第三节 现代科学复杂性观念的发展与完善

如果说贝塔朗菲、维纳、申农等人创立的一般系统论、控制论、信息论等理论是复杂性思维发展的20世纪先驱，宣告人类认识进入到了一个探索复杂性的历史时期。最近30多年以来，世界范围的探索复杂性科学才蓬勃兴起，系统科学在发展中也经历了从简单到复杂的演进历程，在一系列新成就的基础上形成的复杂性科学，正是对传统经典科学的一种具有革命性的思维方式转换。它标志着人类科学研究又进入一个新的历史时期，科学发展正经历着一场历史性转变。

一 现代科学对复杂性的自组织主义研究阶段

在把系统、信息、控制这些概念引入各个学科之后，随着对各个领域共有的系统现象进一步深入研究的基础上，以“自组织理论”为核心的系统科学在20世纪60年代以后也蓬勃发展起来，这是系统科学深入发展的必然结果，也是对世界的复杂性不断自觉与探索的一个新的阶段。陆续出现的新三论（耗散结构理论、协同学、突变论）和超循环理论构成的自组织理论，为系统科学迈向复杂性科学道路奠定了基础。这一过程中涌现出的涨落、分叉、突变、序参量、超循环等动态性的科学概念是对传统科学静态性概念的全新超越，同时也是首次在科学中引入了随机性、不对称性、不可逆性认识机制。这种科学思维的变革在于系统理论关心的焦点从可逆的、确定的、累加的存在走向了有序的、前进的、突变的演化。在这一阶段，突出了动态分析系统自身演化，主要研究系统的产生条件、动力机制、演化途径等基本问题。

早在1947年美国控制论专家阿什比就描述了神经系统的自组织特性，此后20年系统动力学派的重要人物福斯特与其合作者一直致力于自组织系统的研究，这些研究在一定程度上催生了其后的自组织研究。

1969年，比利时化学家普里戈金从研究远离平衡态的热力学出发，提出“耗散结构理论”，开创了自组织理论的先河，通过发现开放系统对初始条件敏感性，揭示了远离平衡态开放系统的不可逆过程和演化机制。这一成就使他在1977年获诺贝尔化学奖。

同样是在1969年，德国科学家哈肯由激光中的发现创立“协同学”，研究了系统如何经过自组织从无序转变为有序的非线性机制。哈肯从激光现象中得到启发开始研究远离平衡态的物理变相问题。发现任何系统同时存在两种运动倾向，一种是无规则运动，它通常导致系统走上无序的道路；一种是由于子系统之间的关联引起的协调运动，它导致宏观有序，不同的协同运动导致不同的宏观结构。从而为揭示系统相变和演化的内在机制作出了贡献。

德国诺贝尔化学奖得主艾根与合作者依据他们对分子进化以及生命进化与起源的研究，于1979年发表《超循环——自然界的一个自组织原理》，研究生命如何从物理和化学的层次突现出来的问题时提出了超循环理论。艾根认为，超循环理论可以作为生物大分子进化的一般模式，解释由化学过程向生命过程转变的种种突变现象。显然，艾根为生命的自组织现象提出了独到的见解，使超循环理论成为现代系统科学和非线性科学的重要组成部分。超循环论建立了生命现象的数学模型，复现了生命演化的过程特征。

在数学领域，法国数学家托姆于1972年以纯数学的形式发表了《结构稳定性与形态发生学》，创立了突变理论。托姆是在用数学方法研究生物学问题时，发现微分拓扑学领域关于奇点的研究成果与生物形态分类学有密切的关系，从这个角度切入发展出突变理论。传统的数学分析以及用微分方程表述的理论物理学，都处理的是连续和光滑的情况，对不连续和突变现象的研究不在传统数学的视野。托姆突变论关注的是质变的关节点，即奇点、临界点、分岔点问题，通过构建数学模型来分析突变的类型，探索影响突变的因素，如控制因子和反应因子，以提出揭示系统突变的内在规律的数学表达和描述方式。由于许多研究领域都存在着突变现象，不论在物理学、生物学领域、经济学、社会学领域，因此，人们都认真探索用突变论所创立的数学模型和工具来研究突变现象。

