第3章：免费的结构 New 2024-12-26 作者 C3P00 在探讨宇宙的起源与结构形成的过程中，我们不断发现自然界中存在着一种无需智能干预、自发形成的复杂结构。这种现象不仅限于微观世界，也广泛存在于宏观尺度上。从雪花的形成到太阳系的诞生，这些过程都揭示了物理定律和简单规则如何通过相互作用产生复杂的结构。本文将深入探讨这一现象，并通过具体的例子来说明“免费的结构”是如何在自然中涌现的。 1. 自发形成的结构 想象一个水分子飘浮在空气中，自由运动，直到碰巧遇到了一片正在生长的雪花。如果条件合适，它可能会粘上去，也有可能会弹开，继续漂浮。这个看似随意的过程不断重复，最终形成了一个美丽而规则的结构。类似的过程也发生在其他自然现象中，比如河流中的漩涡、氢气云通过引力聚拢形成恒星和行星，以及DNA砖块根据其化学形状组合成规则的图样。 这些过程的共同点在于它们都是自发形成的。它们不需要外部的智能设计或干预，而是基于某些类型的基本成分（如原子、分子或分子砖块）根据简单的规则相互作用，逐渐形成复杂的结构。这些结构之间的互动又会导致新的结构的产生，形成一个不断演化的链条。正如天文学家所言，这一切可以追溯到137亿年前的大爆炸，当时整个宇宙开始于一个无穷小、无穷致密、无穷热的点——物理学家称之为奇点。 1.1 物理定律的作用 物理定律是自然界的基本法则，它们在所有尺度上、在所有时间和地点都起作用。时间、空间，甚至规律本身可能都起源于大爆炸。虽然这些定律并没有写在某个地方，但它们可以通过人类的观察和描述被发现。物理定律大部分是数学化的，可以用它们来计算宇宙从最开始的状态如何演化成现在的样子。然而，这些定律并不能解释它们自身的来源。现代宇宙学的一个重要目标就是找到能够解释这些定律的自足理论，尽管目前还没有达成共识。 1.2 确定性与随机性 物理定律可以分为两类：确定性和随机性。确定性定律在相同条件下总是会导致相同的结果，而随机性定律即使在相同条件下也会导致不同的结果。此外，有些情况下，确定性定律的作用会产生混沌，使得无法精确预测长期的结果。例如，虽然每片雪花的形成遵循相同的物理定律，但由于水分子的碰撞细节不同，每片雪花的形态都是独一无二的。 2. 结构的分类 结构可以根据不同的标准进行分类。第1章提到的两种结构类型是： I型结构：基于简单规则，通常由少量的基本成分和简单的相互作用形成。 II型结构：需要复杂规则，通常涉及更多的基本成分和更复杂的相互作用。 此外，根据热力学的研究，结构还可以分为两类： 近平衡态结构：当系统接近热力学或化学平衡态时形成的结构。这类结构一旦形成，除非有外力改变系统，否则会一直维持下去。例如，水晶和太阳系属于此类结构。 远离平衡态结构：当系统远离热力学或化学平衡态时形成的结构。这类结构的存在依赖于持续的能量输入。例如，流体中的漩涡、湖中的波浪和生物体都属于此类结构。 2.1 静态与动态结构 结构还可以根据是否运动进行分类： 静态结构：不动的结构，例如水晶。 动态结构：动的结构，例如太阳系中的行星围绕太阳旋转。 即使是平衡态结构，也可能包含运动。例如，太阳系中的行星围绕太阳转，卫星围绕行星转，这些都是运动的平衡态结构。相反，当你将浴缸中的水放掉时，水流进下水管时形成的漩涡则是一个静态的非平衡态结构，尽管水分子在排下去时在转圈。 2.2 暂态结构 自然界中还存在许多短暂存在的结构，这类事物持续时间不长，形成了系统的暂态。在长期结构和暂态结构之间没有明确的区分。例如，太阳系对我们来说似乎很久远，但相对于银河系的生命却很短暂。在非平衡态结构中，经常有结构从一种形态变成另一种形态，但并不溃散。 3. 吸引与排斥律的相互作用 让物理结构成为可能的是相反的力的平衡。