一、协同理论
“‘协同学’一词来自希腊文，意思是协同作用的科学，即是关于系统中各个子系统之间相互竞争、相互合作的科学。”[77]
协同学是德国物理学者赫尔曼·哈肯（Hermann Haken）于20世纪60年代在研究激光理论的过程中创立的。哈肯在研究中发现有序结构的出现不一定要远离平衡，系统内部要素之间协同动作也能够导致系统演化。1971年，哈肯与经济学家格雷厄姆（R.Graham）合作撰文发表“协同学：一门协作的科学”一文，指出“无论何种对立的双方，只要在同一个统一体内，在同一目标下，都存在着协同发展的可能性和现实性，都可以实现协同发展。”由此可以理解，“所谓协同，就是指协调两个或者两个以上的不同资源或者个体，共同一致地完成某一目标的过程或能力。”[78]而协同学是研究由大量子系统组成的系统在什么样的条件下产生相变以及相变的规律和特征的一门综合性系统科学理论。它将研究对象看成“由组元、部分或者子系统构成”的系统，这些系统彼此之间会通过物质流、能量流或者信息流等方式相互作用，通过这种作用，整个系统将形成一种整体效应或者一种新型的宏观结构，在系统的这个层次上，这种整体效应具有某种全新的性质，而这种性质可能在微观层次上是不存在的。
1.协同学的几个概念
协同学研究的是一个系统从无序到有序转变的规律和特征。序参量、涨落、自组织是协同学的3个重要概念。[79][80][81]
（1）序参量
序参量是协同学的核心概念。“序参量是协同学用来描述系统有序度的，是所有子系统对协同运动的贡献总和。”[82]序参量是一个在系统演化过程中从无到有地变化、影响着系统各要素由一种相变状态转化为另一种相变状态的，并能指示出新结构形成的参量。序参量来源于子系统间的协同合作，同时又起着支配子系统行为的作用。其中，子系统之间的协同合作产生宏观的有序结构，是“协同”的第一层含义。有时系统中有几个序参量同时存在，每个序参量都企图独立主宰系统，彼此处于均势状态，这时，序参量之间便自动合作起来协同一致地控制系统。这种序参量之间协同合作决定系统的有序结构的现象，是“协同”的第二层含义。序参量最早由物理学家列夫·达维多维奇·朗道（Lev Davidovich Landau）为描述连续相变而引入的。哈肯把它借用过来并认为，不论什么系统，如果某个参量在系统演化过程中能够指示新结构的形成，则该参量为序参量。
按照协同学的观点，序参量是为描述系统整体行为而引入的宏观参量，而不是某个子系统。序参量一方面是系统内部各子系统相互竞争与协作的产物；另一方面，序参量形成后又起着支配或役使系统的作用，主宰系统整体演化过程。如哈肯所说，序参量起着双重作用，它通知各子系统如何行动，又告诉了观察者系统宏观有序状态的情况。而整个系统运动过程则是子系统相互竞争、相互协作，产生序参量，序参量反过来支配子系统，子系统伺服序参量的过程。[83]
任何一个复杂系统都是由大量子系统组成的，子系统总是存在着自发的无规则的独立运动，同时又受到其他子系统运动的影响。在临界点前，子系统之间的关联弱到不能束缚子系统独立运动的程度，子系统本身无规则的独立运动起主导作用，系统呈现混乱的无序状态，其序参量为零；当系统中各子系统间关联程度加强，开始出现有序时，序参量为非零值；随着控制参量的不断变化，当系统靠近临界点时，序参量急剧增大，子系统之间的关联迅速增强，当系统达到临界域突变“阈值”时，序参量最大，系统发生突变，使得子系统间关联和独立运动的关系，从势均力敌转变为关联起主导地位，产生新的宏观结构或类型。可见，序参量的突变意味着宏观新结构出现，系统产生相变（即由一种稳定态演化到另一种不同质的稳定态）。同时，序参量还表征了系统的有序结构和类型，是子系统介入协同运动程度的集中表现。在系统相变出现前，子系统之间的关联很弱，不能束缚子系统本身存在的自发的无规则的独立运动，系统呈现无序状态。当序参量不断增加并达到阈值时，系统达到临界点，子系统之间的关联胜过子系统的独立运动，而成为主导作用，形成子系统之间的协同运动，于是产生新的宏观结构或类型。
