东京大学的复杂性研究学科，本文主要内容关键词为：复杂性论文,学科论文,东京大学论文，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。
中图分类号：G511 文献标识码：A 文章编号：1002-0241(2003)06-0014-04
一、引言
自近代科学诞生以来的研究中，人们对客观对象的分析主要运用的是还原论的方法，即线性方法和机械思维，即便20世纪的相对论和量子力学这两大革命也是如此。而人类面临的实际系统是复杂多变的，是一个涉及到多种因素和多方面相互作用的复杂系统，是没法还原而必须从整体论的角度去把握的。复杂系统随处可见，物理学中的湍流、化学中的反应波、演化的天体、发展的地貌、生物学中的生命现象和生态问题、经济学中的股市和国民经济规划、社会学中的政治和人口问题等都是我们常见的典型复杂系统。当前国际学术界正致力于复杂系统理论与现有传统学科交叉的研究，这一前瞻性和探索性的研究将突破文艺复兴以来还原论的框架，试图为当代科学的学术研究和科学技术带来一场深刻变革。
复杂性科学的发展主要经历了三个阶段：自20世纪20年代到60年代为第一阶段。贝塔郎菲提出的一般系统论、维纳提出的控制论、申农提出的信息论、诺依曼提出的元胞自动机等是这个时期复杂性研究的代表性成果，标志着复杂性研究的起源和萌芽。20世纪60年代到80年代为第二阶段。普里高津的耗散结构、哈肯的协同论、艾根的超循环论等自组织理论、汤姆的突变论、混沌学理论以及后来的分形论是这个阶段的代表性成果，标志着复杂性研究在自组织理论、非线性科学方面已经取得了比较明确的成果；20世纪80年代至今为第三阶段。它是复杂性科学真正诞生的时代；它是在自组织理论和非线性科学理论的基础上发展起来的。1984年，诺贝尔物理学奖获得者盖尔曼、安德逊和诺贝尔经济学奖获得者阿若等人，聚集了一批从事物理、经济、理论生物、计算机等科学的研究人员，组成了桑塔费研究所，专门从事复杂性科学研究。另外自20世纪90年代初以来，中国的钱学森教授领导的系统科学学派也在复杂性科学研究中进行了许多创造性的探索，提炼出了复杂巨系统的概念，并创造性地提出了“从定性到定量的综合集成法”以及“从定性到定量的综合集成研究厅体系”。美国的桑塔费复杂性科学研究所、中国的钱学森教授领导的系统科学学派以及后来的一系列复杂性科学研究所的创立和兴起大大促进了复杂性科学研究的发展，复杂性科学研究从此引起了国际社会众多有识之士的高度关注，目前国际上已经掀起了一股研究复杂性和非线性问题的热潮，并正在与各门学科进行交叉，数学家、物理学家、经济学家、生物学家和计算学家等都在共同开展这一问题的研究，复杂性科学将成为一个驾驭在21世纪生命科学、信息科学、材料科学等高新领域之间的一个横断学科，被誉于“21世纪的科学”。目前人们已提出并发展了复杂适应系统的概念，在经济系统的演化、免疫系统的形成、人工生命、基因和神经网络的计算等方面已取得了巨大的进展。实际问题是典型的复杂性问题，对其运用复杂性科学理论进行研究不仅有利于认清实际复杂系统的规律，而且反过来又会大大促进复杂性科学基础理论的研究进程，引起国内外广泛兴趣和众多学科的关注。复杂系统的非线性、非平衡性、不可逆性、开放性、多层次性、动态性、自组织性、临界性、自相似性、统计性等鲜明特征向现有的科学理论和新世纪科学技术提出了巨大的挑战，人们预计复杂性科学在新世纪将不仅会在基础理论方面有重大突破，而且同时也将为人类提供了发展高新技术的极好机遇，必将给人类展示美好的应用前景。
