[閱讀心得] 將科學說得有深度又不會過深《深奧的簡潔》

原文書名：Deep Simplicity：Bringing Order to Chaos and Complexity
直譯：極簡：為混亂和複雜帶來秩序
作者：約翰．葛瑞賓（John Gribbin）
原文出版社：藍燈書屋（Random House），2005
台灣出版社：商周出版，2006

《深奧的簡潔》這本書是因為查理·蒙格的推薦而知道，是本長科學知識的書。

如果不是蒙格，我應該不可能自己注意到這本書，也不可能想讀😆

雖然我從高中就踏入自然組，到後來也一直是走工程路線，但我只對數學和邏輯很有熱情，對物理和化學實在是沒什麼興趣。

不過！

為了更靠近蒙格的思維，我願意給這本書機會✌

蒙格的推薦：[分享] 查理蒙格的推薦閱讀書單（２０本）

把科學說得有深度又不會過深

印象在高中學物理的時候覺得超困難的，但讀這本書卻可以感受到物理的有趣！

看著科學家怎麼去觀察和發現，除了有趣，還有讚嘆！

1583年，當伽利略還是義大利比薩（Pisa）的醫學系學生時，他的一項發現成為日後對運動研究的關鍵。
在一場無聊的教堂佈道中，他看著頭頂上的大吊燈來回擺動，並用自己的脈搏來計時。
結果發現，不論吊燈擺動弧度的大小，擺動所需的時間取決於鐘擺的長度，而不是擺動的幅度。
這就是鐘擺原理。

自由落下的球速太快難以測量，因此他讓球從傾斜的坡道滾下；這將會產生一個拉長與延緩版本的重力自由落體實驗。

書中提到，伽利略是第一個以科學方式了解運動概念的人。

對於建立一套探索以實驗或觀察結果來比較兩種以上理論（或模型）的科學方法，他的貢獻也最多。

加速度的概念
伽利略發現，下墜的物體（或由斜坡滾下的球）愈跑愈快，每秒的速度都在增加。
最關鍵的是，他的實驗顯示每秒增加的速度都一樣——加速一致。
第一秒內物體會移動9.8公尺，第二秒移動19.6公尺，第三秒29.4公尺，依此類推。
這由重力引發的加速度，完美地解釋了為什麼鐘擺會有那樣的特性。

摩擦力
他發現，當球從斜坡滾下時，會產生摩擦力而且慢一些。

空氣阻力
空氣阻力解釋了——把鐵錘和一片羽毛在地球上落下的速度為什麼會不同，而在沒有空氣的月亮上卻以相同速度下墜，如阿波羅號太空人曾經示範過的。

伽利略好厲害，難怪他的名字會流傳這麼久。

跟著伽利略一起觀察研究這些物理現象，讓我覺得這件事突然有趣了起來。

很想再拿出高中物理考題來算算看，知道由來後覺得超有趣的呀～哈哈

應該就是《窮查理的普通常識》第十一講裡的師出有名傾向，知道這些物理現象怎麼被發現和它們的緣由後，突然就變得很感興趣就想練習題目了😆

完整心得整理：[閱讀心得] 窮查理的普通常識第十一講 – 人類誤判心理學

站在巨人的肩膀上的牛頓

結合了克卜勒所發現的橢圓軌道和伽利略對物體加速與科學方法的洞見，十七世紀（或有史以來）最偉大的科學發現——牛頓的萬有引力定律—於是誕生。

和伽利略一樣，牛頓著重於將理論和模型與真實世界中的實驗與觀察作比較，他總會親自實驗，以印證自己的想法。

牛頓還真的是站在巨人的肩膀上👍🏻

牛頓的三個運動定律

慣性定律：任一物體都會保持靜止或是以直線運動，除非受到外力作用
物體運動受到外力影響的程度：當一股力量（F）作用於某個質量（m）時，加速度（a）的公式可以 F = ma 或 a = F/m 表示
作用於物體上的力都會產生大小一樣的反作用力，任何作用都有相對的反作用

生命的起源

探討生命的起源蠻有趣的，原來非穩態的環境，是有生命的象徵。

讀這本書獲得了一些感觸，有生命的世界有週期的震盪，從穩定突破邊際到達混沌再回到穩定，了解這些讓我對於許多的變化能更淡然視之。

無常其實才是正常的生命跡象，週期性的變化。

有生命力，就會有週期性的震盪。

就像在《投資最重要的事》裡說過的鐘擺效應吧。

完整心得：[閱讀心得] 投資最重要的事

長知識筆記

熱力學

將力學應用在統計方式，以描述氣體（或其他系統）中無數原子與分子行為的方法，稱為「統計力學」。

熱力學的起點是從熱在固體中流動的研究開始，由傅立葉（Joseph Fourier）在法國展開，到了一八一一年，他因這方面的研究而獲得法國科學院頒獎表揚。
傅立葉找到一個簡單的數學定律來描述熱傳遞——熱的傳遞效應與溫差成正比——使熱（顯而易見地）由較熱的一端流向較冷的彼端。

