協同學

協同學是研究各種由大量子系統組成的系統在一定條件下，通過子系統間的協同作用，在巨觀上呈有序狀態，形成具有一定功能的自組織結構機理的學科。它以資訊理論、控制論、突變論等一些現代科學理論為基礎，吸取平衡相變理論中序參量的概念和絕熱消去原理，通過對不同學科領域中的同類現象的類比，進一步揭示了各種系統和現象中從無序到有序轉變的共同規律。同耗散結構理論一樣，協同學的研究對象也是遠離平衡態的開放系統，但它進一步指出系統從無序到有序轉化的關鍵並不在於系統是平衡或非平衡，或是偏離平衡狀態的遠近，而在於組成系統的各個子系統之間的協同作用，即，不僅處於非平衡態的開放系統，而且處於平衡態的開放系統，在一定的條件下，都可呈現出巨觀的有序結構。

基本介紹

• 中文名：協同系統
• 外文名：Synergetics
• 來源：希臘文
• 意為：協調合作之學
• 創立：聯邦德國物理學家赫爾曼·哈肯
• 時間：20世紀70年代初
• 領域：物理學，信息科學，社會學

學科創立

協同學是20世紀70年代初聯邦德國理論物理學家赫爾曼·哈肯創立的。 60年代初，雷射剛一問世赫爾曼·哈肯就注意到雷射的重要性，並立即進行系統的雷射理論研究。

在深入研究雷射理論的過程中，赫爾曼·哈肯發現在合作現象的背後隱藏著某種更為深刻的普遍規律。他在1970年出版的《雷射理論》一書中多處提到不穩定性，為後來的協同學準備了條件。

1969年赫爾曼·哈肯首次提出協同學這一名稱，並於1971年與格雷厄姆合作撰文介紹了協同學。1972年在聯邦德國埃爾姆召開第一屆國際協同學會議。1973年這次國際會議論文集《協同學》出版，協同學隨之誕生。1977年以來，協同學進一步研究從有序到混沌的演化規律。1979年前後聯邦德國生物物理學家艾根將協同學的研究對象擴大到生物分子方面。

概念

協同或協同作用，是協同學最基本概念。一個由許多子系統構成的系統，如果在子系統之間互相配合產生協同作用和合作效應，系統便處於自組織狀態。在巨觀上和整佑上就表現為具有一定的結構或功能。雖然不同的系統性質不同，但是新結構代替舊結構的質變行為，在機理上卻有相似甚至相同之處。近代自然科學十分注意研究各個不同的物質結構、層 次、運動和系統內部各個要素之間的協調問題，堅信自然中數學關係的簡單和諧。

研究對象

協同學研究協同系統在外參量的驅動下和在子系統之間 的相互作用下，以自組織的方式在巨觀尺度上形成空間、時間或功能有序結構的條件、特點及其演化規律。協同系統的狀態由一組狀態參量來描述。這些狀態參量隨時間變化的快慢程度是不相同的。當系統逐漸接近於發生顯著質變的臨界點時，變化慢的狀態參量的數目就會越來越少，有時甚至只有一個或少數幾個。

協同學

這些為數不多的慢變化參量就完全確定了系統的巨觀行為並表征系統的有序化程度，故稱序參量。那些為數眾多的變化快的狀態參量就由序參量支配，並可絕熱地將他們消去。這一結論稱為支配原理，它是協同學的基本原理。序參量隨時間變化所遵從的非線性方程稱為序參量的演化方程，是協同學的基本方程。演化方程的主要形式有主方程、有效朗之萬方程、福克-普朗克方程和廣義京茨堡-朗道方程等。

學科內容

協同學的主要內容就是用演化方程來研究協同系統的各種非平衡定態和不穩定性(又稱非平衡相變)。例如，雷射就存在著不穩定性。當泵浦參量小於第一閾值時，無雷射發生；但當其超過第一閾值時，就出現穩定的連續雷射；若再進一步增大泵浦參量使其超過第二閾值時就呈現出規則的超短脈衝雷射序列。

流體繞圓柱體的流動是呈現不穩定性的另一個典型例子。當流速低於第一臨界值時是一種均勻層流；但當流速高於第一臨界值時，便出現靜態花樣，形成一對旋渦；若再進一步提高流速便其高於第二臨界值時，就呈現出動態花樣，旋渦發生振盪。

