全书概览

这是一本关于复杂科学的书。这一主题依然新颖且触角万千，以至于没有人能准确定义它，甚至无法确定其边界所在。但是，这恰恰是关键。如果说这一领域目前似乎仍定义不明，那是因为复杂性研究试图解决的，正是挑战所有传统学科门类的问题。例如：

• 为什么苏联在东欧40年的地位，于1989年短短数月内就瓦解了？为什么苏联自身也在不到两年后就解体了？为什么苏联体制的崩溃如此迅速而彻底？这当然与戈尔巴乔夫和叶利钦两人有关，但即便是他们也似乎被卷入了远超其控制的事件中。是否存在某种超越个体特征的全球性机制在起作用？

• 为什么在1987年10月股市会遭遇“黑色星期一”，道琼斯工业指数一天之内暴跌超过500点？很多责难指向计算机交易，但计算机已经存在多年。崩溃发生在那个特定的星期一，是否另有原因？

• 为什么根据化石记录，往往在数百万年间保持稳定的古物种和古生态系统，却在极短的地质时期内消失或进化出新形态？也许恐龙灭绝是因为小行星撞击事件，但小行星撞击事件并不常见。这背后，还有什么事情发生？

• 为什么在孟加拉国这样的国家的农村地区，即使免费提供节育措施，而且村民深知国家人口过剩和发展停滞给自身带来的危害，但农村家庭依然会平均生育7个孩子？为什么他们持续陷入灾难性的行为中不能自拔？

• 大约40亿年前，氨基酸和其他简单分子组成的原始汤是如何成功演变出第一个活细胞的？这些分子不可能仅仅是随机地结合在一起，正如神创论者常常指出的，发生这种情况的概率太低，我们不能当真。那么，生命的创造是一个奇迹吗，还是那道原始汤里仍有我们尚未理解的其他因素？

• 为什么在大约6亿年前，单细胞生物开始集结联合，从而催生诸如海藻、水母、昆虫等多细胞生物，并最终进化成人类？同样，为什么人类花费无数时间与精力，将自身组建成家庭、部落、社区、国家与社会等各式各样的形式？如果进化（或自由市场资本主义）真的仅仅是适者生存的竞赛，那么为什么它会产生除了残酷的个体竞争之外的其他现象？在一个好人常居下风的世界里，为什么会存在信任与合作，并且不论情况如何，信任与合作都不仅存在，而且呈蓬勃发展态势？

• 达尔文的自然选择如何解释眼睛或肾脏这样奇妙的复杂结构？难道生命体中精妙绝伦的生物组织，真的只是随机演化事件的结果吗？还是在过去的40亿年里，发生了更多达尔文理论未考虑到的事情？

• 生命到底是什么？只是一种特别复杂的碳化学过程，还是什么更微妙的东西？我们该如何看待计算机病毒等创造物？它们只是对生命的拙劣模仿，还是在某种根本意义上真实地活着？

• 心智是什么？大脑，这个仅3磅[1]重的物质，是如何产生感觉、思想、目的和意识等不可言喻的特性的？

• 也许最根本的问题是：为什么宇宙中存在各种事物，而非空无一物？宇宙起源于大爆炸的一团混沌。从那时起，它就如热力学第二定律所描述的那样，一直受一种无可阻挡的无序、消融和衰变趋势所支配。然而，宇宙仍然在各种尺度上都产生了结构：星系、恒星、行星、细菌、植物、动物和大脑。这一切怎样发生的？宇宙中的无序之力，和宇宙中强大的秩序、结构和组织之力，是否势均力敌？如果是这样，这两个过程如何能同时进行？

乍一看，这些问题唯一的共同点在于，全都没有明确的答案。其中一些甚至看起来根本不像科学问题。然而，细看之下，它们实际上有很多共同点。例如，其中每个问题都涉及一个复杂系统。在复杂系统的层面上，许多独立的主体以多种方式进行着相互作用。想象一下千万亿个蛋白质、脂质和核酸通过发生化学反应构成活细胞，或者数十亿个相互联结的神经元构成大脑，又或者数百万个相互依存的个体构成人类社会，你就能理解。

