撥開(kāi)重重迷霧 如何在“混沌的邊緣”預(yù)測(cè)未來(lái)

　　北京時(shí)間10月5日，瑞典皇家科學(xué)院公布2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了兩組科學(xué)家，真鍋淑郎與克勞斯·哈塞爾曼，以及喬治·帕里西，“以表彰他們?yōu)槲覀兝斫鈴?fù)雜物理系統(tǒng)所作出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)�！�

　　三位獲獎(jiǎng)?wù)叩难芯款I(lǐng)域從宏觀的氣候變化到微觀的粒子運(yùn)動(dòng)，跨度巨大，但其背后都指向了同一個(gè)方向，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研究。

　　這也正反映出當(dāng)下復(fù)雜系統(tǒng)研究的一大特點(diǎn)：覆蓋廣泛，兼容并包。而我們的生活其實(shí)也早已在不知不覺(jué)中被復(fù)雜系統(tǒng)所包圍。

　　在混沌與平衡之間

　　要理解復(fù)雜系統(tǒng)，需要先從它的一端，即混沌開(kāi)始說(shuō)起。

　　“在巴西的一只蝴蝶扇動(dòng)一次翅膀，會(huì)引起德克薩斯州的龍卷風(fēng)嗎？”這句今天被形容為蝴蝶效應(yīng)的經(jīng)典名言，最早是氣象學(xué)家愛(ài)德華·洛倫茨撰寫(xiě)的一篇關(guān)于混沌學(xué)的論文題目。

　　混沌系統(tǒng)中蝴蝶效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)實(shí)屬巧合。洛倫茨1963年在研究大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，提出了一個(gè)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，僅保留有三個(gè)變量的數(shù)學(xué)模型。在第一次計(jì)算中，他輸入初始值0.506127，得到了一個(gè)確定的結(jié)果。在隨后的第二次計(jì)算中，他省略掉了小數(shù)點(diǎn)最后三位，只輸入了0.506，但這次微不足道的“四舍五入”，卻導(dǎo)致第二次得到的結(jié)果與第一次產(chǎn)生巨大差異。

　　洛倫茨認(rèn)為這不可思議，僅僅千分之一的誤差為何會(huì)給結(jié)果帶來(lái)如此顯著的差異？他和同事立即進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證和仿真計(jì)算，最終得出結(jié)論，該數(shù)學(xué)模型對(duì)初始值的差異具有極高的敏感性。即使再微小的不同，經(jīng)過(guò)多次累加、迭代后，最終也能造成計(jì)算結(jié)果的巨大差異。這種蝴蝶效應(yīng)，便反映出了混沌系統(tǒng)的重要特征之一：不可預(yù)測(cè)性。

　　而復(fù)雜系統(tǒng)的另一頭是確定與平衡。北京郵電大學(xué)理學(xué)院物理系教授蘭岳恒舉了個(gè)例子，當(dāng)一個(gè)房間內(nèi)的氣體處于均勻的平衡態(tài)時(shí)，我們便可以通過(guò)簡(jiǎn)單的公式直接計(jì)算出氣體的體積、壓強(qiáng)、質(zhì)量等，并且答案是唯一且確定的。而任何處于均衡、穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)都是如此。這便是日常生活中最常見(jiàn)的平衡態(tài)。

　　復(fù)雜恰恰位于混沌與穩(wěn)定之間。由此，復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)家朗頓便將復(fù)雜系統(tǒng)稱(chēng)為“混沌的邊緣”，形象地描繪出了復(fù)雜系統(tǒng)的核心屬性。

　　蘭岳恒認(rèn)為，確定一個(gè)系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng)，要求其必須要具備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能。首先是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這要求復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的個(gè)體并非各自獨(dú)立，而是能夠產(chǎn)生相互作用的，并且因此形成相互關(guān)聯(lián)的、具有層次性的結(jié)構(gòu)。而在此基礎(chǔ)之上，相互聯(lián)系且具有層次性的個(gè)體會(huì)具有對(duì)外界的適應(yīng)性功能，會(huì)隨著外界因素的變化而改變，蘭岳恒稱(chēng)之為復(fù)雜系統(tǒng)的彈性，其本質(zhì)上是一種不確定性。

