PDF《把简单的事情复杂化叫文化,把复杂的事情简单化是效率》

科学家沙龙 ・44卷(2015 年)

2 期 简单 与 复杂 是人们在剖析客观事物 时所归纳出的两个极端属性,也是描述客观事物 被人了解及掌握难易程度的感观印象.

因此 简单 与 复杂 既有客观的一面,也有主观的一 面,因人而异,因事而异.只要人类现代文明进 程不被中止, 简单 与 复杂 将会是一个永 恒的话题,争论也将永无休止. 总体而言,简单是对事物的一种高度概括, 只有真正抓住了事物的本质,越是简单平淡的表 述,就越具有摄人心魄、令人永世难忘的魅力. 大道至简 ,唯有得道者方能到达至简的境地, 说出至简的大道,没有一番复杂的修炼和经历何 尝能悟出事物的本质!古今中外,堪称得大道者 又有几人? 面对战乱的痛苦,生离死别的悲伤,每一个 人、每一个家庭都有一个说不尽道不完的故事, 然而托尔斯泰竟然冷冷地说道: 幸福的家庭都 是相似的,不幸的家庭各有各的不幸 ,从此任何 一部世俗小说都离不开托翁划定的圈子. 《圣经》 则更加简单,对未来事物的概括也就用了几个字 阳光底下无新事 .中国古代哲学家、道教的鼻 祖老子试图阐释万物运行所遵循的大道,在其 《道德经》的开头便写道: 道可道,非常道 ,在 我看来这句话 简 则简矣,而 了 则未了. 可见要做到简单而又明了是一件多么难的事. 简单只是为那些已经经历了复杂磨炼过的人 所准备的,只有经历了复杂,才能领悟简单的震 撼力;

只有在复杂基础上凝练出来的简单,才会 有生命力.因此对于貌似简单的事物要追究其复 杂的一面,对于复杂的事物当尽量约化出简单的 道理.对于人生也是如此:年轻人要丰富其人生 和学识,执经叩问;

年长者则应浓缩其人生的真 谛,昭示后人.而读书求学,便是一个将书本变 把简单的事情复杂化叫文化, 把复杂的事情简单化是效率 ――Mind Concert Academic Salon学术讨论侧记 翁羽翔? (中国科学院物理研究所 北京 100190) 2015-01-26收到 ? email: [email protected] DOI: 10.7693/wl20150208 ・ ・

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2 期厚,然后再将其变薄的过程. 物理是追究物质运动本原的学科,精确的定 量描述是物理学科的生命.然而简洁的表述依然 不失为物理学的重要法则.好在再复杂的问题经 物理学家用微分方程一表述出来,就显得不仅是 形式简单,而且还美得令人窒息:经典力学中牛 顿第二定律可表示为距离对时间的二阶微分;

电 动力学中麦克斯韦电磁波方程表示为时间的一阶 微分,空间的二阶微分;

量子力学中的薛定谔方 程为时间的一阶微分,空间的二阶微分.这些简 洁的表达是在复杂的实验和理论的基础上被总结 和推导出来的.简洁规律在物理学中获得巨大的 成功,激励了一些顶级物理学家开始思考更为复 杂的生命现象,希望给出和物理学一样具有统一 性的法则.作为量子力学奠基人之一的薛定谔更 是开风气之先,开创了把物理学和生物学综合在 一起去思考生命现象本质的新思路.他用原子间 化学键的作用,解释生物大分子结构的稳定性;

用生物大分子中有关元素的空间排列解释 遗传 密码 ,并把自己的思想写进一本名为 《生命是 什么》 的小册子.这些石破天惊的想法直接催生 了DNA作为遗传密码载体的发现. 基于物理学的成就,物理学家也充满了自 信.18―19世纪在科学界处于统治地位的拉普拉 斯决定论就是一个很好的例子.决定论认为宇宙 像时钟那样运行,某一时刻宇宙的完整信息能够 决定它在未来和过去任意时刻的状态,根据这一 论断,宇宙的事物运动满足一组微分方程,给定 初始条件和边界条件,就可精确计算未来时刻的 运动状态.也就是说,简单的微分方程组包含了 所有复杂而精确的信息.然而事实上,在万有引 力场中,一个貌似简单的三体运动问题就打破了 决定论的幻想,因为到目前为止三体问题在数学 上无法精确求解.再如天气预报,也要求解非线 性微分方程组,然而在求解过程中发现了混沌现 象.所谓混沌 (Chaos) 是指发生在确定性系统 中的貌似随机的不规则运动.一个由确定性理论 描述的系统,其行为却表现为不确定性、不可重 复、不可预测,这就是混沌现象.混沌现象最初 是由美国气象学家洛伦茨在

