《复杂之美》：从2021年诺贝尔物理学奖说“复杂”

       今年（2021年）的诺奖已经公布，其中诺贝尔物理学奖授予了研究复杂系统的三位大家，其中两位天才研究的是大气科学，他们“用于地球气候的物理建模，量化可变性并可靠地预测全球变暖”；还有一位天才则，“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动之间的相互作用。”好家伙，一个人把（物理学）所有的研究都给做了一遍。

2021年诺贝尔物理学奖得主

       这三位科学家都是做的复杂系统领域的研究，但是我们主要还是关注一下第三位研究者，因为他的研究工作主要集中在物理领域，他在复杂系统领域主要的工作是利用统计物理来研究自旋玻璃(这是一种具有径向磁性的金属合金)，他发明了一种数学物理模型来解释材料中的不同方向的自旋的共存，该模型在其他领域也有广泛的应用。此外，他还研究过椋(liang)鸟群的飞行问题，他发现椋鸟群之中鸟与鸟之间存在着长程关联，且该关联和鸟群的尺寸存在着正比的关系（这意味着无标度率）。

       复杂系统理论诞生的时间并不长，大概最早可以追溯到庞加莱对三体问题的研究，以及他的著名论断，“这个问题太复杂了，我没有耐心考虑他们”。有人会问，“多大的系统算是复杂系统？”，其实这没有限制，少到上面说到的三体问题，大到一团气体的运动（可别小看了这团气体，这可是阿伏伽德罗数量级的粒子，也就是说至少有个粒子！），这些系统，都能算作是复杂系统。他们有一个共性，那就是“相互作用”，没错，复杂系统的内部是相互作用的，他们不是互不影响，互不关联的，正是这相互的关联，才会产生出各种各样的丰富多彩的性质。

       有鉴于此，我们可以发现，复杂系统和复杂科学其实和我们的世界是息息相关的，可以说，研究复杂系统，就是在帮助理解这个世界和我们自身，因为人体本身也是一个复杂系统！

       和复杂系统相关的研究方向和领域非常多，包括复杂网络、气候、材料、社会（社交）舆论、流行病、脑科学和神经科学中都能找到复杂系统的影子。那么作为普通人如何来领略复杂科学的魅力呢？一个比较好的方法是从一些科普性的作品开始读起，熟悉一下该学科的基本研究方法和研究对象，例如今天向大家推荐的John H.Miller的作品《复杂之美：人类必然的命运和结局》。

复杂之美

       在《复杂之美：人类必然的命运和结局》一本短短的200页的书中，作者从其自身的研究背景出发，详细的例举了生活中的许多复杂系统的例子，从美股的闪电崩盘到蜜蜂的搬家策略研究；从爬山算法在药物之中的应用到雷克蓝社区居民之间的互动；从博弈论中的囚徒困境到沙粒的自组织临界性质，种种耳熟能详的熟悉案例中都能够发现复杂性科学的应用。

锥螺图像

       本书一共分为12章，每一张都围绕一个不同的观点展开论述，观点在每章的开头就开宗明义，例如第二章：“开始竟如此简单：互动”，上来就挑明了观点：，接下来作者从锥螺贝壳纹路的形成和供需关系的互动两个例子出发来说明这个观点，作者力图表明，一些复杂的现象，例如贝壳纹路的形成，其实最开始的就是由一些极为简单的规则出发，逐步逐步形成的，比如遵循规则：假设相邻的单元是深色的，那么（当前单元）就合成一个深色的单元这样的简单规则，而不是像经济学中那样存在着一只“看不见的手”这样的智能系统在操控锥螺贝壳条纹的形成。局部简单的互动就能在全局上产生不可思议的结果，这是复杂系统的一大特性。

       再举一个例子，第5章：“从六西格玛到新型鸡尾酒混合药物：杂音的意义”，这一章从一个数学上的算法“爬山算法”开始说起，这是一种贪心算法，从当前解的临近解空间中随机选择一个最优解来作为当前的解，它旨在用于寻找一个函数的最大和最小值，但是它也存在问题，即很容易陷入局部的最优而放弃寻找整体的最优解。就像你去爬山一样，爬上了一个小山峰就误以为已经来到了群山的最高处。后来人们对该算法进行改进，引入了错误的变量（杂音）来避免陷入局部最优解的缺陷，这就是模拟退火算法。

模拟退火算法的优点

       那么这样的算法在实际生活中又有什么用处呢？其实大有用处，作者举了一个例子，可以利用这个方法来寻找某些疾病的鸡尾酒疗法，所谓鸡尾酒疗法就是同时将一些药物作用在某一种疾病上，要想找到效果最好的鸡尾酒疗法，就要进行大量的计算，因为针对同一种疾病的药物有很多，他们的排列组合就更多（例如如果针对疾病A有3种药物证实都有一定的效果，那么他们的排列组合就有种）。模拟退火算法在搜寻有效的药物上就能发挥重要的作用，当然这也离不开计算机的大量辅助计算。

       不同药物之间的相互作用从而提升或者降低药物的效果。本身也是一种复杂系统，目前该方法已经有了广泛的应用，最著名的当属1996年美籍华裔科学家何大一提出的针对艾滋病的鸡尾酒疗法，将三种或者三种以上的抗病毒联合药物结合起来对抗艾滋病，取得了非常好的效果。

       书中这样的例子还有很多，大部分都是和实际结合的非常紧密的例子。由此可见研究复杂系统所带来的潜在的，巨大的应用价值。这本书，可以说是希望能了解复杂系统的各领域的有识之士的必读的一本书籍，同时对各位研究复杂系统的学者而言也是开拓视野的一本好书。