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黄欣荣:复杂性研究的虚拟方法
录入: 哲学网编辑部 发表时间: 2013-06-04 点击: 1248 次 我要收藏

在科学活动中,我们很少对研究对象进行完全直接的研究,相反,我们往往用某种替代物或过程来替代原来的对象,这也就是我们的科学实验。在实验中,我们采用“模拟”的方法来探索研究对象的现象与规律。实验作为实践的一种形式,在科学研究中起着探索和检验知识的作用。在计算机出现以前,实验有两种形式:实物实验和思想实验,一般所指的科学实验是实物实验。计算机出现之后,虚拟实验和虚拟方法就成为一种新的实验形式和研究方法。[1]
一、模拟、计算机与虚拟方法
“模拟”一词在拉丁语中是“伪造”、“模仿”的意思。[2]141所谓“模”就是以某种东西来做模型,而“拟”的意思是拟合、仿照,因此,从广义上来说,模拟就是用一种实物或过程来模仿另一种实物或过程。在计算机出现以前,所谓模拟都是实物性的模拟,也就是用某种实物来模拟另一种实物。例如,我们可以建立一个风洞实验室来模拟飞机在天空中的实际飞行,让飞行中可能出现的各种问题尽量在风洞实验室中出现,并提出其解决的方案。在不断变化的科学世界中,新工具常常导致重大的发现,从而戏剧性地改变我们的认识。由于计算机特别是电子数字计算机的出现,实验的手段和方式也发生了重大改变。
用数字电子计算机来模拟真实的对象,都是要把对象信息转化成计算机能够处理的数字信息。从计算机存储器中的位和字节出发,研究人员正在崇尚真实世界的一种硅替身——精致的“人工世界”,这使他们可以完成在“肉体形式”下不太现实、代价过高,或者在某些情况下过于危险的实验。从新药品的仿真测试到行星和星系的创生模型,以及计算机化培养皿中生长的数字生命形式,这些未来的实验室是一种有争议的新科学方法的重要工具。这种新方法不是基于直接的观察与实验,而是基于从真实空间向虚拟空间的映射。在这里,诞生了科学研究的一种新方法——模拟方法。由于计算机模拟的数字虚拟特征,我们也一般把模拟方法称之为“虚拟方法”。这里所说的虚拟方法又称计算机模拟或系统仿真,是指在计算机上对实际系统(包括设计中的系统)的数学模型进行模拟实验,从而达到研究一个已存在的或设计中的系统的目的。虚拟和仿真经常联系在一起,不过它们虽然有一定的联系,但仿真强调的是用计算机对真实世界的模仿,而虚拟则强调利用计算机建构出现实世界中原来没有的东西。本文中我们不作详细的区分。
虚拟方法与计算机的发展是紧密联系的。20世纪40年代中期,电子模拟计算机的出现使得用数学方法模拟大量试验成为可能。J.冯.诺伊曼和S.M.乌拉姆在研究原子弹中,就利用计算机模拟中子在裂变物质中随机扩散的某些概率计算问题。这是最早出现的计算机模拟仿真。以后随着计算机又模拟机、数字机、混合机到全数字机的发展,计算机仿真也就经历了模拟仿真、数字仿真、混合仿真到全数字仿真。
美国圣菲研究所的霍兰对计算机模拟的本质进行了探讨,认为“模拟的本质是把要模拟过程的各部分与称作于例程(subroutines)的计算过程的各部分联系起来的一种映射。这个映射包括两部分:(1)把过程的状态与计算中的数字联系起来的一种固定的对应关系,(2)一组把动态过程与计算进程联系起来的定律”。[2]140把计算机视为模拟其他设备的设备,对于基于计算机的思想实验的概念,是十分关键的,因此把这种应用与计算方法区分开来非常重要。模拟的常规方法是把要模拟的过程分成若干部分,然后建立一个固定的对应关系,把每个部分的可能状态与一系列数字联系起来,就像数学模型那样。[2]142虚拟世界所映射的最为振奋人心的领域,是“复杂适应系统”的新疆域。这些系统(从环境生态系统到市场经济系统)涉及活的“主体”,它们以多种方式不断改变自身的行为,这些方式无法用科学的旧规则进行预测和测量。科学家们的探索代表了2l世纪科学发现的新视野,而模拟仿真世界正在绘制航向图。
