陈晓松教授做客科学前沿讲座:复杂系统研究与展望

  • 文/本科部 图/本科部 (本科部/玉泉书院)
  • 创建于 2021-11-22
  • 279

  11月11日晚,中国科学院大学卡弗里理论科学研究所副所长,中国科学院大学物理科学学院副院长陈晓松教授受邀为我校大二本科生开展了一场科学前沿讲座。陈老师的讲座以“复杂系统研究与展望”为主题,从今年诺贝尔物理学奖的颁发入手,为同学们解读了今年诺贝尔物理学奖的特点,同时也分享了复杂系统的简介与复杂性科学未来的展望。陈老师的讲座主要分为五个部分:宇宙与复杂系统、2021年诺贝尔物理学奖解读、复杂系统研究简介、复杂系统研究展望和最后的总结。

5

  首先,陈老师从我们当前的宇宙切入,介绍了从微观到宇观的尺度,并向我们说明了二者之间的宏观部分蕴含着从生物到地球的各种复杂系统。对于这些具有复杂性的系统,人类的认知是有限的。

  复杂系统的定义十分广泛,囊括了复杂物理系统、复杂生物系统以及复杂社会系统等许多内容,其主要特点是非平衡性、无序性、随机性与涨落性。陈老师以人类研究天体运动为例,从早期第谷的观测到开普勒总结出三定律,再到牛顿提出万有引力定律,说明科学的发展进程反应了复杂系统研究的最终目标——描述复杂系统的简单规律。

  对于2021年诺贝尔物理学奖的结果,陈老师做了深刻的解读。它强调了复杂系统研究及其基本理论的重要性,体现了对复杂地球系统研究的重视。陈老师带着我们回溯诺贝尔物理学奖的历史,体会它从最初对实验工作的青睐到后来专注于已由实验验证的理论及革新性的实验技术的过程。此次诺贝尔奖开创性地颁发给了还在发展中的基本理论,说明了复杂系统研究领域方兴未艾,是紧扣人类发展脉搏,推动科学技术发展的重要领域。

  在获奖的三位科学家中,陈老师注重介绍了Parisi教授的工作,为我们展现了他在自旋玻璃、高于上临界维数的临界现象以及群体运动方面所做出的突出贡献。陈老师还为我们讲述了Parisi教授与中科院理论物理所的渊源,让同学们听得津津有味。

  接下来,陈老师简单地介绍了复杂系统。不论是人脑中紧密连结、传递兴奋的神经网络,还是教室中学生认知协作的学习过程,亦或是动态的社会群体,时刻涨落的金融,都可以用复杂性理论加以研究。通过陈老师的讲述,同学们清晰地理解到:复杂性系统的规律绝不仅仅局限于物理系统,它还包括了现实生活中数不尽的系统。而对相变的关注,对稳态与非稳态之间变化的探索也蔓延到了各个方面的研究中。

  在复杂系统中,陈老师为我们突出介绍了网络系统。它由大量格点与连接边组成,可以描述包括铁磁系统和社会群体在内的众多系统的特征,将貌似不相关的领域用一般性的结论加以概括描述。而对环境网络系统的研究则在最近受到了高度关注。在研究PM2.5的问题时,物理学家与大气科学家携手,将地球系统描述为一个深度融合了生物物理过程与人类活动的复杂的自适应系统。如今,人们正在关注该系统的各种临界点,以更好地应对气候与环境问题。

6

  讲座的后半部分,陈老师与同学们展望了复杂系统研究的未来。对于日益棘手的环境问题,可以通过研究复杂系统的相变与临界条件来找到环境危机的早期警示信号,来尝试找到对于全球气候变暖与灾难性事件的准确预测的答案。同时,人们也期望用复杂系统理论找到令细胞内生物分子有序有效发挥作用的组织方法,以及对群体运动与湍流的合理解释。然而,复杂系统相变研究的现状缺乏有效的理论,也面临着系统未知的能量函数、统计分布、相变序参量以及系统远离平衡方面的挑战。为了更好地对复杂系统做出描述与解释,陈老师向我们讲述了一些有关系综原理及本征微观态方法的知识,并向我们展示了此种方法在描述地球系统与金融系统等多方面的良好应用。

7

  在讲座即将步入尾声时,陈老师向同学们展示了研究组的研究目标,同时,陈老师也提出了在此领域研究的一些思考,启发我们要关注跨学科的密切合作研究,切忌脱离具体科学问题、堆砌抽象概念,要变革科学范式,基于大数据建立唯象模型与理论。最后,陈老师总结了本场讲座的内容,强调了复杂系统研究的重要性与方兴未艾的特点,同时提出复杂系统的基础理论与具体系统应当结合起来,进行跨学科研究。而面对全球变暖的困境,亟需推动复杂地球系统的研究。

  在陈老师的报告结束后,同学们踊跃地提出问题,积极与老师进行互动,而陈老师也耐心地一一解答。此次讲座在同学们的掌声中结束。

责任编辑:李暄妍