自组织理论的相关成果告诉我们，自组织性是一切系统的普遍属性，物质世界中的任何系统都处于一定自组织的演化过程中，无论是系统的结构与功能还是系统本身，都是系统所固有的自组织性在一定条件下、一定阶段上的具体表现。任何一个系统都是以其自组织性为其产生、存在、演化和发展的条件和背景的，这也同时回答世界万事万物的系统整体特征如何而来的问题，其理论落脚点虽然仍是探讨系统有序结构的生成，回答世界的秩序如何而来，但其理论成果中已经不可避免地内含了复杂性意蕴。通过自组织理论我们看到了表现世界简单性的秩序，无论是空间上的还是时间上的，都并非世界本身所固有的，而是在复杂的相互作用过程中通过自组织生成的。世界并非是沿着因果决定论的模式从一种有序走向另一种有序，而是可以从无序中生成有序，从有序程度较低的状态通过“自己运动”走向有序程度较高的状态。这对本体意义上的简单性原则无疑是一次巨大的冲击。但自组织理论在世界观意义上同早期的系统论一样仍是不完备的，因为任一新结构的生成过程同时也意味着另一结构的瓦解，事物在演化中也不可能无止境的走向更高的有序状态，如果片面地强调也会回到追求简单性的道路上。但这无疑是对简单性批判的深入，同时是对复杂性自觉的坚实一步。

二 现代科学对复杂性的非线性主义研究阶段

系统自组织理论在研究进展中不可回避地遇到了非线性问题，由于非线性问题在系统演化中的核心地位，几乎与“新三论”同时又出现了“又三论”：混沌理论、分形理论、孤立子理论20世纪70年代发展成为非线性科学理论群，这为复杂性科学整体进展的又一重要阶段。这一阶段最能够体现其理论成果的应是混沌理论和分形学说。“至于分形和混沌理论，我认为它们是从时序与空间序的角度研究了自组织的复杂性和图景问题。”非线性科学运用了吸引子、离散、自相似、分数维、孤子等概念，揭示了空间意义上非决定论式作用关系，消融了决定论和概率论的对立；揭示了空间意义上整体和部分的跨层次的作用关系，消解了宏观和微观的分野。

1963年美国气象学家洛伦兹在用计算机模拟大气变化的过程中，一个微小的误差导致了两条分道扬镳的天气模拟曲线后，提出了著名的“蝴蝶效应”，即一只蝴蝶在巴西扇翅膀会引起得克萨斯州的龙卷风的命题；他发现天气变化是一个庞大而又复杂的非线性动力学系统，用传统的线性动力学模型无法描述那些非周期性的和对初始条件的敏感依赖性问题，并提出了第一个关于大气运动湍流出现的复杂性数学描述。混沌学理论中，揭示混沌现象的几个基本特征，如系统内在的随机性、初始条件的敏感性、奇异吸引因子的非线性相互作用以及混沌是新事物、新结构、新功能的创生之源，等等。随后由于计算机的介入以及文化学者的推动，20世纪70—80年代中期在众多领域激发起研究混沌的热潮。司马贺认为，混沌研究是复杂性研究的一种重要概念框架和数学工具，混沌系统在很多科学领域都具有重要的现实意义。

1975年英籍法国数学家曼德勃罗出版了《分形——形、机遇和维数》，提出“分形”一词，创立了分形几何，其1982年出版的《大自然的分形几何》一书进一步推动了分形思想的研究热潮。分形几何为研究自然界中的复杂形状和结构提供了数学工具，因而理论上可广泛应用在天文、地学、物理、化学、生物、材料乃至语言学、经济学等众多领域。美国物理学家惠勒曾说：“明天谁不熟悉分形，谁就不能被认为是科学上的文化人。”分形是指其组成部分以某种方式与整体相似的形，指一类无规则、混乱而复杂的、局部与整体有相似性的体系，研究具有自相似的无序系统。

混沌与分形具有内在一致性。分形是混沌的几何结构或普适形态，混沌则是分形形成和演化的动力学。分形是复杂巨系统赖以生成和维持的组织原则或机制。分形几何是探索复杂性的重要工具，与动力系统的混沌理论交叉结合，相辅相成，它承认世界的局部可能在一定条件下、过程中，在某一方面（形态、结构、信息、功能、时间、能量等）表现出与整体的相似性，它承认空间维数的变化既可以是离散的也可以是连续的，拓展了人们的视野。

