我们的世界真的存在吗

[ 2009-12-06 16:36:55 | 上传: admin ] 作者：柴立和http://www.21chinaweb.com/article.asp?id=90
关于作者：清华大学热能工程系，工程热物理专业博士，天津大学环境科学与工程学院，副教授。曾研学于东京大学机械工程系热科学与复杂系统分子动力学实验室，为日本学术振兴会外国人博士后特别研究员。获‘刘仙洲奖’，‘西门子奖’，‘航天海鹰杯十佳学术新秀’，‘清华大学特等奖’，第五届北京青年科技论文二等奖，第三届全国信息获取与处理学术会议优秀论文三等奖等。基金项目“国家重点基础研究发展计划(973计划)”课题负责人。在国内外学术期刊和国际会议上已经发表论文40余篇，其中10篇已被SCI收录，20余篇已被EI收录。

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本文“自由式阅后感”转引计算士，在正文标注为“计注n”（n=1,2,…,22）
关于计算士：目前香港求学，在读博士，深度关注复杂系统与信息论。是jake集智club（http://www.swarmagents.cn/）的活跃成员之一。
计算士的博客：http://www.swarmagents.cn/bs/viewforum.asp?id=11953&UrlTail=
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（本文及评注的转载已获柴教授和计算士授权，特此感谢）

摘要
本文提出了基于关系实在的新本体论、认识论和方法论，认为最大流原理或最大广义信息熵原理是宇宙第一法则。直观说来，这种宇宙第一法则就是计算或感知关系实在的联系及耦合或复杂性（信息或熵），并在约束条件下使之最大化。最大流原理是经典最大信息熵原理的延伸，由于广义信息熵与热熵之等价性，它也可包含已有的开放系统的熵原理、负熵原理、最大熵产生原理等。利用最大流原理就足以产生目前所有的科学理论：经典力学、熵定律和复杂性定律（含复杂性科学、量子引力理论、宇宙大爆炸理论、广义进化论）等。证明了经典力学中所谓的宇宙绝对客观性只能是极度受限的简化或近似、只在局域或小尺度内存在，从普适意义上讲，时空、物质、生命、宇宙、有序结构、复杂系统等万物其实都是基于关系实在的、满足最大流原理的信息过程而产生的。本理论在研究具体复杂系统方面已有广泛的应用。
关键词 关系实在；信息熵；最大流原理；广义信息熵原理

Does Our World Really Exist
Chai Lihe
(School of Environmental Science & Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072)

Abstract: Basing on relational reality, new ontology, epistemology and methodology are proposed, with maximum flux principle or maximum generalized information entropy principle as the first law in nature. Intuitively, the first law in nature is to calculate or sense interplays, correlations or complexity (information or entropy) of relational reality, and then maximize it under constraints. Maximum flux principle is the extension of classical maximum information entropy principle, and can include available entropy principle, negentropy principle or maximum entropy production principle of open systems, due to the equivalents of generalized information entropy and thermal entropy. Basing on maximum flux principle, all available scientific theories can be produced: classical mechanics, entropy law and complexity law (complexity sciences, quantum gravity, universe big bang, generalized evolution) etc. It is verified that so called absolute universe objectivity is only extremely restricted simplification or approximate, or exists only in local small scales. Generally speaking, space-time, matter, life, universe, ordered structures and complex systems etc are all generated by informational processes basing on relational reality and maximum flux principle. Specific applications of the present framework to complex systems are widely conducted.
Keywords relational reality; information entropy; maximum flux principle; maximum generalized information entropy principle



1 引言

芸芸众生、莽莽宇宙、世界的沧桑巨变，究竟满足什么规律？即其内在变化的动力是什么？是经典力学、相对论或量子力学吗？是经典熵原理吗？是最大信息熵原理吗？……换一个角度，这实际上是问，真实世界到底是一件不过是早已存在客观的事实（动力学、运动、力、物质、能量、可逆、确定、简单等），还是一切都在变化之中、且是人类主观心智的建构、或甚至只是一种想像而导致的演化（熵、信息、不可逆、时间之矢、量子力学的猫悖论、随机、复杂等）？这些问题给国际哲学界、物理学界乃至全人类都带来了困惑和迷茫。
为了理解我们这个充满困惑的世界，现代科学坚持用机械还原的眼光来看世界，一切不过是机械运动，满足牛顿力学、电磁力学、相对论、量子力学等可逆、简单、可预测的动力学。似乎宇宙一切都是先天存在的、客观的、不依人的意志为转移的。目前的研究工作已经非常艰深地推进到量子场论、量子引力、超弦理论等这样的前沿领域。其目标和逻辑是：为了统一四种力，沿续量子理论的传统，而去额外地制造更多的结构、更多的定义和更多像科幻一般的假设[1]。（计注1）

一点也不令人惊讶，这些研究并没有与人们期望的那样拉近与现实世界的距离。更多的时候，现实世界的一切更像满足熵原理那样充满不可逆、复杂、随机、演化，并且在某种程度上似乎一切都是依赖人的主观感受的现象。这种现实世界的图景是对现代科学前沿研究的重大挑战。

面对现实世界，而现代科学的解释又无能为力或并不令人满意，可能意味着现代科学的前沿研究在某种程度上可能需要在范式上作重大转换。或许正确的策略是扬弃是否应为抛弃？现代科学的客观实在这种思想根基、重新从零开始。革命性的第一步是沿着惠勒的思想，坚信万物都是算法，信息、测量产生物理，坚持现实世界是由认知或测量而产生的，现实世界中本质上没有绝对的客观实在性，只有关系实在（当然现代科学的客观实在是关系实在的特例，即对应关系非常简单、可还原的情形，是极端简化的，只在其应用范围内是有效的），其展示的现象世界其实就是由认知或测量区分而成的“信息世界”。正因为现实世界这种“信息”的本质，我们完全应从信息的角度提出宇宙第一法则，来描述整个现实世界[2]。（计注2）

具体说来，为了理解现实世界，我们要做的或许不再是对量子理论加以诠释，而是要重新创立量子理论；或许不再是被动地接受20世纪初物理学界以以客观实在为根基、通过经验论方式拼凑出来的那些法则，而是要把目光投向量子信息学之类的思维。证明宇宙的所有法则都是与信息获取、信息表达及信息传播相关并受到这些条件限制而得出的结果。确切地说，应从“信息”的角度，重新定义时间、空间、能量以及物质概念，并重新定义物理学的法则，从而建立一个全新的科学体系[2]。（计注3）
这当然是一个艰巨任务。其实，至今学术界尚未给出信息的准确定义，信息获取、信息表达及信息传播的原理又是什么也不清楚，因此这只是艰难的开始，我们可能会遇到永远无法跨越的大山：找不到进入信息世界的方法。当今，在实验室里，连观察到信息都显得异常艰难，更不要说进入信息世界了。如果没有全新的视角，“信息论”可能也要和“相对论”一样，成为一个实际存在但又无法证明的假说。

本文作了较大的突破。首先基于整体先于部分，大自然的本原是关系实在而不是所谓的客观实在，给出了从信息角度构造科学的依据。其次定义了广义信息熵SJ，指出宇宙第一法则乃是最大信息熵原理，即任何现象总是朝向不确定性、复杂性最大的方向，也就是信息量最大的方向发展。基于此，可重新得到目前所有的科学理论：经典力学、热二律和复杂性定律，可了解量子引力、宇宙膨胀、万物演化等。证明了时间、空间、物质、生命、社会等大自然的一切其实都是基于关系实在的信息过程而产生的，而在过去的现代科学中所谓的时空、物质或能量等客观实在现象只能是局域的、小尺度范围内的近似。文章最后讨论了本理论在具体复杂系统方面的应用。

2 理论 
2.1 大自然的新本原－从客观实在到关系实在
大自然的本原是客观实在吗？为了解释客观实在的问题所在，考虑如图1所示的三种情形：在a）的经典力学的情形下，粒子团是从有机大自然或现实世界中强硬隔离出来的研究对象，粒子团的粒子间的耦合是可积的和可还原的，除物质和能量守恒外不无其它高阶约束，是可逆的、纯动力学运动，可用力、物质和能量等物理量来描述，是一种客观实在，这正是现代科学所持的一切都是客观的、不依人的意志为转移的思路；在b）的所谓孤立系统中，有器壁（或进而涉及制造器壁的人）的限制，粒子团的粒子间有不可积耦合，粒子团是个生成性的、有机的和有关系的整体，有动量守恒之类的高阶约束，它是趋向无序的热力学行为（墨水扩散、江河日下、尸体腐烂等）出现的原因，出现了熵（信息）这样的物理量，在某种程度上暗示似乎一切都是依赖于测量或主观认知的现象，这时候的实在就不是客观实在，而是一种关系实在；
在c）的所谓开放系统中，有器壁的限制，还有来自隔板的更多限制（如有推力、受热等情形），粒子团的粒子间耦合更复杂，粒子团是更鲜明的生成性的、有机的、有关系的整体，有除动量守恒之外的更高阶约束，它是趋向有序耗散结构的热力学行为（漩涡、花朵、生命等）出现的原因，出现了熵或信息（乃至熵流、负熵、超熵）这样的物理量，这时候的实在就更不是客观实在，而是更显著的关系实在。



