序言 一起來吧

• 探索復雜性科學

1. 復雜性科學是什麼：跨學科的問題導向研究


2. 還原論在復雜性科學中的應用：專注關鍵特征


3. 物理學家：復雜性科學的探索者


4. 數學：解析復雜問題的關鍵工具


5. 復雜性研究在當今的重要性

第二章 同 步

1. 生態繫統中的同步：猞猁-北極兔震蕩繫統，螢火蟲和周期蟬


2. 人體中的同步機制：心律不齊和癲痫病發作


3. 人際中的同步：音樂廳裡的掌聲和股票經紀人


4. 傳染病控制的節奏與同步：激活劑-抑制劑繫統


5. 數學視角下的同步現像：藏本模型

第三章 網絡研究

1. 小世界效應：小是新的大


2. 社交網絡集群分析：寬吻海豚的社交圈和人類的接觸網絡


3. 集群形成的社交網絡研究：Jujujájaki模型     


4. 網絡的共性：普遍遵循“富者更富”的冪律分布特性


5. 網絡科學研究的意義：疫苗接種

第四章 臨界繫統

1. 自組織臨界性：動態繫統自發趨向臨界點


2. SIR模型：分析臨界繫統


3. SIR模型應用：火災與群體免疫


4. SIR模型局限性：社會因素考量


5. 沙堆與森林火災模型：繫統波動性


6. 生命進化與技術創新的臨界性特征：突變、間斷平衡和冪律分布


7. 分形結構：穩定性與變革的平衡

第五章 臨界要素

1.胚胎發育和細胞分化：臨界點轉變

2.基因調控網絡：臨界狀態平衡

3.生態繫統：多重穩定性與臨界狀態

4.臨界要素：在生態繫統、氣候繫統、經濟繫統、社會繫統中的作用

• 集體行為

1.行軍蟻：自組織與集體協同

2.愛的大遊行：群體活動中的臨界點現像

3.集體行為的本質特征：基於依據局部信息做出反應

4.人類行為模式：規則驅動的本質

5.集體智慧的本質：簡單規則與局部互動

6.集體決策的形成機制：簡單規則與局部互動

7.集體共識的形成：無意識的結果

8.社交媒體與集體意見極化：強化個人信念

9.經典的意見形成模型：探索集體意見的產生

10.激進性和極端主義傳播的模型：預測兩極分化和極端主義增加

11.過濾氣泡和回聲室效應：加劇意見極端化和社會分裂

第七章 合 作

1.進化論：局限性與復雜性

2.微生物學：生命繫統中的重要角色

3.合作共生：高等生命的起源

4.人類與微生物合作：經典的互惠主義

5.全生物概念：相互作用與協同合作

6.進化博弈論：自然界合作策略的學習與應用

結語 頭球制勝

歡迎來到本書的世界！馬上你就會知道：本書的書名是一個比喻，盡管你在書中也會獲取些許關於森林的知識，但你所閱讀的並非一本關於森林的書籍。本書可以用一句話概括：建立整體觀、大局觀就是要認識自然界中的復雜現像與復雜的社會進程之間的相似性，將兩者建立關聯，並且從這些關聯中學習到一些有用的東西。

這聽上去有些泛泛而談和抽像，那麼我舉個例子：2008年9月15日，美國投資銀行雷曼兄弟公司申請破產，作為美國有史以來最大的和最具傳統的銀行之一，雷曼兄弟的崩塌將已持續一年的全球金融危機推向高潮，導致約4的股票市值損失，並且引發世界經濟的大震蕩。雷曼兄弟遺留下200的債務，不得不在最短的時間內解雇約25000名員工。在該事件之前，類似雷曼兄弟這樣的投資銀行自身都貼有“大而不倒”的標簽。鋻於這樣的公司在全球金融市場上的絕對分量如此之大，人們認為，國家干預會始終確保這樣的公司不會走到破產的境地，畢竟破產所造成的後果將是災難性的。時至今日，專業人士之間在爭論不休，究竟是哪些機制和因素引發了這場危機，為什麼沒有人事先預見危機的到來，以及為什麼即便是像艾倫·格林斯潘（曾擔任美國聯邦儲備委員會主席至2006年）這樣的眾多世界上最傑出的經濟學家也公開表示，當前的經濟學理論、假設和方法還不足以反映現實。這種預感由來已久，因為早在2006年，也就是全球金融危機爆發的兩年前，美聯儲就與美國最重要的科學院共同組織了一次會議，來自數學、物理學、經濟學和生態學等領域的科學家和專家齊聚一堂，在會上就重新思考市場“繫統性風險”的議題展開討論，並且學習更地理解在哪些條件下市場可能在短時間內被破壞和崩潰。在那次會議上，來自生態學領域的思想、認知和理論模型做出了重大貢獻。

自20世紀70年代中期以來，生態學領域關注的焦點問題始終是，哪些特性使得生態網絡可以如此穩定。從某種意義上說，生態網絡通過數億年的存在已證明其穩定性。生態繫統是一種高度動態、高度相互聯繫的、具有不均勻性的繫統，可以快速適應不斷變化的條件，即具有適應性，盡管經常受到高度破壞性的影響，仍能找到恢復平衡的方式。在會議上，生態學的許多認識被轉化到經濟學語境下，從而把表面上看似完全不同的經濟學和生態學關聯了起來。之後不久，著名科學家西蒙·萊文和羅伯特·梅（1936—2020）在一篇題為《銀行家的生態學》的短文中討論了其中的許多關聯。

