陈晓松 | 面向未来 科学发展

2023年，是陈晓松教授担任北京师范大学系统科学学院院长的第四个年头。

早在上任之初，陈晓松曾提出4个关键词——氛围、体系、土壤和机制，希望能围绕于此，形成“以生命系统、神经系统、教育系统、地球系统为主要方向，进一步夯实非平衡统计物理基础”的相关举措，扎扎实实地推进学科建设。“我们是系统科学学院，所以潜意识中希望包括学科建设在内的所有工作也是系统的、科学的。”陈晓松说。

▲陈晓松

转眼间3年多过去，陈晓松最欣慰的是，他的工作得到了同事们的支持和认可，一切都在有条不紊地推进。而在2023年，他还将带领同事们和同学们迎来北京师范大学系统科学学院成立10周年的大日子。站在这个历史性节点上，他由衷地希望能够和学院一起，共同肩负承上启下的重任，力争把系统科学的学术进步转化为推动社会经济发展的重要力量。

居安思危，集中力量办大事

在北京师范大学（以下简称“北师大”）这样一所建校120余载的学府中，成立于2013年的系统科学学院着实年轻。然而，系统科学学科在北师大这方沃土上生根却远不止这10年。

早自20世纪70年代末，以理论物理学家方福康、数学家严士健、物理化学家刘若庄等前辈创建的量子力学研究小组为开端，“系统科学”已在北师大初见端倪。1979年，非平衡系统研究所创立；1985年，系统理论专业正式组建。“这是当时中国仅有的两个系统理论专业之一，北师大也从此开始有目的地投入力量开展系统科学学科建设。”陈晓松介绍说。

诚如其言，在系统科学领域，北师大一边探索一边迈出了稳健的步伐。到20世纪90年代末，他们已经在全国率先形成从本科到博士后流动站的完整人才培养体系。2000年，北师大系统科学取得了一级学科博士学位授予权；第二年，其系统理论专业被评为系统科学学科中全国唯一的国家重点学科。可以说，在一代代学科带头人的努力下，历经岁月的打磨，北师大系统科学学科已逐渐成长为一颗“明珠”，散发着独特的光彩。2013年系统科学学院成立之前，这一学科已经在教育部组织的3次学科评估中展示出实力，“一次全国第一，两次全国第二”。2017年，北师大入选国家“世界一流大学”建设A类名单，系统科学学科也入选了“世界一流学科”建设名单。

“然而，2016年的学科评估结果公示后，还是给了我们一个不小的警示，我们的学科排名是第四，等级为B-，这让我们清醒地意识到：我们在进步，别人也在进步，而我们进步的速度没有别人快。”2020年1月，陈晓松在学生党建工作会议上如此说道。此时，他接任北师大系统科学学院院长还不到3个月。

作为中国较早开展系统科学研究的单位，北师大的优势十分明显。他们具有深厚的统计物理学基础，足以支撑复杂系统理论创新，并以探究复杂系统一般、普适性规律为目标，发展复杂系统基础理论；此外，他们在认知与教育、地球系统、社会治理等方面具有良好的研究基础，也建立了完整的系统科学人才培养体系。正因如此，陈晓松认为居安思危、敲响警钟是必要的，但不能盲目追求所谓的“热点”。在对国内外复杂性研究机构进行了充分调研后，陈晓松发现他们的确各具特色，但也存在不足，比如：系统工程研究多、系统科学研究少；缺乏完备、普适的理论体系，理论研究概念化、浅表化、碎片化等。

“以美国圣塔菲研究所为例，他们吸引了很多国际一流的学者，不断地在引领研究潮流，但尚缺乏深入凝练的研究主题。”陈晓松觉得这其实是一种遗憾。如果北师大系统科学学院想要可持续发展，他更倾向于在把握学院特色的基础上，进一步凝练学科方向。具体来说，就是夯实复杂系统基本理论；研究地球系统复杂性，研究地球系统内的自然生命与人类社会的运行规律；探索认知与教育系统复杂性，建设“认知与教育复杂性”研究集群。

