大科學(xué)

前言

　　序言　　現(xiàn)在是2050年，你正在收看「誰想成為億萬富翁？」這個(gè)節(jié)目，參賽者只差一題，就要贏得最後的億萬獎(jiǎng)金！這個(gè)問題是：「科學(xué)家在二十一世紀(jì)初發(fā)展出一個(gè)理論，讓全世界克服了交通堵塞、金融市場(chǎng)崩盤、恐怖攻擊、流行病毒，還有癌癥問題。請(qǐng)問這個(gè)理論是什麼？」參賽者簡(jiǎn)直不敢相信自己運(yùn)氣這麼好，這個(gè)問題也太簡(jiǎn)單了吧？！但他一時(shí)太緊張，腦中一片空白，於是開始考慮選項(xiàng)A：「這些問題到現(xiàn)在都還沒解決」。不過，他很快就發(fā)現(xiàn)這真是個(gè)蠢答案，結(jié)果，他選擇用掉最後一個(gè)求救，問問現(xiàn)場(chǎng)觀眾的意見。全場(chǎng)觀眾都一致選了選項(xiàng)B：「複雜理論」，這下子他也毫不猶豫，選了B。主持人將獎(jiǎng)金支票交到他的手中，這個(gè)世界上從此又多了一名億萬富翁?！　∵@完全只是個(gè)想像嗎？那可不一定?！　”緯鴮ьI(lǐng)各位走入「複雜性」（complexity）這個(gè)概念的核心，這項(xiàng)新興科學(xué)很有可能會(huì)帶動(dòng)各種領(lǐng)域的新一波發(fā)展，從醫(yī)藥、生物到經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)，無所不包。複雜科學(xué)（簡(jiǎn)稱複雜學(xué)）也有可能解決個(gè)人或社會(huì)所面對(duì)的許多重大問題。所以可以說，複雜學(xué)會(huì)滲透到我們生活中的各個(gè)層面?！　∪欢€有一個(gè)問題。關(guān)於複雜學(xué)，我們至今仍然沒有什麼完整的「理論」。因此，本書是在一個(gè)共同的框架下，先納入種種可能的理論成分，再用這個(gè)框架，分析許多現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際應(yīng)用。之後，還有待未來的後起之秀（說不定就是本書的年輕讀者之一），將各個(gè)片段組合成全貌。　　複雜學(xué)包羅萬象。一方面，它是真正的「大科學(xué)」，體現(xiàn)了學(xué)術(shù)界一些最困難、最根本、也最具挑戰(zhàn)性的開放式問題，但另一方面，它也存在於我們?nèi)粘Ｉ畲蟠笮⌒〉膯栴}之中，從個(gè)人生活、健康，到全球安全議題等等。日常生活裡，要做個(gè)披薩、填寫稅單、或是幫腳踏車補(bǔ)胎，都有點(diǎn)麻煩，但並不複雜，只要按照指示一步一步來，就能順利完成?？墒窃傧胂褚幌?，如果是同時(shí)要完成這三件事，就沒那麼簡(jiǎn)單了。還有更慘的：如果三者之間，每件事的步驟順序都會(huì)因?yàn)榱硗鈨杉露艿接绊?、需要調(diào)整，這樣是不是更讓人頭大？而這正是「複雜性」的大概面貌。再進(jìn)一步來談的話，前面講的是三件彼此相關(guān)的事情，現(xiàn)在改成三個(gè)彼此相關(guān)的人：每個(gè)人都有自己的想法和策略，但也都會(huì)對(duì)別人的行為動(dòng)作做出回應(yīng)──這樣一來，你就知道「複雜性」在我們周遭生活中可能的樣子了。　　我寫這本書的時(shí)候，腦中有以下的「願(yuàn)望清單」：　　1. 寫出一本人人都想看、也都看得懂的書，不受年齡、學(xué)歷背景或科學(xué)知識(shí)多寡的影響。　　2. 向讀者介紹複雜學(xué)能派上用場(chǎng)的各種實(shí)際情境?！　?. 