系統理論

系統思想源遠流長，但作為一門科學的系統論，人們公認是美籍奧地利人、理論生物學家L.V.貝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）創立的。他在1932年提出“開放系統理論”，提出了系統論的思想。1937年提出了一般系統論原理，奠定了這門科學的理論基礎。但是他的論文《關於一般系統論》，到1945年才公開發表，他的理論到1948年在美國再次講授“一般系統論”時，才得到學術界的重視。確立這門科學學術地位的是1968年貝塔朗菲發表的專著：《一般系統理論：基礎、發展和應用》（《General System Theory; Foundations, Development, Applications》），該書被公認為是這門學科的代表作。貝塔朗菲臨終前發表了《一般系統論的歷史與現狀》一文，探討系統研究的未來發展。此外，他還與拉維奧萊特（A. Laviolette）合寫了《人的系統觀》一書。

系統論認為，整體性、關聯性，等級結構性、動態平衡性、時序性等是所有系統的共同的基本特徵。這些既是系統所具有的基本思想觀點，而且它們也是系統方法的基本原則，表現了系統論不僅是反映客觀規律的科學理論，具有科學方法論的含義，這正是系統論這門科學的特點。貝塔朗菲對此曾作過説明，英語System Approach直譯為系統方法，也可譯成系統論，因為它既可代表概念、觀點、模型，又可表示數學方法。他説，我們故意用Approach這樣一個不太嚴格的詞，正好表明這門學科的性質特點。

隨着世界複雜性的發現。在科學研究中興起了建立複雜性科學的熱潮。貝塔朗菲指出，現代技術和社會已變得十分複雜，傳統的方法不再適用，“我們被迫在一切知識領域中運用整體或系統概念來處理複雜性問題”。普利高津斷言，現代科學在一切方面，一切層次上都遇到複雜性，必須“結束現實世界簡單性”這一傳統信念，要把複雜性當作複雜性來處理，建立複雜性科學。正是在這種背景下，出現了一系列以探索複雜性為己任的學科，我們可統稱為系統科學。系統科學的發展可分為兩個階段：第一階段以二戰前後控制論、信息論和一般系統論等的出現為標誌，主要着眼於他組織系統的分析；第二階段以耗散結構論、協同論、超循環論等為標誌，主要着眼於自組織系統的研究。信息學家魏沃爾指出：19世紀及其之前的科學是簡單性科學；20世紀前半葉則發展起無組織複雜性的科學，即建立在統計方法上的那些學科；而20世紀後半葉則發展起有組織的複雜性的科學，主要是自組織理論。

我們可以把複雜性方法論原則概括為以下幾個方面：

系統觀點的第一個方面的內容就是整體性原理或者説聯繫原理。從哲學上説，所謂系統觀點首先不外表達了這樣一個基本思想：世界是關係的集合體，而非實物的集合體。整體性方法論原則就根據於這種思想。

系統科學的一般理論可簡單概括如下：所謂系統是指由兩個或兩個以上的元素（要素）相互作用而形成的整體。所謂相互作用主要指非線性作用，它是系統存在的內在根據，構成系統全部特性的基礎。系統中當然存在着線性關係，但不構成系統的質的規定性。系統的首要特性是整體突現性，即系統作為整體具有部分或部分之和所沒有的性質，即整體不等於（大於或小於）部分之和，稱之為系統質。與此同時，系統組分受到系統整體的約束和限制，其性質被屏蔽，獨立性喪失。這種特性可稱之為整體突現性原理，也稱非加和性原理或非還原性原理。整體突現性來自於系統的非線性作用。系統存在的各種聯繫方式的總和構成系統的結構。系統結構的直接內容就是系統要素之間的聯繫方式；進一步來看，任何系統要素本身也同樣是一個系統，要素作為系統構成原系統的子系統，子系統又必然為次子系統構成……如此，則…→次子系統→子系統→系統之間構成一種層次遞進關係。因而，系統結構另一個方面的重要內容就是系統的層次結構。系統的結構特性可稱之為等級層次原理。與一個系統相關聯的、系統的構成關係不再起作用的外部存在稱為系統的環境。系統相對於環境的變化稱為系統的行為，系統相對於環境表現出來的性質稱為系統的性能。系統行為所引起的環境變化，稱謂系統的功能。系統功能由元素、結構和環境三者共同決定。相對於環境而言，系統是封閉性和開放性的統一。這使系統在與環境不停地進行物質、能量和信息交換中保持自身存在的連續性。系統與環境的相互作用使二者組成一個更大的、更高等級的系統。

