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yalefield金蟲(chóng) (文壇精英)
老漢一枚
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[交流]
相互作用的昨天和今天：從力、能量到信息 [當(dāng)然是轉(zhuǎn)載] 已有6人參與
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胡鋒 中國(guó)科學(xué)報(bào) 2012-2-18 當(dāng)人們拿起碗去盛飯的時(shí)候，小狗會(huì)興奮地圍著你轉(zhuǎn)圈。當(dāng)這個(gè)小東西被要求等待時(shí)，它往往在原地用最熱切的眼神盯著它飯碗中的食物，并且用最大的熱情搖著尾巴。 大家完全可以感受到小狗腦袋中那種原始欲望與“文明力量”的斗爭(zhēng)。食物冷卻后，你只需輕輕說(shuō)一句：“過(guò)來(lái)�！惫烙�(jì)這個(gè)聲波剛剛“碰”到小狗，它就會(huì)跳起來(lái)沖向食物。 上面的故事告訴我們，在生物個(gè)體相互作用的層面上，信息的力量可見(jiàn)一斑。然而，力和能量的相互作用概念在物理理論中占據(jù)的地位卻是極重。那么，從力、能量再到信息，這些相互作用在不同的時(shí)空、不同的層次上有著怎樣的關(guān)聯(lián)呢？ 力之歷程 17世紀(jì)，牛頓在蘋(píng)果樹(shù)下頓悟：讓蘋(píng)果掉下來(lái)的力和使得月亮繞著地球旋轉(zhuǎn)的力是同一種力。萬(wàn)有引力概念的提出，是人類(lèi)歷史上一次偉大的統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合牛頓力學(xué)三定律，人們可以推導(dǎo)出行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 人類(lèi)第一次發(fā)現(xiàn)“天上”的物體和地面的物體遵循相同的規(guī)律，這給當(dāng)時(shí)腦袋里只裝著“上帝”的人們極大沖擊。法國(guó)的拉普拉斯更是把這種世界觀推到了極致：認(rèn)為只要知道了一個(gè)系統(tǒng)中構(gòu)成粒子的初始狀況，根據(jù)粒子受到的力并運(yùn)用牛頓定律，就可以預(yù)言這個(gè)系統(tǒng)任何時(shí)候的狀態(tài)。 18世紀(jì)以前，人們普遍認(rèn)為熱是一種神秘的流體，并且有著種種古怪的性質(zhì)：如沒(méi)有質(zhì)量等。經(jīng)過(guò)一批科學(xué)家的努力，到了19世紀(jì)中葉，人們才明確認(rèn)識(shí)到熱不過(guò)是構(gòu)造物質(zhì)原子的一種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這種能量與其他機(jī)械能、電能等能量可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移。并且在這個(gè)過(guò)程中，能量守恒，即為熱力學(xué)第一定律。 緊接著，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律。它指出了熱和其他形式的能量轉(zhuǎn)換的不對(duì)稱(chēng)性：可以把機(jī)械能或者電能100％轉(zhuǎn)換成熱能，但是熱能原則上卻不能對(duì)稱(chēng)地完全轉(zhuǎn)變回去。正如愛(ài)因斯坦指出，對(duì)熱的這種深刻認(rèn)識(shí)，一旦區(qū)分開(kāi)了溫度和熱的概念，熱學(xué)就飛速發(fā)展了。 19世紀(jì)的時(shí)候，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流的存在對(duì)小磁針有“力”的作用，在自然統(tǒng)一的思想下，法拉第傾10年之功發(fā)現(xiàn)了磁對(duì)電的作用。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們?cè)诋?dāng)時(shí)提出了電場(chǎng)、磁場(chǎng)的概念，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的一個(gè)大進(jìn)步。電場(chǎng)、磁場(chǎng)看不見(jiàn)，摸不著，沒(méi)有質(zhì)量，彌漫在空中，其基本性質(zhì)是對(duì)放入其中的電荷、磁極產(chǎn)生力的作用。 在現(xiàn)代物理學(xué)家看來(lái)，場(chǎng)“正如他坐的椅子一樣實(shí)在”。 根據(jù)麥克斯韋描述電磁場(chǎng)性質(zhì)的方程組，物理學(xué)家預(yù)言了電磁波的存在，并且得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這也許是我們現(xiàn)在這個(gè)世界上遍布手機(jī)、到處“電磁污染”的源頭。 物理學(xué)家一直以來(lái)就有一個(gè)偉大的夢(mèng)想，希望有一天能夠發(fā)現(xiàn)所有的力，把所有的相互作用在本質(zhì)上歸為同一個(gè)東西。萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)一了地球表面的力和行星運(yùn)行過(guò)程中受到的引力，是這個(gè)夢(mèng)想的第一次偉大實(shí)現(xiàn)；愛(ài)因斯坦把他的后半生都投入到了這個(gè)夢(mèng)想中，希望把引力和電磁力統(tǒng)一起來(lái)，最后還是沒(méi)有成功。 