系統(tǒng)科學(xué)的超循環(huán)演化與整體突破

系統(tǒng)科學(xué)的超循環(huán)演化與整體突破

自20世紀(jì)40年代系統(tǒng)理論的建立到復(fù)雜的系統(tǒng)和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)研究以來，系統(tǒng)科學(xué)形成了一個偉大的科學(xué)群體，形成了現(xiàn)代科學(xué)的重要趨勢，并代表了科學(xué)未來發(fā)展的趨勢和方向。理解系統(tǒng)科學(xué)作為“最大一次科學(xué)革命“的意義,加強(qiáng)對系統(tǒng)科學(xué)的認(rèn)識與研究,進(jìn)而超越西方近代的還原論科學(xué)傳統(tǒng),開創(chuàng)整體論科學(xué)研究的方向,對于中國科學(xué)與文化的發(fā)展和創(chuàng)新具有重要意義。一、系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展依據(jù)于系統(tǒng)的整體性系統(tǒng)科學(xué)的實(shí)質(zhì)與核心思想是“整體論”,但作為科學(xué)的規(guī)范轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)科學(xué)從還原論向整體論的轉(zhuǎn)變有一個演化的過程。從以還原論為基礎(chǔ)增加輔助性假設(shè)(如部分間相互作用),到真正從整體出發(fā)、以整體論為基礎(chǔ),其關(guān)鍵在自然觀與方法論上從構(gòu)成論向生成論、原子論向信息論的規(guī)范轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展中的這一突破是從超循環(huán)理論開始的:超循環(huán)理論揭示了化學(xué)分子如何進(jìn)化為生物大分子,無生命如何進(jìn)化為有生命的機(jī)制和規(guī)律。由此,不僅破譯了自然界生命得以誕生的奧秘,而且證明了自然界的進(jìn)化實(shí)質(zhì)上是一種生成的過程,即事物發(fā)生、生長直至完成的過程。而這種超循環(huán)生長最終必然形成復(fù)雜的非線性網(wǎng)絡(luò),由此,科學(xué)對進(jìn)化的認(rèn)識從突變點(diǎn)的突現(xiàn)現(xiàn)象擴(kuò)展到從微觀到宏觀的全過程,揭示出貫穿所有層次而生成整體的普遍的基本法則或機(jī)制,并將整個研究的立足點(diǎn)從以非生命系統(tǒng)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向以生命系統(tǒng)為基礎(chǔ),透過復(fù)雜性現(xiàn)象,深入到系統(tǒng)整體性生成的內(nèi)在機(jī)制。在這個意義上,分形理論提供了描述系統(tǒng)整體生長空間形態(tài)的數(shù)學(xué),而混沌理論則給出了系統(tǒng)整體生長時(shí)間過程的動力學(xué),揭示了奇怪吸引子作為信息創(chuàng)生與傳送渠道的重要意義。以超循環(huán)、分形與混沌理論為代表的非線性科學(xué)第一次提出了整體作為整體、非線性作為非線性的重要思想和方法,標(biāo)志著系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的新階段?？上驳氖?近年來以無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)為新啟端的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究,正獲得一系列新的突破。研究表明,“事物作為系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)可以抽象為網(wǎng)絡(luò),各類作用體抽象為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn),各種相互作用抽象為結(jié)點(diǎn)之間的連接線或邊?！?祁國寧等,前言第1頁)在新的科學(xué)視野下,自然和人類社會系統(tǒng)中都存在著大規(guī)模的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),很多復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是生成演化過程的結(jié)果,它們是動態(tài)的、生長的、開放自組織的。