出版社: 湖南科学技术出版社
副标题: 从混沌、复杂到地球生命的起源
译者: 马自恒
出版年: 2008-10
页数: 239
定价: 18.00元
丛书: 科学人文COME ON系列
ISBN: 9787535754448
内容简介 · · · · · ·
这个世界似乎相当复杂。尽管现代科技日新月异,我们的生活仍必须时常提防突如其来的意外事件:随机发生的地震、毫无预警的股市震荡,以及常常会出现失误的天气预报。然而,生命本身似乎才是宇宙中最复杂的现象。那么,我们该如何看待这个世界?《深奥的简洁》是第一本涵盖了蝴蝶效应、盖娅理论,以及各种关于混沌与复杂概念的图书。在这本充满智慧和启发性的书中,科普大师葛瑞本向我们说明:复杂,其实很简单;即使是看来完全随机的行为深处,也只是遵从简单的因果规律。
如同一幅充满禅意的图画,或一个破碎的形体,或蝴蝶翅膀的有趣图案,整个世界都建立于简单元素之上,经由互动与组织,造就出高度复杂的整体。而在一切深奥结构与和谐之下的简洁,才是我们存在的基石,从天气、地震、太阳系以及至今已知最复杂系统——地球生命的起源,葛瑞本娓娓道出混沌与复杂如何和宇宙各个方面紧密地交织在一起,并以相同的方...
这个世界似乎相当复杂。尽管现代科技日新月异,我们的生活仍必须时常提防突如其来的意外事件:随机发生的地震、毫无预警的股市震荡,以及常常会出现失误的天气预报。然而,生命本身似乎才是宇宙中最复杂的现象。那么,我们该如何看待这个世界?《深奥的简洁》是第一本涵盖了蝴蝶效应、盖娅理论,以及各种关于混沌与复杂概念的图书。在这本充满智慧和启发性的书中,科普大师葛瑞本向我们说明:复杂,其实很简单;即使是看来完全随机的行为深处,也只是遵从简单的因果规律。
如同一幅充满禅意的图画,或一个破碎的形体,或蝴蝶翅膀的有趣图案,整个世界都建立于简单元素之上,经由互动与组织,造就出高度复杂的整体。而在一切深奥结构与和谐之下的简洁,才是我们存在的基石,从天气、地震、太阳系以及至今已知最复杂系统——地球生命的起源,葛瑞本娓娓道出混沌与复杂如何和宇宙各个方面紧密地交织在一起,并以相同的方式掌控了生命与银河等的演化,最后,他试着为“最困难的问题”——在地球之外,是否还有生命存在——提出解答。
作者简介 · · · · · ·
约翰·葛瑞本(John Gribbin),是剑桥大学天文物理学博士,也是著名专业科学作家。目前著作超过五十本,包括《寻找薛定谔猫》、《大爆炸探索》与《时间史漫画》(与凯特·查理渥斯合作)。
目录 · · · · · ·
· · · · · · (收起)
原文摘录 · · · · · · ( 全部 )
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Life, of course, seems to defy this process, by creating order and structure out of disordered (or at least, less ordered) materials. A plant builds its structure, and may make beautiful flowers, out of carbon dioxide, water, and a few traces of other chemicals. But it only does so with the aid of sunlight, energy from an outside source. (查看原文) -
Away from equilibrium, a flow of energy can, under the right circumstances, create order spontaneously. This is a crucial insight into our own existence, since there is no denying that we are ordered creatures, and there is overwhelming evidence that the Universe began in a state of much less order. (查看原文)
> 全部原文摘录
丛书信息
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深奥的简洁的书评 · · · · · · ( 全部 21 条 )

说说作者避而不谈的那部分

原来世界有多复杂,就有多简单。。。

读懂了华为的“熵减”哲学也就读懂了混沌人生
这篇书评可能有关键情节透露
几年前,华为的“熵减”理论火爆国内企业界。2017年9月,华为总裁办发布了《华为之熵,光明之矢》的内部学习邮件,文章系统阐述了任正非先生的“熵减”理论,后收录在《熵减:华为活力之源》一书中。 熵首先是一个物理学概念,熵的单位是焦耳/热力学温度。所谓熵就是体系混乱程... (展开)> 更多书评 21篇
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第一章《混沌中的秩序》 重温了从伽利略到牛顿经典物理的发展、再叙了牛顿与莱布尼茨关于微积分发明权的争执,还让我知道了经典力学在面对「三体运动」时的无能为力。 这时类三体运动的预测似乎只能靠概率论中的「拉普拉斯妖」给予解释,而当物理发展到量子力学时「测不准原理」又宣判了拉普拉斯妖的不可能存在。 话锋一转,再说麦克斯韦四组方程式对电磁和光的描述,导出的「光速常数」进而开启了相对论的大门。 再当讨论“功...
2020-01-25 16:35:26 4人喜欢
第一章《混沌中的秩序》
重温了从伽利略到牛顿经典物理的发展、再叙了牛顿与莱布尼茨关于微积分发明权的争执,还让我知道了经典力学在面对「三体运动」时的无能为力。
这时类三体运动的预测似乎只能靠概率论中的「拉普拉斯妖」给予解释,而当物理发展到量子力学时「测不准原理」又宣判了拉普拉斯妖的不可能存在。
话锋一转,再说麦克斯韦四组方程式对电磁和光的描述,导出的「光速常数」进而开启了相对论的大门。
再当讨论“功”和“能”的转换提到的热力学,而其中的「熵值增加」与「热寂」的概念让人深思。
第一章结束,未提混沌,作者似乎在搞从微观粒子到宏观宇宙、从有序到无序,哪哪都有「遥远的相似性」的写作隐喻。
第二章《重返混沌》
若以经典力学为理论依据来解释宇宙是如何诞生的话,可以这么说:宇宙在「奇点」开启时有一个「初始值」,而只要知道这个值,再加以时间这个变量,便可推演出宇宙的演变。
而这初始值又是得不到的,因为这个值是「无理数」,这个数包含了大到宇宙星河、小至粒子尘埃的描述。
总结起来,这章告诉我若要从经典力学推导宇宙,只需 初始值 + 系统模型,便可得到。想到这,让我很相信刘慈欣《时间移民》中的《镜子》,是不是就是看了这章才有的灵感。
第三章《秩序衍生混沌》
要理解分形(fractal)与混沌(chaos)的概念,以及它们与现实世界的关系是要掌握流体动力、代数、几何、拓扑、气象、经典物理、生物、编程的递归等多学科的基本知识滴…
第四章《混沌的边际》
开放系统下的能量耗散,身处其临界状态(混沌边缘)的物质会不断产生由受热至冷却的过程而产生各种其他物质——即非平衡热力学的化学震荡反应(如BZ反应)。
第五章《地震、物种灭绝与突现》
生命是如何从无机物中产生的?
