在科學文獻中“復雜性”(plexity)成為一個愈來愈頻繁出現(xiàn)的關(guān)鍵詞。什么叫復雜性？這個概念是哪些經(jīng)驗事實的概括？它為什么能反映自然科學與社會科學走向融合的現(xiàn)狀？本書將為你一一解答。
耗散結(jié)構(gòu)理論的奠基者普里戈金在他的《存在與演化》中文譯本的序言中指出“西方科學向來是強調(diào)實體(即原子、基本粒子、生物分子等)，而中國的自然法則以‘關(guān)系’為基礎(chǔ)，因而是以關(guān)于物理世界的更為‘有組織的’觀點為基礎(chǔ)”，他還指出我們需要“一個新的綜合，一個新的歸納，它將把強調(diào)實驗及定量表述的西方傳統(tǒng)和以自發(fā)的自組織世界這一觀點為中心的中國傳統(tǒng)結(jié)合起來”。作者學習復雜性科學就是在這個啟發(fā)的鼓勵下開始的，因此，本書其實是作者開始學習復雜性理論的心得筆記，其中也有一點自己試用這種思路的體會，試圖從科學技術(shù)的視角來闡述我們對復雜性的理解�！ 〔贿^復雜性科學既然無處不在，那么從它在各個領(lǐng)域中的表現(xiàn)入手，探索它的內(nèi)容和實質(zhì)就可能是一個比較扎實的入門之道。所以本書不從現(xiàn)有的理論出發(fā)來進行演繹，而從復雜性在現(xiàn)實中的表象出發(fā)來做些力所能及的歸納(induction)和聯(lián)想(abduction)。
郭毅可教授 英國帝國理工學院數(shù)據(jù)科學研究所所長，是歐洲大數(shù)據(jù)科學與系統(tǒng)技術(shù)研究的主要領(lǐng)軍人物之一。也是英國計算機界主持科研項目眾多的科學家之一。*曾還專門參觀了郭毅可教授所在的研究所，聽取了他的研究成果匯報。并對他的工作非�？隙ê唾澷p。
在世紀交替的當代，自然科學和社會科學開始融合，在科學文獻中“復雜性”(complexity)成為一個愈來愈頻繁出現(xiàn)的關(guān)鍵詞。什么叫復雜性？這個概念是哪些經(jīng)驗事實的概括？它為什么能反映自然科學與社會科學走向融合的現(xiàn)狀？這些問號推動作者踏上寫作本書的征程。
從19世紀至今二百多年以來，自然科學經(jīng)歷了19世紀“機械唯物主義的自我滿足”(維納語)，20世紀由愛因斯坦發(fā)端的迷惘和探索一直到世紀交替中出現(xiàn)的復雜性科學。作為新中國培養(yǎng)的科學技術(shù)工作者，作者飽受以理性為最高目標的歐美文化的熏陶，接受了來自同屬歐美文化的馬克思主義世界觀的教育，又在西方科學、文化界工作、生活多年，在親身經(jīng)歷激烈的東西方文明的碰撞過程中，深深體驗到復雜性科學思路的威力，因此試圖從科學技術(shù)的視角來闡述我們對復雜性的理解。因此，本書其實是作者開始學習復雜性理論的心得筆記，其中也有一點自己試用這種思路的體會。
關(guān)于復雜性理論的意義，有不同說法，有的稱之為“科學之傘”，有的稱為“科學之緯”。各種說法的共同點是它具有涵蓋自然科學和社會科學的功能。如果把控制論、信息論和系統(tǒng)論概括成“橫斷科學”，那么復雜性科學的“橫斷”覆蓋面更寬。因此作者在理解復雜性的理論時，難免會從哲學角度做些聯(lián)想或歸納。作者都從事各自技術(shù)領(lǐng)域的工作，對自然科學理論，尤其是對哲學理解得很差，從這樣的基礎(chǔ)出發(fā)來學習這樣寬且深的理論而且要寫出自己的見解來，肯定會有浮淺和誤解之處。不過復雜性科學既然無處不在，那么從它在各個領(lǐng)域中的表現(xiàn)入手，探索它的內(nèi)容和實質(zhì)就可能是一個比較扎實的入門之道。所以本書不從現(xiàn)有的理論出發(fā)來進行演繹，而從復雜性在現(xiàn)實中的表象出發(fā)來做些力所能及的歸納(induction)和聯(lián)想(abduction)，雖然在歸納和聯(lián)想時，仍然擺脫不了已成傳統(tǒng)的經(jīng)典概念和思路。
為了讓本書盡量為更多的讀者接受，作者理應盡可能用類比和直覺的方法通過常見的具體實例來解釋各種涉及的概念和結(jié)論，這就要求作者自己對它們要有深刻的理解，但本書的作者還達不到這個水平，有一些問題只好用加注的方法引入一些理論上的推導，以表明其邏輯依據(jù)。在社會科學方面，作者是門外漢，但為了說明復雜性科學的確具有融合自然科學與社會科學的功能，我們還是盡力把自己的一些粗淺體會貢獻出來與讀者分享。
