探究大數(shù)據(jù)視野下復(fù)雜性科學(xué)研究的新方法

馬健文

【摘要】復(fù)雜性科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)誕生于本世紀(jì)之交的科技革命，復(fù)雜性科學(xué)和大數(shù)據(jù)技術(shù)相繼出現(xiàn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)被一些學(xué)者認(rèn)為是復(fù)雜性科學(xué)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜性科學(xué)是大數(shù)據(jù)技術(shù)的理論表述。大數(shù)據(jù)應(yīng)用于復(fù)雜性科學(xué)研究已成熱議，然而大數(shù)據(jù)技術(shù)是否符合復(fù)雜性科學(xué)理論的全部特質(zhì)還需要細(xì)致的考量。這里從理論和技術(shù)兩方面入手，以前者為主。理論上，通過比對二者的特征差異進(jìn)行考量。技術(shù)上，分析具體實(shí)踐應(yīng)用難題。

【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù) 復(fù)雜性科學(xué) 線性與非線性 可逆性與不可逆性 路徑依賴

一、復(fù)雜性科學(xué)概述

早期自然哲學(xué)伊始，人類就不曾停下探尋世界本原的腳步，盡管各家對世界本原的構(gòu)成之物眾說紛紜，但無一例外都贊同有所謂的世界本原的存在。按照尋求本原的方法論傳統(tǒng)，哲學(xué)家們得出了比較貼近近代物理學(xué)的說法。認(rèn)為物質(zhì)可以無限制的拆分成更小的構(gòu)成部分，直到最小的世界本原。這種哲學(xué)思想就演變?yōu)楹髞淼倪€原論的科學(xué)方法。

復(fù)雜性科學(xué)是系統(tǒng)科學(xué)理論的分支學(xué)科，系統(tǒng)科學(xué)理論源生于貝塔朗菲的“一般系統(tǒng)論”。正如哲學(xué)家西蒙（ H Simon）闡明的那樣，“一般系統(tǒng)論”在經(jīng)過一個(gè)良好的開端后，因缺乏來自具體科學(xué)成果的供給也開始走向死亡。正因如此，哲學(xué)家和系統(tǒng)學(xué)家開始為系統(tǒng)科學(xué)理論尋求新的出路，于是作為一種新的發(fā)展方向的復(fù)雜性科學(xué)誕生?！皬?fù)雜性的概念，它指的是復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系和外部關(guān)系的某種基本性質(zhì)，并著重從信息、描述和計(jì)算的角度來研究這些性質(zhì)。例如系統(tǒng)元素及其關(guān)系的多樣性，這些聯(lián)系或關(guān)系的纏結(jié)性、非線性、多層級性和非對稱性，以及這些關(guān)系處于有序與混沌之間的邊緣性都指的是復(fù)雜性?！?/p>

若采取比較容易的理解方法，可以從與之相對的牛頓的機(jī)械還原論入手，牛頓認(rèn)為物質(zhì)是由微小粒子通過機(jī)械線性疊加而成，世間萬物均可以如此分成更細(xì)微的事物，直到構(gòu)成世界的最小微粒。牛頓的理論學(xué)說建立在決定論的簡單性原則上，經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為線性疊加態(tài)是萬物固有模態(tài)。然而隨著現(xiàn)代科學(xué)的演化，這種線性思維越來越多的暴露問題。簡單系統(tǒng)在現(xiàn)有宇宙系統(tǒng)中只占少部分，物質(zhì)更多的是處于復(fù)雜系統(tǒng)當(dāng)中。簡單系統(tǒng)的線性思維在面對有機(jī)生命現(xiàn)象和主體自我意志系統(tǒng)之時(shí)往往無能為力，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的機(jī)械力學(xué)將構(gòu)成事物的各部分視為孤立靜止的要素。

