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主题：【原创】从自然选择的角度看宇宙和文明进化 -- beiba
家园 【原创】从自然选择的角度看宇宙和文明进化 读这篇文章有一定的知识背景要求，理工科背景，理解自然选择为基础的进化论，推荐阅读理查德道金斯的《自私的基因》。如果能够接受其中的主要观点，那么往下将是很顺利也很有意思的阅读。
在开篇之前，先把熵这个概念重复一遍。熵指的是体系的混乱程度，或者不确定度。根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵是不会减少的，熵增不可逆。就像把一块糖（有序）溶入一杯水（有序），变成一杯糖水之后，从体系看就混乱多了，没有外来的干预，它自己不会再变成一块糖和一杯水，这就是不可逆。
然而，在地球上，有很多是高度有序的物质和行为的表现。例如，人造卫星、城市、各类交通工具等等。如果从热力学第二定律看，这些东西的原材料一定不可能自发就组织成高度有序的形态。它们也不是孤立系统，是人类文明建造了它们，给这个系统提供了负熵，熵减所以化无序为有序。
再用熵的概念，理解一下文明（或者生命形式）。所有的生命形式都可以表现为高度的有序。如果把人类文明或者生命形式理解为低熵，从概念上，也是更有序的意思。不过，这明显和常见的现实矛盾。例如，有两个独立发展而互相没有往来的国家（大航海时代之前很常见），发展水平相当，假定它们的熵都是H，那么两个国家总熵则为2H。如果是正熵，那么混乱度更高了？但是我们看到的是总体更加有序。所以文明是负熵形式，而非正低熵。负熵的绝对值越大，有序程度越高，文明层次越高。
自然选择进化的目标是使文明（或者生命）朝负熵绝对值增加的方向进行，不可逆，和热力学第二定律是相互对应的关系。一个对应于非生命世界，一个对应于生命世界。
那么，文明的熵的公式呢？
H=H1xH2xH3x....xHn
其中，n是文明发展（或者说文明基因进化）的维度，每个Hi都是个熵矢量，具有方向性。各熵矢量间是矢量叉乘关系。总体熵也是有方向的矢量，数值为负。注意这里的“负”代表的意义仅仅是和热二律定义下的“正”熵值相对。
分析文明熵的在文明基因维度上熵矢量叉乘关系，最好的就是用极端情况来做验证。第一种极端情况是Hi和Hj 平行，那么HixHj=0。
中世纪的宗教战争，其实就是两个宗教文明基因融合的后果。如果读过笔者的上一篇文章，应该容易理解不管是新教还是天主教，不管是信上帝还是信真主，背后核心都是宗教文明大脑的核心基因之一，而且它们本质其实几乎一致，所以这样的基因融合其实是等位基因的直接竞争（在一个维度上），造成的后果就是战争不休，各民族的文明发展停滞甚至大幅倒退（负熵值往0靠拢）。
另一种极端情况是Hi和Hj垂直，那么HixHj将取得最大值。这个不赘述了，有兴趣的读者可以去分析古罗马帝国共和时期的成长（推荐《罗马人的故事》）。
在开始下一个主题之前，需要把本文所用到的另外一个基本定律（或者假设）展开。第一个基本定律（假设）就是进化朝着熵绝对值增加的方向进行。这第二个基本定律就是对立统一律。所谓对立统一律，用掷硬币来解释比较容易。如果有人一直在掷硬币，任何时刻的结果都只出现正面或者反面其中的之一，那么，可以断言他掷的只有一个硬币。对立统一律表征之一是奥卡姆剃刀定律。事实上，随便一个十几岁的少年都能深刻的理解这个定律，掷一百次给他看，就算你再三保证有多个硬币，他都会充满怀疑。