在陈晓松看来，这是一种“集中力量办大事”的举措。他希望能够打破学科壁垒，创造适应复杂系统多学科交叉研究的平台和环境，创新资源配置、考核方式、资源保障方式，集中优势研究力量给予稳定支持。

“2021年诺贝尔物理学奖授予了3位科学家，以表彰他们‘对我们理解复杂物理系统的开创性贡献’。”陈晓松认为，这标志着人类对世界的探索，已从还原论为主导，逐步过渡到与复杂性研究并重的新阶段，“是一个好的时机”。“在这之后其实出现了一股关于复杂系统研究的热潮，但如何交叉是个问题，所以我们一定要凝练方向。”

“现在有很多重大科学问题，单个人其实很难做出真正有影响和深入的贡献。我们凝练方向，一方面是促成现有科研人员跨专业、跨学科、跨院系合作，实实在在地把问题做深、做透；另一方面也是希望能基于学校、学院的传承和优势，将科学研究与国家的战略需求和人类的科学发展相结合，去解决国民经济和国防建设中重大的系统性复杂问题。”陈晓松和系统科学学院的风格与宗旨就是“务实，不务虚”。

“21世纪是复杂性科学的世纪”

正如北师大系统科学学院拥有深厚的统计物理学基础，陈晓松这位新任掌门同样也是从物理开始的。

“我在华中师范大学攻读硕士学位时，师从刘连寿先生，是他引领我走进了理论物理学的大门。”陈晓松说。刘连寿先生主要从事理论物理和高能物理研究，陈晓松早年曾在相关领域打下了良好的基础。早在1987年，由刘连寿先生推荐，陈晓松前往德国柏林自由大学攻读博士学位，研究方向为“液体物理和统计物理”。旅德13年，从求学到工作，从柏林自由大学到亚琛工业大学，他最大的收获就是将“科学的发展要服务实际需求，理论研究要和物理实践相结合”刻进了科研理念中。在这一时期，他始终都在关注国内相关领域的发展，并在母校华中师范大学担任教职。2000年，在中国科学院“百人计划”的支持下，陈晓松正式回国，任中国科学院理论物理研究所（以下简称“理论物理所”）研究员。几年后，一项新的工作令他开始涉足复杂系统。

这里又要提到美国圣塔菲研究所了。圣塔菲研究所在科研之外，还设立基金开展了一系列教育项目，面向全球普及复杂系统的核心思想。其中，持续时间最长的就是从1988年开始运转的复杂系统暑期学校。2004年起，圣塔菲研究所与理论物理所联合在北京开设暑期学校，每期录取50～60名学员。陈晓松被任命为中方校长。“理论物理所和圣塔菲研究所先后合作办了5届暑期学校，我们邀请国际知名的学者来介绍他们的工作，激发学生们对复杂系统的兴趣。”

对陈晓松而言，复杂系统的确为他打开了新世界的大门。“有一位美国考古学家叫亨利·怀特，他把考古结果反馈到对当年城市的结构规模等相关问题的研究中；香港中文大学王士元教授也讲道：语言学的演化并非一个独立的体系，需要借助考古学、遗传学等多个学科。而这些都涉及复杂系统。”陈晓松还提到圣塔菲研究所原所长杰弗里·韦斯特的例子，“他早年做过高能物理研究，后来开始探讨生物学中普遍尺度定律的起源，从分子基因组的尺度扩大到线粒体和细胞，再到整个生物体和生态系统。在他看来，不论蚂蚁还是大象，不论生态系统还是城市、社会网络等，都可以通过规模法则这一‘尺度’变得可量化、可预测、清晰明了且极度统一。”

