【生物學(xué)】涌現(xiàn)理論之無生命的物理系統(tǒng)

中國健康管理 2022-06-27 發(fā)布于浙江

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這是生物庫公眾號-生物學(xué)話題的第5篇原創(chuàng)文章

涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以被區(qū)分為的三種形式。一級涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)是空間相互作用的結(jié)果，例如，水分子中的氫鍵導(dǎo)致表面張力。二級涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)涉及隨時間變化的空間的相互作用，例如，當(dāng)雪花落到地面時，大氣環(huán)境的變化，會影響雪花的形態(tài)。三級涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)是空間、時間和可繼承指令的結(jié)果。例如，有機(jī)體的遺傳密碼影響著有機(jī)體系統(tǒng)在空間和時間上的形式。

自然界中的涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)

由風(fēng)或水形成的沙丘的波紋模式是自然界涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一個例子

北愛爾蘭的巨人堤道是復(fù)雜涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一個例子

涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以在從物理到生物的許多自然現(xiàn)象中找到。例如，氣象（比如颶風(fēng)）的形狀就是涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)。在有利的自然的環(huán)境中，由水分子的隨機(jī)運(yùn)動驅(qū)動復(fù)雜有序晶體的發(fā)展和生長，是涌現(xiàn)過程的另一個例子，在這種涌現(xiàn)過程中，隨機(jī)性可以產(chǎn)生復(fù)雜而具吸引力的有序結(jié)構(gòu)。

在玻璃上形成的水的晶體是一個涌現(xiàn)現(xiàn)象，這是一個在適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件下發(fā)生的分形過程。不過，晶體結(jié)構(gòu)和颶風(fēng)都有一個自組織的階段。

涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以被區(qū)分為的三種形式。一級涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)是空間相互作用的結(jié)果，例如，水分子中的氫鍵導(dǎo)致表面張力。二級涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)涉及隨時間變化的空間的相互作用，例如，當(dāng)雪花落到地面時，大氣環(huán)境的變化，會影響雪花的形態(tài)。三級涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)是空間、時間和可繼承指令的結(jié)果。例如，有機(jī)體的遺傳密碼影響著有機(jī)體系統(tǒng)在空間和時間上的形式。

無生命的物理系統(tǒng)

在物理學(xué)中，涌現(xiàn)被用來描述在宏觀尺度（空間或時間）上的性質(zhì)、規(guī)律或現(xiàn)象，盡管一個宏觀系統(tǒng)可以被看作是一個非常龐大的微觀系統(tǒng)的集合。

涌現(xiàn)屬性不必比生成它的底層非涌現(xiàn)屬性更復(fù)雜。例如，熱力學(xué)定律是非常簡單的，即使粒子之間相互作用的法則是復(fù)雜的。因此，物理學(xué)中的涌現(xiàn)一詞不是用來表示復(fù)雜性，而是用來區(qū)分哪些定律和概念適用于宏觀尺度，哪些定律和概念適用于微觀尺度。

還有另一種關(guān)于涌現(xiàn)的設(shè)想，它也許更廣泛適用，但這種方法涉及到一定程度的復(fù)雜性：從微觀到宏觀上的計(jì)算可行性可以告訴我們涌現(xiàn)的“強(qiáng)度”。如果考慮到以下來自物理學(xué)的涌現(xiàn)的定義，可以更好地理解：物理系統(tǒng)的涌現(xiàn)行為是一種定性性質(zhì)，只有在微觀成分的數(shù)量趨于無窮大的情況下才能發(fā)生。

因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界中不存在無限的系統(tǒng)，所以一個系統(tǒng)的組成部分的屬性和涌現(xiàn)的整體的屬性之間，并不存在自然產(chǎn)生的明顯的區(qū)分。正如下面所討論的，經(jīng)典力學(xué)被認(rèn)為是從量子力學(xué)中涌現(xiàn)出來的，盡管在原則上，量子力學(xué)完全描述了在經(jīng)典水平上發(fā)生的一切。然而，需要一臺比宇宙更大的計(jì)算機(jī)，計(jì)算比宇宙的生命時間更長的時間，才能根據(jù)電子的位置來描述一個下落的蘋果的運(yùn)動，因此我們可以把這看作一個“強(qiáng)”涌現(xiàn)在宏觀和微觀世界的區(qū)分。

一些例子包括:

經(jīng)典力學(xué) ：可以說經(jīng)典力學(xué)的定律是從量子力學(xué)定律中涌現(xiàn)的，適用于足夠大物質(zhì)。這一點(diǎn)特別奇怪，因?yàn)槿藗兺ǔＵJ(rèn)為量子力學(xué)比經(jīng)典力學(xué)更復(fù)雜。

摩擦力：基本粒子之間的力是保守力。然而，當(dāng)考慮到物質(zhì)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時，摩擦就涌現(xiàn)了。物質(zhì)表面相互摩擦?xí)r，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。類似的涌現(xiàn)現(xiàn)象也適用于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的概念，如粘度、彈性、抗拉強(qiáng)度等。