如果說非線性科學(xué)揭示了系統(tǒng)生成的基本法則或規(guī)律,那么,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究則開創(chuàng)了對已經(jīng)成長的現(xiàn)實(shí)世界中各種復(fù)雜系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的研究道路。目前,對各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)如因特網(wǎng)、萬維網(wǎng)、分布網(wǎng)、社會網(wǎng)絡(luò)、組織網(wǎng)絡(luò)、食物網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的整體結(jié)構(gòu)與功能,以及網(wǎng)絡(luò)整體生長與演變的拓?fù)涮匦缘奶剿?正方興未艾,開辟著整體性研究更為廣闊的前景。系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展與最新成果為我們立足生成整體論的自然觀,從整體上理解和把握從系統(tǒng)論到混沌學(xué)直至復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的歷史脈絡(luò),重新梳理、認(rèn)識系統(tǒng)科學(xué)這一學(xué)科群,厘清各理論之間的內(nèi)在邏輯,建構(gòu)生成整體論的科學(xué)體系,奠定了基礎(chǔ)?？梢园严到y(tǒng)科學(xué)及其整體論思想的發(fā)展簡示如下(箭頭↓表示系統(tǒng)科學(xué)的歷史發(fā)展線索,箭頭↑表示生成整體論體系的層次與演繹的邏輯順序):如今,世界與中國都處于歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上,系統(tǒng)科學(xué)從機(jī)械論、還原論向生成論、整體論的轉(zhuǎn)向,與整個西方文化、哲學(xué)的轉(zhuǎn)向是一致的?？梢灶A(yù)計(jì),誰率先認(rèn)識并實(shí)現(xiàn)科學(xué)的這一重大規(guī)范轉(zhuǎn)換,誰就可能在未來科學(xué)的發(fā)展中捷足先登。中國傳統(tǒng)的文化與科學(xué)本來就擅長于對“整體流動與轉(zhuǎn)化”的體悟與把握。今天,科學(xué)向生成整體論的轉(zhuǎn)向?yàn)橹袊鴤鹘y(tǒng)文化與科學(xué)的現(xiàn)代轉(zhuǎn)型,為中國科學(xué)的開拓創(chuàng)新與發(fā)展提供了重要的歷史契機(jī)。如何在吸收當(dāng)代科學(xué)全部優(yōu)秀成果的基礎(chǔ)上,站在未來科學(xué)發(fā)展的高度,加強(qiáng)中西文化與科學(xué)的比較、會通研究,建構(gòu)生成整體論科學(xué)研究綱領(lǐng),對于中國的發(fā)展與前途十分重要,機(jī)不可失。二、生成系統(tǒng)的自相似性系統(tǒng)科學(xué)作為“最大一次科學(xué)革命”,正深刻改變著人們的自然觀與世界觀。非線性科學(xué)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究已展示出生成整體論的世界圖景,在這種以生成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的世界圖景中,不存在靜止不變的、孤立的事物,不存在既成的、先定的部分。我們看到的是系統(tǒng)整體的誕生(涌現(xiàn))、生長與完成的過程,以及各層次復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的生長,整體結(jié)構(gòu)與模式。無標(biāo)度性的發(fā)現(xiàn)使我們在任意層次、任意尺度上,看到的都是曲線、都是系統(tǒng)、都是網(wǎng)絡(luò);這里只有大整體與小整體、大世界與小世界的區(qū)別,從微觀、宏觀至宇觀、脹觀,它們都是息息相通、處處關(guān)連、層層嵌套的。由此可以說,生成整體論的世界圖景只有整體沒有部分,只有過程沒有靜止?！吧^易”,世界上唯一不變的就是“生生不已”的變化本身。系統(tǒng)科學(xué)各論曾從不同側(cè)面和層次探索并推進(jìn)了整體論科學(xué)及其思想的發(fā)展。如今,我們已有可能將它們統(tǒng)一在生成整體論的世界圖景之中。從超循環(huán)的生成機(jī)制與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的生長整體出發(fā),我們可以邏輯地推出系統(tǒng)科學(xué)各論中關(guān)于系統(tǒng)整體性的共同特征,這些特征具有內(nèi)在的聯(lián)系,試簡述如下:1.開放性與遠(yuǎn)離平衡系統(tǒng)生成進(jìn)化的必要條件。