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Deep Simplicity: Chaos, Complexity and the Emergence of Life, by John Gribbin 深?yuàn)W的簡(jiǎn)潔——從混沌、復(fù)雜到地球生命的起源, 約翰·葛瑞本 兒時(shí)曾做過(guò)一個(gè)夢(mèng)，至今記憶猶新。我和幾個(gè)小伙伴開(kāi)始了星際旅行，逐漸飛出地球、太陽(yáng)系、銀河系。。。我們繼續(xù)向黑暗的遠(yuǎn)處飛馳，看著銀河系在身后越變?cè)叫?。突然，前面有一個(gè)門(mén)，打開(kāi)門(mén)后外面是亮的，父親站在那微笑著對(duì)我們說(shuō)：“都出來(lái)吧，差不多要吃飯了！”在跨出門(mén)的那一刻我回頭一看，發(fā)現(xiàn)我們剛才經(jīng)過(guò)無(wú)限遙遠(yuǎn)飛行的太空其實(shí)是家里一間屋子里的星系模擬儀。我頓時(shí)很困惑，這個(gè)世界的“我”和剛才那個(gè)世界的“我”是不是同一個(gè)人呢？如果我繼續(xù)飛出這個(gè)世界，會(huì)不會(huì)在一個(gè)更大的世界里發(fā)現(xiàn)另一個(gè)“我”，而我們當(dāng)前的世界只不過(guò)存在于更大世界的一個(gè)屋子里甚至于原子里？如果繼續(xù)飛呢？ 小時(shí)候總是對(duì)這個(gè)世界充滿了好奇，最喜歡看《奧秘》、《飛碟探索》等雜志，不知道何時(shí)自己變成一個(gè)滿腦子塞滿了工作和賺錢(qián)的成年人。這本書(shū)為我找回了那種久違的興奮感，因此強(qiáng)烈推薦一下。作者從基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、經(jīng)典物理、化學(xué)、生物學(xué)、進(jìn)化論，逐漸引申到現(xiàn)代量子力學(xué)、分形、混沌學(xué)、復(fù)雜理論、基因遺傳學(xué)，真可謂融會(huì)貫通，令人震撼引人思考卻又絕不故弄玄虛。雖然很多學(xué)科我都學(xué)過(guò)，而且上學(xué)時(shí)隨導(dǎo)師參與了書(shū)中Santa Fe研究所的一些項(xiàng)目，對(duì)分形、混沌學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)、自組織、自適應(yīng)系統(tǒng)等都有所了解，但書(shū)中很多觀點(diǎn)仍讓我很震撼。由于涉及跨學(xué)科，總結(jié)起來(lái)很有難度，我這里只挑其中幾個(gè)小點(diǎn)，建議大家還是完整閱讀本書(shū)。 大系統(tǒng)的復(fù)雜性 近代科學(xué)起源于西方的“還原論”，即研究一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，先把它不斷分解/簡(jiǎn)化為小的部分，等每一部分研究明白了，再把他們拼裝回來(lái)。比如我們用簡(jiǎn)單的齒輪和杠桿，可以制造出復(fù)雜的變速自行車(chē)。這種方法一直很好使，但近來(lái)面臨越來(lái)越大的困難，即大系統(tǒng)的復(fù)雜性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果每個(gè)零件的可靠性為99.99%，那么由十個(gè)零件組成的系統(tǒng)的可靠性只有99.9%，一萬(wàn)個(gè)零件只有36.8%。我們知道單個(gè)零件的可靠性是不可能無(wú)限提升的，那么對(duì)航天飛機(jī)這樣的大系統(tǒng)怎么辦呢？只能增加備用系統(tǒng)，一個(gè)零件的可靠性為99.99%，加一個(gè)備用零件，可靠性就變?yōu)?9.9999%，但備用零件會(huì)使系統(tǒng)更加復(fù)雜。大系統(tǒng)的復(fù)雜性符合冪次律，是以指數(shù)增長(zhǎng)的，寫(xiě)一個(gè)100萬(wàn)行代碼的程序的工作量遠(yuǎn)大于10個(gè)10萬(wàn)行的。 這因?yàn)檫@樣，近年來(lái)“復(fù)雜”理論迅速興起，它借鑒了東方人的“整體論”思維，認(rèn)為整體大于部分之和，整體具有單獨(dú)所不具備的很多特性。比如分開(kāi)看是平淡無(wú)奇的骨頭、肌肉、皮膚、內(nèi)臟等，但合在一起就成為一個(gè)活色聲香的美女。 