序言

還原論是對這個世界最自然的理解方式。它是說如果你理解了整體的各個部分，以及把這些部分整合起來的機制，你就能夠理解這個整體。只要是精神正常的人就不會反對還原論。

侯世達（Douglas Hofstadter）,《哥德爾、艾舍爾、巴赫集異壁之大成》

從17世紀以來，還原論就一直在科學(xué)中占據(jù)著主導(dǎo)地位。還原論最早的倡議者之一笛卡兒這樣描述他的科學(xué)方法：將面臨的所有問題盡可能地細分，細至能用最佳的方式將其解決為止，并且以特定的順序引導(dǎo)我的思維，從最簡單和最容易理解的對象開始，一步一步逐漸上升，直至最復(fù)雜的知識。

從笛卡兒、牛頓等現(xiàn)代科學(xué)奠基者的時代，直到20世紀初，科學(xué)的主要目標(biāo)都是用基礎(chǔ)物理學(xué)來對一切現(xiàn)象進行還原論式的解釋。19世紀末許多科學(xué)家都贊同物理學(xué)家邁克耳孫1894年說的一句名言：大部分大的基本原理似乎巳經(jīng)被明確建立起來了，今后的進展主要是將這些原理嚴格應(yīng)用到值得我們注意的一些現(xiàn)象中去。

此后的30年里，物理學(xué)又有了相對論和量子力學(xué)這樣革命性發(fā)現(xiàn)。但20世紀的科學(xué)也見證了還原論夢想的破滅。雖然基礎(chǔ)物理學(xué)和還原論對于解釋極大和極小的事物取得了偉大的成就，但在對于接近人類尺度的復(fù)雜現(xiàn)象的解釋上，它們卻保持驚人的沉默。

還原論的計劃在許多現(xiàn)象面前都止步不前：天氣和氣候似乎無法還原的不可預(yù)測性；生物以及威脅它們的疾病的復(fù)雜性和適應(yīng)性；社會的經(jīng)濟、政治和文化行為；現(xiàn)代技術(shù)與通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和影響；智能的本質(zhì)以及用計算機實現(xiàn)智能的可能前景。對復(fù)雜行為如何從簡單個體的大規(guī)模組合中出現(xiàn)進行解釋時，混沌、系統(tǒng)生物學(xué)、進化經(jīng)濟學(xué)和網(wǎng)絡(luò)理論等新學(xué)科勝過了還原論，反還原論者的口號整體大于部分之和也隨之變得越來越有影響力。

20世紀中葉，許多科學(xué)家意識到，這類現(xiàn)象無法被歸入單個學(xué)科，而需要在新的科學(xué)基礎(chǔ)之上從交叉學(xué)科的角度進行理解。一些人開始嘗試建立新的基礎(chǔ)，這其中包括控制論、協(xié)同學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)，以及最近才出現(xiàn)的復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)。

1984年，來自不同學(xué)科的24位科學(xué)家和數(shù)學(xué)家在新墨西哥州圣塔菲的高原沙漠會聚一堂，討論科學(xué)中涌現(xiàn)的綜合。他們的目標(biāo)是籌劃建立一家新的研究機構(gòu)，致力于研究各種高度復(fù)雜和相互作用的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)只有在交叉學(xué)科的背景下才能研究清楚并推動知識的統(tǒng)一和共擔(dān)責(zé)任的意識，與目前盛行的知識界的各自為政作斗爭。就這樣，圣塔菲研究所作為復(fù)雜系統(tǒng)的研究中心被建立起來了。

1984年我還沒有聽說過復(fù)雜系統(tǒng)一詞，雖然頭腦中巳經(jīng)有了類似的想法。我當(dāng)時是密歇根大學(xué)計算機系的一年級研究生，研究方向是人工智能，也就是讓計算機像人一樣思維。事實上，我的一個目標(biāo)就是理解人類如何思維萬億個微小的腦細胞以及它們的電和化學(xué)通訊如何涌現(xiàn)出抽象思維、情感、創(chuàng)造性，甚至意識。我曾深深迷戀于物理學(xué)和還原論的目標(biāo)，后來才領(lǐng)悟到，目前的物理學(xué)對于智能可以做的很少，即便是專門研究大腦細胞的神經(jīng)科學(xué)，也無法理解思維如何從大腦活動中涌現(xiàn)出來。很顯然還原論者對認知的研究是誤入歧途我們根本無法在單個神經(jīng)元和突觸的層面上理解認知。

因此，雖然我以前沒有聽說過復(fù)雜系統(tǒng)研究，它卻很快引起了我的強烈共鳴。同時我也感到，我自己的研究領(lǐng)域計算機科學(xué)在這里可以大有作為。受研究計算的先驅(qū)們影響，我覺得計算的思想要比操作系統(tǒng)、編程語言、數(shù)據(jù)庫之類的東西深刻得多，計算的本質(zhì)與生命和智能的內(nèi)在本質(zhì)有密切的關(guān)聯(lián)。我很幸運，在密歇根大學(xué)，自然系統(tǒng)中的計算是系里的核心課程，與軟件工程和編譯器設(shè)計一樣。

1989年，我攻讀研究生的最后一年，我的博士導(dǎo)師侯世達受邀參加在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯舉行的主題為涌現(xiàn)計算的研討會。他太忙了抽不出時間，因此就讓我替他去。在這樣高水平的會議上報告自己的工作讓我既興奮又害怕。就是在這次會議上，我第一次遇見了一大群和我抱有同樣想法的人。我發(fā)現(xiàn)他們不僅為這樣的想法取了一個名字復(fù)雜系統(tǒng)而且他們在圣塔菲附近的研究所正是我想去的地方。我決定在這里爭取一個職位。

