科学史视野下的复杂性科学的发展历程

科学史视野下的复杂性科学的发展历程
复杂性科学是当代科学发展的前沿之一，其发展引起了包括哲学界在内的科学界的广泛
关注，并被有些思想家誉为“21世纪的哲学变革”。

当前对复杂性科学的研究主要来自科学领
域和哲学领域，而从科技史角度来审视复杂性科学的并不多见。

因此，有必要从科技史角度
来对复杂性科学的发展作一梳理。

在这里应该先对复杂性科学的概念作一个界定：
首先，在科学发展史上，简单性与复杂性一直是在相比较的意义上使用的一对概念，没有给
出精确的界定。

可是，相对中有绝对，从方法论来看，简单性意味着线性的、还原论的。

而
复杂性则是非线性的、整体论或超越还原论的。

其次，复杂性科学的研究对象是复杂系统。

Science杂志1999年的复杂性专辑选用了“复杂
系统——超越还原论”这一表述。

综上，我们可以对复杂性科学作出定义：复杂性科学是采用整体论或超越还原论的方法研究
复杂系统的科学。

一、古代的整体论思想
（一）中国古代的整体论思想
1《周易》的朴素的整体论系统观
《周易》的朴素的整体系统观主要体现在以下几个方面：第一，《周易》把世界看成一
个有基本要素组成的系统整体。

《周易》“序卦传”说：“有天地，然后万物生焉。

盈天地之间
者唯万物”。

天地产生万物，万物充满天地之间，所以《周易》就以代表天地的乾坤二卦作为起始，将象征万事万物的其余六十二卦置于其后，从而在卦象和六十四卦的编排上，就体现
出它的系统整体观：六十四卦是一个整体，每卦又自成一个整体，组成一卦的六爻之间存在
着相互制约的关系，任意变动其中的一爻就会引起一系列的变化，不仅会造成内部的诸关系
的改变，而且还可能影响其密切相关的外部关系。

2 阴阳五行说的整体系统思想
西周末年，古代思想家提出了“五行（即金、木、水、火、土五种物质要素）相生相克”的学说，借以说明宇宙万物的起源和多样性的统一。

所谓五行，即“一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。

水曰润下，火曰炎上，木曰曲直，金曰从革，土爱稼穑。

润下作咸，炎上作苦，曲直作酸，从革作辛，稼穑作甘。

”（《尚书·洪范》）这就表明了宇宙万物有五种物质
要素构成的思想，并试图分析和说明这五种物质要素的性质和功能。

后来，我国古代思想家
又把“阴阳”和“五行”两种学说结合起来，形成“阴阳五行”说，用以解释物质世界的多样性和
统一性，并广泛用于古代天文、历数、化学和医学等学科，取得了巨大的成就。

3 中医的整体系统思想
中国医学主要依据人体的整体状况看病治病，强调对病症的综合诊断，把身体和疾病看1做
一个总体的动态变化过程。

秦汉时期写成的我国著名的医学典籍《内经》则是根据阴阳五行
的朴素辨证思想，把自然界和人体看成是由五种要素相生相克、相互制约而组成的有秩序、
有组织的整体，人与天地又是相应、相生而形成的更大的系统。

“人以天地之气生，四时之法成”，“天食人以五气，地食人以无味，五气入鼻，藏入心肺，上使五色修明，音声能彰，五
味入口，藏于肠胃，味有所藏，以养五气，气和而生，津液相成，神乃自生”。

这实际上是把人体看成是和天地大宇宙密切相关的小宇宙，自然界作为一个大系统，人作为整体中的部分，是一个小系统，小系统的运动变化规律的影响和制约，人体内部各组成部分，也是相互联系、
相互制约而构成了五藏一体的人体系统。

所有这些在古代医学中形成的藏象学说，病机学说，阴阳五行学说，气血、津液、经络等学说以及在这个建立起来的辨证论治，都体现了整体系
统性的观念。

（二）西方传统的整体系统思想
1西方早期的整体系统思想
古希腊的原子论最早体现了西方朴素的系统思想，其创始人德谟克利特就曾对物质的结构作
了探讨，认为世界是最小的物质原子和虚空所组成，有各种不同的原子，形成不同层次的世界。