耗散結(jié)構(gòu)理論的奠基者普里戈金在他的《存在與演化》中文譯本的序言中指出“西方科學向來是強調(diào)實體(即原子、基本粒子、生物分子等)，而中國的自然法則以‘關(guān)系’為基礎(chǔ)，因而是以關(guān)于物理世界的更為‘有組織的’觀點為基礎(chǔ)”，他還指出我們需要“一個新的綜合，一個新的歸納，它將把強調(diào)實驗及定量表述的西方傳統(tǒng)和以自發(fā)的自組織世界這一觀點為中心的中國傳統(tǒng)結(jié)合起來”。作者學習復雜性科學就是在這個啟發(fā)的鼓勵下開始的。希望這個嘗試能在東西方文明交融的過程中起一點極微薄的作用。
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郭方中，復旦大學物理系教授。
郭毅可，英國帝國理工大學終身教授，上海大學計算機學院院長，帝國理工大學數(shù)據(jù)科學研究所所長，上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院及上海生物信息技術(shù)研究中心首席科學家，清華大學客座教授。
緒論1
第1章人在其中的世界11
1.1天高、地厚、人杰11
1.1.1天地人系統(tǒng)11
1.1.2萬物的譜與其中的序14
1.1.3不可逆的流16
1.1.4有序無序之間的復雜23
1.1.5個體相互間的熱作用26
1.1.6生生不息的生命系統(tǒng)36
1.2世界的復雜性39
1.2.1從還原論、對稱美到復雜性39
1.2.2復雜性52
1.2.3“萬物與我為一”57
1.3復雜系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)——時間59
1.3.1系統(tǒng)的時空結(jié)構(gòu)59
1.3.2熱力學熵64
1.4相關(guān)時空68
1.5天地之間的人73
結(jié)束語83
第2章生命系統(tǒng)的自組織87
2.1從無序向有序過渡的時空特征87
2.1.1無序中的序——隨機行走的時空特征87
2.1.2復雜系統(tǒng)的時空結(jié)構(gòu)97
2.2多樣性在自組織中的作用111
2.2.1空間波111
2.2.2多樣性與網(wǎng)絡(luò)連通度116
2.2.3復雜系統(tǒng)的隨機模型120
2.3基因的作用123
2.4處于混沌邊緣的生命133
2.4.1混沌邊緣上的生理現(xiàn)象134
2.4.2時間序列導致的空間形態(tài)141
2.4.3神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)144
2.4.4處于混沌邊緣的生命148
2.5進化157
2.5.1進化過程的因果網(wǎng)絡(luò)157
2.5.2突變在進化中的作用161
2.5.3復雜自適應系統(tǒng)164
2.6自組織和道168
結(jié)束語178
第3章復雜系統(tǒng)的信息流182
第4章生命的模式動力學291
第5章道法自然334
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20世紀80年代也許可以算是文明史的一個轉(zhuǎn)折點。在此之前的70年代，運動中存在不變性這個前提曾是物理學家的指路燈，利用對稱、平衡、不變性等這些理性概念建立了想給宇宙萬物一個統(tǒng)一理論解釋的標準模型（gaugetheory），在這類模型中時間變量隱退了。但緊接著在其后的十年內(nèi)，人們的注意力就轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ破損、混沌等這些復雜現(xiàn)象，而不變性則退居次要位置；于是時間變量又重新出現(xiàn)，成為重要的變量，這個自希臘古典哲學以來就出現(xiàn)的爭論現(xiàn)在重新燃起。1985年美國在重要核科學研究基地之一，LosAlamos國家實驗室的基礎(chǔ)上，新建了以復雜性科學為研究對象的SantaFe研究所（SFI）。它的研究領(lǐng)域遍及經(jīng)濟、生物、環(huán)境生態(tài)、社會演化、科技生態(tài)等方面。顯然，這些都是經(jīng)濟全球化背景下有關(guān)國家和人類命運的重大課題。M．Mitchell在文獻［0．