文/姚斌
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为什么艾伯特-拉斯洛·巴拉巴西需要写出一部厚厚的《网络科学》巨著？因为他认为，运用网络科学就能够理解当今的互联世界。巴拉巴西是复杂网络权威，他著有《巴拉巴西成功定律》、《链接》、《爆发》等重要论著。每次阅读他的论著，都会得到非凡的洞见，从而改变我们的思维。
网络科学是专门研究复杂网络系统规律的一门新兴交叉学科，其研究内容十分广泛，从物理学到生物学，从社会科学到技术网络，从工程技术到经济管理等都包括其中。《网络科学》这部巨著展示了过去二十年网络科学的曲折历程与主要进展，讲述了图论、随机网络、小世界现象、无标度性质、巴拉巴西-阿尔伯特模型、演化网络、度相关性、网络鲁棒性、社区传播现象等网络科学的内容，让我们了解到网络科学的主要思想与思维方式。
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我们都置身于互联时代，被复杂系统所包围。例如，人类社会需要数10亿人的合作；通讯基础设施连接了数10亿的手机、计算机和卫星；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合。这些系统通通称为复杂系统。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。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。网络也是21世纪革命性技术的核心，催生了谷歌、脸书和推特等大型互联网公司。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。如果缺少对网络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。
然而，互联是能带来脆弱性的。比如，2003年8月14日，美国东北部一场大面积停电波及了8个州约4,500万人，以及安大略湖区1,000万人。这就是级联失效的典型案例。级联失效在很多复杂系统中发生过。互联网中，为躲避失效路由器而对通信流量重新路由时，级联失效便会发生。正常的路由操作有时会造成拒绝服务攻击，导致正常运转的路由器因负载过大而失效。我们经历过金融系统中的级联失效。1997年，国际货币基金组织向几个太平洋国家的中央银行施压，促使其下调贷款额度，多家大型企业的资金链因此断裂，最终引起全球范围的股灾。2009年至2011年期间的金融危机经常被当作级联失效的经典案例。美国次贷危机导致全球经济瘫痪，大量银行和企业倒闭，甚至有政府宣布破产。
网络的各个部分对于网络整体的影响不容忽视，局部失效的影响可以沿着网络的链接扩散出去，影响到看似不相关的其他节点、消费者和个体。为此，（a）为避免破坏性的级联失效，对于承载级联传播的网络，我们必须理解其结构特征；（b）我们必须能够对网络上发生的动态过程进行建模，例如电流；（c）揭示网络结构和其上发生的动态之间的互动是如何影响整个系统的健壮性的。网络科学的一个关键发现是，在不同的科学、自然、技术领域中形成的网络，其架构是彼此相似的，这说明它们在同样的组织原理的支配下形成。因此，巴拉巴西认为可以采用同样的数学工具来探索这些网络及其所描述的系统。
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网络科学体现在经济领域中是从网络搜索到社交网络的。谷歌、脸书、推特、领英、思科、苹果等21世纪最成功的公司，其技术和商业模式都是基于网络的。实际上，谷歌不仅运营着人类有史以来建造最大网络——包罗万象且持续更新的万维网，其搜索技术也和万维网的网络特性密不可分。脸书的出现大大推动了网络的普及，该公司致力于绘制出全世界人们的社会网络。脸书不是第一家社交网络网站，很可能也不是最后一家。在社交网络和生态系统中，推特和领英等公司仍在努力获取数百万用户的关注。网络科学家们构思出的算法为这些社交网络站点提供了燃料，为包括好友推荐和广告投放在内的几乎所有事情提供了辅助支持。
当网络科学进入健康领域时，就从药物设计发展到代谢工程。2001年完成的人类基因组计划首次完整地绘制出了人类基因图谱。然而，要想完全理解细胞的运转方式和疾病起源，列出人类所有的基因还不够。我们还需要一幅描述基因、蛋白质、代谢及其他细胞组成的部分之间的相互作用的地图。实际上，消化食物、感知环境变化等大多数细胞过程都依赖于细胞内的分子网络，这些网络的损坏会导致人类疾病。
