自組織理論
自組織理論
自組織理論是關於在沒有外部指令條件下，系統內部各子系統之間能自行按照某種規則形成一定的結構或功能的自組織現象的一種理論。該理論主要研究系統怎樣從混沌無序的初態向穩定有序的終態的演化過程和規律。認為無序向有序演化必須具備幾個基本條件：(1) 產生自組織的系統必須是一個開放系統，系統只有通過與外界進行物質、能量和信息的交換，才有產生和維持穩定有序結構的可能。(2) 系統從無序向有序發展，必須處於遠離熱平衡的狀態，非平衡是有序之源。開放系統必然處於非平衡狀態。(3) 系統內部各子系統間存在著非線性的相互作用。這種相互作用使得各子系統之間能夠產生協同動作，從而可以使系統由雜亂無章變成井然有序。除以上條件外，自組織理論還認為，系統只有通過離開原來狀態或軌道的漲落才能使有序成為現實，從而完成有序新結構的自組織過程。
它的研究對象主要是複雜自組織系統(生命系統、社會系統)的形成和發展機制問題，即在一定條件下，系統是如何自動地由無序走向有序，由低級有序走向高級有序的。
1.耗散結構論
主要研究系統與環境之間的物質與能量交換關係及其對自組織系統的影響等問題。建立在與環境發生物質、能量交換關係基礎上的結構即為耗散結構，如城市、生命等。遠離平衡態、系統的開放性、系統內不同要素間存在非線性機制、系統的漲落是耗散結構出現的四個基本條件。遠離平衡態，指系統內部各個區域的物質和能量分佈是極不平衡的，差距很大。
2.協同論
主要研究系統內部各要素之間的協同機制，認為系統各要素之間的協同是自組織過程的基礎，系統內各序參量之間的競爭和協同作用是系統產生新結構的直接根源。漲落是由於系統要素的獨立運動或在局部產生的各種協同運動以及環境因素的隨機干擾，系統的實際狀態值總會偏離平均值，這種偏離波動大小的幅度就叫漲落。當系統處在由一種穩態向另一種穩態躍遷時，系統要素間的獨立運動和協同運動進入均勢階段時，任一微小的漲落都會迅速被放大為波及整個系統的巨漲落，推動系統進入有序狀態。
3.突變論
它建立在穩定性理論的基礎上，認為突變過程是由一種穩定態經過不穩定態向新的穩定態躍遷的過程，表現在數學上是標誌著系統狀態的各組參數及其函數值變化的過程。突變論認為，即使是同一過程，對應於同一控制因素臨界值，突變仍會產生不同的結果，即可能達到若干不同的新穩態，每個狀態都呈現出一定的概率。
4.協同動力論
有三大要點：第一，在大量子系統存在的事物內部，在平權輸入必要的物質、能量和信息的基礎上，須激勵競爭，形成影響和相互作用的網路；第二，提倡合作，形成與競爭相抗衡的必要的張力，並不受干擾地讓合作的某些優勢自發地、自主地形成更大的優勢；第三，一旦形成序參量后，要注意序參量的支配不能採取被組織方式進行，應按照體系的自組織過程在序參量支配的規律下組織系統的動力學過程。這可能產生兩種有序運動，一種即數量化的水平增長其複雜性和組織程度的演化，另一種則是突變式的組織程度躍升動力學演化。
5.演化路徑論
它認為：演化的路徑具有多樣性，有三條路徑，一是經過臨界點或臨界區域的演化路徑，演化結局難以預料，小的激勵極可能導致大的漲落；二是演化的間斷性道路，有大的跌宕和起伏，常出現突然的變化，其間大部分演化路徑可以預測，但有些區域或結構點不可預測；三是漸進的演化道路，路徑基本可以預測。突變論所利用的形態演化方法（結構化方法）在整體背景上進行自組織演化路徑的突變可能性分析，為研究者提供了一個整體觀。
6.混沌論
它對研究複雜性的非線性方法具有重大貢獻。首先，混沌不僅可以出現在簡單系統中，而且常常通過簡單的規則就能產生混沌。簡單系統能夠產生複雜行為，複雜系統也能夠產生簡單行為。分層、分岔、分支、鎖定、放大，非線性的發展或演化過程就是這樣神奇而不可預測；其次，非線性動力學混沌是內在的，固有的，而不是外加的、外生的。尤其是在管理中的混沌特性決定了“混沌管理”方法的非最優化和不確定性。企業並不追求最優化和最高效率——這是由穩定的管理價值觀所決定的；管理過程與結果之間無決定的直接的關係。
