霍兰的学术思想和生活（1）

 

 

 

当我们认为一个复杂系统它是由agent组成，而不是原来意义下的element组成的话，那我们就要研究这个系统，它的适应的行为到底是怎么适应。所以他的理论的第二步就是一个最简单的条件语句，就是咱们计算机里最简单的条件语句，if条件，that反应，连else都没有

 

 

今天咱们讲一个题目，介绍一下约翰・霍兰的学术思想和生活。约翰・霍兰是美国的一位著名的学者，他主要的工作单位是在密执根大学，但是为人所知更多的，是他在桑塔菲研究所的工作。他是桑塔菲研究所的骨干成员之一，做过学术委员会的副主任，他的一些重要的著作都是在桑塔菲研究所发表的。霍兰生于1929年，去世是2015年的8月9日，享年86岁。从我们看到的桑塔菲研究所的讣告，对他的介绍里头最强调的一点，就是“复杂性研究的先驱者之一”。但是比较了解情况的朋友都知道，他在年轻的时候是一个计算机科学家，他早在50年代就参与了美国最早的计算机科学的研究工作，而且发明了一种叫遗传算法，这个遗传算法缩写叫GA，Genetic Algorithm。它就是一种模拟生物体适应环境来追求最优解的这样一种算法。而且，他在很多别的领域都有非常重要的发现。但是为什么桑塔菲研究所和密执根大学的讣告，首先提的都是叫“复杂性研究的先驱者之一”。也就是说我们认为，他最主要的贡献或者说影响最大的贡献是在复杂性研究上，就是所谓的complexity study。所以，今天我们就来介绍一下，他在这方面到底做了什么贡献，为什么全世界这么关注他。

 

他的著作是很多的。我首先从这本《隐秩序》讲起，它是霍兰在桑塔菲研究所的一次summer school上的一个报告，介绍了一种新的关于复杂性的一种理念，这本书的副标题叫做“适应性造就复杂性”，英文缩写为CAS。到1997年的时候，他又出了另外一本书叫做《涌现》，这两本书，他主要提出的一个理论就叫做复杂适应系统，其基本思想就是个体的适应性行为造就了系统的复杂性，下面我从两个方面介绍一下。

 

第一个， CAS理论到底有些什么内容？他的基本思路是什么样的？这方面我想可以看一下《隐秩序》这本书，作者的具体的思路，简单地说可以分为六步。

 

第一步，他把原来的系统工程中间的“元素”这个概念，换成了一个“主体”的概念，这个“主体”英文叫agent。霍兰在这本书里头一开始就明确地讲到agent和element和part，因为一讲系统工程，总会讲局部、部分、元素，为什么要用agent这个词呢？就因为我们认为agent是“活”的，它具有适应能力，其实说全了应该叫adaptive agent，具有适应能力的主体，这是第一步。

 

当我们认为一个复杂系统它是由agent组成，而不是原来意义下的element组成的话，那我们就要研究这个系统，它的适应的行为到底是怎么适应。所谓适应性行为就是主体根据环境传递的信息改变自己的行为和结构，他用这么一句话来表示。外界环境给你一个刺激，然后你做出一个响应。所以他的理论的第二步就是一个最简单的条件语句，就是咱们计算机里最简单的条件语句，if条件，that反应，连else都没有。所以他是尽量地用计算机语言简单地说明这个适应的过程，两个概念―刺激和响应，stimulates和responds就这两个词。有什么刺激，做什么反应，就是有一堆不同的刺激，有一堆不同的反应，某一个刺激对应一个反应，这就叫一条规则。这条规则实际上说明的就是个体的行为，他描述的是个体的行为。我记得我们在80年代初学当时的人工智能的时候，所谓的知识库就是叫做规则库，什么刺激给什么反应。如果我做一个作业，“一个刺激可以有两个不同的反应”，老师会给我打错，说你这叫不一致啊。你说下雨了，我说下雨了我就打伞，我说下雨了我就穿雨衣，两条，那到底该怎么着，老师给你打个叉字，说你这题答错了，你这个知识库不符合唯一性。但是霍兰在这，他就突破了，他说恰恰就是不要唯一。那不要唯一，随机性就进来了，来了一个刺激，我能两种不同的反应，那我到底按哪种，这里就有一种随机性，我可以随机地选。

 