在沒有外界的干擾下，熱永遠會由較熱的物體流向較冷物體；用日常用語來說，熱的東西會冷下來。

能量無法被產生或消滅，只能由一種形式轉換成另一種。

馬匹做工所需的能量來自牠們吃的稻草，稻草提供在肌肉中與氧結合後可產生動力的化學燃料，而稻草中以化學形態存在的能量最終來自於陽光等等。
能量守恆定律也被稱為熱力學第一定律，他宣稱在封閉系統中（不與外界產生任何作用的系統，像是無摩擦力平面一樣，是科學家的另一個理想狀況）能量總和是不變的常數。

如果將一台冰箱的門打開，讓它在密閉且完全隔熱的房間裡運轉一段時間，房間會變得更熱而不是更冷，因為冷卻效果所作的功會製造出更多的熱。

蝴蝶效應（the butterfly effect）

「有時初始條件的微小差異，將造成最終現象的極大改變。前者的小誤差，會造成後者極大的錯誤。預測將成為不可能的事，我們面對的是偶發現象。」——龐加萊（Henri Poincaré），《科學方法》，1908年

1959年時，三十二歲的艾德華.羅倫茲（Edward Lorenz）是麻省理工學院的數學氣象家。

羅倫茲讓人們注意到今天試圖了解混沌的一項核心課題：系統行為是否「完全」決定於初始狀態？
這類由初始條件造成的天氣（以及其他系統）敏感性，常被稱為「蝴蝶效應」（the butterfly effect），源自1972年羅倫茲在華盛頓特區一場學術會議上發表的論文題目「巴西的一隻蝴蝶舞動翅膀，可以引發德州的颶風嗎？」（Does the flap of a butterfly‘s wings in Brazil set of a tornado in Texas?）。

一點點的外力作用，就可以讓原來奔向一個池子的軌跡跨過沙丘奔向另一個池子。
正是因為類似這種過程的效應，使得天氣預測只能準確到10至14天。
真實的氣候也可能以完全無法預測的方式，由一個穩定狀態變換到另一個穩定狀態。

天文 – 小行星

太陽系中的行星分兩大類，由小行星群隔開。
接近太陽的四個是較小的石態行星（水星、金星、地球、火星），比較遠的是四個大型的氣態行星（木星、土星、天王星、海王星）。
這種分野的基本原因很簡單——當行星形成時，初生太陽的熱將大部分氣體物質由太陽系內部逐出，但外圍的溫度夠冷，使得氣體能聚集成四個大行星。

而小行星帶的成因也不再是個謎，電腦模擬與對新生恆星外碟形塵狀的研究均顯示，行星的形成是由微塵聚為較大粒子然後形成小石塊這樣由下而上的過程進行。

天文 – 運行軌道

在離開行星主題前，必須說明混沌並不只影響運行軌道。
行星會自轉（地球24小時轉一圈），因為太陽的重力影響，它們自轉時會搖晃（就像小孩子玩的陀螺，旋轉時也會受地球影響而搖晃）。
自轉的週期與搖晃的週期可能引發共振，如果發生在相空間的特定位置，可能會引起星球傾角的瞬間不規則變化，這就類似當一個星球的自轉逐漸變慢，而系統進入相空間某一敏感地區時會發生的。
地球今天的垂直傾角（以地球與太陽的直線為參考）大約23度，這是造成四季變化的原因。
但因為有月亮扮演穩定器的角色，才使得這個角度沒有太大變化。
火星，或更接近太陽的行星，就不一樣了，因為它們缺乏扮演穩定器的巨大衛星（火星的那兩個被認為是從小行星群中捕捉到的衛星，小得起不了作用）。

就目前所知，我們有這樣大的衛星——月亮——最佳解釋是在太陽系形成早期，有一個接近火星大小的小星體，因為混沌作用脫離小行星帶撞上地球，而濺起的熔化物質在太空中形成月亮。

電腦上模擬的塞車模型

從中可以學到兩個實用教訓：

第一、不需要特殊巨大的事件（如車禍）就能產生大塞車；
任何大小塞車都可能被最小的干擾誘發，例如一輛車與前車貼得太近而緊急煞車，並沒有任何碰撞，大多數身歷其境的人看不出明顯的塞車原因（造成塞車的那輛車可能早已開走，留下後面一堆不知發生了什麼事的駕駛），但可能給數百人造成不便。

第二、如果車輛密度增高，降低最高速限能使車流更順暢，因為這使得加速與減速之間的時間差別效應減小。
這是真的！如果每個人在擁擠車流中都依照速限行駛，會比他們試圖開得更快而更早到達目的地。

