然而，随着对客观世界认识水平的不断提高，人们逐渐认识到现实世界中的大多数问题都与具有多个相互作用成分的复杂系统(细胞、人脑、有机生物体、社会经济活动的组织、生态环境、地球大气层、地壳活动、星系乃至整个宇宙)有关。这类系统的基本特征是其行为不同于个体行为的简单相加，而是作为一个整体呈现出一些新的性质和规律。正如马克思所说，“量变导致质变”。诺贝尔物理学奖获得者菲利普·安德森也在著名文章《更多的是不同的》中提到，“将一切还原为简单基本定律的能力并不意味着从这些定律中重构宇宙的能力”[1]。了解这些复杂系统的行为特征，寻找其背后的一般演化规律，在本质上也是根本性的，与寻找物质的原始组成和基本相互作用对于我们宇宙的终极理解同样重要。
对复杂系统最早的科学探索可以追溯到19世纪法国数学家庞加莱在三体发现的混沌现象[2]。然而，对各种复杂系统的一般性科学研究始于20世纪70年代，伴随着耗散结构、协同学、突变理论、混沌和分形等新理论的发展。由于系统的复杂性，他们的研究方法不能局限于传统的还原论，而往往需要将整体论和还原论结合起来。老子曾经非常微妙地描述过这种把整体性和还原论结合起来探索事物本质的方法:“所以，我们常常没有欲望去看它的美；总有一种想看的欲望。他们两个名字相同，但名字不同。它们被称为神秘的、神秘的和神秘的，以及一切奇妙事物的大门。”
要实现这一目标，需要摒弃基于还原论的传统学科界限，回归对现实问题和现象的本能好奇和探索，大胆假设，认真求证。作为一名天文学家，作者将重点探讨天文学如何通过与其他学科的交叉研究，帮助我们探索从宇宙到人类社会的各种复杂系统背后的普遍规律(本文“宇宙社会学”这一标题的由来与三体中研究宇宙智慧生命社会学规律的宇宙社会学不同)。
回顾历史，在人类认识客观世界的过程中，天文学一直占据着独特的地位。几百年前，正是现代天文学的突破带来了现代科学的启蒙。中国古人在几千年前就形成了“天人合一”的哲学思想。他们认为，人与自然受共同的客观规律的约束，所以人应该遵循自然规律，与自然和谐发展。这种朴素的整体性思想也构成了中国传统文化的主体。当然，现代科学的发展早已让我们脱离了“人与自然一一对应”的简单机械观念。我们今天对复杂系统研究的最终目标是解决更广泛领域(物理学、气候学、生物学、经济学、社会学等)的具体问题。)，并探讨不同种类的复杂系统(从星系宇宙到复杂生命系统)背后是否存在某种普遍规律。
具体来说，本文旨在抛砖引玉，通过挖掘天文学中的研究对象——宇宙的基本单位——的复杂系统与社会学中的研究对象——人类社会的各种复杂系统(城市组织、经济活动、人口增长)之间的一些共同性质和规律，让更多的人脱离学科体系的束缚，在复杂的世界中出现普遍问题。限于学识，本文仅代表作者个人观点。
一个
星系的空分布(大尺度结构)和城市的空分布。
宇宙的基本单位是上亿个像我们银河系一样的星系，它们是包含恒星、气体、尘埃和其他成分的自引力束缚结构。星系在宇宙中的分布不是随机的，而是呈现泡沫网状结构(称为大尺度结构)，具有明显的集群效应。大多数情况下，星系是三五成群的，但有时星系会集中生活在一起，形成星系团甚至超星系团(由几个星系团组成)。类比人类社会，宇宙中的星系相当于人类居住的城镇。两者的产生机制也很相似:城镇的产生可以理解为人口密度和数量超过一定临界值的产物，而星系的产生则源于原始宇宙密度扰动导致的局部密度增加。
图1:左图为斯隆数字巡天(鸣谢:SDSS)中的星系；右图为美国东部城市夜景灯光分布图(鸣谢:NASA)
虽然尺度差别很大，但人们很快意识到，星系的分布与城市的分布非常相似。如图1所示，两者都有明显的居住行为，少数集中在一起(星系团和城市群)。事实上，两者不仅外形相似，而且数学描述惊人的一致。
天文学家用数学上的两点关联函数来描述空之间的星系分布，定义为在给定距离发现的星系对超过相对于完全随机分布的值的概率。如果星系随机分布，这个概率超过0。概率越高，星系的集群性越强。发现这个概率与空之间的距离有很好的幂律关系，星系在小尺度和大尺度上的集群有着惊人的一致性。这意味着星系的分布特征是无标度的。事实上，星系分布的无标度描述是自然科学中最早和应用最广泛的无标度网络的例子之一。我们可以用同样的方法来描述城市的分布，结果显示它们惊人的相似。城市间的两点关联函数也呈现幂律分布。与星系不同的只是幂指数(双对数图像上直线的斜率)和特征尺度(城市的尺度明显比星系小很多)。
图2:星系(左[3])和城市(右[4])的两点相关函数
