《大自然成功的奥秘：协同学》（一）

这本书的标题就是《大自然成功的奥秘》，也就是说哈肯认为大自然是很成功的。这本书的一个很重要的观点是，自然系统比人造系统更加可靠。大自然的鬼斧神工，特别是在生命和活动中那些非常精巧的结构和复杂的功能，我们人造系统是完全无法比拟的，至少到目前为止

我今天给大家介绍《大自然成功的奥秘：协同学》，作者是德国的物理学家赫尔曼·哈肯，翻译者是我，上海译文出版社2018年6月出版。

我先简单介绍一下作者哈肯。他出生于1927年7月12号。早年主要研究激光理论，曾经在著名的美国贝尔实验室工作过（激光就是当时在那里发现的），在激光理论方面有重要贡献，但他并未止步于此。在激光理论的研究过程中，他于1969年提出了“协同学”。1970年他出版的《激光理论》就讲到了系统中间的不稳定性，这是协同学的重要概念。1971年,他和另外一位科学家格雷厄姆（Graham）合作写了一篇文章《协同学：一门协作的科学》，正式提出把“协同学”作为一门学科进行研究。

“协同学”这个词的英文是Synergetics，其实它来自希腊文，大家知道好多科学名称都来自希腊文。1972年，在德国的埃尔姆召开了第一届协同学会议，其论文集于1973年由斯普林格出版社出版。这是德国乃至世界都著名的科学书籍出版社，它从那时开始出“协同学丛书”，到现在已有一百多集了。1977年以后，协同学进一步研究有序与混沌之间结构的演化。1979年前后，协同学包括了生物分子方面的一些东西，它的研究领域更广泛了。

哈肯得过很多奖。1976年英国的物理学会和德国的物理学会，为了表彰哈肯在激光理论和量子光学理论方面的贡献，授给他马克斯·玻恩奖和奖章。1981年，也是因为在激光理论方面的贡献，他得到美国富兰克林学会授予的阿尔伯特·A·迈克尔孙奖章。1982，1987，1992和1994年，他得到埃森大学、马德里大学、佛罗里达大西洋大学、雷根斯堡大学的荣誉博士学位。他还得到了一个分量很重的德国物理学会的马克斯·普朗克奖章，另外还有日本的本田奖、洛伦兹·奥肯奖章等。

我这里给大家看一下这本书的封面，最早的中译本于1995年出版。2001，2005，2013和2015年又再版或重印，每次归属的丛书有所不同。今天我讲的是最新的2018年修订增补版。

我们现在就直接进入协同学的要点。协同学到底讲什么呢？它就是讲我们在一个系统中间，有各种各样的因素，比如说事物、形态、心理、社会的状态等等，它们相互之间竞争。这样的竞争结果就会呈现一种无序的状态，看起来挺乱，不知道这里面主要是些什么东西。但最后某一个因素会胜出，成为一个所谓序参数，那么系统就有序了。这个时候序参数就驾驭了其他参数，在协同学里面称之为支配原理。但是这样的一个系统从无序变到有序，只在某些控制变量到达临界值时才会发生，物理学中称为相变。比如冰变成水，水变成蒸汽等等，都是相变的例子。然后哪一个因素最终成为真正的序参数呢？有很多原因，其中之一是系统中的涨落，微小的波动引起的所谓对称破缺。而且这整个过程都是自发地产生的，也就是自组织的，不需要外界因素去干预。总结一下，我觉得它的要点，第一个是序参数、第二个是支配原理、第三个是自组织、第四个是相变、第五个是涨落，这些就是我们协同学的要点。