這蠻實用的👍

我們是大自然表達更深刻秩序的產物

約略地算，人體中有幾百種細胞，是因為在一個具有幾萬個以布林邏輯交互作用的基因網路中存在幾百個吸子。
在每一種細胞中，大多數基因被凍結在「關閉」狀態，但一小群基因會被啟動，將其他基因開開關關，形成一種包含幾百個步驟的迴圈模式，在運作期間它依照細胞的種類操作其化學反應機制，一直反覆。
這就是在細胞層次生命的奧秘。

這讓我想到《萬病之王》這本為癌症寫自傳的書，當上述提到的基因開關發生異常時，就可能造成癌症。

基因的開關發生異常，可能是控制開啟的基因失控造成細胞開始拚命分裂，或是抑制細胞分裂的基因失能。

《萬病之王》這本書超級精彩好看！

可以長醫學知識又有看閒書般紓壓效果的一本書。

延伸閱讀：[閱讀心得] 萬病之王

同一物種之間的競爭

這就是我們所稱的「適者生存」，不一定是生理條件或運動能力最好的個體（雖然在某些個案中的確如此），而是最適於環境者（包括因其他物種存在造成的「環境」），好比一片拼圖適合與周遭拼圖，或是鑰匙與鎖的契合。
不是以任何標準來衡量誰比較適合生存，而是以能否存活、繁殖來論斷真正的贏家。

讓達爾文領悟出天擇觀念的觀測證據（雖然花上很長時間才累積出這些知識），有部分來自他對加拉巴哥群島上雀類的研究。
散布於各島的雀都屬同一種類，而在某個島上，雀類賴以為生的種籽外殼堅硬，很難打開，所以這裡雀類的喙短而有力。
在另一座島上，雀類必須由凹槽與裂縫中叼出食物，所以這群雀的喙又細又長。
每一種雀都在自己的土地上適應良好，但如果將一些雀野放到別的島去，牠們必須奮鬥才能求生。

必須強調的是，這裡的奮鬥並非是指這些雀與其他物種之間的競爭，甚至不是與牠們賴以維生的植物競爭，而是在同一物種間必須取得食物的競爭。

演化生物學 – 紅后效應（Red Queen effect）

紅后效應的名稱源自路易斯·卡洛爾（Lewis Carroll）的小說《鏡中奇緣》（Through the Looking-Glass）中的一個角色：她（紅后）必須拼命地跑，才能夠停留在原地。

要了解紅后效應這個假設最好的方法就是看看案例——考夫曼特別喜歡以假想的青蛙和蒼蠅為例，我們就用他的例子。

在青蛙想吃蒼蠅、蒼蠅要避免被吃的情況下，牠們有許多互動的可能性：
青蛙可能為了方便捕捉蒼蠅而演化出較長的舌頭，蒼蠅可能演化可飛得更快以免被捉，或是演化出不好的氣味甚至分泌毒液，來避免青蛙的攻擊等等。

我們只選一種（假設性的）可能。
如果青蛙的舌頭特別黏，較容易捉到蒼蠅，但如果蒼蠅具有特別滑溜的身體，即使被青蛙的舌頭碰到或許也較容易逃脫。

設想居住在某個池塘邊數目固定的青蛙，每年固定吃掉周遭一定比例的蒼蠅。
這是一種平衡，但並不穩定，不是 E S S，因為可以想見的是，有隻青蛙經由某種突變（甚至只是個體間的自然差異）發展出特別黏的舌頭，比起其他青蛙牠將活得更好，於是特黏舌頭的基因便會在青蛙族群中散布開來。
一開始，更多蒼蠅會被吃掉，但沒被吃掉的身體比較滑溜，於是超滑溜基因便會在蒼蠅族群中散布開來。

經過一段時間，池塘邊的青蛙數量會和原先一樣，而每年相同比例的蒼蠅會被吃掉。
看來似乎什麼事都沒發生，但青蛙的舌頭更黏，而蒼蠅的身體更滑溜。

這種青蛙更會捉蒼蠅（不論用什麼方法），蒼蠅也更勝於脫逃的狀況，永無止境。
雙方都必須拼命往前跑，才能停在原地。

＊ESS（evolutionarily stable strategy）：演化穩定策略。

這讓我想到一個概念，就是當我們停滯時，我們相對於存在的世界並不是停滯，而是持續地倒退。

因為時間不斷地前進，世界也不斷地進步。

如果一群生命體在一套穩定策略下環環相扣地鎖定，其中一種物種的突變將會重新開啟網路運作，使之演化。

只要每一物種採用最符合自身利益的演化策略，每個生態系統將朝混沌邊緣演化。

因為只要有一個因素改變，整個環境都會因此產生變動。