複雜系統研究獲諾貝爾物理學獎，天氣地震癌症股市都和它有關！

來源：科普中央廚房

今年諾貝爾物理學獎授予複雜系統的研究。複雜系統是什麼？地震癌症股市爲什麼都和它有關？聽歐陽頎院士解析“複雜”與“簡單”。

北京時間10月5日17點45分許，瑞典皇家科學院宣佈將2021年諾貝爾物理學獎授予真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和喬治·帕裏西（Giorgio Parisi），表彰他們“對我們理解複雜物理系統的開創性貢獻”。

三位獲獎者分享了今年的諾貝爾物理學獎，因爲他們對混亂和明顯隨機現象的研究。Syukuro Manabe和Klaus Hasselmann爲我們瞭解地球氣候以及人類如何影響地球氣候奠定了基礎。Giorgio Parisi因對無序材料和隨機過程理論的革命性貢獻而得到獎勵。

複雜的系統具有隨機性和紊亂的特點，難以理解。今年的獎項表彰了描述他們和預測他們長期行爲的新方法。

對人類至關重要的一個複雜系統是地球的氣候。你是否感覺天氣預報總不準，從古人就開始研究的事我們今天依然不能完全搞清楚？氣象學家用超級計算機模擬氣候變化，但現實環境太複雜，沒有任何一套模型能真正代表真實的大氣演變，正所謂“天有不測風雲”。還有地震預測、癌症治療等等與我們息息相關的難題，科學家也經常“束手無策”。爲啥在科學如此發達的今天，科學還不能解決這些難題。

在2018年4月1日的首都科學講堂《複雜性科學淺談》主題講座上，中國科學院院士、北京大學定量生物學中心副主任歐陽頎告訴我們，其背後都是因爲複雜性科學“惹的禍”。

整理/劉辛味圖文編輯/陳永傑

[演講嘉賓]

中國科學院院士、北京大學定量生物學中心副主任

以下是歐陽頎院士講座實錄：

物理學還未走到盡頭，複雜系統剛起步

我們先了解一下物理學的前沿介紹。物理學主要是研究時空和物質，分爲宇觀和微觀兩方面。宇觀上時間尺度已到150億年，空間尺度是150光年，包含宇宙誕生到現在我們所知道的全部的內容，利用宇宙大爆炸模型中可追溯到宇宙最初誕生時候，經歷暴漲，星系分佈，星系演化等。當然這裏還有兩朵“烏雲”：暗物質和暗能量，這兩者佔了我們觀測到宇宙的95%，而我們瞭解的物質僅佔宇宙的5%。在21世紀的今天，我們有各種模型來描述，但還不知道它們具體是什麼，需要繼續的研究。

暗物質和暗能量，這兩者佔了我們觀測到宇宙的95%，而我們瞭解的物質僅佔宇宙的5% （圖片來自網絡）

微觀尺度上，時間尺度到10-17秒，飛秒量級，如此短的時間內發生的過程我們已經有所瞭解。空間尺度到10-34釐米，這尺度下的物質運動能通過量子力學描述。在這一尺度下發展出了強激光物理、基本粒子物理等。雖然在某些方面還有問題，但物質在時空尺度上的研究我們已經做的非常成功了，而且對技術的指導是決定性的。假如沒有量子力學，今天能使用手機根本無從談起。

物理學走到頭了嗎？實際上還遠沒有，我們還有第三級——複雜系統。實際上覆雜系統我們剛研究了三、四十年，現在的複雜系統包括什麼呢？最開始是非線性科學，由於外界的一些條件物質集合在一起產生的現象，比如湍流。大飛機起飛，火箭上天等，空氣形成湍流，湍流會造成幾乎90%的阻力，如何瞭解它讓飛行器更快，是我們還未解決的問題。

非線性科學中還有混沌，斑圖自組織，複雜網絡等。生命系統就是一個複雜網絡，如何定量的預測的一些事件，我們剛開始這些研究。生物物理實際上是用系統的角度研究生物，希望得到一些普適性、定量的理論，可以做出定量的預測，這是我現在主要的研究方向。

我工作所在北京大學凝聚態研究所，凝聚態實際上是物質緊密的關聯在一起的狀態，由此發展出了新型半導體物理，高溫超導，強關聯繫統和玻璃態等。它們呈現了一些新的規律，不是單一理論可以描述的。

我們還把複雜系統向其他領域擴展，比如社會科學。大家知道社會是複雜的，用定量的手段來使社會穩定。合作機制，社會控制都用到複雜系統。尤其在今天大數據支持下，我們可以做到在某些情況下做到定量預測，實際上是需要複雜性科學作爲理論基礎。在經濟方面，財富分配，股票市場動力學，博弈論等都屬於複雜科學研究範疇。

什麼是複雜性科學

今天我們講複雜性科學，首先要定義什麼是複雜性，什麼是複雜系統。複雜性實際上是一個框，以我的定義：複雜系統是我們還沒有有效方法做出可靠預測的系統，就是以我們現在數學和物理手段對世界的理解，還沒發展到能對這個系統做出定量的預測。