在“太古化学的浓汤”中,以BZ反应为模型,只要有阳光、火山或闪电不断提供能量,便能产生自我维持的反应链,而不断产生各种化合物产物。
只要该反应不断进行,便有概率产生有机物——生命便无可避免地产生。
第六章《生命的真相》
进化论与适者生存的各种描述…
第七章《远方的生命》
好吧,要读懂这本书,确实需要恶补太多学科的知识,然后再认真地读上一遍…
回应 2020-01-25 16:35:26 -
月亮树 (专注。)
一、本章前半部分讲了力学的发展(但牛顿理论无法判断时间方向) 伽利略第一个采用科学实验的方法,验证某些情况下,力与运动的关系。 牛顿对这个关系的理解更深,发现了力的普遍规律(3条定理)。 但牛顿的理论难以分析3个物体的情况,只能先转换成2个物体。牛顿理论无法直接计算3个星球未来会怎么变化,但可以先两两分析,推算出下一个时间点的情况,只是不能推算出很久以后的情况。即,宇宙以后会怎么变化无迹可寻。(极端情...2021-09-26 16:54:03 1人喜欢
一、本章前半部分讲了力学的发展(但牛顿理论无法判断时间方向)
- 伽利略第一个采用科学实验的方法,验证某些情况下,力与运动的关系。
- 牛顿对这个关系的理解更深,发现了力的普遍规律(3条定理)。
- 但牛顿的理论难以分析3个物体的情况,只能先转换成2个物体。牛顿理论无法直接计算3个星球未来会怎么变化,但可以先两两分析,推算出下一个时间点的情况,只是不能推算出很久以后的情况。即,宇宙以后会怎么变化无迹可寻。(极端情况:三体情况,只能先转换成2球的分析。如,我们无法预知3个质量相等的星球,在宇宙中未来会怎么变化(因为本身无解),就连大自然也不知道。)
- 拉普拉斯认为自己恢复了牛顿曾觉得不存在的“宇宙间的秩序”。他先用牛顿理论计算了太阳系中2大大质量行星的运行情况,而后发现,金星与木星的运行轨道有规律可循:每隔59年,这两个行星距离最近。每隔929年,这两个行星的轨道会往相反方向变化,如今是木星轨道扩张,金星轨道收缩,当这个周期结束后,将变成木星轨道收缩,金星轨道扩张。
- 麦克斯韦方程式证明了光以定速前进,不因观测者的运动而变化。麦克斯韦方程满足牛顿的相对性,却不满足伽利略的绝对时空观。经过思考后,爱因斯坦发表了狭义相对论。
- 牛顿的理论和麦克斯韦方程,都没有时间的方向性,一切是可逆的。即可以发生现实中时间倒流的情景。根据理论,被打散的桌球可以重新组装回三角形,并碰击球杆,将力作用到人身上。在微观中,原子和分子的运动也无法判断时间方向(如一个盒子中的空气从无序变有序,或从有序变无序,用牛顿理论来看都是可能的)。
二、后半部分,讲了热力学的研究,自以为能判断宏观世界中的时间方向,但与牛顿理论矛盾
- 热力学第一定律:能量守恒定律,能量不会消失,只会转换形态。
- 傅立叶导热定律:热能总是沿着温差传递。热力学不研究单个分子和原子的运动情况,而是用统计学的方式,计算出一片空间和一段时间内的分子群体的平均属性(即判断宏观物体的情况,如判断一块冰放在火炉壁上经历的变化),因此能够解释了宏观世界中热传递现象,得以判断时间方向。
- 熵:用来测量系统中的秩序。熵增加,表明系统更加无序。(处在在越有序的系统中的物体,越容易根据周围情况,判断自己所在位置。如:黑白格子的棋盘是有序,全部格子是灰色(黑白混合)的棋盘是无序)
- 波尔茨曼提出了熵公式,建立了统计学与热力学的桥梁。
- 热力学第二定律:(建立于统计学基础:即采用的是一堆分子的平均值,而不管单个分子的状态),热量自发地从高温物体转移到低温物体。分子也同理,一开始完全无序的分子,在碰撞过程中不断交换能量{这里的“碰撞”,使得这个理论已经默认了时间方向,分为碰撞前和碰撞后},就会变得有序,最后使得整个系统趋向平均,这种情况下熵增加。热二认为,孤立系统的熵永不减少。孤立系统平衡态时,熵值最大。因此热力学认为,根据熵值可以判断时间方向。
- 随机涨落假想:根据热力学第二定律,宇宙的熵永不减少,但存在了如此之久的宇宙目前却非常有序,熵值非常低。因此,波尔茨曼猜想,宇宙是随机涨落的,我们现在刚好处于因随机涨落带来的低熵世界。【随机涨落观点与主流观点相悖。主流观点认为,宇宙的变化是朝着同一个方向一直改变的】
- ”热寂“观点:越无序的系统,系统分布越均匀。维多利亚时代的人认为在真实世界中,系统的熵都随时间推移而增加(如空气总是扩散,均匀分布;温度不均匀的两坨气体混合后,温度最终会一致)。而真实世界中一切做功的过程,都会有部分功产生热能,而热能又会向低温物体传递,所以他们觉得:(如果一直有做功的过程存在)“宇宙最后会变成一片只有热能的世界,即'热寂' ”。【作者反对这个观点,因为这个观点建立在孤立系统上,但地球并不是孤立的系统,有宇宙中的能量一直输入,所以不会变成”热寂“】
- 提出熵公式之前,也有过其他认为宇宙必定无序的观点:从概率分布上,系统无序的可能情况要比系统是有序的可能情况多得多(如,2种气体分子平均分布在盒子两边的概率大于都分布在一边),也就是,我们随时观察一个孤立的系统,更可能看到它无序的状态。
- 波尔茨曼理论与牛顿理论的矛盾之处:波尔茨曼的理论认为,一切是不可逆的,我们可以通过系统的状态了解时间的方向,但在牛顿的理论中,系统是可逆的,一切都可能回到原点。
- 庞加莱回归:庞加莱通过纯数学推导发现,只要系统内的分子们遵循牛顿理论,那么在经过足够长的时间后(如果是52个分子,需要10^52秒,是宇宙目前只有10^17秒。数据源于书中,编者说可能计算有误),整个系统一定会回到计算时的原点(按熵来讲的话,因为系统回到原点,所以系统的熵值也会与初始状态一致,这与波尔茨曼认为的“独立系统的熵值必定增加”相悖)
- 热二定律和庞加莱回归存在矛盾。(前者认为宇宙熵值永不减少,后者认为系统可能绕了一圈回到原点。)网上争论不休,有观点认为,热尔定律采用的是统计学的方法,它展示的是在极大概率上的情况中,系统会熵增,因此,系统熵减的概率虽然低,但仍然可能存在。
回应 2021-09-26 16:54:03 -
基因就是编制简单的规则,而分形的不断重复制造了复杂性和多样性,因此生命和自然的复杂性背后的逻辑其实很简单,运动与发展的规则很简单。 中国人不愿意费心去研究这些看似与现实需求没有直接关系的抽象与虚无缥缈的事,因此只愿意直接拿来(盗窃)别人的成果。就像喜鹊(有点卑鄙),也因此而抄近并弯道超车,还美其名曰自己比别人干得好!脸皮有多厚(跟印度人有一拼)。我估计对付这种人只有一个办法,消灭它!因为你跟没底...
2019-08-06 10:58:00 1人喜欢
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只要稍稍偏离平衡,就能由混沌中产生秩序 人的一生是一件很渺小的事情。就是因为能够感知到这世界的变化。我们会很努力的创造一个更加适合自己的世界,努力维持一种属于我们的秩序,例如法律,例如道德。 世界的本质是趋向一个永恒的平衡状态的,但是那个世界是不存在任何的变化,也不存在任何的生命。所有有感知的生物都会努力去规避,去抗拒这样的一种变化。试图去维持一种让自己更加舒适的状态。而不是一种无味的平衡。 所以...
2022-03-13 17:45:22
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月亮树 (专注。)
一、本章前半部分讲了力学的发展(但牛顿理论无法判断时间方向) 伽利略第一个采用科学实验的方法,验证某些情况下,力与运动的关系。 牛顿对这个关系的理解更深,发现了力的普遍规律(3条定理)。 但牛顿的理论难以分析3个物体的情况,只能先转换成2个物体。牛顿理论无法直接计算3个星球未来会怎么变化,但可以先两两分析,推算出下一个时间点的情况,只是不能推算出很久以后的情况。即,宇宙以后会怎么变化无迹可寻。(极端情...2021-09-26 16:54:03 1人喜欢
一、本章前半部分讲了力学的发展(但牛顿理论无法判断时间方向)
- 伽利略第一个采用科学实验的方法,验证某些情况下,力与运动的关系。
- 牛顿对这个关系的理解更深,发现了力的普遍规律(3条定理)。
- 但牛顿的理论难以分析3个物体的情况,只能先转换成2个物体。牛顿理论无法直接计算3个星球未来会怎么变化,但可以先两两分析,推算出下一个时间点的情况,只是不能推算出很久以后的情况。即,宇宙以后会怎么变化无迹可寻。(极端情况:三体情况,只能先转换成2球的分析。如,我们无法预知3个质量相等的星球,在宇宙中未来会怎么变化(因为本身无解),就连大自然也不知道。)
- 拉普拉斯认为自己恢复了牛顿曾觉得不存在的“宇宙间的秩序”。他先用牛顿理论计算了太阳系中2大大质量行星的运行情况,而后发现,金星与木星的运行轨道有规律可循:每隔59年,这两个行星距离最近。每隔929年,这两个行星的轨道会往相反方向变化,如今是木星轨道扩张,金星轨道收缩,当这个周期结束后,将变成木星轨道收缩,金星轨道扩张。
- 麦克斯韦方程式证明了光以定速前进,不因观测者的运动而变化。麦克斯韦方程满足牛顿的相对性,却不满足伽利略的绝对时空观。经过思考后,爱因斯坦发表了狭义相对论。
