极限与复杂性
2014-04-13
一个思维模式良好的人，看到一个命题，会首先考虑前提条件。你的假设是什么？
世界在演化，人类的进化只是其中的一小部分。科技和工具的进化同样也只是其中的一部分。伴随着进化，复杂性也在增加。
《科技想要什么》讲述了科技的进化，把它与生命并列，作为一种生命形态。
《奇点临近》也讲述科技的进化，但它侧重进化的速度，指数型增长导致人工智能的奇点临近。
本书则侧重从各种极限和限制的角度对科技的进化、复杂性的演变进行了探讨。
”极限是普遍存在的。科学之所以能够存在也恰恰是因为我们对自然的了解有一个极限。自然定律和自然常数把我们的宇宙和那些可以设想的、且其中没有不可能性的宇宙区别开来。在那些宇宙里，可能性不受任何限制，因此就不会存在复杂性，更不会存在生命。“
”在时间、能量和信息之间存在三重平衡性，取决于给定能量资源下可以得到的信息量、能量时间的测不准关系及维格纳的时钟极限“
”如果我们有很多时间，就不需要很多信息。倘若时间很宝贵，我们需要知道做事情的最快方式，这就需要大量信息。阿尔文.温伯格断言，时间正变成我们最重要的资源。能量和信息的价值只不过使我们安排时间有更多的自由。“
这看起来就是一个无法解开的矛盾。
没有极限，生命不会存在，复杂性不会诞生。但是有了极限之后，生命对复杂性的理解也受到了限制。
1.极限导致生命和复杂性的诞生，也导致了人类对于复杂性的理解（意识、科技）的诞生。
我们首先可以从信息处理角度去分析。
光速是信息传递速度的极限。
”自然界中的信息传递速度有一个限制，这个事实导致各种各样的不寻常的结果。“
”它可以解释我们天体的孤立。“
”如果光速不是有限的，则各种辐射都将在发出以后立即被同时接受到。“
”我们将同时受到宇宙所有变化的影响。“
”信息不可能以大于光速的速度传递使得我们可以对任何信息进行选择和组织。“
”我们不知道为什么光的速度取这样一个特别的值。如果它的值小得多，则缓慢运动的物体也将受到由于它接近光速时时空发生畸变的影响；......光与物质的作用将更强；物质将更不稳定“
量子力学上的普朗克常数也对我们的信息处理造成关键影响。
”被测的物体越小，测量过程对其所加的干扰越大，直至干扰大到完全替代了未受干扰状态的所有信息“
”测不准关系对思维的影响。一般认为，在神经元的尺度上此效应太小，不会对人类思考过程产生任何显著影响“
”自然选择无疑使我们期待：如果由测不准关系的限制导致任何显著的非理性，则生存机会将会显著减小“
“我们的世界之所以具有量子测不准关系是因为普朗克常数不等于零的结果。我们不知道为什么它取这么一个不为零的值。如果它的值比现在的大，则大的物体也将显示很强的波动性”
”在量子力学，任何事都可以以某种概率被观测到-尽管这个概率可以小的几乎是零“
由于世界太复杂，充满太多噪音，进化会对人类的信息处理能力做出选择。例如人类的感官对外界信息进行处理，减少了信息的处理量。
”我们的感官对提供的信息做了舍取。“
”珍贵的基因资源有倾向性地集结于器官的信息收集器上，以使器官能处理较小的信息量，而免于成为信息的牺牲品。“
获取对称性是减少信息处理的一个绝佳例子。
”偏爱完美与偏爱对称性是紧密相连的“
”如果在一个杂乱拥挤的环境里，横向（左右）对称性是区分生物与非生物的一个非常有效的判据。“
”偏爱对称性的生物学根源为下列事实所支持：对于对称最敏锐的感觉体现在对人类自身上，特别是对面孔的偏爱。“
”在低等动物中这是求偶的重要标志“
从能量和时间角度，极限也很多。
生物进化的选择并不是最优的。
“人眼是令人赞叹的光学器官，但它绝非是最佳设计。”
“蜜蜂筑巢时非常有效地使用了原材料，但数学家知道如何进一步提高它们的效率”
“这并不值得惊叹，对环境最完美的适应可能因太昂贵被禁止”
“这一切意味着没有任何理由要求人的大脑必须是一个最优的全能的理性器官。只要它比在进化过程中出现的变异者好”
为了确保生命的诞生，从宇宙到人类自身各种物体的尺度都必须恰好。
”宇宙至少应具有数十亿年的年龄才足以产生生物元素，使得复杂性的自发进化成为可能。这意味着任何有生命的宇宙尺度也必须有几十亿光年“
”假如对宇宙中所遇到的物质，从亚原子粒子世界直到星系进行分类，
按照质量和平均尺度作图，发现所有物体都处在从左下角到右上角的一条带上，这条带是密度为常数的线。它对应于原子的密度。“