傳統(tǒng)還原論認(rèn)為事物具有線性疊加性，因而可以通過仔細(xì)探究這些細(xì)小的部分，來達(dá)到了解整體的目的。這種窺斑見豹的思維方式對近代科學(xué)探索大有裨益，但在隨后的深入研究中遭遇瓶頸。由此萌生了復(fù)雜系統(tǒng)的思維路徑，轉(zhuǎn)向與牛頓機(jī)械還原論相對的學(xué)科走向。

為了避免傳統(tǒng)還原論科學(xué)的局限性， 復(fù)雜性科學(xué)依照整體論和非還原論的方法論。復(fù)雜系統(tǒng)具有中等數(shù)目并基于局部信息做出的行動智能型、自適應(yīng)性主體系統(tǒng)。簡單系統(tǒng)各部分具有均衡性，而復(fù)雜系統(tǒng)中的個(gè)體具有智能性，且其中一部分的變化并不能引起整體比例性的變化。能夠精確預(yù)測月食時(shí)間，但卻無法精確預(yù)測天氣現(xiàn)象的事例充分表明了這一點(diǎn)。相比前者，后者的系統(tǒng)內(nèi)部不是線性疊加的，而是局部自適應(yīng)和不均衡的，因而機(jī)械還原論的方法不再具有適用性。

二、大數(shù)據(jù)時(shí)代的思維方式

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，引發(fā)各個(gè)領(lǐng)域不同程度的變革。大數(shù)據(jù)帶給現(xiàn)今人類社會算法的革新以及認(rèn)知的變革。這表現(xiàn)為三個(gè)方面：第一，由隨機(jī)抽樣采集到研究全體數(shù)據(jù)的變革。第二，由力求高精準(zhǔn)到找尋大致范圍的變革。第三，由熱衷因果關(guān)系到追求相關(guān)關(guān)系。

（一）隨機(jī)抽樣采集到研究全體數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)處理技術(shù)來源于信息爆炸產(chǎn)生的計(jì)算超負(fù)荷的技術(shù)難題，后受商業(yè)利益驅(qū)動，而逐漸發(fā)展為一種互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式。

算法問題的解決使得無法得到理論證明得到了充分的數(shù)據(jù)支持。大數(shù)據(jù)思維，開始將問題納入量化維度。理念的變革帶來數(shù)據(jù)運(yùn)用方式的變革，原有少量抽樣數(shù)據(jù)的信息獲取方式被遍取式的數(shù)據(jù)測量模式所取代。這不僅能夠?qū)挿喝娴墨@取信息，還可以幫助提升信息的精準(zhǔn)度，使得事物細(xì)節(jié)充分顯現(xiàn)。

（二）高精準(zhǔn)到找尋大致范圍

數(shù)據(jù)總量的提升固然能將想要把握的事情進(jìn)行更加細(xì)致的描摹，但數(shù)據(jù)的海量性勢必造成數(shù)據(jù)的參差性。這種摻雜進(jìn)來的細(xì)微瑕疵難以導(dǎo)致最終結(jié)果的大范圍變動，因而適當(dāng)放寬結(jié)果的精準(zhǔn)度不會在根本上顛覆研究的結(jié)果。這種方法與建立在小數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的精確技術(shù)不同，海量的數(shù)據(jù)樣本的采集使得小的讓步與犧牲成為可能。

（三）因果關(guān)系到相關(guān)關(guān)系

從找尋因果關(guān)系轉(zhuǎn)向探索相關(guān)關(guān)系是人類思想變革的一個(gè)重要飛躍，因果關(guān)系模型歷來是哲學(xué)學(xué)者爭論的焦點(diǎn)，黑天鵝理論使得因果關(guān)系確證性受到極大沖擊，進(jìn)而使科學(xué)的真理性問題備受爭議議。大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，為各領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思考方式，一場由熱衷因果關(guān)系到追求相關(guān)關(guān)系的認(rèn)識變革悄然發(fā)生。從追問“為什么”到追問“是什么”，復(fù)雜性系統(tǒng)十分經(jīng)濟(jì)的解決著社會所面臨的問題。

