科學技術創新復雜性系統研究

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文作者: 範拓源 袁曉儉
上傳時間:2008/6/26 10:22:00

 摘 要 科學技術创新過程是復雜的。運用復雜性系統理論,轉變思維模式,關注關鍵環節,與環境共同演化,進行整體思考是有效的科學技術創新管理模式
  主題詞 科學技術创新 復雜性系统 整體思維

  科學技術創新是復杂的非線性系統,而复雜性來自混沌與秩序的邊緣。在聖塔菲研究所成立的時候,原来“混沌理論”一詞已被宏大的“復雜性理論”所取代了。混沌理論對其範圍有嚴格限制,僅限於對自然界系統的非線性动態行為的數學研究。相反,復雜性理論則被認為可以用於復雜自然系統和社會系統中隨時間變化的行為層面。社會系統並不僅僅是由它們的組成部分之間相互作用的固定規律所限定的“復雜適應性系統”(complex adaptive systems)。相反,它們是可能隨時間演化而改变其自身發展規律的“復雜演化系統”(complex evolving systems)。
  科學技术系統創新運動是一个貌似無規則運動的有序性演化過程,具有典型的復雜系統特征。第一,多因素性。技術本身是各因素非線性相互作用的結果,技術不等於各因素簡單相加。各技術要素在技術系統中也不再是原來的因素,因素自身在技術系統動力下也發生了相變,或者說,技術性因素、实體性因素與知識性因素都具有了技術所擁有的整體性。技术因素的作用方式要受技術系統運行模式和運行狀態的制约。第二,多層次性。盡管技術的各因素受技術系統動力的作用發生了相變,但技術本身卻生成了一種穩定模式。技術的穩定模式是由技術本身決定的,是由科学的技術應用與技術理論的層次性決定的。科學技術系統内有穩定的周期解,周期解內還有混沌區,這種结構無窮次重復著,具有各態歷程和層次分明的特征,即存在有界性。第三,多變性。復杂非線性科學技術的创新過程本質就是經歷混沌走向有序,因此具有混沌伸長和折疊的特性,這是形成敏感依賴於初始条件的主要機制。伸長是指系統内部局部不穩定所引起的点之間距離的擴大;折叠是指系統整體穩定所形成的点之間距離的限制。经過多次的伸長和折叠,軌道被攪亂了,形成了新對稱结構或混沌。
  由于科學技術創新系統具有典型的復雜非線性系統特征,因此,可對其運用復雜性理論進行管理。
1 轉變思考方式
  牛頓力學是近代科學的典範,是近代科學建立的基礎,牛頓力學是典型的決定性理論,是可測量和可預測的。20世紀初物理學的兩次重大變革所創立的相對論和量子力學,分別排除了牛頓的絕對時空觀和測量過程的完全可控性。混沌理論的誕生打破了拉普拉斯決定论,被視為20世紀繼相对論和量子力學的第三次革命。混沌理論認為,非線性系統運動具有無窮大周期且始終限於有限區域、軌道永不重復的、性態復雜的运動,不可能無限精確和无限長時間地測量和計算連續变量。混沌理論解決了困擾牛頓(Newton)力學的三体問題,創立了研究n維相空間的不確定解的理論,混沌理論使人們認識到非線性系統演化既是決定论的又是隨機論的。決定论的可預測性,只適用於那些宏觀的緩慢的周期或準周期的穩定運動,然而,這樣的運動實在是太少了。
  科學技術創新復雜系統倡導最重要的事情是改變固有的思考方式,放棄機械論和宿命論,學會欣賞並应付聯系、物力論(Dynamism)和不可預測性。因为科學技術創新過程是多因素復雜非線性相互作用的結果,所以对確實存在的運行模式(即现實存在)進行領會,即正視多元化存在,並對不可預測的事件進行反應。為了使科學技術創新過程自我发展為“復雜演化系統”,有必要對学習、多樣性和影子系統(Shadow system)觀点的多元化進行鼓勵。
2 並不是對每件事都需要進行控制
  科學技術對客觀事物既進行決定論描述又進行概率统計論描述,這兩種描述方法已經共存了幾百年。決定論認為,任何一個力學系統只要知道現在的行為就可預測系統的未來行為。概率統計論認為,受許多偶然因素的影響,系統的未來狀態並不完全確定,需要用概率統計方法來描述。
