系统科学：超越相对论与量子力学的科学革命

导语

不管哪一门学科，都离不开对系统的研究。系统工程和系统科学在整个21世纪应用的价值及其意义可能会越来越大，而其本身，也将不断发展，如现在的系统科学已经上升到研究复杂系统，甚至是复杂巨系统了。像人的大脑、互联网等，就是复杂巨系统。这在国外也是一个热门，叫复杂性科学研究。

——钱学森

罗辑丨作者

狄增如、张江丨审校

一、我们为什么要研究系统科学

2011年，北师大原校长、理论物理学家、系统科学专家、我国系统科学学科建设的重要推动者方福康先生在系统科学发展论坛发言中指出：

系统科学是“超过相对论与量子力学，比所有诺贝尔奖还厉害的一个东西”[1]，“量子力学相对论统治了一个世纪，激光、原子弹或者一堆东西都是在在它基础上发展起来的，但这个黄金时期应该是过去了。这个时候，从物理的角度来说，它面临的问题已经不是20 世纪所对应的问题。物理学有个特点，它每过一两个世纪都要折腾一次，力学、电动力学都是在十七、十八世纪这段时间过日子的。

到了19 世纪末的时候，因为拉普拉斯决定论，基本上所有的问题只要有初始条件，再加上规律方程就能解决。但是有两朵乌云，一个是黑体辐射定律，一个是迈克尔逊干涉仪，于是创造出了相对论和量子力学，恰恰是这么一个事情。现在我觉得物理学也到了一个改朝换代的时间，它确实是需要从原来分解的体系变成一个要慢慢结合起来的体系。”[1]

方福康先生之所以这样讲，是因为钱学森先生也讲过：“系统学的建立实际上是一次科学革命，它的重要性绝不亚于相对论或者量子力学”[2]。为什么一定要搞这样一场科学革命呢？钱老指出：

“现代科学是从文艺复兴以后开始的，它的特点就是不尚空谈，即是从实际出发，而且是为了认识客观世界和解决实际问题的，所以就采取了一个还原论的办法，也就是把事物分解，一层一层分析下去来研究，比如说分子，要了解分子，就要追究到原子。追究到原子还不行，还要往下追。就到了原子核，基本粒子。现在物理学又在搞更下面一个层次的物质结构。这就是一层一层的往下追。

生命现象也是这样，研究整个生物太复杂了。所以就研究组成生物的各个系统、器官，然后认为这还太复杂了，再往下追，一直追到现在，生物已经到了分子的水平，叫分子生物学。所以这样一种研究客观世界的方法，其好处是，它是实事求是的。从客观对象的一层一层分解，深入进行研究。但是也有一个毛病，就是这样一层一层分解下去，研究得好像越来越深了，但是对这个事物的整体就忽视了。

比如生命现象，现在一直搞到分子生物学了，但是生命整体到底是什么，反而越来越不清楚了。这就暴露出一个问题，就是近代科学走的还原论这条路，有一个毛病，就是设有整体的观点。而系统科学就是从整体的观点来看问题。一反从前那种只靠还原论的办法，越分越细的办法。

当然这里也必须说清楚，我们提倡的系统论，不是古代的整体观，古代的整体观有一个局限性，就是那个时候没有工具，没有实验方法来研究更深的层次，因而也就停留在笼统的认识，无法深入下去。

而系统科学的观点，可以说是还原论和整体论的辩证统一的观点。这个观点之所以非常重要，是因为不用这样一个观点，可以说任何科学技术都很难向前发展”[3]。

由此可见，我们之所以必须研究系统科学，是因为“近代科学走的还原论这条路”，基本上走到头了。事实上，当初选择“还原论”这条路，并不是因为这条路是正确的，而是能力所限，正如德国著名物理学家普朗克所说：“科学是内在的整体，它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身，而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着从物理学到化学，通过生物学和人类学到社会学的连续的链条，这是任何一处都不能被打断的链条”[4]。