5］中細述了SantaFe研究所創(chuàng)建二十余年以來的研究思路發(fā)展歷程，他在第八章用“等待卡諾”這四字標題形象地概括了他們致力于研究生命起源、經(jīng)濟理論和演化（包括海洋生物的、人類的、社會的）等復雜系統(tǒng)的期望理論目標：把熱力學第二定律發(fā)展成為理論物理的基本原理，使理論物理的兩個分支———熱力學和動力學———建立在統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，而這也正是普里戈金一直追求的目標［0．6］。1989年以柏林墻倒塌為標志事件的全球化浪潮則使地球變得愈來愈平坦，正如T．Friedman在文獻［0．1］的標題上所點明，他指出，地球自生成之日起，物理演化、生物演化及人類文明演化的交織至今，已經(jīng)使人類不得不面對極為復雜的生態(tài)、政治、經(jīng)濟、社會問題的挑戰(zhàn)階段，地球成為政治、文化、國家安全、金融、環(huán)保、科技交互關(guān)聯(lián)的空間。為了解決這個復雜系統(tǒng)中的問題，顯然，自然科學和社會科學必須有共同的基礎(chǔ)。把自然科學和工程技術(shù)領(lǐng)域飛速發(fā)展中日益成熟的經(jīng)驗理性方法自覺地融合到社會科學領(lǐng)域中，很自然地成了首選思路，經(jīng)濟學和生態(tài)學于是成了物理學家深入涉足的學科。
幾粒沙子只能是互不相關(guān)的一攤散沙，而大量沙子卻能成為一個具有一定錐度的沙堆。飄落的雪花何等溫柔，但冰山上堆積起來的積雪一旦坍落，卻會形成兇猛的雪崩。清澈的小溪中，水流形成的旋渦處處可見，但一旦把水舀上來，旋渦就消失了�？梢姡徽撌亲匀唤缁蚴侨耸篱g，單獨的個體行為與大量同樣個體的集群行為是截然不同的。
組成系統(tǒng)的眾多參與個體之間的自組織行為使系統(tǒng)成為復雜系統(tǒng)，通過相互組合，它可以發(fā)展得很快。結(jié)晶、雪崩、龍卷風都是自組織系統(tǒng)的實例。它們有一定的隨機性，但仍可識別其結(jié)構(gòu)系列，譬如雖然每片雪花都各不相同，但人人皆知，那都是雪花。而且比起大量無結(jié)構(gòu)約束條件的系統(tǒng)來，在同樣環(huán)境條件下，有結(jié)構(gòu)約束的系統(tǒng)要受惠些。以結(jié)晶過程為例，在容器里受約束的晶體總要比在不受約束的環(huán)境條件下成長的晶體發(fā)育得好。復雜性雖然會限制形態(tài)的多樣性，卻加速其演化過程。
經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)是人們最常見的宏觀系統(tǒng)，它們有眾多個體參者，它們的集群特性截然不同于參與個體的行為，兩者之間有本質(zhì)的不同。從生物界、經(jīng)濟界等復雜系統(tǒng)的實例可以看出，復雜系統(tǒng)演化的條件是有大量相互作用的個體，系統(tǒng)內(nèi)的相互聯(lián)系必須足夠復雜以支持正負反饋網(wǎng)絡(luò)的建立，這樣才能提供足夠的能量和信息交換，如此方能使系統(tǒng)具有自調(diào)節(jié)功能，使系統(tǒng)能自適應于環(huán)境的變化。
系統(tǒng)復雜與否取決于觀察者，因為層次之間的變異（emergence）是由觀察者提出的假設(shè)，它是觀察者構(gòu)建實際過程模型時的思維產(chǎn)物。所以復雜系統(tǒng)強調(diào)觀察者本身是系統(tǒng)的參與者，從此研究復雜系統(tǒng)的目的不能再是控制或預測某種現(xiàn)象了。首先，由于系統(tǒng)的行為對初始條件十分敏感，使控制和預測變得十分困難。此外，復雜系統(tǒng)的變異行為也不可能根據(jù)其組成部分的特性來預先確定。其次，這種變異的實質(zhì)機理只可能通過更高層次的概念來解釋和掌握，而觀察者對此卻無法規(guī)定也無法預設(shè)。所以，復雜性科學和以控制和預測為目標的傳統(tǒng)科學根本上不同。參照文獻［0．10］的觀點，似乎可以說復雜性科學研究的目的之一是通過經(jīng)驗梳理的方法，理解自然界和人世間存在著的一切宏觀系統(tǒng)，建立真實復雜系統(tǒng)與人工復雜系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換界面或橋梁。
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