引言

復(fù)雜性引出了許多問題。列舉少許為例：為什么許多復(fù)雜事物看上去都具有目的性或以某種巧妙的方式適應(yīng)某物？復(fù)雜事物與簡(jiǎn)單事物有何本質(zhì)區(qū)別？復(fù)雜事物在理論上是如何可能的？概率上完全不可能的事物到底是如何產(chǎn)生的？對(duì)這類問題的疑惑促使我去做研究和寫這本書。通過研讀前人的成果并不斷提升自己的認(rèn)識(shí)，我意識(shí)到無法回避背后的進(jìn)化機(jī)制。這里所說的進(jìn)化，比生物課上講授的物種起源的過程要更為廣義。我說的是許多表面上看似無關(guān)的活動(dòng)背后共同的邏輯。這種邏輯可以視為一種特殊的計(jì)算策略，這種策略的執(zhí)行會(huì)產(chǎn)生出原本不可能出現(xiàn)的復(fù)雜事物。

許多學(xué)者會(huì)將這種計(jì)算的觀點(diǎn)歸類于哲學(xué)解釋的信息學(xué)派。在我看來，計(jì)算的觀點(diǎn)讓許多原本很模糊的概念和討論變得精確。例如進(jìn)化的精確定義就可以不依賴于生命科學(xué)。我給出的定義就可以適用于實(shí)現(xiàn)了進(jìn)化計(jì)算的所有系統(tǒng)。用計(jì)算來定義進(jìn)化可以使這個(gè)概念更為廣義，并且不失精確性。其他好處包括，可以將計(jì)算的概念推廣到看似非計(jì)算的領(lǐng)域，澄清了熱力學(xué)對(duì)進(jìn)化過程的作用，也澄清了復(fù)雜性的研究。

大部分圖書館都藏有關(guān)于生物進(jìn)化和以各種方式解釋我們周圍的物理世界的優(yōu)秀書籍。然而雖然有這么好的資源，最近由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金資助的一項(xiàng)調(diào)查卻發(fā)現(xiàn)，只有45%的美國(guó)人認(rèn)為人類是由其他動(dòng)物進(jìn)化而來，只有33 %的人接受大爆炸是宇宙的起源。如果我們的文化排斥科學(xué)技術(shù)，這樣的結(jié)果還好理解，問題是我們不是。美國(guó)人早于其他國(guó)家很多年就接受了科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來的技術(shù)成果，并且經(jīng)濟(jì)也因此而受益。諷刺的是，科學(xué)在總體上很受推崇，但科學(xué)知識(shí)的一些部分卻由于非科學(xué)的原因受到排斥。最為典型的就是對(duì)生物尤其是我們自己是源自進(jìn)化的觀點(diǎn)的排斥。從計(jì)算的角度認(rèn)識(shí)進(jìn)化可以凸顯出這種排斥的矛盾性，一個(gè)人如果承認(rèn)計(jì)算機(jī)和大部分人類技術(shù)都服從進(jìn)化機(jī)制，就沒有理由否認(rèn)生命進(jìn)化。書中我將闡明，不僅生物的存在有賴于進(jìn)化計(jì)算，你的身體抵抗感染的能力，人類學(xué)習(xí)新概念的能力，支撐現(xiàn)代生活的技術(shù)，以及作為社會(huì)基石的各種組織都有賴于此。

近年來，一個(gè)新的科學(xué)和數(shù)學(xué)研究領(lǐng)域?qū)ξ覀兊娜粘Ｉ�活越來越重要。這個(gè)領(lǐng)域就是計(jì)算機(jī)科學(xué)。數(shù)字革命正迅速改變?nèi)藗兊男袨楹退季S方式。與此同時(shí)，這個(gè)新的視角也在改變科學(xué)家們對(duì)物理、生物學(xué)和工程等傳統(tǒng)領(lǐng)域的理解和認(rèn)識(shí)，并且?guī)椭�我們將它們緊密結(jié)合到一起。

將技術(shù)、生物學(xué)和計(jì)算機(jī)連接到一起的兩個(gè)重要概念是信息和進(jìn)化。我認(rèn)為，要正確理解進(jìn)化，就必須借助信息的概念。這是因?yàn)檫M(jìn)化本質(zhì)上就是積累信息。讓人吃驚的是，信息的本質(zhì)問題是哲學(xué)家、