复杂性研究和复杂性思维是人类文明的重要支柱，它是在传统经典科学的基础上吸取了自组织理论、非线性科学理论、系统论和入文精神而发展起来的新学科和新思维，是发展21世纪国民经济、科学技术的思想和理论基础。对复杂性科学的研究，尽管历史短暂，但却是当今最热门的科学前沿之一，代表了21世纪新思维的科学浪潮，一场新的激烈的国际竞争正在进行，这场国际竞争一点也不亚于上世纪的超导革命及当前纳米技术革命带来的国际竞争，显然哪个国家能在这方面遥遥领先，它就会在21世纪的现代高新科技竞争中掌握主动权。目前，几乎所有的发达国家和许多发展中国家都加入了复杂性科学研究的行列。对国外的复杂性科学研究，目前我们对来自欧洲和美国的研究情况比较了解，许多文献对它们有所介绍，而对其它国家的复杂性研究情况则了解不多。
日本作为一个位于世界前列的发达国家，近年来也大力开展了复杂性科学的研究。过去日本曾一度只重视技术开发，忽略基础研究，但七、八十年代以来，日本政府意识到了基础科学研究的重要性，大力加强了在基础研究领域的经费投入，用于基础研究的经费一直据世界第二位，仅次于美国。现在日本的基础研究高投入已渐见回报，近三年来，日本联系出现四位诺贝尔奖得主就是一个明证（2000年白川英数的化学奖、2001年野依良治的化学奖以及2002年田中耕一的化学奖和2002年小柴昌俊的物理奖）。
其实日本作为东方世界的一个发达国家，与中国一样有着重视系统论思维的传统。1949年诺贝尔物理奖得主——日本著名科学家汤川秀树（成就是1935年预言强相互作用的中介子的存在）与耗散结构创始人普里高津（1977年诺贝尔化学奖得主）会面时就曾说过“我发现我越深入物理学的研究（指粒子研究），就发现我离大自然越来越远”。这话充分表明了他对物理学中还原论方法的不满。他本人后来在日本创立生物物理学，大力开展和提倡物理和生物的交叉性学科的研究，迈出了日本系统论思维的第一步。显然对日本这么一个有着重视整体性思维优秀传统的国家，在复杂性科学研究的浪潮中，以其大强度的经费投入的雄厚经济实力，一定是不甘示弱的。作为日本理工科学研究领域典型代表的东京大学，它的复杂性科学研究可以说是在一定程度上代表了日本的复杂性科学研究的现状和基本情况，本人利用在2000年4月至2002年4月两年期间在东京大学作日本学术振兴会的外国人特别研究员的机会，对东京大学的复杂性科学研究作了一个系统的了解，下面将介绍一下其研究的大概情况和基本研究特征，希望对我国复杂性研究学科的设立和相应研究工作的开展有所裨益。
二、东京大学的复杂性科学研究
东京大学的复杂性科学研究属新领域创成学科的一个分支，称为复杂理工学。其设立的目的是从理工科学思维的角度来研究各个领域的复杂性问题，试图创立新的复杂性科学研究范式，并立志培养21世纪复杂性科学研究的优秀学者和技术人员。该学科可以授予硕士学位和博士学位，专业细分为复杂系统实验系和复杂系统学系，每个系有几个研究研究室，每个研究室有分别代表一个研究方向，有2～3名教师（含教授、副教授和助手），从全校、全日本和全世界各个专业招收学生或研究人员（含本科生、硕士生和博士生）攻读硕士学位、博士学位或从事博士后研究，新招进的学生或研究人员将根据其兴趣进入其中的一个研究室。复杂理工学的基本指导思想是：融合理工科学的新视角，以各种各样自然系统、人工系统和信息系统等为对象，采用最先进的实验仪器、分析测定仪器、高密度高精度观测装置、最先进的计算机、最前沿的数理解析理论和数据处理技术从事独创性的科学研究。本学科的特点是：横跨等离子体物理、物性物理、表面科学、材料科学、地球卫星系统等数理化天地生六大领域，跨越理工学，在开拓复杂系统研究新领域和培养复杂性科学研究的人才方面方面充当先锋队的角色。
1.复杂系统实验系的几个主要研究室和研究方向
