全書概覽

這是一本關于復雜科學的書。這一主題依然新穎且觸角萬千，以至于沒有人能準確定義它，甚至無法確定其邊界所在。但是，這恰恰是關鍵。如果說這一領域目前似乎仍定義不明，那是因為復雜性研究試圖解決的，正是挑戰所有傳統學科門類的問題。例如：

? 為什么蘇聯在東歐40年的地位，于1989年短短數月內就瓦解了？為什么蘇聯自身也在不到兩年后就解體了？為什么蘇聯體制的崩潰如此迅速而徹底？這當然與戈爾巴喬夫和葉利欽兩人有關，但即便是他們也似乎被卷入了遠超其控制的事件中。是否存在某種超越個體特征的全球性機制在起作用？

? 為什么在1987年10月股市會遭遇“黑色星期一”，道瓊斯工業指數一天之內暴跌超過500點？很多責難指向計算機交易，但計算機已經存在多年。崩潰發生在那個特定的星期一，是否另有原因？

? 為什么根據化石記錄，往往在數百萬年間保持穩定的古物種和古生態系統，卻在極短的地質時期內消失或進化出新形態？也許恐龍滅絕是因為小行星撞擊事件，但小行星撞擊事件并不常見。這背后，還有什么事情發生？

? 為什么在孟加拉國這樣的國家的農村地區，即使免費提供節育措施，而且村民深知國家人口過剩和發展停滯給自身帶來的危害，但農村家庭依然會平均生育7個孩子？為什么他們持續陷入災難性的行為中不能自拔？

? 大約40億年前，氨基酸和其他簡單分子組成的原始湯是如何成功演變出第一個活細胞的？這些分子不可能僅僅是隨機地結合在一起，正如神創論者常常指出的，發生這種情況的概率太低，我們不能當真。那么，生命的創造是一個奇跡嗎，還是那道原始湯里仍有我們尚未理解的其他因素？

? 為什么在大約6億年前，單細胞生物開始集結聯合，從而催生諸如海藻、水母、昆蟲等多細胞生物，并最終進化成人類？同樣，為什么人類花費無數時間與精力，將自身組建成家庭、部落、社區、國家與社會等各式各樣的形式？如果進化（或自由市場資本主義）真的僅僅是適者生存的競賽，那么為什么它會產生除了殘酷的個體競爭之外的其他現象？在一個好人常居下風的世界里，為什么會存在信任與合作，并且不論情況如何，信任與合作都不僅存在，而且呈蓬勃發展態勢？

? 達爾文的自然選擇如何解釋眼睛或腎臟這樣奇妙的復雜結構？難道生命體中精妙絕倫的生物組織，真的只是隨機演化事件的結果嗎？還是在過去的40億年里，發生了更多達爾文理論未考慮到的事情？

? 生命到底是什么？只是一種特別復雜的碳化學過程，還是什么更微妙的東西？我們該如何看待計算機病毒等創造物？它們只是對生命的拙劣模仿，還是在某種根本意義上真實地活著？

? 心智是什么？大腦，這個僅3磅[1]重的物質，是如何產生感覺、思想、目的和意識等不可言喻的特性的？

? 也許最根本的問題是：為什么宇宙中存在各種事物，而非空無一物？宇宙起源于大爆炸的一團混沌。從那時起，它就如熱力學第二定律所描述的那樣，一直受一種無可阻擋的無序、消融和衰變趨勢所支配。然而，宇宙仍然在各種尺度上都產生了結構：星系、恒星、行星、細菌、植物、動物和大腦。這一切怎樣發生的？宇宙中的無序之力，和宇宙中強大的秩序、結構和組織之力，是否勢均力敵？如果是這樣，這兩個過程如何能同時進行？

乍一看，這些問題唯一的共同點在于，全都沒有明確的答案。其中一些甚至看起來根本不像科學問題。然而，細看之下，它們實際上有很多共同點。例如，其中每個問題都涉及一個復雜系統。在復雜系統的層面上，許多獨立的主體以多種方式進行著相互作用。想象一下千萬億個蛋白質、脂質和核酸通過發生化學反應構成活細胞，或者數十億個相互聯結的神經元構成大腦，又或者數百萬個相互依存的個體構成人類社會，你就能理解。

