科学技术史 结课论文

从简洁到混沌——简单性科学与复杂性科学简析

电气工程学院 韦宏瑞

摘要：近代以来的自然科学，科学家们用实验和数学工具构筑了一个空前宏大，几近完美的科学体系，在这个体系中，一切都是确定的，都是可以预见的。然而与之相对的，现实的世界是如此复杂，如此的难以预见，似乎“复杂”、“难以预见”这类词才更适用于现实。由此，在上个世纪，贝塔朗菲创立一般系统论，揭开了复杂性科学研究的序幕…… 关键词：还原论，系统论，简单性科学，复杂性科学

一、 简单性科学的成功

这个世界究竟是什么样子？这是从古希腊的泰勒斯开始一直延续下来的一种近乎白日梦的思考，不同历史不同领域的人常常给出不同的见解，但却总也找不到最终的答案。然而就是在这样的白日梦一样的思索中，人类构建起来了今天的知识基础和文明大厦。

在几千年的历史长河中，许许多多的人在探索，他们提出了许多的探索方法，终于有一天，一个叫德谟克利特的人提出了一种叫还原论的方法，于是历史在这一刻埋下了伏笔。两千多年后，在还原论的基础上，一个崭新的世界诞生了。

何谓还原论？还原论是主张把高级运动形式还原为低级运动形式的一种哲学观点。它认为现实生活中的每一种现象都可看成是更低级、更基本的现象的集合体或组成物，因而可以用纸级运动形式的规律代替高级运动形式的规律。还原论派生出来的方法论手段就是对研究对象不断进行分析，恢复其最原始的状态，化复杂为简单。以还原论为基础，由此衍生了经典的近代科学范式。

近代科学范式的诞生，伽利略可以说做出了十分重大的贡献。他在研究自由落体运动时，创新地引入了实验的方法，并且成功的进行了“变量控制”，最终发现了自由落体运动定律。在这里，“控制变量”就体现了还原论的思想。

而后，牛顿又把公理化演绎体系引入实验研究，结合还原论和实验方法，构成了一个比

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较完整的“操作模式”，即近代的科学范式，在这个范式的基础上，牛顿构筑了一个空前成功的物理体系。从物体运动到天体运动，当时能观察到的运动几乎都能被解释，由此掀开了自然科学崭新的一页。

从牛顿开始，后来的科学家沿着牛顿指明的这一条道路一路前进，近代自然科学在19世纪前后迎来了一个全面的爆发，电磁学上的电磁理论，生物学上的进化论，原子论，以及医学上的遗传学等等，几乎无处不体现了还原论这一方法的强大威力。

踏入二十世纪，相对论与量子力学的相继诞生终于构筑起了一个空前严密和可靠地自然科学体系，还原论在整个自然科学体系的建立中起到了极其重要的作用。

二、 还原论的困境

然而，经典科学范式并非完美，因为还原论本身并非完美。

还原论包含了以下一些基本观点：一、无演化性。物质系统不同层次之间的还原中不存在时间的演化维度，即在还原的过程中不考虑时间的不可逆性。这样，系统演化过程中出现的涌现等现象就被抹去了。二、可分解性。在还原过程中潜在的假设是同类事物或非同类事物可以分解为更为基本的组分或元素，而在分解的过程中原有信息不会丢失。三、线性因果关系。处于还原的过程中的事物间只存在线性的因果关系，因此一事物的变化只引起另一事物量方面的变化。四、叠加原理。就是说，一个系统的整体功能只是其各个部分的功能的线性组合。[6]

从这些基本观点中，我们可以设想，一部电脑，如果把它拆成许许多多的零件，你会发现它由塑料，各种元器件等组成，那么，这些零件是否还具有电脑本身的所有性质呢？答案是很显然的。然而我们又不得不承认，当把这些零件以某种形式组合形成电脑之后，这个电脑所具有的性质是全新的，没有任何零件与之相同的。同样的，对于大自然而言，它本身的演化是多种多样的，但是当我们把大自然分解为单一的因素，如消费者，分解者等去讨论的时候，我们却发现，我们根本没办法解释大自然演化的奥秘。因此，还原论的失败就在于它无法用系统的局部去解释系统的运动和演化，因为系统在分解的时候本身的性质就很可能消

