（26）復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜性科學(xué)目前的問題

作者：張江jake

復(fù)雜性科學(xué)在剛剛誕生的時候曾經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，由于以前分散在各個領(lǐng)域的零散思想剛剛集合起來產(chǎn)生了不同思想之間的交叉,、變異和涌現(xiàn),，因而形成了非常豐富的成果。然而在這之后的十多年期間無論是理論的突破還是應(yīng)用方法論的突破上都沒有形成更大的突破,。在這里,，我嘗試從理論和應(yīng)用方法論兩個方面來指出復(fù)雜系統(tǒng)理論遇到的一些主要問題以及可能的有效解決方法。

1 理論方面

在《復(fù)雜》一書中,，有一章的名稱叫作《等待卡諾特》,，作者指出，當(dāng)時復(fù)雜性科學(xué)所面臨的情況就象是在熱力學(xué)系統(tǒng)在18世紀(jì)面臨的情況類似,，人們已經(jīng)積累了豐富的關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn),，然而卻沒有把這些經(jīng)驗(yàn)的積累上升到一個一般理論的高度。然而,，過了十多年,，關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的一般理論仍然沒有形成。

要建立一般復(fù)雜系統(tǒng)理論首先要解決復(fù)雜系統(tǒng)的建模與模型表示問題,。目前可用來充當(dāng)這類一般模型的備選方案有如下幾個：細(xì)胞自動機(jī)模型,、受限生成系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模型,。這三個模型雖然在表面上看略有不同,，但從計(jì)算的角度看它們是等價的,，也就是它們都支持圖靈計(jì)算機(jī),。可是難點(diǎn)是僅僅有這樣的模型還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,，更關(guān)鍵的是要解決若干理論問題,，這包括以下幾個方面：

關(guān)于計(jì)算概念的更進(jìn)一步理解

隨著復(fù)雜系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)模擬的深入研究，人們已經(jīng)逐漸意識到了計(jì)算這個更加根本的概念,。早在20世紀(jì)30年代圖靈通過建立圖靈機(jī)的模型就已經(jīng)從理論上解決了計(jì)算的本質(zhì)這個問題,。目前一切關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算模擬系統(tǒng)實(shí)際上都不會逃過圖靈機(jī)這個通用模型。實(shí)際上無論是細(xì)胞自動機(jī),，還是動態(tài)網(wǎng)絡(luò)或者其他各式各樣的計(jì)算系統(tǒng)都與圖靈機(jī)等價,。因此，至少從模型這個角度來講,，人們已經(jīng)可以用一種更加一般的視角來看待問題,。然而，僅僅具有這樣的視角是不夠的,。最原始的圖靈機(jī)模型僅僅能夠完成一些機(jī)械是的簡單運(yùn)算,。然而當(dāng)我們把若干圖靈機(jī)組成到一起構(gòu)成系統(tǒng)的時候更高一個層次的圖靈機(jī)作為系統(tǒng)層的個體出現(xiàn)了，雖然這個高層的個體仍然是圖靈機(jī)，但是它的功能從本質(zhì)上已經(jīng)不同于原始粗糙簡單的圖靈機(jī)了,。因?yàn)檫@個更高一層次的圖靈機(jī)具有了自學(xué)習(xí),、自適應(yīng)的屬性，而這種特性在一般的圖靈機(jī)中是不具備的,。

雖然在很多進(jìn)化系統(tǒng)中,，人們已經(jīng)看到了涌現(xiàn)性、學(xué)習(xí)性,、適應(yīng)性,，然而如何從圖靈計(jì)算這個更加本質(zhì)的視角去看待這些問題則仍然沒有討論。圖靈機(jī)如何通過與外界環(huán)境的交互實(shí)現(xiàn)自組織,？若干圖靈機(jī)如何聚集到一起形成更大的圖靈機(jī),？怎樣的圖靈機(jī)才能實(shí)現(xiàn)進(jìn)化與學(xué)習(xí)？如果從抽象的計(jì)算角度來考慮問題,，則我們有希望得到更加明確的答案,。

關(guān)于進(jìn)化

一般的進(jìn)化系統(tǒng)都可以抽取出兩方面的因素，一個是正反饋的力量,，一個是多樣性,。類似這樣的二元關(guān)系還有很多，例如生命的群集行為也同樣是受兩方面的制約,，一個是聚集到一起的相互吸引的作用,，另一個是相互排斥而保持個性的作用。我們知道,，類似這樣的二元關(guān)系在本質(zhì)上究竟是什么呢,？我們能不能運(yùn)用計(jì)算的觀點(diǎn)重新考察這種關(guān)系的一般原理呢？也許,，現(xiàn)在我們的首要任務(wù)是抽象出一個更加一般的進(jìn)化模型出來,。這個模型在不同空間維度、不同特征上的投影就是一個個具體的進(jìn)化模型了,。

