复杂系统与复杂性科学 复杂系统与复杂性科学期刊

耗散结构理论的科学价值

刘粤生. 量子悖论的世纪之争——观控相对论的历史背景与理论探索[J]兵团教育学院学报, 2000, (04) .

普里高津认为耗散结构与混沌代表了宇宙万物的根本规律，证明了耗散结构理论内核的普遍适用性。普里高津次把可逆时间和不可逆时间、无序和有序、偶然性和必然性、热力学和动力学、物理学和生物学、自然科学与人文科学、西方文化传统与文化传统等都带到同一个新框架之内，并探讨它们相互间的关系，从而形成一种全新的科学观和自然观。耗散结构理论提出后，在自然科学和科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。

复杂系统与复杂性科学 复杂系统与复杂性科学期刊

复杂系统与复杂性科学 复杂系统与复杂性科学期刊

1）在物理学方面，耗散结构的概念扩大和加深了物理学中的有序概念。对不同物理系统中各种耗散结构的研究，丰富了热力学和统计物理学中关于相变的研究内容，开辟了新的研究领域，为物理学研究这些非平衡、非线性问题提供了新概念和新方法。在很长的时间内，物理学家认为确定性和可逆性是一切物质运动的基本属性，是一切自然规律确立的先决条件，因此本质上讲物质的存在没有方向和历史。普里高津终于使物理科学改变了传统的观念，承认自然界存在的量的过程是随机的、不可逆的和有方向性的过程，承认非生命系统也有类似生物进化的从混沌到有序的演化过程5星）。

3）在生态学方面，为生态复杂性研究提供了理论基础。生态复杂性是生态学研究的重要内容。过去有关生态复杂性研究的热点主要是在群落或生态系统水平上探讨复杂性与稳定性之间的关系。近年来，上生态复杂性研究出现了一个新动向，研究内容涉及生态系统内不同层次上的结构和功能。生态系统功能是生态系统的基本特征和生态系统自组织性的体现，它与生态系统结构的辩证关系体现了生态平衡的实质内容。耗散结构理论认为，生态系统的自组织能力依赖于结构有序性，有序性又以自组织为目标，二者的相互协调与耦合，共同促成生态平衡和生态系统的良性循环。

4）为经济学和综合国力的研究提供强有力的理论武器。经济学中的运用复杂系统分析宏观经济数据，已存在的研究基地有普里高津复杂系统研究所等，其主要致力于对经济周期、宏观经济现象的复杂性进行研究。在综合国力的研究中，以定性分析和定量分析、专家知识与建模计算相结合的方法，从综合国力的战略高度去研究盛衰的变化，揭示增强综合国力的发展规律：试图把综合国力的演变过程视作为一个庞杂的动态的混沌巨系统，将综合国力盛衰发展规律类比于生物系统的生存竞争和进化发展过程，把增强综合国力研究置于严密的数学物理基础之上，建立了“综合国力动态方程”和“综合国力盛衰动态方程”等模型体系，用量化分析手段辅助定性论证综合国力的盛衰规律，借以寻求增强综合国力的对策。借助耗散结构论，论证了综合国力的盛衰是一种混沌现象，是一个庞杂的、非线性的动态系统。它具有“蝴蝶效应”、分形几何、临界状态、子、普适性、自组织性、非线性等特征。

5）产生了新的边缘学科、新产品和新工艺，促进了科学理论向生产力的转化。随着耗散结构理论的应用和发展，产生了复杂性科学、生物物理学、生态物理学等边缘科学。复杂性科学主要研究复杂性和复杂系统，虽然目前它还处于萌芽状态，但已被有些科学家誉为“21世纪的科学”。生物物理学的创立则是人类用物理学知识去揭示生命之谜的一个极其重要的里程碑，它为生命科学、生物工程展现出一个无限美好的前景。耗散结构理论对生态系统的研究提出了新的方向，利用数学和物理学的概念和方法研究生态系统的问题，产生了生态物理学。耗散结构理论对于新材料的研究有指导意义。随着材料科学与技术的发展，人们已能制备出多种多样具有独特性能且远离平衡态的材料，如智能材料。耗散结构理论在研究生物糖酵解振荡过程中，发现这种振荡过程可以提高能量的利用率，预示着一种新的振荡式的化工生产流程的诞生。一些科学工作者对耗散结构理论的研究和应用已初见成效，如根据该理论建立治疗动脉粥样硬化的方案，解释蜜蜂、白蚁的活动特征等等。耗散结构理论的崛起，使人们看到多学科互相渗透的边缘科学与横跨各学科的横断科学正如雨后春笋般涌现，并取得越来越显著的地位。

微观金融学的范式变迁

2.系统论

微观金融研究的主要对象是决策分散度和不确定性都非常高的金融市场，这个系统中的决策是由每一个参与者根据自己的偏好和资源约束来分散地（因而也是异质地、非完全理性地）进行的。而传统微观金融学却通过“理性经济人说”将这些市场中“微观决策者”群体的行为过分地“理性化”、“同质化”了，因而面临着挑战。行为金融学则从放松这个基础定入手，重新审视金融市场中各个“微观决策者”（投资者或更广泛的市场参与者）的现实决策行为如何对科学理论进行实验检验模式及其对市场整体动态特定的影响规律。这种对于基本科学说的变更而导致科学理论产生质变的现象，是科学进程中的常态。

