率的光量子自繁殖起來，就會產生巨大能量的激光。個別分化不良的細胞對整個人體來說沒有什么影響，但大量的癌細胞以自繁殖的速度增長起來，卻可以危害一個人的生命。

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自繁殖過程有什么共同性呢？

????????（1）任何自繁殖過程往往存在一個臨界值，只有當一個系統(tǒng)變量大于這一臨界值，才會有自繁殖發(fā)生。

????????一般說來，這個臨界值取決于系統(tǒng)結構的穩(wěn)定程度，系統(tǒng)越穩(wěn)定，抗干擾的能力越大，相應的臨界值就越高。如果鈾235的質量小于一定值，并且達不到一定純度的話，核爆炸是不會發(fā)生的，這個值被稱為鈾235的臨界質量。為什么必須大于臨界質量才會發(fā)生核爆炸呢？

????????當中子引起鈾235核裂變時，每個鈾235原子核平均放出2.5個中子。新放出的中子叫做二次中子或第二代中子，它們和原來的中子一樣，又能使別的鈾235裂變，產生第三代中子。裂變過程這樣繼續(xù)下去，就會產生第四代、第五代等等許多代中子。照理這種反應按幾何級數增長，核爆炸會迅速發(fā)生。但實際上，不是全部裂變產生的中子都能繼續(xù)參加裂變反應。有些中子會飛到鈾塊外面去，有的要被設備中鈾以外的材料所吸收。

????????通常把鏈式反應中下一代中子數對上一代中子數的比例叫做中子增殖系數。中子增殖系數大于1時，鏈式反應的規(guī)模越來越大，稱作中子的增殖，又叫自持式鏈式反應。中子增殖系數小于1時，鏈式反應的規(guī)模越來越小，最后就中斷了。中子增殖系數跟鈾塊的質量有關，在臨界質量以上，中子增殖系數大于1，核爆炸才會發(fā)生。

????????生物界也存在著類似的情況。任何一種生物照理都可以構成一個自繁殖系統(tǒng)，如果生物所有的后代都能存活并繼續(xù)產生后代，數量就會以幾何級數增長。但這一自繁殖過程并不總是出現，原因在于生物和環(huán)境密切作用，它們的數量受到食物、天敵、氣候等制約。要使一個物種的實際增殖系數大于1，這個物種的數量必須要大于一定的值。

????????（2）自繁殖系統(tǒng)內部存在著一條有因果關系的自動增長鏈。

????????在積雪很厚的陡坡上，開始由于偶然的原因可能有一些雪下落，這些雪下落過程中又沖擊著更多的雪下落，這樣下落的雪越來越多，奔騰直下，造成大規(guī)模的雪崩，會把位于山谷中的房屋道路都給埋沒。這也是一個自繁殖過程。我們看到，在一定條件下，雪下落的事實本身就成為更多雪下落的原因，系統(tǒng)內形成一條自我因果的鏈，造成系統(tǒng)繁殖的原因來自系統(tǒng)內部。

????????核反應中鈾235放出的第一代中子引起其他鈾235核裂變，成為第二代中子產生的原因。而第二代中子放出的結果又成為第三代中子產生的原因。生物世代交替，子代所承襲的不僅是父代的形體，也承襲了父代繁殖的本領。正因為系統(tǒng)內存在著這樣一條自我增長鏈，自繁殖過程也常常被稱為鏈式反應。

????????（3）很多自繁殖系統(tǒng)的形成是由于負反饋控制機制破壞引起的。

????????自然界許多具有自繁殖能力的系統(tǒng)不是孤立存在的，它們跟周圍環(huán)境有相互反饋的制約作用，在一般情形下，自繁殖現象被這種反饋作用有效地控制著，一旦反饋控制機制破壞，自繁殖現象就出現了。

????????一個突出的例子是癌產生的原因問題。有的生理學家認為，人體很多細胞的繁殖是通過如下機構（圖3.18）控制的。

????????這一過程一般是正常的。即可以生長出一些適量的新細胞來補充舊細胞的老化和死亡，維持新陳代謝的進行。新細胞的產生又受到一定的抑制不會無限增生。如果抑制機構失靈了，在一定條件下，就會使新生細胞的產生不可遏制，成為一個自繁殖系統(tǒng)，這就產生了癌。