关于生命和文明的进化，一直有争论，到底是有没有方向？从生物学史和人类历史，我们看到了太多疑点。例如物种的灭亡，文明的消逝。这是关系着第一定律基石的问题。不过，从进化本身的角度去看，有没有看到过物种同时处于灭亡和存在的两种状态？
答案是没有。大自然用进化给我们掷了无数次硬币了，现在仔细一想，太简单了，就只有一个硬币啊，就是进化本身。存在和灭亡，都是进化的一体两面。这个结论对于文明亦然。不能以单个物种、文明的存在和灭亡来看待进化。
用广义的生命、文明去看待（即整个宇宙的角度），第一定律和热二律一样仍然是铁律。
再用对立统一律来看看生命和非生命。假设在某个世界（也遵从第一定律和热二律），只有一种基本粒子存在，且只有A和B两种对立状态，没有外界因素干扰。类比一下，就是有无数个人，每人两只手，每次伸出一只手后可以获取资源，不过得到的资源完全随机，和用哪只手无关。那么，第一定律要求负熵极大，即左右手都等概率使用。这个保持1/2概率的因素，就是生命的基因。而热二律也要求熵极大系统最混乱，最终“进化”的结果也是所有粒子保持1/2的概率，可以理解为非生命的进化。
我们再增加独立的另外一个维度（另外一种基本粒子），也只有两种状态。每个人开始伸手掷硬币。一开始，所有人都采用如下规则掷硬币：左手出正面，右手出反面。从本质上说，新的维度还没有展开，还是一维。突然出于偶然原因，有人不遵守这个规则了，开始作弊。那么毫无疑问作弊的人将成为赌场的赢家。于是，其余竞争者统统效仿。最终的结果将是所有人都尽可能让别人猜不透自己每只手出正反面的概率，换言之，第二个维度上是也开始纯随机了，左手随机抛出正反面，右手也随机抛出正反面。这时候两个基本基因的新组合将所向无敌，我们可以说新的基因产生了。
从第一定律来解释，只是出于偶然的变异产生了这样的结合，被自然选择下负熵极大化的要求下，基因进化然后紧紧的绑在了一起，这只是自然选择结果而已，基因本身没有意识。上面同样的情况，用热二律来解释，就是系统熵值最大，这两种基本粒子间仿佛就出现了强大的作用力，紧紧的把它们绑到了一起。这种基本粒子间的“基因”，或者就可以称为它们间的引力场之类的东西。
从上面这个思维实验，可以理解到，第一定律和热二律本质上是一回事。其实，如果用对立统一律，我们早就能断言，这就是事物的一体两面，本质上就是一个规律。从此以后没有热二律，只有广义第一定律：宇宙的进化（生命和非生命）是朝熵绝对值极大的两端进行。
从上面的这个思维实验，顺便验证了前面熵的公式具有矢量性的特点。
第一定律下宇宙的生命和非生命进化的统一熵函数表达式为：
H=H1xH2xH3x...xHn
生命的熵函数值取负，非生命的值取正。
理解以上第一定律下生命和非生命进化的规律之后，下面将了解到
宇宙熵守恒的原理。进化同时进行，而且生命和非生命是宇宙的一体两面，那么自然将得出熵守恒原理，即宇宙将保持初始态的熵值。熵在生命和非生命中间转移，不会消失也无法凭空产生。不过这里有个前提条件，没有宇宙“以外”熵值的扰动进入。下面很快将讲到宇宙的尺度问题，所以这里暂时不展开。
下面将用第一定律和对立统一律，对于量子理论和相对论做解释。
量子理论里三大定律，第一个是概率解释，凡有科学素养的读者，赌徒或者炒股票的，都应该理解，不再赘述。第二个是互补性原理，这其实就是对立统一律。例如，物质的波粒二象性，由于任何时刻只能观测到这对立两面中的一个，对立统一律指出那么它们就是一个整体。
第三个是不确定原理，测量共轭量的误差之积大于某个常数。在进一步探讨之前，我们看看另外一个确定至极的原理：光速不变原理。
