有很多人宣稱自己喜歡過平靜的生活,追求穩定有規律,什麼早睡早起,什麼「歲月靜好」。也有一些人對平靜不以為然,認為人生在於折騰,應該製造一些不確定性。
這一節我們從物理學的角度來考察一下這個問題。這裡面有個通用的、跨領域的道理,可以說是大自然的零階道理。
物理學出場:漲落—耗散定理#
這個物理定律叫作漲落—耗散定理(fluctuation-dissipation theorem)。
- 你可能沒聽說過這個名字,但是它的應用極為廣泛
- 熱力學、電磁學、統計物理、生物學、化學、金融、經濟、社會方方面面都有涉及
- 這個理論還出身名門,它最早的起源,正是愛因斯坦(Albert Einstein)在 1905 年這個「奇跡年」發表的六篇論文中的一篇
愛因斯坦最被引用的論文#
那六篇論文中:
| 論文 | 貢獻 |
|---|---|
| 一篇 | 提出了狹義相對論(special relativity) |
| 一篇 | 推導出了 $E=mc^2$,可能是一切科學知識裡最著名的公式 |
| 一篇 | 提出光是一種量子,開啟了量子力學,並且給愛因斯坦帶來了諾貝爾獎 |
| 關鍵這一篇 | 被引用次數最多、應用範圍最廣 |
這篇論文叫《熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運動》。咱們從頭說起。
布朗運動的歷史#
1827 年的神祕現象#
1827 年,英國植物學家羅伯特・布朗(Robert Brown)發現了一個看似平淡、實則有點「細思極恐」的現象。
- 他把幾個非常微小的花粉顆粒(注意不是花粉本身——花粉太大了,是從花粉中提取出來的小顆粒)放在培養皿的水裡
- 然後用顯微鏡觀察
- 他發現這幾個花粉顆粒一直在水面上跑來跑去,永遠都不會停下來
這很奇怪:水面不是靜止的嗎?花粉顆粒的動力是從哪兒來的呢?難道它們自己就會動嗎?
布朗一開始很激動。當時人們還不知道生命到底是怎麼回事(其實現在也不完全知道),有人認為生命之所以是生命,其中必定有一種什麼「生命素」之類的東西。布朗還以為自己發現了生命素。
不過他懂科學方法,馬上用沒有生命的物質做同樣的觀察,比如用銅粉微粒,發現也是在水面上一直在動。這個運動被命名為「布朗運動」(Brownian motion)。當時沒有人能解釋。
愛因斯坦的解答(近 80 年後)#
愛因斯坦在 1905 年的這篇論文中說,花粉顆粒之所以一直都在動,是因為周圍的水分子在推著它動。
這可是一個神級的論斷。為啥呢?當時物理學家還不能確定有「分子」或者「原子」這些東西存在。
- 古希臘人很早就提出了物質是原子組成的,但那只是假說,因為原子分子都太小了,用顯微鏡都看不見
- 布朗運動其實是原子存在的第一個過硬的證據
- 愛因斯坦這篇論文,是物理學家證明「物質是由原子組成的」里程碑
愛因斯坦為什麼有說服力#
因為愛因斯坦有公式、有定量計算結果,你可以拿這個結果跟實際觀測作比較。
他的假設:
- 水是由水分子組成的,水分子每時每刻都在做「熱運動」——隨機的、永不停歇的運動
- 其實這個熱運動才是溫度的本質。熱水為啥燙手?因為水分子的運動速度太快,速度快的分子撞在你的手上,你當然會感到疼痛
為什麼花粉會「隨機行走」#
所以花粉顆粒每時每刻都在被它周圍的水分子們撞來撞去。
你可能會問:水分子既然比花粉顆粒小得多,水分子的數量又比花粉顆粒多得多,它們撞在花粉顆粒上的力量應該互相抵消才對啊?不對。
隨機 ≠ 均勻。
花粉顆粒畢竟不算太大,在每一個時刻,要麼這個方向、要麼那個方向,在某一方向上它感受到的水分子合力會比其他方向大一點,於是它就被撞動了。
然後到下一個位置,它又被撞向另一個方向。這樣被撞來撞去,花粉顆粒在水面上的運動,就體現為「隨機行走」(random walk)。
隨機行走的數學#
愛因斯坦用一個精妙的數學方法證明:
一段時間之後,花粉顆粒離開出發點的那個直線距離,平均而言,跟時間的平方根成正比。
- 你看不見水分子,但是你能看見花粉顆粒
- 你只要測量一下花粉顆粒們的運動,就能驗證愛因斯坦的公式——花粉顆粒的運動,體現了分子的存在
隨機行走在自然界和人類生活中都是個常見現象。比如股票市場,因為有眾多的博弈力量,基本是個有效市場,那麼股價的微觀走法在很大程度上就是隨機行走,也可以用愛因斯坦的公式做量化分析。
漲落(Fluctuation):涉落的物理本質#
現在咱們不管水分子,單說花粉顆粒。花粉顆粒的這種運動,有時候這個方向受力大,有時候那個方向受力大,東一下西一下,這在物理學上叫「漲落(fluctuation)」。
你也可以把漲落理解成波動,只不過這個波動沒有固定的周期和振幅,它只是隨機地來回變動。
隨機行走的人生類比#
如果我們把花粉顆粒比喻成人生:
- 隨機行走 = 隨波逐流、沒目的、沒方向、沒主動性,完全被周圍外力推著走的一種運動
- 愛因斯坦告訴我們,隨機行走也能讓你走得很遠——可能你原本沒有什麼志向,可一系列的機緣巧合之下,就被推著走了那麼遠