????????比如一些理論家認為，一般細胞繁殖之所以不以幾何級數增長，構成一個自繁殖系統(tǒng)，其原因是有這種反饋抑制系統(tǒng)存在。即當新生細胞生長成熟到一定程度就有一種抑制生長的因子放出來，這一抑制生長因子反饋回來阻止著細胞進一步分化。但如果這一反饋過程受到破壞，比如當新生細胞尚未成熟就死亡了，而一般抑制因子是在新生細胞完全成熟后才產生的，這樣，這一反饋過程就被減弱，抑制因子數量大大減少，以至于幼稚細胞大量繁殖，造成了癌。

????????新生細胞之所以在未成熟之前就死亡，原因可能是由于某些酶的缺乏，造成了新生細胞不能維持正常壽命，從而使反饋中斷，形成一個自繁殖系統(tǒng)。如將卵巢用手術移植至動物的脾臟，使得反饋中斷，垂體得不到反饋信息而分泌大量促性腺激素而造成卵巢癌。

????????關于癌的研究，可以說，控制論是一個新的并且看來是很有希望的方法。目前用控制論建立了不少癌癥病理模型，基本思想是把癌看作一個控制系統(tǒng)失調而引起的自繁殖過程。

????????不僅是癌，自然界許多自繁殖系統(tǒng)的發(fā)生與反饋抑制的失調有關。比如20世紀60年代，在意大利，毒蛇猛增，以致危害到居民住宅的安全，這在歷史上從未有過。原因是由于以往蛇的天敵如刺猬等存在，它們的數量有效地抑制著蛇的數量。但由于近年來環(huán)境的變化，使調節(jié)著各生物之間數量平衡的反饋受到破壞，使蛇的天敵數量減少，造成蛇的自繁殖。

????????研究自繁殖系統(tǒng)究竟有什么用處呢？有了這種研究，就可以指導我們去抑制我們不需要的自繁殖過程，引發(fā)對我們有利的自繁殖過程。

????????這方面最有趣的例子是消滅蜼蠅的試驗。為了消滅蜼蠅，除了用化學殺蟲劑以外，是否有更有效、更簡單的辦法呢？通過自繁殖過程的分析知道，如果我們將蜼蠅的數量壓制到一定數量以下，則由于自然原因，它繁殖不起來，就會自然消亡。而分析蜼蠅的自繁殖過程發(fā)現，蜼蠅一生只交配一次。因此，人們放出一定數量的受過放射性照射的雄蠅，這些雄蠅和雌蠅交配后所產的卵是不能孵化的，和受過放射性處理過的雄蠅交配過的蜼蠅再也不會和其他雄蠅交配了。這樣只要受到放射性照射的雄蠅超過一定數量。就可將子代蜼蠅的數量控制在臨界值以下，從而使雌蠅的自繁殖鏈受到抑制，造成蜼蠅死亡。

????????第一次試驗是在加勒比海的某海島進行的。由飛機低空撒下經過處理的雄蠅，每周每平方公里100只。三個月后，100％的卵都不能孵化了。第二次試驗是在面積為170平方公里的古拉克島，4個月后，島上便再也找不到一只蜼蠅了。在這一控制中撒雄蠅數量很重要，在一定數量以下，就會沒有作用。多于一定數量，又是沒有必要的。

????????此外人們還想出了許多遏制自繁殖過程的方法，如化學中的防爆劑，游離基吸收劑，某些膠溶液中的穩(wěn)定劑等等。在核子反應堆中，最重要的問題就是控制鏈式反應，使它不發(fā)生像核爆炸那樣的自繁殖過程。科學家找到了各種中子慢化劑和中子吸收劑，把反應堆內的中子增殖系數控制在1.007以下。由于反應堆實際參加鏈式反應的是壽命較長的慢中子，因此即使有事故發(fā)生，也最多是廠房受到破壞，放射性物質外逸出來。像原子彈那樣的猛烈爆炸是絕對不會有的。

