混沌与秩序

#头条创作挑战赛#

混沌与秩序

世界是什么样子的？生命是什么？难道世界就是一堆简单原子按照简单规律堆砌起来的一堆物质？难道生命无非是一堆特殊而复杂的碳水化合物?如果这样，岂不是通过物理和数学的手段对所有粒子运动及其相互关系的解析，就能分析出各种物体变化，甚至分析出一个人的过往与未来？在牛顿提出万有引力法则后，法国天文学家通过万有引力法则预测到海王星的存在，并由柏林天文台找到了海王星，这使得决定论的思想走向了一个巅峰。法国的拉普拉斯说：假如我们通晓了整个自然的法则，就能建立起一个无所不包的宇宙方程式，如果知道宇宙在某一个瞬间初始状态的完全而精致的知识，比如所有粒子的位置、质量、速度和方向等等，那么就足以推断它在未来任何瞬间的情况。拉普拉斯的决定论包含了两点：首先未来是确定的，其次未来是可以准确预测的。命运自诞生之日起就被注定了！决定论的思想不可谓不惊世骇俗！但决定论自诞生之起，同时也陷入了不可自拔的泥沼。

1900年，在二十世纪的第一次数学家大会上，著名的德国数学家希尔伯特就提出了23个困难的数学问题，其中就包括研究三个可视为质点的天体在相互之间万有引力作用下的运动规律的问题，前提是三个天体的质量、初始位置和初始速度都是任意的，当然也可以是N体。这就是著名的“三体问题”。以其之矛攻其之盾，如果简单的三体运动都无法解析，更如何妄论命运的注定？后来，法国数学家庞加莱通过严格的方式证明：三体问题的方程是有解的，但我们不可能获得它的解析解。也就是说，我们不能用数学的方式将这个解表达出来。那可否可以求出方程的近似解呢？是不是只要将误差控制在一定范围内，推算结果的误差也可以控制在一定范围内？但庞加莱的结论告诉大家：近似解也不可能追求到，因为三体问题方程对初始值过于敏感，只要初始值略有差异，以此推算出的结果就迥然不同。每一个天体在其他两个天体的万有引力作用下的运动方程都可以表示成3个二阶的常微分方程，或6个一阶的常微分方程。一般三体问题的运动方程为十八阶方程，必须得到18个积分才能得到完全解。初始值误差控制得再小，在一步一步地推算时，也会指数式地放大这个误差。庞加莱用对N体问题的解释和这种现象的描述，被后来的数学家和物理学家称之为混沌（chaos）。而21世纪物理学、数学及边缘学科上的最伟大成绩，理应属于混沌理论（Chaos theory）的建立。

混沌理论认为，初始条件十分微小的变化，经过不断的放大，对其未来的状态会造成极其巨大的差别，也就是非线性系统具有的多样性和多尺度性。大洋彼岸蝴蝶翅膀扇动的微风，可能造成一场飓风。混沌理论的提出，解释了决定系统可能产生随机结果的现象；其解释了为什么受简单规律支配的简单粒子能够组成雪花、生命、飓风、生态、星球乃至银河这样的复杂结构；其解释了为何在混乱的宇宙中，总能有某种神秘的秩序和组织可以维持着万物的运行；而且在这些无穷无尽的相互作用中，生命得以涌现，从理论上说明了自由意志诞生的可能性。

世界是什么样子的？混沌在中文中的意思是指世界开辟前的模糊一团的状态。如今看来，这恐怕是对世界最准确的描述。可以试想一下：分子的热运动无处不在、永不停止，万事万物都没有真实的边界，所有的边界都不过是我们的感官所给出的、带分辨率的边界，“有限无界”才是所有事物的共同特点，“有限无界”的万物混杂在一起不就是古人眼中的混沌吗？混沌的背后是运动着的万物，混沌是表象，运动是世界真正的灵魂，生命是其中诞生的精灵！

不只是在分子运动方面，在众多的学科中越来越多的混沌现象都被发现，从电磁波的谐振，到大气环流，到人类社会的金融活动，越来越多的通往混沌之路的发现，混沌的观念也被越来越多的人所接受。世界蕴含了大量的、多层次的、各种类型的复杂的结构、模式、运动。混沌现象的发现，让我们清楚的认识到：世界既包含了一些确定的、线性的内容，也包含了很多随机的、非线性的内容；确定性的结构包含的运动既可以是确定的，也可以是随机的；大量随机的运动既可以是混乱的，也可以符合统计规律分布；万事万物既相对独立、有限，又相互关联、作用、变化。整个世界就是一团迷雾，一个谜，一片“混沌”！

