第三節 現代科學復雜性觀念的發展與完善

如果說貝塔朗菲、維納、申農等人創立的一般系統論、控制論、信息論等理論是復雜性思維發展的20世紀先驅，宣告人類認識進入到了一個探索復雜性的歷史時期。最近30多年以來，世界范圍的探索復雜性科學才蓬勃興起，系統科學在發展中也經歷了從簡單到復雜的演進歷程，在一系列新成就的基礎上形成的復雜性科學，正是對傳統經典科學的一種具有革命性的思維方式轉換。它標志著人類科學研究又進入一個新的歷史時期，科學發展正經歷著一場歷史性轉變。

一 現代科學對復雜性的自組織主義研究階段

在把系統、信息、控制這些概念引入各個學科之后，隨著對各個領域共有的系統現象進一步深入研究的基礎上，以“自組織理論”為核心的系統科學在20世紀60年代以后也蓬勃發展起來，這是系統科學深入發展的必然結果，也是對世界的復雜性不斷自覺與探索的一個新的階段。陸續出現的新三論（耗散結構理論、協同學、突變論）和超循環理論構成的自組織理論，為系統科學邁向復雜性科學道路奠定了基礎。這一過程中涌現出的漲落、分叉、突變、序參量、超循環等動態性的科學概念是對傳統科學靜態性概念的全新超越，同時也是首次在科學中引入了隨機性、不對稱性、不可逆性認識機制。這種科學思維的變革在于系統理論關心的焦點從可逆的、確定的、累加的存在走向了有序的、前進的、突變的演化。在這一階段，突出了動態分析系統自身演化，主要研究系統的產生條件、動力機制、演化途徑等基本問題。

早在1947年美國控制論專家阿什比就描述了神經系統的自組織特性，此后20年系統動力學派的重要人物福斯特與其合作者一直致力于自組織系統的研究，這些研究在一定程度上催生了其后的自組織研究。

1969年，比利時化學家普里戈金從研究遠離平衡態的熱力學出發，提出“耗散結構理論”，開創了自組織理論的先河，通過發現開放系統對初始條件敏感性，揭示了遠離平衡態開放系統的不可逆過程和演化機制。這一成就使他在1977年獲諾貝爾化學獎。

同樣是在1969年，德國科學家哈肯由激光中的發現創立“協同學”，研究了系統如何經過自組織從無序轉變為有序的非線性機制。哈肯從激光現象中得到啟發開始研究遠離平衡態的物理變相問題。發現任何系統同時存在兩種運動傾向，一種是無規則運動，它通常導致系統走上無序的道路；一種是由于子系統之間的關聯引起的協調運動，它導致宏觀有序，不同的協同運動導致不同的宏觀結構。從而為揭示系統相變和演化的內在機制作出了貢獻。

德國諾貝爾化學獎得主艾根與合作者依據他們對分子進化以及生命進化與起源的研究，于1979年發表《超循環——自然界的一個自組織原理》，研究生命如何從物理和化學的層次突現出來的問題時提出了超循環理論。艾根認為，超循環理論可以作為生物大分子進化的一般模式，解釋由化學過程向生命過程轉變的種種突變現象。顯然，艾根為生命的自組織現象提出了獨到的見解，使超循環理論成為現代系統科學和非線性科學的重要組成部分。超循環論建立了生命現象的數學模型，復現了生命演化的過程特征。

在數學領域，法國數學家托姆于1972年以純數學的形式發表了《結構穩定性與形態發生學》，創立了突變理論。托姆是在用數學方法研究生物學問題時，發現微分拓撲學領域關于奇點的研究成果與生物形態分類學有密切的關系，從這個角度切入發展出突變理論。傳統的數學分析以及用微分方程表述的理論物理學，都處理的是連續和光滑的情況，對不連續和突變現象的研究不在傳統數學的視野。托姆突變論關注的是質變的關節點，即奇點、臨界點、分岔點問題，通過構建數學模型來分析突變的類型，探索影響突變的因素，如控制因子和反應因子，以提出揭示系統突變的內在規律的數學表達和描述方式。由于許多研究領域都存在著突變現象，不論在物理學、生物學領域、經濟學、社會學領域，因此，人們都認真探索用突變論所創立的數學模型和工具來研究突變現象。