????????在另一方面，人們又想盡方法創(chuàng)造條件來引發(fā)自繁殖過程，利用它達到人們的某種目的。激光器的發(fā)明就是一個很好的例子。激光器與尋常的光源大不相同，它的性質是很奇特的。它發(fā)出激光，具有很高的方向性，非常純凈單一的顏色以及極強的功率，因此在現代科學技術中占有十分重要的地位。為什么激光跟普通的光線不同呢？

????????原來，普通充氣燈的發(fā)光都屬于原子的自發(fā)發(fā)射過程，處于激發(fā)能極的原子自發(fā)地躍遷到基能極上，同時發(fā)射出一個光子來。每一個發(fā)光的原子都是獨立的發(fā)光體，它們彼此之間沒有聯(lián)系。

????????而激光的基礎是原子的受激發(fā)射過程，處于激發(fā)能級的原子受到一個光子的激發(fā)，躍遷到基能級上同時發(fā)射出一個光子，這樣一來，就有了兩個光子了。我們注意到，受激發(fā)射的結果正是產生受激發(fā)射的原因。這個寶貴的性質使受激發(fā)射有可能成為一個有自動因果鏈的自繁殖系統(tǒng)。

????????但是要具體構造一個激光器，使自繁殖過程能順利進行，還要為它創(chuàng)造許多條件。

????????首先，如果工作物質的原子大多處于基能級，它們有可能將受激發(fā)射出的光子都吸收掉，使那條因果鏈中斷掉。科學家在激光器中使用了氣體放電等方法，使處于高能級的原子數目超過處于低能級的原子數目，造成所謂“反分布狀態(tài)”。

????????其次，為使這條自動因果鏈能夠產生數量巨大的光子，科學家用兩個面對面的反射鏡構成一個諧振腔，在光學中被人們稱為法布里—珀羅干涉儀，它的主要作用是把被放大了的光的一部分作為反饋來進一步地將光放大。沿著軸線方向的光子在兩個反射面之間不斷往返運行，不斷地刺激處于激發(fā)態(tài)的原子，使它們發(fā)射出更多的光子來。通過這種受激發(fā)射作用，沿軸線方向的光子數目就會不斷增加，形成一個自繁殖系統(tǒng)，在腔里逐漸積聚起很強的光來，并從部分反射鏡那一端透射出去，這就是激光。

????????自繁殖系統(tǒng)內變量發(fā)生迅速增長的現象。但實際上，任何自繁殖系統(tǒng)這種變量增長的現象不會無限延伸下去。系統(tǒng)演化經過自繁殖過程一般會發(fā)生系統(tǒng)的崩潰。原有的變量耦合關系將發(fā)生變化，還會出現一些新的變量。自繁殖是系統(tǒng)演化過程中的一個不穩(wěn)定階段，這種不穩(wěn)定迅速把系統(tǒng)由原有的穩(wěn)定結構推向另一穩(wěn)態(tài)結構，產生一個新系統(tǒng)。

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3.10?自組織系統(tǒng)

????????最后，我們談談系統(tǒng)的起源。

????????人們經常跟各種各樣的系統(tǒng)打交道。在各種系統(tǒng)中，變量之間都有自己獨特的耦合方式和變化趨勢。既然系統(tǒng)是指一組相互耦合互為因果而且相關程度較強的變量，那么就必然會有一個問題：這些事物，或者說是變量，最初是怎么開始耦合起來的？也就是一個內部有一定組織程度的相對孤立系統(tǒng)是如何形成的？

????????讀者們一定記得我們在2.8節(jié)曾經討論過組織。組織是事物或一組變量從無聯(lián)系的狀態(tài)進化到某些特定狀態(tài)的過程。因此，系統(tǒng)的形成過程也就是一個組織過程。

????????自然界有各種各樣的組織過程，其中有一種極其重要而又非常有趣的組織過程，這種過程是在一組事物或變量之間自動發(fā)生的，不需要這組事物或變量以外的力量進行干預。這樣形成的系統(tǒng)被稱為自組織系統(tǒng)。