星系与城市之间的分布空可以用简单的幂律分布来描述，说明宇宙和人类社会组织结构的基本规律可能具有很强的内在相似性。天文学家已经知道，星系幂律分布的主要原因是引力的无标度性质(强度与距离的幂律关系)和暗物质晕结构的自相似性(不同质量的暗物质晕中星系的分布轮廓是相似的)。
简单类比，我们推测城市的分布很可能类似于大小城市群，人们在大中城市的居住行为很大程度上可以用类引力特征来描述(即一个城市对周围人群的吸引力大致与城市大小成正比，与离城市的距离(或距离的某些函数)成反比)。严格的统计分析不在本文讨论范围之内，但是城市分布的这些特点是符合我们实际生活经验的。这就是系统科学的魅力。通过与星系的类比，我们可以推测出最有可能决定人类城市分布格局的因素。这为进一步定量研究城市分布指明了方向。反之亦然。
值得一提的是，这种简单的幂律分布，又称标度不变性，是许多复杂系统的共性(太阳耀斑的能量分布、地震烈度分布、城市人口、网站点击率、人类语言中使用的词语的频率分布等。).知道了这种分布的特征，并不能直接告诉我们底层的规律是什么，但它告诉我们，无论什么规律，都与相应的尺度(大小、强弱等)无关。).就地震而言，地震强度与发生频率的幂律关系表明，大地震与小地震的成因很可能没有本质区别，所以刻意发展预测大地震的研究方向(如果我们预测不了小地震，我们也预测不了大地震)很可能是徒劳的。另一方面，如果今天某地发生小地震，我们也无法避免未来发生大地震的可能性。归根结底只是概率的问题，幂律分布的典型特征是极端事件的概率高于指数分布。
如果把星系比作人类的城市，那么星系中的恒星就相当于城市中的人类个体。就像不同国家和城市的出生率、人口密度、财富分布不同一样，恒星的生成速率、恒星的分布以及星光在不同星系的分布也有很大差异。接下来，我们将从个体的角度，讨论星系的演化和恒星(以及星光)在星系中的分布，以及人类社会的灭亡和人口(以及财富)分布之间的相似性质和规律。
2
星系的表面亮度分布与人类社会的财富分布
简单来说，星系根据能否持续产生新的恒星分为两类，即恒星形成星系(又称年轻星系)和已经停止恒星形成的星系(又称老星系，可以比作生物学意义上的死亡或接近死亡的星系)。两类星系在形态上也明显不同:年轻星系多为螺旋星系(如我们的银河系)，而年老星系多为椭圆星系。它们之间的表面亮度分布有明显的差异。具体来说，椭圆星系(老星系)的亮度分布高度集中在中心区域，而螺旋星系(年轻星系)则均匀分布在星系盘和螺旋悬臂上。这种差异促使天文学家思考如何从数学上定量区分这两类星系。
不同星系恒星表面亮度分布不同的特点，让天文学家想到基尼系数[5]，这是社会学上用来描述人类社会财富分配不均的现象。其定义见图3。简而言之，基尼系数越大，财富越集中在少数人手中，社会财富分配越不平等。一般认为，当一个地区的基尼系数超过0.5时，其收入差距就已经相当大了。收入差距大往往会进一步引发社会动荡，因此基尼系数也是衡量一个社会稳定性的重要参数(图3列出了几个主要国家和地区的基尼系数分布，可以看出近两年发生重大社会动荡事件的国家/地区基尼系数基本都在0.5以上)。
图3(上):基尼系数的定义；(第二部分):不同类型星系和不同国家/地区的基尼系数分布。随着基尼系数的增大，星系和社会进入了某种不健康的状态:星系会逐渐失去制造新恒星的能力，成为旧星系，而社会会因贫富差距而固化，进入暂时的死亡状态(社会动荡和变化)。
天文学家接着用基尼系数来描述星系表面亮度的不均匀分布(社会学中基尼系数的定义是星光而非人类财富):基尼系数越大，亮度越集中在少数区域，星系越倾向于椭圆(老)星系。年轻星系和老星系的分界线大概是0.5-0.6。换句话说，如果一个星系的不均匀亮度分布超过0.5，很可能这个星系类似于椭圆星系，已经失去了制造新恒星的能力(成为一个老星系)。基尼系数在区分不同类型星系方面的巨大成功，使其被许多天文学家广泛接受，成为当今研究星系形态的重要参数。这也成为自然科学借助社会科学概念成功研究的典型。
3星系的恒星形成率和人类社会的出生率
除了基尼系数，星系中恒星分布与恒星形成率密切相关的另一个表现是恒星分布密度与恒星形成率的关系(图4):恒星形成率低的星系(老星系)的中心恒星密度一般高于恒星形成率高的星系(年轻星系)。换句话说，如果一个星系中恒星的分布过于密集，那么这个星系就有很大的概率死亡(恒星形成率降低)。
