系統科學各研究領域現狀及最新發展_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2020-12-01 14:37
體系工程 
回顧剛剛過去的20世紀，這是科學取得重大突破的一個世紀。從大尺度來分析，在科學認識中最基本的一個問題就是當今社會賴以生存的宇宙的開源問題。在過去的100年，人們對宇宙有了深刻的認識。2013年，科學家把宇宙起源的時間精度精確到了小數點後幾億年，宇宙起源於138.2億年前的一次大爆炸。霍金認為最初的宇宙像花生米，後來他寫了一本書，名字叫《果殼中的宇宙》，來講述宇宙演化歷史。在宇宙大爆炸理論以後，2014年，我們又發現了證明宇宙暴漲理論的實驗依據。在宇宙大爆炸以後，在10-35秒之前，有一個暴漲過程，這個暴漲過程形成了宇宙大尺度的結構性質。但在大爆炸的10-43秒之前，科學界不知道到底發生了什麼事。因為那個時候，理論知識儲備不足，就像在黑洞問題的認知上一樣，任何的科學認識都難以完全解釋。
實際上科學界對宇宙演化已經有了非常深刻的認識，在這一領域內，引力波這兩年的進展是非常重要的，這個理論最早在1959年提出，但一直沒有找到實驗證據，直到2016年在實驗上獲得了確鑿的實驗證據，最終在2017年獲得諾貝爾獎。
I think the next century will be the century of complexity.
Stephen Hawking
January 23, 2000
譯：我認為，下個世紀將是複雜性的世紀。
史蒂芬∙霍金
系統學的建立，實際上是一次科學革命，它的重要性絕不亞於相對論或者量子力學。
錢學森
1986.01.07
圖1 宇宙大爆炸和引力波的發現
在小尺度層面分析，過去的100年，科學界在物質結構這一層面的認識和研究也有了很大的突破。目前科學界除了暗物質未知外，宇宙中所有物質均是由這12種基本粒子構成的，包括6種輕子和6種夸克。穩定的物質就是由電子、電子中微子、上夸克、下夸克構成，奇妙的地方在於地球上所有可見的穩定物質，其基本結構單元均相同，這就體現了系統科學的重要性。人類跟椅子的基本結構單元是一樣的，但人類是活的，而椅子卻是靜物。那麼人類和椅子的差別在哪裏？構成的基本微粒都一樣，差別就在於系統。通過不同的層層結構，慢慢的在整體上就有了巨大的差異性。因此只從微粒上研究和認識事物解決不了這個問題，而從物質結構上解決這個問題所帶來的困惑其實和系統科學是緊密的聯繫在一起的。
圖2 組成物質的12種微粒
科學探索在兩個領域中均有着非常重要的問題值得大家去思索，但在當今社會中依舊存在同樣重要的科學問題還沒有得到認識與理解，其中就包括生命究竟是什麼。目前社會對於生命的定義是描述性的，如果定義內容很長、不簡潔、沒有數學化，那麼它就離科學認識還比較遠。
另外一個問題是大腦為什麼會思考？當今社會仍然不知道大腦為什麼會思考，以及我們的知識和我們的情緒到底是從何而來。現在的無人機技術已經很成熟，但是怎麼能夠讓幾百個無人機協同工作來完成任務？這是科學界目前亟需解決的科學問題。
圖3系統科學研究的前沿問題
問題：
1.我們為什麼是活的？（生命的起源）
2.大腦為什麼會思考？（意識的來源）
3.股票為什麼我一買就跌？（羣體行為）
4.如何讓無人機機羣具有羣體智慧？（技術系統）
錢學森和霍金都提到，21世紀是複雜性的世紀。對於複雜性的系統，要想深刻地瞭解它，僅僅從物質結構去觀察和分析微粒，例如輕子和夸克是遠遠不夠的，必須要了解這些微粒及結構單元的組織與關聯關係，以及如何組成一個複雜性的系統，又是如何相互協同而運作，從而讓整體有了具有多樣性的新功能，這才是系統科學所要認識和解決的核心問題。
系統功能的實現，第一要靠個體本身的性質和性能，第二要靠關係，即個體之間是如何組織和聯繫起來的。
通過理解單元之間的聯繫可以認識和解決很多生活中的事情，比如心臟會跳，但也會猝死，這件事情一定不是隻用瞭解心肌細胞就能理解的。當然首先必須要理解心肌細胞，然後還要理解細胞是怎麼相互聯繫的，能夠讓心臟成為一個有特定功能的整體。這是認識心臟所必需的事情。再比如每個螞蟻是十分卑微的，所謂“掃地誤傷螻蟻命”。但是當成千上萬的螞蟻構成一個蟻羣社會的時候，逢山開路遇水架橋，能做很多單個螞蟻無法完成的事情，包括上文中提到的無人機協同飛行。實際上關於鳥是如何飛行的，科學界也不知道。一隻鳥飛，是一個力學問題，但是一羣鳥飛，就涉及到這些個體之間如何協調跟隨以及相互關聯的系統問題了。
