復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)和社會發(fā)展

1、復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)和社會發(fā)展周光召一、引言２０世紀(jì)以前，宏觀系統(tǒng)一直是科學(xué)主流所研究的對象，當(dāng)時著重研究的是線性相互作用在平衡和穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般具有確定的運動規(guī)律，所以我們常常能預(yù)測它未來的行為。但是總歸世界上有很多隨機的因素在起作用，所以也能預(yù)言，它們的行為在隨機因素作用底下產(chǎn)生的偏差多大。這種研究方法主要是要把復(fù)雜的系統(tǒng)分解組合成簡單的單元，通過分析各個單元的相互作用和運動規(guī)律，求得對整體運動狀態(tài)的了解。過去所研究的系統(tǒng)，盡管

2、有的時候結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，比如大規(guī)模的集成電路很復(fù)雜，現(xiàn)在里邊有上億個晶體管，至少有幾千萬，最新的可能要上億，但是它的行為在一定范圍之內(nèi)還是可以預(yù)測和控制的。電腦用的大規(guī)模集成電路，盡管非常復(fù)雜，但是我們叫它干什么就干什么，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，一個產(chǎn)品常常是多種技術(shù)的綜合，包含的部件和結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。比如說數(shù)碼相機包含了光學(xué)、機械、微電子芯片、軟件等等，是一個復(fù)雜的組合。但這些都還是確定的復(fù)雜系統(tǒng)，它的行為比較確定。復(fù)雜技術(shù)組合的產(chǎn)品，現(xiàn)

3、在對經(jīng)濟的發(fā)展已經(jīng)是越來越重要了。從７０年代末開始，關(guān)于混沌現(xiàn)象和分形理論的研究，通過對一些現(xiàn)象的數(shù)值模擬，使我們認(rèn)識在非線性相互作用下的開放系統(tǒng)，在特定的條件底下就會發(fā)生所謂的混沌現(xiàn)象，或者突顯現(xiàn)象。在混沌出現(xiàn)區(qū)域的時候，系統(tǒng)對外界環(huán)境的偶然因素是非常敏感的，可以說是差之毫厘，失之千里。這樣系統(tǒng)長期的運動狀態(tài)就變成不可預(yù)測的，在一定程度上是一種無序的狀態(tài)。不是完全無序，是一定程度的無序。同時也發(fā)現(xiàn)在混沌區(qū)的附近有可能突然形成具有特定的

4、時間結(jié)構(gòu)，一種有序的狀態(tài)，叫做分形。這樣就出現(xiàn)了由無序向有序的轉(zhuǎn)變，隨后就發(fā)現(xiàn)混沌和分形是非常普遍的現(xiàn)象。在生物界，在經(jīng)濟和社會生活中，到處都可以觀察到混沌和分形的出現(xiàn)。了解有關(guān)的規(guī)律，就有助于進(jìn)行管理和調(diào)控。因此，對處于一種非穩(wěn)定的、非平衡的狀態(tài)，進(jìn)行快速演化或者不斷調(diào)整的復(fù)雜系統(tǒng)的研究，就成為本世紀(jì)科學(xué)研究的重點。對非線性作為下的復(fù)雜系統(tǒng)的研究，大概是這２０年左右的事情，從７０年代末開始，還沒有系統(tǒng)成熟的理論，缺少定量觀察分析的手段

5、。但是，對一些現(xiàn)象的簡化模型，現(xiàn)在進(jìn)行數(shù)值模擬，計算機越來越大，所以數(shù)值模擬的現(xiàn)象越來越豐富。在這個模擬過程中，形成了很多重要的、定性的概念。有很多科學(xué)家對這個作出了貢獻(xiàn)，但是今天我們沒有對他們做介紹。這些科學(xué)家的功績，可以在一本《復(fù)雜》的書中看到。簡單和復(fù)雜，必然性和偶然性，有序和無序，穩(wěn)定和發(fā)展，量變和突變，競爭和協(xié)同，適應(yīng)和淘汰，遺傳和進(jìn)化這些相互矛盾概念的對立和統(tǒng)一，在復(fù)雜性的研究中都得到了進(jìn)一步的發(fā)展。辯證法已經(jīng)成為這方面研究

6、的有力工具。下面我們對非線性作用下的復(fù)雜系統(tǒng)做簡單的介紹，它的理論還不完全成熟，不同的學(xué)者看法也不完全一樣，我們只是做最初步的介紹。二、系統(tǒng)的一般概念“系統(tǒng)“一詞在古希臘時代就有，是組合、整體和有序的含義。在物理科學(xué)中，太陽系指的是以引力相互作用維系的太陽和九大行星組成的天體系統(tǒng)。在生物學(xué)中消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等等都是聯(lián)合執(zhí)行同種功能之間的組織器官的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)分成很多層次。一個系統(tǒng)的內(nèi)部通常都是結(jié)構(gòu)分明的子系統(tǒng)。系統(tǒng)本身又可能是