物理學(xué)家和生物學(xué)家持續(xù)不斷的爭(zhēng)議和混淆的源頭。信息一詞在不同領(lǐng)域甚至在同一領(lǐng)域中都并不總是意味著相同的事情，雖然這些領(lǐng)域有共同的主題。有趣的是，在計(jì)算機(jī)科學(xué)中似乎沒有什么爭(zhēng)議。這可能是因?yàn)闆]有清晰的定義這個(gè)領(lǐng)域就不可能存在，也有可能是因?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)實(shí)在的本質(zhì)非常重要。

我是生物學(xué)家，同時(shí)又對(duì)一些更大的問題感興趣，信息的問題至少有3個(gè)方面讓我感興趣。第一，任何一個(gè)現(xiàn)代生物學(xué)家都認(rèn)識(shí)到，如果不徹底理解DNA中的信息是如何引導(dǎo)生物體的形成，就不可能徹底理解生命。第二，從計(jì)算的角度更容易理解進(jìn)化的過程。根據(jù)這種思想，只要遵循特定的信息操作和累積策略，進(jìn)化就會(huì)發(fā)生。在書中我將這個(gè)策略稱為復(fù)雜引擎。第三，任何有意義的復(fù)雜性，無論是不是生物，都只有通過廣義的計(jì)算過程才有可能實(shí)現(xiàn)。這個(gè)觀點(diǎn)看似不對(duì)甚至荒謬，但我希望隨著閱讀的深入，我能說服你接受這一點(diǎn)。

生命和人類的公司似乎都表現(xiàn)出了高度的創(chuàng)新性。對(duì)此進(jìn)行深入闡釋是本書的主題之一。大多數(shù)人都會(huì)認(rèn)為，從創(chuàng)新的角度來說，刺猬要比同等大小的花崗巖復(fù)雜得多。如果將進(jìn)化視為計(jì)算，就能精確解釋為什么刺猬要比花崗巖復(fù)雜。

進(jìn)化計(jì)算一旦在某個(gè)物理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這種創(chuàng)新計(jì)算往往能產(chǎn)生出原本不可能存在的復(fù)雜產(chǎn)物。事實(shí)上，進(jìn)化和創(chuàng)造性的聯(lián)系極為緊密，很有可能我們遇到的所有具有創(chuàng)造性的復(fù)雜事物都只有通過進(jìn)化計(jì)算才有可能。

將達(dá)爾文的思想推廣到非生物學(xué)領(lǐng)域，尤其是社會(huì)科學(xué)，并不新鮮；但我的一個(gè)目標(biāo)是尋找進(jìn)化的精確定義，從而回答以下問題：（在達(dá)爾文的意義上）過程X到底是不是進(jìn)化？我在第5章給出的計(jì)算性定義達(dá)成了這個(gè)目標(biāo)。從信息的角度理解進(jìn)化也不新鮮，但即便是我的很多生物學(xué)同行，雖然已經(jīng)是很成功的科學(xué)家，并且也完全接受達(dá)爾文的觀點(diǎn)，仍然有許多人并沒有認(rèn)識(shí)到進(jìn)化計(jì)算的威力以及它在生物學(xué)以外的作用。

從2500年前的柏拉圖和亞里士多德開始，復(fù)雜性的起源就一直讓許多最杰出的哲學(xué)家著迷。這方面目前最活躍的領(lǐng)域之一是宇宙學(xué)，物理學(xué)家在探討關(guān)于宇宙起源和本質(zhì)的基本問題。目前討論的一個(gè)熱點(diǎn)是嘗試將已經(jīng)證明了的理論計(jì)算機(jī)科學(xué)的原理應(yīng)用到物理學(xué)。用MIT的理論物理學(xué)家塞思·勞埃德的話說，我們可以從數(shù)學(xué)上證明，一個(gè)計(jì)算的宇宙必然 有高度的可能性 產(chǎn)生越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。還有觀點(diǎn)認(rèn)為，沒有計(jì)算就不可能有復(fù)雜的結(jié)果。這里的計(jì)算定義為操作信息的過程。

我在這本書中呈現(xiàn)的思考開始于20年前，1993年我第一次讀了道金斯的《盲眼鐘表匠》。當(dāng)時(shí)我在給大一新生教生物學(xué)導(dǎo)論。我采用的教材詳細(xì)介紹了進(jìn)化，我講起來沒什么困難，大部分初次接觸這個(gè)主題的學(xué)生也能夠接受。但我還是感覺到這種標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)化闡釋似乎缺少了某種重要的東西。

