研究机构与项目介绍：SFI美国圣菲研究所
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复杂性科学和美国桑塔费研究所SFI（圣菲研究所Santa Fe Institute） 作者:王丹红 来源:科学时报 日期: 2005-09-10 桑塔费研究所2005年复杂系统暑期学校于7月11日到8月5日在北京举行，我应邀为这个暑期学校写一篇报道。这是我第一次听说复杂性科学和桑塔费研究所（SFI），心想没问题。科学记者总是在前沿的科学领域做报道，只要弄明白报道对象是什么、为什么要这样做等问题就行了。 什么是复杂性科学呢？理论物理所研究员陈晓松是本次复杂系统暑期学校的中方校长，他说：不要问这个问题，这个学科目前还没有明确的定义，你看看他们怎么做就行了。郝柏林院士是这次暑期学校的主要倡导者，他则说：“复杂性研究是科学中的一场革命，不同于传统的学科，不要用看待传统学科的方式来看待它。”理论物理所所长欧阳钟灿院士则兴奋地说：“这是一门非常激动人心的新学科，从事的是真正的交叉科学，SFI是由洛斯·阿拉莫斯国家实验室的一批资深科学家和诺贝尔奖获得者创建的，是一个非常著名的研究所，你会对它们感兴趣的。” 他们对复杂性科学的热情深深感染了我，但我仍然不知道复杂性科学是什么，一片茫然，无从落笔。数学与系统研究所韩晶研究员说：“如果你想了解复杂性科学，你可以看一本名为《复杂》的书，它讲述了复杂性科学与桑塔费研究所的创立过程。” 我打开了《复杂》这本书，书的前言写道：“这是一本关于复杂性的科学，这门学科还如此之新，其范围又如此之广，以至于还无人完全知道如何确切地定义它，甚至还不知道它的边界在何处。然而，这正是它的全部意义之所在。” 在整整一周的时间里，我将《复杂》读了两遍，一种知识的力量激荡着我，正如考夫曼所说：“我看待世界的眼光每天会经历两次刷新。”我体会了郝柏林院士关于复杂性科学可意会却难以言传的感觉，我也体会到了欧阳钟灿院士对复杂性溢于言表的热情。但我仍然不知道如何用一种极其简单而优雅的语言描述复杂性科学，也许这应该是复杂性科学的下一个项目吧! 侵犯“神圣之地” 1987年，41岁的威廉·布赖恩·阿瑟在美国斯坦福大学做教授。那时，他自视甚高，尝试构想了一个对经济学的全新探索，他认为自己提出的报酬递增率指出了未来经济学发展的方向，但大多数经济学家觉得他的想法离奇古怪，所以，他希望回到母校加州大学伯克利分校找到能听他说话的人。 1969年，阿瑟还在伯克利读博士时就发现，经济学像是纯数学的一个分支，作为经济学基础理论的“新古典”经济学将世界简化成了一系列狭隘、抽象的法则。在这些理论中，经济中的作用者——“经济人”被描绘成永远具有理性思维、永远冷静地追求可预测的自我利益的人，就像一个物理学家可以预测一个粒子对特定力的反应一样，经济学家也可预测经济人会对特定的经济形势作出反应。这个观点强调了经济是和谐、稳定和均衡的，但与现实世界格格不入，它们将人类所有的弱点和激情都滤去了，它们不能解释经济中的动力现象和变化。 阿瑟发现真实的经济市场是一种动态的系统，是通过对劳动力、货物和服务的需要来自发组织和运转的，而且，这样的系统在自然界普遍存在，比如，受精卵是一个自组织系统，它会井井有条地分化成器官和组织，形成一个完整的生命；飓风是一个自组织系统，它受到太阳的一股稳定能量的推动，这股太阳能卷起狂风，从海水里吸取水分，化成雨水；家庭和社会也是由无数的人组成的，它们之间也自组形成了复杂的结构。他头脑中形成了一种幻觉：整个一组蔓延的、能够自我形成、自我进化、根据外界条件而自我调整的、具有自我连续性的特有形式，它们好像在服从一种对组织和秩序的隐藏的向往。他意识到：经济也是一个自组织系统。 问题是，为什么世界总存在结构和秩序？这个结构和秩序从哪里来？ 这些自组织的复杂系统都面临着这样的问题。