一门崭新的交叉科学:网络科学(上)

本文试图比较系统地概括和评述正在兴起的一门崭新的交叉科学—网络科学,内容涉及网络科学的发展简史,基本概念,网络分类,主要理论模型及其特性,目前国内外该领域的若干重要课题的研究进展概况。全文结构分为:序言,主体部分共12章,最后是结束语,分别概述和涵盖网络科学的主要课题的研究成果和近年的进展,特别是着重介绍和总结了我们"一院二校"(原子能科研院、上海交大和北京师大)国家自然科学基金重点项目联合研究组开展的复杂网络研究所取得的若干成果和进展。分两期发表,下篇请见《物理学进展》27卷4期。     

一门崭新的交叉科学:网络科学(下篇)

在上篇综述里,我们评述了网络科学的发展简史,基本概念和网络分类,以及国内外迄今提出的复杂网络的主要理论模型及其拓扑特性。着重总结了我们"一院二校"开展的国家自然科学基金重点项目的研究进展,上篇的研究成果主要涉及加权网络模型、和谐统一的混合模型和量子信息网络模型及其纳米网络,简单说,我们探索了从宏观网络到微观网络的不同层次的若干特点和结果。在下篇综述里,我们将系统概述5个重要课题的研究进展,从第7章到第11章,课题内容包括:复杂网络的动力学完全同步与网络的拓扑结构之间的关系;网络拓扑结构的对称性破缺导致动力学部分同步;给出判断给定网络部分同步斑图稳定性的方法和一般判据,讨论了由网络的多种拓扑对称导致的部分同步斑图的竞争和选择问题以及李指数谱的简并性质。进一步,分别以具有小世界和无标度拓扑结构的束流输运网络为典型的"混沌复杂网络",提出了实现束晕-混沌的同步和控制的若干方法,特别是实现分区网络的多目标的同步控制问题。同时,基于Vicsek模型和Boid模型,研究了生物体集群动态网络的拓扑结构和动力学方程,提出复杂多智能体网络的协调控制策略。另外,从复杂网络的不同拓扑结构对合作涌现和资源分配的作用角度,评述了三个主要的博弈模型—少数者博弈、囚徒困境和雪堆博弈,研究了复杂网络的群聚系数和网络异质性等结构特性对个体的博弈行为的重要影响。最后第12章,我们简介其它课题的进展,讨论了网络科学面临的挑战,并展望了其应用与发展前景。     

一门崭新的交叉科学:网络科学(下篇)

在上篇综述里,我们评述了网络科学的发展简史,基本概念和网络分类,以及国内外迄今提出的复杂网络的主要理论模型及其拓扑特性。着重总结了我们"一院二校"开展的国家自然科学基金重点项目的研究进展,上篇的研究成果主要涉及加权网络模型、和谐统一的混合模型和量子信息网络模型及其纳米网络,简单说,我们探索了从宏观网络到微观网络的不同层次的若干特点和结果。在下篇综述里,我们将系统概述5个重要课题的研究进展,从第7章到第11章,课题内容包括:复杂网络的动力学完全同步与网络的拓扑结构之间的关系;网络拓扑结构的对称性破缺导致动力学部分同步;给出判断给定网络部分同步斑图稳定性的方法和一般判据,讨论了由网络的多种拓扑对称导致的部分同步斑图的竞争和选择问题以及李指数谱的简并性质。进一步,分别以具有小世界和无标度拓扑结构的束流输运网络为典型的"混沌复杂网络",提出了实现束晕-混沌的同步和控制的若干方法,特别是实现分区网络的多目标的同步控制问题。同时,基于Vicsek模型和Boid模型,研究了生物体集群动态网络的拓扑结构和动力学方程,提出复杂多智能体网络的协调控制策略。另外,从复杂网络的不同拓扑结构对合作涌现和资源分配的作用角度,评述了三个主要的博弈模型—少数者博弈、囚徒困境和雪堆博弈,研究了复杂网络的群聚系数和网络异质性等结构特性对个体的博弈行为的重要影响。最后第12章,我们简介其它课题的进展,讨论了网络科学面临的挑战,并展望了其应用与发展前景。     

非线性网络的动力学复杂性研究

综述了非线性网络的动力学复杂性研究在网络理论、实证和应用方面所取得的主要进展和重要成果;深刻揭示了复杂网络的若干复杂性特征与基本定量规律;提出和建立了网络科学的统一混合理论体系(三部曲)和网络金字塔,并引入一类广义Farey组织的网络家族,阐明网络的复杂性-简单性与多样性-普适性之间转变关系;揭示了网络的拓扑结构特征与网络的动态特性之间关系;建立具有长程连接的规则网络的部分同步理论并应用于随机耦合的时空非线性系统的同步;提出复杂网络的动力学同步与控制多种方法;提出若干提高同步能力的模型、方法和途径,如同步最优和同步优先模型、同步与网络特征量关系、权重作用、叶子节点影响等;提出复杂混沌网络的多目标控制及具有小世界和无标度拓扑的束流输运网络的束晕一混沌控制方法;提出集群系统的自适应同步模型及蜂拥控制方法;探讨网络上拥塞与路由控制、资源博弈及不同类型网络上传播的若干规律;揭示含权经济科学家合作网及其演化特点;实证研究并揭示了多层次的高科技企业网和若干社会网络的特点;提出一种复杂网络的非平衡统计方法,把宏观网络推进到微观量子网络.     

