無序Vs.有序

善行無跡

“天地渾沌如雞子，盤古生其中。萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地。”

盤古開天地是我國上古神話中著名的一篇，講述了天地誕生之初，一片混沌，盤古打破了這種混亂一體，創造出天地、河流、山川以及世間萬物。雖然這只是我們祖先的一種看似蒙昧原始的傳說故事，但也反映出了人類從無序到有序，從混沌到規律的樸素世界觀。其實大到宇宙萬物，小到我們每一個人，都離不開在有序和無序之間相互博弈和協調。比如生命本身作為一種自然界獨特的有序存在，亦是從無序中誕生的。

什么是非線性

我們人體就是由有序和無序交織而成的復雜的非線性系統（Nonlinear system）。那么到底什么是非線性呢？在討論之前，我們先了解一下線性系統。簡單地說就是一個系統的輸入變量和輸出變量之間呈線性關系。這樣說可能還不夠直觀，我們舉個“栗子”。設想你駕駛著一輛頂級跑車在高速公路上飛速行駛，當一腳油門踩下去，車速隨著時間不斷加快。在這個過程中，汽車就可以看成一個隨時間變化而速度不斷增加的線性系統。一個線性系統中輸入和輸出的關系可以用簡單的y=ax來表示，其中y是輸出變量，x是輸入變量，a是常數。

理想化的線性系統可以用來簡單有效地解決很多問題，但遺憾的是真實世界中問題往往復雜得多。我們繼續講述剛才的“栗子”吧，是不是只要踩著油門，車速就會隨著時間無限增加呢？答案顯然是否定的。且不說發動機和駕駛者都存在極限，當時速超過120公里時，你將成功地引起警察的注意。可見車速并不是隨著時間持續線性增長，而是在某一“邊界”之內波動。線性關系只能存在于理想模型之中。實際上，考慮到眾多的約束條件，非線性系統更符合真實情況。

心臟和自組織

拿我們人體自身來說，心臟作為最重要的器官之一，就像發動機一樣提供機體各項活動的動力。心肌細胞在竇房結的驅動下，有規律地進行收縮舒張活動，這種規律性使得身體內部的機能保持穩定和有效。在發育過程中，看似無序的心肌細胞在某種“神秘力量”的驅使下，逐漸成長為具有高度規律性的心臟。在這種沒有外部控制的情況下，系統內部自動產生規律結構和增加復雜性的行為被稱為●自組織（Self-organizing）。

通過心電圖（Electrocardiogram）我們可以看到常人的心臟自發地進行有規律的活動，而一旦這種規律性被打破，就表現出各種心臟疾病的癥狀。在放松靜息的狀態下，心臟跳動緩慢，而劇烈運動時心率可以猛增到平常的兩倍甚至三倍。這說明心臟本身并不“刻板”，而是在規律跳動中存在潛在的復雜特性。而心率的變化也不是簡單的線性變化，依賴于不同人的心臟機能、運動方式等因素。可見心臟通過自組織的方式產生了復雜的結構，盡管功能相對簡單，但仍然表現出非線性系統的復雜性。

大腦中的混沌

大腦是一個超級復雜的非線性系統。我們知道大腦是由數以億計的神經元（Neuron）組成，每一個神經元都是一個微小的功能單位。大量的電生理研究發現，甚至小到每一個神經元，都是一個復雜的非線性系統。在沒有外界刺激的情況下，神經細胞也不是完全“靜默”，而是產生一些看似無序的自發放電位。當外界電壓刺激不斷升高時，細胞產生的電位也會隨之升高，但這種變化并不是線性增加的，而是在超過某一個閾值的時候產生一個動作電位（Spike），這種動作電位可以不衰減地沿著細胞的軸突傳導，通過和周圍的神經細胞協調運作，進而形成各種復雜功能。

大腦中數以億計的神經元的這種充放電活動就為我們實現各種復雜的思考和功能提供了生理基礎。當需要處理視覺信息時，枕葉皮層（Occipital lobe）的神經元就協同工作 ；而需要處理聽覺信息時，顳葉皮層（Temporal lobe）的神經元就協同工作。大腦功能的這種模塊化分區使得我們可以高效準確地處理各種不同的信號，然后再將這些信號整合起來。有人可能會說，這說明神經元的活動越規律，大腦功能就越好嘛。那么是不是我們的大腦越規律有序就越好呢？答案是No。正常人的大腦是不會同時激活所有腦區的，我們的大腦時刻處于一種既有序又無序的狀態。雖然有序保證了眾多神經元能夠協同工作實現特定功能，而恰恰是這種無序使得大腦充滿了“彈性”，才能夠適應不同的外界環境。

熵和復雜性

看來一個好的系統需要在有序和無序之間保持一個平衡狀態，既不能過于有序失去了彈性，也不能雜亂無章一片混沌。為了衡量一個系統的復雜性或者混亂程度，科學家們發明了●熵（Entropy）這個概念。一個完全規律毫無噪聲的系統熵為0，而一個越雜亂無序的系統熵就越大。正如我們前面講到的，心臟和大腦都是復雜的非線性系統，既不是絕對的無序，也不是完全的有序，而是處于某個微妙的平衡狀態，這種平衡的打破或者移動都會影響我們的正常功能。

研究發現，相對于正常人，一些有心臟疾病的人的心率表現出過高或者過低的熵值。相比于年輕人，老年人的心率的熵值明顯地下降，反映出心臟功能的衰退。同樣，針對大腦功能的研究也發現，很多疾病中正常大腦的復雜性受到了破壞，在某些腦區表現出反常的增加或者降低。比如在阿茲海默癥患者（Alzheimers Disease）的腦中，我們發現負責高級認知功能的大腦前額葉（Prefrontal cortex）表現出熵值的明顯降低。這一方面反映出前額葉和大腦其他區域的連接被破壞，對其他腦區的調控能力減弱，另一方面也反映了大腦前額葉變得沒那么有彈性，大腦的學習和記憶等相關功能受到了破壞。

向左走向右走？

到底是更有序還是更無序好呢？這還真是左右為難吶。這種看似矛盾的現象恰恰反映出一個高效系統的特點：混沌和規律的有機結合。如果一個系統過于規律，就會變得刻板，缺乏變通，面對變化的外界環境不能很好地適應。相反如果一個系統過于無序混亂，那么系統內部缺少必要的協調和同步，不需要外界刺激，可能自身就已經分崩離析了。正如我們的老祖宗所說，凡事要執兩用中，過猶不及。endprint