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【科普系列之一】 無尺度網絡的發(fā)現與通向成功的曲折道路 ——略談網絡科學領軍人物巴拉巴西的故事 方錦清
1999年10月美國圣母大學物理學教授,、現代網絡科學的領軍人物——巴拉巴西及其博士生阿爾伯達，在美國《科學》上發(fā)表了題為“隨機網絡中標度的涌現”的論文,，發(fā)現了無尺度網絡,。由于小世界網絡和無尺度網絡的兩項發(fā)現誕生了現代網絡科學，值得注意的是,，這兩項發(fā)現都是兩個年輕的博士生在導師指導下分別作出的創(chuàng)新性貢獻,，再次驗證了一個顛撲不破的真理：科學史上許多重大發(fā)現往往得益于年輕人的創(chuàng)新性貢獻。但是,，任何發(fā)現都不是一帆風順的,，無尺度網絡的發(fā)現充滿了曲折的道路。 巴拉巴西小組在研究萬維網時發(fā)現：網絡圖中有一批“中心”節(jié)點帶有異乎尋常多的鏈接的節(jié)點。這個事實雄辯地說明：小世界模型和隨機網絡都存在重要的明顯缺陷,，制約了對網絡世界乃至對整個宇宙的完全理解,。大量的數據促使巴拉把西小組尋找對真實網絡的更好的解釋，并最終迫使他們必須拋棄到迄今所掌握的所有的對網絡的理解,。從而揭示了令人驚奇的事實:萬維網基本上是由少數高連接性的頁面串連起來的,，80%以上頁面的連接數不到4個。然而只占節(jié)點總數不到萬分之一的極少數節(jié)點,，卻有1000個以上的連接,。 后續(xù)的網絡調查研究進一步顯示，有一份文件已經被超過200萬的其他網頁所連接! 由此,，巴拉巴西小組在計算恰好擁有k個連接的萬維網頁面的數目時,，發(fā)現網頁的連接分布遵循所謂的"冪律函數定律"，即節(jié)點度為的度分布概率呈現為冪函數分布形式,，其中為節(jié)點的度,，為冪函數的冪律指數，如果把冪律指數與節(jié)點的度的關系畫在雙對數坐標中,，兩者是一條直線關系，而直線的斜率就是冪律大小,。由于度分布的特點并沒有特征長度,，只有幕律，因此被稱為無尺度網絡,，其最大特點是,，整個網絡中節(jié)點度分布極不均勻的，只有極少數節(jié)點擁有很高的度值,，而大多數節(jié)點的度很小,，這種特性具有普遍性。這就是無尺度網絡的特性,，于是,，他們發(fā)現了自然界和人類社會里普遍存在一大類型網絡——無尺度網絡，典型實例有：社會人際網,、科學家合作網,、蛋白質調控網、好萊塢演員網,、新陳代謝網,。因此，想方設法要從理論上來闡明無尺度特性產生的物理機制,。
無尺度網絡的發(fā)現和尋找機制的過程反映了網絡科學的誕生和發(fā)展所經歷的曲折道路,，其最好的代表和見證，就是巴拉巴西自己所經歷的許多失敗和挫折,。他經過20年的奮斗,，除了出版二部網絡科學的科普著作：《鏈接》和《爆發(fā)》,，他于2014年才出版了第一本專著《網絡科學》，該書自述了許多真實的故事,，特別是透露了他經歷的五次失敗教訓：他不僅有3篇論文(1995,，1996，1998))曾經被拒發(fā)表,，還有一次映射網絡的探索失敗(1996),；而且因開始無尺度特性缺乏確切的數學證明被諷刺挖苦，因此在1999申請美國國家基金和美國國防部項目都失敗了,。但是,，這五次挫折失敗都沒有使他喪失斗志。更有無尺度網絡投稿給他留下難忘的故事,。