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陈平 控制论到复杂科学 从控制论到复杂系统科学* 陈平 一．引论：科学重心的转移和科学规范的变革 当代科学正在经历一个划时代的变革，包括科学研究重心的转移和科学思想规范的转变。因为我们正处于 变革的过程之中而非变革的过程之末，所以目前使用的一些提法可能有争议。我们的目的是给科学变革的潮流 钩画出一个大概的轮廓，使大家能及时把握创新的机遇。任何一个科学学派总有其特色和局限；读者可以把这 里介绍的一家之言和你所接触的其他学派相比较，从而寻找自己的道路。 我这次讲演的中心议题是，当代科学的发展正从分析科学走向综合科学，世界的演化从趋同走向多样 (Prigogine 1980)。理解世界的科学理论框架也从以平衡或均衡观念为核心的古典静态(几何学)理论，走向以 非平衡观念为核心的现代演化(动力学)理论。这些变化发生在以计算机和遗传工程为主导的第四次工业革命、 或称作第三次浪潮的时代(Tofler 1980)，不是偶然的。 下面我们先从当代科学思想演变的基本线索谈起，然后再讨论科学革命的社会历史背景。当然，这两者实 际上是相互关联的。 (1.1)当代科学的三个前沿 科学研究有三个前沿，所谓的三个“极”：极小，极大，和极为复杂。 第一个“极”是“极小”－－如分子、原子、基本粒子等。统治极小世界规律的是量子力学和量子场论。 第二个“极”是“极大”－－研究天体和宇宙空间。爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论奠定了研究极大的基 础。在介于极大和极小之间的时空尺度上，牛顿力学主导经典运动的规律。 两次世界大战和随后的冷战促使各国政府把主要的研究经费压在了极小和极大的研究上，制造原子弹、导 弹、加速器、和空间飞船。二十世纪下半叶理论物理上一个最重要的突破，就是杨振宁的规范场理论给极小和 极大的统一场论开辟了道路。极小和极大的研究，从基础到应用的周期很长，所以其基础研究经费主要靠国家 的军费支持。尽管对科学家来说，极小和极大的研究具有永恒的魅力，冷战之后军费的大幅削减，使这两方面 的研究规模近年来大为缩小。科学研究的重心正向生物学和经济学转移。这就引向科学的第三个前沿。 这第三个是最古老、最困难、在本世纪投入也最少的领域。它处在极大和极小之间，和我们人类特定的空 间和时间尺度处在同一个量级上，这个领域可称为“极为复杂”。生命和社会系统的研究比物理化学系统困难 得多。经济学家面临的挑战远比物理学家严峻，因为经济系统正是最难处理的一类复杂系统。在研究极大、极 小这二个领域上发展起来的古典物理学，在解释生命和社会现象时就碰到了非常基本的障碍。我们可以说：科 学史上下一个最大的挑战、或最大的希望，就是这个“极为复杂”的领域。 (1.2)科学从分析到综合的发展 西方科学的主流是从希腊原子论到现代基本粒子论为代表的分析科学。我们今天讲的新兴的复杂系统科学 (science of complexity),或称复杂系统(complex systems)，七十年代还有一个名称，叫自组织理论 (self-organization theory)。她是与西方传统从希腊原子论到现代基本粒子论为代表的分析科学相对立又互 补的研究路线。 主导极小和极大的物理理论都源于希腊的原子论和几何学。原子论的基本思想是复杂事物可以分解为简单 组元之和。假如简单组元的运动规律相对简单，而组元之间的相互作用可以忽略，使它们的整体运动可以简单 相加，则复杂事物的运动规律可以还原为较低层次组元的运动规律。所谓一加一等于二，是线性求和的简单例 子。这在数学上可以方便地用几何图象来描写。牛顿动力学和爱因斯坦相对论的宇宙观都基于本质是静态的几 何学。但是，你假如对活的生物进行分解，就可能改变生物活动的正常状态以致死亡。原因是生物体组元之间 的相互作用和相互耦合比机械运动强得多。所谓一加一大于二，是复杂系统的典型特征。古希腊原子论的分析 方法和中国老庄哲学的整体论思想是不同的。近代分析科学成长的一个重要原因是，数学定量描写首先用于机 械运动这样的简单系统。生物学中达尔文的进化论和经济学中马克思的社会演化理论都没有适宜的数学理论作 支持。描写复杂系统的数学工具在本世纪七十年代才获得突破。 “极为复杂”的研究，尤其是对生命和社会现象的研究，基本问题究竟是什么？它有二个令人深思的问题， 或者说是一个问题的二个方面 (Prigogi