怀旧竟是一种自然法则

西蒙·德德奥

激情的暴雨、凄楚的细雨和无辜的融溪，英国作家兼批评家约翰·罗斯金把这样的描述称为情感谬误。人的直觉固然如此，但是大自然毕竟没有人类的这种情感。因此，如果让罗斯金听到“感觉、知识和经验的数学存在于自然世界现代理论的核心中”这一观点，可以想象他会多么吃惊：定量关系似乎把坚硬的实体法则与心理和信仰柔和的特性紧紧地捆绑在一起，可是，这与他坚定的直觉截然相反。

当罗斯金于19世纪末杜撰了这个词语之后不久，故事就从路德维希·波尔兹曼那里开始了。当时科学的首要目标不是获得知识，而是建立一种理论，即解释自然规律——比如说预测并解释蒸汽机或化学反应的原理——的同时，我们如何忽略那些散乱的细节。

波尔兹曼提出了一种轻而易举就能实现的统一架构，可是在1906年，他却提前结束了自己的生命。他或许隐隐约约地看到了，热力学关注的不是物理世界，而是我们无法理解的物理世界产生的结果。很直白地说，面对无知，现在学习热力学的学生可以在什么都不懂的情况下，就蒸汽机的物理结构或化学反应做出推断性结论;而且一旦解决了这个问题（通常情况下很简单），又可以转而就温度计和压力表做出诊断性说明。

路德维希·波尔兹曼

波尔兹曼依赖的无知是极大的：凡是可能发生的事，就一定会发生，不会保留隐秩序。然而，即使在活塞和汽油这么简单的世界里，那种假设也会出错。如果极其缓慢地推动活塞，那么波尔兹曼的方法会很奏效;可是，如果猛推活塞规则就会发生变化，就会出现涡流、逆流、活塞进出的中断，甚至完全停止。活塞一旦受阻，功夫就全部白费了，你的工作会因为这种多余无谓的创造和毁灭模式而耗散。

至于这个法则是怎么回事，也即现实世界如何超越理想而发生耗散，波尔兹曼无从知道。19世纪的热力学需要等待平衡的回归，因为只有那样，所有这些容易耗散的不可能的结构才会消失。我们对平衡这个案例是绝对无知的，因为我们知道没有更多可以知道的东西;但是在一个失去平衡的世界里，我们知道的确有更多的东西，但我们不知道那是什么。

在过去很多年里，非平衡态热力学一直是无人探索的领域，只有在波尔兹曼去世45年之后的1951年，我们才能描述让一个体系稍稍失去平衡的微小调整如何通过所谓的涨落耗散定理在时间上消失。波尔兹曼去世之前，量子力学和相对论都没能成为话题，可是在他死后的几十年却惊奇迭出。与其相比，热力学缓慢如蜗牛。

然而，历史一转入21世纪，基于推断和预测的一种科学获得了新生，这在一定程度上是受机器学习和人工智能迅速进展的驱使。我的新热力学速成课得益于2011年夏威夷大学苏珊·史蒂尔的一次讲座，当时史蒂尔及其同事宣布，在体系耗散（我们所做的工作被浪费和丢失）与我们对该体系的了解之间存在一种新的关系。

史蒂尔及其同事说明了体系耗散是如何受到体系保留的有关世界多余信息的约束，这些信息与该体系的未来无关。他们带着一种诗情画意般的心境将其称为怀旧，可是这份怀旧对未来是无济于事的。他们所展示的是，对一个体系的怀旧会给你的工作带来那么一丁点儿损失。

从字面上讲，功就是：活塞受到阻塞时形成的涡流并未失去，如果细心追踪，就可以让活塞退回以便恢复这些涡流的能量;只有随着时间推移，涡流散开变得未知，越来越无法预测，这时功就会失去。

毫不夸张地说，这就是物理法则里出现的一种悲哀，是被遗忘的记忆，是童年住的屋子被打包装入箱子，是午后毛毛细雨那无法复原的细节。追踪这些记忆得到的过去现在已经无关紧要;如果我们去关注，这些记忆就会向我们讲述一个遗失的故事，如果我们一不小心，就会消耗我们的现在。物理学上的怀旧也会受到惩罚。

我们可以把这个结果颠倒过来：体系耗散与恢复体系原貌的努力程度有关。要回转就得倒推，如果怀旧意味着许多不同的过去与相同的未来能够相容，那么就不可能实现完全倒推。怀旧、不可逆性和体系耗散之间精确的数学关系复杂而具体，如果放弃这些公式，总是有点令人吃惊。

近年来，对新热力学做出更为引人注目的贡献之一的人是麻省理工学院的杰里米·英格兰，是在史蒂尔小组之后的第二年公布。英格兰聚焦体系的不可逆性而不是其怀旧，组合出生物界的景观。他描述进化如何驱使生物体不但利用其周围的自由能，而且以一种极大的体系耗散方式进行。

英格兰的研究似乎解释了过去30亿年我们的生态系统为什么转化为一个巨大的绿色太阳能板，通过自然过程把太阳的能量拿来供养大批大批的食草动物和食肉动物。按照这样的解释，我们之所以存在，是因为我们在尽力可靠地耗散太阳系中心巨大的能源。

史蒂尔的研究把怀旧与体系耗散和遗失联系到一起，而英格兰似乎在说生命的产生是体系耗散的需要。像我们这样的存在之所以存在，恰恰是因为我们创造自己的世界——物理世界、化学世界、生物世界、金属世界、社会世界，而且更快地将其破坏。怀旧也许苦乐参半，但也可能保证我们的存在。

延伸阅读

耗散理论，即耗散结构理论，是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。耗散结构是指远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构。

耗散结构理论把复杂系统的自组织问题当作一个新方向来研究。在复杂系统的自组织问题上，人们发现有序程度的增加随着研究对象的进化过程变得复杂起来，会产生各种变异。针对进化过程的时间方向不可逆问题，借助热力学和统计物理学用耗散结构理论研究一般复杂系统，提出非平衡是有序的起源，并以此作为基本出发点，在决定性和随机性两方面建立了相应的理论。

耗散结构理论比较成功地解释了复杂系统在远离平衡态时出现耗散结构这一自然现象，并得到广泛应用。它已在解释和分析流体、激光器、电子回路、化学反应、生命体等复杂系统中出现的耗散结构方面获得了很多有意义的结果，并且正被用来研究一些新的现象。比如核反应过程、生态系统中的人口分布、环境保护、交通运输和城市发展等，都可被当作远离平衡态的复杂系统来研究。