現(xiàn)在研究人工進(jìn)化的人們總在考慮開放式的進(jìn)化,，盡量減小人為設(shè)計(jì)的因素。然而什么是人為設(shè)計(jì)因素的最小子集,？現(xiàn)在人們設(shè)計(jì)的開放式進(jìn)化系統(tǒng)仍然要設(shè)計(jì)環(huán)境,、設(shè)計(jì)進(jìn)化的規(guī)則，能不能讓這些因素也跟著進(jìn)化模型一起進(jìn)化起來,？然而,，我們要想人為地設(shè)計(jì)一個進(jìn)化系統(tǒng)總是需要有人開始最原始的設(shè)定來啟動它，那么人為設(shè)定因素在最少的情況下能達(dá)到什么程度呢,？

關(guān)于混沌邊緣的再認(rèn)識

朗頓在做出關(guān)于混沌邊緣的論斷的時候曾經(jīng)指出了混沌邊緣的細(xì)胞自動機(jī)和幾類計(jì)算模型之間的關(guān)系,。具體的講,，處于固定點(diǎn)狀態(tài)和循環(huán)狀態(tài)的細(xì)胞自動機(jī)對應(yīng)于會停機(jī)的圖靈機(jī)，對于混沌狀態(tài)的細(xì)胞自動機(jī)則對應(yīng)于不會停機(jī)的,，而對于處在混沌邊緣的復(fù)雜型細(xì)胞自動機(jī)則對應(yīng)于圖靈機(jī)的不可判定問題,。雖然這種聯(lián)系僅僅是朗頓的一個猜想，但是這樣的猜想是否有根據(jù)呢,？處于混沌邊緣的系統(tǒng)才會朝向越來越復(fù)雜的方向不斷進(jìn)化發(fā)展,，究竟是什么力量把系統(tǒng)推向混沌邊緣的？混沌邊緣又是如何形成的,？不可判定的一類計(jì)算問題是否直接對應(yīng)著混沌的邊緣呢,？處在混沌邊緣的系統(tǒng)又是如何把自己不斷的自組形成越來越大的系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)仍然處于混沌的邊緣呢,？比如處于混沌邊緣的分子可以形成細(xì)胞,，混沌邊緣的細(xì)胞群體可以形成生命體，而混沌邊緣的生命又可以形成更大的生命群體等等,。

生命,、智能和宇宙的起源

生命的起源、智能的起源,、宇宙的起源是三個當(dāng)今科學(xué)的最大的迷題,，人們?nèi)匀粵]有能力來回答這三個問題。宇宙的起源是公認(rèn)的最難的一個問題,，因?yàn)橛钪嬷饪諢o一物,，宇宙之前沒有任何原因，也就是說宇宙必須起源于“無”這個狀態(tài),。這一點(diǎn)是不能用科學(xué)和邏輯的方法來認(rèn)識的,。再考慮生命的起源，首先我們要知道生命是物質(zhì)組成及其演化的一種軟件方法,。這種軟件雖然是以物質(zhì)為基礎(chǔ)的,，但是這種軟件是在新的一個層次上的創(chuàng)生過程，軟件反過來又控制了物質(zhì),，它可以再一次自己來組織物質(zhì)從而進(jìn)行自我繁殖，這是一個閉圈,。而我們更加關(guān)心的是這個閉圈如何開始的,？這似乎就是一個先有雞還是先有蛋的問題。再考慮智能,，我們同樣面臨了一些奇怪的現(xiàn)象,。最主要的一點(diǎn)是，智能總能創(chuàng)造出規(guī)則的規(guī)則,。而且智能是在一個信息的虛擬空間中重新得到了再生,。這三個問題看似發(fā)生在三個領(lǐng)域,，然而它們是不是有可能是一個問題呢？也許這個問題就如同宇宙的產(chǎn)生在三個不同層次的反映而已,。復(fù)雜系統(tǒng)的理論突破也許最終都無法回避的要解答這些問題,。

計(jì)算機(jī)模擬的本質(zhì)