1999年巴拉巴西到歐洲波爾圖參加國際會議時,，他一直不斷突發(fā)奇思異想，他頻繁地通過電子郵件與博士生阿爾伯來來回回討論,，讓她驗證了許多實際網絡的共同特性,，終于揭示了一大批實際網絡生成無尺度網絡s都是基于兩步機制，第一是網絡隨時不斷增長演化,。如萬維網的頁面數量就是不斷增加的,。1990年整個萬維網只有一個網頁，而到今天它的網頁數已經超過了上百億了,。大部分網絡也都具有類似的演化增長過程,。大約30多年前，整個因特網只有幾個路由器,，隨著新的路由器與網絡原有的路由器相連接,，如今路由器的數量已經高達成百上千萬了。由于現實中的網絡具有不斷演化增長性,，所以老節(jié)點獲得連接的機會就比較高,，且越來越高。第二,，優(yōu)先或偏好連接度大的節(jié)點,。并非網絡的所有節(jié)點都是平等的。在選擇將網頁連接到何處時,，人們可以從數十億個網站中進行選擇,。然而我們大部分人只熟悉整個萬維網的一小部分，這一小部分中往往包含那些擁有較多鏈接的站點,，因為這樣的站點更容易為人所知,。只要鏈接到這些站點，就等于造就或加強了對它們的偏好。這種"優(yōu)先（偏好）鏈接"的過程,，同樣發(fā)生在其他網絡中,。在好萊塢，鏈接關系較多的影星更容易受到新秀們的重視,。而在因特網上,，那些鏈接較多的路由器通常還擁有更大的帶寬，因而新用戶就更傾向于鏈接到這些路由器上,。類似地,，被引用較多的科學文獻，會吸引更多研究者去閱讀和引用,?？梢娫鲩L性和優(yōu)先（偏好）連接這兩種機制，有助于解釋中心節(jié)點的存在:當新節(jié)點出現時,，它們更傾向于連接到已經有較多連接的節(jié)點,，隨著時間的推進，這些節(jié)點就擁有比其他節(jié)點更多的連接數目,。這種“富者逾富”的過程,，也叫“馬太效應”，這使得早期節(jié)點更有可能成為網絡的中心節(jié)點,。既然已經搞清楚無尺度網絡的生成機制,，于是巴拉巴西就急于把論文寫出來?？上В檬露嗄?。首先他在飛機上趕寫論文初稿時,，不幸被空姊一杯可口可樂灑他的筆記本電腦上，結果竟然電腦報廢了,，他不得不頑強地用筆寫完初稿,。回去后他馬上投稿給美國“科學”雜志,，但是10天后論文沒有經過專家評審就被退回了,。他感到非常失望，同時他堅信自己的論文首創(chuàng)性,。于是他給退稿的編輯打了電話,，極力說服他改變初衷。結果他的抗爭成功了,。他們的論文“隨機網絡中的標度涌現”終于在1999年美國頂級《科學》雜志上發(fā)表了,，從此一舉成名，他與小世界網絡的發(fā)現并舉奠定了網絡科學的誕生的基礎。 巴拉巴西的經驗教訓非常值得我們吸取,，中國學者包括我自己,，往往缺乏那種堅持抗爭的精神，使得一些創(chuàng)新成果在國際頂級刊物失之交臂,。
克林頓總統(tǒng)逛上海網吧的故事 什么是互聯網,？它是指全球所有電腦用電話線或電纜或光纖連接后形成的龐大網絡,，它是現實世界的“鏡像世界”，猶如一個城市海邊的摩天高樓倒映在平靜的海面上一樣,，它是現實世界的虛擬網絡,，與實際網絡世界既有內在聯系，又有差異和共性,。上網發(fā)電子郵件和瀏覽網頁是互聯網最常用,、最基本的功能，也是最便捷的傳遞信息的一種現代化手段,。任何人都可通過申請,獲得自己的電子信箱,，上網發(fā)送郵件到世界上任何用戶的信箱里，并從電子信箱中讀取任何信件,，內容不僅僅包含文字,，還可包含照片圖像、聲音,、動畫,、視頻等多媒體信息。這種通信特別輕松便捷,，真正實現了地球村的夢想,。 講一個網吧里的真實故事。1998年7月1日,，美國總統(tǒng)克林頓來華到上海一間名為 "3C+T”的網吧參觀,，幾乎轟動大半個世界?？