智能時代的怪獸七：物質的邊界

第7節 物質的邊界

從這一節開始，我們將從系統邊界的角度出發研究各種事物。

宇宙的模型

關於物質，我們主要是從中間的層次來研究，比如說從原子、分子到大分子、生物體，這一些層次是人們所熟悉的。在極小的層次，比如說對輕子、重子、傳播子與弦的研究，則主要是一些推測和爭論，人們很難用實驗去判定它。其實，這還不是最糟糕的，如果認真審視一下人類對極大層次物質的研究，就會發現我們根本不知道物質在整體上是怎麼一回事，或者說：宇宙作為一個整體是人類所無法理解、也不可能理解的。這個說法可從如下兩個方面論證：

首先是類比論證。

人體的胃腸道內寄居著數量驚人的微生物，據說總數量達10萬億之多。這些菌群種類繁多、組織有序，在人類胃腸道內構成了一個巨大而複雜的生態系統，一個人結腸內的細菌就達400種以上，這些菌群種類的分布與比例直接影響著人體的健康。如果我們把人體當作一個大星系或宇宙的整體，那麼這些菌群就相當於人類。細菌的基本任務也是為自己的生存而鬥爭，各種菌群之間為著一小塊食物殘渣的爭奪，相當於人類的國家（以及民族、種族、宗教、意識形態等）之間的對抗與同盟、戰爭與和平。有一句話說：人類一思考，上帝就發笑。那麼，當某一個或某一些細菌為了顯示自己的合法性，宣稱自己代表著整個人體的最高利益並接受了最高利益的委託統治整個胃腸道時，人類是不是也要發笑？雖然，從營養科學來講，人體應該控制有害菌群的數量，而讓有益菌群佔據優勢地位，這樣更健康。但是人體的利益絕不是由這些胃腸道中的菌群來定義的，每個人都會選擇自己的生活方式與飲食偏好（這種選擇權才是人的整體利益所在），人類的生活情形顯然是這些菌群無法認知的，就算人體的胃腸道這個小宇宙的整體環境，這些菌群也是無法理解的。它們不知道你吃的是中餐還是西餐，更不會明白中國八大菜系的不同；它們不知道38元一份的牛扒與3800元一份的牛扒的區別，更不能理解所謂有機食品與轉基因食品的爭論。前面這些說的是正常飲食者的胃腸道，然而世界上還有很多酒鬼、素食主義者、厭食主義者，也許有一團聰明的菌群，它們能夠努力分辨出某人胃腸道的不同階段，比如一個正常飲食者變為一個厭食主義者、一個酒鬼轉變為素食主義者等等。但是，它們決不能明白這一切是為什麼？是誰創造了這個胃腸道宇宙？又是誰在管理著這個宇宙：決定食物的種類與成份、頻率與數量？是否存在多個平行胃腸道宇宙、是否會不斷分裂出無限個宇宙，各個宇宙之間的差距有多大？

其次是基於系統邊界的論證。

物質是由多層次的邊界所組成，邊界之間的關係有三種，一是嵌套的邊界關係，二是並列的邊界關係，三是相交的邊界關係。

人體內部嵌套了多層邊界關係，人與人之間則是並列的邊界關係。人與宇宙也是嵌套關係，人類生活在宇宙大邊界之內，「不識廬山真面目，只緣身在此山中」，作為宇宙中極微小的一部分，我們人類不可能真正理解宇宙，因為我們從未見到宇宙的整體。那麼，誰能真正理解宇宙？只能是另一個宇宙，因為一個宇宙的整體邊界與另一宇宙的整體邊界才能發生全面的相互作用，這是邊界的層次對應問題。當你見到一位難得一見的美女，你想用一台高清相機給她拍照留念，這很合理。但是「美女」只是一個特定物質層次的概念，如果你用電子顯微鏡看美女，則看到的只是滄海桑田般的細胞組織，是人是狗都分不清楚，還談什麼美女。這個例子講的是邊界的嵌套關係。

當然，人們即使不能完全理解宇宙，也可以做出一些猜測，以使自己能夠平心靜氣地生活，避免各種顏色的理論浪潮衝擊、甚至淹沒自己。我給大家推薦的是「簡單電路模型」，以及它的升級版：「複雜計算網路模型」。如果你不喜歡深入研究事物之間的關係，那麼可以採用簡單的電路模型；如果你喜歡鑽研各種問題，那麼複雜的計算網路模型就很合適，因為它能將各種科學與哲學問題綜合在一起。

