自组织理论实际上是由耗散结构理论、协同论、超循环论、混沌、分形等理论分支构成的理论群的统称，还没有形成一个严密、统一的理论体系。上述科学理论均产生和形成于20 世纪 60和 70 年代，它们都是从时间发展的角度研究系统的演化行为和性质。20世纪60年代，人们的普遍思维模式往往受系统论、信息论、控制论等关于系统的理论深深影响。普里高津认为，其实也可以把经济想像成是 1969年，以比利时物理学家兼化学家普里高津为首的布鲁塞尔学派率先研究非平衡态不可逆过程，并由此创立了系统科学的新学说——耗散结构理论（Dissi-pative struc tures Theory），成为系统自组织理论的开拓者。同年，联邦德国物理学家哈肯（H。Haken）创立了协同学（Synergetics Theory）；法国数学家托姆（R。Thom）1970 年创立了突变论（Catastrophe Theory）；联邦德国生物物理学家艾根（M。Eigen）1971 年则创立了超循环论（Hypercycle Theory）。同时，自组织理论群还有混沌（Chaos Theory）、分形（Fractal Theory）等理论分支。自组织理论对世界上的自组织现象进行了深刻地研究和揭示，对时间本质问题等的研究取得突破性进展，在相当程度上说明了生物及社会领域的有序现象。实质上，自组织理论的本质是一种新的世界观和方法论。自组织理论属于复杂科学（Com-plexity Scienc e）的范畴，主要是研究复杂性和复杂系统的科学。成思危教授（2000）认为系统的复杂性主要表现在：第一，系统各单元之间的联系广泛而紧密，构成一个网络。因此每一单元的变化都会受到其他单元变化的影响，并会引起其他单元的变化。第二，系统具有多层次、多功能的结构，每一层次均成为构筑其上一层次的单元，同时也有助于系统的某一功能的实现。第三，系统在发展过程中能够不断地学习并对其层次结构与功能结构进行重组及完善。第四，系统是开放的，它与环境有密切的联系，能与环境相互作用，并能不断向更好地适应环境的方向发展变化。第五，系统是动态的，它处于不断地发展变化之中，而且系统本身对未来的发展变化有一定的预测能力。
2.2.1 耗散结构理论
19世纪中期以来，统计物理学基于热力学定律被建立起来，但是热力学与牛顿经典力学和达尔文的进化论之间产生了深刻的矛盾，主要体现在时间的方向性矛盾方面，涉及系统的非平衡态不可逆过程。在这个矛盾面前，普里高津领导布鲁塞尔学派深入研究长达 20 年，最终在贝纳德对流、贝洛索夫-扎鲍廷斯基（Belousov-Zhabotinsky）化学振荡实验基础上，创立了比较系统的耗散结构理论，成为自组织理论的核心之一。
耗散结构理论的创立者普里高津是1977年诺贝尔化学奖得主，全世界有 40 多所大学授予他荣誉学位，有5所致力于复杂系统研究的机构以他的名字命名。普里高津青年时的梦想是献身于解决时间之谜来求得科学与哲学的统一；他在非平衡物理学领域的杰出成就使其梦想成真。普里高津始终坚信，认识耗散结构乃至更一般地认识复杂性的动力学起源，是当代科学最引人入胜的概念难题之一。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里高津的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。
耗散结构理论改变了人类的世界观和方法论。牛顿和爱因斯坦确立的自然法则，描述了一个无时间的确定性世界。从经典的牛顿力学到相对论和量子力学，均未包含过去与未来之间的任何区别，即意味着时间是可逆的。爱因斯坦常常说：“时间是一种错觉”。普里高津则证明，确定性才是一种错觉。普里高津指出：“自然界既包括时间可逆过程，又包括时间不可逆过程。但公平地说，不可逆过程是常规，而可逆过程是例外。”这样，未来不再由过去所确定，过去和未来之间的对称性被打破了。普里高津认为我们生活在一个可确定的概率世界，生命和物质在这个世界沿时间方向不断演化，确定性本身才是错觉。耗散结构理论表达了一种与西方科学的经典还原论不同的整体自然观。