科学评价和检验的复杂性主要表现在哪些方面

.1

．自然辩证法和科学技术有什么关系

?2

0.2

．自然辩证法在现代有哪些发展

?2

0.3

．自然辩证法对现代化建设有什么意义

?3

0.4

．学习、研究自然辩10.1证法的意义和方法？

31.1

何谓自然观？它与自然科学的发展有怎样的联系？

31.2

在人类历史上，唯物主义自然观经历了哪几个重要形态？试评述古朴和机唯自然观。

41.3

阐述辩证唯物主义自然观创立的自然科学基础和自然哲学思想渊源。

41.4

论述辩证唯物主义自然观的基本思想和特征。

（5

星）

41.5

辩证唯物主义自然观的创立有何重大意义？

42.1

试阐述系统自然观产生的自然科学前提。

42.2

什么是系统？如何理解系统是自然界物质的普遍存在方式？系统的基本特点是什么？

42.3

何谓演化与进化？怎么样来理解自然的进化方式？

52.4

、阐述自组织的概念，以及自然系统演化的自组织机制、基本条件。

52.5

、怎样理解自然界循环发展的无限性？

63.1

从生态自然观的产生说明这种自然观是对辩证唯物主义自然观的丰富和发展。

63.2

如何理解自然界是人类生存和发展的根基

73.3

现代生态学在协调人与自然关系问题上提供了哪些科学结论

73.4

对可持续发展之路谈谈你的想法。

（上届考察）

74.1

如何理解科学的本质？

74.2

科学知识有哪些构成要素？说明它们的特点与相互关系。

（5

星）

74.3

什么是科学精神？举例说明它的重要性。

85.1

科学问题在科学研究中的地位和作用如何。

85.2

如何理解观察与实验是主观与客观相统一的过程。

85.3

科学说形成的主要途径是怎样的？

86.1

什么是科学思维的基本形式？它们在科学研究中的作用？

96.2

正确理解直觉、灵感和想象力在创新过程中的意义和作用？

96.3

思想模型方法在说的形成过程中是如何发挥作用的？

97.1

什么是科学理论的评价和检验，它们在科学发展过程中起什么作用？

10

7.2

科学理论的逻辑评价主要包括那几个方面？举例说明

10

7.3

?举例说明

10

7.4

科学的评价和检验的复杂性表现在哪些方面（

P162

－163

）10

8.1

不同的科学理论累积发展模式各是如何看待理论的归并的？

10

8.2

科学发展的否证模式如何看待科学理论的竞争？举例说明之。

112）在数学方面，耗散结构理论促进了分岔理论与随机过程论的发展。耗散结构理论是研究远离平衡的复杂的非线性系统，传统的数学工具对此已无能为力。描述复杂系统的方程通常是非线性的，一般包括分岔现象。耗散结构实质上对应于系统方程在远离平衡区的一个分岔解。在这种情况下，耗散结构理论的研究充分应用了突变理论、分支点理论和随机方程等数学工具，用以描述系统从不稳定的热力学分支向稳定的耗散结构分支相变的过程。因此，耗散结构的研究必然促进分岔理论的发展。耗散结构的产生是一种突变现象，研究这类现象丰富了突变论的内容，促进了随机过程论、随机微分方程理论和随机偏微分方程理论的研究和发展，同时促进了耗散结构理论的不断完善。

