题    目： 波、构形及其存在
作    者： 张江
日    期： 2004.8.5

1、波

    在高中的时候，我们都会学到机械波的概念。然而波却是一个非常奇妙的东西。因为当你看到一个向周围传递的机械波其实是一种虚幻的运动！比如，高中物理中经常考的一道选择题就能说明问题：一个石头子扔到了水中，它会激荡起水波，告诉你水波的传播速度是50米/分钟。在同一个水面上漂浮着一块木头，问你这块木头在水波的作用下2分钟以后的水平位移是多少？然后给你几个候选答案，其中有100米，还有0。答案当然是0了。为什么不是100呢？因为水波传递的仅仅是一种竖直方向的震动，水本身在水平方向上根本没动。那么当然木头也不会水平动了。
    问题很简单，然而仔细推敲会发现它很奇特。什么是一个水波呢？考虑一个水塘，它由好多好多的水滴构成，那么每个水滴竖直方向的震动合在一起的图案就是我们看到的水波了。换句话说，水波就是游离于那些水滴之上的一种构形，它与那些运动的水滴完全不同！换种说法，水波就好像我们看到的影子。影子当然存在，然而它与我们常见的实在物体又是那么的不同。影子和真实的物体相撞没有任何反映，甚至影子和影子之间也不会发生碰撞。因为影子本身就是一大群暗淡的光点构成的虚幻的构形。
    我们都见过升国旗的情景。升旗人员在把旗子升到旗杆顶以后，可能是担心拴国旗的绳子会缠绕在一起，于是开始抖动，这个时候我们会看到一个一个的绳子上的机械波从旗杆底下陆续爬上了顶端。如下图：

    左边的图表示绳子上的机械波一个一个往上传。然而仔细思考会觉得很怪异：它明明是竖着向上运动，然而它却不会因为重力的作用而减速。想想如果我们朝天空扔一个小球（如右图所示），那么很显然小球会因为重力的作用而减速，最后下落！而那个绳子上的机械波为什么就不受重力呢？牛顿不是说了万有引力么？为什么机械波却能傲视地球庞大的万有引力而不顾呢？只能有一种解释：机械波这个东西压根就不是一个东西！然而我们的的确确能够看到它了呀，它是一个那么客观、那么真实存在的个体！并且它还在那里活生生的运动着！究竟是哪里出了错？
    更有意思的是，如果把绳子之上的机械波超越万有引力的特性与黑洞结合起来，就会得到一个“重大发现”。不是说黑洞就是能把所有的东西都吸进去的怪家伙么，甚至连光都逃不出去。那么机械波是否能逃出黑洞呢？假设我把一条特别柔韧的绳子从黑洞里面连到黑洞外面，并且让黑洞里面的某个倒霉的家伙抖动一下绳子，那么按理说机械波完全可以摆脱重力的作用逃出黑洞来！原因还是机械波不是一个东西，所以不会受万有引力的作用！
    当然，如果我们懂得一些相对论、量子力学的知识就知道问题没那么简单。因为绳子传递的是能量，而根据E=mc²，能量就是质量，质量就要受到引力的作用。但这种引力的作用是特别的小（因为能量要除以c²），以至于在经典世界里观察不到，而到了量子世界中情况就不同了，甚至连机械波这种方式都不存在了，刚才那个“重大发现”当然不成立。
   但问题的关键不在于波是否能够穿越黑洞，而在于波这种虚幻的运动对物理定律的一种超越性。假设我们就在牛顿世界里观察，那么机械波就是完完全全不可理喻的！绳子上的每一个点都受到了重力，并且没有发生竖直的运动，然而这些点的运动排列组合在一起形成的机械波却完全可以摆脱重力的束缚而向上传递。
    量子力学中的波粒二相性则更让人对波疑惑不解。我们大家都知道光具有波粒二像性，并且当成一种知识记忆下来，也知道在历史上曾经有两派人为光的本质争论不休，但却很少有人知道为什么大家会对这个问题争论这么大。实际上波动性就是说光的运动是一种类似机械波的波，那么机械波传播需要媒介的支持，光的传播也应该需要媒介，即那时候人们说的以太，而以太是一种实实在在的物质。换句话说，光的波动性应该理解为光是一种漂浮在以太之上的虚无飘渺的构形。这种解释符合很多光的干涉、衍射等现象。然而我们知道，机械波与实物粒子是完全不同的，就好比向上传递的绳子波不会像普通物体一样受到重力的作用。但是光的粒子说认为光是实物粒子。这样波粒二像性虽然把二者结合了起来，却给我们带来了更大的问题。如何解释光既是媒介本身又是媒介上传递的构形呢？现代物理学对这个问题采取的态度就是不去深究，于是就有了量子力学，也有了很多让物理学家疑惑不解的量子现象，包括测不准原理。

