周光召：理论物理、粒子物理学家 1929年5月生于湖南长沙。1951年毕业于清华大学，1954年北京大学研究生毕业。1980年当选为中国科学院学部委员(院士)。先后当选为美国等12个国家和地区的科学院外籍院士。中国科学院研究员。曾任中国科学技术协会主席，中国科学院理论物理研究所所长、中国科学院副院长、院长、学部主席团执行主席，全国人大常委会副委员长等。
主要从事高能物理、核武器理论等方面的研究并取得突出成就。在中国第一颗原子弹、第一颗氢弹和战略核武器的研究设计方面做了大量重要工作，为中国物理学研究、国防科技和科学事业的发展作出了突出贡献。严格证明了CP破坏的一个重要定理，最先提出粒子螺旋度的相对论性，并于1960年简明地推导出赝矢量流部分守恒定理(PCAC)，成为国际公认的PCAC的奠基者之一。 1982年获国家自然科学奖一等奖。1989年、2000年先后获国家自然科学奖二等奖。1994年获求是基金杰出科学家奖。1999年被国家授予“两弹一星”功勋奖章。
1.引 言
1.1 21世纪科学技术发展趋势
20世纪以来的相对论、量子论和遗传基因的双螺旋结构这三大发现，开辟了人类认识自然的新纪元，奠定了化学、分子生物学、核物理和凝聚态物理学、天体物理学、电子学和光子学的理论基础，并形成了宇宙大爆炸模型、地球板块模型、基本粒子夸克模型、地球圈层共生演化的生态模型等不同层次自然系统的科学图像。
20世纪在技术上的伟大成就，如卫星、微电子芯片、计算机、激光器、隧道扫描显微镜、因特网、转基因、克隆动物和干细胞等关键技术的发明、改进和普及，使人类可以操纵基因和单个原子，创造全新结构和功能的物质，组装单个细胞大小的智能机械，为21世纪人类文明的新跃升奠定了技术基础。正在形成之中的新技术体系推进着新的产业革命和社会变革，一个新的文明形态正初露端倪。
我们正处在科学技术成为第一生产力、科学思想成为重要的精神力量以及高技术产业在世界范围兴起的时代。在新的世纪，网络将把个人、组织、地域、国家和世界连成一体；机械的智能化、生物化和人性化将使人体和机械实现融合；地球的持续发展要求人与自然、人与人的关系由物竟天择向天人合一，协同进化转化。
在新世纪，信息广泛和快速的传输，促使市场全球化，社会各部分都处于非线性的强相互作用之中，处于快速变革和发展之中。一方面智能产品的构成包含多种技术的综合，内部构造和制造过程越来越复杂，另一方面，社会充满多种矛盾，各种势力此起彼伏，呈现错综复杂的局面。复杂性和不稳定已成为普遍的日常现象。21世纪科学技术将继承以往的传统，又具有鲜明的特色。21世纪科学最主要的特点将是研究复杂性，调控复杂系统。以下几方面显示出的复杂性很清楚地说明了这一点。
1.1.1 产品的复杂性
20世纪及以前，科学主流所研究的对象是具有确定运动规律，能够预测未来行为及其行为在随机因素作用下产生的偏差几率的，处于平衡、稳定状态附近的系统。这种系统尽管有时其结构也相当复杂（如大规模集成电路），但它的行为在一定范围内仍是可以预测和控制的。随着技术的发展，一个产品常常是多种技术的综合，数码相机就包含了光学、机械、微电子芯片、软件等等技术部件复杂的组合，是一种行为可控的复杂系统。这种复杂技术组合的产品带来新的消费需求，对经济的发展相当重要，现在还在继续往前发展。
1.1.2 生物复杂性
人类细胞染色体上的基因双螺旋长链DNA的密码字母高达 30亿个，结构十分复杂，其排序虽已经完成，对少数基因的功能及其表达和调控的机制也有初步认识，但对大部分基因的作用尚不清楚。DNA上除了蛋白质基因的信息，还有大量未知的密码序列，其作用有待进一步澄清。
人类基因组含有的蛋白质基因约3万～ 4万个，和老鼠基因的数量差不多。但通过 RNA转录和翻译，人类可以产生 10万种以上的蛋白质，数量和品质都高于其它哺乳动物。
人体有两百多种不同的细胞，都由一个受精卵发育而成，它们具有相同的基因，但是不同的细胞表达的蛋白质则是不同的。人类的复杂性更多体现在蛋白质的表达顺序、结构和功能上。研究蛋白质结构和功能的蛋白质组学是当前研究的重点。
生物体从受精卵开始发育、成长、衰老、死亡的过程是一个复杂系统演化的过程，是多基因协同调控的产物。单独抽出单个基因或单个蛋白质，研究其功能一般还不能阐明活细胞的工作机制，需要将一组相关的DNA、RNA和蛋白质通过多种相互作用，在不同调控途径、代谢途径上形成的网络单元进行整合，分析不同途径间的耦联，形成整体跨层的相互作用模型，进行模拟，找出规律，才能说明活着的细胞或器官的工作机制，这是新兴的引入复杂性研究的系统生物学的任务。
1.1.3 网络的复杂性
人的智力是大自然进化的最高产物。人的大脑有一千亿个神经元，彼此之间形成一千万亿个的联接点，组成复杂的神经网络。神经元联结的样式相当部分是由后27天的学习和记忆过程决定的。正是神经网络的复杂性造就了人区别于其它动物的高度发达的智力。今天，唯物论者和大多数神经生物学家相信人的意识、智慧是由神经网络确定的，但并不清楚它的机制，即意识和智慧是如何产生的，这一问题具有非常重要的意义和应用前景，将是21世纪最重要的研究方向。
当前因特网已建立上亿个网站，几亿人每天在网上冲浪，获取信息，进行交易，建立组织，实施管理，网络已经成为社会生活的神经系统。要在这样复杂的网络上保证安全;从海量存储中快速获取所需信息，进行分析和处理，将信息上升为知识和决策；实现实时反馈调控，保持系统整体有序、局部协同，是信息科技下一步发展的重点。
