模型的作用

人类自诞生伊始一直在努力寻找开拓这个混乱世界的智慧。最初人们采用的方法是根据一些规则向神灵献祭。当时的人根据“神灵主宰世界”这类观念以及各种取悦神灵的献祭方式来构建世界的模型。后来，人类发明了机械装置，比如门、泵和轮子，以及各种利用它们来控制世界某些部分的方法。人类开始用机制代替对神灵的崇拜来构建整个世界的模型。最终，人类有了由计算机控制的复杂设备和模型，以及那些运用抽象机制的科学模型。虽然模型的使用如此广泛，但我们对建模技巧本身并不熟悉，即便那些实践经验丰富的科学家也是如此。因此，建模将成为贯穿本书始终的话题。

在地球上所有的生物中，建立一定的实体或脚本来充当模型是人类独有的行为。模型可能会很小，如古埃及人制作的那些精美的动物和船只的缩微模型；它们也可能很大，像用很难移动的巨石排列而成的巨石阵，它是代表季节更替的模型。模型在日常生活中普遍存在，但我们往往意识不到，例如，开车上下班时我们需要在头脑中规划出行车路线模型。事实上，对于沿途的重要地标和拐角，人们都在头脑中形成了一种内在的地图。要不是由于道路施工或发生交通事故而不得不找出其他路线，我们显然意识不到这种地图的存在。在寻找其他路线的过程时，我们会按头脑里的地图想象着去寻路，而非真的走上一番，验证是否可行。由此可见，人们可以不必进行费时费力而且可能有危险的实践，只要借助模型就可以预测结果，这是模型的一个重要价值。比例模型，如轮船模型、飞机模型、铁路模型等，也有重要的价值，没有它们，某些测量工作将变得异常困难。我们可以利用轮船的比例模型来测量真实的轮船上从桅杆顶到船首斜桅顶的距离。可以利用风洞来对飞机模型进行各种实验，从而得到实际飞行中会用到的一些参数。实际上，我们在后文中将看到，模型在精细的实验中是必不可少的。

“模型”这个词的含义超出了地图和比例模型，而且已经存在相当长的时间。

打算建房时，先要勘察土地情况，再构建一个模型。

莎士比亚

模型是一种用于测试设备的初步设想的结构。

《美国传统词典》（American Heritage Dictionary）

模型的广泛使用在涌现的研究中发挥了关键作用。一个模型不必与其本体有任何相似之处。牛顿方程不过是写在纸上的一些符号，看起来一点也不像围绕太阳转动的行星轨道。然而，它这种模型所描述的现实物质空间，是那些太阳系的比例模型不能描述的。现在我们取得了更大的突破，利用计算机程序，可以为现实或想象的情况构建模型。这样的例子很多，比如电子游戏、细节高度还原的飞行模拟器。后文会详细介绍实现过程，这里只是简单地说明一点：模型最重要的功能是使期望和预测变成现实。

大部分人在很小的时候就会构建模型了。孩提时代，我们用积木搭建出自己想象中的城堡和空间站。熟练地将那些标准的模块组合成新东西，这种技能一直延续到我们后来所从事的职业中。钟表匠使用传动轮、弹簧、小齿轮等常见的机械构件制造钟表；科学家则是在一个更抽象的层次上做同样的事情，用简单的事物生成更复杂的事物，如用简单的原子合成分子。选择积木块，再以各种方式重组这些模块，我们借此建立起一些规则，使受规则控制的系统更易于理解。精心构思的模型将展现被建模系统的复杂性及涌现现象，但是删减了大量的细节部分。这正是本书第6章至第9章要讨论的核心内容。

从某种意义上来说，所有科学都以模型为基础。牛顿方程和麦克斯韦方程组对现实世界的某些方面建模，我们可以利用这些模型推演出事物发展的结果，并且做出预测。这些方程能够解释的很多出乎意料的预测和神奇的结果，恰好是涌现的最好例子。即使创建模型的人直觉超凡，但从模型推导出的许多结果仍出乎他们的意料。为了理解涌现现象，我们必须了解科学和其他领域的模型为何能在它们被构建时具有的知识基础上，产生新知识。

模型，尤其是计算机模型，可以提供许多涌现方面的例子，这大大加深了我们对涌现现象的理解。而且，这样的模型可以随时启动、停止、检验，并可以在新的条件下重新启动。这些是大多数现实的动态系统，如生态系统或经济系统无法实现的。建立计算机模型时，将描述模型的程序加载进计算机，最后却能产生足以使程序设计者惊叹的结果，这再次印证了涌现现象。第4章将给出一个具有学习能力的国际跳棋程序，这是涌现的第一个比较详细的例子。在这个例子中，机器棋手通过不断学习，成为胜过其设计者的国际跳棋棋手。我们自然可以仔细研究这段程序，把它的每一条指令都弄懂，但不得不承认，它是研究涌现现象的一个绝佳案例。