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作為一個研究復雜系統行為的人，我讀此書時格外認真。自從在北京三聯書店時光咖啡館邂逅這本書，屈指算來，大概斷斷續(xù)續(xù)讀了有一個月。 當我們說我們研究系統，通常并不是指非常簡單的系統。因為那樣的系統很容易理解，很容易模擬。因此本書書名很恰當--復雜。復雜系統普遍有兩種定義：1.由大量組分組成的網絡，不存在中央控制，通過簡單運作規(guī)則產生出復雜的集體行為和復雜的信息處理，并通過學習和進化產生適應性。2.具有涌現(Emergent Property)和自組織(Self-Organization)行為的系統。 復雜系統研究的根基很廣，包括動力學，混沌理論，信息科學以及信息與熱力學之間的關系，計算理論，以及進化理論。它能被應用的領域同樣很廣。在目前階段，復雜性研究的思想和工具常常被提煉出來，應用到更廣泛的，與復雜性有關的領域中去，譬如生物，物理，流行病，社會，政治，計算機科學，神經科學，經濟學，生態(tài)學，氣候學，醫(yī)學等等。之所以說“等待卡諾”，是因為系統科學家們仍然在等待一個像卡諾那樣能夠以數學與建模方法精確地提煉出不同學科間復雜系統所共有的一些通性，并依據這一套通性來解釋涌現與自組織現象，同時對復雜系統未來的行為做出有效的判斷。 接下去我介紹幾個書中對我觸動比較大的概念，盡量平鋪直敘，深入淺出。 1. 復雜系統研究和社會科學 我們在研究系統問題時，最重要的問題之一便是宏觀--微觀問題。在MIT寫碩士論文時，我受經濟學諾貝爾獎獲得者盧卡斯的影響很深。在Lucas (1976)中，他提出宏觀建筑必須有微觀基礎。換句話說，任何宏觀模型的構建，必須是微觀個體的加和，并且我們需要非常了解微觀個體的行為，才能在宏觀條件改變時，通過分析宏觀條件改變對微觀個體行為的影響并將這種影響宏觀化以后才能獲得對宏觀體系的穩(wěn)健預判。 然而如今反思，這種認識有兩個大的問題。第一個問題來自于圖靈獎和諾貝爾經濟學獎獲得者司馬賀(Herbert Simon)的層次理論(Hierarchy Theory)。在準可降解系統中，由于宏觀系統的行為頻率通常遠遠低于微觀系統的行為頻率，因此宏觀現象與參數可能與微觀系統并沒有太大的關系。舉例來說，學過平均統計理論的人知道，了解氣體的宏觀狀態(tài)，譬如溫度，不需要我們了解每一個粒子的運動軌跡或運動速率。再舉例來說，分子化合物的性質未必和每個原子內中子和質子之間的強作用力有關。司馬賀的解釋是，中子和質子間的作用用掉了強作用力，原子間作用力次之，最后沒有被用掉的分子間作用力形成分子鍵組成了分子化合物。因此微觀個體的行為盡管可能強度很大頻率很高，但未必會有宏觀的表現；而宏觀性質可能是其他原因體現出來的。 另一個問題則來自于諾貝爾物理學獎獲得者菲利普 安德森(Philip Anderson)。當粒子物理學如日中天的時候，是安德森扭轉乾坤，在凝聚態(tài)物理領域寫上了濃墨重彩的一筆。安德森發(fā)現，當微觀粒子凝聚時，他們組成的整體常常具有可能與微觀個體毫無關系的性質。他沒有輕易否定微觀粒子對宏觀整體性質的貢獻，只是認為任何對宏觀現象的了解都不能單純地通過對微觀個體進行加和，因為宏觀整體通?？赡芫哂泻芏辔⒂^個體沒有的現象，這種復雜系統的現象叫做涌現。因此對系統某些性質的理解完全可以忽略微觀個體，而只研究整體。事實上，筆者認為以肯尼斯 沃爾茲(Ken Waltz)等人為首的國際關系理論中的新現實主義(Neo-Realism)就是以復雜系統的方法在研究國際關系 -- 亦即更注重系統層面的關系與性質，而相對減少對個體層面或國家層面的探討與認識。盡管近來國際關系理論有走向微觀的趨勢，但只要國際關系仍可被看作是一個準可降解系統，那么筆者認為系統層面的分析仍可能是最有效的。 當然，以上提到的兩種意見大多適用于物理體系，是否適用于社會/政治體系，抑或說復雜性理論是否會對社會/政治體系研究做出較大的貢獻，則有待時間檢驗了。 *附帶說一句，系統社會以及系統政治學不是沒有興起過。事實上，二戰(zhàn)后控制理論(Cybernetics)的興起造就了不少系統政治學大家，譬如大衛(wèi) 伊斯頓(David Easton)和嘉貝莉 阿爾蒙德(Gabriel Almond)。但他們的研究方法大致類似系統動態(tài)學以及結構功能主義，注重體系的輸入輸出，信息流動，反饋，存量流量分析等。這種方法可能也有可取之處，但筆者此處只想指出這種控制論衍生的理論和復雜系統理論有諸多不同。 2.復雜系統如何運行 每個系統都需要解決一個重要的問題，亦即在有信息輸入或信息反饋時，如何對這種信息作出最優(yōu)的回應，并在時間軸上相應地調整系統自身行為。 對于這個問題，侯世達(Douglas Hofstadter)有一個非常精彩的理論，并被作者非常成功地用來解釋人體代謝，蟻群行為，和免疫系統的運行邏輯。 這種理論叫做并行級差掃描(Parallel Terraced Scan)。他指的是對許多可能性和路徑同時進行探測，某項探測所獲得的資源依賴于其當時的成效。搜索時并行的，許多可能性被同時探測，但是存在“級差”，意思是并不是所有可能都以同樣的速度和深度進行探測。利用獲得的信息不斷調整探測，從而有所側重。 例如，開始時許多螞蟻隨即尋找食物。一旦在某個方向發(fā)現了食物，就會開始派更多的系統資源（螞蟻），通過前面描述的反饋機制，進一步探索這個方向。路徑得到的探測資源不斷通過其相對極小--所發(fā)現食物的數量和質量--進行動態(tài)調整。但是，由于螞蟻數量很多，再加上具有隨機性，績效不好的路徑也會繼續(xù)探測，當然分派的資源會少很多。誰知道呢，說不定就能發(fā)現更好的食物源。 如此，復雜系統中的隨機性與確定性便達到了平衡。復雜系統通常具有這種微粒化結構，除了上述原因外，還因為這種結構穩(wěn)健(Robust)，高效，可以演進。 為什么說它高效和可以演進呢？因為系統微?；奶匦圆粌H使其能探測各種不同的路徑，同時也使得系統能夠連續(xù)地調整探測路徑，因為采取的動作都相對較小。而如果更加粗粒化，就很有可能在沒有績效的探測路徑上浪費時間。因此，探測的微?；匦允沟孟到y能根據其獲得的信息連貫地對探測進行調整。 那么為什么它穩(wěn)健呢？因為微?；到y天生具有冗余度，因此即使有個體組分不能可靠工作，獲得的信息也只是統計性的，系統還是能正常運轉。 對于所有適應性系統，在上述兩種探測模式中保持適當的平衡都是關鍵。而最優(yōu)的平衡點隨時間不斷變化。開始時所知的信息很少，探測基本是隨機分散的。隨著信息增多并產生影響，探測逐漸變得具有確定性，集中于對系統的感知進行響應。簡而言之，系統既要探測信息，又要對信息加以利用，不斷調整適應。在分散探測和集中行動之間的平衡可能是適應性和智能系統的共性。 3.復雜系統如何進化 復雜系統又是如何隨著環(huán)境條件的改變而演化的呢？筆者以為古德爾(Stephen Gould)和埃爾德雷奇(Niles Eldredge)的間斷平衡理論(Punctuated Equilibrium)具有很強的解釋效力。而且，筆者以為這與生物學的現代綜合(The Modern Synthesis)并不互相矛盾，而是互相補充的。換句話說，進化是自然選擇，歷史隨機，和生物制約三位一體的客觀體現。 生物制約有兩重意思。第一重意思很簡單，就是生物的一些特性，譬如我們不能以光速奔跑，是顯而易見受到制約的。第二重意思更深入一些：尤其是近十年蓬勃發(fā)展的進化發(fā)育生物學(Evolutionary Developmental Biology)指出，雖然主導基因引導的基因調控網絡能產生多樣性，它們也對進化施加了一些限制。進化發(fā)育生物學家認為任何生物的身體形態(tài)類型都受主導基因高度約束，這也是為什么自然界中只有少數基本的身體結構類型。如果基因組很不相同的話，也許會有新的身體結構類型，但實際上進化無法讓我們變成那樣，因為我們非常依賴現在的調控基因。