復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)研究的新進(jìn)展課件

1、復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)研究的新進(jìn)展一、復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)及其方法的意義 1、思想、方法上的反傳統(tǒng)A、經(jīng)典科學(xué)方法論分析傳統(tǒng) ： 還原論原子論； 更深的基礎(chǔ)1+1=2。B、具體處理方法 隔離法微積分C、正面作用：合理與必要性D、缺陷與不足：拉美特利（La Mettrie）( 1+12)：沙子與人體系統(tǒng)“拼裝人”？以上僅是簡單類比，20世紀(jì)復(fù)雜性研究新發(fā)現(xiàn)2、復(fù)雜系統(tǒng)研究新進(jìn)展：A、自組織現(xiàn)象 a、貝納德（Benard） 對(duì)流花紋 1900年，法國學(xué)者貝納德（Benard）發(fā)現(xiàn)：一層流體，上下各與一個(gè)很大的恒溫?zé)嵩窗褰佑|，兩板間的距離h遠(yuǎn)小于板的寬度和長度，見下圖。 圖貝納德實(shí)驗(yàn)示意圖 當(dāng)兩板溫度相等時(shí)，流體處于

2、平衡態(tài)。升高下板溫度，使T2 T1，由于溫差的存在，熱量Q不斷從下板通過液體流向上板。 然而，只要溫差T= T2- T1不大，從宏觀上看，整個(gè)液體仍保持靜止。當(dāng)溫差增大到超過某一閾值時(shí)，液體的靜止熱傳導(dǎo)狀態(tài)會(huì)被突然打破，取而代之的是對(duì)流狀態(tài)。下圖的左邊是對(duì)流狀態(tài)的俯視圖，從中可見到類似蜂房的規(guī)則六邊形的對(duì)流格子，其中每個(gè)六角形中心的液體向上流，邊界處液體向下流；右邊則是豎截剖面上的對(duì)流示意圖，也叫貝納德“蛋卷”。 這里的問題是，在熱傳導(dǎo)狀態(tài)下，液體分子的相互作用在空間上是各向同性的，即對(duì)稱的，因此，分子在各個(gè)方向上作無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。而在對(duì)流狀態(tài)下，千千萬萬個(gè)分子被組織起來參加了統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)。 從

3、現(xiàn)象上看，控制發(fā)生對(duì)流的關(guān)鍵因素是宏觀參量溫差，并不是導(dǎo)致微觀分子進(jìn)行統(tǒng)一行動(dòng)的直接指令。正是由于控制參量與系統(tǒng)的整體行為沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)的整體統(tǒng)一行為具有自發(fā)的特征，人們才把這種現(xiàn)象叫做自組織現(xiàn)象。 類似的例子還有很多b、激光 一般情況下，半導(dǎo)體材料中 的每個(gè)活性原子彼此獨(dú)立地發(fā)出 光波，光的頻率、位相和方向都是無規(guī)則的，這樣的光叫自然光，很弱。當(dāng)在半導(dǎo)體兩端加上電壓后，即用光泵浦給系統(tǒng)輸送能量，如果光泵功率低于某一臨界值，半導(dǎo)體材料不會(huì)改變這種無規(guī)則發(fā)光的特點(diǎn)。然而，一旦光泵功率超過這一臨界值時(shí)，各個(gè)活性原子似乎被某種力量自動(dòng)組織起來，以統(tǒng)一的頻率和相位，朝同一方向發(fā)出光波。分子間

4、的這種協(xié)同作用，使輸出的光成為單色性、方向性和相干性極好，且強(qiáng)度大大加強(qiáng)的激光 那么是什么因素支配著活性原子從一種微觀無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為宏觀有序的狀態(tài)的呢？ 激光是20世紀(jì)60年代物理技術(shù)上的一項(xiàng)重大發(fā)明另一個(gè)例子：搖晃容器中的磁塊但是， 20世紀(jì)60年代以來,在牛頓力學(xué)的范圍內(nèi)，人們有了全新的發(fā)現(xiàn)，如三體小行星系統(tǒng)表明：小星體的運(yùn)動(dòng)，對(duì)初始條件的改變很敏感，用一句中國古語來形容，即失之毫厘，謬之千里。 而關(guān)于這類課題的一般研究則表明，以“初值敏感”為特征的隨機(jī)行為在復(fù)雜系統(tǒng)中是普遍存在的，這一點(diǎn)已被數(shù)學(xué)家嚴(yán)格地論證過。 對(duì)初值敏感現(xiàn)象最形象的描述，莫過于“蝴蝶效應(yīng)”一詞了：“今天在北京有一只蝴

