复杂系统科学研究的新进展课件

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

[ⅰ]隔离法[ⅱ]微积分C、正面作用：合理与必要性D、缺陷与不足：拉美特利（LaMettrie）(1+1＞2)：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

然而，只要温差ΔT=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”。

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ε-δ无穷小分析方法。

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(0＜Xn≤1/2)规则

Xn+1=即

[2Xn]2Xn

–1(1/2≤Xn＜1)

即整体上，数列限制在[0，1]间试看如下一些情况：①X0=13/32，则X1=13/16，X2=5/8，X3=1/4，X4=1/2，X5=0，……，为不动点②X0=21/2/2，则为无理数列③X0=13/28，则X1=13/14，X2=6/7，X3=5/7，X4=3/7，X5=6/7，……，为三周期循环。

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

则X1=小/23001，X2=小/23000，……Xn=1/2，Xn+1=0，……，为不动点。

③与④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。

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，1990，11－12。)

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》，1993－9。）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。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