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《大自然如何工作》书摘


大自然如何工作 / (丹麦) 帕·巴克 著 ; (中国) 李炜 蔡勖 译. -- 武汉 : 华中师范大学出版社, 2001.6.
ISBN 7-5622-2421-8/N·3


给中国读者的话

  关于自组织临界性(SOC)的科学表明,复杂系统在远离平衡的临界态上运作,以阵发的、混沌的、类似雪崩的形式演化,并不像通常以为的那样遵循一种平缓的、渐进的演化方式。地震、大灭绝,还有人类的工业革命和社会变革,都是这样的雪崩式演化。  

 这个理论已被广泛应用于诸如太阳耀斑、火山爆发、经济学、生物演化、湍流以及传染性疾病如麻疹的传播等现象中。从那时以来,已有成千上万篇关于这个理论的学术论文陆续发表。

前言与致谢

  自组织临界性是观察大自然的一种新方法。其基本的图像是,大自然在某处永久地偏离平衡,却又被组织在一种稳定状态中—一种临界状态:各种事情都能按照完全确定的统计规律发生。自组织临界性的科学的研究目的,是为了回答这样的基本问题,即大自然为什么是复杂的,而不是像物理规律

所显示的那样简单。

  自组织临界性解释了大自然中存在的看来相当复杂的某些普遍存在的结构。分形结构和灾变事件是其中较为常见的两种表现形式。其应用范围可以从脉冲星和黑洞的研究到地震和生命的演化。理论中一个有趣的结论是,灾变会无缘无故地发生。不需要任何外部的触发机制,大灭绝也会发生,譬如火山爆发或者陨石撞击地球(尽管理论上不能排除这些现象实际发生的可能)。

第一章 复杂性与临界性

  地球物理从天文物理中来。化学从物理中来。生物从化学和地球物理中来,等等。每一门科学发展它自己的专门术语,并且随着它自己的目标和概念而发展运作。地球物理学家谈论地质构造平面运动和地震时并不以天文物理学为参考,生物学家在描述物种的性质和演化时并不以地球物理为参考

,经济学家在描述货币交换时并不以生物为参考,等等。他们那样做一点没错!因为这些现象看起来难以对付,没有其他方法可行。除了适用于更低层次的系统的动力学外,如果大系统中没有新现象出现,那么我们不再需要别的科学家而只需要粒子物理学家就够了,因为不涉及别的领域。但那时也不再有粒子物理学家。

叙述与科学

  习惯上科学已被划分为两大类:硬科学,其中可重复的事件可以通过那些反映自然界法则的数学表达式得以预言;软科学,其中,因为它固有的变化性,只有对那些引人注目的事件的叙述性描述是可能的。物理、化学以及分子生物学属于第一类;历史、生物演化和经济学属于第二类。  古尔

德把事物的变化性,以及因而导致的复杂性,正确地归因于偶然性。历史事件依赖于极其偶然的事件,因此如果历史的录音带被重放很多次,而每次注入的初始条件都有微小的差别,那么每次出来的结果差别会很大。偶然事件的神秘出现所导致的戏剧性的结果已经吸引了众多历史学家,并且鼓舞了许多科幻作家。现实生活对偶然事件的依赖性允许科幻家有很大的自由度,但又不失其可信度。  历史学家用一种叙事的语言解释事件的发生:事件A导致事件B以及事件C导致事件D。然后,因为事件D甚至事件B而导致事件E,然而如果事件C不曾发生过,那么事件D和E都不会发生。历史的进程将会变换到另一连串的事件,而这一切通过领悟后将以一种不同的叙事方式很好地、同等地得以解释。美洲的发现包含一长串的事件,对实际的结果来说每一个事件都有其关键的历史重要性:哥伦布的父母必须在一起,哥伦布必须得生下来,他必须到西班牙获取资助,天气必须非常合理,等等。历史是不能预料的,但并不是不能解释的。用这种方法做科学没有任何错,其中目的是对特别事件的一个准确的、叙事般的记录。准确地说来就是偶然性的压倒一切的影响使得科学有趣。总是有更多的惊奇放在那儿等着我们。相反,简单的可预料的系统,例如苹果的落地,过一段时间以后就会变得乏味了。  在软科学中,偶然性是普遍的、详尽的,长期的详尽预言是做不到的。例如,演化生物学就不能解释为什么会有人类和大象。我们今天所看到的生命恰恰是大量均等的不可能发生的事件中的一个非常不可能的结果。例如,如果恐龙没有灭绝的话,地球上的生命会完全不同。

