[观点] 狄增如:复杂系统中的简单规律

来源:作者: 发布时间:2014-10-29 浏览次数:540

 
        2014年10月15日,以“阿里与复杂·前沿与应用”为主题的第一届阿里巴巴复杂科学前沿论坛在杭州阿里巴巴西溪园区隆重开幕。以下是北京师范大学系统科学学院院长、教授狄增如的发言。
 
 
什么是复杂系统
 
        大家下午好!
 
        我今天的报告题目是《复杂系统中的简单规则》。复杂性科学的研究对象是复杂系统,所以我们应该首先弄清什么是复杂系统。简单系统我们很清楚,比如单摆;波音737由几百万个原件组成,但我们不把它叫做复杂系统,只能叫做繁杂系统,我还是比较喜欢梁春晓老师前面提到的,或许我们就可以把它叫做大规模简单系统。而真正的复杂系统,是像雁群这样的系统。除了雁群以外,另外一个非常典型的例子,是蚁群社会。大家都很清楚,任何一个蚂蚁都非常勤劳,但是更可怕是蚂蚁社会。当成千上万的蚂蚁组成一个群体的时候,你就会发现他们无所不能,逢山开路,遇水架桥,就没有它们不能干的事情,而这样一些功能整体的实现,恰恰是复杂性系统研究、或者是复杂性科学应该关心的问题。
 
 
        我们还有另外一个例子,就是鸟群飞起。大家知道每一只鸟,实际上都只有有限的信息,鸟之间的相互作用也相对简单。但当这些鸟形成一个群体时,就能在空中以不同的宏观模式飞行。这件事情实际上是复杂性非常具体的典型案例。到现在为止,鸟群为什么会形成如此壮观的宏观飞行模式,仍然是复杂性科学研究的一个非常重要的问题。在我后面要讲的例子里面,会提到我们到13年14年的最新进展。
 
 
        从上面这几个具体的例子就可以得到一些关于复杂系统的描述性的定义。一个复杂系统,要包含大量的个体,同时这些个体的行为和相互作用其实都相对简单。但当我们观察整体的时候,它能够产生集体的、涌现性的复杂行为。这就是我们关于复杂系统的描述性的定义。而从这样的定义里,我们能够发现复杂系统实际上涵盖了社会、经济、自然、生命等方方面面的领域。这就是为什么复杂性科学影响非常广泛的原因。大家再看看我们现在的社会,方方面面的科学问题和实践问题,都具有复杂性的特征。
 
 
        从我们上面提到的几个简单的例子,就能发现其实复杂系统的复杂性来源主要有两个:一个就是它必须包含大量的个体,另外,这些个体之间的相互作用一定是非线性的,只有个体之间存在着非线性的相互作用,我们才能够真正实现复杂系统的宏观结构与功能。所以概括起来说,当我们谈到一个复杂系统的时候,我们说它应该包含以下几个方面的特点,第一,包含大量个体,第二,个体之间存在着非线性相互作用,第三,整个系统没有中心控制。就像我们刚才提到的鸟群,不是像广场阅兵一样,通过组织和命令形成的宏观结构,而是通过每一个个体的相互作用,自发而形成的。系统通过自组织在宏观上出现的整体功能,实际上是我们最关心的问题。这就是复杂系统最基本的定义。
 
 
复杂科学的核心问题
 
 
        当面对这样的复杂系统,复杂科学能做什么?其实核心的科学问题,就是要理解宏观系统的涌现性问题,要认识和了解系统的微观行为和相互作用是如何导致系统的宏观结构和功能的。在认识系统的基础之上,我们还可以改造世界,应用复杂科学认识来设计和控制系统。这样的问题已经成为国际上的科学前沿。从我们的国家来讲,整体的思想在东方文化系是有传统的,所以在我们国家研究这个领域有一门新的学科,叫系统科学。这是1990年国务院学位委员会新设立的理学一级学科,和数学、物理、化学、生物是平行的。它要干的是什么,就是开展复杂性研究。
 
