整合科學：跨學科融合的新學科，引領科學發展新潮流
更新時間：2024-06-20 17:36:27作者：佚名
楊英瑞
■ 本報見習記者王志康
進入21世紀，隨著生命科學與數學、物理學、化學、信息等數量科學的廣泛深入融合，“第三次生命科學革命”正在展開，而傳統學科的碎片化、知識結構相對單一以及相應的人才培養模式已無法適應這一新需求。
于是，一門新的學科誕生了，以北京大學2014年開設的“綜合科學實驗班”為標志整合科學，這門學科就是綜合科學。
那么，綜合科學到底是什么？它的發展和研究規律是什么？它對我國科學發展有何意義？就此，記者采訪了美國倫斯勒理工學院終身教授楊英瑞。
社會科學與理論物理學相遇
中國科學報：什么是綜合科學？
楊英瑞：簡單來說，綜合科學就是把不同的學科，以一種結構上完善的方式綜合起來，最后應用同一個數學模型，具體來說，它比較復雜。
我的研究領域涉及高階認知、經濟學以及理論物理標準模型和規范場論，它們融合的成果是經濟力學和心理力學。需要強調的是，經濟力學雖然是經濟學、認知科學和理論物理的融合，但有層次上的差異。經濟學和認知科學的融合是本質的，是做社會科學的。進一步與粒子物理標準模型融合，不是做物理，而是用概念化和模型化程度更高的理論作為邏輯，引領社會科學的模型化發展。
中國科學報：您認為綜合科學研究的基本原則是什么？
楊英瑞：我認為綜合科學研究需要遵循兩個基本原則，即正交原則和對角線定律。
首先，只有同質學科才能進行綜合，這其實也是綜合科學和交叉學科的區別。比如物理學、經濟學、心理學都是可以進行綜合的，因為它們本質上都是實證科學。我們不談與數學、邏輯學的綜合，因為這些屬于分析科學。實證科學的理論是假設性的，需要科學觀察的支持，用統計學的語言來講。科學觀察是人為的，物理學觀察外部的物質世界，叫外向觀察；心理學觀察內心的精神世界，叫內向觀察；經濟學收集數據做實證研究的時候，是對已經發生的歷史的向后觀察；當它要做邊際分析，觀察未來的經濟，就叫向前觀察，這就引出了科學觀察的方向性這個概念。
將不同的經驗科學觀察瑣碎化并將它們視為相互正交的處理被稱為科學觀察的正交性原則，這是整合不同經驗科學的起點。
此外，由于科學實驗方法總是有極限的，物理學中引入了科學觀察的干涉度概念。通過將不同學科科學觀察的正交框架劃分為高干涉度區域（第一象限）和低干涉度區域（第三象限），我們會發現，物理學中的量子力學、心理學中利用語言任務進行推理等高階認知、經濟學中的前向觀察均處于高干涉度區域，而牛頓力學、傳統心理物理學、經濟學中的后向觀察均處于低干涉度區域。這被稱為科學觀察的對角線規則，其意義在于兩個不同干涉度區域應該用不同的數學來表征，而同一干涉度區域內的不同科學觀察可以用相同的數學來表征。
經濟力學與規范場論
中國科學報：當代理論物理離不開規范場論。研究結果表明，在規范場論的指導下，經濟力學與粒子物理標準模型有了天然契合，其表現形式包括市場動力學的量子電動力學模型、政策動力學的弱力模型、亞經濟動力學的量子色動力學模型等。那么，我們能否在牛頓力學的框架內進行市場動力學分析呢？
楊英瑞：當然。從馬歇爾開始，微觀經濟學的敘述就圍繞著三個概念：價格、供給、需求。供給曲線和需求曲線相交于價格調整的一個均衡點，這個均衡點叫市場出清。雖然市場出清只是理論上的理想均衡點，但它給市場參與者一個常識：賣家不能要價過高，買家不能討價還價。
同時，由于經濟理性，人有低買高賣的天性。但是，在買賣雙方競價時，雙方都需要做腦力功，這個功叫勢能；在雙方開始討價還價以達成交易時，雙方仍然需要做腦力功，這個功叫動能。動能加上勢能叫哈密頓量，動能減去勢能叫拉格朗日量。簡單來說，動態分析就是研究這兩個量。
中國科學報：您能簡單概括一下市場動力學的規范場理論嗎？