7、一個更大系統(tǒng)的子系統(tǒng)，肉眼看不見的分子系統(tǒng)也是復(fù)雜的系統(tǒng)。分子是由原子組成的，原子是由原子核和電子組成的，原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子和種子是由夸克組成過摩擦、電阻等等耗散，轉(zhuǎn)變成無序的能量運動。熱量只能從高溫流向低溫，最后趨勢熱平衡，而不能相反?；蛘叻忾]系統(tǒng)內(nèi)的過程都是不可逆過程。如果想要將熱量從低溫提到高溫，就要有電冰箱，要消耗電。熱力學(xué)第二定律，是宏觀物理學(xué)的基本定律。我們生活的世界上，由大量原子核分子組成的物理、化學(xué)、生物的

8、以及更高層次的社會的物質(zhì)結(jié)構(gòu)都要遵守，對封閉系統(tǒng)運動的無序度就會不斷增大。而且封閉系統(tǒng)進(jìn)行的過程是不可逆的。其中有序狀態(tài)會逐漸消失，轉(zhuǎn)為無序的熱平衡狀態(tài)。人封閉起來，不吃不喝，這個人很快就死了，然后就腐爛了，和外邊的環(huán)境變成一樣的，變成無序的熱平衡狀態(tài)。有序的結(jié)合或有序的運動，不能在封閉系統(tǒng)里產(chǎn)生的，這是熱力學(xué)第二定律重要的結(jié)論，也是我們?yōu)槭裁匆_放的一個重要原因。封閉使系統(tǒng)狀態(tài)走向無序，但是自然界中不斷從無序狀態(tài)中生成有序組織的物質(zhì)，

9、像晶體、生物、社會組織等等。它們并不違反熱力學(xué)第二定律，因為他們不是從處于熱平衡的封閉系統(tǒng)中產(chǎn)生的，而是從遠(yuǎn)離熱平衡中的開放系統(tǒng)產(chǎn)生的，這就是開放論最重要的出發(fā)點。一個開放的系統(tǒng)，不斷和外邊交換物質(zhì)、能量和信息，像資金、人才、知識、裝備、貨物等等，就顯得生機勃勃。從清代開始的閉關(guān)鎖國，造成了中國的長期落后，而改革開放，促進(jìn)了中國的迅速發(fā)展，充分證明了這個真理。這個系統(tǒng)常常受到一些偶然因素的影響，就會偏離平衡的狀態(tài)。如果作用力的總和使得系

10、統(tǒng)偏離了以后，原來的兩個作用力就不平衡了。結(jié)果使它恢復(fù)平衡狀態(tài)，這種系統(tǒng)就會叫做穩(wěn)定的狀態(tài)。否則就要處于一個不穩(wěn)定的狀態(tài)。比如我們把一個球放在一個碗里，一定停在碗底，如果拉起來一點就滾幾下，還要停在碗底，碗底是一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。如果要把它放一個球在這兒，再把一個小球放在這個球的頂上，放得好可以待一會兒，稍微碰一下就會滾下去了，這種就是不平衡的狀態(tài)，作用力稍微偏離一點，狀態(tài)就偏離了。在不穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)，在外界偶然的干擾下，就會偏離原有的

11、軌道，而且發(fā)生大的甚至是災(zāi)害性的變化。三、有序向無序轉(zhuǎn)化，走向混沌從牛頓力學(xué)的觀點來看，相互作用力和狀態(tài)的初始條件或者邊界條件完全給定以后，系統(tǒng)的運動軌跡就完全給定了。原來我們討論地球的運動，今天地球怎么運動，就知道一年以后它怎么運動。鐘擺以每秒為周期的擺動，這也是一個周期運動。在一般的情況下，周期運動的運動軌跡是按照力學(xué)運動的規(guī)律完全決定的，地球軌道也是一個周期運動，一年一個周期。在這種觀點的影響下，人們曾經(jīng)認(rèn)為，一切現(xiàn)象都是按必然的

12、規(guī)律產(chǎn)生的。以后的研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，必然性就會轉(zhuǎn)化為偶然性。即使牛頓力學(xué)這種確定論的力學(xué)，也會產(chǎn)生一種混沌的現(xiàn)象。在非線性相互作用力的周期運動的情況就不一樣了。外部的邊界參數(shù)或者初始參數(shù)改變的時候，改變到一個程度，就會突然出現(xiàn)周期加倍的分差的現(xiàn)象，繞著它，轉(zhuǎn)一圈就回到原來的地方，原來是繞兩圈，周期加速了一倍。如果再改變，周期還會再加倍，原來要轉(zhuǎn)兩圈，現(xiàn)在轉(zhuǎn)四圈才會到原來的地方。到了某個極限，運動突然變成混沌?；煦缭谙鄨D上可以繞一個