研究複雜的企業系統的行為，自組織的方法論要求我們在企業管理中，必須從整體出發，把管理看作是一個複雜的過程而且是自組織演化的過程。企業的發展有其自己的發展演變軌跡，企業管理者必須順著企業發展的“脈絡”實施恰當的管理。
一個開放、遠離平衡的化學體系，在一定條件下可以自發地組織成時間和空間的有序結構，呈現出類似於生命特徵的自組織現象。這一發現及其耗散結構理論的建立具有重要的科學意義和哲學意義，是當代化學發展的重要前沿領域。
化學家自19世紀以後陸續發現，有一些化學反應中的某些組分或中間產物的濃度能夠隨時間發生有序的周期性變化，即所謂化學振蕩現象。由於當時這些現象都是在非均相體系中發現的，因此曾誤以為只有在非均相條件下才能產生，以致未能真正揭示出反應的實質。
1959年在均相體系中發現的化學振蕩現象，使人們的認識發生了根本性轉變。當時蘇聯化學家Belousov B P用硫酸鈰鹽（Ce3+和Ce4+）的溶液為催化劑，在25℃時，以溴酸鉀氧化檸檬酸。當把反應物和生成物的濃度控制在遠離平衡態的濃度時發現，溶液中四價鈰離子的黃色時而出現，時而消失。在兩種狀態之間振蕩，時間也極準確，周期為30s，呈現出具有一定節奏的“化學鍾”現象。如果能夠不斷加入反應物和排出生成物即保持體系的遠離平衡態，則“化學鍾”可長期保持，否則只能維持50min，在達到化學平衡后消失。
1964年，蘇聯化學家Zhabotinsky A M改進了這一實驗。用鐵鹽代替鈰鹽為催化劑，以丙二酸代替檸檬酸用溴酸鉀氧化，從而出現了時而變藍、時而變紅的更加鮮明的化學振蕩現象。特別是還發現了在容器中不同部位溶液濃度不均勻的空間有序結構，展現出同心圓形或旋轉螺旋狀的捲曲花紋波，且由里向外“噴涌”，呈現出一幅幅彩色壯觀的動力學畫面。
Belousov B P和Zhabotinsky A M發現的化學振蕩反應（簡稱貝－札反應或B－Z反應）表明，不僅在非均相體系中而且在均相體系中也能產生化學振蕩現象，即體系的某些組分或若干組分的濃度隨時間、空間而發生周期性變化的現象。傳統理論認為，參加化學反應的億萬分子只能以混沌無序的形式隨機地相互碰撞，進行無規則的熱運動；反應后各種生成物的分子也只能是無序地在一起均勻混雜著，混沌一片。此外，依照過去對熱力學第二定律的理解，一個開放體系就意味著存在一個不斷破壞平衡的不可逆過程，應該朝著無序度增大方向不斷發展，不可能出現時空有序結構。
因此，在化學振蕩反應發現的初期，人們感到難以理解。他們認為，這種魔術一般的“古怪行為”是在跟熱力學第二定律開玩笑，是由於實驗條件的錯誤安排或某種干擾所致，從而認為所謂的發現是絕不可能的。這樣，Belousov的發現長期未被承認，其論文也未能及時發表，被擱置達6年之久。在此以前，美國伯克利加州大學的Bray W於1921年在過氧化氫轉化為水的過程中也發現了化學振蕩反應，然而也被認為是由於實驗操作低劣而產生的人為現象而未被接受。直到60年代以後，由於發現的事實越來越多，化學振蕩的存在已不容置疑才逐漸被承認，並日益引起了廣大化學家的注目。
1968年，比利時化學家Prigogine I R在歷經了近20年的探索以後，提出了耗散結構理論。他指出：一個開放體系在達到遠離平衡態的非線性區域時，一旦體系的某一個參量達到一定閾值后，通過漲落就可以使體系發生突變，從無序走向有序，產生化學振蕩一類的自組織現象。這裡，實質上是提出了產生有序結構的以下四個必要條件：