混沌理论和分形几何学有着承前启后的作用，它连接了复杂系统理论的系统自组织性研究阶段和系统不确定性研究阶段，所以有的学者把它们看作是自组织理论的一部分。而本书认为，如果把有序的思考也看作是简单性的一种，那么复杂系统理论的前两个阶段可以看作是科学研究从简单性追求向复杂性探索的过渡，在世界图景的建构中仍然有着较强的简单性特征的，而混沌理论和分形几何学的思想更多地体现出对世界复杂性的一种新探索，从而使系统理论研究真正进入到复杂性阶段。在此之后复杂性研究的热潮遍及全球，研究的学者也涉及各个领域，从哲学、生物学到管理学、物理学、天文学、社会学，等等。

三 现代科学对复杂性的不确定性研究阶段

自组织系统理论描绘了一幅新结构不断取代旧结构的系统有序演化图景，这就很自然地提出了一个问题：有序演化模式能否一直进行下去？由于非线性科学的深入，偶然、随机、无序、不可预测等难以简单处理的复杂性问题全部进入了科学的视野，复杂性科学在20世纪80年代的新进展是对自组织临界性的发现。1987年丹麦科学家帕·巴克用计算机技术真实模拟了沙堆的自然堆积与崩塌过程，科学的揭示出了自组织临界性。巴克指出，自组织临界性广泛存在于地壳变化、火山爆发、太阳耀斑、生态进化、股票市场、金融危机、人类大脑等众多领域，正如巴克所说，“巨大的灾难性的事件和每天都发生的微小事件都遵从同样的动力学……自组织临界性可以看作是灾难主义的理论判据”。自组织临界性的发现为科学复杂性探索开辟了更加广阔的领域，复杂性科学自然而然地进入到一个全新的阶段，这一阶段主要研究系统存在与演化过程中的不确定性、无序等基本问题。

到了20世纪80年代，随着计算机技术的成熟，使得复杂性研究与之前研究有了较大区别，计算机仿真与建模成为研究的重要方法。这种新方法的应用大大弥补了以往复杂性理论难于检验的弱点。在这一背景下，由不同国别的众多科学家在不同领域分别展开探索，掀起全面研究复杂性的热潮，具有代表性的研究主要集中在欧洲、美国与中国这三个地区。欧洲方面，复杂性科学的首席思想家普利高津提出过“探索复杂性”的口号及提出“涨落导致有序”的原理；法国当代复杂性思想大师埃德加·莫兰提出“复杂性研究”的课题及“由噪声产生有序”的原理。美国方面，1984年成立的美国圣塔菲研究所，在三位诺贝尔奖获得者支持下汇聚了各学科一流的研究人员，研究内容包罗万象，“所涉及的主要内容有：复杂适应系统、非适应系统、标度、自相似、复杂性的度量”，集中研究复杂系统并逐渐成为当代复杂性研究方面的世界研究中心。中国方面是以钱学森为代表提出的开放的复杂巨系统理论。

欧洲方面，复杂性研究在德、比、荷、奥、英、法、丹等国都有引人注目的成果。其中贡献最大的当推以普利高津为首的布鲁塞尔学派，主要是：较早论证了复杂性科学的概念和提出“探索复杂性”的响亮口号，开展远离平衡态研究，分析界定复杂性概念；提出复杂性有不同等级的思想，特别考察了“最低复杂性”提出放弃世界简单确定性的信念，以便锻造复杂性研究的方法论；关于复杂性的哲学思考，如复杂性的客观性、简单性与复杂性的辩证关系等。

其次是哈肯学派，就简单巨系统问题很好地论证了客观世界的复杂性是通过自组织从简单性中逐步演化出来的，自组织是刻画复杂性的科学概念。协同学解决问题基于数学模型，主要是常微分方程。只要能有效确定序参量，且个数很少（一个或几个），能够建立序参量方程，系统的自组织即可用数学方法精确刻画。但这一方法如果宏观序参量过多，或无法建立有效的序参量方程，协同学也只能提供定性分析。

