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人类追求秩序,大自然却离不开无法预测的随机性

时间: 2016年07月15日 | 作者: Alan Lightman | 来源: Undark
人类热爱秩序,但随机性对于大自然的运转甚至是人类自身的存在同样是不可或缺的。

 

陀思妥耶夫斯基的伟大名著《罪与罚》的整个故事,就起源于一个穷大学生拉斯柯尔尼科夫看似一拍脑袋的胡乱决定:他想要谋杀一个上了年纪的当铺老板。不管是对于拉斯柯尔尼科夫还是其他众多文学作品中的人物形象而言,随机、不可预测的行为都被看做人类心智中不可避免的部分,而我们最终都只能接受这一现实。

 

但这样的结论是违背我们人类的第一直觉和内心期望的。作为大自然的一员,我们一直在追寻可预测性与秩序:秩序带给我们安全感、理智与平静,一旦我们找到了秩序,我们也就理解了世界。

 

我们想要令周围环境井然有序的原始冲动,早在人类文明形成的初期就体现出来了。在希腊诗人赫西奥德公元前700年的宇宙观里,世界始于混沌——无形、无声、无光,是大地之母从混沌中孕育而生,将世界分为天空、山脉和海洋。在《创世纪》中,上帝创造天堂与人间之后的第一件事就是将黑暗与光明分开。4000年前,美索不达米亚人制定的第一部成文法典,也代表了另一种形式的秩序。

 

我们最渴望的,并且给我们带来了丰硕成果的,还是从大自然中获得秩序。对季节更替的描绘让农业得以发展,对摆锤运动的预测让摆钟得以发明,了解了人体在遇到牛痘病毒时会重新产生T细胞,让我们得以根治天花。的确,贯穿于整个人类历史中的注册新宝GG进步,看上去似乎来自于人类给我们所处的陌生而又混乱的宇宙强加上的各类秩序。

 

但接下来令人惊讶的事情出现了:当我们更进一步地探究问题时却发现,与秩序完全相对的随机性,对于大自然的运转甚至是人类自身的存在同样是不可或缺的。尽管表面上难以看出,但大自然的繁荣兴旺的确建立在随机性之上。在某些情况下,一个系统里的随机还能够带来另一个系统里的有序:斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学的物理学教授Rudolf Podgornik最近的一项工作证明,在一定条件下,一束带电粒子流在与另一组无序原子产生联系时,带电粒子流的无序性会减小。

 

无序与随机能带来好处的最著名例子,当然要数基因突变了。通过这一随机的过程,生物体将有机会尝试从未有过的不同身体结构。基因旋转的轮盘在哪停下并不能提前预知,但如果没有这些突变,生物必定会被困在少数的固定设计形式中迟滞不前。那么,地球上的生物多样性将会极低,由于无法适应不断改变的环境条件,许多生物也会灭绝。

 

另一个例子可能不太有名,但却是自然界中随机性的最普遍形式,就是扩散作用。一定浓度的物质或能量在不需要额外能量消耗的条件下,就能够自发地通过原子或分子的随机碰撞扩散开来。例如,如果你将一盆热水倒进盛有冷水的浴缸,一开始你的浴缸里还会有热水区与冷水区的差别,但热水很快就会与冷水混合直到水温一致。如果没有随机的分子碰撞,这样的混合或者扩散便不会发生。

 

扩散还有另一个重要的作用,就是让以光的形式到达地球的太阳能,在穿越大气层和海洋时发生散射。地球上的某些部分(南北极圈内)在一年里的某些时候一直无法获得阳光直射,例如冬季的瑞典和夏季的南阿根廷,如果没有散射作用,这些地方的温度可能会比其他地方低几百度。

 

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图片:Sissel Marie Tonn

 

扩散作用对于生物来说同样不可或缺。就拿氧气这种对能量产生十分必要的气体为例:每一次吸气之后,我们的肺部就充满了浓度相对较高的氧气,而肺中的毛细血管里的氧气浓度却相对较低。因此,这种重要的气体就会从肺中扩散到血液中,由于相同的原因,氧气又从血液扩散到人体细胞里。这种定向的运动是氧气分子与非氧气分子随机碰撞造成的,使氧气分子从高浓度区域转移至低浓度区域。如果没有随机碰撞,肺中的氧气就会一直呆在肺部,人体细胞就会因缺氧而死。

 

另一个生物学上扩散作用的例子就是神经细胞上的电信号转导,这也是人体细胞间相互通讯的机制。这种电脉冲是由钠、钾离子进出神经细胞形成的,带电离子从高浓度流向低浓度,最终达到平衡状态。有趣的是,这种单个原子的随机碰撞却导致了电脉冲沿神经细胞的有序传输。微观水平上的无序,往往在宏观水平上造成了有序和理想的效果,同样的例子在自然界中还有很多。

 

这种原则也能应用于人类文明及其产物。风险分析员Nassim Nicholas Taleb在他2012年的著作《反脆弱性:万物始于无序》中探讨了许多类似现象,比如人体组织需要某种意外压力才能正常运作。“某些事物会从冲击中受益,它们暴露在波动、随机、无序和压力条件下反而能够兴旺繁盛,它们喜爱冒险、危机和不确定性。” Taleb在书中写道。有些公司在偶尔遭受管理危机并重组后,反而变得更加强大;个体水平上让人猝不及防的犯罪与暴力事件,往往能促进整个社会水平上法律和政府的健全。这些观点出自一个风险分析员一点也不让人觉得奇怪。

 

我则认为,不管人类是否有意识地在寻求我们自身之外的冒险和危机,我们的思想都时常会本能地进行冒险。“随机播放”对我们的产物与生活是必要的。可能正是这些无意识的思维探索,才赋予了毕加索的立体主义和乔布斯的苹果电脑以生命。

 

且不论天才们的发明,我们每天都被意外与随机事件所包围。如果我们回头看看自己的经历,有谁不会回想起与特定的陌生人的不期而遇、出乎意料的事件、与某些书或歌曲的偶然邂逅,甚至是有时莫名其妙被赋予特定意义的一句流行语呢?

 

撰文 Alan Lightman

翻译 秦琪凯

审校 胡家僖

 

原文链接:http://undark.org/article/on-the-ache-for-order-and-the-beauty-of-chaos/

 

 

 


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