第4章 进步与熵：信息世界的诞生模式(1)

对熵的讨论在本书当中是极为必要的，对读者来说也是也是一个需要重点探索的话题。熵的观点所代表的不仅是吉布斯世界观，还有他同牛顿力学之间所存在的几个具有代表性的分歧。在吉布斯看来，整个宇宙当中存在着一个物理量，它存在于可能的外在世界，并且成为极为有限的问题的根本答案。

宇宙局部区域的秩序性让人们对进步充满期许和追求，而消息和通信让人们越来越多地理解了这个局部世界。只是如果热力学第二定律真的是宇宙的重要支撑，那么无论是在进步的世界还是增熵的世界，我们都将无法避免最终的结局——热寂和毁灭，就像一个人出生就一定会死亡一样。

虽然如此，在最终的灭亡之前人类还要经历一段很长的时间，所以我们需要放下悲观主义的情绪，用足够的信心和勇气来诠释人的价值与尊严。人们能做的还有很多，对于人类最重要的就是通过消息的研究来理解自己的处境和周围环境。而在未来的发展当中，人和机器以及机器和机器之间消息和通信将会占据越来越重要的地位。

1.天才的“麦克斯韦妖”

伴随着熵的不断增加，宇宙同其中所有的闭合系统都将会出现一种倾向：从最小到最大的可见状态运动，从那些存在种种形式与特定的组织，到那些具有差异的抑或单调的状态，所有的一切会慢慢变质，它们的特殊性也会逐渐消失。

在吉布斯的世界里，最小可见的是秩序，最大可见的是混沌。假如真的存在这样一个宇宙，那么当它开始趋于衰退的时候，就会有一些局部的区域同整个宇宙的发展方向完全相反。同时这些局部区域的内部组织也会出现暂时且有限的增加趋势，生命就是在这些局部区域内找到了安身立命的栖居地。而控制论就是从这样的观点核心出发的。

依据这个观点，如果自然界的统计趋势倾向于秩序紊乱，那么就意味着孤立系统熵存在着增加趋势。这一点通过热力学第二定律即可表现出来。根据这一定律，一个孤立系统的总混乱度——熵永远在增加，更精确地说，熵永远不会减少。

这是一个不可逆的过程，但是人并不是一个孤立系统。我们借助外界获取的食物来产生和增强能量，所以我们是一个更大世界的组成部分，这个世界能够将支撑人类生命的种种能量都涵盖在内。而且更为重要的是我们可以通过自己的感官获取信息，并能依据对信息的判断去行动。

这样的陈述更多的是关于人与环境之间的关系，就这一点物理学家们已经对其足够熟悉。而信息在这方面的作用则是以天才的表示——“麦克斯韦妖”来呈现出来。

麦克斯韦妖是在物理学当中假想的，可以探测并且能控制单个分子运动的“类人妖”或者与之功能相同的机制。它在1871年被英国物理学家麦克斯韦提出，目的是为了推论违反热力学第二定律的可能性，又被称为“麦克斯韦精灵”。现在我们就来对其猜想进行具体描述。

一个绝热容器被等分为两格，里面装的都是气体，而且各部分的温度相同。这些气体中一定有一些分子运动的速度快于其他分子。我们假设这个容器当中存在一个小门，当气体经过它后就会进入到一个导管A中，而这个导管则可以开动一部热机。同时，热机上的排气装置则会和另一个导管B相连，导管B可以经过容器的另一个小门，让经过它的气体回到容器当中。

每一个小门口都有一个小妖，小妖具有鉴别气体分子的能力，它们会根据气体分子的速度去开关门。第一个门口的小妖只会给速度快的分子开门，如果经过它的是容器内的低速分子，它就会把门关上；第二个门口的小妖恰好相反，它只会给速度慢的分子开门，如果遇到高速分子它就会“闭门谢客”。

两个小妖这样做的结果就是容器一端的温度在升高，另一端的温度则在降低。这样的结果并不违反热力学第一定律，即给定系统的能量守恒；但是它违反了热力学第二定律，这样看起来麦克斯韦妖似乎克服了熵增定律。

麦克斯韦妖这个观念我们可以用一个更为具体的例子来说明。假设地下道有两个旋转门，有一群人从这两道门中走出来，其中有一扇门只让速度快到一定程度的人通行；而另一扇门则只会让速度慢到一定程度的人经过。那么，这个地下道的人群将会变成两股，从第一个门里出来的人都走得很快，而另一个门经过的人则都非常缓慢。