科学发展的历史观从哪些方面反映科学理论的发展？

11

9.1

如何理解技术的本质与特征？（

11

9.2

构成技术的基本要素主要有哪些？

11

9.3

技术体系有哪些特征？

11

9.4

怎么理解技术结构的演化？（一般）

11

．怎样理解技术认识与科学认识的关系

10.2

．简述技术开发的基本程序。

10.3

．技术评估的方法主要有哪些

10.4

．技术设计的方法主要有哪些

11.1

什么是技术价值？它包括哪些主要内容？

11.2

什么是技术？它与技术价值有何关系？

11.3

现代技术对传统的道德产生怎样的冲击？其原因何在？

11.4

怎样运用、的技术观思想看待技术决定论和决定论？

13

求一篇关于康德经验概念的文章七八百字

下却是阐明现象所同样不可缺少的。”②这

互补原理——来自微观世界探索的新思维

为20世纪自然科学研究的重大成就之

一，量子力学为现代人类科学思想和哲学思

想的发展提供了十分丰富的养料。哥本哈根

学派的人玻尔从认识论和方的角度

对量子力学的禅论意义进行了比较深入的探

讨，互补原理正是他对量子力学所作的一种

广为传播的理论佳释。这个原理虽然萌发于

物理学土壤.但其意义和影响却极大动

了哲学王国。正如玻恩所说的:“理论物理

学是真正的析学。它革新了一些基本概念，

例如，关于时间和空间(相对论)，关于因

果性‘量子理论)，以及关于实体和物质(原

子论)等等，而且它教给我们新的思想方法

‘互补性).其适用范围远远超出了物理

学。”①

一、物理学革命的理论总结

对这个问题的解答历来使哲学家和科学家为

之困惑而又跃跃欲试。从古代希腊的德漠克

利特、近代英国的道尔顿到现代的科学精英

们.载入科学认识史的是一幅人类竭尽才智

孜孜探求的生动画面。

本世纪20年代，海森堡从几个能为实验

直接观察到的物理量出发建立了关于微观客

体的矩阵力学.而薛定谬则以德布罗意的物

质波为基础建立了关于微观客体的波动力学。

描绘出一幅以粒子性为根本特征的微观世界

图景。在另一方面，波动力学则把微观过程

当作波动现象来处理，描绘出另一幅截然不

同的以波动性为根本特征的微观世界图景。

在这以后，狄拉克等人的工作证明矩阵力学

和波动力学是两种形式上相异而本质上相同

钟明

的数学表述，玻恩又给出了波动力学中波函

数的统计解释。不仅如此:矩阵力学和波动

力学还分别得到了一些实验事实的支持。但

是，这两种形式的量子力学理论的物理意义

和认识论意义到底是什么反映波动性、粒

子性互相排斥的两幅图景之间的尖锐冲突又

该如何解决

揭示微观客体的本性是认识宇宙自然真

谛的一个关键。在这一方面.玻尔的思想出

现了令人惊奇的交替变化.他确实走过了一

条漫长而曲折的道路。对于辐射现象，他从

倾向于波动性而长期不接受爱因斯坦的光子

概念走向既承认光的波动理论又接受光子理

论;在另一方面，对于粒子现象，他又从赞

同海森堡的物质粒子性观点而不同意薛定愕

的纯粹波动性观点走向支持波动性观点，反

对拒绝物质波概念在量子力学中有任何地位

的看法。在量子力学理论与实验深入发展的

推动下，在海森堡测不准关系的直接启示下，

玻尔终于认识到，波动性和粒子性这两种在

经典意义上对立的性质是辐射和微粒都固有

的、内在的和不可避免的。量子力学理论拴

释的关键在于把彼此排斥的波动和粒子这两

种描述协调起来。在他看来.人们现在所处理

的并非现象的一些’‘矛盾”图景，而是一些

..互补”图景;只有这些“互补”图景的全

部才能够提供经典描述方式的一种自然推广。

而‘“互补描述的意义在于:一些经典概念的

任何确定应用，将排除另一些经典概念的同

时应用，而这另一些经典概念在另尸种条件

是要完整地获得关于微观客体的知识，必须

使用两组瓷互相排斥又互相补充的经典物理

学概念，只有这些经典概念的总和才能提供

关于整体性量子现象的完全图景。

波动和粒子是两个理想的经典物理学概

念。波动性和粒子[地质大学()]性这两种理想的描绘是互

不相容、互相排斥和非此即彼的，它们当然

不能结合在同一个经典式的逻辑图景中。但

在关于徽观客体的实验中，物质确确实实分

别展现了某种波动性和粒子性。所以，既要

承认互斥的经典概念应用于微观过程时原则

上的局限性，又必须洞察到这互斥的两方缺

一不可，它们当中的任何一个只能显示出部

分图景，只有其总和才能描绘出一幅完整的

图景。这意味着它们又是彼此并协、互相补

充和亦此亦彼的。于是，解决困难的出

路就是对经典概念加以非经典的应用。微观

客体的表现既具有波动性，又具有粒子性，

相互补充、综合起来的波粒二象性才构成它

学和矩阵力学只不过是从波粒二象的不同侧

面来描述微观客体的;反映波动性、粒子性

互相排斥的两幅微观世界图景只不过是互相

补充的一幅图景。

互补原理表达了哥本哈根学派的基本哲

学观点，因而又被称为哥本哈根精神。它不

仅对微观客体的表现给予协调一致的解释，

而且还点缀出量子力学形式体系的思想灵

魂。如果说19世纪末物理学上的三大发现标志

粉一场物理学革命的发韧，那么在20世纪20

年代互补原理的提出则是这场物理学革命的

山个理论总结。

二、自然哲学研究的新课题

互补原理在科学上的创造性恰好反映出

它在哲学上的思想性。哲学如何吸收消化现

代科学的研究成果以充实其自身乃是当今哲

学发展中的一个越来越突出的问题。立补原

理究竟提出了哪些新问题，而这些问题又到

底组涵着什么样的思想呢在这一方面的理

论探讨则构成了自然哲学研究的新课题。

:’

，互补性与客观性。在微观世界区

分客体与它的表现具有原则性的困难。由于

不能再分下去的最小普朗克作用量量子的存

在，微观客体与观测仪器之间的量子相互作

用是不能进一步分析，也不能加以确定的。

微观客体并不具有能与观测中的相互作用区

分开来的任何的行为。因此，人们所能

得到的关于微观客体的概念和规律，都仅仅

是微观客体宏观度量表现的知识，而并非微

观客体本身属性的直接显现。与经典物理学

大异其趣的是，量子力学不再是自然界本身

的描述，而只是人们关于自然界的知识的描

述。它只描述在人工创造的条件下出现的现

象，因而反映的乃是主体与客体相互作用的

特征。丫

既然微观世界中客体的行为有赖于观测

条件，一个物理蛋或特征并非本身就存在，

而仅当主体进行观测时才有意义。就电子而

言，云雾室照相径迹表明它象个粒子，，但晶

体衍射实验则显示它象个波。电子究竟象粒

子还是象波，这需由具体的实验安排而定。

不过，为了对电子有一个全面的认识，必须

将它在波动和粒子两方面的对立性质综合起

来，即所谓互斥互补。因此，玻尔指出:

