系统的演化

1. 系统的演化

  金观涛华国凡著，《控制论和科学方法论》读书笔记12
  
   系统旧有稳定性破坏后，在新的作用方式下，一般又有新的稳定结构。当系统没有变到这种新的稳定结构中去时，它将处于不稳定状态之中，它的各个子系统都在变。但只要它一进入新结构所规定的范围之内，就会形成新的稳定性。
     我们先分析一个由老鼠、蛇、三叶草和土蜂组成的生态系统。假定一开始，这个生态系统处于老鼠多、土蜂少、三叶草少、蛇少这样一个状态（图A）。老鼠多，大量的土蜂窝被破坏，造成土蜂少。土蜂少不能传播三叶草花粉，造成三叶草少。三叶草少使蛇得不到生息的环境，造成蛇少。蛇是老鼠的天敌，蛇少对老鼠不会构成威胁。显然，由于各子系统的互相作用，结构A是稳定的。各个子系统如果偏离了原来的状态，都会被子系统之间的这种互相作用拉回来。但如果有大量的猫被引入这个系统，因为猫大量吃老鼠，系统的稳定结构被破坏。老鼠数量的变化造成整个系统发生一连串的变化。老鼠变少则被破坏的土蜂窝变少，土蜂变多使三叶草和蛇增多，而蛇变多又使老鼠数量更加减少。这样，整个系统都处于不断改变中。最后变到新的结构：老鼠少，土蜂多，三叶草多，蛇多（图B）。新结构也是一种稳定结构。为什么是一种稳定结构呢？因为即使在新结构中猫变少了，老鼠也不见得能增加。因为蛇很多，蛇大量捕食老鼠使老鼠数量受到抑制。从这个例子我们可以看到，尽管系统中各子系统互相影响很复杂，系统在不稳定时具体会怎样变也很复杂，可能通过非常曲折的途径，但稳定结构之间却可以转化，这种转化是可以从系统中各子系统的互相作用方式来分析的。这一结论对研究复杂系统的变化很有意义。因为对于复杂系统，虽然其中不稳定结构的变化过程非常复杂，一时难以预测，但有哪些稳定结构，却是可以把握的。这就为研究复杂系统的变化提供了方便。
                                          
   一个生态系统本身可以允许多少物种稳定地存在，可以从系统中各个子系统的互相作用来预测。现代生态学在研究大生态系统几千年中演变时，使用这种方法，获得了有意义的结果，这就是生态消长理论。
     研究大时间尺度上生态系统的变化，一般把生态系统分成三个互相作用的子系统：生物群落、土壤和气候。这个系统有两种稳定态。一种是不毛状态，即没有生物群。但当气候适宜和附近有生物群落时，这种不毛状态会慢慢变化。
     最后，生态系统到达盛林期，各种树木竞争，达到稳定，土壤有机质达到动态平衡。生态系统把这一整个系统的平衡态称为顶极状态。到这一状态，生态消长不再变化。并且森林对气候也有一定调节能力。整个系统达到新的稳定态。
  
   如果系统的演化可以归为由一种稳定结构向另一种稳定结构的过渡，那么演化过程可以用两种不同的基本模式来表示，一种是分叉，一种是汇流。
     分叉是这样一种现象，系统原来具有稳定结构A，由于系统内子系统及其相互作用方式的改变，原有稳定结构不再稳定，在新的作用方式下，系统有一些新的稳定结构，但稳定结构很可能不止一种，而有B、C两种。这时系统演化到新的稳定结构就有两种可能B或C，而系统一旦演化到B或C，系统就出现较大差别。内部和外部条件改变时，它们又不能进一步稳定，可能孕育出新的稳定结构。实际上，分叉现象是可能性空间各元素都代表稳定态结构。
     生物的进化可以看作生物和环境组成的系统的演化。物种适应于环境就是两个子系统在相互作用中保持稳定结构。
     汇流和分叉现象相反，它表明开始系统可以有许许多多不同的稳定结构，但这些稳定结构打破后，系统都面临着一些共同的稳定结构。