第一步是允许规则的多样性，第二步是允许规则的可变性。这个可变性又有两层，就是每一层每一条规则都有一个指标，这个指标啊，霍兰用的词叫fitness。fitness这词解释太多了，有人说健身也叫fitness，但是我们这里翻译叫适应度，就是在特定的环境下这条规则符合到什么程度。比如说，下雨了我就打伞，下雨了我就穿雨衣，这两条规则都可以用。但是，在北京可能打伞就可以，在多伦多打伞就不行，因为那风太大，我孩子带去的伞都刮坏了。所以我在多伦多，可能就是下雨穿雨衣这条更适用一些，在北京我可能就是下雨打伞更适合一些。注意，这里没有对错的问题，只有这条规则对当时当地的环境适应到什么程度的问题。所以，第三步他就在这个基础上每一条规则都带了一个指标，就是fitness，用计算机的话来说有一个计数器。这个计数器是0到1之间的数，如果说非常适合是1，完全不适合是0，开始都是0.5，但是每当这个规则去试一次之后它有个结果，这个结果是好还是不好，是适用还是不适用，它把这个分往上加往下减，这是个可变的，这是第三步就又引到了一个概念叫fitness。

 

所以，当我们承认了规则的多样性，接着承认了可变性，并且把这个可变的过程，用一个程序来实现的时候，我们就看到了，第四步就是反复地交流，是一个过程的产物，不是一下子形成的。在这个过程中个体自己在变，环境也在变。每个个体对别人来说就是环境。举个例子，北京的外国留学生，刚来的时候根本不会挤公共汽车，见了都吓死了，等他待了仨月以后，他挤的比你还厉害。像这样的事，就是说第四条在反复的过程强调过程。

 

在这个基础上，第五步他提出来一个概念，叫做受限生成过程，英文原文是这样constrained generating procedure，缩写是CGP。这CGP是一个不断生成自己的过程，就是不断在改变自己的结构和行为规则。CGP这个概念是我们研究任何复杂系统的演化过程的一个核心。这个CGP对个体来说是它的适应过程，对系统来说是它的演变过程。我跟搞企业的人说过，30年来中国人的这种行为的变化你去追一追，你可以仔细看到中国人的行为在怎么变化，同时就看出了中国社会在怎么变化。所以第五个核心的概念就是这个CGP这个概念。在这个基础上，他就讲到了后面的萌芽，刚才说的只是信息的交流，然后改变自己的结构，改变自己的行为规则，同时改变它吸收的物质和信息。信息和物质都在不断地交流，都在和环境交流，这样呢，最后他提出来一个模型，叫做回声模型，echo,他用的这个名字，这就是这本书的最后的结论。这六步，你看着好像很简单，道理并不复杂，但是它使得我们人对复杂性的认识有一个质的提高。最早爱因斯坦和普朗克突破了牛顿力学的一统天下。人们开始认识到，世界并不是那么简单，世界比我们想象的要复杂，比拉普拉斯说的那个决定论要复杂。

 

第一个浪潮，人们认识到，原来除了这个能量和物质在这循环，还有信息在循环。这个贡献是维纳和香农做的，香农提出信息，维纳提出反馈。学控制论都知道input、output、feedback，这就是一个控制论的最基本的模型。这个模型出来以后，人们设计机器的思想整个就变了。原来只是物质和能量的，就像蒸汽机那样。当人们认识到还有这么一个控制系统，发展到今天，导弹、人造卫星、机器人都是这个控制系统。在这波中间，人们对于复杂系统说是，加上这个信息和控制以后不得了，所以出现了系统工程的第一个高潮，二十世纪的四十年代到六十年代。造核舰艇，人造卫星，登月计划，一个一个成功的案例非常多，但是到六十年代末的时候出了问题了。大家都说我造机器可以，我造工程可以，我造人造卫星可以，我能不能用来改造社会啊？于是就出现了经济控制论，出现了社会控制论，力图把这套思想用到社会和经济中间。结果凡是这么试的，没一个不失败的。原因在哪？那时候人理解的复杂性是什么呀，是一台大机器。用列宁的话讲，都是齿轮和螺丝钉，或者按早期的科学家的话讲，是一个大钟表，整个世界是个大钟表。最后发现它不是大钟表，凡是这么做的都失败了，例子太多了。比如最典型的就是智利，70年代的阿连德的改革，所有经济信息从车间直接送到总统府，搞社会主义，搞解放经济，最后失败。所以在六十年代末到七十年代初的时候，在学术界就兴起了一股重新认识复杂性的热潮。这时候的代表性的成果，第一，普利高津的耗散结构理论，第二，哈肯的协同学。这两个都是把热力学的理论用到了复杂系统。所谓热力学理论，就是在布朗运动的基础上，个体是无序的，但是宏观上就表现出有序了，这就是热力学基本的想法。所以呢，他在这种情况下，他就用热力学的办法来解释，于是提出了一系列概念，耗散结构，涨落，涨落的非线性放大，突变，在远离平衡的稳定状态，熟悉普利高津思想的朋友都知道。

