系统科学各研究领域现状及最新发展

钱学森先生致力于系统学的建立，他认为系统学的重要性不亚于量子力学和相对论。因此众多有影响力的科学家都热衷于研究系统学。

回顾刚刚过去的20世纪，这是科学取得重大突破的一个世纪。从大尺度来分析，在科学认识中最基本的一个问题就是当今社会赖以生存的宇宙的开源问题。在过去的100年，人们对宇宙有了深刻的认识。2013年，科学家把宇宙起源的时间精度精确到了小数点后几亿年，宇宙起源于138.2亿年前的一次大爆炸。霍金认为最初的宇宙像花生米，后来他写了一本书，名字叫《果壳中的宇宙》，来讲述宇宙演化历史。在宇宙大爆炸理论以后，2014年，我们又发现了证明宇宙暴涨理论的实验依据。在宇宙大爆炸以后，在10-35秒之前，有一个暴涨过程，这个暴涨过程形成了宇宙大尺度的结构性质。但在大爆炸的10-43秒之前，科学界不知道到底发生了什么事。因为那个时候，理论知识储备不足，就像在黑洞问题的认知上一样，任何的科学认识都难以完全解释。     

实际上科学界对宇宙演化已经有了非常深刻的认识，在这一领域内，引力波这两年的进展是非常重要的，这个理论最早在1959年提出，但一直没有找到实验证据，直到2016年在实验上获得了确凿的实验证据，最终在2017年获得诺贝尔奖。

I think the next century will be the century of complexity.

Stephen Hawking

January 23, 2000

译：我认为，下个世纪将是复杂性的世纪。

史蒂芬∙霍金

系统学的建立，实际上是一次科学革命，它的重要性绝不亚于相对论或者量子力学。

钱学森

1986.01.07

图1 宇宙大爆炸和引力波的发现

在小尺度层面分析，过去的100年，科学界在物质结构这一层面的认识和研究也有了很大的突破。目前科学界除了暗物质未知外，宇宙中所有物质均是由这12种基本粒子构成的，包括6种轻子和6种夸克。稳定的物质就是由电子、电子中微子、上夸克、下夸克构成，奇妙的地方在于地球上所有可见的稳定物质，其基本结构单元均相同，这就体现了系统科学的重要性。人类跟椅子的基本结构单元是一样的，但人类是活的，而椅子却是静物。那么人类和椅子的差别在哪里？构成的基本微粒都一样，差别就在于系统。通过不同的层层结构，慢慢的在整体上就有了巨大的差异性。因此只从微粒上研究和认识事物解决不了这个问题，而从物质结构上解决这个问题所带来的困惑其实和系统科学是紧密的联系在一起的。

图2 组成物质的12种微粒

科学探索在两个领域中均有着非常重要的问题值得大家去思索，但在当今社会中依旧存在同样重要的科学问题还没有得到认识与理解，其中就包括生命究竟是什么。目前社会对于生命的定义是描述性的，如果定义内容很长、不简洁、没有数学化，那么它就离科学认识还比较远。

另外一个问题是大脑为什么会思考？当今社会仍然不知道大脑为什么会思考，以及我们的知识和我们的情绪到底是从何而来。现在的无人机技术已经很成熟，但是怎么能够让几百个无人机协同工作来完成任务？这是科学界目前亟需解决的科学问题。

图3系统科学研究的前沿问题

问题：

1.我们为什么是活的？（生命的起源）

2.大脑为什么会思考？（意识的来源）

3.股票为什么我一买就跌？（群体行为）

4.如何让无人机机群具有群体智慧？（技术系统）

钱学森和霍金都提到，21世纪是复杂性的世纪。对于复杂性的系统，要想深刻地了解它，仅仅从物质结构去观察和分析微粒，例如轻子和夸克是远远不够的，必须要了解这些微粒及结构单元的组织与关联关系，以及如何组成一个复杂性的系统，又是如何相互协同而运作，从而让整体有了具有多样性的新功能，这才是系统科学所要认识和解决的核心问题。

系统功能的实现，第一要靠个体本身的性质和性能，第二要靠关系，即个体之间是如何组织和联系起来的。

通过理解单元之间的联系可以认识和解决很多生活中的事情，比如心脏会跳，但也会猝死，这件事情一定不是只用了解心肌细胞就能理解的。当然首先必须要理解心肌细胞，然后还要理解细胞是怎么相互联系的，能够让心脏成为一个有特定功能的整体。这是认识心脏所必需的事情。再比如每个蚂蚁是十分卑微的，所谓“扫地误伤蝼蚁命”。但是当成千上万的蚂蚁构成一个蚁群社会的时候，逢山开路遇水架桥，能做很多单个蚂蚁无法完成的事情，包括上文中提到的无人机协同飞行。实际上关于鸟是如何飞行的，科学界也不知道。一只鸟飞，是一个力学问题，但是一群鸟飞，就涉及到这些个体之间如何协调跟随以及相互关联的系统问题了。

