复杂

　　复杂性研究是在解决什么问题？作者以平实的语言，从研究理论与实践成果两方面介绍了复杂性研究的基本思想。这也是一本涉及跨学科的新领域科学著作，很适合我们深入了解这个新领域的主要动向。2018年新版的《第*推动丛书》全新设计了版式和封面，简约个性，提升了阅读体验，让科普给你更多想象。

　　特别说明：购买此电子书，无赠品，敬请谅解。

　　蚂蚁在组成群体时为何会表现出如此的精密性和具有目的性？数以亿计的神经元是如何产生出像意识这样极度复杂的事物？是什么在引导免疫系统、互联网、全球经济和人类基因组等自组织结构？这些都是复杂系统科学尝试回答的迷人而令人费解的问题的一部分。
　　理解复杂系统需要有全新的方法.需要超*传统的科学还原论，并重新划定学科的疆域。借助于圣塔菲研究所的工作经历和交叉学科方法，复杂系统的前沿科学家米歇尔以清晰的思路介绍了复杂系统的研究，横跨生物、技术和社会学等领域，并探寻复杂系统的普遍规律，与此同时，她还探讨了复杂性与进化、人工智能、计算、遗传、信息处理等领域的关系。

版权信息
总序
再版序 一个坠落苹果的两面：极端智慧与极致想象
前言
致谢
1 背景和历史
第1章 复杂性是什么
昆虫群落
大脑
免疫系统
经济
万维网
复杂系统的共性
如何度量复杂性
第2章 动力学、混沌和预测
动力系统理论的起源
对预测的重新认识
线性兔子和非线性兔子
逻辑斯蒂映射
混沌的共性
混沌思想带来的革命
第3章 信息
信息是什么
能量、功、熵
麦克斯韦妖
统计力学提要
微观态与宏观态
香农信息
第4章 计算
什么是计算？什么可以计算
希尔伯特问题和哥德尔定理
图灵机和不可计算性
图灵机概述
一个简单的例子
定义为图灵机的明确程序
通用图灵机
图灵对判定问题的解决
哥德尔和图灵的命运
第5章 进化
达尔文之前的进化观念
达尔文理论的起源
孟德尔和遗传律
现代综合
对现代综合的挑战
第6章 遗传学概要
第7章 度量复杂性
用大小度量复杂性
用熵度量复杂性
用算法信息量度量复杂性
用逻辑深度度量复杂性
用热力学深度度量复杂性
用计算能力度量复杂性
统计复杂性
用分形维度量复杂性
用层次性度量复杂性
2 计算机中的生命和进化
第8章 自我复制的计算机程序
生命是什么
计算机中的自我复制
自我复制程序的深层意义
DNA的自我复制
冯·诺依曼的自复制自动机
冯·诺依曼
第9章 遗传算法
遗传算法菜谱
遗传算法的应用
进化的罗比，易拉罐清扫机器人
GA演化的策略是如何解决这个问题的
GA是如何演化出好的技巧的
3 大写的计算
第10章 元胞自动机、生命和宇宙
自然界中的计算
元胞自动机
生命游戏
四类元胞机
沃尔夫勒姆的“新科学”
第11章 粒子计算
第12章 生命系统中的信息处理
什么是信息处理
传统计算机中的信息处理
元胞自动机中的信息处理
免疫系统
蚁群
生物代谢
这些系统中的信息处理
第13章 如何进行类比（如果你是计算机）
容易的事很难
进行类比
我对类比的认识经历
简化的类比
模仿者
如何做到
模仿者程序
运行模仿者
总结
第14章 计算机模型
模型是什么
理想模型
对合作的进化进行模拟
囚徒困境
建模的好处
计算机建模注意事项
4 网络
第15章 网络科学(2)
小世界
网络新科学
什么是网络思维
到底什么是“网络”
小世界网络
无尺度网络
万维网的度分布
无尺度分布和钟形曲线
网络稳健性
第16章 真实世界中的网络
真实世界中的网络
基因调控网络(2)
网络思想的意义
无尺度网络是如何产生的(10)
幂律以及对其的质疑
网络中的信息传播和连锁失效
第17章 比例之谜
生物学中的比例缩放
一次跨学科合作
幂律与分形
代谢比例理论
理论的应用
争议
幂律的未解之谜
第18章 进化，复杂化
遗传，复杂化
基因是什么
进化发育生物学
基因调控和考夫曼的“秩序的起源”
对考夫曼的研究的反响
总结
5 尾声
第19章 复杂性科学的过去和未来
统一理论和一般性原理
复杂系统研究的根源
五个问题
复杂性的未来，等待卡诺
附录 访谈——梅拉妮·米歇尔谈复杂性
参考文献

