復雜系統(tǒng)科學研究的新進展

1、復雜系統(tǒng)科學研究的新進展,一、復雜系統(tǒng)科學及其方法的意義 1、思想、方法上的反傳統(tǒng)A、經(jīng)典科學方法論——分析傳統(tǒng) ： 還原論——原子論； 更深的基礎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世紀復雜性研究新發(fā)現(xiàn),2、復雜系統(tǒng)研究新進展：,

2、A、自組織現(xiàn)象 a、貝納德（Benard） 對流花紋 1900年，法國學者貝納德（Benard）發(fā)現(xiàn)：一層流體，上下各與一個很大的恒溫熱源板接觸，兩板間的距離h遠小于板的寬度和長度，見下圖。  圖貝納德實驗示意圖 當兩板溫度相等時，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，整個液體仍保持靜止。當溫差增大到超過某一閾值時，液體的靜止熱傳導狀態(tài)會被突然打破，取而代之的是對流狀態(tài)。下圖的左邊是對流狀態(tài)的俯視圖，從中可見到類似蜂房的規(guī)則六邊形的對流格子，其中每個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流示意圖，也叫貝納德“蛋卷”。,這里的問題是，在熱傳導狀態(tài)下，液體分子的相互作用在空間上是各向同性的，即對稱的，因此，分子在各個方向上作無規(guī)則的熱運動。

4、而在對流狀態(tài)下，千千萬萬個分子被組織起來參加了統(tǒng)一的運動。 從現(xiàn)象上看，控制發(fā)生對流的關鍵因素是宏觀參量溫差，并不是導致微觀分子進行統(tǒng)一行動的直接指令。正是由于控制參量與系統(tǒng)的整體行為沒有直接的對應關系，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，半導體材料中 的每個活性原子彼此獨立地發(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。當在半導體兩端加上電壓后，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，半導體材料不會改變這種無規(guī)則發(fā)光的特點。然而，一旦光泵功率超過這一臨界值時，各個活性原子似乎被某種力量自動組織起來，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，且強度大大加強的激光 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)轉化為宏觀有序的狀態(tài)的呢？,激光是20世紀60年代物

6、理技術上的一項重大發(fā)明,另一個例子：搖晃容器中的磁塊,小結,上面看到了幾個最簡單的自組織現(xiàn)象，它們和生物界以及人類社會中的更復雜的組織現(xiàn)象有著驚人的一致性。 自20世紀70年代以來，以普利高津的耗散結構論，哈肯（H.Haken，1927－）的協(xié)同學以及混沌、分形理論的建立為標志，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之上的近代自然科學的觀念，自然的一切過程都是滿足因果律的，而且這種因果性應該是連續(xù)的，即有微小差別的原因導致近似的結果。 以這種信念為基礎，人們發(fā)展起了所謂ε-δ無窮小分析方法。,但是，,20世紀60年代以來,在牛頓力學的范圍內(nèi)，人們有了全新的發(fā)現(xiàn)，如三體小行星系統(tǒng)表明：小星體的運動，對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”為特征的隨機行為在復雜系統(tǒng)中是普遍存在的，這一點已被數(shù)學家嚴格地論證過。,對初值敏感現(xiàn)象最形象的描述，莫過于“蝴蝶效應”一詞了：“今天在北京有一只蝴蝶扇動空氣，可能改變下個月在紐約的風暴?！?可是，初值敏感的具體機制到底是怎樣的呢？,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，……，為不動點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、動點。 ③與④差距極小——蝴蝶之小翅膀，結果卻迥然不同。數(shù)學家最初拒絕混沌，因為初值是有區(qū)別的。但物理學家則認為，這種區(qū)別沒有意義。即： 從上述規(guī)則的角度看，數(shù)學上沒有混沌，混沌只是物理上的（實踐上的近似值） 即在上帝的眼里沒有混沌，混沌只對人成立。,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——當代顯學： 重提與量子力學、相對論的并列 方?？担?/p>