如果我们像脚踏车一样用一根链条将这两个门连接起来，那么走得快的人流和走得慢的人流分别从不同的方向去转动脚踏车，前者的力量就会大于后者。于是，从这种人群的偶然走动过程中，我们就能够得到一个有用的能源。

速度不同的人流因差异而出现的能源让整个过程看起来非常有趣，而且这种差异也是世界先驱和我们之间在物理学上的差异。在19世纪物理学家们心中，取得信息不需要付出任何代价；但是在麦克斯韦的理论里，供应能源的问题并不会发生在任何一个妖身上。

发展到今天，现代物理学已经证实麦克斯韦妖取得信息的方式只能通过某种类似感官的东西，只有借此受迫之后它们才能做出开门或关门的举动。基于这样的解释我们可以将这种感官看作眼睛，而刺激妖眼睛的光，实际上同样是具备机械运动的各种特有属性的。它绝对不能够是一些不带能量、仅仅附加于机械运动的东西。还没有一种仪器能接收到光，除非光先碰到它；通用光也不能指示任何一个粒子的位置，除非它当中去了粒子。

这样的情况有力地说明了，麦克斯韦妖容器当中存在的只有气体，即使从纯粹力学角度来看也是如此。容器中除了气体之外还含有光，而且二者是处于一种不确定状态——平衡或者不平衡。

如果容器内的光与气体是一种平衡状态，那么我们就可以通过现代物理学说推论出麦克斯韦妖实际是瞎子，它们根本无法看到容器内的光。这样一来，对于气体粒子的动量和位置，光就不会起到任何的指示作用。因此这种假设是不成立的，而麦克斯韦妖也只能在一种不平衡的状态下工作。

但这样还是存在一些问题。在光和气体不平衡状态的系统当中也会出现一种趋势，即光和气体粒子之间必然存在守恒的碰撞，这种碰撞的结果就是最终致使二者达到平衡。所以也就证明了即使麦克斯韦妖可以将熵的演变方向暂时颠倒，但是最终这些妖们还是会精疲力竭。

另外一种情况就是光从系统之外进来，这时它的温度只有同容器内粒子的力学温度存在差异，麦克斯韦妖才能持续地工作。而这种情况似乎是我们最熟悉和常见的，因为我们的周围时时刻刻都在反射着太阳光，并且地球上的太阳光和力学系统一直处于不平衡状态。严格来讲我们所遇到的粒子，其温度一直恒定在一个范围之内，是50～60华氏度，而太阳光刚刚离开太阳的时候则能达到几千度。

在这种非平衡状态系统当中，它的整体或者局部中熵增定律没有作用，这里熵不会增加，反而会局部地减少。但事实上存在于我们周边世界的这种不平衡状态只是暂时的，它是衰退过程中的一个阶段而已，最终这个阶段的不平衡状态也会趋于平衡。

就像我们每一个活着的人都无法避免死亡的结局，我们周围的整个世界也是如此，都将走向毁灭。到了那个时候宇宙就会再度回归到温度平衡状态，任何新鲜事物也将不再出现。那时一切都将回归单一，除此之外别无他物。而即使有也不过是微小的局部不平衡而已，并且很快就会被淹没。

只是我们不会成为所谓世界毁灭的目击者，事实上如果世界真的会经历这样的阶段也不可能会有人看到。因此这个同我们息息相关的世界里存在着一个或一些阶段，这些阶段在历史的长流中只是一个微小渺茫的节点，但是对人类及一切生灵来讲都存在着重要意义。其中关键原因就在于这些阶段当中，熵不会增加，而信息却在不断地增进。

并且这里我所讲的信息增进问题，不仅仅出现于生命体所存在的组织，在机器当中也会暂时或者局部地出现信息增进的状况，虽然和人类相比它们是如此粗糙、不完善的。

2.反熵：机器到底是死的还是活的？

对严谨的科学思考而言，像生命、目的、灵魂这些语义和字眼都不适合使用。确切来说这类字眼更趋向于人类对于一种现象所存在的共同认知，以及从这种认知当中而延伸出来的内涵和意义。而科学思考则是对于某种现象所能提供的、能够证明其共性的理论事实依据。

如果一种新的现象被人们发现，而且这种现象同已经被我们命名的“生命现象”具有一定的相似性，又或者在某种程度上它们具有共同点，而它又与我们所定义的“生命”没有任何相关的时候，我们就会面临一个选择问题：我们是将“生命”一词的内涵与外延扩大，从而让它的含义能够将这种新现象包容进去，还是用更加严谨的方法去定义“生命现象”，从而让新发现的现象完全排除在外呢？

