（24）国外复杂性科学的研究进展

 

论文作者 金吾伦/郭元林

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复杂性科学是研究复杂系统行为与性质的科学，其研究重点是探索宏观领域的复杂性及其演化问题。它涉及数学、物理学、化学、生物学、计算机科学、经济学、社会学、历史学、政治学、文化学、人类学和管理科学等众多学科。

 

“复杂性科学的研究领域至今尚显得模糊不清，那便是因为这项研究正在试图解答的是一切常规科学范畴无法解答的问题。”（注：沃尔德罗普，1998，第1页。）

 

复杂性科学的研究对象是复杂系统，在这种系统中，许多组成的因素在许多方面进行着错综复杂的相互作用。这些相互作用的结果使整体与其中的组成成分具有不同的性质。整体产生组织能力，并从而获得了智能乃至生命。

 

复杂性科学正在以凌厉攻势冲破以牛顿力学为代表的，统治科学达几百年的传统的线性和还原论的思维方式。复杂性科学被称为整体论科学或非还原论科学，也有人认为它是与简单性科学相对立的科学。复杂性科学的产生是为了避免传统还原论科学的局限性。传统还原论科学的方法论是还原论的。

 

这种还原论方法论具备三个特征：

 

(1)本体层面，事物有组成结构和层次；

 

(2)认识层面，能从关于部分（或低层次）的概念、定律、理论和学科中推导出关于整体（或较高层次）的概念、定律、理论和学科，当然完成这样的推导需要一些条件；

 

(3)方法层面，对事物进行研究时，把整体分解为部分，或把较高层次的物质结构分解为较低层次的物质结构。

 

在这种方法论指导下，传统还原论科学虽然取得了巨大成就，但在解释生物机体的秩序、目的性和精神等方面仍遇到不少困难，特别在解决经济、社会等复杂问题时，更是捉襟见肘。自上世纪以来，科学的迅猛发展使还原论方法和简单性思维受到了多方面的冲击。面对这些困境，复杂性科学应运而生，它为科学的发展提供了一个运用“整体”或“系统”以处理复杂性问题的新方向。

 

对于复杂性问题的研究并不是突然冒出来的一门新科学。诺贝尔奖获得者、人工智能的先驱、中科院外籍院士司马贺(H.Simon)从历史发展的角度论述了与复杂性研究有关的几次热潮及其内容：第一次世界大战后，关注的是整体论(holism)、格式塔理论(gestalts)以及创造性的演化(creativeevolution)；第二次世界大战后，热点问题是信息论(information theory)和一般系统理论(generalsystems)；当前人们热衷的是混沌理论(chaos)、自适应系统(adaptive systems)、遗传算法(geneticalgorithms)以及元胞自动机(cellular automata)等。

 

人们普遍认为贝塔朗菲创立一般系统论标志着复杂性科学的诞生，而且依据研究对象的变化，我们可把复杂性科学的发展历史大致划分为三个阶段，它们分别是：第一阶段，研究存在；第二阶段，研究演化；第三阶段为综合研究阶段。这里，我们将对复杂性科学的演进历史以及现状作一简单介绍和评述。

 

 

一、第一阶段：研究存在

 

 

第一阶段即早期阶段，复杂性科学的主要成就表现为一般系统论、控制论、人工智能。

 

贝塔朗菲于20世纪40年代创立了一般系统论，在1968年出版了《一般系统论：基础、发展和应用》，此书全面总结了他40年的理论研究工作，是说明其一般系统论思想、内容和理论框架的代表性著作。我们从这部著作中可以看到，贝塔朗菲的一般系统论的主要内容包括：系统的若干概念及初步的数学描述、视为物理系统的有机体、开放系统的模型、生物学中的若干系统论问题、人类科学中的系统概念、心理学和精神病学中的一般系统论。与一般系统论同时兴起的另一复杂性科学形态是控制论，其代表性成果是于1948年出版的维纳的《控制论》。维纳的《控制论》有技术科学的色彩，但主要还是研究在动物和机器中控制与通信的理论问题，属于科学的范围。维纳的《控制论》的内容包括导言和8章，1961年又在此基础上增加了两章。其中，第8章《信息、语言和社会》集中讨论如何把控制论的观点应用于社会的问题。该书主要研究有目的行为、组织性和整体性。控制论的基础是反馈调节的概念，系统通过反馈调节维持某一状态或趋向于某一目标。

 