“耗散”一词起源于拉丁文，原意为消散，在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。1969 年，普里高津在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念。1971 年普里高津等人写成著作《结构、稳定和涨落的热力学理论》，比较详细地阐明了耗散结构的热力学理论，并将它应用到流体力学、化学和生物学等方面，引起了人们的重视。1977年普里高津等人出版著作《非平衡系统中的自组织》，进一步发展了耗散结构理论，包括用非线性数学对分岔的讨论，从随机过程的角度说明涨落和耗散结构的联系，以及耗散结构在化学和生物学等方面的应用。
耗散结构理论主要研究开放系统的演化问题。主要观点包括：系统必须是开放的，通过不断地与外界进行物质、能量和信息的交换，引入负熵流抵消自身的熵产生，才有可能从无序的状态向新的有序状态转化；系统内部必须存在一种非线性相互作用，只有非线性作用才能引起系统根本性质的变化，即量变过渡到质变；随机涨落实现系统从无序向有序的演变。当系统处在分支点后，任何微小的涨落都可能放大并在整个系统内关联放大形成巨涨落，推动系统进入更新，由不稳定跃迁到一个新的稳定的有序态。
2.2.2 协同论
协同学的创立者哈肯（H。Haken）是联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家、德国功勋科学家，他早年首先获得了数学哲学博士学位，继而又攻读理论物理，后来成了激光专家。1971 年他提出协同的概念，1976年系统地论述了协同理论，发表了《协同学导论》，还著有《高等协同学》等著作。协同论的创始人哈肯说过，他把这个学科称为“协同学”，一方面是由于所研究的对象是许多子系统的联合作用，以产生宏观尺度上结构和功能；另一方面，它又是由许多不同的学科进行合作，来发现自组织系统的一般原理。哈肯认为，协同学给我们提供一种关于自身起源的理论和自身得以确立的机制。
哈肯在20世纪60年代研究激光系统的过程中发现，激光是一种典型的远离平衡态的由无序转变为有序的现象。一个气体激光器，当泵浦输送给原子系统的能量没有达到一定的临界阀值时，每个活性原子都独立地无规则地发射光子，光子的频率相位都是无序的，彼此没有相干性，整个光场处于无序状态。当泵浦的能量加强到某一临界阀值时，激光器会突然发射出单色性、方向性、相干性极好、功率很强的受激辐射光，频率和相位都变为有序，光场系统处于非平衡的有序状态。哈肯透过激光这一非平衡系统有序的变化过程的特殊实例来寻求非平衡系统有序结构的形成和转化的普遍规律。他考察分析了不同领域中大量的非平衡有序结构形成现象，惊奇地发现，尽管所考察的事物千差万别，但其有序结构的形成过程与不同条件下激光的形成都遵从相同的数学方程。哈肯认为各种非平衡系统有序结构的转变都为某一个相同的原理所支配：一个非平衡系统是由大量的子系统所构成的，在一定的条件下，子系统之间通过非线性耦合相互作用产生协同现象和相干效应，使系统形成有一定功能的自组织结构，在宏观上便产生了时间、空间或时空的有序结构。换言之，不同系统中的子系统的性质虽然千差万别，但其在宏观结构上的质变行为，即由旧结构突变为新结构的机理却是类似或相同的，它们都遵循某种共同的规律。协同学把不同学科中共同存在的协同现象抽取出来作为自己的研究对象。它研究一个系统内部各个子系统之间的协同作用是怎样产生，怎样形成有序结构，怎样发展，其变化规律如何等等。
