第三节　现代化学的发展

进入20世纪以后，化学理论借助于物理学而更加微观化、定量化和精密化。如果说19世纪的化学理论是以原子论为基础，那么20世纪的化学理论则是以电子论为基础，并与数学、物理学、生物学等学科相互渗透、综合发展。同时，还进一步探索了生命现象的本质，扩展了研究领域。现代化学理论涉及的内容很多，仅扼要从以下几个方面加以介绍：
一、现代化学的重大成果
（一）元素周期理论的新发展
自波义耳为元素下了科学的定义后，化学沿着正确的方向发展。20世纪以来，人们对元素的认识不断深化、大体经历了5次变革。
1896年，法国物理学家贝克勒尔（XXXXcquerel，1852－1908）发现了元素的放射性现象，随之，居里夫妇（P. Curie，1859－ 1906,XXXXXXrie,1867－1934）进行的放射性元素的研究，开辟了核化学的新领域。1902年，英国物理学家卢瑟福（XXXXtherford,1871－1937）等人进一步发现，放射性是由于元素的原子蜕变而引起的，提出了元素蜕变的假说，打破了从波义耳以来的元素不变的传统观念，在元素思想上发生了第一次变革。1916年，英国科学家索迪（XXXXddy，1887－ 1956）基于对大量实验事实的分析而认识到，一种元素会有两种或两种以上不同原子的元素变种存在，提出了同位素假说，并得到了证实，这就打破了从道义顿以来的关于一种元素一种原子的传统观念，在元素思想上出现了第二次变革。1913年，英国科学家莫斯莱（H．Moseley，1887－1915）在研究各种元素的X射线时发现元素的原子序数，实质是原子的核电荷数，决定元素化学性质呈周期性变化的是原子序数，而不是原子量，解决了长期以来门捷列夫的化学元素周期律中，原来有几对按原子量排列位置颠倒的矛盾（如碘和碲等），将周期律提到了一个新的理论高度，在元素思想上引起了第三次变革。1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮时，氮变成了氧，第一次实现了人工核反应，使一种
元素变成了另一种元素，从而导致了元素思想的第四次变革。1939年，德国科学家哈恩（Hahn，1879－1968）等人，在用中子轰击重元素铀原子核的实验中，发现了核裂变反应，开辟了原子能的新时代，出现了元素思想上的第五次变革。20世纪40年代以后，人们又陆续制成了第93号至109号等超铀元素，突破了经典元素周期律的界限。这一系列超铀元素的合成，不仅壮大了元素的队伍，同时使人们对物质的微观结构有了更多的认识。随着对放射性同位素的研究和核物理学的迅速发展，科学家们又提出了超重元素的"稳定岛'假说，探索元素周期表的边界界限，在元素思想上酝酿着更大的突破，使化学元素理论和人们对于物质化学组成的认识更加精细化和深刻化。
（二）现代化学结构和化学键理论
化学健的理论，是随着20世纪初电子的发现特别是量子力学理论的建立而发展和完善起来的。1913年玻尔(XXXXhr,1885～?)提出原子结构模型，1916年柯塞尔（W.Kossel,1888－1956）和路易斯（G．N.Lewis，1875－1946）便开始运用这一模型来解释原子的价键问题，并都认为价键是由原子的外围电子结构所决定的。以他们的工作为基础，人们认识到，化学键有三种基本类型：离子键、共价键和金属键。
离子键是指由于离子之间通过静电相互作用而形成的化学键。一般而言，若两个元素一方容易失去电子而呈阳性、另一方易于得到电子而呈阴性，两者通过化学反应形成化合物时即形成离子健。例如，食盐即氯化钠分子中，碱金属钠元素的最外层只有1个电子，失去这个电子后就形成最外层有8个电子的稳定结构，而卤族元素氯最外层有7个电子，它获得一个电子后，最外层就形成了具有8个电子的稳定结构，因此，当两者相互作用时，钠原子的一个电子转移到氯原子一边，从而形成了钠的正离子和氯的负离子，正负离子通过静电吸引作用而形成化合物。
若某些物质的分子由相同元素的原子组成，加氢气（H2）、氧气（O2）等，离子键理论就不适用了，这时就需要用共价键理论来解释。这个理论认为，像H2、O2等的分子中，每个原子都不可能完全失去和得到一个电子，于是每个原子就各贡献出一个或多个电子，从而形成一个或多个电子对，两个原子就依靠这些共用电子对结合在一起，这时，对每个原子来说，加上共用电子对，就可以使最外层电子形成稳定的结构。例如H2，每个氢原子只有一个电子，两个电子配对后共属于两个氢原子所有，使得每个氢原子都具有了稳定的电子层结构，于是两个氢原子就依靠这个共用电子对而结合成氢分子，即H：H，或以连线表示成H～H。有些原子之间，可以共用2对电子、3对电子，从而形成共价双键、共价三键等。
金属元素之间形成的是金属键，其特点是，金属原子在结合成金属时，由于金属对外层电子的吸引力较弱，成键电子就脱离了单个原子而为全体金属离子所共用，或者说得形象一点儿，金属键是由于"金属离子浸没在电子海洋中"而形成的。
量子力学建立之后，1927年就被海特勒（W.Heitler，1904～1981）和伦敦（ F.London，1900－1954）运用于化学中有关H2方面的研究，从而开创了量子化学的新领域。这一理论首先修正了电子运动的所谓轨道概念，指出电子绕核的高速运动，不可能像经典力学那样计算出某时刻在某一体系中的电子的准确位置，而只能对电子的运动状态作出概率性描述，这种描述可以形象地比喻为"电子云"，而共价键的本质，乃是电子云的重叠。
海特勒与伦敦的研究不仅建立了化学键的崭新概念，而且引导人们运用量子力学方法去研究多原子分子。到20世纪30年代初，人们进一步提出了价键理论和分子轨道理论。分子轨道理论从分子的整体出发，对于处理共轭分子、缺电子分子获得了巨大的成功。因此，分子轨道理论虽然起步较晚，但已成为当代化学键理论的中心。
1952年，英国化学家欧格尔（Orgell，1927－）为解释"夹心型"化合物的结构，把分子轨道理论和晶体场理论结合起来，提出了配位场理论。
综上所述，20世纪以来先后建立的价键理论、分子轨道理论和配位场理论，反映了人们对分子结构的认识已深入到了电子水平，为建立微观反应理论创造了条件。
（三）晶体结构的测定及胰岛素的合成
20世纪物理学上X射线分析，为晶体结构的测定提供了重要的理论和实验依据。30年代以后，结构化学一直发展很快，测定结构的方法和仪器都有很大进步。近年来，主要由于电子计算机技术的进步和各种精密仪器的使用，测定单晶体的效率提高了上百倍，精度和应用范围也有很大发展。到了20世纪40年代和50年代中期，凡有代表性的无机物和有机物的晶体结构资料都有相当充分的积累。