随着对分子网络重要性的关注日益增多，致力于理解细胞网络行为的网络生物学，作为生物学的一个新的子领域出现了。与之相呼应，医药领域出现了网络医药学，致力于揭示网络在人类疾病中的作用。这些进展的重要性可由下面这条消息生动的说明：2010年，哈佛大学成立了网络医疗系，公开聘用应用基于网络的思想理解人类疾病的研究人员和医疗人员。网络在药物研制方面起着十分重要的作用。网络药理学的终极目标是研制出没有明显副作用就能治愈疾病的药物。为实现该目标，人们从多方面努力：投资数百万美元用于绘制细胞网络，开发工具和数据库用于存储、管理、分析病人数据和基因数据。一些新公司充分利用了网络为健康和医药领域提供了发展机遇。例如，有的公司从科技文献中收集细胞交互地图，有的公司利用代谢网络的预测能力识别细菌和人类的药物靶向。强生等大型制药公司也开始大力投资网络医药，将其视为未来药物的方向。
2000年之前，传染病模型主要是基于区划的模型，假设处于同一个社会物理区划中的所有人都可以互相传染。基于网络的框架带来了根本性的改变，将传染病的可预测性提升到一个新高度。如今，传染病预测是网络科学最活跃的应用领域之一，例如预测H1N1病毒和埃博拉病毒的传播。它使我们可以建模并预测生物病毒、数字病毒和社会病毒（例如流行语）的传播。
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网络科学影响最深远的领域还是科学界，这从复杂系统领域引用次数最多的几篇论文中可见一斑。这些论文的单篇引用次数介于2000~5000之间，每篇都是经典论文，涉及的科学发现包括蝴蝶效应、重整化群、自旋玻璃、分形和神经网络。
20世纪60~70年代，复杂系统研究由三篇论文组的内容主导，分别是爱德华·洛伦兹1963年在混沌方面的经典工作、肯尼斯·威尔森提出重整化群、塞缪尔·爱德华兹在自旋玻璃方面的工作。到20世纪80年代，伯努瓦·曼德布罗特发表了关于分形的著作，托马斯·威滕和莱恩·桑德尔提出了受限扩散凝聚模型，复杂系统领域的研究焦点随之转移到模式形成方面。同时期同样具有影响力工作的还有：约翰·霍普菲尔德在神经网络方面的工作，普·巴克、汤超和库尔特·维森菲尔德在自组织临界性方面的工作。这些论文不断刷新人们对复杂系统的认识。
网络科学与进化论、量子力学有些相似，它们不仅是拥有核心科学贡献和系统知识体系的科学领域，还是支持很多其他学科发展的平台。实际上，遗传学革命就是建立在进化论基础之上的，量子力学为化学、电子学等很多当代学科的进步提供了平台。同样，网络科学也是一个平台，为社交网络、药物设计等很多科学问题的探索提供了新的工具和视角。“网络鲁棒性”即是其中的一种。鲁棒性就是健壮性，类似于纳西姆·塔勒布的强韧性概念。
“鲁棒”是英语robust的音译，为橡树的意思，代表着力量与长寿。“鲁棒”是音义兼顾的绝好译法。鲁者，粗莽也；棒者，强之同义也。如果一个系统在内部和外部发生错误时仍能保持其基本功能，那么这个系统就具有鲁棒性。鲁棒性就是系统的健壮性，它是在异常和危险情况下系统生存的关键。在网络中，鲁棒性是指系统系统丢失一些节点和链接好能执行其基本功能的能力。组件故障或者失效可以破坏人类设计的系统。比如，汽车引擎的一个部件失灵可能会使车在半路抛锚，计算机芯片中的布线错误会导致计算机完全不能工作。然而，很多自然和社会系统有一种出色的能力，即使它们的一些组成部分失效了，它们仍然能够维持基本功能。
“9·11事件”造成了重大伤亡，远远超过了越南战争以来美国经历的任何其他事件，但这次攻击并未摧毁整个网络。所有的网络无论是经济、军事还是政治网络，都继续发挥功效。因此，我们可以把“9·11事件”视为鲁棒性和网络韧性的故事。我们的细胞中有无数蛋白质非正常折叠和化学反应缺失这样的错误，但我们很少注意到这些错误导致的后果。与此类似，大型机构在很多员工缺席的时候也仍然可以运作。理解这种鲁棒性的起源对许多学科都非常重要。
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鲁棒性是生物学和药学的核心问题，它可以帮助我们理解为什么有些基因突变会引起疾病，而另一些却不能。社会科学家和经济学家都很关心鲁棒性，因为它们关系到人类社会和组织在经历饥荒、战争、社会经济秩序变更时的稳定性。鲁棒性是生态学家和环境科学家面临的一个核心问题，他们希望可以预测人类活动对生态系统的破坏何时会造成系统性失效。鲁棒性是工程学的最终目标，工程师期望设计出通信系统、汽车或者飞机在偶尔遇到组件故障时仍然可以实现其基本功能。
