复杂性的前沿:突破传统界限,拥抱未知的科学探索 (复杂科学前沿)

导言在科学探索的不断演变的格局中,复杂性已经成为一个不可忽视的力量,它代表着将看似无序的系统中的相互联系和模式整合在一起的挑战,从生物系统到社会网络,再到物理现象,复杂性无处不在,不断推动着我们对世界的理解边界,复杂性的特征复杂系统通常表现出以下特征,自组织,能够从无序中产生复杂结构或行为,涌现,从局部相互作用中产生系统级的行为,这些…。

导言

在科学探索的不断演变的格局中,复杂性已经成为一个不可忽视的力量。它代表着将看似无序的系统中的相互联系和模式整合在一起的挑战。从生物系统到社会网络,再到物理现象,复杂性无处不在,不断推动着我们对世界的理解边界。

突破传统界限

复杂性的特征

复杂系统通常表现出以下特征:

  • 自组织:能够从无序中产生复杂结构或行为。
  • 涌现:从局部相互作用中产生系统级的行为,这些行为无法从其构成部分的简单和中预测。
  • 分形性:在不同尺度上表现出类似的模式,从微观到宏观。
  • 适应性:能够应对变化的环境,并从经验中学习和进化。
  • 非线性:小扰动可能导致巨大的影响,系统表现出不可预测的行为。

突破传统界限

研究复杂性需要突破传统科学方法的界限。传统的还原主义方法将系统分解成更小的部分进行研究,而复杂性研究则强调系统整体行为和各个部分之间的相互作用。为了成功地研究复杂性,科学家们必须:

  • 采用跨学科方法:结合物理学、生物学、社会科学和数学等多个学科的见解。
  • 开发新的工具和技术:如计算机模拟、数据分析和大数据技术来处理复杂系统中的大量数据和交互。
  • 重视建模和仿真:使用模型和仿真来预测系统行为,并理解其潜在的涌现特性。
  • 拥抱不确定性:认识到复杂系统本质