????????我們?yōu)榱嗽谧匀唤绾腿祟惿鐣薪⒛撤N秩序，往往不得不跟無組織的混亂狀態(tài)打交道。這種努力常常是艱苦的。有的系統(tǒng)是如此難以組織，有的剛被建立起來的秩序又是如此執(zhí)拗甚至近乎本能地回復到當初的無組織狀態(tài)，使我們很少想到系統(tǒng)內部的組織力量。我們已經習慣于使自己成為各種各樣系統(tǒng)的外來組織者，習慣于想像，如果沒有人的干預，整個世界的秩序將會多么糟糕。

????????自組織系統(tǒng)提供了例外，它能從無組織的混亂狀態(tài)中自動產生，并且不斷發(fā)展和完善自己的秩序。研究這類系統(tǒng)變化的規(guī)律性，有助于我們充分地利用被控制對象的內在因素，把我們所要達到的目標跟系統(tǒng)固有的建立秩序的能力協(xié)調起來。

????????我們先來看二個簡單例子。將一批磁針任意排在一起，如果地球和其他外來磁場不存在，那么開始這批磁針的方向是混亂的，并且可以自由地來回擺動，這就是開始的無組織狀態(tài)（圖3.19a）。這時，每一個磁針都是一個相對獨立系統(tǒng)。這許許多多小系統(tǒng)是互相獨立的，它們沒有結合成一個有組織的大系統(tǒng)。

????????但在這批磁針自由擺動的過程中，某幾個磁針有可能偶然地方向一致。只要這種狀態(tài)一發(fā)生，那么這幾個磁針馬上就會在空間產生一較強的較為一致的磁場，這一磁場又會使其他相鄰的磁針朝同一方向擺動。這樣用不了多久，所有磁針的方向都將變?yōu)橐恢拢▓D3.19b）。原來方向混亂無組織的磁針經過一段時間后自動地形成了自己的組織。即這些小的相對孤立系統(tǒng)結合成一個有結構的整體：大的磁針系統(tǒng)。類似過程在生命起源、人類思維、國家組織等復雜系統(tǒng)中也同樣存在，它反映了事物從低級向高級發(fā)展的辯證規(guī)律。

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自組織系統(tǒng)存在著如下5個特點：

????????（1）先有一個組織核心。

????????從磁針的自組織例子我們可以看到，是方向一致的幾個磁針的取向具有關鍵作用，它可以大致確定發(fā)展起來的組織（在這里是磁針取向）的形式。比如化學中大晶體的培養(yǎng)是一個自組織過程，在晶體形成之前，溶液內晶體物質的分子處于無規(guī)則的分布與運動狀態(tài)。而晶體形成的過程，就是晶體物質形成組織的過程。在這一過程中，最后形成的晶體組織形式究竟是一個有規(guī)則的大晶體，還是很多亂七八糟的小晶體，這完全決定于開始形成的組織核心——即晶核。如果晶核只有一個并且是很規(guī)則的單晶，那么自組織系統(tǒng)的發(fā)展最后可形成一個在光學上具有很高價值的大單晶。如果晶核很多，并且有的晶核是幾個單晶結合在一起，那就生成形狀亂七八糟的很多小晶體。

????????（2）自組織系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，或者是一個亞穩(wěn)定系統(tǒng)。

????????什么樣的小系統(tǒng)集合可以成為一個自組織系統(tǒng)呢？這個問題肯定是人們所關心的。因為一個小系統(tǒng)集合一旦是自組織系統(tǒng)，它就可以自動地組織起來，而不需要我們過多地干預這個過程。構成自組織系統(tǒng)的小系統(tǒng)集合必須是不穩(wěn)定的或亞穩(wěn)定的，因為只有一個不穩(wěn)定的或亞穩(wěn)定的小系統(tǒng)集合才具有向各種不同組織形式發(fā)展的可能性。如果它們過于穩(wěn)定，改變它的結構需要外界施加很大的影響才行，它的組織過程很難自動進行。也就是說，一個穩(wěn)定的小系統(tǒng)集合本身已形成某種牢固的組織，改變它的結構就不那么容易了。

????????比如說結晶過程，可以看作是結晶物質的自組織過程。供結晶的母液必須是一個不穩(wěn)定和亞穩(wěn)定系統(tǒng)，即需要過飽和溶液。如果是一般的不飽和溶液就不行，因為不飽和溶液是穩(wěn)定的系統(tǒng)，溶液濃度可以長期不發(fā)生變化。如果分子間存在著過分強烈作用，比如是一塊固體結晶物質，它太穩(wěn)定，不能成為自組織系統(tǒng)。

