赫尔曼·哈肯 Hermann Haken

生平

基本信息

赫尔曼 哈肯

类别	信息
姓名	赫伯特·亚历山大·西蒙 Herbert A. Simon
出生日期	1916年6月15日
出生地	美国威斯康辛州密尔沃基
所在机构	卡内基梅隆大学
主要研究方向	决策理论、认知心理、行政管理、人工智能、复杂系统等领域
主要贡献	有限理性理论、通用问题求解器、层次化复杂性等

赫尔曼·哈肯 Hermann Haken，著名理论物理学家、 激光理论的奠基人之一。1927年7月12日生于德国莱比锡，斯图加特大学理论物理学名誉教授，协同学 synergetics的创始人。他是证明四色定理的数学家沃尔夫冈·哈肯 Wolfgang Haken的表亲。1951年获埃尔朗根大学数学哲学博士学位并留校任教，1956年任理论物理学讲师。1960年任斯图加特大学理论物理学教授。主要从事激光理论和相变研究。

他是美、英、法、日本和前苏联等国多个研究机构的客座科学家、顾问和访问教授，并当选许多国家科学院的外籍院士。哈肯对群论、固体物理学、激光物理学、非线性光学、统计物理学、等离子体物理学、分岔理论、化学反应模型和形态发生理论等皆贡献不菲。

学术贡献

哈肯学识精神，具有严密和富有逻辑的数学头脑，又拥有具体形象的物理直觉。他常常可以很快的将一个复杂的实际问题转化为明晰的数学形式，这种能力是相当惊人的。Haken在哈勒（萨勒）和埃尔兰根学习数学和物理学，1951年在埃尔兰根大学获得数学博士学位 ，并在英国和美国的大学担任客座讲师后，被斯图加特大学聘为理论物理学全职教授。他的研究方向是非线性光学（专长是激光物理学、粒子物理学、统计物理学和群论）。

从1960年西奥多·迈曼 Theodore Maiman制造出第一台实验激光器开始，Haken在较短的时间内将他的研究所发展成为国际激光理论中心。激光原理作为非平衡系统 non equilibrium systems的自组织 self-organization的解释，为20世纪60年代末协同学的发展铺平了道路，Haken被公认为协同学的创始人。

钻得深，推得广，当谈及科学研究工作的方法问题是，他曾说过，要抓住一个具体问题做深做透，然后抓住其中一般性的规律性的东西，将其推广于其他问题，这样才可以从一个具体问题中抓到有价值的内容。哈肯从美国科学家试制第一台激光器时起，就开始潜心于激光理论的研究，研究20多年，抓住了激光系统作为远离平衡的非线性动力系统这一特征, 将其中经常使用的“绝热消去”这 一一般性的东西上升到更一般的消去程序 , 即所谓支配原理通过抓许多不同学科的共同东西 , 从而 形成了他的协同学这门崭新的学科他形象地称激光理论为协同学的“路标”。

类比, 是哈肯几十年来科学研究的非常重要的方法之一, 他的许多著名工作都同这一方法的运用有关这种类比, 绝不限于字面上或曰头上的说说而已, 他往往以严格的数学形式上的类比来揭示出更深刻的本质上的类似。60年代他与格拉哈姆的关于激光阑值行为与超导体平衡相变类比的工作, 是较早的将平衡相变与发生在非平衡系统中的转变进行类比的范例。近年来关于非平衡系统中的不稳定性以及结构的形成和转变的研究, 在某种意义上说来, 是这一类比的延续哈肯应用这种类比方法的另一成功的例子是, 他发现了将单模激光方程作标度变换后可化为著名的描述流体不稳定性的洛伦茨方程, 从而预言了激光混沌的可能, 揭示了激光系统与流体系统的深刻类似性。几十年来, 哈肯工作过的领域有数十个之多, 涉及数学、物理、化学、生物、生态等许多大的学科。单在物理学中, 他作出过重大贡献的领域就有激光理论、非线性光学、固体理论 、流体动力学和等离子体物理学等。他能很快地进入一个领域, 并能做出出色的工作 , 以致很多学科的人都发现哈肯竟是他们的研究领域的专家。

