第3章 免费的结构

如果物理过程是计算，程序在哪？

想象一个水分子飘浮在空气中，自由运动，直到碰巧遇到了一片正在生长的雪花。如果条件合适，它可能会粘上去，也有可能会弹开，继续漂浮。这个看似随意的过程不断重复，直到产生出一个美丽而规则的结构。想想流经岩石的河流。水分子无数次地碰撞，形成流向水底的漩涡。再想想规模宏大的氢气云在虚空中通过引力的互相吸引聚拢形成亿万颗恒星和行星组成的旋转星系。最后，想一想上一章讨论过的DNA砖块根据其化学形状组合到一起形成规则的三角形图样。

这些过程有什么共同之处？都是自发形成。都有某种类型的基本成分：原子、分子或分子砖块，根据简单的规则相互作用，形成结构的过程都无需智能的参与。都有某种吸引力法则在起作用。一旦形成，结构之间的互动就会导致新的结构。结构形成结构，成型后又作为种子形成新的结构。如果沿着事件链条回溯，结构之前还有结构，最终模块本身作为规则作用的产物涌现出来。天文学家告诉我们，一切都源自137亿年前。已故的英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔在一个广播节目中提出了大爆炸一词，以区别“稳态”理论（他喜欢的）和有明确开端的理论（目前被绝大多数宇宙学家所接受）。根据大爆炸理论，整个宇宙开始于无穷小无穷致密无穷热的点；物理学家称之为奇点。

这就是目前关于宇宙的主流科学观点。自然规律无处不在；它们在所有尺度上，在所有时间和地点都起作用。时间、空间，也许还有规律本身都是起源于大爆炸。规律并没有写在什么地方，但是它们可以被人类观察者发现和描述。

物理定律大部分是数学化的，可以用它们来计算宇宙从最开始又小又热的状态如何演化成现在的样子，但定律并不能解释它们自身的来源。现代宇宙学的圣杯就是找到能解释这些定律的自足的理论。对这个问题感兴趣的读者可以参考注释中给出的文献。幸运的是，没有这样的“万有理论”我们也能学习物理定律和研究它们的影响，无论我们是否能在更深的层面上理解它们，它们都一样有效。

一些定律是确定性的，也就是说，在相同条件下它们总是会导致相同的结果。一些则是随机的，即使条件相同也会导致不同的结果。我们还知道在有些情形下确定性定律的作用会产生混沌，这时无法精确预测长期的结果。由于随机性和混沌，有时候无法准确预测未来的细节；因此虽然遵循的定律是一样的，每一片雪花却都不一样。

第2章我们看到了通过简单计算产生的结构。这些例子表明简单规则作用于简单输入有时候会产生极为复杂的结构。系统的研究表明，许多（可能大多数）简单规则和简单输入的组合都不能产生复杂的结构。许多组合什么都不能产生，一些则产生简单的重复性图样，只有极少数组合会产生出复杂图样。在物理和化学中也是一样，定律作用于简单或平常的初始状态可能什么都不会产生，或是偶尔产生重复性结构，极少产生复杂结构。要了解特定的结构如何产生需要有相关的定律和初始条件的知识。

类似于计算机的输出，物理结构的形成是不确定的，也就是说有许多途径可以形成特定的事物。可能很难发现具体是哪条途径产生所研究的事物。幸运的是，理解一个结构并不需要知道它到底是如何形成的；只要知道它可能的形成途径即可。再次以雪花为例。水分子从不同的角度接近生长的结构，并附着于表面不同的位置；每一个分子的碰撞细节决定了雪花的唯一性，但我们无需知道这些细节也能大体上了解雪花的形成过程。虽然每片雪花的形成细节都不同，但雪花形成的原理基本是一样的。

当考虑形成某种事物的可能场景时，必须承认有随机创造的可能性，组分被偶然地放到一起。结构可以也的确会偶然产生，但随着组分数量的增加，出现特定构造的概率变得越来越小。即使是组分数量不太多的构造，特定的有序结构产生的概率也会小到宇宙的生命期内都不会出现。我称这个为概率问题。如果在某个场合遇到了概率问题，就需要另外的解释。

第1章说过事物可以分成两种结构类型：I型（基于简单规则）和II型（需要复杂规则）。有一种完全不同的对结构分类的方法来自热力学的研究。根据这种分类方法，一些事物的形成是当系统接近热力学或化学平衡态时，另一些事物的形成则是当系统远离热力学或化学平衡态时。近平衡态结构的例子包括水晶和太阳系。除非有外力改变系统，否则这种结构会一直维持下去。这种结构总是处于特定的平衡态，处于系统的最低能态。远离平衡态结构的例子包括流体中的漩涡，湖中的波浪和太阳。这类结构被认为处于稳态而不是平衡态。例如，生物体就是稳定的非平衡态。非平衡态结构的存在也有赖于力的平衡，但它们的形成只有在有能量稳定流经系统时才有可能。例如当你给某个设备插电或当风刮过湖面形成波浪时。如果能量流停止，就会失去稳定性，结构溃散。简而言之，在平衡态，只有在改变结构时才需要能量，而在非平衡态，维持结构就需要能量。

还有一种分类方法是分为静态结构（不动的）和动态结构（动的）。无论是平衡态还是非平衡态结构都有运动。例如，太阳系中行星围绕太阳转，卫星围绕行星转，就是运动的平衡态结构。这种运动不需要来自太阳或其他地方的持续能量输入。相应的，当你将浴缸中的水放掉时则是[近]静态非平衡态结构，虽然水分子在排下去时在转圈。在水流进下水管时，漩涡的形态基本保持不变。必需的能量流是由水释放的势能提供的。

让事情变得更复杂的是自然界充满了短暂存在的结构。这类事物持续时间不长，形成了系统的暂态。在长期结构和暂态结构之间没有明确的区分。太阳系对我们来说似乎很久远，但相对于银河系的生命却很短暂。在非平衡态结构中，经常有结构从一种形态变成另一种形态，但并不溃散。

让物理结构成为可能的是相反的力的平衡。在特定的条件下物理定律描述的力相互作用。一些物理定律描述物质聚拢的趋势，另一些则描述远离的趋势。在引力和斥力之间自然而然会有平衡点。平衡就会产生结构。我称之为免费的结构；意指系统和定律中蕴含了产生结构的机会。无需预先设计；条件满足了结构就自然产生。

下面我们来举两个例子，看看吸引和排斥律的相互作用是如何导致结构的自发形成。两个例子中结构都是通过系统达到热力学平衡而形成，不需要指令。