1955年，英国人桑格测定了最简单的蛋白质牛胰岛素的结构，确定了蛋白质中氨基酸的结合顺序，从此，世界上一些国家即开始进行胰岛素的人工合成工作。我国科学工作者从1959年开始，经过几年通力协作，于1965年9月首次合成结晶牛胰岛素，经过晶体测定和生物活力试验，都证明它与天然胰岛素的特性一致。1971年又完成了分辨率为2.5埃和l．8埃的胰岛素晶体结构测定工作，这一结果为今后研究胰岛素分子的结构和功能创造了有利条件。
众所周知，生命起源问题是科学上的一个重大问题。从无机物到有机物，从一般有机物到生物高分子--蛋白质和核酸，再从生物高分子到生命怎样从无机界产生的问题，一直是人们关注的重点。在用化学方法人工合成有机物的实践中，尿素的合成，是一个突破，胰岛素的合成又是一个突破。尿素的合成，突破了无机物和有机物的界限，从而开创了有机合成的新时期；胰岛素的合成，突破了一般有机物和生物高分子的界限，从而开创了人工合成蛋白质的新时期。
当前，结构化学与合成化学、理论化学及固体物理学等学科一起，正建立起分子工程学这门新的学科。分子工程学的目标是要达到"分子设计"，即希望能够通过理论计算，像设计房屋那样，根据人们的要求"设计"新分子、新材料、新品种。这就要应用量子化学和结构化学的成果，充分发挥电子计算机的作用和计算化学的能力，揭示微观结构和宏观性能的内在联系，使探索新分子和新材料的过程减少盲目性，加强预见性。现在已经有设计新型塑料、橡胶品种的"高分子设计"，寻找新药物的"药物设计"，制作新型催化剂的"催化剂设计"，以及"农药设计"和"合金设计"等。
二、现代化学的地位和作用
科学变为直接生产力，是现代科学技术革命的特点。从化学的发展也可以看到，化学研究往往来源于生产的需要，又走在生产的前面。由于在理论和实践上解决了生产中急需解决的问题，并进一步把它运用到生产中去，从而引起了生产技术的革新。从现代化学工业的发展来看．没有扎实的基础理论研究，就不可能有先进的化学工业。氨的合成便是化学与生产相结合的一个典型例子。 因此，化学来源于生产，反过来又在促进生产的发展中发挥了巨大作用。例如，当代放射化学的研究，原子核裂变的实现，开辟了原子能利用的新时代；催化剂的出现和研究，引起了化学工业的巨大革新；高分子聚合物的研究和发展，导致了一个崭新的材料工业部门的产生，影响到人们生产和生活的各个方面。化学与社会的进步、经济的发展息息相关，并在生产和生活中起着重要的作用。
（一）化学与生产
化学科学的繁荣，促进了若干基础学科和应用学科的发展，并为国民经济许多生产部门的发展，打下了理论基础和技术基础。在我国实现四个现代化的过程中，化学占有不可忽视的重要地位，并能发挥多方面的巨大作用。
在农业生产中，要提高农产品的产量和质量，就必须生产更多的优质化肥，研制出高效低毒无公害的农药和各种植物生长调节剂，没有化学和化学工业，这些是无法实现的。
在工业生产中，化学对开发能源、提供新型材料，起着关键作用，各种新材料的发明和应用，要依靠化学研究来实现。比如固体化学、结晶化学、热力化学、表面化学等，都是材料科学的重要基础。同时，化学与能源基础工业和激光等新技术关系极为密切。离开化学的发展，就谈不上基础工业和新技术的发展。我国现代工业的发展，涉及的领域和部门很广，其中也包括化学的各分支学科，像有机化学、无机化学、高分子化学、物理化学、分析化学、环境化学、石油化学、化学工程、辐射和放射化学等，这些化学分支学科对我国工业现代化的发展将发挥越来越重要的作用。
在国防建设中，必须有先进的空间技术和各种先进的武器。火箭、导弹、人造卫星、航天飞机、核潜艇、航空母舰等各种国防技术的发展，需要各种特殊结构的材料和高能燃料。例如，人造卫星的材料，不仅要有一般轻质铝合金材料，还要有特种复合材料、防热材料等。在卫星能源方面，不仅要研究化学电池，还需要研制和试验硅光太阳电池和燃料电池。而这些材料和燃料的研制，则需要合成化学、结构化学、分析化学、化学热力学、化学动力学和核化学等许多化学分支学科配合。通过光化学、生物化学方面光合作用的研究，许多成果也可以应用于国防建设。例如为航天飞机、核潜艇等密闭系统提供氧气和部分食物；利用活体和离体叶片不同的荧光光谱，可以鉴别用树枝掩护的军事目标；利用叶绿素特有的吸收光谱，可以有选择地接收人造卫星上发出的信号等等。现代科学技术发展的特点之一是新技术日益被广泛应用，特别是电子计算机技术和激光技术的应用，已经在科学技术现代化中起着重要作用，而与此有关的计算化学、激光化学的发展和应用，将大大促进化学研究和化工生产的现代化、自动化与信息化。其中更具有战略意义的是信息技术和核技术，最新发展方向之一是采用化学分子记录，这种分子记录的容量，可能比现有的计算机容量大数百万倍。另外，化学分支学科如量子化学、固体化学、生物无机和有机化学、分子生物学、细胞化学和仿生化学等的迅速发展也将对科学技术的发展作出贡献。
（二）化学与人类生活
与化学研究密切相关的化学工业产品，极大地改变着人类生活面貌，在提供人们衣食住行、医药保健等方面，取得了巨大的成就。没有化学和化学工业，就不可能从根本上延长人类寿命和为人们创造幸福、舒适的生活。
随着高分子化学的发展，合成材料取代了传统的木材、金属、皮革和天然纤维，并广泛应用于工农业生产和人类日常生活，改变了人类物质生活的结构。医用高分子的发展，可以制造出各种人造器官，推动医疗技术的进步。
在分子水平上研究生物衰老机制和抗衰措施，与人类幸福、社会进步和文化发展，都有着密切关系；对免疫化学的研究，将有助于维持人体的正常代谢、预防疾病和抗衰老；研究各种营养素的作用和机制、测定各种食物中的微量元素和有害物质，根据不同年龄，不同人的需要，进行科学的膳食调配，对增进人民健康、预防疾病和延长寿命，起着重要的作用，而这些问题的研究和解决，都离不开化学。
人类环境的改善，涉及到许多与化学有关的问题：人民保健事业的进步和改善，日益增加着对化学的需要；能源问题的解决也是化学肩负的重任之一。总之，化学与人民生活和人类进步息息相关，它会给人们带来健康的身体、美好的食物、优良的衣着、称心的用具和住所，给人类带来愉快和舒适的生活。
（三）化学与社会未来
展望化学发展的前景，可以看到化学在人类社会和国民经济发展中越来越占有重要的地位和作用。
在近几十年来，化学工业以更快的速度得到发展，产品日新月异。至2000年，世界化工产品的贸易额比1968年增长8倍，产品的50％都是过去世界上所没有的。种类繁多的化工新产品，将不断改变世界的面貌。
陆地资源的不断减少，迫使人们把眼光投向海洋。海洋中蕴藏着巨大的财富，海底有1000亿吨各种矿物，海水中有100亿吨钢、50亿吨铀，106亿吨黄金，以及数量巨大的各种海生植物和动物等。对海洋化学的研究和利用，将是人类向海洋深处进军的一个重要组成部分。
