懷舊竟是一種自然法則

西蒙·德德奧

激情的暴雨、凄楚的細雨和無辜的融溪，英國作家兼批評家約翰·羅斯金把這樣的描述稱為情感謬誤。人的直覺固然如此，但是大自然畢竟沒有人類的這種情感。因此，如果讓羅斯金聽到“感覺、知識和經驗的數學存在于自然世界現代理論的核心中”這一觀點，可以想象他會多么吃驚：定量關系似乎把堅硬的實體法則與心理和信仰柔和的特性緊緊地捆綁在一起，可是，這與他堅定的直覺截然相反。

當羅斯金于19世紀末杜撰了這個詞語之后不久，故事就從路德維希·波爾茲曼那里開始了。當時科學的首要目標不是獲得知識，而是建立一種理論，即解釋自然規律——比如說預測并解釋蒸汽機或化學反應的原理——的同時，我們如何忽略那些散亂的細節。

波爾茲曼提出了一種輕而易舉就能實現的統一架構，可是在1906年，他卻提前結束了自己的生命。他或許隱隱約約地看到了，熱力學關注的不是物理世界，而是我們無法理解的物理世界產生的結果。很直白地說，面對無知，現在學習熱力學的學生可以在什么都不懂的情況下，就蒸汽機的物理結構或化學反應做出推斷性結論;而且一旦解決了這個問題（通常情況下很簡單），又可以轉而就溫度計和壓力表做出診斷性說明。

路德維希·波爾茲曼

波爾茲曼依賴的無知是極大的：凡是可能發生的事，就一定會發生，不會保留隱秩序。然而，即使在活塞和汽油這么簡單的世界里，那種假設也會出錯。如果極其緩慢地推動活塞，那么波爾茲曼的方法會很奏效;可是，如果猛推活塞規則就會發生變化，就會出現渦流、逆流、活塞進出的中斷，甚至完全停止。活塞一旦受阻，功夫就全部白費了，你的工作會因為這種多余無謂的創造和毀滅模式而耗散。

至于這個法則是怎么回事，也即現實世界如何超越理想而發生耗散，波爾茲曼無從知道。19世紀的熱力學需要等待平衡的回歸，因為只有那樣，所有這些容易耗散的不可能的結構才會消失。我們對平衡這個案例是絕對無知的，因為我們知道沒有更多可以知道的東西;但是在一個失去平衡的世界里，我們知道的確有更多的東西，但我們不知道那是什么。

在過去很多年里，非平衡態熱力學一直是無人探索的領域，只有在波爾茲曼去世45年之后的1951年，我們才能描述讓一個體系稍稍失去平衡的微小調整如何通過所謂的漲落耗散定理在時間上消失。波爾茲曼去世之前，量子力學和相對論都沒能成為話題，可是在他死后的幾十年卻驚奇迭出。與其相比，熱力學緩慢如蝸牛。

然而，歷史一轉入21世紀，基于推斷和預測的一種科學獲得了新生，這在一定程度上是受機器學習和人工智能迅速進展的驅使。我的新熱力學速成課得益于2011年夏威夷大學蘇珊·史蒂爾的一次講座，當時史蒂爾及其同事宣布，在體系耗散（我們所做的工作被浪費和丟失）與我們對該體系的了解之間存在一種新的關系。

史蒂爾及其同事說明了體系耗散是如何受到體系保留的有關世界多余信息的約束，這些信息與該體系的未來無關。他們帶著一種詩情畫意般的心境將其稱為懷舊，可是這份懷舊對未來是無濟于事的。他們所展示的是，對一個體系的懷舊會給你的工作帶來那么一丁點兒損失。

從字面上講，功就是：活塞受到阻塞時形成的渦流并未失去，如果細心追蹤，就可以讓活塞退回以便恢復這些渦流的能量;只有隨著時間推移，渦流散開變得未知，越來越無法預測，這時功就會失去。

毫不夸張地說，這就是物理法則里出現的一種悲哀，是被遺忘的記憶，是童年住的屋子被打包裝入箱子，是午后毛毛細雨那無法復原的細節。追蹤這些記憶得到的過去現在已經無關緊要;如果我們去關注，這些記憶就會向我們講述一個遺失的故事，如果我們一不小心，就會消耗我們的現在。物理學上的懷舊也會受到懲罰。

我們可以把這個結果顛倒過來：體系耗散與恢復體系原貌的努力程度有關。要回轉就得倒推，如果懷舊意味著許多不同的過去與相同的未來能夠相容，那么就不可能實現完全倒推。懷舊、不可逆性和體系耗散之間精確的數學關系復雜而具體，如果放棄這些公式，總是有點令人吃驚。

近年來，對新熱力學做出更為引人注目的貢獻之一的人是麻省理工學院的杰里米·英格蘭，是在史蒂爾小組之后的第二年公布。英格蘭聚焦體系的不可逆性而不是其懷舊，組合出生物界的景觀。他描述進化如何驅使生物體不但利用其周圍的自由能，而且以一種極大的體系耗散方式進行。

英格蘭的研究似乎解釋了過去30億年我們的生態系統為什么轉化為一個巨大的綠色太陽能板，通過自然過程把太陽的能量拿來供養大批大批的食草動物和食肉動物。按照這樣的解釋，我們之所以存在，是因為我們在盡力可靠地耗散太陽系中心巨大的能源。

史蒂爾的研究把懷舊與體系耗散和遺失聯系到一起，而英格蘭似乎在說生命的產生是體系耗散的需要。像我們這樣的存在之所以存在，恰恰是因為我們創造自己的世界——物理世界、化學世界、生物世界、金屬世界、社會世界，而且更快地將其破壞。懷舊也許苦樂參半，但也可能保證我們的存在。

延伸閱讀

耗散理論，即耗散結構理論，是研究遠離平衡態的開放系統從無序到有序的演化規律的一種理論。耗散結構是指遠離平衡態的復雜系統在外界能量流或物質流的維持下，通過自組織形成的一種新的有序結構。

耗散結構理論把復雜系統的自組織問題當作一個新方向來研究。在復雜系統的自組織問題上，人們發現有序程度的增加隨著研究對象的進化過程變得復雜起來，會產生各種變異。針對進化過程的時間方向不可逆問題，借助熱力學和統計物理學用耗散結構理論研究一般復雜系統，提出非平衡是有序的起源，并以此作為基本出發點，在決定性和隨機性兩方面建立了相應的理論。

耗散結構理論比較成功地解釋了復雜系統在遠離平衡態時出現耗散結構這一自然現象，并得到廣泛應用。它已在解釋和分析流體、激光器、電子回路、化學反應、生命體等復雜系統中出現的耗散結構方面獲得了很多有意義的結果，并且正被用來研究一些新的現象。比如核反應過程、生態系統中的人口分布、環境保護、交通運輸和城市發展等，都可被當作遠離平衡態的復雜系統來研究。