自組織理論的相關成果告訴我們，自組織性是一切系統的普遍屬性，物質世界中的任何系統都處于一定自組織的演化過程中，無論是系統的結構與功能還是系統本身，都是系統所固有的自組織性在一定條件下、一定階段上的具體表現。任何一個系統都是以其自組織性為其產生、存在、演化和發展的條件和背景的，這也同時回答世界萬事萬物的系統整體特征如何而來的問題，其理論落腳點雖然仍是探討系統有序結構的生成，回答世界的秩序如何而來，但其理論成果中已經不可避免地內含了復雜性意蘊。通過自組織理論我們看到了表現世界簡單性的秩序，無論是空間上的還是時間上的，都并非世界本身所固有的，而是在復雜的相互作用過程中通過自組織生成的。世界并非是沿著因果決定論的模式從一種有序走向另一種有序，而是可以從無序中生成有序，從有序程度較低的狀態通過“自己運動”走向有序程度較高的狀態。這對本體意義上的簡單性原則無疑是一次巨大的沖擊。但自組織理論在世界觀意義上同早期的系統論一樣仍是不完備的，因為任一新結構的生成過程同時也意味著另一結構的瓦解，事物在演化中也不可能無止境的走向更高的有序狀態，如果片面地強調也會回到追求簡單性的道路上。但這無疑是對簡單性批判的深入，同時是對復雜性自覺的堅實一步。

二 現代科學對復雜性的非線性主義研究階段

系統自組織理論在研究進展中不可回避地遇到了非線性問題，由于非線性問題在系統演化中的核心地位，幾乎與“新三論”同時又出現了“又三論”：混沌理論、分形理論、孤立子理論20世紀70年代發展成為非線性科學理論群，這為復雜性科學整體進展的又一重要階段。這一階段最能夠體現其理論成果的應是混沌理論和分形學說。“至于分形和混沌理論，我認為它們是從時序與空間序的角度研究了自組織的復雜性和圖景問題。”非線性科學運用了吸引子、離散、自相似、分數維、孤子等概念，揭示了空間意義上非決定論式作用關系，消融了決定論和概率論的對立；揭示了空間意義上整體和部分的跨層次的作用關系，消解了宏觀和微觀的分野。

1963年美國氣象學家洛倫茲在用計算機模擬大氣變化的過程中，一個微小的誤差導致了兩條分道揚鑣的天氣模擬曲線后，提出了著名的“蝴蝶效應”，即一只蝴蝶在巴西扇翅膀會引起得克薩斯州的龍卷風的命題；他發現天氣變化是一個龐大而又復雜的非線性動力學系統，用傳統的線性動力學模型無法描述那些非周期性的和對初始條件的敏感依賴性問題，并提出了第一個關于大氣運動湍流出現的復雜性數學描述。混沌學理論中，揭示混沌現象的幾個基本特征，如系統內在的隨機性、初始條件的敏感性、奇異吸引因子的非線性相互作用以及混沌是新事物、新結構、新功能的創生之源，等等。隨后由于計算機的介入以及文化學者的推動，20世紀70—80年代中期在眾多領域激發起研究混沌的熱潮。司馬賀認為，混沌研究是復雜性研究的一種重要概念框架和數學工具，混沌系統在很多科學領域都具有重要的現實意義。

1975年英籍法國數學家曼德勃羅出版了《分形——形、機遇和維數》，提出“分形”一詞，創立了分形幾何，其1982年出版的《大自然的分形幾何》一書進一步推動了分形思想的研究熱潮。分形幾何為研究自然界中的復雜形狀和結構提供了數學工具，因而理論上可廣泛應用在天文、地學、物理、化學、生物、材料乃至語言學、經濟學等眾多領域。美國物理學家惠勒曾說：“明天誰不熟悉分形，誰就不能被認為是科學上的文化人。”分形是指其組成部分以某種方式與整體相似的形，指一類無規則、混亂而復雜的、局部與整體有相似性的體系，研究具有自相似的無序系統。

混沌與分形具有內在一致性。分形是混沌的幾何結構或普適形態，混沌則是分形形成和演化的動力學。分形是復雜巨系統賴以生成和維持的組織原則或機制。分形幾何是探索復雜性的重要工具，與動力系統的混沌理論交叉結合，相輔相成，它承認世界的局部可能在一定條件下、過程中，在某一方面（形態、結構、信息、功能、時間、能量等）表現出與整體的相似性，它承認空間維數的變化既可以是離散的也可以是連續的，拓展了人們的視野。