為了豐富教學(xué)內(nèi)容，我讀了道金斯的書。坦白說，我自己也想學(xué)習(xí)一下。我在大學(xué)的專業(yè)是物理學(xué)，研究生專業(yè)則是生物物理學(xué)。我沒有接受過關(guān)于進(jìn)化的科班訓(xùn)練。不過，生物進(jìn)化的事實(shí)不是問題。我的專業(yè)主要是研究DNA序列，對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的人來說進(jìn)化是每天都要面對(duì)的事實(shí)。讀道金斯的書讓我重新認(rèn)識(shí)了信息在進(jìn)化概念中的核心地位。我甚至在書的空白處寫下信息才是重點(diǎn)。但當(dāng)時(shí)我并沒有徹底領(lǐng)會(huì)其意義。

后來故事的發(fā)展超出了我的想象。一旦理解了信息和進(jìn)化的關(guān)聯(lián)，就能夠解釋許多表面上沒有明顯關(guān)聯(lián)的事物�，F(xiàn)在我明白了，我們?cè)谌粘Ｉ�活中關(guān)注的大部分事物，用進(jìn)化的信息可以得到最好的解釋。結(jié)合了信息的進(jìn)化策略的力量是如此強(qiáng)大和具有說服力，我開始認(rèn)識(shí)到，復(fù)雜事物的形成機(jī)制應(yīng)當(dāng)作為我們整個(gè)教育體系所教授知識(shí)的基石。令人遺憾的是，直到2013年，在大多數(shù)大學(xué)的課表里還是很難找到講述這兩個(gè)概念之間的相互關(guān)聯(lián)的課程。這本書的讀者對(duì)象包括專家、學(xué)生和普通讀者，同時(shí)我也希望它能推動(dòng)創(chuàng)建新的創(chuàng)造性課程，探討信息、計(jì)算和進(jìn)化對(duì)人類境況的意義。

我在這里給出的綜合，任何受過教育的人通過廣泛閱讀也可以做到。不過，有引導(dǎo)的話會(huì)更方便。部分問題在于，要理解進(jìn)化和信息的相互依存，人們需要用許多非計(jì)算機(jī)學(xué)家感到陌生的視角來認(rèn)識(shí)世界。自學(xué)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是死胡同。我曾花費(fèi)1年時(shí)間研究進(jìn)化的熱力學(xué)，最后發(fā)現(xiàn)這條路并沒有什么助益。我最終認(rèn)識(shí)到，進(jìn)化過程從計(jì)算的角度理解才最有意義。一旦完成了觀念上的跨越，對(duì)進(jìn)化的熱力學(xué)的理解就如同理解電腦為什么要插電才能工作一樣自然。之前進(jìn)化的熱力學(xué)的神秘性消失了。另一個(gè)錯(cuò)誤的方向是對(duì)進(jìn)化定律的研究。我曾認(rèn)為，進(jìn)化過程應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出某種規(guī)律性，可以表示為簡(jiǎn)單的定律形式。150年來，許多極具才華的人都在尋找這樣的定律。其中最大的成就是區(qū)分了達(dá)爾文理論的兩大柱石，多樣性產(chǎn)生和選擇，并且闡明了多樣性增加和自然選擇的定律。這并不能讓人滿意。從計(jì)算的角度認(rèn)識(shí)進(jìn)化有助于解釋為什么進(jìn)化定律如此難以捕捉。

我發(fā)現(xiàn)有一條不遵循傳統(tǒng)但極富成效的研究復(fù)雜性的途徑，就是對(duì)兩類復(fù)雜事物加以區(qū)分：一類是根據(jù)簡(jiǎn)單的化學(xué)和物理規(guī)律自發(fā)形成的簡(jiǎn)單無導(dǎo)向的復(fù)雜事物，例如巖石和星系；還有一類是具有目的性的復(fù)雜事物，例如橡樹和噴氣飛機(jī)，這類事物的形成依賴于復(fù)雜規(guī)則的存在；可以將這些規(guī)則視為指令。我認(rèn)為，這些復(fù)雜的指令所包含的信息都源自進(jìn)化計(jì)算。這個(gè)觀點(diǎn)的意義深刻。