- 牛顿的理论和麦克斯韦方程,都没有时间的方向性,一切是可逆的。即可以发生现实中时间倒流的情景。根据理论,被打散的桌球可以重新组装回三角形,并碰击球杆,将力作用到人身上。在微观中,原子和分子的运动也无法判断时间方向(如一个盒子中的空气从无序变有序,或从有序变无序,用牛顿理论来看都是可能的)。
二、后半部分,讲了热力学的研究,自以为能判断宏观世界中的时间方向,但与牛顿理论矛盾
- 热力学第一定律:能量守恒定律,能量不会消失,只会转换形态。
- 傅立叶导热定律:热能总是沿着温差传递。热力学不研究单个分子和原子的运动情况,而是用统计学的方式,计算出一片空间和一段时间内的分子群体的平均属性(即判断宏观物体的情况,如判断一块冰放在火炉壁上经历的变化),因此能够解释了宏观世界中热传递现象,得以判断时间方向。
- 熵:用来测量系统中的秩序。熵增加,表明系统更加无序。(处在在越有序的系统中的物体,越容易根据周围情况,判断自己所在位置。如:黑白格子的棋盘是有序,全部格子是灰色(黑白混合)的棋盘是无序)
- 波尔茨曼提出了熵公式,建立了统计学与热力学的桥梁。
- 热力学第二定律:(建立于统计学基础:即采用的是一堆分子的平均值,而不管单个分子的状态),热量自发地从高温物体转移到低温物体。分子也同理,一开始完全无序的分子,在碰撞过程中不断交换能量{这里的“碰撞”,使得这个理论已经默认了时间方向,分为碰撞前和碰撞后},就会变得有序,最后使得整个系统趋向平均,这种情况下熵增加。热二认为,孤立系统的熵永不减少。孤立系统平衡态时,熵值最大。因此热力学认为,根据熵值可以判断时间方向。
- 随机涨落假想:根据热力学第二定律,宇宙的熵永不减少,但存在了如此之久的宇宙目前却非常有序,熵值非常低。因此,波尔茨曼猜想,宇宙是随机涨落的,我们现在刚好处于因随机涨落带来的低熵世界。【随机涨落观点与主流观点相悖。主流观点认为,宇宙的变化是朝着同一个方向一直改变的】
- ”热寂“观点:越无序的系统,系统分布越均匀。维多利亚时代的人认为在真实世界中,系统的熵都随时间推移而增加(如空气总是扩散,均匀分布;温度不均匀的两坨气体混合后,温度最终会一致)。而真实世界中一切做功的过程,都会有部分功产生热能,而热能又会向低温物体传递,所以他们觉得:(如果一直有做功的过程存在)“宇宙最后会变成一片只有热能的世界,即'热寂' ”。【作者反对这个观点,因为这个观点建立在孤立系统上,但地球并不是孤立的系统,有宇宙中的能量一直输入,所以不会变成”热寂“】
- 提出熵公式之前,也有过其他认为宇宙必定无序的观点:从概率分布上,系统无序的可能情况要比系统是有序的可能情况多得多(如,2种气体分子平均分布在盒子两边的概率大于都分布在一边),也就是,我们随时观察一个孤立的系统,更可能看到它无序的状态。
- 波尔茨曼理论与牛顿理论的矛盾之处:波尔茨曼的理论认为,一切是不可逆的,我们可以通过系统的状态了解时间的方向,但在牛顿的理论中,系统是可逆的,一切都可能回到原点。
- 庞加莱回归:庞加莱通过纯数学推导发现,只要系统内的分子们遵循牛顿理论,那么在经过足够长的时间后(如果是52个分子,需要10^52秒,是宇宙目前只有10^17秒。数据源于书中,编者说可能计算有误),整个系统一定会回到计算时的原点(按熵来讲的话,因为系统回到原点,所以系统的熵值也会与初始状态一致,这与波尔茨曼认为的“独立系统的熵值必定增加”相悖)
- 热二定律和庞加莱回归存在矛盾。(前者认为宇宙熵值永不减少,后者认为系统可能绕了一圈回到原点。)网上争论不休,有观点认为,热尔定律采用的是统计学的方法,它展示的是在极大概率上的情况中,系统会熵增,因此,系统熵减的概率虽然低,但仍然可能存在。
回应 2021-09-26 16:54:03 -
得到听书版书———关于作者 约翰·格里宾,是剑桥大学天文物理学博士,也是一位畅销书作家,著有50多部科普著作。2009年,格里宾被英国科学作家协会授予「终身成就奖」。 关于本书 这本书是混沌理论的经典科普书,通过对各种复杂与混沌案例的分析告诉我们,整个世界都建立在简单的元素之上,它们经由互动与组织,便可造就出高度复杂的整体。 核心内容 音频聚焦在三个重要问题: 1.混沌系统从哪里开始? 2.混沌系统在哪里结束?...
2021-04-21 12:39:35
得到听书版书———关于作者 约翰·格里宾,是剑桥大学天文物理学博士,也是一位畅销书作家,著有50多部科普著作。2009年,格里宾被英国科学作家协会授予「终身成就奖」。 关于本书 这本书是混沌理论的经典科普书,通过对各种复杂与混沌案例的分析告诉我们,整个世界都建立在简单的元素之上,它们经由互动与组织,便可造就出高度复杂的整体。 核心内容 音频聚焦在三个重要问题: 1.混沌系统从哪里开始? 2.混沌系统在哪里结束? 3.研究混沌系统为什么这么重要? 点击查看大图,保存到手机,也可以分享到朋友圈 前言 你好,欢迎每天听本书,我是陈章鱼。今天为你解读的这本书叫《深奥的简洁》。这本书讲的是,复杂的混沌系统背后,到底有什么样的规律? 对于混沌系统,你一定不会陌生,哪怕你没听过「混沌系统」这个概念,你也一定听过那个最具代表性的事例——蝴蝶效应。 1961年,美国的一位气象学家爱德华·罗伦兹在研究气流运动,他发现,用计算机进行计算的时候,哪怕是小数点之后第 4 位数有那么一点不一样,也就是差那么万分之几,算出来的结果就完全不同。后来罗伦兹把这个现象进行了一个形象的比喻,说这就像是巴西的一只蝴蝶扇动翅膀,就可能引发美国得克萨斯州的一场龙卷风。 从此之后,「蝴蝶效应」也就成了混沌系统的代名词。不过,如果我们再往深处想一层,你会发现关于蝴蝶效应,有很多问题我们是不了解的。 比如,蝴蝶效应指的是,微小的变化会引发的巨大反应,那么多微小的变化,才会产生蝴蝶效应呢?蚂蚁搬家会不会产生这样的效果呢?云朵中的一滴水落下来,有没有可能呢? 更关键的,巴西的一只蝴蝶能引发得州的一场龙卷风,那得州的龙卷风为什么没有引发全美的海啸呢?这说明混沌系统到了一定的规模,它就又开始有规律了,不会一直这么混沌下去。 所以你看,我们用常识来推断,也能得出这样一个结论,就是混沌系统是有边界的。就像是有一个圈,这个圈里边就是混沌系统,变化无常、难以预测,而圈子之外,就是秩序所在。 有人说,这本书的书名不应该叫《深奥的简洁》,其实应该叫作《蕴含于复杂中的简洁》。因为这本书探讨的,就是混沌和秩序的边界到底在哪里。 这本书的作者约翰·格里宾,是剑桥大学天文物理学的博士,也是一位畅销书作家,著有50多部科普著作。2009年,格里宾被英国科学作家协会授予「终身成就奖」。他在这本书中,就通过对各种复杂与混沌案例的分析告诉我们,整个世界都建立在简单的元素之上,它们经由互动与组织,便可造就出高度复杂的整体。 接下来,我会分成三个部分为你解读这本书。 第一部分我们来看看,混沌系统从哪里开始? 第二部分我们来了解一下,混沌系统到哪里结束? 第三部分我们再来聊一聊,研究混沌系统为什么这么重要? 第一部分 我们来看第一个问题,混沌系统从哪里开始? 一般我们会以为,混沌系统如此难以预测,它的内部也一定非常非常复杂,一定是内部环节众多,就像一台零件特别多的机器,因为环节多、零件多,所以内部的变数就多,最终的结果就难以预料。 实际上,想要制造出一个混沌系统,根本不需要那么复杂。其实,我们随手就能制造一个混沌系统,只需要一件东西,那就是水龙头。 你可以拿水龙头做这样一个实验,先把水龙头关紧,然后打开一点点,这时候的水,是一滴一滴落下来的,嘀嗒、嘀嗒,节奏感特别强。你再把水龙头打开一些,水滴就会越来越快,最终汇成一股水流。如果你再把水龙头打开一些,这个时候有趣的事情发生了,你会发现水流开始变得杂乱无章,也许还会分成几股。那如果你把水龙头继续开大,最后,这些水流又会汇成一股稳定的大水流。 如果你反复试验几次,你会发现,这是一个从规律到混乱又到规律的过程。不论你试验几次,一头一尾都是不变的,可是中间那个水流会变成什么样,这个完全是随机的,找不到什么规律。 中间这些混乱的水流,就是一个混沌系统。 所以你看,我们根本不需要那么复杂,就能随手造出一个小小的混沌系统。可见,内部结构是不是复杂,和混沌系统之间没有太多的关系。 那到底什么才是混沌系统的决定因素呢?这本书的作者提出了一个公式:特定的规则+重复=复杂。 就是一些看起来其实很明确简单的规则,经过多次重复之后,就会演化成一个混沌系统,结果变得难以预料。 那都有哪些规则呢?主要有两类。 第一类是「非线性系统」。日常生活中的大多数变化都呈线性发展,也就是等比例的变化。我举起一袋2公斤重的米,要比举起1公斤米花上两倍力气。我往前走200米,也要比走100米花上两倍的力气,都是这样等比例的。 线性系统是没法变成混沌系统的,因为线性系统里边的变化也好,误差也好,最终都会等比例地呈现在结果中,非常明确,也就不会变成我们无法预估的结果。 反过来,如果结果不是等比例的,那么它就是一个非线性的系统,这样的系统,如果开头有一点点微小的变化,结果就可能大不相同。 比如指数,也就是多次相乘,这就是一个非线性的系统。 网上有一个励志的段子,说我每天多努力一点点,提升1%,365天之后,结果是37.8倍;如果我每天少努力一点点,减少1%,365天之后,结果就是0.03。 你看,多1%和少1%,一开始不过是0.02的差别,但是放到这样一个非线性系统里,结果却差出了一千多倍。 