鸟群为何能有序飞行？分子如何形成有生命的个体？复杂系统科学在探索

原创集智编辑部 2025-05-09 18:24 上海

复杂系统科学如何认知世界？

导语

20世纪科学在宇宙演化和基本粒子领域取得辉煌成就，但却难以解释生命、社会与智能等系统的复杂性。复杂系统科学应运而生，成为破解这些难题的关键。北京师范大学狄增如教授带我们回顾科学发展的历程与挑战，揭示复杂系统科学如何突破传统学科的局限，用“涌现”和“自组织”等概念，重塑我们对世界的认知。

关键词：涌现，自组织

狄增如 | 受访者

集智编辑部 | 整理

我们为什么需要复杂系统科学？

复杂系统科学实际上是科学技术发展到现阶段的一个自然进程。20世纪，科学研究取得了极为重大的成就，使我们对宇宙的起源与演化有了深刻的认识。从宏观角度看，我们了解了宇宙的整体结构；从微观角度看，我们掌握了基本物质结构及其相互作用的规律。这些成就代表了人类科技文明最辉煌的成果。然而，这些科学认识主要集中在两个极端：一端是宇宙最宏大的时间与空间尺度，另一端则是基本粒子与相互作用的最微小尺度。相比之下，在我们日常生活的宏观世界中，包括生命、社会和智慧等领域，我们反而缺乏深入的科学认识。

因此，进入21世纪以来，宏观世界的复杂性挑战成为科学研究的一个重要领域。2021年的诺贝尔物理学奖授予了三位在复杂物理系统研究中作出突出贡献的科学家。而2024年的诺贝尔物理学奖和化学奖，虽然表面上颁给了人工智能领域，但实际上更关乎复杂系统科学。这两个奖项的核心科学问题均聚焦于生命与智能等复杂系统科学领域。由此可见，复杂系统科学是人类在理解宇宙和基本物质结构之后，回过头来重新审视身边宏观世界的重要学科。这个宏观世界的空间和时间尺度恰好与我们的日常生活密切相关，涵盖了许多与我们息息相连的科学领域。然而，在这些领域中，许多问题尚未得到真正的科学解答，这也正是复杂系统科学日益受到关注的一个重要基础。

当我们探讨复杂系统科学时，其研究重点大多集中在宏观领域。生命、生态、气候、环境等都是这一领域中的典型研究对象。对于宏观领域的复杂系统，科学认识的一个核心概念和重要挑战在于对“涌现性”的理解。涌现性是复杂系统的一个典型特征，正如诺贝尔物理学奖获得者安德森（Philip Anderson）在1972年发表于《Science》杂志的文章《More is Different》中所指出的：当大量单元组成一个系统时，整个系统会展现出单个单元所不具备的性质和功能。这种现象是涌现性的典型表现。

涌现性如何产生，成为复杂系统科学研究的核心问题。具体的例子在生命领域中尤为显著。例如，任何一个生命个体都是由分子和原子构成的，单个分子或原子显然无法完成诸如做报告或科普讲解的任务。然而，当大量分子和原子通过特定组织形式构成生命体时，这个系统便具备了呼吸、交流甚至进行科普报告的能力。这种新功能的出现正是涌现性的典型体现。如何认识和理解这些新功能通过单元间的相互作用而涌现，成为复杂系统科学研究中一个至关重要的科学问题。

关于涌现，有哪些研究进展？

刚才我们提到，复杂系统的涌现性是系统科学研究中一个核心的科学概念和关键问题。而自组织理论则是在这一研究方向上的一项重要科学进展。自组织理论由比利时科学家普里高津教授创立，他因此获得了1977年的诺贝尔化学奖。其研究的核心科学问题是：复杂系统如何通过单元之间的非线性相互作用，自发形成有序结构。这一问题在生命领域中尤为典型。生命体正是通过各种分子和原子的自发组织，在某种特定条件下形成有序结构，从而具备了生命特有的特征和功能。

在自组织理论发展之前，人们普遍认为，生命的“活世界”与物理、化学领域的“死世界”遵循完全不同的规律。然而，自组织理论恰恰架起了这两者之间的桥梁。研究表明，当一个复杂系统中的大量结构单元存在复杂的非线性相互作用时，在外部环境的驱动下，系统在逐渐走向非平衡的过程中，能够自发形成有序结构。这一结论具有普适性，适用于物理、化学、生命以及社会等多个领域。它为我们对各领域复杂系统的理解提供了一个统一的科学框架，也构成了当今复杂系统科学研究的重要基础。

自组织现象的核心理念在于，系统的有序结构是自发形成的，而非通过外部组织强制产生的。例如，无人机群的表演可以呈现出各种美丽的图案，但这是通过它组织实现的典型案例——每架无人机都被精确告知在特定时间飞往特定位置。而自组织的例子在物理、化学、生物和生态领域中比比皆是。在物理学中，最典型的自组织现象是贝纳德对流：当一层薄液体的上下温差逐渐增大时，在特定条件下会形成非常漂亮的对流花纹。在化学领域，贝洛索夫-扎波金斯基反应也是自组织的一个经典例子，它能在化学反应过程中产生漂亮的靶波和螺旋波。在生物系统中，鸟群的飞翔常被视为自组织的代表：成千上万只鸟能够形成宏观的飞行图案，并随着外部环境的变化迅速调整队形。

这样的自组织现象在我们的宏观世界中随处可见。当然，生命现象本身就是自组织的典型例证。而构成生命体的各个器官，如心脏和大脑，在其内部也展现出许多典型的自组织现象。这些都成为自组织理论研究的重要对象。值得一提的是，对于许多自组织现象，我们已经取得了较为深入的科学解释，这为进一步探索复杂系统提供了坚实的基础。

本文为科普中国创作培育计划作品
受访者：狄增如北京师范大学系统科学学院教授
创作团队：集智俱乐部
审核专家：张江北京师范大学系统科学学院教授
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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