不斷堅持，再加上運氣，我終于獲得了圣塔菲研究所（Santa Fe Institute）的邀請，在那里訪問一個夏天。一個夏天又延長為一年，后來又延長了一年。最終我成為研究所的常駐研究人員。來自不同國家和學(xué)科的人們聚集在這里，一起從不同的角度來探索同樣的問題。我們?nèi)绾纬�越還原論的傳統(tǒng)范式，對似乎無法還原的復(fù)雜系統(tǒng)形成新的理解？

這本書源自我為圣塔菲的烏拉姆紀念講座（Ulam Memorial Lecture）作的演講這個講座為普通聽眾舉辦，是關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的年度系列講座，以紀念偉大的數(shù)學(xué)家烏拉姆。我的系列演講的題目是復(fù)雜性科學(xué)的過去和未來。要為非專業(yè)聽眾講清楚領(lǐng)域廣泛的復(fù)雜性研究，讓他們理解研究的現(xiàn)狀和廣闊的前景，這極具挑戰(zhàn)性。我的角色很像是在一個幅員遼闊、文化多樣的異國的導(dǎo)游。我們只有很短的時間來了解歷史背景，參觀著名景點，并感受這里的風(fēng)土人情，必要時還要進行翻譯以便于理解。

這本書就是由這些講座擴充而成就像觀光指南。書中講述的是讓我也讓研究復(fù)雜系統(tǒng)的其他人曾經(jīng)或正在著迷的問題：自然界中我們認為復(fù)雜和具有適應(yīng)性的系統(tǒng)大腦、昆蟲群落、免疫系統(tǒng)、細胞、全球經(jīng)濟、生物進化如何通過簡單規(guī)則產(chǎn)生出復(fù)雜和適應(yīng)性的行為？相互依賴而又自私的生物是如何一起協(xié)作，以解決影響它們整體生存的問題？這些現(xiàn)象存在普遍規(guī)律嗎？生命、智能和適應(yīng)性能用機械和計算實現(xiàn)嗎？如果能，我們又能不能建造出真正具有生命和智能的機器？如果能做到，我們又應(yīng)不應(yīng)該這樣做呢？

我聽說隨著學(xué)科間的界線變得模糊，科學(xué)術(shù)語的意義也會變得模糊。研究復(fù)雜系統(tǒng)的人們談?wù)摳鞣N模糊的概念，例如自發(fā)秩序、自組織、涌現(xiàn)（包括復(fù)雜性本身）。這本書的一個主要目的就是為這些人所談?wù)摰奶峁┮环�清晰的圖景，并探討這些交叉學(xué)科概念和方法是否能產(chǎn)生出實用的科學(xué)和新的思想，以解決人類面臨的各種難題，例如疾病的傳播、世界自然和經(jīng)濟資源分配的不公平、武器擴散和沖突的增多，以及人類社會對環(huán)境和氣候的影響。

這本書就像一本復(fù)雜性科學(xué)的核心思想的觀光指南它們從何而來，又將到哪里去再加上我自己的一些見解。對于正在發(fā)展中的科學(xué)領(lǐng)域，其核心思想、意義以及可能導(dǎo)致的后果，人們的認識會（略）有不同。因此我的觀點與其他專家也許會不一樣。本書中一個重要的部分就是闡釋這些差別，另外我也將盡我所能介紹一下那些未知的或剛剛開始被理解的領(lǐng)域。正是這些使得科學(xué)引人入勝，值得去探索和了解。我希望能讓讀者也感受到這些思想的迷人魅力和探索它們的過程中那種無可比擬的興奮感覺。

本書分為五部分。在第一部分我將介紹四個主題的歷史和內(nèi)容，這四個主題是復(fù)雜系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)：信息、計算、動力學(xué)和混沌、進化。在第二到第四部分我將闡述這四個主題如何在復(fù)雜性科學(xué)中被組織到一起。我將描述如何在計算機中模擬生命和進化，以及計算的概念反過來又如何被用來解釋自然系統(tǒng)的行為。我還會介紹網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的社會群體、互聯(lián)網(wǎng)、傳染病和生物代謝等各種系統(tǒng)中存在的深刻共性。另外我還會用各種例子說明如何測量自然界中的復(fù)雜性，它又如何改變我們對生命系統(tǒng)的認識，以及這些新的認識能不能引導(dǎo)智能機器的設(shè)計。我會介紹復(fù)雜系統(tǒng)的各種計算機模型，以及這些模型所面臨的風(fēng)險。最后，書的末尾還將討論尋找復(fù)雜性科學(xué)一般性原則的問題。

要理解書中內(nèi)容無需數(shù)學(xué)或科學(xué)的背景知識，在涉及的時候我會小心地循序漸進。我希望這本書對專家和非專業(yè)讀者都會有價值。雖然討論不是技術(shù)性的，我還是會盡力做到言而有物。注釋中給出了引文的出處和討論的附加內(nèi)容，以及為想深入學(xué)習(xí)的讀者準(zhǔn)備的科學(xué)文獻索引。

你對復(fù)雜性科學(xué)感到好奇嗎？想不想探索一番呢？讓我們出發(fā)吧。