哈肯非常勤奋, 他常常在周末工作，直到现在, 他还是抓紧一切时间撰写论文和算东西 有些人错误地认为, 哈肯现在年龄大了, 名声也大了, 不做什么具体工作了, 但我们通过与他一起工作发现, 他仍然利用一切可能的机会和时间亲自进行计算, 他每年除了与许多学生进行合作外, 还 自己独立地发表文章, 对于一个年事已高，颇具名望的科学家, 这点是难能可贵的。

爱写书的科学家

哈肯曾说过，写书是他的一个爱好。当然, 这是一个谦虚的说法, 没有对所从事的领域的透彻洞悉, 没有相当高深的造诣, 仅凭爱好是不行的。哈肯的著述内容极为广泛, 数量相当可观, 涵盖了从激光物理学、原子物理学、量子场论到协同学等令人印象深刻的主题。尽管Haken的早期著作倾向于数学，但《光》面向更广泛的读者 ，并且充满了物理的洞察力。《结构科学:协同学》（Erfolgsgeheimnis der Natur）是他最成功的畅销书之一。 其中《激光理论 》一书的主要部分在1966年即在哈肯学派开始做激光理论（亦即第一台激光器问世）6年之后就已写成, 此书对激光理论处理之详细和深入以及成书之快实属罕见, 至今仍被视为激光理论之经典 关于协同学的两本书, 是他自己对自年以来关于协同学理论的奠基性工作及进一步发展的总结, 刚一出版便得到了世界范围的承认, 很快被译成俄、 德、 日、 中等文字, 成为风靡一时的畅销书。《信息与自组织》一书介绍了协同学最新发展, 这是哈肯将信息概念引入协同学的工作总结能将自己的工作成果及时地总结提高并撰著成书, 是哈肯工作的又一特点，即将自己的研究专著做到最完整。

乐于写作的哈肯

第二类书籍是教辅类书籍，1971年哈肯与格雷厄姆合作撰文发表的《协同学：一门协作的科学》一文，正式将协同作为一门学科进行研究。他撰写了专著《激光理论》及均衡教科书《协同学导论》、《固体量子场论》，与沃尔夫（H.C.Wolf）合著了教科书《原子与量子物理学》及《分子物理学与量子化学精要》，主编了“斯普照林格协同学丛书”。这些书一般都是据他长期在大学讲课的讲稿写成的他所写的教材的特点是, 从最基本、最简单的东西开始, 然后逐步深入 , 并将较复杂的东西很简单地表述出来。1972年在联邦德国埃尔姆召开第一届国际协同学会议。1973年这次国际会议论文集《协同学》出版，协同学随之诞生。1977年以来，协同学进一步研究从有序到混沌的演化规律。1979年前后联邦德国生物物理学家艾根将协同学的研究对象扩大到生物分子方面。

哈肯撰写的第三类书是科普读物，1981年德国出版了他的一本题为《协同学——大自然构成的奥秘》一书，以通俗易懂的语言，通过物理学相关理论和实验阐述协同原理，受到读者的好评。这是他向一般读者介绍协同学基本观点的一本小册子, 不久后此书的中译本也问世。

除以上三类书外, 他还主编了一套《施普林格协同学丛书》, 此套丛书, 堪称优秀, 深得好评, 它涉及物理、化学、 生物、 生态、 医学和社会学等领域中的各种不稳定性及结构的形成。这套丛书包括多次国际协同学会议及许多其他国际会议的文集，也有许多由某方面权威人士写的专著。

