入門系統科學？你有一份系統科學導引待收.....

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新書推介：

《系統科學導引》

經常聽到「這是一個系統工程」，什麼「是一個系統性問題」這樣的說法，來形容某件事情或者某個東西比較複雜，有的時候也意味著這個事情或者這個東西應該用某種適合「系統性問題」的方式來解決。

如果這個說法有意義，其實就要求我們就必須先有一些這樣的解決方法。我們有嗎？甚至，我們有什麼樣的問題是系統性問題的一個比較科學完整的說法或者定義嗎？

如果這些都沒有，那麼，當我們說什麼什麼是「系統工程」是「系統性問題」的時候，也就是「我們無能為力、問題太過複雜」的代名詞。

作為科學家，我們顯然不能滿足於這樣的代名詞：系統科學就是實在太複雜的我們沒有辦法的研究對象的代名詞。因此，《系統科學導引》書的最主要的目的就是討論什麼是系統科學，系統科學有哪一些比較有自己學科特點的思維方式和分析方法，有哪一些有特點的研究實例。我們也稍微會回答一下,需要哪些數學物理的知識、思維方式和分析方法的基礎。

系統科學就是具有系統特點的科學。那麼，什麼是科學，系統特點又指的是什麼？這些就是本書要通過具體研究工作的例子來回答的問題。除了對交叉科學和複雜性研究感興趣的研究者、教師、學生，以及把物理數學學活的學習者，本書還強烈推薦給對科學感興趣的一般讀者。

本書的特點：

• 從科學而不是哲學和數學的角度來討論系統科學
• 批判性思維、系聯性思考、可重複性V.S.可證偽性的討論
• 科學（物理學、系統科學）和數學的關係
• 賞析大量的具體科學研究工作來體現什麼是系統科學
• 系統科學的思維方式和分析方法的提煉總結
• 系聯：從孤立到有聯繫，從直接到間接，從個體到整體
• 分析與綜合或者說還原論和整體論的結合
• 交叉性：從具體問題中來，到具體問題中去，留下可能的一般性理論

本書作者簡介

吳金閃，不列顛哥倫比亞大學物理學博士、碩士，北京師範大學物理學碩士、學士。現任職於北京師範大學。研究領域涉及凝聚態理論（統計物理基本問題、量子輸運）、量子力學基本問 題、量子博弈、科學計量學、博弈理論與實驗、經濟學投入產出分析、漢字以及一般概念網路的學習。喜愛音樂和寫作。呼籲並實踐燒掉學科之間的邊界的教學和研究。

方福康：《系統科學導引》序

方福康，理論物理學家、系統科學專家。1956年畢業於北京師範大學物理系。1980年獲比利時布魯塞爾自由大學物理學博士學位（師從諾貝爾獎金獲得者普里戈金）。歷任北京師範大學副教授、教授、物理系主任、副校長、黨委書記、校長。

以下是方福康老師給《系統科學導引》寫的序。非常值得看看、想想，有除了本書序之外的價值。沿著序言中所提出的三個問題，提出了一些看法，也可以算作序言的一個延伸部分。

《系統科學導引》

這本書在講什麼？

看到吳金閃教授這本「系統科學導引」，明顯地感覺到與眾不同的地方：書名不叫導論，也沒有用引言這一類標題，而是用了「導引」這樣一種開放性的提法。這個提法明白地告訴讀者，本書要通過學習引導你考慮一些系統科學的基本問題，告訴你在哪些科學知識的基礎上去思考，如何去思考。

從本書的內容和結構來看，很明顯的存在著三條主線，即系統科學的發展進程以及其主要內容和成就，然後就是用去本書大量的篇幅論述作為一門科學其發展的理論基礎，特別是數學和物理在建立一個理論體系中的作用，再者就是對如何進一步發展系統科學的思考。其實，這一部分發展系統科學的思想是貫穿全書的，因為「導引」的目的就是要引發讀者的思考，特別是面對系統科學這一新興學科所涉及的未知世界。