在具體科學(xué)實(shí)踐中，因果關(guān)系的找尋十分艱難，現(xiàn)在大數(shù)據(jù)所提供的新的思維方式節(jié)省了探究因果關(guān)系的步驟。人們轉(zhuǎn)到因循相關(guān)關(guān)系路徑，不再過分重視事物緣由，然而這不意味著拋棄因果關(guān)系，而只是將相關(guān)關(guān)系作為一種更加便利、快捷、經(jīng)濟(jì)的思考途徑。相關(guān)關(guān)系也許不能準(zhǔn)確告知事件的發(fā)生原因，但卻能夠?yàn)槭录陌l(fā)生及其走向提供重要的跡象。“在許多情況中，這種提醒的幫助作用已經(jīng)足夠巨大?！毕嚓P(guān)關(guān)系雖然給予了解決問題的新啟示，但相關(guān)性思維能否抵消掉復(fù)雜性科學(xué)中獨(dú)立個(gè)體的自適應(yīng)情境始終是認(rèn)知有效性討論的一大障礙。

盡管相關(guān)關(guān)系的思維方式與復(fù)雜性科學(xué)的理論內(nèi)核存在著高度相似性，但能否將大數(shù)據(jù)思維用于復(fù)雜性科學(xué)問題的解決還需要通過具體應(yīng)用實(shí)踐中理論特性的比對來加以考證。

三、大數(shù)據(jù)用于解決復(fù)雜性科學(xué)

（一）大數(shù)據(jù)解決復(fù)雜性科學(xué)的淺層合理性

復(fù)雜性科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)誕生于本世紀(jì)之交的科技革命，二者理論、特征、思維和歷史進(jìn)程上均有較大關(guān)聯(lián)。從科技史的角度來說，科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展不具有同步性，呈現(xiàn)為交互的推動模式?？茖W(xué)理論倚賴先進(jìn)技術(shù)的檢驗(yàn)，技術(shù)沿革能夠帶來驗(yàn)證方式的精確化，同時(shí)填補(bǔ)理論漏洞甚至破解理論困境。同時(shí)，技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展，有時(shí)以科學(xué)理論為誘因，以科學(xué)理論導(dǎo)引新技術(shù)。

也正因?yàn)閺?fù)雜性科學(xué)和大數(shù)據(jù)技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間的歷史相繼性，一些學(xué)者將大數(shù)據(jù)視為復(fù)雜性科學(xué)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)；相應(yīng)的，將復(fù)雜性科學(xué)視為大數(shù)據(jù)的理論表述。此種意義上可將二者視為系統(tǒng)性理論的不同分支，但這不能成為大數(shù)據(jù)理論適用于復(fù)雜性科學(xué)的理由。

就特性而言，二者確有高度契合性，但深入的研究分析便可以發(fā)現(xiàn)其中的嚴(yán)重分歧。如果未經(jīng)深入探究與思考，鑒于大數(shù)據(jù)與復(fù)雜性科學(xué)的特征的相似性，很容易就過于樂觀的認(rèn)為可以將大數(shù)據(jù)的技術(shù)用于解決復(fù)雜性科學(xué)問題。然而，這種技術(shù)應(yīng)用目前不但在實(shí)踐環(huán)節(jié)毫無進(jìn)展，在理論本身也是存在巨大問題，理論上大數(shù)據(jù)能否用于解決復(fù)雜性科學(xué)問題很需要業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注與探究。

（二）大數(shù)據(jù)解決復(fù)雜性科學(xué)的深層理論缺憾

正如前文提及的那樣，就大數(shù)據(jù)技術(shù)能否運(yùn)用于解決復(fù)雜性科學(xué)問題需要細(xì)致的考量分析。從二者比較明顯突出的特征差異著手，可以初步的得出一些理論與技術(shù)不協(xié)調(diào)、不適用的結(jié)論。這樣的分析研究對于調(diào)整復(fù)雜性系統(tǒng)理論的研究路徑具有重要意義，對于大數(shù)據(jù)的技術(shù)革新，還有復(fù)雜性系統(tǒng)理論的匹配技術(shù)的探索有很強(qiáng)的推動力。

