懷舊竟是一種自然法則

西蒙·德德奧

激情的暴雨、凄楚的細(xì)雨和無(wú)辜的融溪，英國(guó)作家兼批評(píng)家約翰·羅斯金把這樣的描述稱為情感謬誤。人的直覺(jué)固然如此，但是大自然畢竟沒(méi)有人類的這種情感。因此，如果讓羅斯金聽(tīng)到“感覺(jué)、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)存在于自然世界現(xiàn)代理論的核心中”這一觀點(diǎn)，可以想象他會(huì)多么吃驚：定量關(guān)系似乎把堅(jiān)硬的實(shí)體法則與心理和信仰柔和的特性緊緊地捆綁在一起，可是，這與他堅(jiān)定的直覺(jué)截然相反。

當(dāng)羅斯金于19世紀(jì)末杜撰了這個(gè)詞語(yǔ)之后不久，故事就從路德維?！げ柶澛抢镩_(kāi)始了。當(dāng)時(shí)科學(xué)的首要目標(biāo)不是獲得知識(shí)，而是建立一種理論，即解釋自然規(guī)律——比如說(shuō)預(yù)測(cè)并解釋蒸汽機(jī)或化學(xué)反應(yīng)的原理——的同時(shí)，我們?nèi)绾魏雎阅切┥y的細(xì)節(jié)。

波爾茲曼提出了一種輕而易舉就能實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)一架構(gòu)，可是在1906年，他卻提前結(jié)束了自己的生命。他或許隱隱約約地看到了，熱力學(xué)關(guān)注的不是物理世界，而是我們無(wú)法理解的物理世界產(chǎn)生的結(jié)果。很直白地說(shuō)，面對(duì)無(wú)知，現(xiàn)在學(xué)習(xí)熱力學(xué)的學(xué)生可以在什么都不懂的情況下，就蒸汽機(jī)的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)反應(yīng)做出推斷性結(jié)論;而且一旦解決了這個(gè)問(wèn)題（通常情況下很簡(jiǎn)單），又可以轉(zhuǎn)而就溫度計(jì)和壓力表做出診斷性說(shuō)明。

路德維希·波爾茲曼

波爾茲曼依賴的無(wú)知是極大的：凡是可能發(fā)生的事，就一定會(huì)發(fā)生，不會(huì)保留隱秩序。然而，即使在活塞和汽油這么簡(jiǎn)單的世界里，那種假設(shè)也會(huì)出錯(cuò)。如果極其緩慢地推動(dòng)活塞，那么波爾茲曼的方法會(huì)很奏效;可是，如果猛推活塞規(guī)則就會(huì)發(fā)生變化，就會(huì)出現(xiàn)渦流、逆流、活塞進(jìn)出的中斷，甚至完全停止?；钊坏┦茏?，功夫就全部白費(fèi)了，你的工作會(huì)因?yàn)檫@種多余無(wú)謂的創(chuàng)造和毀滅模式而耗散。

至于這個(gè)法則是怎么回事，也即現(xiàn)實(shí)世界如何超越理想而發(fā)生耗散，波爾茲曼無(wú)從知道。19世紀(jì)的熱力學(xué)需要等待平衡的回歸，因?yàn)橹挥心菢樱羞@些容易耗散的不可能的結(jié)構(gòu)才會(huì)消失。我們對(duì)平衡這個(gè)案例是絕對(duì)無(wú)知的，因?yàn)槲覀冎罌](méi)有更多可以知道的東西;但是在一個(gè)失去平衡的世界里，我們知道的確有更多的東西，但我們不知道那是什么。

在過(guò)去很多年里，非平衡態(tài)熱力學(xué)一直是無(wú)人探索的領(lǐng)域，只有在波爾茲曼去世45年之后的1951年，我們才能描述讓一個(gè)體系稍稍失去平衡的微小調(diào)整如何通過(guò)所謂的漲落耗散定理在時(shí)間上消失。波爾茲曼去世之前，量子力學(xué)和相對(duì)論都沒(méi)能成為話題，可是在他死后的幾十年卻驚奇迭出。與其相比，熱力學(xué)緩慢如蝸牛。

然而，歷史一轉(zhuǎn)入21世紀(jì)，基于推斷和預(yù)測(cè)的一種科學(xué)獲得了新生，這在一定程度上是受機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能迅速進(jìn)展的驅(qū)使。我的新熱力學(xué)速成課得益于2011年夏威夷大學(xué)蘇珊·史蒂爾的一次講座，當(dāng)時(shí)史蒂爾及其同事宣布，在體系耗散（我們所做的工作被浪費(fèi)和丟失）與我們對(duì)該體系的了解之間存在一種新的關(guān)系。

史蒂爾及其同事說(shuō)明了體系耗散是如何受到體系保留的有關(guān)世界多余信息的約束，這些信息與該體系的未來(lái)無(wú)關(guān)。他們帶著一種詩(shī)情畫(huà)意般的心境將其稱為懷舊，可是這份懷舊對(duì)未來(lái)是無(wú)濟(jì)于事的。他們所展示的是，對(duì)一個(gè)體系的懷舊會(huì)給你的工作帶來(lái)那么一丁點(diǎn)兒損失。