　　他們這樣描述復(fù)雜系統(tǒng)

　　復(fù)雜系統(tǒng)是如此復(fù)雜，而要精準(zhǔn)描述一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)更是難上加難。此次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的兩組科學(xué)家，均在各自領(lǐng)域內(nèi)為精準(zhǔn)描述復(fù)雜系統(tǒng)作出了突出貢獻(xiàn)。

　　氣候是典型的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)我們對(duì)氣候進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)時(shí)，既要考慮時(shí)間尺度上長(zhǎng)期影響氣候的如二氧化碳排放等累積問(wèn)題，也要考慮空間尺度上的突發(fā)事件，如某次并不起眼的臺(tái)風(fēng)的影響。

　　此前關(guān)于氣候的研究多從統(tǒng)計(jì)研究出發(fā)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)推測(cè)未來(lái)狀態(tài)。但氣候是一個(gè)長(zhǎng)期變化且連續(xù)的復(fù)雜系統(tǒng)，其自身內(nèi)部所產(chǎn)生的變化，同樣也在對(duì)它自身的未來(lái)造成影響，僅僅依靠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)。

　　蘭岳恒指出，此次獲獎(jiǎng)的真鍋淑郎與哈塞爾曼，便是將短期的天氣變化作為一種背景噪聲，并將其同長(zhǎng)期的氣候變化結(jié)合起來(lái)，將時(shí)間尺度與空間尺度相結(jié)合，構(gòu)建出了相對(duì)完善的氣候模型。

　　諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)在對(duì)這一成果的介紹中運(yùn)用了一個(gè)巧妙的比喻。其解釋道，對(duì)氣候進(jìn)行預(yù)測(cè)就像是人在遛狗時(shí)，通過(guò)狗的足跡來(lái)預(yù)測(cè)人的行走路徑。寵物狗看似混亂的足跡便是天氣“噪聲”，但如果我們將時(shí)間拉長(zhǎng)，尺度放大，這看上去混亂無(wú)序的噪聲，同樣也可以反映出氣候的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，就像我們可以通過(guò)狗的足跡來(lái)辨別人的運(yùn)動(dòng)路徑。

　　而哈塞爾曼實(shí)現(xiàn)這一目的的方法，是采用隨機(jī)微分方程來(lái)描述一個(gè)隨機(jī)氣候模型。隨機(jī)微分方程的每次積分都有不同的實(shí)現(xiàn)形式，這決定了其構(gòu)建的氣候模型像真實(shí)氣候環(huán)境一樣，存在著不確定性，并且這種不確定性進(jìn)而對(duì)氣候本身產(chǎn)生影響，從而真實(shí)模擬出了氣候在時(shí)間和空間尺度下的變化趨勢(shì)。而通過(guò)這一模型，哈塞爾曼得以將人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候的影響同自然狀況下的氣候變化分離開(kāi)來(lái)，更好地判斷人類(lèi)活動(dòng)究竟是如何影響氣候變化的。

　　相比真鍋淑郎與哈塞爾曼，帕里西的研究更具理論價(jià)值。

　　自旋玻璃是一種典型的非平衡態(tài)材料。所謂的非平衡態(tài)，同樣可以用房間中的空氣來(lái)理解。若是空氣在房間中為非均勻分布，不同角落的狀態(tài)、性質(zhì)各不相同，那我們便無(wú)法再利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式對(duì)其進(jìn)行直接計(jì)算，這便是一種非平衡態(tài)。

