人類用米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文、摩爾和坎德拉七個(gè)基本單位來(lái)描述世界的長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、電、溫度、數(shù)量、亮度七個(gè)基本性質(zhì)。

這也是從七個(gè)不同的緯度來(lái)描述我們認(rèn)識(shí)和解釋世界。那會(huì)不會(huì)有下一個(gè)基本單位的出現(xiàn)，如果出現(xiàn)會(huì)對(duì)世界會(huì)有什么樣的影響，我們會(huì)增加一個(gè)怎么樣的緯度來(lái)認(rèn)識(shí)這個(gè)世界？

或者有沒(méi)有可能發(fā)展到可以用一個(gè)物理量描述所有性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)最最基本的單位？

在知乎上有人回答說(shuō)：

減少很容易，但是想增加就非常困難。

比如令 c=1 ，可以直接時(shí)空統(tǒng)一，長(zhǎng)度就是時(shí)間，時(shí)間就是長(zhǎng)度，這個(gè)思想發(fā)揮到極致就是自然單位制。

但是再增加一個(gè)就不得了了，這不是幾個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的問(wèn)題那么簡(jiǎn)單，諾貝爾委員會(huì)開(kāi)始考慮要不要改成你名字。

有效理論

根據(jù)有效理論，一個(gè)新的宏觀物理能從微觀現(xiàn)象涌現(xiàn)出來(lái)，并且各種常數(shù)可以被重整化出來(lái)。

然而并不是任何有效理論都能產(chǎn)生新的基本單位。

只有當(dāng)一個(gè)有效理論的建立是基于一個(gè)無(wú)法被原有物理框架描述的、全新的基本原理或概念時(shí)，才有一絲可能為其引入一個(gè)新的基本量綱。

僅僅是有一絲可能，因?yàn)?SI 選與不選，都不改變物理大廈的面貌，那就會(huì)傾向于不選。

比如統(tǒng)計(jì)力學(xué)成功了，流體力學(xué)就沒(méi)這待遇。

到目前為止，在物理學(xué)從微觀到宏觀的多次跨越中，我們只遇到了一次這個(gè)級(jí)別的的范式革命。

那就是從經(jīng)典力學(xué)到統(tǒng)計(jì)力學(xué)的那一次。

從描述個(gè)體確定性運(yùn)動(dòng)的力學(xué)，跨越到描述群體隨機(jī)性分布的統(tǒng)計(jì)力學(xué)。

溫度，就是這次范式革命的度量衡。

流體力學(xué)

這種情況沒(méi)有一絲一毫的可能性讓 SI 拉下臉來(lái)為其定義新的單位。

類似的有效理論中涌現(xiàn)的常用參數(shù)還有彈性模量、擴(kuò)散系數(shù)、電導(dǎo)率等等，統(tǒng)統(tǒng)都沒(méi)有任何機(jī)會(huì)。

統(tǒng)計(jì)力學(xué)

但是，在構(gòu)建面向宏觀世界的國(guó)際單位制時(shí)，其他物理學(xué)家做出了一個(gè)關(guān)鍵的選擇。

他們認(rèn)識(shí)到，熵所代表的混亂度這一概念，在哲學(xué)層面上，與長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間等概念同樣基礎(chǔ)、且完全獨(dú)立。

為了彰顯這個(gè)新思想的獨(dú)立性，他們決定不把溫度簡(jiǎn)單地歸結(jié)為能量。

加與不加都不影響物理學(xué)，只是一種哲學(xué)上的考量，從這個(gè)過(guò)程就能看出難度。

復(fù)雜性科學(xué)

雖然千難萬(wàn)難，但也不是毫無(wú)頭緒，沒(méi)有那個(gè)理論是毫無(wú)征兆從土里蹦出來(lái)的。

深度學(xué)習(xí)遲遲找不到第一性原理，很可能是因?yàn)樯倭艘粋€(gè)學(xué)科，能描述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的物理量還未出現(xiàn)。

