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第109篇 复杂性理论（3）— 圣菲研究所
第109篇 复杂性理论（3）— 圣菲研究所
作者：
中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智
复杂性科学研究的前沿阵地是美国新墨西哥的圣菲研究所（Santa Fe Institute, SFI）。这里汇集了一批不同领域的科学家，他们通过对不同学科之间的深入探讨，试图找出各种不同的系统之间的一些共性，并称之为"Complxity"。
1984年，在诺贝尔物理学奖获得盖尔曼、安德逊和诺贝尔经济学奖获得者阿若等人的支持下，一批物理、经济、理论生物、计算机、数学、哲学等领域的科学家，在美国新墨西哥州首府圣塔菲市，成立了一个把复杂性作为研究中心议题的研究所，这就是著名的圣塔菲研究所（简称 SFI），并将研究复杂系统的这一学科称为复杂性科学（Complexity Seience）。
其早期的主要学术观点认为复杂系统是由大量相互作用的单元构成的系统，基本思路是复杂适应性系统理论与基于多主体的计算机仿真与模拟。复杂性的研究内容则是研究复杂系统如何在一定的规则下产生有组织的行为以及系统的进化所突现出来的行为。近年来，SFI的一些科学家如Holland, Arthur, Kauffman等，拓宽了复杂系统的研究内容，把兴趣逐步转移到对经济作为复杂自适应系统（Economy as an Evolving Complex System）、混沌边缘（edge of chaos）、人工生命（artificial life）和系统进化（evolution of system）的研究。圣菲研究所的工作对传统的经济学、社会学、生物学造成了巨大的影响。
下面，我们看一看在《复杂》一书中对圣菲研究所的记述。《复杂》一书的作者是米歇尔.沃尔德罗普，由陈玲译。（下面摘录中的小标题是杨鸿智加的）
一 圣菲研究所的初步印象
1987年5月的一天，阿瑟接到一个从桑塔费订来的电话。打来电话的人声音柔和地自我介绍说，他叫乔治·考温。考温在电话上感谢阿瑟同意今年秋天来参加经济学家的研讨会。他说，他和他的同事们非常重视这个研讨会。桑塔费研究所是一个由物理学家马瑞·盖尔曼和其他一些人创办的小型私营机构，致力于复杂系统各个方面的研究。所谓复杂系统的各个方面，指的是从凝聚态物理学到社会整体的各个方面，包括任何内部有许许多多相互作用的因素的事物。这个研究所没有教职工，也没有学生，但却在致力于尽可能广泛地在研究人员之间建立起联络网。经济学家便是这个联络网上重要的一环。
考温说，他打电话给阿瑟的真正意图是，肯·阿罗建议桑塔费研究所邀请阿瑟来做访问研究员。也就是说，阿瑟可以在研讨会召开前几周来桑塔费，在研讨会召开以后还可以再在研究所住上几周。这样，他就有时间和其他住在研究所的研究人员一块儿工作，共同探讨。对此他有兴趣吗？
“当然有兴趣。”阿瑟说。秋季到桑塔费住上六个星期，所有费用都不必自己负担。为什么不呢？此外，他不得不承认桑塔费这个强大的学术火力网给他留下了深刻的印象。盖尔曼也是诺贝尔奖得主，这是继阿罗和安德森之后阿瑟听说的与桑塔费有关的第三个诺贝尔桂冠得主。盖尔曼是“夸克”（quarks）理论的创始人。夸克是运动于质子和中子之内的最小的粒子。阿瑟仍然不太明白这个叫老温的人所说的“复杂系统”究竟是什么，但整桩事情听上去已经让他觉得疯狂到足以撩起他的兴趣了。
“哦，顺便问一下，”阿瑟说，“还没人向我提及您的大名。请问您在桑塔费研究所担任什么工作？”
电话的那端停顿了片刻，然后传来一声咳嗽。“我是所长。”考温说。
其实阿瑟并不是唯一被桑塔费研究所所困惑的人。每一个第一次接触桑塔费的人总是会感到有些震惊。这个地方整个儿地摧毁了旧框框。这是一个由年迈的学术巨子创建的机构，他们头顶诺贝尔奖的桂冠，地位特殊、声名显赫。他们是些你以为会最安于现状的体面人物，但其实他们却是在借他们的声望作为平台，来掀起一场他们自称为科学革命的运动。