肆诸D總統(tǒng)為什么到網吧參觀,？一是顯示1968年因為軍事需要美國發(fā)明了互聯網，當初創(chuàng)立的這項高科技現在變成為人類交流服務的一個巨大平臺,，產生了深遠影響,；二是了解中國網民，特別是與青少年對話,，密切兩國聯系,。三是總統(tǒng)也是“網迷”,，每天要上網了解國內外動態(tài)。那天上午十點左右,，浩大的總統(tǒng)車隊開到了網吧門口,，總統(tǒng)與隨行的美國商務部長等一起走入網吧。他滿面笑容向大家揮手致意,，在電腦前坐下,，上海網蟲代表——兩位上海中學生及其老師陪同總統(tǒng)上“網吧”聊天。值得注意的是,，克林頓總統(tǒng)興致勃勃地親自點擊白宮網頁,，高興地看到了幾天不見的美國的“家”，隨即瀏覽了一些美國國內有關他訪華的報道,，看后他心滿意足地笑了,。在中美記者采訪中，克林頓翹起大拇指,，高度評價了中國年輕一代對外部世界探索的熱情和勤奮好學的精神,。這個消息在中外互聯網上飛快傳開了，上海網吧名揚全球,。試問：現在誰能離開互聯網,？網絡無時不在，無處不在,。普通老百姓關心的油鹽醬醋,，衣食住行，網上購物,，網絡娛樂,，應有盡有。投資者通過網絡進行股票基金交易,；創(chuàng)業(yè)者在互聯網上發(fā)布產品,、尋找伙伴、籌措資金,。任何一家研究機構、圖書館和博物館的館藏資料規(guī)模都無法與互聯網上所開放的資料規(guī)模相提并論,。通過互聯網,，不僅做到“秀才不出門，能知天下事”,還能辦任何事,。這就是互聯網的魅力所在,！ 現在，每天上網已經是上班族和學生們幾乎不可缺少的生活一部分,，不論在電腦上,，還是在手機上,，上網非常便捷，遨游在網絡世界里,。隨著移動互聯網的飛速發(fā)展,，網絡的魅力越來越吸引了廣大網民，截至2014年12月我國網民規(guī)模已超過6.49億,大大超過世界平均水平,，我國早就是互聯網應用的泱泱大國,。 請問，究竟有多少人真正了解網絡是怎么一回事,？于是自然會提出一系列普遍關心的網絡問題： 什么是網絡和網絡世界,？ 怎么漫游網絡世界？ 哪些科學家在探索網絡奧秘中作出了嬌人成績? 從科學家精彩人生里我們能學到什么品德和精神,？ 網絡究竟有哪些豐富多彩的應用,？ 如何在網上自由而安全地瀏覽網頁？ 或如何做自己喜歡的事情,？ 怎么注意預防網絡詐騙,、陷阱和危害？等等,。 科普著作《漫游網絡世界》（中國原子能出版社出版,，2014）內容豐富（34.3萬字），基本上回答了上述問題,，有助大家增長現代網絡知識,，不斷開拓思路，提高遨游網絡的自覺性,，增強駕馭網絡的能力,，從而更好地利用網絡為我服務，促進網絡健康發(fā)展,，推動網絡更加美好應用,。
古希臘的神話故事與互聯網的脆弱性
——兼談孩子培養(yǎng)問題
前言:今天是母親節(jié),，人人以各種各樣的方式表達自己對于自己的母親的愛，慶祝母親節(jié),，這當然是因為母親給了每個人的生命,、智慧和膽量。這里,，我要講一個故事,，從中能夠得到一個重要啟發(fā)：請普天下的母親們，不要過分寵愛自己的孩子,，不論是嬌生慣養(yǎng),，還是過分偏愛,，都是會造成自己孩子的致命的弱點。請看下面故事,，讓我們一起吸取其中的深刻的經驗教訓,！ 著名英國《自然（Nature）》雜志在2000年7月27日的封面標題為“互聯網的阿基里斯的腳踵（Achilles’Heel of Internet）”，并有突出圖片所示.
