在科學(xué)文獻(xiàn)中“復(fù)雜性”(plexity)成為一個(gè)愈來(lái)愈頻繁出現(xiàn)的關(guān)鍵詞。什么叫復(fù)雜性？這個(gè)概念是哪些經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的概括？它為什么能反映自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)走向融合的現(xiàn)狀？本書(shū)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(xué)向來(lái)是強(qiáng)調(diào)實(shí)體(即原子、基本粒子、生物分子等)，而中國(guó)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(diǎn)為基礎(chǔ)”，他還指出我們需要“一個(gè)新的綜合，一個(gè)新的歸納，它將把強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)為中心的中國(guó)傳統(tǒng)結(jié)合起來(lái)”。作者學(xué)習(xí)復(fù)雜性科學(xué)就是在這個(gè)啟發(fā)的鼓勵(lì)下開(kāi)始的，因此，本書(shū)其實(shí)是作者開(kāi)始學(xué)習(xí)復(fù)雜性理論的心得筆記，其中也有一點(diǎn)自己試用這種思路的體會(huì)，試圖從科學(xué)技術(shù)的視角來(lái)闡述我們對(duì)復(fù)雜性的理解�！ 〔贿^(guò)復(fù)雜性科學(xué)既然無(wú)處不在，那么從它在各個(gè)領(lǐng)域中的表現(xiàn)入手，探索它的內(nèi)容和實(shí)質(zhì)就可能是一個(gè)比較扎實(shí)的入門(mén)之道。所以本書(shū)不從現(xiàn)有的理論出發(fā)來(lái)進(jìn)行演繹，而從復(fù)雜性在現(xiàn)實(shí)中的表象出發(fā)來(lái)做些力所能及的歸納(induction)和聯(lián)想(abduction)。
郭毅可教授 英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)研究所所長(zhǎng)，是歐洲大數(shù)據(jù)科學(xué)與系統(tǒng)技術(shù)研究的主要領(lǐng)軍人物之一。也是英國(guó)計(jì)算機(jī)界主持科研項(xiàng)目眾多的科學(xué)家之一。*曾還專(zhuān)門(mén)參觀了郭毅可教授所在的研究所，聽(tīng)取了他的研究成果匯報(bào)。并對(duì)他的工作非常肯定和贊賞。
在世紀(jì)交替的當(dāng)代，自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)開(kāi)始融合，在科學(xué)文獻(xiàn)中“復(fù)雜性”(complexity)成為一個(gè)愈來(lái)愈頻繁出現(xiàn)的關(guān)鍵詞。什么叫復(fù)雜性？這個(gè)概念是哪些經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的概括？它為什么能反映自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)走向融合的現(xiàn)狀？這些問(wèn)號(hào)推動(dòng)作者踏上寫(xiě)作本書(shū)的征程。
從19世紀(jì)至今二百多年以來(lái)，自然科學(xué)經(jīng)歷了19世紀(jì)“機(jī)械唯物主義的自我滿足”(維納語(yǔ))，20世紀(jì)由愛(ài)因斯坦發(fā)端的迷惘和探索一直到世紀(jì)交替中出現(xiàn)的復(fù)雜性科學(xué)。作為新中國(guó)培養(yǎng)的科學(xué)技術(shù)工作者，作者飽受以理性為最高目標(biāo)的歐美文化的熏陶，接受了來(lái)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(xué)、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(guò)程中，深深體驗(yàn)到復(fù)雜性科學(xué)思路的威力，因此試圖從科學(xué)技術(shù)的視角來(lái)闡述我們對(duì)復(fù)雜性的理解。因此，本書(shū)其實(shí)是作者開(kāi)始學(xué)習(xí)復(fù)雜性理論的心得筆記，其中也有一點(diǎn)自己試用這種思路的體會(huì)。
關(guān)于復(fù)雜性理論的意義，有不同說(shuō)法，有的稱(chēng)之為“科學(xué)之傘”，有的稱(chēng)為“科學(xué)之緯”。各種說(shuō)法的共同點(diǎn)是它具有涵蓋自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的功能。如果把控制論、信息論和系統(tǒng)論概括成“橫斷科學(xué)”，那么復(fù)雜性科學(xué)的“橫斷”覆蓋面更寬。因此作者在理解復(fù)雜性的理論時(shí)，難免會(huì)從哲學(xué)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(duì)自然科學(xué)理論，尤其是對(duì)哲學(xué)理解得很差，從這樣的基礎(chǔ)出發(fā)來(lái)學(xué)習(xí)這樣寬且深的理論而且要寫(xiě)出自己的見(jiàn)解來(lái)，肯定會(huì)有浮淺和誤解之處。不過(guò)復(fù)雜性科學(xué)既然無(wú)處不在，那么從它在各個(gè)領(lǐng)域中的表現(xiàn)入手，探索它的內(nèi)容和實(shí)質(zhì)就可能是一個(gè)比較扎實(shí)的入門(mén)之道。所以本書(shū)不從現(xiàn)有的理論出發(fā)來(lái)進(jìn)行演繹，而從復(fù)雜性在現(xiàn)實(shí)中的表象出發(fā)來(lái)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(shí)，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(shū)盡量為更多的讀者接受，作者理應(yīng)盡可能用類(lèi)比和直覺(jué)的方法通過(guò)常見(jiàn)的具體實(shí)例來(lái)解釋各種涉及的概念和結(jié)論，這就要求作者自己對(duì)它們要有深刻的理解，但本書(shū)的作者還達(dá)不到這個(gè)水平，有一些問(wèn)題只好用加注的方法引入一些理論上的推導(dǎo)，以表明其邏輯依據(jù)。