理解复杂系统：我们的生活为何如此复杂？-当前速讯

我们的生活为何如此复杂？自相对论被提出以来，许多人就已经将复杂性科学视为最重要的科学发展方向，甚至认为它能帮助人类了解宇宙万物的本质，被称作“所有科学的科学”。那么，到底什么才是复杂呢？我们又应该如何理解复杂？本文选自《简单的复杂》，较原文有删节修改。小标题为编者所加，非原文所有。已获得出版社授权刊发。

想象这样一个场景：现在是下午6点，你要下班了，一心只想早点儿回家。但是应该选哪条路呢？事实证明你有选择的余地，其他人也一样。这就是重点：最佳路线是最通畅的路线，但正是所有人的集体决定确定了这条最佳路线。实际上，你并不是在决定回家的路线，而是在猜测其他人的选择。换言之，你是在猜测那些在路上争夺空间的人的选择。当然，其他人也在这么做。回想一下我们之前的讨论，这个日常场景包含一组争夺有限资源（道路空间）的对象（司机），因而是复杂系统的理想案例。

(资料图片)

但你的复杂生活并不止于此。你最终回到家，决定出去放松一下。你想去某家酒吧。我们假设这家酒吧的空间有限，不是所有到场的人都能进去。你再次发现自己不得不做出选择：你是否考虑好了，冒着被拒之门外的风险去酒吧？还是冒着错过一个美好夜晚的风险宅在家里？由于酒吧空间有限，且生意红火，想要光顾的顾客较多，所以你要再次预测人群的选择，尤其要预测酒吧是否人满为患，然后根据预测结果来决定自己的行动。其他人也同样如此。这一场景包含一组竞争有限资源（酒吧座位）的对象（想去酒吧的人）。因此，这也是复杂系统的一个理想案例。

假设你决定不去酒吧，而是在家做一顿美味的晚餐。但你需要采购食材。应该去哪里买？市区的另一头有两家超市，一家叫“0”，另一家叫“1”。哪一家人少？这又是在竞争有限资源，这次是超市的空间。

用餐后，你决定上网查看一年前购买的股票，行情并没有好转。你在屏幕上看到价格走势图。股票价格跌宕起伏，但这带给你什么信息？你应该买入更多的股票，还是卖掉手中的股票？假设你决定卖出。如果其他人也做出同样的决定，这些股票就会突然供过于求。没有人会出高价买入你卖出的股票。相反，如果在买家很多的时候卖出，你就能大赚一笔。从房产到易贝，任何市场销售都是如此。即使是基于某种长期偏好或需求所进行的交易，何时买进或卖出也都是至关重要的决定，该决定主要取决于对他人行为的预测。换言之，你必须再次猜测人群。别人也和你一样，做着同样的事，显然不是人人都能赢。于是，我们又有了一个理想的复杂系统案例——一组对象（投资者）在争夺有限的资源（有利的价格）。

只要好好想一下，我们就会发现生活中有大量情景，让我们以各种方式拐弯抹角地揣测他人的行为。遗憾的是，对所有人来说，这种情况下的正确行动往往取决于他人的实际行动。更糟糕的是，随着时间的流逝，这些日常问题反复出现。于是，我们吃一堑长一智，调整战略以提高胜出的机会。换句话说，我们的日常生活变成了一场场正在进行中的游戏——各种“疯狂竞争”的游戏。

《简单的复杂》，[英]尼尔·约翰逊 著，江生 于华 译，中信出版集团2022年8月版。

复杂应该如何定义呢？

查阅各种字典，你会发现复杂性的定义大致是这样：“复杂系统所表现出的行为。”再去查“复杂系统”，你可能会看到这样的定义：“行为表现出复杂性的系统。”这都说了些什么？很遗憾，复杂性不容易定义。更糟糕的是，不同的人对其有不同的理解。即使在科学界，复杂性也没有唯一的定义。一直以来，复杂性以及复杂系统的科学概念都是通过科学家眼中的特定案例来传达的，这些案例来自现实世界的复杂系统。