“互补性概念足以象征原子物理学中现象不

依赖于观察方式而客观存在这一观点所遇到

显然，“互补”并不是微观客体本身属

性的互补，而是人们关于微观客体不同侧面

的知识的互补。从这个角度上看，互补原理

具有一定的主观性，它不是完全意义上的客

观知识。在这里值得一提的是康德关于目的

论判断力的批判。康德虽然提出了关于自然

目的的理论，但他的目的论并非客观的目的

论，而仅仅是一条主观的原理，它完全不离

开理性的目的论的判断力。康德之所以提出

与机械论相对立的目的论，其目的乃是为了

将关于自然的经验知识系统化。所以从根本

上讲，玻尔的思想与康德的思想在这里是一

脉相承的。然而，人们有理由去进一步发掘

关于微观过程的更为深刻的理论.以便能够

l5

最终获得对现象的不依赖于观测条件的描述，

使人类真正揭开微观客体本身以及认识微观

客体本身的奥秘，并使互补性在从主观性向

客观性的发展中达到其主观性与客观性的圆

满统一。

第二，互补性与因果性。量子力学物学

形式所描写的乃是关于微观客体的知识随时

间演变的规律，它不能表述为在空间时间上

存在着的各个客体之间的简单关系，而只能

近似地用空间时间上各个客体来描绘可观测

验证的预言。这种因果律被称为知识因果律，

它显然不同于描述客体本身在空间时间上行

为的严格因果律。但是，在微观世界中要求

得到那种经典意义上的因果律是不可能的，

因为在对微观客体进行观测时所发生的干扰.