这两个一个是对于微观世界的定律，一个是对于宏观世界的定律，用对立统一律分析，可以推断它其实是一个自然规律。
可以从熵的角度对次进行解释。越是微观世界，混乱度越高，正熵值越高，要能够对次进行观测，必须用极大的负熵才能观测到有序。负熵来自于生命（或者文明）。我们的文明能提供的负熵极限，就是宇宙负熵的极限。
同理，光速不变原理背后隐藏着这个宇宙正熵的极限。
对立统一律告诉我们，这是一体两面的东西，其实，就是宇宙的尺度---宇宙熵的绝对值。
以上是静态的思考宇宙，把宇宙当作一个孤立系统，即没有外部（正熵）或者内部（负熵）的扰动。事实上，基本粒子并不基本，它们也可能是一个个具体而微的宇宙。而我们的宇宙，在更高层次而言，也可能只是一个基本粒子。前面宇宙熵守恒是静态下的推论，当动态的思考宇宙时，是有可能出现熵的扰动最终宇宙熵不守恒。
推论第一个推论是保护生态环境，物种、资源多样性的必要性。人类文明只是宇宙生命的一个子系统，我们需要吸收外界的负熵基因来成长，负熵基因越多，文明成长维度越多，越能良好成长。反之，消失在历史的长河中也不无可能。
第二个推论是人类思想自由的重要性。以宗教为例，宗教文明基因其实就是多了一个假设，这违反了奥卡姆剃刀定律（对立统一律），长远来看实际上使得文明发展减缓、停滞。中国古代的儒家思想其实也和宗教文明基因相似，也是一种洗脑基因，也是多了一个假设，虽然和精英统治的文明基因配合得非常好，建立了一个兴盛长远的文明，但是科学的基因始终发展不起来，在近现代外来文明的冲击下险些消失在历史长河中。我们需要警惕任何洗脑基因，换句话说，就是要有反洗脑基因。中宣部说的话大家都怀疑得很，这是一个好现象。
同第一个推论相似，文学、艺术、体育、影视等等多维度发展的重要性不言而喻。
第三个推论是中、美文明的发展前瞻。回顾古罗马文明，可以看到文明发展的一个特点，文明可以和外来文明比较和平的成长、融合。另外一个特点，一旦周围没有可以提供负熵基因的文明，敌人死光了，自己就会面临盛极而衰的境况。所以，中、美以及其余文明应该相互扶持的成长。
下一个推论是人类文明进化的前瞻。精神文明的发展将逐渐占据主导地位，精神文明资源的开发、竞争将是下一轮进化上的主要模式。文明进化史上我们看到了足够多的战争、革命，新的进化模式也应运而生。文革虽然让卷入其中的一两代人付出了惨痛的代价，官方定性是负面。不过站在文明发展的角度看，与其在最终拿着核武器甚至更有威力的武器杀来杀去的进化，还不如从思想上折腾来折腾去的进化安全也更有效率得多。
最后一个是如果某个文明最终也迈出了超过它存在的宇宙尺度的一步，非常有意思的是，他们将是什么形态？希望科幻小说能告诉我们答案。
他们将在新的宇宙中依靠什么定律再进化？第一定律将依然存在，达尔文指出的遗传、变异、自然选择还将成为进化的规律。不过可能不再是基于熵。这也是文章标题用词采用自然选择而非熵的原因。而对立统一律也是铁律一个。遇到二选一的时候，他们怎么办？
让我们给丢给他们一个硬币吧！
通宝推：墨虎,我们的田野,家园 楼主还是好好学习吧 我终于能读懂你的大作了，很抱歉，我确认你也没有把热力学第二定律学好，更不要说量子力学和相对论。
生命也好、非生命也好，甚至能量、力场、时间、空间本质上是没有区别的，都是物质！以现代研究的结果，无论我们对于熵零点的定位有什么不同，宇宙的熵总是在增加，与是否是生命无关。即便是人类文明所处的太阳系为体系，熵也是在增加。以你的例子为例，糖溶入水中，体系的熵增加了。但是如果把糖重新从水中提取出来，这个过程的熵依然是增加的。人类文明的种种，看似是存在熵降低的过程，但是那是局部的，如果放入整个宇宙体系中，无论你做什么熵总是在增加。