显然现实世界中，b）和c）的是更真实和普遍的，a）的情形是不存在或极度受限的简化，一般情况下是隔离不出来的），或者说只在局域或小尺度内存在。一句话，过去现代科学中认为经典力学情形下的可还原的粒子团类的所谓“客观实在”是大自然第一实在是有偏颇的，要重新追问：大自然的本原究竟是什么？实在究竟是什么？控制它的真是力学原理么？对比图1a）、b）和c）这样的案例，既然基于b）和c）所示的现象是更普遍的，那就可以自然地下结论
（计注4
：大自然是个有机整体，更普遍、更真实的大自然的本原是关系实在而不是所谓绝对客观实在，过去在现代科学中所谓的客观实在是不存在或极度受限的简化，或者说只在局域或小尺度内存在（病句？）。为了一般化，我们把世界的统一本原，即关系实在模型想像成图2所示的形式[3]，一个生成性的、有机的、有关系的整体，它是包含了环境因素的b）和c）的粒子团（当然a这种更简化的特例也包含，即无环境因素（病句？）），不存在一般情形下本来就很模糊的边界。显然，作为一种关系实在，其具体特性是取决于认知的（可还原的情形时，关系实在等同于客观实在，由于是最简单的特征，因此300多年来，客观实在观和动力学原理有效，而认知意义往往被忽略而无大碍 （计注5）
依据上面的分析，对这样的普适本原，只有对其进行感知或认知（当然需要消耗能量）才能把握。因此，表示感知或认知的信息、信息熵之类的物理量才是宇宙第一位的参量（确实如上所述，人们已认识到：b、c这样的情形是受熵或信息原理支配的，当然没意识到其实a也是，只不过这种情形下认知意义上的熵或信息原理完全等同于力学原理，过去忽略了也实属正常同上评论），它是比仅在受限条件下适用的现代科学之力学原理更适合作宇宙第一法则。（计注6）



过去的现代科学中的热力学和统计力学分支也试图描述现实世界的复杂性，发展了熵和信息的概念而触及到了关系实在的边缘，但由于受以客观实在为根基、以力学原理为第一法则的现代科学强大逻辑传统的影响，它们仍以图1a）的情形为第一实在，以力学原理为第一法则，以其为基础来考虑以关系实在为根基的有机现实世界，显然面临层次性、生成性、（计注7：这两个词语缺乏清晰界定，亦非约定俗成时间悖论、生命悖论、不可逆是幻象似乎应为：“无法明确解释不可逆问题”，另外，这和时间悖论、生命悖论有什么区别亦无说明、哥德尔不完备性目前来看，不可逆问题和不完备定理还是两个问题，也许有联系，但如何联系，在论文中宜说明等重大问题。）而上述模型彻底地突破了以客观实在为根基、以力学原理为第一法则的现代科学之逻辑传统，构造了关系实在，可很好地解决这些问题[3]。更重要的是，上述模型可解决实际问题，对实际复杂系统来说，图2为一个关系实在的本原，组元含义明确，符号含义确定，是一个具体的复杂系统模型。

2.2 关系实在的描述：广义信息熵及约束的定义

过去的现代科学主要面对客观的实在，描述其的物理量是力。提出图2所示新本原（关系实在）作为宇宙第一普适的实在后，应考虑刻画它的新物理量。如上所述，这种关系实在作为一种生成性的、有机的、有关系的整体本原，它是一种感知或认知的结果，或只有通过感知才能对其把握，应用表示感知的信息（熵）及信息（熵）原理作为第一法则来描述它。（计注8：
是谁在认知？谁在观察？什么被观察？能不能区分出观察者和被观察者？如果不能，为什么？这个问题是重中之重，不能妥协，不能模糊，不能回避。）
因此必须从认知的角度重新拓展信息（熵）以描述这种关系实在。我们的出发点是，表示对关系实在的感知特性的物理量应是一种耦合（矛盾运动、有机作用、关联、联系等）、一种计算或一种认知，它是宇宙第一法则。说它是宇宙第一法则一点都不为过，（计注9）
其实类似图1a）中那样针对所谓客观实在的力学过程也是耦合、计算或认知，不过是最简单的耦合、计算或认知而已（即对可还原的情形，关系实在等同于客观实在，因此300多年来，客观实在观和动力学原理有效，而认知意义往往被忽略而无大碍与前文重复）。作为关系实在的新本原与过去可还原的原子式的客观实在本原比，只是会有更复杂的耦合或计算（即高级别的联系或区分），从图1a）至1c），我们发现联系或区分的级别越来越高。因此不失一般性，针对图2所示的新本原（关系实在），应把各种耦合包含进去定义算法复杂性或广义信息熵。设新本原内相互作用的n个组元为X1, X2, …, Xn，各组元的驱动力设为x1, x2, …, xn，则写成向量的形式可表示为x=(x1, x2, …, xn)，在此基础上可自然地定义新本原的广义信息熵SJ为[4-5]：


式（1）中高阶作用形式表征系统中各组元之间的复杂相互作用：无穷的高阶形式表征了开放系统的不断变化、时空不断变化等特征（体现了主客体作用的复杂性，不同于过去的单纯本体论意义上的客体复杂性，也不是单纯的认识论意义上的复杂性）。

不难发现这应是信息（熵）的普适定义，它有相关性、平均描述长度、逻辑深度等描述熵、信息、复杂性的内涵（事实上可以严格证明其是Boltzmann-Gibbs-Shannon信息熵的广义形式）[6]。

在过去的现代科学的体系中，立足于所谓的客观实在，图1a）为经典力学，b）为封闭系统的Boltzmann熵，c）为开放系统的热熵、熵流、负熵，分别刻画着不同的世界，统一很困难，只能分层次来描述。在此我们以关系实在为根本，基于信息（熵）对微观、中观和宏观的世界作出统一描述。从图1a）至1c），不同情形下的物理量如力、信息（熵）的区别仅在于耦合方式或级别不一样而已。开放程度越高，耦合方式或级别越复杂。确实不难发现，这种描述关系实在的信息熵这种似乎带有主观性的量与过去的适用于1a）的牛顿力（或能量）、适用于1b）的Boltzmann熵、适用于1c）普里高津和薛定谔提出的热熵、熵流、负熵等完全有特定关系。其实，此处的广义信息熵是一种表示感知的物理量，但也是离不开物质和能量的，当然也是比它们更高级的，是过去认为的力（能量）、经典熵、热熵流、负熵流（与能量联系在一起）等的广义统一形式。正如学术界猜测的：广义信息熵与开放系统的热熵、负熵、熵产生等有等价性。当用于描述生成性的宇宙或最初的物质起源时，一开始的感知信息熵应来自真空能。

约束条件为



它包含物质和能量守恒，也包括动量守恒之类及以外更高阶约束（产生牛顿定律只需要低阶约束），是约束的通用表示方法。同理，它可以反映从图1a）至1c）的各种情形，开放程（强）度越高，越复杂的耦合方式或级别导致越高阶的约束。

上述的广义信息熵SJ是一个破天荒的新物理量，是熵和信息的重大新理解和拓展。它的引入方式不像现代科学分支热力学那样基于热力学熵的卡诺循环，也不像现代科学分支统计力学那样基于几率或粗粒近似的Boltzmann熵方式，而是从对关系实在的认知的角度引入的。（计注10）
与信息论中现有的Shannon信息及各种延伸定义相比（仍起源于Boltzmann熵），Shannon信息基于信息编码结构形式而不管信息内容，但信息应用与信息的价值恰好是基于信息内容，因此仅从信息形式而不管信息内容来研究信息是难以真正揭示信息本质的。相反，SJ则可反映内容，体现在各种可变的耦合上。（计注11）
总之，熵和信息的神秘性终于破除了。过去的开放系统的熵、负熵、活力、组织力、生命力、生成之妖、冲动等颇具神秘性的概念其实联系着本文提出的广义信息熵SJ。更重要的是，我们对信息熵的定义是去除哲学、社会学上的内涵，从科学、数学的角度提出信息的表达式，并试图重构整个科学。

2.3 宇宙演变的第一法则：最大流原理
依据上述定义的广义信息熵及约束，提出新原理作为宇宙第一法则：最大流原理或最大信息熵原理（直观说来，即不断地试图无偏差地感知或找到所需的象（（计注12：这个理解我非常赞同，觉得颇有值得深挖之处）
或者说是热熵最大、负熵最大、熵产最大等）。它为什么成立，从认知的角度来看，这非常好理解。现象世界本来就是因区分而成的，现象世界存在的根本前提就是我们自己的区分或认知。现象世界正是由这种细微的区分所形成的图像。只要我们还有现象世界的图像，就说明我们的区分还在不停的进行之中。因此，无止尽的区分就是这个现象世界形成的必然原因，现象世界也必然因此带有因不断的区分而导致的某种属性。不断的区分，（计注13：
漂亮，说的漂亮！佛学中的“识”，就是在讲区分导致了大千世界。为什么信息要取log？以2为底的话，每取一次，概率空间就缩小一半，最后从一个非常大的概率空间缩小成完全确定的1。）
从信息学的角度看，就是信息量不断的增加，反映在现象界，就是现象总是朝不确定性最大的方向发展，这就是最大信息熵原理，也是作为特例的熵增原理之所以成立的根本原因。
（计注14）
从数学说来就是让式（1）在约束条件式（2）的条件下最大化，由Lagrange优化，得广义概率分布函数