随着新技术革命的冲击，信息科学技术正在引起产业结构发生变化。人类将通过迅速收集、传递和处理信息，更有效地认识和改造世界。化学数据库及其信息系统的研究和应用，将对化学的发展产生深远影响。
随着对生命现象本质的深入研究，生命科学的发展非常迅速。著名化学家鲍林曾预言：在未来100年内，化学将对人类健康福利作出更大贡献，随着人们对蛋白质和其他生物物质精细结构的认识和研究，将有效地攻克生物和医学方面的难题。在控制癌症、传染病和其它死亡原因，以及通过改善营养、改善环境而达到延长寿命和减缓衰老过程中，化学家将会作出重大贡献。
对能源、粮食、材料的研究，将对满足世界长远需要产生积极影响。在今后几十年内人们将利用太阳能，从水中制取氢气；将通过一氧化碳和二氧化碳的还原，来合成燃料；还将通过化学和其它学科的共同研究，达到消除污染、美化环境、减少疾病、延长寿命的目的。
当代，化学学科将以崭新的面貌，进一步成为人们改造自然、改造社会、改善环境、改善健康的得力助手。然而化学的发展与创新不仅是少数化学家的事，而且是全人类共同努力为之奋斗的事业。因此，21世纪的人才，必须学习化学、掌握化学、驾驭化学，才能使它更好地为人类服务，为社会生产服务，促进生产的发展，推动社会进步。

第三节　系统科学理论的形成与发展

二十世纪四十年代产生的系统论、信息论、控制论，六、七十年代出现的耗散结构理论、协同学、超循环理论和突变理论，以及八十年代之后提出的自组织理论、混沌理论和分形学等，都是对客体组织性、复杂性和不确定性研究的成果，都拥有一个共同的研究对象----"系统"，它们共同构成了系统科学这一新的学科体系。系统科学已经成为现代科学技术体系中的重要组成部分，它是以系统存在和发展为研究对象的科学体系，其中系统论、信息论和控制论研究了系统存在的规律，而耗散结构理论、协同学等则侧重于研究系统发展和深化的规律。正是这些系统科学的研究，为科学技术研究提供了综合性的手段和方法，使得研究组织性、复杂性和不确定性成为现当代科学研究的主题之一。
一、从系统思想到系统观
人们对系统的认识可追溯到古代。古希腊朴素辩证法奠基人赫拉克利特在《论自然界》一书中说过，世界是包括一切的整体。古原子论的创始人德谟克利特著的《世界大系统》一书是最早采用"系统"这个词的著作。而古希腊哲学思想集大成者亚里士多德就提出过整体大于它的各部分总和的观点。
在中国，古代儒家的最高典籍《周易》中，以阴、阳排列组合构成八卦，八卦进而重叠演变为六十四卦，并由此比照解释外在世界的状态及变化，体现了系统整体层次结构诸要素交互作用的思想和系统整体动态发展的思想。道家不仅利用系统整体论的思想来解释既成事物的存在状态，而且更紧密地同事物的发生、发展过程结合了起来，认为自然界是自发运动、自我组织的，且这种运动具有内在的规律性。
中国古代人们不仅自发地用系统概念考虑自然现象，而且还用系统方法去改造自然，对系统科学具有独特的贡献。宋代沈括在《梦溪笔谈》中记载了一个"一举现三役济"的故事，就是系统思想运用的例证。北宋皇宫被焚，皇帝令大臣丁谓限期重建。丁谓经过实地勘察，把工程作为一个整体来加以计划，提出最优方案。依据方案，在皇城前大道上挖土烧砖备料，形成河道后引进汴水；然后用船把建筑材料运入工地；皇宫建好后，用工程遗留下的碎砖废土填塞河道，修复原来的大道。三个环节环环相扣、缺一不可。
二、一般系统论的形成
一般系统论或普通系统论，主要是由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（L. V. Bertalanffy，1901～1971）创立的。贝塔朗菲认为，存在着适用于综合系统或子系统的模式、原则和规律。普通系统论的目的就是确立适用于系统的一般原则。
系统论的建立是缘起于贝塔朗菲在理论生物学研究中关于系统的理论探讨。由于牛顿力学的巨大成功，机械自然观在近代生物学领域也取得支配地位。但到19世纪末20世纪初，人们逐渐认识到机械论观点内在的局限性，并在更高层次上重新发现了机体论的价值。贝塔朗菲的系统论正是来自他对机体论意义的再认识，在1928年的《现代发展理论》和1932年的《理论生物学》中，他都强调生物的整体性、动态性、能动性和组织等级，以展示机体论的具体内容。他认为，有机体是具有高度主动性的活动中心，而且是与环境不断进行各种交换的开放系统。然而在当时他的这些思想未能得到重视。此后贝塔朗菲试图对其机体论思想从哲学方法论的高度进行总结，并于1937年明确提出一般系统论原理。但贝塔朗菲系统论的真正问世是以1948年《生命问题》的出版为标志的，该书描述了系统思想在哲学史上的发展，明确了系统论的任务，并从系统这一中心词汇的定义出发，引出描述有组织整体的一般概念，如总体、整体性、有序性、层次性、动态开放性、目的性等，以此为基础，贝塔朗菲进而刻划了系统论的基本原则。1968年贝塔朗菲又出版了《一般系统论：基础、发展和应用》一书，全面总结了他四十年来的工作，进一步阐述了他的思想，该书成为一般系统论的代表著作。
一般系统论产生的另一个重要原因是具有巨大实践意义的系统分析和系统工程方法的提出。同系统思想一样，系统工程方法在古代人类实践活动中便已有所体现，中国战国时代李冰父子主持修建的都江堰水利工程和前文提到的丁谓重修皇宫的计划，都反映了把工程看作一个整体统筹安排的思想。但对系统工程方法从理论上加以概括和阐述，却发生在20世纪。进入20世纪以来，人们的生产和生活方式发生了巨大变化，生产规模逐渐扩大，生产技术日趋复杂，也产生了各组成部分紧密联系、相互协同并相互制约的高度综合的管理系统，要认识这类复杂对象和解决这些高度综合的组织和管理问题，就需要寻找能够体现事物普遍联系的新的研究方法，系统分析和系统工程方法正是在这样的背景下产生的。美国工程师泰勒（T. W. Taylor，1985～1915）首先从合理安排工序以提高工作效率出发，建立了具有系统思想的管理制度，其后，贝尔电话公司在设计巨大工程项目时，按照时间顺序把工作划分成规划、研究、发展、发展期间的研究和通用工程等五个阶段，并在40年代明确使用了"系统工程"的概念。
