第三节 相关理论及方法

一、社会物理学理论

1．社会物理学简介

第二次世界大战以来，社会物理学的思维方式、基本定理与基本方法被逐渐用于解决社会现实问题以及经济管理问题。中国在改革开放后，在协调理论、可持续发展理论、社会预警理论与区域开发理论、创新理论等诸多理论和实践发展中，应用社会物理学的思想、原理和方法，有效地在自然科学与社会科学的融合中[29]，探索出了解决经济社会问题新的路径选择。

社会物理学是指应用自然科学的思路、概念、原理和方法，经过有效拓展、合理融汇和理性修正，用来揭示、模拟、移植、解释和寻求社会行为规律和经济运行规律的充分交叉性学科[30]。

法国社会学家奥古斯特·孔德最早使用“社会物理学”这一术语，建立了研究社会科学的设想，之后社会物理学获得了较大发展，并取得了一系列理论成果[30]。

20世纪40年代，薛定谔出版了《生命是什么》[31]的一书，把熵与生命现象联系起来，引发了热烈讨论，开辟了社会物理学的先河。1947年，哈佛大学物理学教授基夫在其著作《人类最小努力原则》中提出了从自然科学的角度认识人类社会的基础原则和核心要点，从而初步奠定了社会物理学的学术地位。其后，经过几十年发展，社会物理学获得了较为丰富的研究成果，如西门的《国家生存理论》[32]、威尔森的《城市最大熵理论》[33]、阿伯勒的《空间搜寻和决策理论》[34]、哈根斯特朗的《信息传导理论》[35]和由牛文元撰写的《社会燃烧理论》[30]等专著的出版，并且这些理论在多个领域已获得了广泛的应用。

社会物理学的实质建立在以下逻辑基础上：①承认无论自然系统还是人文系统，都无一例外地随时随处都呈现出“差异”的绝对性；②只要存在各种“差异”或“差异集合”，必然产生广义的“梯度”；③只要存在广义的“梯度”，必然产生广义的“力”；④只要存在广义的“力”，就必然产生广义的“流”；⑤社会物理学着重探索广义“流”的存在形式、演化方向、行进速率、表现强度、相互关系、响应程度、反馈特征及其敏感性、稳定性，从而刻画“自然—社会—经济”复杂巨系统的时空行为和运行轨迹，寻求其内在机制和调控要点，在信息技术的支持下，有效地服务于政治、经济、社会等重大问题的决策与管理[30]。

2．社会物理学的应用领域

目前，社会物理学主要应用于四个领域，包括社会安全、社会计算、社会空间与社会舆论等。①社会安全。马永欢等[36]借鉴社会物理学中的社会燃烧理论，从粮食生产能力、流通秩序、需求水平与保障能力四个方面构建了粮食安全预警指标体系，建立了粮食安全度预警模型，对我国省域的粮食安全状态进行了评价和分析。宁淼等[37]采用拉格朗日原则描述个体行为与社会整体状态之间的关系，基于势能机制和动能机制提出了和谐社会机理模型，指出和谐社会的建构可以描述不断重复的从失稳到稳定、从稳定到有序、从有序到和谐的过程。②社会计算。王飞跃[38]以哲学和社会物理学为基础，研究了社会计算的范式转变，指出社会计算存在两个思想流派，一是以信息技术为中心，认为社会计算是社会软件；二是以社会科学为中心，与新兴网络科学密切相关。认为新范式包括人工社会建模、计算实验分析与平行执行控制和管理三个阶段。③社会空间。Ball[39]研究城市空间的自组织问题，指出理解城市自组织过程和产生的结果，考虑能否以及如何对这一过程进行控制和引导具有重要意义。该问题涉及了城市形态、行人利用开放和密闭空间的方式，以及拥挤的城市交通等方面。李倩倩[40]以我国50个城市为样本，以城市空间形状的紧凑度和城市位置的几何集中性为依据，对我国的城市空间进行了分析。计算结果表明，西部城市比东部城市紧凑，内陆城市比沿海城市紧凑；不到1/3的城市属于极度居中或基本居中，其他的属于偏离型和极度偏离型。④社会舆论。近年来，舆论动力学的研究逐渐成为国内外社会物理学研究的热点问题。刘怡君[41]以社会物理学为基础，从社会燃烧理论、社会激波理论和社会行为熵理论出发，探索研究了社会舆论的形成机理和本质，仿真了社会舆论演化的过程和规律。Stauffer[42]利用Bonabeau模型描述层级性问题，并借鉴Sznajd模型动态模拟了群体意见共识的形成过程。Galam[43]学者针对一个法国式的骗局——“9·11”事件没有发生的谣言，根据少数舆论传播模型给出了科学的定量解释。

二、突变理论

1．突变理论的形成

在自然界和社会活动中，存在着突变和跳跃现象，如水的沸腾、桥梁的坍塌、地震的发生、生物的变异、情绪的突变、战争的爆发、经济危机的产生等。传统理论很难对此作出有效的解释，而突变理论在此背景下应运而生，突变理论是研究自然界和人类社会中连续的渐变如何引起突变或飞跃，并力求采用统一的数学模型描述、预测并控制这些突变或飞跃的一门新兴学科[44]。突变理论主要运用拓扑学、奇点理论和结构稳定性等数学方法研究自然界各种形态、结构不连续和突然质变的问题，逐步形成了研究不连续现象，特别适用于描述作用力或动力的渐变导致状态突变现象的突变理论。突变理论最早可以追溯到Morse引理，之后，Whitney提出的“生物学中的拓扑模型”以及《稳定性结构与形态发生学》构成了突变论研究的理论基础。其中，20世纪70年代，法国数学家托姆（Thom）出版的《结构稳定性和形态发生学》一书，明确论述了突变理论，成为突变理论的标志性著作[45]。托姆（Thom）[46]对突变论的开创性发展受到了学术界的极大关注，大量学者围绕突变论进行了理论与应用研究，其中较为典型的有Zeeman与Amold等人，前者发表了“突变理论”[47]，丰富了突变论的理论基础，后者则进一步完善了突变理论，并将突变理论从理论研究拓展到了应用研究。