与一般系统论和控制论同时兴起的复杂性科学的另一形态是人工智能。人工智能与控制论的关系非常密切，有的学者甚至认为它是控制论的一部分。人工智能的奠基者麦卡洛克、匹茨与维纳在控制论的发展过程中曾经有过密切的合作，他们于1943年构造的第一个神经网络模型就应用了反馈机制。从人工智能的历史发展来看，其学者形成三大学派，它们分别是符号主义学派、联结主义学派、行为主义学派。虽然三个学派在研究方法上有差别，但它们都是利用人造装置去模拟人或动物的思维过程、智能活动与心理过程。

 

总之，在复杂性科学第一阶段中出现的一般系统论、控制论和人工智能三门学科中，应该说一般系统论是具有代表性的成果，因为它的新思维方式和科学方法论促成了复杂性科学的诞生。但以后一般系统论发展缓慢，甚至出现了停滞局面，控制论也转向工程技术层次，只有人工智能仍不断发展，至今仍是复杂性科学的重要组成部分。

 

 

二、第二阶段：研究演化

 

 

在此期间产生的主要复杂性科学理论有：耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论、混沌理论、分形理论和元胞自动机理论。除元胞自动机理论外，上述科学理论均产生和形成于20世纪60和70年代，它们都是从时间发展的角度研究系统的演化行为和性质。元胞自动机理论在20世纪50年代由冯·诺伊曼创立，其产生和形成时间虽早于其他理论，但也是从离散时间的角度研究演化的行为，故我们把它归入复杂性科学的第二阶段。元胞自动机理论近年来仍发展很快，圣塔菲研究所的朗顿(C.G.Langton)所研究的人工生命就是一种元胞自动机模型。在第二阶段，复杂性科学研究演化，研究系统从无序到有序或从一种有序结构到另一种有序结构的演变过程，其研究方法不是还原分解，而是物理实验或模型、数学模型、计算机模拟等，因此其方法论是非还原论的。

 

根据理论的形式化和抽象程度，我们把第二阶段的复杂性科学分为两类：具体经验科学和形式科学。下面分别予以介绍。

 

1.具体经验科学：耗散结构理论、协同学和超循环理论

 

耗散结构理论是普利高津于20世纪60～70年代创立的，采源于物理、化学研究。它赖以建立的几个典型实验是：贝纳德流体实验、激光和化学振荡反应。这些实验现象和生物体有相同特征，即有序结构的形成和维持需要耗散能量和物质。因此，普利高津把这类结构称为耗散结构，而耗散结构理论就是研究耗散结构的形成、稳定、演化及其他性质。后来，普利高津等人把来源于自然科学的耗散结构理论、非平衡态物理学推广应用于研究经济、社会、文化等问题，取得了很好的效果。

 

协同学是由德国学者哈肯创立的，它的产生和形成时间基本上与耗散结构理论相同。协同学研究有序结构形成和演化的机制，描述各类非平衡相变的条件和规律。协同学从物理学和化学系统出发，研究贝纳德流体和激光等非平衡相变，阐明系统中子系统。如何协同作用形成有序结构。协同学的数学抽象性和普适性程度要高于耗散结构理论，它可推广应用于社会科学的研究范围，如舆论形成、人口动力学、投资模型、经济模型、经济系统的分析、社会管理以及战争与和平等问题。

 

超循环理论由德国学者艾根(M.Eigen)创立于20世纪70年代，是直接建立在生命系统演化行为基础上的自组织理论。在超循环理论出现之前，生命的起源和进化分为两个阶段，即化学进化阶段和生物进化阶段。艾根的研究发现，把这两个阶段直接连接起来是困难的，在这两个阶段之间还应该存在着一个分子自组织的进化阶段，在此阶段中完成从生物大分子到原生细胞的进化。超循环理论就是研究分子自组织进化现象的理论。

 

2.形式科学：突变理论、混沌理论、分形理论和元胞自动机理论

 

这些形式科学主要利用数学对复杂系统的演化过程进行形式化描述，如利用相空间中的吸引子来描述系统演化的终极状态。常见的吸引子有4类，它们分别是：焦点和结点、极限环、环面、奇怪吸引子。焦点和结点代表系统的平衡态；极限环代表系统的周期运动；环面代表系统的准周期运动；奇怪吸引子表示系统的混沌运动。4类吸引子分别表示了系统演化的不同的目的性行为。奇怪吸引子是混沌运动的吸引子，是相空间中的分形点集，具有分数维，需要分形理论来刻画它。元胞自动机是一种离散的动力系统，它和连续动力系统有类似的演化行为和吸引子。元胞自动机可用来模拟生命现象，研究系统的整体突现性质。

