开放的复杂巨系统
理论探索

钱学森提出的系统科学新范式,为理解和研究具有开放性、巨量性、复杂性和层次性的复杂系统提供了全新的方法论框架。

理论提出:1990年 钱学森、于景元、戴汝为 综合集成方法论
系统科学抽象概念图

核心理念

整体论与还原论的辩证统一

四大特征

  • • 开放性
  • • 巨量性
  • • 复杂性
  • • 层次性
系统层次结构抽象图

引言

在现代科学发展的历程中,复杂系统的研究一直是科学家们面临的重要挑战。传统的还原论方法在处理简单系统时取得了巨大成功,但当面对社会、生态、人体等复杂系统时,却显得力不从心。正是在这样的背景下,钱学森提出了"开放的复杂巨系统"理论,为复杂系统研究开辟了新的道路。

该理论不仅是对传统科学方法的补充和完善,更是对系统科学理论的重大创新。它强调从整体上把握复杂系统,关注系统的涌现行为,并将人的智慧与计算机的定量分析能力相结合,形成了一套独特的方法论体系。

理论概述

理论背景与提出

钱学森提出的"开放的复杂巨系统"理论,是在他长期从事系统科学、思维科学和人体科学研究,并在领导中国航天工程的实践中,深刻认识到还原论在处理复杂问题时的局限性以及整体论在某些方面的不足之后,逐步形成和发展起来的 [32] [110]

早在20世纪70年代末,钱学森就明确指出,他所提倡的系统论,既非单纯的还原论,也非纯粹的整体论,而是强调整体论与还原论的辩证统一 [15] [100]。这一思想为他后续提出开放的复杂巨系统理论奠定了哲学基础。

钱学森在系统科学研究讨论会现场

基本定义

"开放的复杂巨系统"(Open Complex Giant Systems, OCGS)是指一类具有特定复杂性的系统。根据钱学森在《再谈开放的复杂巨系统》中的阐述,判断一个系统是否为开放的复杂巨系统,主要依据以下三个特征:

开放性

系统与周围环境有物质、能量、信息的交换

巨量性

子系统数量非常多,成千上万甚至上亿万

复杂性

子系统种类繁多,有几十、上百甚至几百种

核心特征

开放性

作为"开放的复杂巨系统"的首要核心特点,指的是系统与其所处的外部环境之间持续不断地进行物质、能量和信息的交换 [1] [5]

这种交换并非单向的,而是双向的互动过程。系统从环境中获取必要的输入,例如资源、能量、信息等,以维持自身的运行和发展;同时,系统也向环境输出其产物、副产品或信息,从而对环境产生影响。

典型实例

  • • 城市系统:输入食物、水、能源;输出产品、服务
  • • 生态系统:接收太阳能;释放氧气、有机物
  • • 人体系统:摄取营养;排出代谢废物

数量级示例

人体细胞: 约37万亿个
人脑神经元: 约860亿个
互联网设备: 数十亿台

巨量性

指的是构成系统的子系统数量极其庞大,通常达到成千上万,甚至上亿万的级别 [1] [5]

这种巨量的子系统直接导致了系统内部相互作用的复杂性和多样性。随着子系统数量的增加,子系统之间可能存在的连接和相互作用方式会呈指数级增长,即使每个子系统的行为相对简单,它们之间大量的、非线性的相互作用也可能导致系统整体涌现出高度复杂的、无法从个体行为简单推断出来的宏观行为。

复杂性

不仅仅指系统包含的子系统种类繁多,通常有几十种、上百种,甚至几百种 [1] [5],更体现在这些异质子系统之间相互作用的多样性和非线性,以及系统结构和行为的动态演化上。

例如,在一个社会系统中,同时存在着经济、政治、文化、教育、科技等不同类型的子系统,它们各自遵循不同的运行机制,但又紧密联系、相互影响。

复杂性维度

  • 结构复杂性:多层次、多类型子系统
  • 关系复杂性:非线性、动态相互作用
  • 行为复杂性:涌现、自适应、演化
  • 认知复杂性:知识和信息处理

层次性

是"开放的复杂巨系统"理论中一个由开放性、巨量性和复杂性引申出来的重要特征,它指的是这类系统通常具有多层次的嵌套结构 [41] [134]