这本书的标题就是《大自然成功的奥秘》，也就是说哈肯认为大自然是很成功的。这本书的一个很重要的观点是，自然系统比人造系统更加可靠。大自然的鬼斧神工，特别是在生命和活动中那些非常精巧的结构和复杂的功能，我们人造系统是完全无法比拟的，至少到目前为止。一个很有名的例子就是美国的宇宙飞船“挑战者”，无非是因为一个小小的密封圈失效，结果机毁人亡，7位宇航员全部牺牲，也在物质上造成了极大的损失。造价很多亿的人造系统，就因为这么一个小小的零件坏了，结果就造成这么大的损失。但是在自然系统中，比如在生命中间，也可能有某些缺陷，但是不会有这种灾难性的后果。所以说自然系统往往比人造系统更加可靠。所以人类与大自然要合作，要保护大自然。我们可以适当地改造它，但是绝对不要与它对抗。大自然中的好多东西都是很合理的，不要随便去破坏它。现在的环境保护，就是与此密切相关的。

这本书试图用科学的方法来探索大自然成功的奥秘，研究大自然怎么会这样成功。在进入具体的例子之前，还需要给大家介绍几个概念。第一个是系统的平衡状态。稍微读过一点物理的人知道，第一种是稳定平衡，它就像一个碗里的小球，来回晃悠几下，最后就静止在那里了。第二种是随遇平衡，在水平面上的一个球，它滚来滚去，滚到哪里都能够停下来。第三种是不稳定平衡，假定是像鸡蛋壳外表面那样光滑的一个容器，你把一个球放在顶上，稍微受点扰动它就会滚下来。

还有两种特别要提出来的平衡状态。一种是所谓的双稳态，中间是山峰，两边是山谷，小球可以滚到左面的山谷，也可以滚到右面的山谷，那么到底滚到哪里，就需要有某种所谓的对称破缺。因为它本来两边都是一样的，完全是对称的。在人的思维或者经济、社会系统中，还有一种很有趣的平衡状态。它本来是一种双稳态，但是你可以设想中间那部分是一种软组织，如果球在上面，因为它是固体有重量，它就会慢慢地陷落下去，陷落到一定的程度以后，它就再也跑不出来了。举书中的一个例子，有一个男青年，他跟两个女孩都挺好，他就在想，我到底要跟哪个好，想来想去，长时间不能做出一个结论，最后两个女孩都不理他了。这就是迟疑丧失机会的一个很好的例子。

人的大脑的感知，也是对称破缺的一个例子。他可能这样想，也可能那样想，取决于某一个很小的因素,而且这个转换非常之快。这里有两幅画。第一幅，盯住黑色部分看，就像两个人脸，然后盯住中间的白色部分看，就像一个花瓶。到底是人脸还是花瓶，与你当时的感知状态有关，而且它很可能会很快地来回切换，一会儿像是花瓶，一会儿像是人脸。还有一幅是很有名的埃塞尔的画。画里面也是这样，白的看上去就像是天使，黑的看上去就像是魔鬼。你如果盯着白的看，你看到的就是天使在天上飞来飞去，如果你盯着黑的看，你看到的就是魔鬼。所以这两个东西，由于某种原因，或者有时候说不出什么原因，就会很快地转换。在自然系统里面，很多也是这样，假如说我有一个双稳定状态，不知道什么原因，某些初始条件的微小变动等等之类，就从一个在高点的不稳定的状态，走向一个稳定平衡的状态。

下面举几个简单的例子来说明怎样应用协同学的这些原理。第一个就是激光，哈肯教授的老本行，激光其实跟日光灯是差不多的东西，只是灯管不同。日光灯是从侧面把光透出来了，激光管的中间是不透光的，两个端面是所谓半透镜，一方面可以反射，另一方面也容许一部分光线跑出去。那么这个光波在其中来回反射，最后某种最适合管长的光波就成了序参数，占了主导地位。它的支配原理是什么呢？那个特定波长的光波支配了其它光波，它越来越强，其它光波越来越弱，最后就是它成为唯一的光波发射了出去。这样的过程，它完全是自组织的，自然而然产生的，不需要人去干涉它，人只要通通电，那里面有光发生，它就自己会找到这样一个平衡点。但是这样产生的激光是在一定尺寸下面，就是管子的长度要与波长成一定的关系。也就是在这种一定的长度尺度下才会发生相变，才会出现我们所需要的激光。最后我们假设尺寸有微小差异，最后出现的激光也可能有所不同。