邊界的哲學問題

1、均勻與有序的關係

均勻是比有序更基本的概念，從不均勻的概念產生邊界，有邊界的存在才能分辨彼此，直到能分出不同種類的事物、以及同類事物的不同個體，然後我們才能對這些事物進行排序。均勻與不均勻是具體事物存在的前提，是世間萬物分化的起點。

中國的老子認為：天下萬物生於有，有生於無。有和無可以與能量分布的均勻與不均勻狀態對應，有對應A分布，無對應B分布。B分布的信息量為零，是無法討論的；而A分布的信息量為無窮大的倒數，雖然很微小，但只要B分布施加一點點影響，在均勻分布的能量之間可迅速分化出無數的邊界，從而形成萬物。

中國哲學思想的代名詞是「道」，來源於老子的述說：有物混成，先天地生。寂兮寥兮，獨立不改，周行而不殆，可以為天下母。吾不知其名，強字之曰道。這句話告訴我們：道是先於萬物的存在，有物混成可以理解為能量均勻分布的狀態。但道不是僅指A分布，「寂兮寥兮，獨立不改」指的是A、B兩個端點的獨立性與穩定性，而非指A分布的靜態性。道是一個動態循環的過程，A、B之間的相互作用而形成的周期性能量振蕩才是萬物產生的原因，也是時間產生的原因。道是事物的起點，它產生了邊界，從而使萬物有了存在的可能性。但道並不規定和控制萬物，邊界的運算存在很大的不確定性，最終生存下來的是符合自然規律的事物。

老子還說：道生一、一生二、二生三、三生萬物。這主要是講事物的發展，邊界的層次和運算的維度都是逐漸增加，從而形成序列，自然形成的有序狀態，就是「德」。把均勻與不均勻之道和有序之德合起來，就是老子所推崇的「道德」。儒家把自然形成的有序狀態通過人為的方式進行形式化與制度化，最後形成了「禮」。在老子看來，禮是細枝末節，是危險的教條，是違反自然之道的。他說：故失道而後德，失德而後仁，失仁而後義，失義而後禮，夫禮者忠信之薄而亂之首。儒家創始人孔子曾向老子學習周禮，自覺獲益匪淺，之後時常記起老子所傳授的自然之道。但是後世的儒者把孔子樹立為聖人，把儒家禮樂教條化，違背自然之道，使它逐漸失去了生命力。

2、數學與邊界的關係

作為整個現代數學的基礎，集合論中的概念和語言與系統邊界理論有很多類似之處，實際上我們可以把邊界理論作為集合論的超集，因為從邊界（實圈）的嵌套、並列、相交的關係，可以推導出集合論中的各種關係。同時，邊界還有其他3種形態：虛線、虛圈、實線，這幾種形態的加入，使得邊界運算變得更複雜，從而具有不確定性。不確定性的來源是邊界的不穩定，因為不存在絕對穩定的邊界，所以集合中的元素本身是什麼，這並不確定（比如說，由於原子核的衰變，一種元素可以變為另一種元素；受環境影響很多魚類可以改變自己的性別）。當然，以人類的觀點看來，確定性是主要的，因為人們樂於接受它，而對於不確定性，人們有一種天然的抗拒與懼怕。後來，數學家們發明了概率論來描述與計算不確定性，這是一個很大的進步。

集合論與概率論可以看作邊界理論的確定性與不確定性的二個方面，但基於邊界的數學理論尚未得到真正的研究。希望有數學家對此產生興趣，進行深入的分析，以測試作者的觀點。

3、本體論與認識論的關係

關於本體論的哲學討論似乎早就過時了，但是關於認識論的研究現在仍然流行著，尤其是計算機與人工智慧技術發展迅猛的今天，人們像懷春的少女，心中既期待了解人工智慧的真相，又有一些害怕。媒體的報道中經常出現一些不知所謂的新奇名詞和一些似是而非的智能事件，但卻總能吸引人們去關注。實際上，這些內容對於滿足人們的期待、消除人們的恐懼沒有多大效果，只是在渲染一種氣氛，讓「人工智慧」成為一個越來越熱的新聞關鍵詞。

系統邊界理論將萬物的存在歸結為能量的邊界，而邊界這個名詞早已有之、平淡無奇，那麼它有沒有自己的特色呢？邊界的特色是：一切都是邊界，事物的存在是基於邊界，事物的認識或理解也是基於邊界，邊界理論將本體論與認識論合而為一。