另一個共同點則是，這些相互作用的豐富性使得系統作為一個整體，能夠自發地進行自組織。于是，人們通過每一筆買賣行為在滿足自身的物質需求時，也在無意識中組成了整個經濟體——這并非由任何人主導或是有意識地規劃。又如，在胚胎發育過程中，基因以某種方式自組織從而形成肝細胞，以另一種方式形成肌細胞。鳥在飛行中會適應其相鄰伙伴的動作，從而在無意識間形成鳥群。有機體在進化中持續地適應環境，也互相適應，從而自組織形成精巧協調的生態系統。原子之間通過化學鍵相互作用，試圖達到最低能量狀態，從而自發形成分子結構。所有這些情形，都是尋求互相適應和自我維持的一群個體，最終設法超越自身，共同形成了諸如生命、思想、目的等集體特性，而這些特性在個體層面是永遠無法獲得的。

此外，這些復雜的自組織系統是自適應的，它們并不只是被動地對事件做出反應，就像地震中的石頭可能會四處滾動。它們會主動嘗試將所發生的任何事情轉化為對自己有利的因素。因此，人類大腦不斷地組織和重組其數十億個神經聯結，以便從經驗中學習。物種會不斷進化以在持續變化的環境中更好地生存，企業和行業也是如此。市場也會對消費者偏好和生活方式的改變、移民、技術發展、原材料價格的變化等眾多因素做出回應。

最后，每一個復雜的、自組織的、自適應的系統都還具備一種動態特性，這使得它們與靜態的物體，比如計算機芯片或雪花等，有本質的不同。后者只是結構表現得復雜，而復雜系統卻更加自發、更加無序，也更加活躍。同時，復雜系統這種獨特的動態特性，又與離奇古怪、不可預測的混沌相去甚遠。近20年來，混沌理論動搖了整個科學界的根基，它指出簡單的動態規則能導致極其復雜的現象，例如無盡展開且毫發畢現的美妙分形，或河水涌動下的飛沫與湍流。然而，混沌理論本身并不能解釋復雜系統的結構、連貫性和自組織協同。

相反，所有這些復雜系統似乎都有某種奇妙的能力，將秩序和混沌引向一種特定的平衡。這個平衡點通常被稱為混沌邊緣，在此處，系統不會一成不變地安于現狀，也不會動蕩不安地走向紊亂。在混沌邊緣，生命有足夠的穩定性以維持自身存在，也有足夠的創造性使自己堪當“生命”之名。在混沌邊緣，新的想法和創造性一點點撬動現實，即使最頑固的守舊派也終將被推翻。在混沌邊緣，持續幾個世紀的奴隸制和種族隔離制度會突然被20世紀五六十年代的民權運動推翻，存在近70年的蘇聯政權會突然在政治運動和動蕩中瓦解，延續億萬年的進化穩定期會突然被物種大爆發打斷。混沌邊緣是有序和無序不斷交戰的永恒戰場，是復雜系統得以成為自發系統、自適應系統和活系統的根本所在。

復雜性、自適應、混沌邊緣的劇變——這些共同的主題如此引人注目，以至于越來越多的科學家相信，這不僅僅是一連串精巧的類比。這場科學運動的神經中樞是一個名為圣塔菲研究所[2]的智庫。圣塔菲研究所成立于20世紀80年代中期，最初落址于新墨西哥州圣塔菲市的峽谷路藝術聚居區，研究所在此租賃了一處修道院，并在舊時的小教堂內舉辦研討會。聚集在這里的研究人員形形色色，既有梳著馬尾辮的研究生，也不乏諾貝爾獎得主，如諾貝爾物理學獎得主默里·蓋爾曼和菲利普·安德森，以及諾貝爾經濟學獎得主肯尼斯·阿羅。但他們有一個共同的愿景，那就是探尋一種底層的統一性，一個能揭示自然界和人類世界普遍復雜性的通用理論框架。他們相信，從過去20年在神經網絡、生態學、人工智能和混沌理論等領域的智識發酵中，他們已經掌握了創建新框架的數學工具。他們相信，對這些思想的應用使他們能夠以一種前所未有的方式理解這個世界自發的、自組織的動力學——并有可能對經濟、商業甚至政治行為產生巨大影響。他們相信，圣塔菲研究所正在打造第一個嚴謹的、替代線性還原論思維的方法。自牛頓時代以來，線性還原論思維一直主導著科學界，但如今在解決現代世界的問題上已經力不從心。用圣塔菲研究所創始人喬治·考溫的話來說，他們相信，他們正在創造“21世紀的科學”。

這本書就是關于他們的故事。

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[1]1磅≈0.45 千克。——編者注

[2]圣塔菲研究所（Santa Fe Institute）為目前國內學界的通用譯法，其中Santa Fe作為美國地名時也被譯為“圣菲”，為保持一致，本書統一采用“圣塔菲”這一譯法。——編者注