第二节 复杂性科学学科群

大约在20世纪20—30年代，人类终于开始吹响了向复杂性进军的号角。号声来自不同的领域：数学、物理学、化学，天文学、地理学、生物学，以及人文社会科学和哲学，似乎是不约而同的。与其说复杂性研究是一门科学，不如说是一场运动。复杂性科学不是一个专门的学科，它是由许多学科组成的。复杂性科学学科群包括：

老三论（系统论、信息论、控制论）、新三论（突变论、耗散结构论、协同论）、人工生命（生命游戏），非线性动力学、混沌学、分形数学，计算的复杂性研究、超循环、自组织，复杂适应系统等。下面就对这些学科及其中心思想作一个简要的概括和评述。

系统论（System theory）

创始人为苏联的波格丹诺夫和奥地利理论生物学家贝塔朗菲。其中心思想是：任何事物都可以被视为系统；从整体的角度看待和处理世界上的一切事物。所谓系统，是由相互联系、相互制约的若干部分，按一定规则组成，具有一定功能的整体。系统可概括为：“组织起来的整体，输入、输出，为了一个共同的目的。”系统论突出事物的整体性、有机性、动态性和有序性。系统论后来发展成为软、硬两大类具有横断性和综合性的学科。硬的称为系统科学，有系统工程学等；软的称为系统哲学，有系统观和系统方法论等。系统论为复杂性探索奠定了一个基本的思想框架。它颠覆了自伽利略到牛顿创立的经典科学的规范。

控制论（Cybernetics）

创始人有：罗马尼亚的奥多布来扎，于1938年出版了《协调心理学》，最先阐述了控制概念的重要性；美国的数学家维纳，著有《控制论：或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，该书被认为奠定了控制论的基本思想。维纳的名气比较大，有控制论之父之称。控制论的中心思想是：一切都是控制；一切事物及过程都可以从控制的角度来认识。所谓控制，就是信息变换和能动的过程。控制论提供了一套认识事物的新概念和方法，如：调节、回路、因果性，目的性、方框图、黑箱和传递函数等。

信息论（Information theory）

创始人为美国的数学家申农，于1948年出版了《通讯的数学原理》。信息论的中心思想是：信息是与物质同等重要的东西；世间一切事物的有序和组织程度都可以通过的信息来标记。信息论创建之后，信息成为认识事物及其变化的一种重要的新思想。有了信息概念及其计算方法，系统的整体性、组织性、目的性和控制与被控制的过程等，都可以得到量化表示和处理，使得从整体上不割断事物的联系而认识事物及变化成为可能。系统论、控制论和信息论三者是一种有机的关系，其理论和思想是相互支撑的。

突变论（Catastrophe）

创始人为法国数学家托姆。它是关于突变现象的数学理论（各类突变现象的数学模型）。

协同论（Synergetlcs）

创始人为联邦德国物理学家哈肯，1977年出版《协同学导论》。协同论又称协同学，其主要思想源于对激光理论的研究。哈肯发现：无论是自然系统还是社会系统，其存在及有趋向或有目的的演化，都是大量子系统之间协同作用的结果，由此得到系统从无序到有序的若干重要的原理。“序参量”是其中最重要的概念。它是子系统之间协同合作的产物，支配系统的行为及整体演化过程。可以通过它描述系统宏观有序或宏观模式。

耗散结构论（Dissipative structure theory）

创始人是比利时的物理化学家普利高津，曾获得1977年诺贝尔化学奖。耗散结构论也称为非平衡系统自组织理论。其中心思想是：一个开放系统在达到远离平衡态的非线性区时，一旦系统的某个参量的变化达到一定的阈值，通过涨落，系统可能发生突变，即非平衡相变。系统由原来无序的混乱状态转变到一种时间、空间或功能有序的新状态。普利高津从化学研究中发现了“非平衡是有序之源”“通过涨落而有序”的重要原理。