????????（3）自組織系統(tǒng)內部存在著一條有因果關系的自動選擇鏈。

????????我們曾經討論過，所謂形成組織實際上是系統(tǒng)內部聯(lián)系的可能性空間縮小的過程。自組織實際上只是說，這一縮小是自動進行的。它之所以會自動進行，是因為存在著一條有因果關系的自動選擇鏈。在磁針的例子中，開始的幾個磁針選擇的方向使這幾個磁針的可能性空間縮小，這種縮小又導致其他磁針的可能性空間縮小，從而也形成一條由核心開始的自動選擇鏈。

????????因此，自組織過程中，使可能性空間縮小的選擇因素是可能性空間前一次縮小帶來的，自組織的動力來自系統(tǒng)內各部分的相互作用。

????????（4）自組織過程是不可逆的。

????????自組織系統(tǒng)的發(fā)展過程一般都有不可逆性的特點。一旦形成了一種組織，再要改變，使其形成別種組織形式就很難了。比如磁針自組織的例子中，開始要取得任意一個方向都很容易，但一旦混亂的磁針已經朝著某一固定方向排列起來形成一種組織，再要改變磁針的排列，形成另一種方向就很困難。因為大多數磁針的朝向已形成一個固定磁場。

????????生物由低級向高級進化，也是一個自組織過程?，F有的一些較高等物種都是由一些共同的較低等的生物進化而來的。顯而易見，這一過程是不可逆的?，F有的高等物種不但不會退化為低等物種，而且也不可能從一個現有的物種轉化為另一個。生物類型這種不走回頭路的特點有深遠的進化意義。它使生物所獲得的適應可以得到穩(wěn)定，不致消失，并且在這基礎上繼續(xù)發(fā)展。同時，由于性狀分歧形成的不同生物類型，可以各自更好地利用周圍多樣性的生活條件，對生物的發(fā)展有利。

????????（5）自組織核心微小的差別，可以導致最后形成大組織的巨大差別。

????????這一重要特征在藥理學中十分重要。1932年，德國化學家格哈德多馬克發(fā)現，一種叫百浪多息的染料能治療小白鼠的很多由細菌感染的病。1935年，百浪多息成為一種“神藥”。百浪多息為什么能治?。吭瓉硭隗w內分解為兩部分，其中一部分是對氨基苯磺酰胺，它對細菌有抑制能力。對氨基苯磺酰胺之所以能治病，其原因就和自組織系統(tǒng)這一重要特點有關。

????????大家知道，有的細菌需要葉酸，葉酸是合成核酸所必需的，有了核酸細菌才可以生長繁殖。細菌可以從幾種簡單的化合物中制造葉酸，其中有一種原料是對氨基苯甲酸。對氨基苯甲酸的分子很像對氨基苯磺酰胺。細菌不能區(qū)別這兩種化合物，但對于細菌繁殖的一系列組織過程來說，含有對氨基苯磺酰胺分子的葉酸就不能發(fā)揮應有的作用，這樣就遏制了細菌的繁殖。許多藥物都是利用了這一原理，如：鏈霉素分子中，有一個糖很像葡萄糖，抗維生素通常與維生素很相像。這一原理在藥理學中稱為競爭性抑制。

????????這方面最有趣的例子也許是春秋戰(zhàn)國時的一個故事。據說，有一次齊桓公和管仲視察馬廄，齊桓公問管理人員說：“馬廄的工作哪一件最難？”管理人員答不上來。管仲回答說：“我以前當過馬夫，知道縛馬線最難，如果先固定曲木，那第二根、第三根等也要用彎曲的木頭，直木就沒有用了。如果第一根用直木，那以后都要用筆直的木頭，曲木就沒有用了?！?/p>