  是历史和生物的什么潜在的性质使得它们对微不足道的偶然事件如此敏感?换句话说,动力学中存在什么潜在的本质从而导致了事件的相互关联并进一步导致复杂性?为什么带有戏剧性普遍后果的事件能够发生?为什么科学的划分成为不同方法和类型的两个完全分离的部分,因为从以前的假设来看所有的系统从最终的分析来说都遵从自然界同样的定律。

复杂性理论能解释什么?

  如果我们在软的、复杂的科学中所全部能做的只是跟踪事件并通过大量的计算做短期的预言,那么软科学中就不会有物理学家的位置,他们就应当优雅地把舞台让给那些对自己专业有详尽了解的“专家”。如果一个人不能预言任何特别的事,那么这意味着什么呢?  

 复杂系统的一个普遍理论必须而且必然是抽象的。例如,生命的理论原则上说必须能够描述演化的所有可能的情形。它应当能够描述火星上的生命的机理,如果火星上的确会有生命的话。这是极其不确定的一步。我们可能构造的任何普遍的理论都不能把实际的物种作为特定的参考。这个模型,也许甚至不是指的基本化学过程,或者也不是指构成生命的DNA分子。

  我们应当学会把我们从看问题仅仅看事情的本身这种方式中解脱出来!一个基本的科学观点才是真正重要的!如果遵循传统的科学方法,把重点放在对细节的精确描述上,我们就失去了洞察力。生命的理论有可能是过程的理论,而不是对那个过程中的完全偶然的细节的详细描述,例如人类的出现。
  这个理论必须是统计的,因而不能产生特定的细节。演化理论的许多部分,是用轶事来明确表达工作着的各种机制。轶事会带有权重,只有足够多的权重聚集起来才形成一个统计的描述。收集轶事般的证据只能是一个中间的目标。在医学上,很久以前人们就认识到每个医生所观察到的证据中必定会产生以大量的、统计量可观的系列观察为依据的证据。对任何科学努力来说是必要的、存在于理论与实验或观察之间的冲突,通过比较普遍模式的统计性而发生。
  任何一个这样的理论的抽象性和统计的、概率的性质对地球物理学家、生物学家和经济学家来说是令人反感的,它期待找出真实现象的照片似的特征。
  在现今这个物质世界,也许太多的重点放在了对科学的细节性的预言或预告上。在地球物理中,重点是放在预报地震或其他大的灾难上。

灾变遵循一种简单的模式

  在经济学方面,也存在一个同古登堡一里特定律一样的经验性的模式。证券、棉花以及其他商品价格低和高的波动的概率,遵从一种非常简单的模式,也就是所谓的列维分布。注意从小的波动到大的波动的平滑过渡。价格波动的分布近似地遵从一条直线,一个幂次规律。价格波动是“标度自由的”

