混沌理論的學科應用

1混沌理論的起源與發展20世紀60年代，霍華德洛倫斯在《chaas》一書中提出了一個模糊理論。在看似隨機的事件中，有內部和外部規律，并使用數學模型對其進行定義。作為科學術語的“混沌”,指的是貌似隨機的事件背后存在著的內在聯系。“混沌”的原意是指無序和混亂的狀態。科學家給“混沌”下的定義是:“混沌是指發生在確定性系統中的貌似隨機的不規則運動,一個確定性理論描述的系統,其行為卻表現為不確定性、不可重復、不可預測”。混沌是非線性動力系統的固有特性,是非線性系統普遍存在的現象。在現實生活和實際工程技術問題中,混沌無處不在。混沌學的任務就是尋求種種混沌現象的規律,并加以處理和應用。混沌理論起源于研究人員對氣象學、電路、湍流等復雜物理系統的研究。事實上,混沌運動不僅是存在于自然界中的一種普遍運動形式,人文及社會諸多領域中的混沌現象同樣比比皆是,比如股票市場、人生經歷、教育過程等。20世紀70年代以來,混沌理論迅速發展并滲透到化學、生物學、生態學、力學、氣象學、經濟學和社會學等諸多領域,成為一門影響廣泛的新興學科。正是由于混沌理論極大地擴展了人們的視野,活躍了人們的思維,具有重要的科學價值,其已躋身成為20世紀科學界與相對論和量子論并列的三大理論成就之一。2混沌理論對城市規劃的意義混沌理論告訴我們世界是混亂的、隨機的,而且混亂就是系統本身所固有的,它的很多思想為我們帶來了許多啟迪,使我們從無序中尋找有序,從混沌中追求相對的整體性、協調美和“秩序的真諦”成為可能。確定性與隨機性歷來被科學和形而上學哲學視為完全對立的屬性,混沌理論卻證明兩者是相通的,或者說是矛盾的統一。現實世界中所有復雜而有適應能力的系統都存在于混沌的邊緣。城市是具備一定學習能力,具有自適應性和自組織性的復雜系統。混沌理論興起以后,很快影響到城市地理學領域。Dendrinos等人將混沌理論引入城市研究,提出城市就是混沌吸引子(ChaoticAttractor)的思想,為后續研究者精確地運用混沌理論研究城市和城市化過程奠定了基礎。混沌理論對于城市規劃師而言,既是令人興奮的,也是令人焦慮的。說它令人興奮,是因為混沌學說開啟了將復雜現象簡單化的可能性;說它令人焦慮,是因為混沌理論的引入是對傳統科學模型構建可信度的懷疑。但不管怎樣,混沌理論將數學、科學和技術相互融合,它的魅力源自于整合了有序與無序、確定性與不確定性等看似相互矛盾的關系,對城市規劃學而言具有深奧的啟示意義。而且,不斷出現在自然、社會和應用科學等領域的一些混沌思想對城市規劃產生的重要影響,將混沌理論引入城市規劃的嘗試具有很大的探索空間。就目前而言,混沌思想下的“分形”在城市研究中的應用比較常見。例如,沙里寧從樹木生長中受到了啟發,提出了著名的有機疏散理論;克里斯塔勒應用分形理論,提出不同級別的城市呈現出自相似的六邊形網絡;我國學者曾將分形理論應用于城鎮體系的規模結構和空間結構、空間相互作用、中心城市吸引力等研究領域。除“分形”以外,混沌理論體系內涵的其他科學屬性同樣值得城市規劃師思考與借鑒。本文從混沌理論的非確定性和不可預測性、有序與無序的辯證、簡單與多樣的辯證以及“蝴蝶效應”等方面介紹混沌理論可能對城市規劃領域產生的有益啟示。3混合理論在當前中國的城市規劃中的澄清3.1混沌理論:未來的預測1998年,比利時科學家普利高津在《確定性的終結》一書中首次明確提出了非確定性思想。