引言

復雜性引出了許多問題。列舉少許為例：為什么許多復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？復雜事物與簡單事物有何本質(zhì)區(qū)別？復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識，我意識到無法回避背后的進化機制。這里所說的進化，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)的活動背后共同的邏輯。這種邏輯可以視為一種特殊的計算策略，這種策略的執(zhí)行會產(chǎn)生出原本不可能出現(xiàn)的復雜事物。

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

大部分圖書館都藏有關(guān)于生物進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，最近由美國國家科學基金資助的一項調(diào)查卻發(fā)現(xiàn)，只有45%的美國人認為人類是由其他動物進化而來，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技術(shù)，這樣的結(jié)果還好理解，問題是我們不是。美國人早于其他國家很多年就接受了科學發(fā)現(xiàn)帶來的技術(shù)成果，并且經(jīng)濟也因此而受益。諷刺的是，科學在總體上很受推崇，但科學知識的一些部分卻由于非科學的原因受到排斥。最為典型的就是對生物尤其是我們自己是源自進化的觀點的排斥。從計算的角度認識進化可以凸顯出這種排斥的矛盾性，一個人如果承認計算機和大部分人類技術(shù)都服從進化機制，就沒有理由否認生命進化。書中我將闡明，不僅生物的存在有賴于進化計算，你的身體抵抗感染的能力，人類學習新概念的能力，支撐現(xiàn)代生活的技術(shù)，以及作為社會基石的各種組織都有賴于此。

近年來，一個新的科學和數(shù)學研究領(lǐng)域?qū)ξ覀兊娜粘Ｉ�活越來越重要。這個領(lǐng)域就是計算機科學。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，這個新的視角也在改變科學家們對物理、生物學和工程等傳統(tǒng)領(lǐng)域的理解和認識，并且?guī)椭�我們將它們緊密結(jié)合到一起。

將技術(shù)、生物學和計算機連接到一起的兩個重要概念是信息和進化。我認為，要正確理解進化，就必須借助信息的概念。這是因為進化本質(zhì)上就是積累信息。讓人吃驚的是，信息的本質(zhì)問題是哲學家、

物理學家和生物學家持續(xù)不斷的爭議和混淆的源頭。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，在計算機科學中似乎沒有什么爭議。這可能是因為沒有清晰的定義這個領(lǐng)域就不可能存在，也有可能是因為計算機科學對實在的本質(zhì)非常重要。

我是生物學家，同時又對一些更大的問題感興趣，信息的問題至少有3個方面讓我感興趣。第一，任何一個現(xiàn)代生物學家都認識到，如果不徹底理解DNA中的信息是如何引導生物體的形成，就不可能徹底理解生命。第二，從計算的角度更容易理解進化的過程。根據(jù)這種思想，只要遵循特定的信息操作和累積策略，進化就會發(fā)生。在書中我將這個策略稱為復雜引擎。第三，任何有意義的復雜性，無論是不是生物，都只有通過廣義的計算過程才有可能實現(xiàn)。這個觀點看似不對甚至荒謬，但我希望隨著閱讀的深入，我能說服你接受這一點。

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

進化計算一旦在某個物理系統(tǒng)中實現(xiàn)，這種創(chuàng)新計算往往能產(chǎn)生出原本不可能存在的復雜產(chǎn)物。事實上，進化和創(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)造性的復雜事物都只有通過進化計算才有可能。

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

從2500年前的柏拉圖和亞里士多德開始，復雜性的起源就一直讓許多最杰出的哲學家著迷。這方面目前最活躍的領(lǐng)域之一是宇宙學，物理學家在探討關(guān)于宇宙起源和本質(zhì)的基本問題。目前討論的一個熱點是嘗試將已經(jīng)證明了的理論計算機科學的原理應(yīng)用到物理學。用MIT的理論物理學家塞思·勞埃德的話說，我們可以從數(shù)學上證明，一個計算的宇宙必然 有高度的可能性 產(chǎn)生越來越復雜的結(jié)構(gòu)。還有觀點認為，沒有計算就不可能有復雜的結(jié)果。這里的計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》。當時我在給大一新生教生物學導論。我采用的教材詳細介紹了進化，我講起來沒什么困難，大部分初次接觸這個主題的學生也能夠接受。但我還是感覺到這種標準的進化闡釋似乎缺少了某種重要的東西。

為了豐富教學內(nèi)容，我讀了道金斯的書。坦白說，我自己也想學習一下。我在大學的專業(yè)是物理學，研究生專業(yè)則是生物物理學。我沒有接受過關(guān)于進化的科班訓練。不過，生物進化的事實不是問題。我的專業(yè)主要是研究DNA序列，對于這個領(lǐng)域的人來說進化是每天都要面對的事實。讀道金斯的書讓我重新認識了信息在進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。但當時我并沒有徹底領(lǐng)會其意義。

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，我們在日常生活中關(guān)注的大部分事物，用進化的信息可以得到最好的解釋。結(jié)合了信息的進化策略的力量是如此強大和具有說服力，我開始認識到，復雜事物的形成機制應(yīng)當作為我們整個教育體系所教授知識的基石。令人遺憾的是，直到2013年，在大多數(shù)大學的課表里還是很難找到講述這兩個概念之間的相互關(guān)聯(lián)的課程。這本書的讀者對象包括專家、學生和普通讀者，同時我也希望它能推動創(chuàng)建新的創(chuàng)造性課程，探討信息、計算和進化對人類境況的意義。