哈肯在协同论中，描述了临界点附近的行为，阐述了慢变量支配原则和序参量概念，认为事物的演化受序参量的控制，演化的最终结构和有序程度决定于序参量，即遵循支配原理（Slaving Princ iple）。伺服原理的基本思想是《协同学导论》中的绝热消去原理。系统在临界点的变量，按其阻尼大小可分为快弛豫参量和慢弛豫参量。绝大多数变量因阻尼大衰减快，对系统演变过程的性质并不起主导作用，而一个或少数几个变量出现临界无阻尼现象，它们驱使了系统，即其他参量的运动，系统演变的最终状态或结构将由这种慢弛豫参量决定。绝热消去原理就是用慢弛豫参量表示所有的快弛豫参量，得到序参量方程。这一处理方案不仅消去了大量自由度使方程易于求解，而且深刻反映出系统之间的协同作用产生了序参量，序参量又支配着子系统的运动，使系统出现整体有序运动状态或结构。不同的系统序参量的物理意义也不同。比如，在激光系统中，光场强度就是序参量。在化学反应中，取浓度或粒子数为序参量。在社会学和管理学中，为了描述宏观量，采用“测验”、调研或投票表决等方式来反映对某项“意见”的反对或赞同。此时，反对或赞成的人数就可作为序参量。序参量的大小可以用来标志宏观有序的程度，当系统是无序时，序参量为零。当外界条件变化时，序参量也变化，当到达临界点时，序参量增长到最大，此时出现了一种宏观有序的有组织的结构。
2.2.3 超循环理论
超循环理论是诺贝尔奖获得者德国科学家艾根（M。Eigen）创立的一种自组织理论。超循环论侧重从生物信息起源的角度探讨生命起源问题，认为在化学进化和生命进步之间存在一个由大分子集团借助超循环形式自组织形成稳定结构，并且运用突变分叉选择等机制进化变异的过渡阶段（M。艾根，1990）。在超循环理论出现之前，生命的起源和进化分为两个阶段，即化学进化阶段和生物进化阶段。艾根的研究发现，把这两个阶段直接连接起来是困难的，在这两个阶段之间还应该存在着一个分子自组织的进化阶段，在此阶段中完成从生物大分子到原生细胞的进化。超循环理论就是研究分子自组织进化现象的理论。
事物周而复始的运动和变化谓之循环。进一步说，如果有两个事物A和 B，A作用于 B有 A→B，而 B也作用于 A，有 B→A，那么从整体上看，A和 B这种相互作用 A[B就构成了封闭环即循环（魏宏森等，1991）。
超循环论将生物化学中的循环现象划分为不同等级，即反应循环，催化反应循环和超循环三个依次从低级到高级的循环组织。
反应循环指一组相互关联的多步骤的化学反应序列，其中某一步的一种产物恰好是先前一步的反应物。反应循环也可以包含催化剂，但催化剂是外来的，不是反应自身产生的。
催化循环是比反应循环高一级的组织形式，至少存在一种能够对反应本身进行催化的中间物的反应循环，指相互催化的催化剂或相当于催化剂作用的反应循环所构成的循环网络系统。其催化剂是循环中自己产生的。可将催化循环概念作如下拓展：催化循环即至少存在一种能够对相互作用本身进行作用的中间物，这种中间物也是反应自身在相互作用过程中产生的。
超循环是比催化循环更高级的形式，是循环相互结合构成的复合化学循环。换言之，超循环是自催化剂或自复制单元通过功能耦合而联系起来的高级循环组织，每个复制单元既指导自身的复制，又对下一个中间物的产生提供催化支持。超循环概念提供了一种关于组织形式及其演化的概念和方法。
艾根引入“拟种”概念揭示超循环组织的形成和演化方式。I1、I2表示两个密切相关的基因突变体，依据遗传信息传递的中心法则，I1 编码复制酶（高效，专一催化功能的蛋白质）E1，I2编码复制酶 E2.若 E1 有助于催化 I2 的自复制，而同时 E2 有利于 I1 的自复制，则 I1、I2 两个主体产生一种自我增进和相互增进的耦合作用，形成以超循环方式稳定存在的二元系统。若 E1、E2 只是各有利于 I1、I2 自利，或者E1、E2 同时对其中一个主体 I有利，则竞争的结果是只有一个主体 I1 或 I2 孤立生存，无法产生循环组织和进一步的集聚。