非確定性思想認為,未來既是可以預測的,也是不可預測的。系統的短期行為可以預測,但由于系統的行為對初始條件具有敏感依賴性,因而其長期行為是不可預測的,如天氣系統。卡爾·波普指出:社會是一個不可預測的復雜系統,并深信科學預測在社會科學中不可能實現。城市規劃研究的對象是社會、經濟活動與環境所組成的城市空間系統及其演化過程,顯然具有不確定性的特質。因此,非確定性城市規劃思想是科學技術發展帶來的人類認識論、方法論變革影響下的必然結果。城市發展的種種不確定性和不確定因素客觀存在,需要規劃師直面不確定性,不斷吸納科學技術的最新成就,改造和完善非確定性城市規劃的思想和方法,從而最大可能地減小規劃與實際的裂隙。人們通常認為,掌握信息是控制事物不確定性的首要手段,信息量大,消除不確定性的程度就大,對事物的預測就會更加準確。然而,混沌理論告訴我們,混沌體系自身便是一個產生連續信息的信息源,獲取再多的信息對于預測未來也毫無意義。在城市規劃領域,規劃師掌握足夠的信息,建立足夠完備的模型,是否就可以比較準確地預測未來?根據混沌理論判斷,答案是否定的,因為長期的不可預測性是城市混沌系統所固有的。正如有城市學者指出,規劃師正面臨著越來越明顯的兩難困境:城市和超級城市似乎是不可規劃的。雖然有學者質疑城市的可規劃性,但更多城市研究者則不斷嘗試著尋找某種模型來擬合城市的發展。規劃師可能并不吃驚聽到城市預測有很大難度,但是他們肯定會驚訝聽到城市預測注定要失敗的論調。不管掌握多少數據,不管模型多么完備,不管經過多少檢驗,根據混沌理論,由于在無限世界中預測、觀察和計算的有限屬性,在某些情況下,準確預測是不可能實現的。在混沌狀態下,我們預測的所謂城市秩序不可避免地變為混亂,城市發展的事實很少像人們計劃的那樣進行,而依賴“完美”預言的規劃策略很可能將是不恰當的甚至是誤導的。城市的不確定性與不可預測性對于城市規劃師而言無疑令人沮喪,正如氣象學家做了幾十年的天氣預報,忽然被告知長期天氣預報是不可能的一樣。對于這個世界,蘇格拉底在兩千多年前就曾坦言:“我知道我不知道”。查爾斯·漢迪同樣認為,只有一句預言能站得住腳,那就是“沒有一句預言能站得住腳”。當然,并不是生活中的所有事物都是混沌狀態的。某些城市規劃師必須處理的事情是非常規范和可以預測的,如道路規劃、建筑構建和公共服務等。但是許多城市規劃師處理的現象,如人口增長、運輸流量和產業規模等,則可能完全是混沌狀態的。而對于混沌狀態的事物,除非是迫在眉睫的未來,否則是不能夠準確預測的。混沌理論揭示出,不僅是在我們如何觀察世界,還是真實世界如何運作方面,都存在一種固有的“不確定性原則”。混沌不是混亂或隨機,混沌即是秩序,但是這種秩序是不可見的。混沌理論為城市規劃師提供了一種模棱兩可的信息:一方面,混沌理論揭示人類行為比我們想象的要復雜得多,復雜到我們不可能對我們規劃的事物形成一個完整的理解;另一方面,混沌理論同樣揭示出就算是高度復雜的行為也能在簡單的模型中得到解釋。作為城市規劃師,當認識到城市的混沌屬性時不必絕望,因為混沌理論同樣具有一種樂觀的信息。Cartwright將“混沌”定義為“不可預測的秩序”(OrderWithoutPredictability)。雖然預測混沌狀態的行為也許是不可能的,但是理解導致混沌的內在秩序可能比我們想象的簡單。