无序Vs.有序

善行无迹

“天地浑沌如鸡子，盘古生其中。万八千岁，天地开辟，阳清为天，阴浊为地。”

盘古开天地是我国上古神话中著名的一篇，讲述了天地诞生之初，一片混沌，盘古打破了这种混乱一体，创造出天地、河流、山川以及世间万物。虽然这只是我们祖先的一种看似蒙昧原始的传说故事，但也反映出了人类从无序到有序，从混沌到规律的朴素世界观。其实大到宇宙万物，小到我们每一个人，都离不开在有序和无序之间相互博弈和协调。比如生命本身作为一种自然界独特的有序存在，亦是从无序中诞生的。

什么是非线性

我们人体就是由有序和无序交织而成的复杂的非线性系统（Nonlinear system）。那么到底什么是非线性呢？在讨论之前，我们先了解一下线性系统。简单地说就是一个系统的输入变量和输出变量之间呈线性关系。这样说可能还不够直观，我们举个“栗子”。设想你驾驶着一辆顶级跑车在高速公路上飞速行驶，当一脚油门踩下去，车速随着时间不断加快。在这个过程中，汽车就可以看成一个随时间变化而速度不断增加的线性系统。一个线性系统中输入和输出的关系可以用简单的y=ax来表示，其中y是输出变量，x是输入变量，a是常数。

理想化的线性系统可以用来简单有效地解决很多问题，但遗憾的是真实世界中问题往往复杂得多。我们继续讲述刚才的“栗子”吧，是不是只要踩着油门，车速就会随着时间无限增加呢？答案显然是否定的。且不说发动机和驾驶者都存在极限，当时速超过120公里时，你将成功地引起警察的注意。可见车速并不是随着时间持续线性增长，而是在某一“边界”之内波动。线性关系只能存在于理想模型之中。实际上，考虑到众多的约束条件，非线性系统更符合真实情况。

心脏和自组织

拿我们人体自身来说，心脏作为最重要的器官之一，就像发动机一样提供机体各项活动的动力。心肌细胞在窦房结的驱动下，有规律地进行收缩舒张活动，这种规律性使得身体内部的机能保持稳定和有效。在发育过程中，看似无序的心肌细胞在某种“神秘力量”的驱使下，逐渐成长为具有高度规律性的心脏。在这种没有外部控制的情况下，系统内部自动产生规律结构和增加复杂性的行为被称为●自组织（Self-organizing）。

通过心电图（Electrocardiogram）我们可以看到常人的心脏自发地进行有规律的活动，而一旦这种规律性被打破，就表现出各种心脏疾病的症状。在放松静息的状态下，心脏跳动缓慢，而剧烈运动时心率可以猛增到平常的两倍甚至三倍。这说明心脏本身并不“刻板”，而是在规律跳动中存在潜在的复杂特性。而心率的变化也不是简单的线性变化，依赖于不同人的心脏机能、运动方式等因素。可见心脏通过自组织的方式产生了复杂的结构，尽管功能相对简单，但仍然表现出非线性系统的复杂性。

大脑中的混沌

大脑是一个超级复杂的非线性系统。我们知道大脑是由数以亿计的神经元（Neuron）组成，每一个神经元都是一个微小的功能单位。大量的电生理研究发现，甚至小到每一个神经元，都是一个复杂的非线性系统。在没有外界刺激的情况下，神经细胞也不是完全“静默”，而是产生一些看似无序的自发放电位。当外界电压刺激不断升高时，细胞产生的电位也会随之升高，但这种变化并不是线性增加的，而是在超过某一个阈值的时候产生一个动作电位（Spike），这种动作电位可以不衰减地沿着细胞的轴突传导，通过和周围的神经细胞协调运作，进而形成各种复杂功能。

大脑中数以亿计的神经元的这种充放电活动就为我们实现各种复杂的思考和功能提供了生理基础。当需要处理视觉信息时，枕叶皮层（Occipital lobe）的神经元就协同工作 ；而需要处理听觉信息时，颞叶皮层（Temporal lobe）的神经元就协同工作。大脑功能的这种模块化分区使得我们可以高效准确地处理各种不同的信号，然后再将这些信号整合起来。有人可能会说，这说明神经元的活动越规律，大脑功能就越好嘛。那么是不是我们的大脑越规律有序就越好呢？答案是No。正常人的大脑是不会同时激活所有脑区的，我们的大脑时刻处于一种既有序又无序的状态。虽然有序保证了众多神经元能够协同工作实现特定功能，而恰恰是这种无序使得大脑充满了“弹性”，才能够适应不同的外界环境。

熵和复杂性

看来一个好的系统需要在有序和无序之间保持一个平衡状态，既不能过于有序失去了弹性，也不能杂乱无章一片混沌。为了衡量一个系统的复杂性或者混乱程度，科学家们发明了●熵（Entropy）這个概念。一个完全规律毫无噪声的系统熵为0，而一个越杂乱无序的系统熵就越大。正如我们前面讲到的，心脏和大脑都是复杂的非线性系统，既不是绝对的无序，也不是完全的有序，而是处于某个微妙的平衡状态，这种平衡的打破或者移动都会影响我们的正常功能。

研究发现，相对于正常人，一些有心脏疾病的人的心率表现出过高或者过低的熵值。相比于年轻人，老年人的心率的熵值明显地下降，反映出心脏功能的衰退。同样，针对大脑功能的研究也发现，很多疾病中正常大脑的复杂性受到了破坏，在某些脑区表现出反常的增加或者降低。比如在阿兹海默症患者（Alzheimers Disease）的脑中，我们发现负责高级认知功能的大脑前额叶（Prefrontal cortex）表现出熵值的明显降低。这一方面反映出前额叶和大脑其他区域的连接被破坏，对其他脑区的调控能力减弱，另一方面也反映了大脑前额叶变得没那么有弹性，大脑的学习和记忆等相关功能受到了破坏。

向左走向右走？

到底是更有序还是更无序好呢？这还真是左右为难呐。这种看似矛盾的现象恰恰反映出一个高效系统的特点：混沌和规律的有机结合。如果一个系统过于规律，就会变得刻板，缺乏变通，面对变化的外界环境不能很好地适应。相反如果一个系统过于无序混乱，那么系统内部缺少必要的协调和同步，不需要外界刺激，可能自身就已经分崩离析了。正如我们的老祖宗所说，凡事要执两用中，过犹不及。endprint