在 I1、I2 超循环圈形成之后，由于随机性的热运动、涨落等原因，可能出现一个不稳定的 I2 突变体（拟种）I2’，I2’编码复制酶 E2’，。
如果 I2’突变没有意义，E2’对 I1、I2 不起明显作用，则 I2’经短暂存在后消亡。如果 I2’编码的酶 E2 比原有的 E1 各利于 I2，且对I1 无作用，则 I2’会取代的 I1 而与 I2 形成超循环组织。如果 E2’比 E2 更有助于 I1，或者与I1、I2 均有利，则原由两个实体组成的超循环进化为三个实体的超循环。依次类推，更多的实体 I可以通过功能耦合产生非线性作用，自组织地形成多元复杂超循环组织，推动系统向更高层次演进。
超循环组织的出现是一种非线性的选择行为，其所能容纳的信息量要比其他形式上的信息量大。超循环使得组织的结合更紧密，组分和结构有更大的丰富性和多样性，使得能量会聚起来，被体系多次、充分地利用。反过来，又推动系统越来越远离平衡态，系统的非线性特征也越来越强（吴彤，2001）。超循环组织具有协同性、稳定性、整体选择性和相对独立性等主要特征（姜璐等，1990）。超循环是自然界普遍存在的相互作用和演化方式。除在物理、化学、生物学（生态系统、食物链）等领域外，社会、经济、管理等科学领域的研究工作也都自觉或不自觉地运用超循环论的思想和方法。E·拉兹洛利用超循环理论建立了解释社会文化系统的框架。
2.2.4 分形理论
分形理论是由美籍法国数学家曼德勃罗（B。B。Mandelbrot）创立的。曼德勃罗毕业于巴黎工学院，获得理科硕士学位，后在巴黎大学获得数学博士学位。他博学多才，勤于思考，擅长形象地图解问题。在分形理论形成初期，曼德勃罗的思想还不被世人理解和接受，他决定“尝试避免用文字而采用能直接传送到他们脑子里的形的语音”，也就是说用图解的方式使别人信服。1964 年前后，曼德勃罗开始着手进行分形问题的系统研究；1973年，曼德勃罗在法兰西学院讲课时，首次提出了分维和分形几何的设想；1975 年，他由描述碎石的拉丁文 frac-tus，创造出分形（fractal）一词；1983 年，他出版名著《大自然的分形几何》，使分形理论日益为世人熟知。曼德勃罗在非线性分形领域最知名的贡献是提出了曼德勃罗集（Mandelbrot set）。这种集是由比较简单的方程式做迭代而形成的，它显示出异乎寻常的图形，十分错综复杂，有人称之为非线性分形几何肖像。分形是有趣的，曼德勃罗曾指出，在外行看来，分形艺术似乎是魔术。分形在数学、物理、生物、经济和社会文化领域都有重要的应用。美国著名物理学家惠勒说过：今后谁不熟悉分形，谁就不能被称为科学上的文化人。
分形（fractal）的原意具有不规则、支离破碎等意义。此词源于拉丁文形容词 fractus，对应的拉丁文动词是 frangere（“破碎”、“产生无规碎片”）。曼德勃罗用此词来描述自然界中传统欧几里得几何学所不能描述的一大类复杂无规的几何对象。他指出，分形是几何外形，它与欧几里得外形相反，是没有规则的。首先，它们处处无规则可言。其次，它们在各种尺度上都有同样程度的不规则性。不论从远处观察，还是从近处观察，分形客体看起来一个模样——它是自相似的。整体中的小块，从远处看是不成形的小点，近处看则发现它变得轮廓分明，其外形大致和以前观察的整体形状相似。自然界普遍存在这种现象，例如，弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉，粗糙不堪的断面，变幻无常的浮云，纵横交错的血管，令人眼花缭乱的满天繁星等。