复杂性可以概括为“二者为伴，三者成群”。换句话说，复杂性科学研究的是，从一群相互作用的对象中涌现的现象。人群是这种涌现现象的完美例子，因为一群相互作用的人构成了人群。我们只要回顾一下世界历史，就会发现很多由人类群体行为引发的重大事件。在日常生活中，通勤的人、金融市场交易者、人类细胞或叛乱分子都是群体的例子，而相关的群体现象包括交通堵塞、市场崩溃、癌症肿瘤和游击战。洪水、热浪、飓风和干旱等极端天气也可以被视为群体效应，因为它们是从水和空气的群体行为中产生的，而水和空气则以海洋、云、风、空气水分等形式出现。如果再加上人类的集体行为，特别是人类活动引起的环境变化，就会产生一种有争议的涌现现象——“全球变暖”。

电影《沼泽深处的女孩》（2022）剧照。

在现实世界中，大多数复杂性案例的本质是，一群对象抢夺某种有限的资源，例如食物、空间、能源、权力或财富。在这种情况下，群体的出现可能产生非常重要的实际后果。例如，在金融市场或房地产市场中，为了有效争夺买家而自发形成的一大群急于抛售的人，这可能导致短期内价格大跌，即市场崩溃。同一时间段，在特定道路上争夺空间的通勤者也会引发群体现象，这会导致交通堵塞，相当于市场崩溃。其他例子包括互联网过载和断电，用户同时访问某个计算机系统或同时使用电网，从而耗尽其可用资源。甚至战争和恐怖主义也可以被视为不同群体的集体暴力活动，其本质是为掌控同一资源（如土地或政治权力）而斗争。

复杂性科学的终极目标是理解、预测和控制涌现现象——特别是潜在的灾难性群体效应，如市场崩溃、交通堵塞、流行病、癌症、人类冲突和环境变化。它们是可预测的，还是毫无预警地突然出现？我们可以控制、操纵甚至规避它们吗？

健康和医疗是复杂性应用的典型例子

涌现现象的显著特质是，它们的出现不需要任何核心管理者和协调者。试想一下，为了重现某种交通拥堵现象，核心管理者要费多大精力去协调和沟通。换句话说，想象一下，为了确保所有司机同时出现在同一条路上，并且以一种特定的模式行驶，他要拨打多少通电话。这根本没法实现。这个例子反映出复杂系统的普遍特征：涌现现象不需要一只“看不见的手”。相反，对象的集合能实行自组织，让涌现现象像变魔术一样完全自发地出现。

涌现现象的势头也非常迅猛。我们都知道，无论是有意还是无意，人们很容易在从众心理的跌宕起伏中迷失自我。20世纪70年代，社会上掀起了一场时尚和发型的文化狂潮：想想喇叭裤和松糕鞋吧。20世纪90年代，我们经历了臭名昭著的互联网泡沫，公司员工同意以股票期权而不是现金作为薪酬，直到2000年4月泡沫破裂时，他们才发现自己身无分文。谁没有过这种经历？在人潮拥挤的街上漫步，发现自己与同伴走散了，正走向自己并不想去的方向？我们每个人似乎都有一种与生俱来的融入群体的渴望，但从个体的角度来看，这可能不是最明智的决定。想想房产或汽车交易。你如果在别人都买入的时候卖出，就会得到更理想的价格，反之亦然。

电影《极品飞车》（2014）剧照。

涌现现象不仅限于人群。动物的世界也有很多自组织的例子：从蚂蚁的路径和黄蜂群，到鸟群和鱼群。事实上，生物学是这些集体现象的宝库——从免疫系统对抗入侵病毒的集体反应，到驱动许多重要生物过程的细胞间通信和信号的传递。所有这些效应都属于涌现现象，这正是不同学科的研究者对复杂性越来越感兴趣的原因。

人人都关注（担忧）的健康和医疗是复杂性应用的典型例子。我们的免疫系统由一些对抗入侵病毒的防御机制组成。然而，就像交通、股市和互联网一样，系统本身也可能出错。比如，免疫系统的集体反应最终攻击了健康组织。