尽管混沌的迷雾无处不在，但我们所处的世界却似乎又充满了秩序。春天，我们种下一颗种子，花儿会春天开放，植物会夏季丰茂，谷物在秋季成熟，万物在冬季枯萎；这颗种子最终会长成一朵雏菊或是一棵参天大树，但无论是雏菊还是大树，他们都会按照其独特的生物性状成长，按照其自身的规则、春夏无休的组织者养分，生命似乎在按照某种规则一步步展开。每个人总会从小长大，然后年富力强，最终衰老，每个人的想法总不会超脱他的过往；每个家庭也都会有他的发展经历，这些经历又会影响到每个人；每个国家、每个民族也都会有他们的历史，这些历史会成为一群人共同的记忆，也会影响到一大群人、很多代人，即使时间跨度再大，人类的活动中也有一定的历史规律。换个角度来看，我们每天会日出而作，日落而歇；每个家庭都有一些确定的家庭成员，每个家庭成员都会按照各自的身份去参加家庭生活；每个公司也会有不同岗位，各个岗位共同协作，维持公司的日常经营；每个国家也都有其组织形式，这些不同组织形式会超越不同的物种，共同组成了地球生态圈。这甚至会让我们产生一种错觉：在日常生活中，秩序才是常态。

科学的理性思维告诉我们：世界是混沌的，而我们的直觉有觉得“秩序”是无处不在的。混沌与秩序，他们是世界的两个面？抑或还是其它？我想这都与“智”相关，它与我们的感知、认知、行为的过程相关。

人不可能获得、认知、处理、存储所有的外部环境信息。人类的眼睛能看见的光统称为可见光，可见光谱并没有精确的范围；其频率在380~750THz，波长在780 400nm之间，也有少数眼部光敏性较高的人，能够感知到频率大约在340~790THz，波长大约在880 380nm之间的电磁波。而自然中的电磁波，其波长范围比人类可观测的要宽许多。自然中存在波长小至万分之一纳米的电磁波，同样也不乏波长达千米级别的电磁波，可见光在其中仅仅只占据了非常小的一格。

相对于视觉，人类听觉则更为有限，正常人的听力范围约在20Hz 20kHz之间，即空气每秒振动的次数在20次到20000次人耳能听到，每秒振动次数低于20次以下称为次声波，每秒高于20000次称为超声波。正常的应用听力范围一般为500赫一3000赫之间。在十分安静的情况下，人在某个频率刚能听到的最小声强的声音为听阈，而引起听觉疼痛的声音为痛阈，将各频率的痛阈以线段连接，形成痛阈曲线。听阈曲线和痛阈曲线之间的范围，称为听觉区域。人耳不同频率声音的敏感性不同，以中频声音（1000Hz）最敏感，高频声音次之，对低频声音的敏感性最差。在地球上，经常会出现一些巨大的声波，地震、海啸、陨石乃至核试验，这些巨大的声波甚至可以绕地球传输几圈，但我们仍然一无所知。

可见光通过晶状体成像，感光细胞感光，将光信号转换为神经信号，通过神经回路传递到大脑，最终形成视觉，这一过程是需要一定时间的，光的作用已经结束了，视觉形象并不立即消失，这种残留的“影像”就是视觉暂留。动画片、走马灯都是这个原理。人类的视觉神经的最短区别反应时间也是0.1秒，这就是视觉暂留时间 。人的神经系统对两次声音的间隔响应为0.1秒，间隔少于0.1秒时，听觉神经不能区别,而成第一声的加强。所以我们的知觉还有0.1秒的时延，人类的神经系统与外部环境只能“有限的耦合”，不可能与外部世界完全同步。

通过有限的“观察窗口”、利用有“分辨率”、有延时的观察器材，观察那个不停运动着的外部世界，这差不多就是对人类的一个“速写”吧。

人类的感觉器官有眼、耳、鼻、舌、身体。与之对应的是：视觉、听觉、嗅觉、味觉和躯体感觉，感受器将外部刺激将之转化为神经冲动。经过神经纤维传递到神经中枢，神经冲动传递到大脑中会引起知觉和情绪。比如同样是躯体的感受，我们能够清楚的分辨出是被轻轻碰了一下，还是被烫疼了。同样是红色，是热情旗帜的海洋，还是战场上的腥风血雨。我们通常把这种“热—烫、红—热情、声音—嘈杂或美妙”的对应关系，认为是人类主观意识的显现。通过主观意识，将“外部环境信号——神经信号——语义提取与存储”这一过程牢牢的关联起来。人类的感官把有限外部环境信息输入到神经系统中，神经系统中的特定组织对这些信息加工处理，最终形成能够被大脑接收和处理的神经信号，大脑最终对这些信号提取语义、形成知觉、形成记忆、涌现出自主意识、构建出我们的内心世界！

不仅仅是从感知-认知-内心世界的构建，人类同样会按照自身的特点去组织、调整我们的外部环境，所有的桌子高度总在七十五厘米左右、大衣柜高度总在两米上下、房屋单层高度总在3米左右，通道的尺寸大多在六十厘米以上等等等等。人类按照自己的认知和行为能力重新建构了这个五彩缤纷、精彩纷呈的世界。早在古希腊的普罗泰戈拉(Protagoras,约公元前481 前411)就曾经说过：“至于神,我既不知道他们是否存在，也不知道他们像什么东西。有许多东西是我们认识不了的；问题是晦涩的，人生是短暂的。”；”人“是存在的事物存在的尺度,也是不存在的事物不存在的尺度”。 柏拉图在其《泰阿泰德篇》中讨论认识论问题时，就曾作过解释。他认为：这句话的含义是事物对于你就是它向你显现的样子，对于我就是向我显现的样子。