二、虚拟方法与复杂性科学
17世纪前半叶,伽利略创建了受控实验的科学方法,这种方法是近代科学产生和发展的主要动力。它不仅产生了伽利略的运动学、牛顿的力学、拉瓦锡的氧化燃烧学说、法拉第的电磁理论等物理科学,而且产生了生理学、遗传学、分子生物学、心理学等生命科学。可以肯定,这种方法仍然是推动现代自然科学向前发展的不懈动力。然而,对复杂系统的研究如果沿用传统的方法往往是难于奏效的,我们根本无法用传统的方法对它进行受控实验。其中原因是多方面的,比如,遥远的星系中旋转着的巨大气体云,据认为,它们往往在引力的作用下收缩成高密度的集结物,并最终成为恒星的中心团块,其周围围绕着它旋转的较小团块最后变成伴随该恒星的行星系统。很显然,没有人能对这种说法能够用实际的实验来检验一下。又如,假设排放到大气中的二氧化碳的总量是当前的2倍,这将给从今往后的50年的全球平均温度带来什么样的影响?这是气候学家用来描述全球变暖问题的一个标准设想。对该问题的回答多种多样:从根本不产生影响,到温度升高摄氏5度,即产生所谓的温室效应。究竟那种说法正确,没有人可能对此进行真实的实验。因此,没有人知道真正的结果会是如何。然而,我们几乎每一个人对此都十分关心,因为大的温度升高会对从农业收成到南北极冰盖的继续存在等一切方面产生显著的影响。再如在很短的时间内上升500个基点,以检验关于货币和股票价格波动的某个新理论,可以肯定,任何一个国家的金融机构都不会同意。这种系统的运作对人们的日常生活太重要,任何人都不敢贸然作这类实验。还有一些情况,比如核反应堆,由于过于危险,或者代价过于昂贵,因此关于它的许多想法并不能直接用实验加以检验。
面对复杂系统,直接的受控实验不太现实,我们不得不采用虚拟方法。借助于计算机的虚拟方法克服了直接实验或受控实验的缺点,使得复杂系统的实验检验成为可能。难怪约翰.L.卡斯蒂对计算机的出现以及虚拟方法的采用给予了崇高的评价,认为今天我们借助于计算机这一新工具,科学家们正在掀起一场科学革命,其深远意义恰如当年伽利略的望远镜所引发的科学革命。[3]37
在《虚实世界》一书中,卡斯蒂带领我们走过一段浏览到许多不寻常硅化的微世界这一令人着迷的旅程,向我们展示它们如何被用来建立重要的新理论,如何解决一些实际问题。我们访问“Tierra”(一个“计算箱”),人工生命在其中形成生长和突变的生物形态,它揭示自然选择和进化的新观点。我们玩一场“均势”游戏,一个刻画地缘政治复杂力量的仿真程序。我们还“驱车”途经了“TRANSIMS”(新墨西哥州阿尔布开克市的一个模型),寻找交通阻塞和交通事故等事件的根源。可以说,复杂性科学与虚拟方法有十分密切的关系,复杂性科学的理论检验往往都借助于虚拟仿真的方法。虚拟仿真之于复杂性科学,就像观察和受控实验之于传统科学研究。
三、虚拟方法与复杂适应系统
复杂适应系统由于涉及多主体并与环境适应和进化,因此传统的还原论式的研究方法难于对它进行全面的描述,于是霍兰构造了用于描述CAS的4个特性(聚集、非线性、流、多样性)和3个机制(标识、内部模型、积木),并希望通过这7个构件寻找到支配CAS行为的一般原理,使我们能从简单的规律中,综合出复杂的CAS行为。复杂适应系统与大多数已被科学地研究过的系统不一样。在变化的背后,通过有条件的动作和预知,它们在没有中央指挥的情况下仍然呈现出协调性,并且还有杠杆支点,在支点处,一个微小的输入便会产生巨大的变化。霍兰为此构造了回声模型,认为是回声导致了涌现的出现。
