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從過(guò)去到未來(lái)：追尋復(fù)雜系統(tǒng)研究的足跡

點(diǎn)擊：  作者：劉宇    來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所微信號(hào)  發(fā)布時(shí)間:2022-09-24 08:54:29

 

 

導(dǎo)語(yǔ)：復(fù)雜系統(tǒng)的世界如同一片汪洋大海，而解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的理論和方法可能散落在海洋各處。我們?cè)撊绾翁鲞@片大海，窺探到整個(gè)復(fù)雜科學(xué)研究的全貌？怎樣的研究算是復(fù)雜科學(xué)研究？或許我們可以從人類(lèi)早期的經(jīng)典研究中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)科學(xué)思維的痕跡。

 

本文基于北京師范大學(xué)珠海校區(qū)復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)際科學(xué)中心劉宇副研究員的《再談復(fù)雜性：復(fù)雜系統(tǒng)研究歷史與范式轉(zhuǎn)變》主題報(bào)告整理而成，劉宇老師從系統(tǒng)科學(xué)的歷史視角出發(fā)，分享了自己對(duì)于復(fù)雜科學(xué)研究的理解、研究范式的轉(zhuǎn)變以及未來(lái)研究方向的展望。

研究領(lǐng)域：復(fù)雜系統(tǒng)，整體論

 

 

人類(lèi)認(rèn)識(shí)事物有兩種思維方法，一種是整體論，將事物作為一個(gè)整體來(lái)考察，將問(wèn)題作為全局的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)；另一種是還原論，將需要認(rèn)識(shí)的事物像拆卸機(jī)械鐘表一樣層層分解，先理解被分解后的組成部分，然后將這些對(duì)組成部分的認(rèn)知組合起來(lái)推斷出對(duì)事物的整體認(rèn)知。二者并不是對(duì)立關(guān)系，想從還原中獲得真相，卻可能在還原中丟失一些細(xì)節(jié)；而僅從整體入手則可能困于不能深入內(nèi)部真相的窘境。

 

人類(lèi)幾百萬(wàn)年發(fā)展歷史中，通常是從拆解枝干出發(fā)，再整合以求全貌；又或者是先大膽進(jìn)行整體層面假設(shè)，再小心拆解驗(yàn)證。一般來(lái)講，復(fù)雜系統(tǒng)研究是經(jīng)典的整體論研究范式。

 

提到復(fù)雜系統(tǒng)研究，我們可能會(huì)首先想到上世紀(jì)三四十年代的一般系統(tǒng)論、控制論、信息論，以及六七十年代的耗散結(jié)構(gòu)、協(xié)同學(xué)和突變論等關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的經(jīng)典理論，乃至復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)等20世紀(jì)末的復(fù)雜性研究。但實(shí)際上，復(fù)雜系統(tǒng)思維貫穿人類(lèi)探索世界的歷程，尤其是在早期一些經(jīng)典研究和理論中可以發(fā)現(xiàn)復(fù)雜研究的特征。我們可以從玻耳茲曼、牛頓、達(dá)·芬奇等人的理論著作和手稿中尋找到復(fù)雜研究的痕跡。

 

 

一、熱力學(xué)定律與復(fù)雜系統(tǒng)研究

 

歷史上人類(lèi)曾執(zhí)著地追求永動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)。關(guān)于永動(dòng)機(jī)制造的思路可以分為兩種：一種是像神話傳說(shuō)中盤(pán)古從混沌中汲取能量來(lái)創(chuàng)造世界一樣，憑空創(chuàng)造能量使其“永動(dòng)”，然而熱力學(xué)第一定律指出“能量可以轉(zhuǎn)換但總是守恒”，打破了這種想法；另一種便是利用自然界中的各種能量來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器，但理性的克勞修斯和開(kāi)爾文爵士提出的熱力學(xué)第二定律指出，“熱不可能自發(fā)地由低溫物體傳向高溫物體”。換句話說(shuō)，功可以完全變成熱，而熱卻不能完全地產(chǎn)生功，總會(huì)伴隨著熱從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩吹暮纳p失。機(jī)器可以動(dòng)，但不可以永動(dòng)，例如摔碎的杯子不會(huì)自動(dòng)復(fù)原，凌亂的房間不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)整齊，要想使其恢復(fù)原狀，則必須施加新的能量。

 

 

一個(gè)永動(dòng)機(jī)的例子

 

熱力學(xué)第二定律本質(zhì)上更多的是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，我們必須要結(jié)合熵的概念才能將其描述為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)定理。對(duì)熵進(jìn)行深入研究從而使其超出熱力學(xué)范疇，成為一個(gè)跨領(lǐng)域基本概念的科學(xué)家，就是路德維希·玻爾茲曼。

 