阿瑟相信老的科学分类正开始解体，一个新的、整合为一的科学正期待着诞生，这将是一门完全建立在自然法则之上的严谨的科学，但它不是对一个最基本的粒子的探索，而是对关于流通、变迁以及模型的形成和解体的探索，它将会对事物的个性和历史的偶然性有所探究，而不再对整体之外和不可预测的事物忽略不见。他觉得这不是关于简单性的科学，而是关于复杂性的科学。 这正是阿瑟的新经济学观点的切入点，经济学必须将动荡包括其内，报酬递增率是指拥有者被给予或获得，它能解释为什么高技术公司都竞相蜂拥到斯坦福附近的硅谷而不是别处，因为已经有许多老的高科技公司在那里了，这便是拥有者获得。他相信这个原则指出了经济学未来的发展方向。 在朋友的建议下，阿瑟开始阅读凝聚态物理和非线性物理学，他发现报酬递增率的每个特征与非线性现象都有所对应。1979年11月，他在笔记本上写下了“新旧经济学”概念。他指出，经济是人类生活的一部分，它总是雷同的，但又永远不可能一模一样，它是流动的、永恒变化的、富有生命的，而且，报酬递增率不再是奥地利经济学家约瑟夫·熊彼特所说的“无法分析的一片混沌了”。阿瑟的新经济学观点非常类似于希腊哲学家赫拉克利特的观点，赫拉克利特发现人不可能在同一条河流中涉足两次。 但是阿瑟侵犯了“神圣之地”，讨论会上的经济学家们十分愤怒：你竟敢说经济不是均衡的！1983年，阿瑟写成了第一篇关于报酬递增率的论文，论文被《美国经济学评论》期刊两次退回，英国的《经济学》期刊也简单地拒稿（直到6年后的1989年3月，这篇论文才得以在《经济学》上发表）。阿瑟陷入了绝望的愤怒之中，他想起了母校伯克利，而这次希望之旅却导致了他精神的崩溃。 那一天在伯克利的俱乐部里，阿瑟和经济系的同行们共进午餐。当他介绍自己正在研究报酬递增率时，大家都笑了，笑声粉碎了阿瑟的幻想，他最尊重的经济学家并不听他说话。他感到自己的学术事业似乎已经化为灰烬了，开始认真思考是否放弃经济学的问题。 但顽强的性格还是让他坚持下来了，而且没让他等得太长。 形成科学的大整合 1987年4月，诺贝尔经济学奖获得者肯尼思·阿罗在斯坦福大学的校园里遇见了阿瑟，并对他说，自己正在帮位于新墨西哥桑塔费的一个小型研究所筹备一个由经济学家和物理学家参加的研讨会，希望他能参加。5月，桑塔费研究所(Santa Fe Institute，SFI)所长乔治·考温给阿瑟打来电话，邀请他到研究所做访问研究员，同时介绍了研究所的情况。 SFI创始人考温是一个与新时代截然相反的人，他曾担任洛斯·阿拉莫斯实验室的主任，参与过原子弹和氢弹的研究。数十年的经历让他感觉到：通往诺贝尔奖的辉煌殿堂通常是由还原论的思维取道的，也就是将世界分得尽可能小、尽可能简单，然后又为理想化了的问题寻找解决方案。但他却发现，这样的努力完全背离了真实的世界，把问题限制到你能发现解决办法的地步，而真实的世界却要求我们用更加整体的眼光去看问题。他感到传统学科已经顽固和相互孤立得好像要窒息自己，他开始思考如何对待复杂系统的问题，他希望从另外一个方向来认识世界。 考温发现，世界上除了非常简单的物理系统外，几乎所有的人和事被裹罩在一个充满刺激、限制和相互关系的巨大的非线性网中。比如，经济是非线性的，数百万个人做出的买或不买的决定可相互影响，从而导致经济的繁荣或萧条。一个地方小小的变化会导致其它地方的震动，正如诗人艾略特所说：我们无法不打乱宇宙。整体效果远远大于部分之和，如果用数学来表示这个特征的话，这就是个非线性方程式。20世纪80年代，物理学家开始用“非线性动力学”来描述许多混乱而复杂的系统。 但自牛顿时代以来的300年间，科学家们已经习惯于把世界看作一个能被他们理解的规律所支配的世界，这是一个本质上很紧凑、可预测的世界，却不在乎实际所发生的一切。考温说：“当你一旦离开线性近似法，你就开始航行在一个非常广泛的海洋上了。” 