在草稿階段，我曾認(rèn)為我的論證有足夠的說服力，那些因宗教或哲學(xué)原因排斥生命進(jìn)化的人將不得不改變自己的思想，從邏輯上接受這個(gè)科學(xué)真理。現(xiàn)在我承認(rèn)這不太可能，因?yàn)檫壿嫴⒉皇钦系K。達(dá)爾文理論的邏輯已經(jīng)澄清了150年，然而還是有人拒絕接受它。對(duì)這些人來說，從更廣義的角度思考進(jìn)化，用統(tǒng)一的理論解釋生命、免疫系統(tǒng)、人類思維、科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)，也許同樣無法令其信服。人們排斥進(jìn)化過程的解釋效力和創(chuàng)造性的原因往往并不是基于科學(xué)邏輯，而是因?yàn)楹ε�。一些人害怕深刻的認(rèn)識(shí)會(huì)有損他們的信仰，只會(huì)帶來絕望而不是希望，對(duì)于這些人我想說的是，具有無限創(chuàng)造性的宇宙也許并不會(huì)那么讓人沮喪。

還有其他作者也提出了生命的進(jìn)化利用了簡(jiǎn)單的信息處理策略的思想。丹尼爾·丹尼特將這個(gè)策略稱為進(jìn)化算法。道金斯強(qiáng)調(diào)復(fù)制因子能夠復(fù)制自身的實(shí)體 的關(guān)鍵作用。而我強(qiáng)調(diào)的則是組織成指令形式的信息的重要性，以及包含了復(fù)制、變化和選擇的進(jìn)化過程（基于道金斯復(fù)制因子的丹尼特算法）是創(chuàng)造這種信息的唯一可行途徑。

我給出的視角為理解世界提供了一條路徑，這條路徑最近才由物理、哲學(xué)等各領(lǐng)域的思想家編織成一個(gè)整體，還沒有被廣泛認(rèn)可為一個(gè)正式的領(lǐng)域。這個(gè)綜合依賴于計(jì)算機(jī)科學(xué)的深刻原理，但理解它不需要精通計(jì)算機(jī)理論。我沒有列出數(shù)學(xué)公式，因?yàn)樗�涉及的�?shù)學(xué)十分抽象，會(huì)讓大部分讀者望而卻步，而且這些數(shù)學(xué)對(duì)于理解核心思想并不是必需的。

在發(fā)展這些思想時(shí)，我驚訝地發(fā)現(xiàn)目的和創(chuàng)造性這樣的人文理念也可以從計(jì)算的角度來解釋和理解。我們將看到，目的可以通過重復(fù)的選擇自然涌現(xiàn)出來，創(chuàng)造性則是許多進(jìn)化系統(tǒng)的自然產(chǎn)物。我認(rèn)為，本質(zhì)上，所有創(chuàng)造性都來自源源不絕的隨機(jī)性，更準(zhǔn)確地說是隨機(jī)選擇。進(jìn)化過程有效地利用了這個(gè)資源，一旦適當(dāng)利用，一切皆有可能。如果沒有見過章魚或電腦，誰能想象它們的存在呢？

被認(rèn)為最有效的科學(xué)認(rèn)識(shí)世界的方法一次又一次發(fā)生根本性改變，這被稱為范式轉(zhuǎn)變。由于科學(xué)和社會(huì)的聯(lián)系變得如此緊密，這些轉(zhuǎn)變會(huì)深刻影響人類對(duì)自身及其境況的認(rèn)識(shí)。許多人包括我在內(nèi)都認(rèn)為科學(xué)和社會(huì)正處于這樣的轉(zhuǎn)變之中。過去三四百年間發(fā)現(xiàn)的許多科學(xué)原理都表述為描述宇宙特定方面規(guī)律行為的數(shù)學(xué)公式。牛頓的萬有引力定律就是很好的例子。他給所有物體都賦予了質(zhì)量屬性，然后提出假說，認(rèn)為所有質(zhì)量之間都有被稱為引力的相互作用力。萬有引力定律提出，這種力的大小正比于兩者質(zhì)量的乘積除以兩者距離的平方。這個(gè)關(guān)系簡(jiǎn)單而具有普適性。牛頓之后（他于1727年去世），科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了大量刻畫物理世界規(guī)律性的簡(jiǎn)單關(guān)系。

看到數(shù)學(xué)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)帶來的巨大成就，人們很難不認(rèn)為，只要發(fā)現(xiàn)了適當(dāng)?shù)姆匠�，一切都可以描述。基于方程的世界觀的一個(gè)后果是

