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yalefield金蟲 (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 [當然是轉(zhuǎn)載] 已有6人參與
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胡鋒 中國科學報 2012-2-18 當人們拿起碗去盛飯的時候，小狗會興奮地圍著你轉(zhuǎn)圈。當這個小東西被要求等待時，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。食物冷卻后，你只需輕輕說一句：“過來�！惫烙嬤@個聲波剛剛“碰”到小狗，它就會跳起來沖向食物。 上面的故事告訴我們，在生物個體相互作用的層面上，信息的力量可見一斑。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空、不同的層次上有著怎樣的關聯(lián)呢？ 力之歷程 17世紀，牛頓在蘋果樹下頓悟：讓蘋果掉下來的力和使得月亮繞著地球旋轉(zhuǎn)的力是同一種力。萬有引力概念的提出，是人類歷史上一次偉大的統(tǒng)一。在此基礎上，結合牛頓力學三定律，人們可以推導出行星的運動規(guī)律。 人類第一次發(fā)現(xiàn)“天上”的物體和地面的物體遵循相同的規(guī)律，這給當時腦袋里只裝著“上帝”的人們極大沖擊。法國的拉普拉斯更是把這種世界觀推到了極致：認為只要知道了一個系統(tǒng)中構成粒子的初始狀況，根據(jù)粒子受到的力并運用牛頓定律，就可以預言這個系統(tǒng)任何時候的狀態(tài)。 18世紀以前，人們普遍認為熱是一種神秘的流體，并且有著種種古怪的性質(zhì)：如沒有質(zhì)量等。經(jīng)過一批科學家的努力，到了19世紀中葉，人們才明確認識到熱不過是構造物質(zhì)原子的一種無規(guī)則運動，這種能量與其他機械能、電能等能量可以進行轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移。并且在這個過程中，能量守恒，即為熱力學第一定律。 緊接著，科學家又發(fā)現(xiàn)了熱力學第二定律。它指出了熱和其他形式的能量轉(zhuǎn)換的不對稱性：可以把機械能或者電能100％轉(zhuǎn)換成熱能，但是熱能原則上卻不能對稱地完全轉(zhuǎn)變回去。正如愛因斯坦指出，對熱的這種深刻認識，一旦區(qū)分開了溫度和熱的概念，熱學就飛速發(fā)展了。 19世紀的時候，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的存在對小磁針有“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)了磁對電的作用。在此基礎上，科學家們在當時提出了電場、磁場的概念，是人類認識自然的一個大進步。電場、磁場看不見，摸不著，沒有質(zhì)量，彌漫在空中，其基本性質(zhì)是對放入其中的電荷、磁極產(chǎn)生力的作用。 在現(xiàn)代物理學家看來，場“正如他坐的椅子一樣實在”。 根據(jù)麥克斯韋描述電磁場性質(zhì)的方程組，物理學家預言了電磁波的存在，并且得到了實驗驗證。這也許是我們現(xiàn)在這個世界上遍布手機、到處“電磁污染”的源頭。 物理學家一直以來就有一個偉大的夢想，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)上歸為同一個東西。萬有引力的發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)一了地球表面的力和行星運行過程中受到的引力，是這個夢想的第一次偉大實現(xiàn)；愛因斯坦把他的后半生都投入到了這個夢想中，希望把引力和電磁力統(tǒng)一起來，最后還是沒有成功。 但這位“現(xiàn)代物理之父”的精神還是流傳了下來，找到一個萬有理論（theory of everything），成了一批物理學家的夢想。 信息之惑 當我們抬起頭來，把目光脫離物理學家眼中沒有生命的粒子、場，會看到我們周圍一個生機勃勃的世界。 從物理學家到生物學家的轉(zhuǎn)變，并非簡單的研究對象的改變，只是從研究一盒子飛來飛去的氣體分子變成研究一群自由飛翔的鳥，而是隨著研究領域的變化，人們的整個思考范式、審美趣味都跟著變化。其中一個明顯的變化是，在研究鳥群的時候，能量、力已經(jīng)讓位給了信息的概念。 對于一個由成百上千只鳥組成的群體，很難想象有一個領導者在那兒發(fā)號施令。目前一個普遍的認識是，每只鳥都是只與周圍的幾個鄰居有相互作用，形成所謂的局域相互作用。 1995年，比利時的物理學家Vicsek等提出了一個模型，解釋了鳥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，算術平均得到自己下一時刻的運動方向。通過這個模型，他們指出，只有在一定的密度和噪聲情況下，鳥群才能形成一個確定的方向。事實上，這個模型并沒有涉及能量的概念。 生物學家對物理學家把他們心愛的鳥、魚等當做粒子對待很不滿，于是物理學家建造了一個更加“人性化”的“帶狀模型”（zonal model）。在這個模型中，如果鄰居離開當前個體較遠，個體會受到群體的吸引；而如果太近，個體則會遠離鄰居，保持自己的空間；在中等距離的時候，會計算鄰居平均的運動方向。這個模型目前已在一種水鳥（surf scoter）的群體運動中得到了證實。 對于信息主導的相互作用研究還在深入。 為了研究真實魚群中的魚所用的相互作用規(guī)則，最近普林斯頓大學Couzin教授和悉尼大學Herbert-Read博士的兩個小組，研究了魚群中的魚如何與自己的鄰居交換信息。 Couzin教授小組關注了2條和3條魚是如何相互作用的。他們發(fā)現(xiàn)單條魚常常通過速度變化調(diào)整與前后鄰居位置關系，至于兩側鄰居的運動方向似乎對其影響不大。在“帶狀模型”中假設的平均鄰居的速度方向并沒有被觀察到。這種速度的變化既受到前面魚的影響，也受到后排魚的影響。 Herbert-Read博士小組同樣也研究魚的相互作用，但可能因為魚的種類不同，得出的結論不完全一樣。他們調(diào)查了2、4、8條魚組成的群體，發(fā)現(xiàn)單條的魚一旦與鄰居距離超過了一個固定值，會通過加速來保持與其鄰居的距離。如果鄰居與自己距離太近，單條魚會調(diào)整自己的速度來保持它們之間的距離，并且單條魚只對自己最近鄰居的速度作出反應。 事實上，現(xiàn)在的實驗結論很瑣碎，還處在公說公有理，婆說婆有理的階段。 關于信息如何在動物群體中傳播，早在上世紀30年代就引起了生物學家的注意。俄國生物學家Radakov就描述到，受到驚嚇的魚群會從前往后調(diào)整運動方向，形成一種波的圖案，從前向后傳播。只是很可惜，這項研究到現(xiàn)在還只是停留在定性描述的層面上。 在構成這些生物個體的底層細胞中，能量和力仍然起著核心作用，確實很多物理學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（如鳥群、魚群）的層次上，信息就取代了能量、力的概念，占據(jù)一個中心角色。 物理學家蓋爾曼對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。而在認識自然的每一個層面上既會有不同的真理，也會伴隨產(chǎn)生不同的關鍵概念。 |
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