2、构形与存在

     让我们运行“生命游戏”这个有趣的计算机程序，会看到一个又一个花纹转瞬即逝，而且还有一堆一堆的“滑翔机”在世界中不停的游走。然而仔细观察这个游戏会觉得有些不对劲：“什么是滑翔机呢？”，显然它是一个若干方格组合出来的构形（Pattern），它是一个独立的存在个体。然而仔细观察你会发现，其实它不是一个独立存在的个体，因为一个滑翔机是由几个黑色的方格，而这些方格每时每刻都更新了，“滑翔机”已经不再是以前的那个“滑翔机”了，前一时刻的“滑翔机”已经不复存在了，存在的是一个崭新的“滑翔机”，然而我们却能够明显知道这两个滑翔机是一个个体！！！

这是一个滑翔机运动一步的动画

       这是我们人脑中的某种特殊功能么？我想应该不是，因为任何一个有生灵的生物都知道1号图案和5号图案所指的是同一个“滑翔机”，然而我们如何来定义这个滑翔机呢？也许你会说只要5个方格码放成图1的样子就是一个“滑翔机”了，那么更复杂一些的图案呢？甚至那些变得已经不再是原来构形样子的图案呢？要知道每一时刻“生命游戏”世界里都会有很多很多的构形诞生，什么时候我们才能说一种构形具有了一个固定的个体呢？
       我们不难发现，实际上面谈到的波与这里的“滑翔机”具有相似的性质。也就是说它们都是某种硬件上面的“构形”。它们都是由硬件“实体”拼出来的某种软件。然而这种“构形”又和我们看到的更多的组合图形不一样，因为“滑翔机”和“波”具有下面的两条性质：

1)、实在性
   也就是说，无论是水面上的波还是细胞自动机上的“滑翔机”，它们都是一个实实在在的我们能够明确指出来的构形，它并不以我们人的意志为转移，因此可以说它们具有物质的实在特性，然而我们很清楚，他们并不是一个实在的物质。

2)、超越性
   机械波具有超越底层物理规律的某种超越性，也就是前面我们提到的机械波能够“无视”底层硬件的制约，而按照它自己的规律运动向上传播。同样，“滑翔机”也具有这种超越性。因为底层的生命游戏规则异常简单，它们并不具备向四周传播的性质，而“滑翔机”这种构形一旦出现，它们就会神奇的具有了自己的运动规律和目的，它们会傲视底层规则的存在而随心所欲的在“生命游戏”细胞自动机世界中游走。也许能够自我复制的细胞自动机更能说明这种超越性。实际上自我复制的程序在底层并不包含复制一个结构的命令，然而Langton的自我复制圈一旦在它那个世界诞生就会自发的被复制了，因而它似乎控制了底层的硬件，按照它自己的目的完成了复制任务。

3)、硬件独立性
    用计算机屏幕上的黑白两色方格能够构成生命游戏的各种构性，如果让一座大楼的所有窗户也当作一个细胞按照同样的规则开灯关灯运行这个游戏，则我们也会看到凌驾于大楼窗户之上的生命游戏，当然也有可能看到一个漂浮在窗户之上的“滑翔机”，因为“滑翔机”本身就是一种软件，因此这种软件构形是与底层硬件无关的，也就是说它们是硬件独立的。

