秩序从哪里来？.pptx

1、秩序从哪里来？进化论与热力学,张江 北京师范大学系统科学系 集智俱乐部,关于我,生物学,计算机、人工智能,物理学,系统科学,Outline,秩序从哪里来？ 进化论 热力学 关于流动的热力学,Outline,秩序从哪里来？ 进化论 热力学 关于流动的热力学,史前一万年,Questions,秩序的产生,复杂性的增加,生物进化,财富增长,文明进步,Outline,秩序从哪里来？ 进化论 热力学 关于流动的热力学,Charles Darwin,“进化论”的故事,DNA和遗传学,Mondel的豌豆实验 Watson, Crick发现DNA分子结构 遗传学为进化论奠定了微观的基础 基因变异、交叉 自然选择

2、,达尔文谜米的蔓延,自私的基因 谜米(Meme)人类文化传播中的基因,计算机中的进化,遭受质疑,寒武纪生物物种大爆炸 渐变 突变 复杂生物机制,遭受质疑,进化的跃迁 内共生理论 盖雅假说 生命的起源 前达尔文进化,智能设计Intelligent Design,自组织与复杂系统,Kauffman的纽扣模型,Outline,秩序从哪里来？ 进化论 热力学 关于流动的热力学,工业革命与热力学,热力学第一定律： 能量守恒 热力学第二定律 熵定律,热力学第二定律,除了欣欣向荣、生生不息的进化，自然世界还存在着另一种时间之箭 人的衰老和死亡 香水会扩散到空气中 破镜不能重圆 屋子会堆满尘土 所有这些衰退现

3、象都可以涵盖到热力学第二定律之中,牛顿世界 V.S. 热力学世界,热力学第二定律能从牛顿力学中推出来吗？,玻尔兹曼思考时间的人,被达尔文打动，在物理学中引入时间之箭 试图架起牛顿力学和热力学之间的桥梁 时间之箭仍然是一个谜,从撞球模型开始,撞球的模拟实验,我们发现： 无论从什么时候开始，小球都倾向于充满整个容器 这是一个热力学第二定律的原型,微观态系统的完全描述,从微观状态看，我们无法看出区别,引入宏观态不完全描述,由于我们对系统的观察能力有限，不能看到微观的格子，而只能看到宏观的格子（左、右两个大格子）,3,3,4,2,6,0,宏观态,宏观态之间的确存在区别,站在宏观看世界,3,3,4,2,

4、6,0,忽略信息,观察者不能追踪所有的粒子 观察者只有能力看到宏观态 宏观态相当于对微观信息的压缩 观察导致了信息损失,信息忽略,一个宏观态可以被多重实现,6,0,W=C(6,6)706 =706个,5,1,W=C(6,5)706 =8*706个,3,3,W=C(6,3)706 =20*706个,熵,S=k ln W,什么是熵？,无序？ 混乱？,由于观察引起的信息损失！ 观察者对系统的无知程度！,现实中忽略信息的例子,现实景观地图 人的系统男、女的分类 经济系统GDP,只有忽略信息，我们才能得到意义,时间箭头如何出现？,微观状态,宏观状态,最可能（熵最大）状态,热力学中蕴藏的自然选择,把不同的

5、宏观态看作不同的竞争物种 一个宏观态的熵相当于该物种的适应度函数 熵最大的宏观态是自然选择而出的,经典热力学的局限,经典热力学、统计力学揭示的是衰退和死亡的时间之箭。 宇宙将走向热寂？ 只适用于平衡的封闭系统,Outline,秩序从哪里来？ 进化论 热力学 关于流动的热力学,生命之流,What is Life?,流动与秩序,贝纳得花纹,Prigogine,一个思考流动与时间的人,静态结构与耗散结构,生命是一种耗散结构,生命就是一种流动 每一时刻都需要新陈代谢 流入能量、物质、信息 流出能量、物质、信息 没有排泄就不是新陈代谢 多细胞生物又是由很多小的新陈代谢单元构成,最大流现象,流动速度最大的