在过去几百年里，“还原论”一路高歌猛进，促进了现代科学的蓬勃发展，甚至成为近代科学的基本范式，但是，当人类把“低垂之果”全都摘取之后，剩下的就是“复杂系统”的问题了，甚至是“开放复杂巨系统”问题。

“开放复杂巨系统”[3]概念是钱老率先提出的，钱老在《再谈开放的复杂巨系统》一文中总结道：

“对开放的复杂巨系统，我们可以说：1.系统本身与系统周围的环境有物质的交换、能量的交换和信息的交换。由于有这些交换，所以是‘开放的’。2.系统所包含的子系统很多，成千上万，甚至上亿万，所以是‘巨系统’。3.子系统的种类繁多，有几十、上百，甚至几百种，所以是‘复杂的’。

过去我们讲，开放的复杂巨系统有以上三个特征。现在我想，由这三条又引伸出第四个特征：开放的复杂巨系统有许多层次。这里所谓的层次是指从我们已经认识得比较清楚的子系统到我们可以宏观观测的整个系统之间的系统结构的层次。如果只有一个层次，从整系统到子系统只有一步，那么，就可以从子系统直接综合到巨系统。

我觉得，在这种情况下，还原论的方法还是适用的，现在有了电子计算机，从子系统一步综合到巨系统，这个工作是可以实现的。从前我们搞核弹，就是这么干的。因为，核弹尽管很复杂，但理论上仅有一个层次——从原子核到核弹。

国外对于这种一个层次的问题，如混沌，即便是混沌中比较复杂的问题，如无限维Navier-Stokes方程所决定的湍流，还有我们在这个学习班上讲过的自旋玻璃，都可以这么处理，他们把这种问题叫复杂性问题。我认为这种所谓的‘复杂性’并不复杂，还是属于有路可循的简单性问题。

我把这种系统叫简单巨系统。我们所说的开放复杂巨系统的一个特点是：从可观测的整体系统到子系统，层次很多，中间的层次又不认识，甚至连有几个层次也不清楚”[3]。

根据钱老的定义，“人脑”是“开放复杂巨系统”，“人体”是“开放复杂巨系统”，人类生活的地理环境是“开放复杂巨系统”，人类社会更是“开放复杂巨系统”，那么，当我们面对脑科学、生命科学、环境科学乃至人类社会的政治、经济、文化难题，以及互联网、人工智能时，“还原论的方法”是不适用的。

为了解决这些“开放复杂巨系统”难题，钱老提出了一种方法“从定性到定量综合集成法”[3]，这是国外没有的中国人独创的方法。当然，这种方法本质上是一种工程学上的解决方案，是一种融合了人类经验和计算机建模的方法，并不存在一套严谨的数学方程，这意味着，系统科学的完善，还有很远的路要走。

但由于系统科学要解决的问题，是关乎人类命运和社会发展的重大课题，所以，绝不能把系统科学看成一部分科研工作者的课题，而是所有学科的科研工作者乃至所有行业的从业者都需要关注的课题。

二、系统科学与现代科学技术体系

在“还原论思维”长期主导下，很多人默认，“分科治学”是正常的，“学科越分越细”也是正常的，但本质上，这个世界是一个整体，所有真正有价值的问题，都需要用“跨学科融合”的方式来解决，且这种融合不是简单拼凑在一起，而是有机融合，这就需要打破“还原论思维”的桎梏，用“系统科学”作指导。

为此，钱老提出了“现代科学技术体系”（如下图所示），表面上看，钱老的这一体系也有学科划分，但事实上，钱老并不是把“研究对象”作为核心划分指标，钱老的思路是，所有科学技术部门的研究对象是统一的，都是包括人在内的整个客观世界，各科学技术部门的区分只是在于研究问题的角度不同，从不同角度去研究客观世界时，就产生了不同的科学技术部门。

由此可见，由于系统科学思想的引入，人类整个知识体系都将被重塑，当然，这种重塑不是完全推翻“还原论”，而是“还原论和整体论辩证统一”后的升华，因此是一场深刻的范式革命。

