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第107篇 复杂性理论（1）— 《复杂性科学》概念的最概括的说明
第107篇 复杂性理论（1）— 《复杂性科学》概念的最概括的说明
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
一 我国研究者的说明
20世纪80年代，不同国家不同学科的研究人员不约而同地开始从新的角度来看待自然界和人类社会中一些复杂的现象，并且提出了复杂性科学（Complexity science）的概念，引起了一批世界级科学大师的关注和多学科领场科学家的兴趣，它的提出兴起了一场跨学科、交叉学科融合的科学革命。它要探讨的是复杂系统中，各组成部分之间相互作用所突现（emergence）出的特性。
它目前虽处于萌芽状态，但已被某些科学家誉为“21世纪新科学”。
复杂性科学研究的复杂系统涉及的范围很广，包括自然、工程、生物、经济、管理、政治与社会等各个方面；它探索的复杂现象从一个细胞呈现出来的生命现象，到股票市场的涨落、城市交通的管理、自然灾害的预测，乃至社会的兴衰等等，目前，关于复杂性的研究受到了世界各国科学家们的广泛关注。1999年，美国《科学》杂志出版了一期以“复杂系统”为主题的专辑，这个专辑分别就化学、生物学、神经学、动物学、自然地理、气候学、经济学等学科领域中的复杂性研究进行了报道。由于各学科对复杂性的认识和理解都不一样，所以该专辑避开术语上的争论，采用了“复杂系统”这个名词。概括起来，复杂系统都有一些共同的特点，就是在变化无常的活动背后，呈现出某种捉摸不定的秩序，其中演化、涌现、自组织、自适应、自相似被认为是复杂系统的共同特征。
应该看到，复杂性科学的兴起，标志着人类对客观世界认识的深化：从感性到理性、从个别到一般、从特殊到普遍、从局部到整体、从简单到复杂，人类的认识在螺旋式推进中不断发展，越来越接近世界的本原：越来越细的学科划分，使我们从不同的领域认识了客观世界的一个个组分、一个个局部、一个个事物，它们的奥秘被一个个揭示。然而，“科学是内在的整体，它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身，而是取决于人类认识能力的局限性”。客观世界的系统性决定了“实际上存在着从物理到化学、通过生物学和人类学到社会学的连续链条，这是任何一处都不能被打断的链条。”对客观世界全面系统的认识，需要通过科学的融合。
随着新世纪的钟声响起，人类已经步入一个崭新的千年。在这新千年来临之际，人类的科学技术不断进步，一方面科技取得了瞩目的成绩，并以前所未有的速度改变人们的生活；然而另一方面这也让更多的人迷惘了，未来的科技究竟何去何从，我们为什么要努力的发展科技？科学本身将如何发展？
所有的问题都指向了新科学：复杂系统。有人预测，复杂性科学将成为21世纪的科学，因为它不仅仅从科学技术上指明了21世纪的发展方向，而且它给我们提供了一种崭新的世界观。完美的、均衡的世界不存在了，取而代之的是复杂性的增长和混沌边缘的繁荣。自上而下的分解分析方法曾经在几千年的科学发展中发挥了威力，然而复杂性科学却提出了一种自下而上的自然涌现方法。数学无疑是人类理性认识自然的有力武器，然而面对庞大的非线性系统，简单的数学推力不能胜任，复杂性科学开始运用计算机模拟来分析科学对象。
面对这种种思想的冲击和变革，我们国人有应何去何从？新科学的产生意味着新的挑战即将到来，同时也意味着这片领域充满了未知，充满了机会！西方系统思想的发展明显的说明了东西方文化即将产生一次新的史无前例的综合！而复杂系统理论本身更象是中国古老的道家思想、易学文化的现代翻版。因此，我们感觉到非常有必要普及这种新兴的科学潮流。因而我们举办了这个栏目，一方面是想让普通大众走进复杂性科学；另一方面我们将尽可能全面的介绍这个快速增长的领域。