分形 分形（Fractal）通常被定義為“一個(gè)粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成數(shù)個(gè)部分，且每一部分都（至少近似地）是整體縮小后的形狀”，即具有自相似的性質(zhì)。從數(shù)學(xué)來(lái)看容易讓人暈，比如一條分形線的緯度可能是1.5維（不像直線是一維，長(zhǎng)方形是二維），但看過(guò)分形圖案后絕對(duì)不會(huì)忘記。下面是一些經(jīng)典的例子，大家可以上網(wǎng)搜索更多更炫的圖：  查看原圖分形的特點(diǎn)是表面上極度復(fù)雜的東西可能可以用極簡(jiǎn)單的規(guī)則生成。還有一點(diǎn)很有意思，就是自相似，在這里面無(wú)窮和反饋有著重要的作用。生物體的結(jié)構(gòu)有分形的特征。這使得構(gòu)建的原則可能很簡(jiǎn)單——也就是說(shuō)DNA并不需要存儲(chǔ)生物體發(fā)育成以后的形態(tài)信息，而只需要若干簡(jiǎn)單規(guī)則和對(duì)這些規(guī)則的重復(fù)使用。比方說(shuō)動(dòng)脈和靜脈分布的形態(tài)本質(zhì)上就是分形，它使得血液能夠到達(dá)身體的每一處，同時(shí)避免動(dòng)脈、靜脈本身占據(jù)太多空間而使其他器官無(wú)容身之地。正是潛藏于碎形結(jié)構(gòu)之下的簡(jiǎn)單規(guī)則，使得生物可以變得非常復(fù)雜，來(lái)應(yīng)世界的變遷以進(jìn)行演化。 如果宇宙也是分形的，那么一粒沙里會(huì)不會(huì)真的有另一個(gè)世界呢？ 冪次律（power law） 冪次律大家都很熟悉了，諸如都市人口、網(wǎng)站規(guī)模、博客關(guān)注人數(shù)、字匯出現(xiàn)頻率等，均呈現(xiàn)冪次法則現(xiàn)象，不過(guò)書(shū)中很多例子很有意思。 地震的尺度和發(fā)生的數(shù)目遵循冪次律——相對(duì)于每一千次的五級(jí)地震，大約會(huì)發(fā)生一百次六級(jí)地震、十次七級(jí)地震等。這個(gè)現(xiàn)象現(xiàn)被稱為“蓋坦堡-里克特定律”（Gutenberg Richter Law）。 再如城市人口，很明顯地，少數(shù)城市擁有非常多的人口，而大部分城市的人口較少。我們都依個(gè)人自由意愿決定居住于何處，但令人意外地，我們遵從了與地震發(fā)生的同一法則。不論以整個(gè)世界或特定區(qū)域，無(wú)論過(guò)去還是今天，結(jié)果都一樣。 如果你考察暢銷(xiāo)書(shū)作家的成績(jī)，或者富人財(cái)富的分布，你會(huì)發(fā)現(xiàn)每4個(gè)身價(jià)超過(guò)1億美元的富人中，會(huì)有一個(gè)身價(jià)超過(guò)10億的，而每4個(gè)身價(jià)超過(guò)10億的人中，又會(huì)有一個(gè)超過(guò)100億的。100億級(jí)別富人看10億級(jí)別富人，就好想10億級(jí)別富人看1億級(jí)別富人一樣。 最后舉一個(gè)著名的冰凍馬鈴薯試驗(yàn)。用冰凍馬鈴薯朝墻上扔使其碎成小塊，將碎片依照重量放入不同箱子（像之前統(tǒng)計(jì)地震一樣），也會(huì)找到冪次律。之所以用冰凍馬鈴薯，是因?yàn)樗榱训姆绞脚c大石塊相撞后碎裂的方式相似，因此我們可以更深入了解，像火星和地球等被小行星撞擊后的效果。這表示，如果你像只螞蟻一般大，在這些碎片中周游，你看到的景象（以統(tǒng)計(jì)而言）與你變成瓢蟲(chóng)般大小在其間行走看到的并無(wú)二致！ 混沌理論 “相對(duì)論消除了關(guān)于絕對(duì)空間和時(shí)間的幻想；量子力學(xué)則消除了關(guān)于可控測(cè)量過(guò)程的牛頓式的夢(mèng)；而混沌理論（Chaos theory）則消除了關(guān)于決定論式可預(yù)測(cè)的幻想”?；煦缋碚摻忉屃藳Q定系統(tǒng)可能產(chǎn)生隨機(jī)結(jié)果。初始條件十分微小的變化，經(jīng)過(guò)不斷放大，對(duì)其未來(lái)狀態(tài)會(huì)造成極其巨大的差別。 村民抱怨過(guò)去一年停電了好幾次，電力公司則對(duì)每一次停電都有完全合理的解釋?zhuān)淮问且驗(yàn)轼B(niǎo)飛進(jìn)高架電線，一次是因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)把樹(shù)吹到在電線上，一次是因?yàn)殚W電......。