20 世纪

60 年代初研 究天气预报中大气流动问题时偶然发现的.混沌 现象表现为对初始条件的极端敏感性,即初始条 件十分微小的变化经过不断放大,对其未来状态 会造成极其巨大的差别.洛伦茨用 蝴蝶效应 来生动地比喻这一现象:亚马逊雨林一只蝴蝶翅 膀偶尔振动,也许两周后就会引起美国德克萨斯 州的一场龙卷风.混沌现象再次打破了拉普拉斯 决定论,同时也表明,复杂的事物可以还原为简 单的规律,而从简单的规律却无法完全演绎出复 杂事物的全部.这也部分揭示了 简单 与 复杂 之间的关系. 复杂 尽管令人头痛,但其 从来就是不可缺少的. 然而对于科学的传播者而言,大众对其提出 的简单化原则的要求不仅合理也很正当.尤其在 科学传播的时候,要求我们把复杂的学问做得像 诗人席慕容所渴求的、功效如明矾那样的诗: 他们说在水中放进 一块小小的明矾 就能沉淀出所有的 渣滓 那么如果 如果在我们的心中 放进一首诗 是不是也可以 沉淀出所有的 昨日 我们可敬的科学家们,当你面对一双双充满 渴望而又有些迷茫的眼睛的时候,我忍不住要轻 轻地问一声: 你的明矾准备好了吗?

2014 年1月9日, 《物理》 编辑部组织的 Mind Concert Academic Salon 活动在物理所 M 楼 的咖啡厅举行,第一次主题报告的报告人是北京 大学物理学院、北京大学理论生物中心的欧阳颀 院士.欧阳老师早年以研究非线性化学反应中的 图灵斑图以及螺旋波而著名,后来其研究以非线 科学家沙龙 ・ ・

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2 期 性动力学为核心,以物理为基础,逐渐将研究方 向延伸到系统生物学、合成生物学、定量生物 学,形成了物理与生物学交叉的研究风格. 他报告的题目是 生物定量理论研究对物理 学与应用数学的挑战 .上世纪的物理学家在生 物学家面前曾表现出与生俱来的傲慢,例如上世 纪60 年代一位著名的物理学家在美国第

35 任总 统肯尼迪的名言 不要问国家能为你做些什么, 而要问你能为国家做些什么 的启发下,更是喊 出了 不要问物理学家能够为生物学家做些什 么,而要问生物学家能够为物理学家做些什么 的口号(引自欧阳颀老师的报告).欧阳老师作为 21世纪从事物理与生物学交叉学科研究的物理学 家却显得谦逊有加.不同于上世纪的前辈,欧阳 老师的开场白就足以表明他的立场: 不要问生 物学家能够为物理学家做些什么,而要问物理学 家能够为生物学家做些什么 . 欧阳老师报告的第一部分介绍了他们在系统 生物学方面的研究进展,即用非线性动力学的理 论来解释生物系统. 从系统的角度来看生物,生 物便是一个整体.而这个整体的核心部分,就是 它的生物网络.如果把网络的每一个节点看成一 个变量,那就可以建立起一个非常复杂的非线性 动力学方程组.网络本身的结构、非线性动力学 方程的动力学性质以及这个网络的功能,这三者 之间有着非常紧密的关系.他们的工作,就是研 究这些关系.其中具有挑战性的问题是,平均场 方法对于研究系统包含大量参与者,是一种十分 有效的物理统计和数学手段(如温度反映的是分子 运动的统计平均速度),而该方法不适用于某些特 殊的复杂生物体系,比如生物中偏离平均场分布 而服从幂率分布的系统.因此有必要发展新的数 学物理方法. 令人印象最深刻的一个例子是细胞 凋亡过程中的 p53 蛋白质控制网络.欧阳老师团 队从这一还算不上复杂的蛋白质控制网络中,提 取出了

30 多个对时间为一阶导数的联立动力学方 程组以及82个动力学参数,研究表明,上述方程 组能够定量描述网络的控制行为. 另一方面的内容是他们最近所做的合成生物 学方面的研究.这门学科从工程角度来讲,就是 创造一个新的东西来为人类服务;