在一本篇幅有限的教材里，要完成這三項任務是困難的。這裡顯出吳金閃教授與眾不同的地方，他志存高遠，宣稱要用最少的語言、用最核心的概念來闡明問題。這是一項挑戰，考驗的是吳金閃教授對系統科學這一學科產生和發展理解的深度，考驗的是對於系統科學賴以發展的科學基本理論掌握的程度和高度概括的能力。當我們閱讀其力學和量子力學的二章，可以明顯地感到吳教授為實現他的諾言所做的努力。至於系統科學的展開和後續發展的內容，則由於這門學科發展的迅速，內容十分廣泛，不同學者會有他本人的取向和偏愛，只要把系統科學的特點予以說明就可以了，儘管會具有濃厚的個人色彩。

所以，對於吳金閃教授這本「導引」教材，如果仔細體會，無論對於系統科學發展的歷程，發展這門學科所需要的理論儲備以及如何去發展這門學科，都會受益匪淺，而對於初涉系統科學的青年學子來說，更是能啟迪他們的思維，更快更好地進入到系統科學這一廣闊的領域。

作為一篇序言，也是對應吳金閃教授「導引」二字的提法，下面，沿著序言中所提出的三個問題，提出一些看法，作為一種意見參與討論，也可以算作序言的一個延伸部分。

一、發展基石：

逆熱力學第二定律和耗散結構理論

在 2015 年北京大學的畢業典禮上，有一個著名的演講，當時身為生命科學學院院長的饒毅教授，代表學校教師向畢業生致詞。總共 1500 多字的講話，獲得了多次熱烈的掌聲。對於我這個讀者來說，看重是演講中的二句話，「從物理學來說，無機的原子逆熱力學第二定律出現生物是奇蹟」，「從生物學來說,按進化規律產生遺傳信息指導組裝人類是奇蹟」。

一位生物學家，能夠對科學的前沿作如此的概括，確實能使人感受到他的功力。實際上，所談到的第一個奇蹟涉及到的是現代系統科學實質性的開始。這裡的要點是逆熱力學第二定律的提法，當學者們認識到在逆熱力學第二定律的後面，還存在著一幅嶄新的畫卷，此時一個新的科學世界的歷程就開始了。

在這裡有二個學者是需要提到的，一位是 N. Wiener，他最早對逆熱力學第二定律的世界有清晰的理念。他指出「我們所做的是在奔向無序的巨流中努力逆流而上，否則它將一切最終陷於熱力學第二定律所描繪的平衡和同質的熱寂之中......我們的主要使命就是建立起一塊塊具有秩序和體系的獨立領地......我們只有全力奔跑,才能留在原地」[1] 。

另一位要提到的學者是 I. Prigogine，他給出了逆熱力學第二定律的物理內容和數學形式。這就是耗散結構理論。這個理論衝破了熱力學第二定律的限制，指出對於開放系統，在遠離平衡的條件下，能夠形成一種相對穩定的結構，稱之為耗散結構。Prigogine 先是用實驗確切地在流體、化學反應二個系統中讓世人看到了這個相對穩定的耗散結構。再者，他證明了在熱平衡的線性區是不可能出現這種結構的，一定在遠離平衡的非線性區，才會有相對穩定的，稱之為耗散結構的出現。然後，在論證和討論了耗散結構的各種性質特點之後，Prigogine 和他的 Brussels 學派，發展了一套數學理論，來定量地描述耗散結構形成的過程、性質和特點，並將其應用到各具體系統和領域，特別是出現了被稱為奇蹟的生物。耗散結構的出現，包括實驗和他的理論體系，使得突破熱力學第二定律的想法從議論變為科學。

在此之後到現在的 40 年間，無論從研究的領域，和理論計算的方法都有很大的發展。研究的領域，從最初 80 年代由 Science 提到的 7 個方向，發展到 21世紀初，由 Hoker 的歸納，有了 12 大門類，28 個學科領域，涵蓋了生命、神經、人類學、社會、經濟、軍事、管理等一切方面。研究的方法，也從原初的數理方程，展開到應用計算機、網路、大數據等現代信息工具。

面對著系統科學這樣一個龐大的體系，包括這門學科的興起、發展的歷程、多種數學工具的運用、涵蓋內容眾多的學科體系、以及這門學科仍在迅猛發展的勢頭，要在一本篇幅有限的著作里，要詮釋這樣一件科學事件是不容易的。但在，吳金閃教授這部著作中,可以看到，他以自己獨特的風格完成了一個很有特色的答案。