混沌理論和分形幾何學有著承前啟后的作用，它連接了復雜系統理論的系統自組織性研究階段和系統不確定性研究階段，所以有的學者把它們看作是自組織理論的一部分。而本書認為，如果把有序的思考也看作是簡單性的一種，那么復雜系統理論的前兩個階段可以看作是科學研究從簡單性追求向復雜性探索的過渡，在世界圖景的建構中仍然有著較強的簡單性特征的，而混沌理論和分形幾何學的思想更多地體現出對世界復雜性的一種新探索，從而使系統理論研究真正進入到復雜性階段。在此之后復雜性研究的熱潮遍及全球，研究的學者也涉及各個領域，從哲學、生物學到管理學、物理學、天文學、社會學，等等。

三 現代科學對復雜性的不確定性研究階段

自組織系統理論描繪了一幅新結構不斷取代舊結構的系統有序演化圖景，這就很自然地提出了一個問題：有序演化模式能否一直進行下去？由于非線性科學的深入，偶然、隨機、無序、不可預測等難以簡單處理的復雜性問題全部進入了科學的視野，復雜性科學在20世紀80年代的新進展是對自組織臨界性的發現。1987年丹麥科學家帕·巴克用計算機技術真實模擬了沙堆的自然堆積與崩塌過程，科學的揭示出了自組織臨界性。巴克指出，自組織臨界性廣泛存在于地殼變化、火山爆發、太陽耀斑、生態進化、股票市場、金融危機、人類大腦等眾多領域，正如巴克所說，“巨大的災難性的事件和每天都發生的微小事件都遵從同樣的動力學……自組織臨界性可以看作是災難主義的理論判據”。自組織臨界性的發現為科學復雜性探索開辟了更加廣闊的領域，復雜性科學自然而然地進入到一個全新的階段，這一階段主要研究系統存在與演化過程中的不確定性、無序等基本問題。

到了20世紀80年代，隨著計算機技術的成熟，使得復雜性研究與之前研究有了較大區別，計算機仿真與建模成為研究的重要方法。這種新方法的應用大大彌補了以往復雜性理論難于檢驗的弱點。在這一背景下，由不同國別的眾多科學家在不同領域分別展開探索，掀起全面研究復雜性的熱潮，具有代表性的研究主要集中在歐洲、美國與中國這三個地區。歐洲方面，復雜性科學的首席思想家普利高津提出過“探索復雜性”的口號及提出“漲落導致有序”的原理；法國當代復雜性思想大師埃德加·莫蘭提出“復雜性研究”的課題及“由噪聲產生有序”的原理。美國方面，1984年成立的美國圣塔菲研究所，在三位諾貝爾獎獲得者支持下匯聚了各學科一流的研究人員，研究內容包羅萬象，“所涉及的主要內容有：復雜適應系統、非適應系統、標度、自相似、復雜性的度量”，集中研究復雜系統并逐漸成為當代復雜性研究方面的世界研究中心。中國方面是以錢學森為代表提出的開放的復雜巨系統理論。

歐洲方面，復雜性研究在德、比、荷、奧、英、法、丹等國都有引人注目的成果。其中貢獻最大的當推以普利高津為首的布魯塞爾學派，主要是：較早論證了復雜性科學的概念和提出“探索復雜性”的響亮口號，開展遠離平衡態研究，分析界定復雜性概念；提出復雜性有不同等級的思想，特別考察了“最低復雜性”提出放棄世界簡單確定性的信念，以便鍛造復雜性研究的方法論；關于復雜性的哲學思考，如復雜性的客觀性、簡單性與復雜性的辯證關系等。

其次是哈肯學派，就簡單巨系統問題很好地論證了客觀世界的復雜性是通過自組織從簡單性中逐步演化出來的，自組織是刻畫復雜性的科學概念。協同學解決問題基于數學模型，主要是常微分方程。只要能有效確定序參量，且個數很少（一個或幾個），能夠建立序參量方程，系統的自組織即可用數學方法精確刻畫。但這一方法如果宏觀序參量過多，或無法建立有效的序參量方程，協同學也只能提供定性分析。