（计注15:不知您是否注意到，得到的结果具有类复数的表达形式。您是否考虑过作为复数的概率？）
上式是拓展的刘维算符及演化方程的解。对现代科学描述的对象而言，正如图1a）所示的经典力学情形，可还原的客观实体不是一个有机整体（关系实在），或只是一个极度简化的有机整体（关系实在）而已，整体可还原成部分的简单合成，无高阶耦合，耦合是可积的、可分离的，式（3）退化成经典力学和量子力学中的刘维方程（与牛顿方程和哈密顿方程等价，仅是作为计算工具的系综概率形式，是可分离的分布函数，等价于轨道）之概率，概率对应流刘维方程的概率，则所作的变换Ut都是Unitary变换，是无时空破缺的整群，等价于轨道，无不确定性，无时间方向等，一切都是客观的、理性的。

这意味着，利用基于关系实在的、满足最大流原理(计注16:您似乎并未说明您的公式和最大流的关系)的信息过程完全可以产生现代科学，只不过这是一种极端特殊的情形。一旦排除现代科学描述的简化情形，对更真实的新本原（关系实在），正如图1b）和c）所示的情形，由于高阶耦合存在，式（3）则给出了一种新的数学结构。它是一种广义概率，给出的是一种新动力学解。若看作扩展的刘维算符，其具有非正则性和非Hermitian，对应的谱表征（用特征值和特征函数来表示）中，特征值不是常数，特征函数也是奇异函数，在希尔伯特框架之外的受控希尔伯特空间或盖尔范德空间，暗示着一种新动力学。概率不再等价于轨道（个体描述和群体描述等价性被打破），eF是个半群变换Wt=ΛUtΛ-1（Λ有非局域性）或时空对称破缺算子。式（3）作为新动力学方程的概率表示，是Fokker-Planck方程、Boltzmann方程、主方程等动理力学方程的解，与刘维方程解有本质区别，是传统动力学系综概率（等价于轨道）的推广。依新演化算符及谱分析，引入非正则变换xk，由式（3）自然推得Langevin式的新动力学方程[7]


方程（4）反映了通过图2中组元x1, x2,…xn之间的复杂相互作用形成有序结构的动力学过程和机理（注：若组元间只存在短程作用、无记忆的短时作用，高阶项可忽略，广义信息熵SJ自然退化成经典Boltzmann熵(计注17这个我非常感兴趣，能否写一个小帖以通俗易懂的方式科普一下？)，此时Sk=0，上式即为经典Langevin方程，它导致趋向平衡态的标准指数概率分布，也即趋向无序的熵增范式）。具体说来，广义信息熵及其最大化原理会导致涌现出有序结构，实际上是产生沿lk>0模式的最小流动阻力或最大流量的流动（即形成特定构形或流动）。直观看来，由于组元xi的不断时空演化，对应图2所示的网络前峰就不断在以最小阻力的形式流动并持续变形，就像一团流体，从而导致复杂系统结构的演化。因此，宇宙万物的演化实际上就是如图2所示的生成性网络或一团流体（或气）在时空上以最小流动阻力或最大流方式的蔓延，条件允许，其往往会形成发展层次分形结构[5]。因此，如图3所示，方程（4）非常形象地给出了墨水扩散、宇宙起源、量子时空、生命起源、组元作用的变化导致的复杂系统结构形成等万物的演化过程，形象而直观地解释了宇宙万物演化的内在法则。(计注18:这点真的非常重要，能否请您再写个帖，做一个计算机模拟，展示一下这一团组元是如何实现“墨水扩散”的结构的？)
所谓的宇宙的绝对客观性不存在了，或者说只能是极度受限的简化，或者说只在局域或小尺度内存在。更普适的解释应是，时空、物质、生命、宇宙、有序结构、复杂系统等万物都是基于关系实在的信息过程而产生的，这种信息过程按上述方程（4）运作，它第一次看到了隐藏在世界背后的深层次法则，创造从物理到社会的各种现象：生命、心智和社会等复杂演化。(计注19:还是缺乏对信息处理的主客体（如果可以这么区分）及其具体过程的说明。一团“关系实在”的演化，并没有突破“实在”的范畴，如何就忽然摇身一变，变为“信息”了？值得注意的是，对对象进行统计、计算其信息熵，在传统科学的很多方面，都有非常完善的应用，但仅仅是这个行为本身，并不足以自动凸显信息熵的重要意义。我还是那个观点，信息，如果仍然仅仅被看做是一种统计指标，突破就无从谈起。)
如图3或图1b）或c），我们的宇宙创生不再与奇点相联系，而比拟于信息过程(计注20:
什么是信息过程？该概念尚无具体说明)
的相变或分岔。同理，我们的量子夸克的创生也不再与奇点相联系，也比拟于信息过程的相变或分岔。生命的Big Bang和意识的Big Bang也同样如此。(计注21:怎么意识就big bang了，在缺乏具体说明的情况下引入这个论断，容易使读者混淆。)


总之，这相当于基于感知或认知的信息产生了所有的科学理论：经典力学、热二律和复杂性定律（含量子引力理论、宇宙大爆炸理论）等。具体说来，上述方程是从一般角度导出的（包括经典的和量子的），可作为修正的哈密顿方程（清除粗粒化）、修正的薛定谔方程（清除塌缩-粗粒化）、修正的爱因斯坦场方程（清除奇点-粗粒化），直接描述墨水扩散、复杂系统结构演化、量子生成演化、宇宙大爆炸演化等。
原则上一切问题均可由方程（4）来描述，尽管需要重构求解才行（即不断感知获得数据来重构，这本应如此）。当然目前较成熟的应用主要还是在如墨水扩散这样的中观领域的复杂系统，目前形成了提出如图2所示的本原、提法则、导方程和计算的应用思路[8-9]。(计注22:既然您的文章已经发表在Physica A这样的权威杂志上，看来也许您已经有一些具体的例子了。我需要看更多您的具体例子才能进一步判断。)
3 结语 
本文构造了世界的新本原，找到了信息的定义，提出了世界运行法则。本框架作为牛顿力学、相对论、量子力学、经典熵原理的修正理论，可统一描述量子引力、宇宙膨胀、万物演化等，广泛的应用可由此展开。不仅揭示了中观尺度上的复杂系统演化的内在动力学，而且指出量子引力时空、宇宙暴膨、生命起源、心智进化的模型就如图3或图1b）或c）所示，异常简捷。总之，所谓的客观实在及动力学第一法则（如月亮及其规则的动力学运动的这种所谓的客观存在）只是局部的、受限的现象，时间、空间、物质、生命、社会等大自然的一切其实都是基于关系实在的、满足最大流原理的信息过程而产生的。

参考文献
[1] Frieden BR. Physics from Fisher information[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1998, p1-5.
[2] Jaynes ET. Probability theory: the logic of science[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003, p1-10.
[3] Chai LH, Shoji M. Self-organization and self-similarity in boiling systems[J]. ASME J. Heat Transfer, 2002, 124(3): 507-515.
[4] Chai LH, Wen DS. Hierarchical self-organization of complex systems[J]. Chemical Research in Chinese Universities, 2004, 20(4): 440-445.
[5] Chen LM, Chai LH. A theoretical analysis on self-organized formation of microbial biofilms[J]. Physica A, 2006, 370(2): 793-807.
[6] Wang YJ, Feng QY, Chai LH. A new model on origin and evolution of biology[J]. Agricultural Sciences and Technology, 2009, 10(4): 4-6.
[7] Chai LH, Li HB. A new theoretical analysis on organizing principles of water supply networks[J]. Journal of Water Supply, 2007, 56(4): 233-244.
[8] Feng QY, Chai LH. A new statistical dynamic analysis on vegetation patterns in land ecosystems[J]. Physica A, 2008, 372(6): 793-807.
[9] Zhang X, Chai LH. A new statistical dynamic analysis on ecosystem patterns[J]. Environmental Modeling & Assessment, 2010. (in press)

(以下是计算士对该文的评论。原评论附在正文的相关段落之下，为方便阅读原文，这里以注释方式引用)
计算士按：
因为自己胡乱写过一些对信息熵的无知之论的缘故，接到柴教授的来信，并附上文章交流。以自己非常有限的知识，做了一些粗糙的评述和校对工作。这里承蒙柴教授同意，将其未发表之原文及本人的拙论一并张贴，欢迎诸位贤人智者，共同探讨，交流。
有两点说明：
1.从http://202.113.13.169/site/environment/teacher_profile.php?ID=115 可以看出，确实有柴立和这个人。
2.本文为柴教授享有专有之著作权，任何人未经柴教授（lhchai@tju.edu.cn）授权，不得在集智俱乐部头脑风暴论坛以外的其他地方转载该文，或将该文用于商业用途。
（计注1）在我十分局限的知识领域内，这个见解非常有道理。现在很多理论，要付出很大的假设“成本”，才能得到一点点的推论“收益”。只不过是有时候这些“成本”藏得很深，人们不易发现，所以误判它为既简洁又有说服力的科学理论。
（计注2）主题鲜明，非常赞！但这里面有一些跳跃。在我看来，