由此，陈晓松对复杂系统产生了极大兴趣。复杂性科学兴起于20世纪80年代，是一门新兴的交叉性、综合性学科，也是当代科学发展的前沿领域之一。此前，人类对世界的探索还是以“还原论”为主，其核心思想和理念就是将研究对象还原成多个组成部分及个体。相比复杂系统，还原论要古老得多，其思想可追溯到古希腊时期，曾推动了牛顿力学的形成。到20世纪，以原子结构的研究以及微观粒子的探索为标志，还原论指导下的科学研究更是达到了一个顶峰，建立了量子力学、粒子物理的标准模型等物理学基本理论。

但与此同时，还原论的局限也越来越明显。1972年，美国物理学家菲利普·安德森（1977年诺贝尔物理学奖获得者）在《科学》杂志发表文章称：将万事万物还原成简单的基本规律，并不意味着从这些规律出发能够重建宇宙，也不能依据少数个体的性质简单外推出多个体复杂系统的行为。菲利普·安德森认为：“复杂系统在不同层次会呈现全新的性质，研究和理解此类涌现行为，就其基础性而言，与其他研究相比毫不逊色。”在中国，钱学森先生也曾在20世纪80年代指出：“系统学的建立，实际上是一次科学革命，它的重要性绝不亚于相对论或量子力学。”

“通俗地说，大家发现，就算将组成部分研究得再透彻，也不一定能把整体弄明白。这不是简单的‘1+1=2’。”陈晓松补充道。随着社会的发展，“复杂系统普遍存在于自然界和人类社会”已经成为共识。学界认为：只有当具有不同背景的科学家利用互补技术合作解决共同的问题时，才能解决科学中一些最重要的问题。此时，复杂系统科学的发展，不仅能够带来自然科学的变革，弥补人类对自己所处宏观尺度科学规律认识的不足，而且可以渗透到社会复杂系统及社会科学的研究中。英国理论物理学家霍金更是断言，“21世纪是复杂性科学的世纪”。

作为一个行动派，陈晓松决定要投身系统科学。“理论物理所学风开放，使我能够接触到理论物理各领域及相关学科，与彭桓武、周光召、郝柏林等老一辈科学家们的接触，也使我受益良多。”陈晓松表示，理论物理所的良好学术环境使他向复杂系统研究的过渡非常顺利。之后的十几年中，他在复杂系统的统计物理、相变与临界现象、气候系统的统计物理等方向上积累了丰富的经验。他本人也从2007年起担任理论物理所副所长，正当一条光明的事业之路在脚下铺开时，他却有了新的考量。

▲陈晓松团队合影

“在理论物理所18年，受身边环境和前辈科学家的影响，我体会到了要存平常心、做平常人、干平常事。”权衡之下，陈晓松更倾向于脱离管理岗，专心钻研复杂系统科学。而在这个领域，北师大系统科学学院是一个不错的选择。“我想到大学去，安静地做些事。”陈晓松说。

乘东风，布局系统科学

2023年1月5日，国际期刊《自然·气候变化》刊登的一篇论文，提出了基于气候网络的全新研究范式，并指出，作为地球气候系统的临界要素之一，亚马孙雨林与其他的临界要素之间具有“遥相关”特性。同期的评论文章中称：“这是复杂网络理论首次应用于研究地球系统临界点问题，这两个研究领域的交叉为剖析全球气候动力学提供了重要的见解。这项工作为全球范围分析临界要素开辟了一个全新领域。”4天后，《科技日报》头版也对相关工作进行了专门报道。而这篇论文的通讯作者就是陈晓松。

“它甚至能影响到青藏高原”，陈晓松说，“这意味着，我国青藏高原可能是一个处于激活状态的全新气候临界要素。”

此前，《自然》曾发文指出，地球气候系统中的九大临界要素已经接近或处于临界点状态。所谓气候临界点，指的是全球或区域气候从一种稳定状态到另外一种稳定状态的关键门槛。一旦临界点被突破，则会引起地球气候系统状态不可逆转的改变。研究这些临界点及临界点之间可能的连锁反应，是一个关键科学问题。为此，北师大系统科学学院陈晓松教授、樊京芳教授团队，国家安全与应急管理学院杨赛霓教授联合多国学者开展了相关研究。