 

形式科学中的突变论研究不连续的突变现象，对演化中的突变行为给予抽象的、形式的和定量化的描述与说明。突变论由法国学者托姆(ReneThom)创立，其主要内容为初等突变论。初等突变论的研究对象是，梯度动力系统中的诸平衡点如何随控制参数的改变而变化。托姆经过研究证明，只要控制变量不多于4个，突变就只有7种基本类型；当控制变量个数不大于5时，初等突变类型增加到11种。

 

 

三、第三阶段：综合研究

 

 

进入第三阶段后，复杂性科学研究不再是分门别类地进行，而是打破了以前的学科界限，进行综合研究，而且有了专门从事复杂性科学研究的机构——美国圣塔菲研究所。圣塔菲研究所的成立就是为了适应科学发展中的综合趋势。它成立于1984年5月，其建所的理念之一就是：促进知识统一和消除两种文化（即斯诺所说的科学文化和人文文化）之间的对立。最值得注意的是，该研究所认为复杂性科学的研究内容包罗万象，几乎包括传统自然科学和人文社会科学的全部领域。迄今圣塔菲研究所在复杂性科学研究方面所涉及的主要内容有：复杂适应系统、非适应系统（如元胞自动机）、标度、自相似、复杂性的度量。其中复杂适应系统是圣塔菲研究所集中研究的对象，而且复杂适应系统理论也是第三阶段复杂性科学的主要成果。按霍兰(J.Holland)的意见，复杂自适应系统标志着其中存在一定的规律；同时认为，这种复杂自适应系统的本质在于其进化过程中永恒突现的新奇性。

 

在第三阶段，复杂性科学的研究对象是复杂系统，主要研究工具是计算机，隐喻和类比成为研究方法。这些特点是第一、二阶段的复杂性科学所不具备的。圣塔菲研究所认为，在科学研究中使用计算机所产生的革命，类似于生物学中使用显微镜所导致的科学革命，计算机使许多复杂系统第一次成为科学的研究对象。

 

第三阶段的复杂性科学仍然主要研究演化，研究生命的进化、人的思想的产生、物种的灭绝、文化的发展等。前两阶段的复杂性科学主要以自然科学为基础，以数学和自然科学为背景。而在圣塔菲研究所，社会科学在复杂性科学研究中起了重要作用，如经济学、文化学和人类学就是如此。特别是经济学能使复杂性科学更成功地研究复杂的经济和社会系统，而且经济学家（如阿罗·阿瑟）也成为圣塔菲研究所的主要研究成员。阿瑟努力创立新经济学，研究报酬递增率、锁定和不可预测性等。前两阶段的复杂性科学研究基本上是嫁接在传统科学研究之上，如物理学、化学和生物学等，没有形成统一的复杂性科学研究团体。而在圣塔菲研究所成立之后，就有了专门的独立的复杂性科学研究组织，并形成了统一的复杂性科学研究团体，而且还出版了专门的刊物《复杂性》(Complexity)。这在一定程度上表明复杂性科学正在形成统一的范式。

 

1999年4月，美国《科学》(Science)杂志出版专辑，题目为“复杂系统”。两位编者为专辑写的前言题目是“超越还原论”，指出：随着科学的发展，还原论思维方式已显示出局限性，需要用整体论来补充主流的还原论，复杂系统就是整体系统，必须用整体论而非还原论进行研究。它“代表那些对局部的理解不能解释其全部性质的系统之一”。（注：戴汝为主编，1999，《复杂性研究文集》，中科院自动化所复杂系统与智能科学实验室，第1页。）《科学》专辑上有8位科学家的研究报告，题目分别是：复杂性的简单教训；化学中的复杂性；生物信号系统的复杂性；复杂性与神经系统；动物群体的复杂性、模式以及进化的代价；自然界地形的复杂性；复杂性与气候；复杂性与经济。

 

目前，复杂性研究的重心集中到生命系统、大脑神经系统和社会经济系统。1999年在波士顿成立的新英格兰复杂系统研究所主持出版了研究组织管理中的复杂性问题的杂志《突现》，推动着复杂性科学向更深更广的领域发展，并且具有更大的综合性。