第102篇 协同学（1）— 哈肯传记

第102篇  协同学（1）— 哈肯传记
作者：
中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智
《说明》：
文章来源：《世界科技英才录—科学方法卷》，作者：陈敬全，文章题目：《从“普遍现象”中找到共同原理的协同学创始人——哈肯》
哈肯（Hermann Haken，1927～），德国理论物理学家，协同学的创始人。1951年在德国爱尔朗根大学获得数学博士学位，1956年成为该校理论物理学讲师。1959年和1960年间在美国康奈尔大学做访问学者，后到贝尔电话实验室任顾问，参与激光器的试制工作。自1960年起一直担任德国斯图加特大学理论物理学教授，1967年起成为霍思海姆大学的荣誉教授。他还担任美国、英国、法国、日本等多种研究机构的客座教授。
哈肯在群论、固态物理学、激光物理学、非线性光学、统计物理学、化学反应模型以及形态形成理论等方面均有杰出贡献。他是新兴的横断学科——协同学的创始人，哈肯的名字始终与协同学联系在一起。1976年，英国物理研究院和德意志物理研究学会授予他马克思•玻恩奖金和奖章。1981年美国富兰克林研究院授予他米切尔森奖章。1984年又被授予德国功勋科学家称号。主要著作有《激光理论》、《协同学导论》、《高等协同学》、《信息与自组织》等。
一  激光器——与普通光源迥然不同的新光源
1960年，一种奇妙的新光源——激光器问世。它所产生的光具有普通光源所不具有的性质，如亮度高，方向性、单色性和相干性都好等特点，引起了人们的广泛注意。
激光为什么会与普通灯光有如此大的区别？它产生的机理是什么？这些问题亟待从理论上加以解决。尽管美国物理学家汤斯和肖洛早在1958年就已经提出了关于激光器的基本原理，但他们认为其原理与微波放大器的原理一样，只不过是微波放大器推广到光波段而已，况且他们在当时对于激光器的构造还没有太多的了解。激光器发明出来以后，许多物理学家都致力于激光内在过程的研究。
年轻的德国物理学家哈肯也不甘落后。1960年，他在美国贝尔电话公司任顾问，当时公司里的研究人员正在积极研制这种新光源，这自然也引起了哈肯的浓厚兴趣。1962年，他提出了一种可以解释激光许多特征的理论。然而美中不足的是，它不能解释普通灯光所具有的性质，亦即比激光要简单得多的普通灯光并不能包含在这个理论之中。哈肯对此作了深入的思考。他发现，尽管激光与普通灯光都源于原子发射光波的过程，然而却有着本质的不同。在普通光源里，所有的原子发光过程是杂乱无章的，形成频带很宽的光场，然而激光器产生的却是频带很窄的光场。以哈肯的话来说，前者仅仅产生“噪声”，而后者的产生物犹如“小提琴发出的单音”。哈肯满怀信心地认为，以前所发表的种种理论并不能解释激光的原理，这些理论一般都把激光解释为一种放大效应。它们以为原子发射光波，当一些原子发射出来的光波打在另一些原子上时，这些光波就被加强，被放大，因此激光器仅仅起了一种放大器的作用。当某种信号被产生之后，激光器就放大这种信号。而他自己则预言激光光场不是一种放大器，它与现存任何一种普通光源都迥然不同。
哈肯的理论遭到了一些专家们的反对，但不久实验物理学家却以实验事实证实了这一理论，对此哈肯深有感触：“我从这次经历中长了一智：如你相信自己的理论是正确的，就不要为专家们所左右，坚持下去，找到支持你的理论的种种依据，这也是我一生中学到的重要一课。从那时起，我再也不迷信任何权威，即便他们有极高的威望。‘相信你自己！’——这是我从中得到的重要经验。”
二  普遍现象——有序与无序的相互转化
那么普通灯光是怎样过渡到激光的？哈肯深入研究后指出，激光之所以与普通灯光不同，很重要的是，在激光器里大量原子发光过程从无序变为有序。也就是说，在激光产生过程中，原子是“自己组织起来行动的”，正是通过这种自组织作用导致了有序状态的形成。这种从无序到有序的过渡，使哈肯联想到了热力学中的相变，因为相变也会明显地出现从无序到有序的转变或者相反的过程。例如水有三态——气态、液态与固态，每一态即为一“相”。不同态之间的转变即为“相变”。液态的水变为水蒸气，水分子狂奔乱窜，相互碰撞，变得更无序；液态的水结成冰，分子都严格安排在周期“晶格”之中，变得非常有序。即便在晶体里，也会发生相变，使晶体突然改变其性能。例如，磁铁加热到一定的温度会突然失去磁性，这是由于组成磁铁的众多“元磁体”之排列从有序到无序所引起的；失去磁性的磁铁放入到磁场中，当磁化强度达到某一数值，它又被磁化，“元磁体”之排列又从无序到有序。金属在低温下出现超导现象，也是内部存在十分特殊的有序状态引起的。金属中的电子每次成对地通过晶体，这些“电子对”按严格规定的动态连接在一起，从而抗拒原子的电阻作用。哈肯意识到，从灯光到激光的转变与热力学相变之间“存在极其优美的相似性”。
