第8章开放的复杂巨系统.ppt

2023年年11月月16日日第第1页页第八章第八章开放的复杂巨系统开放的复杂巨系统2023年年11月月16日日第第2页页关于复杂性关于复杂性把复杂性当作复杂性处理把复杂性当作复杂性处理开放的复杂巨系统开放的复杂巨系统从定性到定量综合集成方法从定性到定量综合集成方法综合集成研讨厅体系综合集成研讨厅体系介绍钱学森等提出的复杂巨系统理论。介绍钱学森等提出的复杂巨系统理论。2023年年11月月16日日第第3页页一、关于复杂性一、关于复杂性 传统的理解，简单与复杂是相对的，一旦被认识就变得简单。传统的理解，简单与复杂是相对的，一旦被认识就变得简单。现代科学技术的发展表明，不能把复杂性全部归结为认识过程现代科学技术的发展表明，不能把复杂性全部归结为认识过程的不充分性，必须承认存在客观的复杂性，即使已被人们认识并找的不充分性，必须承认存在客观的复杂性，即使已被人们认识并找到解决办法，它仍然是复杂的。到解决办法，它仍然是复杂的。复杂性研究必须注重各种特定的可以检验的机理，分门别类进复杂性研究必须注重各种特定的可以检验的机理，分门别类进行研究。但单纯用定量化、形式化方法描述和解决复杂性问题只是行研究。但单纯用定量化、形式化方法描述和解决复杂性问题只是对传统还原论方法的修正，不可能使科学方法论实现革命性变革。对传统还原论方法的修正，不可能使科学方法论实现革命性变革。反映出复杂性研究的不成熟，尚未找到真正克服现有科学方法论局反映出复杂性研究的不成熟，尚未找到真正克服现有科学方法论局限性的有效途径。限性的有效途径。1、定量方法的缺陷、定量方法的缺陷2023年年11月月16日日第第4页页但有几项试图超越传统的思路，在复杂性探索中有重要启迪作但有几项试图超越传统的思路，在复杂性探索中有重要启迪作用，值得稍加讨论。用，值得稍加讨论。(1)分层复杂性概念分层复杂性概念西蒙的分层复杂性概念是西蒙的分层复杂性概念是1962年提出来的。年提出来的。1)把等级层次结构与复杂性明确联系起来，从把等级层次结构与复杂性明确联系起来，从4个方面给复杂性个方面给复杂性以系统阐述。以系统阐述。2)从系统演化的角度讨论复杂性，论证复杂系统的结构是在演从系统演化的角度讨论复杂性，论证复杂系统的结构是在演化过程中化过程中“涌现涌现”出来的。出来的。3)按照层次结构组织起来的系统的动态性质，把复杂性与系统按照层次结构组织起来的系统的动态性质，把复杂性与系统动力学特性联系起来。动力学特性联系起来。这些思想对其后的复杂性研究起了积极的推动作用。这些思想对其后的复杂性研究起了积极的推动作用。2023年年11月月16日日第第5页页(2)自组织观点自组织观点普利高津、哈肯等人用演化的、自组织的观点解释复杂性。普利高津、哈肯等人用演化的、自组织的观点解释复杂性。普利高津提出，复杂性存在于一切层次，不同层次的复杂性既普利高津提出，复杂性存在于一切层次，不同层次的复杂性既有差别，又有同一性，物理层次已经具备有差别，又有同一性，物理层次已经具备“最低限度的复杂性最低限度的复杂性”。平衡态、线性关系、可逆过程只能产生简单性，远离平衡态、平衡态、线性关系、可逆过程只能产生简单性，远离平衡态、非线性关系、不可逆过程是产生复杂性的根源。非线性关系、不可逆过程是产生复杂性的根源。复杂性是自组织的产物，在远离平衡、非线性、不可逆的条件复杂性是自组织的产物，在远离平衡、非线性、不可逆的条件下，通过自发形成耗散结构这种自组织而产生出物理层次的复杂性下，通过自发形成耗散结构这种自组织而产生出物理层次的复杂性，在此基础上才可能通过更高形式的自组织产生出生命、社会等层，在此基础上才可能通过更高形式的自组织产生出生命、社会等层次的复杂性。次的复杂性。认为认为“物理学正处于结束物理学正处于结束现实世界简单性现实世界简单性信念的阶段信念的阶段”，用复杂性科学表述正在兴起的新型科学。，用复杂性科学表述正在兴起的新型科学。