但村民還是深信電力系統(tǒng)本身有問(wèn)題。現(xiàn)在混沌理論告訴我們，這一連串的區(qū)域性災(zāi)難，必然發(fā)生于電力網(wǎng)路上，但我們無(wú)法知道何時(shí)何處。 恐龍滅絕只是五次類(lèi)似災(zāi)難的一次，而且也不是最大的。地球上生命的滅絕，似乎不都是太空來(lái)的撞擊造成。某些滅絕可能因隕石撞擊造成，某些可能由冰河時(shí)期引發(fā)。但我們知道，并不需要一次重大誘因，便能引發(fā)重大事件，任何尺度的滅絕可能由任何尺度的誘因?qū)е?。我們完全無(wú)法預(yù)測(cè)下一次橫掃生態(tài)網(wǎng)路的滅絕程度的大小，正如無(wú)法預(yù)測(cè)一下舊金山地震的規(guī)模。 在某些狀態(tài)下，由幾乎相同狀態(tài)發(fā)展出的系統(tǒng)，由于初始條件的微小差異，或偶爾一個(gè)小小誘因，將造成最終現(xiàn)象的極大改變，并很快地演變出完全不同的結(jié)果，我們無(wú)法計(jì)算系統(tǒng)隨時(shí)間產(chǎn)生的變化，特別是面對(duì)處于混沌邊際的發(fā)散系統(tǒng)。前者的小誤差，會(huì)造成后者極大的錯(cuò)誤。預(yù)測(cè)將成為不可能的事，我們面對(duì)的是偶發(fā)現(xiàn)象。這類(lèi)由初始條件造成的天氣（以及其他系統(tǒng)）的敏感性，常被稱為“蝴蝶效應(yīng)”。生命與無(wú)生命系統(tǒng)，都遵循著同樣深?yuàn)W的宿命。在各式各樣的可能性中，無(wú)論初始狀態(tài)如何，也無(wú)論所選定對(duì)生命系統(tǒng)的沖擊如何，都將會(huì)到達(dá)位于混沌邊緣、自我組織的臨界狀態(tài)，此時(shí)偶爾一個(gè)小小誘因，都可以使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生巨大改變。而生命也確實(shí)如此。唯一能詳盡描述宇宙的系統(tǒng)，就是宇宙本身。除了看著它演變，我們也完全無(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)。 從另一個(gè)角度，也說(shuō)明了時(shí)間的方向性。十九世紀(jì)中期，所有物理科學(xué)所知的現(xiàn)象，都可用牛頓定律與馬克斯威爾電磁方程式來(lái)處理，但這兩者沒(méi)有時(shí)間方向性（即運(yùn)動(dòng)是可逆的）。在真實(shí)世界中，封閉系統(tǒng)的混亂度隨時(shí)間增加（東西會(huì)衰?。造兀╡ntropy）的必然增加可以定義出時(shí)間的方向，也就是從有秩序的過(guò)去指向混亂的未來(lái)。在宏觀的尺度上，宇宙以不可逆的方式運(yùn)作——你永遠(yuǎn)不能把事物變回過(guò)去的狀態(tài)。這也是我們的印象中為什么總是看到玻璃杯從桌子上掉下摔個(gè)粉碎,而從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)碎掉的玻璃碴在返回到桌面重組成。所謂"覆水難收"不過(guò)時(shí)人類(lèi)對(duì)時(shí)間箭頭的無(wú)意識(shí)的慨嘆吧! 生命誕生于混沌的邊緣 先看一下著名的“沙堆模型”：桌上每次滴一粒沙，形成沙堆，并開(kāi)始有沙滿出桌面，掉落到地上。系統(tǒng)此時(shí)處于臨界的自我組織狀態(tài)，依賴落下的沙粒帶入能量。每加入一粒沙可能引發(fā)一次大規(guī)模沙崩，或一系列小沙崩，或讓新沙粒巧妙地平衡于沙堆上，但沙堆一直處于接近臨界狀態(tài)。 秩序和平衡體現(xiàn)的是熵增加的世界末日規(guī)則，本身沒(méi)有太大意思，因?yàn)槭裁炊紱](méi)發(fā)生，生物體最接近平衡狀態(tài)的時(shí)刻是“死亡”。而混沌走到了另一個(gè)極端，一切都不能穩(wěn)定，一切都不可預(yù)測(cè)。在秩序和混沌的邊緣，會(huì)出現(xiàn)一種自我組織的臨界狀態(tài)，一種奇妙的復(fù)雜方式繁衍、生長(zhǎng)、分裂和重組的規(guī)則，一種相變行為，這也被稱為復(fù)雜系統(tǒng)。宇宙間有趣的事物，都是處于混沌邊緣不斷變化、自我調(diào)整的系統(tǒng)，包括了最復(fù)雜的人類(lèi)生命。生命正是誕生于這樣一種從底層冒出來(lái)的，沒(méi)有中央控制的涌現(xiàn)現(xiàn)象。