即量子相互作用，是不可避免的。

自然现象服从严格的因果律与用空间时

间描写微观客体的一切现象这两大经典物理

学要求不可能同时完全被满足，它们乃是反

和测量仪器之间的不可控制的相互作用迫使

我们放弃因果描述。认识到这一点绝不意味

着量子力学范畴的任何局限性。……整个论

证趋势在于说明互补性观点可被看成是因果

观念的一个合理的推广。”④在他看来，因

果关系有个合理的定义，也就是某个场合与

另一个场合有关系，这个关系在某种意义上

可以用定t化的定律来刻划。实际上，量子

力学数学形式所表述的就是这种意义被延伸

了的因果律。

’机械决定论式的经典因果律尚且不能普

适于宏观世界，它在微观世界中便更难以有

立足之地了。哥本哈根学派对经典因果律的

否定无疑是正确的，把互补性看作广义的因

果性的观点也不失为量子力学中的一个颇有

价值的解释。然而，在推广因果性外延的同

时，如何合理地确定其内涵，则是一个有待

进一步探讨的问理。

第三，互补性与整体性。由于量子定

已超出连续演化的经典概念范畴.来自日常

经验的经典概念及用以表达的语言就不能完

备地描述人们脱离日常经验而间接地认识到

的微观过程。有鉴于此，人们就只能去发明

创造崭新的量子语言来弥补经典语言的不足，

此处能胜任的便是并没有日常经验与之

对应的新的抽象的数学语言。然而，对在观

测仪器上呈现的宏观现象又必须用相应的经

典概念来说明，以便对微观过程现象加以形

象的描绘。根据互补原理，严格地讲，微观

客体既不是粒子也不是波。表观上的二重性

实际上是同一个东西、同一个实物，其特征

的恰当描述超出了日常经验，因而只能用数

学语言来表达。说微观客体具有互找的波尽

二象性只不过是用日常语言来描述微观客体

所呈现的整体性量子现象的一种比喻。

.玻尔指出:“所有那些真正理解量子论

的人们即使做梦也永远不会称呼量子论是二

重论。他们把量子论看成是原子现象的统一

描述，尽管当应用到实验上它必须露出不同

面孔，因而必须译成日常语言。”⑤当然，

互补原理也并非什么二元论。微观客体本质

上就具有某种整体性.’‘互补”不过是主体

对于这种客观整体性的一种不可舍弃的认识

方式而已。

描绘微观世界科学图景的量子力学对数

学语言的推崇，使人联想到古代希腊毕达哥

拉斯关于宏观世界构成的“数论”。数学语

言在科学研究中的作用是无论如何也不能低

估的。但数学语言的使用应当同一定的科学

概念以及哲学思想密切结合。在微观世界的

探索中，只有对相应于量子力学数学形式的

概念基础进行深刻的理解和必要的改造，才

能使人类对微观过程本身的科学认识达到相

对完美的境界。就此而言，上世纪末本世纪

初开始的物理学革命在理论认识方面还没有

真正完成。

三、通向唯物辩证法的桥梁

互补原理在量子力学理论诊释上的某种

成功，使得人们对其刮目相看，哥本哈根学

派更是对其大加宣扬，试图推而广之。玻尔

性原理一样具有普遍性。不仅如此，互补原

理还是一条哲学原理，既可用来解决量子力

学等科学上的问题，又适用于经济、和

文化等生活的各个领域。50年代后期，

玻尔在其撰写的

、《量子物理学和哲学》一文

中提出，从一般的哲学观点来看，重要的是

在其他知识领域中的分析和综合方面，人们

都面临着一些与量子物理学相类似的情况。

生命有机体的不可分割性和有意识的个人以

及整个人类文化的特征等，都显示出一些整

体性特点，而这些特点说明蕴涵着一种典型

的互补描述方式。总而言之，互补性是描绘

自然界乃至人类的中心特色。

继18世纪后期康德的批判哲学之后，西

方关于本体论和认识论的研究趋向两股分道

奔流的思潮:一是以孔德为先导的实证的科

学。由于近代以来实证方法一直是自然科学

研究中居于统治地位的根本方法，所以科学

家在一段时间里几乎都不理睬“抽象”、“晦

涩”的黑格尔辩证法而信奉实证主义。玻尔

也是在典型的实证主义传统中成长起来的物

形而上学思想对他曾有深深的形响。但是，

在对t子力学理论的逻辑学和认识论意义的

反复探究中，玻尔逐步修正了他在关于微观

客体本性等问题上的片面观点，最终提出了

带有辩证法色彩的互补原理。互补原理在主

体与客体的相互作用、经典概念的扬弃和互

斥事物的互补等方面表达了与科学发展水平

相适应的深刻思想。其实，互补性正是同一

性的逻辑发挥。一方面，同一性为互补性提

供了客观基础，没有同一性就谈不上什么互

补性。然而，在另一方面，互补性则是同一

性的一种具体的实现方式，没有互补性，同

一性就失去了其丰富的内涵。歹少宁在《黑格

尔<逻辑学)一书摘要》中明确写道:“辩

证法是一种学说，它研究对立面怎样才能够

同一，是怎样(怎样成为)同一的。一一在

什么条件下它们是相互转化而同一的。”⑥

因此，从科学认识史的角度来看，正是自发

地、自然地产生于物理学研究中的互补原理

将辩证思维引入实证主义传统中，从而在物

理学革命的背景下客观地实现了辩证的自然

哲学与实证的科学哲学这两股思潮的一欢交

汇。历史的进程表明，互补原理对西方科学

界的科学思想和哲学思想确实产生了重大的

持久的影响。在哥本哈根学派看来，它急剧

地改变了物理学家的世界观，其改变程度是

空前的。

在国内对互补原理的哲学评价中，我们

曾见到有两种极端。随着风云的变幻，

互补原理一会儿被斥之为唯心主义和形而上

学的货色而被全盘否定，一会儿又被誉之为

“阴阳太极、两极相通、对立统一等辩证思

维的集大成。”这种唯极端而趋之的空话大

话当然不能代表认真严肃的哲学探讨。

互补原理包含着深刻的哲学意义，体现

出丰富的辩证法思想。这一方面仍然有待于

人们去做进一步的研究。就互补原理本身而

言，它并不构成一个的完整的哲学理论

体系。因此，与其说这个具有其独特的思想

来源、理论意义和历史作用的互补原理就是

所谓“互补哲学”，毋宁说互补原理这个来

自微观世界探索的新思维乃是从物理学通向

唯物辩证法的一座桥梁。

-.~州尸......，............

①玻愚:《我的一生和我的砚点》，育务印书

馆，1979年，第加页。

出版社，1934牟，第10页。

⑧④玻尔《原于钧，学和人的知识》，怀利

版，1958年，第7页，第41页。

⑤转引自声曲级:《哥本哈报学叔t子论考释，，

友旦大学出版社，1984年

⑥《全集》，

，第份s页。

第3华、第川贾·

1]

吴光远,肖丹丹. 如无必要,勿增实体——用“奥康姆剃刀”解剖张洪潭《训练原理》[J]体育大学学报, 2006, (04) .

[2]

[3]

王殿夫,张旭泉. 禅宗逻辑与现代物理学[J]大连理工大学学报(科学版), 2002, (04) .

[4]

郭彦青,王晓玲. 量子力学中决定论的恢复[J]大连海事大学学报(科学版), 2008, (03) .

[5]

厚宇德. 什么是“物理学”——物理学概念之沿革[J]大学物理, 2004, (01) .

[6]

厚宇德,贠雅丽. 从玻恩的教学方式看量子力学的诞生[J]大学物理, 2008, (12) .

[7]

陈益升. 略论科学系统的功能[J]大自然探索, 1994, (03) .

[8]

王伟奉，徐学基. 双波理论中的弥散困难及其消除的探索[J]复旦学报(自然科学版), 1994, (03) .

王飞跃. 人工、计算实验、平行系统——关于复杂经济系统计算研究的讨论[J]复杂系统与复杂性科学, 2004, (04) .

[10]

王飞跃. 关于复杂系统的建模、分析、控制和管理[J]复杂系统与复杂性科学, 2006, (02) .

学习情境的复杂性

个互补原理的基本思想是十分明确的，这就

复杂性是学习情境应具备的另一个基本特征。实际上，真实性在某种意义上就意味着复杂性。书本上以文字符号来表述的知识是从具体情境中抽象出来的，相对于复杂多样的现实生活而言，它把其对象大大简化了。而学习情境就是现实生活，是一个个基本上未被简化的。这样的是多元的、开放的、不断变化的，即是复杂的。抽象知识也可能是复杂的，难以理解，但它没有生活那样纷繁多样、变化万端。复杂性科学的理论进一步确证了生活世界的复杂性特征。所谓“复杂性科学”，是指20世纪80年代以来正式兴起的研究复杂系统行为与性质的科学，它与简单性科学或线性科学相对立。世界是复杂多变的，虽然存在着简单的事物，但同时存在着众多难以预测的复杂系统。复杂性的根源主要包括：源于系统结构的复杂性，源于开放性即环境的复杂性，源于不确定性的复杂性，等等。复杂性的概念具有本体论意义，即大量的系统在本质上是复杂的。传统的简单性科学把世界描绘成这样一幅图景：受普遍规律的制约，按照不变的规则构成，秩序井然，人类可以凭借理性加以控制……复杂性科学挑战这种观点，指[9]出这是对人类思想的误导，世界其实是极端复杂的。来源于现实生活的学习情境当然也应具备复杂性的特征。

生命科学导论好坑.求助

生命科学导论：

随着人们对客观事物认识的不断加深，已经不再满足于停留在易解问题的领地，这其中在生命科学领域的复杂性研究又受到了许多跨学科学者的关注。笔者综述了复杂性的概念、生命科学中的复杂性极其复杂性研究。

生命科学；复杂性科学；生物复杂性

复杂性科学的概念诞生至今已经20多年，这期间有大批学者从不同的领域入手展开了卓有成效的探索。人们希望更全面深入地从客观世界事物的整体与部分以及层次关联在时空演化的全程描述角度来研究支配客观事物运行的基本规律，建立起新世纪科学技术发展的理论基础，以指导新的发展实践。