但這位“現(xiàn)代物理之父”的精神還是流傳了下來(lái)，找到一個(gè)萬(wàn)有理論（theory of everything），成了一批物理學(xué)家的夢(mèng)想。 信息之惑 當(dāng)我們抬起頭來(lái)，把目光脫離物理學(xué)家眼中沒(méi)有生命的粒子、場(chǎng)，會(huì)看到我們周?chē)粋�(gè)生機(jī)勃勃的世界。 從物理學(xué)家到生物學(xué)家的轉(zhuǎn)變，并非簡(jiǎn)單的研究對(duì)象的改變，只是從研究一盒子飛來(lái)飛去的氣體分子變成研究一群自由飛翔的鳥(niǎo)，而是隨著研究領(lǐng)域的變化，人們的整個(gè)思考范式、審美趣味都跟著變化。其中一個(gè)明顯的變化是，在研究鳥(niǎo)群的時(shí)候，能量、力已經(jīng)讓位給了信息的概念。 對(duì)于一個(gè)由成百上千只鳥(niǎo)組成的群體，很難想象有一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者在那兒發(fā)號(hào)施令。目前一個(gè)普遍的認(rèn)識(shí)是，每只鳥(niǎo)都是只與周?chē)膸讉�(gè)鄰居有相互作用，形成所謂的局域相互作用。 1995年，比利時(shí)的物理學(xué)家Vicsek等提出了一個(gè)模型，解釋了鳥(niǎo)群為什么可以形成一致的飛行方向。在Vicsek的模型中，這種相互作用表現(xiàn)為每只鳥(niǎo)都能保持固定的速度值，而方向是在獲取了自己鄰居的信息后，算術(shù)平均得到自己下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向。通過(guò)這個(gè)模型，他們指出，只有在一定的密度和噪聲情況下，鳥(niǎo)群才能形成一個(gè)確定的方向。事實(shí)上，這個(gè)模型并沒(méi)有涉及能量的概念。 生物學(xué)家對(duì)物理學(xué)家把他們心愛(ài)的鳥(niǎo)、魚(yú)等當(dāng)做粒子對(duì)待很不滿，于是物理學(xué)家建造了一個(gè)更加“人性化”的“帶狀模型”（zonal model）。在這個(gè)模型中，如果鄰居離開(kāi)當(dāng)前個(gè)體較遠(yuǎn)，個(gè)體會(huì)受到群體的吸引；而如果太近，個(gè)體則會(huì)遠(yuǎn)離鄰居，保持自己的空間；在中等距離的時(shí)候，會(huì)計(jì)算鄰居平均的運(yùn)動(dòng)方向。這個(gè)模型目前已在一種水鳥(niǎo)（surf scoter）的群體運(yùn)動(dòng)中得到了證實(shí)。 對(duì)于信息主導(dǎo)的相互作用研究還在深入。 為了研究真實(shí)魚(yú)群中的魚(yú)所用的相互作用規(guī)則，最近普林斯頓大學(xué)Couzin教授和悉尼大學(xué)Herbert-Read博士的兩個(gè)小組，研究了魚(yú)群中的魚(yú)如何與自己的鄰居交換信息。 Couzin教授小組關(guān)注了2條和3條魚(yú)是如何相互作用的。他們發(fā)現(xiàn)單條魚(yú)常常通過(guò)速度變化調(diào)整與前后鄰居位置關(guān)系，至于兩側(cè)鄰居的運(yùn)動(dòng)方向似乎對(duì)其影響不大。在“帶狀模型”中假設(shè)的平均鄰居的速度方向并沒(méi)有被觀察到。這種速度的變化既受到前面魚(yú)的影響，也受到后排魚(yú)的影響。 Herbert-Read博士小組同樣也研究魚(yú)的相互作用，但可能因?yàn)轸~(yú)的種類(lèi)不同，得出的結(jié)論不完全一樣。他們調(diào)查了2、4、8條魚(yú)組成的群體，發(fā)現(xiàn)單條的魚(yú)一旦與鄰居距離超過(guò)了一個(gè)固定值，會(huì)通過(guò)加速來(lái)保持與其鄰居的距離。如果鄰居與自己距離太近，單條魚(yú)會(huì)調(diào)整自己的速度來(lái)保持它們之間的距離，并且單條魚(yú)只對(duì)自己最近鄰居的速度作出反應(yīng)。 事實(shí)上，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)結(jié)論很瑣碎，還處在公說(shuō)公有理，婆說(shuō)婆有理的階段。 關(guān)于信息如何在動(dòng)物群體中傳播，早在上世紀(jì)30年代就引起了生物學(xué)家的注意。俄國(guó)生物學(xué)家Radakov就描述到，受到驚嚇的魚(yú)群會(huì)從前往后調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向，形成一種波的圖案，從前向后傳播。只是很可惜，這項(xiàng)研究到現(xiàn)在還只是停留在定性描述的層面上。 在構(gòu)成這些生物個(gè)體的底層細(xì)胞中，能量和力仍然起著核心作用，確實(shí)很多物理學(xué)家正在用這些概念研究蛋白質(zhì)如何折疊。然而，一旦上升到了生物群體（如鳥(niǎo)群、魚(yú)群）的層次上，信息就取代了能量、力的概念，占據(jù)一個(gè)中心角色。 物理學(xué)家蓋爾曼對(duì)自然真理的比喻很貼切：真理就像一層層洋蔥，每一層代表不同層次上的真理。而在認(rèn)識(shí)自然的每一個(gè)層面上既會(huì)有不同的真理，也會(huì)伴隨產(chǎn)生不同的關(guān)鍵概念。 |
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