我现在觉得你甚至连哲学也没学好，我看不出奥卡姆剃刀定律与你的“对立统一”有任何的逻辑联系，反而我觉得你的假设是不必要的假设，是奥卡姆剃刀需要剔除的。
我想如果楼主依靠这篇论文是肯定拿不到高中毕业证书的，所以，继续努力吧。通过学习你才能娴熟的运用物理研究和了解这个宇宙，利用数学来描述整个宇宙，而不是靠科幻作者的文字。
家园 关于你的第二假设的疑问 顺便说一下，我对你的第一假设更有疑问，只是因为你的第一假设把我搞的头昏脑胀，你的论点数不清楚的错误，我根本搞不清楚你想要表述啥。所以，我仅仅对你的第二假设即“对立统一律”提出一些疑问。
用你的举例来说明：一个硬币无论你怎么掷，必定是存在2个面中的一个。之所以产生了这种结果是有人进行了观测，而且仅仅是以我们理解或者我们感兴趣的方式（即只记录硬币的正反面）来定义了这一次观测。如果你仅仅记录了重量、硬度、气味等等，你会发现根本就没有什么对立统一。但是，正反面、质量、硬度、气味有区别么？没有，他们都是这个硬币本身，而因为我们的感官（或者说测量工具、方式）让硬币有了那么多的量。这就如同那只黑猫一样，我们能理解的只有生或者死，我们不能从主观中理解另外的纠缠，我们不会也不能观测我们不能理解的纠缠。
对立统一论的科学基础实则是热力学第一定律，他有一个前提是“孤立体系”，任何孤立体系中，有一个增加必然有一个减少，其绝对值是相等的。但是，通过贝尔不等式我们可以得知，任何体系都不可能同时具有客观性实在和定域性。那么你如何来定义这一个“孤立体系”呢，存在但不可观测或者通过自我观测定义？如果是前者，那么又与不存在有何区别；如果是后者你又如何保证你是全面的、完整的定义着整个体系而又不会超出你的认知的呢？所以，终究来说，热力学第一定律是一句空话，而建立于此的“对立统一”则是不牢固的。
关于你用量子力学互补性原理来解释对立统一（以及你对量子学概率原理、不确定性原理的解释），我建议你简单了解一下量子力学。这个原理的简单表述是“观测影响结果”，再简单来说你要什么样的结果，取决于你如何来进行观测，而与其他无关（比如时间）。这个原理也决定我们不能观测一件客观事件只能主观的。
最后，我赞同你的结论语句，但是作为推论我保留我的意见。
家园 有些不同意见 宇宙总体的熵是一个恒值吗，宇宙作为一个封闭系统，熵应该一直增加才对啊。
生命和非生命的熵是一增一减相对应吗？好像也不是，非生命的熵也会随机地减少，只是宇宙年龄不高，总体熵还不是很大，以至于宇宙局部的一些随机负熵甚至可以孕育出生命这种极端负熵，随年龄增长将来宇宙的熵变得很大，到处都是接近真空的状态，可能就不会有生命了。当然随机负熵总是存在，或者只是我想象不到将来的生命形式而已。
封闭系统熵只增不减，我觉得生命这种负熵的极限要小于lz推断的很多。于是我也有个推论：
文明需不断突破封闭系统摄取新的负熵以维持自身的负熵绝对值增长，比如发明石器工具更方便摄取肉类，比如发明船只到其他大洲摄取资源，比如将来发明歼星舰到其他星球摄取负熵。文明只要保证负熵的摄取程度足以突破现有系统就能不断“进化”。那么文明中另外一些摄取负熵的行为就变得不必要了，比如人每天吃2斤大米就能填饱肚子，有些人每天吃5斤发福了，然后怕生病又去减肥，这就浪费了负熵，当这些不必要的浪费大到影响突破现有封闭系统的技术发展时，文明“进化”就停止了，顺带也把同一封闭系统的其他文明拖垮了。所以我觉得，文明内部宗教洗脑有存在的必要（或者说存在必合理），他在保证技术发展的同时（表面看古代中国文化使得文明发展减缓、停滞，不过中国文化海纳百川，符合楼主的推论1，就能不断向其他文明学习，技术一样可以进步），减少了负熵浪费，让文明可以不触及现有系统的负熵天花板，不断突破，不断进化。儒学的天地人和，就是这个理，佛家就更进一步了。。。