霍兰的回声模型是基于其遗传算法的主体适应模型。用“资源”和“位置”两个概念来反映环境的影响,主体要有三个基本部分:(1)进攻标识;(2)防御标识;(3)资源库。主体的基本功能包括:主动与其他主体接触,同时叶对其他主体的接触进行应答,如果匹配成功则进行资源交换,在自己内部存储与加工资源,如果资源足够,则繁殖新的主体。最基本的回声模型是:整个系统包括若干个位置,每个位置中有若干个主体,主体之间进行交往,交流资源和信息。在此基础上,还要有交换条件、资源转换、粘着、选择交配、条件复制等机制。这样的回声模型就具备了描述和研究各种复杂系统的能力。但是,霍兰的回声模型如何得到检验呢?使用传统的观察和受控实验的方法,我们没有办法来检验,但计算机的虚拟仿真显示了它的独特优势。
为了检验回声模型的可行性,圣菲研究所开发了一个计算机的软件平台——SWARM。[6]在这个平台上,回声模型的大部分功能都得到了实现,也基本上验证了霍兰所构造的复杂适应系统的可行性和正确性。SWARM的模拟思想是建立一系列独立的个体,通过独立事件之间进行交互,考察和研究系统的行为和演化规律。SWARM模拟的基本单位是个体,一个个体就像系统中的一个演员,它能够产生动作并影响自身和其他个体。模拟包括几组交互作用的个体。例如,一个生态系统的模拟可以包括狼、兔子和胡萝卜。在一个经济学模拟中,个体则是公司、证券代理人、分红利者和中央银行。个体之间独立的、交互的模拟与连续的模拟不同。在连续系统模拟中,模拟现象往往是一组有关联的等式间的数量关系。
个体定义了SWARM系统中的基本对象,即模拟部件,时间表则定义这些对象之间的事件发生的流程。在SWARM中,特定的行为发生在特定的时间,行为的发展按照时间表的规定进行。时间表是一个数据结构,包含了各种事件的执行顺序。例如,在狼/兔子这个模拟系统中就可能有三种行为:“兔子吃萝卜”,“兔子躲避狼的追踪”和“狼吃兔子”。每种行为是一个独立的动作。在时间表中,对这三种行为按照以下顺序排序:“每天,兔子先吃胡萝卜,然后它们躲避狼的追踪,然后狼试图吃兔子。”模型将按照这种安排好的事件的执行顺序向前发展。
回声模型的大部分设想都已经在计算机中进行了虚拟仿真,由于其仿真过程更加复杂,在这里就不进行详述。这里我们说说霍兰与圣菲研究所的阿瑟(Brian Arthur)创建的一个真实的复杂适应系统的仿真案例——人工股市。[3]851987年,霍兰和阿瑟在一次谈话中萌发了创建一个人工股市的设想,以便用来回答金融领域困惑人们几十年的一系列问题。随后他们就开始了对人工股市的研究与实现。这一年的10月19日,星期一,是美国股市最惨痛的一天。纽约股市1天内令人震惊地下滑了22.6个百分点。为了防止在“黑色星期一”看到的这类恐慌,纽约股市的董事会制定了上限条款规则,即当道-琼斯平均指数从上一个收盘点上升或下滑查过某一点时,禁止某一类型的交易。在刚刚引入这些规则时,没有人知道它们是否会得到预期的结果,即能否使投资者暂停,反省他们的行为,而不是盲目地跳进一个混乱的股市并随波逐流。有很多投资者甚至担心,这些规则会加剧股市的混乱。这些担心是多余的吗?当时人们并不确切地知道结果会如何。对交易所董事们来说,增加上限条款只不过是成败参半的冒险。然而,借助于阿瑟等人所拥有的仿真程序,上述日子一去不复返了。我们可以利用我们计算机中的替身世界,进行可重复的受控科学实验,以检验这些规则的成败。
四、虚拟方法与人工生命
