復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)研究的新進(jìn)展

1、復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)研究的新進(jìn)展,一、復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)及其方法的意義 1、思想、方法上的反傳統(tǒng)A、經(jīng)典科學(xué)方法論——分析傳統(tǒng) ： 還原論——原子論； 更深的基礎(chǔ)1+1=2。B、具體處理方法 [ⅰ]隔離法[ⅱ]微積分C、正面作用：合理與必要性D、缺陷與不足：拉美特利（La Mettrie）( 1+1＞2)：沙子與人體系統(tǒng)——“拼裝人”？以上僅是簡單類比，20世紀(jì)復(fù)雜性研究新發(fā)現(xiàn),2、復(fù)雜系統(tǒng)研究新進(jìn)展：,

2、A、自組織現(xiàn)象 a、貝納德（Benard） 對(duì)流花紋 1900年，法國學(xué)者貝納德（Benard）發(fā)現(xiàn)：一層流體，上下各與一個(gè)很大的恒溫?zé)嵩窗褰佑|，兩板間的距離h遠(yuǎn)小于板的寬度和長度，見下圖。  圖貝納德實(shí)驗(yàn)示意圖 當(dāng)兩板溫度相等時(shí)，流體處于平衡態(tài)。升高下板溫度，使T2 > T1，由于溫差的存在，熱量Q不斷從下板通過液體流向上板。,然而，只要溫

3、差ΔT= T2- T1不大，從宏觀上看，整個(gè)液體仍保持靜止。當(dāng)溫差增大到超過某一閾值時(shí)，液體的靜止熱傳導(dǎo)狀態(tài)會(huì)被突然打破，取而代之的是對(duì)流狀態(tài)。下圖的左邊是對(duì)流狀態(tài)的俯視圖，從中可見到類似蜂房的規(guī)則六邊形的對(duì)流格子，其中每個(gè)六角形中心的液體向上流，邊界處液體向下流；右邊則是豎截剖面上的對(duì)流示意圖，也叫貝納德“蛋卷”。,這里的問題是，在熱傳導(dǎo)狀態(tài)下，液體分子的相互作用在空間上是各向同性的，即對(duì)稱的，因此，分子在各個(gè)方向上作無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。

4、而在對(duì)流狀態(tài)下，千千萬萬個(gè)分子被組織起來參加了統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)。 從現(xiàn)象上看，控制發(fā)生對(duì)流的關(guān)鍵因素是宏觀參量溫差，并不是導(dǎo)致微觀分子進(jìn)行統(tǒng)一行動(dòng)的直接指令。正是由于控制參量與系統(tǒng)的整體行為沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)的整體統(tǒng)一行為具有自發(fā)的特征，人們才把這種現(xiàn)象叫做自組織現(xiàn)象。 類似的例子還有很多,b、激光,一般情況下，半導(dǎo)體材料中 的每個(gè)活性原子彼此獨(dú)立地發(fā)出 光波，光的頻率、位相和方向都是無規(guī)則的，這樣的光叫自然光，

5、很弱。當(dāng)在半導(dǎo)體兩端加上電壓后，即用光泵浦給系統(tǒng)輸送能量，如果光泵功率低于某一臨界值，半導(dǎo)體材料不會(huì)改變這種無規(guī)則發(fā)光的特點(diǎn)。然而，一旦光泵功率超過這一臨界值時(shí)，各個(gè)活性原子似乎被某種力量自動(dòng)組織起來，以統(tǒng)一的頻率和相位，朝同一方向發(fā)出光波。分子間的這種協(xié)同作用，使輸出的光成為單色性、方向性和相干性極好，且強(qiáng)度大大加強(qiáng)的激光 那么是什么因素支配著活性原子從一種微觀無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為宏觀有序的狀態(tài)的呢？,激光是20世紀(jì)60年代物

6、理技術(shù)上的一項(xiàng)重大發(fā)明,另一個(gè)例子：搖晃容器中的磁塊,小結(jié),上面看到了幾個(gè)最簡單的自組織現(xiàn)象，它們和生物界以及人類社會(huì)中的更復(fù)雜的組織現(xiàn)象有著驚人的一致性。 自20世紀(jì)70年代以來，以普利高津的耗散結(jié)構(gòu)論，哈肯（H.Haken，1927－）的協(xié)同學(xué)以及混沌、分形理論的建立為標(biāo)志，人們逐步揭開了自組織之謎。,B、初值敏感,所謂“初值敏感”是指20世紀(jì)60年代以來，人們所發(fā)現(xiàn)的隱藏在自然深處的一種嶄新特性。 按