家园 能不能用熵来解释一下爱情？ 相比较人正常的活动而言，是熵增还是熵减？是动物性活动居多还是背后隐藏着更深刻的原理？
另外，在宇宙的来源和宇宙的大小都没有能搞清楚的前提下，试图用热力学第二定律来解释宇宙间的许多事情是否没有很大意义？因为熵说到底是一种使用能量的能力，可是这些能量从哪里来的？只能从宇宙的起源来解释。
家园 请问如何证明科学本身不是洗脑基因呢？ 站在宗教基因的角度来看，科学就是洗脑基因，而且它破坏了生态环境，物种、资源多样性……如果要论洗脑的速度和效率还是科学最快。
再者，人类文明到目前为止出现过非精英统治的时代么？
感觉前面还不错，推论有点粗糙了。
家园 普利高津的耗散结构知识需要补充进来 这个居然在大学物理系里面也不讲，是还没被主流科学承认么？
那究竟在啥时候讲，还是属于1+1之类的超高级理论？
家园 我们上学时是在研究生阶段引入的，跟大系统理论一起介绍的。 在自然辩证法课中做了一些介绍，然后大家自己去图书馆找资料自学，后面的课上做讨论。
某种程度上，只能自学、讨论，做开眼界、宽思路之用。 老师的作用只是做一简单介绍，引大家入门。 因为，即便是学哲学的老师，也不是都能理解透了这些东西，所以只能介绍，不能“讲”。
家园 一团星云形成一颗恒星，这是一个熵增还是熵减的过程？ 家园 熵增 有研究表明，新形成的恒星数量较宇宙早期形成的恒星数量大幅减小，有理由相信，再过100亿年，夜空（如果人类届时还存在的话）将大幅变暗。
- 复 熵增
家园 从宇宙的尺度来看，那些流失的“负熵”哪里去了？ 前段时间看了BBC的“恒星七纪”（Seven Ages of Starlight），其中提到了宇宙的最终归宿--恒星越来越少，最终归于黑寂。
但是，这就引出了一个问题，在只有一个宇宙的情况下，在最终这样一个髙熵的死寂年代，流失的负熵哪里去了？
即使在非单一宇宙的情况下，如果把我们现在所说意义上的“宇宙”看做一团“宇宙云”，最终的问题仍然一样： 负熵哪里去了？
个人认为（瞎掰啊，莫拍），楼主提到的正熵和负熵两个极限某种程度上能解释这个问题。
1. 关于恒星聚变我们不能仅局限在氢原子（同位素）聚变成氦这种最简单初级的聚变过程上，按上片中介绍，氢聚变恒星消耗尽聚变燃料后，仍会爆发成星云，然后形成新的恒星，在更高级别的引力作用下，将氦这种级别的小原子“压”（聚变）成更大的原子，比如碳啊氧啊什么的。 依次类推，N次循环往复，逐渐形成更大的原子。（可以相信在超级大的恒星里，以铁原子为聚变材料生成更大原子量的重原子吗？）
某种意义上，宏观层面的高正熵，对应的，是微观层面有序程度更高的高负熵体重原子。
2。 虽然有很大一部分负熵转移到了原子核内，但是在整个宇宙演变过程中，好像还是有相当大一部分负熵不知归于何处。
也许，存在于宇宙中各处的文明体，吸收了这部分负熵。否则，帐做不平啊。
或者，从能量守恒的角度，能量（负熵），最终逐渐全部（或大部分）转换成为了以质量形式存在，宇宙达到一种均衡态--死寂，少量能量以非物质形态存在但不足以触发物质形态（质量）向非物质形态转变，大部分能量（负熵）被锁在物质形态（质量）中。