2010年7月27日的《自然》杂志发表了一篇论文——《复杂网络的攻击与容错性》，该论文开启了对网络的鲁棒性的科学探索，让我们看到网络在维持复杂系统的鲁棒性中起到的作用。此后，网络在生物体系、社会制度和技术系统的鲁棒性中取得关键性的作用。事实上，细胞的鲁棒性内嵌在一个复杂的、包含了调节机制、信息传导和新陈代谢的网络里；社会体系的自我复原力和它背后错综复杂的，包含了社交关系、职业关系和通信关系的网络密不可分；如果不对那维系着每一个物种的食物链进行仔细分析，我们无法理解生态系统作为一个整体的生命力。在大自然寻求鲁棒性的时候，它总会诉诸网络。
在一个部件相互连接的系统中，一个或几个部件的故障会引发其他部件的故障的过程就是级联故障。这种故障可能发生在许多类型的系统中，包括电力输送、计算机网络、金融、交通系统、生物体、人体和生态系统。地震中的级联后果与网络中的级联现象有许多相似性，暗示着它们背后存在相同的机制。停电、信息级联传播和地震背后的幂律分布表明，大多数的级联故障都是比较小的，但与众多的小事件并存的是少数的大事件。级联故障并不只发生在大面积停电和金融风暴里。其他场景也存在级联故障：
（a）恶劣天气或机械故障会沿着航线时刻表级联式地蔓延，导致多个航班延误和数千名旅客滞留。
（b）一个物种的消失会通过食物网在生态系统中产生级联效应，使许多物种灭绝并改变其他物种的栖息环境。
（c）供应链中某个组件短缺会导致整条供应链无法正常工作。例如，2011年在泰国发生的洪水导致了汽车零部件长期短缺，扰乱了全球上千家汽车工厂的生产量。因此，洪水的危害不仅限于被淹没的工厂，还导致了世界范围内高达200亿美元的保险索赔。
在许多截然不同的系统中，我们都观察到级联效应。它们的规模分布与地震幂律分布很好地近似。这意味着，大多数的级联事件非常小，以至于我们注意不到。然而，也存在着少数具有全球性影响力的重大事件。地震学研究显示，小地震屡见不鲜，但大地震很罕见。地震的震级多有不同，但震级越高，就越罕见。地震能量每增加一倍，相应震级的地震发生概率就会降低3/4倍，最终会得到一个从小规模地震到大规模地震分布的滑坡曲线。物理学家称这种关系为“幂律”，因为这种分布是用指数方程或幂来描述的。
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美国每年因航班延误造成的经济损失超过400亿美元。这些损失包括延误造成的额外运营、乘客时间的浪费、生产力的下降、错失的商业和娱乐机会。航班延误是指计划起飞时间与实际起飞或到达时间之间的差异。航空时间表规划了连续航班之间的缓冲期以应对短期延误。当延误超过缓冲期，使用同一架飞机、同一批机组人员或同一个登机口的后续航班都会被推迟。因此，延误以类似级联的方式在航空网络中传播。虽然2010年的航班大多数都是准时的，依然有37.5%的航班起飞或到达时间晚于预计。延迟的时间分布服从幂律分布公式。这表明，尽管大多数航班只推迟了几分钟，也存在少数航班被推迟了几个小时的情况。这些长时间的延误表现出了相互关联的模式，标志着航空运输系统发生了级联式的拥堵现象。
我们对阻止级联故障的第一反应可能是添加新的链接以强化网络。但强化网络的问题是，在大多数实际系统中，建立一个新链接所需要的时间远远长于级联故障的时间尺度。比如，建立一个新的输电线可能需要20年，而摧毁一个电网只要几秒钟。与直觉相反的是，选择性删除节点和链接可以减少弱级联故障的后果。拉撒路效应是运用这一方法带来的惊人效果。拉撒路效应是指，若让一个无法生长和繁殖的已“死”细菌复活，只需删除几个精心挑选的基因。因此，用一个违反直觉的方式，受控的损害反而对网络有利。巴拉巴西通过分析从电网故障中收集的量化数据发现：人们通常期望更紧密的网络会更具有鲁棒性。然而，稀疏的电网却显示了增强的鲁棒性。
真正的网络的枢纽节点有一整套结构，取出其中任何一个都不足以摧毁整个网络。真实网络体现的强大的鲁棒性对很多复杂系统来说是一个好消息。事实上，我们的细胞中发生过无数的错误，包括蛋白质错误折叠和转录因子延迟到位。然而，细胞网络的鲁棒性使细胞可以正常工作。网络鲁棒性也解释了为什么我们能很少注意到路由器故障对互联网的影响，以及为什么一个物种的消失不会立刻给环境带来的灾难。
但是，雷卡·阿尔伯特、郑浩雄和巴拉巴西研究了复杂网络对故障和攻击的耐受性，发现复杂网络兼有对故障具有鲁棒性和面对攻击时脆弱性的双重性质。对经济系统来说，移除枢纽节点可以破坏整个经济，2009年的金融风暴就是活生生的例子。但是，它对药物设计来说是个好消息，它表明，准确地理解细胞网络可以帮助我们开发药物，从而杀死不需要的细菌和癌细胞。因此，在考虑鲁棒性时，我们不能忽略这样一个事实：大多数系统都有许多控制和反馈回路，帮助它们在遇到错误和故障时仍能维持运转。盖瑞·马库斯在《如何创造可信的AI》中指出，建立鲁棒性的认知系统，必须从建立对世界拥有深度理解的系统开始，这个理解要比统计数据所能提供的更加深刻。