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它是鸭子还是兔子?容我再看一眼……

《复杂性——一种哲学概观》一书的作者尼·雷舍尔告诉我们,日常生活中很多的离奇现象常常被我们忽略。

例如一枚受精的鸡蛋,如果保持 38 摄氏度的恒温,它将会孵化出小鸡,这是从简单向复杂演化。如果把它放在 100 摄氏度的沸水中,它会变成一枚熟鸡蛋,而若将它长期处于 60 摄氏度下,它将自发腐败,成为臭鸡蛋,这又是从有序向无序演化。

事情就是如此奇妙,生物进化并不存在某些中心线索来引导发展,在连续和极端复杂分支化的演化中,任何一个偶然因素都会影响那些现存物种,会使之与现在完全不同。

为什么按热力学第二定律,无机自然界自发过程总是从有序向无序方向演化?如一滴墨汁在水中消散。为什么地球上无机界和有机界演化的方向截然不同?这些问题直到 20 世纪中叶仍一直困扰着科学家们。

复杂性既是一种福音又可能是一种祸害,它使理性预测处于尴尬境地。

在简单且布局和攻防都有定式可循的围棋竞赛中,棋手表现出来的水平则完全不同。水流总是应以最小阻力路径前行,但一条河流又总是流出蜿蜒曲折的河道。科学技术越进步越完美,但像一架飞机有数百万个零件,管理它,控制它,分析它出现事故的原因,又将十分复杂。

物理学的前沿问题主要是研究时间、空间和物质的本质,可分为宇观尺度和微观尺度两方面。

宇观的时间尺度的研究已延伸到 150 亿年前的宇宙大爆炸,而诞生的时刻,空间尺度是 150 亿光年,由此追溯大爆炸后以光速膨胀着的宇宙的全部历程,利用宇宙大爆炸模型研究宇宙从初始到诞生,从尘埃到星系的形成、星系的分布、星系的演化等问题。

微观的时间尺度研究范围到了 10—15秒的飞秒量级,在如此短的时间内,正是化学元素越过能垒,决定选择正或副反应路径的那一瞬间。空间微观尺度研究到了 10-34厘米,这一尺度下物质的行为可通过量子力学来描述,出现了强激光物理、基本粒子物理学等,这方面的研究工作是近代物理学的主流之一。

近三四十年,物理学从非线性科学引发出对复杂系统的兴趣,开始研究由于外界多种诱因集合而一起产生的现象。比如湍流,大飞机起飞、火箭上天等与空气相互作用,都会形成湍流,湍流会造成几乎 90%的阻力,它决定了飞行器的姿态。如波音 737MAX 飞机在 2018 年至 2019 年不到 5 个月的时间里出现的两次机毁人亡的惨剧,就是和湍流控制不当有关。如果建造高马赫数的超高速飞行器,遇到的问题也在于此。

再如,凝聚态物理要研究的新型半导体物理、高温超导等,它们呈现出的一些新规律不是单一理论可以描述的。复杂系统研究也可扩展到社会学、经济学方面,如博弈论、股票、市场动力学等也都属于复杂系统科学研究范畴,可见复杂系统的研究更贴近于生活。

复杂系统是一种我们还没有有效方法作出可靠预测的系统,现在的数学和物理手段还没有发展到能对这样系统作出定量的预测。实际上,在科学发展过程中,有很多系统原来被认为是复杂系统,新科学手段的出现又使它变成了简单系统,如天体行星的运行轨道,如果没有牛顿力学,它仍是复杂系统,但现在我们已经能作出非常精确的预测了。所以定义是否为复杂系统,是可以改变的。

复杂系统应有以下特征:

(1)非线性:非线性系统会产生跃变,即从一种状态突然转变到另一种状态,称之为涌现变量和因变量之间的非正比关系。

(2)强关联性:很难找到一个描述行为的近似方程,如高温超导虽已发现了几十年,但至今仍没有找到一种理论能完美地解释它。

(3)平均场理论失效:如用瓶内水分子的平均值代表所有水分子的运动情态,这是物理的平均场理论,但如果这样会导致极大误差,则表明平均场理论在复杂系统中失效。

(4)主动性系统:指研究对象会根据不同环境有不同行为,从研究者不同的视角,可以有不同认知。这其中存在一个主动思维过程,从而使自身利益最大化,如博弈论中金融行为等。

