Robin Batterham

通過競爭的協(xié)調(diào)：一種更廣泛適用的方法？

Robin Batterham

Kernot Professor of Engineering, the University of Melbourne

針對如何組織科學(xué)與技術(shù)(S&T)，李靜海在本期《工程》中[1]推介了一種新的方法論，以應(yīng)對我們當前挑戰(zhàn)多于解決方案的現(xiàn)狀。鑒于還原論方法導(dǎo)致各學(xué)科被分割成更緊密的分組，該文表達了一種觀點，希望采用跨學(xué)科的方法解決現(xiàn)實世界中的復(fù)雜挑戰(zhàn)。多年的實踐證明，其通過考慮介尺度來關(guān)聯(lián)微尺度與宏尺度的途徑是成功的。

務(wù)實的工程界人士認為他的介尺度方法值得人們認真思考，并應(yīng)該得到更普遍的應(yīng)用?；蛟S《工程》的讀者會進行相應(yīng)的思考，并關(guān)注相關(guān)的實例：其中的介尺度涉及了不同的機制(兩個或多個)，每個機制都主導(dǎo)一種極值趨勢，從而在實際狀態(tài)中會出現(xiàn)不同機制“通過競爭的協(xié)調(diào)”[2]。這就是李博士使用的多尺度建模方法。如果發(fā)現(xiàn)這一原理更具有普遍性，則其本身如李博士所提倡的那樣，將自然成為解決科學(xué)技術(shù)問題的一種新方法。

李博士及其團隊利用他們的方法在理解跨越很寬尺度的復(fù)雜系統(tǒng)時取得了非凡的成功。這些成功大部分體現(xiàn)在化工系統(tǒng)。其中，微尺度利用經(jīng)典的化學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)手段完成建模，宏尺度則采用合適的唯象模型來建模，這些唯象模型受作用于整個系統(tǒng)的邊界條件的約束，而其重大的創(chuàng)新就在于對中間的介尺度的處理。起初，他們的成功在于在介尺度上應(yīng)用能量最小。后來，他們對這一假設(shè)進行提煉，并進一步發(fā)展成為確定介尺度上主導(dǎo)機制的一種原理，此時往往存在兩種機制的競爭，因此有了“通過競爭的協(xié)調(diào)”的概念。這已成為一種富有成效的方法。

在呼吁更廣泛地應(yīng)用這種方法論的同時，也應(yīng)注意到現(xiàn)實的困難。與微尺度和系統(tǒng)層次相比，現(xiàn)有文獻中針對介尺度的研究很少。同樣重要的是一個焦點問題——介尺度是否總涉及競爭？如果是這樣，是否總是在兩個主導(dǎo)機制之間？我認為要想在更大范圍內(nèi)改變科學(xué)界的觀點，還需要在這一領(lǐng)域做更多工作。

在微尺度層面，李博士的方法有還原論的屬性——采用了基于化學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)的“基本”表述。自16世紀Kepler的工作以來，還原論方法造就了諸多深刻的見解。即便如此，還原論的局限性與希望應(yīng)用更多微尺度手段的呼吁是否相符，仍然是個有爭議的問題。作為工程師，我們直覺上會將復(fù)雜的事物考慮成由多個獨立的實體組成，其中每一個都能夠被描述。這一觀點意味著實體的可分性。但是，復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用很重要，比如鳥群、城市或生態(tài)系統(tǒng)的行為?？梢哉f，了解規(guī)則和初始條件并不足以先驗地預(yù)測隨后的行為，即“計算的不可還原性”問題。引用Heylighen等[3]的觀點：“研究復(fù)雜系統(tǒng)需要觀察多個尺度的現(xiàn)象，同時不能忽視相互作用。”這與李博士在介尺度上建立相互作用模型的實用方法十分一致。

在更加理論的層面上，Edmonds很早以前就曾指出 [4]“抽象的還原論者的論點本身在科學(xué)上既沒有可測試性，也不易于還原到其他更簡單的問題”。另外，還有更多實用方面的局限性：所有模型都必須是有限的，因此永遠不可能具有完全的預(yù)測性。此外，還有明顯的計算方面的限制。進一步引用Edmonds的話：“量子力學(xué)限制了一克物質(zhì)在每秒鐘內(nèi)可以計算的信息量。因此即使窮極宇宙的質(zhì)量和宇宙熱寂前的全部時間，計算仍然有一個有限的限制?！币虼耍瑸閷⒑线m層次的還原論模型與整體論考慮相結(jié)合，需要一種實用的方法——這就是李博士提出的方法的核心。

因此，從幾方面來看，我們都會發(fā)現(xiàn)李博士的方法是值得重視的。接下來的挑戰(zhàn)是，從廣泛的問題中找到更多的實例，其中的介尺度涉及“通過競爭的協(xié)調(diào)”。我們很可能發(fā)現(xiàn)，存在一種跨學(xué)科的原理，其跨學(xué)科的方式可以改變我們從事科學(xué)技術(shù)工作的模式。

[1] Li JH. Exploring the logic and landscape of the knowledge system: multilevel structures, each multiscaled with complexity at the mesoscale. Engineering 2016;2(3). In press. doi: 10.1016/J.ENG.2016.03.001.

[2] Li JH, Ge W, Wang W, Yang N, Huang WL. Focussing on mesoscales: from the energy-minimization multiscale model to mesoscience. Curr Opin Chem Eng 2016;13:10–23.

[3] Heylighen F, Cilliers P, Gershenson C. Complexity and philosophy. In: Bogg J, Geyer R, editors Complexity, science and society. Oxford: Radcliffe Publishing; 2007.

[4] Edmonds B. Pragmatic holism (or pragmatic reductionism). Found Sci 1999;4(1):57?82.

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 286–287

Robin Batterham. Compromise through Competition: A More Widely Applicable Approach? Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.009