第二次世界大战期间，为了解决武器系统配套使用、飞机队形排列、资源合理分配、运输路线选择、高效捕捉敌人飞机和舰艇及组织后勤供应等问题，人们开始比较广泛地自觉创造和使用系统方法，这大大地推动了系统工程的发展，并产生了运筹学这一应用数学分支。战后，著名的运筹学研究组织----美国兰德公司倡导了"系统分析"方法，该方法通过系统的途径，考察决策者面临的全部问题，提出不同的解决目标和方案，比较它们的结果，组织专家参加论证，以此帮助决策者选择最佳行动方案。以此方法为指导，出现了协调组织庞大系统中各部门工作的具体技术----计划评价技术（简称PERT），该技术把总体任务按照先后的时间次序和内在的逻辑关系分解为若干子任务和工序，由此确定科学和工作流程图，合理地调配人力、物质及其他资源。这种技术在"北极星导弹"的研制过程中，发挥了重要作用。60年代，霍尔（A. D. Hall，1924～）提出系统工程三维结构思想，从时间、逻辑和知识三个维度对系统工程方法进行了概括。这是对系统工程方法比较全面的总结。60年代后期，系统工程的应用逐渐超出传统工程的观念，开始被推广到经济系统和社会系统，系统工程也发展到研究解决各种复杂的社会---技术系统和社会----经济系统的最优控制和管理阶段。1969年阿波罗登月计划的成功，被公认为系统工程实践成功的典型例证，从而引起人们对系统工程的广泛关注和重视，这种情况则反过来引导人们从方法论上对系统工程作更深入的理论总结，这对于具有方法论意义的一般系统论的发展是非常重要的促进，由此，系统论真正确立了其科学理论的地位。
三、一般系统论概述
系统论以"系统"为研究对象，这决定了"系统"以及与之紧密相关的"结构"、"功能"等必然是该理论中的基本概念和范畴，准确理这些概念是把握系统理论的基础。
（一）系统的概念
"系统"这个词人们经常提到，但由于认识角度、思维目的不同，对这一概念的理解存在着差异。贝塔朗菲认为，"系统"即是相互作用的元素的综合体，韦氏大词典对系统的解释是，有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规划的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素的集合。还有的学者主张，系统不仅是其构成要素的汇集，而且是一种指导观点。实现一个系统，必须在详细了解每个要素的同时，了解能把全体综合进来的观点及其实现的认识方法和技术。我国著名科学家钱学森认为，系统就是相互作用和相互联系若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体。综合以上观点，系统是指存在于一定环境中，由若干具有不同功能的相互联系、相互作用的许多要素所构成的一个具有特定功能的整体。是否具有加和性，是系统与非系统的基本区别。与系统概念相对应，要素指的是构成系统的组成部分，要素是相对于系统而言的，是系统存在的基础。离开要素就无所谓系统，而要素也只有作为系统整体的组成部分时，才能发挥其应有的作用，要素如果脱离了系统，离开了与其他部分的相互联系，它的性质和特点就会发生根本变化。
（二）系统的形态
从外延看，系统客观存在的形态仍然是千差万别、复杂多样的，要进一步研究系统各自的特点，还需要区分系统的不同类型。根据不同的需要和研究目的，可以将系统划分为以下不同类型：
1.按其形成的过程与要素的性质，可分为自然系统、人工系统和复合系统。自然系统指以自然物质作为要素而构成的系统，他们是在自然界发展进化过程中自发形成的。例如天体系统、气象系统、生态系统等。人工系统是人们为了达到某种目的而建造起来的系统，它们具有"自为目的"，有两种情况：凡是以实物或物理方式存在的要素构成的系统是实体系统，如汽车或建筑物等；凡是以实物体实体反映的概念、原理、原则、方法、制度和顺序等要素构成的系统是概念系统或虚拟系统。复合系统是指由人工系统和自然系统共同组成的系统，客观世界中的大多数系统都具有这个特点，如气象预报系统、导航系统与广播系统等都是由人----机组合而成的。
2.按照在时空中存在状态，分为动态系统和静态系统、稳态系统和非稳态系统。动态系统与静态系统的区分以系统状态同时间的关系为参照：动态系统是指系统的状态变量是时间的函数，即系统的状态变量随着时间的变化而变化；静态系统则指表征系统运动规律的数学模型不包含时间的因素，系统的状态不因时间变化而变化。稳态与非稳态的区别以系统状态同外部干扰的关系为参照：稳态系统在特定范围内具有保持某种平衡状态的恒定性，即在外部干扰作用下，能够从初始偏离目标状态恢复到平衡状态。而非稳态系统受到干扰时，便会发生目标偏离而无法恢复常态，这时，系统既可能趋于新的稳态，也可能趋于瓦解。
3.按照与外部环境的关系，分为开放系统和封闭系统。凡是能够与外部环境进行物质、能量和信息交换的系统就是开放系统，开放系统的外部特征是存在不断的输入和输出，内部特征是不断进行着自身物质组分的组建和破坏，因此这种系统与外界的交换制约着系统的结构、功能和发展。相反，与环境没有物质、能量交换的系统被称作封闭系统，客观世界并不存在绝对的封闭系统，但它可以作为开放系统开放度微弱到相对于一定目的可以忽略不计程度的系统的一种理论抽象，因此封闭系统是开放系统的一种特殊表现。
（三）系统的特征
一般而言，系统具有以下四个特征：
1.集合性。系统是一个有组织的或复杂的整体，是由相互区别的各要素组合而成的集合。
2.整体性。系统是由两个或两个以上要素构成，与单纯的集合不同，系统表现出与单个要素不同的整体功能，而且整体的功能大于部分功能之和。
3.关联性。系统内各要素之间是有机联系的，相互作用、相互依存的。一个要素结构功能的变化会引起其他要素和整体结构和功能的变化，甚至系统的转化。
4.适应性。绝对封闭的系统是不存在的，系统与外部环境之间存在着相互的联系与作用，系统在与外部环境作用的过程中不断改变以适应外部环境的变化，同时也在作用的过程中能动地改变着环境。
（四）系统的结构与功能
系统由要素组成，但却具有要素所不具备的新的性质，因为系统内部各要素之间存在着非线性的相互作用，也就是说，系统总是结构与功能的统一体。研究系统的结构与功能是人们认识系统规律的重要环节。
所谓系统结构，指的是系统内部各要素之间相互联系和相互作用的方式。它表现为各要素在时间和空间上的组合形式，即系统结构是系统内部要素的秩序。系统的功能指的是系统在与外部环境相互联系和相互作用过程中所具有的行为、能力和功效。可以这样讲，系统的结构提示了系统内部各要素的秩序，系统的功能则体现了系统对外部作用的过程的秩序，体现了系统与环境之间的物质、能量和信息的输入与输出的变换关系。
系统的结构与功能是相互依存的。一方面，结构是功能的基础。如乌合之众不可能具有训练有素的军队的战斗力一样，没有系统要素并按一定的方式组织起来，系统不可能具有特定的功能。另一方面，功能是结构的表现。系统的功能既取决于组成系统的要素，也取决于系统的结构，因此系统的功能既反映要素的特点，也反映结构的状况。系统的结构是否合理，总是通过特定的功能来得以体现。结构蕴藏于内，功能表现于外；结构是相对稳定的，功能则易于变化。结构与功能也是相互制约的，结构决定功能，功能对结构又具有能动的反作用。由于外部环境各种因素的影响，往往使系统的功能不断发生变化，这种变化作用于系统，就会造成系统结构的改变。系统与结构之间的这种辩证关系，具有多种不同的表现形式。