同样，人口密度高会直接影响出生率吗？基于同样的生活经历，我们认为这是很有可能的(根据我国2010年人口普查的数据，城市总和生育率为0.88，城镇总和生育率为1.15，农村总和生育率为1.44)。带着这样的疑问，笔者进一步检索了相关文献，发现确实有很多相关研究证实了两者之间的负相关关系(图4)。我们在这里引用了日本的例子。由于多年的经济社会稳定，日本的数据可以在很大程度上排除经济发展、医疗进步、战争等因素对出生率的影响，所以出生率与人口密度的负相关更有说服力(图4)。
图4(左):星系的比恒星形成率与恒星密度的关系[6]；(右):出生率与人口密度的关系[7]
这个简单的类比告诉我们，无论是拥有有机生命的人类，还是拥有无机恒星的星系，过高的人口密度都会导致其繁殖速度下降(新恒星的形成在某种程度上可以看作是恒星在星系中的繁殖)。我们也有理由相信，呈现这一规律的复杂系统绝不仅限于星系和人类社会，它本身可能反映了资源有限的复杂系统生长模式的一般规律。
当然，这里我们只从星系和人类社会两个复杂系统的特点来总结这个规律。为了科学地证明这一点，我们仍然需要研究更复杂的系统，并使用统计分析来证明这是否是一个普遍规律。我们也要再次明确，类比作为人类认知的核心手段，本身并不是一种科学论证。但是合理的类比可以帮助我们举一反三，举一反三，为科学论证指明方向。
我们可以进一步讨论星系和人类社会的上述共同特征:对于基尼系数大、恒星密度高的老星系，它们的死亡几乎是永久性的；但在大多数情况下，人类社会基尼系数过大、人口密度过高导致的某种意义上的死亡(社会动荡和政权更迭、出生率下降)并不是永久的。我们可以从热力学第二定律(熵增原理[8])的角度来说明这一点。
星系从年轻(螺旋)星系到年老(椭圆)星系的转变是一个从有序到无序的过程。具体来说，螺旋星系中的恒星大多围绕星系中心做有序规则的近似圆周运动，而椭圆星系中的恒星大多做不规则运动。因此，熵在这个转变过程中增加，这是一个稳定的、几乎不可逆的转变。相反，在人类社会中，无论是财富由大多数人向少数人集中，还是人的分布由分散到集中，这些过程都是从无序到有序，这是一个熵减的过程(因此，这些过程不可能自发地、孤立地发生，必然伴随着从系统环境中吸收负熵的过程，这样在这个转化过程中整体熵仍然是增加的)。如果只关注财富或人口集中的过程，因为熵值降低，实际上就趋于不自然和不稳定。这样的变化到一定程度必然会导致系统崩溃和重新洗牌(政权更迭，财富再分配)。
简而言之，这个过程是可逆的。其实，人类社会的历史，“天下必分久，天下必分久”，就是这种无序到有序再到无序的外在反映。老子曾经对这种自然界从有序到无序的发展，人类社会从无序到有序(再到无序)的发展做了精彩的总结。“天道，损有余而不足；人之道，损不足以供有余”，这句话在两千年后的我们读来依然回味无穷。
小的
总结
当然，星系乃至宇宙的复杂系统与人类社会的各种复杂系统之间的关系(共享一些相似的规律和特征)远不止于此。考虑到人类是宇宙的一部分，这种普遍的相似性本身就反映了这些规律在更广泛的尺度上的一致性。过去几百年基于还原论的科学发展为我们提供了描述各种复杂系统的组成部分及其相互作用的有效工具，但我们对复杂系统整体一般规律的认识才刚刚开始。几百年前，牛顿发现了万有引力定律，因为他坚信行星和树上苹果的运动受同一定律支配。作者还坚信，未来通过对宇宙中各种复杂系统的更深入研究，可以揭示复杂系统运行的一般规律，从而最终能够回答“世界为什么是这样的”这个基本问题
参考资料:
[1] P .安德森，1972，科学，177(4047): 393
[2]亨利·庞加莱(1892年)，《关于不平等的定义》，作品，第1卷，巴黎
[3]泽哈维，I .，D. H. Weinberg，Z. Zheng等，2004，ApJ，608，16
[4]http://physics.scsu.edu/~dms/cosmology/City-City_Intro.pdf丹尼尔·史密斯，2012年
[5] Lotz，j .，Primack，j .，和Madau，p .，2004，AJ，128，163
[6] Whitaker，k .，Bezanson，r .，van Dokkum，p .等人，2017年，亚太及日本地区，838，19
[7]近藤圭介，2014年，https://www.rieti.go.jp/jp/special/special_report/074.html
[8]克劳修斯,《热的力学理论》,伦敦:约翰·范·福特出版社，1867年。第九部回忆录。
作者简介
王涛，日本东京大学天文研究所特聘研究员。他的主要研究兴趣是星系和星系团的形成和演化，以及大质量黑洞和宿主星系的共同成长。它是宇宙中已知最早的X射线星系团的发现者。
