自组织

定义

自组织指系统在形成空间、时间或功能结构的过程中没有受到外界的特定干预，结构不是由外部强加给系统的，而是外界以非特定方式作用于系统的结果^[2]。与之相对的是他组织，即系统依靠外部指令建立秩序；如果不存在外部指令，系统内部各要素依照某种默契各尽其责、协调配合，自行形成有序结构，这样的过程就是自组织^[1]。

自组织能力与系统的功能密切相关，一个系统的自组织属性越强，其保持原有功能和产生新功能的能力也越强^[1]。不同学科对它有各自的解读：系统论强调系统在内在机制驱动下不断提高自身的复杂度与精细度；热力学关注熵的变化，认为自组织是系统在与外界进行物质和能量交换后有序度上升、熵含量下降的过程；进化论则把自组织的自我完善与遗传、变异和优胜劣汰机制联系在一起^[1]。

原理

对自组织机制的系统研究主要来自20世纪60年代末以后形成的若干理论^[3]。其中影响较大的是比利时科学家伊利亚·普利高津提出的耗散结构理论，他于1969年发表《结构、耗散和生命》，指出远离平衡态的开放系统在持续与外界交换物质和能量的情况下，当内部某个参量达到一定阈值时，可能经由涨落发生非平衡相变，从混乱无序转变为在时间、空间或功能上有序的状态^[4]。这种结构依赖与外界的物质和能量交换来维持，因而被称为耗散结构^[4]。

耗散结构的出现需要若干条件：系统必须是开放的，能够与外界交换物质、能量与信息；系统须处于远离平衡态，才能对涨落保持敏感；系统内部要有非线性相互作用；此外还需要随机涨落^[5]。涨落在这一过程中作用特殊，它是推动系统远离平衡态、放大部分非线性作用的重要因素^[5]。

德国物理学家赫尔曼·哈肯从激光等系统出发创立了协同学，考察开放系统在远离平衡并与外界交换物质和能量的条件下，怎样自行产生有序结构与功能行为^[6]。当系统内的子系统相互配合、产生协同作用与合作效应时，整个系统在宏观上就表现为有序，具有一定的结构或功能^[3]。从能量角度看，系统在内部不断产生熵的同时向环境输出熵，从而维持较低熵值并保持有序^[5]。

自组织过程大致可以概括为以下环节^[5]：

graph LR

A[初始无序状态] --> B[开放且远离平衡态]

B --> C[出现随机涨落]

C --> D[非线性作用放大涨落]

D --> E[越过阈值发生突变]

E --> F[新的有序结构]

发展历程

「自组织」一词最早出现在哲学讨论中。德国哲学家伊曼努尔·康德在1790年出版的《判断力批判》中使用了这一说法，用以探讨生命体与无生命物质集合之间的区别^[7]。此后，19世纪的达尔文进化论从遗传、变异与自然选择等内在机制解释物种的起源和演化，被认为包含自组织思想^[2]。

20世纪40年代末，控制论学者威廉·罗斯·阿希贝提出了自组织原理^[8]。20世纪60年代末起，自组织理论作为系统理论的一个分支逐步建立，其研究对象是复杂自组织系统（如生命系统、社会系统）的形成与发展机制^[3]。1969年，普利高津提出耗散结构理论^[4]；20世纪70年代，哈肯创立协同学，1972年第一届国际协同学会议召开，标志该学科的诞生^[2]。

同一时期，法国数学家雷内·托姆于1972年出版《结构稳定性和形态发生学》，阐述了突变论；德国生物物理化学家曼弗雷德·艾根提出超循环理论^[2]。20世纪80年代以后，自组织理论从物理学、化学、生物学等自然科学领域扩展到经济学、社会学、政治学等学科^[2]。1982年，科霍宁提出了自组织映射这一神经网络模型^[9]。

应用

自组织现象存在于物理、化学、生物、机器人以及认知等各类系统中，结晶、流体的热对流、化学振荡、动物集群、神经回路和黑市等都被视为自组织的例子^[8]。在物理的非平衡过程和化学反应中，自组织常被称作自组装^[8]。生物学中的自组织研究涵盖从分子到生态系统的多个层次，数学中的元胞自动机也能表现出自组织行为^[8]。

在计算机与人工智能领域，科霍宁提出的自组织映射属于无监督神经网络，可把高维输入数据映射到低维网格，同时保留数据原有的拓扑关系，常用于聚类、图像分析、遥感图像处理与信号处理等任务^[9][10]。在多智能体系统中，研究者通过设计个体的局部行为，使群体层面具备自组织能力，用于无人机群的协同与巡逻^[11]。

在社会科学与经济研究中，自组织被用来解释语言、晶体结构、互联网、维基百科以及自由市场等自发秩序的形成^[12]。城市研究把城市看作自组织系统，强调在没有外部组织力特定作用的情况下，城市内部各要素相互作用、自动形成有序的城市构型^[13]。

局限

自组织理论并非适用于所有系统。有研究指出，它更适合研究简单巨系统，刻画的是系统演化的结果而非过程；其数学工具以微分方程为主，需要子系统之间的作用可以叠加，因而难以处理涌现这类现象^[14]。

在社会科学与人文学科的应用中，有学者批评自组织概念带有功能主义与目的论色彩，把社会变迁类比为自然界的相变，可能忽视权力关系和利益冲突^[15]。也有观点认为，自组织研究至今并未形成统一理论，而是一组部分重合的研究、假设与学说，蚂蚁巢、大脑、城市、细胞之间的类比尚未产生足够有效的模型^[16]。

生物学内部同样存在争议，有学者质疑自组织模型在解释个体发育等问题上的适用性，主张改用以个体内部的选择过程为核心的思路^[16]。此外，自组织和涌现这两个词在使用中容易被泛化，实际涵盖的可能是性质并不相同的多种过程^[16]。

参见

• 耗散结构 —— 普利高津提出的理论，是自组织理论的主要组成部分之一。

• 协同学 —— 哈肯创立的学科，研究子系统如何协同形成宏观有序结构。

• 突变论 —— 托姆提出的数学理论，用于描述连续变化导致的不连续结果。

• 涌现 —— 复杂系统由局部相互作用产生整体新性质的现象，与自组织密切相关。

• 元胞自动机 —— 在离散网格上按局部规则演化的数学模型，可表现自组织行为。

• 复杂系统 —— 由大量要素相互作用构成的系统，是自组织研究的主要对象。