第二个例子还是物理的例子。在矩形容器中放入液体（水），然后在其底部加热。一旦加热，热水朝上走，冷水向下沉。稍微加热多一点，水就转圈，而且这个转圈的形式与容器尺寸有关。比如，容器的宽度是高度的3倍，那可能就会出现3个圆圈，比如说两个是逆时针，一个是顺时针，这样它的转动阻力最小。序参数是什么呢？就是某一种旋转模式。它被尺寸因素等等决定，最后压倒其它的模式，成为主导运动模式。而且这些旋转完全是自发地产生的，就给它加热，它就自动产生了，你不需要去告诉它，这里要往左转，那里要往右转，这些都不需要，它自己就会产生。在这样的过程中间，温度必须要高于某个值，如果太冷，水不会跑来跑去，但是如果太热，水汽化了，又没有这个现象。所以它基本上在中间这一段，几十度这样的温度下面会产生这样的现象。最后它还可能有几种不同的模式，这几种不同的模式中，最后哪一种占主导地位呢？这往往取决于开始时的模式。开始时一个微小的差异，有可能就使得某种模式占了优势，最后就成为主导模式。

我们再来看一个生物学中的例子。水螅是一种低等动物，它主要就是有一个头和一个尾。你把它拦腰切断，只有头的那一段，下面会长出尾巴来，只有尾巴的那一段，上面又会长出头来，所以一个水螅就变成了两个水螅。这里的序参数就是长头或者长尾。它的支配原理，在于切断后它会分泌一种所谓的生长素，生长素发现附近有头，就只许长尾巴，如果有尾巴，它就只许长头。它是自组织的，也就是这个过程完全自动产生，不需要人为的干预。造成相变的条件是水螅必须被切割成两部分。

下面要讲生物的运动模式。一个很有趣的例子是手指晃动。手指晃动基本上有两种模式，一种平行的，同方向晃动，还有一种是对称的，相反方向的晃动。然后，一般说来，开始时可以做平行晃动，但如果晃动得越来越快，到某一个速度以上，平行晃动就不可能了，它就会自动变成对称晃动。所以它的序参数就是对称和平行晃动。大家有兴趣，可以自己试试看。而且不光是手指如此，腿的晃动也是这样，甚至两个人坐在那里，一个人晃一条腿到最后也会出现这样的情况。这里面它的速度就是控制参数，在很低的速度下，两种晃动都可以。到达一定速度以后，只能是对称晃动。于是，生物的运动模式也可以用协同学的基本的原理来解释。

最后我们再举社会现象中的一个例子——创业。创业的序参数，可以是各种不同的运营模式。你可以走高端的，走低端的，走各种各样技术路线的，走商业运销路线的，有各种各样不同的运营的模式。然后这些模式，就是说在过程中可能有几家公司在那里互相竞争，一开始是很乱的，慢慢地就会有一家公司胜出，它的运营模式最后压倒了其他的。这个过程是完全自组织的，也就是这些公司之间，互相之间不需要做任何磋商，自然而然地在竞争过程中间，某一个模式就有了压倒的优势。在这个过程中间，取决于不同的条件，比如说技术的发展，需求的变化等等，那么出来的模式也会不一样。这些就是相变的因素。这里面涨落的因素其实很多，有许多偶然的因素，经营者的一念之差、关键人员是不是到位、资金链等等。所有这些东西加在一起就造成了一个创业系统，也是很典型的一个协同学的系统。

关于协同学的主要原理，我大概就介绍到这里。这本书还是比较容易看懂的，它是科普的，没有用到很多的数学。我觉得应该对大家的思维会有一些启发，中文版到现在已出版重印了五次，应该说还是受到读者欢迎的。