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第113篇 复杂性理论（7）— 《混沌的边缘》
第113篇 复杂性理论（7）— 《混沌的边缘》
作者：
中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智
《说明》：
1 资料来源：《复杂》，作者是米歇尔.沃尔德罗普，由陈玲译。
2 现在我将《复杂》书中对事物复杂性的论述分几篇文章贴出来。自然科学对复杂性的研究还处在初期阶段，还没有总结出几个抽象的定理，大多数是在对复杂事物进行描述。我认为《复杂》这本书对复杂性的描述比较通俗易懂，所以我希望网友能够从这些描述中对复杂性有一个感性的认识。原书的写法是西方语言的典型方法，有些中国人不习惯，通过我的摘录，变成中国人习惯的说法，可能有利于大家的理解和接受。
3 摘录中的标题是我加的，为了理解方便。
一 《混沌理论》不能解释怎样形成秩序和结构
法默说：“我上中学时就开始思考大自然中的自组织现象了。虽然起初的想法很模糊，是因为读了科学幻想小说。”他尤其记得艾萨克·阿斯莫夫写的那本《最后的问题》。在那个故事中，未来的人类向宇宙超级计算机咨询如何废除热动力学第二定律。即：随着原子的自我随机化，宇宙万物无情地趋于冷却、腐朽和消亡的倾向。他们问，怎样才能扭转不断增强的熵？（熵是物理学家对分子层无序现象的称谓。）法默问自己，如果熵一直在增强，如果原子层的随机化和无序现象是不可抗拒的，那为什么宇宙仍然能够形成星球、云彩和树木？为什么在一个很大的规模上，物质往往总是趋于越来越有组织，同时又在一个较小的规模上，越来越趋于解体？为什么那么很久了宇宙都没有解体成某种无形的潮气？法默说：“坦率地说，对这些问题的兴趣是驱使我成为一个物理学家的动力之一。比尔·伍特斯，和我在斯坦福大学时，经常在物理课后坐在草地上长时间地谈论这些问题，当时我们的脑海里不断跃出各种思想。好多年以后我才发现，还有其他人也一直在思考这些问题，在这方面已有资料和文献的记载了——从事控制论研究的诺伯特·维纳、从事自组织研究的伊尔亚·普利戈金、从事合作反射研究的荷曼·海哈肯。” 法默说，当时很多人都在独自思索这些问题。但当时他感到非常困惑。“我没见到有推动这些思考的专门学问。生物学家并不是在研究这些问题，他们在忙着弄清楚哪个蛋白和哪个蛋白发生作用，而忽略了一般性法则。在我看来，物理学家似乎也不是在从事这方面的研究。这就是为什么我转向混沌理论的原因之一。”
“但不久我就对混沌理论感到很厌倦了。”法默说。“我觉得，‘那又能怎么样呢？’混沌学最基本的理论已经探索尽了，这个学科的理论已经很明朗了，在其研究前沿已经没有什么可以令人激动的新发现了。”另外，混沌理论本身也并不十分深刻。他向你解释了许多关于某种简单的行为规则如何产生令人吃惊的复杂动力现象。但除了所有这些美丽的分形图景之外，混沌理论其实很难解释生命的系统，或进化的根本性法则。它无法解释这些系统如何从随机无物开始，自组发展成复杂的整体。最重要的是，它不能回答法默的老问题，即，宇宙在永不停息地形成秩序和结构。
不知为什么，法默认定，对此还有全新的认识尚未穷尽。这就是为什么他和考夫曼、派卡德合作研究自动催化组和生命的起源，并全力支持朗顿的人工生命研究的原因。就像罗沙拉莫斯和桑塔费的许多人一样，法默也感到，某种理解。答案旋律、法则正徘徊于门外。
“我所属的思想流派认为，生命和组织就像熵的增强一样，是永不停息的。只不过生命和组织的形成没有什么规则，是由自我累积而成的，所以更要凭运气罢了。生命是一种更为广泛的现象的反映。我相信，这种更为广泛的现象正好与热动力学第二定律背道而驰，它是某种能够描述物质的自组倾向、能够预测宇宙中组织的一般性特点的法则。”
