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关于复杂系统,你必须要知道的冷知识
昨天,我们已经对“复杂”及“复杂系统”,有了初步的了解。那么今天,一起走进这背后的历史,更深入、更系统的去一探究竟吧——
01、动力学、混沌和预测
——动力学的发展
了解复杂系统,我们得先了解一下动力系统理论,因为只要想得到的系统,几乎都是动力系统。比如太阳系、心脏、大脑、气候等等。
亚里士多德,是目前已知的最早论述运动理论的人之一,他认为地面上的运动与天上的不同;不同物质组成的物体运动方式也不一样。
显然,这些缺乏实验验证的理论,后来被证明都是错误的。亚里士多德的思想,一直统治着西方科学,直到伽利略的出现。
还记得教科书中学过的,比萨斜搭自由落体实验吗?伽利略用这个科学的实验,驳斥了亚里士多德的观点。
于是,随着实验方法的出现,科学革命不可避免地发生了。
伟大的牛顿,创建了三大定律及万有引力定律,以这些定律作为基本概念,解释了一切物体的运动,包括行星。
——“测不准原理”和混沌学
数学家拉普拉斯,在1814年断言,根据牛顿定律,只要知道宇宙中,所有粒子的当前位置和速度,原则上,就有可能预测任何时刻的情况。
然而20世纪的两个重要发现,打破了这种准确预测的幻想。
第一个发现,就是海森堡的“测不准原理”,证明不可能在准确测量粒子位置的同时,又准确测量其动量。
第二个发现,就是混沌。
混沌指的是,一些系统对于初始位置和动量的测量,如果有极其微小的不精确,也会导致对其长期预测产生巨大的误差。
也就是常说的“对初始条件的敏感依赖性”,最典型的例子就是蝴蝶效应。
那么,混沌系统中,初始的不确定性,到底是如何被急剧放大的呢?关键因素,是非线性。
关于线性系统,我们可以想到还原论,整体等于部分之和。而非线性则是还原论者的梦魇。
02、信息和计算
——信息——
复杂系统的一个重要的特点,就是自组织。与通常情形中的有序消退、无序(熵)增长相反,这里是有序从无序中产生。
虽然很多复杂系统属性都不相同,但它们处理信息的方式却是类似的。那么信息是什么呢?
总体上,根据香农的理论,信息可以是通信的任何单位,是一个字母、一个词、一句话,甚至是一个比特(0或1)等等。
——计算——
信息是用来计算的。对计算的基础及局限的研究,导致了电子计算机的发明,但最初的起源却是为了解决一组抽象的数学问题。
数学是不是完备的?数学是不是一致的?是不是所有命题都是数学可判定的?
25岁的哥德尔,解决了前两个问题,创建了不完备性定理;23岁的图灵则解决了第三个问题,发明了图灵机。
03、进化和遗传
根据热力学第二定律,封闭系统的熵会一直增加直至最大,要让熵减少,就要做功。
直到19世纪中叶,达尔文提出,生命进化,是通过自然选择造就的。
——达尔文的思想主要有:
存在进化,所有物种都来自共同的祖先。生命的历史就是物种呈树状分化。
一旦生物的数量,超过了资源的承载能力,生物个体就会为资源竞争,从而导致自然选择。
生物性状会遗传变异,并不必然增加适应性。进化是通过细微的有利变异不断累积逐渐形成的。
这在20世纪30~40年代得到了进一步发展,并形成了此后50年被生物学家普遍接受的一系列进化原则:
自然选择是进化和适应的主要机制。
进化是渐进过程,通过自然选择作用和个体非常细微的随机变异产生。
宏观尺度上的现象,可以用基因变异和自然选择的微观过程来解释。
明天继续《复杂》(三)的分享,明天见!
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