7、照建立在微積分基礎(chǔ)之上的近代自然科學(xué)的觀念，自然的一切過程都是滿足因果律的，而且這種因果性應(yīng)該是連續(xù)的，即有微小差別的原因?qū)е陆频慕Y(jié)果。 以這種信念為基礎(chǔ)，人們發(fā)展起了所謂ε-δ無窮小分析方法。,但是，,20世紀(jì)60年代以來,在牛頓力學(xué)的范圍內(nèi)，人們有了全新的發(fā)現(xiàn)，如三體小行星系統(tǒng)表明：小星體的運(yùn)動(dòng)，對(duì)初始條件的改變很敏感，用一句中國古語來形容，即失之毫厘，謬之千里。 而關(guān)于這類課題的一般研究則表明，以“初值

8、敏感”為特征的隨機(jī)行為在復(fù)雜系統(tǒng)中是普遍存在的，這一點(diǎn)已被數(shù)學(xué)家嚴(yán)格地論證過。,對(duì)初值敏感現(xiàn)象最形象的描述，莫過于“蝴蝶效應(yīng)”一詞了：“今天在北京有一只蝴蝶扇動(dòng)空氣，可能改變下個(gè)月在紐約的風(fēng)暴?！?可是，初值敏感的具體機(jī)制到底是怎樣的呢？,用牛頓法求方程z4-1=0的根所得到的“項(xiàng)鏈” 。,,數(shù)列：,2Xn (0＜Xn≤1/2)規(guī)則 Xn+1=

9、 即 [2Xn] 2Xn –1 (1/2≤Xn＜1) 即整體上，數(shù)列限制在[0，1]間試看如下一些情況：①X0=13/32，則X1=13/16，X2=5/8，X3=1/4，X4=1/2，X5=0，……，為不動(dòng)點(diǎn)②X0=21/2/2，則為無理數(shù)列③X0=13/28，則X1=13/14，X2=6/7，X3=5/7，X4=3/7，X5=6/7，……，為三周期循

10、環(huán)。,,④X0=（13/28）（1-1/23000），[蝴蝶之小翅膀]X0=（13/28）（1-1/23000）=（13/28）[（81000-1）/81000] =（13/28）[（8-1）（8999+8998+8997+8996+……+1）/81000] =13（8999+8998+8997+8996+……+1）/23002,則X1=小/23001 ，X2=小/23000，……Xn =1/2，Xn+1 =0，……，為不

11、動(dòng)點(diǎn)。 ③與④差距極小——蝴蝶之小翅膀，結(jié)果卻迥然不同。數(shù)學(xué)家最初拒絕混沌，因?yàn)槌踔凳怯袇^(qū)別的。但物理學(xué)家則認(rèn)為，這種區(qū)別沒有意義。即： 從上述規(guī)則的角度看，數(shù)學(xué)上沒有混沌，混沌只是物理上的（實(shí)踐上的近似值） 即在上帝的眼里沒有混沌，混沌只對(duì)人成立。,科赫曲線及雪花,類似的圖形還有席爾賓斯基地毯和門杰海綿：,,,,,3、意義——當(dāng)代顯學(xué)： 重提與量子力學(xué)、相對(duì)論的并列 方?？担?/p>

12、在2012《錢學(xué)森科學(xué)和教育思想研討會(huì)》（系統(tǒng)科學(xué)思想專題分會(huì)場(chǎng)）——恰逢其時(shí)；恰逢其世；恰逢其勢(shì) 概況： 系統(tǒng)科學(xué)與復(fù)雜性研究是近幾十年來持續(xù)的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)問題之一，由此人們?cè)谙嚓P(guān)研究的進(jìn)步中在許多問題的理解和處理上取得了一些有目共睹的成就。4、若干明顯不足：,英國著名系統(tǒng)科學(xué)家P·切克蘭德對(duì)貝塔朗菲的研究表明，他從40年代末直到1972年逝世，其思想幾乎再未有過什么重大發(fā)展。 (P.切克蘭德：

13、《系統(tǒng)論的思想與實(shí)踐》，左曉斯、史然譯，北京：華夏出版社，1990，11－12。) 幾十年前發(fā)生在貝塔朗菲身上的事情，也許正是當(dāng)前系統(tǒng)科學(xué)研究的一個(gè)可類比的縮影。,系統(tǒng)科學(xué)的停滯表現(xiàn)在許多方面，其中有關(guān)整體性思想的“空泛”的指責(zé)更是不絕于耳。,人們已經(jīng)意識(shí)到，系統(tǒng)論雖然強(qiáng)調(diào)整體性是系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，但系統(tǒng)論在具體問題的解決過程中，一般都著眼于對(duì)模型系統(tǒng)的各種關(guān)系的分析，即從大體上講，它仍以分析方法為主。與過去不同

