1704611932
增长的本质：秩序的进化，从原子到经济 第三章 永存的异常
1704611933
1704611934
时间的不可逆性为我们在混沌中带来了秩序。
1704611935
1704611936
——伊利亚·普里高津
1704611937
1704611938
我们都曾一度妄想能够逆转时间。时光重来能让我们避免很多错误，有大有小，但错误的大小其实并不重要，它们全都不可避免。时间的齿轮只能向前转动：从古至今，从少至老，从生至死。1
1704611939
1704611940
时间的不可逆性是一个引人注意的物理现象，和地心引力一样，看起来需要一个明确的解释，但是并没有。事实上，直到20世纪，时间的不可逆性都是一个让许多极为聪明的人困惑不解的谜。艾萨克·牛顿和阿尔伯特·爱因斯坦都成功推导了一些运动学定律，使得逆转时间在理论上成为可行。2他们解释了炮弹、行星和卫星的运动，并不需要明确说明物体从哪里开始、运动到哪里结束。这种“起始”和“终止”可随意转换、互相对程的性质，对于简单的运动系统来说也许是正确的，但却并不能够解释为什么狮子会吃掉并消化角马而不是反刍出一整只活的角马，以及为什么被撞烂的布加迪威龙汽车不能自行重组成一辆跑车。
1704611941
1704611942
我们之所以对时间的不可逆性兴趣盎然，不仅因为这是一个吸引人的自然谜题，更因为它与信息的物理性起源息息相关。尽管时间的不可逆性和信息的物理性起源都是宇宙的特性，但这些特性并不能够被牛顿或爱因斯坦的运动定律所解释，即使这些定律在简单物质的运动系统中畅行无阻。恰恰相反，时间的不可逆性和信息的物理性起源这些宇宙的固有属性，只能在那些研究和解释大量物体的宏观运动的理论中寻求解答。这是个认知寥寥的理论领域，在该领域中，关于轨道（物体行进的轨迹）的理论知识毫无意义。令人吃惊的是，当“轨道”这个概念毫无意义的时候，“时间”出现了。
1704611943
1704611944
时间的不可逆性和信息的普遍性相结合，缔造了一个前所未有的大谜团。我们将会看到，时间的不可逆性紧紧联系着从有序到混沌的宇宙进程。但自从人类有所察觉以来，我们的星球一直在做相反的事：地球上信息的数量看起来是在稳定增长，而不是萎缩。
1704611945
1704611946
地球上信息的普遍增长是一个违反19世纪物理常识的事实。虽然当时的物理学家往世界中探头一望就会发现世界在加速复杂化，但是他们同时也对玻尔兹曼所提出的信息随时间推进而削减的理论深信不疑：吉他发出的声音会随着声波在空气中的传递而消散殆尽；水塘中因为卵石激起的涟漪会慢慢归于平静。19世纪的物理学家们对于这种信息的泯灭给予了解释，但是却并不能够说明为什么信息在宇宙这个边界明确的大口袋里无缘无故持续增长。
1704611947
1704611948
当查尔斯·莱尔和查尔斯·达尔文在19世纪提出我们的地球并非如《圣经》中所提到的那样存在了6 000年，而是数十亿年时，人们对秩序的悖论愈加关注。这一引人注目的新发现意味着这种被所有人注意到的信息的异常增长已经持续了数十亿年，但是这种“异常”是短暂的——它们并不会是永存的，我们需要一个解释。所以，唯一能从这一明显的矛盾中得出的结论是，我们对于自然的解释缺少了重要的一环。现在信息持续增长，但没有人知道为什么。
1704611949
1704611950
玻尔兹曼最杰出的成就源自1878年的一篇论文，其中提到由许多粒子组成的系统会慢慢趋向于少量信息的状态，这被称为热力学第二定律。其实早在几十年前，鲁道夫·克劳修斯就构想出了这个理论，只不过当时其方程十分繁复。热力学第二定律表明封闭系统的熵值趋于增长，意味着一个系统会从有秩序演变至无秩序。想象在一杯清水中滴入一滴墨水：那滴墨水最初会在水中形成形状瑰丽的漩涡，这种起始状态可称为“信息丰富”；墨水在水中能通过极少的方式形成某种特定图案，但是墨水小粒子却能够通过多种途径在水中达成基本匀称；而这种充分扩散、保持均匀的最终态，称为“信息匮乏”——因为有许多其他状态都与最终态近乎一致。所以，当你在一杯水中滴入一滴墨水时，你正在见证时间的流动：它从“信息丰富”慢慢趋向“信息匮乏”。宇宙随着时间流逝从混乱而少见的结构慢慢成为一种稳定的常态，而玻尔兹曼的理论完美地解释了这一现象。