像是我们前边提到的「蝴蝶效应」,研究气流运动的数学计算,也一定是一个非线性系统。如果你感兴趣,可以找一个计算器来,咱们通过一个简单的计算,也能模拟出「蝴蝶效应」那个计算的情况。 步骤非常简单,你先挑一个0到1之间的小数,小数点之后多取几位数,比如0.34567,然后进行三步的运算。 第一步,用计算器计算这个数的平方;第二步,将平方的结果乘以2;第三步,再将这个结果减去1。 接下来,你可以将这三步重复20次,记下最后得到的结果。 然后,请你把一开始选择的那个小数做一点点调整,比如把0.34567变成0.34563。然后再将那三步计算重复个20次,记下最后得到的结果。 把两个结果对到一起,你会发现,虽然只有0.0000几的变化,但是最后的结果大不相同。甚至有的时候,两个结果的正负都不一样。 其实呢,我们只用了一个简单的算式,那就是2x2-1。只不过,这是一个非线性的计算,经过足够多的重复之后,一开始的微小误差,就会累积成巨大的变化。 还有第二种规则,也能创造出混沌系统,就是「自我的复制」。 比如数学当中有一类几何图形叫作「分形」,就是通过自我复制的方式,产生的图形。最著名的分形叫作「科赫曲线」。 科赫曲线的绘制规则非常简单,先取一条线段,把它三等分,然后在中间的线段向外突出一个三角形。之后,对每一条新产生的边重复这个操作,以此类推,以至于无穷。 我在文稿中附上一张图,你能看出来,经过几次重复之后,虽然绘制的规则非常简单,但是得出的曲线已经非常复杂了。 如果一开始选择的线段长度不同,那么最后得到的科赫曲线也不一样,可以说能衍生出无数种可能。 你可不要小看科赫曲线,比如岛屿的海岸线,看起来弯弯曲曲,哪儿和哪儿都不一样,但是实际上,经过科学家的研究,自然形成的海岸线和科赫曲线的性质极其相似,海岸线其实就是一种分形。 在生物身上也有分形的存在,科学家发现,我们人类的生命系统中,就有许多特征看起来像分形。 比方说,动脉和静脉血管的分布的形态,本质上就是分形。肾脏本身是有限的三维物体,而其中弯弯曲曲的血管就是按照分形的原理排布的。 你会发现,按照这么一个分形的原理来设计生命,是一个特别经济的选择。因为人类的DNA不需要记录下完整的设计图,血管一共要多长,这里要一段还是两段,那里是应该分叉还是应该走直线,要是记录完整的设计,信息量可太大了。而且具体到每个人,其实各不相同,如果是记录多套方案,然后给每个人随机挑选这么一套,那DNA承载的信息更是无法计数。 但是如果应用分形的原理,DNA并不需要存储那么多的信息,只需要记录若干简单的规则,然后不断重复使用这些规则,就能演化出复杂又各不相同的方案,经济又高效。 如果我们总结一下,你会发现,不论是「非线性系统」,还是「自我的复制」,都有相同的一个特点,就是系统中是有反馈的,也就是上一次的结束时的结果,影响了下一次的开始时的初始数值。 有了反馈,一个系统的变化率,就会受到之前变化结果的影响。变化率和变化结果互为因果,相互纠缠,这种复杂,就使得系统从秩序走向混沌,演化出了一个纷繁复杂的世界。 第二部分 接下来,我们再来看第二个问题,混沌系统到哪里结束? 就像我们在前边讨论的,其实不会有无限放大的混沌系统,不然的话,巴西的一只蝴蝶引发了得州的龙卷风,得州的龙卷风引发了全美国的大海啸,全美的大海啸再引发世界级的寒潮,就这么层层放大,用不了多久银河系都毁灭了。 这当然和现实情况不相符。这就说明变化到了一定程度,混沌系统又会走向秩序。那从混沌到秩序的边界又在哪里呢? 科学家们对此做过各种各样的研究,他们的结论是,当混沌系统变得足够大,就会重新走向秩序。换句话说,大了就不一样。 比如我们前边举的例子,用水龙头创造一个混沌系统,当水龙头开到一定程度时,会随机出现各种各样的乱流,但是把水龙头开到最大,水流又变成单一整齐了。 甚至一些更奇特、更随机、更无法预测的事件,随着规模的增大,也会从混沌随机走向必然。 比如生命是怎么从地球上诞生的?很多人都说这是一个非常非常偶然的事件,但是,著名的圣塔菲研究所的一位科学家做了一个实验,发现生命的出现没有那么偶然。 我们知道,生命的出现最依赖的就是有机物,而有机物是地球上各种元素和物质经过复杂的化学反应之后产生的,是互动的结果。如果你听过郑路老师的社会网络课,就会知道,生命就是在各种物质组成的网络中诞生的。 圣塔菲研究所的这位科学家,就用纽扣模拟网络中的节点,用线模拟节点和节点的连接,他找了上万个纽扣,然后每一次都随机连接两个纽扣。 一开始的时候,这种连接是非常随机的,比如第一次,从一万个纽扣里边挑两个,大概会有将近5000万种不同的组合。可是科学家发现,随着连接的数量越来越多,规律就开始显现出来了。当连接的数量超过纽扣数量的一半时,就会形成超大规模的网络,把大多数纽扣连接起来。 你要知道,如果要保证1万个纽扣两两连接,你需要将近5000万条线,但是圣塔菲科学家的实验证明,只需要5000条线,就能把大部分纽扣吸纳进一个相互连通的物质网络当中了。 想象一下,在久远的地球上,物质A偶然和物质B发生了反应,产生了物质C,物质C又能和新的一种物质D发生反应。这种化学反应也像是在纽扣之间连线一样,当它们之间的连接变得越来越多,很快,就会把所有的物质都纳入这个网络中。所以,只要地球上一开始的物质是能生成有机物的,不缺材料,那么随着物质网络之间的互动,这些物质就一定能凑到一起去发生反应。 所以这本书中给出了一个惊人的结论:生命无可避免会出现,我们是大自然表达更深刻秩序的产物。 那到底为什么规模大了之后,系统就会从混沌重新走向秩序呢?说句实话,今天的科学家们还没法给出最终答案。在这本书中,作者给出了一个猜想,规模和秩序的关系,可能是因为熵增定律。到底什么是熵,时间有限,没法在这里向你展开介绍,得到上像万维钢老师的《精英日课》,孙亚飞老师的《化学通识30讲》当中,都有非常精彩的讲解,感兴趣的话你可以学习一下。 简单来说,如果没有外力干涉的情况下,所有系统都会向着熵增加的方向发展,这可能是宇宙的终极定律。规模越大,熵增加的方式就变得越少,用一个比喻来说,就有点像花钱,如果你想花出去100块钱,那有各种各样的方式,可是如果你想一下花出去100万,能选择的方式就少了很多,如果让你一下子花出去100个亿,那几乎就只有几种选择了。 系统也是如此,规模越大,能够使得熵增加的方式就变得越来越少,选择少了,确定性就增加了,规律和秩序就涌现出来了。 第三部分 我们再来看第三个问题,研究混沌系统为什么这么重要? 许多科学家有一种共识,二十世纪人类科学史上三个最重要的理论,分别是相对论、量子力学和混沌理论。 这三个理论都是从某种程度上颠覆了传统的牛顿力学。相对论打破了牛顿力学最大的时空界限,也就是在以光年计算的大尺度宇宙空间里,或者在接近光速的情况下,牛顿力学就不再适用了,要用相对论才能解释。 量子力学呢,是打破了牛顿力学最小的时空界限,就是在原子、电子这些微小粒子的世界中,牛顿力学也不再适用了,要用量子力学才能解释。 而混沌理论呢,打破的是传统牛顿力学给科学家带来的一种信念,就是一切均可预测。 牛顿用它的三大力学定律,建立了一个简洁又精准的世界,从地上的苹果,到天上的星星,都能用一套规则来计算,并且每时每刻,都可以准确预测接下来的运动轨迹。 这就让科学家们产生了一种自信,就是只要我们能准确测定物体此时此刻的状态,接下来无穷无尽时刻的状态,我们就都能准则预言了。 但是现实给了科学家们一个巴掌,他们发现就是有那么一些问题,是没办法准确计算的。 比如著名的科幻小说《三体》,这本书的原型就是天文学上著名的「三体问题」,科学家发现,三颗恒星互相吸引,他们的运动轨迹,完全没有规律可循,根本没法计算和预测。 像是「三体问题」还有「蝴蝶效应」,这些现象让科学家们发现,就是有一些系统,内部变化是高度随机的,我们没法准确预测它每时每刻的状态。不是因为今天的计算能力不够,而是永远都不可能。 这让科学家们对于世界又有了新的认识,可以说,混沌理论,就是在画清楚混乱与秩序之间的边界。 当然,随着科学发展,不仅仅是有些我们以为拥有秩序的地方,现在被证明是混乱的。一些之前被认为混沌随机不可解释的现象,在混沌理论的帮助之下,开始变得清晰起来。 比如关于生命的问题。 到了20世纪中叶,所有简单的问题都有了答案。广义相对论与量子力学解释了宇宙在大尺度与小尺度中的运作机制,而人类对于DNA的结构以及它们在遗传复制机制中的了解,使得生命与演化在分子层次上能被简单地解释。 但生命是如何从无生命体中产生的?这个最有趣的问题,依然无解。宇宙中最难以用传统科学探索的、最复杂的生物,就是人类。 当简单的问题被解答了,很自然地,科学家会试图挑战复杂系统中更困难的问题。这个时候,混沌理论就开始发挥力量了。 前边咱们也提到了,像人体的形成,还有生命的诞生,其中复杂的过程,都能用混沌理论得到解释。甚至于,今天科学家们在探索外星生命时,也会用到混沌理论。 科学家发现,人类社会中有很多活动,都符合一个规律,就是事件的大小和发生概率的某个指数成反比。科学家把这个称之为「1/f噪声」,f就代表概率。 科学家们发现,我们人类说话,还有各种各样的音乐,不管是摇滚乐还是古典乐,都符合1/f噪声的特征。但是,随机的声音,比如收音机没有电台时候发出的声音,就不符合1/f噪声的特征。 甚至于,一些人类活动造成的影响,也会符合1/f噪声的特征。