系统研究与系统参照系（1）
陈雨思
(四川大学 成都 电子信箱 chenyusi5225@yeah.net)
[摘要] 在科学研究中，无论观察、实验还是给事物下定义，都与系统参照系有关。系统研究的复杂性和不确定性，使得专门进行系统参照系研究成为必要。可以采用定性与定量相结合的方法来进行系统参照系分析，而通过等价分析、粗细分析、层次分析、稳定性分析、能控性分析等，就可能寻找到能够准确、全面、本质、稳定和简单地描述系统的优良系统参照系。如根据系统参照系的层次分析可知,任何系统研究，都是在基元、相互关联(与相互作用)、存在三个层面上进行，按对三个层面侧重的程度不同,系统研究可以呈现六种层面特征。系统参照系研究不仅对于系统科学具有重大意义，而且对于人类思维方式的改进具有重大意义。采用系统思惟方法，把握参照系的同一性,就可以使我们对问题的认识既比较全面，又比较本质和简单。
[关键词] 系统参照系; 同态 ；同态学
[中图分类号] N941.4 ［文献标识码] A [文章编号]
一.从游庐山说起
研究系统参照系，是要解决这样一个问题,即采用什么系统参照系，才能更准确、全面、本质、稳定和简单地认识系统。
我们所面对的系统太复杂,不可能仅仅从某个参照系就能把它看清楚。我国古代著名诗人苏东坡有首咏庐山的诗“横看成岭侧成峰，远近高低各不同,不识庐山真面目,只缘身在此山中。”，就讲的是从不同角度(参照系)观察世界(系统)的问题。
为了认识如庐山这样的复杂系统，我们应该从不同角度来观察它。“横看”、“侧看”、“远看”、“近看”、“高处看”、“低处看”、“山中看”、“山外看”，把从不同角度看到的信息综合起来，以达到对庐山这样的复杂系统的全面认识。
但是，庐山这个复杂系统的信息是难以穷尽的，我们精力有限，总希望在众多的信息中选择最能表达庐山的信息。况且，即使我们把所有庐山的信息都获取了，也不一定能对庐山的结构、功能和运动规律有确实的了解。因为大量冗余信息掩盖了最能表达庐山的本质信息。因此，我们要在众多观看庐山的角度中选择最佳角度，以达到对庐山的更简单、更本质认识。
另外，还有一个对庐山的准确认识问题。因为观看庐山的角度有远近高低、静态、动态诸种情况，例如：在汽车上观看庐山,就是动态的。观看角度不同，对庐山认识的准确情况就不同。
以上关于游庐山的例子，也适于一般系统研究。对于一般系统，我们也要“横看”、“侧看”、“远看”、“近看”、“高处看”、“低处看”、“山中看”、“山外看”，要选择最佳角度，要把握观看角度的静态、动态诸种情况。这些在严格系统科学意义上，就归结为系统参照系研究。研究系统参照系,对于科学地选择系统信息，尽可能准确、全面、本质、稳定和简单地认识系统，具有重要意义。
二.实验的参照系本质
如果从纯科学的角度看,游庐山可从说是应用观察方法获取系统信息。获取系统信息还有一个重要的方法—实验。实验方法也与系统参照系具有密不可分的关系。
自从十六世纪伽利略以他的温度计和望选镜为近代实验科学举行奠基礼后，自然科学摆脱了从权威和理性的推演中寻找结论的老路，而走上了以科学实验为基础来揭示大自然秘密的正确之路。从此,
科学便以突飞猛进的姿态向前迈进。到了今天，科学实验己经成了科学研究的主要手段之一，几乎每个搞科学的人都或多或少要接触实验，然而,
科学实验的本质何在呢?
