混沌：一种新视角，本文主要内容关键词为：混沌论文,新视角论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
提要
本文通过对混沌学这一新兴学科的简要介绍，从思维方式、几何学、应用展望等三方面阐述混沌思想和理论对城市规划研究带来的启发和新的视角，希翼能引起规划师的注意。
混沌（chaos），汉语本意指盘古开天辟地以前世界的状况， 即所谓“气似质具而未相离”（引自《易乾凿度》）。英语本意除了指与汉语相近的宇宙原始状态外，还指“一种机会法则，统一性和有关秩序的证明或者理想的结论都缺乏的状态”（引自《朗曼词典》）。近年来国外混沌学的出现和发展为这一古老词汇赋予了新的科学概念。它被誉为20世纪继相对论和量子力学以来物理学的第三次大革命，其哲学意义及影响已涉及自然科学和社会科学的几乎所有领域。然而混沌思想及理论在城市建设和城市规划领域并未引起足够的重视。本人就所了解的作一简要介绍，还有一些启发与困惑也与读者共享。
一、何谓混沌？
混沌并非混乱。所谓混沌，简言之就是有序和无序的统一，确定性与随机性的统一，简单与复杂的统一。
混沌的研究对象是非线性系统。所谓非线性意味着：游戏本身就包含了改变游戏规则的方法。例如在物理运动中，人们不能对空气阻力赋予一成不变的重要性，因为它的重要性依赖于速度，而速度反过来又影响空气阻力。这种交错变化使得非线性很难计算和叠加，但又导致了线性系统中不可能发生的丰富行为。混沌学就是研究非线性系统复杂、随机、不可预言的行为现象的，以揭示“不可预言性”背后“并非彻底不可预言”的东西。
现实世界实际上充满了非线性系统，城市更是如此。作为开放复杂的巨系统，它由各种各样的“流”（物质流、能量流、信息流……）各种各样的“网”（经济网络、社会网络、物质空间网络……）以及各种各样的“塔”（每一子系统由低级向高级演化的历史集合）交错纠结在一起，相互作用、相互制约。非线性不仅存在于各子系统内，也存在于各子系统之间，特别是人既作为城市的主体又作为能动的作用者，更增加了城市的非线性特征。因此混沌理论的研究成果可以应用到城市中来，为解决城市问题提供新思路。
二、思维倾向：简化分解？还是混沌思维？
简化，是人类对复杂客观世界进行概括与抽象的基本手段；也是人类天生具有的，并在认识世界的过程中得到发展的思维习惯（例如格式塔心理学中关于“完形”的分析）。分解，在传统的思维过程中被看作综合的前提，即任何复杂系统都可以分解至简单的线性，或近似线性的若干子系统；把握了子系统的规律，也就可以进一步把握整个复杂系统的运动规律。
简化和分解的思维倾向在规划师的思维中一直占据主导地位。最明显的就是建立模型的研究方法，例如城市人口模型、城市交通模型……而这些模拟的结果往往成为我们制定方案的依据和进一步综合的前提。然而混沌学的研究发现：非线性系统存在着对初始条件的强烈敏感性，即一个参数的微小变化可以通过系统逐级放大，而对结果产生巨大影响。气象预测中曾有所谓“蝴蝶效应”：这个星期蝴蝶在北京拍动翅膀，下个星期纽约就会遭受风暴。这一说法是否正确尚需研究，但这类现象的存在足以说明混沌系统的复杂性和不可预言性。这样的现象在城市中也是屡见不鲜：一个偶然的车祸可能给全城的交通带来堵塞，一家工厂污水处理方式的选择可能改变一条河流的水质，进而影响城市整体的环境品质和形象，以及影响其发展的机遇等等。
这种混沌系统表现出来的对初始条件的敏感性对建立在模型和预测基础上的规划思路提出了挑战，因为一个“四舍五入”的不同，按照混沌学家的说法，就可能导致迥异的结果。简化和分解的思维倾向也许在某些情况下需要混沌思维的补充。
所谓混沌的思维，就是直接从总体入手的综合思维。它基于这样一种思想：“数学工具可以帮助科学家从整体上理解复杂系统，而与局部细节无关”。〔1〕