I：不存在沒有邊界的事物，邊界是事物存在的唯一方式。

II：任何反饋都發生在邊界，邊界是實現反饋的唯一途徑。

III：任何認知都基於反饋，反饋是認知事物的唯一方法。

IV：人類受上述三條制約，所以非邊界理論對人類沒有意義。

數學、物理學、化學、生理學等科學，還有航空航天工程、地質工程、海洋工程等工程技術，都是將邊界定義得十分清楚的理論，所以這些理論對人類是很有意義的。如果邊界定義模糊，那就是還不成熟的理論，比如經濟學、中醫藥學。如果某理論完全無視邊界，那它就是為「忽悠」而存在的理論，沒有什麼意義。

原子與電子

從人類的視角來看，化學元素（原子=原子核+電子）是實實在在的基本物質。再往下分，就是可怕的原子核裂變、核聚變，這是人類難以掌控的一個邊界層次。目前人類的核電站都是採用核裂變方式，原料開採與提煉成本高、安全風險又大，並不是理想的能源。為了研究組成原子核的基本粒子，人類建立了多個高能物理研究中心和大型強子對撞機（LHC），最大、最昂貴的是歐洲核子研究中心CERN的那一套設備，位於瑞士和法國邊境的地下百米的隧道里，總長度達27公里，以便對質子進行足夠的加速產生更好的對撞效果，同時消耗的電能是12萬千瓦每小時。即便如此，他們也沒有把基本粒子的情況搞清楚，現在很多科學家都在遊說中國政府，希望中國建造更大、更先進的強子對撞機，以便繼續此項研究。

這一切都是因為原子核的邊界太過穩定，破壞這種穩定所需的能量之大超乎人們的想像。人類發明元素周期表已經將近150年了，各種化學物質的合成與分解技術都已經掌握，前提是要先提供相應的化學元素（原子），化學家不負責自己製備原子，更不能自己設計新的原子。人們只能尋找元素周期表中已有的或空缺的原子，並利用它製造出某種新的化學物質，所以我們不可能從不包含金原子的化合物質中提煉出黃金，這裡涉及到的是原子與分子的不同邊界。牛頓和萊布尼茨正因為忽視了這個邊界，而搞起了神秘的鍊金術，鍊金術就是一種「忽悠」理論。所有的鐵礦、銅礦、金礦、稀有金屬、煤炭、石油等礦藏至今仍是寶貴的財富，直到有一天，人類掌握了控制核聚變的方法並以海水為原料來獲得空前豐富的能量，我們才有可能自己製造所需的原子。到時候，鈦合金跟塑料一樣廉價，用黃金砌牆鋪路也未嘗不可，而現在作為重要戰略物資的石油，到時就沒有開採和使用的價值了。這是人類能力邊界的重大改變，必定導致所有財貨的重新估值。但我有點擔心，人類的慾望如果無止境的發展下去，地球上這點海水是否夠用？

原子的邊界——電子也是很穩定的，維持這個邊界的是電磁力，電磁力雖然比不上核力，但也十分強大。人類日常接觸到的所有事物幾乎都是由電子定義的邊界：物質的全部化學性質，物體的形狀、顏色和硬度等等。在這裡，大家千萬不要忘了邊界的計算本質，邊界是信息輸入與輸出的反饋界面，電子負責接收和反饋信息，計算是由原子核與電子的相互作用完成的，即每個原子都是一個獨立的計算系統或計算單元。你也可以把原子想像為一個台計算機，計算機之間通過光子快速傳送信息，從而形成一個從原子到星系團的巨大的物質計算網路，這個計算網路可標記為CN^2，因為它是基於更基礎的、由量子與弦組成的計算網路（CN^1）而建立的。CN^2中的計算單元（即原子）的種類目前發現的有118種，這比CN1中的計算單元種類（2種弦或4種邊界）多了很多倍，再想想4的排列組合與118的排列組合相差了多少個數量級？所以，相對於CN2^的豐富多彩，CN^1的世界實在是太單調了。