钱老构建的“现代科学技术体系”，除了数学和美学，其他科学技术部门都和系统科学有着密切联系。正如钱老在《用马克思主义哲学来指导系统科学的工作》一文中所说：

“地理科学，它就要用系统科学方法；军事科学，刚才王寿云同志提了，军事科学也需要用系统科学方法；行为科学包括法制这些东西，这个也需要系统科学；今天在座的还有戴汝为同志，他是搞思维科学的，思维科学不也是思维系统吗？也需要用系统科学的方法；实际上所谓模态逻辑，就是个逻辑系统；人体科学，刚才于景元同志讲了，当然需要系统科学的方法，这是个开放的复杂巨系统。

社会科学不要说了，当然需要系统科学方法。今天我们国家的社会科学一个大问题，恐怕就是没用系统科学方法，简单化了。最后我还要讲的自然科学，我说自然科学里头有一个好像从前说与系统科学没有关系的高能物理，都是研究基本粒子。

最近我看了他们也来了问题，就是高能物理两个能量很高的原子核要对撞，他们来研究这个，就出现新的现象，他们叫EMC效应，这个把他们难住了，难在什么地方，就是这个原子核也许并不十分大，譬如说是铁之类东西，这个原子核有多少个粒子，从中子和质子说50个，但50个中子和质子，每一个中子、质子都有三个夸克，50×3=150，150是否到头，没有到头，因为这些粒子要相互作用，夸克也有相互作用，那么叫海夸克，海夸克起码是这些夸克的好几倍，那么多少？150再乘4就600，同时要考虑600个质子相互复杂的作用，这个不就是复杂巨系统吗？

而且是开放的，因为两个粒子对撞，两个原子核对撞，现在EMC效应，他们已研究十几年了，还没有解决呐！为什么？因为他们没有一个系统学的概念，所以高能物理里头也出现了系统科学的需要。系统科学是大有可为的，科学技术要进步，要靠引用系统科学的方法”[3]。

此外，钱老在和方福康先生的通信中，还多次提到系统科学的引入，对其他学科的关键作用：

“我想非线性相互作用的巨系统，包括社会现象，其理论要解决的问题是：在环境影响下，系统的结构(即慢变过程)和这个结构的功能(即快变过程)。从前物理学研究的问题中，环境太简单(绝热、孤立)，相互作用太单一，所以情况也就比较单调。系统学的任务是结合更现实的条件、更现实的系统，并扩展到整个客观世界，自然科学和社会科学”[3]。

“系统学的任务不仅在于解释已知的系统功能，还要发现新的系统功能。最近读到H.Haken等编的Synergetics of the Brain(Springer Verlag，1983)和一本较老的心理学书Experimental Psychology its Scope and Method，I.History and Method(Basic Books lnc，1968)中J.Piaget论建立心理学理论的困难。两者都表明了脑科学、思维科学，以及心理学基本理论的突破在于找出人体巨系统的规律，这完全得靠系统学。

我还看到一篇讲物理学家D.Bohm的文章，Bohm以为世界是整体的，一切物质的粒子都是相关的，他的‘configuration space’也就是一个特大超巨系统。Bohm理论将来构筑起来也得靠系统学。因此系统学是今后科学发展中的主流之一，是科学革命的主力军”[3]。

“系统科学的实际应用，特别是国民经济方面，航天工业部信息控制所打开了局面，也有一支有能力的队伍，可以由他们去干。您那里可多搞系统学。

我以为系统学是研究巨系统的，而巨系统之不同于大系统在：大系统理论中规定了系统结构，而巨系统的结构是自组织的。所以自组织是系统学的核心，也就是您们讨论班的中心题目。关于自组织还有电子计算机模拟这条途径，复杂一点的情况下，这也许是唯一可行的途径。此即所谓cellular automaton，我建议您那里开展这项研究。这也是打开局面，不可把人力都放在展不开的阵线上。