另外，包括人大脑中的神经元，科学界对于每一个神经元的物理、化学、生物等方方面面都了解得比较清楚。但是这些神经元组成大脑以后，大脑就有思考、认知和情感，这是当今社会难以解释的问题。所以，大脑的功能不是单个神经元实现的，认识大脑也不是只靠了解神经元就能认识清楚的，一定要理解神经元之间的相互关联才能正确认识大脑。其实人工智能目前的发展已经很先进了，但对大脑的了解依旧存在局限性。

最后再谈经济与金融。2008年金融危机以后，不仅仅是经济和金融，市场也有了危机，而且使目前科学界的理论也有了危机，世界上著名经济学家依旧无法预测经济的趋势并对危机提出好的应对策略。因此当今社会必须要从系统的角度去考量和认识这些问题，才能解决这些经济和金融的根本问题。

在我国，认识问题本身就具有系统性的特点。所以相对来说，国内比国外更重视系统学。1990年，我国设立了系统科学作为理学的一级学科，和数学、物理、化学、天文、地理并列。郭雷老师在数学的杂志上发表过一篇文章《系统学是什么》，他也是我们系统科学经常提及的代表人物之一。这篇文章虽然发在了数学杂志上，但是里面一个公式都没有，全是关于系统科学的思考。在钱学森先生的语境当中，系统学本身包括哲学方法、基本科学的系统学层次、技术科学和系统工程四个方面。在对外交流中，我们经常把科学和工程并列，但我认为系统科学应该包括系统工程。

在系统科学领域，研究内容很宽泛，包括社会经济、资源环境、工业工程等等。但研究是有要求的，即一定要了解现在的经济理论基础和发展前景，选择有科学意义的问题，并且用系统科学的方法深入研究。另一个要求是，我们不仅从系统科学的角度和用系统科学的方法去认识和解决一个领域的具体问题，还要从这一领域的具体问题提炼出一般规律和经典方法回馈到系统科学中去，发展系统科学的思想和方法。这个方法就是你要解决的实际问题，但是这要求的是通过经济问题来解决，提炼系统的一般概念，处理其他领域的复杂系统问题。

20世纪科学研究有一个方法论，就是还原论。即每当遇到一个科学问题，第一反应就是将这个复杂的问题细分为无数个小问题，从解决若干个小问题入手，逐步地解决这个大问题。20世纪还原论在科学上有了重大的突破和飞跃的发展，但是在21世纪，我们发现我们拆解的若干小问题最终也并不能完全解决当今社会中的一些问题。

比如闹钟是一个完整的个体，我们了解每一个螺丝钉，每一个齿轮，每一个弹簧的功能，但是都拆完了以后再装回去闹钟却不走了。科学界把大脑的神经元拆解得清清楚楚，但是这些神经元到底是怎么组织起来变成大脑的，科学界并不知道，所以实际上系统科学现在的基本要求就是要超越还原论。按照钱学森先生的理论，系统论的研究方法即是还原论和整体论相结合，它关注的是整体，但是也要在还原论基础上了解基本的结构单元，不然科学的认识是建立不起来的。因此加强科学认识是我们系统科学面临的一个非常重要的问题。

科学界曾希望通过还原论了解生命是什么，最后发现了解夸克和轻子是完全没有必要的，也是认识不了的，就像我们想知道《战争与和平》这本名著的时候，还原论是先把这个名著拆成章节，在段落拆出具体单词，再把每一个单词拆成26个字母，然后告诉你这26个字母都知道后，《战争与和平》就懂了。这就是还原论给我们的解释，然而事实并非如此。

因此，复杂性的研究本来就是多样性的。另一方面，简单规律的认识并不能完全很好的运用在实际中。例如自行车，它的运动基本规律一定是F=ma，即牛顿第二定律。但是学会了F=ma，并不一定真正的会骑自行车。所以应该是基本规律的认识和实际系统的认识，两方面相结合才能更好地达成目标。胡晓峰老师提到，在系统研究中要把规律结构化、数学化。很多复杂系统，通过把系统结构化、数学化，可以解决很多问题，但是一定有一些方面是结构化和数学化把握不了的。因此，把这两部分结合起来才能更好的解决问题。

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