漫谈新兴交叉科学的探索历程

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漫谈新兴交叉科学的探索历程——从复杂性、非线性-混沌控制到复杂网络
作者：方锦清

30年来，不仅我和许多学者与国家基金结了不解之缘，而且我国新兴交叉科学的发展历程与其心心相印，事实证明了：国家自然科学基金是推动我国新兴交叉科学发展的不竭源泉，对于加速我国基础科学的发展功不可没!

那么，我国新兴交叉科学的发展历程怎么样？最近，我即将出版一部新作：《科技浪花与追梦随笔——新兴科学交叉集》，全书由八大交叉集组成，较详细总结了新兴交叉科学的发展历程。

这里仅就前三个交集的《导言》分别作一个简介，请大家，特别是广大同行提出宝贵建议和意见。

复杂性探索浪澜起伏(导言)
复杂性科学是以各种各样的复杂系统为研究对象的一门广泛交叉的新兴科学。

国际上，复杂性科学的研究兴起于20世纪80年代，随之在中国蓬勃展开研究，比较早在我国系统科学界中得到推进和发展。自从英国著名理论物理学家霍金——当代爱因斯坦，宣称“21世纪将是复杂性科学的世纪”，复杂性科学更加波澜起伏，在国内外蓬勃发展。

为什么复杂性科学如此令人青睐和高度重视?一是它的发展不仅引发了自然科学的革新，而且正日益融合和渗透到工程领域、经济领域会和人文哲学等许多领域，相互交叉，共同借鉴，相互促进。

更重要的是，它在研究方法论上的突破和创新，主要特征是整体论和超越还原论，旨在揭示和解释复杂系统中的定性的和定量的变化规律，提高人们对客观世界的认识、探索和驾驭的能力和水平。因此，它给人们以极大的启迪和新视角，可以说，迄今，虽然国内外学者对复杂性科学的认识还不尽相同，有不同学派。

著名的“新三论”：比利时普利高津学派的耗散结构论、德国哈肯的协同学和法国的托姆的突变论；美国研究所盖尔曼(M.Gell～mann)的复杂自适应理论，德国科学家M.艾肯提出生物领域的超循环理论(关于生物系统信息息进化理，等等)，都不尽相同，各有所长。

普利高津为首的比利时布鲁塞尔学派在1969年，研究远离平衡状态开放系统时提出非平衡热力学和统计物理学中的耗散结构理论。1973年以后，德国理论物理学家赫尔曼.哈肯发现不同系统之间共同存在着同一系统的要素之间的协同现象，创立了协同论。

1972年法国数学家勒内·托姆勒内·托姆(Renethom，1923年9月2日-2002年10月25日)提出突变论：《结构稳定性和形态发生学》。揭示在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如地震、海啸、细胞的分裂、生物的变异、战争、经济危机等。将系统内部状态的整体性“突跃”称为突变，突变论被用来认识和预测复杂的系统行为。但是尚缺乏统一理论体系或范式，远未揭开复杂性的“庐山真面目”。

然而，普利高津为首的布鲁塞尔学派在我国的影响最广泛，1979年8月在西安召开第一届全国非平衡统计物理(耗散结构)学术会议，专门邀请1977年诺贝尔化学奖获得者普利高津到会讲学，并与中国学者座谈学术问题，作者90年代初应邀访问普利高津教授时，看到在他的布鲁塞尔大学办公室里高挂着大幅西安会议集体大照片，说明他对于中国的高度重视和关注。

注意：其中在普利高津办公室右上角挂着中国第一第一届耗散结构会议的集体合影


中国第一届耗散结构会议代表的集体合影。

1983年第三届全国非线性非平衡统计物理会议集体照片中间部分放大照片。

肯定地说，复杂性科学带来的是一场科学方法论的变革，为人们提供应用新的思维模式，使得可能更深入探索和理解自然界和人类社会的各种各样的复杂性现象及其问题。通过与各种各样领域的广泛交叉、渗透、融合和影响，为人类的可持续发展，包括全球气候问题等重大课题提供一种新思路、新方法和新途径，特别是复杂性科学与非线性科学、混沌科学、网络科学等其他新兴科学密切交叉，不断结合，相辅相成，必将促进世界科学的繁荣昌盛，发展前景美好。21世纪以来，复杂性科学的探索与新兴的网络科学相互结合起来，以崭新的角度继续向前发展，将在第3交叉集里讨论。

混沌学革命吹响号角(导言)
20本世纪初，相对论及量子力学发现改变了作为物理学基础的时空和动力学的基本概念，大大开拓了人们的视野，提高了人们对客观世界的认识。而60年代混沌的发现有人誉为“是继相对论与量子力学后的又一次重要划时代的革命”。