系統(tǒng)生成本身是與外界不斷進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的過程。而系統(tǒng)在進(jìn)化過程中只有越過不穩(wěn)定點(diǎn),新的整體結(jié)構(gòu)才可能建立。在這里,不穩(wěn)定首先是新的信息造成的,進(jìn)化信息誕生于不穩(wěn)定,卻完成于穩(wěn)定。系統(tǒng)生成演化的過程自始至終是兩種相反相成的力量或趨勢交互作用的結(jié)果。2.不可還原性生成整體性的系統(tǒng)中,不僅相同層次各單元間具有功能耦合的非線性反饋關(guān)系,而且不同層次間亦存在不可割斷的功能偶聯(lián)和信息回環(huán)關(guān)系。在這里,被生成者反過來生成自己的生成者,形成不同層次間對自我進(jìn)行組織、生產(chǎn)的反饋整體。這種反饋回環(huán)表現(xiàn)為數(shù)學(xué)上的遞歸,而遞歸在邏輯上則意味著自生產(chǎn)或再生的過程,由此生成的整體不僅具有同層次部分的不可分割性,而且具有層次間的不可分割性。它在原則上不僅不可逆轉(zhuǎn),也是不可還原的。3.整體不可分性與分形性與構(gòu)成過程不同,生成的過程并非是一部分一部分完成的,而是從一復(fù)制單元或“生成元”出發(fā),若考慮背景,較高層次的現(xiàn)象亦只與較低層次的整體結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)。根據(jù)分形原理,系統(tǒng)形態(tài)每變換一次,所有相應(yīng)部位便一起變換,也就是說,系統(tǒng)中所有相應(yīng)部位是同步生長的。而生成過程中貫徹始終及一切層次的信息規(guī)律之一致性和時(shí)間綿延性,既決定了生成系統(tǒng)具有整體不可分性,亦決定了整體中部分的分形性,即部分?jǐn)y帶整體信息,各部分與整體具有形態(tài)或信息、功能、能量上的自相似性。信息從微觀到宏觀不斷放大的過程,決定了生成系統(tǒng)必然具有對初始條件的高度敏感性。顯然,由此生成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的每一結(jié)點(diǎn)都是整體,它們是不可分的。4.不可逆性與螺旋式循環(huán)系統(tǒng)生成演化的全過程是一不可逆的螺旋式上升的循環(huán)過程。超循環(huán)不是以往物理學(xué)討論的可逆循環(huán),而是不斷創(chuàng)生、“涌現(xiàn)”出新起點(diǎn)的“周而復(fù)始”的生長。它使一切生成系統(tǒng)必然具有突現(xiàn)性與多層次性。而恰恰是這種“原始反終”、不斷“復(fù)歸”的螺旋式發(fā)展,保證了自然生命的可持續(xù)性。顯然,超循環(huán)并無經(jīng)典意義上的周期性。因?yàn)樗皇枪潭ㄔ谝粋€平面的機(jī)械循環(huán),而是在不同層次間躍遷與交叉催化的循環(huán),發(fā)展到一定階段,這種非線性的復(fù)雜聯(lián)系便會無窮嵌套起來,形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。分形理論在數(shù)學(xué)上生動刻畫了這種生成機(jī)制的特點(diǎn),它告訴我們,在跨越層次的運(yùn)動中,只有“自相似性”不變。這種質(zhì)的相似性,而非同層次上量的守恒性,正是信息穩(wěn)定性與持續(xù)進(jìn)化的反映,它保證了普遍規(guī)律支配下的生命創(chuàng)造性,保證了生成過程中世界的統(tǒng)一性與多樣性。5.可修復(fù)性或超穩(wěn)定性由于系統(tǒng)通過自復(fù)制、自組織生成的每一部分(如突變體)都攜帶著某種整體信息,因此一旦系統(tǒng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞乃至毀滅,只要信息尚存,其每一部分或“單元”皆有可能成為“種子”或“生成元”,被破壞的系統(tǒng)便可能憑借生成機(jī)制再次生長起來,重新修復(fù)系統(tǒng)。生成系統(tǒng)的自穩(wěn)定、自適應(yīng)及超穩(wěn)定性,皆是以信息為主導(dǎo)的超循環(huán)式的生長機(jī)制所決定的。但需要注意的是,可修復(fù)決不意味著系統(tǒng)可逆或可還原。在這里,修復(fù)是再生,是信息對質(zhì)料的重新選擇和組織,修復(fù)的系統(tǒng)乃由新的載體實(shí)現(xiàn)?？梢哉f,在宇宙長期的進(jìn)化過程中,“經(jīng)常性再生的無序則是對組織有序不斷進(jìn)行再生建構(gòu)的必要部分”。(莫蘭,第156頁)而同時(shí),生成機(jī)制的特點(diǎn)也決定了,一切系統(tǒng)的整體進(jìn)化只有在基本模式或信息突變時(shí)才是可能的。