三破缺，生萬物——複雜性湧現的簡單普適原理
摘要：從沙丘到星系，從細胞到大腦，從菌羣到人類社會，基本粒子如何湧現出如此不可思議的複雜世界？基於還原論的現代科學仍然難以理解複雜系統“整體大於部分之和”的湧現機制。北京師範大學王文旭教授顛覆了對複雜性的傳統認知，與博士生吳文豪和李澤正共同建立了複雜性湧現的簡單普適原理——三條自組織規則的對稱自發破缺產生各種複雜現象和模式，即三破缺，生萬物。這一複雜性起源基本原理對於指導具體複雜系統的逆向工程有普適價值，將引起各學科複雜性相關研究範式的轉變。Complex world, simple rules.關鍵詞：複雜性湧現、自組織對稱破缺、普適原理、斑圖滲流、分形混沌相變、混沌邊緣、混沌與秩序共存複雜系統和複雜性是當代科學麪對的最堅固堡壘。小到病毒，大到宇宙星系，從沙丘到宇宙中最複雜結構——大腦，從菌羣到人類社會，複雜系統無處不在。簡單系統只存在於人類思維的設計和高度簡化中，複雜系統纔是自然世界的主角。雖然基於還原論的現代科學取得了巨大成功，但是面對複雜系統仍然捉襟見肘，力不從心。還原論的基本理念與複雜系統“整體大於部分之和”的湧現現象之間的矛盾，導致複雜性科學進步緩慢。雖然人們觀察到大量的複雜現象並提出了諸如元胞自動機、多主體模擬、複雜動力系統、耗散結構理論、自組織臨界性、分形和混論，但是，觀測和實驗更像採集標本和盲人摸象；理論模型大都處在唯象層面，缺少對複雜現象之間內在聯繫和底層原理的認識。此外，複雜性科學相關領域存在大量難以清晰界定的概念和問題，比如自組織、湧現、熵增、智能、意識等，這造成了很多認識論層面的爭論和分歧。總之，複雜性研究仍然處在“前牛頓”和“前達爾文”時代，缺少第一性原理、研究範式和框架。甚至以著名的物理學家安德森爲代表的大量學者認爲，由於存在從物理、化學一直到社會學的逐級湧現的複雜機制，複雜系統很可能不具備類似牛頓定律的簡單普適原則，因此，需要具體問題具體分析，物理學理念也許並不適用於複雜性科學。北京師範大學王文旭教授經過多年潛心研究，顛覆了對複雜性的傳統認知，與博士生吳文豪和李澤正共同建立了複雜性湧現的普適原理——三條自組織規則的對稱自發破缺產生各種複雜現象和模式，即三破缺，生萬物。三條自組織規則極爲簡單（見圖1），只涉及基本物理量，可簡述爲：n個體對周圍羣體施加正、負力（正負力代表兩種相反的作用）
圖1：三條自組織規則示意圖。左圖爲正負力的作用範圍和強度示意圖，右圖爲個體狀態與受力的函數關係。
圖2：自組織破缺示意圖。左圖爲正負力的作用範圍和強度對稱破缺，右圖爲三種個體之間作用關係對稱破缺。
自組織對稱性的自發破缺主要包括四類（如圖2所示）：
這裏的正負力可以代表複雜系統各種層次上的基本相互作用，包括四種基本力、分子生物的正負調控作用、神經元的興奮和抑制作用、動物捕食和共生關係、社會吸引和排斥作用、合作和對抗、陰和陽等；對稱破缺可以自發出現在物理和化學系統之中，也可通過未知的方式編碼到基因中，並進一步體現在分子調控、神經系統和生物羣體行爲之中。