过去，科学家在病毒研究过程中就曾遇到这样的问题，如今我们在机器和人的生命机体之前又遇到了类似困惑，而从我的角度来看，这一争议归根结底是语义学问题，即机器既然与人的生命机体存在共同之处，那么它到底是死的还是活的？

如果我们将一切局部地违反了熵增定律的现象都用“生命”一词去概括，那么我们的这种行为方式就难免过于随意了。这样做了之后，那些在天文学上，同我们所定义的生命哪怕只有极其微小的相似的现象，也会被囊括在内。所以，在我看来，像生命、灵魂、目的、生命现象这些词只是一种代号，而且它们自身也还有待于去证明。如果谈到机器，我们可以将问题简单化，只要指出在总熵增加的大趋势之下，存在一个局部区域出现暂时的减熵现象。而在这个点上，机器同人具有一定的相似性。

当然，我将人的生命体同机器进行这样的比较，并不是说那些特别的、与我们生命相关的精神或者物理化学特殊现象，同生命模拟机的过程完全等同。前文所说的一切，主要目的是为了说明它们二者都能够成为反熵过程的证明。除了这二者之外，反熵过程还能从其他许多途径找到例证，虽然我们目前还无法为这些途径进行准确的划分归类。

在急速发展的自动化领域中，我们目前还不能对生命模拟自动机做出一个共同的陈述。但虽然如此我还是可以确定地指出这些机器存在着许多实际共同特点，其中一个就是它们都能执行一项或者若干项特定的任务，而且它们都具备像人类四肢一样的效应感官。

另一个特点是它们都具有感官机器，并能通过感官机器与外界进行交往，例如最简单的温度计和光电管。这些设备不仅是有信息传递功能，同时还拥有记录的作用，它们可以报告自身当前所处的外在环境，而且也能促使机器将自己执行任务的情况记录下来。在前文中我们已经解释过，后一种情况就是为人熟知的反馈。

反馈，可以借助过去的演绩来调节未来行为的可能性。它既可以非常简单也能够无比复杂。在比较高级的反馈机制下，记录过去的信息不仅能够对机器的特定动作进行调节，而且还可以对其行为的整体策略进行调整。这样一种反馈可以是双重的，从一个方面来看它是条件反射，而从另外一方面去看就会变成学习。

这样一切形式的行为，特别是对于那些比较复杂的行为模式，我们就有必要给这一类机器设置一个中枢决策器官。这个器官在机器运转过程中能够起到决策作用，它会根据反馈的信息来帮助机器决定下一步动作。而这个中枢决策器官中的存储功能就是通过对生命体记忆能力的模拟而设计出来的。

制造一部能够避光或者趋光的简单机器实际上并没有多大困难。而如果想要这部机器自带光源的话，那么众多这类机器结合在一起就可能会出现复杂的社会行为。当前，这种复杂的形式只能用来探索机器自身，除了作为科学上的实验外它还没有实际用处。但是它们存在巨大的潜力，在未来随着科学的进步这些潜在宝藏必然会被全部挖掘利用。

依已有范例为蓝本而行动，是神经系统和自动机的相同部分，它们都是这样的装置。即使最简单的机械装置也会面临二选一的简单选择，例如电动门的开或者关。这一点在神经系统中也能被体现出来：神经系统中的一些个别神经纤维，它们一直在传递和不传递的选择中去做决定。

无论是机器还是神经系统，在它们二者之间都存在着专门的仪器，这种专门仪器能够依据历史设定对接下来的行动作出决定。在神经系统当中，这一部分工作大多是由一种叫作“突触”的装置来完成的。更为具体地说，突触是内容极为复杂、具有许多传入神经纤维和一个传出神经纤维连接而成的关键介质。在很多情况下，人们会将这一工作的判定依据称为突触活动阈值。简单来说，突触部分的工作就是用几根传入纤维去激发传出纤维，进而完成任务的过程。

以上所说的突触概念，就是生命体和机器之间存在的类似部分。神经系统中的突触就相当于机器中控制电门的装置。机器就像生命体一样，从本质上讲它们都是一种装置，而且都是局部且暂时地去抗拒熵增的总趋势。正是因为机器具备了决策能力，它们才能够在一个总体趋势衰退的世界中，创造出一个区别于整体趋势的局部组织区域。