论复杂性科学对自组织机制的探讨，本文主要内容关键词为：机制论文,组织论文,性科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
[中图分类号]B 026[文献标识码]A[文章编号]1671-6973(2006)05-0022-04
我曾提出复杂性理论的核心不是一般的涌现(或突现)而是自组织[1]，以突出其相对于传统系统论的殊异处。普利高津也讲到过“复杂性诞生”于“物理一化学系统的自组织”[2] 3。后来我想到对这个“自组织”的概念应作进一步的规定。因为广义的自组织泛指一切从无序到有序、从低级有序到高级有序的演化现象，这使它不能与涌现概念(意味着系统由于内部的相互作用在宏观上产生了微观组元所不具有的崭新性质)所指称的现象完全区分开来。比如晶体、雪花、铁磁体的形成既是涌现现象，又被称为“保守自组织”。这关系到热力学平衡态下的可逆结构的相变：如通过降低温度消除原子磁体的随机指向使铁磁体呈现出磁性，该铁磁体有序化了，但不会进一步进化，而且还可能发生退化。这与生命体在远离热平衡态的条件下形成的不可逆地自动进化的“耗散自组织”完全不可同日而语。《自组织的宇宙观》一书的作者詹奇在该书中讲到“耗散结构”时说：“我们有幸对自组织的最简单的、‘最纯粹的’形式加以研究”[3]，显然他这时在更加狭隘的范围内界定了自组织概念而排除了保守自组织。其实普利高津领导的布鲁塞尔学派的研究对象也是在非平衡条件下产生的不可逆的自组织，他们提出构成这种自组织的基础的耗散结构是“最低限度的复杂性”。因此我们可以说在自然界中存在着静态涌现现象和动态涌现现象，前者产生于保守自组织而后者产生于耗散自组织。复杂性理论研究的至少是耗散自组织(又可称为进化自组织，对应于作为普利高津复杂性科学的实质的“演化的物理学”)。
耗散结构作为动态进化现象中的最简单的自发的自组织还包含着前生命的形式，如物理系统中的贝纳德对流、激光和化学系统中的贝洛索夫一扎博廷斯基反应等。它们都是开放系统发生与环境间的能量或物质的交流，处于远离热平衡态的条件下，当某个参量的变化达到临界值时微观组元非线性的相互作用产生长程关联，自发走入宏观有序的状态，依靠耗散能量和排出内生的熵来保持和发展这个状态。而圣菲研究所的“复杂性科学”研究的是建立在耗散结构基础上的系统的更高级的自组织行为，对此我们可以从其主要研究者之一朗顿的下述形象而生动的说明中得到启示：“如果你拣起一块石头，把它抛向空中，它会呈一条漂亮的抛物线落下。这是因为受制于物理定律，它只能对外界对它的作用做出简单的回答。但如果你把一只小鸟抛向天空，它的行为决不会像石块一样，它会飞向树丛的某处。同样的外界力量当然也作用在这只小鸟身上。但小鸟体内处理了大量它接收的信息，这使它产生了飞向树丛的行动。即使最简单的细胞也同样会如此：它们的行为和无生命的物质的行为是不同的。一个有趣的问题是：受制于信息处理的动力系统在什么样的情况下从只会对物理力量作出简单反应的物质中脱颖而出？”[4] 324-325在小鸟身上表现的生命的自组织是一种有意识的、能动的自组织。圣菲研究所集中研究的复杂适应系统就是具有这种自组织行为的系统。其学术领导人盖尔曼区分了“像银河系这样的非适应系统”和“像生物这样的复杂适应系统”[5] 序3。他指出诸如星系、恒星、行星和岩石之类的非适应系统依靠引力的凝缩作用发生了进化进程[5] 17，但“越来越高级的适应系统趋向于通过自组织的作用产生”[5] 366。盖尔曼实际上在这里在能动的、自觉的自组织的更狭窄的含义上使用了自组织的概念。他如此刻画了这种自组织表现的特征：“所有这些过程的共同特征是，每个过程中都由一个复杂适应系统来获取环境及其自身与环境之间相互作用的信息，总结出所获信息的规律性，并把这些规律提炼成一种‘图式’或模型，最后以图式为基础在实际当中采取相应的行动。在每种情形中，都存在着各种不同的互相竞争的图式，而系统在实际当中采取的行动所产生的结果反馈回来，将影响那些图式之间的竞争。”[5] 17这揭示了复杂适应系统适应性行为的信息处理和反馈调整的重要实质。从而，我们可以在耗散的或进化的自组织中再区分出自发的自组织和能动的自组织两种形式(即生命前的和生命的两种形式)，我们看到人们日益把自组织的性能赋予能动的自组织。