這就是生命出現(xiàn)的途徑——在具有足夠數(shù)量連接（各化合物）的化學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)路中，以相轉(zhuǎn)移的方式發(fā)生。如果網(wǎng)路連接得不夠，生命不會(huì)存在，但多加入一兩個(gè)連接，生命不但可能而且是無(wú)可避免地出現(xiàn)。如考夫曼所言，“生命因?yàn)榇呋芈繁旧碓谀骋慌R界多樣性的分子回路中形成而產(chǎn)生”。人體細(xì)胞運(yùn)作的網(wǎng)路可以將每個(gè)基因當(dāng)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而其間的關(guān)聯(lián)就像串接鈕扣的線。涉及的基因數(shù)介于3萬(wàn)到10萬(wàn)，即使用最先進(jìn)的電腦也無(wú)法描述這個(gè)網(wǎng)路的行為。當(dāng)然，雖然利用身體中流動(dòng)的能量（與食物）保持穩(wěn)定的身體狀態(tài)可達(dá)數(shù)年之久，但穩(wěn)定狀態(tài)終究會(huì)被不可知的原因打破。 即使像我們這種宇宙間最復(fù)雜的生物，也是從簡(jiǎn)單的規(guī)則中產(chǎn)生。我們?cè)谥車(chē)澜缢?jiàn)到的復(fù)雜行為——甚至在生命世界中——只是“從深?yuàn)W的簡(jiǎn)潔中所浮現(xiàn)出的復(fù)雜表象”，宇宙間任何有趣的事情，包括各種自然現(xiàn)象和人類(lèi)社會(huì)，盡管看起來(lái)很混沌，很復(fù)雜，但實(shí)際上都遵循背后深?yuàn)W而簡(jiǎn)單的規(guī)則?；煦绾蛷?fù)雜遵循簡(jiǎn)單法則。對(duì)簡(jiǎn)單法則長(zhǎng)久積累出的科學(xué)認(rèn)知能成功地解釋?zhuān)m然無(wú)法預(yù)測(cè)）看似無(wú)法解釋的天氣系統(tǒng)、股票市場(chǎng)、地震，甚至人類(lèi)。 遠(yuǎn)方的生命 在探索火星生命時(shí)，有科學(xué)家提出以熵衰減來(lái)判斷（不同的）生命跡象。銀河（與其他螺旋星系一樣）是熵衰減的區(qū)域，利用流入能量、經(jīng)由反饋來(lái)維持非平衡狀態(tài)的自我組織系統(tǒng)，從這個(gè)意義上星系應(yīng)該被視為有生命的系統(tǒng)。 地球大氣層保持在一個(gè)似乎穩(wěn)定的狀態(tài)已經(jīng)幾億年，“大氣必定受到某種規(guī)范，使其保持固定的組成。而且，若大部分的氣體是來(lái)自生命組織，地表上的生命必定主控調(diào)節(jié)”。地球有“自我調(diào)節(jié)”的功能，硫的循環(huán)，鐵的循環(huán)，二氧化碳的波動(dòng)，以及與生物、微生物的互動(dòng)——如此錯(cuò)綜復(fù)雜、卻又如此相互呼應(yīng)；如此殘酷的爭(zhēng)奪資源，卻又如此相互契合。毫無(wú)生命主觀意識(shí)的地球，憑借附著其上的那些生存利益糾纏敵友莫測(cè)的生物圈，可以如此“智慧”的調(diào)節(jié)、繁衍甚至進(jìn)化，同時(shí)也保障了地球上生物和基因的延續(xù)。我們通常習(xí)慣談一個(gè)物種的進(jìn)化，當(dāng)我們更進(jìn)一步，將會(huì)發(fā)現(xiàn)許多理由讓我們應(yīng)該將進(jìn)化對(duì)象視為整體系統(tǒng)（生物加系統(tǒng)）。這也讓我不由懷疑地球其實(shí)是有生命的。雖然它不能自由移動(dòng)，正如地球上的“植物”。 當(dāng)人們能操作地球移動(dòng)，或者建造一個(gè)巨大的“動(dòng)球”，從而脫離銀河系四處獵食，吃地球這樣的“植物星球”（植食性），或者其他“動(dòng)球”這樣的“動(dòng)物星球”（肉食性）。這時(shí)有一個(gè)巨人通過(guò)他的顯微鏡觀察這些“動(dòng)球”，正如我們現(xiàn)在觀察微生物一樣，他可能會(huì)認(rèn)為“動(dòng)球”是生物，但人只是其中一個(gè)細(xì)胞或組件——雖然我們自認(rèn)為是萬(wàn)物之靈，擁有有自由意志。 http://blog.sina.com.cn/s/blog_55165cba0101es2r.html … |
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來(lái)自： 老莊走狗 > 《社會(huì)和歷史》