1.结构虽然相同，但由于组成的要素不同，系统表现出不同的功能。如灯泡原先用碳作灯丝的材料，只能连续照明40小时，后来人们改用钨丝，就使灯泡的寿命大大延长。可见改变系统内部的要素，就使系统的功能得到显著提高。
2.要素相同，但结构不同，系统的功能也不同。乙醇和甲醚，都包含6个H原子、2个C原子和1个O原子，分子式都是C2H6O，但由于这此原子之间排列顺序不同，结构方式不同，因而两个化合物的性质具有很大差别。前者是液体，可以任何比例与水混合；而后者是气体，几乎不溶于水。
3.要素和结构都不相同，但却具有相同的功能。如电子钟表、机械钟表与古代的滴漏都具有计时的功能，但它们的要素以及要素的组成方式即结构方式都是完全不同的。由于不同系统之间存在着这种异构同功的现象，所以人们可以利用功能模拟的方法，来达到目的，如计算机模拟人脑，模拟自然生态系统以构建人工农业生态系统等。
结构与功能之间的辩证关系，为人们认识世界和改造世界提供重要的原则和方法。人们可以根据已知对象的内部结构来推测和预见对象的功能，也可以根据已知对象的功能来推测和预见对象的结构，从而根据人们的需要，进行系统的结构及功能的改变，或者对系统的结构和功能进行模拟，达到对自然的充分利用和改造。
（五）系统论的基本原则
贝塔朗菲的一般系统论主要包括开放系统理论、动态系统理论和等级系统理论、生命系统理论，它们都反映了系统论的基本原则。
1.整体性原则。即系统是由各个组成部分构成的有机整体。这是因为，系统中各个要素相互作用产生各要素单独存在或简单相加时所不曾具有的整体效应，系统的总体功能不仅取决于组成要素的状况，而且取决于要素之间的关联。在利用系统观点研究问题时，就不能立足于某个部分，而必须立足于系统整体。从系统的整体性原则出发，即不能将整体与部分混同起来，也不能使整体和部分分割开来，整体是部分的有机统一，同时，在整体统帅部分的前提下，部分的作用也不容忽视，特别是关键性的部分，有时可以影响系统整体功能的基本状况。
2.层次性原则。这一原则指的是，构成系统的要素本身也是由其组成部分按照特定联系和作用方式结合而成，因此作为综合整体的系统便表现出特有的层次性。贝塔朗菲指出：层次结构是系统的"部分的秩序"。系统的层次性在客观世界中有多种多样的表现形式，如在生物系统中，就包含七个结构层次：亚细胞、细胞、器官、机体、群体种、群落、生物圈。七个层次，每个层次都自成系统，但同时又是上一个层次的要素。不同层次通过物质、能量、信息上的传输和反馈，相互联系。需要指出的是，系统层次结构划分是相对的，系统的结构和要素是相对系统的等级而言的，因此需要作具体而辩证的考察，不能绝对化。
3.有序性原则。系统的有序性包括系统结构层次的有序性、时间排列的有序性和系统发展的有序性。系统的性质在很大程度上取决于系统内部要素的作用方式，而这种方式本身就体现了系统的有序性。系统的有序联系保障着系统结构的稳定性，系统有序性的降低意味着系统稳定结构的削弱或瓦解，研究系统的有序性是研究系统运动规律的重要途径。
4.开放性原则。客观世界的系统都是开放的，在考察系统时，不能忽视环境的特殊作用。系统的功能是通过与环境相互作用而表现的，而且系统的性质和状况受制于它与环境之间物质、能量和信息的交换，所以要全面把握系统，就必须立足于系统与环境的辩证关系，坚持开放性原则。这样，只有认识了开放状态下系统的进化，才能用动态的观点来看待系统。当然坚持开放性原则，除注意环境对系统的作用外，还必须看到系统对环境的反作用，系统并不是被动地适应环境，系统在运行过程中，还会对环境起能动的改造作用。
四、控制论与信息论的产生与发展
控制论与信息论是在自动控制技术、通信工程、电子技术、数理逻辑、生物学、医学、神经生理学、心理学和计算机科学等多种学科相互渗透的基础上产生的横断学科。它们研究的是不同系统中信息传递以及控制的共同规律，以实现系统整体功能最优化的目的。控制论与信息论一起，被视为系统科学体系中的技术科学层次，是沟通系统工程技术和系统科学基础理论的桥梁。控制论和信息论不但提供了一套描绘不同系统的统一词汇和概念，而且给出了解决系统特定问题的研究方法，并在实践中取得突出成就，对系统科学的发展起到重要的推动作用。
（一）控制论与信息论的产生
控制论与信息论的产生是现代大工业生产、现代战争的需要，以及20世纪二、三十年代以来现代科学技术革命的推动。
控制论是研究系统控制和通讯等方面共同规律和控制方法的新学科，它舍弃了具体系统的具体控制方法，而探索它们的普遍性质。控制论的创始人是美国数学家维纳（N. Wirner，1894～1964）。1919年他在研究勒贝格积分时就开始接触控制论思想。1935年8月到1936年6月，维纳在我国清华大学任教，在授课期间，他一方面与中国学者李郁荣合作研究电话理论和改善滤波器的设计，另一方面对中国哲学产生了浓厚兴趣，并从中受到启发。维纳认为这次中国之行，是他从一个数学家向控制论转变的分界线。
二战期间，维纳从事设计防空火力自动控制装置的理论工作。为了解决高炮的自动装置对飞机飞行方向和速度的预测问题，维纳用统计的观点处理，得出了从时间序列的过去数据推测未来的方法，建立了维纳滤波理论。维纳指出，控制就是通信，要进行通信就必须了解对象的状态，必须和被控制对象之间建立通信关系。因此他把控制和通信统一起来处理，并从更广意义上抓住和理解通信与控制中最本质的因素----信息。维纳用统计的观点说明通信及控制问题，强烈地冲击了传统思想，而且对创立信息论产生了重要影响。
维纳在对火力自控装置如何避免人或其它偶然因素的影响这一问题的研究中，大大深化了人们对负反馈机制重要性的认识。负反馈把系统输出的状态信息送回输入端再次实施控制，以减少系统状态与规定状态之间的偏差。维纳认为，要使系统的功能满足特定的需要，必须通过反馈过程来获取系统的状态信息，因此，反馈不仅适用于自控装置，而且也是神经等系统的重要特征。1943年维纳与其他科学家合著了《行为、目的和目的论》一文，从反馈角度研究了目的性行为，找到了神经系统和自动机之间的一致性，是第一篇关于控制论的论文。1948年维纳出版了《控制论》一书，明确把"控制论"定义为"关于机器和生物的通讯和控制的科学"，从而宣告了控制论的诞生。
信息论是以信息为主要研究对象，以信息的运动规律为主要研究内容，以信息科学方法论为主要研究方法、以扩展人的信息功能特别是其中的智力功能为主要研究目标的一门新兴的横断学科。信息论的产生与人们为了解决如何能更准确、更迅速、更经济地传递信息的问题联系在一起。19世纪电报、电话出现之后，人类的通信方式发生了根本性的变化，同时，如何提高通信的可靠性和效率也成为人们要解决的中心课题，特别是第二次世界大战中对通信的实际需要，使得对建立科学的通讯理论的要求更加迫切。