资料来源：
（1） 成思危在《复杂性科学探索》一书的编后记
http://www.survivor99.com/entropy/paper/p9.htm
（2）复杂性科学简介
http://www.qiji.cn/news/reading/2003/11/15/20031115233653.htm
二 《复杂》一书中《概述》一节对于《复杂性科学》的描述：
这是一本关于复杂性科学的书——这门学科还如此之新，其范围又如此之广，以至于还无人完全知晓如何确切地定义它，甚至还不知道它的边界何在。然而，这正是它的全部意义之所在。如果说，复杂性科学的研究领域目前尚显得模糊不清，那便是因为这项研究正在试图解答的是一切常规学科范畴无法解答的问题。比如：
为什么苏联对东欧四十年的统治会在1989年的几个月之内轰然坍塌？为什么苏联自身也在其后不到两年的时间内分崩离析？这些当然与名叫戈尔巴乔夫和叶利钦的两个人有一定的关系。但即使是这两个人自己，也像是被他们完全无法控制的事件席卷裹挟而不能自已。这是否是因为有某种全球性的、超越个人能量的原因在起作用？
为什么股票市场会在1987年10月的一个星期一这一天之中猛跌五百多个百分点？很多评论将之归咎于股票生意的计算机化。但计算机的应用已有多年，有没有任何答案可以解释为什么股票偏偏在那个特殊的星期一狂跌不已？
根据化石标本的记载，古代物种和生态系统常常稳定地保持了几百万年，而后却在地质期的某一瞬间灭种或演变为新的物种，这是为什么呢？也许恐龙是因为小行星的影响而遭到灭绝，但那时并没有那么多的小行星，还有其它因素在起作用吗？
为什么在孟加拉这样的国家，即使在实行免费节育措施之后，农村家庭仍然平均要生七个孩子？甚至村民们似乎完全清楚，由于他们的国家人口过多和发展停滞，他们正蒙受着怎样的苦难。为什么他们仍要明知故犯他要沿袭这种行为方式，使自己陷入灾难深重的境况呢？
原始的液态氨基酸和其它简单的分子是如何在四十亿年前转化为最初的活细胞的？分子是不可能随机地组合在一起的，但生命起源学家们却又津津乐道地说，不发生这样的情形是荒谬的。难道生命的起源竟是一个奇迹？抑或是液态氨基酸中有我们至今尚不知晓的致因？
为什么单个细胞在六亿年前开始组合，从而形成像海藻、水母、昆虫，最后到人类这样的多细胞生物体？而人类又为什么要耗费这么多的时间和这么大的力气来把自己组成家庭、部落、社团、民族及各种类型的社会？如果进化（或zb主义自由市场）真是完全由适者生存法则决定的，那么为什么又会发生一些与人际之间残酷竞争毫不相关的事情呢？在这个好人经常无法坚持到底的世界上，为什么又有像信任与合作这样的事？为什么尽管有各种各样的情况，但信任与合作却不但存在，而且还会发扬、昌盛？
达尔文的自然选择论如何解释像眼睛和肾脏这样精妙复杂的结构？难道我们在生命体上所发现的这些精妙得令人无法相信的组织，真的仅仅是随机进化的偶然结果吗？抑或在四十亿年前还有什么别的、达尔文所不了解的因素在发生作用？
生命究竟是什么？难道生命无非是一种特殊而复杂的碳水化合物？还是某种更微妙的东西？我们制造出来的像计算机病毒这样的东西究竟是什么？它们仅仅是恼人的生命的仿造品吗？或者，从最根本的意义上来说，它们真是活物吗？
脑子是什么？大脑这个普普通通的三磅重的团块，是如何产生像感情、思想、目的和意识这样不可言喻的特征的？
也许最根本的是，为什么总是有而不是无？宇宙始于大爆炸后一片潮湿的混沌，然而至此开始，就像热力学的第二定律所形容的那样，宇宙就受制于某种不屈不挠地趋于混乱、解体和衰败的倾向力。但它同时又无处不产生着结构：银河、恒星、行星、细菌、植物、动物和大脑。这又是怎么回事呢？是因为永恒趋于混乱的强制力与同样强大的趋于秩序、结构和组织的强制力之间有某种抗衡的力量？如果是这样的话，这两种力量是如何同时发生作用的呢？