楊英瑞：有幾個關鍵步驟。規范場論是量子場論的內容，是狹義相對論和量子力學的整合。狹義相對論的基礎是光速不變原理，給出了一個不變量。所以第一步是要證明貨幣在市場上具有偽光性質。另外，對于給定的價格，市場參與者的內在心理價格是不同的，表現為相位差。內在心理價格越高，消費的沖動就越低，成反比。
第二步，將市場量化。經濟力學把社會經濟看作是人類文明最大規模的實驗。相應地，每一個市場參與者都是一個積極的觀察者。人們在市場上相互觀察，以獲取信息優勢，從而獲利；由于經濟理性，每一個市場參與者都想成為最后的觀察者。顯然，觀察的順序不同，結果也就不同。這就是市場觀察的非交換關系，也是市場量化的意義所在。因此整合科學，雙方相互的觀察都變成了不確定的量，一個比較準確，另一個就比較不準確。這就叫市場版的不確定性原理，又叫量子版的看不見的手。
第三步，區分市場整體變化與市場參與者個體差異，在各個層面引入規范勢和規范場強。在市場參與者個體層面，個體預算就是規范勢，他們的實際消費就是規范場強。要由規范勢計算規范場強，只需要在整體市場層面進行第一類規范變換，就能建立全局對稱性，因為整體市場變化的相位差是一個常數，與個體參與者無關。在市場參與者層面，規范勢從一個個體預算狀態到另一個個體預算狀態的變化是一個函數，計算個體消費場強時，需要引入規范場和協變導數的概念。與之對應的保角變換稱為第二類規范變換，這樣就能在市場參與者之間建立局部對稱性。
第四步，引入市場電荷及其自旋的概念。市場電荷反映了買方或賣方的市場意圖，對價格完全敏感。潛在消費者在買與不買之間的反復猶豫，反映了市場電荷的一個內在屬性，稱為自旋。運動中的市場電荷會產生市場流，市場流會自動產生認知場。認知場具有極化功能，有助于市場參與者進行決策。這樣，將市場電荷視為電荷，將認知場視為磁場，遵循量子電動力學的邏輯，就可以構建出完美的“量子市場動力學”。注意，兩者都是單電荷動力學系統，共享相同的數學U（1）對稱群。
最后，需要指出市場動態規范場理論的現實意義。規范場理論反映了現實市場的一個深刻道理：一個可持續的市場必須是一個公平的市場，即必須保持所有市場參與者的局部對稱性。要做到這一點，市場必須保留某些屬性，比如經濟理性人對所有市場參與者來說都是不可企及的，看不見的手對每個市場參與者來說都是不可穿透的。
教育意義和引領作用
中國科學報：綜合科學作為一門新興學科，對我國教育和科學發展有何意義？
楊英瑞：前面說過，只有同質學科才能融合。比如我在北大元培學院教融合科學，來上課的學生來自不同的同質學科。要教好這門課，教育者必須做到兩個自足，即概念自足和工具自足。這就要求教育者既要同時具備不同學科的知識背景，又要“適量”地掌握不同學科知識在這門課中的應用。這是一個長期積累和探索的過程。
在21世紀的科學發展中，綜合科學將發揮主導作用。
中國科學報：您說的引領作用具體表現在哪些方面？
楊英瑞：20世紀社會科學特別是經濟學、心理學的建模方法，大部分是在牛頓力學的框架下發展起來的，至今仍然具有強大的威力。但為了描述經濟生活中難以直接觀察的心理過程和認知努力，提高模型的預測水平，必須突破牛頓力學的傳統，與處于建模前沿的粒子物理標準模型相融合。因此，綜合科學的第一個方面，是本世紀對整個科學發展的引領作用。
第二是文理結合。眾所周知，理科的模型化程度高于文科。20世紀初，許多社會科學家都是文理兼通，他們從牛頓力學中借用了很多模型方法，甚至一些基本概念，比如經濟學中的均衡概念、邊際分析技術等。
二是社會科學不同學科之間的融合，如推動認知科學、心理學與經濟學、政治學與社會科學的融合，這既是社會科學發展的趨勢，也是高等教育發展的需要。
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