14、的是，現(xiàn)在人們考慮的因素首先是量上的增多，但它還未能真正將各因素的地位從質(zhì)上區(qū)分開來——也許協(xié)同學(xué)中的序參量概念及其伺服原理是個(gè)例外。 其次由于人們過分沉溺于各種“精妙的”數(shù)學(xué)處理方法，而這些數(shù)學(xué)方法實(shí)際上大多最終又歸結(jié)為線性方法，這樣就使系統(tǒng)的整體性在不知不覺中被庸俗化甚至被忽略了。,,所以金吾倫認(rèn)為，僅通過分解成部分以了解整體是不充分的，因?yàn)椴糠峙c部分之間有關(guān)聯(lián)和作用。一旦整體被不當(dāng)分解，其間的相互作用和聯(lián)系就喪失

15、了，是謂“系統(tǒng)悖論”。 總之，除了一些直觀的、描述式的概念以外，一些具體的系統(tǒng)方法的成功除了考慮的因素比以前“多”了一些之外，它并沒有提供新的思路，一句話“整體論似乎無法使人們從整體知識(shí)中推出部分的知識(shí)”（金吾倫：“巴姆的整體論”，《自然辯證法研究》，1993－9。） 于是，很多人對(duì)系統(tǒng)論目前這種描述式的流于空泛的現(xiàn)狀持批評(píng)態(tài)度，認(rèn)為它在哲學(xué)上和方法論上都是站不住腳的，僅僅是“術(shù)語大戰(zhàn)”而已。（苗東升.系統(tǒng)科

16、學(xué)精要[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，1998：2 ） 可見系統(tǒng)與整體思想實(shí)際上并沒能落實(shí)為一種行之有效的方法， 像中醫(yī)那樣相對(duì)成熟的系統(tǒng)方法即如將整體聯(lián)系的形式具體表達(dá)為經(jīng)絡(luò)概念并成功應(yīng)用的尚不多見； 黑箱方法、分形理論雖然提供了一種由部分達(dá)到整體的方法，使人們對(duì)部分與整體關(guān)系的認(rèn)識(shí)得以深化，但這一研究還有待于進(jìn)一步成熟。,二、當(dāng)下研究的的若干重點(diǎn)問題,除了上述不足，許多人對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)科學(xué)研究

17、的現(xiàn)狀還進(jìn)行過其他多角度的分析，如三個(gè)流派——?dú)W洲、美國和中國及其特點(diǎn)的比較分析。（顧基發(fā)（系統(tǒng)所原所長）、苗東升（復(fù)雜性研究的成就與困惑.系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1) ） 還有目前應(yīng)該關(guān)注的一些問題： 1、信息與神經(jīng)科學(xué)研究 2、還原-整體論的關(guān)系 3、中國學(xué)派的成長,1、信息與神經(jīng)科學(xué)研究,2012-10，《第六屆全國科學(xué)方法論學(xué)術(shù)研討會(huì)》，韓濟(jì)生院士的基調(diào)報(bào)

18、告，《針刺研究的方法學(xué)問題》即如此。 方?？担茖W(xué)家的風(fēng)格：圖表，數(shù)據(jù)、方程。 2012-12-6：主題報(bào)告； “神經(jīng)系統(tǒng)中的復(fù)雜性研究”（《上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)》，2011 -2） 腦、神經(jīng)科學(xué)研究的進(jìn)展 微觀研究，進(jìn)步非?？臁?饒毅。3個(gè)單位的美國基金資助北大、清華、師大：100萬×10年。

19、 但宏觀，跨層次研究明顯不足，涌現(xiàn)、突變機(jī)制不清楚； 其次，信息與物質(zhì)，能量交流、轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不清楚。 記憶研究：行為-巴浦洛夫；細(xì)胞-突觸生長；分子層次：蛋白質(zhì)變化。 這些不同層次的反應(yīng)，信息都起著積極、主動(dòng)的作用。,附錄：SCIENCE公布125個(gè)科學(xué)前沿問題 2 意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么?15 記憶如何存儲(chǔ)和恢復(fù)? 17 怎樣

20、從海量生物數(shù)據(jù)中產(chǎn)生大的可視圖片? 87 信息素影響人類行為嗎?88 一般麻醉劑如何發(fā)揮作用?89 導(dǎo)致精神分裂癥的原因是什么?90 引發(fā)孤獨(dú)癥的原因是什么?91 阿茲海默癥患者的生命能夠延續(xù)多久?92 致癮的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么?93 大腦如何建立道德觀念? 不是專家，不敢妄言。,附錄1：其實(shí)，其他的一些整體方法也同樣體現(xiàn)了整體與部分不可分割的相互聯(lián)系。,比如中醫(yī)的經(jīng)絡(luò)學(xué)說同役使原理一樣，雖然本質(zhì)上是一種從整體