人也是由一个特殊原子组成的小宇宙，世界处于不断产生、发展和消灭中。

这实际上已
对系统的整体和部分、结构和功能的相互关系问题作了初步的探索。

他的著作《世界大系统》是人类最早的关于世界是一个大系统的理论论著。

古希腊另一位伟大的哲人亚里士多德则进一步发展了朴素的整体系统思想，他在《物理学》
中一开始就写道：“对我们说来明白易知的，起初是一些未经分析的整体事物。

而元素和本原，是在从这些整体事物里把它们分析出来以后才为人们所认识的。

因此，我们应该从具体的整
体事物进到它的构成要素，因为为感觉所易知的是整体事物。

这里吧整体事物子所以说成是
一个整体，是因为它内部有多样性，有它的许多构成部分。

”①它认识到整体是由部分组成的。

亚里士多德已经察觉到整体与部分的矛盾，在它看来：整体“由若干部分组成，其总和并非只是一种堆集，而其整体又不同于部分”。

②这就是说，整体具有整体性，整体不同于部分，整体性也不等于部分性质的简单加和。

二、近代科学与整体系统思想
笛卡尔是解析几何的创立者。

在他看来，科学认识方法具有同一性，就决定了科学具有
统一性。

他说：“把单一的同一方法不断运用于种种不同的学科，因为这种共同适用的可能性和实践性，意味着：整体的科学无非是人的理性本身的统一性”。

③从中可以看出笛卡尔的
整体思维。

莱布尼兹在其《单子论》第49条写道：“说单子具有能动性，是就它具有清晰的知觉而言；
说它具有被动性，是就它具有混乱的知觉而言”。

在56条中说：“这种一切事物对每一事物的联系或适应，以及每一事物对一切事物的联系或适应，使每一个单纯实体具有表现其他一切
事物的关系，并且使它因而成为宇宙的一面永恒的活的镜子”。

从这两条可以看出莱布尼兹提出的单子不是僵死的，而是能动的实体。

单子间的普遍来联系构成了整体的世界，尤其强调
单子的整体性。

这些都为后来的系统思想发展提供了有价值的思想资料。

康德既是哲学家也是科学家。

在自然科学上，他以提出太阳系起源的星云假说而著名。

康德
的宇宙观，已经可以称之为一种系统自组织演化的宇宙，包含一切继续进步的起点。

另外，
它把知识理解为一种有秩序、有层次、有要素组成的统一整体。

在《纯粹理性批判》中，他说：“直观与概念构成我们一切知识的要素”；“知识是相互关系、相互联系要素的整体”。

不同学者对超越还原论的复杂性科学的历程的划分不尽相同。

本文此处参考的是刘劲杨对该
问题的划分方法，将其划分为两个阶段。

（一）系统论时期：20世纪20——60年代
1整体论与系统思想阶段
创立一般系呕吐那个的主要代表人物有两个，就是波格丹诺夫和贝塔朗菲。

俄罗斯学者波格
丹诺夫于20世纪20年代发表的《组织形态学》，越来约被人们誉为系统科学的开山之作。

它从行为整体观念出发，力求以普遍认可的科学语言，克服学科之间的分裂，探索普适性的
基础。

但由于当时苏联的意识形态等种种原因，波格丹诺夫的思想未能得到应有的重视。

美籍奥地利生物学家贝塔朗菲于1937年在芝加哥大学的一次学术会议上第一次提出了一半
系统论的概念。

1945年他发表了《关于一般系统论》论文。

提出一半系统论的任务“乃是确
立适用于系统的一般原则”，并对系统的共性做了一定的概括，如系统的整体性、关联性、多态性、有序性、终极性等等。

1968年贝塔朗菲出版了《一半系统论：基础、发展和应用》，
此书是贝塔朗菲研究的全面总结。

1972年贝塔朗菲发表了他最后一篇重要论文《一般系统论
的历史和现状》。

贝塔朗菲不仅是一般系统论研究的发起者，而且还是系统云动的一个主要
组织者。

1954年，他与持有相同观点的另外三位著名学者，即经济学家K·Boulding、生理学
家R·Gerard和数学生物学家A·Rapoport共同发起成立了“一般系统研究会”，这四位学者常被
人们认为是系统运动之父。

