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物理学家首先从生命现象的观察出发，对古典热力学的平衡态理论提出质疑。量子生物学对生命现象的物理机制提出卓有远见的猜想。突变论、协同论对复杂系统的行为描述进行了初步的探索。不同学科的发展为复杂系统研究的突破开辟了道路。
对注意观察实际生活的理论家来说，有一系列的新问题可以促使他们超越均衡观的局限，注意到世界多样性的起源。第一个问题是生命的起源。如果世界是稳定和均衡的话，生命就不可能产生和演化。请注意生命演化的前提还不是达尔文的物种演化，而是生命发生前化学结构从无到有的演化。达尔文理论的前提必须先有遗传性能的大分子，才能有后面的物种演化。最开始宇宙是一个均匀的气体或称为“原始汤”的液态，它怎么会演化产生出非均匀的分子结构，并从低分子演变到高分子结构呢？
第二个问题是关于宇宙的起源。现在最时髦的宇宙学是宇宙大爆炸理论，那么爆炸以前呢？除了真空什么也没有。这也是一个非常有争议的理论。科学史上一些理论的荒谬是从某个成功的理论中无限外推而产生的。任何理论的有效都有一个极限，找到这个极限就可以做一重大的改良。爱因斯坦的广义相对论在解释行星、恒星运动时非常成功。爱因斯坦的基本想法就是把一个生命的、动态的、多样化的世界简化成一个静态、几何化的世界。经济学中的均衡观也是一个类似的几何观念，例如，微观经济学中的描写帕累托最优（Pareto Optimum）的艾奇沃思盒（Edgeworth Box），就是均衡经济的静态几何观的典型表现。但是，几何化的办法在解释生命社会现象并不成功。
第三个不能回答的是李约瑟问题，涉及经济学的范围，即近代科学和工业的起源、资本主义的起源，为什么会在西欧而不是中国，不是阿拉伯或印度？
第四个问题是市场经济持续波动的原因。这一问题在经济理论上的严重性是在20世纪70年代以后才被人们认识的。20世纪30年代大萧条促使凯恩斯挑战古典经济学的信念，所谓看不见的手会自动达到市场稳定与充分就业，这个信念已经动摇。但凯恩斯的信徒们发展了经济控制论，把工程控制搬到经济学中。在20世纪60年代美国经济鼎盛期，他们一度认为美国的经济波动已经消灭，经济周期（business cycles）这个概念已过时。他们信心十足地认为政府可以对宏观经济进行“微调”，好像政府有经济控制的旋钮一样。但很快石油冲击和越南战争发生，通胀来了，黄金与美元被迫脱钩，这些都使经济学家重新认识到经济波动的持续存在。
人们要问为什么经济发展会有波动和不稳定。不稳定性的来源一定和控制论研究的主题——负反馈机制相反的问题有关（非优问题）。历史上有远见的学者可能会把问题提出得非常早，但能否受到社会的普遍关注还有待历史的进程。正如库恩在《科学革命的结构》中所言，科学规范的演变不光是科学家内部逻辑演变的结果，而且和社会思潮变迁的推动有很大关系（Kuhn，1962）。假如你相信新事物的产生满足大数定律，资本主义产生的必然性是普遍有效的话，那么科学革命应该发生过很多次，而生命的产生也有很多次了。尽管不少技术的发明有重复性现象，然而很多事实表明，生命与科学的产生是一种非常偶然的现象。以上几个问题都涉及怎么解释从无序到有序、从非优到优、从比较简单地到比较复杂的东西。古典科学的理论，包括优化理论、线性稳定性理论不能回答这些问题，是否能够探索具有非线性特点的非优性，能够从一定角度来解释这些现象。
