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了解复杂性的书籍

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爱因斯坦说过:“物理学家的无上考验在于达到那些普适的基本规律,再从它演绎出宇宙。”这是还原论的宣言“但是在每一层次中总有新的而且激动人心的有效普遍原则,却并不能由更加基础的理论自然而然地推导而来。”(Kadanoff)这是复杂科学对还原论的批判。

总的来说,当今物理学的前沿主要是三个方向。一个是宏观方向,如宇宙学、广义相对论,认识宇宙范围内物质的演化和发展。一个是微观方向,从原子物理学向下,研究基本粒子,揭示微观世界中物质的结构和相互作用。而这两者其实又是相互贯通的,其核心是还原和统一。第三个方向则是为了理解物质怎样组织成愈来愈复杂的高级运动形态。

而这第三个方向又可以归到复杂性科学,它以数学和物理学中发展处的严谨方法为手段,以广泛的学科交叉探究一系列贯穿于各个学科的基本问题,例如,部分是如何构成具有涌现性质的整体,有序的组织又是如何从无序的自由个体中产生的。其思想可以体现在统计力学和热力学的联系,可以延伸到神经元到脑、个人到社会等等。

引一段凝固物理学大师P.W.Anderson(1972)对还原论的看法,物理学家,特别是理论物理学家,习惯于所谓还原论的思维方法:将复杂还原为简单,然后再从简单重构复杂...“将万事万物还原成简单的基本规律的能力,并不蕴含着从这些规律重建宇宙的能力……当面对尺度与复杂性的双重困难时重建论的假设就崩溃了。

其结果是,大量基本粒子的复杂聚集体的行为并不能依据少数粒子的性质作简单外推就能得到理解。取而代之的是,在每一复杂性的发展层次中呈现了全新的性质,从而我认为要理解这些新行为所需要作的研究,就其基础性而言,与其他相比也还不逊色。”如此,每一不同的聚集层次,都会展现全新的性质,这些性质已超出组成粒子的物理学的领域,可以被称作层展性质(emergence properties)。

所以,第三个方向则是为了理解物质怎样组织成愈来愈复杂的高级运动形态,以凝聚态物理学为代表。而这第三个方向在某种程度上又可以归到复杂性科学。它以数学和物理学中发展处的严谨方法为手段,以广泛的学科交叉探究一系列贯穿于各个学科的基本问题。

例如,部分是如何构成具有涌现性质的整体,有序的组织又是如何从无序的自由个体中产生的。复杂性科学的关键词如:非线性动力学(non-linear dynamics)、自组织(self-organization)、临界性( criticality)、非平衡态统计力学(nonequilibrium)、元胞自动机(cellular automaton)、网络(networks)、混沌(chaotic behaviour)、分形(fractal)、幂律(power law)……其整体大于部分之和的非线性思想,可以体现在统计力学和热力学的联系,可以延伸到神经元到脑、个人到社会等等。

另一方面,尽管现在对自组织临界性,复杂系统中标度关系的产生和复杂网络等有了一定了解,但还没有一个统一的关于复杂现象的理论,有些地方还缺乏严格定义的概念和合适的数学语言。“一些科学家将寻求并发展新的合作;这些群体会从各个科学领域吸收成员,并有高效的电脑的协助;在接下来的这半个世纪中,这种新的工作方式将会大大促进在处理生物和社会的复杂性问题上所能取得的成就。”(Weaver,1948)可60多年过去了,我们仍为着同样的理由而充满信心。复杂性理论面对的是大自然和人类社会从低级到高级的深刻奥秘,其中充满着机遇和挑战,但我相信随着人们探索的深入,这种奥秘一定会被我们揭示出来。

这里推荐几本比较有代表性的综合性的科普书作为入门读物,抛砖引玉。当然,科普书的作用有限,更重要的还是能够帮助我们拓宽视野,了解复杂性科学可以研究的问题和丰富的可能性,或许能给大家在某些方面带来一点启发。形成一种复杂性思维去看待问题的视角,在面对这个充满着复杂性的世界的时候带有一种敬畏之情,从而能够在看待一些事情的时候保持审慎的态度。

 

《复杂》梅拉妮·米歇尔

如果你之前对复杂性科学还没有太多了解,那这本书可以成为你复杂性科学的第一本书。

蚁群在没有中央控制的情况下为何会表现出如此精密的复杂行为?

数以亿计的神经元是如何产生出像意识这样极度复杂的事物?

