0.2 复杂系统的核心——网络

在我看来，下一世纪将是复杂性的世纪。

——斯蒂芬·霍金

我们生活在许多复杂系统的包围中。例如，人类社会需要数十亿人的合作；通信基础设施连接着数十亿的手机、计算机和卫星；我们理解和认识世界的能力需要大脑中数十亿神经元的协同工作；我们的生命存在体现为成千上万个基因和细胞代谢体之间的紧密交互。

这些系统统称为复杂系统。称其为复杂系统是因为我们难以从对其各个组成部分的理解中推断出系统的整体行为。复杂系统在我们的日常生活、科学、经济中扮演着重要角色，因此对复杂系统的理解、数学描述、预测和控制是21世纪的主要科学挑战之一。

网络科学在21世纪伊始的出现生动地表明了科学可以应对复杂性的挑战。实际上，在每个复杂系统背后都有一个错综复杂的网络，网络刻画了复杂系统各个组成部分之间的交互关系：

（1）刻画基因、蛋白质和代谢体之间交互关系的网络，把各个部分有机地组织成鲜活的细胞。细胞网络的存在是生命的必要条件。

（2）刻画神经元之间连接关系的神经网络，是我们理解大脑运转方式和人类意识的关键。

（3）职场关系、朋友关系和家庭关系的总和通常被称为社会网络。社会网络是人类社会的重要组成部分，决定着知识、行为和资源在社会中的传播。

（4）描述通信设备之间通过电缆或无线彼此交互的通信网络，是现代通信系统的核心。

（5）由发电机和传输线路构成的电网为几乎所有现代技术提供着能源。

（6）人们彼此交换物品和服务而形成的贸易网络，是第二次世界大战以来世界物质繁荣的基础（图0-2）。

图0-2 经济系统中的网络

在大英博物馆推出的“百件文物看世界史”展览中，图中的信用卡被选为其中第99件文物。这张信用卡形象地展示了现代经济的高度互联特性——这种彼此间紧密的经济和社会联系在过去一直未被关注。

2009年，这张卡由总部位于伦敦的汇丰银行（HSBC）在阿联酋签发。这张信用卡的使用遵循总部位于美国的信用卡联盟提供的VISA协议，以及受伊斯兰银行（Islamic Bank）管辖。

网络也是21世纪一些革命性技术的核心，催生了谷歌、Facebook、思科（CISCO）和Twitter等大型互联网公司。最后，网络对于科学、技术、商业和自然的意义，要比我们想象的大得多。总之，如果缺少对复杂系统背后的网络的深刻理解，我们就永远不可能理解复杂系统。

21世纪的第一个10年间，人们对网络科学的浓厚兴趣源于这样一个发现：虽然复杂系统多种多样，但这些系统背后的网络，无论是结构还是演化方面，都由一些共同的基本规律和原理支配着。因此，尽管真实世界的网络在形态、大小、性质、年龄和范畴上千差万别，它们都遵循着同样的组织原则。如果不考虑网络中每个组成部分和链接的具体特性，我们所得到的网络彼此都非常相像。在随后的章节中，我们将探讨促使网络科学这一新研究领域出现的推动力及其对科学、技术和社会的影响。