”物体都位于常密度直线并不是偶然的。它们标出相反的力之间达到不同类型可能平衡的地方“。
”一个适宜居住的行星需要较大的尺度，又不能太大。行星到恒星的平均距离要限制在很小的范围，轨道形状也不能偏离圆周状太多。“
”适宜居住的行星表面引力强度决定了生物体的尺度可以有多大。“
人类的尺度大小对进化起到了重要作用。它使得人类可以制作工具，科技快速进步。其中，人类具备可以将火用于许多特殊用途的能力，
其他动物做不到这一点。
”在能够获得的燃烧体积和氧气使燃烧反应进行的表面积之间的平衡，确定了一个最小的火焰。“
自然常数确定了我们的宇宙，如果这些值中的某一个稍微改变，有组织的复杂性（尤其生命）将不可能存在。
”电磁力和核力强度的巧合使恒星的物质在核反应中不致消耗过快，不使支持生命的环境过早消失。“
生命和复杂性诞生之后，人类思想和对宇宙的理解、对科技的探索也随之诞生。这也是生物进化的结果。
“我们现在知道，而康德并不知道，使世界有意义的思想种类是自然选择过程的结果。它们之所以被选择，很可能在于它们成功地对现实的某一部分进行了准确地描述，这对于生物生存是重要的”
2.极限反过来对限制了生命对复杂性的理解。
人类对复杂性的理解和科技的发展受极限制约。例如人类如果没有在天文学这个尺度上先获得对自然定律的突破性理解，那么后续的科技进步恐怕也是不可能的。
"我们的天空大部分时候是晴朗的。这使得天文学成为可能。这些天文研究使我们了解到引力与地球上物理学的其他方面，这一切可能只在天体领域内才能明显看到。”
“氦元素在研究物质的低温性质时起了极为重要的作用，它由法国天文学家研究太阳日冕光谱时发现”
“如果我们的天空云雾太重，肉眼观测和光学天文学就不可能发展起来，我们也许会对自己的太阳系一无所知”
热力学第二定律、量子物理等基本规律决定了很多极限。例如处理单个比特的信息所需要的最小能量。如何确定给定体积的区域内可储存的最大信息量。可能的最小钟的尺寸与质量的极限。
“也许人们期待钟的最小尺寸极限就是由海森堡测不准关系所加的极限。钟要有用必须可重复读数。这样给出的限制就是，相差的因子等于钟的最大运行时间除以你能读出的最小时间间隔”
“如果将最小细菌内部生物钟的时间看成钟，它非常接近这个极限”
“所有的仪器设备都需要定坐标和定时”
“钟的最小尺寸的极限就限制了计时装置的尺寸。一种生物如果达不到这一点，必将造成其内在复杂性的协同与组织的失效。复杂性和技术的微型化有一个极限“
宇宙层面极限对人类科技进步的限制更多。
”光速的有限性将宇宙分隔成相互之间没有因果联系的部分。我们仅仅能从光速为我们限定的视界内收集关于宇宙的信息。“
”所有关于宇宙的起源到终结的本质问题都是无法回答的“
宇宙甚至不是所见即所得的。
”宇宙的可观测部分与可能是无限的整个宇宙之间有着基本的区分。“
”我们无法看到，也无法知道我们视界以外的一切“
”我们很有可能是处在一个特殊的膨胀泡泡中，不能观测我们视界之外的其他泡泡的任何情况“
甚至，数学和逻辑本身，也受到极限的限制。这就是哥德尔的不完备性定律。
”当逻辑结构变得复杂时，达到某一临界阈，要想理解它就变得不可能了：不可能证实它是自洽的。况且复杂性的临界阈很低，低到只要体系中含有我们非常熟悉的数的算术相等价的复杂性就可以了“
3.复杂性本身最令人惊奇的就是临界，阈值，极限。
“它们用其内部组织来识别，即用它们内部子系统之间的联系数目来衡量。当这些联系数增加时，复杂行为的趋势往往以突然跳跃的方式大大地增加。”
“复杂性很少有平稳的和恒定的改变，当达到某个阈值时，将会发生一个飞跃。我们的DNA与黑猩猩的差别只有百分之几，但在智力的复杂性方面，人类要远远走在黑猩猩的前面。”
自组织临界性例如沙堆崩落、复杂生态系统灭绝、交通流量问题等。
“对于一个繁忙的道路系统而言，最优状态似乎是一个自组织的临界状态，其中各种程度的交通阻塞都有可能发生，从而维持最优的交通流量。”
“这是自组织临界性在起作用，是处于临界状态事件的内在不可预测性的一部分。”
临界的复杂性，不可预测，不意味着没有有序和稳定。
“从贝多芬到披头士，所有音乐共有这种1/f谱型，这也是一种自组织临界状态的显示”
“沙堆问题告诉我们，许多不稳定事件合起来之后，可以保持复杂而长时间的有序”
“瀑布中的湍流就如此，每个小漩涡都是随机不可测的，借助它却可维持从大尺度至最小尺度的能量流动，从而保持了水流整体的稳定性”
