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Deep Simplicity: Chaos, Complexity and the Emergenceof Life, by John Gribbin
深奧的簡潔——從混沌、複雜到地球生命的起源, 約翰·葛瑞本

兒時曾做過一個夢，至今記憶猶新。我和幾個小夥伴開始了星際旅行，逐漸飛出地球、太陽系、銀河系。。。我們繼續向黑暗的遠處飛馳，看著銀河系在身後越變越小。突然，前面有一個門，打開門後外面是亮的，父親站在那微笑著對我們說：「都出來吧，差不多要吃飯了！」在跨出門的那一刻我回頭一看，發現我們剛才經過無限遙遠飛行的太空其實是家裡一間屋子裡的星系模擬儀。我頓時很困惑，這個世界的「我」和剛才那個世界的「我」是不是同一個人呢？如果我繼續飛出這個世界，會不會在一個更大的世界裡發現另一個「我」，而我們當前的世界只不過存在於更大世界的一個屋子裡甚至於原子裡？如果繼續飛呢？

小時候總是對這個世界充滿了好奇，最喜歡看《奧秘》、《飛碟探索》等雜誌，不知道何時自己變成一個滿腦子塞滿了工作和賺錢的成年人。這本書為我找回了那種久違的興奮感，因此強烈推薦一下。作者從基礎數學、經典物理、化學、生物學、進化論，逐漸引申到現代量子力學、分形、混沌學、複雜理論、基因遺傳學，真可謂融會貫通，令人震撼引人思考卻又絕不故弄玄虛。雖然很多學科我都學過，而且上學時隨導師參與了書中SantaFe研究所的一些項目，對分形、混沌學、複雜系統、自組織、自適應系統等都有所瞭解，但書中很多觀點仍讓我很震撼。由於涉及跨學科，總結起來很有難度，我這裡只挑其中幾個小點，建議大家還是完整閱讀本書。

大系統的複雜性
近代科學起源於西方的「還原論」，即研究一個複雜系統時，先把它不斷分解/簡化為小的部分，等每一部分研究明白了，再把他們拼裝回來。比如我們用簡單的齒輪和槓桿，可以製造出複雜的變速自行車。這種方法一直很好使，但近來面臨越來越大的困難，即大系統的複雜性。簡單來說，如果每個零件的可靠性為99.99%，那麼由十個零件組成的系統的可靠性只有99.9%，一萬個零件只有36.8%。我們知道單個零件的可靠性是不可能無限提升的，那麼對航天飛機這樣的大系統怎麼辦呢？只能增加備用系統，一個零件的可靠性為99.99%，加一個備用零件，可靠性就變為99.9999%，但備用零件會使系統更加複雜。大系統的複雜性符合冪次律，是以指數增長的，寫一個100萬行代碼的程序的工作量遠大於10個10萬行的。

這因為這樣，近年來「複雜」理論迅速興起，它借鑑了東方人的「整體論」思維，認為整體大於部分之和，整體具有單獨所不具備的很多特性。比如分開看是平淡無奇的骨頭、肌肉、皮膚、內臟等，但合在一起就成為一個活色聲香的美女。

分形
分形（Fractal）通常被定義為「一個粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成數個部分，且每一部分都（至少近似地）是整體縮小後的形狀」，即具有自相似的性質。從數學來看容易讓人暈，比如一條分形線的緯度可能是1.5維（不像直線是一維，長方形是二維），但看過分形圖案後絕對不會忘記。下面是一些經典的例子，大家可以上網搜索更多更炫的圖：

分形的特點是表面上極度複雜的東西可能可以用極簡單的規則生成。還有一點很有意思，就是自相似，在這裡面無窮和反饋有著重要的作用。生物體的結構有分形的特徵。這使得構建的原則可能很簡單——也就是說DNA並不需要存儲生物體發育成以後的形態信息，而只需要若干簡單規則和對這些規則的重複使用。比方說動脈和靜脈分佈的形態本質上就是分形，它使得血液能夠到達身體的每一處，同時避免動脈、靜脈本身佔據太多空間而使其他器官無容身之地。正是潛藏於碎形結構之下的簡單規則，使得生物可以變得非常複雜，來應世界的變遷以進行演化。