在社會(huì)科學(xué)方面，作者是門(mén)外漢，但為了說(shuō)明復(fù)雜性科學(xué)的確具有融合自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的功能，我們還是盡力把自己的一些粗淺體會(huì)貢獻(xiàn)出來(lái)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(xué)向來(lái)是強(qiáng)調(diào)實(shí)體(即原子、基本粒子、生物分子等)，而中國(guó)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(diǎn)為基礎(chǔ)”，他還指出我們需要“一個(gè)新的綜合，一個(gè)新的歸納，它將把強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)為中心的中國(guó)傳統(tǒng)結(jié)合起來(lái)”。作者學(xué)習(xí)復(fù)雜性科學(xué)就是在這個(gè)啟發(fā)的鼓勵(lì)下開(kāi)始的。希望這個(gè)嘗試能在東西方文明交融的過(guò)程中起一點(diǎn)極微薄的作用。
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郭方中，復(fù)旦大學(xué)物理系教授。
郭毅可，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)終身教授，上海大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院院長(zhǎng)，帝國(guó)理工大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)研究所所長(zhǎng)，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(xué)家，清華大學(xué)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(wàn)物的譜與其中的序14
1.1.3不可逆的流16
1.1.4有序無(wú)序之間的復(fù)雜23
1.1.5個(gè)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(fù)雜性39
1.2.1從還原論、對(duì)稱(chēng)美到復(fù)雜性39
1.2.2復(fù)雜性52
1.2.3“萬(wàn)物與我為一”57
1.3復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)——時(shí)間59
1.3.1系統(tǒng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)59
1.3.2熱力學(xué)熵64
1.4相關(guān)時(shí)空68
1.5天地之間的人73
結(jié)束語(yǔ)83
第2章生命系統(tǒng)的自組織87
2.1從無(wú)序向有序過(guò)渡的時(shí)空特征87
2.1.1無(wú)序中的序——隨機(jī)行走的時(shí)空特征87
2.1.2復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)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(fù)雜系統(tǒng)的隨機(jī)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(shí)間序列導(dǎo)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(jìn)化157
2.5.1進(jìn)化過(guò)程的因果網(wǎng)絡(luò)157
2.5.2突變?cè)谶M(jìn)化中的作用161
2.5.3復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)164
2.6自組織和道168
結(jié)束語(yǔ)178
第3章復(fù)雜系統(tǒng)的信息流182
第4章生命的模式動(dòng)力學(xué)291
第5章道法自然334
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20世紀(jì)80年代也許可以算是文明史的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在此之前的70年代，運(yùn)動(dòng)中存在不變性這個(gè)前提曾是物理學(xué)家的指路燈，利用對(duì)稱(chēng)、平衡、不變性等這些理性概念建立了想給宇宙萬(wàn)物一個(gè)統(tǒng)一理論解釋的標(biāo)準(zhǔn)模型（gaugetheory），在這類(lèi)模型中時(shí)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(chēng)破損、混沌等這些復(fù)雜現(xiàn)象，而不變性則退居次要位置；于是時(shí)間變量又重新出現(xiàn)，成為重要的變量，這個(gè)自希臘古典哲學(xué)以來(lái)就出現(xiàn)的爭(zhēng)論現(xiàn)在重新燃起。1985年美國(guó)在重要核科學(xué)研究基地之一，LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，新建了以復(fù)雜性科學(xué)為研究對(duì)象的SantaFe研究所（SFI）。它的研究領(lǐng)域遍及經(jīng)濟(jì)、生物、環(huán)境生態(tài)、社會(huì)演化、科技生態(tài)等方面。顯然，這些都是經(jīng)濟(jì)全球化背景下有關(guān)國(guó)家和人類(lèi)命運(yùn)的重大課題。M．Mitchell在文獻(xiàn)［0．