简单还原的“本体论”是最原始，最粗糙的：桌子是桌子就是因为那里确实有这么个东西存在（柏拉图的“理念桌子”是这个想法的小加工）；

进一步是“结构主义”，这个在语言学上体现得很明确：bird表示狗不是因为bird这四字母长得像鸟，也不是发音像鸟，而只是这个能指（字形、发生）在某个语言结构中恰恰约定俗成地处于指代鸟的那个位置而已（索绪尔）。与之联系的是“功能主义”，锤子之所以以一种被我们命名和看做是锤子的方式存在，值得只是它的功能，其他的物理和化学特征，都是次要的。到“结构主义”和“功能主义”这一步，我们发现事物具体的“存在”，乃是在物与物，人与物的相对关系中的存在。没有什么“不以人（或者一般智能）的意志为转移”的东西。既然任何实际的存在，都是关系性的，那么纯粹的“不以人（或者一般智能）的意志为转移”的所谓“物质”，恰恰只存在于想象中。

再进一步，当我们谈论到“关系性”的时候，我们已经离开了“本体论”，回到了“认识论”的层次。任何“关系性”，都是智能对信息进行处理的结果，也必须以信息的方式进行表达。所以，盲目地假设有什么“客观世界”，并且将信息作为“主观意识”，看做是“客观世界”的产物，完全超出了理性本身的能力范围，必然要导致二律背反（一个命题的正题和反题可以再同等程度上被证明有效）（康德）。信息，及其编码规律，是我们不能不面对的东西，也是我们需要面对的所有东西。
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（计注3）这里没有讲清楚，为什么出现了熵，客观实在就变成关系实在了。如果熵仅仅是热力学熵，也可以看做是客观实在的表达。另外，不能因为熵没有“具体的对应物”就直接判定为关系实在，“重力”其实也没有“具体的对应物”，是时空弯曲，但我们并不说“力”是关系实在（起码在现有物理体系内是这样）。
（计注4）目前来说这只是作者的一个假设，不可轻易当成已知前提应用。要使大家接受这个假设，就要拿出双缝干涉那样绕不过去，经典力学无法解释，或者需要付出相当大假设成本才能勉强解释的实实在在的案例难题，在比较中证明作者的假设更应该当被采用

（计注5）
为什么客观实在和动力学原理works well，这里面其实非常有趣，也牵涉到信息编码的问题，不能简单作为“近似但不精确的理论”批评一通后放走。考察客观实在假设和经典动力学原理的合理性源头，会发现它也是一种信息处理方式，这种方式行之有效，很能说明一些问题。可参考李亚辉的相关评论-李亚辉科学网博客“数学分析”-“打打基础”栏目
http://www.sciencenet.cn/m/user_index1.aspx?typeid=692&userid=1630

（计注6）
如果能解释“受限”对系统来说的具体物理意义，善莫大焉。这是传统科学与复杂性科学的分野。
（计注9）
这里看的我十分着急，因此忍不住再重复一遍：当我们从模模糊糊，在主客观之间暧昧不清的词“（组元之间的）联系，作用”一跃到“计算，认知”的时候，必须面对一个潜在后台的“信息处理者”。是谁在计算？谁在认知？Ervin Laszlo在《微漪之塘》中说是这个计算者是宇宙本身（宇宙心），Wolfram在《a New kind of science》中提出“通用计算”，也主张类似的提法；“人择原理”的支持者会认为是自然人自己；还有人认为是一般智能；还有人认为这个问题要像禅宗般“废问”，问“是谁”根本就是不合适的。你怎么看？这个问题迟早要面对。

（计注14）
目前我对信息熵的认识还停留在统计学描述的粗粒化过程中（我恰恰认为这种基于几率的解释比较好地表达了信息的属性，当然，我们需要想Jaynes建议的那样，把几率问题从热力学这个具体的情景中拿出来，纯粹地作为认识论的问题加以讨论），因此需要进一步考察您的其他论文再做评价。我的问题是，如果您已经表达了反对“客观（本体）实在”的立场，为什么又“回头”试图描述一个“关系实在”？如果一切超出信息编码体系的对实在的假设都是不可靠的，那么“关系实在”也是一个不可证伪，且无需引入的前提。唯一重要的和可以被言说的，就是在信息体系“内部”发生的一切。

（计注11）
不知道是否正确理解了您的意思，我倒是认为形式和结构比内容重要。因为任何事物呈现的形式和结构，或者套一个时髦的词，pattern，恰恰反映了认知者处理信息的先验结构。冒昧地说，我觉得您对信息“还不够有信心”，常常徘徊在传统的信息论界定的信息（被安排在实在主义的科学体系中，作为与“能量”“物质”并列的概念，实际上是被视为一种“客观”的东西）和纯粹主观的无所不包的认识体系（逻辑、符号，都是信息的一部分，存在就是被表达，合理地存在就是被某种信息编码系统无矛盾地表达）之间。我认为您看到了后者的普世图景，但还总受着前者的牵制。利用传统信息论也好，关系实在假设也好，还是有点放不下“实在”，不敢完全“闭上眼睛”。不知这样理解是否正确。
******************************************************************
（计注22）
但是我对这个恰恰持相反的理解。不是信息量不断增加，而是信息量不断减小！我们假设“心智”有一个上限，就像计算机有固定内存一样。现在“心智”要去处理“客观世界”涌入的data，怎么办呢？就像一个决策树统计模型一样，不断地将data进行区分：
石头、狗、苹果、白菜
没生命（石头）、 有生命（狗，苹果，白菜）
动物（狗）、植物（苹果、白菜）
水果（苹果）、蔬菜（白菜）
每分一次，看起来是得到1bit信息，其实是耗费了1bit内存。为什么这么说？因为对象可以是完全随机的，在处理之前，对象只有不确定性，根本没有任何信息。我们要表达对象，就要用信息对其进行分门别类地编码，好比把中药放到一个个盒子里。这里就产生了一个结构，狗之所以是狗仅仅是因为它不是除狗以外的别的东西，也就是说，因为它在狗这个位置上，所以它被归类、表达为狗。

那么，信息处理的准则是什么呢？既然我们假定可以“浪费”的信息是有一个上限的，那一定要把信息“花在刀刃”上，也就是，要进行最有效的处理，这样，才能用有限的心智内存，观察处理无限不确定的宇宙万物（糟糕的是，传统的信息论，把pai这样一个实质是“包含了无穷的不确定性”的东西也表达为“包含了无穷信息”，这样，就把需要处理的不确定性和需要动用到的“内存”搞混了。但是诡异的是，还只能这么表达信息量，因为只有处理之前的不确定性，也就是熵的绝对值，才等于消灭这些不确定性需要动用到的“内存”，等data被处理后，信息就变成0了）。
心智内存不断减小，最后终于使用完毕，剩下0内存（经过处理的data越来越有秩序，最后终于一切都条理清楚，不再有任何不确定性，信息熵变为0）vs尚未经过处理的data（类似于统计模型的“残差”）越来越无序，不确定，熵越来越大，最后在心智内存停止减少的地方（时刻？）停止增加，达到最大值， 这是世界的两面。所以一方面有生命，有进化，有秩序，有智能；另一方面有腐败、死亡、扩散、热二定律。这两者的区分，完全基于心智的信息处理行为。但这里面的细节，我还很不清楚，试图拿一些具体的数据例子来讨论，也会放到“头脑风暴”上，如不嫌弃，请关注。   评述柴立和教授的文章《我们的世界真的存在吗？》 计算士 发表于 2009-12-1 21:21:47

计算士按：

因为自己胡乱写过一些对信息熵的无知之论的缘故，接到柴教授的来信，并附上文章交流。以自己非常有限的知识，做了一些粗糙的评述和校对工作。这里承蒙柴教授同意，将其未发表之原文及本人的拙论一并张贴，欢迎诸位贤人智者，共同探讨，交流。

有两点说明：

1.从http://202.113.13.169/site/environment/teacher_profile.php?ID=115 可以看出，确实有柴立和这个人。

2.本文为柴教授享有专有之著作权，任何人未经柴教授（lhchai@tju.edu.cn）授权，不得在集智俱乐部头脑风暴论坛以外的其他地方转载该文，或将该文用于商业用途。

 