非线性网络的动力学复杂性研究

综述了非线性网络的动力学复杂性研究在网络理论、实证和应用方面所取得的主要进展和重要成果;深刻揭示了复杂网络的若干复杂性特征与基本定量规律;提出和建立了网络科学的统一混合理论体系(三部曲)和网络金字塔,并引入一类广义Farey组织的网络家族,阐明网络的复杂性-简单性与多样性-普适性之间转变关系;揭示了网络的拓扑结构特征与网络的动态特性之间关系;建立具有长程连接的规则网络的部分同步理论并应用于随机耦合的时空非线性系统的同步;提出复杂网络的动力学同步与控制多种方法;提出若干提高同步能力的模型、方法和途径,如同步最优和同步优先模型、同步与网络特征量关系、权重作用、叶子节点影响等;提出复杂混沌网络的多目标控制及具有小世界和无标度拓扑的束流输运网络的束晕-混沌控制方法;提出集群系统的自适应同步模型及蜂拥控制方法;探讨网络上拥塞与路由控制、资源博弈及不同类型网络上传播的若干规律;揭示含权经济科学家合作网及其演化特点;实证研究并揭示了多层次的高科技企业网和若干社会网络的特点;提出一种复杂网络的非平衡统计方法,把宏观网络推进到微观量子网络。     

超网络中标度律的涌现

本文构建超网络和复杂网络中统一演化模型,研究超网络无标度特性演化机理和拓扑性质.利用Poisson过程理论和连续化方法对模型进行分析,获得网络稳态平均超度分布的解析表达式.仿真实验和理论分析相符合.结果表明:随着网络规模的增大,这个动态演化网络的超度分布遵循无标度的特性.它不仅将每次增加一个新节点与若干个老节点围成一条超边的超网络模型和每次增加若干个新节点与一个老节点围成一条超边的超网络模型统一在一个模型中,而且将复杂网络中著名的无标度模型也作为我们模型的特例.     

网络科学与统计物理之间的联系与挑战

 世纪之交国际上诞生了一门新兴交叉学科——网络科学,在国内外遍地开花,迅猛发展。研究方兴未艾。网络科学的两大主要理论基石——图论数学与统计物理发挥了极其重要的作用。我们一直面对一个值得思考的问题:网络科学和统计物理(平衡和非平衡态)之间究竟有何内在联系？它们的主要前沿课题是什么？无标度网络理论的创立者艾伯特· 拉斯洛· 巴拉巴希(Barabasi)在其科普名著《链接》一书里的回答是:“寻找或发现网络的动力学普适规律及其网络拓扑结构、功能的关系就是前沿课题之一。”“我们需要攻克下一个前沿问题,就是理解在网络中发生的动力学过程。……是否有这样的可能:这些动力学过程有着一些共同的特征？” 大家确信:动力学共性肯定是存在的,只是迄今尚未完全构建成其普遍性的理论框架。复杂网络必然存在丰富多彩的平衡态和非平衡态统计物理过程,寻找复杂网络及广泛的复杂系统的理论基础离不开统计物理方法。与网络拓扑结构的普遍性相比,发展网络动力学共性的理论基础不可能离开统计物理方法的创新和发展,特别是非平衡统计物理将大有作为。进而,理论上自然提出的问题是,网络科学是否存在或需要建立一套包括动力学方程在内的网络科学的统一的基本理论体系？回答是肯定的。本文将分四部分来讨论上述问题。     

微重力科学进展

微重力科学是研究重力极大地减小的一种极端环境中的流体科学，材料科学，生物科学和技术，以及物理学若干基础问题的新兴学科，近年来，由于地面研究的加强，空间实验的增加以及实验定量化水平的提高，微重力研究取得了很好的进展。     

交通流驱动的含权网络

文章对含权复杂网络研究的最近进展给予了评述，特别报道了文章作者最近提出的一个交通流驱动的含权技术网络模型。这一模型能够同时给出网络连接度分布的幂函数律、网络强度分布的幂函数律、网络权重分布的幂函数律，以及高聚集性和非相称混合性等五大特征，因此成功地刻画了真实技术网络的无尺度性质和小世界效应     