2. 系统理论的观点演化

 从抽象意义上来理解，任何现实系统都是封闭性和开放性的统一。环境构成了系统内相互作用的场所，同时又限定了系统内相互作用的范围和方式，系统内相互作用以系统与环境的相互作用为前提，二者又总是相互转化的。在这个意义上，系统内的相互作用是以系统的外部环境为条件的。系统的进化尤其依赖于外部环境。系统的相干作用是在系统内存在差异的情况下表现出来的。没有温度梯度就不会有热传导，没有化学势梯度也不会有质量扩散。但热力学第二定律指出，系统内在差异总是在自发的不可逆过程中倾向于被削平，导致系统向无序的平衡态演化。因此，必须不断从外部环境获得足够的物质和能量才能使系统差异得以建立和恢复，维持远平衡状态，使非线性作用实现出来。因此系统必须对环境保持开放，才能进化。但开放性只是进化的必要条件，而非充分条件。普利高津的耗散结构论指出，孤立系统没有熵流（即系统与外界交换物质和能量而引起的熵），而任一系统内部自发产生的熵总是大于或等于零的（当平衡时等于0）因此孤立系统的总熵大于零。它总是趋向于熵增，无序度增大。当一个系统的熵流不等于零时，即保持开放性时，有三种情况；第一种情况是热力学平衡态，此种系统中，熵流是大于零的，因此物质和能量的涌入大大增加了系统的总熵，加速了系统向平衡态的运动。第二种情况是线性平衡态。它是近平衡态。其熵流约等于零。这种系统一般开始时有一些有序结构，但最终无法抵抗系统内自发产生的熵的破坏而趋平衡态。第三种情况大为不同，这种系统远离平衡态，即熵流小于零，因此物质和能量给系统带来的是负熵，结果使系统有序性的增加大于无序性的增加，新的组织结构就能从中形成，这就是耗散结构。例如生命系统、社会系统等。 稳定与涨落是刻画系统演化的重要概念。由于系统的内外相互作用，使系统要素性能会有偶然改变，耦合关系会有偶然起伏、环境会带来随机干扰。系统整体的宏观量很难保持在某一平均值上。涨落就是系统宏观量对平均值的偏离。按照对涨落的不同反应，可把稳定态分为三种：恒稳态，对任何涨落保持不变；亚稳态，对一定范围内的涨落保持不变；不稳态，在任何微小涨落下会消失。对于稳定态而言，涨落将被系统收敛平息，表现为向某种状态的回归。在热力学平衡态中，不论何种原因造成的温度、密度、电磁属性等的差异，最终都将被消除以至于平衡态。但对于远平衡态，如果系统中存在着正反馈机制，那么，涨落就会被放大，导致系统失稳，从而把系统推到临界点上。系统在临界点上的行为有多种可能性，究竟走向哪一个分支，是不确定的。是走向进化，还是走向退化，是走向这一分支，还是走向那一分支。涨落在其中起着重要的选择作用。达尔文的生物进化论证明，生物物种的偶然变异的积累可以改变物种原有的遗传特性，导致新物种的出现。耗散结构论和协同学则定量地证明，随着外界控制参量的变化，原有的稳态会失稳，并在失稳的临界点上出现新的演化分支。一个激光器，仅仅因为外界泵浦功率的改变，就可以稳定地发出自然光、激光或脉冲光，乃至混沌的紊光。由此可见，稳定态对涨落的独立性是相对的，超出一定范围，例如在上述条件下，涨落将支配系统行为。如果涨落被加以巩固，那就意味着新稳态的形成。涨落在系统演化中的重要作用说明，系统演化是必然性与偶然性的辨证统一。普利高津指出，“远离平衡条件下的自组织过程相当于偶然性与必然性之间、涨落和决定论法则之间的一个微妙的相互作用”。（普利高津《从混沌到有序》，上海译文出版社，1987年版，223页）从存在到演化，这是科学发展的必然。普利高津可以说是这一发展趋势的理论代言人。普利高津首先指出，近代经典科学乃至现代的相对论和量子力学都是关于存在的科学，机械论自然观统治着近代西方世界的科学观。