在复杂系统研究中，一个重要的先驱者是奥地利物理学家薛定锷，他是量子力学的创始人之一。在其《生命是什么》的著名讲演中，他认为古典力学和平衡态热力学的理论是难以理解生命起源的。他尝试用量子现象来研究生命（Schrodinger，1944）。他提出了三个非常重要的猜想，这三个猜想都对后来的科学发展起到了非常重要的贡献，虽然当时这些猜想只是定性的，没有给出任何定量的方程。他的第一个猜想是，演化的基础必须是亚稳态。假如在平面上放一个球，那是不稳定的，就好比游牧民族；如果把球放进一个无穷高的位垒，它一定是非常稳定的，状态很难变化。中国的封建社会这么长，就是位势太高了。如果你既要解释这个系统的稳定性又要解释这个系统的可变性，描写的办法是在这二者之间找一个中间态，它的“位垒”是有限高的。这样，对一个多稳态的系统，外面有一个干扰，如宇宙线的打击，或者其他文明的冲击，就会使粒子状态发生跃迁，从能量较低的亚稳态跃迁到能量较高的亚稳态。他的第二个猜想是，生命秩序的结构形态应当是非周期性的晶体。如果是晶体点阵就太规则了，静态的结构很难变化；像气体那样完全没有规则也不行。如果要有生命，只能是在晶体和气体之间的中间结构，他称作非均匀非周期性的晶体。薛定锷的学生们在生物实验中研究了蛋白质大分子的结构，终于发现遗传密码，其研究思想来自薛定锷。薛定锷的第三个猜想是，结构演化的度量应当是负熵。如果信息熵测量的不是秩序，而是无序的程度，那么秩序的测量就应该倒过来，是负熵。如果生命的演化是从无序到有序、从低级到高级，那么就标志着负熵的增加，所以负熵是秩序，熵是无序。因此可以说明这种无序性是产生系统非优的原因，并且“系统熵”与“系统非优”必然有直接的联系。
前面所说的是一些理想实验或定性猜测，没有发展成系统的数学方法。1963年，法国数学家汤姆（Thom）提出了突变论（catastrophe theory），开始时轰动了很多领域。突变论研究的是保守系统，理论上可以有一个势函数。不同模型的变量数不同，可能发生突变的类型也就不同。可以从拓扑学上对突变类型加以分类。最熟知的突变例子就是物理学中的相变。突变论迅速被用于许多先前被认为无法用数学描述的现象，例如一只狗为什么会突然咬人或逃走，囚犯为什么会突然暴动或退缩，股票为什么会突然暴涨或暴跌，等等，都有人设想出某种势函数来加以描写（Zeeman，1977）。但这股风潮受到苏联著名数学家阿诺尔德（Arnold）的严厉批评。阿诺尔德指责汤姆没有发现任何新的问题，只是将已知的例子（例如相变）贴上了数学名词的新标签，而诸如心理学、股市运动之类新的势函数的存在，理论上根本无从说明。从经验科学的标准而言，突变论是一个失败而非成功的例子。但是，如果从系统非优的角度来探讨突变论，也许能够得到更好的结果，同时还能够发现，系统的“非优现象”是突变，因此建立“非优系统”的突变模型也是突变理论研究的新路径。
在探索系统复杂性方面较有影响的还有德国物理学家哈肯（Haken，1977）提出的协同学（Synergetics）。复杂系统从数学而言是多体问题，从物理学角度来说研究的是集合行为。这么多变量数学上怎么处理？经济学界有一个著名的奥地利学派，他们根本就不相信一个社会经济系统可以用数学来描写。他们认为经济系统太复杂了。描写一个人应该有多少变量？人的自由意志也许该有无穷多个变量。这样一来，社会研究便只能讲历史故事，没什么科学模型可做了。
复杂系统研究的主要问题是怎样把一个无穷多变量的系统简化成一个相对简单的低维数系统，从而有助于定量研究复杂系统的规律。协同学的核心是所谓奴役原理（slave principle）。哈肯提议把变量分类：一部分是慢变量，一部分是快变量，在相对短的时间尺度内假设慢变量不起变化，可以视为常数，这就大大简化了系统的描述。这一方法在物理学中有广泛的应用，通常称作“绝热近似法”。但对经济学来说奴役原理很难应用，因为经济学中很多变量的变化率是同一个量级的。物理学可以通过可控制实验来减少变量数，但社会问题很难做可控制的实验。哈肯本人想到的经济中的慢变量是语言和文化，这在经济学模型中很少给以考虑（Haken，1998）。所以协同学在经济学中影响很小。但是，如果将系统非优思想引入多变量的社会经济研究领域，也许能得到意想不到的结果。