“阿基里斯的腳踵” 今天是母親節(jié),，,，讓我想起一個古希臘傳說中的一位杰出的英雄，他名叫阿基里斯,。據說,，他出生時，其母為了造就他一副刀槍不入的鋼鐵之軀,，便提著他的身體放在地獄的冥河里去浸泡,，以此身經百練，果然,，讓他煉就了一身非凡本領,，刀搶不入。但是,，值得注意的是,，他的一只腳根卻握在母親手中沒有浸泡在冥河里，這只腳根與普通完全一樣,，這成為這位英雄的致命弱點,。后來，敵人知道后,，在一次戰(zhàn)爭中,，敵人射中了他的這只腳后根。這位戰(zhàn)功赫赫,、所向無敵的英雄最終死于自身的這一致命弱點,。這里故事生動地一語道破天機，即在諸如互聯網等那樣的無標度網絡內由于存在“中心節(jié)點”,，也就是隱藏著人們未曾料到的一個致命弱點,，只要協(xié)同攻擊網絡中的最大（次大等）的“中心節(jié)點”就能夠使整個網絡崩潰。因此,，現在人們常用“阿基里斯的腳踵”來生動地形容,，并提醒大家特別關注復雜網絡系統(tǒng)里普遍樣存在這種面對攻擊的致命問題——脆弱性。 復雜網絡系統(tǒng)內的穩(wěn)健性和脆弱性是共存的現象,，是深入理解大自然和人類社會里普遍存在無尺度網絡行為模式的關鍵所在?？茖W家通過仿真實驗證明了,，細胞的蛋白質網絡,，在發(fā)生隨機突變的情況下不會崩潰。事實上,，我們可以刪除細胞網絡中的許多節(jié)點,，而不會對生物體造成致命傷害。不過,，如果某種藥物或疾病關閉了編碼生成連通性最強的蛋白質的基因,，細胞就無法生存了。與此類似,，有人對食物鏈所做的仿真實驗也發(fā)現,，生態(tài)系統(tǒng)可以很容易地挺過隨機的物種滅絕。不過,，如果高連通性的關鍵物種被移除,，生態(tài)系統(tǒng)也會瞬間崩潰。 在這個問題上,，科學家比較深入地研究了加利福尼亞的海獺,。19世紀時，由于人們過度捕獵獲取海獺的毛皮,，它在美國加利福尼亞州海岸消失了,。美國聯邦執(zhí)法官員在1911年禁止獵捕這類動物，海獺種群又迅速恢復了,。由于海獺以海藻為食,，海獺多起來后，海藻數量減少了,。海藻一少,，海藻最喜歡吃的食物數量大幅增長了起來。海藻的增加也就為海洋魚類增加了食物,，避免了加州海灘的退化,。因此，保護好了網絡中一個處于“中心節(jié)點”的物種,，就能極大地改變了海岸的經濟自然生態(tài)環(huán)境,。可見,，人類也可以從無尺度網絡學會如何控制大自然和社會活動的一定規(guī)律,，更好地駕馭世界。 結束語：
我們從中能夠得到一個重要啟發(fā)：請普天下的母親們考慮,，如何才能不過分寵愛自己的孩子,。不論是嬌生慣養(yǎng)，還是過分偏愛,，都是會造成自己孩子的致命的弱點,。上面的故事和互聯網的事實,，告訴我們：必須吸取其中的深刻的經驗教訓！ 我們必須深入思考怎么更好地培養(yǎng)自己的孩子,，使他們真正成為國家未來的棟梁,！ |
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