 
        这样一个科学领域实际上已经形成了广泛的学术影响。我比较喜欢的国际上关于系统科学的定义是:Systems Science­——To Provide a Systematic (Unified, Universal) View for Varies Complex Systems by a Systematic Approach,一句话就把系统科学的研究对象、研究方法和研究目标表达得非常清楚。系统科学就是要研究各个领域里面的复杂系统,这都是我们的研究对象。但经济社会系统原来已经有很多人开展研究,我们来干什么?我们要用系统科学的方法研究。就是要带着我们自己独特的研究思维和方法来进行,而这样的研究方法完全不同于我们在20世纪科学进展所基于的研究方法——还原论方法。我们现在实际上是要超越还原论,从系统的、整体的角度去研究我们所关心的复杂系统。
 
 
        复杂性研究不仅要加深对各个具体系统的认识,同时也是希望通过这样一些具体系统的研究获得对于各个领域的复杂系统的统一的认识。这样实际上才有系统科学存在的价值。实际上,上个世纪中叶就已经有科学家注意到了复杂性这一科学方向。我们发现,其实复杂性的研究早在60、70年前就有物理学家提到。Warren Weaver在1948年写了一篇文章,题目为Science and Complexity,发表在Scientific American。他把科学问题分成了三类:一个是简单性问题,如单摆,另外一类就是非组织的复杂性问题,如理想气体,第三类是组织的复杂性问题。他随后提到,19世纪和20世纪我们分别解决了简单问题和非组织的复杂性问题。非组织的复杂性问题的解决以统计力学为代表。而接下来的50年,我们其实需要面对有组织的复杂性问题,就带有组织结构的复杂性问题。
 
 
        到今天,不仅过去了50年,现在70年过去了,我们发现组织的复杂性问题恰恰成为现代科学研究的重点,并且仍然在路上。所以从这样的意义上来讲,我们知道复杂性科学实际上一方面要求我们从各个领域,不同的角度来展开,加深我们对具体系统的认识;同时我们希望通过这样的研究,来获得统一、普适的理论,来形成复杂性的科学。当我们谈到这个问题的时候,对于各学科的交叉性研究这一点,我想在座的老师跟同学应该没有太多的疑问,现在已经获得了很多成果;但是,我们是不是能够获得统一、一致的科学认识呢?我想大家应该还有不少疑问。
 
 
复杂性与简单性
 
 
        我们认为,在各式各样的复杂系统背后存在着统一普适的简单规则,这也是我们开展复杂性研究,发展系统科学学科的一个基本信念。所以在2013年,北京师范大学专门建立了系统科学学院。虽然我们的队伍不够庞大,但是学校意识到这样一个学科领域是有前途的学术方向,所以支持我们建立了一个独立的系统科学学院,开展系统科学研究。我们通过一年的建设和研讨,明确了学院的学术发展方向,确定了院徽以及学院的Slogan:Complex World,Simple Rules。在纷繁复杂的世界当中,一定存在简单的规则,而发现它,掌握这样的规则就是我们复杂性研究的基本任务。
 
 
        其实,当我们对于发展一般的、简单的规则存在疑问的时候不妨回过头看看,看看在17世纪牛顿还没有干出成绩来的时候,关于运动的描述到底是怎么样的。大家想一想,在17世纪那个时候,在街上看见的三轮车、自行车、摩托车,还是宝马,天上飞的、水里游的,你可能很难想在各式各样的运动形式背后,能够有统一的规则来把握,牛顿之前的年代有许多的概念甚至都没有清晰的阐述。运动的异质性和多样性程度,我相信一点也不比我们现在所观察到的现象差。恰恰是牛顿发展了描述运动的基本概念以后,例如无限小、极限、微分、积分等,我们才发现了其中普适的简单的原理。我想现在我们的复杂性科学面临的局势是类似的。我们对它有信心,但是真正需要像牛顿这样的大牛冒出来梳理出这样的基本规则来。
 
