無序Vs.有序

善行無跡

“天地渾沌如雞子，盤古生其中。萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地。”

盤古開天地是我國上古神話中著名的一篇，講述了天地誕生之初，一片混沌，盤古打破了這種混亂一體，創(chuàng)造出天地、河流、山川以及世間萬物。雖然這只是我們祖先的一種看似蒙昧原始的傳說故事，但也反映出了人類從無序到有序，從混沌到規(guī)律的樸素世界觀。其實(shí)大到宇宙萬物，小到我們每一個(gè)人，都離不開在有序和無序之間相互博弈和協(xié)調(diào)。比如生命本身作為一種自然界獨(dú)特的有序存在，亦是從無序中誕生的。

什么是非線性

我們?nèi)梭w就是由有序和無序交織而成的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)（Nonlinear system）。那么到底什么是非線性呢？在討論之前，我們先了解一下線性系統(tǒng)。簡單地說就是一個(gè)系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量之間呈線性關(guān)系。這樣說可能還不夠直觀，我們舉個(gè)“栗子”。設(shè)想你駕駛著一輛頂級(jí)跑車在高速公路上飛速行駛，當(dāng)一腳油門踩下去，車速隨著時(shí)間不斷加快。在這個(gè)過程中，汽車就可以看成一個(gè)隨時(shí)間變化而速度不斷增加的線性系統(tǒng)。一個(gè)線性系統(tǒng)中輸入和輸出的關(guān)系可以用簡單的y=ax來表示，其中y是輸出變量，x是輸入變量，a是常數(shù)。

理想化的線性系統(tǒng)可以用來簡單有效地解決很多問題，但遺憾的是真實(shí)世界中問題往往復(fù)雜得多。我們繼續(xù)講述剛才的“栗子”吧，是不是只要踩著油門，車速就會(huì)隨著時(shí)間無限增加呢？答案顯然是否定的。且不說發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛者都存在極限，當(dāng)時(shí)速超過120公里時(shí)，你將成功地引起警察的注意?？梢娷囁俨⒉皇请S著時(shí)間持續(xù)線性增長，而是在某一“邊界”之內(nèi)波動(dòng)。線性關(guān)系只能存在于理想模型之中。實(shí)際上，考慮到眾多的約束條件，非線性系統(tǒng)更符合真實(shí)情況。

心臟和自組織

拿我們?nèi)梭w自身來說，心臟作為最重要的器官之一，就像發(fā)動(dòng)機(jī)一樣提供機(jī)體各項(xiàng)活動(dòng)的動(dòng)力。心肌細(xì)胞在竇房結(jié)的驅(qū)動(dòng)下，有規(guī)律地進(jìn)行收縮舒張活動(dòng)，這種規(guī)律性使得身體內(nèi)部的機(jī)能保持穩(wěn)定和有效。在發(fā)育過程中，看似無序的心肌細(xì)胞在某種“神秘力量”的驅(qū)使下，逐漸成長為具有高度規(guī)律性的心臟。在這種沒有外部控制的情況下，系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生規(guī)律結(jié)構(gòu)和增加復(fù)雜性的行為被稱為●自組織（Self-organizing）。

通過心電圖（Electrocardiogram）我們可以看到常人的心臟自發(fā)地進(jìn)行有規(guī)律的活動(dòng)，而一旦這種規(guī)律性被打破，就表現(xiàn)出各種心臟疾病的癥狀。在放松靜息的狀態(tài)下，心臟跳動(dòng)緩慢，而劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)心率可以猛增到平常的兩倍甚至三倍。這說明心臟本身并不“刻板”，而是在規(guī)律跳動(dòng)中存在潛在的復(fù)雜特性。而心率的變化也不是簡單的線性變化，依賴于不同人的心臟機(jī)能、運(yùn)動(dòng)方式等因素。可見心臟通過自組織的方式產(chǎn)生了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，盡管功能相對(duì)簡單，但仍然表現(xiàn)出非線性系統(tǒng)的復(fù)雜性。

