复杂系统科学研究的新进展课件

1、复杂系统科学研究的新进展一、复杂系统科学及其方法的意义 1、思想、方法上的反传统A、经典科学方法论分析传统 ： 还原论原子论； 更深的基础1+1=2。B、具体处理方法 隔离法微积分C、正面作用：合理与必要性D、缺陷与不足：拉美特利（La Mettrie）( 1+12)：沙子与人体系统“拼装人”？以上仅是简单类比，20世纪复杂性研究新发现2、复杂系统研究新进展：A、自组织现象 a、贝纳德（Benard） 对流花纹 1900年，法国学者贝纳德（Benard）发现：一层流体，上下各与一个很大的恒温热源板接触，两板间的距离h远小于板的宽度和长度，见下图。 图贝纳德实验示意图 当两板温度相等时，流体处于

2、平衡态。升高下板温度，使T2 T1，由于温差的存在，热量Q不断从下板通过液体流向上板。 然而，只要温差T= T2- T1不大，从宏观上看，整个液体仍保持静止。当温差增大到超过某一阈值时，液体的静止热传导状态会被突然打破，取而代之的是对流状态。下图的左边是对流状态的俯视图，从中可见到类似蜂房的规则六边形的对流格子，其中每个六角形中心的液体向上流，边界处液体向下流；右边则是竖截剖面上的对流示意图，也叫贝纳德“蛋卷”。 这里的问题是，在热传导状态下，液体分子的相互作用在空间上是各向同性的，即对称的，因此，分子在各个方向上作无规则的热运动。而在对流状态下，千千万万个分子被组织起来参加了统一的运动。 从

3、现象上看，控制发生对流的关键因素是宏观参量温差，并不是导致微观分子进行统一行动的直接指令。正是由于控制参量与系统的整体行为没有直接的对应关系，系统的整体统一行为具有自发的特征，人们才把这种现象叫做自组织现象。 类似的例子还有很多b、激光 一般情况下，半导体材料中 的每个活性原子彼此独立地发出 光波，光的频率、位相和方向都是无规则的，这样的光叫自然光，很弱。当在半导体两端加上电压后，即用光泵浦给系统输送能量，如果光泵功率低于某一临界值，半导体材料不会改变这种无规则发光的特点。然而，一旦光泵功率超过这一临界值时，各个活性原子似乎被某种力量自动组织起来，以统一的频率和相位，朝同一方向发出光波。分子间

4、的这种协同作用，使输出的光成为单色性、方向性和相干性极好，且强度大大加强的激光 那么是什么因素支配着活性原子从一种微观无序的状态转化为宏观有序的状态的呢？ 激光是20世纪60年代物理技术上的一项重大发明另一个例子：摇晃容器中的磁块但是， 20世纪60年代以来,在牛顿力学的范围内，人们有了全新的发现，如三体小行星系统表明：小星体的运动，对初始条件的改变很敏感，用一句中国古语来形容，即失之毫厘，谬之千里。 而关于这类课题的一般研究则表明，以“初值敏感”为特征的随机行为在复杂系统中是普遍存在的，这一点已被数学家严格地论证过。 对初值敏感现象最形象的描述，莫过于“蝴蝶效应”一词了：“今天在北京有一只蝴

5、蝶扇动空气，可能改变下个月在纽约的风暴。” 可是，初值敏感的具体机制到底是怎样的呢？ 用牛顿法求方程z4-1=0的根所得到的“项链” 。 科赫曲线及雪花 类似的图形还有席尔宾斯基地毯和门杰海绵： 3、意义当代显学： 重提与量子力学、相对论的并列 方福康：在2012钱学森科学和教育思想研讨会（系统科学思想专题分会场）恰逢其时；恰逢其世；恰逢其势 概况： 系统科学与复杂性研究是近几十年来持续的学术热点问题之一，由此人们在相关研究的进步中在许多问题的理解和处理上取得了一些有目共睹的成就。4、若干明显不足：二、当下研究的的若干重点问题 除了上述不足，许多人对当前系统科学研究的现状还进行过其他多角度的分

6、析，如三个流派欧洲、美国和中国及其特点的比较分析。（顾基发（系统所原所长）、苗东升（复杂性研究的成就与困惑.系统科学学报，2009(1) ） 还有目前应该关注的一些问题： 1、信息与神经科学研究 2、还原-整体论的关系 3、中国学派的成长1、信息与神经科学研究 2012-10，第六届全国科学方法论学术研讨会，韩济生院士的基调报告，针刺研究的方法学问题即如此。 方福康，科学家的风格：图表，数据、方程。 2012-12-6：主题报告； “神经系统中的复杂性研究”（上海理工大学学报，2011 -2） 脑、神经科学研究的进展 微观研究，进步非常快。 饶毅。3个单位的美国基金资助北大、清华、师大：100

7、万10年。 但宏观，跨层次研究明显不足，涌现、突变机制不清楚； 其次，信息与物质，能量交流、转化机制尚不清楚。 记忆研究：行为-巴浦洛夫；细胞-突触生长；分子层次：蛋白质变化。 这些不同层次的反应，信息都起着积极、主动的作用。 附录：SCIENCE公布125个科学前沿问题 2 意识的生物学基础是什么?15 记忆如何存储和恢复? 17 怎样从海量生物数据中产生大的可视图片? 87 信息素影响人类行为吗?88 一般麻醉剂如何发挥作用?89 导致精神分裂症的原因是什么?90 引发孤独症的原因是什么?91 阿兹海默症患者的生命能够延续多久?92 致瘾的生物学基础是什么?93 大脑如何建立道德观念? 不是专家，不敢妄言。附录1：其实，其他的一些整体方法也同样体现了整体与部分不可分割的相互联系。 比如中医的经络学说同役使原理一样，虽然本质上是一种从整体到达部分的行之有效的方法，但它最终也还是离不开从微观脏器及其机能对宏观机