比如说,全球平均气温从19世纪中期开始上升,在升高的大趋势里边,也有起伏振荡,科学家研究发现,这些振荡就是1/f噪声。除此之外,像是城市堵车的情况,股市长期的起伏,这些曲线里边,都能看出1/f噪声来。 科学家们就提出了一种猜想,那就是这个1/f噪声里边,就隐藏着信息和秩序。通过扫描宇宙的信息,从中寻找1/f噪声,我们就能找到来自外星的文明与生命。 打个比方,这就像我们在大街上放一个录音机,录了一天之后回去听回放,我们能听见风声啊、喇叭声啊、鸟叫啊,这时突然听见了一串单词,就算是阿拉伯语或者西班牙语,咱们完全听不懂这些单词的意思,但是我们能听出抑扬顿挫和断句,所以我们能确定,刚才是有人在说话。 科学家在扫描宇宙的时候,也是如此,「1/f噪声」就像是这些单词,虽然我们可能看不明白这些信号到底代表着怎样的活动,但是我们可以确信,如果有这样的信号,那它的背后,一定不是随机的自然现象,而是有秩序的信息。 这个例子最能说明混沌系统这种「深奥的简洁」。宇宙中最复杂的事物,就是像我们一样的生命,生命的变化极其复杂难懂,但是通过混沌理论,我们却能找到生命的规律,找到简洁的方法,在茫茫宇宙中寻找我们的同类。 结语 到这里,这本《深奥的简洁》其中精华的部分,我就为你解读完了。 总结一下,这本书讲的是,复杂的混沌系统背后,到底有什么样的规律?混沌系统是有边界的,就像是一个圈。这个圈里边就是混沌系统,变化无常难以预测,而圈子之外,就是秩序。 从秩序走向混沌,有两种最常见的方式,一种是「非线性系统」,另一种是「自我的复制」,这两种方式都有相同的一个特点,就是系统中是有反馈的,也就是上一次的结束时的结果,影响了下一次的开始时的初始数值。 有了反馈,一个系统的变化率,就会受到之前变化结果的影响。变化率和变化互为因果,相互纠缠,这种复杂,就使得系统从秩序走向混沌,演化出了一个纷繁复杂的世界。 而随着规模越来越大,系统又会从混沌回归到秩序,这种现象目前没有得到完全的解释,科学家的一个猜想是,规模越大,能够使得熵增加的方式就变得越来越少,选择少了,确定性就增加了,规律和秩序就涌现出来了。 今天,混沌理论在帮助我们探索宇宙和生命的秘密。人体的形成,还有生命的诞生,其中一些复杂的过程,都能通过混沌理论得到解释。甚至于,今天科学家们在探索外星生命时,也会用到混沌理论。 撰稿、讲述:陈章鱼
回应 2021-04-21 12:39:35
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只要稍稍偏离平衡,就能由混沌中产生秩序 人的一生是一件很渺小的事情。就是因为能够感知到这世界的变化。我们会很努力的创造一个更加适合自己的世界,努力维持一种属于我们的秩序,例如法律,例如道德。 世界的本质是趋向一个永恒的平衡状态的,但是那个世界是不存在任何的变化,也不存在任何的生命。所有有感知的生物都会努力去规避,去抗拒这样的一种变化。试图去维持一种让自己更加舒适的状态。而不是一种无味的平衡。 所以...
2022-03-13 17:45:22
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月亮树 (专注。)
一、本章前半部分讲了力学的发展(但牛顿理论无法判断时间方向) 伽利略第一个采用科学实验的方法,验证某些情况下,力与运动的关系。 牛顿对这个关系的理解更深,发现了力的普遍规律(3条定理)。 但牛顿的理论难以分析3个物体的情况,只能先转换成2个物体。牛顿理论无法直接计算3个星球未来会怎么变化,但可以先两两分析,推算出下一个时间点的情况,只是不能推算出很久以后的情况。即,宇宙以后会怎么变化无迹可寻。(极端情...2021-09-26 16:54:03 1人喜欢
一、本章前半部分讲了力学的发展(但牛顿理论无法判断时间方向)
- 伽利略第一个采用科学实验的方法,验证某些情况下,力与运动的关系。
- 牛顿对这个关系的理解更深,发现了力的普遍规律(3条定理)。
- 但牛顿的理论难以分析3个物体的情况,只能先转换成2个物体。牛顿理论无法直接计算3个星球未来会怎么变化,但可以先两两分析,推算出下一个时间点的情况,只是不能推算出很久以后的情况。即,宇宙以后会怎么变化无迹可寻。(极端情况:三体情况,只能先转换成2球的分析。如,我们无法预知3个质量相等的星球,在宇宙中未来会怎么变化(因为本身无解),就连大自然也不知道。)
- 拉普拉斯认为自己恢复了牛顿曾觉得不存在的“宇宙间的秩序”。他先用牛顿理论计算了太阳系中2大大质量行星的运行情况,而后发现,金星与木星的运行轨道有规律可循:每隔59年,这两个行星距离最近。每隔929年,这两个行星的轨道会往相反方向变化,如今是木星轨道扩张,金星轨道收缩,当这个周期结束后,将变成木星轨道收缩,金星轨道扩张。
- 麦克斯韦方程式证明了光以定速前进,不因观测者的运动而变化。麦克斯韦方程满足牛顿的相对性,却不满足伽利略的绝对时空观。经过思考后,爱因斯坦发表了狭义相对论。
- 牛顿的理论和麦克斯韦方程,都没有时间的方向性,一切是可逆的。即可以发生现实中时间倒流的情景。根据理论,被打散的桌球可以重新组装回三角形,并碰击球杆,将力作用到人身上。在微观中,原子和分子的运动也无法判断时间方向(如一个盒子中的空气从无序变有序,或从有序变无序,用牛顿理论来看都是可能的)。
二、后半部分,讲了热力学的研究,自以为能判断宏观世界中的时间方向,但与牛顿理论矛盾
- 热力学第一定律:能量守恒定律,能量不会消失,只会转换形态。
- 傅立叶导热定律:热能总是沿着温差传递。热力学不研究单个分子和原子的运动情况,而是用统计学的方式,计算出一片空间和一段时间内的分子群体的平均属性(即判断宏观物体的情况,如判断一块冰放在火炉壁上经历的变化),因此能够解释了宏观世界中热传递现象,得以判断时间方向。
- 熵:用来测量系统中的秩序。熵增加,表明系统更加无序。(处在在越有序的系统中的物体,越容易根据周围情况,判断自己所在位置。如:黑白格子的棋盘是有序,全部格子是灰色(黑白混合)的棋盘是无序)
- 波尔茨曼提出了熵公式,建立了统计学与热力学的桥梁。
- 热力学第二定律:(建立于统计学基础:即采用的是一堆分子的平均值,而不管单个分子的状态),热量自发地从高温物体转移到低温物体。分子也同理,一开始完全无序的分子,在碰撞过程中不断交换能量{这里的“碰撞”,使得这个理论已经默认了时间方向,分为碰撞前和碰撞后},就会变得有序,最后使得整个系统趋向平均,这种情况下熵增加。热二认为,孤立系统的熵永不减少。孤立系统平衡态时,熵值最大。因此热力学认为,根据熵值可以判断时间方向。
- 随机涨落假想:根据热力学第二定律,宇宙的熵永不减少,但存在了如此之久的宇宙目前却非常有序,熵值非常低。因此,波尔茨曼猜想,宇宙是随机涨落的,我们现在刚好处于因随机涨落带来的低熵世界。【随机涨落观点与主流观点相悖。主流观点认为,宇宙的变化是朝着同一个方向一直改变的】
- ”热寂“观点:越无序的系统,系统分布越均匀。维多利亚时代的人认为在真实世界中,系统的熵都随时间推移而增加(如空气总是扩散,均匀分布;温度不均匀的两坨气体混合后,温度最终会一致)。而真实世界中一切做功的过程,都会有部分功产生热能,而热能又会向低温物体传递,所以他们觉得:(如果一直有做功的过程存在)“宇宙最后会变成一片只有热能的世界,即'热寂' ”。【作者反对这个观点,因为这个观点建立在孤立系统上,但地球并不是孤立的系统,有宇宙中的能量一直输入,所以不会变成”热寂“】
- 提出熵公式之前,也有过其他认为宇宙必定无序的观点:从概率分布上,系统无序的可能情况要比系统是有序的可能情况多得多(如,2种气体分子平均分布在盒子两边的概率大于都分布在一边),也就是,我们随时观察一个孤立的系统,更可能看到它无序的状态。
- 波尔茨曼理论与牛顿理论的矛盾之处:波尔茨曼的理论认为,一切是不可逆的,我们可以通过系统的状态了解时间的方向,但在牛顿的理论中,系统是可逆的,一切都可能回到原点。
- 庞加莱回归:庞加莱通过纯数学推导发现,只要系统内的分子们遵循牛顿理论,那么在经过足够长的时间后(如果是52个分子,需要10^52秒,是宇宙目前只有10^17秒。数据源于书中,编者说可能计算有误),整个系统一定会回到计算时的原点(按熵来讲的话,因为系统回到原点,所以系统的熵值也会与初始状态一致,这与波尔茨曼认为的“独立系统的熵值必定增加”相悖)
- 热二定律和庞加莱回归存在矛盾。(前者认为宇宙熵值永不减少,后者认为系统可能绕了一圈回到原点。)网上争论不休,有观点认为,热尔定律采用的是统计学的方法,它展示的是在极大概率上的情况中,系统会熵增,因此,系统熵减的概率虽然低,但仍然可能存在。
回应 2021-09-26 16:54:03 -
得到听书版书———关于作者 约翰·格里宾,是剑桥大学天文物理学博士,也是一位畅销书作家,著有50多部科普著作。2009年,格里宾被英国科学作家协会授予「终身成就奖」。 关于本书 这本书是混沌理论的经典科普书,通过对各种复杂与混沌案例的分析告诉我们,整个世界都建立在简单的元素之上,它们经由互动与组织,便可造就出高度复杂的整体。 核心内容 音频聚焦在三个重要问题: 1.混沌系统从哪里开始? 2.混沌系统在哪里结束?...