協同學中求解演化方程的方法主要是解析方法，即用數學解析方法求出序參量的精確的或近似的解析表達式和出現不穩定性的解析判別式。

在分析不穩定性時，常常用數學中的分岔理論。在有勢存在的特殊情況下也可套用突變論。協同學也常採用數值方法，尤其是在研究瞬態過程和混沌現象時更是如此。

學科套用

協同學有廣泛的套用。在自然科學方面主要用於物理學、化學 、生物學和生態學等方面。例如，在生態學方面求出了捕食者與被捕食者群體消長關係等；在社會科學方面主要用於社會學、經濟學、心理學和行為科學等方面。例如，在社會學中得到社會輿論形成的隨機模型；在工程技術方面主要用於電氣工程、機械工程和土木工程等方面。

學科聯繫

協同學與耗散結構理論及一般系統論之間有許多相通之處，以致它們彼此將對方當作自己的一部分。實際上，它們既有聯繫又有區別。一般系統論提出了有序性、目的性和系統穩定性的關係，但沒有回答形成這種穩定性的具體機制。耗散結構理論則從另一個側面解決了這個問題，指出非平衡態可成為有序之源。

協同學雖然也來源於非平衡態系統有序結構的研究，但它擺脫了經典熱力學的限制，進一步明確了系統穩定性和目的性的具體機制。協同學的概念和方法為建立系統學奠定了初步的基礎。

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資訊理論

是運用機率論與數理統計的方法研究信息、信息熵、通信系統、數據傳輸、密碼學、數據壓縮等問題的套用數學學科。

資訊理論將信息的傳遞作為一種統計現象來考慮，給出了估算通信信道容量的方法。信息傳輸和信息壓縮是資訊理論研究中的兩大領域。這兩個方面又由信息傳輸定理、信源－信道隔離定理相互聯繫。

什麼是信息？

信息現代定義。[2006年,醫學信息(雜誌)，鄧宇等].

信息是物質、能量、信息及其屬性的標示。逆維納信息定義

信息是確定性的增加。逆香農信息定義

信息是事物現象及其屬性標識的集合。2002年

控制論

是研究動物(包括人類)和機器內部的控制與通信的一般規律的學科,著重於研究過程中的數學關係

系統論

是研究系統的一般模式，結構和規律的學問，它研究各種系統的共同特徵，用數學方法定量地描述其功能，尋求並確立適用於一切系統的原理、原則和數學模型，是具有邏輯和數學性質的一門新興的科學。

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協同論

主要研究遠離平衡態的開放系統在與外界有物質或能量交換的情況下，如何通過自己內部協同作用，自發地出現時間、空間和功能上的有序結構。協同論以現代科學的最新成果——系統論、資訊理論、控制論、突變論等為基礎，吸取了結構耗散理論的大量營養，採用統計學和動力學相結合的方法，通過對不同的領域的分析，提出了多維相空間理論，建立了一整套的數學模型和處理方案，在微觀到巨觀的過渡上，描述了各種系統和現象中從無序到有序轉變的共同規律。

協同論是研究不同事物共同特徵及其協同機理的新興學科，是近十幾年來獲得發展並被廣泛套用的綜合性學科。它著重探討各種系統從無序變為有序時的相似性。協同論的創始人哈肯說過，他把這個學科稱為“協同學”，一方面是由於我們所研究的對象是許多子系統的聯合作用，以產生巨觀尺度上結構和功能；另一方面，它又是由許多不同的學科進行合作，來發現自組織系統的一般原理。

突變論

突變論是研究客觀世界非連續性突然變化現象的一門新興學科，自本世紀70年代創立以來，十數年間獲得迅速發展和廣泛套用，引起了科學界的重視。突變論的創始人是法國數學家雷內托姆，他於1972年發表的《結構穩定性和形態發生學》一書闡述了突變理論，榮獲國際數學界的最高獎---菲爾茲獎章。突變論的出現引起各方面的重視，被稱之為“是牛頓和萊布尼茨發明微積分三百年以來數學上最大的革命”。

結構論

研究系統的結構、功能與發生演變及其相互關係的規律，也稱為泛進化或自組織系統的結構理論（曾邦哲1986-1994年發展的系統綜合理論），探討系統的結構本原模型、適應穩態結構、系統層次的組織建構，以及實在系統與符號系統對應轉換關係，探討系統的結構邏輯學基礎，以及宇宙、生命、文明的信息組織化過程的結構演變規律。