　　米歇尔深入浅出地介绍了复杂系统的基本概念，完美地揭示了来自计算的关键思想是如何统一看似无关的现象。

　　——西蒙·莱文（simon A Levin）



　　这本书终出观了！多年来人们一直不断问我，他们应该到哪里学习复杂性理论的基础。现在我有答案了：读米歇尔的书。它思路清晰、通俗易懂，无论是对于支持者还是反对者，它都观点中立。她是工作在前沿的科学家，同时又是一流的阐释者。《复杂》一书是了解这个让人兴奋的领域的*佳途径。

　　——史蒂文·斯托加茨（Steven wtrogaz），康尔大学应用数学讲座教授，《同步》（Sync）的作者



　　米歇尔的著作介绍了重要的复杂性研究，详细阐释了对从许多复杂系统中涌现出的共性的研究，可读性极强，范围涵盖混沌、信息论、计算、进化、遗传学、社会学到生命本身。《复杂》一书显然是这个领域*好的通识读本。

　　——马克·佩格尔（Mark Pagel），英国雷丁大学（Reading University）生物学教授圣塔菲研究所客座教授



　　米歇尔以一种深入浅出的方式带我们领略了内涵广泛的复杂性科学。从混沌理论到元胞自动机再到网络，米歇尔活泼而富有思想的笔调既让人愉悦，又发人深省。

　　——邓肯·沃茨（Duncan watts），雅虎研究院基础研究科学家，康奈尔夫学社会学教授

　　

　　总序
　　《第一推动丛书》编委会
　　科学，特别是自然科学，最重要的目标之一，就是追寻科学本身的原动力，或曰追寻其第一推动。同时，科学的这种追求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。
　　科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。
　　的确，科学活动，特别是自然科学活动，比起其他的人类活动来，其最基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退的时候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难的进步。这表明，自然科学活动中包含着人类的最进步因素。
　　正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“第一推动”。
　　科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重要因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科学精神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科学的“教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。
　　正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“第一推动”。
　　近百年来，无数仁人志士意识到，强国富民再造中国离不开科学技术，他们为摆脱愚昧与无知做了艰苦卓绝的奋斗。中国的科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙运动，以图完成国人的强国梦。然而可以说，这个目标远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思想、科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步离不开科学，是毋庸置疑的。
　　正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进步所必不可少的推动。
　　然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接受。虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值和地位也更高了，但是，毋庸讳言，在一定的范围内或某些特定时候，人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所带来的结果的接受和承认，而不是对科学的原动力——科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。
　　科学的精神之一，是它自身就是自身的“第一推动”。也就是说，科学活动在原则上不隶属于服务于神学，不隶属于服务于儒学，科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学。科学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别的，超越文化和地域差别的，科学是普适的、独立的，它自身就是自身的主宰。
　　湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播科学精神和科学思想，特别是自然科学的精神和思想，从而起到倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启蒙和科学教育的作用，为中国的进步做一点推动。丛书定名为“第一推动”，当然并非说其中每一册都是第一推动，但是可以肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都会使你或多或少地更接近第一推动，或多或少地发现自身如何成为自身的主宰。