许多系统在相变过程中可能形成不止一个序参量，其中每一个序参量决定着一种宏观结构，几个序参量的合作会形成一种复杂的宏观结构，几个序参量的竞争会导致一个序参量优胜并出现由它决定的宏观结构。可见，如果系统存在多个序参量，则它们之间必然存在着竞争与合作，以及由此带来的系统演化。
（2）涨落
涨落是系统偏离平均值的起伏现象。从系统的存在状态来看，涨落是对系统的稳定状态的偏离。从系统的演化过程来看，涨落是系统同一发展演化过程之中的差异。从平衡非平衡角度看，涨落就是一种不平衡性。任何一个系统都不可能处于绝对静止的状态，只要是由大量子系统组成的复杂系统，就必然存在着一定形式的涨落。
涨落是普遍存在的，其形式是多种多样的。
从形成涨落作用的主要因素来看，涨落可分为自组织系统内部因素所引起内涨落和自组织系统外部因素所引起的外涨落。
从各种涨落作用对自组织系统整体稳定性的影响程度来看，涨落可分为其作用不足以改变系统结构的整体性、破坏系统结构原有稳定性的微涨落和其作用程度足以改变系统结构的整体性、足以破坏系统结构原有稳定性的巨涨落。
从各种涨落作用自组织系统整体演化方式来看，涨落可以分为促进系统结构整体不断达到新的稳定态与新的有序化的正向涨落和导致系统结构整体失稳并趋向相对无序化的反向涨落。
涨落是形成有序结构的动力。系统的稳定性通常受到两类变量的影响。一类变量是在系统受干扰而不稳定时，总是使系统回到稳定态，它衰减得快，称为快弛豫参量；另一类变量是在系统受干扰而不稳定时，总是使系统离开稳定态走向非稳定态，它衰减得慢，称为慢弛豫参量。当系统从稳定的无序的旧结构冲破稳定向有序的新结构演化时，慢弛豫变量起着决定性作用，它的大小代表了系统的有序程度，故把它称为序参量。每个涨落都包含着某种宏观结构的萌芽状态。若该涨落得不到其他大多数子系统响应，形成相应涨落的变量是快弛豫参量，会很快衰减下去，则该涨落为微涨落。当一个涨落得到大多数子系统响应并由局部波及系统，则成为推动系统进入新的有序状态的巨涨落，形成这种巨涨落的变量是无阻尼的慢弛豫参量。
涨落对于系统的作用具有双重性，涨落可以破坏系统的稳定性，也可以使得系统经过失稳获得新的稳定性。通常，人们将涨落视为某种不利于系统稳定存在的因素，是不希望看到的东西。从协同学观点来看，在一定条件下，涨落是系统发展演化的建设性因素。正是由于随机涨落驱动各子系统的非平衡过程加剧，在一定条件下，特别是在临界区域附近，涨落加上非线性相互作用形成的关联放大效应，进一步强化这种非平衡，系统于是雪崩般地形成序参量，并由这样的序参量主宰系统演化发展的方向和模式。从某种意义上讲，正是涨落诱发了序参量的形成。
（3）自组织
如果系统在获得空间、时间或功能的结构过程当中，没有外界的特定干预，则该系统是自组织的。这里的“特定”是指，系统的结构和功能并非外界强加给系统的，而且是外界以非特定的方式作用于系统的。具体来说，一个系统从无序状态转变为有序状态，或者从有序状态转变为新的有序状态，需要环境提供能量流、物质流或信息流促进这种转变成为可能。然而，若系统在相变前后的外部环境并未发生质的变化，系统能够由系统内部自身组织起来，通过各种形式的信息反馈来控制和强化这种组织的结果，这种系统称为自组织系统。自组织系统不需要外界特定的指令而能自行组织、衍生及演化，能够自主地从无序走向有序。反之，若系统中子系统相互作用关系是在外界力量的控制下被动形成的，而它们向着有序化方向的集体行为也是由外界力量控制的，则该系统为组织系统。对组织系统而言，组织的指令是由外部输入的，组织自己是不能自由活动的。而自组织系统是自己自动组织起来的，指令由内部发出，它是围绕着共同的目标自由结合的有生命的有机体。与组织系统相比，自组织系统具有较强的自适应、自调节、自复制与自催化属性，与外界联系紧密，具有很强的生命力。