寫出一本「我未曾讀過、但總會(huì)需要讀」的複雜科學(xué)書，也就是要用簡(jiǎn)單易懂的方式，深入介紹這項(xiàng)重要的科學(xué)革命?！　?. 寫出一本我的小孩也能讀、甚至?xí)约合肽脕碜x的書。這個(gè)目標(biāo)非常重要，因?yàn)檠}雜學(xué)很可能就是後代子孫要面對(duì)的關(guān)鍵科學(xué)領(lǐng)域?！　?. 寫出一本適合在任何地方讀的書，不管是在飛機(jī)上、在公車上、或是在圖書館裡。因此，本書各章都會(huì)安排成一個(gè)個(gè)小小的段落。　　6. 希望這本書能讓專業(yè)的科學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家和政策制定者，用一個(gè)新的觀點(diǎn)來看各自的領(lǐng)域，並推動(dòng)與「複雜性」相關(guān)的各種跨學(xué)科研究計(jì)畫?！　∪欢鹊轿覍懲瓯緯⒊尸F(xiàn)在讀者面前的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)以上六個(gè)目標(biāo)可以濃縮成唯一的一個(gè)重點(diǎn)：希望讀者有個(gè)愉快的閱讀經(jīng)驗(yàn)，獲得一些新的想法和見解，可以面對(duì)我們和後代子孫所生存的這個(gè)複雜世界?！　￡P(guān)於本書的內(nèi)容和編排，有幾點(diǎn)可能要解釋一下。本書使用的語言、例子和類比都較為簡(jiǎn)單，好讓各位清楚明白複雜學(xué)的重點(diǎn)，以及為何它如此重要，也因此，正文會(huì)避免寫到太艱深的內(nèi)容，而是在附錄告訴你如何取得與本書討論相關(guān)的研究論文，並提供網(wǎng)站列表，可取得世界各地複雜學(xué)研究的資訊?！　≡掚m如此，我也不敢說自己已經(jīng)談完了所有相關(guān)主題。本書的第一部，會(huì)介紹複雜學(xué)的相關(guān)理論基礎(chǔ)，第二部則是探究實(shí)際的應(yīng)用。其中某些領(lǐng)域才剛有人開始探索，許多問題都還懸而未決，從歷史上其他幾場(chǎng)科學(xué)革命的角度來看，這點(diǎn)似乎並不稀奇。然而，我們這裡要談的不是歷史，而是著眼於一門新興學(xué)科的最新發(fā)展，因此，重點(diǎn)不會(huì)放在現(xiàn)有成就，而是強(qiáng)調(diào)未來的方向?！　〉捳f回來，關(guān)於「複雜性」這件事，各位又為什麼要相信我的說法呢？這其實(shí)是個(gè)很重要的問題，因?yàn)檠}雜學(xué)還在發(fā)展階段，可能的應(yīng)用也還不定。很遺憾的是，大眾媒體對(duì)於複雜學(xué)的陳述常常只是二手資料，一般並不是由真正在研究複雜學(xué)的人所寫的，只是一群外人對(duì)研究結(jié)果的詮釋。由於這個(gè)領(lǐng)域相對(duì)還不成熟，我認(rèn)為這種間接的詮釋可能會(huì)有危險(xiǎn)，因此，本書的內(nèi)容會(huì)以我自己團(tuán)隊(duì)的複雜學(xué)研究為基礎(chǔ)。這麼做有幾種好處：(i) 反映我自己對(duì)複雜學(xué)這個(gè)領(lǐng)域的理解；(ii) 代表我認(rèn)為最相關(guān)的重要議題；(iii) 讀者可以體會(huì)到，在這樣一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域，身為第一線的研究人員大概是什麼感覺；(iv) 對(duì)於我提出的任何說法，讀者可以直接向我提問、要求言之有物的解答。也正為了接受公評(píng)，書末的附錄提供了完整的相關(guān)研究論文資料。各位如果有任何問題，也歡迎直接寄電子郵件給我，郵件地址是：n.johnson@physics.ox.ac.uk?！　　　　　　　　　　　　　　　?/pre>


