秩序从哪里来？

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2008-11-28,#,秩序从哪里来？,进化论与热力学,集智俱乐部,1,关于我,生物学,计算机、人工智能,物理学,系统科学,2,Outline,秩序从哪里来？,进化论,热力学,关于流动的热力学,3,Outline,秩序从哪里来？,进化论,热力学,关于流动的热力学,4,史前一万年,5,Questions,秩序的产生,复杂性的增加,生物进化,财富增长,文明进步,6,Outline,秩序从哪里来？,进化论,热力学,关于流动的热力学,7,Charles Darwin,8,“进化论”的故事,9,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,10,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,11,遭受质疑,寒武纪生物物种大爆炸,渐变,突变,复杂生物机制,12,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,13,智能设计,Intelligent Design,14,自组织与复杂系统,Kauffman,的纽扣模型,15,Outline,秩序从哪里来？,进化论,热力学,关于流动的热力学,16,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,17,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,所有这些衰退现象都可以涵盖到热力学第二定律之中,18,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？,19,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,20,从撞球模型开始,21,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,22,微观态,系统的完全描述,从微观状态看，我们无法看出区别,23,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,24,站在宏观看世界,3,3,4,2,6,0,25,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,26,一个宏观态可以被多重实现,6,0,W=C(6,6)70,6,=70,6,个,5,1,W=C(6,5)70,6,=8*70,6,个,3,3,W=C(6,3)70,6,=20*70,6,个,27,熵,S=k ln,W,28,什么是熵？,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！,29,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,30,时间箭头如何出现？,微观状态,宏观状态,最可能（熵最大）状态,31,热力学中蕴藏的自然选择,把不同的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,32,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,33,Outline,秩序从哪里来？,进化论,热力学,关于流动的热力学,34,生命之流,What is Life?,35,流动与秩序,贝纳得花纹,36,Prigogine,一个思考流动与时间的人,37,静态结构与耗散结构,38,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,39,最大流现象,流动速度最大的路径是时间最短的那条,40,最大流现象,高度,41,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,42,系综和水流,熵,1000,10,13,11,S=ln (W(6,0)=ln 70,6,S=ln (W(5,1)=ln (C(6,5)*70,6,),S=ln (W(3,3)=ln (C(3,3)*70,6,),43,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,44,最大熵产生原理,(MEPP),熵原理仅仅告诉我们系统将朝向何方演化,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,45,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,46,试验结果,熵,时间,47,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,48,蚂蚁觅食实例,最快的路径会被自然选出,49,MEPP,与秩序,50,文献中的证据,Paltridge GW (1975) Global dynamics and,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 theory for scale effects in,running, swimming and flying,. J Exp Biol 209: 238248.,51,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,52,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,3,2,53,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、统计物理的底层完全是随机的,熵和熵产生来源于宏观层面的信息忽略,54,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),55,秩序如何产生？,秩序与混沌的区分是由观察者做出的,56,参考文献,Hoelzer GA, Smith E, Pepper JW (2006) On the logical relationship between natural selection and self-organization. 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:,http:,/,. Accessed 26 March 2007,.,Paltridge GW (1975) Global dynamics and climate - a system of minimum 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 morphologies. 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 nature: Tree-shaped flows and body size. J Exp Biol 208: 16771686.,Demetrius L (2000) Thermodynamics and evolution. J Theor Biol 206: 116,John Whitfield (2007) Survival of likeliest , PLoS Biology Vol 5, No.5,57,Thank you,58,