 

在这个过程中间，人们就开始突破了把复杂仅仅理解成为一台大机器的这样一个传统的概念，完全确定论的概念。把不确定性，把分形，把混沌，把曼德勃罗的思想，这些都给引进来。这样一来，也取得了不少成绩，最典型的成绩，比如说现在我们说的激光。激光就是这样，每一个原子的振动它是随机的。但是当整个这一个环境这一个场，我让它的电压达到一定程度的时候，一下子好像有人下命令似的，都排起了队，大家都往同一个方向，光非常集中。原来的随机的，各个不同方向的这个原子振动，现在一下子都排成一个队了，这就是激光。今天咱们用的光盘，用的就是这个原理。

 

但是这第二波，当它用到社会的时候，个体是盲目的，没有目标的，整个是一个无序的状态，每一个个体都是在那做布朗运动。所以这样呢，在第二阶段的时候，在70年代前后的时候，在全世界的学术界就兴起了一波热潮。就是用热力学的方法，不是用大机器的思路去认识复杂性。但是这一阶段呢，也出了一些对社会现象的分析的，同样也是失败的。就在这种情况下，咱们回到咱们刚才讲的CAS理论。它对于复杂性的认识，是用个体的适应行为，它这时候的个体，就不再是盲目的“进城的民工”了，而是一个有适应性的主体，它的适应性最后造成整个系统的复杂性。

 

从这样一个历史中大家可以看到，霍兰在整个发展过程中他的位置。后来呢，他又写了一本书《涌现》，在1997年。他在这本书里头，就进一步地分析了涌现这个现象，这也是个很有意思的词，叫emergence。实际上，西蒙对于这个复杂系统，他就提出了一个非常有意思的，非常深刻的认识。他说凡是复杂系统都具有Quasi decomposable hierarchy，翻译的话叫做准可分解的层次结构。这里有几个要害，第一是层次，第二是准可分解，不是完全可以分解，如果完全可以分解就是还原论了。换句话说在每一个层次上，它都有新的质，新的现象，新的主体的产生。比如中国，经济发展过程中出现一种平台，叫阿里巴巴，它是企业吗？它的行为能完全用原有的企业理论解释吗？答案是否定的。方福康老师曾经指导过一个博士生，那个论文是方美琪老师给他看的。他就讲人体里头，从基因到整个人体七个层次，基因到细胞，细胞到组织，组织到器官，器官到系统一直到整个人，每一层有每一层自己的规律。并不是说，一个人的行为最后都分解到基因的行为，不是的。有好多刺激并不需要到大脑，这个皮肤自己就会反应了，这是方福康老师指导的博士论文说的。西蒙高度地总结了这个概念。

 

每当跨一个层次的时候，新的现象，新的规律，新的主体是怎么产生的？这就在霍兰的第二本书《涌现》里专门讲了。这本书的最后，他归纳了涌现的八个基本特征，第一条，凡是涌现现象都是在不断生成自己的系统中才会有的。都是在generating system里头，就是要不断地生成自己。如果一个系统没有这个不断地生成自己这件事，它不会有涌现现象。涌现现象是成分不断改变的稳定的宏观模式。这句话咱们仔细琢磨一下，成分不断改变，但是又是稳定的宏观模式。我记得讲这个概念的时候，有一次李政道在国内演说的时候举了一个例子。举了一个什么例子呢？他说你坐船，你看船走的时候，船头那有一个波，这个波在物理学上叫做孤立波，或者叫做驻波。李政道举的例子说，在河入海口那，看见它由于冲击形成了这么一个波，这个波就从这一直走走走好远才消失，就这么一个水柱一样的东西，就像咱们看喷泉似的那样的。在这个过程中，你想中间的这个水分子是在变吧，但是整个这个波的形状是稳定的吧。他说凡是涌现现象都是这样，都具有的共同特点，就是成分不断改变的稳定模式。通过这两本书，霍兰就把他原来的遗传算法这样一个思想，扩展成为对复杂系统的一个理论的一种提升。