《複雜性——一種哲學概觀》一書的作者尼·雷舍爾告訴我們，日常生活中很多的離奇現象常常被我們忽略。
例如一枚受精的雞蛋，如果保持 38 攝氏度的恆溫，它將會孵化出小雞，這是從簡單向複雜演化。如果把它放在 100 攝氏度的沸水中，它會變成一枚熟雞蛋，而若將它長期處於 60 攝氏度下，它將自發腐敗，成為臭雞蛋，這又是從有序向無序演化。
事情就是如此奇妙，生物進化並不存在某些中心線索來引導發展，在連續和極端複雜分支化的演化中，任何一個偶然因素都會影響那些現存物種，會使之與現在完全不同。
為什麼按熱力學第二定律，無機自然界自發過程總是從有序向無序方向演化？如一滴墨汁在水中消散。為什麼地球上無機界和有機界演化的方向截然不同？這些問題直到 20 世紀中葉仍一直困擾著科學家們。
複雜性既是一種福音又可能是一種禍害，它使理性預測處於尷尬境地。
在簡單且布局和攻防都有定式可循的圍棋競賽中，棋手表現出來的水平則完全不同。水流總是應以最小阻力路徑前行，但一條河流又總是流出蜿蜒曲折的河道。科學技術越進步越完美，但像一架飛機有數百萬個零件，管理它，控制它，分析它出現事故的原因，又將十分複雜。
物理學的前沿問題主要是研究時間、空間和物質的本質，可分為宇觀尺度和微觀尺度兩方面。
宇觀的時間尺度的研究已延伸到 150 億年前的宇宙大爆炸，而誕生的時刻，空間尺度是 150 億光年，由此追溯大爆炸後以光速膨脹著的宇宙的全部歷程，利用宇宙大爆炸模型研究宇宙從初始到誕生，從塵埃到星系的形成、星系的分布、星系的演化等問題。
微觀的時間尺度研究範圍到了 10—15秒的飛秒量級，在如此短的時間內，正是化學元素越過能壘，決定選擇正或副反應路徑的那一瞬間。空間微觀尺度研究到了 10-34厘米，這一尺度下物質的行為可通過量子力學來描述，出現了強雷射物理、基本粒子物理學等，這方面的研究工作是近代物理學的主流之一。
近三四十年，物理學從非線性科學引發出對複雜系統的興趣，開始研究由於外界多種誘因集合而一起產生的現象。比如湍流，大飛機起飛、火箭上天等與空氣相互作用，都會形成湍流，湍流會造成幾乎 90%的阻力，它決定了飛行器的姿態。如波音 737MAX 飛機在 2018 年至 2019 年不到 5 個月的時間裡出現的兩次機毀人亡的慘劇，就是和湍流控制不當有關。如果建造高馬赫數的超高速飛行器，遇到的問題也在於此。
再如，凝聚態物理要研究的新型半導體物理、高溫超導等，它們呈現出的一些新規律不是單一理論可以描述的。複雜系統研究也可擴展到社會學、經濟學方面，如博弈論、股票、市場動力學等也都屬於複雜系統科學研究範疇，可見複雜系統的研究更貼近於生活。
複雜系統是一種我們還沒有有效方法作出可靠預測的系統，現在的數學和物理手段還沒有發展到能對這樣系統作出定量的預測。實際上，在科學發展過程中，有很多系統原來被認為是複雜系統，新科學手段的出現又使它變成了簡單系統，如天體行星的運行軌道，如果沒有牛頓力學，它仍是複雜系統，但現在我們已經能作出非常精確的預測了。所以定義是否為複雜系統，是可以改變的。
複雜系統應有以下特徵：
（1）非線性：非線性系統會產生躍變，即從一種狀態突然轉變到另一種狀態，稱之為湧現變量和因變量之間的非正比關係。
（2）強關聯性：很難找到一個描述行為的近似方程，如高溫超導雖已發現了幾十年，但至今仍沒有找到一種理論能完美地解釋它。
（3）平均場理論失效：如用瓶內水分子的平均值代表所有水分子的運動情態，這是物理的平均場理論，但如果這樣會導致極大誤差，則表明平均場理論在複雜系統中失效。