层次特征

从可观测的宏观整体系统到构成它的微观子系统之间,存在着多个中间层次,这些层次之间通过特定的相互作用和约束关系联系在一起。

钱学森特别强调,开放的复杂巨系统的特点在于其层次很多,而且中间的层次往往不认识,甚至不清楚有几个层次 [41] [134]

涌现现象

不同层次之间往往存在着"涌现"现象,即高层次的性质和行为模式不能简单地归结为低层次性质的叠加,而是由低层次元素之间的非线性相互作用在特定条件下产生的新质。

应用领域

社会系统

社会系统是钱学森"开放的复杂巨系统"理论最为典型和重要的应用领域之一 [1] [5]。社会系统由大量的人(本身就是复杂巨系统)以及由人组成的各种社会组织、机构、制度等构成。

社会系统与外部环境(如自然环境、国际环境)持续进行着物质、能量和信息的交换,具有显著的开放性。人的意识、知识、决策和行为对社会系统的运行和发展起着至关重要的作用 [1]

人脑与人体系统

人脑系统和人体系统是"开放的复杂巨系统"理论的另一个关键应用领域 [5] [11]

人脑是一个由数百亿神经元和更多神经胶质细胞组成的复杂巨系统,其结构和功能极其复杂。钱学森认为,人体是对小到生活周围、大到宇宙都开放的复杂巨系统,这一观点被称为"人天观" [39]

地理与生态系统

地理系统和生态系统是"开放的复杂巨系统"理论应用的又一重要领域 [5] [11]

地理系统是一个复杂的综合体,它包括了岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动圈层等多个相互作用、相互渗透的子系统。生态系统作为地理系统的重要组成部分,同样具有开放的复杂巨系统的特征。

宇宙系统

宇宙系统,特别是星系系统,也被钱学森列为开放的复杂巨系统的例子之一 [5]。宇宙系统无疑具有巨量性,包含了数以百亿计的星系,每个星系又包含数以千亿计的恒星以及大量的行星、星云、黑洞等天体。

宇宙系统的层次性也非常明显,从基本粒子到原子、分子,再到行星、恒星、星系、星系团、超星系团,直至可观测宇宙的整体结构,形成了一个多层次的复杂体系。

其他潜在应用领域

经济系统

宏观经济系统涉及生产、消费、分配、流通等多个环节,以及众多的经济主体和复杂的市场机制

信息网络

互联网由数以亿计的计算设备、通信链路、软件应用以及用户构成,是典型的开放复杂巨系统

管理系统

大型组织或项目的管理,面临着处理大量异质元素及其复杂相互作用的挑战

重要著作

《一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论》

A New Field of Science: Open Complex Giant Systems and Their Methodology

奠基性文献,标志着该理论和方法论的正式提出,为后续研究指明了方向 [32] [35]

正式提出"开放的复杂巨系统"概念及其三大基本特征(开放性、巨量性、复杂性),列举典型实例,并初步提出"从定性到定量的综合集成方法"作为研究这类系统的方法论。

《再谈开放的复杂巨系统》

Re-discussion on Open Complex Giant Systems

厘清概念内涵,突出层次性的关键作用,并对综合集成技术的独特性及其与国外复杂性研究的区别进行了阐述 [41] [134]

进一步深化对"开放的复杂巨系统"的理解,明确补充层次性为第四个核心特征,强调其与简单巨系统的区别,并再次强调"从定性到定量的综合集成技术"是处理这类系统的有效途径。

《创建系统学》

Creating Systematology

构建系统学理论体系,将开放的复杂巨系统理论作为系统学的重要组成部分 [23] [43]

汇集了钱学森在"系统学讨论班"期间的讲话和文章,记录了他对系统学基本思想、开放的复杂巨系统方法论提炼的过程,构建了从简单系统到复杂巨系统的系统学框架。

《论系统工程》

On Systems Engineering

系统科学思想演进的重要阶段,为理解和处理更复杂的开放复杂巨系统问题提供了前期的理论准备和实践经验 [23]