路德維希·玻爾茲曼（1844-1906），奧地利物理學(xué)家，于1877年運(yùn)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法提出了優(yōu)雅的玻爾茲曼熵公式和玻爾茲曼分布，證實(shí)了熱力學(xué)第二定律。而更重要更有意義的是公式背后的理論基礎(chǔ)——原子假說(shuō)。玻爾茲曼認(rèn)為，世界由分子和原子構(gòu)成。盡管這種說(shuō)法如今已經(jīng)是人人皆知、耳熟能詳?shù)某ＷR(shí)，但在當(dāng)時(shí)卻存在較大的爭(zhēng)論。原子假說(shuō)認(rèn)為只要知道了支配單個(gè)原子的規(guī)律，也就可以推論出由原子構(gòu)成的物質(zhì)總體的性質(zhì)。但實(shí)際中組成宏觀系統(tǒng)的原子數(shù)量過(guò)多無(wú)法直接測(cè)量，因此物理學(xué)家常用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算，即通過(guò)對(duì)個(gè)體原子物理量的統(tǒng)計(jì)平均，來(lái)得出支配宏觀行為的規(guī)律。波爾茲曼最偉大的功績(jī)是發(fā)展了通過(guò)原子的性質(zhì)（例如，原子量、電荷量、結(jié)構(gòu)等等）來(lái)解釋和預(yù)測(cè)物質(zhì)的物理性質(zhì)（例如，粘性、熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散等等）的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，并且從統(tǒng)計(jì)意義上對(duì)熱力學(xué)第二定律進(jìn)行了闡釋。

 

 

波爾茲曼畫(huà)像與他的熵公式

 

波爾茲曼對(duì)于熱力學(xué)研究的思路體現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)思維。他通過(guò)統(tǒng)計(jì)手段將單一原子的性質(zhì)和整個(gè)物質(zhì)的性質(zhì)相聯(lián)系，憑一己之力將研究范疇從單個(gè)物體上升到摩爾級(jí)別的數(shù)量級(jí)，在當(dāng)時(shí)是典型的跨學(xué)科跨領(lǐng)域的研究工作。但玻爾茲曼后期陷入了關(guān)于“原子說(shuō)”和“唯能說(shuō)”的辯護(hù)中，若將他的精神世界比作一個(gè)孤立的系統(tǒng)，按照熵增原理，他的混亂程度處于持續(xù)增加的狀態(tài)。1906年心力交瘁的玻爾茲曼于奧地利自殺，用死亡給自己生命中不斷增加的熵畫(huà)上了終點(diǎn)。

 

二、萬(wàn)有引力與達(dá)·芬奇手稿中的整體論思想

 

百科書(shū)式的“全才”牛頓（1643-1727）一生的科學(xué)成就是閃耀的，他提出了三大運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力定律、動(dòng)量、微積分、廣義二項(xiàng)定律、音速、冷卻定律、顏色理論等一系列耳熟能詳?shù)闹碚?，著有《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。單從他有名的萬(wàn)有引力和三大運(yùn)動(dòng)定律來(lái)講，我們可能更容易認(rèn)為牛頓是還原論思想的代表人物：通過(guò)對(duì)物體的受力分析來(lái)分析其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但實(shí)際上，還原論和整體論并不是一分為二的對(duì)立關(guān)系，還原論將視角聚焦到某個(gè)簡(jiǎn)單的物體或者事件上來(lái)，使我們對(duì)其單一元素和關(guān)系認(rèn)識(shí)得更為透徹；而整體論則將我們擴(kuò)展到全局，去看到那些我們無(wú)法“窺一斑而知全豹”的事物的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律。

 

 

牛頓、蘋(píng)果與萬(wàn)有引力

 

萬(wàn)有引力定律很好地體現(xiàn)了整體論思想。萬(wàn)有引力描述了物體具有質(zhì)量而在物體之間產(chǎn)生的一種相互作用。在牛頓時(shí)代，人們普遍認(rèn)知是物體之間發(fā)生作用的前提是實(shí)體接觸，而牛頓將一切化學(xué)、熱、電等現(xiàn)象看作“與吸引或排斥力有關(guān)的事物”，它通過(guò)萬(wàn)有引力公式實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然界高度抽象的概括——將世界上兩個(gè)完全不同的物體抽象為質(zhì)點(diǎn)，并且它們之間的引力大小僅與其質(zhì)量和距離相關(guān)，這種開(kāi)創(chuàng)性、簡(jiǎn)潔的、抽象的描述正是復(fù)雜性科學(xué)研究所追求的。

 

 

達(dá)·芬奇手稿

 