信息论的创始人是美国数学家申农（C. E. Shannon，1916～ ）。他借鉴维纳等人的工作，从理论上阐明了通信的基本过程。他认为，通信的基本问题就是精确或近似地在接收端重现发送端的消息。因此他撇开不同通信系统的具体特点，只考虑消息的形式而不管它的内容，使问题得到简化，并建立了一个一般通信过程的系统模型。不仅如此，申农还提出了度量信息量的数学公式以及"信息源码定理"和"信道定理"等。1948年申农在《贝尔系统杂志》上发表了《通讯的数学理论》这一著名论文，从而标志着现代信息论的诞生。早期的信息论是一门用数量统计方法来研究信息处理和信息传递的科学，后来逐渐发展成广义的理论，成了用信息论的观点来研究一切问题的理论，这一理论在美国通常被称为信息科学，在西欧则称为信息系统，在我国叫信息论。
（二）控制论与信息论的基本概念
1．控制
控制论的英文cyberneics源于希腊语，意思是"舵手"，包含着通信和控制的双重含义，因而"控制"是控制论的中心概念，指的是一种带有目的性的因果联系，即产生原因系统（施控系统）与产生结果系统（受控系统）有目的的影响干预。在控制过程中，受控对象存在着多种发展的可能性，即控制在实质上意味着在事物发展的可能性空间中进行有方向性的选择，所以控制作用是带目的性的能动作用。控制作为一种作用和过程，一般包含三个基本要素：施控主体、受控客体和传递控制作用的特定方式或途径。
2．反馈
反馈是系统控制的重要概念，即把系统输入的信息，作用于控制对象后，产生的结果再输送回来，并对信息的输入和再输出发生影响的过程。
通常把反馈分为正反馈和负反馈。正反馈是指如果回送的信号与原输入的信号起的作用相同，原输入信号大，反馈的信号增大，起到增强输入的作用。如原子反应堆中，中子轰击铀原子核，裂变时发出两个中子，这两个中子又可以轰击其他的铀原子核……这是正反馈过程。可以看出，正反馈倾向于系统偏离目标的运动，使系统趋于不稳定。
负反馈是指如果回送的信号与原输入的信号起相反的作用，原输入的信号小，回送的信号起的抑制作用也小，原输入的信号大，回送的信号抑制作用也大，从而反馈系统偏离目标的运动，使系统趋于稳定。
控制系统根据是否具有反馈回路分为开环控制系统和闭环控制系统两种。开环控制就是没有信息反馈作用，系统的输出仅由输入确定的控制系统；而闭环控制系统则包含信息反馈作用。
3．信息
通俗地讲，信息是指具有新内容、新知识的消息（包括文字、数据、情报、信号、指令等）；具体而言，信息是标志事物存在及其关系的属性，是认识主体收到的，可以消除对事物认识不确定性的新知识、新内容。在信息论中信息是指系统确定的程度（组织结构或有序程度）或者是系统不确定的消除程度的标记。
从信息这种界定可以看出，第一，信息不能离开物质而独立存在。信息的产生、传递和贮存，都需要特定的物质作为载体；第二，信息的作用和价值往往受到接收者主观因素的制约和影响，信息能否消除对事物认识的不确定性，取决于接收者原有知识的状况；第三，信息不但具有可识别性、可传输性、可存贮性，更重要的是，信息具有可分享性。这是物质、能量所不具备的。正是由于具有这些特点，使得信息与物质、能量一起，成为人类社会发展所必须的三大资源。
信息是控制的基础。控制过程总是同对系统中的信息进行比较、判断和处理联系在一起。不论是自动机器，还是动物体，在实现特定目的性行为的过程中，都毫无例外地依靠三个部件：首先是效应部件，它根据指令执行特定任务；其次是感受部件，负责收集当前环境以及自身实现目标状况的信息；第三是决策部件，从事对信息的加工、选择及其评价，以此为基础，对自身进一步行为进行决策。可以看出，控制系统就是信息系统，控制过程就是信息运动的过程，是通过决策部件对从各子系统得到的信息进行分析、比较，并做出判断而执行的过程。在这个过程中，目的、信息、反馈和控制不可分割地交织在一起。
4．信息量
所谓信息量，是指"不确定程度减少的量"，或者是"新知识增加的量"。这个定义正如温度对热力学的意义，对信息论的发展起着决定性作用。信息论创始人申农认为，信息量是"两次不定性之差"，也就是不确定性减少或消除的量，而不确定性，在数学上是以概率来计量的。概率P=0，表示消除不确定性最小，即可能性最小或者是不可能，没有信息值。
（三）控制论与信息论方法
控制论、信息论方法是指建立在控制论和信息论基础上的科学方法，它包括反馈方法、功能模拟方法、黑箱方法和信息方法等。
1．反馈方法
反馈方法是指用系统活动的结果来调节整体系统活动的方法，它是一种运用反馈概念来分析和处理问题的方法。运用反馈方法提示技术过程、生理过程、心理过程和社会实践过程调节控制的共同规律，成为人们对各种类型的系统实施控制的一种普遍有效方法。反馈方法在现代科学研究与科学管理中具有重要作用：
2．功能模拟法
所谓功能模拟法，就是以功能和行为相似为基础，在未弄清或不必弄清原型内部结构的条件下，用模型再现原型的功能和行为的方法。也就是说，功能模拟撇开事物间的具体组成结构形态或运动形式，只是对事物间的"功能"或"行为"进行模拟。如人眼和雷达，人眼受神经控制，而雷达则是无机界的机械系统，它们的形态、结构及运动形式都有很大差异，但是他们搜索目标的功能具有同一性。这种同一性是机器模拟人和动物的基础，使机械模拟人成为可能。
3．黑箱与黑箱方法
所谓黑箱，就是指其内部构造和机理还不清楚，但可以通过外部观测和试验，考察其输入与输出的情况，去认识其功能和特性的系统。客观世界中许多事物，当人们不可能、不允许、不必要深入了解其内部细节，还不清楚其内部详细情况时，都可以看作是黑箱。相对黑箱还有灰箱和白箱。对其内部情况了解一二，但又不很清楚，则称为灰箱，如果都已清楚明白，就是白箱。
所谓黑箱方法，就是不打开黑箱，仅利用外部观测、试验，通过输入、输出信息及其动态过程来研究黑箱功能和特征，探索其构造和机理的科学方法。如人脑就是一个黑箱，它具有记忆、联想、学习等功能，但要了解人脑的机理却不能通过直接解剖的方法来完成。
黑箱方法实施的步骤是，首先确定黑箱系统，即根据黑箱的性质和研究内容明确它同周围环境的边界，把黑箱从环境中"分离"出来，并确定黑箱与环境信息交流的主要通道。其次，通过观测和实验，考察黑箱。观测是在系统不受干预和不对系统干预的情况下，测量其输入和输出及其动态过程，取得输入、输出和变化的数据。实验则是在系统的输入端有目的地加入某种测试信号，然后从输出端观测输出结果，以获取研究对象的有关信息。再次，依据考察结果，在系统分析黑箱的基础上，建立黑箱模型。最后，以已建立的模型为基础，解释或阐明黑箱的功能特性，推测黑箱的内部结构和作用机理，观测黑箱的未来行为。