深受欢迎的教育家

正在授课的哈肯

哈肯不仅是一位杰出的科学家, 而且也是一位颇受好评的教育家，这一方面体现在他所编著的众多的深受学生欢迎的教材上 , 另一方面, 他的讲课艺术也为大家所交口称赞。在联邦德国, 按规定大学教授都得上台讲课, 哈肯教授也不例外 他所开的课程涉及理论物理的，各个方面以及协同学在斯图加特大学, 每逢哈肯上课, 阶梯教室便座无虚席, 很多学生在很大程度上就是被他的讲课艺术吸引来的。他的讲课如同他著书和做论文一样, 常将复杂的间题用简单贴切的比喻讲述出来, 使学生们很易接受。他的讲课由浅入深, 循序渐近，他讲课时胸有成竹, 从容不迫。他还是一个非常幽默的人 , 经常在课间穿插些笑料, 使学生们高度紧张的思维能得到暂时的缓解。因此, 在大学里学生们都非常想听哈肯的讲课。

除了通过他的讲课教育和熏陶了一批一批大学生外, 他还培养了大批的博士生。到目前为止 , 在他直接指导下获得博士学位的约有50人, 分布在欧美、印度等许多国家。我国也有人正在他指导下攻读学位，真可谓桃李满天下。这些人当中的十几个已在许多国家得到教授职位, 有些已是知名学者, 如格拉哈姆、里斯肯和冯德林等。也有的就职于企业界, 他们当中的许多人杰出人才。

激光理论的贡献

1960年哈肯在贝尔实验室工作时发现那里的人们正在试制新型的光源--激光，从那时开始他熟悉了激光理论并于此后几十年坚持研究激光理论。哈肯及他的学派取得了一系列重要结果，他所发展的一套激光理论被公认为世界上两大激光学派之一（另一位是拉姆Lamb学派）。他独立的发展了激光的速率方程理论、半经典理论和全量子理论。

他及其学派还将郎之万方程方法、福克一普朗克方程方法应用于处理激光噪声, 发展了一套处理激光的统计方法。这些理论及方法, 今天仍被视为标准的理论和非常有效的方法于。他首次发现了激光的统计性质在阂值处的突变, 他与学生们还从理论上预言了激光的第二阂值 , 即自脉冲不稳定性的出现 ,这些后来都在实验中得到证实。除此之外, 他还发现了激光与流体的对应, 从理论上预言了激光混沌。

哈肯对激光理论的贡献, 是一整套完整的激光理论。这些贡献已被系统地报道于他的经典著作《激 光理论》和他新著的卷本《光》中由此, 哈肯已被誉为激光理论的奠基人之一。

协同学的创始人

协同学是哈肯 年代以来的主要兴趣所在，协同学的概念是哈肯于1970年冬季在斯图加特大学的演讲中首次引入的。主要概念和思想的第一次正式表述是在他和他的学生兼合作者格拉哈姆于发表在Umschau杂志上的题为《协同学:一门协作的学说》的文章中。后来, 哈肯在许多不同的场合多次更明确、 更系统地表述了协同学的思想, 如1972年在Elmau召开的第一届协同学会议上和此后几次有关的国际会议上, 以及1975年在《现代物理评论》上发表的题为《远离平衡及非物理系统中的合作效应 》的文章中《协同学导论 》一书即为《远离平衡及非物理系统中的合 作效应》一文的扩写。此书的出版标志着一门新的横断学科 -- 协同学的初步建立。

协同或协同作用，是协同学最基本概念。一个由许多子系统构成的系统，如果在子系统之间互相配合产生协同作用和合作效应，系统便处于自组织状态。在宏观上和整体上就表现为具有一定的结构或功能。虽然不同的系统性质不同，但是新结构代替旧结构的质变行为，在机理上却有相似甚至相同之处。近代自然科学十分注意研究各个不同的物质结构、层 次、运动和系统内部各个要素之间的协调问题，坚信自然中数学关系的简单和谐。

协同学的主要内容就是用演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和不稳定性(又称非平衡相变)。例如，激光就存在着不稳定性。当泵浦参量小于第一阈值时，无激光发生；但当其超过第一阈值时，就出现稳定的连续激光；若再进一步增大泵浦参量使其超过第二阈值时就呈现出规则的超短脉冲激光序列。