實際上，在科學發展過程中，有很多系統原來認爲是複雜系統，由於有了科學手段，它變成了簡單系統。比如天體行星的運行軌道，如果沒有牛頓力學它是複雜系統，現在我們能做到非常精準的預測。所以，複雜系統的定義是動態的，有些東西我們瞭解了它的規律，就從複雜系統變成了簡單系統。我們不知道它的規律，所以打一個包叫它複雜系統。

由於有牛頓力學，我們能對天體行星的運行軌道做出非常精準的預測。天體運動從複雜系統變成了簡單系統。圖爲太陽系行星運動軌跡（圖片來自網絡）

複雜系統的特徵，一是非線性系統。非線性系統會出現產生相變，意思是從一種狀態突然轉變到另一種狀態。隨着非線性科學的發展，我們已經能夠做出一定預測。對於突然轉變的現象，我們叫它湧現，就像1+1≠2，並不是給它多少力就會產生多少行爲的正比關係。如果畫出一條線，橫軸是擾動，縱軸是行爲結果，如果畫出直線說明是線性系統，而非線性不是直線，而且可能會出現很奇怪的曲線。

複雜系統第二個特徵是屬於強關聯繫統。我們在做物理研究時通常會做一些局域化和近似處理，否則我們得不到一個很好描述系統的方程。沒有數學方程的話，無法做定量預測。有些系統因爲關聯強度很大，無法做有效的近似處理。這是凝聚態物理中的核心問題，爲什麼高溫超導實驗上已經發現30餘年，卻還沒有一個理論去解釋這個現象，就因爲無法做近似處理。

複雜系統第三個特徵是平均場理論失敗。假如我們要描述一瓶水中的水分子運動，我們不必知道每個水分子的運動情況，而用所有水分子的平均值來代表所有的水分子的運動情況，這就是物理中的平均場理論，是一種非常有效的方法。但在生物學處理上，有些系統的平均值不能代表系統的全部行爲，誤差極大，導致平均場理論失敗。

複雜系統第四個特徵是屬於主動性系統，屬博弈論範疇。研究的對象會根據不同環境有不同的行爲，存在一個主動思維過程使自身利益最大化。在金融系統中較多體現，構成了複雜系統。

最後一個特徵是受歷史影響，比如生物進化，受歷史影響一步步進化，每次進化都有分叉行爲，如何去追溯它，我們還沒有很好的辦法。複雜系統之所以複雜，是這些問題沒有得以解決。如果解決，它可能就變成了簡單系統。

非線性系統中的災變

我們接着講講非線性系統。已經過數十年的努力，我們已經瞭解了一些非線性系統的規律，但還不能很好的預測一些東西，所以依然屬於複雜系統。

非線性系統最典型的特點是存在多穩，它可以有多個穩定的狀態，所以在某些因素的影響下它可以從一個狀態變爲另一個狀態，也就是物理中的相變。比如下圖，從不同角度看，可能有人認爲它是鴨子，也有人認爲它是兔子。這時我們在大腦中形成了兩個概念，但不可能同時兩者都看到。這表明大腦的複雜性，存在多穩態。

Destalt轉換：你可以自圖畫中看到一隻兔子或一隻鴨子，但你不能同時兩個都看到。

我們如何用定量的方法描述這個現象呢？實際上大腦接受了一定的刺激後，進入了一個穩定態。但一個系統接受了一個刺激後，可能有多種穩定態，這就是複雜性的來源之一。從一個穩定態到另一個穩定態存在一個勢壘，跨越障礙才能到另一個穩定態。比如蟲子的羣體生長模型，它自身繁殖隨時間會越來越多，但是會受到天敵的影響，使蟲羣處於一個動態的穩定狀態，會存在多個穩定態。

若在一個系統中處於在單穩態區域，其行爲可以近似爲線性行爲，外界變化引起的系統變化成正比關係，這就是漸變。如果蟲羣因爲基因突變等因素，生長率發生了很小的變化，但最後羣落的大小會有很大的變化，這是一種典型的非線性效應，所謂”災變”。非線性效應引起的災變可好可壞。

環境科學中生態改變和地球科學中的氣候變化都是典型的非線性科學。非線性科學還體現在經濟學和社會科學中，一些很小的變化會引突然地劇烈變化，如經濟增長和衰退，或者社會改良或革命，都是非線性科學中的災變的體現。當然，目前我們已經找了一些規律，知道災變爲什麼會發生。我們需要研究災變什麼時候發生，作出預測。

非線性系統的另一大特點是湧現，最典型的例子是圖靈斑圖。動物身上的花紋是怎麼來的，能不能用簡單，定量的預測出花紋什麼樣。這背後的原因我們已經有了猜想和證實：動物的斑圖形成機制是由於體內的生物化學反應與生物分子的隨機擴散耦合，在特定情況下導致均勻定態失穩而產生的。

