复杂系统科学研究的新进展

复杂系统科学研究的新进展,一、复杂系统科学及其方法的意义 1、思想、方法上的反传统A、经典科学方法论分析传统 ： 还原论原子论； 更深的基础1+1=2。B、具体处理方法 隔离法微积分C、正面作用：合理与必要性D、缺陷与不足：拉美特利（La Mettrie）( 1+12)：沙子与人体系统“拼装人”？以上仅是简单类比，20世纪复杂性研究新发现,2、复杂系统研究新进展：,A、自组织现象 a、贝纳德（Benard） 对流花纹 1900年，法国学者贝纳德（Benard）发现：一层流体，上下各与一个很大的恒温热源板接触，两板间的距离h远小于板的宽度和长度，见下图。 图贝纳德实验示意图 当两板温度相等时，流体处于平衡态。升高下板温度，使T2 T1，由于温差的存在，热量Q不断从下板通过液体流向上板。,然而，只要温差T= T2- T1不大，从宏观上看，整个液体仍保持静止。当温差增大到超过某一阈值时，液体的静止热传导状态会被突然打破，取而代之的是对流状态。下图的左边是对流状态的俯视图，从中可见到类似蜂房的规则六边形的对流格子，其中每个六角形中心的液体向上流，边界处液体向下流；右边则是竖截剖面上的对流示意图，也叫贝纳德“蛋卷”。,这里的问题是，在热传导状态下，液体分子的相互作用在空间上是各向同性的，即对称的，因此，分子在各个方向上作无规则的热运动。而在对流状态下，千千万万个分子被组织起来参加了统一的运动。 从现象上看，控制发生对流的关键因素是宏观参量温差，并不是导致微观分子进行统一行动的直接指令。正是由于控制参量与系统的整体行为没有直接的对应关系，系统的整体统一行为具有自发的特征，人们才把这种现象叫做自组织现象。 类似的例子还有很多,b、激光,一般情况下，半导体材料中 的每个活性原子彼此独立地发出 光波，光的频率、位相和方向都是无规则的，这样的光叫自然光，很弱。当在半导体两端加上电压后，即用光泵浦给系统输送能量，如果光泵功率低于某一临界值，半导体材料不会改变这种无规则发光的特点。然而，一旦光泵功率超过这一临界值时，各个活性原子似乎被某种力量自动组织起来，以统一的频率和相位，朝同一方向发出光波。分子间的这种协同作用，使输出的光成为单色性、方向性和相干性极好，且强度大大加强的激光 那么是什么因素支配着活性原子从一种微观无序的状态转化为宏观有序的状态的呢？,激光是20世纪60年代物理技术上的一项重大发明,另一个例子：摇晃容器中的磁块,小结,上面看到了几个最简单的自组织现象，它们和生物界以及人类社会中的更复杂的组织现象有着惊人的一致性。 自20世纪70年代以来，以普利高津的耗散结构论，哈肯（H.Haken，1927）的协同学以及混沌、分形理论的建立为标志，人们逐步揭开了自组织之谜。,B、初值敏感,所谓“初值敏感”是指20世纪60年代以来，人们所发现的隐藏在自然深处的一种崭新特性。 按照建立在微积分基础之上的近代自然科学的观念，自然的一切过程都是满足因果律的，而且这种因果性应该是连续的，即有微小差别的原因导致近似的结果。 以这种信念为基础，人们发展起了所谓-无穷小分析方法。,但是，,20世纪60年代以来,在牛顿力学的范围内，人们有了全新的发现，如三体小行星系统表明：小星体的运动，对初始条件的改变很敏感，用一句中国古语来形容，即失之毫厘，谬之千里。 而关于这类课题的一般研究则表明，以“初值敏感”为特征的随机行为在复杂系统中是普遍存在的，这一点已被数学家严格地论证过。,对初值敏感现象最形象的描述，莫过于“蝴蝶效应”一词了：“今天在北京有一只蝴蝶扇动空气，可能改变下个月在纽约的风暴。” 可是，初值敏感的具体机制到底是怎样的呢？,用牛顿法求方程z4-1=0的根所得到的“项链” 。,数列：,2Xn (0Xn1/2)规则 Xn+1= 即 2Xn 2Xn 1 (1/2Xn1)即整体上，数列限制在0，1间试看如下一些情况：X0=13/32，则X1=13/16，X2=5/8，X3=1/4，X4=1/2，X5=0，为不动点X0=21/2/2，则为无理数列X0=13/28，则X1=13/14，X2=6/7，X3=5/7，X4=3/7，X5=6/7，为三周期循环。,X0=（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,则X1=小/23001 ，X2=小/23000，Xn =1/2，Xn+1 =0，为不动点。