我们的世界真的存在吗   柴立和 （天津大学环境科学与工程学院，天津300072）   摘要 本文提出了基于关系实在的新本体论、认识论和方法论，认为最大流原理或最大广义信息熵原理是宇宙第一法则。直观说来，这种宇宙第一法则就是计算或感知关系实在的联系及耦合或复杂性（信息或熵），并在约束条件下使之最大化。最大流原理是经典最大信息熵原理的延伸，由于广义信息熵与热熵之等价性，它也可包含已有的开放系统的熵原理、负熵原理、最大熵产生原理等。利用最大流原理就足以产生目前所有的科学理论：经典力学、熵定律和复杂性定律（含复杂性科学、量子引力理论、宇宙大爆炸理论、广义进化论）等。证明了经典力学中所谓的宇宙绝对客观性只能是极度受限的简化或近似、只在局域或小尺度内存在，从普适意义上讲，时空、物质、生命、宇宙、有序结构、复杂系统等万物其实都是基于关系实在的、满足最大流原理的信息过程而产生的。本理论在研究具体复杂系统方面已有广泛的应用。 关键词 关系实在；信息熵；最大流原理；广义信息熵原理   Does Our World Really Exist Chai Lihe (School of Environmental Science & Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072)   Abstract: Basing on relational reality, new ontology, epistemology and methodology are proposed, with maximum flux principle or maximum generalized information entropy principle as the first law in nature. Intuitively, the first law in nature is to calculate or sense interplays, correlations or complexity (information or entropy) of relational reality, and then maximize it under constraints. Maximum flux principle is the extension of classical maximum information entropy principle, and can include available entropy principle, negentropy principle or maximum entropy production principle of open systems, due to the equivalents of generalized information entropy and thermal entropy. Basing on maximum flux principle, all available scientific theories can be produced: classical mechanics, entropy law and complexity law (complexity sciences, quantum gravity, universe big bang, generalized evolution) etc. It is verified that so called absolute universe objectivity is only extremely restricted simplification or approximate, or exists only in local small scales. Generally speaking, space-time, matter, life, universe, ordered structures and complex systems etc are all generated by informational processes basing on relational reality and maximum flux principle. Specific applications of the present framework to complex systems are widely conducted. Keywords relational reality; information entropy; maximum flux principle; maximum generalized information entropy principle  
收稿日期：2009-11- 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划) 作者简介：柴立和（通讯作者，课题负责人），博士，副教授，研究方向为复杂环境系统，E-mail: lhchai@tju.edu.cn   1 引言   芸芸众生、莽莽宇宙、世界的沧桑巨变，究竟满足什么规律？即其内在变化的动力是什么？是经典力学、相对论或量子力学吗？是经典熵原理吗？是最大信息熵原理吗？……换一个角度，这实际上是问，真实世界到底是一件不过是早已存在客观的事实（动力学、运动、力、物质、能量、可逆、确定、简单等），还是一切都在变化之中、且是人类主观心智的建构、或甚至只是一种想像而导致的演化（熵、信息、不可逆、时间之矢、量子力学的猫悖论、随机、复杂等）？这些问题给国际哲学界、物理学界乃至全人类都带来了困惑和迷茫。 为了理解我们这个充满困惑的世界，现代科学坚持用机械还原的眼光来看世界，一切不过是机械运动，满足牛顿力学、电磁力学、相对论、量子力学等可逆、简单、可预测的动力学。似乎宇宙一切都是先天存在的、客观的、不依人的意志为转移的。目前的研究工作已经非常艰深地推进到量子场论、量子引力、超弦理论等这样的前沿领域。其目标和逻辑是：为了统一四种力，沿续量子理论的传统，而去额外地制造更多的结构、更多的定义和更多像科幻一般的假设^[1]。   在我十分局限的知识领域内，这个见解非常有道理。现在很多理论，要付出很大的假设“成本”，才能得到一点点的推论“收益”。只不过是有时候这些“成本”藏得很深，人们不易发现，所以误判它为既简洁又有说服力的科学理论。   一点也不令人惊讶，这些研究并没有与人们期望的那样拉近与现实世界的距离。更多的时候，现实世界的一切更像满足熵原理那样充满不可逆、复杂、随机、演化，并且在某种程度上似乎一切都是依赖人的主观感受的现象。这种现实世界的图景是对现代科学前沿研究的重大挑战。   面对现实世界，而现代科学的解释又无能为力或并不令人满意，可能意味着现代科学的前沿研究在某种程度上可能需要在范式上作重大转换。或许正确的策略是扬弃是否应为抛弃？现代科学的客观实在这种思想根基、重新从零开始。革命性的第一步是沿着惠勒的思想，坚信万物都是算法，信息、测量产生物理，坚持现实世界是由认知或测量而产生的，现实世界中本质上没有绝对的客观实在性，只有关系实在（当然现代科学的客观实在是关系实在的特例，即对应关系非常简单、可还原的情形，是极端简化的，只在其应用范围内是有效的），其展示的现象世界其实就是由认知或测量区分而成的“信息世界”。正因为现实世界这种“信息”的本质，我们完全应从信息的角度提出宇宙第一法则，来描述整个现实世界^[2]。   主题鲜明，非常赞！但这里面有一些跳跃。在我看来，   简单还原的“本体论”是最原始，最粗糙的：桌子是桌子就是因为那里确实有这么个东西存在（柏拉图的“理念桌子”是这个想法的小加工）；   进一步是“结构主义”，这个在语言学上体现得很明确：bird表示狗不是因为bird这四字母长得像鸟，也不是发音像鸟，而只是这个能指（字形、发生）在某个语言结构中恰恰约定俗成地处于指代鸟的那个位置而已（索绪尔）。与之联系的是“功能主义”，锤子之所以以一种被我们命名和看做是锤子的方式存在，值得只是它的功能，其他的物理和化学特征，都是次要的。到“结构主义”和“功能主义”这一步，我们发现事物具体的“存在”，乃是在物与物，人与物的相对关系中的存在。没有什么“不以人（或者一般智能）的意志为转移”的东西。既然任何实际的存在，都是关系性的，那么纯粹的“不以人（或者一般智能）的意志为转移”的所谓“物质”，恰恰只存在于想象中。   再进一步，当我们谈论到“关系性”的时候，我们已经离开了“本体论”，回到了“认识论”的层次。任何“关系性”，都是智能对信息进行处理的结果，也必须以信息的方式进行表达。所以，盲目地假设有什么“客观世界”，并且将信息作为“主观意识”，看做是“客观世界”的产物，完全超出了理性本身的能力范围，必然要导致二律背反（一个命题的正题和反题可以再同等程度上被证明有效）（康德）。信息，及其编码规律，是我们不能不面对的东西，也是我们需要面对的所有东西。   具体说来，为了理解现实世界，我们要做的或许不再是对量子理论加以诠释，而是要重新创立量子理论；或许不再是被动地接受20世纪初物理学界以以客观实在为根基、通过经验论方式拼凑出来的那些法则，而是要把目光投向量子信息学之类的思维。证明宇宙的所有法则都是与信息获取、信息表达及信息传播相关并受到这些条件限制而得出的结果。确切地说，应从“信息”的角度，重新定义时间、空间、能量以及物质概念，并重新定义物理学的法则，从而建立一个全新的科学体系^[2]。   赞同。   这当然是一个艰巨任务。其实，至今学术界尚未给出信息的准确定义，信息获取、信息表达及信息传播的原理又是什么也不清楚，因此这只是艰难的开始，我们可能会遇到永远无法跨越的大山：找不到进入信息世界的方法。当今，在实验室里，连观察到信息都显得异常艰难，更不要说进入信息世界了。如果没有全新的视角，“信息论”可能也要和“相对论”一样，成为一个实际存在但又无法证明的假说。   本文作了较大的突破。首先基于整体先于部分，大自然的本原是关系实在而不是所谓的客观实在，给出了从信息角度构造科学的依据。其次定义了广义信息熵S_J，指出宇宙第一法则乃是最大信息熵原理，即任何现象总是朝向不确定性、复杂性最大的方向，也就是信息量最大的方向发展。基于此，可重新得到目前所有的科学理论：经典力学、热二律和复杂性定律，可了解量子引力、宇宙膨胀、万物演化等。证明了时间、空间、物质、生命、社会等大自然的一切其实都是基于关系实在的信息过程而产生的，而在过去的现代科学中所谓的时空、物质或能量等客观实在现象只能是局域的、小尺度范围内的近似。文章最后讨论了本理论在具体复杂系统方面的应用。   2 理论 2.1 大自然的新本原－从客观实在到关系实在 大自然的本原是客观实在吗？为了解释客观实在的问题所在，考虑如图1所示的三种情形：在a）的经典力学的情形下，粒子团是从有机大自然或现实世界中强硬隔离出来的研究对象，粒子团的粒子间的耦合是可积的和可还原的，除物质和能量守恒外不无其它高阶约束，是可逆的、纯动力学运动，可用力、物质和能量等物理量来描述，是一种客观实在，这正是现代科学所持的一切都是客观的、不依人的意志为转移的思路；在b）的所谓孤立系统中，有器壁（或进而涉及制造器壁的人）的限制，粒子团的粒子间有不可积耦合，粒子团是个生成性的、有机的和有关系的整体，有动量守恒之类的高阶约束，它是趋向无序的热力学行为（墨水扩散、江河日下、尸体腐烂等）出现的原因，出现了熵（信息）这样的物理量，在某种程度上暗示似乎一切都是依赖于测量或主观认知的现象，这时候的实在就不是客观实在，而是一种关系实在；   这里没有讲清楚，为什么出现了熵，客观实在就变成关系实在了。如果熵仅仅是热力学熵，也可以看做是客观实在的表达。