哈肯想得更远，他发现激光形成过程中具有的竞争机制与达尔文主义之间极为相似。生物界的达尔文主义认为淘汰和突变决定了新物种的起源。既然达尔文主义是生物界，或者说是生命世界中的一条普遍适用原理，为什么它不能同时也适用无生命世界，诸如激光、流体和其他系统呢？此外，相变是热力学平衡系统中的普遍现象，为什么不能同时也是存在远离平衡系统，包括生命系统中的一个普遍现象呢？这种关于“普遍现象”的观点，促使哈肯萌生了开拓一个新的研究领域的想法。
60年代末、70年代初其他领域的一系列新发现有力地支持了哈肯的想法。这些新发现包括普里戈金的耗散结构论、托姆的突变论以及艾根的超循环论。尤其是艾根的学说，对哈肯的启发更大。哈肯自己是这样说的：
“大约在1969年，艾根发表了许多谈话，对他的生物分子理论进行了阐述。出乎意料的是，他应用的方程与我们对激光所建立的方程极其相似。也就是说，我们现在有两门截然不同的学科：一方面是分子或生物分子的生物进化，另一方面是激光。然而这两个截然不同的领域却由同样类型的方程所支配！当时我认为：这不可能是出于巧合，在这些问题的背后可能有更基本的原理在起作用。因此我开始考虑更多的其他系统，并阅读一些文献。结果我发现了越来越多的例子，比如来自流体力学的例子，来自生物学的例子（如某种特定式样的蘑菇的生长）等等。”
哈肯决心要把躲藏在普遍现象背后的共同原理找出来。
三  协同学——一门关于协作的新兴学科
哈肯发现，可以用某个特定的量，即序参量来刻画普遍的现象。序参量是相变理论中描述一个系统宏观有序程度的参量，序参量的变化可以反映系统从无序向有序的转变。序参量的变化，遵循概率分布随时间变化的所谓“主方程”，其意义是用确定的方程来描写随机的、不确定的过程。在不同条件下，求解序参量遵循的主方程，原则上可以描述从无序到有序的形成过程及其形成的结构。哈肯在描写临界现象时采用了突变理论来判断序参量方程的类型，描述有序结构形成的质变过程。
然而一个系统里的变量成千上万，怎样选择一个或几个序参量描述系统在临界点处有序度的变化呢？哈肯发现，不同参数在临界点处的行为是不同的，绝大多数参数在临界点附近阻尼大，衰减快，对转变的进程没有明显的影响；有一个或几个参数则出现临界无阻尼现象，它不仅不衰减而且始终左右着演化的进程。哈肯把前者称为快变量，将后者称为慢变量。慢变量主宰系统演化的进程，决定演化结果出现的结构和功能，它就是表示系统有序度的序参量。比如在由激活原子和光场构成的激光系统中，序参量是电场强度；在铁磁体的磁化过程中，序参量是磁化强度；在化学反应中序参量往往代表粒子数或浓度。哈肯继而提出了“支配原理”，即快变量服从慢变量，序参量由子系统协同作用产生，序参量又支配着子系统的行为。哈肯采用了统计物理学中的绝热消去法，得到只含有一个或几个参数的序参量方程，使方程中消去大量的快弛豫变量。这样，方程求解就大为简化。哈肯实际上得到了具有普遍意义的支配原理的数学理论。
哈肯和他的同事们把他们得到的理论应用到不同的领域，不仅得到了一些原已得到的结论，同时也发现了一些全新的结果。例如对于流体力学中著名的贝尔纳对流现象，他们能给出比较完满的解释。所谓的贝尔纳对流现象，是指从底部加热有一定厚度的液体。在加热的不同过程中，液体对流会产生不同的花纹。按哈肯的理论，这正是系统从无序到有序，从一种有序到另一种有序的典型事例。底部受热的有一定厚度的液体，是一个较为特殊的系统，它在临界点附近同时有几个序参量，每个序参量对应一种宏观结构。哈肯指出，对于这样的系统，其演变的进程取决于几个序参量之间协作与竞争的状况。如果它们的衰减常数相近，处于势均力敌的状态，彼此采取妥协的办法，协同一致来共同形成系统的有序结构。然而统一是暂时的，随外界控制参量的继续变化，序参量之间的竞争日趋激烈，当控制参量变化达到某一新的阈值时，