“我们发现亚马孙雨林和青藏高原之间的各种极端气候在气候变化下是同步的。”陈晓松指出，这一结论得到了大量气候模式数据的验证，他们还以此揭示出其遥相关的传播路径在气候变化下也是稳健的。“亚马孙雨林号称‘地球之肺’，青藏高原被誉为‘亚洲水塔’，它们之间存在稳定的遥相关，也为我国研究和实现‘双碳’目标提供了新的视角。”陈晓松强调。

▲北师大系统科学学院组织活动合影

实际上，相变与临界现象不只存在于物理系统和气候系统，它们还广泛发生在从自然界到社会的各种复杂系统中。“平衡系统微观态的分布是已知的，而复杂系统一般处于非平衡态，其微观态分布以及序参量一般来说都是未知的，这就给研究复杂系统的相变与临界现象及其动态演化提出了挑战。”2019年，陈晓松团队在《中国科学：物理学 力学 天文学》杂志上发表了《复杂系统的本征微观态理论》。

本征微观态方法开辟了研究复杂系统相变与临界现象的新路径，提供了一个新的理论框架，统一地处理平衡态与非平衡态复杂系统的相变与临界现象。在此基础上，他们又在国家自然科学基金重点项目的支持下，开展了“本征微观态的重整化群理论”研究，相关论文2022年发表在《中国物理快报》上。“临界现象重整化群理论是美国物理学家肯尼斯·威尔逊于1971年提出的，他也因此获得1982年诺贝尔物理学奖。这一理论被广泛应用到研究哈密尔顿量已知系统的临界现象，但如今复杂系统的相变与临界现象往往难以给出哈密尔顿量的具体形式。”陈晓松团队的研究则突破了这一瓶颈，可以统一地处理广泛的平衡和非平衡复杂系统临界现象。

“从物理系统到生物、地球系统，跨越很大。”但陈晓松对此很有信心。近年，他还在主持数理学部重点项目“复杂系统相变临界现象”研究。陈晓松谈到人类社会与地球系统其实是高度耦合、相互影响的，他希望能够寻求到地球系统相变与全球社会系统相变之间存在的联系。“对于我们提及的创新方法，同行还是认可的。”他说。

作为北师大系统科学学院院长，陈晓松在谈“跨越”时再次强调了跨学科和跨学院协作。为此，他鼓励学院研究者们与来自数学科学学院、统计学院、人工智能学院、脑认知与学习国家重点实验室的学者展开深度合作，并契合相关发展方向引进人才。“现在学院团队已经有30多位学者，大家对于学院凝练学科方向、摒除同质化竞争的发展也有了共识。”

陈晓松尤其看重年轻科技人才的成长与发展。“比如樊京芳教授，他曾在理论物理所读博，现在已经在复杂系统相变与临界现象、极端气候的预测及影响等方面取得了一系列有国际影响力的成果。”陈晓松举例道。这几年，他还从北师大全球变化与地球系统科学研究院、北京邮电大学、中国工程物理研究院等找到了数位潜力股。“这些年轻人都很有想法，学院也会为他们营造创新环境，希望他们能尽快成长起来，使我们在系统科学发展方向上的布局真正铺开。”

言谈中，陈晓松流露出自信的神色。他相信，北师大系统科学学院虽然面临着挑战，但也身处大机遇之中。2020年，十九届五中全会将“坚持系统观念”列为“十四五”时期经济社会发展必须遵循的重要原则。到2022年，党的二十大报告不仅提出了“系统集成”“系统完善”“系统治理”“系统保护”“系统性变革”等概念，而且将“坚持系统观念”作为习近平新时代中国特色社会主义思想的世界观和方法论的核心要义之一，强调要不断增强“系统思维”。

对系统科学来说，这无疑是一股东风。陈晓松和他的同行者们，正期待着能在北师大这方沃土上，坚持系统观念，乘“东风”之力，挂云帆济沧海，为系统科学学院创造下一个明媚的10年。

责编 | 张方方