另外，不能因为熵没有“具体的对应物”就直接判定为关系实在，“重力”其实也没有“具体的对应物”，是时空弯曲，但我们并不说“力”是关系实在（起码在现有物理体系内是这样）。   在c）的所谓开放系统中，有器壁的限制，还有来自隔板的更多限制（如有推力、受热等情形），粒子团的粒子间耦合更复杂，粒子团是更鲜明的生成性的、有机的、有关系的整体，有除动量守恒之外的更高阶约束，它是趋向有序耗散结构的热力学行为（漩涡、花朵、生命等）出现的原因，出现了熵或信息（乃至熵流、负熵、超熵）这样的物理量，这时候的实在就更不是客观实在，而是更显著的关系实在。   为什么？还是没讲清楚。     显然现实世界中，b）和c）的是更真实和普遍的，a）的情形是不存在或极度受限的简化，一般情况下是隔离不出来的），或者说只在局域或小尺度内存在。一句话，过去现代科学中认为经典力学情形下的可还原的粒子团类的所谓“客观实在”是大自然第一实在是有偏颇的，要重新追问：大自然的本原究竟是什么？实在究竟是什么？控制它的真是力学原理么？对比图1a）、b）和c）这样的案例，既然基于b）和c）所示的现象是更普遍的，那就可以自然地下结论   目前来说这只是作者的一个假设，不可轻易当成已知前提应用。要使大家接受这个假设，就要拿出双缝干涉那样绕不过去，经典力学无法解释，或者需要付出相当大假设成本才能勉强解释的实实在在的案例难题，在比较中证明作者的假设更应该当被采用   ：大自然是个有机整体，更普遍、更真实的大自然的本原是关系实在而不是所谓绝对客观实在，过去在现代科学中所谓的客观实在是不存在或极度受限的简化，或者说只在局域或小尺度内存在（病句？）。为了一般化，我们把世界的统一本原，即关系实在模型想像成图2所示的形式^[3]，一个生成性的、有机的、有关系的整体，它是包含了环境因素的b）和c）的粒子团（当然a这种更简化的特例也包含，即无环境因素（病句？）），不存在一般情形下本来就很模糊的边界。显然，作为一种关系实在，其具体特性是取决于认知的（可还原的情形时，关系实在等同于客观实在，由于是最简单的特征，因此300多年来，客观实在观和动力学原理有效，而认知意义往往被忽略而无大碍   为什么客观实在和动力学原理works well，这里面其实非常有趣，也牵涉到信息编码的问题，不能简单作为“近似但不精确的理论”批评一通后放走。考察客观实在假设和经典动力学原理的合理性源头，会发现它也是一种信息处理方式，这种方式行之有效，很能说明一些问题。可参考李亚辉的相关评论-李亚辉科学网博客“数学分析”-“打打基础”栏目 http://www.sciencenet.cn/m/user_index1.aspx?typeid=692&userid=1630   依据上面的分析，对这样的普适本原，只有对其进行感知或认知（当然需要消耗能量）才能把握。因此，表示感知或认知的信息、信息熵之类的物理量才是宇宙第一位的参量（确实如上所述，人们已认识到：b、c这样的情形是受熵或信息原理支配的，当然没意识到其实a也是，只不过这种情形下认知意义上的熵或信息原理完全等同于力学原理，过去忽略了也实属正常同上评论），它是比仅在受限条件下适用的现代科学之力学原理更适合作宇宙第一法则。   如果能解释“受限”对系统来说的具体物理意义，善莫大焉。这是传统科学与复杂性科学的分野。     过去的现代科学中的热力学和统计力学分支也试图描述现实世界的复杂性，发展了熵和信息的概念而触及到了关系实在的边缘，但由于受以客观实在为根基、以力学原理为第一法则的现代科学强大逻辑传统的影响，它们仍以图1a）的情形为第一实在，以力学原理为第一法则，以其为基础来考虑以关系实在为根基的有机现实世界，显然面临层次性、生成性、这两个词语缺乏清晰界定，亦非约定俗成时间悖论、生命悖论、不可逆是幻象似乎应为：“无法明确解释不可逆问题”，另外，这和时间悖论、生命悖论有什么区别亦无说明、哥德尔不完备性目前来看，不可逆问题和不完备定理还是两个问题，也许有联系，但如何联系，在论文中宜说明等重大问题。而上述模型彻底地突破了以客观实在为根基、以力学原理为第一法则的现代科学之逻辑传统，构造了关系实在，可很好地解决这些问题^[3]。更重要的是，上述模型可解决实际问题，对实际复杂系统来说，图2为一个关系实在的本原，组元含义明确，符号含义确定，是一个具体的复杂系统模型。   2.2 关系实在的描述：广义信息熵及约束的定义   过去的现代科学主要面对客观的实在，描述其的物理量是力。提出图2所示新本原（关系实在）作为宇宙第一普适的实在后，应考虑刻画它的新物理量。如上所述，这种关系实在作为一种生成性的、有机的、有关系的整体本原，它是一种感知或认知的结果，或只有通过感知才能对其把握，应用表示感知的信息（熵）及信息（熵）原理作为第一法则来描述它。   是谁在认知？谁在观察？什么被观察？能不能区分出观察者和被观察者？如果不能，为什么？这个问题是重中之重，不能妥协，不能模糊，不能回避。   因此必须从认知的角度重新拓展信息（熵）以描述这种关系实在。我们的出发点是，表示对关系实在的感知特性的物理量应是一种耦合（矛盾运动、有机作用、关联、联系等）、一种计算或一种认知，它是宇宙第一法则。说它是宇宙第一法则一点都不为过，     这里看的我十分着急，因此忍不住再重复一遍：当我们从模模糊糊，在主客观之间暧昧不清的词“（组元之间的）联系，作用”一跃到“计算，认知”的时候，必须面对一个潜在后台的“信息处理者”。是谁在计算？谁在认知？Ervin Laszlo在《微漪之塘》中说是这个计算者是宇宙本身（宇宙心），Wolfram在《a New kind of science》中提出“通用计算”，也主张类似的提法；“人择原理”的支持者会认为是自然人自己；还有人认为是一般智能；还有人认为这个问题要像禅宗般“废问”，问“是谁”根本就是不合适的。你怎么看？这个问题迟早要面对。   其实类似图1a）中那样针对所谓客观实在的力学过程也是耦合、计算或认知，不过是最简单的耦合、计算或认知而已（即对可还原的情形，关系实在等同于客观实在，因此300多年来，客观实在观和动力学原理有效，而认知意义往往被忽略而无大碍与前文重复）。作为关系实在的新本原与过去可还原的原子式的客观实在本原比，只是会有更复杂的耦合或计算（即高级别的联系或区分），从图1a）至1c），我们发现联系或区分的级别越来越高。因此不失一般性，针对图2所示的新本原（关系实在），应把各种耦合包含进去定义算法复杂性或广义信息熵。设新本原内相互作用的n个组元为X₁, X₂, …, X_n，各组元的驱动力设为x₁, x₂, …, x_n，则写成向量的形式可表示为x=(x₁, x₂, …, x_n)，在此基础上可自然地定义新本原的广义信息熵S_J为^[4-5]：   式（1）中高阶作用形式表征系统中各组元之间的复杂相互作用：无穷的高阶形式表征了开放系统的不断变化、时空不断变化等特征（体现了主客体作用的复杂性，不同于过去的单纯本体论意义上的客体复杂性，也不是单纯的认识论意义上的复杂性）。   不难发现这应是信息（熵）的普适定义，它有相关性、平均描述长度、逻辑深度等描述熵、信息、复杂性的内涵（事实上可以严格证明其是Boltzmann-Gibbs-Shannon信息熵的广义形式）^[6]。   在过去的现代科学的体系中，立足于所谓的客观实在，图1a）为经典力学，b）为封闭系统的Boltzmann熵，c）为开放系统的热熵、熵流、负熵，分别刻画着不同的世界，统一很困难，只能分层次来描述。在此我们以关系实在为根本，基于信息（熵）对微观、中观和宏观的世界作出统一描述。从图1a）至1c），不同情形下的物理量如力、信息（熵）的区别仅在于耦合方式或级别不一样而已。开放程度越高，耦合方式或级别越复杂。确实不难发现，这种描述关系实在的信息熵这种似乎带有主观性的量与过去的适用于1a）的牛顿力（或能量）、适用于1b）的Boltzmann熵、适用于1c）普里高津和薛定谔提出的热熵、熵流、负熵等完全有特定关系。其实，此处的广义信息熵是一种表示感知的物理量，但也是离不开物质和能量的，当然也是比它们更高级的，是过去认为的力（能量）、经典熵、热熵流、负熵流（与能量联系在一起）等的广义统一形式。正如学术界猜测的：广义信息熵与开放系统的热熵、负熵、熵产生等有等价性。当用于描述生成性的宇宙或最初的物质起源时，一开始的感知信息熵应来自真空能。   约束条件为     它包含物质和能量守恒，也包括动量守恒之类及以外更高阶约束（产生牛顿定律只需要低阶约束），是约束的通用表示方法。同理，它可以反映从图1a）至1c）的各种情形，开放程（强）度越高，越复杂的耦合方式或级别导致越高阶的约束。   上述的广义信息熵S_J是一个破天荒的新物理量，是熵和信息的重大新理解和拓展。它的引入方式不像现代科学分支热力学那样基于热力学熵的卡诺循环，也不像现代科学分支统计力学那样基于几率或粗粒近似的Boltzmann熵方式，而是从对关系实在的认知的角度引入的。   目前我对信息熵的认识还停留在统计学描述的粗粒化过程中（我恰恰认为这种基于几率的解释比较好地表达了信息的属性，当然，我们需要想Jaynes建议的那样，把几率问题从热力学这个具体的情景中拿出来，纯粹地作为认识论的问题加以讨论），因此需要进一步考察您的其他论文再做评价。我的问题是，如果您已经表达了反对“客观（本体）实在”的立场，为什么又“回头”试图描述一个“关系实在”？如果一切超出信息编码体系的对实在的假设都是不可靠的，那么“关系实在”也是一个不可证伪，且无需引入的前提。唯一重要的和可以被言说的，就是在信息体系“内部”发生的一切。   与信息论中现有的Shannon信息及各种延伸定义相比（仍起源于Boltzmann熵），Shannon信息基于信息编码结构形式而不管信息内容，但信息应用与信息的价值恰好是基于信息内容，因此仅从信息形式而不管信息内容来研究信息是难以真正揭示信息本质的。相反，S_J则可反映内容，体现在各种可变的耦合上。   不知道是否正确理解了您的意思，我倒是认为形式和结构比内容重要。因为任何事物呈现的形式和结构，或者套一个时髦的词，pattern，恰恰反映了认知者处理信息的先验结构。冒昧地说，我觉得您对信息“还不够有信心”，常常徘徊在传统的信息论界定的信息（被安排在实在主义的科学体系中，作为与“能量”“物质”并列的概念，实际上是被视为一种“客观”的东西）和纯粹主观的无所不包的认识体系（逻辑、符号，都是信息的一部分，存在就是被表达，合理地存在就是被某种信息编码系统无矛盾地表达）之间。我认为您看到了后者的普世图景，但还总受着前者的牵制。利用传统信息论也好，关系实在假设也好，还是有点放不下“实在”，不敢完全“闭上眼睛”。不知这样理解是否正确。     总之，熵和信息的神秘性终于破除了。过去的开放系统的熵、负熵、活力、组织力、生命力、生成之妖、冲动等颇具神秘性的概念其实联系着本文提出的广义信息熵S_J。更重要的是，我们对信息熵的定义是去除哲学、社会学上的内涵，从科学、数学的角度提出信息的表达式，并试图重构整个科学。   2.3 宇宙演变的第一法则：最大流原理 依据上述定义的广义信息熵及约束，提出新原理作为宇宙第一法则：最大流原理或最大信息熵原理（直观说来，即不断地试图无偏差地感知或找到所需的象   这个理解我非常赞同，觉得颇有值得深挖之处，   或者说是热熵最大、负熵最大、熵产最大等）。它为什么成立，从认知的角度来看，这非常好理解。现象世界本来就是因区分而成的，现象世界存在的根本前提就是我们自己的区分或认知。现象世界正是由这种细微的区分所形成的图像。只要我们还有现象世界的图像，就说明我们的区分还在不停的进行之中。因此，无止尽的区分就是这个现象世界形成的必然原因，现象世界也必然因此带有因不断的区分而导致的某种属性。不断的区分，   漂亮，说的漂亮！佛学中的“识”，就是在讲区分导致了大千世界。为什么信息要取log？