因此，从人类健康的角度看，了解我们能在多大程度上预测、管理甚至控制复杂系统，意义特别重大。事实上，它甚至可能带来全新的治疗方式，即利用身体的集体反应来解决某个器官的特定问题，而不是依赖某种靶向治疗。癌症是群体效应出错的一个非常可怕的例子，就像交通拥堵等其他复杂系统现象一样，细胞开始不受控制地繁殖。在避免杀伤力更强的副作用的前提下，如何缩小肿瘤，是非常棘手的医学难题。举个例子，任何破坏肿瘤的治疗都可能间接导致恶性程度最强的细胞生存下来。

人类的集体行动对环境和气候有何影响？

人们对复杂性的兴趣不仅限于人、动物或细胞这些自然对象。一组对象在不需要核心管理者的情况下，产生涌现现象的能力引发了NASA（美国国家航空航天局）研究人员的兴趣。加利福尼亚州山景城的艾姆斯研究实验室是卡根·图默和戴维·沃尔伯特领导的一个研究团队，他们正在研究机器的涌现现象。这些机器可能是机器人、卫星，甚至是微型航天器。例如，为了快速有效地探索行星地表，NASA正在研究一组相对简单的机器人，而不是更为复杂的大型机器。他们这样做有充分的理由。如果这组机器人中有一个出现故障，那么还有很多机器人可供选择。相反，大型机器发生一次故障，就可能导致巨额项目立即终止。这就是NASA不去探索独立的大型复杂卫星和大型宇宙飞船，而去探索一群简单卫星和一组微型宇宙飞船的原因。

NASA对这类研究感兴趣还有一个更吸引人的原因。NASA的大部分任务是向遥远的行星发送机器，而跨越如此远的距离，很难维持通信渠道的稳定性。如果NASA的工程师能坐下来，放松一下，让行星上的机器自己解决问题，那就太棒了。当然，安排机器着陆就像我们通过电话与一群朋友商量如何安排午餐聚会一样困难。以午餐聚会的常见问题做类比，你可能会认为，其中一台机器会充当本地协调器，逐个检查每台机器的位置和可用性，然后协调它们的行动。这听起来应该管用，但事实上，这样做会降低机器集合的性能，使其脆弱性等同于单个复杂机器。如果本地协调器出现故障，那么任务将再次终止。相反，机器集合的“杀手级应用”无需本地协调就能把工作做好，这也是NASA对复杂系统感兴趣的原因。事实证明，在经过适当选择的对象集合中，不使用独立控制器进行协调，而是让其争夺有限的资源，可以更好地发挥其作用。这正是NASA面对的情况，因为在行星表面的某块区域内，可收集的松动岩石通常较少。

一组自私的机器或许能发挥很大的作用。为了说明这一点，举一个发生在繁忙的购物中心的例子。设想一下，你丢了100美元。你组织了一个搜寻队，告诉大家找到钱之后会平分。如果搜寻队规模很大，你就很难协调每个人的行动，因此可能永远也找不到钱。相反，如果你告诉人们，谁找到，钱就归谁，那么在强烈的私欲驱使下，钱很快就能被找到。从这个意义上说，丢失的钞票就像行星上的石头。我们可以看到，自私机器的集体行动能解决相当复杂的搜索问题。

电影《造梦之家》（2022）剧照。

机器集合是如何通过单个机器的自适应和进化来实现自我设计的？有些研究小组在研究这一课题，研究借鉴了现实世界中人群的例子。毕竟，金融市场中的人除了以自私的方式争夺有限的资源，什么都没做，就像机器一样。这同样适用于路上的司机：正是因为他们在路上争夺空间，我们才会看到车辆通常以某种合理且规律的模式分布。