我近来读了点David Bohm的工作(他的书：Wholeness and lmplicate Order，1980)，认为他的思想是很有启发的：量子力学的不确定性是由于更基层的涨落，正如布朗运动是由于在显微镜下看不见的分于运动一样。他说的更基层是10^-34厘米的尺度，也就是在量子力学的微观尺度以下的一个尺度，是宇观、宏观、微观以下又一个什么‘观’，又一个层次。

叫‘渺观’行不行？Bohm说一切粒子(基本粒子)都是渺观中非永久性结构，就如人，生物是宏观世界中非永久性结构一样。可惜Bohm不知道您的系统学，不然他该说粒子就是渺观场的自组织。所以我想要完成Bohm的宏图，建立渺观物理，比量子力学还深的物理，要靠系统学。

我还以为不止于微观下的渺观，还会有宇观(广义相对论的尺度)之上的什么‘观’。现在宇宙学的研究提出了inflationary universe的理论，说明宇宙也是多个的，宇宙外有宇宙。那么多个宇宙组成的世界不又是一个更大的尺度，是宇观之上的层次吗？这叫什么？叫‘涨观’？在涨观场中，我们的宇宙，大约几百亿光年大，也是个自组织，也当然是非永久性的。涨观物理学也离不开系统学呀！

现在回到我们自己，人脑是个巨系统，人体是个巨系统，其中的自组织表现为人体的功能态。这就是我讲Mind的研究最终还得靠系统学”[3]。

由此可见，系统科学将深度嵌入到现代科学技术体系里，发挥着无处不在的影响力。

三、中国文化中隐含的系统科学思想

说完系统科学的巨大威力，我们讲讲，中国人研究系统科学的巨大优势。中国自古以来就有系统思想，之所以没有发展为完善的系统科学，是因为“系统论是整体论与还原论的辩证统一”[3]，中国古人的“整体论思维”极强，但“还原论思维”不足，对事物的“定性分析”极为深刻，“定量分析”则十分缺乏，因此无法形成“精密科学”。

这里澄清一下“系统论”、“系统科学”、“系统学”、“系统工程”几大概念的区别：首先，“系统论”是“系统科学”的哲学基础，也是“系统科学”通往最高哲学“马克思主义哲学”的桥梁，“系统科学”又分成“基础理论”、“技术科学”、“工程技术”三大层次，“基础理论”称之为“系统学”，“技术科学”包括运筹学、控制论、信息论等内容，“工程技术”包括系统工程、信息工程、自动控制等。

中国人研究“系统科学”是极具优势的，因为中国古代有一个巨大的“整体论”思想宝库，又加上近代以来积极拥抱西方科学，可以说两方面都很强，所以，我们完全可以完成“整体论与还原论的辩证统一”，如果做不到，只有一种可能，那就是很多人在积极拥抱西方“还原论”思想的时候，把我们自己的“整体论”思想搞丢了。所以，钱老在与王寿云先生合著的《系统思想和系统工程》一文中提醒我们：

“系统作为一个概念既不是人类生来就有，也不是像有些外国人讲的那样，是20世纪40年代突然出现的东西。系统概念来源于古代人类的社会实践经验，所以一点也不神秘。人类自有生产活动以来，无不在同自然系统打交道。《管子》《地员》篇、《诗经》农事诗《七月》、秦汉氾胜之著《氾胜之书》等古籍，对农作与种子、地形、土壤、水分、肥料、季节、气候诸因素的关系，都有辩证地叙述。

齐国名医扁鹊主张按病人气色、声音、形貌综合辨症，用砭法、针灸、汤液、按摩、熨帖多种疗法治病；周秦至西汉初年古代医学总集的《黄帝内经》，强调人体各器官的有机联系、生理现象和心理现象的联系、身体健康与自然环境的联系。

战国时期秦国李冰设计修造了伟大的都江堰，包括‘鱼咀’岷江分水工程、‘飞沙堰’分洪排沙工程、‘宝瓶口’引水工程三大主体工程和120个附属渠堰工程，工程之间的联系关系处理得恰到好处，形成一个协调运转的工程总体。

我国古天文学很早就揭示了天体运行与季节变化的联系，编制出历法和指导农事活动的廿四节气。所有这些古代农事、工程、医药、天文知识和成就，都在不同程度上反映了朴素的系统概念的自发应用”[2]。