提出复杂性范式的莫兰也把这种自组织作为其理论的中心环节，在他的论文集《复杂思想：自觉的科学》中关于自主性、生物自组织、自发和自为、主体概念的几篇文章都是围绕这一主题展开的。他说：“事实上生物的自为组织包含并且控制着在‘耗散结构’的形成中以热力学的方式实行着的自我组织”[6] 253，换言之，“‘普利高津式’的自发过程由运算/信息/通讯的组织来发动、控制和监视”[6] 255。这种能动的自组织的机制构成了主体的本质。莫兰致力于“以本体论一逻辑学—组织性的方式来定义主体”[6] 261，是为了反对经典科学的机械决定论的方法论抹杀自主性的存在和取消主体概念(包含反对结构主义等哲学学派对主体的解构)。他所说的主体的自主性和圣菲研究所所致力研究的复杂适应系统的适应性与我们马克思主义哲学理论中所讲的能动性的概念是相通的。当前马克思主义哲学中关于实践主体能动性机制的理论滞后于时代的发展，有许多“语焉不详”的东西，我认为它现在应该从代表着该领域中最新研究成果的复杂性科学或理论中吸取营养，推动自己与时俱进。
那么生命组织的能动性的本质特征是什么？被“人工生命”的研究者视为其理论之父的冯·诺意曼确定为“自我繁殖”即按照自己的样子造出后代，实即自我创造。冯·诺意曼通过下述的思想实验来揭示生命的“本质，其抽象的逻辑形式”。他想象一台通用的建造机漂浮在一个池塘里，该池塘有许多机器的零部件。只要给予这台建造机任何一台机器的描述，它就会在池塘中寻找合适的零部件造出后者。如果给予它对它自身的描述，它就可以造出像它自己一样的机器。但是为了使新造出的机器也具有自我繁殖的能力，第一台机器还必须包含一个描述复印机，复制一份关于自身的描述同时传递给后代机器。[4] 305这里面对机器自身结构的描述实际上构成程序或软件，它指导作为生产手段的机器如何运作。这表明为了使机器繁衍下去，不仅需要有已制造出来的机器这种硬件，还需要有指导机器按照自己的样子进行制造的软件。生命体因此是硬件和软件的统一。进一步看，“冯·诺意曼说的是，任何自我繁衍的基因材料，无论是自然的还是人工的，都必须具有两个不同的基本功能。一方面，它必须起到计算机程序的作用，是一种在繁衍下一代的过程中能够运行的算法。另一方面，它必须起到被动数据的作用，是一个能够被复制和传给下一代的描述”[4] 305-306。如前所述生命体的存在要求有自己制造自己的活动和把自己制造自己的方法传递下去，因此它表现为两种形态的软件的关系：正在指导自己制造自己的活动的程序(算法)和作为对象被复制传递的程序(数据)。这表明生命的软件具有主动的形态和被动的形态。而且我们还会看到这两种形态的相互依存、相互作用，因为作为算法起主动作用的程序包含了一个要求机器把静态的自身加以复制和传递的指令。这样，作为算法的主动的程序通过硬件机器的中介产生作为数据的被动的程序。而当被动的程序被传送到新机器中后又会转变为主动的程序作为算法发挥作用，如此周而复始。这样，我们看到生命具有一个动态信息处理过程的本质，在其中通过自身作为主动性和被动性的统一实现着自我创造。
朗顿的研究发现在相变、计算(信息处理)和生命之间存在着共同的本质，它们都可以被包括在冯·诺意曼的宇宙中，而且都发生于“混沌的边缘”[4] 324。相变是物态的质变，如经过0℃时水变成冰或冰变成水。在略低于0℃时，水分子振荡缓慢，足以保持晶体秩序(冰块)；而在略高于0℃时，分子剧烈振荡，分子键断裂的速度大于其形成的速度，分子被迫选择混沌(水)。总之当温度处于0℃上下时，水分子基本上是在秩序和混沌之间作出非此即彼的选择。但当温度恰好处在转变点上时，系统的分子处于亦彼亦此的状态，“它们结合混沌和秩序”[4] 320：“有秩序的结构之量与混沌的流体之量正好相等，秩序和混沌相互交织在微臂和碎丝的舞蹈之中，呈现出复杂而永恒变化的状态。”[4] 321这是对“混沌的边缘”的一个形象的写照，我们看到在其中有序性和无序性、静和动得到彼此适中的完美结合——它是一个系统中的各种要素从无真正静止在某一个状态中，但也没有动荡至解体的那个地方。因此该系统处于不断的动态演变和创新的状态。信息动态过程可以自发地在接近临界相变的物理系统中涌现出来，因为这样的系统既具备足够的稳定性来储存信息，又具备足够的流动性来传输信息。