整體性原則是系統科學方法論的首要原則。它認為，世界是關係的集合體，根本不存在所謂不可分析的終極單元；關係對於關係物是內在的，而非外在的。因而，近代科學以分析為手段而進行的把關係向始基的線性還原是不能允許的。整體性原則要求，我們必須從非線性作用的普遍性出發，始終立足於整體，通過部分之間、整體與部分之間、系統與環境之間的複雜的相互作用、相互聯繫的考察達到對象的整體把握。具體來説，第一，從單因素分析進入到多因素分析；第二，模型本身成為認識目的；第三，從功能到結構。

系統觀點的第二個方面的內容就是動態演化原理或過程原理。從哲學上看，這一原理不外是説：世界是過程的集合體，而非既成事物的集合體。動態性原則就依據於這一原理。

系統科學的動態演化原理的基本內容可概括如下：一切實際系統由於其內外部聯繫複雜的相互作用，總是處於無序與有序、平衡與非平衡的相互轉化的運動變化之中的，任何系統都要經歷一個系統的發生、系統的維生、系統的消亡的不可逆的演化過程。也就是説，系統存在在本質上是一個動態過程，系統結構不過是動態過程的外部表現。而任一系統作為過程又構成更大過程的一個環節、一個階段。

與系統變化發展相關的重要概念，除了我們前面已經討論過的可逆與不可逆、確定性與隨機性之外，有序與無序也是刻畫系統演化形態特徵的重要範疇。熱力學、協同學、控制論和信息論分別用熵、序參量和信息量來刻畫有序與無序。在數學上，一般以對稱破缺來定量刻畫。通俗地説，所謂有序是指有規則的聯繫，無序是指無規則的聯繫。系統秩序的有序性首先是指結構有序。例如，類似雪花的晶體點陣、貝納德花樣、電子的殼層分佈、激光、自激振盪等空間有序，行星繞日旋轉等各種週期運動為時間有序。結構無序是指組分的無規則堆積。例如，一盤散沙、滿天亂雲、垃圾堆等空間無序。原子分子的熱運動、分子的布朗運動、混沌等各種隨機運動為時間無序。此外系統秩序還包括行為和功能的有序與無序。平衡態與非平衡態則是刻畫系統狀態的概念。平衡態意味着差異的消除、運動能力的喪失。非平衡意味着分佈的不均勻、差異的存在，從而意味着運動變化能力的保持。與此相聯繫，有序可分為平衡有序與非平衡有序。平衡有序指有序一旦形成，就不再變化，如晶體。它往往是指微觀範圍內的有序。非平衡有序是指有序結構必須通過與外部環境的物質、能量和信息的交換才能得以維持，並不斷隨之轉化更新。它往往是呈現於宏觀範圍內的有序。

二十世紀下半葉出現的自組織理論從多方面探討了有序與無序相互轉化的機制和條件、不可逆過程所導致的結果，即進化和退化及其關係問題，着重研究了系統從無序向有序、從低序向高序轉化也即進化的可能性和途徑問題。

1969年，普利高津提出耗散結構論，這一理論從時間不可逆性出發，採用薛定諤最早提出的“負熵流”概念，使得在不違反熱力學第二定律的條件下，得出這樣的結論：遠平衡開放系統可以通過負熵流來減少總熵，自發地達到一種新的穩定的有序狀態，即耗散結構狀態。耗散系統形成以遠離平衡態的開放系統和系統內非線性機制為條件。非穩定性即漲落是建立在非平衡態基礎上的耗散結構穩定性的槓桿。在平衡態沒有漲落的發生；在近平衡態的線性非平衡區，漲落只會使系統狀態發生暫時的偏離，而這種偏離將不斷衰減直至消失；而在遠平衡的非線性區，任何一個微小的漲落都會通過相干作用而得到放大，成為宏觀的、整體的“巨漲落”，使系統進入不穩定狀態，從而又躍遷到新的穩定態。