6.同步“魯棒性”(robustness)與脆弱性目前,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究發(fā)現(xiàn),無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的非均勻性使之具有同步“魯棒性”與脆弱性,即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生隨機(jī)故障時(shí)(相當(dāng)于隨機(jī)移除小部分節(jié)點(diǎn)),網(wǎng)絡(luò)的同步能力基本保持不變,而當(dāng)受到針對性惡意攻擊時(shí)(此時(shí)被移除的都是“大”節(jié)點(diǎn)1),整個網(wǎng)絡(luò)的連接便會發(fā)生劇烈變化,甚至瓦解,網(wǎng)絡(luò)的同步能力會大大降低甚至喪失。而局域世界網(wǎng)絡(luò)演化模型則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),該模型能改善無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)所固有的脆弱性。(參見李翔、陳關(guān)榮,第71-81頁)對于社會網(wǎng)絡(luò)的研究表明,這類網(wǎng)絡(luò)具有高度的聚集性(高傳遞性)與連通性等特征。對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制、同步能力、抗干擾能力、生長演化等研究的突破,將進(jìn)一步推動科學(xué)向生成整體論的規(guī)范轉(zhuǎn)換。7.時(shí)空不可分性與分維特性生成整體論需要新的時(shí)空觀。艾根曾指出,超循環(huán)是在信息空間進(jìn)行的。普里戈金提出系統(tǒng)演化的內(nèi)部時(shí)間;而曼德勃羅證明一切自然生成的系統(tǒng)都具有分?jǐn)?shù)維數(shù)。顯然,系統(tǒng)生成需要與機(jī)械運(yùn)動不同的時(shí)間與空間,在生成的過程中其物質(zhì)、時(shí)間、空間不可分。然而,與愛因斯坦的四維空時(shí)不同,生成的過程是生命性的內(nèi)部時(shí)間翻譯成空間的形態(tài)生長,時(shí)間不僅是對物質(zhì)空間運(yùn)動的度量,而且是系統(tǒng)生命本身。因此,不是時(shí)間統(tǒng)一于空間,而是空間統(tǒng)一于時(shí)間;不是物質(zhì)具有空間的廣延,而是空隙生長出新事物。空隙與實(shí)體是不可分的整體,其中空隙才是生長的活躍區(qū)。(參見李曙華)顯然,從原子構(gòu)成論到生成整體論是一種科學(xué)范式的格式塔轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)科學(xué)正在以生命隱喻取代機(jī)器隱喻去重新理解世界?？茖W(xué)也是一個生成演化的過程,而系統(tǒng)科學(xué)正處于新的起始點(diǎn)上,它正在提出一系列新問題,尋找著新的方法、新的途徑,去開拓與探索迄今科學(xué)尚未知曉的領(lǐng)域及規(guī)律。三、方法論原則:“復(fù)元論”或“探源論”世界觀的轉(zhuǎn)變必然帶來方法論的變革。對于生成整體性現(xiàn)象,還原論顯然已不足以提供因果解釋。隨著系統(tǒng)科學(xué)研究的深化發(fā)展,新的數(shù)學(xué)、新的科學(xué)研究方法不斷被發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造出來。目前,分形幾何、拓?fù)鋵W(xué)、組合數(shù)學(xué)、群論等已成為研究系統(tǒng)整體性生長演變的主要數(shù)學(xué)方法,計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展正推動西方數(shù)學(xué)由“公理化演繹體系”轉(zhuǎn)向“機(jī)械化算法體系”(參見《吳文俊論數(shù)學(xué)機(jī)械化》):經(jīng)典的幾何由定理證明轉(zhuǎn)向規(guī)則重復(fù),而微積分則由解方程、分析方程解轉(zhuǎn)向方程迭代?？茖W(xué)研究方法從以公理化方法為主日益轉(zhuǎn)向以整體模型、特別是計(jì)算機(jī)建模為主。這一切標(biāo)志著科學(xué)研究的重點(diǎn)已由對物質(zhì)構(gòu)成與空間運(yùn)動的靜態(tài)分析,轉(zhuǎn)向?qū)ο到y(tǒng)生成過程的動態(tài)綜合與整體把握。方法的創(chuàng)新為科學(xué)超越還原論、確立新的方法論原則創(chuàng)造了條件。