必有某一序参量取胜，此时由它单独主宰系统。给一定厚度的液体加热，当自下而上的温度梯度较小时，主要靠热传导传输能量，系统处于混乱无序状态。当温度梯度加到某一阈值时，液体靠对流来传递热量，系统进入有序状态。此时形成3个序参量，每一序参量支配一个平面波的辐度，3个序参量势均力敌，出现暂时协作。系统的结构便由3个平面波叠加而成，形成六角形的蜂窝状结构。当温度梯度继续增加达到另一新的阈值时，3个序参量出现新的竞争，最终形成只有一个阻尼系数小的序参量单独主宰系统的局面，这时六角形花纹就变成了卷筒状的结构。
哈肯以其深邃的洞察力预示到一门新的横断学科即将诞生，1969年他在斯图加特大学的教学中宣布协同学——一门关于协作的新兴学科的诞生。1972年，哈肯组织了国际性的协同学会议，世界各地的许多专家应邀参加了会议，与会者们对于在不同领域的众多现象中存在共同的基本原理、截然不同的系统由同样类型的序参量方程所支配达成了共识，这说明协同学已经得到了国际上的公认。哈肯把协同学定义为一门关于“各类系统的各部分之间互相协作，结果整个系统形成一些微观个体层次不存在的新结构和特征”的学问。
四  协同学——不同学科、不同方法的协作和碰撞
哈肯领导的德国斯图加特大学理论物理研究所是目前世界上非平衡系统组织理论的研究中心，该研究所汇集了来自许多国家不同学科的著名学者。以他为首的哈肯学派在德国著名的斯普林格出版社出版了几十本关于协同学的系列丛书，其中有哈肯撰写的《协同学导论》（1977），该书讨论了物理学、化学和生物学中的非平衡相变和自组织，构建了协同学的理论框架。1983年哈肯又写成《高等协同学》一书，总结了自1977年以来协同学在理论和应用方面的新进展，标志着这门新兴学科的日臻成熟和完善。80年代以来，哈肯致力于研究引入信息论之后的协同学宏观方法，协同学的研究重点也发生了转移，一个是研究混沌现象，探究自然界中有序与混沌之间的转化；另一个重点则是从宏观尺度向微观水平的转移，研究微观的、分子水平的变化与宏观的表现型水平的变化之间的关联。
协同学架设了从无生命体到有生命的自然界之间的桥梁，不仅为人类研究自然现象，而且为人类研究生命起源、生物进化、人体功能，乃至社会经济文化变革这样的复杂性事物的演化发展规律提供了新的原则和方法。如今，从激光束中有序的排列，到化学钟的振荡，乃至动物细胞模式的构造、企业中经济事态的发展、社会公众舆论的形成等等，都可以用协同学加以研究。协同学正广泛应用于各种不同系统的自组织现象的建模、分析乃至预测和决策过程之中。
哈肯在将近10年的时间里建立起一门具有广阔发展前景的新学科，除了他有厚实的理论功底之外，还得益于科学的研究方法。哈肯很推崇类比方法，他从激光的形成、热力学相变、流体力学中对流过程以及其他类似的现象中找出了共同的原理。他说：“类比的好处是显而易见的，一旦一个领域中解决了一个问题，它的结果就可以推广到另一个领域，一个系统可以作为另一个不同系统的模拟计算机。”哈肯还采取了所谓的“中观”方法，所谓中观，即从宏观上看足够小，从微观上看又足够大的层次或单元。他在《高等协同学》里指出：“在协同学中，我们可以在不同层次上使用系统这一概念。在微观层次上，我们考虑单个原子；但对流体力学来说，我们要考虑中观的层次，这时可以用统计力学的方法来加以处理，使我们能引入温度、浓度等概念。在宏观的层次上，我们将考虑整个流体。”哈肯用“中观”方法把宏观和微观结合起来，是他又一成功之处。他不无得意地说：“这种中观的方法在其他领域也很有用，如在生物学中，我们可以考虑单个细胞，由之可构成组织。在宏观的尺度上，这个组织就称器官。”综合不同学科的知识，注意与不同研究领域的学者通力协作，博采各家之长，使不同的学科思想发生碰撞，产生新的科学思想，是哈肯开展科学研究工作的指导思想，也是他的工作方法。他认为协同学具有双重含义，除了学科含义外，“协同学还意味着完全不同学科之间的协作、碰撞，进而产生新的科学思想和概念。从这个意义上说，也许存在着某种‘相变’，使得我们能共同形成一个对世界更为深刻的理解。”

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