另一个共同点则是，这些相互作用的丰富性使得系统作为一个整体，能够自发地进行自组织。于是，人们通过每一笔买卖行为在满足自身的物质需求时，也在无意识中组成了整个经济体——这并非由任何人主导或是有意识地规划。又如，在胚胎发育过程中，基因以某种方式自组织从而形成肝细胞，以另一种方式形成肌细胞。鸟在飞行中会适应其相邻伙伴的动作，从而在无意识间形成鸟群。有机体在进化中持续地适应环境，也互相适应，从而自组织形成精巧协调的生态系统。原子之间通过化学键相互作用，试图达到最低能量状态，从而自发形成分子结构。所有这些情形，都是寻求互相适应和自我维持的一群个体，最终设法超越自身，共同形成了诸如生命、思想、目的等集体特性，而这些特性在个体层面是永远无法获得的。

此外，这些复杂的自组织系统是自适应的，它们并不只是被动地对事件做出反应，就像地震中的石头可能会四处滚动。它们会主动尝试将所发生的任何事情转化为对自己有利的因素。因此，人类大脑不断地组织和重组其数十亿个神经联结，以便从经验中学习。物种会不断进化以在持续变化的环境中更好地生存，企业和行业也是如此。市场也会对消费者偏好和生活方式的改变、移民、技术发展、原材料价格的变化等众多因素做出回应。

最后，每一个复杂的、自组织的、自适应的系统都还具备一种动态特性，这使得它们与静态的物体，比如计算机芯片或雪花等，有本质的不同。后者只是结构表现得复杂，而复杂系统却更加自发、更加无序，也更加活跃。同时，复杂系统这种独特的动态特性，又与离奇古怪、不可预测的混沌相去甚远。近20年来，混沌理论动摇了整个科学界的根基，它指出简单的动态规则能导致极其复杂的现象，例如无尽展开且毫发毕现的美妙分形，或河水涌动下的飞沫与湍流。然而，混沌理论本身并不能解释复杂系统的结构、连贯性和自组织协同。

相反，所有这些复杂系统似乎都有某种奇妙的能力，将秩序和混沌引向一种特定的平衡。这个平衡点通常被称为混沌边缘，在此处，系统不会一成不变地安于现状，也不会动荡不安地走向紊乱。在混沌边缘，生命有足够的稳定性以维持自身存在，也有足够的创造性使自己堪当“生命”之名。在混沌边缘，新的想法和创造性一点点撬动现实，即使最顽固的守旧派也终将被推翻。在混沌边缘，持续几个世纪的奴隶制和种族隔离制度会突然被20世纪五六十年代的民权运动推翻，存在近70年的苏联政权会突然在政治运动和动荡中瓦解，延续亿万年的进化稳定期会突然被物种大爆发打断。混沌边缘是有序和无序不断交战的永恒战场，是复杂系统得以成为自发系统、自适应系统和活系统的根本所在。

复杂性、自适应、混沌边缘的剧变——这些共同的主题如此引人注目，以至于越来越多的科学家相信，这不仅仅是一连串精巧的类比。这场科学运动的神经中枢是一个名为圣塔菲研究所[2]的智库。圣塔菲研究所成立于20世纪80年代中期，最初落址于新墨西哥州圣塔菲市的峡谷路艺术聚居区，研究所在此租赁了一处修道院，并在旧时的小教堂内举办研讨会。聚集在这里的研究人员形形色色，既有梳着马尾辫的研究生，也不乏诺贝尔奖得主，如诺贝尔物理学奖得主默里·盖尔曼和菲利普·安德森，以及诺贝尔经济学奖得主肯尼斯·阿罗。但他们有一个共同的愿景，那就是探寻一种底层的统一性，一个能揭示自然界和人类世界普遍复杂性的通用理论框架。他们相信，从过去20年在神经网络、生态学、人工智能和混沌理论等领域的智识发酵中，他们已经掌握了创建新框架的数学工具。他们相信，对这些思想的应用使他们能够以一种前所未有的方式理解这个世界自发的、自组织的动力学——并有可能对经济、商业甚至政治行为产生巨大影响。他们相信，圣塔菲研究所正在打造第一个严谨的、替代线性还原论思维的方法。自牛顿时代以来，线性还原论思维一直主导着科学界，但如今在解决现代世界的问题上已经力不从心。用圣塔菲研究所创始人乔治·考温的话来说，他们相信，他们正在创造“21世纪的科学”。

这本书就是关于他们的故事。

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[1]1磅≈0.45 千克。——编者注

[2]圣塔菲研究所（Santa Fe Institute）为目前国内学界的通用译法，其中Santa Fe作为美国地名时也被译为“圣菲”，为保持一致，本书统一采用“圣塔菲”这一译法。——编者注