复杂行为并不一定意味着复杂原因。湍流、天气、股票价格，国民经济以及城市，这些不规则和不可预言的复杂系统，我们往往认为是由于各自内部条件和外部环境复杂作用所致。然而混沌学的研究却揭示出：复杂系统可能产生简单有序行为。例如图1， 生态学家在模拟鱼塘中鱼的数目变化时，发现随着非线性参数的增大，系统的变化起初遵循倍周期的规律，然后走向混沌；但在混沌的结构当中再现周期的窗口。更有趣的是，混沌学中还有一条“普适性”原理，即：“不同系统的行为规律很可能相同，而与构成系统的细节完全无关。”〔2〕也就是说生物种群的分布可能与城市产业结构的变化遵循同样的规律。这为我们借鉴和吸收其它学科的成果，直接从整体入手研究问题提供了一条可能之路，表1列举了混沌思维与简化分解思维的区别。
图1 倍周期和混沌*
表1
混沌思维
简化分解思维
从整体入手 从局部入手
综合性的
分解性的
灰色的 非黑即白的
动态的 静态的
复杂的 简化的
有机的 机械的
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三、几何：欧氏几何学？还是分形几何学？
欧几里德几何对于我们绝大多数人来说可能是一生唯一知道的几何学。重力的本质决定了垂直、水平两个直角关系的基本维度；直线和平面给人们带来简洁的美感。现代建筑运动以后，建筑的风格更加变成用很少几个数就可以描述的简单形状，即基本上是由直线和圆构成的几何体。我们的城市也到处是笔直的道路和方盒子的房屋。然而这样的城市与建筑已经开始受到一部分人的怀疑。这其中的原因很清楚：在他们看来，简单形状缺少人性。它们同自然界组织自身或者人类感官看待世界的方式不能共鸣。德国物理学家爱伦堡曾经这样说：“为什么一颗被狂风摧弯的秃树在冬天晚空的背景上现出的轮廓给人以美感，而不管建筑师如何努力，任何一座综合大学高楼的相应轮廓则不然？……我们的美感是由有序和无序的和谐配置诱发的，正像云朵、树木、山脉、雪晶这些天然对象一样。所有这些物体的形状都是凝成物理形式的动力过程，它们的共同之处就是有序与无序的特定组合。”〔3〕当然建筑与城市不必要也不可能去模仿秃树的轮廓，但文丘里对于复杂性和矛盾性的呼唤以及随之而来的后现代建筑风潮在一定程度上体现了建筑师在“厌倦”了简洁之后对另外一种美感的追求。
分形（fractal） 是混沌学在认识自然界复杂几何形态时建立起来的概念。首先“分形的意义是自相似”。〔4〕自相似即跨越不同尺度的对称性，即图形本身不仅在越来越小的尺度上产生细节，而且以某种恒定的测度产生细节。
这有点类似于全息的概念：一株水杉的轮廓与它的一根枝桠的形状甚至一枚叶子的形状都惊人的相似。自然界以不变的方式从小到大，在不同的尺度上建立复杂性。那么自然界是如何演化出这些复杂结构的呢？按照混沌学的观点，“复杂”只是对于欧几里得几何而言的。在分析几何学，用“分枝结构”就可以简单地描述这种自相似的复杂性：即自然界靠二进制的信息，规定重复的分岔和发展过程，如同树干的生长和细胞的分裂一样。
观察某些典型的古代城镇的平面可以发现，街道和房屋变换的图底关系之间，不规则的力创造出富有生命的有机空间。然而考察这些聚落的形成过程，很少发现预先的规划。当时的建筑技术水平，当地的建筑材料和地形条件决定了每一幢房屋的高度、形状、颜色甚至小到线脚一类的细部，然而就在规定有序的同时，无序也在个体的不断重复中产生，并且和有序一起构成生动的空间，正如McHarg所说：“……形式是与所有进化过程结合在一起的，形式是和过程不可分离的、有意义的表现。〔5〕
C.Alexander就曾经试图探究古代城市有机性背后的规律。 在他的《A New Theory of Urban Design》中，他归纳为一个总原则和七个具体法则来控制城市生长过程*。 它们如同控制细胞分裂的密码一样控制城市的生长。图2即为Alexander用实验模拟城市生长过程的结果。
图2 亚历山大通过实验，“生长”出来的“有机”城市
也许令人满足的艺术没有尺度。优美的建筑和城市，它们的美存在于每一种尺度。观察者从任何距离望去，都可以看到赏心悦目的景观。如大研古城，每一个院落的构成和总体脉理的结构如此紧密关联。
也许这就是分形——这种跨越尺度的几何学带给我们的一点启示。
四、展望