　　自旋玻璃同樣如此，其內(nèi)部原子的分布并不均勻，并且會(huì)隨溫度變化而不斷進(jìn)行不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，“總是處于一種非均質(zhì)的狀態(tài)”。蘭岳恒認(rèn)為，“帕里西的貢獻(xiàn)就在于他考慮到了自旋玻璃的不均勻性，并且給出了每一種構(gòu)型的出現(xiàn)幾率�！痹偻ㄟ^(guò)進(jìn)一步結(jié)合統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方法，便可以對(duì)此種非平衡態(tài)材料的各類(lèi)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。“帕里西的這種方法不僅可以用在自旋玻璃上，也可以用在其他很多復(fù)雜系統(tǒng)的研究中�！�

　　未來(lái)將是“復(fù)雜”的世界

　　“今年北京的雨特別多，這可能就是全球氣候變暖的結(jié)果。”蘭岳恒認(rèn)為，復(fù)雜系統(tǒng)的研究與人們?nèi)粘Ｉ�活息息相關(guān)。此次獲獎(jiǎng)的關(guān)于氣候的研究正是復(fù)雜系統(tǒng)研究中非常重要的領(lǐng)域之一�！皻夂蜓芯考仍诶碚撗芯可暇哂兄匾�意義，比如對(duì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的球體上的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，同時(shí)兼具非常大的社會(huì)價(jià)值，對(duì)整個(gè)人類(lèi)的未來(lái)發(fā)展都具有重要影響�！彼�說(shuō)。

　　但他也認(rèn)為，關(guān)于氣候復(fù)雜系統(tǒng)的研究仍然任重道遠(yuǎn)，“全球氣候變暖已經(jīng)得到學(xué)界共識(shí)，但是關(guān)于我們是否已經(jīng)突破了轉(zhuǎn)變點(diǎn)，科學(xué)家們?nèi)栽跔?zhēng)論。而一旦超過(guò)了轉(zhuǎn)變點(diǎn)，我們就再也回不去了。”復(fù)雜系統(tǒng)研究的進(jìn)展，將有助于幫助我們構(gòu)建起更為精確的氣候模型，從而對(duì)未來(lái)氣候進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)分析，解答有關(guān)人類(lèi)生存發(fā)展的重大問(wèn)題。

　　此外，在今年的9月16日，科技部在其網(wǎng)站公布了科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)目2021年度項(xiàng)目申報(bào)指南的通知，涉及59個(gè)研究領(lǐng)域和方向，經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)將超過(guò)31億元人民幣。蘭岳恒認(rèn)為，腦科學(xué)也將是未來(lái)復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ姆较蛑�一�！叭吮旧砭褪且粋�(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，尤其是人的大腦。將復(fù)雜系統(tǒng)研究應(yīng)用于腦科學(xué)，既可以為治療腦部疾病作出貢獻(xiàn)，也可以促進(jìn)人工智能的發(fā)展，是一體兩翼�！�

　　人工智能同樣也是復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域的另一大熱門(mén)話(huà)題。“人工智能具備復(fù)雜系統(tǒng)的適應(yīng)性特征，并且這是一種高級(jí)的適應(yīng)性�！碧m岳恒認(rèn)為，智能化將是復(fù)雜系統(tǒng)研究未來(lái)發(fā)展的一大方向�！拔磥�(lái)無(wú)論是5G、6G，還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，人類(lèi)的生產(chǎn)生活方式都將隨著復(fù)雜系統(tǒng)研究的進(jìn)展發(fā)生重大變化。”

　　洛倫茨曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“人們經(jīng)常會(huì)看到，純理論研究的一點(diǎn)點(diǎn)成果，也許在很長(zhǎng)時(shí)間之后，會(huì)產(chǎn)生連做該研究的科學(xué)家都始料不及的實(shí)際應(yīng)用。”這句話(huà)用蝴蝶效應(yīng)完美詮釋了理論研究對(duì)于社會(huì)發(fā)展、人類(lèi)進(jìn)步的重大潛在推動(dòng)力�？茖W(xué)理論的一小步，便有可能是人類(lèi)發(fā)展的一大步。

　　實(shí)習(xí)記者 都 芃