#读书笔记12# 2022年下半年读书(一)

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查理.芒格在《穷查理宝典》推荐的书单中,排在第一位便是此书——《深奥的简洁》,虽然我购买纸质版已有两年之久但一直未曾开始阅读,近期公司举办了读书月活动,我便选择了这本书,刚好21天读完(实际中途断了3天),恨晚。

同时借着公司读书分享的这个环节,今天先将这本《深奥的简洁》的读书笔记和感悟记录下来。

“读书笔记”系列原预期为半年刊,今天的这篇文章也算是“特刊”了。以下为正文:

作者:[英] 约翰 . 格里宾 John Gribbin [译] 马自恒

字数:14.6万

出版:江苏凤凰文艺出版社,2020年2月

阅读时长:约10小时

一、概述

本书的英文原版名称是:"Deep simplicity:chaos, complexity and the emergence of life",即:“深奥的简洁:混沌,复杂和生命的起源”。

本书的话题主要是围绕“混沌”和复杂”展开,仔细剖开看,二者都是由简单孕育而出的。书中定义二者实际建立于简单的两个概念之上:系统对初始状态敏感以及反馈。

最广为人知的代表:“蝴蝶效应”。这一名词追溯到1959年,麻省理工学院的42岁的数学和气象学家爱德华.洛伦兹进行的使用计算机预测天气的实验,他当时想继续之前的仿真实验,但是为了省时没有重头开始计算,而是使用之前保存的数据继续,但最终导致计算结果,即预测的几天后的天气,出现了巨大的差异,仔细检查后发现原因是之前保存的数据计算机实际运行的数据在数据精度上存在小数点三位和六位的区别。之后洛伦茨在1972年的一个会议上发表了题为“巴西的一只蝴蝶舞动翅膀,可以引发德州的龙卷风吗?”,“蝴蝶效应”因此得名,主要描述系统对初始状态的高度敏感性。

约翰·格里宾,本书作者,剑桥大学天文物理学博士,畅销书作家,曾任职于《自然》科学期刊、《新科学人》杂志,目前身份为《新科学人》杂志物理顾问,以及英国萨塞克斯大学(University of Sussex)天文学访问教授。格里宾著作颇丰,写作范围极其广泛,内容涉及量子物理、宇宙起源、气候变化等,目前已创作了超过50本科普著作,获得英美多种奖项肯定,并被译成30多种语言广为流传,包括《寻找薛定谔的猫》《盖亚乐章》《霍金传》等,其中,《寻找薛定谔的猫》更被普遍认为是《时间简史》之前最好的一部有关量子物理学的著作。2009年,格里宾被英国科学作家协会授予“终身成就奖”。

《深奥的简洁》作者简介

作者结合具体案例从基础数学、经典物理学、化学、生物学、进化论,逐渐引申到现代量子力学、分形理论、混沌理论、复杂概念、基因遗传学,以逻辑推理的思维方式探讨了自然界大量复杂和混沌的现象。复杂其实很简单,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。

《深奥的简洁》内容简介

二、本书内容

第一章 混沌中的秩序

本章从伽利略的实验精神带领了科学的巨大发展讲起,在此基础上牛顿的三大运动定律、麦克斯韦方程组可以预测从苹果,到天体,到电与磁的各种规律,它们的特点是没有方向性,即如果时间倒流,事物仍遵循定律。

但是在这之外有两个比较有意思的现象。一个是无解的三体问题,即牛顿运动定律无法预测三个及以上由重力相互吸引物体的运动,“这并非是因为人类的数学不够好,而是数学系统本身的问题”。另一个是热力学,热力学在科学上的重要性是让科学家得以描述大量物体的集体行为,特别是气体分子(gas这个词的希腊文意思就是“混沌”)。

热力学第二定律的一种表述是“熵增定律”:在自然过程中,一个孤立系统的总混乱度(即“熵”)不会减小。“所以熵的必然增加可以定义出时间的方向,也就是从有秩序的过去指向混乱的未来。”而生命体从无秩序的物质中制造出秩序和构造,显然是在违抗这种过程。