在特定的条件下，物理定律描述的力相互作用，形成结构。一些物理定律描述物质聚拢的趋势，另一些则描述远离的趋势。在引力和斥力之间自然而然会有平衡点。平衡就会产生结构。我称之为免费的结构；意指系统和定律中蕴含了产生结构的机会，无需预先设计，条件满足了结构就自然产生。 3.1 如何解释一粒盐？ 食盐由钠和氯组成。同其他原子一样，钠原子和氯原子也是由质子、电子和中子组成的。根据库仑定律，正负电荷互相吸引，而两个质子或两个电子之间则互相排斥。根据这条定律，大部分原子最喜欢的状态是相同数量的电子和质子尽可能紧密地结合在一起。然而，量子力学和泡利不相容原理的存在使得原子内部的电子不能无限靠近质子，而是分布在不同的能级上。 当等量的钠原子和氯原子混合到一起时，会发生自发的化学反应，使得系统转变成新的平衡态。每个钠原子失去一个电子，变成带正电的钠离子；每个氯原子获得一个电子，变成带负电的氯离子。根据库仑定律，带正电的钠离子和带负电的氯离子相互吸引，但不能距离太近，因为填充的能级（化学轨道）不能相互渗透。最终，钠离子和氯离子形成了一个规则的立方体结构，每个氯离子周围有6个钠离子，每个钠离子周围也有6个氯离子。这个规则的立方体结构向各个方向延伸，形成我们所熟悉的盐晶。 盐晶是室温下钠和氯离子的低能（平衡）态。维持它不需要能量流，结晶过程中也不需要外来的能量源。晶体是免费结构的简单例子。3个简单规则——库仑定律、泡利不相容原理和量子力学——的相互作用决定了其结果。盐晶的形成可以通过合理的初始条件（例如，溶解于水的钠离子和氯离子以及逐渐失去水）和这3个规则得到解释。 3.2 太阳系是怎样形成的？ 太阳系的形成也可以视为三个作用定律的产物：能量守恒、动量守恒和引力。在宇宙中，不断有恒星诞生。在太阳出现之前，空间中有气体和尘埃组成的云。云中大部分是氢和氦，但也包含碳、氧、氮、铁等元素。这些元素在超新星爆发后被抛散到空中，形成尘埃微粒。超新星的爆发不仅创造了重元素，还导致附近的尘埃和气体云运动，分布变得不均匀。 空间中不均匀的气体云是不稳定的。引力定律决定了所有原子、分子和尘埃会相互吸引。动量守恒和引力定律的交互作用会使得粒子围绕高密度的中心旋转。随着粒子相互旋转，它们的速度会增加，因为引力势能会转换成动能。随着相互吸引的气体和尘埃粒子旋转得越来越近，它们的速度也会越来越快，发生碰撞越来越频繁。碰撞后会发生什么取决于粒子的化学性质。一些碰撞是弹性的，粒子像台球一样相互弹开；一些碰撞是无弹性的，粒子像橡皮泥一样粘到一起。无论哪种碰撞都必须遵守能量守恒和动量守恒。 碰撞还会产生热，以红外辐射的形式放射。粒子碰撞、弹开和黏合到一起的结果是黏合的粒子越来越多，并且所有粒子的运动变得协同一致。所有粒子聚拢并降低速度，导致热能损失。由于旋转，气体云会变成盘状。大部分尘埃和气体会在中心附近，少量在外围。能量和动量守恒使得中心附近的粒子和气体运动得最快，最外面的物质则运动得最慢。随着分子越来越接近旋转中心，碰撞也越来越频繁。碰撞越多释放的热量也越多，中心也变得更加热和致密。最终云团中心变得如此热和致密，以至于开始出现热核反应。这又会产生更多热和辐射。辐射将原子和分子外推，与向内的引力相互抵消。 当辐射导致的外推与引力的向内拉相互平衡，就会形成稳定的结构；我们称之为恒星或太阳。这时外部的气体和尘埃盘变得引力不稳定，逐渐形成了行星和其他天体。太阳系就是这样通过引力、能量守恒和动量守恒的相互作用，逐步形成了今天我们所看到的结构。 4. 结构的自发性与计算 结晶和太阳系的形成都可以看作是一种计算过程。虽然这些过程没有常规意义上的算法，但它们都是规则作用于初始结构（输入）产生出了最终的结构（输出）。