內(nèi)容概要
　　* 終於到星期五了！常去的那間pub晚上有超讚的live band演出?？墒侨f一人滿為患，還不如窩在家裡舒服。有沒有辦法預(yù)先知道會(huì)去的人大概有多少？　　* 退休基金經(jīng)理人的操盤手法看來很有一套，但他們玩的可是我辛辛苦苦賺來的老本。這些人用來預(yù)測(cè)市場(chǎng)走勢(shì)的模型，到底可不可靠？　　* 一到流感季節(jié)，學(xué)校裡就免不了交互傳染感冒。有什麼方法可以有效控制病毒傳播，讓我的孩子比較不容易接觸到病毒？　　* 伊拉克軍事衝突的新聞報(bào)導(dǎo)，只會(huì)告訴你某天在巴格達(dá)或是巴士拉發(fā)生一起或兩起攻擊事件，造成多少人傷亡等等。這些非理性暴力行為的背後，有沒有什麼規(guī)律、譬如時(shí)間模式？　　要瞭解、預(yù)測(cè)和控制如上述的現(xiàn)象，都得靠所謂的「複雜學(xué)」！　　什麼是複雜學(xué)呢？複雜學(xué)就是研究「複雜系統(tǒng)」的科學(xué)。什麼是複雜系統(tǒng)？只要集合了一群人，這群人會(huì)以複雜的方式相互影響、彼此競(jìng)爭(zhēng)有限的資源，就是一個(gè)複雜系統(tǒng)，所以，要不要去pub、開車族要選哪條路、金融市場(chǎng)走勢(shì)，甚至戰(zhàn)爭(zhēng)傷亡模式，全都是複雜系統(tǒng)。　　本書將帶領(lǐng)各位走入「複雜學(xué)」的核心，這項(xiàng)新興科學(xué)包羅萬象，是真正的「大科學(xué)」，將帶動(dòng)各種領(lǐng)域的新一波發(fā)展，同時(shí)又和我們的日常生活如此相關(guān)?！秆}雜學(xué)」很有可能會(huì)帶動(dòng)各種領(lǐng)域的新一波發(fā)展，從醫(yī)藥、生物到經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)，無所不包。複雜科學(xué)（簡(jiǎn)稱複雜學(xué)）也有可能解決個(gè)人或社會(huì)所面對(duì)的許多重大問題。所以可以說，複雜學(xué)會(huì)滲透到我們生活中的各個(gè)層面。　　這本書由研究複雜學(xué)的第一線專家所寫，深入淺出的介紹複雜學(xué)的概念及應(yīng)用，帶你瞧瞧目前正在進(jìn)行的重要科學(xué)發(fā)展！


作者簡(jiǎn)介
　　詹森　　詹森（Neil Johnson）。複雜科學(xué)研究專家，曾任牛津大學(xué)物理教授，現(xiàn)於美國佛州邁阿密大學(xué)帶領(lǐng)一個(gè)跨領(lǐng)域的複雜科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)。林俊宏　　Neil Johnson


書籍目錄
序言第一部：到底複雜學(xué)是什麼？第1章：兩人成伴，三人成亂1.1　勉強(qiáng)給一個(gè)定義1.2　複雜性的運(yùn)作1.3　我的生活為何如此複雜？1.4　複雜性的關(guān)鍵要件1.5　複雜學(xué)：一切科學(xué)背後的科學(xué)第2章：失序才是常態(tài)2.1　又到了上班日2.2　如果事情有變?cè)愕目赡?，大概就?huì)變?cè)?.3　我們需要反饋2.4　人生就是一個(gè)局部的秩序2.5　我們的宇宙前途堪慮2.6　空氣無所不在……真的嗎？2.7　這世界有自己的偏好第3章：混沌和爵士樂3.1　處理辦公室動(dòng)態(tài)3.2　做事有條理的實(shí)習(xí)生 vs. 