4．信息方法
信息方法就是运用信息论的观点，把系统的过程当作信息传递和转换的过程，通过对系统信息流程的分析和处理，来揭示系统内部机理达到对系统运动过程的规律性认识，或是通过建立适当的信息模型和合理技术手段来模拟系统的高级行为的研究方法。信息方法是紧紧围绕着信息在系统内部的运动，既不割断系统的联系，也不机械地综合，而是以信息为基础，从整体出发，用联系、运动、转化的观点综合系统过程，探索系统规律的研究方法。
运用信息方法基本要求是以信息概念作为分析问题和处理问题的基础。即，撇开对象的具体运动形态，把系统的有目的的运动过程抽象为一个信息交换的过程。一般而言，系统中的信息交换过程包括以下四个环节：信息的输入、信息的传输与贮存、信息的处理、信息的输出
运用信息方法研究一个系统，要着重研究该系统信息运动的上述四个环节。在这四个环节中，信息处理是整个系统信息运动的重点。在系统有目的的运动过程中，反馈机制的存在对系统按照预定目的实现控制具有重要意义，因此保证反馈信息的存在并有效地发挥其作用是运用信息方法的关键。
五、自组织、非线性与探索复杂性
贝塔朗菲的一般系统论作为系统科学的基础理论，明确了系统研究的重要意义，研究了系统的最一般性质，如整体性、动态性及相互作用等。但是，一般系统论的研究主要停留在静态的角度和逻辑方法上，它建立了一个逻辑上和观念上的系统概念模型，并从这个概念模型合理推导出一些基本原理。这种模型和这些原理主要揭示了已经形成的系统在特定存在状态下的规律，但关于系统形成及其发展的问题还尚待研究，还需要运用实验和数学的方法探讨系统运动发展的内在机制。
系统科学的新进展体现在新兴的自组织理论、非线性科学和复杂性科学之中，它们都从不同侧面研究系统发展这一中心问题。系统的发展意味着系统组织化和有序化程度的提高，自组织理论正要刻划客观事物这种结构化、有序化和系统的过程。而系统之所以能够实现自身的组织化和有序化，又是因为在系统中存在着非线性的相互作用。线性相互作用具有累加性，它不会产生新的性质，自然不可能在系统中产生新的结构。而非线性相互作用具有相干性，可以通过部分之间的相互制约和相互耦合形成在总体上完全不同于各部分的系统效应，正是因为大自然大量存在的相互作用是非线性，物质世界才普遍经历着从无组织的混乱状态向不同程度的有组织状态的演变。由此可见，对于非线性问题的研究，既是非线性科学的主题，也是自组织理论的基本内容。另一方面，关于系统自组织问题的研究，也促使人们改变了"现实世界简单性"的观念。认为自然过程是简单的，可归结为某一个基本的简单层次，这是古希腊以来西方科学的基本主张。但是正如普里高津（I. Progogine，1917～ ）明确指出的，通过对系统自组织过程的探讨，"我们发现我们自己处在一个可逆性和决定论只适用于有限的简单情况，而不可逆性和随机过程却占统治地位的世界之中"。不论是宇宙世界中天体的形成和演变，还是微观领域中粒子的相互转化和湮灭；不论是生物的繁衍，还是人类的延绵，到处都表现出不断增加着复杂性和多样性的进化行程。这一事实不但表明简单性并不是自然界的本质属性，复杂性包含于自然法则中，而且同时表明了以探索客观世界复杂事物为对象的复杂性科学，必然是与研究系统发展问题为任务的自组织理论交织在一起的。
对系统问题的实验研究始于维纳创立的控制论，但到20世纪60年代末和70年代初，才形成比较成熟的理论，主要有耗散结构理论、协同论、混沌理论、分形学、超循环论和突变论等。限于篇幅，这里只对耗散结构理论、协同论、混沌理论、分形理论进行简介。
（一）耗散结构理论
所谓耗散结构，就是一个远离平衡状态的开放系统（主要是力学的、物理的、化学的、生物的等等）在外界条件达到某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统不断通过与外界交换能量与物质，可能从原有的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡状态下的新的有序结构，就是耗散结构。
耗散结构是对应于平衡结构的概念而提出的。人们长期研究的主要对象是平衡的有序稳定结构，如晶体、液体等。这种结构在一定的条件下保持着一种稳定的结构，系统内部的热运动不能破坏系统整体的有序态，只有在条件激烈变化下，系统才可能由平衡的稳定有序状态变为不稳定的无序的混乱状态。
原先人们认为倘若体系先是处于一种混乱无序的非平衡状态中，是不可能在非平衡状态下呈现出一种稳定有序的结构的，因此无法解释在生物界和社会系统中占统治地位的演化，因为这些演化都是从无序向有序、从低级向高级的进化。只有耗散结构理论才能解释这种演化，从而解决了热力学与进化论的矛盾，改变了这种观点。耗散结构与平衡状态下的稳定结构不同，稳定有序的平衡结构是一种"死"结构，它不需要外界供应物质和能量来维持，稳定有序的非平衡结构则是一种"活"结构，它要求不断地与外界发生物质和能量的交换，才能维持它的有序状态，它正是通过这种有序的状态去耗散物质和能量的。
产生耗散结构需要具备以下基本条件：
（1）系统必须开放。孤立系统只能出现熵增，最终导致有序结构的破坏。只有开放系统，才能从外界输入负熵流来抵消系统本身的熵增，才能使系统从无序走向有序或使系统保持有序状态。
（2）系统应当远离平衡态。处于平衡态或近平衡态的系统不会出现新的有序结构，只有远离平衡态，原有定态的稳定性及其对涨落的独立性才失去保证，才有可能形成新的有序结构。
（3）系统内部应当存在非线性相互作用。由于非线性作用具有相干和耦合的特点，这是系统产生新的整体性质和功能的必备前提。
（4）涨落导致有序。系统处于平衡态时，涨落只能使系统发生暂时的偏离，最后仍将回到原有的稳定态。在远离平衡态时，系统中一个微观随机小扰动就会通过相干作用得到放大，成为整体的宏观"巨涨落"，推动系统从一个不稳定态跃迁到一个新的稳定的有序状态，这里涨落成为驱动系统由原来的稳定分支演化到耗散结构分支的原初推动力。
耗散结构理论通过对非平衡系统自组织过程的刻划，从一个侧面科学地说明系统从无序向有序转化的具体机制，解决了长期以来存在的热力学和进化论之间的矛盾，把物理世界的演化规律和生物领域的发展规律初步统一起来，为用物理学、化学方法研究生物界和社会领域的问题开辟了道路。
（二）协同论
协同论是德国理论物理学家哈肯（H. haken，1927～ ）于20世纪60年代创立的关于系统自组织问题的新学科。它主要研究在由许多系统构成的复杂系统中，这些子系统如何通过协作和自组织而形成宏观尺度上的空间结构、时间结构或功能结构。1977年出版的《协同学导论》是协同论正式成立的标志