5、蝶扇動(dòng)空氣，可能改變下個(gè)月在紐約的風(fēng)暴。” 可是，初值敏感的具體機(jī)制到底是怎樣的呢？ 用牛頓法求方程z4-1=0的根所得到的“項(xiàng)鏈” 。 科赫曲線及雪花 類似的圖形還有席爾賓斯基地毯和門杰海綿： 3、意義當(dāng)代顯學(xué)： 重提與量子力學(xué)、相對(duì)論的并列 方?？担涸?012錢學(xué)森科學(xué)和教育思想研討會(huì)（系統(tǒng)科學(xué)思想專題分會(huì)場(chǎng)）恰逢其時(shí)；恰逢其世；恰逢其勢(shì) 概況： 系統(tǒng)科學(xué)與復(fù)雜性研究是近幾十年來持續(xù)的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)問題之一，由此人們?cè)谙嚓P(guān)研究的進(jìn)步中在許多問題的理解和處理上取得了一些有目共睹的成就。4、若干明顯不足：二、當(dāng)下研究的的若干重點(diǎn)問題 除了上述不足，許多人對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)科學(xué)研究的現(xiàn)狀還進(jìn)行過其他多角度的分

6、析，如三個(gè)流派歐洲、美國和中國及其特點(diǎn)的比較分析。（顧基發(fā)（系統(tǒng)所原所長）、苗東升（復(fù)雜性研究的成就與困惑.系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1) ） 還有目前應(yīng)該關(guān)注的一些問題： 1、信息與神經(jīng)科學(xué)研究 2、還原-整體論的關(guān)系 3、中國學(xué)派的成長1、信息與神經(jīng)科學(xué)研究 2012-10，第六屆全國科學(xué)方法論學(xué)術(shù)研討會(huì)，韓濟(jì)生院士的基調(diào)報(bào)告，針刺研究的方法學(xué)問題即如此。 方?？?，科學(xué)家的風(fēng)格：圖表，數(shù)據(jù)、方程。 2012-12-6：主題報(bào)告； “神經(jīng)系統(tǒng)中的復(fù)雜性研究”（上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011 -2） 腦、神經(jīng)科學(xué)研究的進(jìn)展 微觀研究，進(jìn)步非?？?。 饒毅。3個(gè)單位的美國基金資助北大、清華、師大：100

7、萬10年。 但宏觀，跨層次研究明顯不足，涌現(xiàn)、突變機(jī)制不清楚； 其次，信息與物質(zhì)，能量交流、轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不清楚。 記憶研究：行為-巴浦洛夫；細(xì)胞-突觸生長；分子層次：蛋白質(zhì)變化。 這些不同層次的反應(yīng)，信息都起著積極、主動(dòng)的作用。 附錄：SCIENCE公布125個(gè)科學(xué)前沿問題 2 意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么?15 記憶如何存儲(chǔ)和恢復(fù)? 17 怎樣從海量生物數(shù)據(jù)中產(chǎn)生大的可視圖片? 87 信息素影響人類行為嗎?88 一般麻醉劑如何發(fā)揮作用?89 導(dǎo)致精神分裂癥的原因是什么?90 引發(fā)孤獨(dú)癥的原因是什么?91 阿茲海默癥患者的生命能夠延續(xù)多久?92 致癮的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么?93 大腦如何建立道德觀念? 不是專家，不敢妄言。附錄1：其實(shí)，其他的一些整體方法也同樣體現(xiàn)了整體與部分不可分割的相互聯(lián)系。 比如中醫(yī)的經(jīng)絡(luò)學(xué)說同役使原理一樣，雖然本質(zhì)上是一種從整體到達(dá)部分的行之有效的方法，但它最終也還是離不開從微觀臟器及其機(jī)能對(duì)宏觀機(jī)