因此，考温想建一个真正整合所有学科的研究所，这个机构既能有大学的博学，又能保持洛斯·阿拉莫斯融合不同学科的能力；这个机构应该能培养出21世纪复兴式的科学家，他们从科学出发，但却能面对混沌无序的现实世界，面对一个并不优雅、科学尚未真正触及到的世界。而且，这个机构最好能靠近洛斯·阿拉莫斯，这样可共享实验室的人力和计算机。 1984年5月，在洛斯·阿拉莫斯一群资深研究员和加州理工学院几位诺贝尔奖获得者的努力下，这个研究所在距实验室35英里的桑塔费成立了，考温任所长。研究所大约需要1亿美元的经费，谁能慷慨解囊呢？ 从不同的角度看世界 1984年，47岁的约翰·里德出任花旗银行总裁。约翰的科学知识十分广博，喜欢出席学术机构的董事会，他说：“这种事对我十分有趣，这给了我和学术界人物交谈的机会，他们对世界的看法与我的日常工作大不相同，从两种不同的角度看世界使我受益匪浅。” 1986年初的某一天，在罗素·赛奇基金会董事会的咖啡时间里，SFI的鲍勃·亚当斯遇见了里德，向他介绍了研究所的情况。里德没有1亿美元可给SFI，但他想知道研究所能否帮他了解世界经济，他说，当面临世界金融市场的问题时，职业经济学家只能编造童话。花旗银行在他前任的手下陷入第三世界债务危机，银行在1年中损失了10亿美元，还有130亿美元也许永远收不回来了，银行的经济学家们不但没有预测到事情的发生，他们的建议甚至将问题弄得更糟。 SFI决定试一试。1986年8月7日，一场关于经济学、物理学和变幻莫测的全球资本市场的讨论会在桑塔费举行。里德说，新古典经济学理论和基于这之上的计算机模型根本无法在他面临风险和不稳定因素时向他提供建议，几乎所有这些经济模型都倾向于假设这个世界总是处于静止的经济均衡，事实上现实的世界经常由于经济突变和骚乱而动荡不安。就他所知道的物理学和混沌而言，他希望物理学家能帮助发展一种新的经济学理论。SFI的人表示，他们的一些想法也许有用，但无法保证奇迹出现。里德说，他不是非要实在地得到某种具体结果，他只需要一些新思想，所以他保证不加时间限制，也不要求具体的成果。 在当天的会议结束时，SFI决定召开一个由经济学家和物理学家参加的经济学研讨会，里德为此捐资几千美元。 在桑塔费 1987年8月24日，阿瑟到桑塔费参加这个经济学研讨会，在这里他遇见了宾夕法尼亚大学的斯图尔特·考夫曼教授。考夫曼关于发育中胚胎细胞的演讲曾经他留下深刻印象。 考夫曼在散步中对阿瑟说，秩序是对人类奥秘的回答，它解释了在这个似乎被偶然因素、混乱和盲目的自然法则所支配的宇宙里，人类怎么会作为有生命和思考能力的生物出现并存在的。他说，秩序告诉我们，人类确实是大自然的偶然产物，但又不仅仅是偶然产物，达尔文提出人类和所有的生命体都是40亿年随机变化、随机灾难和随机生存竞争的产物，但这不是人类存在的全部故事，达尔文并不知道事物存在自组织的力量，秩序和自组的力量创造了生命系统。他宣称：生命的故事确实是一个由偶然现象和偶然事件编织而成的故事，但这也是一个关于秩序的故事：它表现了一种融于大自然的经纬之中的深刻的、内在的创造力。 阿瑟吃惊地发现，考夫曼所说的“秩序”和他所用的“混乱”是同一回事，即复杂系统永不停息地把自己组织成各种形态。他们只是从不同的方向得出这个概念。阿瑟是从冰封而抽象的经济均衡的世界入手提出“混乱”的概念，而考夫曼则是从杂乱而偶然的达尔文世界入手来谈论“秩序”，他们实际上谈论的是同一问题。 经济学研讨会于9月8日召开，阿瑟作了第一场报告，他使用“自我强化机制”来谈论经济学中的非线性现象，吸引了在座的物理学家的兴趣，物理学家们的提问拖延了时间，但使他的立论更加无懈可击。阿瑟说：“我的观点在那天早晨被合法化了。” 10天的讨论会结束后，SFI邀请阿瑟和密歇根大学的计算机专家约翰·霍兰德共同主持一项新经济学研究项目，这是SFI的第一个研究项目。该项目于1988年9月启动。