这其中在生命科学领域的复杂性研究又受到了许多跨学科学者的关注，也有人将其称之为生物复杂性（biocomplexicity）研究，生物复杂性科学主要探索在一些传统学科间交叉的问题。准确地说，是寻求以定量和整合的途径来深入了解各种生命系统之间复杂的相互作用，其中既包括生物的、行为的、化学的和物理的相互作用，也包括生态的、环境的和的综合作用等［1］。

1 复杂性科学研究的概念和范畴

复杂性的定义是相对于简单性而言的，简单性一向是现代自然科学、特别是物理学的一条指导原则。许多科学家相信自然界的基本规律是简单的。还原论的基本思想也就是找出复杂现象或事物背后的简单机制。事实上一些复杂的事物或现象，其背后确实存在简单的规律或过程。

关于复杂性的概念并没有一个统一的说法，而是根据研究的对象有不同提法，比如，从熵的角度：复杂性等于热力学测定的一个系熵和无序；信息的角度：复杂性等于一个系统使一个观测者“惊奇的能力”；分形尺寸：一个系统的“模糊状况”，即在越来越小的尺寸上显示的详细程度；有效的复杂性：一个系统显示“规律性”而不是随机性的程度；体系复杂性：由一个体系结构系统的不同层次所显示的多样性；语法的复杂性：描述一个系统所需要的语言的普遍性程度；热力学深度：将一个系统从头组织在一起所要的热力学资源的数量；时间计算上的复杂性：一部计算机描述一个系统或解决一个问题所需要的时间；空间计算上的复杂性：一部计算机描述一个系统或解决一个问题所需要的存储量［2］；等等。

从20世纪30年代系统科学开始兴起，人们逐渐认识到系统大于其组成部分之和，系统具有层次结构和功能结构，系统处于不断地发展变化之中，系统经常与其环境（外界）有物质、能量和信息的交换，系统在远离平衡的状态下也可以稳定（自组织），确定性的系统有其内在的随机性（混沌），而随机性的系统却又有其内在的确定性（突现）。

复杂性科学往往研究的是复杂性系统，复杂系统主要有以下表现：（1）系统各单元之间的联系广泛而紧密，构成一个网络。因此每一单元的变化都会受到其他单元变化的影响，并会引起其他单元的变化。（2）系统具有多层次、多功能的结构，每一层次均成为构筑其上一层次的单元，同时也有助于系统的某一功能的实现。（3）系统在发展过程中能够不断地学习并对其层次结构与功能结构进行重组及完善。（4）系统是开放的，它与环境有密切的联系，能与环境相互作用，并能不断向更好地适应环境的方向发展变化。（5）系统是动态的，它不断处于发展变化之中，而且系统本多对未来的发展变化有一定的预测能力。

一般来说，复杂性研究的基本方法是：（1）定性判断与定量计算相结合。（2）微观分析与宏观综合相结合。（3）还原论与整体论相结合。（4）科学推理与哲学思辨相结合。

复杂科学研究中所用的理论工具：（1）非线性科学——非线性动力系统理论（稳定性和分叉理论、混沌、孤子）和统计力学（分形、标度），及非平衡系统中的复杂和随机现象的研究；（2）计算机模拟——它是十分重要的手段，目前已广泛用于复杂科学的研究中；（3）计算智能；（4）数理逻辑；（5）在不确定条件下的决策技术；（6）综合集成技术；（7）整体优化技术等。

2 生命科学与复杂性研究

生命科学的研究对象都是复杂系统，（具有关联性、多样性、自学习、自组织、开放、动态的特点），生命科学理学家，实证主义下盛行的“非此即彼”等研究的系统正因为其复杂性，对其构成的原因和演化的历程，此前均缺乏了解，也因此吸引了复杂性科学研究者的高度重视。近几十年来，对生物系统所具有的整体性、关联性、网络层次性、统计涨落性、内在和外在的随机性、模糊性、开放性和历史性等这一类复杂系统的典型特征进行了探讨。生物体本身的特点以及生物的进化使得人们的思维方式从单纯的物理学简单系统的研究转变为对生物学的复杂系统的研究［3］。

基因是生命遗传的基本密码，生物体的复杂结构和功能不仅仅是由基因决定的，也是由基因组中大量的非编码信息和非编码基因决定的。因此生物体的复杂结构和功能不仅仅是由基因决定的，也不仅仅是由基因组中大量的非编码信息决定的，而是由这些元素在生物体各个层次上复杂、动态的相互作用决定的。

作为生命系统的指挥和协调中心—神经系统，其中枢功能结构为大脑，近十年来脑功能的科学研究是复杂科学领域中的一个热点。大脑有复杂的结构，它的组织层次按空间尺度有：分子、膜、突触、神经元、核团、回路、网络、层、投射、系统。大脑表现出的某些高级功能是不能在较低的层次上观察到的，其中有些是由各个单元之间的相互作用而涌现出的集体行为。人们的思维规律是不断变化的，但是层次的规律是不变的。脑功能的复杂性首先体现在各神经子系统自身的高度非线性、不稳定性和适应性；其次体现在它们之间相互连接的非均匀性及大规模并行等特点。不仅如此，即使在非常简单的神经系统中也存在着令人惊异的复杂性，这反映在它们的功能、演化历史、结构和编码方式。比如，单个神经元放电的时间序列包含复杂多样的时间模式，反映了神经细胞内的复杂的动力学过程［4］。脑电信号是中枢神经系统自发产生的生物电活动，它包含了丰富的神经系统状态和变化的信息，因而在临床和神经电生理研究中得到了广泛的应用。现在人们对EEG建立动力学模型，并研究其中的混沌现象，显示动力学模型方法对于研究大脑正常生理和病理状态具有的意义［5］。