中科院“十三五”发展规划刚要提出的60项重大突破都有哪些

有望实现创新跨越的重大突破(60个,不含国防科技创新)(一)基础前沿交叉(8个)1.数学与交叉方向(1)Langlands纲领和千禧数学问题。

2.物理与交叉方向(2)凝聚态物质科学若干前沿问题。

(3)粒子物理的新发现和研究。

(4)星系的结构、形成与演化。

(5)超导量子探测与应用。

(6)超常环境下系统力学问题研究与验证。

3.化学与交叉方向(7)功能体系的分子工程与分子成像。

(8)能源化学转化的动态本质与调控。

(二)先进材料(4个)1.材料创制方向(9)高性能材料结构设计、制备与应用探索。

(10)人工合成天然橡胶。

2.新材料应用方向(11)变革性纳米产业制造技术聚焦。

(12)新能源汽车。

(三)能源(5个)(13)聚变等离子体物理前沿研究。

(14)煤炭清洁高效利用技术与示范。

(15)未来先进核裂变能。

(16)基于高效热工转换的先进动力技术。

(17)可再生能源与多能互补应用示范。

(四)生命与健康(17个)1.健康方向(18)脑科学与类脑智能研究。

(19)生物超大分子复合体的结构、功能与调控。

(20)细胞命运决定的分子调控。

(21)病原微生物与宿主免疫。

(22)个性化药物——基于疾病分子分型的普惠新药研发。

(23)器官修复与再造。

(24)生物合成。

(25)健康保障技术与装备。

2.生物多样性方向(26)动物复杂性状的进化解析与调控。

(27)战略生物资源评价与转化利用。

(28)大尺度区域生物多样性格局与生命策略。

3.现代农业方向(29)基于生物信息流操纵的病虫害导向性防控重大原理与技术。

(30)解析植物特化性状形成和定向发育调控机制。

(31)分子模块设计育种创新体系。

(32)农业转型发展示范。

(33)现代农业区域示范。

(34)环境友好的近海养殖技术。

(五)海洋(3个)(35)海斗深渊前沿科技问题研究与攻关。

(36)海洋生态环境安全工程。

(37)海底科学观测网和装备研究及示范。

(六)资源生态环境(11个)1.资源方向(38)页岩气勘探开发基础理论与关键技术。

(39)深地智能导钻理论与技术体系。

(40)特色金属矿藏的高效清洁综合利用。

2.生态环境方向(41)青藏高原多层圈相互作用及其资源环境效应。

(42)大气灰霾追因与控制。

(43)典型污染物的环境暴露与健康危害机制。

(44)土壤-微生物系统功能调控及土壤污染治理。

(45)全国及重点区域生态环境评估与修复。

(46)典型区域水体污染综合治理技术。

(47)重大建设工程防护。

(48)“一带一路”典型区域地缘环境系统演化模拟研究。

(七)信息(7个)1.信息方向(49)量子通信。

(50)网络空间安全关键技术与应用。

(51)高效能计算与网络通信关键技术及应用。

(52)大数据与人工智能。

(53)人机交互与虚拟现实。

(54)集成电路与核心基础器件。

2.智能制造方向(55)机器人与超精密极端制造。

(八)光电空间(5个)(56)空间科学先导专项(二期)。

(57)载人空间站及空间实验室空间应用。

(58)月球与首次火星科学探测。

(59)北斗全球卫星导航系统。

(60)平流层飞艇。

如何成为一个好的学术工匠

一、“工匠”工匠精神是指工匠对自己的产品精雕细琢,精益求精的精神理念。

李老师从家乡江西瓷器说起,瓷器工艺大师具有的工匠精神,体现到做学问、做研究要有一个学术人最基本的“技术”。

论文选材、概念认识、研究设计这些都需秉承研究的工匠精神,这也是研究者对学术严谨、认真、肯下功夫钻研的态度。

做研究不是高高在上的,也不是说下到一线做教研,而是扎根在一线教学实践活动中,从理论到实践,而不是从理论到理论。

好的研究者要从最基本的工匠技巧做起。

二、传统与前沿把握德国学术传统、学术前沿,促进其与学派理论建设的衔接与转化。

(一)对于传统很多人都说传统已经过时,但不了解就不能说过时。

作为研究者,不要总想着打破传统,创造新的东西,在创造一个新传统之前,得先进入老传统,把它作为你安身立命的根基。

正如叶澜老师所说,传统就是老树上发新芽,新芽是从老树上发出来的。

李老师曾在华东师范大学对新生讲话时首先讲到的就是传统。

大家上大学,首先要了解和把握传统

复杂性科学的具体特征

组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。

德国理论物理学家哈肯依据组织的进化形式把“组织”分为他组织和自组织两类。

自组织是相对于他组织而言的,我们一般把不能自行组织、自行创生、自行演化,不能够自主地从无序走向有序的组织称为他组织。

他组织只能依靠外界的特定指令来推动组织向有序演化,从而被动地从无序走向有序。

相反,自组织是指无需外界特定指令就能自行组织、自行创生、自行演化,能够自主地从无序走向有序,形成有结构的系统。

自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。

它的研究对象主要是复杂自组织系统(生命系统、社会系统)的形成和发展机制问题,即在一定条件下,系统是如何自发地由无序走向有序、由低级有序走向高级有序的。

吴彤教授认为自组织理论由耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论、分形理论和混沌理论组成。

其中,耗散结构理论是解决自组织出现的条件环境问题的,协同学基本上是解决自组织的动力学问题的,突变论从数学抽象的角度研究了自组织的途径问题,超循环论解决了自组织的结合形式问题,分形理论和混沌理论则从时序和空间序的角度研究了自组织的复杂性和图景问题。

一般认为,系统开放、远离平衡、非线性相互作用、涨落是自组织形成的基本条件。

自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。

一个系统自组织功能愈强,其保持和产生新功能的能力也就愈强。

我们把这种无需外界控制和干扰、通过系统自身的调节和演化达到有序的特性称为自组织性,如达尔文提出的“物竞天择,适者生存”,就可以看成是自然界中的生物通过生态系统的自身调节而达到的不同物种之间进化发展的自组织过程。

复杂性科学把系统整体具有而部分或者部分和所不具有的属性、特征、行为、功能等特性称为涌现性。

也就是说,当我们把整体还原为各个部分时,整体所具有的这些属性、特征、行为、功能等便不可能体现在单个的部分上。

我国古代思想家老子的“有生于无”的论断,便是对涌现性古老而又深刻的理解和表达。

贝塔朗菲借用亚里士多德的著名命题“整体大于部分之和”来表达涌现性;霍兰认为涌现的本质是“由小生大,由简入繁”。

复杂性科学家常借用“复杂来自简单”来表述涌现,认为复杂性是随着事物的演化从简单性中涌现出来的。

虽然涌现性是整体的一种现象和特性,但是整体的现象和特性不一定都是涌现。

贝塔朗菲区分了累加性与生成性(非加和性)两种整体特征,把整体分为非系统总和与系统总和两种。

要清楚地认识到单单只把各部分特性累加起来所形成的整体特性不是涌现性,只有依赖于部分之间特定关系的特征所构成的生成性(不是加和性)才称得上是“涌现性”。

由此可以得出,从部分本身的简单相加来推断、预测涌现现象是不可能的,涌现性是一个描述复杂系统层次所呈现的模式、结构或特征的科学概念。

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