17世紀(jì)至20世紀(jì)初，還原論就一直在科學(xué)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，當(dāng)時(shí)科學(xué)的主要目標(biāo)都是用基礎(chǔ)物理學(xué)來(lái)對(duì)一切現(xiàn)象進(jìn)行還原論式的解釋。但20世紀(jì)的科學(xué)見(jiàn)證了還原論夢(mèng)想的破滅。

雖然基礎(chǔ)物理學(xué)和還原論對(duì)于解釋極大和極小的事物取得了偉大的成就，但對(duì)于接近人類(lèi)尺度的復(fù)雜現(xiàn)象的解釋上，它們卻保持著驚人的沉默。

天氣和氣候無(wú)法長(zhǎng)期精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，生物與疾病的復(fù)雜和適應(yīng)性，社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、政治和文化行為等等問(wèn)題，都是還原論無(wú)法解釋的。于是，新的學(xué)科開(kāi)始被建立，其中就包括復(fù)雜學(xué)科。

一、什么是復(fù)雜

1.復(fù)雜性是什么

任何一個(gè)對(duì)蟻群有過(guò)了解的人都知道，單只螞蟻幾乎沒(méi)有智商，同伴之間靠簡(jiǎn)單地分泌信息素來(lái)溝通。但是如果將上百萬(wàn)只螞蟻放到一起，群體就會(huì)組成一個(gè)整體，形成具有所謂“集體智能”的“超生物”，整個(gè)蟻群一起構(gòu)造出的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得驚人。

蟻群具備“逢山開(kāi)路，遇水架橋”的本領(lǐng)，比如遇到一條河過(guò)不去，蟻群可以抱成一個(gè)團(tuán)滾過(guò)去。蟻穴就更驚人，蟻穴有育嬰室、垃圾房、蟻后的房間和囤積食物的房間等等，其復(fù)雜程度連人類(lèi)建筑師都嘆為觀止。

類(lèi)似的還有人類(lèi)的大腦。在大腦中，有數(shù)億個(gè)神經(jīng)元，這些簡(jiǎn)單個(gè)體的活動(dòng)及元群的連接模式?jīng)Q定了感知、思維、情感、意識(shí)等重要的宏觀大腦活動(dòng)。

再比如免疫系統(tǒng)，簡(jiǎn)單個(gè)體是細(xì)胞。白細(xì)胞能通過(guò)其細(xì)胞體上的受體識(shí)別某種可能入侵者相對(duì)應(yīng)的分子，從而分泌抗體搜尋和摧毀入侵者。加上B細(xì)胞、T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等等，細(xì)胞們一起上演免疫反應(yīng)的大合奏。

類(lèi)似這種由簡(jiǎn)單個(gè)體構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的還有人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、萬(wàn)維網(wǎng)等等。令專(zhuān)家學(xué)者感到不解的是，在沒(méi)有中央控制的情況下，這些簡(jiǎn)單的個(gè)體到底是如何構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)，產(chǎn)生復(fù)雜的行為的？更為神秘的是，一些本來(lái)不具備智慧和意識(shí)的物質(zhì)（如大腦神經(jīng)元），到底是如何涌現(xiàn)出“智能”和“意識(shí)”的？這些正是復(fù)雜系統(tǒng)所關(guān)注的問(wèn)題。這些問(wèn)題，作者會(huì)在之后的章節(jié)中做系統(tǒng)性研究和探討。

2.復(fù)雜系統(tǒng)的共性

通過(guò)以上的復(fù)雜系統(tǒng)范例，作者總結(jié)了復(fù)雜系統(tǒng)的三點(diǎn)共性。

（1）復(fù)雜的集體行為

復(fù)雜系統(tǒng)的個(gè)體一般都遵循相對(duì)簡(jiǎn)單的規(guī)則，不存在中央控制或領(lǐng)導(dǎo)者。大量個(gè)體的集體行為產(chǎn)生出了復(fù)雜、不斷變化且難以預(yù)測(cè)的行為模式。

（2）信號(hào)和信息處理

所有這些系統(tǒng)都利用來(lái)自?xún)?nèi)部和外部環(huán)境中的信息和信號(hào)，同時(shí)也產(chǎn)生信息和信號(hào)。

（3）適應(yīng)性

所有這些系統(tǒng)都通過(guò)學(xué)習(xí)和進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行適應(yīng)，即改變自身的行為以增加生存或成功的機(jī)會(huì)。

3.什么是復(fù)雜系統(tǒng)

