从2021年诺贝尔物理学奖看复杂系统科学的时代意义

导语

复杂系统科学，也称复杂性科学（Complexity Science），兴起于20世纪80年代，是系统科学发展的新阶段，也是当代科学发展的前沿领域之一。复杂系统科学的发展，不仅引发了自然科学的变革，而且日益渗透到哲学、人文社会科学领域。著名物理学家霍金曾预言：21世纪是复杂性科学的世纪

学习时报 | 来源

最近，复杂系统（Complex Systems）这个词出现在诺贝尔物理学奖官方网站最醒目的位置。瑞典皇家科学院将2021年的诺贝尔物理学奖授予三位物理学家，表彰他们“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”。美籍日裔科学家真锅淑郎、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼因为“地球气候的物理建模，量化可变性并可靠地预测全球变暖”的研究共享了诺贝尔物理学奖的一半奖金；意大利科学家乔治·帕里西因为“发现了从原子尺度到行星尺度的物理系统中的无序和涨落的相互作用”而获得了诺贝尔物理学奖的另一半奖金。从爱因斯坦和普朗克开始，一百多年来人类的科学探究在一定意义上正是沿着复杂性视角确立的方向不断进步，2021年诺贝尔物理学奖的揭晓更加诠释了复杂系统科学的光明前景和时代意义。

   

1. 从无序的复杂系统中寻找有序

面对自然界与人类社会的复杂性问题，我们要坚持马克思主义科学的世界观方法论。真实世界是复杂的，物质在时空领域内相互作用，事物之间因此产生了非线性的普遍联系。在2021年诺贝尔物理学奖的颁奖词中有两个关键词：“气候”和“无序”。所谓“无序”，是指事物之间发生的一种无规则、不稳定的随机联系，这也是人们对各种复杂现象最直观的感受，但“无序”不是绝对的。在一个复杂系统中，无序在很大程度上源于混沌，秩序由混沌演化而来。获奖物理学家的研究有个共同点，即从无序的复杂系统中寻找有序，运用数学工具建立物理模型，从而精确预测混沌演化的结果。19世纪基于一系列新社会因素以及科学发现（如细胞学说、进化论）向辩证思维复归的历史事实，马克思、恩格斯运用唯物辩证法对物质在时空领域内普遍联系的科学研究，运用历史唯物主义对人类社会演化动力学的揭示，都充分反映出马克思主义世界观方法论的复杂性视域。面向21世纪，充分吸收复杂系统科学的最新成果，有助于我们深化马克思主义的世界观方法论，从而更加科学有效地应对自然与社会的复杂性问题。

 

2. 推动建构适用于复杂性问题的科学理论

加强前瞻性、引领性基础研究，推动建构适用于复杂性问题的科学理论。在科学研究中，发现一套新的理论就意味着已经敲响了下一个理论进步之门，而且会产生一系列连锁反应。如今我们面临的很多“卡脖子”技术问题，主要就是因为基础理论研究跟不上，源头和底层逻辑没有搞清楚。20世纪80年代前后，乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏着的模式，该项发现是对复杂系统科学最重要的贡献之一，这使得理解和描述许多不同的、完全随机的材料和现象成为可能，而且其影响不限于物理学，还涉及其他领域，如数学、生物学、神经科学和机器学习。综观三位2021年诺贝尔物理学奖获得者的成果，尽管选题有所差异但皆与“复杂”相关，复杂系统科学的前瞻性和基础性可见一斑。复杂系统科学的研究领域覆盖了从生命、宇宙到经济社会的一系列复杂性问题。2021年诺贝尔奖融入了对人类社会发展起决定性因素的重大事件的考量，深耕复杂系统科学的获奖者因其对人类命运的科学关怀而荣获表彰，复杂系统科学的引领意义不言而喻。

从15世纪下半叶开始，基于还原论的自然科学迅速发展起来，人们把自然界分解为各个部分，把各种自然过程和自然对象分成一定的门类，对有机体的内部按其多种多样的解剖形态进行研究。以牛顿为代表，近代自然科学形成以后，科学家开始习惯于将整体还原成局部来认识，比如化学研究分子，物理学研究原子，生物学研究器官、组织、细胞等。恩格斯批判过这种习惯，认为是把各种自然物和自然过程孤立起来，撇开宏大的总的联系去进行考察。复杂系统科学把世界视作一个整体，按照沃尔德罗普的说法，它是诞生于秩序与混沌边缘的科学，研究难度相当之高。复杂系统科学更强调整体论，对于世界总体图景的把握主要着眼于“整体大于部分之和”的涌现性（非线性作用的趋势和结果）。面对纷繁复杂的物理、信息和社会系统，复杂系统科学敢于突破学科壁垒，并且有能力提供一套全新的、可以理解复杂系统属性的概念框架。