法默不清楚这一新的第二法则将会是什么样子的。“如果我们清楚的话，我们就能知道如何发现这条法则。目前对此只是推测，也就是当你退后一步，拍着脑袋陷入沉思时所获得的某种直觉。”事实上，他并不知道这会是一条法则、还是几条法则。但他明白无疑的是，最近人们已经在这个方面发现了许多蛛丝马迹，诸如涌现、适应性和混沌的边缘，这些发现起码可以为这个假设的新的第二定律勾勒出一个大概的轮廓。
二 秩序和结构的本质在于组织，而不在于分子
法默说，第一，这个想象中的法则将能够对涌现做出严谨的解释：当我们说整体大于部分的总和的时候，我们指的是什么？“这不是魔术，但当用我们人类粗陋狭小的大脑来感觉时，这就像是魔术。”飞翔的“柏德”（和实际生活中的鸟类）顺应着邻居的行为而聚集成群；生物体在共同进化之舞中既合作又竞争，从而形成了协调精密的生态系统；原子通过形成相互间的化学键而寻找最小的能量形式，从而形成分子这个众所周知的涌现结构；人类通过相互间的买卖和贸易来满足自己的物质需要，从而创建了市场这个众所周知的涌现结构；人类还通过互动关系来满足难以限定的欲望，从而形成家庭、宗教和文化。一群群的作用者通过不断寻求相互适应和自我完善而超越了自我，形成了更为宏大的东西。关键在于要弄清楚这一切的来龙去脉，而又不落入枯燥无味的哲学思辨、或新时代的玄想泥潭。
法默说，这正是广义的计算机模拟和狭义的人工生命的美妙之处：在台式计算机上，用一个简单的计算机模型，就能拿你的思想做实验，看看它们的实际效果如何。你可以通过计算机实验对一些模糊的思想做出越来越准确的定位，可以试着提炼出突发在大自然中实际运作的本质。而且，那段时间已有了许多可供选择的计算机模型，其中引起法默特殊兴趣的是关联主义（Connectionism）：这个概念的意思是一个由“连接物”相连的“节点”网络所代表的互动作用者群。在这一点上，他和许多人都有共识。在这十多年间，关联论模型突然遍布各处。首要的范例就是神经网络运动。在神经网络运动中，研究人员利用人工神经元网络来模拟诸如知觉和记忆恢复这类的事情，并自然地对人工智能主流研究的符号处理方法发起了猛烈的攻势。但紧追其后的就是桑塔费研究所建立的基地，包括荷兰德的分类者系统、考夫曼的基因网络、还有他和派卡德以及罗沙拉莫斯的爱伦·泊雷尔森于八十年代中期为研究生命起源而建立的免疫系统模型。法默承认，这些模型中的有一些看上去并不很符合关联论，很多人在初次听到他们这样描述事物时都感到非常惊讶。但这只是因为这些模型是在不同的时间、被不同的人建立起来解决不同问题的，所以它们用以描述的语言也会不同。他说：“当你还原一切时，所有事物看上去都是一样的。你其实可以只建立一个模型，然后移于另一方面的模拟。”
以学习和进化为例。既然节点非常简单，那么网络的整体行为几乎完全就是由节点之间的相互关联来决定的。或用朗顿的话来说，相互关联中编入了网络的泛基因型密码。所以，如果要改善这个系统的泛表现型，只消改变这些节点之间的相互关联就行了。法默说，事实上，你可以通过两种方法来改变这种相互关联。第一种方法是让这些关联还呆在原地，但改善它们的“力度”，这相当于荷兰德说的采掘式学习：改善你所原有的。在荷兰德的分类者系统中，这种改变是通过水桶大队算法来实现的。这个算法对导致了良性结果的分类者规则实行奖赏。在神经网络中，这是通过各种学习算法来实现的。对算法的学习带给网络一系列的已知输入，然后加强或减弱关联的力度，直到这一关联能做出恰当的反应。
第二种更彻底地调整关联的方法是改变网络的整个线路布局，摘除一些老的关联点，置入新的关联点。这相当于荷兰德说的探索性学习：为获得大成功而做大冒险。比如，在荷兰德的分类者系统中，通过两性交配，产生不可模拟的新版本，从而达到基因算法的相互混合，正是这种情形。由此产生的新规则常常带入以往从未有过的新信息。这样的情形同样也出现在自动催化组模型中，出现在当偶尔有新的聚合物自动形成的时候，其情景就好像在现实世界发生的那样。由此产生的化学关联点能够给自动催化组打开在聚合物空间探索全新世界的大门。但在神经网络中这却不是常情，因为神经网络的关联原本是不能移动的突触的模拟。但最近在不少神经网络迷做的实验中，神经网络确实能够通过学习而重新布线。他们的理由是，任何固定的线路布局都是任意的，应该允许发生改变。