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，有引導的話會更方便。部分問題在于，要理解進化和信息的相互依存，人們需要用許多非計算機學家感到陌生的視角來認識世界。自學的另一個挑戰(zhàn)是死胡同。我曾花費1年時間研究進化的熱力學，最后發(fā)現(xiàn)這條路并沒有什么助益。我最終認識到，進化過程從計算的角度理解才最有意義。一旦完成了觀念上的跨越，對進化的熱力學的理解就如同理解電腦為什么要插電才能工作一樣自然。之前進化的熱力學的神秘性消失了。另一個錯誤的方向是對進化定律的研究。我曾認為，進化過程應(yīng)當表現(xiàn)出某種規(guī)律性，可以表示為簡單的定律形式。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。從計算的角度認識進化有助于解釋為什么進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雜性的途徑，就是對兩類復雜事物加以區(qū)分：一類是根據(jù)簡單的化學和物理規(guī)律自發(fā)形成的簡單無導向的復雜事物，例如巖石和星系；還有一類是具有目的性的復雜事物，例如橡樹和噴氣飛機，這類事物的形成依賴于復雜規(guī)則的存在；可以將這些規(guī)則視為指令。我認為，這些復雜的指令所包含的信息都源自進化計算。這個觀點的意義深刻。

在草稿階段，我曾認為我的論證有足夠的說服力，那些因宗教或哲學原因排斥生命進化的人將不得不改變自己的思想，從邏輯上接受這個科學真理�，F(xiàn)在我承認這不太可能，因為邏輯并不是障礙。達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。對這些人來說，從更廣義的角度思考進化，用統(tǒng)一的理論解釋生命、免疫系統(tǒng)、人類思維、科學技術(shù)和現(xiàn)代經(jīng)濟，也許同樣無法令其信服。人們排斥進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邏輯，而是因為害怕。一些人害怕深刻的認識會有損他們的信仰，只會帶來絕望而不是希望，對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那么讓人沮喪。

還有其他作者也提出了生命的進化利用了簡單的信息處理策略的思想。丹尼爾·丹尼特將這個策略稱為進化算法。道金斯強調(diào)復制因子能夠復制自身的實體 的關(guān)鍵作用。而我強調(diào)的則是組織成指令形式的信息的重要性，以及包含了復制、變化和選擇的進化過程（基于道金斯復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、哲學等各領(lǐng)域的思想家編織成一個整體，還沒有被廣泛認可為一個正式的領(lǐng)域。這個綜合依賴于計算機科學的深刻原理，但理解它不需要精通計算機理論。我沒有列出數(shù)學公式，因為所涉及的數(shù)學十分抽象，會讓大部分讀者望而卻步，而且這些數(shù)學對于理解核心思想并不是必需的。

在發(fā)展這些思想時，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算的角度來解釋和理解。我們將看到，目的可以通過重復的選擇自然涌現(xiàn)出來，創(chuàng)造性則是許多進化系統(tǒng)的自然產(chǎn)物。我認為，本質(zhì)上，所有創(chuàng)造性都來自源源不絕的隨機性，更準確地說是隨機選擇。進化過程有效地利用了這個資源，一旦適當利用，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？

被認為最有效的科學認識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。由于科學和社會的聯(lián)系變得如此緊密，這些轉(zhuǎn)變會深刻影響人類對自身及其境況的認識。許多人包括我在內(nèi)都認為科學和社會正處于這樣的轉(zhuǎn)變之中。過去三四百年間發(fā)現(xiàn)的許多科學原理都表述為描述宇宙特定方面規(guī)律行為的數(shù)學公式。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。這個關(guān)系簡單而具有普適性。牛頓之后（他于1727年去世），科學家又發(fā)現(xiàn)了大量刻畫物理世界規(guī)律性的簡單關(guān)系。

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

決定論。簡單的方程嚴格可靠：填入同樣的數(shù)字總是會得出相同的結(jié)果。但生命并不是這樣，更不要說人類社會。簡單的關(guān)系不能解釋一切。許多現(xiàn)象都太過復雜，無法用簡單的方程描述。沒有方程能替代基于計算機的字處理軟件，如果生命的歷史可以重來，沒有理由認為結(jié)果會一樣。恰恰相反，進化論認為，如果生命的起源和演化可以一次又一次重演，每一次的細節(jié)都會不同。與此類似，與我們在物理學中期望看到的可預測性不同，人類的行為也具有不可預測性。這表明我們需要有新的認識和探索世界的方法。

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

用一個詞描述信息處理，就是計算。任何信息操作都可以被認為是計算，計算機科學就是研究信息操作的局限和潛力的科學領(lǐng)域。計算機科學在20世紀40年代成為一個正式的研究領(lǐng)域，當時在戰(zhàn)爭中需要建造計算機破譯密碼和計算彈道。今天這個領(lǐng)域在理論和實踐上都發(fā)生了巨變。

從物理學到社會科學，幾乎所有領(lǐng)域都從信息和信息操作的角度被重新審視。因為基于信息的觀點經(jīng)常能帶來更深刻的認識，并解決一些難題。這本書中介紹了一些例子。我本人是生物學家，因此我舉的許多例子都來自生命科學，但是我相信這本書同樣也屬于計算機科學和哲學。

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

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