  KAM定理很好地解決了決定論和概率論這對貌似矛盾的問題。KAM定理指出,保守系統有可積和不可積之分,可積系統的運動是規則的,遵循決定性规律,不可積系統表現出随機性,成為統計物理學的基礎。對不可積系統,KAM環面包圍著隨機層,當不可積系统的自由度少和擾動不大時,KAM环面包圍的隨機層測度极小而可忽略不計,統計物理學就不適用了,而應該應用牛顿定律。當不可積系統的自由度和擾動很大時,根據“阿諾德擴散”,KAM環面逐漸減少而隨機層迅速擴大,系統只具有極少數的規則運動,規則運動變為次要的,系統出現了大量的混沌運動,这時才能用統計物理學來研究該系统。
  科學技术創新過程是一個近可積哈密頓系统,隨機成分有限,導致不可積性的擾動項很小。在科學技術創新知識系統處於混沌性态時,確定論和概率論隨机交替作用,但確定論占据主流位置,基本能朝向希望的途徑發展。隨机成分確實存在但有限,因此,在復杂的非線性技術創新过程中,不可能對每件事都進行控制。應該相信混沌性態是貌似不規則的有序,科學技术復雜演化系統不僅反作用於環境,還會反作用於自身,隨著時間的發展,科學技術總會不斷出現新的有序狀態。
3 與环境共同演化
  復雜性理论借鑒湍流研究思路和方法,認为科學技術創新系統同时存在混沌子空間和對稱子空間,兩种性態此消彼長,不斷和外界環境互动而發生轉換。在湍流中規则運動包含有小尺度的混沌運動,在混沌運動中又包含著更小尺度的規則運動。這說明,科學技术創新系統是與外界環境緊密聯系,并不斷互動發展的耗散系統。
  科學技術創新系統與環境相互影響、共同演化,這就需要時刻準備好對环境進行反應,憑直覺領會那些驅動科學技術創新變遷的環境模式,根據需要進行適應,而且隨時準備抓住各種出現的機遇。科學技術创新系統的三種性態,穩定區域(墨守陳規)、不穩定區域(瓦解崩潰)和混沌邊緣(變革栖息地)中,混沌邊缘最適宜與環境共同演化。
在混沌邊緣,在一種“有限不穩定狀態”下,正统系統(主流文化、結構權力等级體制)和影子系統(蘊藏矛盾、變化潛力的非正式組織)能維持一種具有創造性的張力。正統系統可以提供清楚的指導,對適當的結構和程序進行授權,以及抑制人员中的不安情緒。同时,影子系統可以激发觀點的多樣性,並且削弱正統系統的力量迫使它進行不斷变革。這樣,組織行為表征为耗散結構,組織在不斷變化的现實面前能以新的方式執行基本任務或者追求嶄新的基本任務,組織的创造性和創新方面的潜能都展現了出來。
4 整體思考
  技術創新系統的復雜非線性要求尋找整體模式來思考問題,並用整體的方式來控制創新過程,而不是試圖控制每一個細節。整體思考是探索那些在不利的模式下能夠產生最大影響的微小變化,並施加微擾改變系統運行軌道,避免蝴蝶效應。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
4.1 建立連接
  在經典物理學中,時間是可逆的,事物的發展不存在演化;空間是平滑的、線性的;時間和空间不相關聯,各自獨立存在。復雜性理論認為,由於非線性的作用,時間的變化是單向的、不可逆的,既可以实現從有序到無序的變化,也可以通過自組織實現从無序到有序的演化;空間也不是平滑的,不僅存在整数維也存在分數維,整数維是分數維的近似和抽象。此外,通過考察系統中某一物理量隨時間的變化序列,可以重構相空間,得出奇怪吸引子的维數。這表明復雜性空間的形成也反映了事物发展在時間上的積累。因此,在復雜非線性系統運動中,时間和空間是相互關聯的,應该將時間和空間看成一個統一體,系统地把握事物發展過程中時間和空间的關系。
  科學技術創新過程從本質上來說是一個時空整体性的,任何因素在時間維度或者空間維度的變異都可能影響到其他因素的正常功能,進而影響整个進程。而整個系統的各個組成部分在復雜系統的動力機制下,似乎只能通過彼此之間以及與整體的關聯來得到了解。因此,科學技術創新过程關註的焦點應該是各种因素的時空關聯,正是時空关聯的模式決定了一个系統的表現。整個系統處於密切關聯之中,并與他們的環境不斷進行交换,與之共同演化。