4.复杂性会带来崩溃
科学研究的复杂性日益提高，经济费用越来越大，也越来越超出人类的智力，依赖计算机和跨国合作。
“廉价的科学探索时代已一去不复返”
”对一个巨大复杂体系结构的总体把握已需要越来越大的计算机“
”探索新知识的费用最终将需耗尽人类有限的资源“
”科学未来的进程并不仅仅决定于科学家，当他们的活动变得非常昂贵，并对国家没有直接的技术或军事上的用途时，对他们的继续支持将由社会所面临的其他大问题来决定。“
“物理学家首先走到了这一步（粒子加速器），随后是天文学家（哈勃太空望远镜），现在是生物学家（人类基因组计划）”
随着复杂度的增加，人类大脑和计算机的能力难以应对，特别是类似NP类（非多项式）问题。
例如，蛋白质折叠是NP问题。
”如果我们从一个给定的氨基酸线状链出发，那么它将折叠成什么样的特殊三维结构呢？“
”我们看到数千条氨基酸链折叠成最终模式只需要大约1秒钟的时间“
”当我们试图用计算机来模拟时，发现如果一条链中只不过有100个氨基酸，完成折叠却要用10的27次方年以上的时间“
这一切造成的结果可能是人类社会的突然崩溃。
“我们可以想象未来的人类犯错误会变得越来越明显。”
“科学死亡的模式与人类老化和死亡的理论十分相似。当我们年轻时，DNA复制错误被附属于基因密码中的纠错过程迅速纠正过来。随着年龄增长，这些纠错元件越来越失效，复制错误积累起来直到导致死亡。”
技术进步会产生副作用，待到暴露之时可能为时已晚。
”某种技术可从无序中产生的结构越多，它的产物离热平衡就越远，要去逆转相应的过程就越困难“
5.世界真的很简单，但也很复杂。
我们知道原因，但我们不一定能知道结果。原因（自然定律）可能相对简单，它往往是对称的。现实（自然定律的结果）更加复杂，是对称破缺的。
“自然定律的结果要远比定律本身复杂得多，因为定律的结果并不需要具备定律的对称性。我现在正站在宇宙的某个特定的地方，但自然定律对于特定的时间和地点并没有任何偏爱。对于定律的任何结果，对称性都是破缺的，或者是隐藏起来的。这是宇宙之所以可以由很少的一组简单的对称定律来描述，却又显示了极大量复杂的非对称状态与结构的理由”
“粒子物理学家利用对称性和简洁性研究基本力，生物学家注重的是因自然定律的非对称性而形成的复杂世界，这里的规则是对称破缺与简单要素的复杂组合”
宏观和微观可能本质上是统一的。
“宏观能力的Ω型文明与微观能力的Ω-型文明衔接成一个圆周。控制整个宇宙，或从量子真空中产生宇宙的能力，包含在微观上控制时空。除了时间和空间，宇宙实际上什么也没有。所有的物质都可以简单看成是时空的某种波动”
“高级文明能超越我们之处就在这个复杂性领域。对基本粒子世界的研究可能已接近我们并不希望看到的终点，而天体宇宙的研究只有很少的技术应用；复杂性领域可以直接应用之处却数不胜数”
作者探讨了自然规律数量是否无限，人类认知能力是否无限的问题。
这个问题很复杂，但其实也有简单的规律。
“在科学上，对于还有多少基本原理尚待发现可以做出定量的判断”。
“未发现的错误数=（仅由杰克发现的错误数）*（仅由杰尔发现的错误数）/由杰克和杰尔共同发现的错误数”
“未发现的错误数等于(A-C)*(B-C)/C”
“可用不同方法研究自然。例如，不同波段的天文观测，不同能量区域的粒子物理实验等等。要问已有多少基本发现是由不同的研究者各自独立完成的，还有多少是由一个以上的研究者做出的“
科学的进步使我们能做出以往整个宇宙历史中从未出现过的实验。
例如超导现象的发现。还有强大的计算机。这是不是意味着人类能创造宇宙自己无法创造的复杂性呢？
“在宇宙的任何地方，都没有理由期待自然地存在着这样的低温。如果确实是这样的话，超导现象在1911年莱顿出现前，从未在宇宙中显示出来”
“高温超导也可能是宇宙中的首次。高温超导发生在那种不寻常的化合物材料中。没有理由期待它们会在自然环境中自发产生”
但不管人类科技如何发展，似乎始终面临预测未来的不可能性。
”一台能在未来状态还没有发生之前就正确预测它们的计算机是不可能造出来的“
”不可能性普遍存在，甚至在试图预测有限非混沌系统（系统对不确定的初始条件不敏感地依赖）的未来状态时“
”这个结论是哥德尔定理在物理中的类似物：我们处理信息不可能比上帝快“
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