(1)复杂系统集团现象物理研究室—主要研究等离子体之类的复杂系统集团物理现象。等离子体作为带电粒子的集合体，在电磁场中会出现各种各样的复杂集团现象。该研究室采用TST-2球状Tokamak核融合强磁场发生装置，来研究电磁流体力学不稳定性、加热及电流驱动的高波数波动、等离子体湍流及由此引起的热量和粒子输送等。此外，还研究开发基于物理原理的各种高温等离子体计测仪器。实验室还使用世界最先进的中型装置(JFT-2M Tokamak)和大型装置（LHD液氦装置）从事加热、电流驱动和等离子体性能改善实验，力图达到对复杂集团现象的全面理解。此外，实验室还与美国普林斯顿大学共同从事研究，联合培养世界一流的研究者。目前该方向的主要负责人是高濑雄一教授等。
(2)强相关复杂系统科学研究室—主要研究多电子体系等强相关复杂系统。复杂物质体系会出现各种各样的有趣现象，如高温超导、大磁抵抗、相变现象等。引起这些现象的原因是电子体系强相关、电子与晶格的复杂相互作用。该研究室采用光电子分光、发射光分光等方法，来研究电子体系强相关，分析强相关电子体系、电子和晶格强相互作用系的基态、涨落、相变点附近的临界特性。具体说来，阐明如下复杂物理现象出现的机理：d电子系（过渡金属化合物）、f电子系（稀土元素化合物）和π电子系（分子性有机导体）等强相关复杂电子体系表现出的金属——绝缘体之间的相变、磁性（如近藤效应）、超导、量子相变等。目前该方向的主要负责人是藤森淳教授等。
(3)复杂物质化学研究室——主要研究物质表面复杂结构。纳米技术是2l世纪的关键技术之一，从原子或分子水平来生成和构造具有新结构和新功能的复杂物质是未来的重要研究领域。该研究室采用界面控制的办法来进行人工结晶研究、半导体或半导体之类的复杂物质化学结合的研究。该研究室以不同的化学结合可以产生不同结构和性能的复杂物质为研究核心，在薄膜生成、绝缘体——半导体——金属之间进行状态转换机理等方面从事一些开创性的研究。目前该方向的主要负责人是齐木幸一朗教授等。
(4)宏观和宇观复杂系统科学研究室——主要研究地球内部引起的复杂现象的宏观或宇观复杂系统。该研究室主要研究复杂地球系统的动力学和稳定性，具体说来，即太阳系的起源、系统论的地球进化史、生命的起源和进化、巨大陨石撞击和地球生命史、人类圈的内部构造和文明史等。目前该方向的主要负责人是松井孝典教授等。
(5)耦合非线性科学研究室——主要研究地球及地球行星系统等的耦合非线性科学。地球及地球行星系统的演化现象是个多因素相互耦合作用的产物，它与多结晶体的破坏、流动、融解、弹性等性质及由它们的不均匀引起的时空振动密切相关，这些振动横跨晶格时空尺度和地幔对流时空尺度。该研究室主要研究究竟是什么因素导致和支配地球及地球行星系统行为的复杂性。目前该方向的主要负责入是岛海光弘教授等。
2.复杂系统学系的几个主要研究室和研究方向
(1)复杂性本原论研究室—主要研究脑的数理、混沌现象等。该实验室主要研究与脑、混沌、复杂系统、基因等相关联的数理基础问题、应用及数据解析方法。具体主要有以下几个方向：a.脑的数理：主要包括神经系统的理论模型、神经网络的理论模型、数据网络的非线性动力学和信息处理、学习理论、意识形成的数理模型、混沌神经网络及其可视化、脑神经系统的生理实验设计和测量数据的解析等。b.混沌的数理：主要包括混沌的计算方法、信息理论、预测和控制、时系列解析、混沌与分岔、混沌的统计理论等。c.复杂系统的数理：主要包括复杂系统的构成理论、复杂系统的预测模型、关于突现理论、人工生命、分形、免疫系统的数理模型、经济现象和社会现象的数理模型等。d.基因的数理：主要研究基因和蛋白质网络的非线性数理模型的构筑和解析、基因发现的时空测量数据的非线性解析等。目前该方向的主要负责人是合原一幸教授等。