5］中細(xì)述了SantaFe研究所創(chuàng)建二十余年以來(lái)的研究思路發(fā)展歷程，他在第八章用“等待卡諾”這四字標(biāo)題形象地概括了他們致力于研究生命起源、經(jīng)濟(jì)理論和演化（包括海洋生物的、人類(lèi)的、社會(huì)的）等復(fù)雜系統(tǒng)的期望理論目標(biāo)：把熱力學(xué)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(gè)分支———熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)———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(biāo)［0．6］。1989年以柏林墻倒塌為標(biāo)志事件的全球化浪潮則使地球變得愈來(lái)愈平坦，正如T．Friedman在文獻(xiàn)［0．1］的標(biāo)題上所點(diǎn)明，他指出，地球自生成之日起，物理演化、生物演化及人類(lèi)文明演化的交織至今，已經(jīng)使人類(lèi)不得不面對(duì)極為復(fù)雜的生態(tài)、政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問(wèn)題的挑戰(zhàn)階段，地球成為政治、文化、國(guó)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(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中的問(wèn)題，顯然，自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)必須有共同的基礎(chǔ)。把自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域飛速發(fā)展中日益成熟的經(jīng)驗(yàn)理性方法自覺(jué)地融合到社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中，很自然地成了首選思路，經(jīng)濟(jì)學(xué)和生態(tài)學(xué)于是成了物理學(xué)家深入涉足的學(xué)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(gè)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(lái)的積雪一旦坍落，卻會(huì)形成兇猛的雪崩。清澈的小溪中，水流形成的旋渦處處可見(jiàn)，但一旦把水舀上來(lái)，旋渦就消失了�？梢�(jiàn)，不論是自然界或是人世間，單獨(dú)的個(gè)體行為與大量同樣個(gè)體的集群行為是截然不同的。
組成系統(tǒng)的眾多參與個(gè)體之間的自組織行為使系統(tǒng)成為復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)相互組合，它可以發(fā)展得很快。結(jié)晶、雪崩、龍卷風(fēng)都是自組織系統(tǒng)的實(shí)例。它們有一定的隨機(jī)性，但仍可識(shí)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(wú)結(jié)構(gòu)約束條件的系統(tǒng)來(lái)，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(guò)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(zhǎng)的晶體發(fā)育得好。復(fù)雜性雖然會(huì)限制形態(tài)的多樣性，卻加速其演化過(guò)程。
經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)是人們最常見(jiàn)的宏觀系統(tǒng)，它們有眾多個(gè)體參者，它們的集群特性截然不同于參與個(gè)體的行為，兩者之間有本質(zhì)的不同。從生物界、經(jīng)濟(jì)界等復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)例可以看出，復(fù)雜系統(tǒng)演化的條件是有大量相互作用的個(gè)體，系統(tǒng)內(nèi)的相互聯(lián)系必須足夠復(fù)雜以支持正負(fù)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(yīng)于環(huán)境的變化。
系統(tǒng)復(fù)雜與否取決于觀察者，因?yàn)閷哟沃g的變異（emergence）是由觀察者提出的假設(shè)，它是觀察者構(gòu)建實(shí)際過(guò)程模型時(shí)的思維產(chǎn)物。所以復(fù)雜系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)觀察者本身是系統(tǒng)的參與者，從此研究復(fù)雜系統(tǒng)的目的不能再是控制或預(yù)測(cè)某種現(xiàn)象了。首先，由于系統(tǒng)的行為對(duì)初始條件十分敏感，使控制和預(yù)測(cè)變得十分困難。此外，復(fù)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(lái)預(yù)先確定。其次，這種變異的實(shí)質(zhì)機(jī)理只可能通過(guò)更高層次的概念來(lái)解釋和掌握，而觀察者對(duì)此卻無(wú)法規(guī)定也無(wú)法預(yù)設(shè)。所以，復(fù)雜性科學(xué)和以控制和預(yù)測(cè)為目標(biāo)的傳統(tǒng)科學(xué)根本上不同。參照文獻(xiàn)［0．10］的觀點(diǎn)，似乎可以說(shuō)復(fù)雜性科學(xué)研究的目的之一是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)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(shí)復(fù)雜系統(tǒng)與人工復(fù)雜系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換界面或橋梁。
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