人工生命一方面以计算机为工具,力图在计算机或现实世界中创造出具有生命特征的人工实体;另一方面,它又从计算的视角理解生命,把生命的本质看作是一种特殊的算法。人工生命研究有两条径路,现实人工生命和虚拟人工生命。[8]现实人工生命研究主要采取硬件的方式在现实世界中创造展示生命特征的人工实体。采取这种径路来研究生命的难度比较大,实现不容易,在早期的机器人研究中失败的案例比较多。现在已经主要采取虚拟的人工生命研究径路。虚拟人工生命的研究径路主要采取软件的形式在计算机中创造人工生命实体,这条径路因为在虚拟的计算机世界中实现,成本低,实现人工生命设想的可行性更大,因此目前成了人工生命研究的主要形式。目前已经有了比较成功的模型,比如Tierra、“阿米巴世界”等。
人工生命研究试图把生命的本质从具体的生命形式中剥离出来,也就是发现目前以碳水化合物中的现实生命形式背后的规律,把构成生命的组成材料(即硬件)和构成生命的组织规律(即软件)分开,用计算机或其他技术重构生命的表现形式。这样,在计算机中探索、重构和演示由人工构造的生命形式就成了研究的重点。还在计算机发展的早期,冯诺伊曼、图灵等计算机的先驱者们试图用计算机来探索人类的智能活动和生命的奥秘,构造出著名的元胞自动机模型(CA)。后来,康韦、沃弗拉姆和兰顿等人对它做了进一步的发展。1970年剑桥大学的康韦编制了一个名为“生命”的游戏程序,该程序由几条简单的规则控制,这几条简单规则的组合就可以使元胞自动机产生无法预测的延伸、变形和停止等复杂的模式。这一意想不到的结果吸引了一大批计算机科学家研究“生命”程序的特点。1980年代,沃弗拉姆对元胞自动机做了全面的研究,把元胞自动机细分为四种类型,并探索了出现生命特征的元胞自动机的演化生长规律。随后,圣菲研究所的兰顿则更进一步,在计算机中玩起了生命游戏,发现了生命出现在确定和混沌之间的混沌边缘,对人工生命进行了全面的探讨,并由此掀起了在计算机中对人工生命进行虚拟仿真的热潮。
1987年,兰顿组织召开了首届“人工生命——生命系统合成与仿真”的国际研讨会,以期实现他多年梦想的在计算机中创建“以硅为基础的生命的设想。这次研讨会取得了巨大的成功。会场上展示了许多计算机仿真的人工生命系统,从蚂蚁王国的集体行为、蛋白质分子的自组织到生态系统的计算机演化等等,无所不包。其中最引人注目的是曾写作《自私的基因》而名扬天下的牛津大学著名生物学家道金斯(Richard Dawkins)演示的一个程序,它用反复对一个初始模拟生物形态使用若干简单的规则的方法居然在计算机上描绘出与真实生物界惊人相似的生命演化和灭绝的过程。另一个引人注目的实验是雷诺尔兹的鸟群模型,这个模型只用简单的几条规则就生动地在计算机中再现了鸟群的集群行为及其躲避障碍物的行为。自1987年之后,生命的合成和虚拟仿真的研究快速发展,取得了很多有价值的成就。
兰顿认为,计算机硬件经过适当的组织就可以获得生命和智能。他说:“人工生命研究的最终目标使在其他媒体,理想地使在虚拟的媒介中创造出‘生命’,其中生命的本质已经从他的特殊硬件的实现中抽取出来。我们将建造如此似生命的(计算机)模型,以至于它们不再是生命的模型,而变成了生命自己的实例。”[6]人工生命没有考虑现实的以碳为基础的生命的运作问题,而是一开始就从计算的视角来思考生命的本质问题。人工生命把生命的本质看作是一种形式,这种形式可以通过程序或算法表现出来。在人工生命看来,生命的本质实际上就是一种算法。这种算法的运作就表现出生命。人工生命的很多研究就是通过计算机编程的方法揭示生命的本质的。由此可以看出,在人工生命研究中,虚拟仿真方法具有重要的地位。可以说,人工生命研究主要就是应用虚拟仿真的方法。
五、虚拟方法的一般方法论意义