1.開放體系
這樣才可能同外界交換物質與能量形成有序結構。具體說來，這樣才可能從外界向體系輸入反應物等來使體系的自由能或有效能量不斷增加，即有序度不斷增加；同時，才可能從體系向外界輸出生成物等來使體系無效能不斷減少，即無序度或熵量不斷減少。前者是向體系輸入負熵，後者是從體系輸出正熵，從而使體系的總熵量增長為零或為負值，以形成或保持有序結構。輸入負熵，是消耗外界有效物質與能量的過程；輸出正熵，是發散體系無效物質與能量的過程。這一耗一散，也就成了產生自組織有序結構的必要條件。因此，自組織有序結構也就可以稱為耗散結構。顯然，耗散結構在非開放體系中是不可能形成或保持的。
2.遠離平衡態
這樣才可能使體系具有足夠的反應推動力，推進無序轉化為有序，形成耗散結構。例如在恆溫恆壓條件下，可以使反應物濃度遠高於平衡濃度，生成物濃度遠低於平衡濃度，從而在實際濃度與平衡濃度間造成巨大濃度差，以推進化學振蕩反應的產生。相反，如果在平衡態，則實際濃度與平衡濃度相等，二者之差為零，反應推動力為零，反應已經達到極限，反應體系的濃度已經不再隨時間變化發生任何變化，即已經達到“時間終點”。因此，也就不可能產生濃度隨時間空間而發生周期性變化的化學振蕩現象。
此外，在平衡態，體系的熵量已經增至極大，無序度已經增至極大，從而也不可能產生有序。所以PrigogineIR說，非平衡是有序之源。形象地看，這好比是往咖啡裡面加牛奶，達到平衡時的最後狀態只能是一碗混沌無序的灰色渾湯。但是在達到那個狀態以前的非平衡態，則白牛奶在黑咖啡里排演了多少瞬息萬變的漩渦花樣和結構！可見，有序的生機是在遠離平衡態時萌動的。
3.非線性作用
即體系內各要素之間具有超出整體是局部線性疊加效果的非線性作用，是一種所得超所望的非線性因果關係，即一個小的輸入就能產生巨大而驚人效果。這樣才可能使體系具有自我放大的變化機制，產生突變行為和相干效應、協同動作，以異乎尋常的方式重新組織自己，實現有序。相反，如果只是具有線性作用，要素間的作用只能是線性疊加即量的增長而不能產生質的飛躍和實現有序。
這種非線性作用，在化學體系中是體現在反應鏈上存在著自催化或交叉催化的環節，即某些反應物分子的一個生成物正是它們自身所需要的催化劑，從而使反應速率達到雪崩式的加快（自催化）；或屬於兩個不同反應鏈上的兩個產物能各自催化對方的反應（交叉催化），其結果是可以產生一種難以控制的劇變行為。
這種自催化或交叉催化產生的劇變行為，在技術控制論中被稱為正反饋，即某種對於指定參考值的偏差不僅未能消除反而得到加強的行為。在化學振蕩反應中，正是由於具有了正反饋，才使體系得以造成失穩、活化、放大成“化學鍾”里的前後呼應的顏色變化，產生周期性的振蕩。實際上，正反饋是一種自我複製、自我放大的變化機制，因此才能使億萬分子的微觀行為像得到指令般地協同動作並在宏觀上實現有序。可見，正反饋、自催化或交叉催化或非線性的相互作用，是產生化學耗散結構的不可缺少的動力條件。
4.漲落作用
即體系中溫度、壓力、濃度等某個變數或行為與其平均值發生偏差的作用。體系具有漲落或起伏的變化，才能啟動非線性的相互作用，使體系離開原來的狀態，發生質的變化，躍遷到一個新的穩定的有序態，形成耗散結構。因此，漲落是一種啟動力，漲落導致有序。漲落主要是由於受到體系內部或外部的一些難以控制的複雜因素干擾引起的，帶有隨機的偶然性，然而卻可以導致必然的有序。這就再一次表明，必然性要通過偶然性來表現，偶然性是必然性的補充。
基本信息
- 中文名
- 自組織理論
- 外文名
- Self-organizing Theory
- 研究領域
- 複雜自組織系統的形成和發展機制
- 時間
- 20世紀60年代
- 協同論概念
- 研究系統內部各要素之間協同