从什么问题入手呢？阿瑟意识到应该从一个切实的问题入手，而不是一开始就建立完整的人工经济学模型，这个想法引出了人工股市模型。他说，在经济学所有的陈芝麻烂谷子问题中，股市行为是最古老的问题之一，因为新古典经济学发现华尔街完全不可理喻。实际上，纽约股票交易所大厅就像是一个失控之地，形形色色的泡沫和崩盘在大起大落，还有人们的恐惧和不安心理。 借助于非线性动力学理论，阿瑟和霍兰德的小组建立了具有自我组织行为方式的股市模型。在这个模型开始时，系统中的作用者完全愚昧无知，都是一些随意制定的规则，让它们学会如何叫价。他们发现这些作用者会像预期的那样学习，结果，“这个系统的每一次运行结果就像见鬼似的符合预言”。1989年5月的一个早晨，他们意识到他们的股市模式成功了，这个模式描述了股市变化的过程并预测了变化的方向。 复杂之道 1989年刚过圣诞节，阿瑟从桑塔费返回了斯坦福大学。桑塔费研究所让他的报酬递增率观点合法化了，从而催化了新经济学的发展。新经济学能对经济过程和变化做出定量描述，并正成为主流经济学的一部分。 阿瑟觉得所有的科学都不再天真，数学家早在20世纪30年代就发现某些非常简单的数学体系其实都不完整，物理学家在60年代和70年代从混沌理论中发现：极其简单的等式能产生令人吃惊的、不可预测的结果，同样的道理在一个又一个的领域中不断被证实：逻辑和哲学是混乱的、语言是混乱的、化学动力学是混乱的、物理学是混乱的，因此经济自然也是混乱的，这些混乱是系统本身所固有的，你无法抓它们。结果就爆发了复杂性革命。 阿瑟认为，从某种意义上说，这场革命是针对还原论而来的。复杂性理论不是基于牛顿式机械化预测的比喻，它似乎更接近于一棵树从种子长成参天大树的比喻，有机而自组。他的观点是：复杂而类似生命的行为是几条简单的、由下而上的规则所导致的结果，混乱而生机勃勃的经济源自极其简单而优雅的理论。 阿瑟说，复杂性对东方哲学来说并不是新鲜东西，复杂性的特点完全是道教的。道教中说：“道生一、一生二、二生三，三生万物。”这个观点无论在科学界、文化界还是在西方，都变得越来越重要。我们看世界的眼光开始摒弃幼稚变得成熟。当我们了解了复杂系统，就开始懂得我们这个永恒变化、互相制约、非线性运动的万花筒般世界的一部分。 这是否意味着这个世界不可捉摸，只有等待和宿命呢？阿瑟说，“现在的问题是你如何在这样的世界上采取行动，回答是：你要尽可能地多选择，你选择的是生存能力和可行的方案，而不是所谓的‘最优化’，因为利益最大化不是一个界定得清楚的定义，你要做的是在前途未卜的世界上变得更强健、更有能力，而这反过来又会让你尽可能多地了解非线性关系和偶然因素的作用。你极其小心谨慎地观察这个世界，不期望目前的状况会永远不变。” 1990年3月，70岁的考温辞去了桑塔费研究所所长的职务，他尽了自己的良心和义务，现在有时间来思考这门新的复杂性科学了，他说：“谈到这个知识性概念的向心力，我感到似乎我比任何人都为之所吸引，复杂性科学已经紧紧抓住了我的心，使我总是沉浸在一种永恒的激动情绪中。我感到我的生命似乎得到了释放，是心智的释放。” 2005年7月，乔治·韦斯特出任SFI所长。在2005年暑期学校的最后一周，他携夫人来到北京，为学生们授课并作公众演讲。这是SFI继去年青岛暑期学校后第二次在中国举办暑期学校。举办暑期学校是SFI的教育项目之一，SFI希望通过教育传播复杂性研究的思维和方法，吸引最优秀的年轻科学家从事交叉学科的研究。他对北京的暑期学校很满意，他说SFI也希望和中国的学者有更多的合作，他们计划明年将继续在中国举办暑期学校。 http://baike.baidu.com/view/858469.html http://www.santafe.edu/
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