与差距极小蝴蝶之小翅膀，结果却迥然不同。数学家最初拒绝混沌，因为初值是有区别的。但物理学家则认为，这种区别没有意义。即：从上述规则的角度看，数学上没有混沌，混沌只是物理上的（实践上的近似值） 即在上帝的眼里没有混沌，混沌只对人成立。,科赫曲线及雪花,类似的图形还有席尔宾斯基地毯和门杰海绵：,3、意义当代显学： 重提与量子力学、相对论的并列 方福康：在2012钱学森科学和教育思想研讨会（系统科学思想专题分会场）恰逢其时；恰逢其世；恰逢其势 概况： 系统科学与复杂性研究是近几十年来持续的学术热点问题之一，由此人们在相关研究的进步中在许多问题的理解和处理上取得了一些有目共睹的成就。4、若干明显不足：,英国著名系统科学家P切克兰德对贝塔朗菲的研究表明，他从40年代末直到1972年逝世，其思想几乎再未有过什么重大发展。 (P.切克兰德：系统论的思想与实践，左晓斯、史然译，北京：华夏出版社，1990，1112。) 几十年前发生在贝塔朗菲身上的事情，也许正是当前系统科学研究的一个可类比的缩影。,系统科学的停滞表现在许多方面，其中有关整体性思想的“空泛”的指责更是不绝于耳。,人们已经意识到，系统论虽然强调整体性是系统的主要特点，但系统论在具体问题的解决过程中，一般都着眼于对模型系统的各种关系的分析，即从大体上讲，它仍以分析方法为主。与过去不同的是，现在人们考虑的因素首先是量上的增多，但它还未能真正将各因素的地位从质上区分开来也许协同学中的序参量概念及其伺服原理是个例外。 其次由于人们过分沉溺于各种“精妙的”数学处理方法，而这些数学方法实际上大多最终又归结为线性方法，这样就使系统的整体性在不知不觉中被庸俗化甚至被忽略了。,所以金吾伦认为，仅通过分解成部分以了解整体是不充分的，因为部分与部分之间有关联和作用。一旦整体被不当分解，其间的相互作用和联系就丧失了，是谓“系统悖论”。 总之，除了一些直观的、描述式的概念以外，一些具体的系统方法的成功除了考虑的因素比以前“多”了一些之外，它并没有提供新的思路，一句话“整体论似乎无法使人们从整体知识中推出部分的知识”（金吾伦：“巴姆的整体论”，自然辩证法研究，19939。） 于是，很多人对系统论目前这种描述式的流于空泛的现状持批评态度，认为它在哲学上和方法论上都是站不住脚的，仅仅是“术语大战”而已。（苗东升.系统科学精要M.北京：中国人民大学出版社，1998：2 ） 可见系统与整体思想实际上并没能落实为一种行之有效的方法， 像中医那样相对成熟的系统方法即如将整体联系的形式具体表达为经络概念并成功应用的尚不多见； 黑箱方法、分形理论虽然提供了一种由部分达到整体的方法，使人们对部分与整体关系的认识得以深化，但这一研究还有待于进一步成熟。,二、当下研究的的若干重点问题,除了上述不足，许多人对当前系统科学研究的现状还进行过其他多角度的分析，如三个流派欧洲、美国和中国及其特点的比较分析。（顾基发（系统所原所长）、苗东升（复杂性研究的成就与困惑.系统科学学报，2009(1) ） 还有目前应该关注的一些问题： 1、信息与神经科学研究 2、还原-整体论的关系 3、中国学派的成长,1、信息与神经科学研究,2012-10，第六届全国科学方法论学术研讨会，韩济生院士的基调报告，针刺研究的方法学问题即如此。 方福康，科学家的风格：图表，数据、方程。 2012-12-6：主题报告； “神经系统中的复杂性研究”（上海理工大学学报，2011 -2） 脑、神经科学研究的进展 微观研究，进步非常快。 饶毅。3个单位的美国基金资助北大、清华、师大：100万10年。 但宏观，跨层次研究明显不足，涌现、突变机制不清楚； 其次，信息与物质，能量交流、转化机制尚不清楚。 记忆研究：行为-巴浦洛夫；细胞-突触生长；分子层次：蛋白质变化。 这些不同层次的反应，信息都起着积极、主动的作用。,附录：SCIENCE公布125个科学前沿问题 2 意识的生物学基础是什么?15 记忆如何存储和恢复? 17 怎样从海量生物数据中产生大的可视图片? 87 信息素影响人类行为吗?88 一般麻醉剂如何发挥作用?89 导致精神分裂症的原因是什么?90 引发孤独症的原因是什么?91 阿兹海默症患者的生命能够延续多久?92 致瘾的生物学基础是什么?93 大脑如何建立道德观念? 不是专家，不敢妄言。,附录1：其实，其他的一些整体方法也同样体现了