換言之,高度復雜和不可預測的行為,可以是十分簡單和容易理解的規則的產物。簡單模型應用于復雜問題,往往比復雜模型更有效,這是一個相當積極與重要的想法。我們有理由相信,事物的存在和運動是可預見和捕捉的,而且這種可預知性是有規律的,區域經濟、城市形態等均如此。因此在某種意義上,混沌理論可能是將這個世界變得更容易理解而不是更難理解。城市規劃師從此可以名正言順地依靠相對簡單的模型來擬合非常復雜的系統,只是要做好在模型不再適用的時候將其放棄的準備。Lee認為:復雜的模型即使不是毫無用處,也不可能非常完美地與現實結合,所以在任何時候都不該被使用。接受城市系統的非確定性與不可預測性,將促使我們正確認識到當城市規劃涉及到廣闊的地域范圍或長時間跨度時,由于反饋和參數的過于龐雜,我們很難得出正確的判斷并由此制定規劃策略。因此,城市規劃應該是漸進的、彈性的。漸進式城市規劃是通過在未來的不確定性中界定現實的有限目標,提供階段性方案,為解決當前的實際問題發揮積極作用。但顯然,將目光完全放在“當前”會使規劃的作用變得消極和被動,所以彈性的城市規劃同時強調城市規劃是一種動態過程,而不是終極發展目標。3.2城市功能分區與空間混亂無序、以混亂順序為著眼點的城市空間秩序觀混沌學描述了一個無限復雜的宇宙,其中萬事萬物皆相互關聯、相互影響。混沌狀態可理解為“有序中存在無序,無序中蘊含有序”。有序和無序在混沌運動中總是無法分割地聯系在一起。有序和無序相互作用、嵌套、纏繞,動態地演化發展,形成了各種形態的奇怪吸引子,創造出混沌景象。在經典科學里,有序才是科學的概念,是事物空間排列上的規整性和時間延續中的周期性,無序則被認為是空間上的偶然堆砌和時間中的隨機變化。長久以來,人們追求有序的社會與城市,抗拒無序與混沌,并且沉迷于征服和規范我們周圍的世界,城市規劃師更是如此。1933年的《雅典憲章》提出城市的居住、工作、游憩和交通四大功能,在規劃方法上強調功能分區與用途純化,極力改變傳統城市功能與空間混亂無序的狀態。柯布西耶的“巴黎重建計劃”、第二次世界大戰以后西方國家的大規模城市更新運動等也都是這種思想的典型反映。然而,西方國家城市規劃建設過程中的一些失敗經驗表明:人們企圖使城市變得有序、規則、可控的努力卻最終給城市帶來巨大破壞,并導致一系列城市社會問題的出現,遭到眾多城市學者的批判。簡·雅各布斯堅決反對粗暴簡化的規劃方式,強調城市的復雜性本質,以及城市作為混沌系統所具有的內在隨機性。城市的內在隨機性表現在城市形態上是“混亂”和“無序”的,但是這種“無序”往往是假象,混沌之中隱藏著更深層次的城市組織運行規則。城市規劃應該做的是接納和發展這種城市自然形成的“混亂”與“無序”,因為這是城市深層次秩序自然產生的外部形態。粗暴地摒棄與破壞城市本質意義上的“無序”,并代之以簡單的、獨立的“有序”的城市功能區劃,將使城市喪失其應有的活力與多樣性。國內規劃界同樣盛行追求明確的城市功能分區與井然有序的空間秩序的現代規劃思想,如在城市中規劃建設大量功能單一的封閉式居住區等。從混沌科學的角度看,城市社會是一個包含著社會經濟因素之間錯綜復雜的相互依存關系、充滿活力的復雜系統。城市規劃須充分認識城市的這種復雜性,并繼續探索適應這種復雜性的新規劃設計理論。混沌思想表明,我們與其抗拒城市的非確定性,不如接受非確定性提供的諸多可能性。盡管人類憎惡混沌,并盡可能避免混沌,但是大自然卻在大量地應用混沌,我們應該效法自然。