1704611951
1704611952
然而，宇宙中却到处都是与墨水扩散相反的事例，比如婴孩的成长，比如森林火灾后的自然植被再造，表面上来看，这些事例所包含的信息和其复杂性都在持续增长。那么，这些“凭空”增长的信息源自哪里呢？在早期由玻尔兹曼和麦克斯韦预测，而后被亥姆霍兹、吉布斯和爱因斯坦的热力学所具体阐释出的宇宙，是一个如墨水扩散之后的均一“原始汤”——在这个“原始汤”中，没有信息和自由能（即，没有能量可以用来做功）。3
1704611953
1704611954
在20世纪，我们对于时间流动和信息的物理来源的更深刻的理解，有助于我们去解释现实社会的物理性质。新的理论表明信息的增长并非一种“异常”，而是在预料之中。实际上，由于新理论只是在原先的基础上添加了新的定律来将时间的矢量流动和信息的起源纳入考量，该理论与爱因斯坦和牛顿的动力学或玻尔兹曼的统计学并不矛盾。在新理论的研究领域，统计物理学家伊利亚·普里高津——出生于俄罗斯，后在比利时被抚养长大——的地位举足轻重：出于对非平衡热力学的贡献，尤其是耗散结构论，普里高津于1977年被授予诺贝尔化学奖。普里高津提出了许多重要的见解，而其中一条值得我们在此细究：“信息在处于非平衡但稳定的物理状态下的物理结构中，会自发产生。”4这句话概括出了信息的物理来源。看上去十分难以理解，然而，如果我们考虑一系列的实例去印证它，我们将意识到该理论并不复杂。所以接下来，我将解构普里高津的理念，使其含义变得显而易见。
1704611955
1704611956
为了更好地理解信息的物理来源，我们要先明确一些概念。首先是“稳恒态”，其次是“动稳态”和“静稳态”的区别。一个简单的静稳态的例子是掉入碗里的石子。我们都知道一小段时间过后，石子会静静待在碗底：这就是一个静稳态。
1704611957
1704611958
让我们考虑一个更加有趣的例子：假如我们向一个空盒子中充入气体然后稍等些许时间，盒子内左侧所含的气体将等于盒子内右侧的气体，这时，盒子内的气体达到了稳恒态。不过，这与先前我们所提到的小石子的稳恒态并不相一致：在这个充满气体的盒子中，分子并不会静止在一个固定的位置上，它们会不断移动，而当从左至右移动的分子数量等于从右向左移动的分子数量时，就达到了稳恒态。具体来说，这个充满气体的盒子（如同先前墨水扩散的例子）代表的是动稳态。
1704611959
1704611960
现在让我们来构想一下非平衡系统中的稳恒态，比如一个非常经典的例子：清空浴缸时水流产生的漩涡。一旦拔开塞子让水顺着排水口向下冲流，挤压在排水口上面的水就会形成一个漩涡——只要仍然有水在这个系统中流动，这个漩涡就是一个稳恒态。并且，因为这种漩涡并不会自发地在平静的水面上产生，以至于比较少见，因此这个稳恒态还是一个“信息丰富”的状态。5不同于静止的水面，漩涡具有很高的结构性——水分子不是向随机的方向流动，而是根据附近移动的水分子的速度和轨道来决定自己的流动速度与轨道。漩涡这种“信息丰富”的状态是自发出现的，或者说，是从一个非平衡系统中自然生成的。套用之前提到的概念，我们可以说漩涡是一个体现“信息在非平衡物理系统的稳恒态中自发产生”的实例。
1704611961
1704611962
我们还可以举出很多漩涡这样的例子来体现秩序（信息）是如何从非平衡状态中自发形成的，例如香烟的气旋或篝火那迷人的跳动，甚至你电脑屏幕的光（因为当你刚打开电脑时，电脑屏幕肯定是处于非平衡状态的），同理，你和你的手机也是非平衡物理系统的实例。对于你自身来说，吃饭是为了保持非平衡（如果处于平衡状态，则没有能量做功，人体无法运动）；而对于你的手机来说，你每晚为它充电也是为了使其保持非平衡。
1704611963
1704611964