“而足够的稳定性和足够的流动性是计算机的关键。”[4] 324以信息动态过程为根本特征的生命也从而发生。在生命体中每日发生着用约束性信息处理非约束性信息的过程。此中约束性信息是在主体内部经过加工、处理从而组织起来了的具有有机联系的已知信息的网络，它是处理外来信息的基础、工具；非约束性信息是主体在每个具体的生活情景中接受到的等待处理的个别、零散的信息。“混沌的边缘”的条件保证了由约束性信息和非约束性信息的相互作用所产生的主体信息结构的自组织：一方面，约束性信息识别、处理、吸收非约束性信息，另一方面许多新颖的非约束性信息在被约束性信息吸收后会引起约束性信息结构的改变、更新。这正如皮亚杰在其发生认识论中所说的，人的智能在适应外部环境的发展过程中，既存在其行为图式“同化”外部环境的过程，又存在其行为图式“顺应”外部环境的变动发生改变的过程。
生命组织的能动性还表现出什么基本特点呢？我们可以指出：其行为具有自身的目的，在追求实现目的的过程中可以在多种不同的行为方式中作出选择，还可以自我改善据以作出各种行为抉择的基本决策机构，等等。这些都可以在复杂性科学关于有序性和无序性的理论的框架内予以解释。圣菲研究所的盖尔曼指出，世界的有序性首先来自基本的物理定律，此外还来自宇宙在时间进程中在局部区域里由被固定化的偶然事件所引起的特殊规律性；而世界的无序性则来自基本物理定律具有的“量子力学‘不确定性’”，此外还来自“普遍的混沌现象”(即存在非线性作用的决定论系统也会产生的内在的随机性)。[5] 25在机械决定论的眼界中是没有目的的存在余地的，因为在由世界事物组成的严格的因果网络中，每一链环都被周围链环的外在作用所决定而没有自身的独立性。关于世界上有序性与无序性并存的理论可以说明世界事物在不同程度的相互联系中的不同程度的相互分离，在不同程度的相互依赖中的不同程度的相互独立，从而给予能动个体的自主的目的性以合理地位。而且有序性和无序性的结合还使世界及其组成事物具有发展的多种可能性从而引起现实性和可能性两个范畴之间的区分(而在机械论的视域内由于任何事物的未来状态都被其现实状态唯一地必然决定着，所以不存在真正的可能态)。目的就是系统可能状态空间中的一个构成部分，它可以以信息的形式预先存在(或称为潜在地存在)，并从而指导系统向它趋近的当前的和现实性的行为活动。合目的性行为是可能态指引现实态，信息形式的存在指导质能形式的运动，这也是被称为主体的事物所具有的能动性的一个本质特征。圣菲研究所的复杂适应系统理论的基本观念是：“适应性造就复杂性”。复杂适应系统的微观组元都是具有自身目的的积极活动的主体，它们的相互竞争和相互协作推动了系统的发展。系统宏观模式的复杂化不是单纯遵循客观规律运作获得的结果，而是来源于追求实现更好地适应生存环境的可能性。而只有在怀有预先目的的组元的主动探求中才能发现各种可能性，并在组元的相互竞争中筛选出较好的可能性。
关于能动主体可以在多种可能的行为方式中进行选择的问题，普利高津曾说：“非线性系统具有多重解的可能性自然地提出了在不同的结果之间进行选择的问题。”[2] 62这是讲耗散结构演化到热力学分岔点上时面临发展的多个分支，此后进入哪一个分支对于无意识的系统来说由偶然性决定，对于有意识的系统来说则可能通过选择的作用来决定未来。正是在选择的机制上萌生了机械决定论不能理解的“自由”概念。热力学分岔点所在的区域就是“混沌的边缘”。世界的有序性和无序性对于实现主体的“自由”都是必要的。盖尔曼说：“外界环境必须显示出足够的规律性，以供系统用于学习或适应，但同时又不能有太多的规律性，以致什么事情都不发生(即一切按规律进行，系统没有发挥其能动性的余地，导致进化、创新不能发生。——引者)”。[5] 115“复杂适应系统在有序与无序之间的一个中间状态运作得最好。它们探寻由半经典领域中近似决定论所决定的规律性，同时从不确定性(……)中获益，这种不确定性在寻找‘更好’图式的过程中能提供很大的帮助。适应性的概念能将‘更好’一词具体化……”[5] 364我已表明过“混沌的边缘”构成的环境之所以形成自组织系统运作的最佳条件，是因为在那里规则和自由的最佳结合使实践主体有最多的可以把握的可能性，最多的可供实现的选择机会。