 
        而现在的复杂科学发展,其实也从许多方面都在不断的验证和增强我们的基本认识和追求。2013年就有一个关于材料科学的研究发表在Science杂志上,编辑配发的评述的题目为Complexity From Simplicity。这样一份研究展示了一个最新的进展:当我们给定一些简单的规则和组成单元的时候,只需要控制溶液的温度和PH值,最后它就能够通过凝聚形成非常不一样的纷繁复杂的模式,类似于我们看到的各式各样的植物的模式。你能想象这是用非常简单的规则产生的吗?而在今年Science上关于气象科学研究的专辑上,发表了一系列关于大气科学的研究。大家发现气象科学看上去纷繁复杂,但实际上,最近的研究表明许多简单的规律左右着我们的气候。Science对相关研究发了一个评述,这个评述就叫做Simplicity amid Complexity,简单性,实际上植根于复杂性之中,这加深了我们挖掘各式各样的复杂系统中简单规律的信心。
 
 
        而这样的信心在更早的时候,就有物理学家已经提到。他叫Oliver Wendell Holmes,生活在19世纪,作为物理学家不够有名,但是作为那个世纪美国的诗人,他很有名。我很奇怪,为什么那个年代的人都那么有才。他在那个年代就说,我不会关心复杂性的简单化,但是我会把我毕生的经精力投入到在复杂性另外一面的简单性。(“I do not give a fig for the simplicity on this side of complexity, but I would give my life for the simplicity on the other side of complexity.”)在这里我想用一个简单的例子来阐述一下,我对于复杂性、简单性的一面、和简单性的另外一面的理解。这是一张基于生态系统的食物链,当我们想关心其中这两个物种之间的关联和影响的时候,简单性的一面是什么,是我们把所有的其他的全部分离掉,只留下这两个物种,这是我们原来的还原论的方法。当我们希望把我们自己的视角放宽一些的时候,你一开始会发现事情是会越来越会难处理;但是当我们真正把整个系统看作我们关心的对象的时候,从全局的、整体的角度恰恰能从中挖掘出简单的原理。这就是我们应该追求复杂性研究的简单性的另外一面。
 
 
        事实上,大家知道小世界网络、无标度网络的概念,统统都是通过类似的研究发展起来的,所以这样的研究实际上有很多的学者在追求。那么我刚才说了,对于鸟群,实际上有很多相关的结果。最近的研究表明,鸟群飞行时,为什么它们的信息传递在整个鸟群中会那么快?是因为鸟群飞行在临界态,他们的整个表现就像处于超流状态的液氦一样。这不仅让我们对鸟群的飞行有了更深入的简单认识,同时还得到了一些普适的概念。关于人类移动行为也有类似的结果,其实通过研究我们发现,从整体统计上来讲,人类移动和动物移动有着类似的统计性质,而产生这样的移动行动,或者是它背后的机制也是简单的。通过最近的研究,科研工作者发展了城市间人群移动的辐射模型,而我们则进一步发展了刻画城市内人群移动的传导模型,这些研究结果,对于我们进行城市规划,设计未来的交通线路等都是非常有意义的。
 
 
        大家知道,这是每次我们推广复杂学科学都说的一句话,物理学家霍金说的,下个世纪是复杂性的世纪。同时对我们来说,复杂性研究一定是成功挖掘出纷繁复杂的、各式各样的复杂系统背后的普适的、一般的、简单的规则。那么在这里,我也向在座的亲们,发出一个征集的号召,希望大家积极参与到复杂性科学的研究领域来,为我们中国的复杂科学多做贡献。大道至简,这是在我们中国古代哲学里非常有意义的一句话,应该成为我们发展系统科学的座右铭。谢谢大家!