数学家Lan Stewart曾这样写道：混沌让人激动， 因为它提供了把复杂现象简单化的可能；混沌也让人担心，因为它对传统科学建立模型的方法提出新的质疑；混沌更让人陶醉，因为它是数学、科学和技术的交织。〔6〕
面对这样一种让人激动、担心和陶醉的东西，规划师们也许会从中得到某种启发，对我们如何理解城市、干预城市的发展进行更深一层次的反思。
1.预测与模型
如前文所述，规划师往往认为，只要拥有足够的信息，建立足够完备的模型，他们就可以比较准确地预测未来，然后提出相应的对策，或者加速它的到来，或者延迟它的出现，或者防患于未然，或者因势利导为我所用。
然而混沌理论却指出：有些系统从根本上是不可预测的，也就是说这种不可预言性是系统固有的，而不是条件性。如果肯定了这一点，我们至少可以得出如下两个推论：
第一，收集再多的信息，建立再完善的模型，对于混沌系统来讲都是没有意义的。取而代之的，也许应该是一个预测的集合，既然我们只能对于趋势作出大致的判断，那么更好的办法也许是对与之相关的周边事物做平行预测，对与之近似的起始条件做差别预测。这样我们可以了解我们的预测是否处于对于初始条件的敏感条件。
第二，简单模型应用于复杂问题，往往比复杂模型更有效。规划的目的，第一位的并不是理解城市内在规律作用的全过程，而是寻求对城市运动过程的正确干预和对干预的结果做出评价。因此规划工作的重点不应该是细节的获得和模型的精确，而应是系统形为模式和模式变化的奇点。例如生理学家，在对心律不齐病人的研究中发现，他们心脏各部分的功能都完好无损，只是作为一个系统其行为模式发生了异变。尽管人们还未能完全理解突变产生的原因，但是他们已学会使用除纤颤器产生的强扰动，使心脏恢复定态。
2.有机与有序
对于城市来讲，完全有序恐怕并不像规划师理想中的那样健康。研究城市的人们可能早已直觉地感受到城市那种既模糊又细致，既有结构又不可预言的特性。人们更多地是从向往自然，与自然相和谐的角度出发去寻找城市作为一个有机体的运动规律。从霍华德的“田园城市”到沙里宁的“有机疏散”；从亚历山大的“模式语言”到麦克哈格的“设计结合自然”，这种自然主义在城市规划领域一直占据十分重要的地位。然而无论“自然”也好，“有机”也好，看来都是不可能按照某种模式制造出来的。正如亚历山大所言：城市并非树型，然而事实证明城市也并不是他所指出的半网络型，也许追求模式本身就是一个天真的误区。适度的无序恐怕更是城市混沌本质的直观反映，也是城市生命与活力所在。
3.渐进与过程
规划方案如果地域过于广阔，则由于反馈和参数的过于庞杂，往往很难得出比较正确的判断和指导；如果时间跨度过大，由于系统的不可预言性，预测的结果难免有失偏颇。因此规划应该是渐进的和地方性的。所谓动态规划的思想已经体现了这一认识：即规划不是划分为不同阶段的蓝图，而是一系列弹性的推动。
五、结语
尽管混沌作为一门新兴的科学，其理论体系尚未完善，所得出的结论还只能应用于自然科学的一些领域，而对于社会科学尚未涉及，它的某些说法尚未定论。例如前文提到的“蝴蝶效应”，到底是限制性的因果关系还是非直接的现象还有待研究。但它的很多想法为我们提供一种颇具启发性的新视角，“有利于我们在混沌中创造整体协调美。”〔7〕
（本文得到导师李德华先生的指导，在此深表感谢！） 1995.11
* 此图表明当一个参数（此处是某一野性种群的盛衰度）改变时，这个简单系统的最终行为如何变化。在一定意义上，增高横轴参数值意味着对系统施加更强的驱动，增大它的非线性。当参数值很低时，种群灭绝。参数增高时，种群的平衡水平也增高。然后当参数继续增高时，平衡值一分为二，种群值开始在两个不同水平间振荡。这种分岔和振荡出现得越来越快，最后系统成为混沌。但在混沌中仍旧会重复倍周期的窗口。
注释：
* C.Alexander 规定总原则为：每一次城市新的增长，都应该是对原有脉理的愈合（heal）。七条具体法则为：
① 逐步生长；
② 更大整合的生长；
③ 构想；
④ 积极的城市空间；
⑤ 大型建筑的布置；
⑥ 构造；
⑦ 中心的形成。