如果你正在飞机上阅读这本书，那么你可能想做一次深呼吸。机载计算机系统的日益高科技化意味着，未来的每架飞机都是一个需要管理和控制的复杂系统。但是，在创造自身挑战的同时，复杂性理念也被用来开发新式飞机。例如，斯坦福大学的依兰·克罗及其同事研究的项目是，在传统飞机机翼的背面加上一排自动微型襟翼。设计是这样的：微型襟翼根据飞机的计划轨迹，在恰当的时间就正确的方向展开定位竞争，就像自私的购物者为找到丢失的钞票，在恰当的时间就正确的位置展开定位竞争一样。因此，不再需要核心管理者（在飞行的例子中，是飞机驾驶员）。未来可能出现无人驾驶飞机，这在今天看来有点儿可怕，但很显然，只要机票便宜，行李能准时到达，许多人确实愿意乘坐这种飞机。

我们乘坐飞机时，空气状态是怎样的？更笼统地说，人类的集体行动对环境和气候有何影响？对日益稀缺的自然资源的全球性竞争正在加剧污染，加速森林砍伐，而这反过来会影响气候。气候由大气和海洋之间复杂而持续的相互作用形成，与水流、风和空气湿度息息相关。洪水、飓风和干旱是集体行为产生的极端现象。尽管科学家们知道如何用数学描述单个空气分子和水分子，但要描绘全世界数十亿空气分子和水分子聚集的图景，是极其复杂的。现在，再加上人类的集体行动，我们就突然遭遇了全球变暖。我们要面对一个复杂问题，即评估人类的集体行动如何影响全球气候，以及如何应对这一局面。

想避开下班回家路上的交通堵塞？复杂性是关键所在

这就是复杂性的实际应用，从技术到健康，再到日常生活。但它在基础科学，特别是基础物理学中发挥作用了吗？事实证明，它确实发挥了作用，而且是在很大规模上发挥了作用。当深入原子层面时，涌现现象的范围大得惊人。电子是带负电的粒子，通常绕原子核运行。然而，你如果将大量电子聚集在一起，就会发现大量奇异的群体效应：从超导性到所谓的分数量子霍尔效应和量子相变等。

电影《谁偷了我的粉兔子》（2019）剧照。

还不止于此。如果我们只取两个粒子，比如电子，它们就会表现出一种特殊的“量子群体效应”，我们称其为纠缠（entanglement）。这是一种奇怪的涌现现象，爱因斯坦一生都对此困惑不解。事实上，基于量子群体的信息处理能力如此强大，以至人们提出了量子计算机的畅想。它是一种完全新式的计算机，比任何传统的个人计算机都要先进几光年。量子密码学可以产生绝对安全的密码。此外，还有量子隐形传送。大自然母亲可能已经利用了这种效应。

即使是爱因斯坦的时空和黑洞的基础物理学概念也无法摆脱隐藏的复杂性。爱因斯坦相对论的核心思想是空间和时间的结合。另一种说法是，两段时空可以通过光在其间的传递而相互作用。因此，整个时空结构是由相互关联的片段组成的复杂网络。可以说，它们只是表示相互作用的一组对象（即复杂系统）的另一种方式。

在所有例子中，群体现象的确切性质取决于单个对象之间的相互作用以及相互联系。仅仅根据单个对象的特性来推断涌现现象的性质是极其困难的（如果不是不可能的话）。因此，凡是有关基本量子力学的粒子（如电子）群体效应的新发现都会赢得诺贝尔物理学奖，这可是真的。比如，尽管我们了解单个电子的性质，但它们的集合所产生的涌现现象往往令人惊叹，以至每种现象本身都是了不起的新发现。就日常生活而言，我们知道，无论在形式上，还是在发生时间和持续时间上，市场崩溃和交通拥堵都可能发展到令人震惊的程度。我们很难预测群体效应会在何时、何种情况下出现，因而，复杂性科学也被称为“惊喜背后的科学”。

在科学、医学领域以及我们的日常生活中，复杂性的应用似乎随处可见。无论你是对基础物理学、生物学、人类健康感兴趣，还是只想避开下班回家路上的交通堵塞，复杂性都是关键所在。

本文选自《简单的复杂》，较原文有删节修改。小标题为编者所加，非原文所有。已获得出版社授权刊发。

原文作者/[英]尼尔·约翰逊

摘编/安也

编辑/袁春希

校对/赵琳

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