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yalefield金虫 (文坛精英)
老汉一枚
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[交流]
相互作用的昨天和今天：从力、能量到信息 [当然是转载] 已有6人参与
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胡锋 中国科学报 2012-2-18 当人们拿起碗去盛饭的时候，小狗会兴奋地围着你转圈。当这个小东西被要求等待时，它往往在原地用最热切的眼神盯着它饭碗中的食物，并且用最大的热情摇着尾巴。 大家完全可以感受到小狗脑袋中那种原始欲望与“文明力量”的斗争。食物冷却后，你只需轻轻说一句：“过来。”估计这个声波刚刚“碰”到小狗，它就会跳起来冲向食物。 上面的故事告诉我们，在生物个体相互作用的层面上，信息的力量可见一斑。然而，力和能量的相互作用概念在物理理论中占据的地位却是极重。那么，从力、能量再到信息，这些相互作用在不同的时空、不同的层次上有着怎样的关联呢？ 力之历程 17世纪，牛顿在苹果树下顿悟：让苹果掉下来的力和使得月亮绕着地球旋转的力是同一种力。万有引力概念的提出，是人类历史上一次伟大的统一。在此基础上，结合牛顿力学三定律，人们可以推导出行星的运动规律。 人类第一次发现“天上”的物体和地面的物体遵循相同的规律，这给当时脑袋里只装着“上帝”的人们极大冲击。法国的拉普拉斯更是把这种世界观推到了极致：认为只要知道了一个系统中构成粒子的初始状况，根据粒子受到的力并运用牛顿定律，就可以预言这个系统任何时候的状态。 18世纪以前，人们普遍认为热是一种神秘的流体，并且有着种种古怪的性质：如没有质量等。经过一批科学家的努力，到了19世纪中叶，人们才明确认识到热不过是构造物质原子的一种无规则运动，这种能量与其他机械能、电能等能量可以进行转换和转移。并且在这个过程中，能量守恒，即为热力学第一定律。 紧接着，科学家又发现了热力学第二定律。它指出了热和其他形式的能量转换的不对称性：可以把机械能或者电能100％转换成热能，但是热能原则上却不能对称地完全转变回去。正如爱因斯坦指出，对热的这种深刻认识，一旦区分开了温度和热的概念，热学就飞速发展了。 19世纪的时候，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的存在对小磁针有“力”的作用，在自然统一的思想下，法拉第倾10年之功发现了磁对电的作用。在此基础上，科学家们在当时提出了电场、磁场的概念，是人类认识自然的一个大进步。电场、磁场看不见，摸不着，没有质量，弥漫在空中，其基本性质是对放入其中的电荷、磁极产生力的作用。 在现代物理学家看来，场“正如他坐的椅子一样实在”。 根据麦克斯韦描述电磁场性质的方程组，物理学家预言了电磁波的存在，并且得到了实验验证。这也许是我们现在这个世界上遍布手机、到处“电磁污染”的源头。 物理学家一直以来就有一个伟大的梦想，希望有一天能够发现所有的力，把所有的相互作用在本质上归为同一个东西。万有引力的发现，统一了地球表面的力和行星运行过程中受到的引力，是这个梦想的第一次伟大实现；爱因斯坦把他的后半生都投入到了这个梦想中，希望把引力和电磁力统一起来，最后还是没有成功。 但这位“现代物理之父”的精神还是流传了下来，找到一个万有理论（theory of everything），成了一批物理学家的梦想。 信息之惑 当我们抬起头来，把目光脱离物理学家眼中没有生命的粒子、场，会看到我们周围一个生机勃勃的世界。 从物理学家到生物学家的转变，并非简单的研究对象的改变，只是从研究一盒子飞来飞去的气体分子变成研究一群自由飞翔的鸟，而是随着研究领域的变化，人们的整个思考范式、审美趣味都跟着变化。其中一个明显的变化是，在研究鸟群的时候，能量、力已经让位给了信息的概念。 对于一个由成百上千只鸟组成的群体，很难想象有一个领导者在那儿发号施令。目前一个普遍的认识是，每只鸟都是只与周围的几个邻居有相互作用，形成所谓的局域相互作用。 1995年，比利时的物理学家Vicsek等提出了一个模型，解释了鸟群为什么可以形成一致的飞行方向。在Vicsek的模型中，这种相互作用表现为每只鸟都能保持固定的速度值，而方向是在获取了自己邻居的信息后，算术平均得到自己下一时刻的运动方向。通过这个模型，他们指出，只有在一定的密度和噪声情况下，鸟群才能形成一个确定的方向。事实上，这个模型并没有涉及能量的概念。 生物学家对物理学家把他们心爱的鸟、鱼等当做粒子对待很不满，于是物理学家建造了一个更加“人性化”的“带状模型”（zonal model）。在这个模型中，如果邻居离开当前个体较远，个体会受到群体的吸引；而如果太近，个体则会远离邻居，保持自己的空间；在中等距离的时候，会计算邻居平均的运动方向。这个模型目前已在一种水鸟（surf scoter）的群体运动中得到了证实。 对于信息主导的相互作用研究还在深入。 为了研究真实鱼群中的鱼所用的相互作用规则，最近普林斯顿大学Couzin教授和悉尼大学Herbert-Read博士的两个小组，研究了鱼群中的鱼如何与自己的邻居交换信息。 Couzin教授小组关注了2条和3条鱼是如何相互作用的。他们发现单条鱼常常通过速度变化调整与前后邻居位置关系，至于两侧邻居的运动方向似乎对其影响不大。在“带状模型”中假设的平均邻居的速度方向并没有被观察到。这种速度的变化既受到前面鱼的影响，也受到后排鱼的影响。 Herbert-Read博士小组同样也研究鱼的相互作用，但可能因为鱼的种类不同，得出的结论不完全一样。他们调查了2、4、8条鱼组成的群体，发现单条的鱼一旦与邻居距离超过了一个固定值，会通过加速来保持与其邻居的距离。如果邻居与自己距离太近，单条鱼会调整自己的速度来保持它们之间的距离，并且单条鱼只对自己最近邻居的速度作出反应。 事实上，现在的实验结论很琐碎，还处在公说公有理，婆说婆有理的阶段。 关于信息如何在动物群体中传播，早在上世纪30年代就引起了生物学家的注意。俄国生物学家Radakov就描述到，受到惊吓的鱼群会从前往后调整运动方向，形成一种波的图案，从前向后传播。只是很可惜，这项研究到现在还只是停留在定性描述的层面上。 在构成这些生物个体的底层细胞中，能量和力仍然起着核心作用，确实很多物理学家正在用这些概念研究蛋白质如何折叠。然而，一旦上升到了生物群体（如鸟群、鱼群）的层次上，信息就取代了能量、力的概念，占据一个中心角色。 物理学家盖尔曼对自然真理的比喻很贴切：真理就像一层层洋葱，每一层代表不同层次上的真理。而在认识自然的每一个层面上既会有不同的真理，也会伴随产生不同的关键概念。 |
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