这与第2章中用元胞自动机的计算创造出各种大小的三角形从而形成结构的过程有何区别？在这些例子中都不存在明显的程序，作用于结构的规则决定了发生的事情。 4.1 计算的本质 计算的本质在于规则的应用。无论是DNA砖块根据简单规则的结合，还是盐晶的形成，亦或是太阳系的诞生，这些过程都可以被视为一种计算。它们通过简单的规则作用于初始状态，逐步演化出复杂的结构。这种计算不需要外部的指令或程序，而是基于自然界的物理定律和化学规则自发进行的。 4.2 结构的多样性 尽管自然界中的结构形成过程看似简单，但它们产生的结果却是多样化的。正如我们所见，简单的规则可以在不同的初始条件下产生截然不同的结构。例如，盐晶的形成依赖于特定的温度和浓度条件，而太阳系的形成则依赖于气体云的初始分布和运动状态。正是这种多样性和复杂性使得自然界充满了无限的可能性。 5. 结语 通过对自然界中自发形成的结构的研究，我们可以更好地理解宇宙的运作方式。从微观的盐晶到宏观的太阳系，这些结构的形成都遵循着相同的原理：简单的规则在特定条件下相互作用，逐渐演化出复杂的结构。这种自发形成的结构不仅是自然界的一部分，也是我们理解宇宙的基础。正如物理学家所言，宇宙的奥秘并不在于它的复杂性，而在于它的简单性。正是这些简单的规则，造就了我们所看到的丰富多彩的世界。 🌟 参考文献： [1] 关于宇宙学的万有理论，感兴趣的读者可以参考相关文献。 [2] 简单规则和简单输入的组合不一定能产生复杂的结构。 [3] 免费的结构指的是系统和定律中蕴含了产生结构的机会，无需预先设计。 [4] 库仑定律的表达式为 ( F = k \frac{q_1 q_2}{r^2} )，其中 ( F. 是作用力，( q_1 ) 和 ( q_2 ) 是电荷，( r ) 是距离，( k ) 是常数。✅ [5] 量子力学的规则可以用简单的方程表示。 [6] 引力定律的经典形式为 ( F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} )，其中 ( F. 是引力，( m_1 ) 和 ( m_2 ) 是质量，( r ) 是距离，( G ) 是引力常数。✅
在探讨宇宙的起源与结构形成的过程中，我们不断发现自然界中存在着一种无需智能干预、自发形成的复杂结构。这种现象不仅限于微观世界，也广泛存在于宏观尺度上。从雪花的形成到太阳系的诞生，这些过程都揭示了物理定律和简单规则如何通过相互作用产生复杂的结构。本文将深入探讨这一现象，并通过具体的例子来说明“免费的结构”是如何在自然中涌现的。
1. 自发形成的结构
想象一个水分子飘浮在空气中，自由运动，直到碰巧遇到了一片正在生长的雪花。如果条件合适，它可能会粘上去，也有可能会弹开，继续漂浮。这个看似随意的过程不断重复，最终形成了一个美丽而规则的结构。类似的过程也发生在其他自然现象中，比如河流中的漩涡、氢气云通过引力聚拢形成恒星和行星，以及DNA砖块根据其化学形状组合成规则的图样。
这些过程的共同点在于它们都是自发形成的。它们不需要外部的智能设计或干预，而是基于某些类型的基本成分（如原子、分子或分子砖块）根据简单的规则相互作用，逐渐形成复杂的结构。这些结构之间的互动又会导致新的结构的产生，形成一个不断演化的链条。正如天文学家所言，这一切可以追溯到137亿年前的大爆炸，当时整个宇宙开始于一个无穷小、无穷致密、无穷热的点——物理学家称之为奇点。
1.1 物理定律的作用