（4）主動性系統：指研究對象會根據不同環境有不同行為，從研究者不同的視角，可以有不同認知。這其中存在一個主動思維過程，從而使自身利益最大化，如博弈論中金融行為等。
再如下圖所示，從左向右看出是一隻兔子，從右向左看是一隻鴨子，可人為地主動選擇，稱格式塔（Gestalt）轉換。
（5）難以反向追溯系統：比如生物進化過程，常常由於隨機突變產生分叉行為，很難從後來的現狀去推斷過去的現象，所以稱之為難以反向追溯系統，或者稱分叉系統。
（6）混沌系統：隨時間有規律變化的信息可用傅立葉函數解析，稱為脈動信號，而完全沒有規律的信息稱為隨機信號；介於兩者之間，近程無序、遠程有序者，稱為混沌信息，如股價信息波動。
研究非線性複雜系統可以揭示行為多穩態現象，如行走在鋼絲上的雜技演員，努力保持自己站在鋼絲上，就是處於暫穩態；如果掉到右邊或左邊的地上，就是處於完全穩定態；所以該系統有兩個穩態。又如有放熱效應的化學反應過程，在一定約束條件下操作可穩定運行，處於暫穩態；一旦受到外界輕微干擾，會迅速滑向熄火或過熱爆炸而進入失態；整個過程就稱之為多穩態過程。
也可以研究系統的「災變」現象，如我們常說的「壓倒駱駝的最後一根稻草」，就是在一個敏感點上，發生微小的變化就可以引出強大的反應後果。如地震的發生是因為地殼板塊相互擠壓，造成微小變形和內應力的積累，自發地觸發到達臨界點，最終造成地震爆發，這被稱為自組織臨界系統，所以很難預測地震發生的時間和強度。
非線性系統的另一個特點是「圖靈」斑圖現象，動物如斑馬身上斑圖的形成機制，是由於體內生物化學反應與生物分子隨機擴散的交替控制造成的，可以隨機形成不同花紋。上述行為都是屬於複雜性科學所研究的範疇。
複雜性科學研究的領軍人物之一，當推伊利亞·普里高津（1917—2003），1977 年諾貝爾化學獎獲得者。他從非平衡態熱力學中提出耗散結構論和自組織理論，證明自然界的複雜事物是由簡單事物經過不斷地自組織而逐步進化出來的。一種遠離平衡態的非平衡系統，在其外參數變化到某一值時，通過系統與外界不斷地交換能量和物質，系統可以從原來無序性狀態，轉變到空間、時間和功能上都有序的結構。如人類從卵子、精子到胚胎和嬰兒，即簡單事物通過自組織而產生出複雜性。
這是由於無序狀態失去穩定性，由某種漲落現象被放大的結果。他的兩本著作《從混沌到有序》《確定性的終結》，把複雜性研究推向一個新高度，並將物理世界的複雜性研究逐漸擴展到人文社會領域的複雜性研究，所以複雜性科學仍是人類面臨的重要課題。
普里高津的研究工作是從關注當時科學界兩個使人迷惑不解的問題開始的，即：
第一，有序和無序關係問題。熱力學第二定律說明宇宙將不斷從有序轉向無序，而生物進化論無可置疑地說明了生物學的領域中會從簡單走向複雜，從無序走向有序。
第二，可逆性問題。熱力學第二定律描述的都是不可逆現象，例如熱量永遠從高溫傳向低溫物體，而沒有相反的傳熱現象。
這一矛盾現象我們習以為常，殊不知往往在這些矛盾現象觀察的背後隱藏著重大的科學規律。普里高津提出的耗散結構理論，對生命現象有序和無序關係的解釋是物種起源和形成過程。基因突變對單個生命系統來說是非常偶然的、概率極小的事件；但在大規律條件下即產生嚴格的規律性，因而成為必然。
如對個別家庭嬰兒出生是男是女是偶然現象，如果從全社會進行統計就會發現男嬰與女嬰的比例會趨於 50%，可見偶然性和必然性是同一過程不可分割的兩面。
所以對於一個創新者來說，從習以為常中發現矛盾也許就是解決矛盾並引導出重大發現的途徑。
綜合自《科技創新啟示錄：創新與發明大師軼事》
作者：金涌
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