6、路径是时间最短的那条,最大流现象,高度,熵的作用,现实系统不存在高度和势能 如何推广水流的隐喻？ 可以把现实系统任意一个状态的熵看作是一种广义的势,系综和水流,熵,1000,10,13,11,S=ln (W(6,0)=ln 706,S=ln (W(5,1)=ln (C(6,5)*706),S=ln (W(3,3)=ln (C(3,3)*706),水流与撞球类比,水流系统 位置 水分子 一个粒子的路径 流量 高度 高度最小 最短的路径,撞球系统 系统的宏观状态 一次试验 一次试验经历的所有宏观状态路径 重复次数 熵 熵最大 熵变化最快的路径,最大熵产生原理(MEPP),熵原理仅仅告诉我们系统将朝

7、向何方演化 最大熵产生原理告诉我们系统怎样演化（演化的路径）,熵产生最快的路径 最可能路径,一般的路径,重复撞球试验,重复做撞球试验1000次 每次的演化路径都不同 记录下熵值的变化,试验结果,熵,时间,MEPP与自然选择,最大熵产生路径会被自然选择（流量最大） 生物体就是一堆获取能量、消耗能量的路径过程 消耗能量就会产生熵 假设有两个物种A,B 它们共同消耗同一种资源r 如果A会比B更快的消耗r 那么A就会比B获得更多的资源 A会被自然选择而出,蚂蚁觅食实例,最快的路径会被自然选出,MEPP与秩序,文献中的证据,Paltridge GW (1975) Global dynamics and

8、climate - a system of minimum entropy exchange. Q J Roy Meteorol Soc101: 475484 Dewar RC, Juretic D, Zupanovic P (2006) The functional design of the rotary enzyme ATP synthase is consistent with maximum entropy production. Chem Phys Lett 430: 177182. Bejan A, Marden JH (2006) Unifying constructal th

9、eory for scale effects in running, swimming and flying. J Exp Biol 209: 238248.,如何证明MEPP？,最大熵的证明：观察者忽略了信息 R.C. Dewar试图采用类似的思路证明MEPP 观察者忽略信息导致MEPP 在非平衡系统中，忽略的是关于演化路径的信息 最大化路径的信息熵MEPP Dewar的证明并没有完全成功,Dewar的思想,3,3,忽略信息 空间压缩,1秒钟观察一次,2秒钟观察一次,忽略信息 时间压缩,3,2,热力学对进化论的贡献,进化论始终没有回答选择的问题 熵产生就是适应度函数 热力学、统计物理的底层完

10、全是随机的 熵和熵产生来源于宏观层面的信息忽略,统计物理的新革命,当系统复杂到一定程度的时候 观察者无法分辨宏观现象是如何产生的 最好的办法就是忽略微观信息，用随机过程来替代 复杂系统是一堆随机过程： S. Hubell的生态中性理论(2001) H. Stanley的经济物理(Econonphysics)(2000),秩序如何产生？,秩序与混沌的区分是由观察者做出的,参考文献,Hoelzer GA, Smith E, Pepper JW (2006) On the logical relationship between natural selection and self-organiza

11、tion. J Evol Biol 19: 17851794. Morowitz H, Smith E (2006) Energy fl ow and the organization of life. Santa Fe Working Paper06-08-029. Available: /research/publications/wpabstract/200608029_. Accessed 26 March 2007. Paltridge GW (1975) Global dynamics and climate - a system of m

12、inimum entropy exchange. Q J Roy Meteorol Soc101: 475484. Lorenz RD., Lunine JI, Withers PG, McKay CP (2001) Titan, Mars and Earth: Entropy production by latitudinal heat transport. Geophys Res Lett28: 415418. Hill A (1990) Entropy production as the selection rule between different growth morphologi

13、es. Nature 348: 426428. Dewar RC (2005) Maximum entropy production and the fluctuation theorem. J Phys A 38: L371381. Dewar RC, Juretic D, Zupanovic P (2006) The functional design of the rotary enzyme ATP synthase is consistent with maximum entropy production. Chem Phys Lett 430: 177182. Bejan A (2000) Shape and structure, from engineering to nature. Cambridge (United Kingdom):Cambridge University Press. 324 p. Bejan A (2005) The constructal law of organization in natur