他说：“对于经典科学的大多数奠基者甚至爱因斯坦来说，科学乃是一种尝试，它要越过表面的世界，达到一个极其合理的没有时间的世界”。“经典科学不承认演化和自然界的多样性”因而，长期以来，时间成为一个“被遗忘的维数”。而机械论自然观则认为“宇宙是单一的、无限的、不动的它不产生自身它是不可毁灭的它是不可改变的”普利高津进而指出，现代科学正发生着根本性的改变。他说，“经典科学，简单被动世界的神话科学，已属于过去，它没有被哲学批判或经验主义的抛弃所扼杀，但却被科学自身的内部发展所灭亡”。“一种新的统一性正现露出来：在所有层次上不可逆性都是有序性的源泉”。正是依据这一思想，普利高津以耗散结构论在热力学第二定律的框架中解决了生物进化和热力学退化的矛盾。而在1980年出版的《从存在到演化：自然科学中的时间和复杂性》一书中，普利高津总结和阐发了他建立演化科学的纲领。“也许有一种更为精妙的现实形式，它既包括定律，也包括博弈，即包括时间，又包括永恒性” （以上引言转引自《自然辩证法参考读物》清华大学出版社，2003年版，119—120页）。这里，普利高津试图通过对时间的再理解，为存在和演化之间架起一座桥梁。耗散结构理论建立为自然科学发展开辟了新的方向，协同学、超循环论、混沌理论乃至突变论可以说都是这一理论的继续。自组织理论的发展使我们对自然演化的前提条件、动力根据、诱因途径、组织形式和发展前途等已能够加以较为具体的刻画，对多样性和统一性、质变和量变、肯定和否定、原因与结果、必然性与偶然性、可能性和现实性、进化和退化等的辨证统一关系进一步从科学上得到了说明，从而建立起真正的关于演化的科学。自组织理论的出现和发展影响是重大的，它前承早期的生物进化论、热力学，后连大爆炸宇宙论、暴涨宇宙论以及C—P联合变换不守恒规则，并与它们一起，展示了20世纪演化科学的时代。 系统演化原理的提出，最终确立了现代科学在方法论上的动态性原则。这一原则也可称为历时性原则。这一原则要求：不能把系统看作“死系统”，即已经完成的、静止的、永恒的东西，不能仅满足于静态还原，虽然在研究中我们常常被迫采用理想的“孤立系统”、“封闭系统”的概念，但应始终牢记任何实际系统都是动态的“活系统”。热力学第三定律指出，绝对零度永远不可达到。而量子力学也已证明，即使在绝对零度，还有“零点能”的存在。因此我们必须克服静止的形而上学的思维方式，从系统的动态过程中来把握对象。要从对要素的静态分析上升为要素之间的相互作用、要素在系统整体中的变化的动态把握；从对结构的静态分析上升为对内外相互作用、结构态的形成、保持和转化的动态把握；要从对系统整体的静态分析上升为对系统的发生、发展和消亡的总体过程的动态把握。动态系统理论是系统科学的核心，突出地表现了系统科学的动态性原则。动态系统理论是关于系统状态转移的动力学过程的理论，其中心课题是把握系统的演变规律。其数学模型通常为动力学方程，或称为演化方程。它以状态变量表示系统状态、把系统所有可能状态的集合称为状态空间，以控制向量表示环境对系统的制约；以稳定性理论、吸引子理论、分叉理论刻画系统的演化。在动力学方程中，一般以微分、差分、积分等表示动态特性的量，来描述动态过程中诸变量之间的关系。在动态系统理论看来，所谓静态系统只能是一种静态假设，它基于这样一种假设：即系统状态迁移可以瞬间完成。这意味着系统必须有无限储能可资利用。但任一实际系统总是有限的，因而状态转移不可能瞬间完成。 动态性原则可以说贯穿于系统科学及其方法的每一个具体内容中。各种具体的系统科学方法无不体现出动态性特征。

