《复杂性科学及其方法论意义(文科博士生学位课讲座).》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复杂性科学及其方法论意义(文科博士生学位课讲座).（123页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 复杂性科学及其方法论意义 报告人:王志康 中山大学教育学院科学哲学专业教授 研究方向: 自然科学与社会科学的哲学问题 zdwangzk 2 本报告的主要内容 【关键词】 复杂性 复杂性科学 非线性 混沌 自组织 复杂性系统 方法论意义 社会系统复 杂性 社会科学方法论 第一部分: 引子/问题/探索复杂性运动 第二部分: 非线性/混沌/自组织 第三部分：复杂系统及其演化 第四部分: 方法论意义 第五部分：社会系统复杂性与社会科学方法 的困境和出路 3 第一部分: 引子 / 问题 / 探索复杂性运动 4 引子/问题 【复杂性是什么?】 “复杂性”是事物的某一种特性。它是事物内的各组分、成分以
2、及这些组分、成分的变化所形成的事物的整体特性。它是: 非决定的:不是从组分、成分依据函数关系(如同力学)决定的。 非统计的:不是从组分、成分依据概率关系(如同热学)统计决定 的。 【例如】 力学、电学依据函数关系决定 热学依据概率关系决定 量子力学依据函数关系和概率关系决定 【所以】 事物的“复杂性”其实就是它的“非决定性”和“非统计性”的另外 一种特性。是事物的众多的特性之一。20世纪后从不同的学科 研究中发现了这种性质 “复杂的”“难以搞清的”性质“ 复杂性” 5 引子/问题 【科学探索的三个阶段和发现事物的三种特性】 【机械决定的世界】一切事物均由必然的因果链条锁 住。必然现象通常由确定
3、性的数学模型刻画。拉普拉 斯:只要有足够的数学计算工具和能力,就可以准确地 知道过去及未来所发生的事。一切事物的运动变化都 有可预知的轨道。 【统计决定的世界】单个事物的性质不确定,但由许 多单个事物组成的整体的性质可由概率统计决定。或 然现象通常由随机性数学模型刻画。 【既非机械决定又非统计决定的世界】突现的、不确 定的、非周期的、混沌的、密码的。需要探索新的数 学工具。 6 引子/问题 【复杂性问题】 天气预报、地震预报 三体问题 股市、金融危机 社会文明方式的兴衰(苏东解体;世界大战突然爆发) 宇宙起源、万物创生 生命起源、物种多样性的产生、灭绝和进化 细胞繁殖 大脑神经运动的机制和意识
4、的产生 医学上不明原因的病变(心律;失调性疾病;癌细胞增 长;组织的死亡和再生) 7 探索复杂性运动 【老三论】 系统论、控制论、信息论 【新三论】 突变论、协同论、耗散结构论 【复杂性科学群】 老三论、新三论、人工生命(生命游戏)、非 线性动力学、 混沌学、分形数学、计算的 复杂性研究、超循环、自组织、复杂适应 系统等。 8 探索复杂性运动 【系统论】System theory 创始人:苏波格丹诺夫。奥地利理论生物学 家贝塔朗菲(相片) 中心思想:任何事物都可以视为系统,从整体 的角度看待和处理世界上的一切事物。 所谓系统,是由相互联系相互制约的若干部 分,按一定规则组成,具有一定功能的整体
5、。 系统可概括为:组织起来的整体; 输入;输出; 为了一个目的。 突出事物的: 整体性、有机性、动态性、有 序性。 系统论后来发展成为一大类横断性综合性 的学科,硬的成为系统科学:有系统工程等。 软的称为系统哲学:有软系统方法等。 系统论为复杂性探索奠定了一个基本的思 想框架。颠覆了自伽利略到牛顿创立的经 典科学的轨道。 9 探索复杂性运动 【控制论】 Cybernetics 创始人:罗马尼亚奥多布来扎 (1938协调心理学)和 美 数学家维纳(控制论动物和 机器的控制和通讯)(照片) 中心思想:一切都是控制,一切事 物及过程都可以从控制的角度 来认识。认为,控制就是信息变 换和能动的过程。
