——访北京师范大学系统科学学院原院长陈晓松
文/胡月
“进入21世纪以来,系统科学已成为未来科学探索的重要领域。最新研究成果证明,超越还原论,在系统科学思想方法的指导下探索复杂性,不仅可加深对具体系统的科学认识,还能揭示各领域复杂现象背后的普适性规律。”在接受记者专访时,北京师范大学系统科学学院原院长陈晓松开宗明义,向记者阐明了高质量发展我国复杂系统科学研究的重大意义。
提到系统科学这一学科,可能有些人不太了解。陈晓松解释说,世间万物纷繁多样的复杂现象背后,存在着普适且简单的规律。通过探索各类系统的结构、环境与功能的普适关系,以及演化与调控的一般规律,并在系统范式的基础上形成科学认识,是系统科学研究的重要任务。
“我们有明显系统观和整体观的东方文化,有明确的系统科学学科体系,这使复杂系统科学在我国具备独特发展的基础和优势,高质量发展复杂系统科学已经成为推动我国科技发展的重要方面。”陈晓松说。
钱老提出体系框架
“20世纪80年代初,钱学森院士就提出了系统科学体系的框架。”陈晓松对记者说,在这个体系中,系统科学作为在系统论基础上发展起来的新兴学科,被认为是与数学、自然科学、社会科学等相并列的一个基础学科门类,“它是从整体与局部的关系角度来研究客观实际的,创建系统学、发展系统科学基础理论也成为钱老继‘两弹一星’之后的主要学术目标。”
实际上,创建系统学的科学目标在于揭示各种系统的共性,以及在演化过程中所遵循的共同规律,并进而为系统科学在科学技术、生物、经济、社会等领域的应用提供理论依据。
越来越多的科学研究成果,特别是诺贝尔物理学奖的研究成果都表明,看似毫不相关的复杂体系,可以用同样的概念或性质去刻画,存在着普适的基本规律。挖掘各领域复杂系统集体行为的涌现机制,是系统科学基本理论的核心问题。
进入21世纪以来,复杂系统科学已成为学术研究的主战场。它关注复杂系统的演化行为和涌现性质,并致力于挖掘其中所存在的、具有共性的基本规律,在方法论上,则要求人们从还原论走向系统论。
“北京师范大学(以下简称‘北师大’)是国内较早进入系统科学学科建设领域的单位之一。自20世纪80年代初开始,我们先后有4名教师师从比利时布鲁塞尔学派创始人、诺贝尔化学奖获得者普里戈金教授,均获得博士学位。在钱学森院士的鼎力支持下,北师大于1985年创建了系统理论本科专业,并开始了系统科学学科的建设。”据陈晓松介绍,经过近40年的发展,北师大以复杂系统基本理论创新为核心目标,结合学科优势,发挥交叉学科的作用和特点,在气候变化、认知神经科学与教育、社会经济、生物生态、多主体系统与群体智能等领域开展研究,取得了初步的学术成果。作为学校“双一流”建设的重要组成部分,北师大为中国系统科学学科建设做出了突出贡献,在国际学术领域也具有良好的声誉和广泛影响。
新兴学科亟待推进
综观自然与社会,存在着大量不同尺度、不同类型的复杂系统。陈晓松举例说,比如,人类用于感知世界并思考的大脑是由海量神经元组成的,认知、学习及思考与神经元的协同及涌现行为等相关。语言和知识系统可看作是由文字、名词及知识点等组成的复杂系统,教育过程与复杂性密切相关。生命系统基本单元的生物分子由原子构成,大量生物分子聚集形成具有生命功能的细胞,再进一步细胞形成生命组织以及系统。社会的基本单元是人,人与人之间的相互关系与影响导致不同层次的社会结构。凝聚态物理中的高温超导相变、非晶材料的玻璃化转变是还没解决的重大科学问题,都涉及复杂物理系统的集体及涌现行为。“可以说,当前迫切需要推进复杂系统研究。”
研究复杂系统的复杂性科学兴起于20世纪80年代,主要研究系统结构与功能之间的关系,以及演化和调控规律,是一门新兴的交叉性、综合性学科。