2021-04-21 12:39:35
得到听书版书———关于作者 约翰·格里宾,是剑桥大学天文物理学博士,也是一位畅销书作家,著有50多部科普著作。2009年,格里宾被英国科学作家协会授予「终身成就奖」。 关于本书 这本书是混沌理论的经典科普书,通过对各种复杂与混沌案例的分析告诉我们,整个世界都建立在简单的元素之上,它们经由互动与组织,便可造就出高度复杂的整体。 核心内容 音频聚焦在三个重要问题: 1.混沌系统从哪里开始? 2.混沌系统在哪里结束? 3.研究混沌系统为什么这么重要? 点击查看大图,保存到手机,也可以分享到朋友圈 前言 你好,欢迎每天听本书,我是陈章鱼。今天为你解读的这本书叫《深奥的简洁》。这本书讲的是,复杂的混沌系统背后,到底有什么样的规律? 对于混沌系统,你一定不会陌生,哪怕你没听过「混沌系统」这个概念,你也一定听过那个最具代表性的事例——蝴蝶效应。 1961年,美国的一位气象学家爱德华·罗伦兹在研究气流运动,他发现,用计算机进行计算的时候,哪怕是小数点之后第 4 位数有那么一点不一样,也就是差那么万分之几,算出来的结果就完全不同。后来罗伦兹把这个现象进行了一个形象的比喻,说这就像是巴西的一只蝴蝶扇动翅膀,就可能引发美国得克萨斯州的一场龙卷风。 从此之后,「蝴蝶效应」也就成了混沌系统的代名词。不过,如果我们再往深处想一层,你会发现关于蝴蝶效应,有很多问题我们是不了解的。 比如,蝴蝶效应指的是,微小的变化会引发的巨大反应,那么多微小的变化,才会产生蝴蝶效应呢?蚂蚁搬家会不会产生这样的效果呢?云朵中的一滴水落下来,有没有可能呢? 更关键的,巴西的一只蝴蝶能引发得州的一场龙卷风,那得州的龙卷风为什么没有引发全美的海啸呢?这说明混沌系统到了一定的规模,它就又开始有规律了,不会一直这么混沌下去。 所以你看,我们用常识来推断,也能得出这样一个结论,就是混沌系统是有边界的。就像是有一个圈,这个圈里边就是混沌系统,变化无常、难以预测,而圈子之外,就是秩序所在。 有人说,这本书的书名不应该叫《深奥的简洁》,其实应该叫作《蕴含于复杂中的简洁》。因为这本书探讨的,就是混沌和秩序的边界到底在哪里。 这本书的作者约翰·格里宾,是剑桥大学天文物理学的博士,也是一位畅销书作家,著有50多部科普著作。2009年,格里宾被英国科学作家协会授予「终身成就奖」。他在这本书中,就通过对各种复杂与混沌案例的分析告诉我们,整个世界都建立在简单的元素之上,它们经由互动与组织,便可造就出高度复杂的整体。 接下来,我会分成三个部分为你解读这本书。 第一部分我们来看看,混沌系统从哪里开始? 第二部分我们来了解一下,混沌系统到哪里结束? 第三部分我们再来聊一聊,研究混沌系统为什么这么重要? 第一部分 我们来看第一个问题,混沌系统从哪里开始? 一般我们会以为,混沌系统如此难以预测,它的内部也一定非常非常复杂,一定是内部环节众多,就像一台零件特别多的机器,因为环节多、零件多,所以内部的变数就多,最终的结果就难以预料。 实际上,想要制造出一个混沌系统,根本不需要那么复杂。其实,我们随手就能制造一个混沌系统,只需要一件东西,那就是水龙头。 你可以拿水龙头做这样一个实验,先把水龙头关紧,然后打开一点点,这时候的水,是一滴一滴落下来的,嘀嗒、嘀嗒,节奏感特别强。你再把水龙头打开一些,水滴就会越来越快,最终汇成一股水流。如果你再把水龙头打开一些,这个时候有趣的事情发生了,你会发现水流开始变得杂乱无章,也许还会分成几股。那如果你把水龙头继续开大,最后,这些水流又会汇成一股稳定的大水流。 如果你反复试验几次,你会发现,这是一个从规律到混乱又到规律的过程。不论你试验几次,一头一尾都是不变的,可是中间那个水流会变成什么样,这个完全是随机的,找不到什么规律。 中间这些混乱的水流,就是一个混沌系统。 所以你看,我们根本不需要那么复杂,就能随手造出一个小小的混沌系统。可见,内部结构是不是复杂,和混沌系统之间没有太多的关系。 那到底什么才是混沌系统的决定因素呢?这本书的作者提出了一个公式:特定的规则+重复=复杂。 就是一些看起来其实很明确简单的规则,经过多次重复之后,就会演化成一个混沌系统,结果变得难以预料。 那都有哪些规则呢?主要有两类。 第一类是「非线性系统」。日常生活中的大多数变化都呈线性发展,也就是等比例的变化。我举起一袋2公斤重的米,要比举起1公斤米花上两倍力气。我往前走200米,也要比走100米花上两倍的力气,都是这样等比例的。 线性系统是没法变成混沌系统的,因为线性系统里边的变化也好,误差也好,最终都会等比例地呈现在结果中,非常明确,也就不会变成我们无法预估的结果。 反过来,如果结果不是等比例的,那么它就是一个非线性的系统,这样的系统,如果开头有一点点微小的变化,结果就可能大不相同。 比如指数,也就是多次相乘,这就是一个非线性的系统。 网上有一个励志的段子,说我每天多努力一点点,提升1%,365天之后,结果是37.8倍;如果我每天少努力一点点,减少1%,365天之后,结果就是0.03。 你看,多1%和少1%,一开始不过是0.02的差别,但是放到这样一个非线性系统里,结果却差出了一千多倍。 像是我们前边提到的「蝴蝶效应」,研究气流运动的数学计算,也一定是一个非线性系统。如果你感兴趣,可以找一个计算器来,咱们通过一个简单的计算,也能模拟出「蝴蝶效应」那个计算的情况。 步骤非常简单,你先挑一个0到1之间的小数,小数点之后多取几位数,比如0.34567,然后进行三步的运算。 第一步,用计算器计算这个数的平方;第二步,将平方的结果乘以2;第三步,再将这个结果减去1。 接下来,你可以将这三步重复20次,记下最后得到的结果。 然后,请你把一开始选择的那个小数做一点点调整,比如把0.34567变成0.34563。然后再将那三步计算重复个20次,记下最后得到的结果。 把两个结果对到一起,你会发现,虽然只有0.0000几的变化,但是最后的结果大不相同。甚至有的时候,两个结果的正负都不一样。 其实呢,我们只用了一个简单的算式,那就是2x2-1。只不过,这是一个非线性的计算,经过足够多的重复之后,一开始的微小误差,就会累积成巨大的变化。 还有第二种规则,也能创造出混沌系统,就是「自我的复制」。 比如数学当中有一类几何图形叫作「分形」,就是通过自我复制的方式,产生的图形。最著名的分形叫作「科赫曲线」。 科赫曲线的绘制规则非常简单,先取一条线段,把它三等分,然后在中间的线段向外突出一个三角形。之后,对每一条新产生的边重复这个操作,以此类推,以至于无穷。 我在文稿中附上一张图,你能看出来,经过几次重复之后,虽然绘制的规则非常简单,但是得出的曲线已经非常复杂了。 如果一开始选择的线段长度不同,那么最后得到的科赫曲线也不一样,可以说能衍生出无数种可能。 你可不要小看科赫曲线,比如岛屿的海岸线,看起来弯弯曲曲,哪儿和哪儿都不一样,但是实际上,经过科学家的研究,自然形成的海岸线和科赫曲线的性质极其相似,海岸线其实就是一种分形。 在生物身上也有分形的存在,科学家发现,我们人类的生命系统中,就有许多特征看起来像分形。 比方说,动脉和静脉血管的分布的形态,本质上就是分形。肾脏本身是有限的三维物体,而其中弯弯曲曲的血管就是按照分形的原理排布的。 你会发现,按照这么一个分形的原理来设计生命,是一个特别经济的选择。因为人类的DNA不需要记录下完整的设计图,血管一共要多长,这里要一段还是两段,那里是应该分叉还是应该走直线,要是记录完整的设计,信息量可太大了。