2023年年11月月16日日第第6页页(3)有效复杂性概念有效复杂性概念1990年代，盖尔曼提出有效复杂性概念，把它年代，盖尔曼提出有效复杂性概念，把它“定义为用来描定义为用来描述其述其(指复杂适应系统指复杂适应系统)规律性的图式的长度规律性的图式的长度”，仍然属于西方学术，仍然属于西方学术界用定量化、形式化方式刻划复杂性的传统方法，决定了这个概念界用定量化、形式化方式刻划复杂性的传统方法，决定了这个概念只能应用于较窄的范围。只能应用于较窄的范围。原始复杂性和算法复杂性不能表示通常理解的复杂性原始复杂性和算法复杂性不能表示通常理解的复杂性(并批评它并批评它们与们与“复杂性复杂性”所指的意思没有多大关系所指的意思没有多大关系)，反对就复杂性概念来，反对就复杂性概念来研究复杂性，主张把复杂性研究同复杂适应系统的研究联系起来。研究复杂性，主张把复杂性研究同复杂适应系统的研究联系起来。盖尔曼围绕有效复杂性讨论所提出的种种议论，包含深刻的系盖尔曼围绕有效复杂性讨论所提出的种种议论，包含深刻的系统思想。统思想。上述工作都有助于从某个侧面理解复杂性，但总的来看，复杂上述工作都有助于从某个侧面理解复杂性，但总的来看，复杂性还不能算作一个严格的科学概念，人们也没有给出一个公认的复性还不能算作一个严格的科学概念，人们也没有给出一个公认的复杂性定义。杂性定义。2023年年11月月16日日第第7页页1990年代，钱学森在建立系统学的过程中，逐步认识到复杂性年代，钱学森在建立系统学的过程中，逐步认识到复杂性研究的重要理论和实践意义。研究的重要理论和实践意义。(1)要跳出从几个世纪以前开始的一些科学研究方法的局限性。要跳出从几个世纪以前开始的一些科学研究方法的局限性。(2)凡是不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问凡是不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问题，而要用或宜用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题。从题，而要用或宜用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题。从研究方法上区分简单性与复杂性，是一个很有价值的新观点。研究方法上区分简单性与复杂性，是一个很有价值的新观点。(3)主张把复杂性作为一类系统属性来对待。他对系统的分类主张把复杂性作为一类系统属性来对待。他对系统的分类就是基于复杂性的不同层次而给出的。就是基于复杂性的不同层次而给出的。2、复杂性研究的方法论、复杂性研究的方法论2023年年11月月16日日第第8页页(4)复杂性研究不能从严格界定复杂性概念开始，应从研究各种复杂性研究不能从严格界定复杂性概念开始，应从研究各种具体的复杂系统入手，寻找解决这些复杂系统的有效方法，不断积具体的复杂系统入手，寻找解决这些复杂系统的有效方法，不断积累经验和知识，待条件成熟后再作概括性研究，建立理论体系。累经验和知识，待条件成熟后再作概括性研究，建立理论体系。(5)提出提出“所谓所谓复杂性复杂性实际是开放的复杂巨系统的动力学实际是开放的复杂巨系统的动力学，或开放的复杂巨系统学，或开放的复杂巨系统学”。从一开始就把复杂性研究明确纳入系。从一开始就把复杂性研究明确纳入系统科学范围，这是钱学森有别于国外学者的一大特点。统科学范围，这是钱学森有别于国外学者的一大特点。2023年年11月月16日日第第9页页二、把复杂性当作复杂性处理二、把复杂性当作复杂性处理 科学研究对象从简单性和简单系统转向复杂性和复杂系统，要科学研究对象从简单性和简单系统转向复杂性和复杂系统，要求在方法论上实现根本的转变。求在方法论上实现根本的转变。经典科学相信客观世界本质上是简单的，复杂性是披在简单性经典科学相信客观世界本质上是简单的，复杂性是披在简单性之上的面纱。因此，在面对复杂的问题时，总是设法把复杂性简化之上的面纱。因此，在面对复杂的问题时，总是设法把复杂性简化掉，即把复杂性当作简单性处理，这样处理必然把产生复杂性的根掉，即把复杂性当作简单性处理，这样处理必然把产生复杂性的根源简化掉，得到的结果不再能够反映对象的固有特性。