人是万物的尺度！人的本身就是一种秩序，人类的智就是一种秩序，人通过感知、认知、行为这一过程认识和反作用于外部环境，并一直围绕着人本身形成“秩序”。这种“围绕”的现象又牵涉了更为复杂的”主体论”。什么是“主体”？何为“我”？

混沌的迷雾无处不在，而秩序总在我们身边！在混沌的迷雾中，秩序又无处不在！

是运动导致了混沌？还是混沌涌现出秩序？抑或混沌与秩序本就是世界的两面？

究竟生命是一种秩序？还是生命依赖秩序而存在？抑或生命和秩序本是同源？

生命是什么？时空是什么？“智”是什么？“我”为什么是“我”？它们之间有什么样的关系？这些问题如此让我们着迷，以至于千百万年来，无数思考者为此沉思，站在不同的角度去思考、解析这些问题，并给出各种不同的答案。这些逻辑自洽的答案中包含着各种公理、方法论，以及有其推导出来的定理、公式、知识体系，并一步步构建成人类的知识体系。

时间进入到二十世纪，随着控制论、一般系统论、信息论等边缘科学的推出，以信息技术为代表的高新科技推动着人类社会飞速进步。近年来，以人工智能技术为代表的高科技成果，更是以不可阻挡的姿态出现在人们的眼前，这不仅仅是信息技术发展的一个新篇章，冷冰冰的机器中涌现出智慧成了一种可能，借此，地球、人类也许将进化到一个新的阶段——人类智慧为模板的新秩序将主宰地球，地球将成为一个统一的、智慧的星体，从此迈向星辰大海。

因此，如何去理解“生命”、“人”、“智”这些与“秩序”相关的事物，仍然是科技研究中最前沿的研究内容。摆在我们面前的命题可能不是“秩序是什么？”，而是“生命是什么？”、“人是什么？”、“智是什么？”这样一些问题。不仅仅是一些哲学命题，它们必须与生理学、心理学、神经科学、脑科学等理论相融洽，并能够对人工智能等工程实践起到具体的指导作用。这是时代的进步、科学的发展赋予这些问题的的新内涵。

对于本书来说，就是要研究“人类的智慧究竟是什么？”这样一个命题。

“智是什么？”，这是一个到目前为止尚未准确答案的一个问题。毫无疑问，这样一个似乎是哲学命题的话题，也会对科学研究起到重要的作用。而这些跨学科研究的边缘科学本身就是一个巨大的创新。对于任何复杂系统来说，我们只有搞清楚现象背后的规律，搞清楚造成那些复杂表象的背后的规则，才会真正的了解这些复杂系统。在这个过程中，弄清楚控制系统的演化规律和彼此之间的相互关系，最终用数学的方式来解释整个复杂行为，被称为建模。而模型的本身则被看成复杂现象背后的规则、规律、秩序。

模型是对事物的简化，是形式化的东西，我们可以通过模型来对未来开展推理和预测，可以对现象进行解释，可以为行动提供战略与选择。如果能够对人类的“智”建模，就可以去模拟人类的“智”，从而让人工智能像人类一样思考、行为。这显然是一项非常艰巨而复杂的工作，这项工作最困难的地方还是在于：我们目前尚不能对自身有一个完全的了解，我们对“智”的相关部分还不甚明了，对这些部分之间相互关系也不能清晰掌握。很显然，人类的智慧并不是一个单一的模型可以实现的，它是一组或多种模型、一种或多种进程、一种或多种规则在某种框架下相互作用的结果。这种框架似乎也是一种“模型”， 而对于本书来说，这种框架或者模型就是我们写作的目的。

站在不同的角度去观察，就能有不同的结果，这似乎是生命、智慧的神奇之处，也似乎是混沌的另外一种表现形式。对于本书来说，我们也设定了本书的观察角度。“智的研究、人工智能”本身就是一个边缘学科，因此我们的视角也会包含几个，分别是从人本主义、信息处理、工程实践的角度去思考这些问题。这样综合起来会将是一个有意思的角度，这个角度中既包含了人文部分的内容也包含了科学方面的内容。

从这个角度上去观察：生命是什么？每个生命都是一个复杂系统，一个自发性的、自我组织、自我调整的复杂系统，其内部具有某种动力，使其沿着自身的规律不断成长。生命属于万物间的互动，属于时间的绵延和其留下的记忆。生命是从混沌中涌现的秩序，这些在混沌中诞生的精灵，按秩序不断地诞生、成长、竞争、衰亡，人世间悲欢离合，地球圈万物缤纷，宏伟的画面在时空中展开，令人赞叹生命的同时，忍不住对其本身产生了好奇：生命是如何适应外部环境的？如此各自不同的生命是如何能够各自适应纷繁芜杂的混沌世界呢？作为智慧的生命，混沌世界的精灵，人类的智慧是如何从混沌中涌现？如何在混沌中显现秩序的呢？这显然又是一个跨多学科的复杂话题。