2系统科学与系统技术阶段
一般系统论标志着整体论思想有哲学向科学的重要发展，奠定了系统理论的基本理念，但它
主要停留在哲学与科学的边缘处。

控制论与信息论建立了严格的科学理论，系统工程则在社
会实践中得到广泛的应用，他们成为人类在大科学时代解决复杂问题的重要手段。

控制论的创立者也有两位，即罗马尼亚学者奥多布莱扎和美国数学家维纳。

1938年奥多布
莱扎在巴黎出版了第一部控制论方面的专著《协调心理学》，该书阐明了控制论的9个原理，即可逆性原理、平衡性原理、协调/失调原理、等值原理、补偿原理、循环性原理、反作用原理、变换原理、终极原理。

另一位控制论的创立者维纳于1945年发表了名为《控制论——关
于在动物和机器中进行控制和通讯的科学》的著作。

“通讯”和“控制”的联盟打开了系统研究
和复杂性研究的广阔天地，被英国著名的系统科学家P·切克兰德列为系统科学的重要原理之一。

信息论的创始人是美国数学家申农。

1948年在美国贝尔电话公司研究所工作的申农发表了《通讯的数学原理》，标志着信息论的诞生。

申农的信息论形成的技术背景是通信工程，是
一门研究存在于通信与控制系统中信息传递的共同规律，以及如何提高各传输系统的有效性
和可靠性的通信理论。

申农信息论提炼出了包括信源、信宿、信道的信号传输的普适模型，
定义了信息量，提出了信源编码定理等重要定理，为一般意义上的信息传输奠定了理论基础。

信息论的发展深化了我们对控制的理解。

系统工程是系统学思想在工程实践中的一种运用，它于20世纪中期开始兴起。

美国贝尔电
话公司在20世纪40年代末首先使用了“系统工程”这一名称来称呼设计新系统的科学方法。

系统工程的主要理论基础是运筹学，包括线性规划、非线性规划论、博弈论、排队论、搜索论、决策论等。

20世纪70-80年代，在我国杰出科学家以及一批学者的推动下，系统科学在
中国有了很大的发展。

中国兴起了系统科学的热潮，取得了一些重要成果，被称为中国学派。

（二）复杂性时期：20世纪70年代以来
这一时期研究的主要动机是对系统演化理论与机制的揭示。

该时期大致可区分为两个大的阶段，以普里高津和哈肯为代表的欧洲学派主要立足于与传统科学有紧密联系的非线性科学。

20世纪80年代，以美国圣菲研究所为代表的研究学派成为世界复杂性研究中枢。

1 自组织理论与非线性科学阶段
早在1947年美国控制论专家W·Ross Ashby就描述了神经系统的自组织特性，此后20年系统动力学拍的重要人物Heinz von Foerster等人一直致力于自组织系统的研究。

他在1960年出
版的《论自组织系统及其环境》一书中，在申农信息论的基础上提出运用信息量（有序度）
来做自组织的判据，并提出了“通过噪声而有序”（order from noise）的原理：“一个系统能达
到高序状态，当且仅当系统最大可能无序度的相对增加大于它现时的实际无序度，因为这个
条件下系统相对有序度增加了”。

④ 1969年，比利时化学家普利高津从研究远离平衡态的热
力学出发，提出“耗散结构理论”，开创了自组织理论的先河，这一成就使他获得诺贝尔化学奖。

同样是在1969年，德国科学家哈肯由激光中的发现创立“协同学”，研究了系统如何经过
自组织从无序转变为有序的非线性机制。

德国化学家和生物物理学家、1967年诺贝尔化学奖得主艾根及其合作者，依据他们对分子进化以及生命进化与起源的研究，于1979年发表了《超循环——自然界的一个自组织原理》，提出超循环理论。

超循环建立了生命现象的数学模型，复现了生命演化的过程特征。

在数学领域，法国数学家托姆于1972年以纯数学的形式发表了《结构稳定性与形态发生学》，创立了突变论。

该理论以坚实的数学基础对人们处理客观现象中广泛存在的不连续问题做出了一种解答，研究了相变与临界现象的系统行为。

数学领域的另一个重要的进展是分形几何学的提出。

1975年英国籍数学家蒙德布罗出版了《分形——形、机遇和维数》一书，提出了“分形”（fractal）一词，创立了分形几何，其1982年出版的《大自然的分形几何》一书进一步推动了分形思想的研究热潮。