迷迷糊糊的實(shí)習(xí)生3.3　別擔(dān)心，不過是混沌而已3.4　我好像不太醉，但也不算很清醒……3.5　音樂才是王道3.6　我不留神的時(shí)候，會(huì)發(fā)生什麼事？第4章：暴民心態(tài)4.1　我是人，不是粒子4.2　終於到星期五了！4.3　「贏」的意義4.4　酒吧，去還是不去？4.5　「群眾」和「反群眾」4.6　另一個(gè)令人沮喪的經(jīng)驗(yàn)4.7　演化管理：掌控未來第5章：緊緊相連5.1　知己知彼5.2　小世界、大世界，還有介於兩者之間的中世界5.3　網(wǎng)路的重要性5.4　萬物生長的祕(mì)密：真的是基因問題？5.5　搖錢樹？5.6　全球化：公平 vs. 效率5.7　目前為止的進(jìn)展第二部：複雜學(xué)對(duì)我有啥好處？第6章：預(yù)測(cè)金融市場(chǎng)6.1　漲的總會(huì)跌，但到底什麼時(shí)候跌？6.2　金融市場(chǎng)：到底怎麼走？6.3　華爾街複雜漫步6.4　從酒吧走向市場(chǎng)6.5　市場(chǎng)要崩盤啦！6.6　預(yù)測(cè)未來6.7　新聞、謠言、恐怖攻擊第7章：從交通網(wǎng)路問題，到企業(yè)溝通機(jī)制7.1　再次回到路上7.2　時(shí)間就是金錢7.3　道路使用費(fèi)的創(chuàng)意做法7.4　形狀不同，功能相同7.5　要不要留在自己這一層？第8章：尋找真命天子天女8.1　完美的一對(duì)8.2　虛擬約會(huì)8.3　放射性的戀情8.4　完美的對(duì)象出現(xiàn)了！8.5　更複雜的約會(huì)情境8.6　狼、狗和羊第9章：應(yīng)付衝突9.1　戰(zhàn)爭(zhēng)與複雜學(xué)9.2　戰(zhàn)爭(zhēng)法則9.3　現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和恐怖主義的共通模式9.4　現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的複雜系統(tǒng)模型9.5　攻擊的時(shí)機(jī)第10章：如何控制超級(jí)流感與癌擴(kuò)散10.1　天生殺手10.2　從社區(qū)到班級(jí)10.3　孩子感冒是如何傳染的？10.4　如何讓腫瘤餓死？10.5　最後決戰(zhàn)：超級(jí)病菌 vs. 免疫系統(tǒng)第11章：複雜現(xiàn)象之母：奈米尺度的量子世界11.1　愛因斯坦碰上的詭異現(xiàn)象11.2　三人成亂，其實(shí)兩人也亂得很11.3　植物、細(xì)菌和大腦的祕(mì)密奈米生活11.4　量子賽局11.5　負(fù)負(fù)得正第12章：飛向無窮，超越無限12.1　物理學(xué)家的「無窮」缺憾12.2　前途一片光明，只是有點(diǎn)複雜附錄：其他參考資料


章節(jié)摘錄
　　第6章　預(yù)測(cè)金融市場(chǎng)　　漲的總會(huì)跌，但到底什麼時(shí)候跌？　　我們都希望能夠預(yù)測(cè)未來，光是能猜猜明天的天氣或路況就已經(jīng)夠?qū)嵱昧?，但如果說有辦法預(yù)測(cè)股票走勢(shì)，有不少人大概連靈魂都肯賣。而且，現(xiàn)在退休金購買力愈來愈縮水，可能人人都得多少懂點(diǎn)股市。然而有個(gè)大問題：金融市場(chǎng)是錯(cuò)綜複雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，就算是金融專家，也難以確實(shí)掌握其變動(dòng)。還好，市場(chǎng)會(huì)不斷產(chǎn)生大量的資料，只要你能找出預(yù)測(cè)模型，就能拿來交叉比對(duì)，看看效果如何。　　