大脑每个神经元激发的速率为毫秒级，远慢于现在芯片中晶体管激发的速率，但人识别图像的能力仍优于当前的个人电脑。模仿人脑进行并行处理的方式是电脑发展的方向。
由电脑和传感器共同组成的虚拟现实技术，以网络数据并行、分布处理为基础的信息栅格计算（grid computing）将逐步发展成熟和普及，和智能处理相结合，能实现多种资源共享，多维信息传输，不同网络协同，多个网点合作，针对多种需求，面向多个用户，将成为重要的发展方向，为数字地球、数字城市、数字图书馆、电子商务、电子政务、远程教育、远程医疗、灾害预警、科学研究、军事作战等提供有力的应用平台。
信息技术发展的这些新方向，都要解决其中出现的复杂性问题。网络复杂性的研究也必然成为21世纪研究的重点。
1.1.4 社会面临的复杂形势和问题
科技快速而不平衡的发展和信息技术的普及，促进社会信息化和经济全球化，加强个人、企业、地区和国家之间长距离的非线性相互作用。
市场竞争空前激烈，企业业绩涨落幅度加大，市场不稳定度增加。高速度和不平衡已成为现代社会发展的常规。财富的正反馈效应使得富者越富，穷者越穷，南北差距、地区差距和贫富差距进一步扩大。
频繁突发的金融、经济甚至政治的危机说明陷入无序的混沌状态的可能性增加，如新经济热潮中股市泡沫的破灭，阿根廷从金融到政治的全面危机等。当前出现的许多现象使人们感到世界正处于混沌状态的边缘，既提供突显新的有序结构的机遇，又有陷入危机的混沌状态的可能。
在变动频繁、快速演化的环境中，挑战和机遇是并存的，为在观念、体制、人才、发展战略、基础设施、研发创新和应对措施做好准备的企业和国家，带来新的发展希望。同时，对那些没有做好准备的企业和国家，严峻的挑战，就会迅速发展成为危机。个别的突发事件，在某些条件下就会引发政治、经济和社会格局的重大变化。
以上的一切说明，从市场产品、生命科学、网络应用到社会现象，复杂性都成为21世纪科学技术面临的需要解决的问题，要求开展对复杂系统和复杂现象的研究，各国都给与了高度重视。因此，复杂性的研究将成为21世纪科技的主要特色。
1.2 探索复杂性：混沌和分形
从20世纪 70年代末开始的关于混沌现象和分形理论的研究，通过对一些现象的数值模拟，使人们认识到，在非线性相互作用下的开放系统，在特定条件下可能发生其行为不可预测的混沌现象或突变现象。
在混沌出现的区域，系统对外界环境的偶然因素非常敏感，可以说是差之毫厘，谬以千里，系统长期的运动状态，成为不可预测的一定程度上无序的状态。同时也发现，在混沌区的附近，有可能突然形成（突显）具有自相似时空结构的有序状态（分形），出现了由无序向有序的转变。
随后发现，混沌和分形是很普遍的现象，在生物界、经济和社会生活中到处都可以观察到混沌和分形的出现。这种状态又常常在某些开放系统处于快速演化和结构调整的过程中，在矛盾激化的对立斗争中发生。
对于复杂系统，随着系统开放度的增加和系统内各部分之间非线性相互作用的增强，系统较易出现无序的混沌状态（常常表现为危机）或突显新的有序结构（分形）。了解有关的规律将有助于进行管理和调控，因此对复杂性，特别是对处于非稳定和非平衡状态，进行快速演化和不断调整的复杂系统的研究就成为本世纪科学研究的一个重点。
美国科学家Pagels说，不惧复杂性和勇于面对矛盾而无需简单性和确定性的能力，是一个探索者的品质 (The capacity to tolerate complexity and welcome contradiction, not the need for simplicity and certainty is the attribute of an explorer)。
对非稳定和非平衡复杂系统的研究刚刚开始不久，还没有成熟的理论，缺少定量分析的工具，但在对一些现象的数值模拟时，已形成了许多定性的概念。简单和复杂、局部和整体、必然性和偶然性、有序和无序、稳定和发展、量变和突变、竞争和协同、适应和淘汰，遗传（继承）和进化（发展）这些相互矛盾概念的对立和统一在复杂性的研究中都得到了进一步的发展，辩证法已成为研究的有力工具。
下面，我们对处于非稳定和非平衡状态的复杂系统作简单的介绍。由于理论尚不成熟，不同学者的看法也不尽相同，阐述只能是初步的。
2.关于系统的基本概念
2.1 系统、子系统和系统层次
"系统"一词在古希腊时代就有组合、整体和有序的含义，在物理科学中太阳系指的是以引力相互作用维系的太阳和九大行星组成的天体系统，在生物学中消化系统、呼吸系统和神经系统等名称描述的是联合执行同种功能之器官的组织学结构。
一个系统内部通常都是结构分明的子系统，它本身又可能是一个更大系统的子系统。
肉眼看不见的分子系统也是结构复杂的系统。分子是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的，原子核是由质子和中子组成的，质子和中子是由夸克组成的等。
肉眼看不清的宇观世界是结构层次分明的天体系统，像太阳系、银河系。太阳系内的地球本身又是一个大的系统。
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