12、在2012《錢學森科學和教育思想研討會》（系統(tǒng)科學思想專題分會場）——恰逢其時；恰逢其世；恰逢其勢 概況： 系統(tǒng)科學與復雜性研究是近幾十年來持續(xù)的學術熱點問題之一，由此人們在相關研究的進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)科學家P·切克蘭德對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，也許正是當前系統(tǒng)科學研究的一個可類比的縮影。,系統(tǒng)科學的停滯表現(xiàn)在許多方面，其中有關整體性思想的“空泛”的指責更是不絕于耳。,人們已經(jīng)意識到，系統(tǒng)論雖然強調(diào)整體性是系統(tǒng)的主要特點，但系統(tǒng)論在具體問題的解決過程中，一般都著眼于對模型系統(tǒng)的各種關系的分析，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上區(qū)分開來——也許協(xié)同學中的序參量概念及其伺服原理是個例外。 其次由于人們過分沉溺于各種“精妙的”數(shù)學處理方法，而這些數(shù)學方法實際上大多最終又歸結為線性方法，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。,,所以金吾倫認為，僅通過分解成部分以了解整體是不充分的，因為部分與部分之間有關聯(lián)和作用。一旦整體被不當分解，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中推出部分的知識”（金吾倫：“巴姆的整體論”，《自然辯證法研究》，1993－9。） 于是，很多人對系統(tǒng)論目前這種描述式的流于空泛的現(xiàn)狀持批評態(tài)度，認為它在哲學上和方法論上都是站不住腳的，僅僅是“術語大戰(zhàn)”而已。（苗東升.系統(tǒng)科

16、學精要[M].北京：中國人民大學出版社，1998：2 ） 可見系統(tǒng)與整體思想實際上并沒能落實為一種行之有效的方法， 像中醫(yī)那樣相對成熟的系統(tǒng)方法即如將整體聯(lián)系的形式具體表達為經(jīng)絡概念并成功應用的尚不多見； 黑箱方法、分形理論雖然提供了一種由部分達到整體的方法，使人們對部分與整體關系的認識得以深化，但這一研究還有待于進一步成熟。,二、當下研究的的若干重點問題,除了上述不足，許多人對當前系統(tǒng)科學研究

17、的現(xiàn)狀還進行過其他多角度的分析，如三個流派——歐洲、美國和中國及其特點的比較分析。（顧基發(fā)（系統(tǒng)所原所長）、苗東升（復雜性研究的成就與困惑.系統(tǒng)科學學報，2009(1) ） 還有目前應該關注的一些問題： 1、信息與神經(jīng)科學研究 2、還原-整體論的關系 3、中國學派的成長,1、信息與神經(jīng)科學研究,2012-10，《第六屆全國科學方法論學術研討會》，韓濟生院士的基調(diào)報

18、告，《針刺研究的方法學問題》即如此。 方?？?，科學家的風格：圖表，數(shù)據(jù)、方程。 2012-12-6：主題報告； “神經(jīng)系統(tǒng)中的復雜性研究”（《上海理工大學學報》，2011 -2） 腦、神經(jīng)科學研究的進展 微觀研究，進步非常快。 饒毅。3個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)、突變機制不清楚； 其次，信息與物質，能量交流、轉化機制尚不清楚。 記憶研究：行為-巴浦洛夫；細胞-突觸生長；分子層次：蛋白質變化。 這些不同層次的反應，信息都起著積極、主動的作用。,附錄：SCIENCE公布125個科學前沿問題 2 意識的生物學基礎是什么?15 記憶如何存儲和恢復? 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 導致精神分裂癥的原因是什么?90 引發(fā)孤獨癥的原因是什么?91 阿茲海默癥患者的生命能夠延續(xù)多久?92 致癮的生物學基礎是什么?93 大腦如何建立道德觀念? 不是專家，不敢妄言。,附錄1：其實，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)絡學說同役使原理一樣，雖然本質上是一種從整體