介科學：探索介尺度共性原理

葉艷玲摘編

當我們研究科學、工程和社會中的復雜系統時，一般總是先了解其宏（系統）尺度行為，然后再逐步深入其微（單元）尺度的機制，并逐步試圖建立這兩者之間的關聯。然而，直接建立這種關聯是十分困難的，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尺度之間的介尺度上可能存在一個普適的主導原理，即：不同控制機制在競爭中的協調。為此，提出了介科學這一跨學科的概念。

為進一步闡述介科學的內涵和前景，中國科學院過程工程研究所聯合英國牛津大學，對介科學產生的背景、面臨的挑戰和機遇進行了深刻而簡要的介紹，近期以“Mesoscience： Exploring the common principle at mesoscales”為題發表于《國家科學評論》（National Science Review， 2017，https：//doi.org/10.1093/nsr/nwx083）。

文章指出，復雜世界呈現多層次的特征，每一層次是多尺度的，而復雜性往往出現在每一層次的介尺度上。這種復雜性來源于共存的兩種（或多種）主導機制之間的競爭與協調。隨給定條件的變化，不同機制的相對主導作用隨之發生變化，以兩種主導機制為例，可以依次出現三個區域：A機制主導、A機制與B機制協調、B機制主導。復雜性就出現在A機制與B機制相互協調（共存）的區域，稱為介區域。就是說，當操作條件處于兩個極端區域之間的介區域時，共存的不同主導機制之間的競爭與協調往往在介尺度上導致復雜性。因而，將闡釋這種復雜性的科學稱為介科學，兼具介尺度和介區域的內涵。揭示主導機制及其協調關系時還要特別注意介尺度問題的層次性特征。將多個層次的介尺度問題混雜在一起是容易誤入的歧途，此時難以找出介尺度結構的穩定性條件。

介科學的概念產生于對化學工程中若干復雜系統的研究。首先是氣-固流態化系統，隨后是湍管流，近幾年又在多相催化、蛋白質折疊等實例中得到進一步證實。然而，作者強調，由于介尺度問題的復雜性和多樣性，介科學的普適性仍需進一步驗證。通過對各類復雜系統中不同介尺度問題的研究，從具體問題中歸納共同規律，尋找進一步的實證，是進一步發展介科學的有效途徑。作者列舉了幾個近期值得探索的實例。此外，作者認為，解決目前已經認識到的一些共性科學問題也同樣重要。就是說，可以采用具體實證研究與共性問題探討齊頭并進、相互比對、互相促進的發展策略。

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