本書所圍繞的中心就是這些建立在人們通常以為不相關的領域或現像之間的橋梁。西蒙·萊文和羅伯特·梅兩人都是或者說曾是最傑出和最有影響力的科學家，他們研究探尋生物學社會現像之間的相似之處，並啟發了整整一代的復雜性科學家。兩位中的一位原本是數學家，而另一位是理論物理學家，但他們最重要的著作發表在生態學、流行病學、社會科學和經濟學領域。如果有人問及我的教育背景或職業時，我現在的答案是：“我來自理論物理學領域。”我改掉了“我是物理學家”的習慣性回答。為什麼？原因很簡單。對於每一個表述，重要的是不僅說的準確，對方聽到的也要準確。信息必須要在接收者的腦海中形成正確的形像。當回答“我是物理學家”時，生成的形像並不總是準確的，因為我不從事物理學典型問題的研究。面對隨後接著的問題——“我的專長是什麼”時，我通常會回答“復雜性理論”“復雜性”“復雜性科學”，或者隻是簡單回答“復雜繫統”。然後，對話交流要麼就此打住，要麼有人想進一步詳細了解，這時我便會把這本書送出。

其實我原本學的是理論物理和數學，但如今我對理論物理的態度就像對待我的家鄉，即位於不倫瑞克（德國中北部城市）附近的村莊一樣。我能感受到情感上的親近，有時會產生思鄉之情，但我很少回去，隻是定期探訪，所以對當地環境依然熟悉，並且仍然擁有在那裡成長過程中所學習和掌握的技能。正如遠離我故鄉的村莊一樣，我鑽研的內容也早已走出傳統物理學的範疇。

這本書到底是寫什麼的。一方面，這本書是關於新視角，以及關於在你的腦海中創建正確的圖像。就像我們通過密切地關注一個接素（小掃視），將它們連接起來，然後編織成一個整體（大掃視），最後在腦海中組合出一整個被觀察的畫面。本書旨在引領你感知十分迥異的主題和理念，並且向你揭示其中存在的、可能沒有被人預料到的關聯。如果一切順利，“復雜性科學視野下的自然與社會”這一畫面應該會自動浮現在你的腦海中，你還將意識到這些主題之間的關聯。另一方面，本書關注的是，努力讓你著迷於表面上非常不同的自然和社會現像之間所展現出的關聯和相似之處，並且試圖去探索緣由。或許你和我一樣，一旦在完全不同的事物之間找到聯結與關繫，會感到新認識的魔力，尤其是當這些聯結還具有隱秘性的時候。我們眼球的運動怎麼會和信天翁、蜘蛛猴的運動有相似之處呢？人們如何發現這些聯結與關繫的跡像？關聯處於什麼地方？我們可以從中得出什麼結論？

寫這本書的念頭在我腦海裡醞釀了很久。5 年以來，我一直在洪堡大學的生物學繫講授一門參加人數眾多的“生物學中的復雜繫統”課程。聽課的學生通常來自生物學專業，但也有來自許多其他專業學科的。在我每年的授課中發現，在完全不同的現像之間尋找相似之處和復雜性理論的整體性思維方式讓許多學生著迷。作為一名大學教師，這門課程最初對我來說是一個巨大的挑戰，因為扎實的數學和物理學教育背景有助於學生深入地理解這些關聯性，而我無法保證所有學生都有這樣的教育背景。所以我認真考慮了一下，如何在不涉及數學知識的情況下傳授課程內容。為了這門課程，我設計了探索復雜繫統的網站（www.complexity-explorables.org），彙集了基於網絡的交互式計算機模擬技術，用於解釋生態學、生物學、社會科學、經濟學、物理學、流行病學、神經科學和其他領域的各種復雜繫統。當需要用到數學知識時，可以借助“體驗”繫統並與這些繫統做遊戲來學習，在這過程中，交互式計算機模擬技術會非常有幫助。在此背景下，出一本能夠讓廣大讀者了解復雜性思維方法的書的想法水到渠成。

在我看來，復雜性科學提供了十分有用的觀點和見解，尤其是在當今的時代。2000 年 1 月，著名物理學家史蒂芬·霍金（1942—2018）在“千禧年訪談”中被問到對 21 世紀有什麼期望，他回答道：“我認為，21 世紀將是復雜性的世紀。”為了理解當今的發展，解決我們這個時代的危機，霍金認為有一種方法是有幫助的，其核心要素是尋找相似性和關聯，聚焦關注共同點，尤其是在完全不同的科學分支之間。因為自然災害、全球化、經濟危機、大流行病、生物多樣性的喪失、戰爭和恐怖主義、氣候危機、數字化的後果、陰謀論，這些不能被視為孤立的現像，這些危機不僅本身是極其復雜和多層次的，而且往往還相互關聯。

為了解決問題，並且更好地戰勝當前和即將到來的災難，必須用相互聯繫的方式進行思考，必須能夠認識到哪些要素是本質上的、必不可少的，更加重要的是，哪些細節則是可以忽略不計的，這裡所涉及的不僅僅是對現像的定性描述，人們必須尋找基本的機制、模式和規律。機制、模式和規律是十分有價值的，因為它們不僅有助於對繫統進行描述，而且可以預測繫統將如何應對外部條件的變化。所以，復雜性方法恰恰在這方面為傳統科學方法提供了有效補充。在接下來的幾個章節中，你將了解許多來自不同領域的例子，這些例子之間的關聯性隻有通過支撐它們的那些有趣的基本規則纔能顯現出來。在一個可以通過智能手機將世界上所有知識隨身“攜帶”的世界中，我們可以將思維集中在動態關聯上，而無須潛入各個學科和知識孤島。

你可以按照慣例從前往後閱讀本書，但是從後往前閱讀也行得通。其實本書就是一張網絡，網絡就像圓圈一樣，沒有開端，也沒有結尾。你可以按任意順序閱讀。