,即波动没有典型的尺寸,正如地震没有一个典型的特征大小。

  曼得布罗特研究了几种不同的商品,并且发现它们都遵循一种相近的模式。经济学家们大多都忽略了曼得布罗特所做的工作,最主要的是因为它并不适合普遍地被接受的情形。他们希望摈弃大的事件,是因为这些事件能够被归因于特定的“不常见的情况”,例如贸易计划所导致的1987年10月经济大崩溃,以及购买力过剩所导致的1929年的经济大崩溃。偶然性是统计中常常争论的话题。经济学家们通常在分析之前剔除或者删去那些带偶然性因素的资料。那些只发生过一次的事件怎么会遵从一个普遍的理论呢?然而,大事件和小事件遵循同样的规律这个事实表明那些大事件并没有什么特别之处,除开他们可能带来的毁坏性的后果之外。
  同样,芝加哥大学的戴维·诺伯教授指出:在生物演化进程中灭绝事件的分布遵从一个平滑的分布,其中大的事件,例如白垩时代恐龙和其他一些物种的灭绝,以一定的概率和规律发生。
  尽管大的事件以一定的概率出现,但这并不意味着这个现象是周期性的,如同诺伯认为的那样。长时期没有发生地震这个事实并不意味着将有地震发生。这种情形和用来赌博的轮盘转动一样。尽管平均来说隔一次出现黑子,但这并不意味着红子与黑子交替出现。经过七次连续的红子之后,下一次黑子出现的概率仍然是1/2对地震来说也是一样的。地震在某个平均间隔内发生并不意味着它们是周期性的。例如,战争平均每三十年就会爆发一次这个事实并不能用来预报下一次战争。这种间隔的变化是巨大的。
  特定的叙述可以解释每个大的灾变,但是规则性,不要同周期性混淆,表明作用在所有标度上的机理是一样的,从每天都发生的灭绝到最大的一个事件,Cambrian爆炸,它导致了95%以上的物种的灭绝,而且幸运地导致了一个足够用于补充的数目的物种的诞生。
  灾变的发生是相当令人吃惊的。它们与同一性理论,或称渐近性的理论,形成鲜明的对照。地球物理学家查尔斯·利尔认为,所有的变化都是由我们在此刻观察到的过程引起的,这些过程一直都以相同的速度进行着。例如,利尔认为地貌是由渐近的过程形成的,而不是由类似诺亚洪水的大灾难形成的,而且我们今天看到的地表特征是由缓慢的持续的过程造成的,随着时间的流逝作为“巨大的能动者”最终导致大的变化。
  利尔的同一性的观点从逻辑上来说是完美的。物理定律总是表示为平滑连续的方程。由于这些定律应当描述所有事物,因此,我们期待观察到的现象也应当以一种平滑的和渐近的方式变化。对立的哲学——灾难论,声称变化大多通过灾难性的事件发生。由于灾难论打破了创世论的意味,因而遭到科学界的极力反对,尽管大的灾难确实也发生了。

1/f噪声:时间中的分形

  事实上温度的波动也可解释为1/f噪声。气温的明显增加可能是一个统计的起伏而不会成为由于人类活动而导致全球变暖的一个标志。有趣的是,IBM公司的理查德·凡斯演示了音乐上的变化也有1/f谱。也许我们可以通过谱写乐章真实反映自然。

处于平衡态的系统不是复杂的

  显而易见的平衡只不过是处于行为间歇爆发和旧物种灭亡新物种开始出现这两者之间的一段宁静或郁滞的时期。同样,个别物种演化的进程,例如通过他们变化的大小进行的测量,通过零星的爆发而进行。这种现象被称为断续平衡。断续平衡的概念是复杂系统动力学的核心。巨大的间歇性的爆

发在平衡系统中无立足之地,但在历史学、生物学和经济学中它们无所不在。

自组织临界性

  自组织临界系统演化到复杂的临界态时没有受到任何外界作用的干预。自组织过程发生时经历了一个非常长的暂态时期。复杂行为,无论是地球物理学上的或生物学中的,总是由一个漫长的演化过程产生的。它不能通过在一个比进化过程短的参考时间内研究系统而得以理解。“不懂得历史你就不

会了解现在”这句话表达了更深刻、更精确的含义。地震的规律不能够仅仅通过研究在人的寿命时限内发生的地震得以理解,而必须考虑亿万年以来发生的地球物理过程,并且要把我们现在所观察到的考虑在内。生物进化不能通过在实验室里研究几代老鼠和细菌的进化得以理解。

  SOC经典的例子就是一堆沙。一个沙堆展示了断续平衡行为,其中郁滞期由于不断有沙滑下而被打断。沙的下滑或雪崩是由多米诺效应造成的,其中单个的沙粒推动一个或更多其他的沙粒从而导致它们下滑。那些倒下的沙粒又轮流地以链式反应的方式和其他沙粒相作用。大的雪崩,不是逐渐的改变,它把质的行为和量的行为连在一起了,从而形成了突发现象的基础。
  如果这是现实世界的真实情景,那么我们必须接受生物学、历史学和经济学的观点:不稳定性和大的灾难是不可避免的。由于过去那些特定的不重要事件的结果是偶然的,因而我们也必须放弃详尽的长期决定主义或可预测性的观点。在经济上面,从一种自私的观点来说,我们能尽力而为的就是把灾难转移到邻邦。巨大的灾难性的事件和每天都发生的微小事件都遵从同样的动力学。这种发现和我们通常思考大事件的方式背道而驰,通常的思考方式,总是寻找特定的原因(例如一颗下落的陨石导致恐龙的灭绝)来解释巨大的灾难事件。尽管小事件比大事件要多得多,但是系统的改变的很大部分都是由大的、灾难性的事件造成的。自组织临界性可以看作是灾难主义的理论判据。