(2)复杂计算科学研究室—主要研究复杂高维的视觉机理等。最近，计算机图形学及图形的三维立体表现技术显得越来越重要。该研究室主要研究解析复杂现象必要的计算机科学的基础以及解析、模拟结果的可视化问题等。具体说来主要有以下几个课题：a.针对三维计算机图形学的基本技术。b.解析、模拟结果的可视化，特别是各种光学现象和自然现象（云、烟、天空等）模拟结果的可视化。c.人工生命，虚拟现实等表现所需的计算机图形学的应用技术。目前该方向的主要负责人是西田友是教授等。
(3)生物体复杂性研究室——主要研究人脑的高次机能等。人脑特有的高级机能的测量、解析以及工程的实现都是国际上有待解决的挑战性问题。在这类问题的研究中，计测手段最为重要和关键，目前世界上还很少有这方面的研究。该实验室开发了从磁场变化来探测复杂脑活动的全头型脑磁计(Magnetoencephalography)。该实验室还使用能同时计测眼的三大机能的三维光测仪(Three Dimensional Optometer)，研究如何利用这些仪器所得到的数据来反推复杂脑的机能，同时开发对数据进行解析和可视化的软件，从人脑机能的模型探索复杂人脑机能的本质。对脑机能测量的研究，是21世纪的新课题，国际上目前还没有公认的方法，还处于摸索阶段，该研究室与加拿大、美国、澳大利亚、法国、英国等正开展合作。目前该方向的主要负责人是武田常广教授等。
(4)复杂行为智能研究室——主要研究机械和人的复杂行为和认识智能。控制是行为智能研究的主要目的之一。该研究室主要研究对包括社会在内的多样性环境进行适应的机械和生物体的行为智能的控制以及它们的工程应用。具体来说，主要有以下几个研究课题：a.记忆和学习模型重要性的阐明。人类的行为能否通过对人脑的内部环境所作模型的计算和控制来实现是最近脑生理学的重要课题，但脑模型的建立、控制模型的如何正确选择还缺乏共识。本研究以模型为中心，阐述人脑行为智能的记忆和学习的重要性及机理。b.脑适应性学习控制的结构研究。脑的结构如何控制含四肢的生物体的各种各样的随意运动是脑生理学最近最引人注目的课题之一，目前国际上已提出了许多适应性控制的方案。该研究室主要分析各种适应性控制方案的妥当性，分析和研究适应性控制的基础，从生理学的角度来发展高层次的控制方案。c.复杂系统的鲁棒控制。社会是个复杂的网络系统，往往具有许多不确定的信息，该实验室研究在信息不确定的条件下如何开发控制方案以及它们相应的产业应用，还研究鲁棒控制是否需要最低限的必知知识、设计控制系统究竟允许多大程度的不确定性等基础问题，同时还考虑它们在社会的控制方面的真正应用。目前该方向的主要负责人是木村英纪教授等。
三、结语
作为现代科学文明发源地的欧洲，其复杂性科学研究的特色是具有大量的人文和哲学色彩，其在复杂性科学研究的历史中，往往被认为担当了哲学思想上开路先锋的角色。美国无疑是复杂性科学研究的典型代表，如桑塔费复杂性科学研究所的工作、乔治·梅森大学的关于管理问题的复杂性学派等，他们的很多工作（如桑塔费复杂性科学研究所）建立在数值模拟的基础上，他们曾致力于提出一套复杂性科学的一元化理论，但还没有成功。
日本受中国这个东方文明古国的影响，也有着重视系统论思维的辩证唯物主义的思想。近年来，日本也加入了复杂性科学研究的行列，本文介绍了基本上能代表日本复杂性科学研究现状的东京大学复杂理工学的基本情况和特征，可以看出他们的研究主要以实验为主，辅助以现代化的计算机科学技术，工作以细腻见长，试图通过对实际问题的详细和深入透彻的研究来发展一套通用的复杂性科学理论。希望本文的信息介绍和分析能对我国复杂性研究学科的设立和相应研究工作的开展能有所益处。
收稿日期：2003-01-21