第二章 重返混沌

主要讲述两个具体的混沌例子,一个是前文讲述洛伦兹的“蝴蝶效应”,另一个是太阳中的混沌。

太阳系中的八大行星是由微尘逐渐聚集而成,而火星和木星间的小行星带是由于木星的重力作用扰乱了这一过程而无法形成单一行星。并且这些小行星受木星的混沌而赶出轨道,和周围其他行星碰到,也因此造成了地球上的恐龙灭绝和月球表面的坑坑洼洼。另一个就是地球四季变换是由于和太阳倾角造成,而这个稳定的倾角是由于月亮的稳定起作用,其他星球就没这么幸运了。

这其中轨道的计算是不可逆的,也即如果反向进行数值运算行星轨道,将无法得到初始点,因为实际中的数组绝绝大部分是无理数,“存储小数点后多少位才够完美?完美的计算机需要多少内存?”

第三章 秩序产生混沌

本章首先指出,今日所研究的混沌,不是古人所知或日常生活中的混乱,而是全然有序、决定式的混乱,原则上可依因果关系预测其一阶段,只是实际预测的细节赶不上真实事件发生的速度

本章具体讲述了“周期加倍”产生混沌的几个例子。一个极佳的例子是物种的族群数量变化和昆虫平均产卵数的关系。罗伯特·梅发现随着平均产卵数的增大,会导致前者周期性进入混沌状态;费根鲍姆进一步指出周期存在固定大小比例,且在电路的震荡、经济的起伏等其他具有反馈的系统广泛存在。另一个就是分形,如雪花,以及本章中举例的最早的分形“康托尔集合”、谢尔宾斯基三角形、羊齿草分形、曼德博的海岸线分型等等。

仔细检视生物体,内部也存在很多分形的例子,如动脉静脉的形态、肾的静脉、大脑皮质等。近似分形的自相似是生物组织的普遍特质,这也是体内工作能被有效率执行的原因

第四章 混沌的边际

这章主要讲述图灵模式以及动物图案等有关话题。

图灵在1952年论文提出“混合均匀的不同化学物质,可能因内部扩散作用而自发地打破原先的平衡”,这看起来是反直觉的。另一个同时期的化学家发现了一个液体颜色可以周期性切换的实验,这在当时看起来是违反热力学第二定律的,这一现象直到70年代才逐步被解释,这是由于抑制剂和催化剂的博弈导致的远离平衡的发散状态。

图灵模式成功解释了动物体表不同图案的现象,这是完全符合经由发育早期的胚胎表面上促进及抑制物质交互作用所产生的图灵反应导致的扩散结果。

第五章 地震、物种灭绝与突现

本章的的核心是幂定律(1/f 噪声,事件的大小和1除以它发生概率的某个指数成正比)。典型如地震强度和发生频率的对数间存在着线性关系,即小地震发生非常频繁,大地震少见。另一个例子是科学家统计由化石记录的某一物属家族的存在时间,同样遵循幂定律,这么来看,恐龙的灭绝,到底是特例,还是通例?其他如:像海岸线的分形、马铃薯的碎块、类星体的光变曲线,以及生活中更紧密的聚集城市行为、堵车情况、甚至股市等经济活动等等,都和幂定律相关。

本章的另一个重点是生命的突现。斯图亚特·考夫曼指出网络在复杂系统的形成,如生命的起源中具有重要作用,以一个纽扣实验为例,每次随机连接一堆纽扣中的任意两个(钮扣可以重复),随着连接次数的增加,当连接数超过纽扣数一半时,连接成的小团会急剧增加,并最终全部成为一体。

生命因为催化回路本身在某一临界多样性的分子网中形成而产生”。观察不同生物的DNA数目和细胞类数据关系,发现其平方根之间成正比。生命的模式,和其他复杂系统间显示出神奇的一致。

第六章 生命的真相

本章主要讲述生物进化和自然选择。达尔文的自然选择理论,在生物学上有着类似牛顿的万有引力定律般的重要意义,其核心其实是“适者生存”四个字,适合当前环境的个体,其基因因繁衍传递给后代的概率更大,同时遗传也存在一定概率的基因突变。