時(shí)間卷軸再往前推到遙遠(yuǎn)的15世紀(jì)中期，文藝復(fù)興后三杰之一列奧納多·達(dá)·芬奇（1452-1519）為世人留下了1.3萬(wàn)多頁(yè)的手稿，展示了這位藝術(shù)家天馬行空的想象力和無(wú)人能及的藝術(shù)創(chuàng)作力量。除大量藝術(shù)創(chuàng)作手稿外，內(nèi)容從物理到數(shù)學(xué)到生物解剖，幾乎無(wú)所不容，當(dāng)初很多的想法和設(shè)計(jì)，比現(xiàn)代科學(xué)都要早幾個(gè)世紀(jì)。

 

在當(dāng)時(shí)他的設(shè)計(jì)很少被認(rèn)為是可行的。但是其中一些小型發(fā)明，例如自動(dòng)繞線機(jī)和用于測(cè)試線材抗拉強(qiáng)度的機(jī)器，則很快就被引進(jìn)到了制造業(yè)的世界。他見(jiàn)微知著，比如注意到人類(lèi)牙齒的不同形狀，注意到人體軀干和樹(shù)木河流枝干分叉之間的關(guān)系，通過(guò)化石推測(cè)山脈可能是原來(lái)的海床；同時(shí)又能巧妙地組合各個(gè)部分的比例和位置使之合理且逼真，例如直升機(jī)、坦克車(chē)、計(jì)算機(jī)、板塊構(gòu)造論基本原理、雙層殼等許多構(gòu)想。

 

這是復(fù)雜系統(tǒng)思維在達(dá)·芬奇身上的體現(xiàn)，他具有高超的繪畫(huà)能力，更重要是設(shè)計(jì)和構(gòu)造整體的能力——能夠完美地整合離散的組件并使之成為一個(gè)優(yōu)美的藝術(shù)整體，是還原論和整體論相輔相成的體現(xiàn)。

 

三、如何理解復(fù)雜系統(tǒng)研究？

 

問(wèn)題驅(qū)動(dòng)

 

通過(guò)上面的例子，我們不難發(fā)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)研究都具有交叉學(xué)科的特征。實(shí)際上，學(xué)科本身可以被視為還原論的產(chǎn)物，例如正是因?yàn)槲覀兪褂眠€原論來(lái)研究人體，因此生理學(xué)/醫(yī)學(xué)得以產(chǎn)生；我們用還原論研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此力學(xué)產(chǎn)生了。學(xué)科的產(chǎn)生使得知識(shí)生產(chǎn)更加專(zhuān)業(yè)化和集中，幫助人類(lèi)處理更加復(fù)雜、尖銳的問(wèn)題。但學(xué)科壁壘最終需要被打破，學(xué)科并不是原本就存在的，面向問(wèn)題的跨學(xué)科交叉研究是自然界和人類(lèi)社會(huì)所呼吁的。

 

舉個(gè)例子，在《槍炮、病菌和鋼鐵》一書(shū)中，提到了關(guān)于歐洲人在過(guò)去500年中對(duì)非歐洲民族的征服。歐洲人只是想通過(guò)航海去尋找貴金屬和香料，結(jié)果卻常常導(dǎo)致對(duì)美洲土著人土地的入侵，并通過(guò)帶來(lái)的疾病大批消滅了土著居民，原因在于，龐大的亞歐大陸上人們密切的交流導(dǎo)致他們對(duì)病菌有特定的免疫能力，而美洲居民卻沒(méi)有。如果是單從歷史或者人文的角度來(lái)講可能會(huì)對(duì)土著居民的滅亡感到困惑，而系統(tǒng)性思維卻能很好地幫助我們解釋這個(gè)問(wèn)題。

 

因此，系統(tǒng)思維強(qiáng)調(diào)從問(wèn)題出發(fā)，由問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，不被學(xué)科分類(lèi)所束縛。例如關(guān)于生命起源的問(wèn)題可以有多個(gè)切入點(diǎn)，可以從幾何拓?fù)涞慕嵌确治錾绾螐?fù)制，可以從合成生物學(xué)角度去人工制造細(xì)胞，可以從系統(tǒng)發(fā)生學(xué)角度去研究某個(gè)物種的演化過(guò)程，可以分析古生物的發(fā)展……這些都是研究生命起源的方式，并不必須要在某個(gè)學(xué)科框架下進(jìn)行。

 

范式轉(zhuǎn)換

 

復(fù)雜系統(tǒng)思維可以幫助我們思考：該如何去理解某個(gè)問(wèn)題？事實(shí)上，僅僅是觀察某個(gè)對(duì)象只是“知其然”，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到“知其所以然”的理解要求。在研究中，我們通常會(huì)去設(shè)置某些假設(shè)，然后使用某種方式去證實(shí)這種假設(shè)，以理解諸如“某種現(xiàn)象是什么和為什么”的問(wèn)題。

 

 

兩種范式的路徑圖示

 

