偶然事件是怎样锁定历史路径的——复杂性科学研究背景综述，本文主要内容关键词为：是怎样论文,复杂性论文,科学研究论文,路径论文,背景论文，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：N3;C0文献标识码：A
古代的科学方法论本质上是整体论，强训整体把握对象。近400年来科学遵循的则是还原论。主张把整体分解成部分研究，即首先把研究对象从环境中分离出来，然后将其分解成部分，把高层的还原到低层，用部分说明整体，用低层说明高层。在还原论的指导下，400年来科学创造了一整套可操作方法，取得巨大成功。但是现代科学研究表明，许多宇宙奥秘来源于整体的涌现性。涌现性指只有整体才能表现出来的特征。例如单个分子没有温度、压强，但大量分子聚集起来就有了温度和压强，就属于整体才具备的性质。但应用还原论无法揭示这些现象，因为涌现性在整体被分解后就不复存在了。所以人们开始更关注事物的整体，特别是整体的演化以及因此表现出来的复杂局面。从20世纪中期开始，科学界以系统论、混沌理论、非线性动力学、统计学、神经网络方法等研究为基础，开展了对复杂现象的研究。其目的是力图建立认识复杂系统的生成、运行、变化过程的理论体系。经过20多年的努力，研究工作已取得重要进展。
一、复杂现象与圣菲研究所(SFI)
复杂性科学是以复杂现象为研究对象的。现实中很多自然、社会经济现象如同一团乱麻，很难找到答案，我们称为复杂现象。比如，为什么苏联那么快解体；又如，什么是生命。生命的进化过程是自然选择还是随机选择。自然选择又怎样解释像人类眼睛和肾脏这样精妙复杂的结构。它们是随机选择的结果吗？再如，宇宙大爆发后，一方面加热力学第二定律所指出的那样趋于混乱、解体，另一方面又无处不产生着结构与程序，出现混沌与秩序并存的态势等等。虽然对这样一些复杂现象我们还不能说出究竟，但却发现它们都是由许许多多因素在许许多多方面相互作用构成一个复杂系统运行的结果。普里戈金指出了这些复杂系统表现出来的自组织、自调整和稳定与创新三个特征，这是我们试图认识事物复杂性所迈出的第一步。
复杂系统是由许许多多的因素在相互作用中使系统作为一个整体产生自发的组织。例如，人们在力图满足自己物质需求过程中，通过无数交易行为，无意识的将自己组成某种经济体制；原子通过相互化合找到最小能量状态，从而形成被称之为分子的结构等。在所有的这些情形中，一组组单个因子的动因，在寻求相互适应与自我延续中或这样、或那样地超越了自己，从而获得生命、思想、目的这些作为单个动因永远不可能具有的集成特征。这些复杂的、只有组织性的系统可以自我调整。在调整中，它们不像地震中的滚石一样仅仅是被动地对环境变化做出反应。而是力图将所发生的一切转化成对自己有利。比如物种为在不断变化的环境中更好的生存而进化。企业也是在技术、市场变化中发展起来的等等。这个自组织、自我调整的系统具有稳定和变化创新的某种动力。这种动力不同于计算机集成电路和冬天雪花这一类复杂物体的变化。复杂系统更具有自发性，更无秩序，也更加活跃。但是这种特殊的动力与离奇古怪、无法预测的螺旋运动，即被称之为混沌状态却还相距遥远。近20年中，混沌理论已动摇了科学的根基，它使人们认识到极其简单的动力规律能够导致及其复杂的行为表现。譬如，万花筒中一些细小的碎片产生的整体美感，无数翻起的泡沫所形成的汹涌的河流等涌现现象。但是混沌理论本身仍然无法解释结构和内聚力，以及复杂系统的自我组织的内聚性。那么究竟什么是复杂性？