從字面上講，功就是：活塞受到阻塞時(shí)形成的渦流并未失去，如果細(xì)心追蹤，就可以讓活塞退回以便恢復(fù)這些渦流的能量;只有隨著時(shí)間推移，渦流散開(kāi)變得未知，越來(lái)越無(wú)法預(yù)測(cè)，這時(shí)功就會(huì)失去。

毫不夸張地說(shuō)，這就是物理法則里出現(xiàn)的一種悲哀，是被遺忘的記憶，是童年住的屋子被打包裝入箱子，是午后毛毛細(xì)雨那無(wú)法復(fù)原的細(xì)節(jié)。追蹤這些記憶得到的過(guò)去現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)關(guān)緊要;如果我們?nèi)リP(guān)注，這些記憶就會(huì)向我們講述一個(gè)遺失的故事，如果我們一不小心，就會(huì)消耗我們的現(xiàn)在。物理學(xué)上的懷舊也會(huì)受到懲罰。

我們可以把這個(gè)結(jié)果顛倒過(guò)來(lái)：體系耗散與恢復(fù)體系原貌的努力程度有關(guān)。要回轉(zhuǎn)就得倒推，如果懷舊意味著許多不同的過(guò)去與相同的未來(lái)能夠相容，那么就不可能實(shí)現(xiàn)完全倒推。懷舊、不可逆性和體系耗散之間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系復(fù)雜而具體，如果放棄這些公式，總是有點(diǎn)令人吃驚。

近年來(lái)，對(duì)新熱力學(xué)做出更為引人注目的貢獻(xiàn)之一的人是麻省理工學(xué)院的杰里米·英格蘭，是在史蒂爾小組之后的第二年公布。英格蘭聚焦體系的不可逆性而不是其懷舊，組合出生物界的景觀。他描述進(jìn)化如何驅(qū)使生物體不但利用其周圍的自由能，而且以一種極大的體系耗散方式進(jìn)行。

英格蘭的研究似乎解釋了過(guò)去30億年我們的生態(tài)系統(tǒng)為什么轉(zhuǎn)化為一個(gè)巨大的綠色太陽(yáng)能板，通過(guò)自然過(guò)程把太陽(yáng)的能量拿來(lái)供養(yǎng)大批大批的食草動(dòng)物和食肉動(dòng)物。按照這樣的解釋，我們之所以存在，是因?yàn)槲覀冊(cè)诒M力可靠地耗散太陽(yáng)系中心巨大的能源。

史蒂爾的研究把懷舊與體系耗散和遺失聯(lián)系到一起，而英格蘭似乎在說(shuō)生命的產(chǎn)生是體系耗散的需要。像我們這樣的存在之所以存在，恰恰是因?yàn)槲覀儎?chuàng)造自己的世界——物理世界、化學(xué)世界、生物世界、金屬世界、社會(huì)世界，而且更快地將其破壞。懷舊也許苦樂(lè)參半，但也可能保證我們的存在。

延伸閱讀

耗散理論，即耗散結(jié)構(gòu)理論，是研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)從無(wú)序到有序的演化規(guī)律的一種理論。耗散結(jié)構(gòu)是指遠(yuǎn)離平衡態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)在外界能量流或物質(zhì)流的維持下，通過(guò)自組織形成的一種新的有序結(jié)構(gòu)。

耗散結(jié)構(gòu)理論把復(fù)雜系統(tǒng)的自組織問(wèn)題當(dāng)作一個(gè)新方向來(lái)研究。在復(fù)雜系統(tǒng)的自組織問(wèn)題上，人們發(fā)現(xiàn)有序程度的增加隨著研究對(duì)象的進(jìn)化過(guò)程變得復(fù)雜起來(lái)，會(huì)產(chǎn)生各種變異。針對(duì)進(jìn)化過(guò)程的時(shí)間方向不可逆問(wèn)題，借助熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)用耗散結(jié)構(gòu)理論研究一般復(fù)雜系統(tǒng)，提出非平衡是有序的起源，并以此作為基本出發(fā)點(diǎn)，在決定性和隨機(jī)性兩方面建立了相應(yīng)的理論。

耗散結(jié)構(gòu)理論比較成功地解釋了復(fù)雜系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)這一自然現(xiàn)象，并得到廣泛應(yīng)用。它已在解釋和分析流體、激光器、電子回路、化學(xué)反應(yīng)、生命體等復(fù)雜系統(tǒng)中出現(xiàn)的耗散結(jié)構(gòu)方面獲得了很多有意義的結(jié)果，并且正被用來(lái)研究一些新的現(xiàn)象。比如核反應(yīng)過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)中的人口分布、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸和城市發(fā)展等，都可被當(dāng)作遠(yuǎn)離平衡態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)研究。