圖3：簡單普適原理模擬生成的自然界複雜圖案和現象。三條自組織規則的對稱破缺組合能夠產生自然界中的各種複雜現象和時空模式，包括各種圖靈斑圖（動物外表圖案和玄武岩等）、分支分形（樹、肺、河道）、地毯分形（海螺花紋）、螺旋波（阿米巴蟲釋放物質、化學振盪、海螺殼、颶風、星系）、靶波（心跳、生長因子）、平面波、時空混沌（混沌地毯和萬花筒）、斑圖滲流（非連續相變）、分形到混沌的相變（分形地毯到混沌地毯）、混沌和秩序共存（波的邊緣混沌）等，具體發現如圖3所示。在生成各種複雜現象的同時，課題組給出了斑圖滲流相變的解析解、有限尺度標度分析、分形到混沌的相變解析解、螺旋波、靶波和平面波的各種特徵的解析解等。三破缺，生萬物這一複雜性湧現的普適原理將會引起各學科複雜性研究範式的根本轉變。自組織和湧現不再是模糊概念，因爲普適原理給出了普適的非對稱自組織規則及其導致湧現現象的機理。普適原理連接了無機和有機系統，因爲非對稱自組織規則適用於任何學科和層級的複雜系統。生物系統中的大量複雜現象源於碳的四個共價鍵能夠構成極大的生物結構多樣性和更多的對稱破缺組合。三條規則的對稱破缺就像中央控制面板上的一些控制旋鈕，它們的開關組合生成了自然界各種複雜模式和現象。如果沒有計算機則很難預測湧現結果，但是其會被大自然所篩選。只有那些能夠抵抗外部干擾和對存在有益的構形能夠被保留（存在即合理），比如，可用以僞裝的圖靈斑圖和便於交換物質能量的樹狀分形等。對稱性和對稱破缺不再僅僅是物理和化學的基本原則，其穿透了所有學科層級，具備了新的廣泛內涵，將成爲所有領域的基本原則。複雜性湧現的普適原理指明瞭完善基於還原論的現代科學的重要途徑。一方面，普適原理指出還原論對於研究複雜性的侷限；但是，另一方面，還原論也是理解複雜性的基礎。不同於相當多學者的觀點，還原論與複雜性並不是非黑即白的二元對立關係。理解湧現現象的前提是自組織機制的逆向工程，而推斷自組織機制的前提是將系統還原爲基本單元和基本作用，所以說還原是研究複雜性的前提和基礎。然而，只還原而沒有湧現的普適原理，則無法理解複雜性的湧現。基本原理的普適性和高度抽象對於還原具體複雜系統的基本單元以及自組織的逆向工程有重要的指導意義，例如，理解DNA如何編碼和調控複雜生物過程以及大腦神經元如何通過自組織實現功能湧現等。這些研究將對未來科技的發展帶來重要啓示。複雜性湧現的普適原理是東西方智慧和哲學觀的結合和對立統一。一方面，其體現了大道至簡，三生萬物的道家世界觀，同時也符合奧卡姆的威廉剃刀原理，即有效最簡原理；東方神話的混沌初開和現代宇宙大爆炸以及宇稱不守恆理論也同時蘊含了對稱自發破缺的唯物主義世界觀。另一方面，與西方的二元對立觀有所不同，東方的陰陽和諧整體論觀念對於發現普適原理必不可少。如果受二元對立觀點影響，將還原論與複雜性對立，將無法建立普適原理。普適原理中既對立又統一的陰陽作用機制正是東方古老智慧的體現，也體現了有機和無機、人與自然的和諧統一。Complex world, simple rules.中國因爲種種原因，錯過了近現代科學發展的黃金時期，一直處在疲於追趕的狀態。但是，對於複雜系統和複雜性這一堅固堡壘，全世界科學家處在同一水平線。複雜性湧現的普適原理是構建複雜性科學理論大廈的基石。在這一過程中，東方古老智慧和文明將發揮重要作用。中國科學家將首次面對引領世界科學發展的歷史機遇，特別是在生物技術、生態環境、神經科學和類腦人工智能等方面大有可爲。https://worldscientific.com/doi/10.1142/S021812742430012Xhttp://arxiv.org/abs/2405.16028
