图书在版编目（CIP）数据 深奥的简洁 / (英) 约翰·格里宾 (John Gribbin)著 ; 马自恒译. -- 南京: 江苏凤凰文艺出版社,2020.2 书名原文: Deep Simplicity ISBN 978-7-5594-4225-3 Ⅰ. ①深… Ⅱ. ①约… ②马… Ⅲ. ①科学知识－普及读物 Ⅳ. ①Z228 中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第263193号 Deep Simplicity: Chaos, Complexity and the Emergence of Life Copyright © John and Mary Gribbin,2004 深奥的简洁 [英]约翰·格里宾　著　马自恒　译 出 版 人　张在健 责任编辑　唐　婧 装帧设计　水玉银文化 责任印制　郝　旺 出版发行　江苏凤凰文艺出版社 南京市中央路165号，邮编：210009 网址　http://www.jswenyi.com 印刷　唐山富达印务有限公司 开本　690毫米×980毫米　1/16 印张　15 字数　146千字 版次　2020年2月第1版 2020年2月第1次印刷 书号　ISBN 978-7-5594-4225-3 目录 CONTENTS 前言 蕴含于复杂中的简洁 第一章 混沌中的秩序 亲自做实验的伽利略 牛顿与莱布尼兹的争执 放之四海而皆准的定律 上帝一定是个差劲的钟表匠 自由意志是否存在 时间的方向 “功”与“能”的转换 苍凉的宇宙热寂终结 稍稍偏离平衡状态，就能由混沌中产生秩序 等上比宇宙年龄还要长的时间 两种选择 牛顿的担心不无道理 第二章 重返混沌 充满山谷、洞穴、山丘的景观 庞加莱得奖 “天气预测工厂” 蝴蝶效应 小行星造成了我们的存在 月亮扮演稳定器的角色 宇宙是它自身最快速的模拟器 第三章 秩序衍生混沌 水龙头的节奏 自相似的模式中的模式 4.6692016…… 自以为是平面的线 分形与混沌之间的关联 第一个在人类科技中出现的混沌例子 DNA食谱 无限长的海岸线 分形维度 曼德博集合 触发混沌的拓扑学概念 我们体内的分形 第四章 混沌的边际 耗散系统下的稳定状态 贝纳德的六角形对流胞 重力场具有负能量 “由重力引发的不稳定是信息的来源” 时间的箭头由重力决定 现代计算机的基础 对宇宙最简短的叙述，就是宇宙本身 描述生物发展的数学工具 图灵扩散反应 时间的箭头不停地前后翻转 “除了在最深的羞辱中崩溃，别无选择” “贝洛索夫-扎鲍廷斯基反应” 有趣的情况都发生在混沌边缘 动物外表图案的产生 图案决定于胚胎发育早期 胚胎发育过程中发生的改变，是可以想象出的最微小的“变异” “要了解进化如何进行，必须先了解所涉及的形态发育过程” 第五章 地震、物种灭绝与突现 地震的发生遵循幂定律 海岸线的分形维度 超越尺度的冰冻马铃薯 噪声储存了信息 观察长期趋势的重要 计算机上模拟的堵车模型 经济与地震遵循相同定律 大灭绝的合理原因 物种的消失，是否超越尺度？ 著名的“沙堆模型” 保持在临界状态 系统中临界点构成的网络 一瞬间发生的相变 生命无可避免地会出现 细胞运作的基因网络 每一种细胞对应于某一特殊状态的循环 “我们是大自然表达更深刻秩序的产物” 第六章 生命的真相 同一物种之间的竞争 通过“对策论”思考选择效应 红后效应 位于混沌边缘自组织的“生态网” 永无止境的景观改变提供了数不清的进化机会 有性生殖加速进化 “间断平衡”与“渐变主义”之间根本没有冲突 斯内彭与巴克的“极端动态”模型 将掠食者与猎物加入赛局中 比较两种物种灭绝的模型 物理环境与生物环境息息相关 第七章 远方的生命 找出生命形态的广义属性 用鱼竿在撒哈拉沙漠找鱼 “我最得意的发明” 维持地球温度的温室气体 雏菊世界中的平衡 当系统被视为整体时，控制演化的定律将变得更简单 地球气候的自我规律 海洋与陆地之间的双向反馈机制 冰河期改变的周期 减轻温室效应冲击的点子 彗星带来的生命之雨 恒星与星际媒介之间的双向运作 生命与无生命之间的界线 寻找其他盖亚 深奥的简洁可以制造出表面的复杂 前言 蕴含于复杂中的简洁 我们居住的世界似乎是个复杂的地方，即使存在一些似乎永恒的真 理（苹果总是掉到地下而不是天上，太阳总是由东边升起而不是西 边）。尽管有现代科技的帮助，我们的生活仍必须提防突如其来的意外 事件：气象预测既是科学也是艺术；地震与火山爆发随机发生，难以预 料；股市震荡也没有固定的模式。自从伽利略开始（约从17世纪起）， 突飞猛进的科学发展便忽略这些复杂的问题，而专注于简单的部分，试 图解释为什么苹果往下掉与太阳为什么从东方升起。 科学进步得如此迅速，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 命与演化得以在分子层次上被简单地解释。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。因为在原子这些较小的尺度中，个体以 相当简单的方式彼此互动，只有当许多原子以复杂又有趣的方式连接， 才会产生像人类这样复杂又有趣的生物。但这个过程不能无限地持续， 因为如果越来越多的原子结合在一起，它们整体的质量将使得重力压垮 一切。一个原子或是水分子的结构比人类简单，因为其中只有少许的内 在结构；一个星球或星球内部也比人类简单，因为重力把所有的结构都 压垮了。