以2为底的话，每取一次，概率空间就缩小一半，最后从一个非常大的概率空间缩小成完全确定的1。   从信息学的角度看，就是信息量不断的增加，反映在现象界，就是现象总是朝不确定性最大的方向发展，这就是最大信息熵原理，也是作为特例的熵增原理之所以成立的根本原因。   但是我对这个恰恰持相反的理解。不是信息量不断增加，而是信息量不断减小！我们假设“心智”有一个上限，就像计算机有固定内存一样。现在“心智”要去处理“客观世界”涌入的data，怎么办呢？就像一个决策树统计模型一样，不断地将data进行区分：                       石头、狗、苹果、白菜      没生命（石头）、 有生命（狗，苹果，白菜）                                 动物（狗）、植物（苹果、白菜）                                                   水果（苹果）、蔬菜（白菜） 每分一次，看起来是得到1bit信息，其实是耗费了1bit内存。为什么这么说？因为对象可以是完全随机的，在处理之前，对象只有不确定性，根本没有任何信息。我们要表达对象，就要用信息对其进行分门别类地编码，好比把中药放到一个个盒子里。这里就产生了一个结构，狗之所以是狗仅仅是因为它不是除狗以外的别的东西，也就是说，因为它在狗这个位置上，所以它被归类、表达为狗。   那么，信息处理的准则是什么呢？既然我们假定可以“浪费”的信息是有一个上限的，那一定要把信息“花在刀刃”上，也就是，要进行最有效的处理，这样，才能用有限的心智内存，观察处理无限不确定的宇宙万物（糟糕的是，传统的信息论，把pai这样一个实质是“包含了无穷的不确定性”的东西也表达为“包含了无穷信息”，这样，就把需要处理的不确定性和需要动用到的“内存”搞混了。但是诡异的是，还只能这么表达信息量，因为只有处理之前的不确定性，也就是熵的绝对值，才等于消灭这些不确定性需要动用到的“内存”，等data被处理后，信息就变成0了）。       心智内存不断减小，最后终于使用完毕，剩下0内存（经过处理的data越来越有秩序，最后终于一切都条理清楚，不再有任何不确定性，信息熵变为0）vs尚未经过处理的data（类似于统计模型的“残差”）越来越无序，不确定，熵越来越大，最后在心智内存停止减少的地方（时刻？）停止增加，达到最大值， 这是世界的两面。所以一方面有生命，有进化，有秩序，有智能；另一方面有腐败、死亡、扩散、热二定律。这两者的区分，完全基于心智的信息处理行为。但这里面的细节，我还很不清楚，试图拿一些具体的数据例子来讨论，也会放到“头脑风暴”上，如不嫌弃，请关注。   从数学说来就是让式（1）在约束条件式（2）的条件下最大化，由Lagrange优化，得广义概率分布函数                不知您是否注意到，得到的结果具有类复数的表达形式。您是否考虑过作为复数的概率？   上式是拓展的刘维算符及演化方程的解。对现代科学描述的对象而言，正如图1a）所示的经典力学情形，可还原的客观实体不是一个有机整体（关系实在），或只是一个极度简化的有机整体（关系实在）而已，整体可还原成部分的简单合成，无高阶耦合，耦合是可积的、可分离的，式（3）退化成经典力学和量子力学中的刘维方程（与牛顿方程和哈密顿方程等价，仅是作为计算工具的系综概率形式，是可分离的分布函数，等价于轨道）之概率，概率对应流刘维方程的概率，则所作的变换U_t都是Unitary变换，是无时空破缺的整群，等价于轨道，无不确定性，无时间方向等，一切都是客观的、理性的。   这意味着，利用基于关系实在的、满足最大流原理您似乎并未说明您的公式和最大流的关系的信息过程完全可以产生现代科学，只不过这是一种极端特殊的情形。一旦排除现代科学描述的简化情形，对更真实的新本原（关系实在），正如图1b）和c）所示的情形，由于高阶耦合存在，式（3）则给出了一种新的数学结构。它是一种广义概率，给出的是一种新动力学解。若看作扩展的刘维算符，其具有非正则性和非Hermitian，对应的谱表征（用特征值和特征函数来表示）中，特征值不是常数，特征函数也是奇异函数，在希尔伯特框架之外的受控希尔伯特空间或盖尔范德空间，暗示着一种新动力学。概率不再等价于轨道（个体描述和群体描述等价性被打破），e^F是个半群变换W_t=ΛU_tΛ^-1（Λ有非局域性）或时空对称破缺算子。式（3）作为新动力学方程的概率表示，是Fokker-Planck方程、Boltzmann方程、主方程等动理力学方程的解，与刘维方程解有本质区别，是传统动力学系综概率（等价于轨道）的推广。依新演化算符及谱分析，引入非正则变换x_k，由式（3）自然推得Langevin式的新动力学方程^[7] 方程（4）反映了通过图2中组元x₁, x₂,…x_n之间的复杂相互作用形成有序结构的动力学过程和机理（注：若组元间只存在短程作用、无记忆的短时作用，高阶项可忽略，广义信息熵S_J自然退化成经典Boltzmann熵这个我非常感兴趣，能否写一个小帖以通俗易懂的方式科普一下？，此时S_k=0，上式即为经典Langevin方程，它导致趋向平衡态的标准指数概率分布，也即趋向无序的熵增范式）。具体说来，广义信息熵及其最大化原理会导致涌现出有序结构，实际上是产生沿l_k>0模式的最小流动阻力或最大流量的流动（即形成特定构形或流动）。直观看来，由于组元x_i的不断时空演化，对应图2所示的网络前峰就不断在以最小阻力的形式流动并持续变形，就像一团流体，从而导致复杂系统结构的演化。因此，宇宙万物的演化实际上就是如图2所示的生成性网络或一团流体（或气）在时空上以最小流动阻力或最大流方式的蔓延，条件允许，其往往会形成发展层次分形结构^[5]。因此，如图3所示，方程（4）非常形象地给出了墨水扩散、宇宙起源、量子时空、生命起源、组元作用的变化导致的复杂系统结构形成等万物的演化过程，形象而直观地解释了宇宙万物演化的内在法则。   这点真的非常重要，能否请您再写个帖，做一个计算机模拟，展示一下这一团组元是如何实现“墨水扩散”的结构的？   所谓的宇宙的绝对客观性不存在了，或者说只能是极度受限的简化，或者说只在局域或小尺度内存在。更普适的解释应是，时空、物质、生命、宇宙、有序结构、复杂系统等万物都是基于关系实在的信息过程而产生的，这种信息过程按上述方程（4）运作，它第一次看到了隐藏在世界背后的深层次法则，创造从物理到社会的各种现象：生命、心智和社会等复杂演化。   还是缺乏对信息处理的主客体（如果可以这么区分）及其具体过程的说明。一团“关系实在”的演化，并没有突破“实在”的范畴，如何就忽然摇身一变，变为“信息”了？值得注意的是，对对象进行统计、计算其信息熵，在传统科学的很多方面，都有非常完善的应用，但仅仅是这个行为本身，并不足以自动凸显信息熵的重要意义。我还是那个观点，信息，如果仍然仅仅被看做是一种统计指标，突破就无从谈起。   如图3或图1b）或c），我们的宇宙创生不再与奇点相联系，而比拟于信息过程   什么是信息过程？该概念尚无具体说明   的相变或分岔。同理，我们的量子夸克的创生也不再与奇点相联系，也比拟于信息过程的相变或分岔。生命的Big Bang和意识的Big Bang也同样如此。   怎么意识就big bang了，在缺乏具体说明的情况下引入这个论断，容易使读者混淆。     总之，这相当于基于感知或认知的信息产生了所有的科学理论：经典力学、热二律和复杂性定律（含量子引力理论、宇宙大爆炸理论）等。具体说来，上述方程是从一般角度导出的（包括经典的和量子的），可作为修正的哈密顿方程（清除粗粒化）、修正的薛定谔方程（清除塌缩-粗粒化）、修正的爱因斯坦场方程（清除奇点-粗粒化），直接描述墨水扩散、复杂系统结构演化、量子生成演化、宇宙大爆炸演化等。 原则上一切问题均可由方程（4）来描述，尽管需要重构求解才行（即不断感知获得数据来重构，这本应如此）。当然目前较成熟的应用主要还是在如墨水扩散这样的中观领域的复杂系统，目前形成了提出如图2所示的本原、提法则、导方程和计算的应用思路^[8-9]。既然您的文章已经发表在Physica A这样的权威杂志上，看来也许您已经有一些具体的例子了。我需要看更多您的具体例子才能进一步判断。   3 结语 本文构造了世界的新本原，找到了信息的定义，提出了世界运行法则。本框架作为牛顿力学、相对论、量子力学、经典熵原理的修正理论，可统一描述量子引力、宇宙膨胀、万物演化等，广泛的应用可由此展开。不仅揭示了中观尺度上的复杂系统演化的内在动力学，而且指出量子引力时空、宇宙暴膨、生命起源、心智进化的模型就如图3或图1b）或c）所示，异常简捷。总之，所谓的客观实在及动力学第一法则（如月亮及其规则的动力学运动的这种所谓的客观存在）只是局部的、受限的现象，时间、空间、物质、生命、社会等大自然的一切其实都是基于关系实在的、满足最大流原理的信息过程而产生的。   参考文献 [1]      Frieden BR. Physics from Fisher information[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1998, p1-5. [2]      Jaynes ET. Probability theory: the logic of science[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003, p1-10. [3]      Chai LH, Shoji M. Self-organization and self-similarity in boiling systems[J]. ASME J. Heat Transfer, 2002, 124(3): 507-515. [4]      Chai LH, Wen DS. Hierarchical self-organization of complex systems[J]. Chemical Research in Chinese Universities, 2004, 20(4): 440-445. [5]      Chen LM, Chai LH. A theoretical analysis on self-organized formation of microbial biofilms[J]. Physica A, 2006, 370(2): 793-807. [6]      Wang YJ, Feng QY, Chai LH. A new model on origin and evolution of biology[J]. Agricultural Sciences and Technology, 2009, 10(4): 4-6. [7]      Chai LH, Li HB. A new theoretical analysis on organizing principles of water supply networks[J]. Journal of Water Supply, 2007, 56(4): 233-244. [8]      Feng QY, Chai LH. A new statistical dynamic analysis on vegetation patterns in land ecosystems[J]. Physica A, 2008, 372(6): 793-807. [9]      Zhang X, Chai LH. A new statistical dynamic analysis on ecosystem patterns[J]. Environmental Modeling & Assessment, 2010. (in press)      