計(jì)算機(jī)模擬是研究復(fù)雜系統(tǒng)的一個主要方法。然而什么是計(jì)算機(jī)模擬的本質(zhì)呢,？正如計(jì)算的概念對圖靈機(jī)的關(guān)系一樣,，我么能不能找到一種描述模擬本質(zhì)的最小語言集合呢？甚至討論一些元模擬的問題,。對這類問題的研究必將會討論虛擬現(xiàn)實(shí)的種種可能性等問題,。比如一個明顯的問題是：假如我們真能夠造出了足夠真實(shí)的虛擬世界了，而該虛擬世界中已經(jīng)演出來智能生物,，那么這種智能生物能不能也會在它們的虛擬世界中再虛擬一個世界呢,？

另外一個問題，模擬的極限是否存在,？如果存在它會是什么樣呢,？我們在計(jì)算機(jī)模擬中會不會也可能遭受到類似歌德爾定理的限制呢？舉個例子我們不難想象出這種限制的可能性,。假如一臺超級電腦模擬了整個的宇宙,，而這臺電腦顯然是宇宙的一部分，那么電腦就要模擬這臺電腦自己,，因此整個宇宙的內(nèi)容都要被無限制的循環(huán)下去形成永無終止的怪圈,。

2、關(guān)于應(yīng)用方面

目前復(fù)雜系統(tǒng)理論的實(shí)際應(yīng)用主要是計(jì)算機(jī)仿真,、模擬方法,，而這類方法也存在著很多問題，下面一一進(jìn)行說明,。

計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)的開放性問題

我們可以把任何一個計(jì)算機(jī)仿真程序都看成是一個系統(tǒng),。如果人們設(shè)置好基本的參數(shù)和規(guī)則讓程序自發(fā)演化則這個系統(tǒng)整體就是一個封閉系統(tǒng)了。也就是說在沒有人的干預(yù)下,，該系統(tǒng)就會沒有新的信息被注入,。而按照耗散結(jié)構(gòu)論的觀點(diǎn)，類似這樣的系統(tǒng)畢竟會走向無序狀態(tài),。因此,，我們可以想見，這樣的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)能夠涌現(xiàn)出來的復(fù)雜性也不會是永恒增長的,，無論這樣的模擬系統(tǒng)多么復(fù)雜,，它必然會存在一個極限。

目前,，開放的人工系統(tǒng)也有一些,。Brooks的機(jī)器昆蟲就是一例,，然而這樣的機(jī)其昆蟲行為復(fù)雜性的來源基本完全取決于環(huán)境的復(fù)雜性，而環(huán)境的復(fù)雜性并不能引發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜性,。我們感興趣的復(fù)雜性應(yīng)該是一方面來自環(huán)境多變的信息,，另一方面是系統(tǒng)內(nèi)部在外界信息的作用下不斷演化生成的進(jìn)一步的復(fù)雜性。

涌現(xiàn)的多層次性

目前幾乎所有的計(jì)算機(jī)模擬都僅僅包括一個或兩個涌現(xiàn)層次,，而現(xiàn)實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)中的層次非常多,，所以不管怎么說，計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)的涌現(xiàn)層次是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,。這主要還是受制于運(yùn)行模擬程序的計(jì)算環(huán)境的限制,。在這樣的有限的環(huán)境下如何讓計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)涌現(xiàn)出更高的層次呢？我想這也許需要人們設(shè)計(jì)出更有效的方法來解決不同的層次性問題,。例如發(fā)明一種技術(shù)能夠根據(jù)用戶的需要在各種不同層次上動態(tài)的生成該層次的復(fù)雜系統(tǒng),。

對復(fù)雜系統(tǒng)的干預(yù)與控制

當(dāng)我們看到計(jì)算機(jī)生成的各種計(jì)算有趣的復(fù)雜系統(tǒng)的時候，總會自然而然的產(chǎn)生這樣一個問題,，我們能不能根據(jù)我們所希望的涌現(xiàn)特性來返過來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的底層規(guī)則呢,？進(jìn)一步，人類能否干預(yù)和控制復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展超想我們預(yù)期的方向呢,？答案是否定的,，因?yàn)檫@樣的過程會碰到還原論中的組合爆炸問題。但是,，觀察我們?nèi)祟惔_實(shí)一個很好的反例,。因?yàn)楫?dāng)人類觀察復(fù)雜系統(tǒng)的時候確實(shí)已經(jīng)能夠根據(jù)涌現(xiàn)出來的現(xiàn)象探索到底層的規(guī)則了。究其原因,，我想還是因?yàn)槿四X本身就是一個復(fù)雜系統(tǒng),，我們采用綜合微觀分析的方法不停地在腦中產(chǎn)生各種模型，讓這些模型去適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜系統(tǒng),。也就是說,，要想認(rèn)識現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)就必須仍然要創(chuàng)造一個復(fù)雜系統(tǒng)來。