17世紀至20世紀初，還原論就一直在科學(xué)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，當(dāng)時科學(xué)的主要目標都是用基礎(chǔ)物理學(xué)來對一切現(xiàn)象進行還原論式的解釋。但20世紀的科學(xué)見證了還原論夢想的破滅。

雖然基礎(chǔ)物理學(xué)和還原論對于解釋極大和極小的事物取得了偉大的成就，但對于接近人類尺度的復(fù)雜現(xiàn)象的解釋上，它們卻保持著驚人的沉默。

天氣和氣候無法長期精準預(yù)測，生物與疾病的復(fù)雜和適應(yīng)性，社會的經(jīng)濟、政治和文化行為等等問題，都是還原論無法解釋的。于是，新的學(xué)科開始被建立，其中就包括復(fù)雜學(xué)科。

一、什么是復(fù)雜

1.復(fù)雜性是什么

任何一個對蟻群有過了解的人都知道，單只螞蟻幾乎沒有智商，同伴之間靠簡單地分泌信息素來溝通。但是如果將上百萬只螞蟻放到一起，群體就會組成一個整體，形成具有所謂“集體智能”的“超生物”，整個蟻群一起構(gòu)造出的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得驚人。

蟻群具備“逢山開路，遇水架橋”的本領(lǐng)，比如遇到一條河過不去，蟻群可以抱成一個團滾過去。蟻穴就更驚人，蟻穴有育嬰室、垃圾房、蟻后的房間和囤積食物的房間等等，其復(fù)雜程度連人類建筑師都嘆為觀止。

類似的還有人類的大腦。在大腦中，有數(shù)億個神經(jīng)元，這些簡單個體的活動及元群的連接模式?jīng)Q定了感知、思維、情感、意識等重要的宏觀大腦活動。

再比如免疫系統(tǒng)，簡單個體是細胞。白細胞能通過其細胞體上的受體識別某種可能入侵者相對應(yīng)的分子，從而分泌抗體搜尋和摧毀入侵者。加上B細胞、T細胞、巨噬細胞等等，細胞們一起上演免疫反應(yīng)的大合奏。

類似這種由簡單個體構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的還有人類的經(jīng)濟系統(tǒng)、萬維網(wǎng)等等。令專家學(xué)者感到不解的是，在沒有中央控制的情況下，這些簡單的個體到底是如何構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)，產(chǎn)生復(fù)雜的行為的？更為神秘的是，一些本來不具備智慧和意識的物質(zhì)（如大腦神經(jīng)元），到底是如何涌現(xiàn)出“智能”和“意識”的？這些正是復(fù)雜系統(tǒng)所關(guān)注的問題。這些問題，作者會在之后的章節(jié)中做系統(tǒng)性研究和探討。

2.復(fù)雜系統(tǒng)的共性

通過以上的復(fù)雜系統(tǒng)范例，作者總結(jié)了復(fù)雜系統(tǒng)的三點共性。

（1）復(fù)雜的集體行為

復(fù)雜系統(tǒng)的個體一般都遵循相對簡單的規(guī)則，不存在中央控制或領(lǐng)導(dǎo)者。大量個體的集體行為產(chǎn)生出了復(fù)雜、不斷變化且難以預(yù)測的行為模式。

（2）信號和信息處理

所有這些系統(tǒng)都利用來自內(nèi)部和外部環(huán)境中的信息和信號，同時也產(chǎn)生信息和信號。

（3）適應(yīng)性

所有這些系統(tǒng)都通過學(xué)習(xí)和進化過程進行適應(yīng)，即改變自身的行為以增加生存或成功的機會。

3.什么是復(fù)雜系統(tǒng)

那么，究竟什么是復(fù)雜系統(tǒng)呢？關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的定義，作者總結(jié)了以下兩點：

（1）復(fù)雜系統(tǒng)是由大量組分組成的網(wǎng)絡(luò)，不存在中央控制，通過簡單運作規(guī)則產(chǎn)生出復(fù)雜的集體行為和復(fù)雜的信息處理，并通過學(xué)習(xí)和進化產(chǎn)生適應(yīng)性。

（2）如果系統(tǒng)有組織的行為不存在內(nèi)部和外部的控制者或領(lǐng)導(dǎo)者，則稱之為自組織。由于簡單規(guī)則以難易預(yù)測的方式產(chǎn)生出復(fù)雜行為，這種系統(tǒng)的宏觀行為有時也稱為涌現(xiàn)。由此復(fù)雜系統(tǒng)有了另一個定義：具有涌現(xiàn)和自組織行為的系統(tǒng)。

因此，作者認為研究復(fù)雜系統(tǒng)的核心問題是：涌現(xiàn)和自組織行為是如何產(chǎn)生的。

二、復(fù)雜系統(tǒng)研究的背景和歷史

通過第一部分，我們已經(jīng)對“復(fù)雜”有了初步的了解，讀者可能會有一肚子疑問。那么第二部分，作者就向我們介紹了復(fù)雜系統(tǒng)的一些核心概念（如信息、計算、序和生命等）的歷史和背景，幫助讀者更系統(tǒng)地了解復(fù)雜系統(tǒng)。

1.動力學(xué)、混沌和預(yù)測

動力學(xué)的發(fā)展

了解復(fù)雜系統(tǒng)，我們得先了解一下動力系統(tǒng)理論，因為只要你想得到的系統(tǒng)幾乎都是動力系統(tǒng)。比如太陽系、心臟、大腦、氣候等等。亞里士多德是目前已知的最早論述運動理論的人之一，他認為地面上的運動與天上的不同；不同物質(zhì)組成的物體運動方式也不一樣。顯然，這些缺乏實驗驗證的理論后來被證明都是錯誤的。亞里士多德的思想一直統(tǒng)治著西方科學(xué)，直到伽利略的出現(xiàn)。

還記得教科書中學(xué)過的比薩斜搭自由落體實驗嗎？伽利略用這個科學(xué)的實驗駁斥了亞里士多德的觀點。于是，隨著實驗方法的出現(xiàn)，科學(xué)革命不可避免地發(fā)生了。

牛頓創(chuàng)建了動力學(xué)，為了創(chuàng)建動力學(xué)，他還發(fā)明了微積分。偉大的牛頓創(chuàng)建了三大定律及萬有引力定律，以這些定律作為基本概念解釋了一切物體的運動，包括行星。牛頓力學(xué)描繪了一幅“鐘表宇宙”的圖景：設(shè)定好初始狀態(tài)，然后就遵循著三條定律一直運行下去。

“測不準原理”和混沌學(xué)

因此，數(shù)學(xué)家拉普拉斯在1814年斷言，根據(jù)牛頓定律，只要知道宇宙中所有粒子的當(dāng)前位置和速度，原則上就有可能預(yù)測任何時刻的情況。

然而20世紀的兩個重要發(fā)現(xiàn)，打破了這種準確預(yù)測的幻想。第一個發(fā)現(xiàn)就是海森堡的“測不準原理”，證明不可能在準確測量粒子位置的同時，又準確測量其動量。

第二個發(fā)現(xiàn)就是混沌?；煦缰傅氖且恍┫到y(tǒng)對于初始位置和動量的測量如果有極其微小的不精確，也會導(dǎo)致對其長期預(yù)測產(chǎn)生巨大的誤差。也就是常說的“對初始條件的敏感依賴性”，最典型的例子就是蝴蝶效應(yīng)。