另外，包括人大腦中的神經元，科學界對於每一個神經元的物理、化學、生物等方方面面都瞭解得比較清楚。但是這些神經元組成大腦以後，大腦就有思考、認知和情感，這是當今社會難以解釋的問題。所以，大腦的功能不是單個神經元實現的，認識大腦也不是隻靠了解神經元就能認識清楚的，一定要理解神經元之間的相互關聯才能正確認識大腦。其實人工智能目前的發展已經很先進了，但對大腦的瞭解依舊存在侷限性。
最後再談經濟與金融。2008年金融危機以後，不僅僅是經濟和金融，市場也有了危機，而且使目前科學界的理論也有了危機，世界上著名經濟學家依舊無法預測經濟的趨勢並對危機提出好的應對策略。因此當今社會必須要從系統的角度去考量和認識這些問題，才能解決這些經濟和金融的根本問題。
在我國，認識問題本身就具有系統性的特點。所以相對來説，國內比國外更重視系統學。1990年，我國設立了系統科學作為理學的一級學科，和數學、物理、化學、天文、地理並列。郭雷老師在數學的雜誌上發表過一篇文章《系統學是什麼》，他也是我們系統科學經常提及的代表人物之一。這篇文章雖然發在了數學雜誌上，但是裏面一個公式都沒有，全是關於系統科學的思考。在錢學森先生的語境當中，系統學本身包括哲學方法、基本科學的系統學層次、技術科學和系統工程四個方面。在對外交流中，我們經常把科學和工程並列，但我認為系統科學應該包括系統工程。
在系統科學領域，研究內容很寬泛，包括社會經濟、資源環境、工業工程等等。但研究是有要求的，即一定要了解現在的經濟理論基礎和發展前景，選擇有科學意義的問題，並且用系統科學的方法深入研究。另一個要求是，我們不僅從系統科學的角度和用系統科學的方法去認識和解決一個領域的具體問題，還要從這一領域的具體問題提煉出一般規律和經典方法回饋到系統科學中去，發展系統科學的思想和方法。這個方法就是你要解決的實際問題，但是這要求的是通過經濟問題來解決，提煉系統的一般概念，處理其他領域的複雜系統問題。
20世紀科學研究有一個方法論，就是還原論。即每當遇到一個科學問題，第一反應就是將這個複雜的問題細分為無數個小問題，從解決若干個小問題入手，逐步地解決這個大問題。20世紀還原論在科學上有了重大的突破和飛躍的發展，但是在21世紀，我們發現我們拆解的若干小問題最終也並不能完全解決當今社會中的一些問題。
比如鬧鐘是一個完整的個體，我們瞭解每一個螺絲釘，每一個齒輪，每一個彈簧的功能，但是都拆完了以後再裝回去鬧鐘卻不走了。科學界把大腦的神經元拆解得清清楚楚，但是這些神經元到底是怎麼組織起來變成大腦的，科學界並不知道，所以實際上系統科學現在的基本要求就是要超越還原論。按照錢學森先生的理論，系統論的研究方法即是還原論和整體論相結合，它關注的是整體，但是也要在還原論基礎上了解基本的結構單元，不然科學的認識是建立不起來的。因此加強科學認識是我們系統科學麪臨的一個非常重要的問題。
科學界曾希望通過還原論瞭解生命是什麼，最後發現瞭解夸克和輕子是完全沒有必要的，也是認識不了的，就像我們想知道《戰爭與和平》這本名著的時候，還原論是先把這個名著拆成章節，在段落拆出具體單詞，再把每一個單詞拆成26個字母，然後告訴你這26個字母都知道後，《戰爭與和平》就懂了。這就是還原論給我們的解釋，然而事實並非如此。
因此，複雜性的研究本來就是多樣性的。另一方面，簡單規律的認識並不能完全很好的運用在實際中。例如自行車，它的運動基本規律一定是F=ma，即牛頓第二定律。但是學會了F=ma，並不一定真正的會騎自行車。所以應該是基本規律的認識和實際系統的認識，兩方面相結合才能更好地達成目標。胡曉峯老師提到，在系統研究中要把規律結構化、數學化。很多複雜系統，通過把系統結構化、數學化，可以解決很多問題，但是一定有一些方面是結構化和數學化把握不了的。因此，把這兩部分結合起來才能更好的解決問題。
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創新體系工程基礎理論和方法
推動系統工程理論再發展