4.2 適應復雜性
  混沌理論是關於非線性的科學,它認為世界的本質是非線性的,線性只是非線性的特例。經典物理學的線性觀,導致了事物發展的簡單性、確定性和還原性。復雜理論的非线性觀,是線性與非线性、簡單性與復雜性、確定性與随機性、局部與整體的辯證統一,它們之间是可以互相轉化、對立而統一的,前者是事物發展的暫態,後者是事物發展的更基本的更普遍的本質特征。因此,研究問題時應把握事物發展的本質特點,具體問題具体分析。在研究復雜性現象時,用復雜性方法來處理将會顯得簡潔而有效,反之,采用簡單性的方法來研究將會顯得繁雜而無效並且得不到事物發展的本質特點。例如,奇怪吸引子是很復雜的,它可以采用自相似和分數維來簡单表示,但如果采用探究軌道的簡單方法來研究将是得不到一條確定軌跡的。同樣,在研究簡單性事物時,如果采用復雜性的方法來研究也將是無效的。
  將多元高階方程化簡以便求解,即將復雜現象簡單化是我們的思維定勢。然而在科學技術創新過程中,过於關註細節往往不能產生創新成果,在創造性思考時,復雜性思維是必要的。雖然復雜性思維可能不符合常規,甚至會引來混亂和困惑,那是不可避免的,甚至是受歡迎的。很多創新團隊刻意追求工作環境、工作方式的不可思議,目的是激發人的創造性,而不是被慣常的生活習慣所泯滅。最好的想法不總是來自高層,而且組織內的人都想事業有成,控制只是一種幻想,如果給予適當的扶持,每个人都有可能做作出一番自己的事業。
4.3 让過程成為進行時
  物理學中的經典力學、相對論和量子力學,它們所揭示的是關於簡單性事物的基本規律,事物的發展是線性的、可逆的,必然也是前因後果的。而關於非線性現象的復雜理論,由於存在奇怪吸引子,事物的發展結果必然會導入吸引子,呈現出目的性。由於生物學、社會學等是關於復雜性現象的科學,因而也就是目的性的科學。事物發展的因果性是基本的、暫態的,而事物發展的目的性是事物的最終結果,兩者是不可分離的。事物發展的目的性要通過事物發展的因果性來保證,而事物的因果发展必將會導致一定的目的性。
  物理系統,如天氣預報是由有限的确定性定律來支配的,有可能觀察到奇怪吸引子是怎樣產生的。然而,科學技術創新是人类一項復雜的創造過程,受到無窮多個因素及大量隨機因素的影響,奇怪吸引子似乎說明不了什麽。由於人類表現出來的自我意識和自由意誌,科學技術创新的行為不可能用相同的方式進行解釋。人類可以思考和學習,根據自身目的進行行動,而且能夠反對及駁斥假定适用於他們行為的任何規則。因此,在方法論上要求我們做每一件事情時必須要制定所要達到的目的,而對於實際工作中的每一步則要實事求是地遵循事物發展的基本規律,只有這樣才能最終取得成功。
4.4 復雜演化管理
  邏輯思維是從事科學研究的強大思維武器,科學研究中所揭示的规律性是通過嚴密的邏輯推理來保證其正確性的。當然,知覺、靈感等非邏輯思維也是很重要的,它往往能導致科學研究的重大突破。在研究科學問题的過程中,往往會陷入混沌迷蒙的境地。根據混沌現象的長期不可預測性和遍歷性,我們將無法通過邏輯思維一步步地走出混沌。因此,這時就应該不拘泥於傳統理論,而要大膽地猜測、冒險和創新,进行直接的下意識思維,然后再把中間過程聯系起來進行逻輯思維來判斷這種猜測的正確與否。所以說,邏輯思維是很重要的,知覺、靈感等非邏輯思維也是不可缺少的。
復雜性理論不是系統的,而是整體觀的方法,它所強調的不是穩定性而是重視創造性與變革,追求的是“成為學習型組織”。當創新思維被非邏輯思維推向遠離平衡態的時候,自组織過程會自然而然發生,它們可以產生更多的變異體並且對周圍環境進行更加靈活反應。

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