那么，究竟什么是復(fù)雜系統(tǒng)呢？關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的定義，作者總結(jié)了以下兩點(diǎn)：

（1）復(fù)雜系統(tǒng)是由大量組分組成的網(wǎng)絡(luò)，不存在中央控制，通過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)作規(guī)則產(chǎn)生出復(fù)雜的集體行為和復(fù)雜的信息處理，并通過(guò)學(xué)習(xí)和進(jìn)化產(chǎn)生適應(yīng)性。

（2）如果系統(tǒng)有組織的行為不存在內(nèi)部和外部的控制者或領(lǐng)導(dǎo)者，則稱(chēng)之為自組織。由于簡(jiǎn)單規(guī)則以難易預(yù)測(cè)的方式產(chǎn)生出復(fù)雜行為，這種系統(tǒng)的宏觀行為有時(shí)也稱(chēng)為涌現(xiàn)。由此復(fù)雜系統(tǒng)有了另一個(gè)定義：具有涌現(xiàn)和自組織行為的系統(tǒng)。

因此，作者認(rèn)為研究復(fù)雜系統(tǒng)的核心問(wèn)題是：涌現(xiàn)和自組織行為是如何產(chǎn)生的。

二、復(fù)雜系統(tǒng)研究的背景和歷史

通過(guò)第一部分，我們已經(jīng)對(duì)“復(fù)雜”有了初步的了解，讀者可能會(huì)有一肚子疑問(wèn)。那么第二部分，作者就向我們介紹了復(fù)雜系統(tǒng)的一些核心概念（如信息、計(jì)算、序和生命等）的歷史和背景，幫助讀者更系統(tǒng)地了解復(fù)雜系統(tǒng)。

1.動(dòng)力學(xué)、混沌和預(yù)測(cè)

動(dòng)力學(xué)的發(fā)展

了解復(fù)雜系統(tǒng)，我們得先了解一下動(dòng)力系統(tǒng)理論，因?yàn)橹灰阆氲玫降南到y(tǒng)幾乎都是動(dòng)力系統(tǒng)。比如太陽(yáng)系、心臟、大腦、氣候等等。亞里士多德是目前已知的最早論述運(yùn)動(dòng)理論的人之一，他認(rèn)為地面上的運(yùn)動(dòng)與天上的不同；不同物質(zhì)組成的物體運(yùn)動(dòng)方式也不一樣。顯然，這些缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論后來(lái)被證明都是錯(cuò)誤的。亞里士多德的思想一直統(tǒng)治著西方科學(xué)，直到伽利略的出現(xiàn)。

還記得教科書(shū)中學(xué)過(guò)的比薩斜搭自由落體實(shí)驗(yàn)嗎？伽利略用這個(gè)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)駁斥了亞里士多德的觀點(diǎn)。于是，隨著實(shí)驗(yàn)方法的出現(xiàn)，科學(xué)革命不可避免地發(fā)生了。

牛頓創(chuàng)建了動(dòng)力學(xué)，為了創(chuàng)建動(dòng)力學(xué)，他還發(fā)明了微積分。偉大的牛頓創(chuàng)建了三大定律及萬(wàn)有引力定律，以這些定律作為基本概念解釋了一切物體的運(yùn)動(dòng)，包括行星。牛頓力學(xué)描繪了一幅“鐘表宇宙”的圖景：設(shè)定好初始狀態(tài)，然后就遵循著三條定律一直運(yùn)行下去。

“測(cè)不準(zhǔn)原理”和混沌學(xué)

因此，數(shù)學(xué)家拉普拉斯在1814年斷言，根據(jù)牛頓定律，只要知道宇宙中所有粒子的當(dāng)前位置和速度，原則上就有可能預(yù)測(cè)任何時(shí)刻的情況。

然而20世紀(jì)的兩個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，打破了這種準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的幻想。第一個(gè)發(fā)現(xiàn)就是海森堡的“測(cè)不準(zhǔn)原理”，證明不可能在準(zhǔn)確測(cè)量粒子位置的同時(shí)，又準(zhǔn)確測(cè)量其動(dòng)量。

第二個(gè)發(fā)現(xiàn)就是混沌?；煦缰傅氖且恍┫到y(tǒng)對(duì)于初始位置和動(dòng)量的測(cè)量如果有極其微小的不精確，也會(huì)導(dǎo)致對(duì)其長(zhǎng)期預(yù)測(cè)產(chǎn)生巨大的誤差。也就是常說(shuō)的“對(duì)初始條件的敏感依賴(lài)性”，最典型的例子就是蝴蝶效應(yīng)。