1976年德國理論物理學家赫爾曼·哈肯出版了《協同學導論》一書，1978年第二版增加了“混沌態”一章，建立了協同學理論的基本框架。協同學以信息論、控制論、突變論為基礎，並吸取了耗散結構論的成果，繼耗散結構理論之後進一步具體考察了非線性作用如何能夠造成系統的自組織。協同學認為，系統從無序向有序轉化的關鍵並不在於系統是否和在多大程度上處於非平衡態，只要是一個由大量子系統構成的系統，在一定條件下，它的子系統之間通過非線性的相互作用就能產生協同和相干效應，從也就能夠自發產生宏觀的時空結構，形成具有一定功能的自組織結構，表現出新的有序狀態。哈肯給出了決定論的動力學方程，並同時引入二分支概念。從而提供了系統由一個質態躍遷到另一質態的説明方法。當系統某個參數在域值範圍之外，系統處於穩定平衡位置；當系統參數進入域值範圍，系統就成為非穩定的，同時又要形成新的平衡位置。自組織系統形成的兩個基本條件是：開放系統和漲落的存在。由穩定平衡到非穩定平衡起作用的是外部條件，由非穩定平衡到新的穩定平衡其作用的是系統漲落。哈肯的理論較好地説明了物理學中的自組織現象，如激光、細胞繁殖等。但用它説明生物和社會系統有一定困難。

1971年德國生物學家愛肯正式提出了超循環論。其中心思想是在生命起源和發展中，從化學階段到生物進化之間有一個分子的自組織過程。這個進化階段的結果是形成了人們當前所見的具有統一遺傳密碼的細胞結構。這種遺傳密碼的形成有賴於超循環組織，這種組織具有“一旦建立就永遠存在下去”的選擇機制。總之，愛肯認為，“進化原理可理解為分子水平上的自組織”，以最終“從物質的已知性質來導出達爾文的原理”。（《控制論、信息論、系統科學與哲學》，中國人民大學出版社，1986年版，471頁）

系統要素之間的相互作用是系統存在的內在依據，同時也構成系統演化的根本動力。系統內的相互作用空間來看就是系統的結構、聯繫方式，從時間來看就是系統的運動變化，使相互作用中的各方力量總是處於此消彼長的變化之中，從而導致系統整體的變化。作為系統演化的根據。系統內的相互作用規定了系統演化的方向和趨勢。系統演化的基本方向和趨勢有二：首先，從無序到有序、從簡單到複雜從低級到高級的前進的、上升的運動，即進化。產生進化的基本根據是非線性作用及其對系統的正效應在系統中居於主導地位。在這一條件下，非線性作用進一步規定了什麼樣的有序結構可能出現併成為穩定吸引子，同時規定了系統演化可能的分支。其次，從有序到無序、從高級到低級、從複雜到簡單的倒退的、下降的方向，也即退化。熱力學第二定律已經表明，在孤立或封閉系統內，這一演化趨勢是不可避免的。普利高津指出，對於一個處於熱力學平衡態或近（線性）平衡態的開放系統，其運動由玻耳茲曼原理決定，其運動方向總是趨於無序。從相互作用上來理解，退化主要基於非線性相互作用對系統的負效應占有了支配地位。

從抽象意義上來理解，任何現實系統都是封閉性和開放性的統一。環境構成了系統內相互作用的場所，同時又限定了系統內相互作用的範圍和方式，系統內相互作用以系統與環境的相互作用為前提，二者又總是相互轉化的。在這個意義上，系統內的相互作用是以系統的外部環境為條件的。