源简化掉，得到的结果不再能够反映对象的固有特性。把复杂性当作复杂性处理，是复杂性研究的方法论原则。这并把复杂性当作复杂性处理，是复杂性研究的方法论原则。这并非否定复杂性研究也需要简化，而是强调存在不同的简化路线或指非否定复杂性研究也需要简化，而是强调存在不同的简化路线或指导思想。复杂性问题要求性质不同的简化路线，即必须在保留系统导思想。复杂性问题要求性质不同的简化路线，即必须在保留系统产生复杂性之根源的前提下进行简化。产生复杂性之根源的前提下进行简化。普利高津提出普利高津提出“结束现实世界简单性结束现实世界简单性”的命题，圣菲研究所要的命题，圣菲研究所要建立复杂性科学，目的都是强调把复杂性当作复杂性处理这个新的建立复杂性科学，目的都是强调把复杂性当作复杂性处理这个新的科学方法论原则。科学方法论原则。2023年年11月月16日日第第10页页鉴于复杂性尚无统一定义，我们先就几类特殊的复杂性来分别鉴于复杂性尚无统一定义，我们先就几类特殊的复杂性来分别说明这个原则。说明这个原则。(1)把非线性当作非线性处理。把非线性当作非线性处理。经典的简单性科学包含许多非线性问题，基本的处理办法是把经典的简单性科学包含许多非线性问题，基本的处理办法是把问题线性化。问题线性化。线性化无疑把问题大大简化了，但同时也就把非线性产生的许线性化无疑把问题大大简化了，但同时也就把非线性产生的许多非平庸特性多非平庸特性(如自激振荡、分岔、突变、混沌等如自激振荡、分岔、突变、混沌等)给简化掉了。给简化掉了。必须采取全新的简化方法，在保留非线性的前提下寻找描述非必须采取全新的简化方法，在保留非线性的前提下寻找描述非线性的简化方法。线性的简化方法。非线性科学就是把非线性当作非线性来研究的科学，也必须在非线性科学就是把非线性当作非线性来研究的科学，也必须在把非线性当作非线性的前提下进行必要的简化处理。把非线性当作非线性的前提下进行必要的简化处理。2023年年11月月16日日第第11页页(2)把远离平衡态当作远离平衡态处理。把远离平衡态当作远离平衡态处理。经典科学视平衡态为系统的唯一正常状态，把非平衡态理解为经典科学视平衡态为系统的唯一正常状态，把非平衡态理解为干扰因素造成的非正常状态，力求将平衡态下获得的结论线性地推干扰因素造成的非正常状态，力求将平衡态下获得的结论线性地推广于非平衡态。广于非平衡态。普利高津发现，系统在平衡态及其附近只能表现出简单的平庸普利高津发现，系统在平衡态及其附近只能表现出简单的平庸行为，在远离平衡态时才能够表现出各种非平庸的复杂行为。行为，在远离平衡态时才能够表现出各种非平庸的复杂行为。突破平衡态物理学观点的束缚，把远离平衡态当作远离平衡态突破平衡态物理学观点的束缚，把远离平衡态当作远离平衡态处理，创立了耗散结构论，给自组织现象以深刻的理论说明。处理，创立了耗散结构论，给自组织现象以深刻的理论说明。2023年年11月月16日日第第12页页(3)把混沌当作混沌处理。把混沌当作混沌处理。简单性研究认为系统的定态只可能是平衡态或周期态，把非周简单性研究认为系统的定态只可能是平衡态或周期态，把非周期运动视为一种过渡态，随着系统逼近定态就会逐步消失。由于这期运动视为一种过渡态，随着系统逼近定态就会逐步消失。由于这种观念的束缚，尽管种观念的束缚，尽管19世纪中叶以来的科学家不断接触到混沌现象世纪中叶以来的科学家不断接触到混沌现象，却总是把它们当作随机噪声。，却总是把它们当作随机噪声。混沌学家摒弃了把混沌性简化为非混沌性来处理的惯用方法，混沌学家摒弃了把混沌性简化为非混沌性来处理的惯用方法，承认确定性系统可能内在地产生出随机性，非周期运动也可能是系承认确定性系统可能内在地产生出随机性，非周期运动也可能是系统的一种定态，并着手建立描述这种奇异行为的新理论。统的一种定态，并着手建立描述这种奇异行为的新理论。把混沌运动固有的不规则性、复杂性当作表面现象忽略掉。简把混沌运动固有的不规则性、复杂性当作表面现象忽略掉。简化为规则的周期运动，或者当作随机扰动，是经典科学