比普通物質網路更高級的當然就是生物和人的網路，生物體本身也是物質，屬於CN^2網路。但高等生物（指有神經系統的動物）產生了複雜的神經系統，這是一種更高級的神經計算單元，神經計算單元之間廣泛的通信連接，形成了複雜的神經計算網路，這個計算網路可標記為CN^3。地球上已知的動物種類有100多萬種，而且動物之間的溝通方式是多種多樣的，這使得CN^3網路顯得更為生動活潑、奇妙無窮。各動物之間可通過多種途徑傳送信息：光子流傳達著動物的外形與姿態，而電子團顯然更重要，這些電子團是封裝好的信息對象，比如氣味、聲音、身體接觸、打鬥動作等。從軟體開發的角度來看，要開發出較複雜的程序必須引入過程調用，即把常用過程先定義好放在一邊，需要用這個過程的時候只要呼喚這個過程的名字就可以了。更複雜的程序就要用到對象封裝技術，即面向對象編程（OOP）。又龐大又複雜的程序則要再進一步，把程序進行邏輯分層，每個團隊只負責中間的某一層的開發，各層之間通過介面技術實現連接。也就是說，人類與大自然解決複雜問題的方法是相同的：將單一的複雜邊界分為多層簡單相關的邊界，任何邊界只用關心與它相鄰的上下兩層邊界（這應該成為邊界計算的重要定理之一）就行了，這是解決任何複雜問題的主車道。另外還有一條輔道叫「靈感與直覺」，它是一條艱難崎嶇的小路，只有極少數的人才能成功通過，實現「抄近路」。

談到網路，我們自然就想起了人類的計算機網路，國際互聯網（Internet）是不是一種比CN^3更高級的計算網路呢？回答是：對，但人類目前的計算機網路還在進化之中，算不上 CN^4網路，充其量是CN^3.5網路。生物與人類網路的具體細節在本節中就不探討了，我們回到原子和分子等細小物質上來。

化學與魔術

化學物質是同類原子結成的團體，或不同類原子結成的化合體（即分子）。單個的原子只是一個計算單元，而化學物質必須是多個計算單元組成的計算網路（CN^2），化學物質的邊界仍然是電子，但這些電子團已經分化出多層邊界。

化學物質的計算層次及相關研究，粗略來分有：無機化學、有機化學、高分子化學、生物化學等，詳細的與應用相關的分類那就太多了。毫無疑問，化學是重要的基礎科學，而化學工業則是整個現代工業的基礎，與人類生產、生活的各個方面都息息相關。然而，在近現代化學創立之前，人們對物質的認識是含混不清的，因為沒有理清其邊界所在，人們偶然獲得的一些化學小知識（當然也包括其他的知識，比如光學、磁力等），無法貫通為一個體系，只能以巫術或魔術的形式出現。

魔術表演的內涵就是展示一種隨意突破各種邊界的假象。一個硬幣或一隻鴿子在魔術師手裡瞬間出現又或者瞬間消失，這靠的是魔術師的嫻熟手法；而憑空冒煙、清水變色、噴涌的泡沫等小魔術顯然是一些簡單的化學實驗，魔術師的才智是把多種科學知識綜合在一起，再加上巧妙的編排，最後成為出色的魔術表演。現代的魔術作為一種娛樂活動而存在，只有兒童會信以為真。可是另一種關於思想或邏輯的理論魔術，即使是對成年人都具有較大的欺騙性，這就是偽科學和邪教理論。這種理論隨意踐踏各種事物的邊界，把人類數百、數千年的科學實踐一筆勾銷，更不把觀察、思考、測試、模擬、控制的理論研究過程當一回事。這種理論總是假定有一個超能力的存在，而所謂超能力的定義就是隨意突破各種邊界的能力。這個超能力，你無法觀察，也無法做推理和驗證，更不允許你模擬與控制它，原因是人類很渺小，只能接受超能力的控制，而不要妄想控制超能力——這種說法看似也有一點道理，但關鍵的疑問在於：超能力為何要挑選你做它的代言人？僅僅因為你的生日與某位大神的生日相同？

好了，現在想想你大腸裡面的情況（假設超能力還未讓你有捨棄你的消化系統而生存的能力），對於其中數以萬億計的大腸桿菌你就是上帝。請問你準備挑選哪一條大腸桿菌作為你的代言人？或者說你覺得哪一條大腸桿菌長得比較可愛，讓你喜歡，從而要選中它？又請問你如何把信息發送給那條大腸桿菌，或者你要賦予那條大腸桿菌一些什麼樣的能力，讓它能夠領導所有大腸桿菌？所有宣稱自己是超能力的化身或使者的人，都必須回答上面這幾個問題。