这个研究所的成员主要由核心物理学家和计算机高手组成。他们来自罗沙拉莫斯这个最初研制核武器的秘密军事基地。然而在研究所的走廊里却充满了对“复杂”这一新科学的激动人心的讨论。在他们的头脑中，复杂就好比一个大同世界，能涵盖从进化生物学到诸如经济、政治、历史这样的模糊学科——更别说能够帮助人们建立一个更加恒久而和平的世界。
简而言之，这整个儿就是一桩怪事。如果你试图把桑塔费研究所想象成是发生在商界的话，你就得想象成是IBM公司总部研究所的主任离任了，回到自家的车库里办起了一个小小的新时代算命咨询服务公司，然后还说服了全录（Xerox）、通用汽车公司（Chase Manhattan）和大通银行（GM）的董事长也加入了。
二 圣菲研究所的创建人——乔治·考温
更不同寻常的是，这幅图景的创建人——乔治·考温，罗沙拉莫斯研究所前主任——是一个与新时代截然相反的人物。六十七岁的考温是一个说话温和、即将退休的人。他穿着高尔夫运动上衣，敞着毛衣，把自己弄得有点像特丽莎修女。他并不因为有领袖魅力而名声在外。在任何一个群体中，他总是站在一旁倾听的人。他当然也并没有因为雄辩的口才而闻名遐迩。任何人只要问他为什么要创建桑塔费研究所，总是会听到他的一番既精确又高度理性的关于二十一世纪的科学现状和抓住科学机会的必要性的谈论——就像是一篇完全可以在《科学》（Science）杂志上发表的严肃的专家评论。其实听者会慢慢认识到，考温有他自己的思维方式，他确实是一个热情而志向不移的人。他完全不把桑塔费看作是一桩怪事。他认为桑塔费所要达到的目的远比他本人、比罗沙拉莫斯、或任何其他导致桑塔费创立的偶然因素要重要得多。就此而言，也远比桑塔费研究所本身要重要得多。他常说，如果我们这次不能成功，二十年以后还有其他人会沿着这一思路从头做起。对考温来说，桑塔费是一个使命，是一个为整个科学界获得拯救和新生的契机。
三 建立圣菲研究所的思想基础
（一）批判还原论思想和现有科学研究机构的保守
考温说：“通往诺贝尔奖的辉煌殿堂通常是由还原论的思维取道的。”也就是把世界分解得尽可能小、尽可能简单。你为一系列或多或少理想化了的问题寻找解题的方案，但却因此背离了真实世界，把问题限制到你能发现解决办法的地步。“这就造成了科学上越来越多的碎裂片。而真实的世界却要求我们——虽然我讨厌这个词——用更加整体的眼光去看问题。任何事情都会影响到其它事情，你必须了解事情的整个关联网。”
更令他沮丧的是，他感觉到，到了年轻一代科学家那里，事情变得越发糟糕了。就往来于罗沙拉莫斯的年轻科学家来说，他们既聪明绝顶又生机勃勃，但他们在延续科学的文化，这种文化一直在强行把科学智慧分割成越来越多的互不相干的碎片。
从科研机构来看（与政治正好相对立），大学保守得令人无法相信。年轻的博士们不敢打破传统。他们不得不把他们最好的时光耗费在拼命追求在系里谋到一个终身教职。这意味着，他们最好从事那些会得到终身教授委员会认可的研究。否则，他们将会听到这样的话：“你与生化系的学者们干得很努力，但你怎么表明你是物理学这儿的学术带头人呢？”而年岁大一些的研究人员不得不一睁开眼睛就拼命去争取研究经费。这意味着，他们不得不把自己的研究计划归整到让基金会可以认同的范畴。否则，他们就会听到这样的话：“乔，你的主意非常好，但糟糕的是，你的研究计划不属于我们这个部门管。”每个人都必须争取使自己的论文被权威的学术刊物接受和发表，而这些权威的学术刊物几乎只登载属于被认可的领域的论文。
考温说，就这样几年折腾下来，强制性的狭隘视野变成了一种不再被人们所意识的本能。他的经验告诉他，罗沙拉莫斯的研究人员越是沉湎于学术世界，就越是难以让他们参与团队工作。“我已经与这种状况抗争了三十年了。”他叹道。
然而，当他开始认真思考这个问题时，他感到，最令人沮丧的是这种碎裂的过程对科学整体的侵害。传统学科已经顽固和相互孤立得好像要自己窒息自己。你视野所及，到处都有太多的科学良机，但太多的科学工作者似乎对这些漠然无视。