2．突变理论的应用

自突变论创立以来，已引起了多个学科的关注和研究，不仅有物理、化学、光学、工程技术等硬科学领域，也有社会、医学、生态等软科学领域，并已取得了较为丰硕的成果。其中，硬科学应用领域[48]如表2.1所示。

软科学应用领域[42]如表2.2所示。

三、可拓理论

1．可拓理论的形成

可拓学是由我国学者蔡文教授于1983年提出的一门原创性横断学科，它以形式化的模型，探讨事物拓展的可能性，以及开拓创新的规律与方法，并用于解决矛盾问题[49]。随着可拓学理论的不断发展和完善，一批学者投入到可拓学的理论与应用研究之中，全国可拓学学者成立了中国人工智能学会可拓工程专业委员会，由科学出版社陆续出版了《可拓学》丛书。可拓学的影响从空间上已由大陆延伸到中国香港、中国台湾、日本、英国、美国等国家和地区，从学科应用上已发展到多个领域的应用研究，如可拓设计、可拓信息、可拓控制、可拓检测等。随着可拓学的不断发展，可拓学在经济社会发展中发挥着日益重要的作用。

经过数十载不断努力和探索，可拓学已基本形成了较为完善的理论体系，初步形成了其核心理论框架，即基元理论、可拓集理论与可拓逻辑[49]。①建立了基元理论。建立了物元、事元与关系元（统称基元）等作为可拓学的逻辑细胞，基元概念把事物的质与量、动作和关系融合于一个三元组中，形式化描述物、事与关系；研究了拓展分析理论、共轭分析理论与可拓变换理论。②建立了可拓集与关联函数。康托集和模糊集主要用于表达性质固定的事物，但是对于性质变化的事物则无能为力。为此，构成了可拓集提出的理论背景，可拓集融入了矛盾转化与变换的思想，以基元为基础把量与质综合考虑，为解决矛盾问题提供了集合论基础。同时，为了定量描述事物性质的变化，研究量变与质变的转化，可拓学提出了关联函数的概念及其计算公式，通过关联函数值描述事物具有某种性质的程度[50]。③建立了可拓逻辑。形式逻辑不考虑事物的内涵与外延，无法表达变换以及变换引起的其他物、事、关系的传导变换等。辩证逻辑虽然研究了事物的发展变化，分析了量变和质变、事物的内涵与外延，但由于其不能进行计算和计算机操作，其应用具有很大的局限性。而可拓逻辑综合了形式化逻辑和辩证逻辑研究事物的优点和长处，形成了以解决矛盾问题的变换和推理为核心的可拓逻辑[44]。

2．可拓理论的应用研究领域

自可拓理论创立以来，与若干领域交叉融合，产生了可拓工程。这些领域包括信息科学、工程科学、管理科学以及其他学科等。①信息科学领域。可拓学以基元表示信息，构建了信息与知识的形式化模型，借助于可拓变换与可拓推理的原理和方法，从而产生解决矛盾问题的策略[49]。广东工业大学和国防科技大学等高校的可拓学研究者探讨了“信息—知识—策略的形式化体系”的可拓模型和生成策略的变换，研究了可拓策略生成方法与挖掘变换的可拓数据挖掘方法的基本概念与思想。目前，国内许多大学的可拓学研究者正在积极研究可拓方法的计算实现技术，以实现可拓策略生成的智能化和可视化。②工程科学领域。控制与检测领域也存在许多矛盾问题，比如控制中准确性、稳定性等[49]。此外，机器在运行过程中出现各种各样的问题，能否设计安装处理矛盾问题的智能处理系统，也是一个重要的课题。为了解决控制系统的不可控与需要控制之间的矛盾，华东理工大学王行愚[51]教授首先提出了可拓控制的概念与架构。此后，台湾和大陆学者不断探索可拓控制应用问题。如曾韬[52]根据工程研究及发明创新过程中存在的矛盾问题，借鉴可拓学理论提出了矛盾描述与分析方法，给出了矛盾度及其函数，以及转化函数等概念化形式，并建立了工程矛盾模型。浙江工业大学的赵燕伟[53]教授对产品配置设计领域进行了深入研究，建立了概念设计模型与初步的应用方法。哈尔滨工业大学王科奇、邹广天[54]将可拓学、建筑学与计算机科学结合在一起进行交叉研究，提出可拓建筑设计创新和创新元的概念。③管理科学领域。可拓理论在管理科学领域的应用，初步形成了管理科学理论与方法，主要包括可拓营销、可拓决策、可拓策划等。自21世纪初以来，广东工业大学、浙江大学、南京财经大学等承担了多项关于管理可拓方面的国家自然科学基金项目，研究了管理科学中解决矛盾问题的方法，发表与出版了一系列包括可拓营销、可拓设计、可拓决策、关键策略等初步理论成果，探讨了管理科学可拓工程的基本概念与思想。