當(dāng)前的物理學(xué)非常擅長(zhǎng)處理兩類問(wèn)題，要么是只有幾個(gè)粒子的極簡(jiǎn)系統(tǒng)，要么是處于熱平衡態(tài)，在統(tǒng)計(jì)上均勻的系統(tǒng)。

但對(duì)于介于兩者之間的系統(tǒng)，沒(méi)有任何好的辦法，這些雜七雜八的東西統(tǒng)稱為復(fù)雜性科學(xué)。

它們的一個(gè)關(guān)鍵特征是遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡態(tài)，并可以通過(guò)處理信息來(lái)維持自身高度有序的結(jié)構(gòu)。

這個(gè)量既不是焦耳也不是比特，它無(wú)法簡(jiǎn)單地用能量、熵或信息量來(lái)表示，因?yàn)樾枰瑫r(shí)捕捉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和其動(dòng)態(tài)的信息處理過(guò)程。

它不是信息，而是描述信息如何被DNA、代碼等物理實(shí)體編碼并發(fā)揮功能。

它不是能量，而是描述能量如何被用來(lái)構(gòu)建和維持信息處理結(jié)構(gòu)。

它也不是熵，而是描述熵如何用于維持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

這里面可以涌現(xiàn)出一個(gè)組織度的概念，如果作為基本量綱，不妨?xí)悍Q為 C (Complexity)。

諾貝爾獎(jiǎng)得主 Ilya Prigogine 發(fā)現(xiàn)，生命等復(fù)雜性結(jié)構(gòu)不是孤立系統(tǒng)，而是開(kāi)放系統(tǒng)。

生命必須持續(xù)地從外界汲取低熵的能量，并向外界排放高熵的廢料，不斷用能量和物質(zhì)的流動(dòng)來(lái)維持自身遠(yuǎn)離平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)。

Prigogine 將這種結(jié)構(gòu)命名為耗散結(jié)構(gòu)（Dissipative Structures），生命體當(dāng)然是最典型的散耗結(jié)構(gòu)，但是無(wú)機(jī)物也一樣具有散耗結(jié)構(gòu)。

組織度絕非熵的另一個(gè)說(shuō)法，這里有必要區(qū)分“簡(jiǎn)單的秩序”和“復(fù)雜的組織”。

一個(gè)完美的晶體，其原子排列高度規(guī)則，熵非常低，但我們不會(huì)說(shuō)它很有組織，它的結(jié)構(gòu)是靜態(tài)的、重復(fù)的、非常無(wú)聊的。

一個(gè)活的細(xì)菌，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比晶體混亂，熵也更高，但它卻是一個(gè)高度有組織的系統(tǒng)，它能新陳代謝、自我復(fù)制、響應(yīng)環(huán)境變化。

這里面的秩序并不是熵那種排列組合上的簡(jiǎn)潔，而是一種動(dòng)態(tài)的、功能性的、有特殊意義的秩序。

所以，一個(gè)真正的組織度的定義必須超越單純的低熵體，捕捉到這種有特殊意義的內(nèi)在秩序。

信息論認(rèn)為，組織度與系統(tǒng)內(nèi)部所包含和處理的信息密切相關(guān)，于是提出了 Kolmogorov 算法復(fù)雜度。

一個(gè)對(duì)象的算法復(fù)雜度就是能夠生成該對(duì)象的最短計(jì)算機(jī)程序的長(zhǎng)度。這里有個(gè)問(wèn)題，你沒(méi)法計(jì)算細(xì)菌這種寫(xiě)在 DNA 上的算法。

因此 James Crutchfield 等物理學(xué)家據(jù)此提出了一個(gè)更精妙的概念叫統(tǒng)計(jì)復(fù)雜度（Statistical Complexity）。

為了盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一個(gè)系統(tǒng)的未來(lái)行為，你需要存儲(chǔ)多少關(guān)于其過(guò)去的信息。

組織度 ≈ 信息的有效存儲(chǔ)與處理能力。一個(gè)如生命體一樣高度組織化的系統(tǒng)，其內(nèi)部必然包含了一個(gè)關(guān)于其環(huán)境的有效模型，以便做出預(yù)測(cè)行為并快速適應(yīng)。