我們之所以相信市場(chǎng)也許可以預(yù)測(cè)，主要原因在於：股市其實(shí)就是一場(chǎng)全球市場(chǎng)「競(jìng)賽」，每位參賽者都希望從中勝出，而股價(jià)變動(dòng)正是即時(shí)反映了市場(chǎng)參與者的集體行動(dòng)。說穿了，這場(chǎng)全球市場(chǎng)競(jìng)賽也可以簡(jiǎn)化成前面第1章到第4章所討論的二元決策問題：究竟要買、還是要賣？所以，只要能找出模擬這種多人交易競(jìng)賽的預(yù)測(cè)模型，應(yīng)該就能大撈一筆?！　≌f到要預(yù)測(cè)金融市場(chǎng)，和要預(yù)測(cè)天氣、賭輪盤或丟銅板，有一種根本上的不同。在金融市場(chǎng)上，每個(gè)個(gè)體（也就是投資人）都會(huì)試著預(yù)測(cè)價(jià)格走勢(shì)，好決定該買進(jìn)還是該賣出，而最後的買賣淨(jìng)需求就會(huì)決定股價(jià)後續(xù)的走勢(shì)。接著，投資人看到價(jià)格變動(dòng)，就可以用來決定下一步要買還是賣。於是，這個(gè)過程不斷在買賣和價(jià)格變動(dòng)中循環(huán)。　　投資人也是人，都會(huì)好奇先前市場(chǎng)的走勢(shì)為何，而且會(huì)看出（也可能是自以為看出）某種模式，再根據(jù)自己看到或聽到的，做出回應(yīng)；換句話說，金融市場(chǎng)上充滿了反饋機(jī)制。一有反饋，就會(huì)重新決定要買或賣，於是出現(xiàn)新的價(jià)格，這又導(dǎo)致新的反饋、產(chǎn)生新的決策，就這樣不斷循環(huán)?！　∪绻皇琴€輪盤或丟銅板，並不會(huì)出現(xiàn)這種內(nèi)部的反饋機(jī)制，因?yàn)檩啽P上的小球或銅板都沒有思想，不管動(dòng)作看起來多麼複雜，其實(shí)都只是遵守著牛頓運(yùn)動(dòng)定律罷了，完全不像市場(chǎng)有「決策」這回事，所以不管賭客怎麼想、怎麼猜，與輪盤或丟銅板的結(jié)果都完全無關(guān)。同樣的，就算每個(gè)人心裡希望的天氣都一樣，對(duì)天氣也不會(huì)有絲毫的影響，否則，我們就不用為出門該不該帶雨傘而傷腦筋了?！　∪欢?，市場(chǎng)的情形完全不同。如果每個(gè)人都有了完美的預(yù)測(cè)模型、知道市場(chǎng)下一步的走向，所有人都會(huì)想立刻進(jìn)場(chǎng)大撈一票，於是造成強(qiáng)勁的反饋效應(yīng)、使市場(chǎng)大幅改變，而這個(gè)完美的預(yù)測(cè)模型也就立刻失效。舉例來說，假使模型指出該在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)賣出，於是所有人都在同一時(shí)間想賣出股票，結(jié)果根本沒有買家，股票瞬間就變得一文不值。所以，任何一種預(yù)測(cè)模型只要太多人知道、或使用得太廣泛，不但賺不到錢，反而有不良影響?！　∫虼?，講到複雜學(xué)，金融市場(chǎng)是個(gè)絕妙的研究對(duì)象，因?yàn)檫@剛好就是一群有決策能力的個(gè)體、有大量的內(nèi)部反饋，能夠滿足我們給複雜性所定下的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。此外，金融市場(chǎng)有豐富的現(xiàn)有資料和歷史資料，可說是人類有史以來最完整、為時(shí)最久的複雜系統(tǒng)記載，因此，在複雜學(xué)的進(jìn)展過程中，金融市場(chǎng)可以做為重要的真實(shí)世界測(cè)試案例──當(dāng)然，這可不是為了錢?！　〗鹑谑袌?chǎng)：到底怎麼走？　　