而且具体到每个人,其实各不相同,如果是记录多套方案,然后给每个人随机挑选这么一套,那DNA承载的信息更是无法计数。 但是如果应用分形的原理,DNA并不需要存储那么多的信息,只需要记录若干简单的规则,然后不断重复使用这些规则,就能演化出复杂又各不相同的方案,经济又高效。 如果我们总结一下,你会发现,不论是「非线性系统」,还是「自我的复制」,都有相同的一个特点,就是系统中是有反馈的,也就是上一次的结束时的结果,影响了下一次的开始时的初始数值。 有了反馈,一个系统的变化率,就会受到之前变化结果的影响。变化率和变化结果互为因果,相互纠缠,这种复杂,就使得系统从秩序走向混沌,演化出了一个纷繁复杂的世界。 第二部分 接下来,我们再来看第二个问题,混沌系统到哪里结束? 就像我们在前边讨论的,其实不会有无限放大的混沌系统,不然的话,巴西的一只蝴蝶引发了得州的龙卷风,得州的龙卷风引发了全美国的大海啸,全美的大海啸再引发世界级的寒潮,就这么层层放大,用不了多久银河系都毁灭了。 这当然和现实情况不相符。这就说明变化到了一定程度,混沌系统又会走向秩序。那从混沌到秩序的边界又在哪里呢? 科学家们对此做过各种各样的研究,他们的结论是,当混沌系统变得足够大,就会重新走向秩序。换句话说,大了就不一样。 比如我们前边举的例子,用水龙头创造一个混沌系统,当水龙头开到一定程度时,会随机出现各种各样的乱流,但是把水龙头开到最大,水流又变成单一整齐了。 甚至一些更奇特、更随机、更无法预测的事件,随着规模的增大,也会从混沌随机走向必然。 比如生命是怎么从地球上诞生的?很多人都说这是一个非常非常偶然的事件,但是,著名的圣塔菲研究所的一位科学家做了一个实验,发现生命的出现没有那么偶然。 我们知道,生命的出现最依赖的就是有机物,而有机物是地球上各种元素和物质经过复杂的化学反应之后产生的,是互动的结果。如果你听过郑路老师的社会网络课,就会知道,生命就是在各种物质组成的网络中诞生的。 圣塔菲研究所的这位科学家,就用纽扣模拟网络中的节点,用线模拟节点和节点的连接,他找了上万个纽扣,然后每一次都随机连接两个纽扣。 一开始的时候,这种连接是非常随机的,比如第一次,从一万个纽扣里边挑两个,大概会有将近5000万种不同的组合。可是科学家发现,随着连接的数量越来越多,规律就开始显现出来了。当连接的数量超过纽扣数量的一半时,就会形成超大规模的网络,把大多数纽扣连接起来。 你要知道,如果要保证1万个纽扣两两连接,你需要将近5000万条线,但是圣塔菲科学家的实验证明,只需要5000条线,就能把大部分纽扣吸纳进一个相互连通的物质网络当中了。 想象一下,在久远的地球上,物质A偶然和物质B发生了反应,产生了物质C,物质C又能和新的一种物质D发生反应。这种化学反应也像是在纽扣之间连线一样,当它们之间的连接变得越来越多,很快,就会把所有的物质都纳入这个网络中。所以,只要地球上一开始的物质是能生成有机物的,不缺材料,那么随着物质网络之间的互动,这些物质就一定能凑到一起去发生反应。 所以这本书中给出了一个惊人的结论:生命无可避免会出现,我们是大自然表达更深刻秩序的产物。 那到底为什么规模大了之后,系统就会从混沌重新走向秩序呢?说句实话,今天的科学家们还没法给出最终答案。在这本书中,作者给出了一个猜想,规模和秩序的关系,可能是因为熵增定律。到底什么是熵,时间有限,没法在这里向你展开介绍,得到上像万维钢老师的《精英日课》,孙亚飞老师的《化学通识30讲》当中,都有非常精彩的讲解,感兴趣的话你可以学习一下。 简单来说,如果没有外力干涉的情况下,所有系统都会向着熵增加的方向发展,这可能是宇宙的终极定律。规模越大,熵增加的方式就变得越少,用一个比喻来说,就有点像花钱,如果你想花出去100块钱,那有各种各样的方式,可是如果你想一下花出去100万,能选择的方式就少了很多,如果让你一下子花出去100个亿,那几乎就只有几种选择了。 系统也是如此,规模越大,能够使得熵增加的方式就变得越来越少,选择少了,确定性就增加了,规律和秩序就涌现出来了。 第三部分 我们再来看第三个问题,研究混沌系统为什么这么重要? 许多科学家有一种共识,二十世纪人类科学史上三个最重要的理论,分别是相对论、量子力学和混沌理论。 这三个理论都是从某种程度上颠覆了传统的牛顿力学。相对论打破了牛顿力学最大的时空界限,也就是在以光年计算的大尺度宇宙空间里,或者在接近光速的情况下,牛顿力学就不再适用了,要用相对论才能解释。 量子力学呢,是打破了牛顿力学最小的时空界限,就是在原子、电子这些微小粒子的世界中,牛顿力学也不再适用了,要用量子力学才能解释。 而混沌理论呢,打破的是传统牛顿力学给科学家带来的一种信念,就是一切均可预测。 牛顿用它的三大力学定律,建立了一个简洁又精准的世界,从地上的苹果,到天上的星星,都能用一套规则来计算,并且每时每刻,都可以准确预测接下来的运动轨迹。 这就让科学家们产生了一种自信,就是只要我们能准确测定物体此时此刻的状态,接下来无穷无尽时刻的状态,我们就都能准则预言了。 但是现实给了科学家们一个巴掌,他们发现就是有那么一些问题,是没办法准确计算的。 比如著名的科幻小说《三体》,这本书的原型就是天文学上著名的「三体问题」,科学家发现,三颗恒星互相吸引,他们的运动轨迹,完全没有规律可循,根本没法计算和预测。 像是「三体问题」还有「蝴蝶效应」,这些现象让科学家们发现,就是有一些系统,内部变化是高度随机的,我们没法准确预测它每时每刻的状态。不是因为今天的计算能力不够,而是永远都不可能。 这让科学家们对于世界又有了新的认识,可以说,混沌理论,就是在画清楚混乱与秩序之间的边界。 当然,随着科学发展,不仅仅是有些我们以为拥有秩序的地方,现在被证明是混乱的。一些之前被认为混沌随机不可解释的现象,在混沌理论的帮助之下,开始变得清晰起来。 比如关于生命的问题。 到了20世纪中叶,所有简单的问题都有了答案。广义相对论与量子力学解释了宇宙在大尺度与小尺度中的运作机制,而人类对于DNA的结构以及它们在遗传复制机制中的了解,使得生命与演化在分子层次上能被简单地解释。 但生命是如何从无生命体中产生的?这个最有趣的问题,依然无解。宇宙中最难以用传统科学探索的、最复杂的生物,就是人类。 当简单的问题被解答了,很自然地,科学家会试图挑战复杂系统中更困难的问题。这个时候,混沌理论就开始发挥力量了。 前边咱们也提到了,像人体的形成,还有生命的诞生,其中复杂的过程,都能用混沌理论得到解释。甚至于,今天科学家们在探索外星生命时,也会用到混沌理论。 科学家发现,人类社会中有很多活动,都符合一个规律,就是事件的大小和发生概率的某个指数成反比。科学家把这个称之为「1/f噪声」,f就代表概率。 科学家们发现,我们人类说话,还有各种各样的音乐,不管是摇滚乐还是古典乐,都符合1/f噪声的特征。但是,随机的声音,比如收音机没有电台时候发出的声音,就不符合1/f噪声的特征。 甚至于,一些人类活动造成的影响,也会符合1/f噪声的特征。比如说,全球平均气温从19世纪中期开始上升,在升高的大趋势里边,也有起伏振荡,科学家研究发现,这些振荡就是1/f噪声。除此之外,像是城市堵车的情况,股市长期的起伏,这些曲线里边,都能看出1/f噪声来。 科学家们就提出了一种猜想,那就是这个1/f噪声里边,就隐藏着信息和秩序。通过扫描宇宙的信息,从中寻找1/f噪声,我们就能找到来自外星的文明与生命。 