3. 演化理论的理论介绍

 纳尔逊和温特的经济演化理论在范式上的特征，主要表现在他们对“惯例”在经济演化过程中的作用的强调和透彻考察。这一特征是我在本节中，将他们归入“从形式化哈耶克到复兴凡勃伦”这一制度分析范式回归的主要原因。在纳尔逊和温特关于过程选择的演化理论中，他们是在“经济主体所遵循的决策规则和程序模式”的意义上使用“组织形式”一词的，这与“新古典企业理论和企业契约理论的组织形式概念”是存在明显差别的。在此后的分析中，他们进一步用“惯例”替代了“组织形式”。在纳尔逊和温特看来，惯例对于经济主体而言，就是“基因的经济对应物”。他们在这一前提下，进一步把“经济主体行为是一种规则支配的行为”上升到演化理论的‘第一原则’这样的高度。他们认为，惯例在经济主体行为中发挥的作用，类似于生物进化中基因所发挥的作用；使用惯例来解释经济主体行为的稳定性，并由惯例提供经济过程中“自然选择”赖以发生的外部条件，将会像基因在自然选择理论中那样具有解释力。基于这一思路，他们在演化理论中提出了“组织的遗传学”这一命题。他们认为，“惯例的知识是理解行为的核心。将企业模型化就意味着，将惯例及其如何随着时间来改变的问题加以模型化”（1982：128）。“企业在较大程度上自动遵守固定的惯例”是纳尔逊和温特组织遗传学的核心假定。在他们看来，组织内部的惯例化行为的核心功能在于，利于形成稳定的预期，并促进组织内部特定知识的存储和传播。（1982：99）此外，纳尔逊和温特还指出，惯例是带有刚性的（惰性），它们有自己的生命力。惯例对于组织内部生产性和技术性的知识储存（组织记忆）的功能是无法被还原为其单个成员的有效记忆的。纳尔逊和温特通过将惯例引入经济过程的演化分析，在一定程度上找到了经济行为的特定的连续性和稳定性的根源。他们使人们认识到，惯例是一种类似于基因一样的东西，它提供了经济过程中“自然选择”发挥作用的稳定的可遗传物质。他们通过对经济主体与生物体的类比，揭示了“惯例本身源于自发演化过程，并通过对行为的约束来影响演化方向”的特性。 演化证券学是运用生物进化原理系统阐释股市运行机理的新兴交叉学科，是证券投资研究的一个具有生命力和丰富内涵的新领域。与现代金融学的“理性人”、“有效市场”相关假设不同，演化证券学重视对“生物本能”和“竞争与适应”的研究，强调人性和市场环境在股市演化中的重要地位，是揭示股市生存法则最有潜力的前沿科学。其开山之作《股市真面目》颠覆了股市运行机理的传统理论，可称为达尔文式的范式革命。

4. 演化理论的介绍

纳尔逊和温特早在60年代初，就对新古典经济学家提出的所谓“市场选择论”进行了颠覆性的反驳。并且他们后来在1982年合著的《经济过程的演化理论》一书中，将这一思想系统化。