20世纪80年代美国一批超一流科学家为解开复杂性过程开始组织起来。1986年夏天在新墨西哥州首府圣菲的克里斯特雷修道院成立了世界第一个研究机构，即圣菲研究所(CFI)。它的网址是www.santafe.edu。发起人是前美国能源部洛斯拉莫斯核能研究中心主任乔治·考温和三位诺贝尔奖获得者：加州大学“夸克之父”物理学家马瑞·盖尔曼、贝尔实验室凝聚物理科学家安德森、斯坦福大学经济学教授肯尼斯·阿罗。长期研究与管理工作引起考温对传统科学构架的思考。洛斯拉莫斯曾在考温支持下开展了分子生物学、非线性动力学、混沌现象与理论、计算机模拟等新的前沿科学研究。这种学科组合式的以现实现象为目标的研究，使考温产生了组织跨学科研究“人们是怎样认识和处理复杂性的”研究机构的设想。以培养21世纪文艺复兴式的人物，使之从科学出发，而对混沌无序的现实世界。1987年9月8日圣菲研究所召开了全球第一次复杂性科学学术会议。斯坦福大学阿瑟做了题为“竞争技术、报酬递增和历史事件的锁定”主题报告。一大批超一流经济学家、物理学家、化学家和生物学家共聚圣菲展开了热烈的讨论。由此启动了复杂性科学的大规模研究，使之一发而不可收。圣菲研究所2002年成为居全美第三位的研究机构。
二、偶然事件锁定历史路径
这是从复杂性的视角对经济问题的研究。其思想和随之的经济学研究工作是斯坦福大学教授布赖恩·阿瑟80年代提出的。阿瑟1968年毕业于爱尔兰贝尔法斯特机电工程学院，1974年获加州大学伯克里分校运筹学博士学位。1988年37岁时任斯坦福大学人口与经济系主任，终身教授。他曾在麦肯锡公司、美国人口委员会，国际应用系统分析研究所工作。阿瑟是从工程学转向人口和统计学的，后又转向经济学。这种跨学科的背景给他以新的视角审视经济学。他勤于思考，具有创新的冲动，使得他在工作学习中发现了偶然事件锁定历史路径现象，并归纳出许多典型案例。
关于OWEKTY打字机键盘。人们一般相信市场经济会选择出最好的技术，但是现在人们使用的英文打字键盘却不是这样。
OWEKTY是英文打字键的第一行的字母排序，是1878年由克里斯多夫·斯考钦斯(Christopher Scholes)工程师设计的。当时由于打字机速度过快常常出现技术故障，所以为了减慢指法的速度，克里斯多夫设计了OWEKTY格式的打字键盘，经仁民顿公司大批量生产，拥有了很多使用者，创造了市场，又使更多的厂商生产，于是锁定了键盘的发展路径。使得至今计算机键盘仍采用这种设计。
关于佛罗伦萨教堂时钟。阿瑟发现现代的时钟都是顺时针的。他认为在历史上有过逆时针和顺时针钟表并存的时代。只不过由于某种情况使顺时针的设计兴起，逆时针的衰落。后来人们发现佛罗伦萨教堂有一座1443年制造的时钟是逆时针时钟。
内燃机车取代蒸汽机车则得益于1914年北美突然爆发的一次口蹄疫疾病，拆除马饮水用的水槽使蒸汽机车无法加水。当时蒸汽机车在行驶30多英里就需加一次水，因无法加水使蒸汽机车很快丧失了巨大的市场，汽油机车则很快占领了机车市场。
核能氢水反应堆，1956年美国开始民用核能研究。当时有很多种冷却技术方案，每种方案都有优点和缺点。从今天的视角来看，高温气体冷却技术比其他技术方案都安全，有效率。但是由于1957年苏联发射了第一颗人造卫星，艾森豪威尔政府急于建成反应堆，并使之立即投入使用，以抗衡苏联，宣传美国的核能技术水平，当时最接近于实用的是海军研制的用于潜艇的轻水方案。于是政府下令采用这个方案，当然其它方案的研究就放松了，时至今日，轻水反应堆处于垄断地位。
阿瑟提出了拥有者获得和报酬递增的观点解释偶然事件锁定历史路径的机制。阿瑟认为上述现象如同工程学中的正反馈，是自组织的经济活动中正反馈的作用结果。阿瑟同时建立了非线性随机过程理论数学分析模型，提出了基于报酬递增的经济学框架。
阿瑟认为传统经济学是建立在经典的物理学理论框架上的，强调经济系统的均衡和稳定，而经济学中的核心概念边际递减定律是其分析的基础。但是现实经济活动却存在大量的报酬递增现象，它与非线性物理学相对应，强调经济系统的复杂性。报酬递增是使某一选择可能导致多种结果的分析基础。这一理论观点一经提出却遭到反对，传统经济学界将其拒之门外。特别是在美国，美国经济学家比世界上任何国家的同行更加热情的献身于自由原则。因为自由市场理论曾经与美国人对个人权利和个人解放的思想紧紧联系在一起。这两个理想都基于这样一个概念，当人们都能自由地做自己想做的事情时社会就处于最佳状态中。