这就是为什么科学能告诉我们很多原子行为与星体内部的运作 方式，却难以描述人类的行为。 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。虽然先前曾有零零星星的针对这些难题所做的勇敢尝 试，但直到强大、快速（以当时的标准来说）的电子计算机在20世纪60 年代出现后，我们才得以真正了解复杂世界的运作。这些新发展在20世 纪80年代中期之后渐渐引起人们更多的注意，特别是在伊利亚·普里戈 金（Ilya Prigogine）的《从混沌到有序》（Order out of Chaos）与詹姆 斯·格雷克（James Gleick）的《混沌》（Chaos）出版之后。当时我忙着 写有关旧科学的丰功伟业方面的内容，虽然也想要了解关于混沌与复杂 的概念，但那实在令人头疼，因此我多半抱着观望的态度旁观。 过了10年，混沌理论没有消失，但并没有人以让人容易理解的方式 将之诉诸文字，因此我决定自己动手来做，这意味着我必须阅读所有相 关书籍，并自行吸收理解。在这个过程中，我发觉它其实一点儿也不 难。相对论与量子力学刚被建立时，大家都以为只有专家才能懂，但其 实两者都建立于简单的概念之上，即使是门外汉，只要不深究那些数学 运算，也都能理解。而混沌与复杂具有同样的特性，这点也没什么好惊 讶的。但当我终于知道混沌是怎么一回事时，我还是大吃一惊。我的理 解是：重点只在于某些系统（“系统”包含的范围可以很广，比如摆荡的 钟摆、太阳系或水龙头的滴水规律）对于初始条件非常敏感，因此初 始“那一刹那”的少许差异，会造成截然不同的结果。此外，还有“反 馈”（feedback），反馈使得系统会影响自身的行为。这一切看起来太完 美了，简单得令人难以置信！因此当我请教朋友吉米·拉夫洛克（Jim Lovelock）时，我问道：“是否混沌和复杂所探讨的一切，只是建立于 两个简单的概念之上——系统对初始状态的敏感以及回馈？”他回 答：“一点儿也没错，全都包在里面。” 这有点像是说，狭义相对论“全都包在”光速对所有观测者来说皆一 致这样的概念里。这的确是实情，也很简单易懂。然而，建立在简单事 实上的复杂结构相当惊人，需要有一定的数学背景才能完全体会。以我 过去给不具备科学背景的人士解释相对论本质的经验，以及明白了在混 沌与复杂架构下也是类似的简单真理，我有信心能以浅显的方式介绍这 个领域。而这个成果正捧在你的手中，《深奥的简洁》是一本针对一般 大众、以由浅入深的简单方式尝试解释混沌与复杂的著作。本书的重点 在于，混沌和复杂遵循简单法则，基本上就和牛顿300年前发现的简单 法则一样。某些论调会让你以为四个世纪以来的科学努力被颠覆了，然 而，这些新发展却大大不同，它们显示了简单法则长久累积出的科学认 知，如何能成功地解释（虽然无法预测）看似无法解释的天气系统、股 票市场、地震，甚至人类。我也将试图说服你，混沌与从简单系统中孕 育出的复杂，就快要解开生命起源之谜了。美国物理学家默里·盖尔曼 （Murray Gell-Mann）的一句话也呼应了物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）的猜想：我们在周遭世界所见的复杂行为——甚至在生命世 界中——只是“从深奥的简洁中浮现出的复杂表象”。 (1) 而支撑着复杂 的“深奥的简洁”，正是这本书的主题。 约翰·格里宾 2003年1月 (1) 引自罗杰·勒温（Roger Lewin）的《复杂》（Complexity）。 第一章 混沌中的秩序 想象有一个智慧体，它在任何时间都知道所有控制大自然的力量， 同时也知道每一项事物的运动状态。假设这智慧体可以将所有数据加以 分析，能把宇宙中大大小小物体运动的状态用一个公式描述。对它而 言，没有不确定的东西；它可以清楚地看到未来与过去。 ——拉普拉斯，《概率论的哲学理论》，1814年 在17世纪科学革命之前，世界似乎被“混沌”（chaos）所主宰。混沌 这个名词和现代科学家使用的意义不同，但大多数人仍然用它。没有迹 象显示这个令人困惑的世界是由有秩序的简单法则所支撑的。人们对于 风与天气的变化、饥荒的发生或是行星运行的轨道所能给出的最好的解 释是，它们都是上帝或众神的即兴之作。宇宙中的秩序被视为物体必须 遵循的和谐回应；只要可能，秩序就会呈现。例如行星运行与太阳绕着 地球（地球被视为宇宙中心）运行的轨道被认为是圆形的，因为圆形是 完美的。东西会向下落是因为地球的中心就是一切的中心；它是宇宙对 称的中心，所以是最合适的落点。公元前3世纪的天文学家、数学家阿 里斯塔克斯（Aristarchus），宣称地球绕太阳运行，不过他想象中的轨 道仍是圆形的。 这些例子突显出古代科学和后伽利略科学之间一个关键的不同点。 古希腊人是杰出的数学家，特别是杰出的几何学家，他们非常了解静止 事物之间的关系。当然，这样的几何学起源于更早的文化。也不难想 象，最早的科学是如何因史前发展中农业社会生活的实际需要而引发 的。但古希腊人完全不懂物体如何运动或运动定律，只要看看他们面对 古希腊哲学家芝诺（Zeno）著名的悖论时的困惑就明白了。这个悖论好 比说如果一个士兵在箭射到他之前就已经从原本的位置跑开，那么他就 永远不会被箭命中：在箭又多走这一段距离的同时，他也又向前移动一 些，如此