“复杂系统研究兴起之后,世界各地陆续成立了许多复杂系统研究机构。国外目前有40多个专门从事复杂性研究的机构,在复杂系统基础理论、社会系统复杂性、生命系统复杂性、地球系统、大数据科学等方面开展研究。”陈晓松指出,复杂系统基础理论涉及涌现行为、自组织、动力学、远离平衡态统计物理、复杂网络及动力学等,“其中社会复杂系统研究涉及人群行为、社会稳定性与冲突、经济系统与气候系统、疾病传播、教育等。生命复杂系统方面开展了认知与脑科学、计算生物学、生物群体运动、人类疾病等研究。为应对全球气候变暖的挑战,人们开始将地球作为复杂系统进行研究。”
据陈晓松透露,国内复杂系统研究与系统科学学科建设密切相关,相关的研究机构现有20多个,“但其中从事系统工程研究的较多、开展复杂系统研究的较少。”
携手解决重大问题
《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006−2020年)》多次论述了系统和交叉学科,明确指出“复杂系统、灾变形成及其预测控制是面向国家重大战略需求的基础研究”,要求“重点研究工程、自然和社会经济复杂系统中微观机制与宏观现象之间的关系,复杂系统中结构形成的机制和演变规律、结构与系统行为的关系,以及复杂系统运动规律,系统突变及其调控等;研究复杂系统不同尺度行为间的相关性,发展复杂系统的理论与方法等”。中科院在基础研究的“中长期规划”中,将复杂系统确定为14个重点研究的领域之一。可以说,系统观已经成为我国制定“十四五”规划,并思考中长期发展的基本原则。
“当前,科学研究、社会治理及应对全球气候变暖都迫切需要复杂系统科学的支持与帮助,亟待进一步加强复杂系统研究。”陈晓松展望未来的复杂系统研究时指出,一定要聚焦复杂物理系统、社会系统和地球系统中的重大问题,加强基于大数据的唯象学研究,将数学逻辑与实验融合。复杂物理系统研究中,很有必要将复杂性科学与凝聚态物理及材料科学进行融合。社会系统研究要结合国家战略需求。教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑,为实现我国教育、科技、人才的科学发展,需要将其作为复杂系统进行科学、定量的研究。
以利用复杂网络方法研究气候变化为例,陈晓松向记者阐述了复杂系统科学在解决重大问题时如何发挥关键作用。
他说,当前全球气候变化问题是人们十分关注的重大科学问题。它可能会导致全球各地极端天气频发。极端天气的成因与大气运动模式密切相关,已有研究发现全球气候变化会使大气运动模式发生改变,例如近2年备受关注的热带环流改变。
“然而,热带环流到底是增强还是减弱,学术界还存在很大的争议,热带环流所带来的影响也尚不清楚。通过分析不同地区间极端天气的同步关系,一定程度上可反映包括热带环流在内大气运动模式的强度,对不同区域的极端天气预测也至关重要。”
陈晓松回忆说,2021年,他们团队完成了探究热带环流减弱的论文。通过分析数据,构建了极端位势高度的同步网络,研究这一网络的时间演化,进一步证实热带环流正在减弱;定性分析了不同热带区域的同步强度受全球气候变化的影响。
“研究中,我们基于全球10512个观测格点、位势为50kPa的高度分别建立了正、反两种不同类型的同步网络,并发现了它们不一样的特。进一步研究基于1970−2019年50kPa位势高度的数据,发现了同步网络结构变化与非洲以及大西洋的环流减弱效应之间的关系。”陈晓松说,他们利用气候网络方法,通过构建一系列基于全球近地地表大气温度场的动力和物理气候网络,发现了该有向加权气候网络中的一些隐藏特征可作为ISMR长期有效的预测因子,进而提出了新的季风降雨量的预测方法。
“该方法可以利用前一年的数据预测未来一年的印度夏季季风的降雨量。这一新方法的预测技巧,无论是在时间尺度还是精度上都远优于传统的气候预测模式。”陈晓松对记者强调说,当选定重大科学问题后,最好将相关学科与领域的专家聚集在一起,建立各类不同的跨学科复杂系统研究机构,采用适合其发展的体制与机制进行管理,“推进科学范式的变革,发挥各学科优势及汇聚各科学家智慧,实现新思想和方法的涌现,才能更好地携手解决重大科学问题。”
学科陈晓松科学系统环流发布于：广东省声明：该文观点仅代表作者本人，搜狐号系信息发布平台，搜狐仅提供信息存储空间服务。