而阿瑟的理论却击中美国这种理想，如果一件偶然的事件能够给你带来的多种可能结果，那么，你实际上选择的就不一定是最好的结果，这意味着最大限度的个人自由和自由市场也许并不能让人们获得所有可能性中的最佳结果。于是阿瑟的理论被经济历史学界和制度经济学接收下来，历史事件导致锁定的概念为他们的研究提供了新的思路。新制度经济学家、诺贝尔奖金获得者诺斯提出了路径依赖的分析框架，用来描述一个制度过去的绩效对现在和未来的强大影响力，与阿瑟的路径锁定有异曲同工之妙。一国的发展只要走上某一轨道，它的即定的方向会在以后的发展中得到强化。所以人们过去的选择决定着他们现在的可能选择。制度给人们带来的规模收益决定了制度变迁的方向，并最终使制度变迁。可能呈现出两条截然相反的轨迹。当收益递增普遍发生时，制度变迁不仅得到巩固和支持，而且能在此基础上一环紧扣一环，沿着良性循环轨迹发展，即路径依赖。当收益递增不能普遍发生时，制度变迁就朝着无效或不利于产出最大化的方向发展，结果在痛苦深渊中愈陷愈深，甚至“闭锁”在某种无效率状态。
三、适应性造就复杂性
这是霍兰的著名著作《隐秩序》[1]的副标题。它表达了霍兰对复杂性的认识。由霍兰近30年研究提出的复杂性适应系统(CAS)是1997年复杂性科学研究的重大成果，其理论解释力和实践指导力都是空前的。
约翰·霍兰，19946年入麻省理工学院学习，1952年进入密西根大学攻读博士学位，由数学转入运筹工程，1959年获得博士学位。霍兰的兴趣、工作、学习那是围绕着计算机开展的。他的学土论文是编制解拉普拉斯方程的程序。1959年毕业后被IBM公司录用，从事第一台商用计算机IBM701逻辑程序研究。1975年霍兰出版了《自然和人工系统的适应性》，对自己20年的工作、学习、进化和适应性之间的关系进行了思考并提出了基因算法。1995年发表了《隐秩序——适应性造就复杂性》，提出对复杂适应性系统(CAS)本质特征的认识和理论分析框架。霍兰从适应性视角讨论、界定了复杂系统。
第一，复杂系统是平行适应主体网络，即是一个由许多平行发生作用的“作用者”组成的网络。在人脑中，作用者是神经细胞；在生态系统中，作用者是物种；在经济中，作用者也许是个人或家庭。每一个作用者都处于一个由自己和其他作用者相互作用而形成的一个系统环境中，都不断在根据其他作用者的动向采取行动和改变行动。所以在这个系统环境中基本上没有任何事情是固定不变的。而且复杂适应性系统的内部控制力是分散的。如在人脑中并没有一个主要的神经元，在发育的胚胎中也没有一个主要的细胞。系统所产生的连续一致的行为结果，是产生于作用体之间的相互竞争与合作。
第二，复杂系统具有基于学习的层次演化机制。复杂适应系统都具有多层次组织，每一个层次的作用者对更高层次的作用者来说都起着建设砖块的作用。比如，一组蛋白、液体和氨基酸会组成一个细胞，一组细胞会组成生理组织，一组生理组织会形成一个器官，器官的组合会形成一个完整的生物体，一群不同的生物体会形成一个生态环境。一组劳动者会形成一个企业、公司，然后又形成经济部门、国民经济，最后形成全球经济。复杂适应性系统能够吸取经验，从而经常改善和重新安排它们的建设砖块。下一代的生物体会在进化的过程中改善和重新安排自己的生理组织；人在与世界的接触中不断学习，人脑随之不断加强或减弱神经元之间无数的相互关联；一个公司会提升工作卓有成效的个人，为提高效率而重新安排组织计划等。
第三，复杂适应性系统具有预期反应机制。所有复杂适应性系统都会预期将来。比如，对一个持续很久的经济衰退的预期会使个人放弃消费计划，这样反过来又加深和延长了经济衰退。这种预期和预测的能力和意识并非只是人类才具有。从微小的细菌到所有生命的物体，其基因中都隐含了预测密码。更为一般性地说，每一个复杂的适应性系统都经常在做各种预期，这种预期都基于自己内心对外部世界认识的假设模型之上，也就是基于对外界事物运作的明确的和含糊的认识之上。而且，这些内心的假设模型远非是被动的基因蓝图。它们积极主动，就像计算机程序中的子程序一样可以在特定的情况下被激活，进入运行状态，在系统中产生行为效果。