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失了。

同样的，事物的发展也并非线性的，线性只是大自然的一个偶然，大自然中到处充斥的都是非线性的事物。例如树叶的形状是不规则的，而且世界上没有完全相同的两片树叶。就连原本是线性的、可描述的一些理想化模型都有可能发展为非线性。例如，正弦曲线在经过一定的变换之后可能会形成一种混沌的，无序的波形，这个波形本身是无序的，但是它却可以用函数式去描述。至于所谓的理想模型，在自然界中是不存在的，经典自然科学中的理想模型只是对现实的事物进行理想化，去除次要的因素后形成的。的确，次要因素本身并不重要，但是在事物的演化中，次要因素确实不可或缺的。因此，还原论的失败也在于事物本身并不一定有线性因果关系。

三、 复杂性科学的特点

由于还原论本身的困境，经典科学范式也没能解决所有的自然科学问题，依然有很多问题亟待解决。于是，系统科学就应运而生了。

系统科学即以系统思想为中心、综合多门学科的内容而形成的一个新的综合性科学门类，现在又称复杂性科学。在20世纪40年代，系统科学主要以贝塔朗菲的一般系统论为代表，它包括一般系统论，控制论，信息论。到了二十世纪六七十年代，系统科学又产生了多门新的学科：耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论、混沌理论、分形理论和元胞自动机理论。到了近年，系统科学已经演变到对复杂系统的研究，在这一时期，科学家们更多的研究演化,研究生命的进化,人的思想的产生,物种的灭绝,文化的发展等。

系统科学有其特点，且这些特点与经典科学很不相同。其一，整体涌现性。系统科学把研究对象作为一个系统去研究，这样的系统有一定的层次，也有一定量的要素，这些要素表现系统的某些性质，但只有将这些要素有机结合，这个系统才能表现出这个对象的整体性质。例如，电脑可以分为若干个组件，其中硬盘起到的是储存数据的作用，但是它无法播放音乐，只有当各个组件有机结合形成电脑的时候，电脑才能播放音乐。其二，相关性。系统的要素之间是相互联系的，系统的要素与系统整体也是相互联系的。在电脑这样的系统中，显示器

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上显示的数据是从硬盘中读出来的，而如果没有硬盘中存储的歌曲，播放音乐这个功能对于电脑这个系统来说又是不可实现的，因此，系统中，要素与要素，要素与整体之间是有一定联系的。其三，自组织。一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精细度的过程就是自组织过程，一个开放的，动态的系统都有一定的自组织特性。其四，耗散。对于一个远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，可能在一定的条件下形成一种新的稳定的有序结构，这就是耗散。除去这几个特点之外，系统科学还有很多别的特点，由于系统科学本身就包含了很多个学科，同时系统科学本身发展的时间并不长，目前的系统科学并不是很完善，因此，依然有许许多多的问题等待着科学家们去解答。

四、 复杂性科学的展望

复杂性科学还只是个发展不足百年的年轻领域，由于其涉及面极广，几乎涵盖了大部分的新兴学科，再加上它本身学科间高度的交叉渗透，因此，这些年来系统科学的发展还未达到完全成熟的地步，相比于经典科学，它的潜力要大得多。

在未来，人类科技的发展将会不断地趋向于智能化，智能是一个系统高度自组织的表现，因此对复杂性科学的研究将会引导未来科技向前发展。

系统科学范式作为对复杂性科学研究的方法，它提供了一个全新的认识世界的工具，有了它，也许一个崭新的世界就在未来展开。正如苗东升所言：“复杂性科学的涌现并非类似于量子论、控制论、信息经济学或模糊语言学那样的另一门新学科,它发生在所有学科领域,带来的是科学作为系统各种深层次性质的改变,代表的是科学系统整体形态的历史性转变。”

[1]而科学系统整体形态的改变，很可能将会改变整个人类社会的未来。

参考文献：

[1]苗东升 《科学的转型:从简单性科学到复杂性科学》 《河北学刊》2004.6 p30-34

[2] 金吾伦，郭元林，《复杂性科学及其演变》 《复杂系统与复杂性科学》2004.1 p1-5

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[3]王鸿生 《世界科学技术史》 中国人民大学出版社 2005年6月第4版 p346-366

[4] 倪鹏云《人类社会发展进程的系统分析》《系统辨证学学报》2004.3 1

1 此处我原本是从倪鹏云博客中找来的，但由于已找不到链接，故不写。