第二章 自组织临界性的发现

  我们在布鲁克海汶的小组比起那些拥有大型机器的合作组简直就是小巫见大巫。我们仅有两名资深的科学家,几个助研博士后,以及几名长期和短期的访问学者。也许因为我们规模很小以及相对来说不太张扬,我们就能够做一些基础研究,从而避免了转变为所谓的应用科学时要承受的巨大压力

,因为在科学委员会官员的眼里应用科学立马就能回报。我们的职责仅仅是弄明白事情的来龙去脉,在过去,我们有做我们想做的任何事的自由,尽管对我们的资助每年都在削减。令人悲哀地是,我们对年轻科学家的聘用期无法超过十年。具有讽刺意味地是,即使在我们小组最成功的时期情况也是如此,同样是因为同那些大型合作组比起来我们十分渺小。我们获得的资助和我们的科学成果完全不挂钩。原则上说,在没有经济资助的情况下我们可以坐下来,什么也不做,只等着退休。

  与人们通常认为的恰恰相反,当今有成就的科学通常出自于那些只有一两名教授和几个年轻的合作者的小组。
  我们开始被一噪声的神秘现象,更合适地说,被地球上及宇宙中数不清的源所产生的一“信号”的来源所困惑。我们在咖啡屋,布鲁克海汶的智慧中心,进行漫无期限的讨论。那儿的气氛非常活跃,这一点对产生有创见的科学思想是很关键的。通常也会有为数不少的科学家路过并且通过参加讨论从而参与我们的研究,有的时候他们会更直接地与我们合作。好的科学是有趣味的科学。

  物理学家的研究进展应当与工程师的互相补充,工程师总是在尝试着对模型加入尽可能多的必要的特性,从而为某些特定现象提供一个可靠的计算。物理学家的职责在于理解他所调查的现象中包含的基本原理。他试图避免那些特定的细节,例如加利福尼亚的下一次地震。我首先应该明白我们能舍弃多少细枝末节而又不失掉本质特征。然后我们应该弄清楚,为了准确复原已知事实我们应该如何丰富我们的描述。工程师不可能有这种奢望!我们的策略是把问题的次要部分都抛开,直到仅剩下精髓部分,并且再没有多余的了。我们试图放弃那些我们相信是毫不相干的量。在这过程中,我们是凭着直觉操作的。在最终的分析当中,模型的好坏在于它对所模拟的行为的复原能力的好坏。
  因而,我们物理学家如何能构建一个合适的模型,如生物演化模型?生物学家可能分辩说,由于自然界中存在性的繁衍,因而演化理论必须也必定包括性。物理学家们则分辩说,在有性以前就有了生物,因而可以不去管性。生物学家会指出,由于存在由多细胞组成的器官,因而我们必须解释多细胞器官是如何进化的。物理学家则说,单细胞器官也存在,因而可抛开多细胞器官不管!生物学家认为,多数生命是以DNA为基础的,因此必须弄懂DNA。而物理学家却认为,也有以RNA为基础的简单生命,因而可以不必去管DNA。他甚至会认为在RNA以前必然存在更简单、能复制的化学结构,因而RNA也可以不管,诸如此类的话。解决的办法是在扔掉孩子连同澡盆以前停止这个过程。一旦我们已经从简单的模型证实了基本的机制,我们就把这个模型留给他人,让他们添一些肉到骨架上去,添加更多的特定的细节,如果他愿意这样的话,从而检验更多的细节是否修正了结果。
  根据我们特定的研究,根本的原理就是,普遍的特性,例如大灾难的出现和分形,不可能对特定的细节很敏感。这是普适性原则。我们希望大尺度现象的重要特征能被那些看起来毫不相关的系统所共有,例如内部有着关联的各种经济因素形成的网,或是地壳的各个不同部分的相互作用。

