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转一个复杂系统理论的基础科普

一、核心问题
最早有人把普里高津耗散结构理论,哈肯协同学,微分动力系统的混沌等等当成复杂系统理论,其实他们不是,他们仅仅只是物理学和数学。复杂系统理论研究对象是系统。
真正被承认的复杂系统理论大概有Maturana和Varela的自创生理论,Holland的自适应理论,Kauffman的自催化闭合理论等等,当然还有钱学森的人机理论。
中国在复杂系统领域,有价值的理论只有钱学森的人机理论。他认为纯粹走计算机模拟的道路并不能最终达到目的,认为计算机模拟能够解决复杂性的所有问题是一种幻想。但是这种理论采用的研究手段落后(主要采用专家系统、传统人工智能的方法建立知识库、数据库,与传统的决策支持系统并无区别),世界上并不把他当成理论,而是一种工程技术实践。

我们都知道,建立一种理论,首先必须建立理论模型。
目前复杂系统的理论模型包括:细胞自动机模型、受限生成系统(这是复杂适应系统涌现现象的核心模型)、网络模型。
这三个模型其实本质都是图灵机模型。实际上目前一切关于复杂系统的计算模拟系统都是图灵机。
我们知道最原始的图灵机仅仅能够完成一些简单运算,但当把充分多的图灵机搭建成一个系统时,我们发现了系统具有了自学习、自适应的属性,而这种特性在原始图灵机中是不具备的。
这样这种系统就可以模拟进化系统的涌现性、学习性、适应性。
为什么会出现这种情况?图灵机系统如何通过与外界环境的交互实现自组织?若干原始图灵机如何聚集到一起形成图灵系统机实现进化与学习?
这就是复杂系统理论研究的主要问题之一。

二、用算法研究世界本质问题


从生物科学我们知道,进化系统进化的动力是正反馈和多样性,例如高等动物生命的自组织行为就是由性激素导致的繁殖冲动产生相互吸引作用而产生的社会性,导致的正反馈,另一个是竞争有限资源用于生存繁殖导致的相互排斥而保持个性的作用,导致的多样性。
那么正反馈和多样性在本质在可计算上是什么?显然在前面我们介绍过的逻辑斯蒂模型中,就是正反馈和多样组成的,计算结果是:可能周期性振荡,收敛,混沌--突变,发散,分别对应生物系统的:稳定生存,灭亡,进化,瓦解几种情况。
类比一下,我们得到复杂系统自组织产生的原因是群体简单行为叠加导致的不确定性。
这个结论对理解人类三大核心问题极有帮助:生命是如何产生的?智能是如何产生的?宇宙是如何产生的?
这三个问题,其实是复杂系统研究的核心问题。
其中宇宙的起源是公认的最难的一个问题,因为宇宙之外空无一物,宇宙之前没有任何原因,也就是说宇宙必须起源于“无”这个状态。这一点目前还不能用科学和逻辑的方法来认识。目前复杂系统对此问题还一筹莫展。
至于生命的起源,可以看成是若干物质演化的一种算法,这种算法导致了进化和突变,结果实现自我繁殖。这个已经有模型可以完全模拟。
至于智能产生,我们只需要把智能看成一系列规则即可,用蚂蚁算法和遗传算法,我们就知道,基于最简单的规则,复杂系统能够创造出规则的规则,新的规则继续创造规则,循环往复,这样智能就产生了。

三、目前复杂系统主要研究方法


目前计算机模拟是研究复杂系统的一个主要方法。
但是模拟方法的核心问题是模拟的极限是否存在?是不是在逻辑上存在不可能完全模拟复杂系统。
例如如果人类真能造出足够真实的虚拟世界,而且虚拟世界中已经进化出智能生物,那么这种智能生物会不会在它们的虚拟世界中再虚拟一个世界呢?如果存在它会是什么样呢?我们在计算机模拟中会不会也可能遭受到类似哥德尔不完全定理的限制呢?
假如一台超级计算机模拟了整个的宇宙,而这台计算机显然是宇宙的一部分,那么计算机也要模拟自己,这样从逻辑上来讲整个宇宙就会被无限制的循环模拟下去,形成永无终止的怪圈。就像在一个房子里面摆满镜子,镜子里的人影会无限制复制下去,那么问题就出来了:哪个镜子的人影是真实影像?如果人影出现突变,会在哪个镜子里出现?
这样模拟的结果就有很大问题。

四、应用前景

目前复杂系统主要应用是计算机仿真,但是存在根本问题还没有解决:模拟结果可能是不可控的,可能是超出人类理解的。
例如当我们把任何一个计算机仿真程序都看成是一个系统,如果设置好基本的参数和规则,让程序自发演化,则这个系统就是一个封闭系统,在没有人为的干预下,这个系统就会没有新的信息被注入,按照耗散结构理论结论,这样的系统最终就会走向无序状态,系统灭亡。也即无论这样的模拟系统多么复杂,它必然会存在一个极限。
但是,任何模拟系统人类都要不断输入信息,验证自己的设想,这样计算机模拟系统就可能出现突变,出现不可控制的循环突变和进化,导致模拟的复杂性不断增长,例如Brooks的机器昆虫就是一例,通过模拟发现,机器昆虫的行为复杂性的来源完全取决于环境的复杂性,但是环境的复杂性与系统内部的复杂性却无法对应,也即系统内部复杂性是在外界信息的作用下不断演化生成的,而不是外界环境代入的。
这样通过调整输入参数来模拟,就不能控制系统突变,也即你打开系统开始模拟,系统就不是你认识的系统了。
也即人类不能干预和控制复杂系统的发展方向。也即模拟复杂系统,从实用角度,例如工程角度来看,其实得不到确定性结论。
模拟复杂系统目前最著名的例子是IBM建造的模拟蛋白质折叠的并行计算系统。

五、游戏世界中的复杂系统

目前国外的一些严肃游戏(例如训练军队、治疗疾病、模拟管理城市、模拟管理企业等等)实际上已经进入具有自组织特点的复杂系统模拟,游戏本身规则简单,但是由于有人机接口,可以把人的主观指令输入,导致人性会干预系统模拟过程,成为现在现实存在中最复杂的有人参与的复杂计算机模拟系统,这种游戏发展下去,也许会出现很多我们无法预料的结果,最终反过来有利于我们理解生命起源,智能起源。

目前我国系统工程水平,不管是理论还是工程实践,妥妥的老二,仅次于美帝。以前苏联老二,苏联解体后,我们跃升老二。目前俄罗斯系统工程专业不全,体系缺失,已经当不了老二。日本,德国,英国,法国等等没有巨型项目来支撑他们技术进步,无法验证他们的研究,只能望美帝中国兴叹。我们的巨型系统,成就了我们的系统工程进步:三峡,载人航天,南水北调,西气东输,超高压输电,高铁网络等等等等。系统工程,其实就是巨型系统的管理技术。

当然要赶上美国,从十三五算起还得需要5-6个五年规划的努力。

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