物理定律是自然界的基本法则，它们在所有尺度上、在所有时间和地点都起作用。时间、空间，甚至规律本身可能都起源于大爆炸。虽然这些定律并没有写在某个地方，但它们可以通过人类的观察和描述被发现。物理定律大部分是数学化的，可以用它们来计算宇宙从最开始的状态如何演化成现在的样子。然而，这些定律并不能解释它们自身的来源。现代宇宙学的一个重要目标就是找到能够解释这些定律的自足理论，尽管目前还没有达成共识。
1.2 确定性与随机性
物理定律可以分为两类：确定性和随机性。确定性定律在相同条件下总是会导致相同的结果，而随机性定律即使在相同条件下也会导致不同的结果。此外，有些情况下，确定性定律的作用会产生混沌，使得无法精确预测长期的结果。例如，虽然每片雪花的形成遵循相同的物理定律，但由于水分子的碰撞细节不同，每片雪花的形态都是独一无二的。
2. 结构的分类
结构可以根据不同的标准进行分类。第1章提到的两种结构类型是：
此外，根据热力学的研究，结构还可以分为两类：
2.1 静态与动态结构
结构还可以根据是否运动进行分类：
即使是平衡态结构，也可能包含运动。例如，太阳系中的行星围绕太阳转，卫星围绕行星转，这些都是运动的平衡态结构。相反，当你将浴缸中的水放掉时，水流进下水管时形成的漩涡则是一个静态的非平衡态结构，尽管水分子在排下去时在转圈。
2.2 暂态结构
自然界中还存在许多短暂存在的结构，这类事物持续时间不长，形成了系统的暂态。在长期结构和暂态结构之间没有明确的区分。例如，太阳系对我们来说似乎很久远，但相对于银河系的生命却很短暂。在非平衡态结构中，经常有结构从一种形态变成另一种形态，但并不溃散。
3. 吸引与排斥律的相互作用
让物理结构成为可能的是相反的力的平衡。在特定的条件下，物理定律描述的力相互作用，形成结构。一些物理定律描述物质聚拢的趋势，另一些则描述远离的趋势。在引力和斥力之间自然而然会有平衡点。平衡就会产生结构。我称之为免费的结构；意指系统和定律中蕴含了产生结构的机会，无需预先设计，条件满足了结构就自然产生。
3.1 如何解释一粒盐？
食盐由钠和氯组成。同其他原子一样，钠原子和氯原子也是由质子、电子和中子组成的。根据库仑定律，正负电荷互相吸引，而两个质子或两个电子之间则互相排斥。根据这条定律，大部分原子最喜欢的状态是相同数量的电子和质子尽可能紧密地结合在一起。然而，量子力学和泡利不相容原理的存在使得原子内部的电子不能无限靠近质子，而是分布在不同的能级上。
当等量的钠原子和氯原子混合到一起时，会发生自发的化学反应，使得系统转变成新的平衡态。每个钠原子失去一个电子，变成带正电的钠离子；每个氯原子获得一个电子，变成带负电的氯离子。根据库仑定律，带正电的钠离子和带负电的氯离子相互吸引，但不能距离太近，因为填充的能级（化学轨道）不能相互渗透。最终，钠离子和氯离子形成了一个规则的立方体结构，每个氯离子周围有6个钠离子，每个钠离子周围也有6个氯离子。这个规则的立方体结构向各个方向延伸，形成我们所熟悉的盐晶。
盐晶是室温下钠和氯离子的低能（平衡）态。维持它不需要能量流，结晶过程中也不需要外来的能量源。晶体是免费结构的简单例子。3个简单规则——库仑定律、泡利不相容原理和量子力学——的相互作用决定了其结果。盐晶的形成可以通过合理的初始条件（例如，溶解于水的钠离子和氯离子以及逐渐失去水）和这3个规则得到解释。
3.2 太阳系是怎样形成的？
太阳系的形成也可以视为三个作用定律的产物：能量守恒、动量守恒和引力。在宇宙中，不断有恒星诞生。在太阳出现之前，空间中有气体和尘埃组成的云。云中大部分是氢和氦，但也包含碳、氧、氮、铁等元素。这些元素在超新星爆发后被抛散到空中，形成尘埃微粒。超新星的爆发不仅创造了重元素，还导致附近的尘埃和气体云运动，分布变得不均匀。