分形几何为研究自然界中的复杂形状和结构提供了数学工具，因而理论上可以广泛应用在天文、地学、物理、化学、生物、材料乃至语言学、经济学等领域。

美国物理学家J·A·Wheeler曾说：“明天谁不熟悉分形，谁就不能被认为是科学上的文化人。

”⑤该时期最为重要也是产生影响最大的研究是混沌理论。

对混沌理论的研究始于彭加勒19世纪末对三体问题的研究，但混沌学的真正兴起是从半个世纪后气象学家洛仑兹的发现才开始的。

1963年洛仑兹发现了天气预报中的混沌现象，提出了第一个关于大气运动湍流出现的数学描述，随后由于计算机的介入以及文化学者的推动，20世纪70—80年代中期在众多领域激发起研究混沌的热潮。

2 复杂系统仿真建模阶段：20世纪80年代以来
20世纪80年代以来的最突出的特点是随着计算机技术的成熟，计算机仿真与建模成为研究的重要方法。

此外，复杂性在研究思路上页有了本质变化。

人们从研究“死”的自组织对象转向“活”的智能体（agent），催生出进化计算、网络动力学、群体智能、复杂适应系统等很多交叉性的新研究分支。

自组织理论在20世纪80年代的新进展是对自组织临界性的发现。

1987年丹麦科学家Per Bark 用计算机技术真实模拟了沙堆的自然堆积与崩塌过程，揭示出了一个重要的复杂性类型——自组织临界性，这是一个关于具有时空自由度的复杂动力系统的时空演化特征的概念。

1984年，以跨学科方式运作的美国圣菲研究所（SFI）创立，集合了众多的世界级科学家致力于复杂性探索，堪称世界复杂性研究中枢。

圣菲研究所的研究者兰顿创立了人工生命研究，提出了“混沌边缘”的口号。

这一研究是冯·诺依曼20世纪40—50年代开创的元胞自动机研究的新进展。

SFI的另一重要成就是复杂适应系统理论。

为了解决传统方法难以处理的优化计算问题，20世纪60年代霍兰仿照生物自然选择和优胜劣汰的进化规律，创立了遗传算法。

1993年，霍兰在遗传算法工作基础上与SFI的研究者们合作，创立了著名的复杂适应系统理论。

二十多年来，SFI在复杂性研究方面取得了很多有价值的成果，把复杂性探索视为一种“新科学”。

这一新科学将突破传统科学的还原论局限，进军众多复杂性领域，解决经济、生态、免疫系统、胚胎、神经系统中诸如贸易不平衡、可持续发展、遗传病、计算机病毒等“一切常规学科范畴无法解答的问题”⑥
总之，复杂性科学的发展历程表明，在科学领域内一些重大的变化已经发生，常规科学正在经历与传统简单性信念的决裂。

具有横断科学性质的“复杂性科学”虽然还未成为主流，但确实已经崭露头角了。

参考文献：
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[2 ]北京大学哲学系外国哲学史教研室编译, 古希腊罗马哲学[M].北京：生活·读书·新知三联书店, 1957,37.
[3] 笛卡尔著，管震湖译. 探索真理的指导原则[M].北京：商务印书馆 ,1991,113.
[4 ] H·V·Foerster,“On Self-Organizing Systems and their Enviroments”. in M.C.Yovites,
S.Cameron(eds),Self-Organizing Systems,Oxford,London, New York:Pergamon Press,1960,pp,31-50.
[5] 汪富泉, 李后强. 分形——大自然的艺术构造[M].济南：山东教育出版社，1996 ,2.
[6] (美)米歇尔·沃尔德罗普著，陈玲译.复杂：诞生于秩序与混沌边缘的科学[M].北京：生活·读书·新知三联书店，1997，1.
作者简介：刘硕（1979-），男，河北蠡县人，昆明理工大学社会科学学院07级研究生，主要研究方向：管理复杂性与经济复杂性。