科学新探：以新视角解读复杂性与动态平衡
科学经典著作仿若人类文明史上熠熠生辉的里程碑，为现代科学奠定了基石，搭建起人类进步的阶梯。本期为大家带来《大自然如何运作：关于自组织临界性的科学》，让我们从全新视角理解复杂性和动态平衡。
有这样一条科学规律，广泛适用于宇宙形成、地震火山、物种灭绝、生物进化、交通堵塞、股票市场等诸多领域。自其提出后，已被成千上万的论文援引。
这便是丹麦物理学家帕·巴克和中国物理学家汤超共同提出的自组织临界理论。该理论阐释了复杂系统如何通过内部动力自然进化到一个临界状态，此状态既稳定又处于连续变化的边缘。
这一理论为理解复杂性和动态平衡提供了全新视角，表明即使是简单系统，也能自发产生高度复杂的行为。帕·巴克的代表作《大自然如何运作：关于自组织临界性的科学》能帮助我们了解这一理论。
这本书的写法别具一格，并非单纯围绕公式原理谈理论，而是生动讲述了一群科学家如何构建科学大厦，以及如何解释复杂的自然现象、社会现象和人类思维现象。
霍金曾言，21世纪是“复杂性”的世纪，自组织临界理论为我们理解复杂性提供了框架。
什么是复杂性理论？
大爆炸时仅有几种基本粒子的宇宙，是怎样演变成有生命、历史、经济和文学的世界的？为何大爆炸没有形成简单的粒子气体或凝聚成巨大晶体？截至目前，科学鲜少探究自然为何如此复杂。
举个生活中的例子，海滩上孩子让沙粒缓缓落下形成沙堆。起初，沙堆是平的，沙粒停留在落下位置附近，其运动可用物理性质解释。随着堆沙过程持续，沙堆变陡，沙粒滑动距离增大。最终，一些沙粒的滑动能跨越整个沙堆或大部分。此时，系统远离平衡，其行为不能用单颗沙粒行为描述。“崩塌自身成为了一种动力系统”，只有从对整个沙堆性质的总体描述出发才能理解，沙堆是复杂系统。
自然界的复杂行为体现了多组分大系统向临界态稳态演化的趋势，这种稳态对扰动敏感，微小扰动可能产生不同尺度的响应，即“崩塌”。大多数改变通过灾难性事件而非平和渐变实现，这种临界态的形成仅源于系统中各元素间的动力学相互作用，是自组织的。自组织临界性是目前所知产生复杂性的唯一普遍机制。
为什么需要复杂性理论？
物理学家通过实验和观察发现了自然界的物理定律，揭示了物质结构。尽管物理定律简洁，能解释诸多现象，但涉及多体系统时，问题变得复杂，难以仅用基础物理定律直接解释。
例如，牛顿第二定律F = ma可描述苹果落地、行星运动等，但当面对复杂系统时，就显得力不从心。物理的哲学思想从一开始就是“还原论”，认为世界能用简单元素理解。
然而，现实世界远比简单规律描述的复杂。地球表面的复杂地形和生物多样性的演化等现象，体现了更高层次的复杂性，科学家将其称为“涌现”。地球物理从天体物理中涌现，化学从物理中涌现，生物从化学和地球物理中涌现等。每门科学都有自身的术语和运作方式。
物理定律对理解自然界基础层面很重要，但对于理解生命、社会和地球物理等更高层次的复杂性，还需考虑系统整体的行为和相互作用。物理定律能解释苹果下落，却无法解释牛顿为何观察苹果以及苹果的来源。自然界的多样性和复杂性需要不同领域的科学家共同研究。这表明复杂性是由基础物理过程的累积和相互作用形成的。
复杂性理论可以给我们什么启发？
复杂性理论不仅能解释天体物理、生物和大脑，还能解释人类社会现象。帕·巴克以经济和交通为例，在不同领域找到共通的行为模式和组织原则，提供了统一视角。
经济学的传统均衡理论将经济比作水流，认为货物和服务的转移平稳线性。但这无法描述现实经济现象，如股市的大起大落。现实经济更像沙，决策离散，存在阻力，难以达成平衡。
前美国联邦储备局主席艾伦·格林斯潘试图通过操控利率避免通货膨胀。帕·巴克指出，格林斯潘认为波动有害，应在健康经济中避免。而复杂性理论认为，若经济自组织运行到临界状态，原则上无法抑制波动。
在沙堆模型中，虽能精心修建沙堆，但计算和决策量巨大。而且，即使造出最陡沙堆，微小冲撞也会导致巨大塌陷。
交通系统也存在类似问题，有时交通顺畅，有时会出现大规模阻塞。最有效的状态是临界态，即交通流量和车辆密度达到最佳平衡。但这种状态很脆弱，容易崩溃。
同样，经济系统中，自组织临界态虽伴随各种波动，看似不稳定，但实际上是系统能动态达到的最有效率状态。
科学经典推荐
《大自然如何运作：
关于自组织临界性的科学》
【丹】 帕·巴克 著
李炜 蔡勖 译 俞易 等校
《大自然如何运作：关于自组织临界性的科学》是关于“自组织临界性（Self - Organized Criticality, SOC）”理论的重要科普著作。该理论由丹麦物理学家帕·巴克和中国物理学家汤超于1987年共同提出。全书介绍了自组织临界性理论的发现过程及其在地理、生物、社会科学领域的应用。
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