如果从最广的意义上来研究科学实验，那么可以说，实验做为一个过程，就是指实验装置、对象系统、实验者之间的相互作用。由于实验装置是一个系统，实验者也可以是一个系统，那么，我们也可以说，实验就是实验装置系统、对象系统、实验者系统之间的相互作用。
不过，实验与一般的相互作用具有不同之处，这就是实验者系统在参与实验中带上了目的性。实验的目的性就在于提取对象系统存在的信息。因此，所谓实验，就是基于提取对象系统信息的实验装置系统、对象系统、实验者系统之间的相互作用。
在传统的科学实验概念中，实验装置是指人们为实现科学认识的目的而创造出来的人工制造物。现在这个观念已经比较狭窄了。事实上，不仅人工的制造物可以做实验装置，而且非人工的存在物也可以成为实验装置，这类装置可以称之为“自然装置”。因此，所谓实验装置，就包括了人工的和非人工的两类装置在内。从最终意义上来说，实验者必定是自然人，但是，从广义上，实验者也可以是机器人，因而，实验者的概念也就包括了自然人和机器人。
总的说来，对象系统存在着信息，而装置系统（机器人也可以是装置，不过归于实验者系统了）表达信息，实验者系统则是设计和控制实验，记载和处理信息。这样，凡能表达对象系统信息者均属实验装置，凡能设计和控制实验，记载和处理信息者均属实验者，由此，我们可以获得一个广义的实验模型(图略)。实验模型表明，实验是实验装置系统、对象系统、实验者系统间之间的相互作用。
现在我们来对实验装置系统表达对象系统信息的本质进行讨论。
任何实验装置系统对于对象系统不外有五个方面的功能：
①变革对象系统。如用中子炮弹轰击原子核；
②接受对象系统的作用，引起自身的某种变化(或者自身虽然不变，但其与对象系统的差异发生变化)，如：温度计刻度的变化；
③放大或缩小这种变化，使其成为可感知的；
④传递变化；
⑤处理变化。
在上述5种功能中，第1种功能可以归到对象系统中去，因为变革对象系统后，所测的信息已不是原来对象系统的信息，而是变革的施加者和对象系统相互作用的结果。而第3、第4、第5种功能是一种信息的传递和变换，它只决定信息的形式，而不决定它的内容。
对于对象系统的形式和内容均会发生影响而它又不属于对象系统的功能是第二种功能。当我们说“实验装置表达对象系统信息”时，主要就是指实验装置的这种功能。实验装置表达信息的这种功能有如下几方面特点：
第一，当我们用某一实验装置表达对象系统信息的时候，由于该实验装置本身的局限性，则该装置就对于对象系统信息的表达有了严格的限制，即它只能表达由该装置所决定的那些信息。
第二，实验装置在表达信息时，自身并不是超越于过程之外，而是通过相互作用来实现的。因此，其表达出的信息与装置自身的性质是有关的。虽然可以用各种方式消除装置的影响，但绝对消除是不可能的。
第三，任何一种实验装置，必定是通过与基态相比较来表达信息的。正如老子所说：“长短相形、高下相倾、音声相和、前后相随”，这就说明了实验装置表达信息是与基础状态相比较来进行的。例如：温度的零点，时间的始点，长度的零点，都是基础状态。
第四，对象系统的任何信息，总要通过某种相异物才能表现出来，信息总是通过表达而存在着。在自然界中不存在一种不被其它事物表达的“绝对信息”。因此，对象系统的任何信息，总会也只有通过某些实验装置而获得表达。
由于实验装置总是通过一定基态来表达信息；且这种表达出来的信息与装置的性质不可分离；同时任一装置都对表达的信息有严格限制；而对象系统的任何信息，都总会也只有通过某些实验装置得到表现。因此，任何一种实验装置，都具有一种系统参照系的意义，科学实验的本质是通过一定的系统参照系来获取获取对象系统信息。
三.定义的参照系前提
任何科学都必须有其独立的科学对象。为了正确地进行科学研究，必须对科学对象给以明确的界定。
任何科学都要涉及科学概念。科学概念是科学思维的基本形式之一，它反映科学对象的一般的、本质的特征。为了准确地使用科学概念，必须对科学概念给以明确的界定。
任何科学都是以概念和逻辑形式的理论体系来反映事物的，人们对科学对象的认识最后都必须凝结在科学概念和科学理论的形式中。在通过科学概念进行逻辑推理进而建立科学理论过程中，必须对某些科学观念给以明确的界定。
因此，在科学研究中，给事物下定义是非常重要的。
古希腊的亚里士多德在《论辩篇》中论述了什么是定义和应该怎样下定义的问题,他把定义规定为“表明事物的本质的短句”。要正确地给事物下定义,就要掌握事物的本质，因之下定义的过程就是认识事物的过程。
按现在的观点，定义是对于一种事物的本质特征或一个概念的内涵和外延的确切而简要的说明。
虽然下定义在形式上是主观的，是科学家想象力、创造力的结晶，但是，一个定义下得好不好，能否表明事物的本质特征，却与系统、系统的参照系、系统的信息有关。