5. 系统理论的起源发展

系统思想源远流长，但作为一门科学的系统论，人们公认是美籍奥地利人、理论生物学家L.V.贝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）创立的。他在1932年提出“开放系统理论”，提出了系统论的思想。1937年提出了一般系统论原理，奠定了这门科学的理论基础。但是他的论文《关于一般系统论》，到1945年才公开发表，他的理论到1948年在美国再次讲授“一般系统论”时，才得到学术界的重视。确立这门科学学术地位的是1968年贝塔朗菲发表的专著：《一般系统理论：基础、发展和应用》(《GeneralSystemTheory;Foundations,Development, Applications》）,该书被公认为是这门学科的代表作。贝塔朗菲临终前发表了《一般系统论的历史与现状》一文，探讨系统研究的未来发展。此外，它还与拉维奥莱特（A. Laviolette）合写了《人的系统观》一书。系统论认为，整体性、关联性，等级结构性、动态平衡性、时序性等是所有系统的共同的基本特征。这些，既是系统所具有的基本思想观点，而且它也是系统方法的基本原则，表现了系统论不仅是反映客观规律的科学理论，具有科学方法论的含义，这正是系统论这门科学的特点。，贝塔朗菲对此曾作过说明，英语 SystemApproach直译为系统方法，也可译成系统论，因为它既可代表概念、观点、模型，又可表示数学方法。他说，我们故意用Approach这样一个不太严格的词，正好表明这门学科的性质特点。随着世界复杂性的发现。在科学研究中兴起了建立复杂性科学的热潮。贝塔朗菲指出，现代技术和社会已变得十分复杂，传统的方法不再适用，“我们被迫在一切知识领域中运用整体或系统概念来处理复杂性问题”。普利高津断言，现代科学在一切方面，一切层次上都遇到复杂性，必须“结束现实世界简单性”这一传统信念，要把复杂性当作复杂性来处理，建立复杂性科学。正是在这种背景下，出现了一系列以探索复杂性为己任的学科，我们可统称为系统科学。系统科学的发展可分为两个阶段：第一阶段以二战前后控制论、信息论和一般系统论等的出现为标志，主要着眼于他组织系统的分析；第二阶段以耗散结构论、协同论、超循环论等为标志，主要着眼于自组织系统的研究。信息学家魏沃尔指出：19世纪及其之前的科学是简单性科学；20世纪前半叶则发展起无组织复杂性的科学，即建立在统计方法上的那些学科；而20世纪后半叶则发展起有组织的复杂性的科学，主要是自组织理论。我们可以把复杂性方法论原则概括为以下几个方面：整体性系统观点的第一个方面的内容就是整体性原理或者说联系原理。从哲学上说，所谓系统观点首先不外表达了这样一个基本思想：世界是关系的集合体，而非实物的集合体。整体性方法论原则就根据于这种思想。系统科学的一般理论可简单概括如下：所谓系统是指由两个或两个以上的元素（要素）相互作用而形成的整体。所谓相互作用主要指非线性作用，它是系统存在的内在根据，构成系统全部特性的基础。系统中当然存在着线性关系，但不构成系统的质的规定性。系统的首要特性是整体突现性，即系统作为整体具有部分或部分之和所没有的性质，即整体不等于（大于或小于）部分之和，称之为系统质。与此同时，系统组分受到系统整体的约束和限制，其性质被屏蔽，独立性丧失。这种特性可称之为整体突现性原理，也称非加和性原理或非还原性原理。整体突现性来自于系统的非线性作用。系统存在的各种联系方式的总和构成系统的结构。系统结构的直接内容就是系统要素之间的联系方式；进一步来看，任何系统要素本身也同样是一个系统，要素作为系统构成原系统的子系统，子系统又必然为次子系统构成……如此，则…→次子系统→子系统→系统之间构成一种层次递进关系。因而，系统结构另一个方面的重要内容就是系统的层次结构。系统的结构特性可称之为等级层次原理。与一个系统相关联的、系统的构成关系不再起作用的外部存在称为系统的环境。系统相对于环境的变化称为系统的行为，系统相对于环境表现出来的性质称为系统的性能。系统行为所引起的环境变化，称谓系统的功能。系统功能由元素、结构和环境三者共同决定。相对于环境而言，系统是封闭性和开放性的统一。这使系统在与环境不停地进行物质、能量和信息交换中保持自身存在的连续性。系统与环境的相互作用使二者组成一个更大的、更高等级的系统。整体性原则是系统科学方法论的首要原则。它认为，世界是关系的集合体，根本不存在所谓不可分析的终极单元；关系对于关系物是内在的，而非外在的。因而，近代科学以分析为手段而进行的把关系向始基的线性还原是不能允许的。整体性原则要求，我们必须从非线性作用的普遍性出发，始终立足于整体，通过部分之间、整体与部分之间、系统与环境之间的复杂的相互作用、相互联系的考察达到对象的整体把握。