法默说，简而言之，关联论的概念说明，即使节点和单个作用者是毫无头脑的死物，学习和进化的功能也能涌现出来。更广义地说，这个概念非常精确地为一种理论指明了方向：即，重要的是加强关联点的力度，而不在于加强节点的力度，这便是朗顿和人工生命科学家所谓的生命的本质在于组织，而不在于分子。这一概念同时也使我们对宇宙中生命和心智从无到有的形成和发展，有了更深刻的了解。
三 秩序和结构产生于《混沌的边缘》
（一）什么是《混沌的边缘》
法默说，朗顿在分子自动机中发现的混沌边缘的奇异相变，似乎提供了一大部分的答案。在人工生命研讨会上，朗顿由于尚未完成博士论文，所以对这个问题谨慎地三缄其口，但罗沙拉莫斯和桑塔费的许多人却从一开始就发现混沌的边缘这个概念非常引人入胜。朗顿基本上说的是，使生命和心智起源的这个神秘的“东西”，就是介于有序之力与无序之力之间的某种平衡。更准确地说，朗顿的意思是，你应该观察系统是如何运作的，而不是观察它是由什么组成的。他说，当你从这个角度观察系统时，就会发现存在秩序和混沌这两个极端点。这非常类似原子被锁定于一处的固体和原子相互随意翻滚的流体之间的差别。但在这两极的正中间，在某种被抽象地称为“混沌的边缘”的相变阶段，你会发现复杂现象：在这个层次的行为中，该系统的元素从未完全锁定在一处，但也从未解体到骚乱的地步。这样的系统既稳定到足以储存信息，又能快速传递信息。这样的系统是具有自发性和适应性的有生命的系统，它能够组织复杂的计算，从而对世界做出反应。
当然，严格地说，朗顿只是在分子自动机模型中演示了复杂与相变之间的关系。没人真正知道是否也能用这一点来解释其它计算机模型，或解释现实世界。但另一方面，种种迹象表明，朗顿的发现也许具有普遍性的意义。比如事后你会发现，这些年在关联论的模型中，有半数会出现类似相变的行为。
混沌的边缘就像是一片无穷薄的膜片，这是一个产生从混乱中分离出秩序的复杂行为的特殊领域。就像海水的表面只不过是以一个水分子的厚度来分隔水与空气那样，混沌的边缘地区也有如海洋的表面，浩淼得无边无际，作用者可以在这之中以无穷无尽的方式来尽显其复杂性与适应性。
进化常常导致事物越变越复杂、越变越精巧、越变越具有结构这个貌似简单的事实。法默说：“云彩比大爆炸后最初的瘴气更具有结构，初始原汤比云彩更具有结构。”而我们人类则比原始初汤更具有结构。从这个事实推论，现代经济比美索不达米亚城邦要更具有结构，就像现代技术比罗马时代的技术要先进发达得多一样。学习和进化功能似乎不仅仅只是把经济作用者缓慢地、时续时断地、然而却不可阻挡地拉向混沌的边缘，而且使作用者沿着混沌的边缘往越来越复杂的方向发展。混沌的边缘是自我发展进入的特殊区界，在这个区界中，系统会产生出类似生命的现象和复杂的行为表现。
（二）《混沌的边缘》的另外的说法——“自我组织之临界性”理论
丹麦出生的物理学家普·巴克和他在长岛的布鲁克海文国家实验室的同事们于1987年首次发表了关于“自我组织之临界性”理论。他说，为了做出最好、最生动的比喻，就让我们想象桌子上有一堆沙子，有涓涓细沙均匀地从上流泻而下。（顺便说一下，确实有人同时用计算机模拟和用真的沙子做过这个实验。）这堆沙子越积越高，直到不能再高了为止。随着新的沙子不断流泻下来，原有的沙子如瀑布般顺坡流泻，不断从桌边泻落到地上。反过来，你也可以从一大堆沙子开始，达到同样的状况：沙堆会坍落下来，直到所有多余的沙子都从沙堆上流泻下来。无论用哪一种方法，由此而形成的沙堆都是自我组织的，也就是说，沙难自己达到了一个稳定的状态，不需要任何人为的干预。沙堆处于一种临界的状态，即表面的沙粒只是刚好能呆住。其实，处于临界状态的沙堆非常近似处于临界状态的钚堆，处于临界状态的钚堆的连锁反应刚好处在趋于核爆炸、但还没有引起核爆炸的边缘。细微的表层和沙粒的棱角以各种能
作者：杨鸿智
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