第四，复杂系统具有从属于适应主体的环境创造机制。复杂的适应性系统总是会有很多小环境，每一个这样的小环境都可以被一个能够使自己适应在其间发展的作用者所利用。正因为如此，经济界才能够接纳工程师、工人、钢铁厂和商店，这就像森林里能够容纳小动物和昆虫一样，而且，每一个作用者填入一个小环境的同时又打开了更多的小环境，这就为新的寄生物、新的掠夺者、新的被捕食者和新的共生者打开了更多的生存空间。而这反过来又意味着，讨论一个复杂适应性系统的均衡根本就是毫无意义的。这种系统永远也不可能达到均衡状态，达到了稳定状态，它就变成了一个死系统，根本就不可能想象这样的系统中的作用者会永远把自己的适存性或功用性等做“最大化”的发挥。因为可能性的空间实在是太大了，作用者无法找到接近最大化的现实渠道。它们最多能做的是根据其他作用者的行为来改变和改善自己。总之，复杂的适应性系统的特点就是永恒的新奇性。
霍兰基于上述对复杂系统的认识提出了个体适应和学习模型、个体到全局的回声模型，开发了用于现实模拟的计算机软件工具。实现了复杂系统理论分析的操作化。霍兰的研究成果具有重大的实用价值，推进了经济复杂性的科学研究。例如，布赖恩·阿瑟利用模拟工具建立了著名的“玻璃房经济演化系统”，模拟了自然农业经济演进和金融市场演化的过程。
四、混沌与秩序的边界
无论人们认识到复杂系统是自组织的，还是自适应的，但仍然要面对这种自组织、自适应系统是在什么环境条件下，又怎样出现的。霍兰的学生克里斯·兰顿(Chns.Longcon)提出了混沌与秩序边界的理论。丹麦物理学家普·巴克(Per.Bak)提出了自组织临界性理论，试图回答上述问题，推出对复杂性解释的普适性理论。这是复杂性研究的又一次重要思维试验。该理论的基本思想是这样的。兰顿根据博弈论的创始人，世界第一台计算机程序主设计师、著名经济学家冯·诺伊曼在《自我繁衍的自动机理论》中提出的思想设计了人工生命模型，模拟生命的活动。试验过程中兰顿发现了系统的一个特殊参数的取值，可使人工生命过程处于死亡、有生命活动或完全混沌状态。兰顿由此联想到物理学中固体通过相变转化成流体的过程。例如，冰在一定温度下转化成水的过程，进而类比动力系统从秩序通过复杂到混沌的情形。提出了复杂性产生在混沌与秩序的边界这一重要思想。兰顿认为什么是生命，生命就是永远力图在混沌的边缘保持平衡，一方面始终处于陷入过分秩序的危险之中，另一方面又始终被过分混乱所威胁。而生命的进化，是生命越来越善于控制自己的参数，以使自己越来越能在边缘上保持平衡的过程。巴克则通过堆沙行为描述了自组织的临界性。当我们在海滩上玩堆沙游戏时，随着涓涓细沙均匀地从上泻下，所堆沙堆起积越高。当达到一定高度时，处于稳定状态。随着新沙不断落下，原有沙子如瀑布般顺坡而泻。那么，一定高度的沙堆就是处于临界状态，即沙堆表面的沙粒只是刚好呆住，那么再加一粒也可能造成沙子的向下流泻。显然自组织的临界性也就是处于一种边缘状态。
上述理论给出了复杂性产生的环境背景，就是说一个系统只有在正好能在稳定性和流动性之间保持平衡时才能产生复杂的，类似生命的行为。该理论给出了秩序、混沌和复杂之间的关系，将渐进演化与突变统一起来，是人们认识复杂性的突破。所以有人称兰顿的思想是“新热力第二定律”。与经典热力学第二定律描述了事物从秩序演化到混沌的过程不同，新热力学第二定律则揭示了事物在这个过程中可能出现的居于秩序与混沌边界的自组织和自适应乃至生命现象。正如我们的经济体制在完全计划经济条件下控制过于严格死气沉沉不能进步。但在无政府状态下则会处于混乱状态。只有当在计划和无政府之间的某一边缘，社会经济才能表现出活力。
以上简要评述了复杂性科学研究背景，我因刚刚涉足复杂性研究领域，对很多问题理解难免产生偏误，请指正，感兴趣的读者可进一步阅读有关文献[2-6]应当指出复杂性研究远没有到尽头，还有很多问题有待探讨。近年来我国也有很多学者投入复杂性研究。希望统计学界也有更多的人加入这个研究行列，相信在不远的将来我们也会取得重大成果。