奇妙科研世界：复杂系统研究前沿简介

［题记］ 该领域就是“复杂系统的涌现特性：场与结构的耦合效应”。

自20世纪90年代起，（复杂系统的）复杂性科学的研究开始大规模地蓬勃发展。2010年12月中科院理论物理所在北京组织召开了一个“2010年统计物理与复杂系统研讨会”。参加此次研讨会的专家有欧阳钟灿院士、陈晓松研究员、胡岗教授、郝柏林院士、于渌院士等著名学者。非常遗憾的是，当时我虽收到邀请却未能参加。与这个研讨会有关的内容请点击：http：／／www．itp．cas．cn／xwzx／kydt／201012／t20101222＿3048102．html。此会议值得所有关注复杂系统研究的人士关心。本博文可作为我参加该研讨会的交流提纲，——虽然事实上未能参加。为了脉络清晰起见，下面分几个条目简单介绍，供读者批评指正，以达抛砖引玉之效。

（1）大体说来，复杂系统是指介于简单系统与随机系统之间的系统。一般说来，从物理研究角度看，简单系统可以用牛顿力学处理，而随机系统则可以用简单的统计平均处理（因为其中的相互作用很弱）。处理复杂系统的方法不一而足，对不同系统，方法迥异，笼统地说来，可以分为两种：一是自下而上的“涌现”方法，另一是自上而下的“控制”方法。

（2）复杂系统的“复杂性”通常体现在系统宏观性质与微观性质的不同，或说，部分加部分的简单叠加不等于整体。简而言之，复杂系统的涌现特性则是指系统高层次（high level）的性质是由低层次（low level）的性质决定的。显然，该涌现特性与复杂性有关联，也有区别。一个系统是否能够被称为复杂系统，主要就看它是否具有复杂性，至于涌现特性，它通常伴随复杂性而存在（主要源于系统内部的非线性动力学机制）。

（3）从研究对象来看，复杂系统可以包含的系统很广，有自然系统，亦有社会系统，原则上只要这些系统具有上述的复杂性，这些系统也就可以视为复杂系统了。例如：①胶体悬浮液——微观上，悬浮颗粒自身具有3次光学非线性响应，而宏观上该胶体悬浮液系统具有源于局域场增强的有效3次光学非线性响应，这个“有效3次光学非线性响应”非微观颗粒自身的“3次光学非线性响应”简单叠加所能获得，所以，这里体现了胶体悬浮液的一种复杂性。②经济市场——微观上，每个行为人的决策都是自利的，但是宏观上却（可以）导致一种利他的（有序）结果，这里的利他结果同样非单个行为人的“自利行为”简单叠加所能够获得的，所以，这里也体现了经济市场的一种复杂性。

（4）正如上文所述，复杂系统中场—结构耦合诱导的涌现特性是当前复杂性科学研究的一个前沿领域。仍旧拿上面的例子来说明之。①胶体悬浮液中（光波的）电场分量，其强度和分布可以由胶体颗粒们不同的微结构来给定，同时亦可调节胶体颗粒们的微结构，这就导致体系内不同强度或分布的局域场增强效应，该效应直接导致该系统具有增强的有效3次非线性光学响应；斯为场—结构耦合诱导的涌现特性之一。②对经济市场而言，单个行为人做自利的决策时，通常都是对所能获得的外界信息响应的结果，这个响应可以视为一种“场”，在不同场的影响下，不同的行为人作出了不同的决策，这可以使得整个市场中行为人的结构（如买卖人数比、交易量……）发生改变，而结构改变的同时，行为人所受的“场”也相应变化了，最终，整个市场好像有只看不见的手在起着调节作用；斯为场—结构耦合诱导的涌现特性之二。(www.xing528.com)

（5）根据（4）可以清楚地看到，尽管在看似迥异的复杂系统中（如胶体悬浮液vs经济市场），场—结构耦合诱导的涌现现象皆可出现，只是，此时的“场”既可以是传统物理学中的电场、磁场等，也可以是一种由各种外力合成产生的等效场，如经济市场中各种信息流合成的等效场。

（6）鉴于涌现特性是复杂系统的一个重要性质，一般而言，研究涌现特性的方法非常复杂。基于场—结构耦合效应的探索，有望为复杂系统的涌现特性研究开辟一条“康庄大道”。本课题组现有的两个研究方向，即“复杂流体（纳米科学）”和“经济物理”，从研究对象看，这两个方向都属于复杂系统，也都可以呈现上文所述的复杂性和涌现特性。在此，本课题组已经做出一些初步的贡献，可参见：

Huang and Yu，Physics Reports（2006）；Wang，Yu and Huang， PNAS（2009）；Gao，Huang，et al．，PRL（2010）。

[1]此文最初于2011年2月10日发表于新浪博客：http：／／blog．sina．com．cn／s／blog＿53af0c0f0100onqw．html。