总结了系统工程在航天等工程领域的成功实践,蕴含了开放的复杂巨系统理论的早期思想和方法论雏形,如整体观念、分解与综合思想、多学科交叉、定性定量结合等。

著作发展时间线

timeline title "钱学森开放复杂巨系统理论著作发展历程" 1978 : "《组织管理的技术——系统工程》" : "系统工程理论基础" 1980s : "系统学讨论班" : "系统学理论构建" : "方法论思想萌芽" 1990 : "《一个科学新领域》正式发表" : "理论正式提出" : "综合集成方法确立" 1990s : "《再谈开放的复杂巨系统》" : "层次性特征补充" : "方法论深化完善" 2000s : "《智慧的钥匙》等文选出版" : "理论体系化整理" : "思想传播与传承"

综合集成方法论

方法论的提出

"从定性到定量的综合集成方法"(Meta-synthetic Engineering)是钱学森及其合作者在研究开放的复杂巨系统过程中,针对这类系统的特殊复杂性而提出的一种全新的、具有开创性的方法论 [15] [32]

该方法的提出,是基于对传统科学研究方法局限性的深刻认识。钱学森等学者指出,对于开放的复杂巨系统,单纯依靠基于还原论的定量方法,或者仅仅停留在思辨和定性描述层面,都难以有效地认识和解决问题。

核心思想

1

专家体系的合作

组织不同学科背景、不同实践经验的专家群体,形成一个知识互补、智慧碰撞的专家体系。

2

人机结合,以人为主

强调人与计算机的有机结合,并且明确人在其中占据主导地位,发挥人的创造性思维和计算机的高速处理能力。

3

从定性到定量的过程

通过动态的、迭代的、螺旋式上升的过程,逐步从模糊的定性走向精确的定量。

4

整体与还原的辩证统一

既强调整体把握,也注重对系统组成部分及其相互关系的分析,通过分解与综合的有机结合解决问题。

专家团队与计算机协同工作的场景

实践意义

决策支撑

在面对社会经济、国家安全、环境保护、公共卫生等领域的复杂决策问题时,综合集成技术能够整合来自不同领域专家的知识、经验和判断,为决策者提供更为全面、客观、科学的决策依据。

例如,在宏观经济调控、重大工程项目评估、城市发展规划等方面,该方法可以帮助决策者系统分析各种影响因素,评估不同方案的潜在风险和收益。

知识创新

综合集成技术强调多学科专家的协同合作,搭建了不同学科之间交流、碰撞、融合的平台。通过这种跨学科的研讨和集成,可以激发新的思想火花,产生新的知识增长点。

例如,在人体科学研究中,综合集成方法促进了生理学、心理学、中医学、西医学等多学科的交叉融合,为探索生命奥秘和解决健康问题开辟了新途径。

结论与展望

理论的重要性和影响

钱学森的"开放的复杂巨系统"理论及其方法论——"从定性到定量的综合集成方法",是系统科学发展史上的一个重要里程碑,具有深远的理论意义和实践影响。

理论创新性

该理论是中国科学家在复杂系统研究领域取得的原创性重大成果,丰富和发展了系统科学的理论体系。它强调从整体上把握复杂系统,关注系统的涌现行为,并将人的智慧、经验知识与计算机的定量分析能力相结合。

方法论指导

综合集成方法为解决现实世界中各种复杂的、跨学科的难题提供了有效的工具和途径。它不仅为航天、军事等工程领域的成功应用提供了支持,也为社会经济、环境保护、公共卫生等领域的科学决策提供了方法论基础。

未来研究方向

尽管钱学森的"开放的复杂巨系统"理论已经取得了显著的成就,但随着科学技术的不断进步和人类对复杂性认识的不断深化,该理论在未来仍有广阔的研究空间和发展方向。

理论深化

进一步完善与深化理论体系,探索更普适的理论模型和数学工具

智能化发展

将人工智能、大数据等新技术融入综合集成方法,提升智能化水平

应用拓展

在特定领域开展更深入的应用研究,解决重大复杂性问题

人才培养

加强教育与培训,培养既懂理论又懂实践的复合型创新人才

国际合作

积极开展国际交流与合作,共同推动全球复杂性科学发展

学科建设

推动相关学科的建设和发展,为理论持续创新提供保障

"展望未来,钱学森的'开放的复杂巨系统'理论必将在应对日益增长的复杂性挑战、促进科学技术进步、服务人类社会可持续发展等方面发挥越来越重要的作用。"