第4章 目的性结构

用不免费的指令能得到什么？

假如你是一位发明家和企业家，想到了一个创意。你用木构件和绳子制作了一个原型，看上去似乎能行。你该怎样做才能用铝合金和塑料大量生产呢？你不会去请一位理论计算机专家替你设计只需摇晃就能自行组装成产品的简单构件。你也不会去请一位纳米工程师替你设计微型机器人，只需简单编程就能放到装有铝和塑料块的箱子里，自行将构件组装成产品。你要做的是画出设计图，写出熟练机工和模具工能明白的指令，以及如何组装零件的指令。有了合适的指令，你就能制造这个新产品的许多份拷贝。

上一章我们看到简单规则（化学和物理定律）作用于简单条件就能自发形成结构。我称之为“免费的结构。”包括雪花和太阳系在内许多神奇的事物都是这样形成的。但是免费结构的概念（短程序反复作用于简单输入）无法解释草木、贝多芬交响曲和计算机。

世界上有许多事物无法用简单规则作用于简单初始条件产生。从计算的角度来说是需要长程序。从物理的角度来说，长程序的形式可以是用于完成特定任务的指令、方法和设计图。它们编码目的性信息。指令并不限于人类活动，可以是任何指导事物形成的规则。只要遵循这些规则，就能得到预先设定的结果。结果具有某种目的性，并且生成结果所需的特定规则（指令）不同于一般的物理定律，这些规则只在某种背景下起作用。例如，DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）编码的指令只在活细胞中运作，设计图只对机工或建筑工程师有意义。指令并不是要替代化学和物理定律，而是利用它们，并且它们总是具有目的。我们以一种常用工具的制造过程为例，来看一看这种信息的特殊之处。

很少有工具像螺丝刀一样简单而又实用，做事的人都少不了它，但很少有人会自己做一把。虽然很常见，但所有人都知道螺丝刀是人类活动的产物。我们可以肯定，没有哪把螺丝刀是自然定律自发作用于天然形成的组件的产物。为什么呢？让我们看看制造螺丝刀的细节。

大二工科学生内特·约翰逊在艾奥瓦州立大学的机械工程入门实验课上做了这种工具。螺丝刀由两部分组成：一根硬杆，一端是平的，以便插入螺丝头部的槽，以及直径粗一些的手柄，适合握在手里。粗手柄利用杠杆原理，这样用适度的力转动手柄就能在平头部分产生很大的扭矩。刀头有多种形状，但这不会改变螺丝刀的基本特性。图4.1是内特在课程作业中的设计图和计算机生成的效果图。内特和他的同学拿到的原材料是8毫米粗的钢杆和25毫米粗的塑料棒。还有其他一些材料。杆和刀口必须坚硬，但不能易脆。钢最适合，铜或钛金属也可以。手柄可以用木头或陶瓷。在课程中学生会学习使用复杂的电动工具，但他们也可以用手钻、手锯、锉刀、刻刀（用于手柄造型），甚至可以用石头当锤子。

杆和到头

图4.1 螺丝刀设计图和计算机生成的效果图。经内特·约翰逊许可引用

设计图为制造者提供视觉指导，但要利用设计图内特还需要设计一系列制造步骤。表4.1列出了制造步骤，遵循这些指令，就能制造出图4.1中描绘的螺丝刀。

在制造螺丝刀的过程中，同盐晶的形成过程一样，内特也依赖化学和物理定律。两者都是从初始状态开始形成结构，但与盐晶不同的是，螺丝刀的结构不会自发形成，概率太低了。指令的作用是说明一系列低概率的状态。在这里指令表现为步骤，每一步都设置一个状态，生成的结果作为下一步的条件。设计图的阅读者必须将图转化成步骤。而内特作为制造者也是这些状态的组成部分。一旦设定，状态就会引发一系列完全由化学和物理定律决定的事件过程（免费的结构）。

我们仔细来看第一步。钢杆本身就是很特殊的状态，在离一端10厘米的地方被压在运动的锯片上。离端部的距离与物理无关，但一旦钢杆被压在迅速运动的锯齿上，结果就由物理定律决定。锯齿在钢杆表面撕扯。单个金属原子之间的化学键被机械力拉开，将金属屑从深切槽的表面切削下来。具体的细节取决于施加的力、金属的硬度以及锯齿的硬度、锐度和速度，但只要金属棒被压在快速运动的硬金属锯齿上，就必然会挖出锯齿宽的槽并最终截断钢杆。一旦杆被压在运动锯齿的切削面上，初始状态被设置好，之后的变化就取决于化学和物理定律。这部分过程是免费的结构。

表4.1中大部分步骤都涉及各种切削工具的使用，只是初始配置状态不同。最后一步有点不同。内特将钢杆的非刀口端插入手柄上钻出的8毫米粗的孔，并捶打手柄的另一端。动量和能量守恒确保力从锤子传递到手柄，导致钢杆改变孔的内表面。如果力足够大，变形会导致塑料挤在钢杆被压扁处，手柄就会和钢杆固定在一起，螺丝刀就做好了。锤子施加的力度很关键。力太大钢杆会击穿手柄；力太小钢杆又和手柄结合不紧。制造者可以通过反复敲打来调整总共施加的力。重要的是一旦钢杆被放入手柄的孔中，并且挥动了锤子，之后的结果就是完全是由物理的力以及手柄和钢杆的材料特性决定。

表4.1 制造螺丝刀的步骤或指令

表4.1中给出的每个步骤都表现出同样的基本模式。建立一个特定的状态，然后物理定律作用于状态就会产生特定的结果，结果由状态的细节以及物理和化学定律预先决定。这9条指令步骤编码了一个掌握了必要工具知识的人以正确顺序配置必需的状态所需的信息。设计图包含了附加的信息，可以帮助制造者解读指令。也可以用语言描述图中所有的相关信息，但是没这么方便。重要的是，没有简单规则或公式能够预先确定或描述整个过程。在制造螺丝刀时，制造者总是遵循一个算法（复杂的规则）来实现所期望的结果。

表4.1中列出的9个步骤并不是全部。制造螺丝刀所需的信息还包括如何制造两个杆，制造所使用的各种工具和机器，以及操作机器的方法所需的所有信息。完整的指令表还必须包括采矿、炼钢、塑料生产和成型，制造所有的工具，以及制造这些工具的原材料。穷尽所需的指令会非常长；但原则上还是有可能列出制造螺丝刀所需的所有指令。

就算完成了指令表也还是不够。我们目前为止讨论的所有指令都需要由人来阅读、理解和完成。制造螺丝刀对人的要求包括：能够安排材料和使用工具的人体以及能够指挥身体、理解指令、解释设计图、理解任务和将理解转化为行动的大脑。现代分子遗传学已经发现了人体本身也是指令的产物。这些指令以DNA分子的化学结构的形式存储在我们身体的每个细胞中。现代神经科学还发现，阅读指令、解读设计图、理解和使用机器以及指挥身体的动作的内部信息编码在我们大脑的神经连接和通信模式中。指令、设计图、DNA序列和神经连接模式都编码了目的性信息。

现在我们能清楚认识到一块岩石和螺丝刀的区别。螺丝刀很特殊，是因为说明其形成所需的特定的低概率状态序列需要附加信息。只有发生特定的事件序列，我们才能制造出一把螺丝刀。岩石、盐晶、雪花、贝纳德流和太阳系的形成都不需要附加信息，因为它们形成所需的初始条件出现的概率足够高，到处可见。