此外对于复杂性问题的阐述更多的是法国的埃德加·莫兰，他是法国当代著名的哲学家、社会学家、人类学家和政治评论家。埃德加·莫兰“复杂思想”认为世界事物是统一性和多样性的融合、有序性和无序性的交混、个体和环境的相互渗透，建议用“宏大概念”、策略性眼光和元系统观点来认识对象。莫兰期望简单的、静止的、封闭的理性主义能够被一种复杂的、动态的、开放的理性主义所代替。针对西方文化中占主导地位的重分析的思维传统，他提出“复杂思维”的新范式，以期弥补各学科相互隔离、知识日益破碎化的弊端。他的复杂性研究把物理、事理、人理结合起来，他的思想对于解决复杂的实际社会问题具有指导意义。

纵观欧洲的相关研究，其复杂性研究有以下两个特点：首先是在基础科学层次上探索复杂性，除莫兰外都是理论自然科学家，他们的复杂性研究都建立在物理学、化学和生物学现代成果之上，一定程度上受到发端于欧洲的传统科学的简单性观念影响，追求精确数学模型，注重揭示复杂性形成和演变的内在机制，强调自组织产生复杂性；其次是重视从哲学高度审视复杂性，提出大量深刻的哲学思想。

美国方面，按照美国当代著名系统科学家、结构基础学派代表人物沃菲尔德的概括，美国的复杂性研究包括五个主要流派，即系统动力学、混沌理论、复杂适应系统理论、结构基础学派和暧昧学派。学界普遍认为他的概括并不完全，因为分形学说、札德的模糊理论、司马贺关于人工系统复杂性探索都是复杂性研究的重要进路，却被沃菲尔德所忽视。在这些研究中，影响较大的应属圣塔菲研究所对于复杂性的相关探索。

1984年，以跨学科方式运作的美国的圣塔菲研究所创立，集合了众多世界级科学家致力于复杂性探索，由一帮来自不同学科的物理学家、生物学家、经济学家等为了探索复杂性的共同志向走到了一起，成了世界复杂性科学的专门机构和前沿阵地。圣菲研究所的特点是对世界各国开放，成员流动，众多世界级的科学家参与，开展规模空前的跨学科、跨文化综合研究，影响巨大，被称为当代世界复杂性科学的中枢。他们对复杂性的研究不再是分门别类地进行，而是打破了以前的学科界限，企图建立统一的复杂性科学纲领。因此，圣菲研究所的成立，是复杂性科学进入新阶段的标志，也是复杂性范式初步形成的标志。

成立以来，圣塔菲研究所在复杂性研究方面取得了很多有价值的成果，把复杂性探索视为一种“新科学”。这一新科学将突破传统科学的还原论局限，进军众多复杂性领域，解决经济、生态、免疫系统、胚胎、神经系统中诸如贸易不平衡、可持续发展、遗传病、计算机病毒等“一切常规学科范畴无法解答的问题”。

圣塔菲研究所的最具代表性的成就是风靡全球的复杂自适性系统理论。为了解决传统方法难以处理的优化计算问题，20世纪60年代霍兰仿照生物自然选择和优胜劣汰的进化规律，创立了遗传算法。1993年，霍兰在遗传算法工作的基础上创立了著名的CAS理论。他先后出版了《隐秩序：适应性造就复杂性》《涌现——从混沌到有序》两部著作。另一著名的成就来自被称为“人工生命之父”的朗顿，他创立了人工生命的研究，对元胞自动机的研究影响巨大，提出“混沌边缘”的口号。此外，帕·巴克通过沙堆模型对自组织临界性的研究，经济学家阿瑟对报酬递增率、路径锁定和不可预测性的研究，也是圣菲研究所的代表性成果，并产生了巨大的影响。圣菲研究所一开始就树立了促进知识统一和消除科学与人文之间的对立，全面进行复杂性探索的宗旨，研究者们虽然有不同的研究方向，但他们的研究对象方法和工具是一致的，即研究对象是复杂系统，研究方法多采用隐喻、类比、模型、模拟等方法，这些鲜明特点是以前复杂性探索时所不具备的。