自组织是系统整体演化发展的一种重要机制。在客观世界当中，自组织不是任何一个系统都可以产生的，只能发生在开放、远离平衡态、子系统之间存在着非线性相干作用的系统中。即，系统实现由简单、无序演化为复杂、有序的自组织结构的前提是：[84]
①系统必须是开放的。根据热力学第二定律，封闭系统的熵总是趋于最大的，即系统内部能量和物质均匀分布，呈无序状态。所以，系统首先必须是开放的，只有开放，才能不断与外界进行物质、能量与信息交换，并从系统外吸取负熵，使系统总熵减少，无序态降低，并趋于有序状态。
②系统必须是远离平衡态的。系统内部存在着物质能量分布的显著差异，不断进行着物质能量的宏观转移和变换。在平衡态附近，系统的运动总是趋向于平衡态，并伴随着无序的增加和结构的破坏。在远离平衡态条件下，开放系统的非线性作用将使涨落放大而达到新的有序。
③系统内必须存在着非线性反馈的动力学机制。构成系统的各要素或子系统之间的相互作用是非线性的，处于一种相干状态。系统的各要素的发展表现出涨落性特点。任一要素或子系统偶然出现的涨落引起的系统状态的微小变化，都会通过非线性反馈机制被放大，导致整个系统有序状态的形成。
金观涛等指出，自组织系统具有以下几个特点：[85]
①自组织须先具备一个组织核心（可理解为序参量或吸引子），它决定了自组织过程最终的组织形式。似乎有一只无形的手在操纵着这些成千上万的子系统，使其实现单个部分（子系统）的自我排列与自我组织；另一方面，正是通过这些大量的子系统的协同作用才导致了这只无形的手的产生。这只无形的手就是序参量，也就是说，子系统的协同作用导致了序参量的产生，而所产生的序参量又反过来支配着子系统的行为，这种“鸡”与“蛋”式的关系相互交叉、发展、放大，形成了最后的有序结构。
②自组织系统是一个不稳定或亚稳定系统，或者说构成自组织系统的子系统集合是不稳定或亚稳定的。反过来讲，一个稳定的子系统集合本身就已形成稳定的组织，再要改变其结构就困难了。
③系统内部存在一条有因果关系的自动选择链：使多样性降低的选择因素是前一次多样性降低带来的。或者说，自组织的动力来自系统内各子系统、各部分的相互作用。
④自组织一般是不可逆的，一旦形成就再难加以改变。
⑤自组织系统具有混沌效应，组织核心的微小差别可导致最终组织形式的巨大差别。在结构出现的临界点，涨落起着触发的作用。由于这时系统处于高度不稳定状态，任何微小的涨落都会被放大，从而将系统趋于与新结构相对应的状态。
2.协同学基本原理[86][87]
（1）序参量原理（支配原理、使役原理）
系统演化过程中起决定作用的只有序参量。序参量是系统内部自组织产生出来的，而它一旦产生出来就取得支配地位，去支配其他子系统、模式，因而转化为一种他组织力量，类似于控制论中关键变量或控制中心的作用。
从系统参量变化快慢角度来看，自组织过程中，序参量是一种左右系统演化整个进程的慢弛豫参量（慢变量），决定着演化结果出现的结构与功能。当改变系统的控制参量时，系统将会走向临界状态。当接近临界点时，系统的稳定性已经被破坏，这时，绝大多数变量为快弛豫参量（快变量），仅在短时间内起作用，它们的临界阻尼大、衰减快，对系统的演化过程、临界特征和发展前途，不起明显作用。而只有一个或少数几个作为序参量的慢弛豫参量（慢变量）出现临界无阻尼现象，随时间变化很慢，到达新的稳定态的弛豫时间很长，甚至趋向无穷，在系统的演化过程当中始终起着作用。它们在接近临界点时不是迅速衰减，而是缓慢增长，代表着不稳定模态。两类变量中，快变量是大量的，而慢变量是少数的。最终将形成少数慢变量支配大量快变量，或大量快变量伺服少数慢变量的情形。
由上可知，可将序参量原理简单概括为快变量服从慢变量，序参量支配子系统行为。其实质在于系统在接近不稳定点或临界点时，系统的突变结构通常由少数变量即序参量决定，而系统其他变量的行为则由这些序参量支配或规定。