然而，“还原论”思想的弊端，却不是中国人首先发现的，“系统科学”的早期发展，中国人也没有参与，当然，这也不能怪我们不努力，因为在西方人开始探索“系统科学”的时候，中国还处于兵荒马乱的状态，建国后，我们最紧急的任务，是补上“工程技术”的短板，而非基础科学研究。

中国的“系统科学”研究什么时候开始的呢？应该算是1978年，那一年，钱老与许国志、王寿云两位学者共同发布了《组织管理的技术——系统工程》一文，是系统科学中国学派的开山之作。事实上，钱老早在1954年发表的《工程控制论》，已经可以归入到系统科学的“技术科学”层，只是钱老当时并没有这样的意识。

到了1955年，钱老就归国了，之后，钱老长期处于我国火箭、导弹和航天事业“科技主帅”的位置上，工作极度繁忙，直到70年代末80年代初，才逐步从这一位置上退下来。就是在这个时候，钱老一方面开始关注系统科学前沿进展，另一方面结合自己几十年来在系统工程上的实践，进行大量的探索和输出。

在钱老的影响和推动下，系统科学中国学派蓬勃发展，不仅综合吸收了中国古代“整体论”思想和西方系统科学最新成果，还提出了“开放复杂巨系统”、“从定性到定量综合集成法”等原创理论，钱老的“产业革命理论”和“大成智慧学”等，也都和系统科学相关。

这里，我们还要特别指出，钱老不仅搭建了系统科学理论框架，还把相关概念统一起来，避免了人们思想上的混乱，比如，关于当时流行的“老三论”系统论、控制论、信息论和“新三论”耗散结构论、协同论、突变论的说法，钱老在《我对系统学认识的历程》一文中强调，这些概念都应该统一归入到“系统科学体系”里。钱老说：

“系统科学到马克思主义哲学的桥梁是‘系统论’。就是刚才一开始讲的systematics，而不是现在流行的什么‘三论’。或者叫‘老三论’，还有‘新三论’等等。我认为这种说法是不科学的。系统科学根本的概念是系统，所以应该叫‘系统论’。系统论里面当然包括所谓‘老三论’里面的‘控制’的概念，也包括‘信息’的概念。这些都应该包括进去了。

至于说‘新三论’，那更怪了，实际上也是我们今天要说的系统学里面的东西，即什么‘耗散结构’、‘协同学’、‘突变论’这些东西。其实，从科学发展的角度来看，并不是到‘新三论’就截止了，不会再有更新的东西了。现在不是还有混沌，还有好多新东西吗?那么，到底有完没完呢?若按‘三论’说发展下去，就成了老三论，新三论，新新三论，新新新三论……再下去只能把概念都搞乱了。

所以系统科学到马克思主义哲学的桥梁，我认为是‘系统论’。那么，系统科学直接改造客观世界的工程技术就是系统工程了。现在看来恐怕还有自动控制技术，这些都是属于系统科学的工程技术，而系统科学里的技术科学，我开始认为是运筹学，后来看还要扩充一下，扩充到像控制论、信息论。实际上，真正的控制论、信息论就是技术科学性质的。

系统科学的基础科学是尚待建立的一门学问，那就是系统学。一会儿，我要仔细地讲这个问题。这样，系统科学的工程技术就是系统工程、自动控制等；技术科学层次的是运筹学、控制论、信息论；将要建立的基础科学是系统学，系统科学到马克思主义哲学的桥梁就是系统论。系统科学就是这样一个体系”[3]。

有了钱老等老一辈科学家为我们打下的坚固基础，再加上中国人本来就在“整体论”思想上有深厚积淀，我们在系统科学研究上，是有独特优势的。现在，我们有着最好的研究条件，又在中华民族伟大复兴的大背景下，通过在系统科学上加大投入，我们完全可以开创并主导“人类新科学范式”。