想一想，如果宇宙是收敛的，太让人灰心沮丧了。
文明的希望在哪里？ 黑洞？
更希望宇宙的演化能像正弦波一般，大爆炸->扩张->收敛->奇点->大爆炸，循环往复永不休止。
家园 一些想法和回复 把另外一些零散的想法，以及回复总结到这一个贴子里。
把宇宙视为封闭系统应该熵增的想法这还是停留在热力学第二定律，只考虑到非生命的体系。生命的一面被忽视了。
生命和非生命的进化在宇宙的诞生时就一起开始了，而且，这是一体两面的过程。它们的进化有内在本质的联系，就是第一定律。从前文简单的思维实验就知道，如何能够判断演化是仅非生命的层面进行还是仅生命的层面进行？一体两面，对立统一，执着于其中之一是不正确的。
思考这些问题时，也常常困扰人的是，不由自主就站在负熵（生命或者文明）角度去观测、理解各种现象、事物。但是，几乎很少能站在正熵（非生命的)角度去看待宇宙。
例如，时间，空间和温度大概是我们衡量非生命的最常见也最重要的维度，但是如果站在非生命的角度来看，最重要的维度是什么？个人目前的理解是：智慧、道德，或者再加上一个温度。生命、文明的温度就是它的活力。
丝毫不必担心宇宙演化到最后几乎热寂的状态，到那时，文明也进化到几乎可以突破宇宙极限的状态，什么事情都是可能的。最终的结果可能是，文明突破极限离开这个宇宙探索新世界，而宇宙重归原点。我们需要担心的是，是否人类文明，有足够的生命力坚持到那时候？看看核武器的数量，再看看人类对环境的破坏，资源的枯竭，人类文明眼前的繁荣兴盛背后是深刻危机。三叶虫，恐龙，古罗马，历史反复的告诉我们，盛极必衰。这一次会导致人类文明多大的倒退,甚至灭亡？不过，历史也在核武器出现没多久后就给出了一道苦口良方，未来人类文明面临绝境时也不是束手无策。
至于科学是否洗脑基因的问题，狭义上的科学（极端的追求自然科学）已经有这个倾向，因为它有驱使人类偏离了第一定律追求熵极值的方向。
例如，由于极端追求自然科学的成就，而忽视社会科学，文学，艺术，哲学等等各方面的发展，整体熵值反而不如均衡发展来得好，破坏生态环境等等，不过是表象之一。
至于宗教洗脑基因，其存在有其道理，例如人类在文明的道德维度上有增益。不过，这个基因很容易越线，桎捁文明在其它维度的发展。为什么文艺复兴和现代科学起源几乎同时出现？宗教洗脑基因们那时候自己在争斗不休，无形中给人类思想松了绑。
广义上的科学，应该符合第一定律，追求熵的极限发展，在不同的时期、环境有不同的重心，而不是一味的往某个方向走极端。要科学的发展，要和谐，这个虽然是个口号，其实很有道理。
而且，做到兼容并蓄也是应该的，宗教洗脑基因不需要全部灭杀，那也是负熵的可能来源之一，需要有效的控制而已。
另外，不管是科学也好，宗教也好，儒家思想也好，共产主义也好，或者其他任何形式的洗脑基因，都是有潜在危险性的，关键是反洗脑基因。
至于从历史上看人类总是精英统治，且推而广之到未来的观点，其实很容易驳斥。在人类出现之前，地球上没有智慧物种，所有生物都是非智慧的，难道就永远不出现智慧生物了么？历史已经告诉我们答案了。
- 复 熵增
家园 我有些不理解，从星云到恒星应该是更有序啊？ 家园 从星云到恒星，伴随着能量损耗，输出负熵，是个熵增的过程 比如，太阳这颗大氢弹，每天以辐射的方式输出负熵，而我们地球上的植物，吸收能量（负熵），最终人吃了植物（或植物->动物->人），负熵转移给了人，才能维持思维运动等高级有序的负熵体的存在。
我个人是将“能量”看做“负熵”。 请方家指正。