這就包含兩種可能的研究范式。其中一種是研究者先通過(guò)某種直覺(jué)給定假設(shè)，然后基于假設(shè)提出某種模型或者理論，并通過(guò)數(shù)學(xué)或者計(jì)算機(jī)手段產(chǎn)生對(duì)模型/理論的預(yù)測(cè)或者推論，最后再去跟真實(shí)數(shù)據(jù)比較看是否吻合。這個(gè)過(guò)程中的難點(diǎn)在于將推論與真實(shí)數(shù)據(jù)比較，很可能真實(shí)數(shù)據(jù)與推論并不吻合，此時(shí)就需要再去重新修改假設(shè)直至符合真實(shí)數(shù)據(jù)的情況。這種思路中，最初的模型是簡(jiǎn)單或粗略的，它從盡可能少的假設(shè)出發(fā)，通過(guò)與真實(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)不斷豐富假設(shè)。舉例來(lái)講，關(guān)于地球和太陽(yáng)的位置關(guān)系，是從“地心說(shuō)”到“日心說(shuō)”發(fā)展的，我們先對(duì)二者的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行假設(shè)，然后根據(jù)事實(shí)數(shù)據(jù)去驗(yàn)證。嚴(yán)格來(lái)講不能說(shuō)是誰(shuí)圍繞著誰(shuí)來(lái)運(yùn)動(dòng)，而是與太陽(yáng)系質(zhì)心位置有關(guān)。

 

另外一種思路便是先從實(shí)證數(shù)據(jù)入手，針對(duì)數(shù)據(jù)抽取某種抽象解釋?zhuān)⒒谶@種解釋來(lái)建立模型和理論。其難點(diǎn)在于從解釋到理論的抽象過(guò)程，這也就意味著它最初基于真實(shí)數(shù)據(jù)的模型是繁雜的，需要后期不斷的簡(jiǎn)化模型和假設(shè)以達(dá)到理想的效果。舉例來(lái)講，上世紀(jì)40、50年代，天氣預(yù)測(cè)目標(biāo)是長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)，主要通過(guò)收集很多數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)規(guī)律或者建立天氣預(yù)測(cè)模型。但是后來(lái)洛倫茲發(fā)現(xiàn)天氣系統(tǒng)本身是個(gè)混沌系統(tǒng)，具有初始條件敏感性，因此不得不放棄長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽非蠖虝r(shí)間內(nèi)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。再比如，在人工智能、深度學(xué)習(xí)研究中，通常需要輸入大規(guī)模的數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，直接從數(shù)據(jù)出發(fā)找規(guī)律，進(jìn)而構(gòu)建某種模型或理論。

 

實(shí)際上，我們很難將這種兩種范式分開(kāi)來(lái)看待，因?yàn)槎鄶?shù)情況下研究中同時(shí)包含這兩種范式。但這兩種方式并非是非黑即白的，根據(jù)研究需要的不同會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)。第一種如果將假設(shè)的提出依靠研究者的直覺(jué)，那么其實(shí)這種“直覺(jué)”也來(lái)自于研究者對(duì)自然界的觀察和經(jīng)驗(yàn)；第二種中對(duì)數(shù)據(jù)的處理也通常包含著某種預(yù)設(shè)形式，例如深度學(xué)習(xí)中研究者需要預(yù)設(shè)模型參數(shù)、數(shù)據(jù)標(biāo)簽（有監(jiān)督模型）等等。

 

最后一點(diǎn)是，任何問(wèn)題都是值得提的。諸如“先有雞還是先有蛋？”、“是太陽(yáng)繞著地球轉(zhuǎn)，還是地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)？”這樣的問(wèn)題盡管現(xiàn)在看起來(lái)問(wèn)的不是那么準(zhǔn)確，但卻是推動(dòng)我們思考的起點(diǎn)，然后在后續(xù)不斷的研究探索中問(wèn)題也會(huì)慢慢地演化。例如最初人們會(huì)提問(wèn)“熱是什么東西？”，雖然它表述的并不準(zhǔn)確，因?yàn)闊岵⒉皇?ldquo;東西”，而是粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量。但這個(gè)問(wèn)題表達(dá)了人們對(duì)于“熱”的好奇心和想象力，推動(dòng)著人們不斷去追求真知。透過(guò)知識(shí)本身，我們更重要的是學(xué)會(huì)用復(fù)雜系統(tǒng)思維去理解世界，用復(fù)雜系統(tǒng)思維將各個(gè)要素聯(lián)系起來(lái)，解決各種有趣的問(wèn)題。

 

當(dāng)你用復(fù)雜系統(tǒng)視角去研究，世界會(huì)變得不一樣～

 

文章來(lái)源于集智俱樂(lè)部 ，作者劉宇