近年来控制领域实现和发展了脑控系统，即基于脑电信号的人机融合控制系统，直接以脑电信号为基础，通过脑机接口来实现控制。“脑控”研究涉及神经科学、计算机科学、控制科学和心理学等多学科交叉。相关研究已经开发出了利用大脑的思维、通过电子接口来控制各种设施的运动状态，并取得预期效果的“脑控技术”，这项技术在医疗等多个方面具有重要的应用价值。

人工生命（Artificial Life）是近10年发展起来的一个新方向，是以进化为主要特征的复杂性研究。人工生命致力于研究生命形式（并不局限于某种特定的载体）的普遍特征。地球上的生命被看成是一种具有特定载体—蛋白质—的特定生命形式，地球上的生命进化也仅仅代表一种特定的进化途径，因此可以用别的物质来构造另类载体的生命形式，赋予它们生命的特征，12使其具有进化、遗传、变异等等生命现象，得到生命的普遍行为［2］。

其他如心血管系统中的心率变异性和管腔应变问题；动态病（以异常时间组织结构为特征的疾病，如周期性发热、周期性关节肿胀等）的预防、治疗和数学建模问题；生态系统的种群繁殖问题；流行病中的疾病传染规律；生化反应的动力学过程；免疫系统中信号产生、传递和转导的动力学过程等都体现了生物系统的复杂性，属于复杂性科学研究的范畴。

因为生命体的多样性和复杂性决定了临床医学本身的复杂性；疾病是复杂的，不仅生命体本身病理过程复杂，而且心理、、环境等因素都会影响病理过程；许多复杂性疾病，如心血管疾病、癌症、等皆是生命体多层次、多层面因素作用的结果。现代医学是在还原论指导下对生命和疾病局部的、分离的认识，仍停留在分析和描述的水平上；所以需要借助复杂性研究方法。在研究方法和观念上有所突破。

祖国传统中医学独特的思维方法和对复杂系统整体状态的把握与复杂性研究有类似的思路。中医学对人体内部的相互作用以及人体与环境的相互作用提出了众多的命题，为现代医学研究准备了丰富的素材，对中医的理论体系的认识还必须运用物理学、生物学、数学、控制论、系统论等学科的知识。

复杂性科学对我们来说是一个充满未知的领域，研究方法上既有还原论，也有综合论和系统论，这两种思想正在经历碰撞并开始出现融合的趋势。但是在研究对象上，它研究的问题并不是刚刚出现，而是因为人们认识的深度和它本身的难度，使这一类问题被搁置了起来。目前，对复杂性的研究已经分别在一些学科取得了初步的进展，随着科技的进步、人类对自然和自身认识的深化，生命科学中的复杂性问题必然会被逐步地认识和解决。

复杂性科学的主要流派

的基本限制。”③

复杂性科学主要矩阵力学把微观过程当作粒子现象来处理，包括：早期研究阶段的一般系统论、控制论、人工智能；后期研究阶段的耗散结构理论、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。限于篇幅，本文只简要介绍协同学、突变论和耗散结构理论。

地质过程的长期性、复杂性、叠加性和不可再现性

一、地质过程的长期性映微观客体现象的既互相排斥又互相补充的

地球具有漫长的演化历史。在现代科学中，除天文学外，还没有一门学科的微观世界的科学图景究竟应该如何描绘研究对象有着如此长的时间发展尺度。地球诞生在约 46 亿年前，目前在地球上发现最古老的岩石为 38 亿年，也有称发现 40 亿 ～44 亿年的岩石。在长期的地球层圈演化大背景下，地壳格局与地壳岩石经历了不同阶段、不同营力、不同程度的变化。在这样一个极长的时间尺度中去认识地壳的发展演化规律，无疑具有很大的难度。在地质工作中，时代不清、层序不清的情形经常出现，从而增加了地质成果的不确定性。对某些区域的某些时间段，可以通过进一步的深入研究，提高对其地质演化过程的认识; 而对另一些区域的另一些时间段，由于时代过于久远或后期变化复杂，研究难度更大，其研究成果往往更具推理性和猜想性。

二、地质过程的复杂性

地质学研究的是复杂对象。无论是地球层圈运动、地壳表面运动、成矿过程等都是复杂过程而非简单过程。例如，地幔对流与板块运动就是一个复杂系统，其规模之巨大，物质和运动关系之多样、复杂，是一般的自然系统和工程系统所难以比拟的。成矿系统也是一个极为复杂的系统，这个系统以其强开放性、强非线性、强不平衡性和强自组织性为特征。现代科学是建立在牛顿科学观的基础之上的，其科学手段是基于线性系统，即简单系统发展起来的。迄今为止，科学界尚没有突破牛顿科学观和方的束缚，建立起一套描述复杂系统的科学工具，这就是为什么地质科学始终难以实现像其他自然科学 ( 如气象学、水文学等)和工程科学 ( 如建筑学、机械学、电子学等) 那样，实现精密的定量描述的根本原因。简言之，地质学还没有找到使其实现精密化、定量化的科学理论和科学工具。强调这一点，对我们正确地设置地质学问题的研究目标，实事求是地评估地质工作成果，都是很重要的。以矿产勘查学为例，过高地估计某个研究区的矿产资源远景几乎是一种普遍现象。其原因在于，地质学家只看到了自己的研究结论，而没有看到这些对复杂系统的研究结论是在没有复杂系统研究手段的支撑下得出的，因此这个结论可能是符合实际的，也可能在一定程度上偏离了实际，还可能是违背实际的。克服地质学家对自己获得的结论预期过高的倾向，是一个在地质学研究和地质工作中树立正确的科学观和方问题。当前关于复杂系统研究的科学观和方，在哲学、物理和数学层面正在展开热烈的讨论，复杂系统的研究方法在一些局部领域，包括地质学中已开始积极探索和极少量的应用。然而，关于复杂系统的研究，目前仍然主要停留在概念讨论和片断应用上，没有形成完整的框架和强有力的方法体系，牛顿的科学观和方仍然是人类已经构建起来的科学大厦的基础。作为复杂系统研究者的地质学家，目前还只能用研究简单系统的方法，或更初等的描述方法，来研究复杂系统。在这种很无奈的情况下，地质学家要对自己的研究和地质工作成果给予正确的预期。