普里高津意识到虽然玻尔兹曼的理论是对的，但这个理论并不能解释我们在地球上所观察到的现象：因为我们的地球是一个在趋于平衡的更大的系统——宇宙——里面的非平衡系统。事实上，我们的地球从未显现过趋向于任何形式平衡的迹象。太阳向地球辐射的能量和地核本身的核衰变源源不断地给地球提供生成信息所需要的能量，从而维持了地球的非平衡状态。这样看来，我们可以把我们的地球想象成一个在浩瀚荒芜的宇宙里的信息小漩涡。
1704611965
1704611966
普里高津意识到为了获悉宇宙的“信息丰富”本质，他需要理解非平衡系统的统计学特性。这些非平衡统计学特性和玻尔兹曼的平衡系统中的特性不一样，差别在于，非平衡系统中信息会自发产生。普里高津的突破在于提出了一些适用于非平衡系统的数学定律与原理。他的研究表明，宇宙拥有一个奇怪的结构模式——信息往往伴随着混乱而产生。这就像在一个平底锅里烧水。首先想象只开点小火，那么锅底的一小部分水将会升温：这些分子会开始加速运动。但是如果在此时快速关掉火，锅里的水绝不会持续蒸腾、自行形成一个“信息丰富”的状态。现在想象让火持续加热，随着水分子开始加速运动，液体开始翻滚：这是一个包含信息的混乱状态，就如同香烟的气旋。如果持续加热直至平底锅内的水分子进入一个上下对流的动稳态——这时，水流变得有秩序起来。由此可见，紧随混乱之后，系统会形成一个高度组织化的状态，其内部相互关联且充满信息。因此，普里高津证明物质在非平衡系统中达到的稳恒态往往是有序的动稳态：混乱后即是信息（秩序）。
1704611967
1704611968
了解到非平衡系统趋向于“信息丰富”的动稳态这一特征，我们能够更好地理解信息的来源。在一个类似于地球非平衡系统里，信息的自发产生并不足为奇——这个现象通过解释，不再是一个“异常”。但是坏消息是，熵一直潜伏在“信息丰富”——这对于平衡系统来说仍是一个“异常”——的边缘，等待着毁灭这些“异常”的机会：浴缸里的水形成的漩涡在我们把塞子塞回排水口或水排干的瞬间就会消失。这让我们联想到，宇宙在破坏非平衡状态所无偿赋予我们的“信息丰富”这种稳恒态时，也同样出手迅猛。但是信息找到了一种反击的办法——粘性。由此，我们生活在一个信息足够的“粘”以至于可以被重组和重建的星球上。这种对生命与经济的出现至关重要的粘性也与一些基本的物理特性相联系。
1704611969
1704611970
第一个促使了信息粘性的机制与“热力学势”这个概念有关，这听起来又是一个很复杂的概念，然而并非如此。我们只需要了解，物理系统的稳恒态可以表示为一个热力学数学公式的最小值，也就是热力学势（好比平衡系统中的零势能）。尽管我们对高中物理中势能的基本概念都颇为熟悉——我们都十分清楚石子最终会静止在碗底是因为在那个点上小石子的势能最小，但现在的问题是，并不是所有物理系统的稳恒态都使势能最小化：许多稳恒态最小化或最大化其他参数（例如，在盒子里静止不动的气体最大化熵），但是既然我们主要对控制非平衡系统的势能有兴趣，我们暂且排开这里所有的其他参数。所以，像浴缸漩涡这种非平衡系统最小化的势能又是什么呢？1947年，普里高津证明，非平衡系统的稳恒态最小化熵产生。6这意味着，非平衡系统自发趋向于稳恒态，且秩序自发出现来最小化信息破坏。
1704611971
1704611972
普里高津先假想一个接近平衡的系统，这个系统拥有一个稳恒态和多个瞬态，通过构想，普里高津推导出了他的理论。由于建立在一个非常有限的假设上，普里高津的理论并不能立刻被应用在极其非平衡的系统中，尤其当那个系统还可在多个稳恒态中进行选择时。事实上，虽然真相还没有盖棺论定，但很多人认为极其非平衡的系统会选择最大化熵产生的稳恒态。7不过，这个最大化熵产生原理与普里高津的最小化熵产生原理并不矛盾，因为在稳恒态下最大化熵产生仍会比瞬态下带来更小的熵的产生。尽管如此，既然我们的目标并不是探究非平衡系统统计物理的复杂性，而是解释信息的来源，我们则完全不必被以上这段话冲昏头脑。所以，我们暂且不谈极其非平衡系统有什么是能控制的，而是来做一个结论：这种势能，无论是最小化还是最大化熵产生，还是在统计过程中的不可逆性，都可被体现在自发形成的系统状态中，而这种状态内在相互关联紧密、比瞬态耗散少，并且生产能够促发生命起源的物理秩序；普里高津和格雷瓜尔·尼科里斯曾在1971年发表的一篇讨论非平衡系统与生命的联系的杰出论文里注解道：“一般而言，在热力学平衡周围的系统结构非常容易受到破坏，而很少在热力平衡系统本身上发生；相反，……新的结构很可能在其系统中生成，在新的结构中，不适用于稳恒态的某些特殊的非线性动力学定理同样维持着这些新结构的基础热力学表现。”8