超循环理论（Hypercycle）

创始人为联邦德国的生物物理化学家艾根，1979年出版《超循环——自然界一个自组织原理》，因此获得诺贝尔奖。超循环理论揭示了生命系统的自组织机制。

混沌学（Chaology）

创立者有：李天岩、约克、洛伦兹、彭加莱等数学家和物理学家。混沌学是关于事物从无序到有序的方式及从一种有序到另一种有序的动力学理论。混沌理论是20世纪物理学上的第三次革命。它的创立是自相对论和量子力学以来对人类知识体系的又一次巨大冲击，标志人类正式对一种前所未知事物的性质，开始进行深入认真地探索。混沌是目前复杂性研究的核心部分。

分形数学（Fractal mathematics）

创始人蒙德布罗，著有《自然界的分形几何学》，揭示了大自然生长现象的规律。

计算的复杂性研究（Research on computation complexity）

该研究主要包括：算法复杂性（图灵的问题）和计算的极限（布莱曼的问题）。

人工生命（生命游戏）（Artificial life（Game of life））

所谓人工生命其实就是关于复杂性形成的离散动力学分析。其内容包括：元胞自动机、神经网络、遗传算法等。人工生命于20世纪70年代由剑桥大学数学家康威首创，用一种离散动力削模型，称为“元胞自动机”（最早由冯·诺伊曼及同事创立）模拟生命多样性、代谢、生长与繁殖。人工生命研究所持的基本观点是：自然界是一个“活的”巨大的元胞机。

自组织理论（Self-organization theory）

这是20世纪70—80年代由多个学科综合，逐步建立起来的，关于万事万物产生、进化机制的综合性理论。自组织理论包括：耗散结构、协同学、超循环，生命系统论、资源物理学和突变论等。自组织理论给自己设定的任务是：综合地解决系统从混沌或混乱无序状态到有序状态，以及有序性持续增长何以可能的深层机制问题。具体地说就是，那些相对稳定的系统组织、结构、形态、模式，即世界上的各种事物的秩序，是怎么形成的？不要上帝插手，不由外部，也不由内部控制着的指令，一个有组织有序的系统如何自发地的完成其形成过程？自组织理论涉及一套来自复杂性科学不同学科的基本概念或术语：时间之矢、可逆和不可逆、有序和无序、熵与信息、稳定与不稳定、对称和破缺、序参量、超循环、内在随机性、突变、涨落、自组织和他自组织等。自组织理论也称为广义综合的进化论或一般进化论。

复杂适应系统理论（Complex adaptive system theory）

创立者有霍兰、盖尔曼、考温等美国学者。其中霍兰的贡献较大，他同时也是遗传算法的发明者。复杂适应系统理论是近年来美国圣塔菲研究中心的一项重要的新成果，揭示各种复杂适应系统的共同特征和机制。其中心思想是“适应性造就了复杂性，复杂性导致更大的适应性”。该理论在神经生物学、脑科学、宇宙学，生态学、免疫系统和人工生命等领域展现出了无限光明的应用前景。有人认为，复杂适应系统理论是21世纪科学中最激动人心的部分。

复杂性科学的状况和前景

复杂性科学目前依然是一个年轻的科学。它源于不同的领域，目前正在走向综合，还有大量的工作要做，有许多理论上的问题需要搞清楚。复杂性科学将成为21世纪的带头科学或主攻学科，预计将有重大突破。目前各国几乎都建立起了复杂性研究机构。例如美国的桑塔菲研究中心已经跻身成为美国五大研究中心之一。复杂性科学部分研究成果正在用于指导实际工作，特别是在生物学、医学、神经科学、经济学、社会科学等复杂性问题集中的领域。在理论方面，复杂研究依然存在较大的障碍，难度较大，进展比较慢，但目前已经有了比较明确的方向。复杂性研究给人们展现了一个全新的世界。从此，人们的思想和眼光都变了。