除圣菲研究所外，美国乔治·梅森大学成立了集成科学现代研究所，通常称为结构基础学派，以沃菲尔德为代表，围绕管理问题研究复杂性。他们以西方（特别是皮尔士）哲学为指导，通过总结管理经验，提出交互式管理的新概念。

在圣菲研究所成立以前，复杂性科学没有一个真正以探索复杂性为共同目标的研究机构。那些探索复杂性的人们分布在不同的学科领域，基本上属于业余爱好，也没有自己的刊物，有关复杂性或系统研究的论文都是偶然地发表在各种其他专业刊物上，例如洛伦兹有关混沌的重要论文就发表在气象杂志里。宣告混沌研究诞生的李·约克的著名论文《周期三意味着混沌》也是发表在数学杂志里。圣菲研究所的出现结束了这种历史，基本上每年出版复杂性科学的年报这一连续出版物，《复杂性》，随后又有《混沌》、《生态复杂性》、《经济与复杂性》、《涌现》、《复杂系统前沿》等探索复杂性的传统或电子杂志先后创办，有关复杂性的专著更是雨后春笋般出版，形成了一股复杂性的出版热。大名鼎鼎的美国《科学》杂志也推波助澜，1999年几乎成为关注复杂性科学的专辑，除陆续发表复杂性的文章外，还于四月份出版复杂性专辑：《复杂系统》，一次性发表8篇复杂性方面的文章，精心组织一批正在主流科学主战场物理、化学、生物、经济、生态、地理环境、气象、神经科学等前沿工作的著名学者探讨各自领域的复杂性，充分地表明到世纪之交主流科学界对复杂性科学的明确关注和认可。

中国学界复杂性研究的队伍庞杂，凡国外复杂性研究的重要流派，中国都有人跟踪。20世纪90年代中期以前大多追随欧洲学派，特别是普利高津和哈肯。20世纪90年代中期以来，大多跟踪圣塔菲。世纪之交以来，一批人致力于复杂网络理论研究。这样的复杂性研究无疑是必要的，但形不成自己的学派。所谓复杂性研究的中国学派，核心是钱学森领军的研究集体及其外围追随者。在这个意义上，钱学森是中国复杂性研究的开创者，最先注意到国际上涌动的复杂性研究潮流，1987年转向复杂性研究，提出独到的概念和理论框架。钱学森早在20世纪80年代中期他就洞察到这个科学新方向的重要性，通过系统学讨论班聚集起一批力量，以开放的复杂巨系统理论为学术旗帜开国内复杂性研究之先河。钱学森是从两个方面走向复杂性研究的，一是解决国家重大实际问题，如军队建设、国家体制改革中的重大经济决策问题等；二是建立基础科学层次系统理论即系统学的工作。其概念形成经历了三部曲：巨系统（1980年）——复杂巨系统（1987年）——开放的复杂巨系统（1989年）。

钱学森的复杂性研究的贡献主要是提出复杂性研究的独特思路和方法论，可以分为两个层次。一是从方法论层次划分简单性与复杂性，强调解决复杂性问题必须利用整个现代科学技术体系的知识，对各种理论知识综合集成，对科学知识与非科学知识（专家经验、不成文的感受等）综合集成，对逻辑思维与非逻辑思维、形象思维综合集成，对机器“智能”和人的智能综合集成，对定性材料和定量数据综合集成。总之是综合的综合，集成的集成，集大成。这是系统方法最概括的表述。二是具体方法层次，也就是复杂巨系统工程，建立综合集成研讨厅体系，用于复杂巨系统的预测和决策，有很强的可操作性。

复杂性的科学研究的这一阶段，科学开始直面被传统科学看作敌人的偶然性、随机性、不确定性、无序性，事实上关注的核心问题就是如何把有序与无序、确定性与不确定性、规律性与随机性这样看似矛盾的概念联结起来。在通常的理解中，复杂性在本体意义上往往和彻底的混乱无序联系起来，在认识论上无疑就走上了不可知论的道路，这其实是走上了另外一种简单主义，显然不是科学进行复杂性探索的目的。面对世界的无序、随机、偶然性等不确定性因素，复杂性科学不是像简单性科学那样选择了回避，而是试图在不确定性中看到确定性，在确定性中看到不确定性，并寻找到二者的内在统一关系，这也许才是当代复杂性科学研究的主旨所在。