系統的進化尤其依賴於外部環境。系統的相干作用是在系統內存在差異的情況下表現出來的。沒有温度梯度就不會有熱傳導，沒有化學勢梯度也不會有質量擴散。但熱力學第二定律指出，系統內在差異總是在自發的不可逆過程中傾向於被削平，導致系統向無序的平衡態演化。因此，必須不斷從外部環境獲得足夠的物質和能量才能使系統差異得以建立和恢復，維持遠平衡狀態，使非線性作用實現出來。因此係統必須對環境保持開放，才能進化。但開放性只是進化的必要條件，而非充分條件。普利高津的耗散結構論指出，孤立系統沒有熵流（即系統與外界交換物質和能量而引起的熵），而任一系統內部自發產生的熵總是大於或等於零的（當平衡時等於0）因此孤立系統的總熵大於零。它總是趨向於熵增，無序度增大。當一個系統的熵流不等於零時，即保持開放性時，有三種情況；第一種情況是熱力學平衡態，此種系統中，熵流是大於零的，因此物質和能量的湧入大大增加了系統的總熵，加速了系統向平衡態的運動。第二種情況是線性平衡態。它是近平衡態。其熵流約等於零。這種系統一般開始時有一些有序結構，但最終無法抵抗系統內自發產生的熵的破壞而趨平衡態。第三種情況大為不同，這種系統遠離平衡態，即熵流小於零，因此物質和能量給系統帶來的是負熵，結果使系統有序性的增加大於無序性的增加，新的組織結構就能從中形成，這就是耗散結構。例如生命系統、社會系統等。

穩定與漲落是刻畫系統演化的重要概念。由於系統的內外相互作用，使系統要素性能會有偶然改變，耦合關係會有偶然起伏、環境會帶來隨機干擾。系統整體的宏觀量很難保持在某一平均值上。漲落就是系統宏觀量對平均值的偏離。按照對漲落的不同反應，可把穩定態分為三種：恆穩態，對任何漲落保持不變；亞穩態，對一定範圍內的漲落保持不變；不穩態，在任何微小漲落下會消失。對於穩定態而言，漲落將被系統收斂平息，表現為向某種狀態的迴歸。在熱力學平衡態中，不論何種原因造成的温度、密度、電磁屬性等的差異，最終都將被消除以至於平衡態。

但對於遠平衡態，如果系統中存在着正反饋機制，那麼，漲落就會被放大，導致系統失穩，從而把系統推到臨界點上。系統在臨界點上的行為有多種可能性，究竟走向哪一個分支，是不確定的。是走向進化，還是走向退化，是走向這一分支，還是走向那一分支。漲落在其中起着重要的選擇作用。達爾文的生物進化論證明，生物物種的偶然變異的積累可以改變物種原有的遺傳特性，導致新物種的出現。耗散結構論和協同學則定量地證明，隨着外界控制參量的變化，原有的穩態會失穩，並在失穩的臨界點上出現新的演化分支。一個激光器，僅僅因為外界泵浦功率的改變，就可以穩定地發出自然光、激光或脈衝光，乃至混沌的紊光。

由此可見，穩定態對漲落的獨立性是相對的，超出一定範圍，例如在上述條件下，漲落將支配系統行為。如果漲落被加以鞏固，那就意味着新穩態的形成。漲落在系統演化中的重要作用説明，系統演化是必然性與偶然性的辨證統一。普利高津指出，“遠離平衡條件下的自組織過程相當於偶然性與必然性之間、漲落和決定論法則之間的一個微妙的相互作用”。（普利高津《從混沌到有序》，上海譯文出版社，1987年版，223頁）從存在到演化，這是科學發展的必然。普利高津可以説是這一發展趨勢的理論代言人。普利高津首先指出，近代經典科學乃至現代的相對論和量子力學都是關於存在的科學，機械論自然觀統治着近代西方世界的科學觀。他説：“對於經典科學的大多數奠基者甚至愛因斯坦來説，科學乃是一種嘗試，它要越過表面的世界，達到一個極其合理的沒有時間的世界”。“經典科學不承認演化和自然界的多樣性”因而，長期以來，時間成為一個“被遺忘的維數”。而機械論自然觀則認為“宇宙是單一的、無限的、不動的它不產生自身它是不可毀滅的它是不可改變的”