乍一看，这些问题只有唯一一个共同点，那就是，它们都有一个共同的答案：“无人知晓”。有些问题看上去甚至根本就不是科学问题。但当你进一步研究它们时，你就会发现，这些问题其实有许多共同之处。比如，它们都属于一个系统，即复杂系统。也就是说，许许多多独立的因素在许许多多方面进行着相互作用。比如千百万个蛋白、脂肪和细胞核酸相互产生化学作用，从而组成了活细胞；又比如由几十亿万个相互关联的神经细胞组成的大脑，以及由成千上万个相互依存的个人组成的人类社会。
而且，在每种情况中，这些无穷无尽的相互作用使每个系统作为一个整体产生了自发性的自组织。人们在力图满足自己的物质需要的过程中，通过无数个人的买卖行为，无意识地将自己组成了某种经济体制，就属于这种情况。这并非是在有人负责或有意识地计划下发生的情形。又比如，基因在一个不断发展的胚胎中以一种方式将自己组合成肝脏细胞，又以另一种方式将自己组合成肌肉细胞；飞鸟顺应邻居的行为而无意识地将自己聚集成群；生物体经常相互适应而得以进化，从而将自己组合成为精巧协调的平衡系统；原子通过相互化合得以找到最小的能量状态，从而使自己形成被称之为分子的结构。在所有这些情形中，一组组单个的动因在寻求相互适应与自我延续中或这样、或那样地超越了自己，从而获得了生命、思想、目的这些作为单个的动因永远不可能具有的集成的特征。
更进一步的是，这些复杂的、具有自组织性的系统是可以自我调整的。在这种自我调整中，它们并不像地震中的滚石那样仅仅只是被动地对所发生的事件作出反应。它们积极试图将所发生的一切都转化为对自己有利。因而人类的大脑经常在组织和重组它几十亿个神经联系，以吸取经验（总之有时是这样的）；物种为在不断变化的环境中更好地生存而进化——在企业和工业领域的情形也是如此。市场对消费口味和生活方式的变化，对移民、技术发展。原材料价格的变化和其它一系列因素的变化不断地作出反应。
最后一点，每一个这样自组织的、自我调整的复杂系统都具有某种动力。这种动力使它们与计算机集成电路块和雪花这类仅仅只是复杂的物体有着本质上的区别。复杂系统比它们更具自发性，更无秩序，也更活跃。然而与此同时，这种特殊的动力对离奇古怪的、无法预测的螺旋运转，即被称之为混沌的状态，却还相距遥远。在近二十年中，混沌理论已经动摇了科学的根基，它使人们认识到，极其简单的动力规律能够导致极其复杂的行为表现，譬如无数细小的碎片所产生的整体美感，或无数翻沫所形成的汹涌的河流。然而混沌理论本身仍然无法解释结构和内聚力、以及复杂性系统自我组织的内聚性。
但复杂性系统却具有将秩序和混沌融入某种特殊的平衡的能力。它的平衡点——即常被称为混沌的边缘——便是一个系统中的各种因素从无真正静止在某一个状态中，但也没有动荡至解体的那个地方。混沌的边缘就是生命有足够的稳定性来支撑自己的存在，又有足够的创造性使自己名副其实为生命的那个地方；混沌的边缘是新思想和发明性遗传基因始终一点一点地蚕食着现状的边缘的地方。在这个地方，即使是最顽固的保守派也会最终被overthrow。混沌的边缘是几个世纪的奴隶制和农奴制突然被五十年代和六十年代的rights of man运动所取代的时刻；是长达七十年的苏维埃突然被政治动乱所取代的时刻；是进化过程中万古不变的稳定性突然被整个物种的演变所取代的时刻。混沌的边缘是一个经常变换在停滞与无政府两种状态之间的战区，这便是复杂性系统能够自发地调整和存活的地带。
在混沌边缘发生的复杂、调整和剧变——这些共同的特征是如此显著，以至于越来越多的科学家相信，在一系列仅仅是顺理成章的科学类推之外肯定还有更多的东西存在。这场科学运动的神经中枢便是被称之为桑塔费研究所的智囊机构。这个研究所创建于八十年代中期，最初坐落在坎杨路桑塔费艺术区中一个租来的女修道院里（举办学术讨论会的地方过去是一个小教堂）。聚集在这里的研究人员虽然来自不同的阶层和背景，包括从梳着马尾巴发型的研究�
作者：杨鸿智
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