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从混沌到有序读后感从混沌中我感觉

03 November 2023

《从混沌到有序》读后感
从混沌中我感觉到了绝对的不可预测性,因为混沌系统中出来的东西会回去经过变换再出来,循环往复,没完没了,任何初始值的微小差别都会按指数放大,因此导致系统内在地不可长期预测。让我想到了没有任何规律的热运动,这是微观世界中原子和分子的运动形态。而宇宙中熵确是绝对的增加的,而宏观事物中很多物质的确是可预期的,由绝对混沌的微观世界构成了我们可预测的宏观世界。

混沌理论揭示出一种支配现实世界正常运行的崭新的“测不准原理”,并且解释了时间为何只沿一个方向流逝。

无序与有序
混沌现象是非线性系统的特征,有限维的线性系统不会生出混沌魔鬼,但无限维的线性系统有可能产生混沌。此外,以微分方程描述的连续系统和与其对应的离散系统的混沌表现也有所不同。庞加莱(Poincaré-Bendixson theorem)曾经证明,只有大于3维的连续系统,才会出现混沌。而离散系统则没有维数的限制,我们讨论过的逻辑斯蒂映射便是一个1维系统出现混沌的典型例子。

自然界中更多的是非线性系统,自然现象就其本质来说,是复杂而非线性的。因此,混沌现象是大自然中常见的普遍现象。当然,许多自然现象可以在一定程度上近似为线性,这就是迄今为止传统物理学和其他自然科学的线性模型能取得巨大成功的原因。

非线性科学不仅研究从有序到混沌的转换,也感兴趣从无序中如何产生有序,因为这个问题涉及到生命的产生和进化。这方面与物理和数学有关的的主要研究方向有三个:自组织理论(Self-organization)孤立子(Soliton)、和细胞自动机(Cellular automata)

熵是一个系统混乱程度、或称无组织程度的度量。 克劳修斯之后的统计物理学家玻尔兹曼,又把熵和信息联系起来,提出“熵是一个系统失去了的‘信息’的度量。”,这个说法有道理,‘次序’不就是某种信息吗,有序变无序,失去了次序,也就失去了一部分信息。

总之,系统越混乱,熵就越大;系统越有序,熵就越小。热力学第二定律,也被称为‘熵增加原理’,说的就是,一个孤立封闭系统的熵总是增加(永不减少)的,即系统总是由有序过渡到无序,这种过程不可逆地进行着。 我们观察到的大量物理现象,都是混乱度增加的不可逆过程,比如:结晶的冰块放到热水中,逐渐融化,有序的结晶变成无序,使得熵增加;一滴红墨水滴到一杯清水中,墨水颗粒自动扩散到水中,水变成更为无序的淡红色溶液;热量总是从温度高的传向温度低的。自然界中也是这样:火焰燃烧,留下灰烬;山石风化,变成泥浆;时光流逝,青春不再;江河直下,奔流入海;事物从有序过渡到无序,过渡到到低级,到混沌,相反的过程似乎不会自动发生……

热力学第二定律所表明的演化方向的确与达尔文生物进化论所言的演化方向相反,生物学与理论物理之间存在着巨大的鸿沟。当然,热力学第二定律只能被用于封闭系统,而不应该被无限扩展应用到诸如生物体这样的开放系统。 但是,从封闭系统的熵增加,如何变成了开放系统的熵减少?怎样才能将这两种理论所产生的“演化悖论”协调、统一起来呢?山石风化、墨水扩散,的确是我们常见的现象;种子发芽、婴儿诞生,也是我们熟知的生活常识;如何建立一个纽带,才能将物理学的演化理论与生物学的进化规律连接起来?

自组织现象
正是基于这个“演化悖论”的困难,比利时物理化学家普里戈金登上了历史舞台。他研究非平衡态的热力学,并创建“耗散结构理论”,研究自组织现象,企图填补理论物理与现代生物学之间的鸿沟。 这些成就使他荣获1977年的诺贝尔化学奖。

什么是自组织现象 呢?它和我们前几个章节所讨论的系统从有序到混沌的过程不同,和热力学第二定律描述的熵增加的演化方向相反。也就是说,在一定条件下,一个开放系统可以由无序变为有序,开放系统能够从外界获得‘负熵’,而使得熵值减少。这时,系统中的大量分子、原子,会自动地按一定的规律运动,有序地组织起来。我们将这种现象,叫做自组织现象。

普里戈金认为,形成自组织现象的条件包括:(1)系统必须开放,是耗散结构系统;(2)远离平衡态,才有可能进入非线性区;(3)系统中各部分之间存在非线性相互作用;(4)系统的某些参量存在涨落,涨落变化到一定的阈值时,稳态成为不稳定,系统发生突变,便可能呈现出某种高度有序的状态。

由于在自组织现象中,系统呈现高度的组织性,这就为从物理理论的角度解释生命的形成提供了可能。不仅如此,在物理、化学的领域中,也经常观察到自组织现象。

生命之谜藏身于DNA分子的自我复制现象中,DNA的自我复制需要蛋白质的参与,而蛋白质产生又依赖于DNA携带的信息,这话听起来有点像通常人们开玩笑时所调侃的“先有蛋还是先有鸡”的悖论。事实上也是如此,这个鸡与蛋的基本问题可以说至今未解,因为它在本质上问的就是生命如何起源?

生命游戏
早在上世纪50年代,大数学家冯·诺依曼为模拟生物细胞的自我复制而提出了‘自动细胞机’的概念。但当时并未受到学术界重视,直到1970年,随着计算机技术的普及,剑桥大学的约翰·何顿·康维设计了一个叫做《生命游戏》的电脑游戏之后,‘自动细胞机’这个课题才吸引了科学家们的注意。

尽管生命游戏中每一个小细胞所遵循的生存规律都是一样的,但由它们所构成的不同形状的图案的演化行为却各不相同。我们又一次地悟出这个道理:“复杂的事物(即使生命!),原来也可以来自于几条简单的规律!”。生命游戏继分形和混沌之后,又为我们提供了一个观察从简单到复杂的好方式。

生命游戏的发明人约翰·康维,现为美国普林斯顿大学数学教授。康维除了致力于群论、数论、纽结理论及编码理论这些多方纯数学领域之外,也是游戏的热心研究者和发明者。在众多贡献之中,他的两个最重要的成果都与游戏有关:一是他在分析研究围棋棋谱时发现了超实数(Surreal Number);其二便是他在英国剑桥大学时发明的生命游戏使他名声大振,特别是经由《科学美国人》连续两期的介绍推广后,康维的名字在70年代的大学及知识界几乎人人皆知。

细胞自动机
如今这个计算机时代,有人宣称说:万物之本是计算。

这个人就是上世纪80年代后期开发著名的《数学》Mathematica符号运算软件的美国计算机科学家,史蒂芬·沃尔弗拉姆(Stephen Wolfram)。

参考: https://blog.sciencenet.cn/blog-677221-601960.html