第四章 实际沙堆与地貌的形成

  他告诉我好科学非常有趣。在他的周围有着极为活跃的气氛,他的办公室里常常进行着许多生动活泼的讨论,而在晚上,大家一边品尝着卡当诺夫的纯麦芽发酵的苏格兰威士忌,一边进行着讨论。

第五章 地震、星震及日辉

  太阳日冕层正处于自组织临界态,他们用理论解释了为什么影响无线通信的巨大事件平均每10到20年就会出现。大事件不是周期性的,但与大地震及生物演化中的大规模灭绝事件有着统计上的相似之处。这些事件位于曲线分布的右尾端。如果我们有足够的耐心,我们一定能遇到那些破坏效果更大的大日辉事件,这些事件具有通过更深层次推断临界行为得出的频率。

第七章 生命是自组织临界现象吗?

  也许支配地球物理中复杂结构的因素同样支配着地球上生命的进化。自然界不会突然发明一个新的有机化原理来允许生命物质出现,而极有可能是,生命起源时候,一个旁观者看见了一些不显眼的事情——一个连续的相变(这可能就是一个“雪崩”),从简单的化学反应发展到越来越复杂的相互作用,而其中并没有十分明显的相变点表明在某个确定的时刻生命开始了。生命不可能从一种像DNA那样复杂的化学物质开始,DNA由四个不同的复杂核苷酸分子构成,这四个分子连在一条线上并且盘旋成一种双螺旋结构。DNA自身必定代表了一种非常高级的进化状态,而这种状态是由通常被称为生物前进化过程中的大量偶然事件组成的。也许早期的那些过程所遵循的原理与今天的生物学原理是一样的,因而生物阶段与生物前阶段的划分恰好就代表了一系列链式过程中的另一种任意划分方法。
  也许通过一个连续的自组织临界过程我们能用一根线把天体物理和地球物理与生物学连在一起。在这种情形下,从化学到生命这个演化过程中的所有中间阶段都是遥远的历史,因而我们视地球物理学和生物学为两种全然不同的科学。
  生物学研究的是数以百万计的物种之间的相互牵连和相互制约,而每一种物种都生存着数不清的个体。人们可以推测其动力学与沙堆模型的动力学是类似的,后者也处理数以百万计的沙粒间的相互作用。

第九章 断续平衡模型理论

  幂次定律表明在某个位置发生地震后,你等得越长,你越是只能期待等下去,这和民间故事不一样。地震在时间上是成串的,但它不是周期性的。
  进化也一样。一个物种活得越长,我们越只能期待它将来还继续活着。蟑螂的寿命都可能超过人类。

第十章 大脑为什么大脑应当是临界的?

  人类的大脑能够形成我们周围复杂世界的映像,因而大脑自身可能是一个复杂的物体。然而,不见得是这样。我们已经知道,通过一个自组织过程,复杂行为能从简单构造的模型中出现。大脑也许是一个相当简单的器官。
  从一个没有多少结构的天然状态开始,周围环境的信息通过一个过程被输入大脑,在这个过程中大脑自组织到一个临界态。
  亿万个神经元是如何共同作用从而形成了我们称之为想法的过程的呢?

  考虑大脑某处的一个神经元,以及与那个神经元有一段距离的输出神经元。通过改变神经元的性质,例如增加或减小它与邻近神经元的连接强度,应当有可能影响大脑中的输出神经元;否则神经元就不会具有任何有意义的功能了。如果大脑处于稳定的准临界态,那个变动就只会造成局部的效果。如果大脑是一个混沌的无序态,其中神经元四处点火,那么就不可能和输出神经元交流,并且不可能通过所有的噪声来适当影响其信号。
  因而,大脑必须作用在临界态上,在那儿信息刚好能够传播。在临界态,系统对小的震动有着极高的敏感性。单个沙粒都能导致一个大的雪崩。我们说临界系统具有极高的灵敏度。当然,沙堆中位于临界态的雪崩不具有任何有意义的功能,因而我们的问题是让雪崩把输入与相应的输出联系起来。