是什么在引导免疫系统、互联网、全球经济和人类基因组等自组织结构?

理解复杂系统需要有全新的方法,需要超越传统的科学还原论,并重新划定学科的疆域。

借助于圣塔菲研究所的工作经历和交叉学科方法,复杂系统的前沿科学家米歇尔以清晰的思路介绍了复杂系统的研究,横跨生物、技术和社会学等领域,并探寻复杂系统的普遍规律,探讨了复杂性与进化、人工智能、计算、遗传、信息处理、代谢比例、网络科学等领域的关系。

本书选题广泛,兼具学术著作的严谨与科普作品的浅近。结构清晰,围绕着各类复杂系统的组成,运行机制,进化方向组织内容。本书的翻译也属于上乘之作,读来感觉译者基本功扎实。

 

《Complexity_A Very Short Introduction》

可能很多人已经看过第一本了,那么可以看14年9月最新出版的牛津通识读本。该系列图书一般是请该领域的大牛编著,权威可靠,已经出了几百本不同主题的了。

本书作者John Holland是复杂理论和非线性科学的先驱,遗传算法之父。本书介绍了复杂性科学的一些基本概念和核心架构,如complex physical system(CPS)、complex adaptive system(CAS),描述了复杂系统的特征如涌现性质、自组织行为、混沌行为、胖尾分布、适应性行为。

正如作者在写完这本书后意识到,将一些概念以最本质的简单的形式表现出来后,会发现一些原先分开的话题间被忽视的联系,希望你读完这本书后也有这样的感觉。而且,这本书真的是Very Short。

 

复杂性思维

再推荐一本可能更少人看过的,适合兴趣广泛、有哲学情怀的同学。本书是德国慕尼黑工业大学教授迈因策尔的代表作,14年出版的原书07年第五版的中译本。迈因策尔教授的研究范围遍及数学、物理学、科学哲学,尤其在复杂系统、非线性动力学等领域多有建树。

本书从哲学的高度(在这里窃以为哲学不能指导科学,但可以为科学澄清意义),从科学前沿探索与人类心智探险史的结合中,广泛涉猎物理学、生命科学、认知科学、计算机科学、经济学、社会学等诸多方面。

从物理世界的进化到生命世界的进化,从意识的起源到认知科学的兴起,从社会政治系统到社会经济系统的运行,从哲学史到哲学前沿的反思,揭示了不同学科体现出的共同的复杂性特征,阐释了对复杂性的探索将如何引起人们思维方式的深刻变化,引起的世人对共同未来的关怀。

《复杂_诞生于秩序与混沌边缘的科学》

最后推荐一本轻松的读物。这是一本老书了,“类似于纪实小说,介绍了复杂性科学的研究中心圣塔菲研究所建立、发展的情况。

你会看到那些不同领域的人是怎样由于共同的志趣走到了一起,以及又是如何涌现出诸如遗传算法、人工生命、细胞自动机、正反馈经济系统、动态博弈系统等等新思想的。

这本书以小说一样的手法介绍了研究所里面个个人物的动人故事,以及他们研究的那些激动人心的成果。这本书的出版可以说给中国的学术界打开了一扇窗子,让我们真正的了解了国外的复杂性科学。有人称这本书是复杂性科学的圣经是不为过的。”

再次重复一遍,读入门的科普书只是为了激发兴趣。所以如果对复杂性科学感兴趣,最关键的是好好学专业知识,才可能真正有所建树。比如可以看看公开课

 

这里推荐由国际权威复杂系统研究机构--圣塔菲研究所(Santa Fe Institute---SFI)带来的MOOC

Introduction to Complexity。

这门课只需要高中数学基础,全英文授课,但英语不难,六级水平就能够应对,课程由complexity: a guided tour 这本书的作者主讲,小编在这里也顺便推荐下这本书,也算是复杂系统领域靠谱的入门书了。

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整个课程分为11个单元,涵盖了复杂习题,混沌,分形,细胞自动机,遗传算法,自组织模型,流网络的基本概念与简单应用。课程中不仅包含了理论的介绍,也包含了使用模拟程序NetLogo所做的实时模型展示,是一门很实用的复杂系统的入门课程。通过学习课程,你能够全面的知晓复杂科学的框架,为之后的学习和探索打下基础,还能学会使用Netlogo这种对于复杂系统很适用的建模工具。

作者:许铁-巡洋舰科技

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