普利高津進而指出，現代科學正發生着根本性的改變。他説，“經典科學，簡單被動世界的神話科學，已屬於過去，它沒有被哲學批判或經驗主義的拋棄所扼殺，但卻被科學自身的內部發展所滅亡”。“一種新的統一性正現露出來：在所有層次上不可逆性都是有序性的源泉”。正是依據這一思想，普利高津以耗散結構論在熱力學第二定律的框架中解決了生物進化和熱力學退化的矛盾。而在1980年出版的《從存在到演化：自然科學中的時間和複雜性》一書中，普利高津總結和闡發了他建立演化科學的綱領。“也許有一種更為精妙的現實形式，它既包括定律，也包括博弈，即包括時間，又包括永恆性” （以上引言轉引自《自然辯證法參考讀物》清華大學出版社，2003年版，119—120頁）。這裏，普利高津試圖通過對時間的再理解，為存在和演化之間架起一座橋樑。

耗散結構理論建立為自然科學發展開闢了新的方向，協同學、超循環論、混沌理論乃至突變論可以説都是這一理論的繼續。自組織理論的發展使我們對自然演化的前提條件、動力根據、誘因途徑、組織形式和發展前途等已能夠加以較為具體的刻畫，對多樣性和統一性、質變和量變、肯定和否定、原因與結果、必然性與偶然性、可能性和現實性、進化和退化等的辨證統一關係進一步從科學上得到了説明，從而建立起真正的關於演化的科學。自組織理論的出現和發展影響是重大的，它前承早期的生物進化論、熱力學，後連大爆炸宇宙論、暴漲宇宙論以及C—P聯合變換不守恆規則，並與它們一起，展示了20世紀演化科學的時代。

系統演化原理的提出，最終確立了現代科學在方法論上的動態性原則。這一原則也可稱為歷時性原則。這一原則要求：不能把系統看作“死系統”，即已經完成的、靜止的、永恆的東西，不能僅滿足於靜態還原，雖然在研究中我們常常被迫採用理想的“孤立系統”、“封閉系統”的概念，但應始終牢記任何實際系統都是動態的“活系統”。熱力學第三定律指出，絕對零度永遠不可達到。而量子力學也已證明，即使在絕對零度，還有“零點能”的存在。因此我們必須克服靜止的形而上學的思維方式，從系統的動態過程中來把握對象。要從對要素的靜態分析上升為要素之間的相互作用、要素在系統整體中的變化的動態把握；從對結構的靜態分析上升為對內外相互作用、結構態的形成、保持和轉化的動態把握；要從對系統整體的靜態分析上升為對系統的發生、發展和消亡的總體過程的動態把握。

動態系統理論是系統科學的核心，突出地表現了系統科學的動態性原則。動態系統理論是關於系統狀態轉移的動力學過程的理論，其中心課題是把握系統的演變規律。其數學模型通常為動力學方程，或稱為演化方程。它以狀態變量表示系統狀態、把系統所有可能狀態的集合稱為狀態空間，以控制向量表示環境對系統的制約；以穩定性理論、吸引子理論、分叉理論刻畫系統的演化。在動力學方程中，一般以微分、差分、積分等表示動態特性的量，來描述動態過程中諸變量之間的關係。在動態系統理論看來，所謂靜態系統只能是一種靜態假設，它基於這樣一種假設：即系統狀態遷移可以瞬間完成。這意味着系統必須有無限儲能可資利用。但任一實際系統總是有限的，因而狀態轉移不可能瞬間完成。 動態性原則可以説貫穿於系統科學及其方法的每一個具體內容中。各種具體的系統科學方法無不體現出動態性特徵。

一般系統論創始人貝塔朗菲，就把他的系統論分為兩部分：狹義系統論與廣義系統論。他的狹義系統論着重對系統本身進行分析研究；而他的廣義系統論則是對一類相關的系統科學來理行分析研究。其中包括四個方面的內容：

1.計算機系統與應用，主要研究計算機技術領域系統及應用發展。

2.應用數學，主要研究系統的科學、數學系統論。

3.管理工程，主要研究系統的本體論、認識論、價值論等方面的內容。

4.控制理論，主要研究控制論、信息論、運籌學和系統工程等領域。

系統論的核心思想是系統的整體觀念。貝塔朗菲強調，任何系統都是一個有機的整體，它不是各個部分的機械組合或簡單相加，系統的整體工功能是各要素在孤立狀態下所沒有的新質。他用亞里斯多德的“整體大於部分之和”的名言來説明系統的整體性，反對那種認為要素性能好，整體性能一定好，以局部説明整體的機械論的觀點。同時認為，系統中各要素不是孤立地存在着，每個要素在系統中都處於一定的位置上，起着特定的作用。要素之間相互關聯，構成了一個不可分割的整體。要素是整體中的要素，如果將要素從系統整體中割離出來，它將失去要素的作用。正象人手在人體中它是勞動的器官，一旦將手從人體中砍下來，那時它將不再是勞動的器官了一樣。

