[论文解读] Universal Science of Complexity: Consistent Understanding of Ecological, Living and Intelligent System Dynamics

Andrei P. Kirilyuk|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2007

Complex Systems and Dynamics参考文献 14被引用 7

一句话总结

本文提出了一套通用框架，通过引入多体相互作用的因果完备理论，以理解复杂系统——生态、生物及智能系统。该框架推导出复杂性的一种普遍对称性，将量子、相对论和混沌行为统一为动态复杂性的表现形式，为经典物理学之外的真实系统动力学提供了严格且数学精确的描述。

ABSTRACT

A major challenge of interdisciplinary description of complex system behaviour is whether real systems of higher complexity levels can be understood with at least the same degree of objective, "scientific" rigour and universality as "simple" systems of classical, Newtonian science paradigm. The problem is reduced to that of arbitrary, many-body interaction (unsolved in standard theory). Here we review its causally complete solution, the ensuing concept of complexity and applications. The discovered key properties of dynamic multivaluedness and entanglement give rise to a qualitatively new kind of mathematical structure providing the exact version of real system behaviour. The extended mathematics of complexity contains the truly universal definition of dynamic complexity, randomness (chaoticity), classification of all possible dynamic regimes, and the unifying principle of any system dynamics and evolution, the universal symmetry of complexity. Every real system has a non-zero (and actually high) value of unreduced dynamic complexity determining, in particular, "mysterious" behaviour of quantum systems and relativistic effects causally explained now as unified manifestations of complex interaction dynamics. The observed differences between various systems are due to different regimes and levels of their unreduced dynamic complexity. We outline applications of universal concept of dynamic complexity emphasising cases of "truly complex" systems from higher complexity levels (ecological and living systems, brain operation, intelligence and consciousness, autonomic information and communication systems) and show that the urgently needed progress in social and intellectual structure of civilisation inevitably involves qualitative transition to unreduced complexity understanding (we call it "revolution of complexity").

研究动机与目标

• 在生态、生物和认知领域建立一个一致且科学严谨的复杂系统理解体系。
• 解决长期以来在因果完备且数学精确的前提下描述多体相互作用的难题。
• 将看似不同的现象——量子效应、相对论、混沌——统一于基于复杂性的单一动态框架之下。
• 为所有真实系统提供一个普遍适用且客观可测的动态复杂性定义。
• 倡导一场科学与社会层面的范式转变——‘复杂性革命’，超越经典牛顿模型。

提出的方法

• 推导出物理系统中任意多体相互作用这一未解难题的因果完备解。
• 引入‘未约化的动态复杂性’作为所有真实系统的基本非零属性。
• 基于多值性和纠缠关系，构建一种新的数学结构，以精确描述真实系统的行为。
• 确立复杂性的普遍对称性作为支配所有动态模式和演化路径的统一原理。
• 应用该框架对所有可能的动态模式进行分类，并客观定义随机性（混沌性）。
• 利用该框架因果性地解释量子与相对论效应为复杂相互作用动力学的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 生态、生命和智能领域的复杂系统能否以与经典牛顿系统相同的科学严谨性进行描述？
• RQ2 真实多体复杂系统行为背后的 fundamental 数学结构是什么？
• RQ3 如何将量子力学与相对论统一为更深层次动态复杂性的表现？
• RQ4 如何定义一种普遍适用且客观可测的动态复杂性？
• RQ5 该框架对未来科学与文明的演进具有何种影响？

主要发现

• 所有真实系统均具有非零且通常较高的未约化动态复杂性，这是其行为的基础。
• 量子现象与相对论效应被因果性地解释为复杂相互作用动力学的统一表现。
• 该框架提供了真正普遍的动态复杂性、随机性（混沌性）定义，以及所有动态模式的分类。
• 复杂性的普遍对称性作为支配所有系统动力学与演化的根本原则浮现出来。
• 该理论通过基于多值性和纠缠关系的新结构，实现了对真实系统行为的精确数学描述。
• 该模型表明，社会与智性系统的进步需要实现对未约化复杂性的质性理解转变。