所以城市學者和城市規劃師要改變思維方式,挖掘和利用混沌對于個人和城市的重要現實意義,而不是簡單地去試圖扼殺它。3.3確保系統的多樣性美國建筑學家亞歷山大研究了世界各地的城鎮和村莊后,發現其間充斥著分形和自組織混沌,一個健康、和諧運轉的社區或城市的建設并不依賴于一個總體規劃,而是由個人從日常生活的自然模式中展開他們的空間與建筑。如果一個城鎮或建筑具有這種難以言傳的特質,它就成為自然的一部分,如同海浪或草的葉子,有無盡的重復和變化控制著,在造化中創生。正如一個健康的生態環境包括廣泛多樣的物種,彼此交互作用,如果我們削減系統多樣性,使系統更均勻同質,那么系統將變得脆弱,因缺乏彈性而易于崩潰。簡·雅各布斯堅信多樣性才是大城市的天性。亞歷山大同樣認為,如果我們按照樹形結構規劃城市,城市將把我們的生活切割成碎片。城市的本質不是功能區塊的拼合,被功能分區“簡化”到極致的城市在本質上不能稱為城市。被“簡化”的城市即亞歷山大所提到的具有樹形結構的城市,樹形結構因具有容易理解與掌握、高效率、最少冗余路徑、更加有序以及減少發生混沌的概率的優點而受到城市管理者與規劃師的青睞。但樹形結構缺乏彈性、僵硬死板的缺陷同樣是顯而易見的,樹形結構將城市“簡化”,而“簡化”并不一定是理想的。對于混沌系統而言,兩點之間的最短路徑不一定是一條直線。換言之,即使當我們滿足于可望實現的既定目標,最好的到達那里的方法并不總是最直接的那條路。一個有益的啟示是,在城市規劃中,“少即是多”原則并不完全適用于城市混沌系統,保持城市的混沌狀態與多樣性,或許才是我們應該追求的理想城市狀態。3.4從“強調長期行為對初始條件的敏感依賴”看人的美學色彩1963年,著名的氣象學家洛倫茲在數值計算的基礎上提出了“蝴蝶效應”,認為初始條件的微小差異會導致氣象系統的極大差異:一只蝴蝶在巴西扇動一下翅膀,有可能會在美國的德克薩斯引起一場龍卷風。從此以后,“蝴蝶效應”名聲遠播。“蝴蝶效應”之所以令人著迷、令人激動、發人深省,不但在于其大膽的想像力和迷人的美學色彩,更在于其深刻的科學內涵和內在的哲學魅力。從科學的角度看,“蝴蝶效應”反映了混沌運動的一個重要特征:系統的長期行為對初始條件的敏感依賴性。“蝴蝶效應”是混沌系統的典型特征,初始條件的微小差別在最后的現象中可能產生極大的差異。蝴蝶力量本身就難以預測,因為它是一種微妙的影響力。微妙影響力是指我們每個人以各自的方式對社會發揮作用,無論這種作用是好還是壞。美國住房與都市發展部負責培訓社區組織者的MikePatterson把城市社區描述成一個網絡。這一網絡由那些細小的看似并不重要的事物構成,比如小小的禮節、恩惠、照料他人,大街上相遇時的一個微笑或一個手勢,以及那些人們習以為常的事情。社區如此,城市亦是如此。我國轉型時期的城市社會狀態類似于物理系統中的非平衡態,新的相對穩定和意外結構有時會突然產生,而中國社會龐大的人口基數特征,意味著任何微小變化下的人口累加效應都將十分突出。因此,城市規劃中的細節與宏觀目標同樣重要,我們不能忽視微小細節對個人和城市所施加的微妙影響。4城市空間轉型中的“混亂”與“隨機”我們說城市具有“非確定性”、“不可預測”與“無序”等混沌系統屬性,并不是宣揚城市的“不可知論”。恰恰相反,誠如馬克思所言:世界上只有還未認知的事物,沒有不能認知的事物。城市混沌理論