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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 A、经典科学方法论、经典科学方法论————分析传统分析传统 ：： 还原论还原论————原子论；原子论； 更深的基础更深的基础1+1=21+1=2 B B、具体处理方法、具体处理方法 [ [ⅰⅰ] ]隔离法隔离法[ [ⅱⅱ] ]微积分微积分 C C、正面作用：合理与必要性、正面作用：合理与必要性 DD、缺陷与不足：、缺陷与不足：拉美特利（拉美特利（La MettrieLa Mettrie）） ( 1+1( 1+1＞＞2) 2)：沙子与人体系统：沙子与人体系统——“——“拼装人拼装人” ”？？ 以上仅是简单类比，以上仅是简单类比，2020世纪复杂性研究新发现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” 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观无序的状态转态转 化 为为宏观观有序的状态态的呢？ 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 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 (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 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 3、意义、意义————当代显学：当代显学： 重提与量子力学、相对论的并列重提与量子力学、相对论的并列 方福康：在方福康：在20122012《《钱学森科学和教育思想研讨会钱学森科学和教育思想研讨会》》（系统（系统 科学思想专题分会场）科学思想专题分会场）————恰逢其时；恰逢其世；恰逢其恰逢其时；恰逢其世；恰逢其 势势 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 n n 人们已经意识到，系统论虽然强调整体性是系统人们已经意识到，系统论虽然强调整体性是系统 的主要特点，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，现在与过去不同的是，现在 人们考虑的因素人们考虑的因素首先是量上的增多，但它还未能真正是量上的增多，但它还未能真正 将各因素的地位从质上区分开来将各因素的地位从质上区分开来————也许协同学中的也许协同学中的 序参量概念及其伺服原理是个例外序参量概念及其伺服原理是个例外 n n 其次由于人们过分沉溺于各种由于人们过分沉溺于各种“ “精妙的精妙的” ”数学处理数学处理 方法，而这些数学方法实际上大多最终又归结为线性方法，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。

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 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，如三个流派状还进行过其他多角度的分析，如三个流派————欧洲欧洲 、美国和中国及其特点的比较分析。

顾基发（系统、美国和中国及其特点的比较分析顾基发（系统 所原所长）、苗东升所原所长）、苗东升（复杂性研究的成就与困惑（复杂性研究的成就与困惑. .系系 统科学学报，统科学学报，2009(1)2009(1) ）） 还有目前应该关注的一些问题：还有目前应该关注的一些问题： 1 1、信息与神经科学研究、信息与神经科学研究 2 2、还原、还原- -整体论的关系整体论的关系 3 3、中国学派的成长、中国学派的成长 1 1、信息与神经科学研究、信息与神经科学研究 2012-10 2012-10，，《《第六届全国科学方法论学术研讨会第六届全国科学方法论学术研讨会》》，韩济，韩济 生院士的基调报告，生院士的基调报告，《《针刺研究的方法学问题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、方程方福康，科学家的风格：图表，数据、方程 2012-12-62012-12-6：主题报告；：主题报告； “ “神经系统中的复杂性研究神经系统中的复杂性研究” ”（（《《上海理工大学学报上海理工大学学报》》，， 2011 -22011 -2）） 脑、神经科学研究的进展脑、神经科学研究的进展 微观研究，进步非常快。

微观研究，进步非常快3 3个单位的美国基金资助北大、清华、师大：个单位的美国基金资助北大、清华、师大：100100 万万×10×10年 但宏观，跨层次研究明显不足，涌现、突变机制不清楚但宏观，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：行为记忆研究：行为- -巴浦洛夫；细胞巴浦洛夫；细胞- -突触生长；分子层次突触生长；分子层次 ：蛋白质变化蛋白质变化 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 附录附录1 1：：其实，其他的一些整体方法也同样体现其实，其他的一些整体方法也同样体现 了整体与部分不可分割的相互联系。

了整体与部分不可分割的相互联系。