大腦中的混沌

大腦是一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。我們知道大腦是由數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元（Neuron）組成，每一個(gè)神經(jīng)元都是一個(gè)微小的功能單位。大量的電生理研究發(fā)現(xiàn)，甚至小到每一個(gè)神經(jīng)元，都是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。在沒有外界刺激的情況下，神經(jīng)細(xì)胞也不是完全“靜默”，而是產(chǎn)生一些看似無序的自發(fā)放電位。當(dāng)外界電壓刺激不斷升高時(shí)，細(xì)胞產(chǎn)生的電位也會(huì)隨之升高，但這種變化并不是線性增加的，而是在超過某一個(gè)閾值的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作電位（Spike），這種動(dòng)作電位可以不衰減地沿著細(xì)胞的軸突傳導(dǎo)，通過和周圍的神經(jīng)細(xì)胞協(xié)調(diào)運(yùn)作，進(jìn)而形成各種復(fù)雜功能。

大腦中數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元的這種充放電活動(dòng)就為我們實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的思考和功能提供了生理基礎(chǔ)。當(dāng)需要處理視覺信息時(shí)，枕葉皮層（Occipital lobe）的神經(jīng)元就協(xié)同工作 ；而需要處理聽覺信息時(shí)，顳葉皮層（Temporal lobe）的神經(jīng)元就協(xié)同工作。大腦功能的這種模塊化分區(qū)使得我們可以高效準(zhǔn)確地處理各種不同的信號(hào)，然后再將這些信號(hào)整合起來。有人可能會(huì)說，這說明神經(jīng)元的活動(dòng)越規(guī)律，大腦功能就越好嘛。那么是不是我們的大腦越規(guī)律有序就越好呢？答案是No。正常人的大腦是不會(huì)同時(shí)激活所有腦區(qū)的，我們的大腦時(shí)刻處于一種既有序又無序的狀態(tài)。雖然有序保證了眾多神經(jīng)元能夠協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)特定功能，而恰恰是這種無序使得大腦充滿了“彈性”，才能夠適應(yīng)不同的外界環(huán)境。

熵和復(fù)雜性

看來一個(gè)好的系統(tǒng)需要在有序和無序之間保持一個(gè)平衡狀態(tài)，既不能過于有序失去了彈性，也不能雜亂無章一片混沌。為了衡量一個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性或者混亂程度，科學(xué)家們發(fā)明了●熵（Entropy）這個(gè)概念。一個(gè)完全規(guī)律毫無噪聲的系統(tǒng)熵為0，而一個(gè)越雜亂無序的系統(tǒng)熵就越大。正如我們前面講到的，心臟和大腦都是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，既不是絕對(duì)的無序，也不是完全的有序，而是處于某個(gè)微妙的平衡狀態(tài)，這種平衡的打破或者移動(dòng)都會(huì)影響我們的正常功能。

研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于正常人，一些有心臟疾病的人的心率表現(xiàn)出過高或者過低的熵值。相比于年輕人，老年人的心率的熵值明顯地下降，反映出心臟功能的衰退。同樣，針對(duì)大腦功能的研究也發(fā)現(xiàn)，很多疾病中正常大腦的復(fù)雜性受到了破壞，在某些腦區(qū)表現(xiàn)出反常的增加或者降低。比如在阿茲海默癥患者（Alzheimers Disease）的腦中，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能的大腦前額葉（Prefrontal cortex）表現(xiàn)出熵值的明顯降低。這一方面反映出前額葉和大腦其他區(qū)域的連接被破壞，對(duì)其他腦區(qū)的調(diào)控能力減弱，另一方面也反映了大腦前額葉變得沒那么有彈性，大腦的學(xué)習(xí)和記憶等相關(guān)功能受到了破壞。

向左走向右走？

到底是更有序還是更無序好呢？這還真是左右為難吶。這種看似矛盾的現(xiàn)象恰恰反映出一個(gè)高效系統(tǒng)的特點(diǎn)：混沌和規(guī)律的有機(jī)結(jié)合。如果一個(gè)系統(tǒng)過于規(guī)律，就會(huì)變得刻板，缺乏變通，面對(duì)變化的外界環(huán)境不能很好地適應(yīng)。相反如果一個(gè)系統(tǒng)過于無序混亂，那么系統(tǒng)內(nèi)部缺少必要的協(xié)調(diào)和同步，不需要外界刺激，可能自身就已經(jīng)分崩離析了。正如我們的老祖宗所說，凡事要執(zhí)兩用中，過猶不及。endprint