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为什么微观粒子具有全同性,宏观世界却没有两片完全相同的叶子?

本帖由 漂亮的石头2021-10-06 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

    漂亮的石头 版主 管理成员

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    这个问题其实有两层:

    第一层,可以从概率上理解。

    基本粒子不可区分,具有全同性很好理解。其他微观粒子,比如原子,属性就那么一点(虽然也很多了,但比叶子少很多),也容易不可区分,所以存在全同性是非常合理的。

    而叶子则不一样,它是大量粒子组合的产物。出现两个相同叶子的概率就非常低了。

    就相当于你独立地投两轮硬币,每轮一亿次,最后两轮的结果一模一样。这样的概率极低,低到从宇宙诞生到现在都不可能发生一次。

    [​IMG]
    两组一百次投币的结果

    第二层会更有意思一点:为什么叶子会存在?

    那就是虽然「一片叶子长成这样」的概率极低,但相对于这个极低的概率,叶子存在的概率却非常非常高。

    前面说的算法是非常粗糙的,把粒子的组合看作完全独立随机的。但这就会导致一个问题:我们常见事物的出现概率都非常低。叶子出现的概率很低,生命的概率也很低,我们熟悉的大多数东西的概率都很低。

    生物学家理查德·道金斯把它们称作「不可能的山峰」。

    怎么解决概率问题呢?熟悉信息论的朋友,会很容易想到解决方法——提供信息可以极大的降低不确定度,使「不可能成为可能」。

    [​IMG]
    天气预报

    说一个相对主观的例子:在没有看天气预报之前,你不知道明天下不下雨。你的判断可能是:

    下雨:30%

    晴天:70%

    这个时候的不确定度还是很高的,换句话说,这个分布的熵很高。

    [​IMG]

    但是你在看了天气预报之后,你获得了天气预报的信息,你知道了,明天90%会下雨,只有10%会是晴天。这是从预测的角度看信息,信息可以提高预测的准确度。

    [​IMG]

    如果你把DNA作为信息,然后把生物结构看作「预测的结果」的话,信息的作用就非常清楚了。

    信息在这里指导了树叶的产生。从而让不可能成为可能。

    那随机性又起到了什么作用呢?实际上,DNA没有储存很多的信息。比如说,人类的DNA只有750MB的字节,但要建立精确到细胞的模型,其容量会远大于750MB。

    所以说,在生长的过程中,引入了大量的环境因素,很多都是独立随机的。有的时候还会在生长时出现类似于进化过程的选择过程。这些细节都是编码之外的东西,但由于存在自适应的过程,就会使得随机的信息被筛选、选择,从而得到有用的信息。这些信息通常和环境有关,换句话说,环境信息也被编码到生物体之中了。

    正是随机,让每一片叶子都不一样。又正是因为有编码,让叶子真正存在。

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