打个比方,这就像我们在大街上放一个录音机,录了一天之后回去听回放,我们能听见风声啊、喇叭声啊、鸟叫啊,这时突然听见了一串单词,就算是阿拉伯语或者西班牙语,咱们完全听不懂这些单词的意思,但是我们能听出抑扬顿挫和断句,所以我们能确定,刚才是有人在说话。 科学家在扫描宇宙的时候,也是如此,「1/f噪声」就像是这些单词,虽然我们可能看不明白这些信号到底代表着怎样的活动,但是我们可以确信,如果有这样的信号,那它的背后,一定不是随机的自然现象,而是有秩序的信息。 这个例子最能说明混沌系统这种「深奥的简洁」。宇宙中最复杂的事物,就是像我们一样的生命,生命的变化极其复杂难懂,但是通过混沌理论,我们却能找到生命的规律,找到简洁的方法,在茫茫宇宙中寻找我们的同类。 结语 到这里,这本《深奥的简洁》其中精华的部分,我就为你解读完了。 总结一下,这本书讲的是,复杂的混沌系统背后,到底有什么样的规律?混沌系统是有边界的,就像是一个圈。这个圈里边就是混沌系统,变化无常难以预测,而圈子之外,就是秩序。 从秩序走向混沌,有两种最常见的方式,一种是「非线性系统」,另一种是「自我的复制」,这两种方式都有相同的一个特点,就是系统中是有反馈的,也就是上一次的结束时的结果,影响了下一次的开始时的初始数值。 有了反馈,一个系统的变化率,就会受到之前变化结果的影响。变化率和变化互为因果,相互纠缠,这种复杂,就使得系统从秩序走向混沌,演化出了一个纷繁复杂的世界。 而随着规模越来越大,系统又会从混沌回归到秩序,这种现象目前没有得到完全的解释,科学家的一个猜想是,规模越大,能够使得熵增加的方式就变得越来越少,选择少了,确定性就增加了,规律和秩序就涌现出来了。 今天,混沌理论在帮助我们探索宇宙和生命的秘密。人体的形成,还有生命的诞生,其中一些复杂的过程,都能通过混沌理论得到解释。甚至于,今天科学家们在探索外星生命时,也会用到混沌理论。 撰稿、讲述:陈章鱼
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10 有用 Renco 2013-06-16 17:36:57
这本书有一定的门槛 这也许是影响它打分的因素 如果你能迈的过去的话 这本书绝对是你能找到的最好的关于生命起源 盖亚理论 混沌边际和复杂系统的书 这不是一本科普 它的目标是要揭示存在于不同学科之间潜藏的即将到来的科学浪潮
5 有用 阅微草堂 2012-03-28 22:32:19
新的思考方式,慢慢阅读, 国内教育就是不肯推广这样的书籍, 因为其中的简化性的问题和哲学中的意识形态的东西, 都是本国所不可容纳的东西; 国内经历文革,可是文革的东西在教育中还是留下了浓重的一笔, 真的是需要改革教育,改革什么? 改革其中的文革的那种唯物和资本主义之类的思想!!! 一个思想就是:混沌源于一个微分方程的微扰现象。。。 实验的介入本身的意义是什么?? 这个必选要有所解决,这个科普学家的... 新的思考方式,慢慢阅读, 国内教育就是不肯推广这样的书籍, 因为其中的简化性的问题和哲学中的意识形态的东西, 都是本国所不可容纳的东西; 国内经历文革,可是文革的东西在教育中还是留下了浓重的一笔, 真的是需要改革教育,改革什么? 改革其中的文革的那种唯物和资本主义之类的思想!!! 一个思想就是:混沌源于一个微分方程的微扰现象。。。 实验的介入本身的意义是什么?? 这个必选要有所解决,这个科普学家的思想还是那样的陈旧!!! 估计哲学还没有入门!!! (展开)
1 有用 阿古 2013-11-23 19:13:30
随便翻完,理科类科普,太多我不感兴趣的。。
5 有用 不明飞行兔 2018-03-25 13:01:08
多年前读的一本超好的书,影响我思想发展的最重要的五本书之一。
2 有用 Ethan 2014-04-27 23:23:24
集混沌、复杂、进化等多种理论于一体,非常棒;最后关于生命与环境的交互作用写得很好。
0 有用 玉面小狐狸 2022-06-19 17:14:21
从芒格推荐的书单来的,看的过程中一直在思考推荐理由。看完以后想了一下,可能最大原因在于书中的多学科交叉的研究方法。物理学、生物学、天文学、化学、数学几个学科的知识都需要用到,跨领域的合作与交流,一次次让人类更接近宇宙运行的真相。这也是芒格一直提到的,建立多元思维模型。多看看这样的书,会让人明白自己是多么渺小和无知,但是也让人感到安心,那种万物互联,万物都是按照某种规律运行的秩序感。书名深奥的简洁,... 从芒格推荐的书单来的,看的过程中一直在思考推荐理由。看完以后想了一下,可能最大原因在于书中的多学科交叉的研究方法。物理学、生物学、天文学、化学、数学几个学科的知识都需要用到,跨领域的合作与交流,一次次让人类更接近宇宙运行的真相。这也是芒格一直提到的,建立多元思维模型。多看看这样的书,会让人明白自己是多么渺小和无知,但是也让人感到安心,那种万物互联,万物都是按照某种规律运行的秩序感。书名深奥的简洁,贯穿全文,简单的元素经过递进规则叠加发展演变,最终形成了复杂的系统,从生命到宇宙,无一不是如此。而生命的界定,也没有定论。静止不动处于平衡稳定状态不是生命,生命是一种临界状态,混沌状态 ,非平衡状态,自组织状态,里面有各种元素的交互,互相促进也互相抑制,通过不同的反馈机制,系统得以保持在非平衡状态。 (展开)
0 有用 酱油蘸蘸 2022-06-02 01:58:02
已经看了十来本关于「复杂系统\混沌理论」的书,最好的有两本,梅拉尼·米歇尔的《复杂》,还有这本。其他书都试图从混沌的发现去阐述,而这本着重于从其现实意义上去「后见之明」,对于科普受众来说,清楚了很多。作者是物理学出身,却大篇幅讲了复杂生命的起源和进化,很「简洁又深奥」。几点收获:系统的状态形成相空间;平衡态才是该死的;自反馈是自组织的重要因素;简洁才是信息的高效存在方式;宇宙的最简洁模型是它本身。
0 有用 有门手艺叫沙雕 2022-05-29 17:26:32
大量描述就配一张随意的插图。一整本书不及真理元素的一个视频讲得清晰。台湾版也译得不好,一些术语前后不一致。
0 有用 Varimax 2022-05-22 16:43:24
这是一本需要高度专注阅读的书,非常庆幸自己的数学物理基础能让我达到这本书的门槛。整体来说读的我毛骨悚然的震撼。从力学最基础好理解的部分入手,从宏观到微观粒子态的相互作用研究,通过数学模型证明,一直到宇宙的运用,生命演进的运用,这是一本我需要去买英文原版的书籍。简单如何到复杂,复杂的相互作用促成了混沌,又在相互作用下形成新的秩序,其中相空间、吸引子、蝴蝶效应、分形、1/F 噪声感觉让我开启了新世界的... 这是一本需要高度专注阅读的书,非常庆幸自己的数学物理基础能让我达到这本书的门槛。整体来说读的我毛骨悚然的震撼。从力学最基础好理解的部分入手,从宏观到微观粒子态的相互作用研究,通过数学模型证明,一直到宇宙的运用,生命演进的运用,这是一本我需要去买英文原版的书籍。简单如何到复杂,复杂的相互作用促成了混沌,又在相互作用下形成新的秩序,其中相空间、吸引子、蝴蝶效应、分形、1/F 噪声感觉让我开启了新世界的大门。 (展开)
0 有用 西柚 2022-05-17 19:54:06
还不错的一本书。主要讲了几个部分。啥叫混沌。混沌分型。在混沌中的秩序,比如牛顿定律莱布尼茨定律等。讲了熵,最后趋于死寂。线性方程微小变化不可怕,非线性累计微小变化会发展为很大的变化。生命是开放系统,是无序混沌中产生的有序系统。生命虽然复杂,也是从简单发展起来的。