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相互作用的昨天和今天:从力、能量到信息

时间:2012-03-30 07:41:05  来源:  作者:

■胡锋

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。

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