原來均勻分佈的情況失去了穩定性，而漂亮的斑圖成爲了新的穩定態。將其翻譯成數學語言就可以進行了一些定量的預測。我在25年前做出的實驗，在化學系統中存在圖靈斑圖機制。目前在生物學領域，老鼠的毛囊出現的位置和老鼠爪子的發育證明了圖靈斑圖的預測。

氣候變暖最後會進入冰期

災變現象非常可怕。因爲發生災變後，系統變成了另一種穩定態，想變回原來的狀態很難實現。目前地球變暖討論的最核心問題就是，我們距離相變點還有多遠。如果距離很遠，我們對二氧化碳的排放要求就不會那麼高。如果距離相變點很近，排放二氧化碳引起了災變，那時減少排放已經來不及了。

目前大部分科學家認爲我們已經接近了相變點，再肆意排放二氧化碳，地球可能會發生大的災變。也有一部分科學家認爲距離災變點很遠，因爲通過計算發現，人類行爲造成的二氧化碳排放增加只佔自然系統排放的千分之一。如果用線性系統思考這些小量，問題不大。但目前各種跡象表明我們在相變的邊緣，這些小量會引起災變。

全球變暖最終的結果，不是變暖，而是更冷！電影《後天》所展現的就是地球變暖背後相變的規律。地球出現各種超強風暴，極端氣候越來越多，最終形成冰期。

調控地球的冷暖主要依靠海洋的洋流，洋流就存在雙穩態。洋流把赤道附近的熱量帶到北極，使赤道與兩極的溫差並不是很大，目前還趨於一種較爲溫和的情況。在全球變暖的模型中，由於氣候變暖，北極冰山融化，海水鹽度減少，導致太平洋洋流不能抵達北極，進而導致赤道與兩極溫差過大，這就會造成更多的極端天氣的出現，如超級氣旋等等。科學家懷疑往年的一些極端氣候就是由於地球變暖造成的，目前發現冰島附近海水的鹽度急劇減少，洋流循環在減弱。減弱到一定程度，就會成造成災變。

所以不要理解氣候變暖就是氣溫上升，從長時間尺度看，氣候變暖最終的結果是冰期，歷史上稱爲雪球（Snowball Earth）。如果想回到現在的狀態，只能依靠火山爆發，引起二氧化碳積累，這些在地球歷史上發生過。

癌症是災變現象

我們知道癌症是世界性疾病，每年都有上千萬新增病例。在四十年前，美國總統尼克松提出向癌症宣戰，撥款大量資金研究癌症。四十年過去了，科研資金增長了無數倍，但結果只能說我們跟癌症打了平手。

胰腺癌五年死亡率增加0.6%，發病率幾乎持平。而肝癌發病率逐年上升，五年的死亡率增加了2.2%。血癌是最好的情況，5年死亡率下降1.3%。

我們戰平的原因就在於對於癌症的機理還不瞭解。人體是一個複雜系統，癌細胞的行爲也是複雜系統。癌細胞特徵是持續增長，規避細胞凋亡控制，誘導正常細胞爲其提供營養，而且還有細胞遷移，也就是癌細胞轉移。癌細胞本身是正常細胞改變的，所以其它的大部分行爲是正常行爲，能夠規避免疫系統。正常細胞只是改變的一點變成了癌細胞，就像災變，但我們從分子水平上很難檢測出改變的具體是什麼。

科學界和醫學界進行了四十年的努力，得到了一個好消息，現在關於癌細胞最爲廣泛接受的理論是基因突變。在絕大多數癌症中，我們都發現了細胞中的鹼基發生了變化。大部分癌症的基因突變的位點我們已經找到。

那麼是否我們進行基因修復就可以了嗎？不可以，因爲科學家還知道了一個壞消息。對於一些癌症，它的突變譜非常寬。意思是說，同樣一種癌症，病人的反應相似，但是發現兩者癌細胞的突變位置完全不同，所以無從設計一種藥物或治療手段來治療。

非線性科學如何介入癌症研究呢？十年前的一篇論文提供了思路，作者測試了24例胰腺癌病人，每人的突變位點都不同。但從功能上看，所有可能的致癌基因突變位點都處於13條信號轉到通路上。這裏就與非線性科學中的相變聯繫起來。

由於細胞突變的存在，讓體內細胞發生了微小的改變，這個微小的改變引起了鉅變，這就是非線性理論中的災變現象。所以癌症是一個非線性的在災變現象。我們可以用非線性動力學的視角來理解癌症，把生物術語翻譯成數學和物理的術語，把基因序列變成系統參數，邊界小件，初始條件動。到細胞水平上用複雜系統的非線性動力學行爲描述，再到功能水平上，用系統的穩定性和相變來描述。當然，這些還是目前的研究設想。

科學研究最重要的是證僞，如果論斷和假設經過嚴密的邏輯推導，但與實驗結論不符，那麼我們就要放棄這個理論。對於癌症來講，我們的基本假設是由於基因突變引起參數小變化，引起了功能上的災變。然後對於這一假說進行證明或證僞。如果模型中的參數真正對應於癌症的突變位點，那麼我們的理論就是正確的。