【科普系列-13】
前期传统的《网络科学》的发展脉络回眸

国际上网络科学的领军人物之一——艾伯特-拉斯洛·巴拉巴西（A-L.Barabasi）在2012年 1月《Nature Physics》（自然 物理，第1期）关于复杂性专刊里发表题为“The networks takeover（网络取而代之）”一文明确指出： “作为一个范例，还原论已经过时了；作为一个领域，复杂性研究也疲惫不堪了；现在网络科学来取而代之了。基于数据的复杂系统的数学模型正在提供一个全新的视角，迅速发展成为了一门崭新的交叉学科：网络科学。”

巴拉巴西原是美国圣母院大学教授，现在是美国东北大学教授，同时兼职于美国哈佛大学大学媒体学院医学院研究员。他首先在国际上开创了无尺度网络的研究先河，广受国内外赞誉。他作为一位致力于研究网络“链接和节点”的科学家首次带领大家揭开和领略单一复杂网络的内幕——庐山真面目。为此，巴拉巴西迄今出版了二本网络科学科普著作：《链接：网络新科学》（2002）和《爆发》（2010），前书功在标志世纪之交国际上诞生了网络科学，展示了网络科学发展观方法理论及其应用的概貌，它覆盖了自然界和人类社会广阔的网络空间;后书深刻揭示了复杂网络无时不在，如何覆盖浩瀚的时间长河，发现了社会网络等不同层次的人类行为特点和某些可预测性，例如他们认为，人类的行为特性93%是可以预测的。这样，两本科普著作把复杂网络的时间与空间不可分割地联系在一起，形成了比较完整的传统意义上的网络科学的理论体系，这里不妨称为传统的网络科学知识。从1994年迷恋网络开始到2014年，他经过了整整20年的拼搏，终于在2014年正式出版了自己的第一本专著：《网络科学》，系统而全面地总结了他们团队从事网络科学研究20年的丰硕成果。

无尺度网络及其生成机制的发现的过程反映了网络科学的诞生和发展所经历的曲折道路，巴拉巴西个人所经历的许多失败和挫折就是最好的代表和见证。在他出版的第一本专著《网络科学》中个人介绍里自述了发生在他身上的许多真实故事，特别是透露了他经历的五次失败教训：他不仅有3篇论文(1995，1996，1998))曾经被拒发表，还有一次映射网络的探索也遭到失败(1996)；而且因无尺度特性论文发表初期缺乏确切的数学证明而被人讽刺挖苦，并因此在1999申请不到美国国家基金和美国国防部项目。但是，这五次挫折和失败都没有动摇他的斗志，反而给无尺度网络的诞生增添和留下了难忘的故事。1999年巴拉巴西到欧洲波尔图参加与网络无关国际会议时，他一直心不在焉，总是自己不断突发奇思异想，他频繁地通过电子邮件与博士生阿尔伯来来回回讨论，让她验证了许多实际网络的共同特性，终于揭示了一大批实际网络生成无尺度网络是基于两个机制：第一是网络不断增长演化。如万维网的页面数量不断增加，1990年整个万维网只有一个网页，而到今天它的网页数已经超过了上百亿了。大部分网络也都具有类似的增长演化过程。大约30多年前，整个因特网只有几个路由器，随着新的路由器与网络原有的路由器相连接，如今路由器的数量已经高达成百上千万了。由于现实中的网络具有不断增长演化，所以老节点获得连接的机会就比较高，且越来越高。第二，优先或偏好连接度大的节点。并非网络的所有节点都是平等的。在选择将网页连接到何处时，人们可以从数十亿个网站中进行选择。然而大部分人只熟悉整个万维网的一小部分，这一小部分中往往包含那些拥有较多链接的站点，因为这样的站点更容易为人所知。只要链接到这些站点，就等于造就或加强了对它们的偏好链接。这种"优先（偏好）链接"的过程，同样发生许多实际网络中。如在好莱坞演员网，链接关系较多的影星更容易受到新秀们的重视。而在因特网上，那些链接较多的路由器通常还拥有更大的带宽，因而新用户就更倾向于链接到这些路由器上。类似地，被引用较多的科学文献，会吸引更多学者去阅读和引用。大量事实表明:增长性和优先（偏好）连接这两种机制，能够解释网络中存在中心节点:当新节点出现时，它们更倾向于连接到已经有较多连接的节点，随着时间的推进，这些节点就拥有比其他节点更多的连接数目。这种“富者逾富”的过程，也叫“马太效应”，这使得早期节点更有可能成为网络的中心节点。