????????第一次選曲木決定了第二次選曲木。第二次選曲木決定第三次選曲木。顯然，這是一個組織過程。第一根木頭是直木還是曲木，對整個馬廄的結構有著決定性的影響。管子機智地用這個例子說出一個道理，就是上梁不正下梁歪，說明國家組織在很大程度上要取決于國家的核心領導班子，特別是最高統(tǒng)治者。

????????學習過程也可以看作一個自組織過程。一個人在學習某一門知識前，他對這門知識的基本概念和內容處于無組織狀態(tài)。他不知道這些概念和內容之間有什么聯(lián)系，更不知道哪些聯(lián)系是正確的，是客觀規(guī)律的反映。通過學習人們使各種概念和內容建立一種正確的聯(lián)系。學習過程具有自組織系統(tǒng)的幾個特征。

????????首先學習過程有相對的不可逆性。例如一個人在學習過程中建立了一種錯誤的概念，以后要改變它就比較困難，甚至比一點也沒有學過還要困難。

????????在學習過程中，有些基礎的、關鍵性的概念建立起來后，學習過程就可以大大加快。這些關鍵性概念就相當于組織核心。

????????此外，如果一個人不善于把各種概念相互比較、聯(lián)系，即各種知識處于孤立與隔離狀態(tài)，這樣學習就很困難。但如果一個人把各種概念之間的關系看得太緊密，那么他接受新的觀念也很困難。

????????目前已用計算機來模擬學習過程，這就是學習機。這種學習機可以根據外界條件來進行學習，從中找出控制某一體系的最佳條件。顯然，這些學習機的設計要用到自組織系統(tǒng)的一些基本原理。

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????????如果要促使一個小系統(tǒng)的集合成為我們所需的自組織系統(tǒng)，我們又該怎么做呢？

????????第一，我們可以控制組織核心使系統(tǒng)形成我們所需要的組織。人工降雨本質上也是一種促進自組織的過程。天空中的大量水蒸氣結起來成為水滴，對水蒸氣來說，是一種自組織過程。但在有些時候，因為缺乏組織核心，即雨滴形不成核心，使這個組織系統(tǒng)條件不完備而不能自組織。這時，我們就需要飛機在天空人為地散布一些組織核心，或促使組織核心形成的物質碘化銀，使這一自組織過程能夠完成。

????????第二，我們可以人為地改變一個系統(tǒng)，使其成為不穩(wěn)定或者亞穩(wěn)定的。如果原來系統(tǒng)各部分相互作用過于強烈，應適當減弱其相互作用。如果原來系統(tǒng)各部分相互作用太小，則應適當地增加其相互作用。比如制晶體的母液，我們可以通過調節(jié)溶液的濃度和溫度來使它成為亞穩(wěn)定的過飽和狀態(tài)，也就是將系統(tǒng)調節(jié)到最適合產生新組織的那個狀態(tài)。

????????第三，因為自組織過程有不可逆性，我們必須密切注意和觀察自組織過程的發(fā)展，不失時機地對其加以控制。

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3.11 智力放大與超級放大器

????????首先我們談談什么是“智力放大”。

????????人們早已熟悉人的體力放大，這就是用機器代替人力。那么什么是“智力放大”呢？控制論把智力在某種程度上看作一個人或一個組織在單位時間進行正確選擇的能力。所謂智力放大，實際上是一個選擇能力的放大問題。礦石的浮選，是一個典型的選擇能力放大的例子。

????????我們知道，有些寶貴的金屬礦常常和大量的巖石、泥沙混在一起，需要選礦后才能冶煉。如果人去一塊塊挑選，那工作量就太大了，這時候我們的做法是，人先進行小范圍內的選擇，即針對這種礦物性質，選擇合適的選礦劑。再利用選礦劑（表面活性物質）的性能，通過一個機構實行大范圍的選礦。

????????從選擇選礦劑，到用選礦劑選礦的過程，可以說人的選擇能力放大了。人們往往不把這類問題當作智力放大。要是所需選擇的對象不是礦物，而是一大堆可能的方案，這就是一個明顯的智力放大問題了，而本質上它也是一種選擇能力的放大。比如一個人要解決一個復雜的問題，他本身無能力解決這個問題，即他不具備對這一問題可能方案的選擇能力。但他卻知道哪幾個人可能會解決這類問題，于是他只要選擇了合適的人，他就解決了這個問題。選擇人的范圍比原來選擇方案范圍小得多了，這也是一個智力放大的例子，計算機就是最通常的智力放大器。

