跨越学科的“复杂”问题

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  传统的科学门类有数学、物理、化学等。在20世纪,人们开创了计算机科学,空间科学等等。而随着科学的发展,科学家们发现,有很多问题跨越了这些简单的分类方法,解决这些问题需要多重学科知识的综合运用,甚至还需要开创新的方法,还会发现新的规律。这就是所谓的“复杂科学”。
  所谓复杂科学,其最大的特征就是跨越了传统的学科。它的研究范围不限于某个特定的领域,而是拓展到经济、自然、社会、生物,乃至宇宙学的问题。我们首先来看以下这些问题。
  无论是生物神经学方面的专家,还是计算机神经网络方面的专家,他们虽然专业不同,但是,他们都在研究同一个问题:在人的大脑里面,几十亿个甚至上百亿个脑细胞是怎么活动的,它们如何使人产生思想和感情?
  上百年以来,物理学家们都在研究液体的流动问题,那些受到简单规律支配的小分子,会产生令人惊诧的、完全无法预测的活动图谱。
  气象学家在研究这样的问题:雪片和飓风要经历什么样的过程才能形成?为什么大气的变化是如此复杂?无论人们用多么高级的计算机,都无法准确预测未来的气候变化。
  宇宙学研究者一直在探索宇宙的起源,“宇宙大爆炸”之初的原子、分子,它们是经过怎么组合和变化,然后形成了太阳和银河这样的恒星和星系?
  生物学家自从发现了DNA之后,就一直在研究其中的秘密。这小小的遗传物质是如何控制生命活动,使地球呈现出多姿多彩的生命图景。生物进化的实质又是怎么样的呢?
  经济学家们在研究,为什么股市会在毫无预兆的情况下突然崩盘?为什么高科技公司会扎堆一样聚拢在硅谷?
  以上这些问题,看似属于不同的科学领域,实际上有着相通的地方。那些有着广阔思路的研究者们发现,这些貌似不同领域的问题,其实都是一些具有自我组织性的系统,无论是微小的DNA分子,宏观的气象变化,社会经济现象,还是演化中的宇宙星系,其实都可以被看作是一个可以自我调节的复杂系统。因此,研究这些复杂系统的共同规律,就是复杂科学要探索的问题。
  这些复杂系统都具有自身变化的动力。这种动力使得它们能够自我组织,自我调整,使系统对各种变化的因素产生反应。动力本身和系统的复杂结构有本质的区别,我们不能说,计算机芯片非常复杂,所以计算机运行就很复杂,恰恰相反,计算机只会严格地运行一些人们事先编好的程序而已。复杂系统的运行则具有一些计算机所没有的特征,如自发性,无秩序性等。虽然如此,这并不妨碍计算机仍然是科学研究最得力的工具。
  混沌理论可以说是复杂科学的一个重要的领域。在这方面,利用计算机构造的种种模型,人们已经意识到,在复杂系统中,极其简单的动力规律能够导致非常复杂的行为模式。这就好比说,虽然情感体验只有喜怒哀乐,恐惧和妒忌等少数几种,但是,对人而言,却会产生复杂的行为表现。而混沌理论本身却无法解释这种复杂系统的自我组织和内聚力。
  复杂科学蕴含在简单当中。一个活细胞,看似简单,实际上复杂得无法用任何数学形式来表达。复杂科学认为,无论是单个细胞,还是一个生态系统,一个社会,一个气象风暴,一个银河系,都是复杂的、混乱的,其运动变化都有同样的现象:最初的微小变化会导致全然不同的结果,简单的动力却会产生数不尽的运动模型。
  我们看到,复杂科学的研究范围是非常广阔的,其成果可以运用到各个领域。如果我们以一个地区的地球板块作为研究对象,那么,对其运动状态的了解,就可以使我们在一定程度上预报这个地区的地震发生。
  当然了,复杂科学在科学上的意义可不止这些具体而微的应用。更重要的是,它为科学研究提供了一种宏观的大视野,使得科学的进步不再局限于某个细节的突破,自然科学不再被各个学科细分为一个个的裂片和独立领地。在更广阔的研究领域内,复杂科学把科学家们联合起来。我们相信,科学家们的这种合作一定是有意义的,在交叉领域的取得的突破性成果,更彰显科学家们合作的价值。
  [责任编辑:李金]
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