但這種走法還是太慢了。
| 行走方式 | 距離 vs 時間 | 效率對比 |
|---|---|---|
| 有方向的行走 | 距離與時間成正比 | 別人走 100 米,你也走 100 米 |
| 布朗運動(隨機行走) | 距離與時間的平方根成正比 | 別人走 100 米,你才 10 米;別人 10000 米,你才 100 米 |
所以人生要想走得足夠遠,最好有個方向,別做布朗運動。
摩擦力的本質:漲落導致耗散#
但這並不是本節要說的道理。作者要說的道理是——就算你有一個方向,布朗運動也會困擾你。
即使有動力也會被漲落干擾#
設想花粉顆粒自己有了動力,說我要往前走了!它希望走直線,但是它走不了直線:
- 前方、左右兩側的水分子仍然會撞過來
- 有時候讓它滯後一下,有時候讓它偏轉方向
- 它的路線仍然會充滿漲落
這個微觀的漲落,就是「摩擦力」的本質。
- 摩擦力就是物體在前進方向上因為撞上了介質的分子而產生的阻力
- 輪胎在路面上摩擦、冰刀在冰面上摩擦、船在水面上摩擦,道理是一樣的
漲落—耗散定理#
- 這個阻力會消耗物體前進的動能——這就叫「耗散(dissipation)」
- 漲落越大,動能的耗散就越多
- 物體耗散掉的動能會變成周圍分子的熱能,這就是為什麼摩擦會生熱,這叫漲落導致耗散
- 能量耗散越快,周圍分子的運動也會越快,這叫耗散導致漲落
微觀的運動漲落必定導致宏觀的能量耗散,而宏觀的能量耗散也必定帶來微觀的漲落運動——這就是「漲落—耗散定理」。
漲落—耗散的普遍性#
布朗運動只是一個特殊情況。類似現象還有:
| 現象 | 耗散 | 漲落 |
|---|---|---|
| 電流流過電阻 | 電阻發熱 | 電子和原子的熱運動加劇 |
| 光打到物體 | 有些光子被吸收 | 物體吸收光子發熱,自己也發射一些光子 |
有漲落必有耗散,有耗散必有漲落。生活中也是這樣。
人生應用:為什麼小事讓你累#
注意力與漲落#
為什麼注意力不集中的時候往往花了很多時間卻沒做成什麼事?
因為你的漲落太大了。隨便一個什麼干擾都能吸引你,你一會兒看手機、一會兒跟人聊天、一會兒喝水、一會兒發呆,你幾乎就是布朗運動。
但就算你注意力很集中,一心想做好一件事,也不可能完全避免漲落。
物理學給我們的一個智慧是:並不是花粉顆粒在主動吸引水分子,是水分子自動就會來撞它。
所以做任何事都會有阻力,正如再好的道路也有摩擦力一樣。阻力不是有人故意跟你作對,而是自然現象。
小事耗散能量#
你早上起來能量滿滿,說我今天上午一定要把這個活兒幹完!可是左一個小事右一個小事總來找你,其中很多事情又是你不能不管的。這些小事讓你的行動充滿漲落。你早上好不容易攢出來的能量,就這樣慢慢被小事給耗散了。
小事耗散能量,這就是我們不喜歡小事的原因。
你可以用一些心法去應對小事,你的應對方式很重要。這個底層原理是:真正耗散能量的不是小事本身,而是你為了應對小事而不得不做出的「漲落」。
你希望把自己反應出來的漲落,降到最低。
減少漲落的兩個方法#
1. 沒事別找事#
- 別今天惹這個,明天惹那個
- 出了問題得賠償、得罪人得安撫
- 一邊點火就得一邊滅火
老百姓說這人怎麼那麼多戲呢?物理學家說這就叫漲落。老百姓說你看他無端消耗了時間、精力和金錢,物理學家說這全都是耗散。
2. 不要亂發脾氣#
- 有些人不愛惹事,但是容易發脾氣
- 一點就炸,那也是增加漲落
- 很多時候忍讓不是因為害怕,純粹是為了避免耗散
平穩 ≠ 靜止#
所以物理定律提倡的養生之道必然是過平靜的生活:
- 幹什麼事都穩穩當當,不一驚一乍,不左一下右一下,不折騰,漲落振幅非常小,這樣能量耗散最小
- 你看那些能長期運轉的機器肯定噪聲都小,可能還要定期加點潤滑油,減少摩擦
但平穩 ≠ 靜止。
為什麼走同樣的距離,高速公路上開車比在市區裡開車省油?
- 因為高速公路上你的速度是基本恆定的,非常平穩,你的漲落小
- 而在市區,剛踩完油門又得踩剎車,速度變來變去,這麼大的漲落都把能量白白耗散了
做事集中注意力就如同在高速上開車,不集中注意力就如同在市區開車。
習慣與規律#
我們說要養成好習慣,生活要有規律,一日三餐、行動坐臥走最好都在固定的時刻,這就是降低漲落。沒有規律的生活會增大壓力,導致耗散。
結語:熵增 vs 漲落—耗散#
作者感覺當很多人說「熵增」的時候,他們其實想要表達的是漲落和耗散,只是他們不知道這個定理。
熵增其實不見得是壞事——做企業你其實希望製造熵增。真正危害系統運行效率的,是漲落和耗散。
但漲落也不見得就一定是壞事:
- 漲落會耗散能量,可我們的存在並不是為了節約能量
- 有很多事情值得花費能量。比如說搞創造,就需要一定的混亂,有時候折騰折騰才能發現機會
- 而且漲落—耗散定理這個規律是雙向的,你耗散出去的能量並沒有白白消失,都變成了某種漲落
- 也許有些漲落,對你反而是好事
有些事情值得花費能量。但如果你想省能,你應該盡量避免無謂的耗散。