核分析开放研究实验室

1998年我室负责国家自然科学基金重大项目“核分析技术及其在若干环境问题中的应用”顺利通过专家组验收，被评为优秀。国家攀登B项目“脑功能诊断技术的研究”取得显著进展，院重点项目“核分析新方法研究及在表面科学中应用”进展良好，与上海原于核所合作的院重大项目“现代核分析技术对生态系统若干前沿问题的研究”己取得成果。国家自然科学基金委“九五”重大交叉项目“发展近场技术，研究生物大分子体系特征”等课题也己起步。此外，还有面上基金及国际原子能机构台作项目多项。     

Advances in theoretical models of network science

In this review article, we will summarize the main advances in network science investigated by the CIAE Group of Complex Network in this field. Several theoretical models of network science were proposed and their topological and dynamical properties are reviewed and compared with the other models. Our models mainly include a harmonious unifying hybrid preferential model, a large unifying hybrid network model, a quantum interference network, a hexagonal nanowire network, and a small-world network with the same degree. The models above reveal some new phenomena and findings, which are useful for deeply understanding and investigating complex networks and their applications.      

Progress of nanoscience in China

Fast evolving nanoseienees and nanotechnology in China has made it one of the front countries of nanotechnology development. Ill this review, we summarize some most recent progresses in nanoseienee research and nanotechnology development in China. The topics we selected in this article include llano-fabrication, nanocatalysis, bioinspired nanoteehnology, green printing nanotechnology, nanoplasmonics, nanomedicine, nanomaterials and their applications, energy and environmental nanoteehnology, nano EHS （nanosafety）, etc. Most of them have great potentials in applications or application-related key issues in future.     

复杂网络中节点重要性排序的研究进展

如何用定量分析的方法识别超大规模网络中哪些节点最重要, 或者评价某个节点相对于其他一个或多个节点的重要程度, 这是复杂网络研究中亟待解决的重要问题之一. 本文分别从网络结构和传播动力学的角度, 对现有的复杂网络中节点重要性排序方法进行了系统的回顾,总结了节点重要性排序方法的最新研究进展, 并对不同的节点重要性排序指标的优缺点以及适用环境进行了分析, 最后指出了这一领域中几个有待解决的问题及可能的发展方向. 关键词： 复杂网络 节点重要性 网络结构 传播动力学     

基于活性网络模型的细胞组织模拟（英文）

在过去的十年中,由于细胞生物学的进步,将细胞组织作为活性物质的理论研究已经成为软物质物理学的一个新领域。本文综述了近年来基于细胞组织活性网络（AN）模型的理论进展。在介观尺度上,细胞组织的非平衡动力学主要由细胞的自我推进和其他非推进活动驱动,如主动收缩力或细胞张力/体积振荡。自推进细胞的AN模型可以再现体内细胞组织的复杂动力学,如活性/黏附驱动的固液转变、集群和活性湍流。结合细胞张力波动的AN模型还可以模拟果蝇胚胎细胞中的体积振荡波,并预测张力波动驱动的细胞组织固液转变。利用AN模型研究细胞组织的结构相变和密度涨落,加深了我们对这一独特的非平衡软物质系统的认识。     

矢志照亮全中国——徐叙瑢院士访谈录

通过对徐叙瑢院士读书、教学、科研几个方面的访谈,从求学西南联大、留学苏联、开展发光学研究等几个阶段,反映其献身科学与教育的人生历程与卓越贡献.     

Synchronization in complex clustered networks

Synchronization in complex networks has been an active area of research in recent years. While much effort has been devoted to networks with the small-world and scale-free topology, structurally they are often assumed to have a single, densely connected component. Recently it has also become apparent that many networks in social, biological, and technological systems are clustered, as characterized by a number (or a hierarchy) of sparsely linked clusters, each with dense and complex internal connections. Synchronization is fundamental to the dynamics and functions of complex clustered networks, but this problem has just begun to be addressed. This paper reviews some progress in this direction by focusing on the interplay between the clustered topology and network synchronizability. In particular, there are two parameters characterizing a clustered network: the intra-cluster and the inter-cluster link density. Our goal is to clarify the roles of these parameters in shaping network synchronizability. By using theoretical analysis and direct numerical simulations of oscillator networks, it is demonstrated that clustered networks with random inter-cluster links are more synchronizable, and synchronization can be optimized when inter-cluster and intra-cluster links match. The latter result has one counterintuitive implication: more links, if placed improperly, can actually lead to destruction of synchronization, even though such links tend to decrease the average network distance. It is hoped that this review will help attract attention to the fundamental problem of clustered structures/synchronization in network science.      

The PQCD approach towards to next-to-leading order: A short review

In this short review we elaborate the significance of resummation in k_T factorization theorem, and summarize the recent progresses in the calculations of the next-to-leading order contributions to B meson decays from the perturbative QCD (PQCD) approach. We also comment on the current status of the PQCD approach and highlight some key issues to develop it in the near future for more phenomenological applications.