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外星发现了复杂的物体,怎么知道它是不是外星人造的?

Interdimensional Guardians / CC BY

如果在外星发现结构功能复杂的物体,我们如何判定它是自然形成的还是被制造出来的?

知乎用户,博士生/生命科学/复杂系统/进化理论

这个问题多少跟我做得研究相关,我来抛砖引玉一下。

首先,题主的问题可以分为两方面:1)“自然产品”和“智能设计产品”有什么可以明显可判定的区别;2)如果在外星球发现结构功能复杂的物体,如何判断是进化形成的(即“自然产品”)还是被制造出来的(即“智能设计产品”)。

回答第一个问题:实际上“自然产品”和“智能设计产品”的区别,就是进化后的系统与人工系统的区别。总的来说进化的系统与人工系统的主要区别来源于,进化是 tinkering 的过程,而人工系统是从顶设计而来,并且从具体的变化过程来看,进化的系统导致了系统更多的 nonlinearity 和 fuzzy logic。后面,我会举几个栗子来阐述这个观点:

1)进化而来的系统要求进化路径上的所有中间状态都是可以存活的(这是进化理论的基础),这个的意思是进化的系统就像是不断打补丁上去,而且不一定要是被最优化的,(一般来说)也不是完美的;人工的系统或者说设计的系统是根据其特定的目的经过优化的。也就是说在设计空间(design space)中,几乎所有的人工系统都是在各个顶点附近,而进化的系统则大多达不到这些区域。(注:这就是为什么说非进化后的系统更容易能跟人造系统区分,因为优化的程度不同)

2)人工的系统可以精密(complicated),但是进化的系统往往复杂(complex),这个区别有点微妙。进一步讲,人工的系统的复杂性总是可以通过拆分和组装,其功能就可以被理解和预测。进化的系统是真正的复杂系统,整个系统的功能是一种涌现(Emergence)的特征,从其分解的部分不能很好的理解和预测整体的功能和特点。

3)进化的系统并没有人工系统那样足够好的模块化,因此人工的系统可以拆分开各自做优化,但是进化的系统没办法把组成部件去做优化(因为第二点)

4)进化的系统具有更强的可设计性(这个比较抽象,而且是还在不断被研究和完善的理论)。

5)进化的系统在多种情况下是稳定的,是因为进化而来的系统往往会在环境的选择压力下不断改进,而且往往环境是不断变化有涨落的,导致进化而来的系统要适应不同的环境和情况。而人工的系统则是比较局限于设计的目的。

6)进化的系统一定会不断成长 / 增长和多元化(diversify),而人工的系统则不一定。

因为进化理论不仅仅应用于生物系统中,是在各种复杂系统中都适用的一般性理论。因为我举的栗子不会仅局限于物体(物理系统或生物系统)。

栗子,具体解释有些忽略了,学过基础的理科都比较容易理解:

(1)语言:在现代社会之前,人类大多数的语言都是进化而来的,是靠使用该语言的人不断修改和使用而演变来的,最重要的一个特点就是,所有语言中都会有歧义词 / 句(ambiguity),这是进化的系统本身的特点,如果从头设计一个新的语言来用来交流,则会尽量减少 ambiguity,比如各种人工设计的计算机语言,数学语言等等。另外有研究显示歧义是语言进化的副产物,可以使得交流更加有效率(http://arxiv.org/abs/1402.4802

(2)机械系统和电子系统与生物系统:机械系统和电子系统都是通过不同的部件用线性思维的组合成的,但是生物系统则不是,如果考虑生物系统的发育过程可以很明显看出差别。

(3)化学反应系统和生物反应系统(代谢系统)。

(4)通信网络和社交 / 传媒网络。

(5)人工设计的很多游戏和金融市场。

归根结底,很可能是因为我们没有足够有效的数学工具 / 手段来理解 / 描述复杂的系统,自然导致了人工的系统是线性的可预测的,而进化的系统是非线性的和不可预测的。

回答第二个问题:

如果是在外星球遇到结构功能复杂的系统,除非该星球的智能生物发明 / 发现了更适用于描述和理解非线性系统的工具而设计和制造出了可以媲美进化的系统,我们才可能没办法区别进化的系统和人工的系统。除此之外,依靠分解和组装可以很容易反向工程以理解和区别该物体 / 系统。