曼德勃罗从其论文“英国的海岸线有多长”？开始讨论分形理论。他指出，海岸线的长度取决于尺子的精度。随着不停地缩短尺子，即提高尺子的精度，海岸线可分为越来越多的细小曲线，海岸线长度便会越长。海岸线虽然很复杂，却有一个重要的规律——自相似性。海岸线长度的某次幂与尺子长度成正比。这里意味着海岸线中蕴藏着无限自相似性，海岸线的任一小部分都包含有与整体相同的相似的细节。从不同比例尺的地形图上，我们可以看出海岸线的形状大体相同，其曲折、复杂程度是相似的。换言之，任意一段海岸线就像是整个海岸线按比例缩小的结果，遵循相似的规律。分形几何学可以定量地分析像海岸线这样的图形。分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学。由于不规则现象在自然界是普遍存在的，因此分形几何又称为描述大自然的几何学。分形几何不同于传统的几何学。在欧氏空间中，人们习惯把空间看成三维的，平面或球面看成二维，而把直线或曲线看成一维，而分形维数可以取分数，如0.7维、1.2维等。这类维数是物理学家在研究混沌吸引子等理论时需要引入的重要概念。
2.2.5 混沌理论
混沌（chaos）是一种确定性的非线性系统产生的一种貌似随机的行为，混沌运动对系统初始条件具有极端敏感依赖性，是一种非周期性的运动。美国麻省理工学院教授、气象学家 E。N。洛伦茨（Edward Lorenz）在20世纪60年代初研究天气预报中大气流动问题时，揭示出混沌现象具有不可预言性和对初始条件的极端敏感依赖性这两个基本特点，发现表面上看起来杂乱无章的混沌，仍然有某种条理性，其对初始条件有极端敏感依赖性。1972年，洛伦茨在美国科学发展学会第139次会议上发表了题为《蝴蝶效应》的论文，指出“巴西丛林一只蝴蝶偶然扇动翅膀，可能会在美国得克萨斯州掀起一场龙卷风”。蝴蝶效应表示一件表面上看来毫无关系、非常微小的事情，可能带来巨大的改变。混沌揭示了自然界的神秘奇妙，在杂乱无章、不可预测的运动背后居然隐藏着其内在规律性，而且这种规律并不随外界扰动而改变，即自然界表面看起来杂乱无序的事物中惊人地存在某种秩序。混沌理论研究如何把复杂的非稳定事件控制到稳定状态的方法，彻底粉碎了对“因果决定论可预测度”所存的幻想，揭露了我们长期以来对因果关系的错误认识。过去认为，简单的原因必定产生简单的结果，复杂的结果必然有复杂的原因。其实，简单的原因也可以产生复杂的结果。混沌理论挑战了牛顿物理中奉为圭臬的信条，就像一位物理学家所表示的：相对论否定了牛顿对绝对空间与时间的描述；量子理论否定了牛顿对于控制下测量过程的梦想；而混沌理论则粉碎了拉普拉斯（Laplac e）对因果决定论可预测度所存的幻影。
2.2.6 突变论
突变论的创始人是法国数学家雷内·托姆，他于 1972 年发表的《结构稳定性和形态发生学》一书阐述了突变理论，荣获国际数学界的最高奖——菲尔兹奖章。突变论的出现引起各方面的重视，被称之为“是牛顿和莱布尼茨发明微积分三百年以来数学上最大的革命”。该理论也被普里高津和协同学研究者认为是耗散结构理论和协同学的数学工具和基础，为现实世界的形态发生问题中突变现象提供了可资利用的数学框架和工具。
在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、生物的变异、情绪的波动、战争、股市崩溃、经济危机等等。突变论方法正是试图用数学方程描述这种过程。突变论的研究内容简单地说，是研究从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。突变论认为，系统所处的状态，可用一组参数描述。当系统处于稳定态时，标志该系统状态的某个函数就取惟一的值。当参数在某个范围内变化，该函数值有不止一个极值时，系统必然处于不稳定状态。雷内托姆指出：系统从一种稳定状态进入不稳定状态，随参数的再变化，又使不稳定状态进入另一种稳定状态，那么，系统状态就在这一刹那间发生了突变。突变论给出了系统状态的参数变化区域。突变论提出，高度优化的设计很可能有许多不理想的性质，因为结构上最优，常常联系着对缺陷的高度敏感性，就会产生特别难于对付的破坏性，以致发生真正的“灾变”。在工程建造中，高度优化的设计常常具有不稳定性，当出现不可避免的制造缺陷时，由于结构高度敏感，其承载能力将会突然变小，而出现突然的全面的塌陷。突变论不仅能够应用于许多不同的领域，而且也能够以许多不同的方式来应用。