协同论主要回答的是：能否找到某种能够支配存在于各类系统中的自组织现象的一般原理，这种原理与系统组成部分的性质无关。哈肯认识到，完全不同学科的完全不同系统的行为之间存在着惊人的相似性，因而有可能采用同样的数学模型和理论来描述不同系统从无序向有序转化的机制。哈肯将表征激光的相变概念引入了非平衡系统，把非平衡有序结构的出现看作一种由子系统间的相互作用而引发的相变过程。
为了有效地描述系统的状态和结构，以研究系统演化进程中的共同特征和普遍法则，哈肯将影响系统行为的众多变量划分为两类：一类在临界点附近阻尼大、衰减快的快驰豫参量，或称快变量；一类是在临界点附近阻尼系数趋于零的慢驰豫参量，或称慢变量。快变量能够迅速地按指数衰减达到某种稳定状态，因此对于系统的演化影响很小；而慢变量固有驰豫时间很长，甚至趋于无穷，能够促使系统偏离原有的稳定状态，并引导系统逐步进入新的状态，形成新的结构，对系统的发展具有特别重要的意义。哈肯经过严格的数学论证，描述了这两类变量在自组织形成过程中的地位和作用，提出了协同论的支配原理：在系统到达临界点时，快变量受到慢变量的支配和役使，慢变量决定和控制着快变量，从而导致新的结构的产生，因此，慢变量决定整个系统的秩序和有序程度的变化。
根据支配原理，对一个复杂系统，不必考虑它的微观子系统的所有参量，以及所有子系统的存在和作用方式，而只需要选择一个或几个能够有效描述系统宏观秩序的参量，就能了解它的宏观有序状态以及整体变化宏观模式，这个参量就是序参量。从另一种意义上，序参量与慢变量是等价的。如，当激光器的输入功率达到阈值后，它便发射出以正弦波形式存在和运动的激光。光波的概念能够反映光的这种特殊运行模式，光波振幅以及波长能够描述激光的强度和颜色。因此，可以选择光波振幅或光场强度作为序参量，来刻划激光系统的有序程度和宏观状态。
（三）混沌理论
混沌是非线性耗散系统中存在的一种普遍现象。从系统演化看，远离平衡态的系统的有一种可能发展方向，就是从通常意义上的有序结构状态向混沌结构状态转变。混沌理论正是研究混沌的特征、实质、发生机制，以及探讨如何描述、控制和利用混沌的新科学。混沌理论形成于20世纪60年代，其主要标志有两个：一个是研究哈密顿系统运动稳定性问题的KAM（柯尔莫哥洛夫－阿诺德－莫什尔）定理的提出；二是洛伦兹（E. N. Lorenz）用计算机模拟大气湍流，发现了具有非平庸吸引子（奇怪吸引子）的第一个模型----）。


4－4－1：洛伦兹吸引子
吸引子由两片构成。各片各自围绕着原来的一个不动点，运动轨道在一片中由外向内绕到中心附近后，"随机地"跳到另一片外缘继续向内绕，再突然跳回到原来那片的外缘。
混沌理论研究的对象是具有确定性的非线性系统。"混沌"译自英文"Chaos"，原意是紊乱、无序和无规律，但混沌理论中的混沌指的不是纯粹的无序，而是确定的随机性。"确定性"是因为混沌由内在的原因而不是外来的噪声或干扰所产生，即过程是严格确定性；而"随机性"指的是不规则的，不能预测的行为。可以说，混沌是确定性规律决定的非线性动力学系统本身产生的随机的不规则的宏观时空行为。
系统如何从非混沌态向混沌态演化，是混沌理论研究的重要问题，根据目前的研究状况，以下三条道路是比较重要的。
1．倍周期分岔道路。本来是按周期行为有序变化的系统，随着控制参量的不断变化，运动周期逐次加倍，终于成为非周期运动而进入混沌状态。
2．阵发道路。系统从有序向混沌转化，在非平衡条件下，控制参数的变化达到特定临界阈值时，系统就会时而有序，时而混沌，在这两种状态之间振荡。如果有关参数继续变化，系统则会由阵发混沌发展到完全混沌状态。阵发混沌与倍周期分岔产生的混沌是伴生现象，在存在倍周期分岔的系统中，大多数都可以发现阵发混沌现象。
3．茹勒－泰肯（Ruelle～Takens）道路。具有三个不可约频率成分的准周期运动，可以直接失稳进入混沌。在这类系统中，只要三个慢变量变化，就必然会出现混沌，并不需要更多的慢变量变化和快变量的叠加。而系统微观上的混沌可能是宏观上规则慢运动的基础。这种道路是茹勒和泰肯最早提出的。它的关键特征是通过准周期运动的换稳而进入混沌，所以，也被称为准周期失稳道路。
（四）分形学
山是什么形状？云为什么这般模样？这些看似简单却难以回答的问题就是分形学所要解决的问题。 "分形"一词译自英文fractal，意指"不规则的"、"支离破碎的"。该词由数学家曼德尔布罗特（B. B. Mandelbrort，1924～ ）新造，用以描述自然界中极不规则、极不光滑的物体形体：弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉、粗糙不堪的断面、枝繁叶茂的树木、飘飘飞扬的雪花、变化无常的浮云和九曲回肠的河流等等。这些形体普遍存在于自然界中，但在经典几何学中却被视为反常或"病态"，因而长期以来被排斥在几何学的研究范围之外。直到60年代后，主要由于曼德尔布罗特的创造性工作，加上计算机显示技术的帮助，以及在混沌等复杂现象研究中的应用，终于使以研究分形体的几何特征、数量表征及其普适性为任务的数学理论――分形几何学得以确立。曼德尔布罗特的《分形、形态、机遇和维数》及其修正本《自然界的分形几何学》是分形理论问世的重要标志。
分形可定义为具有非均匀分布和自相似层次结构的客体。它既包括数学构造的分形，也包括自然界中的分形。数学分形有两个特点：（1）构造方法是规则的，分形比较简单，分维易于计算；（2）自相似的层次是无穷的，即具有无穷嵌套自相似结构。科赫雪花曲线就是典型的数学分形。同数学分形相比，自然界中的分形有两个重要区别：一方面，自然界的分形不是按照一定规则构造出来的有规分形，而是一种具有自相似分布的随机对象，是一种无规分布；另一方面，自然界分形的相似层次是有限的，任何物质客体在大小两端都受到一定特征尺度的限制，分形只存在于特定的限度内，不存在无限的自相似层次。自然界中的分形现象非常普遍，例如布朗粒子运动轨迹、海岸线等都是分形曲线。
系统科学及其在当代的发展，不但代表着自然科学研究的重要成就，而且也深刻地改变了人们的世界观和方法论。在19世纪末，马克思和恩格斯根据当时的最新自然科学发现，创立了辩证唯物主义。系统科学的发展一方面通过各种系统理论为之提供了更加坚实的科学基础；另一方面，它也提供了各种科学方法，从而使以普遍联系和永恒发展为基本特征的辩证思维方式以具体可操作的方式得以展现，系统科学极大地丰富了马克思主义的辩证唯物论。与此同时，系统科学也提出了许多新的哲学问题，要求人们在更深层次上理解整体与部分、决定性与随机性、有序与无序、简单与复杂、偶然与必然之间的内在关系。而对这些问题的深入研究也必将对人类认识水平的提高和社会经济、文化的发展与进步产生重要作用。