此外對于復雜性問題的闡述更多的是法國的埃德加·莫蘭，他是法國當代著名的哲學家、社會學家、人類學家和政治評論家。埃德加·莫蘭“復雜思想”認為世界事物是統一性和多樣性的融合、有序性和無序性的交混、個體和環境的相互滲透，建議用“宏大概念”、策略性眼光和元系統觀點來認識對象。莫蘭期望簡單的、靜止的、封閉的理性主義能夠被一種復雜的、動態的、開放的理性主義所代替。針對西方文化中占主導地位的重分析的思維傳統，他提出“復雜思維”的新范式，以期彌補各學科相互隔離、知識日益破碎化的弊端。他的復雜性研究把物理、事理、人理結合起來，他的思想對于解決復雜的實際社會問題具有指導意義。

縱觀歐洲的相關研究，其復雜性研究有以下兩個特點：首先是在基礎科學層次上探索復雜性，除莫蘭外都是理論自然科學家，他們的復雜性研究都建立在物理學、化學和生物學現代成果之上，一定程度上受到發端于歐洲的傳統科學的簡單性觀念影響，追求精確數學模型，注重揭示復雜性形成和演變的內在機制，強調自組織產生復雜性；其次是重視從哲學高度審視復雜性，提出大量深刻的哲學思想。

美國方面，按照美國當代著名系統科學家、結構基礎學派代表人物沃菲爾德的概括，美國的復雜性研究包括五個主要流派，即系統動力學、混沌理論、復雜適應系統理論、結構基礎學派和曖昧學派。學界普遍認為他的概括并不完全，因為分形學說、札德的模糊理論、司馬賀關于人工系統復雜性探索都是復雜性研究的重要進路，卻被沃菲爾德所忽視。在這些研究中，影響較大的應屬圣塔菲研究所對于復雜性的相關探索。

1984年，以跨學科方式運作的美國的圣塔菲研究所創立，集合了眾多世界級科學家致力于復雜性探索，由一幫來自不同學科的物理學家、生物學家、經濟學家等為了探索復雜性的共同志向走到了一起，成了世界復雜性科學的專門機構和前沿陣地。圣菲研究所的特點是對世界各國開放，成員流動，眾多世界級的科學家參與，開展規模空前的跨學科、跨文化綜合研究，影響巨大，被稱為當代世界復雜性科學的中樞。他們對復雜性的研究不再是分門別類地進行，而是打破了以前的學科界限，企圖建立統一的復雜性科學綱領。因此，圣菲研究所的成立，是復雜性科學進入新階段的標志，也是復雜性范式初步形成的標志。

成立以來，圣塔菲研究所在復雜性研究方面取得了很多有價值的成果，把復雜性探索視為一種“新科學”。這一新科學將突破傳統科學的還原論局限，進軍眾多復雜性領域，解決經濟、生態、免疫系統、胚胎、神經系統中諸如貿易不平衡、可持續發展、遺傳病、計算機病毒等“一切常規學科范疇無法解答的問題”。

圣塔菲研究所的最具代表性的成就是風靡全球的復雜自適性系統理論。為了解決傳統方法難以處理的優化計算問題，20世紀60年代霍蘭仿照生物自然選擇和優勝劣汰的進化規律，創立了遺傳算法。1993年，霍蘭在遺傳算法工作的基礎上創立了著名的CAS理論。他先后出版了《隱秩序：適應性造就復雜性》《涌現——從混沌到有序》兩部著作。另一著名的成就來自被稱為“人工生命之父”的朗頓，他創立了人工生命的研究，對元胞自動機的研究影響巨大，提出“混沌邊緣”的口號。此外，帕·巴克通過沙堆模型對自組織臨界性的研究，經濟學家阿瑟對報酬遞增率、路徑鎖定和不可預測性的研究，也是圣菲研究所的代表性成果，并產生了巨大的影響。圣菲研究所一開始就樹立了促進知識統一和消除科學與人文之間的對立，全面進行復雜性探索的宗旨，研究者們雖然有不同的研究方向，但他們的研究對象方法和工具是一致的，即研究對象是復雜系統，研究方法多采用隱喻、類比、模型、模擬等方法，這些鮮明特點是以前復雜性探索時所不具備的。

除圣菲研究所外，美國喬治·梅森大學成立了集成科學現代研究所，通常稱為結構基礎學派，以沃菲爾德為代表，圍繞管理問題研究復雜性。他們以西方（特別是皮爾士）哲學為指導，通過總結管理經驗，提出交互式管理的新概念。