从科学角度来 讲,就是在创造的过程中,进一步了解生物系 统.他们在这方面所做的工作是要给一个生物创 造它本身没有的功能,或者把这个生物没有、而 别的生物有的功能转移给它.巴普洛夫证明了狗 有条件反射,而一个大肠杆菌是没有条件反射 的,他们要设计一个网络、一个控制系统,把条 件反射搬到大肠杆菌上去,让它有这个功能. 欧阳颀老师的报告引起了与会者的极大兴 趣,也引发了热烈的讨论.为了尽量保持讨论的 原貌,笔者不打算考证其中引用事实的可靠性和 精确性,请读者将下列文字材料当作随意漫谈, 而不应将其当作公开报道的事实加以引用( 以下 录音由《物理》编辑部整理). 1. 目前生物学的规律还不太清楚,可以从简 单的生物学问题着手,也可以进行复杂的研究, 因为要找到规律.欧阳老师报告中所举温度的例 子很好,系统中可能有

1020 个分子,如果你一组 一组的做,研究到了

1010 时,你把规律拼起来, 这个结论是错的,它一定是个更加基本的规律, 例如玻尔兹曼分布等等.在没有办法的情况下, 作为初步研究,我们从简单单元往上做,很可能 最后得到结论.也可以大家想办法,找到一个更 加复杂的规律,但是目前还没有办法.研究过程 中可能会有模糊的阶段,做到一定的程度,慢慢 就清楚了.十年前,李政道先生对生命科学的分 析是,要解决生命科学的问题,需要所有的学科 平等协调的发展.说实话,这是个阶段的问题. 所谓的阶段问题只有几个,一个是基本粒子,夸 克之间的相互作用问题;

一个是天体演化问题;

还有一个是生物复杂系统问题.生物复杂系统问 题可以做一个具体研究课题,因为它的数据很 多.生命科学家是解决不了的,数学家也解决不 了,物理学家和化学家可以做一些工作.可能需 要通过几十年的努力,才能够得到比较清楚的认 识,像我们对热力学统计物理的概念,那种意义 上的理解.有没有年轻人感兴趣解决复杂系统问 ・ ・

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2 期题?投入到这个领域里边去工作,是很有意思的. 2. 那么复杂的方程,即使解了,也没有什么 意义,方程跟生物的实际情况差得很远. 3. 写出来三页纸的方程只是看看,你可以得 到任何你想要的结果,因为有发散的参数,把方 程改成半页纸,1/4页纸,参数很少才有用. 4. 方程还是有价值的,不在于细节的描述, 在于理解的过程,其描述的一些现象,你可以用 实验去验证.我们这个方程作出了预测,已经有 一些结论了.因为非线性动力学在局部的分析中 已经成功了,那我们就可以用这些去作预测,这 种预测是对的.这个方程并不是完全没有意义 的,只是我没有工具去分析它.实际上这82个参 数,80%不用去测量.生物有一个特性,叫做结构 稳定性,就是生物网络搭建的形状,它的拓扑结 构,使得它的大部分参数都是稳定的,所以参数多 少不影响方程本身.这是生物进化过程中生成的. 5. 可以建立柔性方程.经过统计计算,可以 发现重要参数和不重要参数,约化一些不重要参 数,利用少数等效参数代替繁杂的冗余参数.当 然统计数字有时候会出错,错误的统计数字是不 能用来推测的. 6. 我目前在研究城市的人口分布,所以对复 杂系统的幂级数比较感兴趣.人占多大面积、经 济和人的关系最后统计出来都是复杂系统.物理 学家一直认为复杂系统都可以分解为一个一个小 的东西,一个一个小的东西都可以写成数学的方 程,于是数学方程就一个加一个,最后可能加到 几万个.我被普及了蝴蝶效应,南美洲亚马逊河 的一只蝴蝶扇一下翅膀,这边冒出大雨来了.一 个哲学的问题,自然界的一切是不是都是上帝安 排的一个个小的方程,一些数理方程,或者偏微 分方程.这个假设,是不是无形之中牛顿和莱布 尼茨给我们灌输了这个东西,可能有些现象是永 远不能用方程说清楚,但是现在我们一直都在按 照这个办法在做.写成的方程就跟豆芽一样,就 是五线谱,看不出来能够写出一个贝多芬的音乐 来,没法操作没法弄.地质学里边,有一个人花 了几十年,就研究矿床系统,用方程写出来,还 得了不少奖.他把原来简单的问题弄复杂了.科 学就是两个问题,一个是把复杂的问题简单化, 一个是把简单的问题复杂化.其实他就是想说明 矿床是分带性的,原来就是18世纪矿床学说的........