　　科学已经探索了微观和宏观世界；我们对所处的方位已经有了很好的认识。亟待探索的前沿领域就是复杂性。
　　——斐杰斯（Heinz Pagels），
　　《理性之梦》（Te Dreams of Reason）
　　一些思想是由简单的思想组合而成，我称此为复杂；比如美、感激、人、军队、宇宙等。
　　——洛克（John Locke），
　　《人类理解论》（An Essay Concerning Human Understanding）
　　巴西：亚马孙雨林。几十万只行军蚁（army ant）在行进。没有谁掌控这支军队，不存在指挥官。单个蚂蚁几乎没有什么视力，也没有多少智能，但是这些行进中的蚂蚁聚集在一起组成了扇形的蚁团，一路风卷残云，吃掉遇到的一切猎物。不能马上吃掉的就会被蚁群带走。在行进了一天并摧毁了足球场大小的浓密雨林中的一切食物后，蚂蚁会修筑夜间庇护所——由工蚁连在一起组成的球体，将幼蚁和蚁后围在中间保护起来。天亮后，蚁球又会散成一只只蚂蚁，各就各位进行白天的行军。
　　专门研究蚂蚁习性的生物学家弗兰克斯（Nigel Franks）写道，“单只行军蚁是已知的行为最简单的生物”，“如果将100只行军蚁放在一个平面上，它们会不断往外绕圈直到体力耗尽死去”。然而，如果将上百万只放到一起，群体就会组成一个整体，形成具有所谓“集体智能（collective intelligence）”的“超生物（superorganism）”。
　　这究竟是怎么回事呢？虽然科学家们已经很熟悉蚁群的习性，但集体智能的产生机制依然是个谜。就像弗兰克斯所说，“我研究了布氏游蚁（E.burchelli，一种常见的行军蚁）很多年，我发现，对它们的社会结构了解得越多，对其社会组织的疑问就会越多”。
　　行军蚁是许多我们认为“复杂”的自然和社会系统的缩影。蚂蚁、白蚁以及人类这样的社会生物会聚集在一起，共同形成复杂的社会结构，从而增加种群整体的生存机会，目前还没有人确切地知道其背后的机理。类似的还有，免疫系统如何抵抗疾病，细胞如何自组织成眼睛和大脑，经济系统中自利的个体如何形成结构复杂的全球市场。最为神秘的是，所谓的“智能”和“意识”是如何从不具有智能和意识的物质中涌现出来的。
　　这些正是复杂系统所关注的问题。复杂系统试图解释，在不存在中央控制的情况下，大量简单个体如何自行组织成能够产生模式、处理信息甚至能够进化和学习的整体。这是一个交叉学科研究领域。复杂一词源自拉丁词根plectere，意为编织、缠绕。在复杂系统中，大量简单成分相互缠绕纠结，而复杂性研究本身也是由许多研究领域交织而成。复杂系统专家认为，自然界中的各种复杂系统——比如昆虫群落、免疫系统、大脑和经济——之间，具有许多共性。下面我们来一一了解。
　　社会性昆虫群落提供了极为丰富而神奇的复杂系统范例。例如，一个蚁群可能由数百只乃至上百万只蚂蚁组成，单只蚂蚁其实都相对简单，它们受遗传天性驱使寻找食物，对蚁群中其他蚂蚁释放的化学信号做出简单反应，抵抗入侵者，等等。然而，任何一个在野外观察过蚁群的人都会意识到，虽然单只蚂蚁的行为很简单，但整个蚁群一起构造出的结构却复杂得惊人，而且这种结构明显对群体的生存极为重要。它们使用泥土、树叶和小树枝建造出极为稳固的巢穴，巢穴中有宏大的通道网络，育婴室温暖而干爽，温度由腐烂的巢穴材料和蚂蚁自身的身体控制。一些种类的蚂蚁还会将它们的身体相互连在一起组成很长的桥，从而可以跨越很长的距离（对它们来说很长），通过树干转移到另一蚁穴（图1.1）。科学家们对蚂蚁及其社会结构进行了细致的研究，但现在仍然无法彻底弄清它们的个体和群体行为：蚂蚁的个体行为如何形成庞大而复杂的结构，蚂蚁之间如何相互通信，蚁群作为整体如何适应环境变化（比如天气变化和受到攻击）。生物进化又是如何产生出个体如此简单、整体上却如此复杂的生物？
　　认知科学家侯世达在《哥德尔、艾舍尔、巴赫——集异璧之大成》一书中对蚁群和大脑进行了比较。两者都是由相对简单的个体组成，个体之间只进行有限的通信，整体上却表现出极为复杂的系统（“全局”）行为。在大脑中，简单个体是神经元。除了神经元，大脑中还有许多不同的细胞，但绝大多数脑科学家都认为是神经元的活动以及神经元群的连接模式决定了感知、思维、情感、意识等重要的宏观大脑活动。