具体来说，第一，从单因素分析进入到多因素分析；第二，模型本身成为认识目的；第三，从功能到结构。动态性系统观点的第二个方面的内容就是动态演化原理或过程原理。从哲学上看，这一原理不外是说：世界是过程的集合体，而非既成事物的集合体。动态性原则就依据于这一原理。系统科学的动态演化原理的基本内容可概括如下：一切实际系统由于其内外部联系复杂的相互作用，总是处于无序与有序、平衡与非平衡的相互转化的运动变化之中的，任何系统都要经历一个系统的发生、系统的维生、系统的消亡的不可逆的演化过程。也就是说，系统存在在本质上是一个动态过程，系统结构不过是动态过程的外部表现。而任一系统作为过程又构成更大过程的一个环节、一个阶段。与系统变化发展相关的重要概念，除了我们前面已经讨论过的可逆与不可逆、确定性与随机性之外，有序与无序也是刻画系统演化形态特征的重要范畴。热力学、协同学、控制论和信息论分别用熵、序参量和信息量来刻画有序与无序。在数学上，一般以对称破缺来定量刻画。通俗地说，所谓有序是指有规则的联系，无序是指无规则的联系。系统秩序的有序性首先是指结构有序。例如，类似雪花的晶体点阵、贝纳德花样、电子的壳层分布、激光、自激振荡等空间有序，行星绕日旋转等各种周期运动为时间有序。结构无序是指组分的无规则堆积。例如，一盘散沙、满天乱云、垃圾堆等空间无序。原子分子的热运动、分子的布朗运动、混沌等各种随机运动为时间无序。此外系统秩序还包括行为和功能的有序与无序。平衡态与非平衡态则是刻画系统状态的概念。平衡态意味着差异的消除、运动能力的丧失。非平衡意味着分布的不均匀、差异的存在，从而意味着运动变化能力的保持。与此相联系，有序可分为平衡有序与非平衡有序。平衡有序指有序一旦形成，就不再变化，如晶体。它往往是指微观范围内的有序。非平衡有序是指有序结构必须通过与外部环境的物质、能量和信息的交换才能得以维持，并不断随之转化更新。它往往是呈现在宏观范围内的有序。二十世纪下半叶出现的自组织理论从多方面探讨了有序与无序相互转化的机制和条件、不可逆过程所导致的结果，即进化和退化及其关系问题，着重研究了系统从无序向有序、从低序向高序转化也即进化的可能性和途径问题。1969年，普利高津提出耗散结构论，这一理论从时间不可逆性出发，采用薛定谔最早提出的“负熵流”概念，使得在不违反热力学第二定律的条件下，得出这样的结论：远平衡开放系统可以通过负熵流来减少总熵，自发地达到一种新的稳定的有序状态，即耗散结构状态。耗散系统形成以远离平衡态的开放系统和系统内非线性机制为条件。非稳定性即涨落是建立在非平衡态基础上的耗散结构稳定性的杠杆。在平衡态没有涨落的发生；在近平衡态的线性非平衡区，涨落只会使系统状态发生暂时的偏离，而这种偏离将不断衰减直至消失；而在远平衡的非线性区，任何一个微小的涨落都会通过相干作用而得到放大，成为宏观的、整体的“巨涨落”，使系统进入不稳定状态，从而又跃迁到新的稳定态。1976年德国理论物理学家赫尔曼?哈肯出版了《协同学导论》一书，1978年第二版增加了“混沌态”一章，建立了协同学理论的基本框架。协同学以信息论、控制论、突变论为基础，并吸取了耗散结构论的成果，继耗散结构理论之后进一步具体考察了非线性作用如何能够造成系统的自组织。协同学认为，系统从无序向有序转化的关键并不在于系统是否和在多大程度上处于非平衡态，只要是一个由大量子系统构成的系统，在一定条件下，它的子系统之间通过非线性的相互作用就能产生协同和相干效应，从也就能够自发产生宏观的时空结构，形成具有一定功能的自组织结构，表现出新的有序状态。哈肯给出了决定论的动力学方程，并同时引入二分支概念。从而提供了系统由一个质态跃迁到另一质态的说明方法。当系统某个参数在域值范围之外，系统处于稳定平衡位置；当系统参数进入域值范围，系统就成为非稳定的，同时又要形成新的平衡位置。自组织系统形成的两个基本条件是：开放系统和涨落的存在。由稳定平衡到非稳定平衡起作用的是外部条件，由非稳定平衡到新的稳定平衡其作用的是系统涨落。哈肯的理论较好地说明了物理学中的自组织现象，如激光、细胞繁殖等。但用它说明生物和社会系统有一定困难。1971年德国生物学家爱肯正式提出了超循环论。其中心思想是在生命起源和发展中，从化学阶段到生物进化之间有一个分子的自组织过程。这个进化阶段的结果是形成了人们今日所见的具有统一遗传密码的细胞结构。这种遗传密码的形成有赖于超循环组织，这种组织具有“一旦建立就永远存在下去”的选择机制。总之，爱肯认为，“进化原理可理解为分子水平上的自组织”，以最终“从物质的已知性质来导出达尔文的原理”。（《控制论、信息论、系统科学与哲学》，中国人民大学出版社，1986年版，471页）