前二次科学革命的重要性在相当长时间内不被人们普遍感受到和认识，面对现代科技许多令人震惊的成果，诸如：核能、航天、激光、计算机及超导等等，高新科技层出不穷，至今人们无不赞口不绝，前两次重大发现产生了不可估量的威力和辉煌成果。

混沌是从确定论的非线性动力学中产生的长时间上的不确定性，从简单的动力学系统中找出了复杂的动力学行为，这不能不被认为是一种科学和思想革命。而且各学科中的非线性动力系统都可能出现混沌，因而有广泛的实际意义和应用价值，被许多领域的广泛关注和重视。

通过近四十多年的发展，混沌动力学已取得了令人瞩目的进展，新的成果不断涌现，已经成为自然科学中一门十分活跃的新兴交叉学科。特别是近十年来复杂网络科学的兴起，使得混沌动力学尤其是混沌同步化与复杂网络相结合，产生了意想不到的、异常丰富的新现象和新课题，已经成为一个十分活跃新的研究前沿之一。纵观混沌发现40年发展历程，它与其他新兴科学不断结合，一直是人们关注的重要课题，继续推动和引发的科学革命浪潮此起彼伏，具有美好应用潜力和发展前景。

非线性科学是研究各类非线性系统中丰富多彩现象的共同规律的一门交叉科学，旨在探索各种各样的非线性现象发展的共性、产生机制及其应用。自古以来每一门学科都有自身的非线性问题，由于当年高速计算机和数理科学的发展，形成各自的非线性学科，成为当年的前沿课题。

混沌学是非线性科学的重要组成部分，因为混沌行为一般只能在非线性系统中产生，因此混沌动力学令人关注和重视。迄今它已能应用数学理论进行描述，并发现了一些定性特性和定量定律。

20世纪90年代以来，混沌学、混沌控制与同步取得了重大进展，由此在国内外掀起了研究混沌控制与同步方法及其应用的高潮，我国在1984年11月在桂林召开了首届“全国混沌(Chaos)学术会议”，后续不定期进行混沌会议，大多数情况是与非线性复杂性科学会议在一起交流，研究热潮跌宕起伏，取得了长足的进展和应用成果。


第1届全国混沌会议部分集体照片
非线性-混沌系统实质上是复杂性现象的王国和百花园，因此混沌、非线性与复杂性科学密切相关，既是理论科学，又是应用科学，相互促进，共同发展。它们已经应用于自然科学和工程技术，以及人文社会科学。探索非线性科学和复杂性科学的严格的系统理论及其应用方面，一直是科学研究的重要方向，进一步深入研究，任重道远。

从20世纪70年代以来，作者亲身经历了我国新兴交叉科学及其相关领域的发展历程，在不同时期参与了上述国内外多种学术会议，并作学术报告和在国内外刊物和上发表一系列文章，原创性论文和综合性文章多发表在专业杂志上，本集精选关于非线性-混沌方面五篇进展评论文，可以见证了我国这个领域交叉科学的发展态势，真实而生动体现了我国科学工作者在混沌控制与同步及其应用等所作出的积极而宝贵的贡献。

网络科学引领新潮流(导言)
网络科学是世纪之交诞生的一门新兴的交叉科学，专门研究自然和社会中复杂系统的定性和定量规律的，它以丰富多彩的真实复杂网络和虚拟网络为两大类研究对象，分析复杂网络的各种拓扑结构、动力学、功能及其相互作用：探索复杂网络系统中发生的各种现象(涌现、突变、同步等)及其产生的机制，研究网上的舆情、流行病和信息的传播与博弈;研究复杂网络上的动力学行为的控制与同步方法及其应用；不仅涵盖了数学科学、物理科学、信息科学、生命科学等自然科学，而且横跨工程技术、社会经济和艺术人文科学，它成为整个新兴交叉科学的研究前沿课题，具有非常广阔的发展应用前景。

国内外已出版了许多网络科学专著和少数科普著作，例如，国外以美国物理学家巴拉巴西为代表，他首先出版了两部畅销的科普著作——《链接》和《爆发》，2015年才出版了《网络科学》专著。国内以陈关荣为首主编出版《网络科学与工程》丛书，迄今出版了10本，之前也有一些著作问世。但是国内关于网络科学方面的科普著作则凤毛麟角， 2014年作者出版了一本合著《漫游网络世界》。这个交叉集是对其科普著作的进一步补充，精选和完善了作者多年在国内杂志和科学网上发表的系列科普文章。期望起到一点推动和促进我国科普繁荣昌盛的作用。