因此，我們的進化可能性是有局限的，'所有特性都能無限變化'的概念是錯誤的。 在生物制約的基礎上，歷史隨機外生沖擊(也就是說超越生態(tài)系統這個系統范圍的)，譬如劇烈氣候變遷以及小行星撞擊地球，會隨機地改變自然環(huán)境，而自然環(huán)境對生物系統產生選擇決定生物的演化方向。所以通常生態(tài)系統處于平衡狀態(tài)，但隨機的歷史事件可能將系統帶離均衡，因此稱之為間斷平衡。 事實上在社會科學中，這種觀點我以為也很具有解釋性。戴蒙德(Jared Diamond)與莫里斯(Ian Morris)都認為地理環(huán)境決定了長期的社會形態(tài)與演化，莫里斯進一步認為地理環(huán)境決定形態(tài)與演化，而社會/生物發(fā)展改變地理對于社會/生物的意義。阿齊莫格魯(Daron Acemoglu)則認為制度是增長和發(fā)展的決定性要素。 這兩種觀點看似對立，其實可以統一。我認為外生沖擊造成的制度改變（見Acemoglu (2001))就像是對社會系統的隨機外生沖擊，而Morris的地理決定因素則是自然選擇和社會發(fā)展的原動力。這兩者對社會演進都很重要，但地理決定因素更綿長持久，而外生沖擊造成的制度性大轉變可能在歷史時間單位之下更短暫一些。 近來逐漸顯現的一種新的對系統復雜性的演進的解釋來自于考夫曼(J. Kauffman)。進化生物學家麥舒(Dan McShea)把考夫曼歸為結構主義者(Structuralism)。簡單地說，考夫曼認為生命本身具有自我復雜化的特征（從自然選擇角度說，復雜化可能給個體更多的能力以及更穩(wěn)健的適應力等等），但他更大膽地提出這種自我復雜化的特性可能在一定程度上獨立于自然選擇?；蛟S一個復雜網絡本身就有自我組織，秩序等涌現性質?？挤蚵J為他的發(fā)現類似于統計力學的定律，其決定的是從大量相互連接調控的組分中涌現出來的復雜性--“第四定律”--生命具有復雜化的內在趨勢。我對這一點表示懷疑，尤其是為何這種復雜性獨立于自然選擇的任何趨勢，作者并沒有很成功地在書中解釋。或許閱讀考夫曼的《The Origins of Order》會給我們更多洞見。然而結構主義的視角卻是寶貴的。譬如近來如日中天的網絡研究就為理解復雜系統提供了許多。舉例來說，無尺度網絡很常見（譬如萬維網），而它的連接度無尺度分布（譬如冪律分布），集群性（這點書中討論不多，或許可以和層次理論結合），和存在中心節(jié)點，讓網絡系統具有小世界模型(Small-World Model)的高效通信能力，并且在隨機刪除節(jié)點時具有穩(wěn)健性（譬如食物網可能在一種生物滅絕或數量大量減少時仍能運作）。所有這些特點都有助于理解科學和技術領域的復雜系統。網絡科學也正如它自己所說的那種中心節(jié)點，使得本來相隔遙遠的學科變得很近。 4. 復雜系統的未來 對于復雜系統的未來，筆者人微言輕，不敢妄加揣度。但就譬如無尺度分布中冪律分布(Power Law Distribution)的產生機理在不同的系統中可能不同（譬如偏好附連(Preferential Attachment)，也就是社科中的馬太效應(Matthew Effect)，又譬如自組織臨界性(Self-Organized Criticality)和高容錯性(Highly Optimized Tolerance))，或許真的如司馬賀所說，復雜系統的科學可以有，但囊括所有類型的系統的機理甚至大一統理論可能沒有。當然，之所以眼前系統機理五花八門，也可能是因為我們還沒有站到一個更高的高度?；蛟S到了那個高度，這些看似不同的現象也可以用一個統一的概念來詮釋。總之，在這個領域耕耘的我，還是為這個領域的未來而懷有憧憬和期待的。 @MIT, Cambridge, MA. Snowing Day. |
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