    

3. 通过跨学科交叉研究推动原始创新

建立开放的学科体系，通过跨学科交叉研究推动原始创新。集大成者，方得智慧。当代科学技术发展的一个显著趋势，就是不同领域相互交叉融合，向整体论、一体化方向发展。习近平总书记在2020年科学家座谈会上强调，“科技创新特别是原始创新要有创造性思辨的能力、严格求证的方法，不迷信学术权威，不盲从既有学说，敢于大胆质疑，认真实证，不断试验”。推进原始创新，要求广大科技工作者敢于提出新理论、开辟新领域、探索新路径，但这不是毫无章法的冥想，跨学科交叉是促进原始创新的重要途径。在20世纪获得诺贝尔自然科学奖的466位顶尖科学家中，具有学科交叉背景的人数占总获奖人数的40%多。今年获奖的乔治·帕里西在粒子物理学、统计力学、流体动力学、凝聚物、超级计算机等多个领域作出过重大贡献并且得到广泛认可。

进入21世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。信息、生命、制造、能源、空间、海洋等领域的原创突破为前沿技术、颠覆性技术提供了更多创新源泉，学科之间、科学和技术之间、技术之间、自然科学和人文社会科学之间日益呈现交叉融合趋势，科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉。在这样的背景下，我们必须摆脱近代以来科学研究方法上受“还原论”的束缚，主动做“智者不夸其所长”的典范，不能因学问越做越深而知识面越来越窄。我们要在不同学科群之间推动协同创新和集成创新，进而探索出在不同学科领域都相互印证的规律性认识。

 

4. 科学应对万物智联时代的治理难题

促进复杂系统科学向人文社会科学领域延伸，科学应对万物智联时代的治理难题。随着人类对物质世界运动规律的认识不断深化，自然科学与人文社会科学的方法互通性日益凸显，从而延伸出大量交叉学科，譬如复杂经济学——基于量子力学的世界观和熊彼特技术创新理论重新建构了经济学的研究范式：收益递增、路径依赖、随机性小事件、进化。为了更有效地破解经济社会治理难题，复杂系统科学向人文社会科学领域延伸是大势所趋。19世纪中叶英国完成第一次工业革命，那个时候马克思、恩格斯便敏锐地发现了社会化大生产作为一种历史趋势的必然性。

今天，我们正在经历大数据和智能化驱动的第四次产业革命，社会化大生产之“大”无论在规模还是深度上都超越了19世纪。人类命运共同体在全球供应链体系与数字基础设施的矩阵中，将逐步超越国界、深入互联互通，虚拟空间与现实世界的结合将在时空叠加的宽广维度上更加紧密。在一个万物智联的时代，经济社会系统是开放的，其耗散结构特征越来越明显，系统的“新陈代谢”始终伴随物质和信息的流动，这是远离平衡态的，而在远离平衡态时会产生一种使之趋于平衡的动力。我们一方面感慨于现代化的突飞猛进，另一方面也忧虑不确定性不稳定性明显增强隐藏的危机挑战。目前，已经有学者通过引入复杂性科学方法来拓展科学社会主义方法论，以此推动科学社会主义面向21世纪经典范畴与传统命题的更新，譬如海因茨·迪特里奇基于系统论、控制论对社会主义演化发展的复杂动态性研究，以及一些学者基于量子复杂系统理论对社会主义建设体系的研究，都是值得重视的。

我们正处在一个发生深刻而复杂变化的时代，“不确定性”可能是这个时代最大的“确定性”。当下我们越是深入探究自然和社会的奥秘，就越是能敏锐感知到变幻无穷的复杂性。三位物理学家的研究成果让我们看到了复杂系统科学的适用性，更加让我们坚信这一前沿理论方法能够有效帮助人类应对日益凸显的复杂性问题。

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