再如下图所示,从左向右看出是一只兔子,从右向左看是一只鸭子,可人为地主动选择,称格式塔(Gestalt)转换。

(5)难以反向追溯系统:比如生物进化过程,常常由于随机突变产生分叉行为,很难从后来的现状去推断过去的现象,所以称之为难以反向追溯系统,或者称分叉系统。

(6)混沌系统:随时间有规律变化的信息可用傅里叶函数解析,称为脉动信号,而完全没有规律的信息称为随机信号;介于两者之间,近程无序、远程有序者,称为混沌信息,如股价信息波动。

研究非线性复杂系统可以揭示行为多稳态现象,如行走在钢丝上的杂技演员,努力保持自己站在钢丝上,就是处于暂稳态;如果掉到右边或左边的地上,就是处于完全稳定态;所以该系统有两个稳态。又如有放热效应的化学反应过程,在一定约束条件下操作可稳定运行,处于暂稳态;一旦受到外界轻微干扰,会迅速滑向熄火或过热爆炸而进入失态;整个过程就称之为多稳态过程。

也可以研究系统的“灾变”现象,如我们常说的“压倒骆驼的最后一根稻草”,就是在一个敏感点上,发生微小的变化就可以引出强大的反应后果。如地震的发生是因为地壳板块相互挤压,造成微小变形和内应力的积累,自发地触发到达临界点,最终造成地震爆发,这被称为自组织临界系统,所以很难预测地震发生的时间和强度。

非线性系统的另一个特点是“图灵”斑图现象,动物如斑马身上斑图的形成机制,是由于体内生物化学反应与生物分子随机扩散的交替控制造成的,可以随机形成不同花纹。上述行为都是属于复杂性科学所研究的范畴。

复杂性科学研究的领军人物之一,当推伊利亚·普里高津(1917—2003),1977 年诺贝尔化学奖获得者。他从非平衡态热力学中提出耗散结构论和自组织理论,证明自然界的复杂事物是由简单事物经过不断地自组织而逐步进化出来的。一种远离平衡态的非平衡系统,在其外参数变化到某一值时,通过系统与外界不断地交换能量和物质,系统可以从原来无序性状态,转变到空间、时间和功能上都有序的结构。如人类从卵子、精子到胚胎和婴儿,即简单事物通过自组织而产生出复杂性。

这是由于无序状态失去稳定性,由某种涨落现象被放大的结果。他的两本著作《从混沌到有序》《确定性的终结》,把复杂性研究推向一个新高度,并将物理世界的复杂性研究逐渐扩展到人文社会领域的复杂性研究,所以复杂性科学仍是人类面临的重要课题。

普里高津的研究工作是从关注当时科学界两个使人迷惑不解的问题开始的,即:

第一,有序和无序关系问题。热力学第二定律说明宇宙将不断从有序转向无序,而生物进化论无可置疑地说明了生物学的领域中会从简单走向复杂,从无序走向有序。

第二,可逆性问题。热力学第二定律描述的都是不可逆现象,例如热量永远从高温传向低温物体,而没有相反的传热现象。

这一矛盾现象我们习以为常,殊不知往往在这些矛盾现象观察的背后隐藏着重大的科学规律。普里高津提出的耗散结构理论,对生命现象有序和无序关系的解释是物种起源和形成过程。基因突变对单个生命系统来说是非常偶然的、概率极小的事件;但在大规律条件下即产生严格的规律性,因而成为必然。

如对个别家庭婴儿出生是男是女是偶然现象,如果从全社会进行统计就会发现男婴与女婴的比例会趋于 50%,可见偶然性和必然性是同一过程不可分割的两面。

所以对于一个创新者来说,从习以为常中发现矛盾也许就是解决矛盾并引导出重大发现的途径。

综合自《科技创新启示录:创新与发明大师轶事》

作者:金涌

部分图片来源于网络

版权归原作者所有

posted @ 22-07-15 10:45  作者:admin  阅读量:

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