空间中不均匀的气体云是不稳定的。引力定律决定了所有原子、分子和尘埃会相互吸引。动量守恒和引力定律的交互作用会使得粒子围绕高密度的中心旋转。随着粒子相互旋转，它们的速度会增加，因为引力势能会转换成动能。随着相互吸引的气体和尘埃粒子旋转得越来越近，它们的速度也会越来越快，发生碰撞越来越频繁。碰撞后会发生什么取决于粒子的化学性质。一些碰撞是弹性的，粒子像台球一样相互弹开；一些碰撞是无弹性的，粒子像橡皮泥一样粘到一起。无论哪种碰撞都必须遵守能量守恒和动量守恒。
碰撞还会产生热，以红外辐射的形式放射。粒子碰撞、弹开和黏合到一起的结果是黏合的粒子越来越多，并且所有粒子的运动变得协同一致。所有粒子聚拢并降低速度，导致热能损失。由于旋转，气体云会变成盘状。大部分尘埃和气体会在中心附近，少量在外围。能量和动量守恒使得中心附近的粒子和气体运动得最快，最外面的物质则运动得最慢。随着分子越来越接近旋转中心，碰撞也越来越频繁。碰撞越多释放的热量也越多，中心也变得更加热和致密。最终云团中心变得如此热和致密，以至于开始出现热核反应。这又会产生更多热和辐射。辐射将原子和分子外推，与向内的引力相互抵消。
当辐射导致的外推与引力的向内拉相互平衡，就会形成稳定的结构；我们称之为恒星或太阳。这时外部的气体和尘埃盘变得引力不稳定，逐渐形成了行星和其他天体。太阳系就是这样通过引力、能量守恒和动量守恒的相互作用，逐步形成了今天我们所看到的结构。
4. 结构的自发性与计算
结晶和太阳系的形成都可以看作是一种计算过程。虽然这些过程没有常规意义上的算法，但它们都是规则作用于初始结构（输入）产生出了最终的结构（输出）。这与第2章中用元胞自动机的计算创造出各种大小的三角形从而形成结构的过程有何区别？在这些例子中都不存在明显的程序，作用于结构的规则决定了发生的事情。
4.1 计算的本质
计算的本质在于规则的应用。无论是DNA砖块根据简单规则的结合，还是盐晶的形成，亦或是太阳系的诞生，这些过程都可以被视为一种计算。它们通过简单的规则作用于初始状态，逐步演化出复杂的结构。这种计算不需要外部的指令或程序，而是基于自然界的物理定律和化学规则自发进行的。
4.2 结构的多样性
尽管自然界中的结构形成过程看似简单，但它们产生的结果却是多样化的。正如我们所见，简单的规则可以在不同的初始条件下产生截然不同的结构。例如，盐晶的形成依赖于特定的温度和浓度条件，而太阳系的形成则依赖于气体云的初始分布和运动状态。正是这种多样性和复杂性使得自然界充满了无限的可能性。
5. 结语
通过对自然界中自发形成的结构的研究，我们可以更好地理解宇宙的运作方式。从微观的盐晶到宏观的太阳系，这些结构的形成都遵循着相同的原理：简单的规则在特定条件下相互作用，逐渐演化出复杂的结构。这种自发形成的结构不仅是自然界的一部分，也是我们理解宇宙的基础。正如物理学家所言，宇宙的奥秘并不在于它的复杂性，而在于它的简单性。正是这些简单的规则，造就了我们所看到的丰富多彩的世界。 🌟
参考文献：
[1] 关于宇宙学的万有理论，感兴趣的读者可以参考相关文献。
[2] 简单规则和简单输入的组合不一定能产生复杂的结构。
[3] 免费的结构指的是系统和定律中蕴含了产生结构的机会，无需预先设计。
[4] 库仑定律的表达式为 ( F = k \frac{q_1 q_2}{r^2} )，其中 ( F. 是作用力，( q_1 ) 和 ( q_2 ) 是电荷，( r ) 是距离，( k ) 是常数。✅
[5] 量子力学的规则可以用简单的方程表示。
[6] 引力定律的经典形式为 ( F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} )，其中 ( F. 是引力，( m_1 ) 和 ( m_2 ) 是质量，( r ) 是距离，( G ) 是引力常数。✅