不管你的退休基金經(jīng)理人或股票經(jīng)紀(jì)人多有一套，他們的操作方法必然受限於一個(gè)極大的問題，那就是：他們的投資表現(xiàn)，完全要看他們用來預(yù)測(cè)市場(chǎng)走勢(shì)的模型而定。既然這些人玩的都是我們的辛苦錢，還會(huì)影響到我們未來的老本，我們最好還是瞭解一下他們手上的模型是什麼樣子?！　≡诘?章，我們討論了隨機(jī)漫步（或稱醉漢走路）的情形──用丟銅板來決定該往前走或往後走。我們也看到，在一段時(shí)間t之後，可以用ta來表示醉漢移動(dòng)的距離，其中a = 0.5，也就是t的平方根；比方說，如果是經(jīng)歷9秒、每秒走一步，醉漢移動(dòng)的距離就會(huì)是90.5，也就是3。同樣的道理應(yīng)用到金融市場(chǎng)，所謂的移動(dòng)距離，就是價(jià)格變化。　　你可能沒想到，這種隨機(jī)漫步的模型，還真的就是金融市場(chǎng)的典型移動(dòng)方式，因此，大部分金融專業(yè)人士也都是運(yùn)用這個(gè)模型，企圖靠我們的積蓄為他賺大錢。最重要的一點(diǎn)在於，這種市場(chǎng)模型背後的假設(shè)是，用丟銅板的結(jié)果最能描述市場(chǎng)價(jià)格的走向；人頭代表上漲某個(gè)量，而字則是下跌某個(gè)量?！　〉菑那懊嬲鹿?jié)所提的，我們會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)其中有問題，因?yàn)榻鹑谑袌?chǎng)是一個(gè)複雜系統(tǒng)，而一般來說，複雜系統(tǒng)的結(jié)果不會(huì)是隨機(jī)漫步。特別是我們?cè)诘?章就討論過，現(xiàn)實(shí)世界複雜系統(tǒng)的突現(xiàn)現(xiàn)象之一，往往是既不太混亂失序、也不會(huì)過於有秩序，也就是a這個(gè)參數(shù)值多半不會(huì)剛好等於0.5?！　∵@當(dāng)然叫人擔(dān)心。已經(jīng)有重要研究機(jī)構(gòu)確認(rèn)，現(xiàn)實(shí)世界金融市場(chǎng)的價(jià)格序列，其a值和0.5差得可多了。但真正驚人的還在後頭：我們不只知道每個(gè)市場(chǎng)的a值都不會(huì)是0.5，甚至不管市場(chǎng)在哪裡，a值偏離0.5的方式都一樣！從這裡正可看出，複雜系統(tǒng)產(chǎn)生的突現(xiàn)現(xiàn)象確實(shí)有共通的屬性，放諸四海皆準(zhǔn)（這點(diǎn)我們稍後再談）?！　≈v到這裡，你可能覺得憂喜參半。從科學(xué)的角度來看，「複雜性」真是個(gè)迷人的玩意，但從退休基金的角度來看，標(biāo)準(zhǔn)的金融模型竟然不可靠，這可怎麼辦？



媒體關(guān)注與評(píng)論
　　這是想瞭解複雜科學(xué)的讀者期待已久的一本書，十分推薦?！　々hoice雜誌　　這本書精采、深入又通俗易懂。　　─斯巴格特（Michael Spagat），倫敦大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)教授　　複雜學(xué)的絕佳入門書；我們這個(gè)時(shí)代的每個(gè)人都該認(rèn)識(shí)這門科學(xué)?！　々ぴS伯銘，香港中文大學(xué)物理學(xué)教授　　這本書清楚易懂、寫作生動(dòng)、處處是驚喜，真的把複雜學(xué)變簡(jiǎn)單了！　　─鮑爾（Philip Ball），《看不見的分子》、《用物理學(xué)找到美麗新世界》作者






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