花樣表面 Patterned Ground：花樣表面是在冰緣地區(qū)由地面材料形成的明顯的，通常是對稱的幾何圖形。

統(tǒng)計(jì)力學(xué)最初是用一個足夠大的統(tǒng)計(jì)學(xué)集合概念推導(dǎo)出來的，其中概率分布的各種波動可以忽略不計(jì)。然而，小的團(tuán)簇并不會表現(xiàn)出明顯的一級相變，例如熔化，而且在邊界上不可能完全將團(tuán)簇歸類為液體或固體，因?yàn)檫@些概念（再沒有額外的定義的情況下）只適用于宏觀系統(tǒng)。使用統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法描述一個系統(tǒng)要比使用低層次的原子論方法簡單得多。

電氣網(wǎng)絡(luò)：具有隨機(jī)排列的二元電網(wǎng)的體傳導(dǎo)響應(yīng) bulk conductive response of binary （RC），稱為通用介電響應(yīng) Universal Dielectric Response （UDR），可以看作是這種物理系統(tǒng)的涌現(xiàn)特性。這樣的排列可以被用作簡單的物理原型系統(tǒng)，用于推導(dǎo)復(fù)雜系統(tǒng)涌現(xiàn)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)公式。

溫度有時被用來作為一個涌現(xiàn)的宏觀行為的例子。在經(jīng)典動力學(xué)中，測量到處于平衡狀態(tài)的大量粒子的瞬時動量就可以求出每個自由度的平均動能，而平均動能與溫度成正比。對于少數(shù)粒子，在給定時間的瞬時動量不足以計(jì)算出系統(tǒng)的溫度。然而，使用遍歷假設(shè) Ergodic Hypothesis，任意精度的溫度仍然可以通過在足夠長的時間內(nèi)對這少量例子動量的平均而得到。

液體或氣體中的對流 Convection是另一個涌現(xiàn)宏觀行為的例子，只有在考慮溫差時才有意義。對流單體 Convection Cells，特別是 Bénard 單體，是一個自組織系統(tǒng)（更具體地說，是一個耗散系統(tǒng) Dissipative System的例子），其結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)的約束和隨機(jī)擾動共同決定：細(xì)胞的形狀和大小可能取決于溫度梯度以及流體的性質(zhì)和容器的形狀，但實(shí)際上實(shí)現(xiàn)的配置是由于隨機(jī)擾動（因此這些系統(tǒng)呈現(xiàn)一種對稱破缺 Symmetry Breaking形式）。

在一些粒子物理學(xué)理論中，甚至是質(zhì)量、空間和時間這樣的基本結(jié)構(gòu)都被視為來自于更基本的概念（比如希格斯玻色子 Higgs Boson或者弦 Strings）的涌現(xiàn)現(xiàn)象。在某些量子力學(xué)詮釋中，對所有物體都具有確定的位置、動量等等的確定性感知，實(shí)際上是一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，因?yàn)槲镔|(zhì)的真實(shí)狀態(tài)是被波函數(shù)所描述的，而這這些波函數(shù)不需要單一位置或動量的。

我們今天所經(jīng)歷的大多數(shù)物理定律，似乎都是在時間的推移中出現(xiàn)的，這使得涌現(xiàn)成為宇宙中最基本的定律，同時出現(xiàn)了一個問題：什么可能是物理學(xué)中最基本的定律，而其他所有定律都是從這個定律中涌現(xiàn)而來的？化學(xué)可以被看作是物理定律的一種涌現(xiàn)。生物學(xué)（包括生物進(jìn)化）可以看作是化學(xué)定律的涌現(xiàn)。同樣，心理學(xué)也可以被理解為神經(jīng)生物學(xué)定律的一種涌現(xiàn)。最后，經(jīng)濟(jì)學(xué)中的自由市場理論是心理學(xué)的一個涌現(xiàn)。

Laughlin（2005）認(rèn)為，對于許多粒子系統(tǒng)來說，從微觀方程中無法精確地計(jì)算出任何東西，宏觀系統(tǒng)是通過破缺的對稱性來刻畫: 由于相變的存在，微觀方程中存在的對稱性無法在宏觀系統(tǒng)中存在。因此，這些宏觀系統(tǒng)需要用它們自己的術(shù)語來描述，并且具有許多不依賴微觀細(xì)節(jié)的性質(zhì)。這并不意味著宏觀性質(zhì)和微觀的相互作用無關(guān)，只是你不再看到它們了，你只看到它們的重整化效應(yīng) Renormalized Effect。Laughlin是一個務(wù)實(shí)的理論物理學(xué)家：如果你不能從微觀尺度的方程中計(jì)算出對稱性破缺的宏觀性質(zhì)，那么談?wù)撨€原性 Reducibility還有什么意義？

一個由白蟻聚居地制造的白蟻“大教堂”建筑高地為我們提供了一個涌現(xiàn)的經(jīng)典例子

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