1704611973
1704611974
统计物理系统生成信息并在非平衡的条件下持有这些信息，但是这些系统本身具有的流动性使人们很难看出这些系统是如何长时间保持那些信息的：浴缸中的漩涡很快就会消失，而香烟烟圈那种浪荡的美感也会随着其扩散至朦胧烟雾之中而慢慢消散。非平衡系统的统计学性质可以帮助我们了解信息不受人类摆布的起源，但并不能帮我们探究信息的耐久性。然而，正是信息的耐久性让信息可以被重组、可以发展出生命与经济。所以，信息的耐久性与其来源一样重要——因为如果没有耐久性，信息就无法重组来产生更多的信息，而这些重组又恰恰是我们所需要的。然而，那些用来解释信息起源的定律并不能够确保信息经得起时间的消磨，所以，还有些我们至今尚未提到的关键之处。
1704611975
1704611976
埃尔温·薛定谔，1933年诺贝尔物理学奖获得者，在其1944年出版的书《生命是什么》中写道，我们不能试图通过单纯研究示例中的流体系统来了解物体中所体现的信息的耐久性。烟雾、水漩、墨水滴和气体都是流体，它们的瞬息性都源于流动性——所以，信息具有粘性并可以被重组的第二个原因，是信息可以被固体所体现和携带。再回头考虑浴缸漩涡那个例子，这次假设你拥有一个让你稍稍动动手腕就可以使浴缸与漩涡结冰的魔杖；9再想象我们拿出一个冰锥把漩涡从大冰块里面凿出来，此时，你手中拿着的就是一个小信息量子。只要你不解冻这个漩涡，在那个“信息丰富”稳恒态中的一部分信息就会持续存在。10通过使漩涡凝固，我们困住了在流体世界中产生的信息，从而得到构建世界复杂性的信息晶体。
1704611977
1704611978
据我所知，想要冻住一个漩涡是不可能的，但仅是想象这样一个画面，就能够帮助我们理解固体对于信息持久和进化的重要性。薛定谔在他的书中强调道，固体对解释生命的“信息丰富”这一性质十分关键。薛定谔和同时期世界上的其他任何一位生物学家一样，都知道构建生物体所需的信息就被藏在细胞中的某个角落，不是蛋白质就是DNA。11从物理学角度来说，蛋白质和DNA都是晶体，更准确地说，它们是非周期性晶体（不重复但包含长期关联的结构）。想象一张只由4个音符重复出现而构成的乐谱。跟一张布满变奏和半音的乐谱相比，那张简单的乐谱包含的信息极少。薛定谔知道储存信息需要非周期性——因为一个周期性晶体无法携带很多信息：“基因几乎不可能是一滴均匀的流体。它可能是一个大蛋白质分子，其中每个原子、原子团、杂环都各有分工、相互独立。”根据薛定谔的理论，生命的出现来源于生物分子的非周期性和其固体／晶体的特性：非周期性让分子能够携带大量信息，而其固体性质则让信息能够长久保存。
1704611979
1704611980
所以，结合一下普里高津与薛定谔的理论，我们了解到信息是从哪里来的（从非平衡系统的稳恒态中产生）以及为什么信息会逗留（因为它被储存在固体中）。两个理论的结合有一个非常奇妙的古怪之处：它告诉我们宇宙既是被冻结的又是流动的。从物理学的角度来说，固体被认为是凝固不动的是因为其结构相对于环境中的热涨落是稳定的。12我们的城市是由固体组成的，例如汽车、建筑物、车站、地铁和人行道；我们的家亦是由固体组成的，例如厨房水槽、冰箱、盘子、灯泡和洗碗机；我们体内的细胞也是由固体组成的——维持细胞运作的数万个蛋白质。然而，汽车和蛋白质等作为固体，却可以四处移动。可以说，城市和细胞是动态系统，内部固体一直在做相对运动。这些物体的固体性质让我们可以以低成本积累信息，因为即使是放之宇宙之中，存在时间相对极短的固体，也可以暂时地保护其中储存的信息免于熵的魔掌。
[
上一页 ]
[ :1.704611931e+09 ]
[
下一页 ]