既然已经搞清楚无尺度网络的生成机制，于是巴拉巴西就急于把论文写出来。可惜，好事多磨。首先他在飞机上赶写论文初稿时，竟然不幸被空姊一杯可口可乐洒在他的笔记本电脑上，导致计算机崩溃和初稿报废，但是他没有灰心丧志，而是继续顽强地用笔记写完初稿。回去后他马上投稿给美国顶级杂志“科学”，但是10天后论文没有经过同行评审就被退回了。他感到非常失望，同时他坚信自己的论文首创性。于是，他大胆地给退稿的编辑打了电话，极力说服他改变初衷。结果他的据理抗争成功了。他们的论文“随机网络中的标度涌现”终于在1999年美国顶级《科学》杂志上发表了，从此一举成名。如前所述1998年6月，美国康奈尔大学理论与应用力学系博士研究生的瓦茨与他的导师斯特罗迦茨教授提出一个小世界网络模型，简称WS模型，他们在英国著名的《自然（Nature）》杂志上发表了题为“‘小世界’网络的集体动力学”的文章。上述两大发现并举奠定了网络科学的诞生的理论基础，二石激起千层浪，引起了全世界的广泛兴趣。

巴拉巴西为首的科研团队的突出贡献是，发现了复杂网络无尺度特性及其产生的物理机制，并应用于研究各种实际网络，发现无尺度（标度）特性具有普遍性之后,他实事求是地指出：正是这些物理学家、数学家、电脑科学家、社会学家以及生物学家等人共同努力，深入详细地研究了无尺度网络模型及其扩展模式后，获得了大量实证结果，从而建立了一套内容丰富、完整的网络增长和进化理论体系。这个前期的成果，我们不妨称为传统的网络科学理论体系，它使我们了解到，通过内部链接、链接重排、删除节点和链接、节点老龄化、非线性效应，以及其他许多影响网络拓扑结构的各种各样过程，各种理论模型等，共同构成完美的复杂网络演化的理论架构，其实无尺度BA模型只不过是一个特例，产生无尺度特性的物理机制也具有多样性。这些过程影响网络的成长和演化，并不可避免地改变其中心节点的规模和数量。但在大多数情况下，在增长和优先连结同时发挥作用时，中心节点和无尺度幂律都是必然出现。总之，迄今复杂网络中，无尺度拓扑结构不是例外，而是普遍的常态，这就解释了为什么大多数真实网络都是无尺度网络。演化网络理论把网络看作随时间连续不断变化的动态系统，以无尺度模型为代表的大量研究结果深刻地揭开了蕴含在各种增长网络的生成机制。这些发现和创新性为传统的网络科学体系的建立作出了重要的贡献，巴拉巴西成为建立基于网络共性的前期科学理论的先行者和领军人物，他的科研团队的功不可没。无疑，巴拉巴西具有高瞻远瞩的眼光，充满对于网络的真知灼见，它使人们认识了许多现代社会和自然界里绚丽多彩的网络世界。令人惊奇的是，借助现代计算机技术，正不断揭开网络社会关系网络、高科技企业网络、新陈代谢网络和细胞网络等诸多拥网络具有相似性和共性，并超出了它们之间的差异性。他们的发现为我们提供了解应用崭新而重要的网络科学发展观和视角来审视周围丰富多彩自然界和人类社会的相互连接关系。

迄今，网络科学已经渗透到各个角落，成为我们有力的科学思想武器，开阔了人们的视野，开辟了新天地，为我们生活和工作产生了广泛而深刻的影响。