6、提供了一套新概念和方法:调节 回路、 因果性、 目的性；方框 图、黑箱、传递函数等。 10 探索复杂性运动 【信息论】Information theory 创始人:美 数学家, 申农,1948 通讯的数学原理 中心思想: 把信息看成是与物质 同等重要的东西; 信息成为事物 的有序和组织程度的标记。信 息论创建之后,信息成为认识事 物及其变化的一个新的重要思 想。 有了信息概念及其计算方法,系 统的整体性,组织性,目的性和控 制与被控制的过程等问题都可 以得到量化表示和处理。使得 从整体上不割断事物的联系而 认识事物及变化成为可能。 11 探索复杂性运动 【突变论】 Catastrophe 创始
7、人：法数学家, 托姆 关于突变现象的数学 理论(各类突变现象的 数学模型) 12 探索复杂性运动 【协同论】 Synergetlcs 创始人:联邦德国物理学家哈肯, 1977协同学导论(人物照片) 主要思想：源于对激光理论的研究( 粒子数同步反转)。 发现:无论是自然系统还是社会系统 ,都是大量子系统之间协同作用的结 果;得到系统从无序到有序的若干原 理。 “序参量”是其中最重要的概念。它 是描述系统宏观有序或宏观模式的 参量, 是子系统之间协同合作的产 物。它支配系统的行为及整体演化 过程。 13 探索复杂性运动 【耗散结构论】 Dissipative structure theory 创始
8、人：比利时物理化学家,普利 高津(获得1977年化学诺贝尔奖金) 。 中心思想：也称为非平衡系统自组 织理论。一个开放系统在达到远离 平衡态的非线性区时，一旦系统的 某个参量的变化达到一定的阈值， 通过涨落，系统可能发生突变,即非 平衡相变。 由原来无序的混乱状态转变到一种 时间、空间或功能有序的新状态。 从化学研究中发现了“非平衡是有 序之源”、“通过涨落而有序”的重 要原理。 14 探索复杂性运动 【超循环理论】Hypercycle 创始人:联邦德国生物物理化学家 , 艾根, 1979超循环自然界 一个自组织原理获诺贝尔奖(照 片) 关于生命系统的自组织理论(图) 15 探索复杂性运动 【
9、混沌学】Chaology 关于事物从无序到有序的方式及从一种有序到另 一种有序的动力学理论。 混沌理论是二十世纪物理学上的第三次革命。混 沌理论的创立是自相对论和量子力学以来对人类 知识体系的又一次巨大冲击。标志人类正式对一 种前所未知事物的性质，开始进行深入认真地探 索。 混沌是目前复杂性研究的核心部分。 创立者:李天岩、约克、洛伦兹、彭加莱等 16 探索复杂性运动 【分形数学】 创始人:蒙德布罗, 著自然界的分形几何学 关于大自然生长现象的规律。(图) 17 探索复杂性运动 【计算的复杂性研究】 算法复杂性(图灵问题) 计算的极限(布莱曼) 18 探索复杂性运动 【人工生命(生命游戏)】
10、包括：元胞自动机,神经网络,遗 传算法等。 这部分内容是关于复杂性形成 的离散动力学分析。 20世纪70年代剑桥大学数学家 康威首创，用一种离散动力削 模型，称为“元胞自动机”（最 早由冯-诺伊曼及同事创立）模 拟生命多样性、代谢、生长与 繁殖。 基本观点：自然界是一个巨大 的元胞机。 19 探索复杂性运动 【自组织理论】 20世纪70-80年代由多个学科综合逐步建立起来 。 研究对象：万事万物的产生, 进化。非线性和混沌 学是它的基础。 自组织理论包括: 耗散结构、协同学、超循环、 生命系统论、资源物理学、突变论等。 中心思想:解决系统从混沌或混乱无序到有序及有 序的增长何以可能?那些相对稳
