介科學(xué)：探索介尺度共性原理

葉艷玲摘編

當(dāng)我們研究科學(xué)、工程和社會中的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，一般總是先了解其宏（系統(tǒng)）尺度行為，然后再逐步深入其微（單元）尺度的機(jī)制，并逐步試圖建立這兩者之間的關(guān)聯(lián)。然而，直接建立這種關(guān)聯(lián)是十分困難的，原因似乎是在這兩者之間缺少了什么共同的原理。研究逐步表明，在介于單元尺度和系統(tǒng)尺度之間的介尺度上可能存在一個(gè)普適的主導(dǎo)原理，即：不同控制機(jī)制在競爭中的協(xié)調(diào)。為此，提出了介科學(xué)這一跨學(xué)科的概念。

為進(jìn)一步闡述介科學(xué)的內(nèi)涵和前景，中國科學(xué)院過程工程研究所聯(lián)合英國牛津大學(xué)，對介科學(xué)產(chǎn)生的背景、面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了深刻而簡要的介紹，近期以“Mesoscience： Exploring the common principle at mesoscales”為題發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review， 2017，https：//doi.org/10.1093/nsr/nwx083）。

文章指出，復(fù)雜世界呈現(xiàn)多層次的特征，每一層次是多尺度的，而復(fù)雜性往往出現(xiàn)在每一層次的介尺度上。這種復(fù)雜性來源于共存的兩種（或多種）主導(dǎo)機(jī)制之間的競爭與協(xié)調(diào)。隨給定條件的變化，不同機(jī)制的相對主導(dǎo)作用隨之發(fā)生變化，以兩種主導(dǎo)機(jī)制為例，可以依次出現(xiàn)三個(gè)區(qū)域：A機(jī)制主導(dǎo)、A機(jī)制與B機(jī)制協(xié)調(diào)、B機(jī)制主導(dǎo)。復(fù)雜性就出現(xiàn)在A機(jī)制與B機(jī)制相互協(xié)調(diào)（共存）的區(qū)域，稱為介區(qū)域。就是說，當(dāng)操作條件處于兩個(gè)極端區(qū)域之間的介區(qū)域時(shí)，共存的不同主導(dǎo)機(jī)制之間的競爭與協(xié)調(diào)往往在介尺度上導(dǎo)致復(fù)雜性。因而，將闡釋這種復(fù)雜性的科學(xué)稱為介科學(xué)，兼具介尺度和介區(qū)域的內(nèi)涵。揭示主導(dǎo)機(jī)制及其協(xié)調(diào)關(guān)系時(shí)還要特別注意介尺度問題的層次性特征。將多個(gè)層次的介尺度問題混雜在一起是容易誤入的歧途，此時(shí)難以找出介尺度結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性條件。

介科學(xué)的概念產(chǎn)生于對化學(xué)工程中若干復(fù)雜系統(tǒng)的研究。首先是氣-固流態(tài)化系統(tǒng)，隨后是湍管流，近幾年又在多相催化、蛋白質(zhì)折疊等實(shí)例中得到進(jìn)一步證實(shí)。然而，作者強(qiáng)調(diào)，由于介尺度問題的復(fù)雜性和多樣性，介科學(xué)的普適性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。通過對各類復(fù)雜系統(tǒng)中不同介尺度問題的研究，從具體問題中歸納共同規(guī)律，尋找進(jìn)一步的實(shí)證，是進(jìn)一步發(fā)展介科學(xué)的有效途徑。作者列舉了幾個(gè)近期值得探索的實(shí)例。此外，作者認(rèn)為，解決目前已經(jīng)認(rèn)識到的一些共性科學(xué)問題也同樣重要。就是說，可以采用具體實(shí)證研究與共性問題探討齊頭并進(jìn)、相互比對、互相促進(jìn)的發(fā)展策略。

作者最后指出，介科學(xué)目前還處于萌芽階段，其發(fā)展前景完全取決于各學(xué)科交叉和合作的深度。當(dāng)然，反過來，介科學(xué)的發(fā)展也將極大地提升不同學(xué)科解決復(fù)雜問題的能力。endprint