然而系統科學或複雜性研究目前的進展並不令人滿意。雖然有眾多研究領域的展開，在研究工具上，網路和計算機發揮了強大的威力，應用於各種具體系統也取得令人欣喜的結果，但是對複雜系統基本規律的探索並沒有取得實質性的進展，各個研究領域，各種研究結果，還是停留在己有的理論基礎上，只是在外延上獲得發展和展開。像饒毅教授提出的生物學奇蹟的探索，涉及到進化規律、遺傳信息、組裝人類這樣一些實際上是複雜性研究核心理論問題的研究，並沒有獲得理論上的突破，還有待於系統科學的未來。

二、科學基礎：

物理和數理科學方法的結合

吳金閃教授這本「導引」著作的另一個顯著特點是認認真真的討論了系統科學所涉及的科學基礎。

系統科學作為 21 世紀的前沿學科，討論的完全是一堆全新的複雜系統對象，從數理學科的角度來觀察，是從未系統地處理過的。而從耗散結構理論開始，複雜系統的研究顯然已經進入到了一個新的階段，即用數理科學的工具和方法，來獲得科學的定量化的結果。這樣的研究，與早期的系統科學研究如一般系統論那樣定性的討論是完全不同，在這裡需要的是實實在在的科學理論概念和處理實際問題的數理方法。

因此在教學內容的選擇上，既要照顧到在科學歷史上那些行之有效，有成功經驗的數理科學方法，又要適當地介紹，隨著複雜性研究工作的進展，在近些年來新發展起來的工具和方法。這二方面都有豐富的內容，而要在一個篇幅有限的教材中完成這二項硬任務是考驗吳教授的理論基礎和學術功力。

吳金閃教授沒有迴避這個矛盾，他宣稱要用最少的文字語言來介紹這些最經典的理論，而實際上他是很出色地完成了這個任務。在理論物理學的經典科學庫存中，吳教授選擇了力學、量子力學、和統計物理三門課程。其中量子力學是最能體現業務實力的，我們可以從吳金閃教授用最少語言的描述中，看看他是如何處理量子力學這門學科的。

量子力學作為微觀世界的奠基之作，與相對論一起，被稱為 20 世紀巔峰的成就，獨領風騷達半個多世紀。但是量子力學的核心內容只不過是少數幾條基本原理（常見的提法是 5 條基本原理）。正是在量子力學基本原理的基礎上，搭起了處理各類微觀客體運動規律的理論框架。

不僅如此，在精妙的數學描述下，量子力學的基本內容獲得了十分抽象而又十分精確的數學表述。由量子力學的物理內容所揭示的微觀粒子的描述，不過是 Hilbert 空間中的一個矢量，或者說是在這個空間中所描述的一個狀態，運算元作用於矢量，引起狀態的變化，而形成運動方程。Hilbert 空間中矢量的變換或描述狀態的方式變換，構成了表象理論。用物理語言頗為費力的一些內容，在精巧的數學語言下變得簡單、精確。這種深刻的物理思想和精巧的數字語言的結合，正是揭示物質運動基本規律最有力的工具。

在吳金閃教授所寫的有關量子力學的章節，可以看到他用最少的語言而做的最大的努力，竭力將量子力學的物理抽象和涉及的數學語言傳遞給讀者。類似的，在力學這一部分，在極有限的篇幅中，不僅介紹了牛頓力學，而且要講到分析力學。

綜觀全書，吳金閃教授始終強調物理觀念和數學思想的重要性。這樣的強調不僅是為了繼承，更是為了發展，為的是建立一個複雜系統所需要的理論，作好必要的理論儲備。

三、未來發展：

含有物質、能量、信息三元素世界

的理論框架

創新，是一門學科成長、壯大、發展的根本之道。

系統科學的發展需要創新，而且是不斷創新。目前對系統科學最需要的，是對於複雜系統這個未知世界基本規律的掌握，並由此進一步建立起各種運算體系並解決具體課題。吳金閃教授的著作將創新的理念貫徹全書並指出了必須注意的要點，一是要具體化，另一項是聯繫、聯繫、再聯繫。對於具體系統的關注，各家會有所不同，但是總體上的目標是探索和發掘複雜系統這個未知世界的基本規律。