決定論。簡(jiǎn)單的方程嚴(yán)格可靠：填入同樣的數(shù)字總是會(huì)得出相同的結(jié)果。但生命并不是這樣，更不要說人類社會(huì)。簡(jiǎn)單的關(guān)系不能解釋一切。許多現(xiàn)象都太過復(fù)雜，無法用簡(jiǎn)單的方程描述。沒有方程能替代基于計(jì)算機(jī)的字處理軟件，如果生命的歷史可以重來，沒有理由認(rèn)為結(jié)果會(huì)一樣。恰恰相反，進(jìn)化論認(rèn)為，如果生命的起源和演化可以一次又一次重演，每一次的細(xì)節(jié)都會(huì)不同。與此類似，與我們?cè)谖锢韺W(xué)中期望看到的可預(yù)測(cè)性不同，人類的行為也具有不可預(yù)測(cè)性。這表明我們需要有新的認(rèn)識(shí)和探索世界的方法。

越來越多各領(lǐng)域的學(xué)者認(rèn)為這個(gè)新的方法就是信息。我們生活在信息時(shí)代。數(shù)字化無處不在：手機(jī)、電影、鐘表、股市，你還可以舉出很多。計(jì)算機(jī)讓越來越多的活動(dòng)變得更加迅速和可靠。設(shè)計(jì)汽車需要它們，沒有它們飛機(jī)就無法起飛，智能手機(jī)和家用電器都使用微處理器。變化的不僅是這些物品，也包括科學(xué)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。量子力學(xué)被用信息重新解讀。1990年，20世紀(jì)最著名的理論物理學(xué)家之一，普林斯頓大學(xué)的約翰·惠勒，提出萬物源于比特，以強(qiáng)調(diào)信息在我們的物理宇宙中的基礎(chǔ)性作用。他希望這句話能激發(fā)學(xué)術(shù)界重新思考怎樣從最根本的層面認(rèn)識(shí)宇宙。MIT的機(jī)械工程教授賽斯·勞埃德認(rèn)為這條思路最有可能解決目前物理學(xué)的最大挑戰(zhàn)。生物學(xué)也越來越像信息科學(xué)。50多年前發(fā)現(xiàn)DNA在其化學(xué)結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)了生物的描述信息。這種信息是怎樣被用于構(gòu)造和維護(hù)生命體是現(xiàn)在許多生物學(xué)研究的重點(diǎn)。心理學(xué)家也在逐漸接受人腦的首要功能是處理信息的觀點(diǎn)。社會(huì)組織及其互動(dòng)也越來越多地用信息和進(jìn)化來解釋。

用一個(gè)詞描述信息處理，就是計(jì)算。任何信息操作都可以被認(rèn)為是計(jì)算，計(jì)算機(jī)科學(xué)就是研究信息操作的局限和潛力的科學(xué)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)科學(xué)在20世紀(jì)40年代成為一個(gè)正式的研究領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)在戰(zhàn)爭(zhēng)中需要建造計(jì)算機(jī)破譯密碼和計(jì)算彈道。今天這個(gè)領(lǐng)域在理論和實(shí)踐上都發(fā)生了巨變。

從物理學(xué)到社會(huì)科學(xué)，幾乎所有領(lǐng)域都從信息和信息操作的角度被重新審視。因?yàn)榛�于信息的觀點(diǎn)經(jīng)常能帶來更深刻的認(rèn)識(shí)，并解決一些難題。這本書中介紹了一些例子。我本人是生物學(xué)家，因此我舉的許多例子都來自生命科學(xué)，但是我相信這本書同樣也屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)和哲學(xué)。

書中每一節(jié)的標(biāo)題都是一個(gè)問題。這反映了科學(xué)的特性，從根本上說，科學(xué)就是問問題和回答問題。這能讓我的寫作更專注，希望對(duì)讀者也是如此。

最后是免責(zé)條款。在向非專家讀者介紹學(xué)術(shù)尤其是數(shù)學(xué)概念時(shí)，必須簡(jiǎn)化，直指概念的本質(zhì)，而不能糾纏于技術(shù)細(xì)節(jié)。如果不具備背景知識(shí)，通常很難正確完整地理解專業(yè)概念。因此，肯定有些專家會(huì)質(zhì)疑我的闡釋。這時(shí)他們應(yīng)當(dāng)問一問，這里給出的簡(jiǎn)化是否具有誤導(dǎo)性，以至于還不如不向讀者解釋？或者只不過是缺少細(xì)枝末節(jié)？