电子计算机的发明对科学技术的发展具有重要的意义,约翰.卡斯蒂把它比作17世纪的望远镜的发现和实验科学的兴起。计算机的发展使我们拥有了一种新的工具。通过它,我们可以构造复杂的真实世界的硅替身,在真实世界和数学世界之外,又出现了一个新的人工世界。卡斯蒂把它称为“计算世界”,[3]218而有更多的人则把它称为“虚拟世界”或“虚拟实在”。迈克尔.海姆把虚拟实在定义为“实际上而不是事实上为真的时间或实体”,并用七大特征来描述虚拟实在的本质:模拟性、交互作用、人工性、沉浸性、遥在、全身沉浸和网络通讯。[7]在这个虚拟的世界里,“我们不再被迫生活在假言性的阴暗世界中,或仅仅敲下实际系统的碎片,孤立地研究这些碎片,期望可以将这一大块片面的知识重新拼成对整体系统本身的理解”。相反,“借助于刚刚得到的可以在计算机中创建各种情形下世界的新能力,我们可以与真实的复杂系统展开大量的‘假定’推测型游戏,再不必将系统划分为简单的子系统,页不必因为实验耗费过大、过于不现实,或者过于危险而干脆放弃实验知识”。“我们现在拥有了一种必要的工具,可以用来建立复杂系统的理论,这些理论最终可以与牛顿及其继承者所发展的用来描述简单质点系统的力学过程的理论相媲美。”[3]38
虚拟方法除了在复杂性科学中占有重要的地位外,在其它科学研究中也越来越重要。林夏水研究员比较了实物实验、思想实验和计算机实验,证明计算机实验是一种独立的实验新形式。他认为,计算机实验的出现扩大了科学实验概念的内涵,把传统的科学实验概念(即实物实验)拓展到包括计算机实验在内的更广泛意义的科学实验。”[1]Eric Winsberg也认为,虚拟方法和虚拟世界是理论和实验之外的一种全新的科学活动,是第三种科学研究新形式,是科学研究的新方法。这种新方法除用于复杂系统的研究之外,在科学研究的许多领域,都有着广泛的应用。[8]
总之,计算机实验和虚拟方法的出现正在改变着人们的思维方式。人脑具有逻辑思维、形象思维和直觉思维的机能;电脑(即计算机)具有高速逻辑运算的功能,而且记忆量大,但不能进行灵感的、直觉的和形象的思维,不能理解知识。虚拟方法正是人利用自身的灵感、直觉和形象的思维能力,通过电脑对复杂数据信息进行可视化、操作和交互的一种全新方式。人们正是利用人脑和电脑各自的有点,才创造出实验数学、科学可视化、虚拟方法以及虚拟现实等新的科学研究方法。虚拟方法在科学研究中将占据着越来越重要的位置,并给科学研究带来新的飞跃,因此,虚拟方法应该纳入科学研究的一般方法论系列,是科学研究的一种全新的方法。
【参考文献】
[1] 林夏水.科学试验的新形式——计算机实验[J].哲学研究.1998,(8):17-24.
[2] 霍兰.隐秩序——适应性造就复杂性[M].周晓牧等译.上海科技教育出版社.2000.
[3] 卡斯蒂.虚实世界[M].王千详等译.上海科技教育出版社.1998.
[4] 许国志.系统科学[M].上海科技教育出版社.2000:270-271.
[5] 李建会.生命和计算:人工生命的生命观研究[D].北京大学博士论文.2002:48-72.
[6] C. G. Langton. Studying Artificial Life with Cellular Automata [J], Physica D, 1986, (10):120-149.
[7] 迈克尔.海姆.从界面到网络空间[M].金吾伦等译.上海科学技术教育出版社.2000:111.
[8] Eric Winsberg, Simulated Experiments: Methodology for a Virtual World, Philosophy of Science[J]. 70 (January 2003):105-125.

(原载《江南大学学报》2008年3期。转载自哲学中国)

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