[7] 现在我着重说明一下为什么自组织系统本身由“混沌的边缘”构成也是它演化的最佳条件。所谓主体本身由“混沌的边缘”构成是说它的内部结构也具有有序性和无序性彼此适中地结合的特点。这是因为在一个充满无法预计的大量随机变动的环境中，自组织系统为了维持自己的生存或实现自身的目的的必须具有尽量多的可能的应变行为方式。艾什比提出过一个关于自组织系统的调节行为的“必要的多样性的法则”，根据它，一个系统若保持自己生存的状态范围愈是有限，而所遭受的外部环境各种不同干扰愈是多，则它必需掌握的应变行为方式应该愈是多。而应变行为方式的多样性来自系统内部组织结构的多样性。我们以人脑的构造来说明这个问题。人脑神经网络有大约500亿个神经元，它们通过突触发生相互连接。大脑皮层中有大约
个突触，每一个主要神经元与其他神经元大约建立10000个相互连接。这些不同的相互连接对应着主体对外部环境的不同性质、状态的认识和各种可能的行为方式。但是这些神经元之间的连接只有少部分是固定的，它们是通过遗传基因从祖辈继承来的，决定着人类最基本的本能的行为方式。而绝大部分的神经元之间的连接是非固定的、随机的、可变的，这利于主体在后天的生活过程中，在环境给予的大量随机的个别事件的刺激下，通过摸索、学习来掌握外部世界的规律性。反复发生的外界刺激会加强有关的神经元之间的连接，而不再发生的外界刺激所建立的神经元之间的连接会消失。大脑不断吸取经验来建立或消除、加强或减弱神经元之间的钜量关联，从而建立和修改对于世界的种种图式。于是我们看到大脑组织结构的多样性正是来源于它的神经元和少数基本连接的稳定性和绝大多数连接的随机性这两者的结合。法国学者阿特朗特别强调复杂系统的结构应具有很大的初始冗余性(即重复的有序性组织，它体现系统最大的组织化潜能，代表系统可能储存的最大信息量)，后者在环境的随机刺激下日益分化为有区别的组织结构(如在本来只有关联的神经元之间建立起各种不同的关联)，对应着日益增多的知识。有了它们，系统才能在面对复杂多变的环境时在多种可能的行为方式中间进行选择。因此选择需要具备外部的和内部的条件。莫兰的下述论述看来对这个问题作了全面的概述：“为了有自由，宇宙中必须有决定论、恒常性、规律性，以便行动可以依靠它们；但是另一方面也必须有游戏的可能性、随机性、不确定性，以便追求自身目的的行动可以展开。自由因此以决定论和随机性两者为前提。但这只是自由的最基本的外部条件。为了有自由，还必须有如下的内部的基本条件：一个能够给主体表现外部形势、提出假设、制订对策的脑神经机构。最后，必须有进行选择的可能性，也就是说一方面有允许进行选择的外部条件，另一方面有使得可能设想不同的选择的内部条件。”[6] 231
关于能动主体基本决策机构自我改进的问题实质上我们在前面论述生命组织在动态信息处理过程中的自我作用机制时已经谈到了。
最后说一下“混沌的边缘”的有序性和无序性彼此适中结合的条件有利于由多主体构成的复杂系统的自组织。莫兰已经强调指出个体组元与宏观整体之间互相决定的相互作用构成复杂系统进步的动因(不是整体性单方面控制个体)。个体组元在既竞争又协作的相互作用中造成了整体的宏观模式，而整体的宏观模式又反过来约束个体组元发生相互作用的方式。这是个体与个体的相互作用和个体与整体的相互作用交叉存在。如何具体实施呢？在适应环境的过程中，不同部分的微观个体之间的相互竞争与协作可能首先形成不止一个潜在的宏观模式——序参量，在这些序参量的相互竞争中最适应环境的序参量逐步占据优势变成现实的系统宏观模式；此后这个整体的宏观模式就约束那些尚未就范的个体组元遵照它运动。从而在这个多元系统的演化机制中，既有个体组元的相互作用拖动系统宏观模式的变化，又有系统宏观模式的约束作用拖动个体组元相互作用方式的变化，它们彼此拖动——先进者拖动滞后者。在这里面无序性支持了个体组元的独立探求，而有序性有利于宏观模式的整体约束作用。
复杂适应系统在“混沌的边缘”产生和进化，但它们也时刻面临着被拖离这个区域的威胁，或者陷入过分的秩序中或者陷入过分的混乱中。而通过进化，它们将变得越来越善于控制自己的参数，以使自己能够在边缘上保持平衡。总之，在混沌的边缘发生的涌现作为计算(信息处理)、生命、智能，它们是能动的自组织。