如果宇宙也是分形的，那麼一粒沙裡會不會真的有另一個世界呢？

冪次律（powerlaw）
冪次律大家都很熟悉了，諸如都市人口、網站規模、博客關注人數、字彙出現頻率等，均呈現冪次法則現象，不過書中很多例子很有意思。

地震的尺度和發生的數目遵循冪次律——相對於每一千次的五級地震，大約會發生一百次六級地震、十次七級地震等。這個現象現被稱為「蓋坦堡-裡克特定律」（GutenbergRichter Law）。

再如城市人口，很明顯地，少數城市擁有非常多的人口，而大部分城市的人口較少。我們都依個人自由意願決定居住於何處，但令人意外地，我們遵從了與地震發生的同一法則。不論以整個世界或特定區域，無論過去還是今天，結果都一樣。

如果你考察暢銷書作家的成績，或者富人財富的分佈，你會發現每4個身價超過1億美元的富人中，會有一個身價超過10億的，而每4個身價超過10億的人中，又會有一個超過100億的。100億級別富人看10億級別富人，就好想10億級別富人看1億級別富人一樣。

最後舉一個著名的冰凍馬鈴薯試驗。用冰凍馬鈴薯朝牆上扔使其碎成小塊，將碎片依照重量放入不同箱子（像之前統計地震一樣），也會找到冪次律。之所以用冰凍馬鈴薯，是因為它碎裂的方式與大石塊相撞後碎裂的方式相似，因此我們可以更深入瞭解，像火星和地球等被小行星撞擊後的效果。這表示，如果你像只螞蟻一般大，在這些碎片中周遊，你看到的景象（以統計而言）與你變成瓢蟲般大小在其間行走看到的並無二致！

混沌理論
「相對論消除了關於絕對空間和時間的幻想；量子力學則消除了關於可控測量過程的牛頓式的夢；而混沌理論（Chaostheory）則消除了關於決定論式可預測的幻想」。混沌理論解釋了決定系統可能產生隨機結果。初始條件十分微小的變化，經過不斷放大，對其未來狀態會造成極其巨大的差別。

村民抱怨過去一年停電了好幾次，電力公司則對每一次停電都有完全合理的解釋，一次是因為鳥飛進高架電線，一次是因為強風把樹吹到在電線上，一次是因為閃電......。但村民還是深信電力系統本身有問題。現在混沌理論告訴我們，這一連串的區域性災難，必然發生於電力網路上，但我們無法知道何時何處。

恐龍滅絕只是五次類似災難的一次，而且也不是最大的。地球上生命的滅絕，似乎不都是太空來的撞擊造成。某些滅絕可能因隕石撞擊造成，某些可能由冰河時期引發。但我們知道，並不需要一次重大誘因，便能引發重大事件，任何尺度的滅絕可能由任何尺度的誘因導致。我們完全無法預測下一次橫掃生態網路的滅絕程度的大小，正如無法預測一下舊金山地震的規模。

在某些狀態下，由幾乎相同狀態發展出的系統，由於初始條件的微小差異，或偶爾一個小小誘因，將造成最終現象的極大改變，並很快地演變出完全不同的結果，我們無法計算系統隨時間產生的變化，特別是面對處於混沌邊際的發散系統。前者的小誤差，會造成後者極大的錯誤。預測將成為不可能的事，我們面對的是偶發現象。這類由初始條件造成的天氣（以及其他系統）的敏感性，常被稱為「蝴蝶效應」。生命與無生命系統，都遵循著同樣深奧的宿命。在各式各樣的可能性中，無論初始狀態如何，也無論所選定對生命系統的衝擊如何，都將會到達位於混沌邊緣、自我組織的臨界狀態，此時偶爾一個小小誘因，都可以使整個系統發生巨大改變。而生命也確實如此。唯一能詳盡描述宇宙的系統，就是宇宙本身。除了看著它演變，我們也完全無法預測未來。

從另一個角度，也說明了時間的方向性。十九世紀中期，所有物理科學所知的現象，都可用牛頓定律與馬克斯威爾電磁方程式來處理，但這兩者沒有時間方向性（即運動是可逆的）。在真實世界中，封閉系統的混亂度隨時間增加（東西會衰敗），所以熵（entropy）的必然增加可以定義出時間的方向，也就是從有秩序的過去指向混亂的未來。在宏觀的尺度上，宇宙以不可逆的方式運作——你永遠不能把事物變回過去的狀態。這也是我們的印象中為什麼總是看到玻璃杯從桌子上掉下摔個粉碎,而從來沒見過碎掉的玻璃碴在返回到桌面重組成。所謂"覆水難收"不過時人類對時間箭頭的無意識的慨嘆吧!