考温想，如果需要例子的话，只需要看看现在正敞开着的机会——晤，他现在还真无法给这件事想出一个好的名称来。但如果他在罗沙拉莫斯的所见所闻有任何启示的话，那么，有某件大事正在酝酿之中。在过去的十年中，他越来越感到，传统的还原论的思维已经走进了死胡同，甚至就连一些核心物理学家也开始对忽视现实世界复杂性的数学式的抽象感到厌烦。他们好像正在有意无意地探索某种新的方法。在这个过程中，他们正在以他们过去这些年，甚至这几个世纪都从未有过的方式跨越传统的界线。
（二）复杂性科学研究的必要性和可能性
考温说：“从定义上我们差不多可以这样说，物理科学是一门以概念的优雅和分析的简单为特点的学科。所以你就会以此为优点而看不到其它方面。”确实，物理学家对社会学和心理学这些致力于探索真实世界的复杂性的“软科学”的轻蔑是众所周知的。但分子生物学出现了，它是对复杂到不可思议的活系统的描述。这些有生命的系统受着深层规律的支配。考温说：“一旦你和生物学交上了手，你就放弃了优雅，放弃了简单，你被搅得乱七八糟。但从这开始，渗入经济学和社会问题就变得容易得多了。一旦你已经沉入了一半，你也许就此开始游泳。”
与此同时，科学家也开始越来越多地对复杂系统进行思考，因为他们现在已经能够做这种思考了。当你用笔和纸来解答数学方程式时，你能够对付多少变量，同时又不至于陷进去出不来？三个？或四个？但当你具有了足够的计算机能力，你可以爱对付多少变量就对付多少变量。到八十年代初，计算机已经非常普及了。个人电脑大量出现，科学家们纷纷安装上了台式高效绘图工作站，大企业的实验室和国家实验室如雨后春笋般地冒了出来。突然间，含有无数变量的无数个方程式看起来没有那么繁杂了。比如，从救火皮带般长的数据中提取信息不显得那么不可能了，数行数行的数字和几英里长的数据带可以被转化成以颜色来表示的农作物收成图、或埋在数英里深的石头下的蕴藏石油的底层带。“计算机是非常好的记帐机器。”考温用很轻描淡写的低调说。
考温说，到了八十年代初，这种数据化的实验已经变得非常普遍了。从新机型的飞行效果测试、汹涌流入黑洞的星际气流、到大爆炸后银河系的形成——至少在物理科学家中，计算机模拟的整个概念已经完全被接受了。“所以你可以开始琢磨对付非常复杂的系统的事儿了。”
（三）“线性”和“非线性”
但是，复杂的魅力比这还要来得深刻。部分是因为复杂系统可以被计算机模拟，部分是因为新的数学认识。到八十年代初，科学家开始认识到，许多混乱而复杂的系统可以被一种强大的理论描述成“线性”动力学”（nonlineardynamics）。在这个过程中，科学家们被迫面对一个令他们窘困的事实：整体真的可以大于部分相加的总和。
对现在的大多数人来说，这一事实已是显而易见了，但对当时的物理学家们来说却是非常令他们窘困的，因为物理学家们花费了三百年时间来热爱线性系统。在这个系统中，整体正好等于所有部分的相加。公平地说，他们有很多理由这么认为。如果在一个系统中，整体正好等于所有部分的相加，则每一个部分都可以自由地做自己的事，而不用去管别处发生了什么。这样相对比较容易做数学分析。（“线性”这个词指的是，如果你把方程式在图表纸上画出来，绘制出来的会是一条直线。）另外，大自然中的许多事情都是线性运作的。声音是一个线性系统，这就是为什么双簧管和弦乐器合奏，你却可以将它们单独地分辨出来。因为音波相互混合，但仍然能保持各自的特点。光线也是一个线性系统，这就是为什么你在大太阳天也可以看到马路对面通行／禁止通行的指示灯，因为从指示灯射出来的光线进入你的眼帘不会被从高处照射下来的阳光粉碎于地面。各种光线独立运作、相互穿越，仿佛什么也不存在似的。在某些方面，甚至连经济也是一个线性系统，比方小经济单位可以独立运作。又比如，某人在街头杂货店买了一张报纸，
作者：杨鸿智
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