流体绕圆柱体的流动是呈现不稳定性的另一个典型例子。当流速低于第一临界值时是一种均匀层流；但当流速高于第一临界值时，便出现静态花样，形成一对旋涡；若再进一步提高流速便其高于第二临界值时，就呈现出动态花样，旋涡发生振荡。

协同学中求解演化方程的方法主要是解析方法，即用数学解析方法求出序参量的精确的或近似的解析表达式和出现不稳定性的解析判别式。在分析不稳定性时，常常用数学中的分岔理论。在有势存在的特殊情况下也可应用突变论。协同学也常采用数值方法，尤其是在研究瞬态过程和混沌现象时更是如此。

按照支配原理 , 对于一个高维的（甚至是无穷维的）非线性系统（可以是随机微分系统）, 在不稳定点附近 , 存在着少数几个不稳定模和大量稳定模, 后者完全被前者所支配, 即后者可表示为前者的函数。这样, 我们消去后者以后 , 原来的高维系统就变成为一个维数很低的方程组, 即所谓序参量演化方程, 它控制着系统在 临界点附近的动力学，通过求解此方程组, 可得到各种时间、 空间或时空结构, 甚或混沌。目前这一方法已成功地应用于很多系统, 其结果与实验符合得很好。

协同学除了在自然科学中的应用外 , 还被应用于各种社会问题, 目前也取得了一些定性的结果。迄今, 哈肯及其合作者们仍致力于完善和发展这一理论, 以及将这一理论应用于不同的问题。目前的发展旨在找到与信息的联系，这方面的进展在哈肯的新著中也有所体现。

荣誉奖项

由于贡献众多，他获得了许多国际奖项或奖章，包括1976年英国物理研究所和德国物理学会颁发的马克斯·伯恩奖章和奖金，1981年费城阿尔伯特·迈克尔逊富兰克林学会奖章，1986年德意志联邦共和国大勋章，1990年马克斯·普朗克奖章，1992年本田奖，1993年 arthur-burkhardt 奖，1994年德国自然科学家和医生协会洛伦兹·奥肯奖，2005年多瑙河大学克雷姆斯分校医学和心理学发展杰出贡献奖。

1976年，英国物理学会和德国物理学会为了表彰哈肯对固体激发态理论和量子光学理论，尤其是激光理论的杰出贡献，授予他马克斯·玻恩奖和奖章。1981年，由于他在激光理论方面的工作和在协同学方面的先驱性影响，哈肯获得美国福兰克林学会授予的阿尔伯特·A·迈克尔孙奖章。1982、1987、1992和1994年，哈肯分别获得埃森大学、马德里大学、佛罗里达大西洋大学、雷根斯堡大学的荣誉博士。哈肯所获奖项甚多，其中有德国物理学会的马克斯·普朗克奖章，本田奖（东京）和洛伦兹-奥肯奖章。

哈肯与中国

哈肯对中国人民及古老的中国传统思想及文化有着深厚的感情 他曾说到, 传统的西思想的研究使得科学研究太注重分析的方法, 而中国的哲学注重综合, 他的协同学就是从中国哲学中获益的许多西方著名科学家都 有类似的感受。这是我们中国人值得自豪的地方。

哈肯与中国的学术交流十分频繁，远涉盆洋，几度访华。1981 年, 西北大学出版社出版了《协同学导论》一书的中译本。随后哈肯应邀访问了中国，在西北大学第一次向中国同行介绍了他的协同学，促进了中国在这一领域的工作。此后, 哈肯曾先后邀请几个中国学者去他的理论物理研究所合作工作, 加深了两国同行的友谊。哈肯再次访问上海、 西安和北京, 向中国学者介绍了他的协同学的最新进展。西北大学和上海机械学院分别授予他名誉教授。这种交流关系的深入发展必将对两国科学家及两国人民之间的友谊产生很大的影响。

References

参考

延伸阅读

哈肯学派简介

哈肯及其对科学的贡献——为哈肯诞生60周年而作

协同学