科學經(jīng)典著作仿若人類文明史上熠熠生輝的里程碑，為現(xiàn)代科學奠定了基石，搭建起人類進步的階梯。本期為大家?guī)怼洞笞匀蝗绾芜\作：關(guān)于自組織臨界性的科學》，讓我們從全新視角理解復雜性和動態(tài)平衡。

有這樣一條科學規(guī)律，廣泛適用于宇宙形成、地震火山、物種滅絕、生物進化、交通堵塞、股票市場等諸多領(lǐng)域。自其提出后，已被成千上萬的論文援引。

這便是丹麥物理學家帕·巴克和中國物理學家湯超共同提出的自組織臨界理論。該理論闡釋了復雜系統(tǒng)如何通過內(nèi)部動力自然進化到一個臨界狀態(tài)，此狀態(tài)既穩(wěn)定又處于連續(xù)變化的邊緣。

這一理論為理解復雜性和動態(tài)平衡提供了全新視角，表明即使是簡單系統(tǒng)，也能自發(fā)產(chǎn)生高度復雜的行為。帕·巴克的代表作《大自然如何運作：關(guān)于自組織臨界性的科學》能幫助我們了解這一理論。

這本書的寫法別具一格，并非單純圍繞公式原理談理論，而是生動講述了一群科學家如何構(gòu)建科學大廈，以及如何解釋復雜的自然現(xiàn)象、社會現(xiàn)象和人類思維現(xiàn)象。

霍金曾言，21世紀是“復雜性”的世紀，自組織臨界理論為我們理解復雜性提供了框架。

什么是復雜性理論？

大爆炸時僅有幾種基本粒子的宇宙，是怎樣演變成有生命、歷史、經(jīng)濟和文學的世界的？為何大爆炸沒有形成簡單的粒子氣體或凝聚成巨大晶體？截至目前，科學鮮少探究自然為何如此復雜。

舉個生活中的例子，海灘上孩子讓沙粒緩緩落下形成沙堆。起初，沙堆是平的，沙粒停留在落下位置附近，其運動可用物理性質(zhì)解釋。隨著堆沙過程持續(xù)，沙堆變陡，沙粒滑動距離增大。最終，一些沙粒的滑動能跨越整個沙堆或大部分。此時，系統(tǒng)遠離平衡，其行為不能用單顆沙粒行為描述?！氨浪陨沓蔀榱艘环N動力系統(tǒng)”，只有從對整個沙堆性質(zhì)的總體描述出發(fā)才能理解，沙堆是復雜系統(tǒng)。

自然界的復雜行為體現(xiàn)了多組分大系統(tǒng)向臨界態(tài)穩(wěn)態(tài)演化的趨勢，這種穩(wěn)態(tài)對擾動敏感，微小擾動可能產(chǎn)生不同尺度的響應，即“崩塌”。大多數(shù)改變通過災難性事件而非平和漸變實現(xiàn)，這種臨界態(tài)的形成僅源于系統(tǒng)中各元素間的動力學相互作用，是自組織的。自組織臨界性是目前所知產(chǎn)生復雜性的唯一普遍機制。

為什么需要復雜性理論？

物理學家通過實驗和觀察發(fā)現(xiàn)了自然界的物理定律，揭示了物質(zhì)結(jié)構(gòu)。盡管物理定律簡潔，能解釋諸多現(xiàn)象，但涉及多體系統(tǒng)時，問題變得復雜，難以僅用基礎(chǔ)物理定律直接解釋。

例如，牛頓第二定律F = ma可描述蘋果落地、行星運動等，但當面對復雜系統(tǒng)時，就顯得力不從心。物理的哲學思想從一開始就是“還原論”，認為世界能用簡單元素理解。

然而，現(xiàn)實世界遠比簡單規(guī)律描述的復雜。地球表面的復雜地形和生物多樣性的演化等現(xiàn)象，體現(xiàn)了更高層次的復雜性，科學家將其稱為“涌現(xiàn)”。地球物理從天體物理中涌現(xiàn)，化學從物理中涌現(xiàn)，生物從化學和地球物理中涌現(xiàn)等。每門科學都有自身的術(shù)語和運作方式。

物理定律對理解自然界基礎(chǔ)層面很重要，但對于理解生命、社會和地球物理等更高層次的復雜性，還需考慮系統(tǒng)整體的行為和相互作用。物理定律能解釋蘋果下落，卻無法解釋牛頓為何觀察蘋果以及蘋果的來源。自然界的多樣性和復雜性需要不同領(lǐng)域的科學家共同研究。這表明復雜性是由基礎(chǔ)物理過程的累積和相互作用形成的。

復雜性理論可以給我們什么啟發(fā)？

復雜性理論不僅能解釋天體物理、生物和大腦，還能解釋人類社會現(xiàn)象。帕·巴克以經(jīng)濟和交通為例，在不同領(lǐng)域找到共通的行為模式和組織原則，提供了統(tǒng)一視角。

經(jīng)濟學的傳統(tǒng)均衡理論將經(jīng)濟比作水流，認為貨物和服務(wù)的轉(zhuǎn)移平穩(wěn)線性。但這無法描述現(xiàn)實經(jīng)濟現(xiàn)象，如股市的大起大落。現(xiàn)實經(jīng)濟更像沙，決策離散，存在阻力，難以達成平衡。

前美國聯(lián)邦儲備局主席艾倫·格林斯潘試圖通過操控利率避免通貨膨脹。帕·巴克指出，格林斯潘認為波動有害，應在健康經(jīng)濟中避免。而復雜性理論認為，若經(jīng)濟自組織運行到臨界狀態(tài)，原則上無法抑制波動。

在沙堆模型中，雖能精心修建沙堆，但計算和決策量巨大。而且，即使造出最陡沙堆，微小沖撞也會導致巨大塌陷。

交通系統(tǒng)也存在類似問題，有時交通順暢，有時會出現(xiàn)大規(guī)模阻塞。最有效的狀態(tài)是臨界態(tài)，即交通流量和車輛密度達到最佳平衡。但這種狀態(tài)很脆弱，容易崩潰。

同樣，經(jīng)濟系統(tǒng)中，自組織臨界態(tài)雖伴隨各種波動，看似不穩(wěn)定，但實際上是系統(tǒng)能動態(tài)達到的最有效率狀態(tài)。

科學經(jīng)典推薦

《大自然如何運作：

關(guān)于自組織臨界性的科學》

【丹】 帕·巴克 著

李煒 蔡勖 譯 俞易 等校

《大自然如何運作：關(guān)于自組織臨界性的科學》是關(guān)于“自組織臨界性（Self - Organized Criticality, SOC）”理論的重要科普著作。該理論由丹麥物理學家帕·巴克和中國物理學家湯超于1987年共同提出。全書介紹了自組織臨界性理論的發(fā)現(xiàn)過程及其在地理、生物、社會科學領(lǐng)域的應用。

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