三、地质过程的叠加性

地质过程的叠加现象是很普遍的。在一个很长的历史时期中，后来发生的地质作用叠加在原来地质过程产生的物质相或构造形迹上，从而形成复合的物质相或构造形迹。这种广泛存在的叠加使本来就复杂的地质过程变得更为复杂。叠加现象对地质学的研究方法产生了重要的影响，促使人们去发现和研究那些代表每个过程的地质特征，如特征矿物、特征元素、特征结构构造等。对过程的识别和恢复在地层学研究、变质岩研究、构造地质研究和矿床学研究中显得特别重要。叠加作用对地质工作的影响是双重的。其一，是增加了地质工作的复杂程度，为地质调查和勘查工作带来不便。由于叠加的影响，有些地区的地层层序、构造期次长期难以界定，成为深入开展地质工作的障碍。其二，是提供了解决重大地质问题和发现矿床的机会。地质过程的叠加本身就是一个科学命题，具有重要的研究意义。例如，对一个大型推覆体的识别有可能改写一个区域的地质构造格局，提供寻找矿床的新机遇。许多矿床是多期成矿作用叠加的产物，使成矿物质更为富集，对叠加过程进行识别与分析有助于梳理成矿关系，有效地指导矿产资源调查、勘查与评价。

四、地质过程的不可再现性

地质过程的不可再现性主要表现在三个方面: 其一，是时间的不可再现性，其二，是空间的不可再现性，其三，是条件的不可再现性。首先，在时间上，所谓不可再现性，是相对于人类的生命尺度而言的。一个地质过程以数十万、数百万、数千万年计，在一个人的生命时段内，看不到过程的明显变化。其次，在空间上人对地质过程的观察也具有极大的局限性。也许我们能看到某些现代地质过程，如、火山等，但只能看到或感觉到这些地质过程的某些片断，如火山喷发、活动等，整个过程发生在地下深处，其实际的物理过程是不可观察的。，地质过程具有巨大的规模和超强的参数，如数十万、数百万平方千米的范围，巨量的复杂的物质环境，数十、数百千米的深度，超高的压力和温度等，这就使得人工实验再现地质过程变得十分困难。当然，也有少数规模很小的、条件简单的地质过程是可以再现和通过实验进行观察的，如矿物学、岩石学尺度的实验，某些沉积学实验等。但这类可再现的过程数量有限，在整个地质学中不具主导意义。

在自然科学中，许多领域都能在实验室中再现物理的或化学的过程: 所有基础的物理和化学过程都是可再现的; 现代生物学也能在相当程度上再现生命过程; 天文学不像地质学那样主要研究地球物质及构造形迹，而是把重点放在研究星系和星体的运动轨迹上，而这种运动轨迹是能从力学的角度计算和再现的; 在工程科学中，所设计的过程必须是能以极高的精度再现，否则就会出现工程质量问题。于是，剩下不能再现的大概只有地质学了。

由于缺乏使地质过程再现的能力和手段，地质学只能选择其他的科学研究思路，于是 “将今论古”就成为地质学研究的一条基本原则。地质学家把从现代河流、现代海洋、现代火山、现代、现代沙漠、现代冰川、现代气候等主要是在现代地球表面自然过程中产生的现象加以观察、联系、设、推论，形成对地质历史时期地质过程的概念。“将今论古”这一朴素的唯物主义思想，在地质学的发展中发挥了重要的作用，地质学的基本框架、基本原理都是在 “将今论古”的原则下发展起来的。作为一个最重要的思想工具， “将今论古”的原则还会继续使用下去。

但是，“将今论古”这一思想工具有它的局限性。由于 “将今论古”所依据的主要是发生在地球表面的现象，深部的情况只能借助于设来表达。例如，对岩浆作用的研究，人们观察到的只是从地表涌出的火山熔浆，是火山岩，而设它在深部冷却时呈结晶状态，是侵入岩。到目前为止，还没有任何一个人能实际观察岩浆的真实结晶过程。其他如构造作用、变质作用、成矿作用等，设的成分占优很大的比重。因此，与其他科学相比，地质学原理包含的设和推理成分是的。在地质研究、地质调查和勘查工作、地质工作管理中，需要注意到这一重要的学科特点。

王飞跃的和专业服务

五、研究构造的“系统工程”

北美竺可桢二、成生联系及构造型式教育基金会（American Zhu Kezhen Education Foundation，AZKEF）：1995年起任AZKEF理事会Founding Member；Chair, Scholarship Selection Committee; V President, 2007年当选AZKEF 会长。