这也就是为什么在工程上设计和制造的东西都是可以很容易被反向工程,而生物系统经过一百多年 / 社会系统经过三四百年的研究却从来没有办法很好的反向工程以理解和改造。

最后,人工设计的系统和进化的系统也在慢慢融合,很多方面已经开始有这些迹象了,不再具体阐述。让我突然想起了两个计算机领域中的例子:C++ 语言一路走过来不断进化颇有一些像进化的过程,不断添加新的特性,不断解决新的问题,结果变成庞然大物,复杂而强大;还有很多软件工程中不断打补丁,到最后可能可以用,但往往不是一个合格的工程产品,但是复杂到一定程度就需要推倒重来。

下面是补充的讨论部分:

因为这个问题应该算是一个科学研究中(不一定有多大用)的开放问题(open question),我的答案也很不完善。不过其中有几个评论很有意思,可以讨论一下。

@欧普拉赛门 我觉得生物的东西没有反向工程的原因不是因为进化得来的复杂,而是因为太小了……看不见…… 看见了谁不会拆啊。 同理为什么 cpu 去反向那么难,也是因为太小了,且密密麻麻特别多,不谈加密的话

对于这个问题,我才疏学浅只能给出个人的见解,你所说的因为东西太小了,人看不见所以才没办法反向工程,这是不准确的:

1)现代科学技术已经几乎可以“看到”各个尺度;

2)并不是没办法拆分,实际上生物系统我们是可以拆分的,但是当你把各个拆分的成分组装起来(bottom-up)而增加观察的尺度甚至跨几个不同的尺度(multi-scale systems)的时候,还是没办法很好的理解涌现得到现象和动态,但是希望还是有的,要看数学,计算,物理 / 化学 / 生物分析技术能发展到什么程度,因为需要非常依赖计算能力和精密测量。对于这个我举过一个例子:现在神经生物学的发展? 里面我说过 “无论将来成像工具(甚至任何工具)多么强,想要靠单纯的记录实验数据来归纳理解神经系统的工作是不可能的。假设你可以 simultaneously 的观察到所有神经链接的活动状态,你能看到任何 resolution 下动作电位的传导和信号分子的传递,你始终无法回答一些神经科学中的基础问题,比如意识是如何产生的。我所说的无法回答意识如何产生的意思是,你可能可以找到某些 pattern 可以产生意识或者跟意识相关,但是你无法理解为什么,换句话说就是你没办法 mechanistically understand。这部分 gap,是受限于理论的缺失。” 这个复杂性不是因为其组件小,而是因为涌现现象本身;

3)CPU 实际上并不复杂,而且是有办法反向工程的,你可以开另外一个问题来讨论,如何反向工程 CPU,另外,你知道有人用 minecraft 游戏来构造出 Working CPU,但是到现在为止还没有人能设计和制造出细胞(注意:Craig Venter 的不算是设计和制造出细胞);

4)假设我们把生物系统的所有部件增大一个甚至几个尺度,智能的观测者也会增加相应的尺度,最终的涌现的复杂性也是一样存在,If our brains were simple enough for us to understand them, we'd be so simple that we couldn't.

(我刚发现,这不就是所谓的精细 VS 复杂么!)

@xsc chl 我在想,如果外星人学会利用进化这一天然的过程来辅助甚至代替设计,他们的工具,那么那些工具看起来就很难和完全的智慧设计的东西分辨开来了呢。

实际上不需要考虑外星人学会利用进化,我们先阶段已经在尝试应用进化理论来设计和制造,所谓的人工进化(direct evolution 或者叫做 artificial evolution),这是为什么我说这些区别在变得模糊起来。当然我需要说明的是,一种(简单)情况是利用已经进化的系统,然后使用 direct evolution 的方法不断去改造,当然这个本质上算是进化的还是设计的就仁者见仁了;另外一种(复杂)情况是设计基本的部件,设计部件可以不断的突变然后被放到环境中或人工的选择压力下不断进化得到的系统,应该说有设计的成份也有演化的成份。这两种情况的结果很可能是我们不容易区别出与自然进化系统的不同,已经有很多研究项目在做这种尝试了,我最喜欢的一个是 Arnold Group ,当然进化理论是在生物中得到的,所以生物系统中的应用也是最多的,其他的还可以参考 Evolution of music by public choice。还有其他各种工程 shang 上的应用,不再一一列举,有兴趣可以搜索参考文献。(注:设计和制造是两个不同的概念,所以可能还要区别对待,这里也不打算辩论这个问题。)