????????智力放大和自組織系統(tǒng)又有什么關系呢？我們知道，自組織系統(tǒng)往往有一個組織核心，一旦這一組織核心確定，這個系統(tǒng)就可以自動形成某一組織。而組織核心的選擇范圍遠遠比形成這個大組織必須進行選擇的范圍小得多。比如我們以上面熟悉的磁針為例，如果磁針數目很多，我們要所有指針都排在一指定的方向，那我們就碰到很大范圍的選擇。但我們只要選擇一個組織核心，即幾個磁針，把它們的方向調到我們所需要的方向，其他磁針的方向也就會指到我們指定的方向了。通過一個小范圍的選擇和調節(jié)，整個選擇過程便得到自動放大。

????????漢高祖劉邦本人并不是一位很杰出的軍事家，他直接指揮的戰(zhàn)役經常失利，韓信說他最多只能指揮十萬人馬。但劉邦最后能夠打敗項羽，組織建立起漢王朝，完成統(tǒng)一中國的大業(yè)。這是為什么呢？從軍事才能來說，劉邦確實不如項羽。但項羽采取了孤家寡人的政策，不善于用人，他的智力再強，得不到放大，畢竟是有限的，不能在相同的歷史條件下把國家組織起來。

????????劉邦盡管沒有很大的軍事指揮和管理國家的才能，但他善于用人，他選擇了張良、蕭何、韓信這樣一批人才，在他周圍形成一個組織核心，通過這些人去打天下、治天下，這樣他的智力就大大地增強了。歷史上所有有組織才能的大政治家，都是知人善任，善于通過組織核心放大自己選擇能力的。

????????自組織現象還可以用來達到一些很有意義的目的，比如實現所謂“超級放大”。

????????基本粒子的相互作用過程任何顯微鏡都不能放大到可供我們觀察的程度。兩種化學性質相同而只是結構左旋右旋不同的分子，目前的任何顯微鏡都不能區(qū)別它們。這時就需要一種超級放大器。一個自組織系統(tǒng)就可以充當這種超級放大器。

????????基本粒子的相互作用過程可以通過觀察在作用過程中蛻變出來的粒子運動軌跡來了解。如果能設計一個自組織系統(tǒng)，把那些蛻變出來的粒子作為這一系統(tǒng)的組織核心，而這系統(tǒng)在數量上又是自繁殖的，即由這一核心引發(fā)成長起來的新組織在數量上是不斷增大的，一直到我們可以看見的地步，那么我們就能根據這個系統(tǒng)形成的大組織形態(tài)來判斷基本粒子的相互作用，這就成了一個超級放大器。

????????目前觀察基本粒子相互作用的最主要的三種儀器：威爾遜云室、氣泡室和乳膠照片，都是按這一原則制成的。

????????對左右旋不同的分子也可用類似的方法觀察區(qū)別。在這里采用的自組織系統(tǒng)是分子自己的結晶過程。先制成左右旋不同分子的過飽和溶液，當其自組織的結晶過程成長出肉眼可觀察的晶體時，就可以通過光學性質對它們區(qū)別和研究了。

????????除了自組織系統(tǒng)外，在系統(tǒng)工程中常見的系統(tǒng)還包括最佳控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)及隨動系統(tǒng)等。其中：

????????最佳控制系統(tǒng)亦稱最優(yōu)控制系統(tǒng)，它是使選取的目標函數在所限定的條件下達到“最好”的自動控制系統(tǒng)。

????????自適應控制系統(tǒng)，它是能夠適應環(huán)境條件變化而自動調整系統(tǒng)參數或特性的自動控制系統(tǒng)。

????????隨動系統(tǒng)亦稱跟蹤系統(tǒng)，它是用來精確地跟隨或重復某種過程的一種自動調節(jié)系統(tǒng)。

????????各種系統(tǒng)的研究都廣泛地使用了數學工具。目前，系統(tǒng)理論已經滲入社會科學，在那里系統(tǒng)理論充分顯示了它處理復雜問題的特長。

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