2.2.7 自组织理论群关系
上述自组织理论虽然学科背景不同，概念和方法各异，但它们却共同揭示了组成一个宏观系统的大量子系统，如何有可能自己组织起来，实现从无序到有序（或从较低级有序到较高级有序）进化的一般条件、机制和规律性。尽管自组织理论尚未形成一个严密的理论体系，但其各个分支的进展已标志着人类认识世界改造世界思维和方法论的重大突破。吴彤（2001）对各种自组织理论进行了归纳和分析，在国内首先提出了比较完整的自组织方法论体系。其主要内容包括：
耗散结构方法论起一个构建自组织系统需要条件的作用。它研究了体系如何开放、开放的尺度、如何创造条件走向自组织等诸多问题。因此在一定意义上，可以把自组织的耗散结构方法论称为自组织的创造条件方法论。耗散结构方法论在自组织方法论就其按照自组织的本意而言，它是一种起点意义的方法论；就本体论和认识论上看，它具有第一原理的意义。就其方法论意义而言，创造条件使得系统自发走向自组织也是遵循自组织原理的一种方法论。
协同学方法论在整个自组织方法论中处于一种动力学方法论的地位。它是体系自身如何保持自组织活力的重要方法论，它所研究的重要概念和原理，如竞争、协同和支配（或役使）以及序参量等概念和原理，对于系统自组织的演化以及使得自组织程度越来越高，都具有重要的指导意义。它告诉我们，制定一定的规则，以一定的参数进行调节，然后放手让子系统自己相互作用，产生序参量运动模式，从而推动整个系统演化，是系统非线性、自组织演化的最好管理方式。
突变论方法论研究了系统在其演化的可能路径方面所采取的方法论思想。临界概念、渐变和突变概念，以及对问题处理时所采取的结构化方法，对冲突的关注，对行动与理解的相互矛盾的关系的揭示，都具有重要的方法论启示。突变论并且突破了数学和纯粹自然科学的界限，使得社会科学研究的方法论受到启迪。突变论方法论在整个自组织方法论中处于研究自组织演化途径采取何种方法的地位。学习突变论，就是要汲取突变论思想方法，懂得何时该采取渐变方式推动系统演化，何时该采取突变方式推动系统演化。因此，可以把突变论方法称为自组织的演化途径方法论。
超循环方法论提供了一种如何充分利用过程中的物质、能量和信息流的方法，提供了一种如何有效展开事物之间相互作用以及结合成为更紧密的事物的方法。因此，可以把超循环方法论称为自组织的结合发展方法论。
分形方法论研究了系统走向自组织过程中的复杂性图景，也研究了从简单到复杂的自组织演化问题。表达了如何认识一个具有分形特征的物体或事物的方法论思想。分形理论借助计算机还可以通过一定规则迭代生成模拟自然界各种事物的图景。其可操作性极强，其包含的哲理也非常深刻。掌握分形理论的方法，对于我们区别整形与分形，研究分形特性，把握复杂世界，以及如何生成一个复杂事物、复杂世界或模拟复杂事物、复杂世界的演化过程和结构均具有重要意义。由于分形方法论提供了一种事物由简单走向复杂的空间状态以及演化的方法，因此可以把分形理论的方法论称为事物自组织的表达复杂性空间结构及其生成的方法论，或简称分形结构方法论。
混沌理论方法论研究了系统走向自组织过程中的时间复杂性问题，它在本体论上与分形表达的复杂性问题常常构成一个问题的两个侧面。即分形研究了事物走向复杂性的空间特性和结构，而混迹研究了事物走向复杂性的时间演化特性。混沌理论的方法论通过体系对初始条件的敏感依赖性的判断和非周期特性的研究，找到了体系走向复杂性的根据和征兆。可以把混沌方法论称为事物表达时间复杂性的自组织的演化图景方法论，或简称混沌时间演化图景方法论。