生物学世纪呼唤生物学哲学

2006-1-14来源 医学与哲学   生物学哲学是与医学哲学相互交叉的一门哲学学科，是医学哲学的基础，可以为医学哲学提供丰富的智力资源。本期《医学与哲学》杂志集中发表了国内几名生物学哲学研究学者的文章，以供读者了解生物学哲学研究的一些问题和进展，推动我国在这方面的研究。生物学哲学研究是关于生物学理论提出的哲学问题及生物学的理论结构、概念框架、一般方法等问题的哲学学科。古希腊时，生物学曾经是哲学发展的重要的思想源泉。亚里士多德的哲学思想就深受他的生物学思想的影响。自近代开始，物理学和化学首先得到发展，因此，近代哲学主要建立在物理科学之上，近代科学哲学因此主要是物理主义的科学哲学。面对传统物理主义哲学的盛行，著名的生物学家和哲学家恩斯特·迈尔(Ernst  Mayr)不无遗憾地说:“自从伽利略、笛卡尔、牛顿以来直到20世纪中叶，科学哲学一直由逻辑学、数学和物理学所左右达数百年之久。”  

然而，20世纪中叶以后，近代以来的科学哲学受到越来越多人的批判。许多哲学家因而转向各门具体科学的哲学研究，特别是生物学哲学的研究，以便为科学哲学寻找新的出路。同时，以DNA双螺旋结构的发现为标志的分子生物学革命在1950年代的发生，使世界范围内掀起了一场研究生物学的热潮。生物学因此成为越来越多哲学家关注的对象。于是，有关生物学的哲学思考成为西方科学哲学讨论的一个热点的领域。  

国外从事生物学哲学研究的主要有两类人员，一类是对哲学问题感兴趣的生物学家。迈尔（E.  Mayr）、辛普森（G.  G.  Simpson）、陆旺汀（R.  Lewontin）、威廉姆斯（G.  C.  Williams）、威尔逊（E.O.  Wilson）等都主要是生物学家，他们带有哲学性分析的生物学著作成为今天生物学哲学领域的重要的经典文献。另一类是对生物学感兴趣的哲学家。鲁斯(M.  Ruse)、霍尔(D.  Hull)、索伯（E.  Sober）、凯切尔（P.  Kitcher）、罗森伯格（A.  Rosenberg）等都是专职的哲学家，他们对生物学的关注和分析使生物学哲学成为科学哲学的重要分支。  

1949年以来，我国生物学哲学经历了学习引进、曲折发展、开创新局面和面向世界四个阶段。我国的生物学哲学研究也是由对哲学问题感兴趣的生物学家和对生物学问题感兴趣的哲学家进行的。  

本期发表的“人类行为的进化论解释及其特征”和“利他主义：从社会生物学到社会科学”两文，主要讨论了人类行为的进化论解释的适当性及其方式问题。前者认为，进化论用于解释人类行为的合理性依赖于对进化论结构的理解，人类行为进化解释的恰当性，就在于人类行为系统与进化论定义系统在经验上的适合达到了期望的程度；后者认为，要对人类行为进行合理的解释就必须放弃由于学科分割而造成的门户之见，把客观现象的人为分裂重新整合起来，这种整合要在“生物-社会”层面建立一个关于人类行为的全新的理论架构。  

“古尔德-道金斯之争的核心问题”一文讨论了国际著名的生物学家古尔德和道金斯关于“进化是进步的吗”的问题的争论，这一问题是生物学哲学一直关注的问题。  

世纪之交，克隆技术突破使我们深刻感受到生命科学成果对人们思想观念的巨大冲击。在生物学强大到能够操纵人类自身生命的时候，人们自然关注生物学哲学对生物学发展的意义。“关于人类克隆的哲学思考”在分析了为什么人们反对生殖性克隆人的具体意见之后，从生命伦理学的原则出发论述了这些意见的合理性的强弱程度，并进而论述了人类治疗性克隆的生命伦理学根据及治疗性克隆应当遵循的伦理规范，最后分析了关于人类克隆的哲学争论的意义和启示。  

“生命是什么：一个基于新物理学原理的回答”一文在分析历史上人们关于生命的本质认识的基础上，根据物理学的最新原理，尝试给出生命一个新的定义。  

生物学哲学的问题还有很多，比如，最近新发展起来的系统生物学就给哲学提出了诸多挑战。系统生物学是在基因组学、蛋白质组学等新型科学发展的基础上产生的一门新科学。如果说克隆技术和人类基因组计划的突破反映了分析方法的威力的话，那么，生命科学进一步的发展将越来越依赖于系统整合的方法。系统生物学提升了后基因组时代的生命科学研究能力。系统生物学的发展，一方面需要生物学哲学为其提供丰富的智力资源，另一方面，其突破将对生物学哲学产生重要影响。期望有更多的学者关注生物学哲学的研究，提升生物学哲学研究的水平。  

21世纪是生物学的世纪！生物学世纪呼唤生物学哲学！生物学哲学应当走到生物学的前面！