四、普通人如何学习系统科学

系统科学无疑是一个激动人心的领域，正如钱老所说：“不管哪一门学科，都离不开对系统的研究，系统工程和系统科学在整个21世纪应用的价值及其意义可能会越来越大”，但作为普通人，我们该如何在这样一个看似无限广阔的领域，找到自己的研究方向并取得成果呢？

北师大原校长方福康先生在2011年系统科学发展论坛上，给出了他的答案：

“第一要选个平台。这个平台要在有生命体的系统中选。你可以选经济，也可以选生命科学等。最近我是很偶然因素接触了脑科学、神经科学，在这里头我发现有许多可以注意的事情。

我这里带了一篇文献，这是2011年写的，了解人类大脑中的复杂性，是塞尔他们出版的，这个里头他们虽然是讲大脑，但是通过大脑来讲复杂性，讲了哪些角度能体现出复杂性这个基本问题，比方说大脑里头的涌现，大脑的涌现有六种，大脑的网络，以及大脑的一些研究跟其他领域比如经济的联系。

这里面有八十几篇论文，完全都是2010年2009年的。所以我们倒不是说大家都去搞神经科学，但是看人家从一个平台上如何总结出来复杂性的工作，我觉得这是可以的。还有一点，能够在经济领域或者在神经科学领域中找一个适当的平台，像普里高津找的他自己的化学平台，或者哈肯找的激光平台。我们搞复杂性不可能凭空的，你必须要有真正具体到一个领域。

还有一点我觉得是可以注意的，复杂性系统太复杂，你必须在这个复杂性系统里头寻找一个合适的子系统。你要找的系统要足够简单又足够充分。就是你要去找你的研究对象的时候，你既不要找太复杂的，也不要找太简单的，是什么呢？足够简单也足够充分。

这个东西对我们很重要，因为你要正式面对这么巨大的系统，你怎么想？这一个螃蟹你怎么咬，你得下嘴呀。在这里头，谁提出来的这个系统是可以注意的，就是John Holland提出来的自适应系统，因为自适应系统它恰恰是有生命的，是开放的，是非线性的，但是它里头抓住的一个最基本的特征是什么呢？是在信息的影响下，系统本身对外界信息的一个反馈。

科学院郭雷老师他们有一段时间特别关注自适应系统，在自适应系统里头，你找一个小的问题，能够单独把它划出来去做一些最基本的，有可能在这里头寻找基本概念和基本规则”[1]。

这些话看似简单，却是方福康先生给普通人最宝贵的建议。方福康先生是这样说的，也是这样做的。

“为了促进系统科学在中国的长远发展，方福康先生非常注重系统科学人才的培养。

1985年，在他的积极努力下，在钱学森先生以及全国系统科学界的大力支持下，北京师范大学设立了全国第一个系统理论本科专业，奠定了系统科学学科的发展基础。

1990年，他又与钱学森等著名学者一起，推动国务院学位委员会设立了系统科学理学一级学科，为我国系统科学学科建设提供了平台与机制保障。

自1991年10月至2008年9月，他一直担任国务院学位委员会系统科学学科评议组召集人。

方福康先生是我国系统科学学科建设的重要创始人，为我国系统科学学科建设和学术发展做出了卓越贡献。作为北京师范大学系统科学学科的奠基者和学术带头人，他高瞻远瞩的学术视野、求真务实的扎实工作，使北京师范大学系统科学学科建设在全国具有崇高的学术声望，系统理论被评为本领域全国唯一的国家重点学科，系统科学于2017年进入世界一流学科建设行列”[5]。

在钱学森先生倡导的创建系统学的思想和途径指导下”[6]，在方福康先生及其继任者带领下，北师大“坚持通过对社会经济和生物生态等具体系统的研究，挖掘和提炼系统演化和协同的一般规律，努力发展系统科学基本理论，在系统科学研究领域形成了具有自己特色、并符合国际复杂系统研究发展趋势的研究方向”[6]。

钱学森先生十六年前离开了，方福康先生也于六年前离开了，但他们的思想永远留在了北师大系统科学学院，也留在了我国系统科学学科建设的阵地上。