熱力學(xué)的認(rèn)為應(yīng)該關(guān)注組織結(jié)構(gòu)是如何被創(chuàng)造和維持的。

物理學(xué)家 Eric Schneider 認(rèn)為，自然界有一個(gè)普遍的趨勢(shì)：

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)被持續(xù)地施加能量梯度時(shí)，它會(huì)傾向于自發(fā)組織起來(lái)，形成能夠最有效地耗散掉這個(gè)能量梯度的結(jié)構(gòu)。

組織度 ≈ 系統(tǒng)捕獲和耗散能量流的效率。除了生命體，無(wú)機(jī)物也有這個(gè)現(xiàn)象。

在某些條件下，一群粒子在外部能量源的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)自發(fā)地重新排列，形成能更好地吸收和耗散能量的結(jié)構(gòu)。

這被稱為自組織現(xiàn)象。

除了散耗、自組織、計(jì)算復(fù)雜度，還有各種亂七八糟的非主流理論我就不意義介紹了。

最后說(shuō)說(shuō)組織度這個(gè)概念還有哪些疑點(diǎn)。

第一，一個(gè)物理量通常被定義為系統(tǒng)自身的內(nèi)稟屬性。

我們可以明確地單獨(dú)定義一個(gè)物體的質(zhì)量或溫度，然而復(fù)雜系統(tǒng)的組織度與其所處的環(huán)境密不可分。

一只活著的細(xì)菌，其高度組織性是依賴于與環(huán)境持續(xù)進(jìn)行物質(zhì)和能量交換來(lái)維持的。

如果把它放到一個(gè)真空的、絕對(duì)零度的盒子里，它會(huì)立刻死亡，變成一堆無(wú)序的有機(jī)分子。

它的組織度急劇下降，衰減到 0。

活著和死了就好像是一種相變，那么細(xì)菌的組織度，究竟是它自身的屬性，還是“細(xì)菌+其賴以生存的環(huán)境”這個(gè)組合系統(tǒng)的屬性？

一個(gè)物理量如果連其歸屬主體都無(wú)法清晰定義，那么將其作為基本量到底描述的是什么東西？

第二，現(xiàn)有的大多數(shù)基本物理量，都與一個(gè)深刻的守恒定律相關(guān)聯(lián)。

根據(jù)諾特定理，守恒定律對(duì)應(yīng)于物理規(guī)律的某種對(duì)稱性，這些守恒定律賦予了這些物理量以基礎(chǔ)和穩(wěn)固的地位。

然而我們完全看不到任何關(guān)于組織度的守恒律。

與之相反，宇宙的演化史似乎就是一個(gè)組織度不斷凈增的歷史，從大爆炸后均勻的粒子湯，到恒星、星系，再到地球上的生命和智慧。

這是一個(gè)非守恒的、有著單一方向性的過(guò)程，其內(nèi)在的守恒律還未顯露。

如果找不到在時(shí)空變換下的不變量，那么這種受到時(shí)空限制的物理量是不夠本質(zhì)的，不配作為基本單位。

不管怎么說(shuō)，定義一個(gè)新的基本單位至少需要一次從經(jīng)典力學(xué)到統(tǒng)計(jì)力學(xué)這樣的思維躍遷。

雖然復(fù)雜性科學(xué)領(lǐng)域的著作現(xiàn)在汗牛充棟，但是仍舊處于一種極早期的霧里看花的狀態(tài)，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

從物理到化學(xué)，再到生物科學(xué)，甚至是計(jì)算機(jī)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)，各自都發(fā)現(xiàn)了自己的復(fù)雜性科學(xué)，然后試圖向其他學(xué)科傳教。

如果能找到其中最根本的共性，這里面肯定能誕生 《A New Kind of Science》。

當(dāng)然，這一切都還只是基于現(xiàn)有理論框架的大膽推演。真正的答案，或許正藏在未來(lái)某位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

從顛覆性的理論推演，到重塑日常的科技應(yīng)用，科學(xué)的魅力正在于此。每一次基礎(chǔ)科學(xué)的突破，最終都將深刻改寫(xiě)我們理解世界、改造世界的方式。

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