在圣菲研究所成立以前，復雜性科學沒有一個真正以探索復雜性為共同目標的研究機構。那些探索復雜性的人們分布在不同的學科領域，基本上屬于業余愛好，也沒有自己的刊物，有關復雜性或系統研究的論文都是偶然地發表在各種其他專業刊物上，例如洛倫茲有關混沌的重要論文就發表在氣象雜志里。宣告混沌研究誕生的李·約克的著名論文《周期三意味著混沌》也是發表在數學雜志里。圣菲研究所的出現結束了這種歷史，基本上每年出版復雜性科學的年報這一連續出版物，《復雜性》，隨后又有《混沌》、《生態復雜性》、《經濟與復雜性》、《涌現》、《復雜系統前沿》等探索復雜性的傳統或電子雜志先后創辦，有關復雜性的專著更是雨后春筍般出版，形成了一股復雜性的出版熱。大名鼎鼎的美國《科學》雜志也推波助瀾，1999年幾乎成為關注復雜性科學的專輯，除陸續發表復雜性的文章外，還于四月份出版復雜性專輯：《復雜系統》，一次性發表8篇復雜性方面的文章，精心組織一批正在主流科學主戰場物理、化學、生物、經濟、生態、地理環境、氣象、神經科學等前沿工作的著名學者探討各自領域的復雜性，充分地表明到世紀之交主流科學界對復雜性科學的明確關注和認可。

中國學界復雜性研究的隊伍龐雜，凡國外復雜性研究的重要流派，中國都有人跟蹤。20世紀90年代中期以前大多追隨歐洲學派，特別是普利高津和哈肯。20世紀90年代中期以來，大多跟蹤圣塔菲。世紀之交以來，一批人致力于復雜網絡理論研究。這樣的復雜性研究無疑是必要的，但形不成自己的學派。所謂復雜性研究的中國學派，核心是錢學森領軍的研究集體及其外圍追隨者。在這個意義上，錢學森是中國復雜性研究的開創者，最先注意到國際上涌動的復雜性研究潮流，1987年轉向復雜性研究，提出獨到的概念和理論框架。錢學森早在20世紀80年代中期他就洞察到這個科學新方向的重要性，通過系統學討論班聚集起一批力量，以開放的復雜巨系統理論為學術旗幟開國內復雜性研究之先河。錢學森是從兩個方面走向復雜性研究的，一是解決國家重大實際問題，如軍隊建設、國家體制改革中的重大經濟決策問題等；二是建立基礎科學層次系統理論即系統學的工作。其概念形成經歷了三部曲：巨系統（1980年）——復雜巨系統（1987年）——開放的復雜巨系統（1989年）。

錢學森的復雜性研究的貢獻主要是提出復雜性研究的獨特思路和方法論，可以分為兩個層次。一是從方法論層次劃分簡單性與復雜性，強調解決復雜性問題必須利用整個現代科學技術體系的知識，對各種理論知識綜合集成，對科學知識與非科學知識（專家經驗、不成文的感受等）綜合集成，對邏輯思維與非邏輯思維、形象思維綜合集成，對機器“智能”和人的智能綜合集成，對定性材料和定量數據綜合集成。總之是綜合的綜合，集成的集成，集大成。這是系統方法最概括的表述。二是具體方法層次，也就是復雜巨系統工程，建立綜合集成研討廳體系，用于復雜巨系統的預測和決策，有很強的可操作性。

復雜性的科學研究的這一階段，科學開始直面被傳統科學看作敵人的偶然性、隨機性、不確定性、無序性，事實上關注的核心問題就是如何把有序與無序、確定性與不確定性、規律性與隨機性這樣看似矛盾的概念聯結起來。在通常的理解中，復雜性在本體意義上往往和徹底的混亂無序聯系起來，在認識論上無疑就走上了不可知論的道路，這其實是走上了另外一種簡單主義，顯然不是科學進行復雜性探索的目的。面對世界的無序、隨機、偶然性等不確定性因素，復雜性科學不是像簡單性科學那樣選擇了回避，而是試圖在不確定性中看到確定性，在確定性中看到不確定性，并尋找到二者的內在統一關系，這也許才是當代復雜性科學研究的主旨所在。