11、定的系统组织、结 构、形态、模式,即世界上的各种事物的秩序,是怎 么形成的?不要上帝插手,不由外部,也不由内部控 制着的指令,一个有组织有序的系统如何自发地的 完成其形成过程? 也称为广义综合的进化论或一般进化论。 20 探索复杂性运动 【复杂适应系统理论】 创立者：上个世纪末，美遗传 算法的发明者霍兰及盖尔曼、考 温等。 是美国圣塔菲研究中心的一项重 要的新成果。 中心思想:“适应性造就了复杂性 ”。引进了“适应性主体”或“行为 主体”新概念。 研究各种复杂适应系统的共同特 征、机制。 在神经生物学、脑科学、宇宙学 、生态学、免疫系统、人工生命 等领域展现了无限光明前景。 被认为是21世纪科
12、学中最激动人 心的部分。 21 探索复杂性运动 【状况和前景】 复杂性科学依然是一个年轻的科学。它源于不同 的领域, 目前正在走向综合, 还有大量的工作要做 。有许多理论上的问题需要搞清楚。 将成为21世纪的带头科学或主攻学科。预计将有 重大突破。 各国都建立了复杂性研究机构。例:美国桑塔菲研 究中心（美国五大研究中心之一）。 部分研究成果正在用于指导实际工作。例如:生物 学、医学、神经科学、经济学、社会科学等。 在理论研究方面依然存在较大的障碍, 难度较大, 进展比较慢, 但已有了比较明确的方向。 复杂性研究给人们了展现一个全新的世界。从此, 人们的思想和眼光都变了。 22 第二部分: 非线
13、性 / 混沌/ 自组织 （事物第三特性的发现） 23 线性与非线性 【线性】 y = ax+b 两个变量之间具有正比例 关系，在笛卡尔坐标平面 上表示为一条直线。（图 ） 【非线性】 y = ax2+bx+c 两个变量之间没有正比例 关系，在笛卡尔坐标平面 上表示为一条曲线直线。 （图） 24 线性与非线性 【非线性相互作用】 线性作用所揭示或包含的系 统内部的关系是单向的、一 次性的、静态的，其结果总 是确定的。 非线性相互作用所揭示或包 含的系统内部的关系至少是 双向的，循环反复的和动态 的，其结果往往是不确定的 。非线性系统一般来说不可 解, 也不是叠加的。不能用 数学式写出它的解。 2
14、5 线性与非线性 【自然和社会存在大量非线性复杂性现象】 风洞实验室中的旗帜 空气均匀地、简单地流动，均匀地、简单地撞击旗帜 ，但旗帜却飘忽不定，毫无规律。 股票市场 股票简单地从一个人转移给另一个人，但股市却暴涨 暴跌，毫无规律。 大脑功能 每个神经元在简单地“刺激-反应”，但大脑却有若干 不同的稳定的功能：正常人；癫痫；疯子（疯子还有 各种类型的疯子） 26 线性与非线性 【自然和社会存在大量非线性复杂性现象】 天气 空气温度、湿度、密度简单地变化，但天气发生突变 。 种群繁衍 生物种群可以用递推式 Xn+1=Xn(1-Xn) 简单描述：第 （n+1)代虫口数可从第n代虫口数简单推定得，但
15、种 群却表现扩大或萎缩，毫无规律。 贝纳德流 每颗水分子在简单地受热、运动，但整体却显现小泡 ，每个对流泡或者左旋或者右旋，它们左旋、右旋相 间。可是，在容器中的某处是右旋还是左旋？毫无规 律。 27 线性与非线性 【确定性和随机性】 轨道、可预见性、机械、线性、确定。 统计概率可预见,宏观确定、微观不确定。 不可预见、非线性、不确定、完全随机。 既随机又确定：混沌：非周期确定。 28 混沌的发现及其规律 【周期三乱七八糟】 李天岩的故事 “老板：有什么小题目做，来点容易做的 ”。 1973年4月一天。在美，马里兰大数学系。导师约克想了 想，“试试区间迭代问题怎样？” 迭代:对于同一质点、事物或系统,反复地运用同样的规律 来支配。 如方程： Xn=f(Xn -1) 问题: 1、找一个函数的不动点,并确定它是否稳定? 2、如果没有不动点,是否存在周期点? 例如: f(X0)=X1 f(Xl)=X0 即有f(f(X0)=X0 这时X0就是函数的一个2周期点。 如果从X=X0开始按照公式Xn=f(Xn -1)迭代n次回到原来地 方，但迭代次数小于n时候都回不到原来地方，X0就叫做 f(X) 的一个n周期点。 29 混沌的发现及其规律 【周期三乱七八糟】 一周以后，