前面讨论过观察和实验。观察和实验的目的是获取对象系统的信息；观察要基于一定的参照系,实验装置具有某种参照系的意义；观察和实验要有对象。而科学家要对获取的信息进行处理并且在科学研究中处于控制地位，故可以说，科学研究是科学家对系统、系统参照系和系统信息的三维相互作用进行调控的活动(图略)。
科学家下定义是根据所获取的系统信息，而系统信息是通过观察和实验获取的，观察和实验离不开系统参照系，因而系统信息与系统参照系存在着对应关系。也就是说，每一种特殊的系统信息都有确定的系统参照系与之对应；而每一种特殊的系统参照系也都有确定的系统信息与之对应。
科学家是怎样下定义的呢？科学家在下定义时,一般是通过各种理性和非理性方法，去寻找所获取的系统信息的共同的本质属性,
也就是系统信息的同一性，然后对于系统信息的本质特征给以确切而简要的说明。而当科学家这样做的时候，他就对于系统信息进行了选择，而由于系统信息与系统参照系存在着对应关系，因而，科学家也就对于系统参照系进行了选择。
可见，科学家下定义的过程，既是进行系统信息选择的过程，也是进行系统参照系选择的过程。
科学家通过系统信息选择而对系统参照系进行的选择，在其后的科学研究中充分体现出来。
普里戈金在谈到实验信息选择时曾说到：“所有其他的东西都不是信息，而是瞎扯，是可以忽略的次级效应。自然很有可能拒绝问题中的理论假设。不过，后者仍被用作一个标准，借以去量度响应的蕴含和意义，而不管这种响应可能是什么。”
“在自然现象的具体复杂性中，必须选择一种现象，认为它最能以明确方式体现这种理论的含义。然后把这个现象从周围环境中抽象出来并“搬上舞台”，使理论能以可传授的和可再生的形式受到检验。”[1]
当科学家通过系统信息选择而确定系统参照系之后，它也就对于研究对象有了某种限制。例如：我们用微分方程来描述系统,根据微分方程形态而把系统划分为线性系统和非线性系统。因而，科学家就可以分别对线性系统和非线性系统进行研究。
对于同一系统，科学家也可以根据不同的系统信息选择和系统参照系选择来进行研究,例如：苗东升讨论过复杂性的根源,[2]指出:源于系统规模的复杂性、源于系统结构的复杂性、源于开放性即环境的复杂性、源于动力学特性的复杂性、源于非平衡态的复杂性、源于不可逆过程的复杂性、源于非线性的复杂性、源于不确定性的复杂性、源于主动性和能动性的复杂性、源于系统组分智能的复杂性、源于人类理性的复杂性、源于人类非理性的复杂性等等.科学家可以根据复杂性的根源来对同一系统的不同方面进行分别研究。
四.为什么要专门研究系统参照系
既然观察和实验都与系统参照系有关，科学家下定义也是通过系统信息选择而进行了系统参照系选择，那么，我们只要对观察、实验和下定义问题进行研究就行了，为什么还要专门研究系统参照系呢？其基本理由来源于系统科学的研究对象—系统的复杂性和不确定性。
在《克服不确定,发展系统科学》一文中，作者曾经指出，系统的复杂性和不确定性，使得系统科学出现了不确定性，为了克服系统科学的不确定性，必须进行系统参照系研究。
复杂体系的基本特点是体系运动自由度非常巨大，而且体系的运动多是非线性的，这种非线性使得小参量，微小作用在体系中显得很重要，这又使得对对象体系参量的抽象变得很复杂。
对象体系的设定和对象体系参量抽象的复杂性，使得研究对象、研究模型、研究过程和结果都带上了主观性和不确定性，这就使得系统科学带上某种文化色彩而不具有如牛顿力学一样的唯一性结果。这种非唯一性我们称之为系统科学的不确定性。系统科学的不确定性使得这门学问受到严重挑战。
在《克服不确定,发展系统科学》一文中，作者曾经讨论过系统定义中存在的不确定性；人们在就牛顿、克劳修斯、达尔文的矛盾进行讨论时因忽略参照系而带来的不确定；建立系统模型时因忽略大量次要因素而带来的不确定。要克服这些不确定，必须进行系统参照系研究。
另外，还有一个系统信息获取问题。
按科学研究的要求，科学研究应掌握研究对象的真实而全面的信息
系统的复杂性和不确定性使得系统信息获取的“真实”、“全面”本身成为一个复杂问题。
如果粗略地看，真实值是一种客观存在，用最精密的仪器测出来就是了。然而，问题并不如此简单。系统的混沌性、模糊性、突变性、定态涨落等等，都告诉人们，真实值本身具有复杂的内涵。那么，关于真实性的获取问题，也就变得十分复杂。
另一个是“全面”问题。
系统研究面对的是一个天文数字般的客观信息集合，它不可能处理对象系统的全部信息,而必须有所选择。
那么, 它依据什么标准来进行信息选择呢?
它该忽略哪些信息呢?
它怎样进行信息简化最能触及系统运动的本质呢?
研究者在进行信息选择时是否具有主观性、随意性，是否受选择者的文化背景和兴趣影响呢?
这些都是系统研究必须回答而未能回答的问题。而要回答这些问题，必须进行系统参照系研究。
在《克服不确定,发展系统科学》一文中，作者曾经指出，系统科学进一步发展必须解决系统参照系的建立、系统信息的科学选择、系统状态的科学描述、系统的规律(规范、规则)等的揭示等4个问题。实际上，这4个问题的解决都与系统参照系研究有关。