系統論的基本思想就是把所研究和處理的對象，當作一個系統，分析系統的結構和功能，研究系統、要素、環境三者的相互關係和變動的規律性，並優化系統觀點看問題，世界上任何事物都可以看成是一個系統，系統是普遍存在的。大至渺茫的宇宙，小至微觀的原子都是系統，整個世界就是系統的集合。

1、系統論與控制論、信息論，運籌學、系統工程、電子計算機和現代通訊技術等新興學科相互滲透、緊密結合的趨勢。

2、系統論、控制論、信息論，正朝着“三歸一”的方向發展，現已明確系統論是其它兩論的基礎。

3、耗散結構論、協同學、突變論、模糊系統理論等等新的科學理論，從各方面豐富發展了系統論的內容，有必要概括出一門系統學作為系統科學的基礎科學理論。

4、系統科學的哲學和方法論問題日益引起人們的重視。在系統科學的這些發展形勢下，國內外許多學者致力於綜合各種系統理論的研究，探索建立統一的系統科學體系的途徑。

系統是多種多樣的，可以根據不同的原則和情況來劃分系統的類型。

1、按人類干預的情況可劃分自然系統、人工系統。

2、按學科領域就可分成自然系統、社會系統和思維繫統。

3、按範圍劃妥則有宏觀系統、微觀系統。

4、按與環境的關係劃分就有開放系統、封閉系統、孤立系統。

5、按狀態劃分就有平衡系統、非平衡系統、近平衡系統、遠平衡系統等等。

系統論的任務，不僅在於認識系統的特點和規律，更重要地還在於利用這些特點和規律去控制、管理、改造或創造一系統，使它的存在與發展合乎人的目的需要。也就是説，研究系統的目的在於調整系統結構，各要素關係，使系統達到優化目標。

系統論的出現，使人類的思維方式發生了深刻地變化。以往研究問題，一般是把事物分解成若干部分，抽象出最簡單的因素來，然後再以部分的性質去説明覆雜事物。這是勒內·笛卡爾（Rene Descartes）奠定理論基礎的分析方法。這種方法的着眼點在局部或要素，遵循的是單項因果決定論，雖然這是幾百年來在特定範圍內行之有效、人們最熟悉的思維方法。但是它不能如實地説明事的的整體性，不能反映事物之間的聯繫和相互作用，它只適應認識較為簡單的事物，而不勝任於對複雜問題的研究。在現代科學的整體化和商度綜合化發展的趨勢下，在人類面臨許多規模巨大、關係複雜、參數眾多的複雜問題面前，就顯得無能為力子。正當傳統分析方法束手無策的時候，系統分析方法卻能站在時代前列，高屋建瓴，綜觀全局，別開生面地為現代複雜問題提供了有效的思維方式。所以系統論，連同控制論、信息論等其他橫斷科學一起所提供的新思路和新方法，為人類的思維開拓新路，它們作為現代科學的新潮流，促進着各門科學的發展。

系統論反映了現代科學發展的趨勢，反映了現代社會化大生產的特點，反映了現代社會生活的複雜性，所以它的理論和方法能夠得到廣泛地應用。系統論不僅為現代科學的發展提供了理論和方法，而且也為解決現代社會中的政治、經濟、軍事、科學、文化等等方面的各種複雜問題提供了方法論的基礎，系統觀念正滲透到每個領域。

當前系統論發展的趨勢和方向是朝着統一各種各樣的系統理論，建立統一的系統科學體系的目標前進着。有的學者認為，“隨着系統運動而產生的各種各樣的系統(理)論，而這些系統（理）論的統一業已成為重大的科學問題和哲學問題。”