大數(shù)據(jù)與復(fù)雜性科學(xué)在三組特征的比對中可發(fā)現(xiàn)明顯差異，這樣的差異性、不相適應(yīng)性可以表明大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜性科學(xué)的障礙，而且這種差異性、不相適應(yīng)性表現(xiàn)出一種無法顛覆的理論本質(zhì)上的缺憾。這三組差異特征分別是可逆性與不可逆性；線性與非線性；路徑依賴原則與均勻彌散化原則。下面從這三個(gè)方面進(jìn)行分析討論。

（1）不可逆性與可逆性?！鞍l(fā)現(xiàn)自己處在一個(gè)可逆性和決定論只適用于有限的簡單情況， 而不可逆性和隨機(jī)性卻占統(tǒng)治地位的世界之中”。[ 伊·普里戈金、伊·斯唐熱：《從混沌到有序》[M]，曾慶宏、沈小峰譯，上海：上海譯文出版社，2005年，第26頁。]因此，“物理科學(xué)正在從決定論的可逆過程走向隨機(jī)的和不可逆的過程”。近代物理學(xué)還原論的無限可分原則以及局部性原則沒有把時(shí)間與空間納入科學(xué)探究的考察范圍，以至于走向了極端，并認(rèn)為數(shù)學(xué)模型可以將宇宙中的一切事物進(jìn)行量化計(jì)算。但這種論斷隨著宇宙學(xué)的發(fā)展而不斷遭到打擊。

宇宙學(xué)熵?zé)謇碚摰膭?chuàng)立使得各門學(xué)科誕生了新的理論研究模型，通過反證法，熱力學(xué)三大定律的不可逆性被廣為接受。于是在簡單系統(tǒng)之外又發(fā)展出了復(fù)雜系統(tǒng)，正因復(fù)雜系統(tǒng)的不可逆特性以及它與簡單系統(tǒng)的截然對立性，使得復(fù)雜性科學(xué)受到越來越多的關(guān)注。新興的大數(shù)據(jù)技術(shù)作為數(shù)據(jù)的堆疊并不存在時(shí)間先后的壁壘，大數(shù)據(jù)尋找數(shù)據(jù)與事物關(guān)聯(lián)性的作法排除了因果性中的的前后相繼性。由此，可以簡單推斷出大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)的可逆性特征，所以大數(shù)據(jù)對復(fù)雜性系統(tǒng)做出的逆向預(yù)測是無法得到驗(yàn)證的，因而也無法作為結(jié)論來進(jìn)行進(jìn)一步推演。

大數(shù)據(jù)時(shí)代海量數(shù)據(jù)運(yùn)算的現(xiàn)實(shí)特性能夠模糊計(jì)算過程同時(shí)達(dá)到理想結(jié)果。如若世界本真的按照因果原則進(jìn)行演化，那么大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅無法為多因一果以及多果一因的情勢提供解讀路徑，而且數(shù)據(jù)處理過程也因呈現(xiàn)黑匣狀態(tài)而無法得到認(rèn)知。正如查爾斯·漢迪所說：“你不能認(rèn)為未來是過去的延續(xù)……因?yàn)槲磥韺煌?。這確實(shí)有必要拋開在過去所用的方式，以適應(yīng)未來?！?/p>

（2）非線性與線性。這一組特征與上一組有著巧妙的聯(lián)系性，線性原則與可逆原則可以視作是在不同方面對同一事物的表達(dá)。一個(gè)系統(tǒng)遵從線性原則，那么它亦是可逆的。如果一個(gè)現(xiàn)象是可逆的，那么它必遵循線性原則，二者互為充要條件。所謂的線性原則就是把構(gòu)成整體的各部分視為不具自主性的部分，研究其中的一部分便可得知整體情況。