序参量原理为人们通过少数变量把握有序演化过程提供了重要手段。序参量决定着系统的变化。要想使一个系统发生协同效应，分析找准序参量，促进序参量最终形成并有效控制系统是关键。当系统存在许多参量时，我们不必考虑所有变量，而只需抓住慢变量，逐步忽略快变量，就能够逐渐接近序参量，进而能够把握住系统的整体运动方式。
需要注意的是，虽然慢变量在系统演变过程中起主宰作用，但快变量也不是可有可无的。伴随着系统有序化的进程，慢变量和快变量相互联系，相互制约，表现出一种协同运动，当系统达到不稳定状态时，在快变量的作用下，将使系统达到一个新的稳定平衡位置，这是系统自组织过程中子系统协调运动的一个重要表现。此外，协同（自组织）系统同样存在一个控制系统发展的外参量，且也是不可或缺的。当保持这些外部控制参量不变时，可采用控制参量一类的定常参量来表示它们对系统的影响。
序参量原理也并非万能，当出现混沌时，该原理将可能失效。
（2）协同放大原理（协同效应）
协同是一种合作现象，是指一个开放系统内各子系统之间的协调同步的一种特性。各个子系统之间的协同作用与竞争决定着系统从无序到有序的演化进程。系统中各子系统的相互协调、合作或同步的联合作用及集体行为，产生了“1+1＞2”的协同效应。[88]非平衡的开放系统之所以具有发展的生机与魅力，是因为存在着协同规律和竞争规律，子系统间的协同合作与竞争，导致系统整体功能放大，使整体大于局部之和。不论是自然系统还是社会系统，均存在着协同放大作用。协同作用是系统有序结构形成的内驱力。任何复杂系统，当在外来能量的作用下或物质的聚集态达到某种临界值时，子系统之间就会产生协同作用。这种协同作用能使系统在临界点发生质变产生协同效应，使系统从无序变为有序，从混沌中产生新的稳定结构。
系统从无序变为有序状态所需具备的条件包括：
①系统最终演变的状态或结构始终受到序参量的影响，序参量还起着支配子系统行为的主导作用。
②系统内子系统间的有机联系和积极配合是系统有序发展的重要条件之一。只有当系统关联作用占主导地位，子系统之间形成协同时，系统才可能呈现出一定的有序结构。
③除了系统内部协同作用的机制外，还需要外部环境提供适当的控制参量，为系统自组织结构的形成与有序演化提供保障。
④反馈机制是系统实现有序的重要保证。任何一个开放系统要维持一定的稳定性，都离不开反馈调节。
协同是系统整体性、相关性的内在表现。协同不仅包括人与人之间的协作，也包括不同应用系统之间、不同数据资源之间、不同应用情景之间、人与机器之间等全方位的协同。协同得好，系统的整体性功能就好；反之，就会造成系统内耗增加，系统内各子系统难以发挥其应有的功能，致使整个系统陷于无序状态，发挥不了整体功能而终至瓦解。[89]
系统在自组织过程中的协同运动，不仅表现在慢变量决定快变量的协同方面，还表现在若干个序参量（慢变量）间的合作与竞争之中。几个序参量同时处在一个矛盾竞争的系统中，最终能出现哪一种结构，由序参量合作与竞争的结果决定。当几个序参量之中任何一个序参量都不能单独主宰宏观结构形成过程时，便通过它们之间的合作，确定某种反映序参量共同作用的宏观结构。若某一个序参量在竞争中获胜，则会形成由该序参量主宰的宏观结构。
（3）不稳定性原理
在协同学理论中，系统存在原稳态、不稳定态和新稳态3种状态。对处在原稳态的系统，当系统内部环境及结构无法满足系统发展需要时，系统内部各子系统的共同需求就会引导系统发生改变，原稳态被打破，出现不稳态。系统内部的不稳定，使系统有机会向新状态发展，并在一定条件下形成新稳态。与控制论侧重于研究稳定性问题不同，协同学认为任何一种新结构的形成都意味着原先状态不再能够维持，即变成不稳定态。这样，不稳定性在结构演化中具有积极意义。内部的不稳定，使系统有机会向新状态发展。当系统内部环境及模式无法满足系统发展需要时，需要有一种改革的力量打破旧的稳态，出现不稳态，才可能创建系统发展的新模式。