不同物种间因捕食者和被捕食者的关系,建立起了巨大的生态网络,每一组的内部又是一个不断博弈的过程从而达到生态平衡,即一种有趣的自组织临界区域,使其位于混沌边缘的相变状态。

后续也有不少科学家致力于用数学模型来模拟生物的这种演化,在进行合理的假设和抽象后,确实也能得到和自然界类似的结论:生态网络中相互作用的物种发展为自组织的临界状态,使得幂定律的大规模灭绝在无任何外在干预的条件下变化发生。

第七章 远方的生命

本章主要讲述拉夫洛克的几个假说和发现。

“盖亚假说”可以看作是对进化论的完善,指出地球上的所有生物和非生物,经由交互作用形成一个有趣的复杂网络,产生一个自我调节的系统,再发展成一个有趣的临界状态,比如陆地和海洋间的硫循环。

除了雏菊世界的模型,拉夫洛克另一个重要发现是云层覆盖和海洋生命活动的关联机制,如果没有云层覆盖,地球平均将不是现在的20摄氏度,而是35摄氏度,其中海藻产生的DMS所扮演的云凝结核作用巨大。进一步,二氧化碳的被吸收导致了温室效应的周期性变化,最终导致了冰川期的出现。

最后作者表示,生命和无生命之间并没有清晰的界限,比如银河系就是一个利用流入能量、经由反馈来维持非平衡状态的自组织系统。

三、几点思考

书中的知识点非常密集,勾起了不少中学时代知识的回忆,这种融会贯通的感觉非常美妙。如果挑几个印象深刻的关键词,大概有以下几个:

一是熵增定律,一直以来对这个定律有巨大的敬畏之心,但书中的两处仍然让我触动颇多,一是“熵的必然增加可以定义出时间的方向”,二是拉夫洛克提出的现在已成为寻找太阳系外生命的基本方法—寻找熵衰减迹象,熵增的作用和意义远比我想的更大。

二是幂定律分布,典型的代表如分形理论,《对冲之王》中也有讲过曼德博和海岸线的例子,本书中另外讲了地震级别及其出现频率、物种的存活期长度、恐龙的灭绝等等。芒格对跨行业、跨学科的错误感兴趣,我想尺度也应该是如此,没有任何一个尺度是特殊的。

三是自组织,印象比较深刻的是几处生物学的例子,如物种的数量波动、生物的特性共同演变,以及生物与非生物间整个系统的周期性反馈和循环,如雏菊世界、地球和海洋的硫循环、冰河期有节奏出现等等。这和经济学中亚当·斯密的理性人何其相似,每个个体都是为了单纯的利己而行动,最终却维持了系统的稳定甚至推动了其演化。

第四个是什么是生命,“生命和非生命之间没有明显界限”,都是利用流入能量、经由反馈来维持非平衡状态的自组织系统。例如地球和人体,都是由其中次一级“生命”和物质组成,对地球是各种动植物和化学物质,对人体是各种细胞和化学物质,这些次一级的“生命”各司其职,维持了整体的良好运转。我们刚好属于人类这一尺度的“生命”,而这一尺度本身或许并没有任何特殊之处。

有人觉得人类是特殊的生命尺度,大概率是因为觉得人类有意识、思维、感情,但是,但是这些又都是什么呢?不过是人对外部世界的一系列感受,或者说反应,而已。

我们以细胞为例,每个细胞的表面都有不计其数的受体蛋白,它们能识别、结合专一的生物活性物质(称配体),生成的复合物能激活和启动一系列物理化学变化,从而导致该物质的最终生物效应。细胞环境中各种因素的变化,是通过这些受体的作用而影响细胞内的生理过程发生相应的变化。

这些不同的物质作用于细胞后产生的一系列反应,也可以说是它们的不同感受的表达形式。那么往上,不同物种或许只是地球这个“生命”个体的不同“细胞”而已。再往上呢?

虽然现在已经21世纪,但是相对论不过百年,盖亚假说不过半百,人类在宇宙中的探索更是微不足道。时间是什么?生命是什么?我们这一辈子能了解的太少,虽然现在的我不足而立,但每念及此,便感叹人生之须臾。

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