当今是世界科学放飞思维、不断创新、学科交叉、孕育突破的活跃时期。从20世纪到21世纪，人们目睹了不断涌现的新兴的交叉科学，特别是, 掀起20世纪物理学第三次革命的混沌科学，被誉称21世纪科学的复杂性科学，与极其广泛交叉的非线性科学，与各种领域纵横交叉，群体促进，呈现了近代科学日新月异的景象。正是多学科的广泛交叉才创造和孕育了科学技术的重大突破。

典型的突出例证之一是，在新世纪之交，由于互联网、计算机科学、信息科学与众多科学的广泛交叉和促进，复杂网络的研究取得了标志性的进展，打破了60年代以来国际上占统治地位的随机图理论的禁固, 1998和1999年分别发现了小世界网络和无标度网络，随之激起了复杂网络的研究高潮，国内外产生了可导航性网络、超家族网络、网络模快性和相似性等一批创新知识，逐步形成了一个崭新的广泛交叉的网络科学与工程研究领域，诞生了一门新兴交叉科学：网络科学，它可以堪称是探索复杂性之冠。

十八年来, 网络科学锋芒毕露，所向披靡，与其他新兴科学共同推动和见证了正在突飞猛进的网络信息新时代, 给人类现代生活的方方面面带来了巨大变化，为世界发展展示出无限美好的愿景。

当前，世界上许多重大的问题，单独依靠单一学科是无法解决的，例如全球气候变暖及其环境污染等重大问题，都需要多学科的科学家和工程师应用多学科及交叉科学的知识共同来攻克一系列难关。因此，不同学科之间的相互交叉、渗透、融合已经成为当今世界科学发展的不可阻挡的趋势，新兴的交叉科学正是适应了时代发展的迫切需要, 对于我国科技的发展具有重大战略和深远意义，不仅可以推进我国科技的新跨越式发展和解决面临的一些重大问题,而且能够作为方法论的有力武器，提高我们解决难题的创新思维方式和创新能力。

正如胡锦涛在全国科学技术大会上指出“进入21世纪，世界新科技革命发展的势头更加迅猛，正孕育着新的重大突破”。新世纪网络科学的重大突破就是有力的证明之一，网络科学的崛起已经引起了国内外广泛的高度重视和普遍关注。当今，从网络科学发展观审视世界，网络无处不在，整个世界离不开互联网、通信网、信息网、交通网、生命网、生态网、社会网、经济网、军事网等。

总之，丰富多彩而形形色色的自然网络和人造网络充满着整个自然界和人类社会。在我国推进建设主自创新型国家中，网络科学将是我国自主创新的强有力武器之一，具有重大的和长远的战略意义。它不仅是国内外最重要的前沿科学之一，而且与下一代互联网等高新科技的日益融合，成为未来整个科技、国民经济发展和社会进步的一种巨大推动力。

新世纪之交诞生的最广泛交叉的新兴科学——网络科学，引起了国内外的高度重视和普遍关注，从自然科学到社会科学，从技术科学到工程领域，促进了以互联网为代表的网络信息技术的迅猛发展，人类社会生活、科研和生产等活动都发生了巨大变化，迈入了网络时代,由此现在人们离不开互联网、通信网、交通网和无处不在的各种各样社会经济网络，目前我国网民已经超过6亿，在巨变的同时我们面临着网络安全等问题的巨大挑战。

在国际网络科学迅猛发展的推动下，我国网络科学从2000年起步，也迈过了第十几年征程。为了纪念、总结和推动我国网络科学与工程的进一步发展，在张嗣赢院士等的大力支持下，在“复杂系统与复杂性科学”杂志(2010年第2、3期合刊)上，本人负责组织出版了“网络科学专刊：共话我国网络科学——十年回眸与展望”, 这个专刊与2009年美国《Science》(科学)为了纪念国际上网络科学诞生十周年而出版的“复杂系统与复杂网络”专辑遥相呼应。我国老中青学者积极参加总结我国网络科学的主要进展和成果,提出了今后研究的若干重要课题，展望了美好发展前景。该杂志上常设有“网络科学专栏”，从中可以了解到我国网络科学的的最新概况和发展趋势。

随着时间的推移，国内外新兴交叉科学研究浪潮一浪高过一浪，研究热潮此起彼伏，方兴未艾。在国内外新兴科学浪潮跌宕起伏中，我成为一个新兴交叉科学的追梦者，也是一个坚持不懈的“冲浪”者。


来源：科学网方锦清博客（略有删减）