生命誕生於混沌的邊緣
先看一下著名的「沙堆模型」：桌上每次滴一粒沙，形成沙堆，並開始有沙滿出桌面，掉落到地上。系統此時處於臨界的自我組織狀態，依賴落下的沙粒帶入能量。每加入一粒沙可能引發一次大規模沙崩，或一系列小沙崩，或讓新沙粒巧妙地平衡於沙堆上，但沙堆一直處於接近臨界狀態。

秩序和平衡體現的是熵增加的世界末日規則，本身沒有太大意思，因為什麼都沒發生，生物體最接近平衡狀態的時刻是「死亡」。而混沌走到了另一個極端，一切都不能穩定，一切都不可預測。在秩序和混沌的邊緣，會出現一種自我組織的臨界狀態，一種奇妙的複雜方式繁衍、生長、分裂和重組的規則，一種相變行為，這也被稱為複雜系統。宇宙間有趣的事物，都是處於混沌邊緣不斷變化、自我調整的系統，包括了最複雜的人類生命。生命正是誕生於這樣一種從底層冒出來的，沒有中央控制的湧現現象。這就是生命出現的途徑——在具有足夠數量連接（各化合物）的化學系統網路中，以相轉移的方式發生。如果網路連接得不夠，生命不會存在，但多加入一兩個連接，生命不但可能而且是無可避免地出現。如考夫曼所言，「生命因為催化回路本身在某一臨界多樣性的分子回路中形成而產生」。人體細胞運作的網路可以將每個基因當成一個節點，而其間的關聯就像串接鈕釦的線。涉及的基因數介於3萬到10萬，即使用最先進的電腦也無法描述這個網路的行為。當然，雖然利用身體中流動的能量（與食物）保持穩定的身體狀態可達數年之久，但穩定狀態終究會被不可知的原因打破。

即使像我們這種宇宙間最複雜的生物，也是從簡單的規則中產生。我們在周圍世界所見到的複雜行為——甚至在生命世界中——只是「從深奧的簡潔中所浮現出的複雜表象」，宇宙間任何有趣的事情，包括各種自然現象和人類社會，儘管看起來很混沌，很複雜，但實際上都遵循背後深奧而簡單的規則。混沌和複雜遵循簡單法則。對簡單法則長久積累出的科學認知能成功地解釋（雖然無法預測）看似無法解釋的天氣系統、股票市場、地震，甚至人類。

遠方的生命
在探索火星生命時，有科學家提出以熵衰減來判斷（不同的）生命跡象。銀河（與其他螺旋星系一樣）是熵衰減的區域，利用流入能量、經由反饋來維持非平衡狀態的自我組織系統，從這個意義上星系應該被視為有生命的系統。

地球大氣層保持在一個似乎穩定的狀態已經幾億年，「大氣必定受到某種規範，使其保持固定的組成。而且，若大部分的氣體是來自生命組織，地表上的生命必定主控調節」。地球有「自我調節」的功能，硫的循環，鐵的循環，二氧化碳的波動，以及與生物、微生物的互動——如此錯綜複雜、卻又如此相互呼應；如此殘酷的爭奪資源，卻又如此相互契合。毫無生命主觀意識的地球，憑藉附著其上的那些生存利益糾纏敵友莫測的生物圈，可以如此「智慧」的調節、繁衍甚至進化，同時也保障了地球上生物和基因的延續。我們通常習慣談一個物種的進化，當我們更進一步，將會發現許多理由讓我們應該將進化對象視為整體系統（生物加系統）。這也讓我不由懷疑地球其實是有生命的。雖然它不能自由移動，正如地球上的「植物」。

當人們能操作地球移動，或者建造一個巨大的「動球」，從而脫離銀河系四處獵食，吃地球這樣的「植物星球」（植食性），或者其他「動球」這樣的「動物星球」（肉食性）。這時有一個巨人通過他的顯微鏡觀察這些「動球」，正如我們現在觀察微生物一樣，他可能會認為「動球」是生物，但人只是其中一個細胞或組件——雖然我們自認為是萬物之靈，擁有有自由意志。