21世纪的科学：复杂性科学入门指南
复杂性科学（Science of Complexity）是一门新兴的边缘、交叉学科，被研究者誉为科学史上“继相对论和量子力学之后的又一次革命”、“21世纪的科学”。凯文·凯利也曾提出：“如果说原子是20世纪科学的图标，那么在21世纪，原子成为过去，取代它的是充满活力的网络。”
为什么要学习它？
我们一般认为，学习一门新的科学，获得的将是新的解决问题的方法和新的技术框架，但实际上，我们获得的经常是一种看待问题的新角度和全新的世界观。
复杂性科学就是这样一门新的科学，它在20世纪末兴起，横跨相当多科学的学科，虽然现在还属于迅速发展阶段，但已经大大扩展了人类认知边界，使得我们对世界的认识从简单还原论到复杂整体论、从关注事物本身到网络思维、从线性到非线性、从均衡到非均衡。所以学习复杂性科学是让我们用新思维范式替代旧思维范式的旅程。
复杂性科学简介
研究背景 
17世纪以来，还原论就一直在科学中占据着主导地位。
所谓还原论，就是去追根究底，对事物进行拆解，追问它们是由什么组成的。比如人可以还原为水、蛋白质、脂类、糖类和无机盐以及维生素，往下层层分解，还能分解成原子、电子、质子、夸克……人就是由这些基本物质构成。
花了三百年时间拆解后，科学家们终于开始把这个程序颠倒过来。他们开始研究这些东西如何融合在一起，形成一个复杂的整体。
比如生物学家们揭示脱氧核糖核酸的分子机制后，开始探索：上千万亿这样的分子是怎样使自己组合成有生命的物体？
类似的还有，脑科学领域开始研究“智能”和“意识”是如何由几十亿个神经细胞的联结中涌现出来？
物理学也有许多深奥的谜题需要解开：为什么简单的粒子会自动组成雪花、飓风、星球这样复杂的结构？为什么受简单规律支配的粒子会产生令人震惊、无法预测的行为？
经济学家也开始发现新古典经济学中视而不见的问题：经济系统中自利的个体如何形成结构复杂的全球市场？为什么高科技公司都蜂拥到硅谷安营扎寨？
一些学者强烈地感觉到，这些在不同学科中发生的问题具有深刻的相似性。而还原论无法解释这个现象：简单个体的大规模组合后，会形成复杂行为，即“整体大于部分之和”。
这些学者还发现另外一些无法解释的现象。
热力学第二定律告诉我们，系统会自发地朝着最大熵状态演化。根据这条定律，如果任凭事物自由发展，铁会生锈、水会变凉、树会腐烂，房间不会自己变干净，饮料如果泼到地上，永远也不会回到杯子里。自然界对解体结构，要比建立结构和秩序更感兴趣。
可是倒下的树虽然会腐烂，同时又有新的树木不断生长起来，种子和胚胎能够称之为完全成熟的或生物。与通常情形中的有序消退无序（熵）增长相反，宇宙却在永不停歇地从无序中产生有序。
于是他们开始询问，宇宙为什么会永不歇息地形成秩序和结构？系统为何能从随机无物开始，自主发展成复杂的整体？为什么那么久了宇宙都没有解体？这种逆熵的自组织系统是
如何成为可能？
复杂性研究就诞生于这谜团之中。
研究对象 
复杂性科学的研究对象是复杂系统。目前对于复杂系统有一个比较通俗的定义：由大量相互作用的成分组成，不存在中央控制，通过简单运作的规则会产生出复杂的集体行为和复杂的信息处理，并通过学习和进化产生适应性。包括大脑、免疫系统、细胞、昆虫社会、全球经济、生物进化、万维网等等。
我们还可以把复杂系统简单地理解为介于秩序和混沌之间的系统。它既不像闹钟、集成电路板这类有序的系统，也和飓风、湍流那种无法预测的混沌系统相去甚远。想象你正在用手机玩一个控制小球的游戏，小球受随机力的驱动，会在跷跷板上滚动，你需要倾斜手机，避免小球掉落。如果小球即将或者已经朝着左侧运动，你要向右倾斜手机，尽量让它保持在跷跷板中间。这种没有完全固定在某个位置，但也没有滚落跷跷板的持久不均衡的状态，就是复杂系统所在之处。这个地方——经常被称为混沌的边缘——就是系统中各种
因素没有静止在某一个状态，但也没有动荡至解体的那个地方；就是生命有足够的稳定性来支撑自己的存在，又有足够的创造性使自己名副其实为生命的那个地方。
因为复杂系统不存在中央控制者，我们将它成为自组织（self-organizing），因为简单规则以难以预测的方式产生出复杂行为，我们有时也称之为涌现（emergent）。下图出自维基“复杂系统”词条，图中对复杂系统的定义是：随着时间演化，出现自组织，在不同的尺度上，出现涌现。
从图中，我们还可以看到复杂系统涉及许多研究领域，包括：系统理论、非线性动力学、博弈论、集体行为、复杂网络、演化和适应性、斑图形成等等。
核心问题 
复杂性科学研究的核心问题是：
∙涌现和自组织行为是如何产生的？
对应到自然和社会中的问题是：
∙细胞如何自组织成眼睛和大脑？
∙经济系统中自利的个体如何形成结构复杂的全球市场？
∙所谓的“智能”和“意识”是如何从不具有智能和意识的物质中涌现出来的？
∙我们能不能建造出真正具有生命和智能的机器？
……
复杂性科学核心概念 
1. 自组织临界性
宇宙为何能以大爆炸中产生的几种粒子开始，变得越来越复杂，最终演变成现在这个丰富多彩的世界呢？为什么宇宙这么久了还没解体？这背后是否有“上帝之手”在干预？如果没有，是偶然还是必然？adaptive
Per Bak给出了答案。他指出“自组织临界性（Self-Organized Criticality，SOC）是自然界趋向最大复杂性的驱动力”，“是目前所知的产生复杂性的唯一普遍机制”，它可以解释诸如生物进化和物种灭绝、地震、交通阻塞等种种现象。
SOC指的是复杂系统能够通过一个漫长的自组织过程演化到一个临界态，处于临界态的一个微小的局域扰动可能会通过类似“多米诺效应”的机制被放大，其效应可能会延伸到整个系统，形成一个大的雪崩（灾变）。处于临界态的系统中会出现各种大小的“雪崩”事件，并且雪崩的时间尺度和空间尺度均服从幂律分布，幂律分布是自组织临界态的指纹。分形现象和1/f噪声是自组织临界现象的空间和时间的印记（Bak）。
所谓“自组织”是指该状态的形成主要是由系统内部组织间的相互作用产生，而不是由任何外界因素控制或主导所致。所谓“临界态”是指系统处于一种特殊敏感状态，微小的局部变化可以不断放大、扩延至整个系统。

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