今天,我們可以說,新的科學(xué)方法論是以生成論、整體論為基礎(chǔ)的,它可以包容還原論,但絕非以還原論為基礎(chǔ)。首先,基于生成整體論的科學(xué)研究方法與以原子論、構(gòu)成論為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)還原論具有不同的邏輯起點(diǎn)。筆者認(rèn)為,生成整體論的邏輯起點(diǎn)是“生成元”2,而非經(jīng)典科學(xué)中構(gòu)成世界的不變的最小物質(zhì)單元——“原子”。兩者的根本差異在于:(1)生成元是整體,不是部分。(2)生成元以信息為主導(dǎo),而非以質(zhì)量為本質(zhì)。(3)生成元蘊(yùn)涵著系統(tǒng)生長的全部可能,故非死物。(4)生成元乃生成過程之“最初”,而非構(gòu)成實(shí)體之“最小”。(5)生成元可生可滅,不是既成不變的?？傊?“元”表示開始,“大哉乾元,萬物資始?！薄爸猎绽ぴ?萬物資生?！薄吧稍笨芍^“乾坤并建”,乃系統(tǒng)創(chuàng)始與誕生之開端。其次,生成過程是從整體到整體,而不是從部分到整體。生命的誕生與成長并非機(jī)械運(yùn)動過程或構(gòu)成過程。簡示如下:第三,生成演化規(guī)律本質(zhì)上是信息規(guī)律,而不同于以往的物質(zhì)與能量規(guī)律。在這里,信息是某種基本法則或模式的傳播與實(shí)現(xiàn),在信息主導(dǎo)下,質(zhì)料與能量不斷被選擇、組織、更新。因此,從根本上說,生成規(guī)律是信息的創(chuàng)生、保存、傳送、翻譯和轉(zhuǎn)換,而不是物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動,也不僅僅是能量的傳遞與轉(zhuǎn)換。在此,我們提出“復(fù)元論”或“探源論”作為生成整體論的方法論原則。“復(fù)元”表示復(fù)歸系統(tǒng)“生命”之開始;“探源”表示探尋系統(tǒng)生成之根源或信息源。從因果律的角度說,“復(fù)元論”或“探源論”要探討的是生成系統(tǒng)與系統(tǒng)生成的原因,而不是物質(zhì)構(gòu)成或運(yùn)動的原因。為了進(jìn)一步明確與還原論的區(qū)別,試將“復(fù)元論”或“探源論”的方法論原則之特性簡述如下:1.時(shí)間性“復(fù)元論”或“探源論”的邏輯出發(fā)點(diǎn)是時(shí)間最初,而不是空間最小;生成整體論研究的單元是生長過程中不同層次上的“生成元”或“種子”。與“原子”不同,它們是系統(tǒng)生長或再生長的起點(diǎn),或網(wǎng)絡(luò)中關(guān)系聯(lián)接的“結(jié)點(diǎn)”,而不是空間運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)。2.整體性作為生長起點(diǎn)的“生成元”或“種子”是未分化或有待生長的整體,而不是構(gòu)成物體的“部分”。“生成元”或“種子”蘊(yùn)涵著系統(tǒng)生長的全部信息與可能,具有不可簡約的復(fù)雜性。只要條件具備,它就能發(fā)育生長出“部分”,直至成長為復(fù)雜系統(tǒng)或復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)?！皬?fù)元論”的目的是探索生成整體(如超循環(huán))與整體生長的普遍規(guī)律,探討作為整體的結(jié)構(gòu)與功能(如復(fù)雜網(wǎng)絡(luò))。3.貫通性“復(fù)元論”的方法要求對所有層次“一體同觀”:它關(guān)心的不是單層次的規(guī)律,而是探索貫穿所有層次以及層次間躍遷、轉(zhuǎn)化或變換的共同規(guī)律;這些規(guī)律與系統(tǒng)的大小尺度無關(guān),與物質(zhì)成分無關(guān),因而是普適的。正如生命從無生命中進(jìn)化而來,卻不能歸結(jié)為原子、分子一樣,生成規(guī)律一旦從物理、化學(xué)規(guī)律中發(fā)展、提升出來,便不再能歸結(jié)為物理、化學(xué)規(guī)律。4.過程性“復(fù)元論”的原則自始至終是動態(tài)的過程研究,而不是靜態(tài)的、孤立的結(jié)構(gòu)分析。系統(tǒng)的生成演化永遠(yuǎn)是過程。注意到系統(tǒng)生成具有螺旋上升與分形的特征,便不難理解不同層次的“生成元”或“種子”也是在自然生長的過程中分化、誕生出來的;為了特定研究的需要,亦可從整體中分解出來(如從生物體取取出DNA或細(xì)胞),但這決非肢解整體。原則上,“復(fù)元論”與還原論對“分”具有完全不同的理解。得到“生成元”亦非“復(fù)元論”的目的:它關(guān)注的是“生成元”如何生成以及如何生長為