復(fù)雜性系統(tǒng)是非線性的，它不具有簡單的加和性，而大數(shù)據(jù)技術(shù)中的每個(gè)數(shù)據(jù)都是獨(dú)立的構(gòu)成單元具有線性疊加性。雖然大數(shù)據(jù)也可以通過擴(kuò)大數(shù)據(jù)總量來模擬非線性特征，但大數(shù)據(jù)技術(shù)的本性是線性的。用本性為線性的大數(shù)據(jù)技術(shù)去解決非線性的復(fù)雜性系統(tǒng)科學(xué)是荒謬的。對于非線性系統(tǒng)而言，所有微小的差別在系統(tǒng)中都會經(jīng)歷路徑的非線性放大。但大數(shù)據(jù)技術(shù)卻無法做到這一點(diǎn)，盡管可以創(chuàng)造出一個(gè)相似的數(shù)學(xué)模型并模擬出非線性放大形式，但是無法確定這個(gè)數(shù)據(jù)非線性放大路徑，如果計(jì)算出的輸出結(jié)果與復(fù)雜性系統(tǒng)的現(xiàn)象相契合，那也只不過是“小”概率事件。

（3）均勻彌散化與路徑依賴。復(fù)雜性系統(tǒng)大多只具有局部有序性，這也是近代物理學(xué)可以運(yùn)用線性原則來進(jìn)行預(yù)測的原因，而在大布局上呈現(xiàn)混沌，宇宙學(xué)中的熵?zé)搴痛蟊ɡ碚撃Ｐ途褪呛芎玫睦C。復(fù)雜性系統(tǒng)通過各部分的自適選擇從而達(dá)到均勻的彌散化。大數(shù)據(jù)技術(shù)，如上所說是無法進(jìn)行事先路徑選擇的，不過這與大數(shù)據(jù)路徑依賴的特征并不矛盾。運(yùn)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測需要事先設(shè)定一個(gè)合理的模型，其實(shí)就是為這些數(shù)據(jù)的計(jì)算輸出設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行路徑，在這之后數(shù)據(jù)按照路徑進(jìn)行分布性的預(yù)測。值得注意的是，數(shù)據(jù)、路徑、輸出結(jié)果，在模型建立之初就已被確定，其結(jié)果輸出需參照以上變量。而復(fù)雜性系統(tǒng)的各個(gè)部分均具有自適性，并進(jìn)行著不可逆的非線性運(yùn)動。若想將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜性科學(xué)，那么路徑選擇難題將是無法逾越的障礙。

經(jīng)過一系列特征差異的比較，大數(shù)據(jù)技術(shù)作為解決復(fù)雜性科學(xué)的新方法無論在理論上還是技術(shù)層面，都存有適配性難題。從哲學(xué)層面來講，大數(shù)據(jù)用于解決復(fù)雜性系統(tǒng)科學(xué)的方法有兩種：其一是基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立能夠匹配適應(yīng)復(fù)雜性系統(tǒng)的新型輸出模型；其二是無限擴(kuò)大路徑選擇方案的樣本，用海量的數(shù)據(jù)選擇來盡可能囊括事件發(fā)生的可能性。以上兩種解決方案各有其弊端，以大數(shù)據(jù)模型為根基建立新型自適性模型要跨越兩種模型的范式差異。第二解決方案的實(shí)現(xiàn)需要建立在大數(shù)據(jù)技術(shù)運(yùn)算能力的革新，就目前的運(yùn)算水平與速度來講，還難以達(dá)到如此高的樣本處理能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊磊磊.系統(tǒng)科學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)[J].廣州.系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報(bào)，2012.

[2]維克托·邁爾—舍恩伯格，肯尼思·庫克耶著.大數(shù)據(jù)時(shí)代：生活、工作與思維的大變革[M].盛楊燕、周濤譯，浙江：浙江人民出版社，2012.

[3]伊·普里戈金，伊·斯唐熱.從混沌到有序[M].曾慶宏、沈小峰譯，上海：上海譯文出版社，2005.

[4]黃欣榮.從復(fù)雜性科學(xué)到大數(shù)據(jù)技術(shù)[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014.

[5]郭元林.論復(fù)雜性科學(xué)的誕生[J].自然辯證法通訊，2005.