首先會想到的問題，是世間事物的運動形式和發展規律，不應該只停留在物理世界的物質和能量的理論框架內，特別是涉及生命、神經、人類、社會這樣一群複雜系統或更確切的說是複雜適應系統。信息在系統演化和發展過程中的作用己十分明顯和重要。

所以在理論框架上，應該建立起一個物質、能量、信息的三元素世界，在這個更寬的框架內描述他們的狀態，發掘其運動規律。

但是在我們的科學寶庫中，並沒有現成的含有物質、能量、信息三元素世界的理論框架，物理學是 20 世紀影響較大的一門學科，涉及了微觀領域的各個部門和高速運行的客體等。但是，在物理學中只討論物質和能量，不涉及信息。另外一門專門討論信息的學問——資訊理論，則是專門研究信息傳遞過程的，從信息源、信道，到信宿，討論的是信息如何準確傳遞，如何解決抗干擾。在資訊理論中，也沒有涉及物質和能量的相互關係。

所以在現有的科學庫存中，信息與物質沒有現成的交集，更談不到信息與物質相互作用的方式與內容。在這個領域內，無論是理論概念，或是計算方法，目前還沒有形成被大家所公認的並可被大家接受的理論成果。

儘管信息與物質的相互作用其規律還沒有被充分揭示，但已經有很多學者和實際工作者關注和討論了信息的重要作用，並做出了許多有意義的啟示，為進一步解決這個問題提供了準備。

早期有生物學家湯佩松，後來錢學森、徐光憲也有過論述，周光召還提出了信息與物質的相互作用，在社會系統中會起主要的作用。之後，隨著對信息的研究展開，徐光憲先生提出了人工信息量的概念，並進行了量值的初步的估算。不同於依靠生物自然進化而形成的自然信息量，人工信息量是指人類由於有了語言以後所生成的信息。徐先生的估算人類自然信息量的總量為10的35次方 bit 量級，而全球人工信息總量估算是 10的20 次方 bit 量級，且每年約以30%的速度增長[2]。

徐先生的人工信息量的概念實際上是為人類建立了一套完全不同於生物自然進化而形成的信息系統，不妨稱之為第二信息系統。這套建立在語言發展基礎上的人類所特有的第二信息系統，在人類的發展壯大和人類社會的形成和進步起到了決定性的作用。首先，由於語言的產生和第二信息系統的形成使人類與動物界徹底分離開來，逐步成為自然界的主宰[3,4]。然後，由於第二信息系統的不斷發展與完善，並與物質生產、社會體制相互結合逐步完善，使得人類從一些弱小的種群，發展壯大成為強大的族群，直到形成社會和國家，成為在地球上目前最為強大的生命體。

信息與物質相互作用的重要性是清楚的，但是迄今為至還沒有一個信息與物質相互作用關係的數學表述形式，需要作一些試探。遵循著達爾文所指出的語言對人類發展的關鍵作用，最近我們討論了語言作為信息對人腦這類物質的發展過程。在實驗數據的支持下，我們得到了這一類包含信息物質運動的數學表達形式，可以用一個非自治的動力方程來描述，其中信息與物質的相互作用是方程中含時間t的驅動項。這樣的一個計算結果僅是一個單例。它雖然給出了信息與物質相互作用在這個具體問題中的表達式，但並不一定顯示出是一種普適的形式，因為信息與物質相互作用是複雜的，存在多種表現形式，現在我們還未能窺測他的全貌。

但無論如何，在這裡我們找到了一種具體的信息與物質相互作用的數學表述形式及其所反映的科學內容，希望能成為一個好的開始，在探索複雜系統的基本規律上獲得進步。

參考文獻

[1] Norbert Wiener, I Am a Mathematician: The Later Life of a Prodigy, 1964, p.324.

[2] 徐光憲，化學分子信息量的計算和可見宇宙信息量的估算，中國科學 B 輯：化學，2007年，第 37 卷， 第 4 期：313-317.

[3] 達爾文，《人類的由來》，第三章，1887.

[4] Martin A. Nowak，Evolutionary Dynamics，Harvard University Press，2006.

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