3、万物皆构形

    按照目前人工生命的想法，生命本身就是一种构形。也就是说构成生命本身的具体组成物质并不重要，重要的是如何组合这些物质的方法。
    我小的时候就曾经有过这样的幻想：“在宇宙的某个角落生存着某种生命，他们特别神奇，因为你用一般的生命探测器探测不到它的存在。而它们本身就是由很多星体的相互运动组成的。我们看到的仅仅是一大群星体的无序运动，而并不知道他们为什么而动。实际上，这些星体就是为了维持某种刚层次的生命存在才运动！”。这也就是说生命的本质就在于物质组合的方式，也就是拼出来的“构形”，生命这种东西并不在于组成生命的介质，而在于这些介质的构成和运动方式。我们地球上的生命都是由碳水化合物构成的，然而外星的某个角落也许躲藏着某种生命体，这些生命很有可能就是星际的天体合成的。
    令人吃惊的是，上面叙述的科幻竟然也是人工生命这门学科理解自然界的通道。人工生命倡导生命应该是“如其所能”，而不仅仅是“如吾所知”。也就是我们虽然看到了地球上形形色色的生命现象，但是这些现象可能根本不是最根本的。因为我们能看到的生命现象太有限了，仅仅是地球上以碳元素为基础的生命。但生命的最本质特征也许根本就不在于构成的介质。而在于这些介质的运动组合方式，说白了也就是软件！

    如果进一步，我们可以按照计算主义的观点，把这个宇宙就看作是一台巨型的细胞自动机，那么，基本粒子就是其上的一个构形。既然基本粒子是构成万事万物的基础，那么也就是说万事万物都是构形。
    万事万物的构形不仅仅是一种静态的形状，它还会因为底层硬件的变化而变化、流动。因此，没有任何一个东西是可以停下来的。
    假设眼前又一块方方正正的海绵，当我们用手碰一下那块海绵的时候，会发现它首先发生了形变，接下来就会晃晃悠悠的恢复了原来的方方正正的形状。如果我们用力过猛破坏了海绵的形状，那么海绵也就不存在了。
     其实生命和这块海绵有多么相似！首先，生命也是构形，当我们试图想破坏一个生命的时候，它会试图恢复它自己的构形，就像海绵弹回原处一样，生命的这种构形维持了构形它自己的存在！另一方面，当我把剧烈的撕碎海绵的时候，那个方块构形本身已经变得不再是它自己了。这相当于生命生活在变化的环境当中，环境改变破坏了构形，也就是让构形不存在了。然而生命会动态的维持原构形的存在。与海绵不同的是，生命可以主动的破坏原构形的存在，而又重新维持它自己。因此生命就是这样一个永远处于To be or not to be过程中的动态的个体！

    To be or not to be的这种对生命的解释还自然的引入了生命的进化。因为To be这种凝固的力量导致了适应自然界的个体存在，not to be的力量导致了分裂一个个体存在，也就是创新的力量，这就是变异。有了变异和凝固的正反馈就能够导致进化的产生。To be 和not to be这两种力量还是前面提到的那些所有的两种里的根源。To be就是存在、生、秩序、聚集、正反馈、合作，not to be就是不存在、死、混乱、分散、多样性、竞争。当然理解这个道理还需要一些技巧。比如谈论为什么生命都要聚集？答案应该是生命群体这一更高层次的个体要存在，而因为每个生命个体都是活的，都在不停的彼此分离从而破坏高层次群体构性的存在，因而这就构成了not to be的一方面力量。同样合作也是为了合作的群体的存在，而竞争则是破坏合作群体的那种力量。因此看起来那纷繁复杂的两种力都变成了两种非常简单的力量：存在和不存在。