@洪文丰 第三点模块化解释了生物其实是制造出来的,因为生物的构造已经非常具有模块化,各系统各组织各器官高度分化各司其职,人类目前无法全部搞清生物机制是科技还没有发展到可以理解这些非线性设计系统的水平

生物中的模块化是非常非常有限的,我想你或许是看过 Uri Alon 的文章所以才这么说,实际上我个人的观点认为生物的构造只有很有限的模块化。在第三点后面我也讲了,工程设计中的模块化是,每一个模块有对应的功能,而且可以单独的优化。如果出现了 cross-talk 是工程设计中要极力避免的,是为了得到可控性可预测性,所以需要加入各种 insulations,这是真正的模块化。如果对比生物系统,各组织各器官没办法独立优化,更大程度上是互相依赖和互相作用的。当然为什么 evolutionary system 会出现 相对明显的 modules 肯定是一个有意思的问题,也已经有很多文章在讨论了。

@幻十郎 一直有个疑问,单细胞生物和一些多细胞生物的鞭毛结构是进化来的还是设计的。
@傅渥成 不过有一个地方我想问你一下,你提到「设计空间中,几乎所有的人工系统都是在各个顶点附近,而进化的系统则大多达不到这些区域」。这个观点其实之前也是见过的,不过这里有个问题,就是设计空间的坐标选取问题。举个例子,如果有人选择「效率」这样的量来作为坐标,经常会发现人工制造的机械效率相对比较低,而生物体内的一些分子机器的效率很高,于是会对你说的这个概念有些误解。像根据你的经验,特别是在做网络的时候,一般较好的描述设计空间的坐标是什么呢?

这个是我觉得最难回答的问题,关于 molecular machines 为什么如此精密和效率高,而且对比其他部分的生物系统,他们的功能和表现大多非常专一。所以我回答不了这个问题。

我个人觉得,需要从不同的尺度去看待这个问题,首先,各种复杂的生物机器比如鞭毛,光合作用的酶,各种代谢酶,考虑到其组成部件来说并不一定是最优化的,因为很多分子机器是有很多个 subunits 组成的,这些 subunits 的复杂程度远远超过我们可以合成 / 设计的系统,而且不断的去突变各种酶,实际上是可以改变其活性或者提高其功能的。另外,如果其优化的程度越高,应该可以说明其选择压力也越大。如果考虑进化空间的话,分子机器可能是进入了 evolutionary landscape traps.

首先,我没有办法预判外星人的智能程度是否跟人类接近还是远远超过人类,其次,我也并不觉得我偏题了,因为前面啰嗦了一堆废话,答案给在这些废话里面了:

1)实际上“自然产品”和“智能设计产品”,就是进化后的系统与人工系统,他们之间有比较明显的区别(具体区别看后面修改前的答案)。这些区别会随着我们对于进化理论理解和应用的加深而变的模糊起来。(为什么只关注进化后的系统?因为非进化的系统是非常明显可以跟人造系统区分开来的,这是一个 trivial question,而且题主的问题主要是问会不会因为复杂程度 --- 尤其是生物系统 --- 导致我们没办法区分,我想这可能才是题主提问的重点)。

2)如果是在外星球遇到结构功能复杂的系统,除非该星球的智能生物发明 / 发现了更适用于描述和理解非线性系统的工具而设计和制造出了可以媲美进化的系统,我们才可能没办法区别进化的系统和人工的系统。除此之外,依靠分解和组装可以很容易反向工程以理解和区别该物体 / 系统。(注:之所以我对于外星球的智能生物更高级而设计和制造出可以媲美进化的系统 --- 除非他们就是为了仿照进化的系统造出来而已,而不是为了做什么 --- 不抱什么希望,是因为我比较倾向于这几个理论:混沌理论 Chaos theory,可计算性理论 Computability theory,进化理论 Evolution

BTW,对于有些抬杠的评论就不放在这里了。