家里在五年前收养了一条小狗，我们经常会给它煮一些肉骨头之类的食物补充营养。这个时候，当你拿起它的饭碗去盛的时候，它会兴奋得围着你转圈。我常常给它下命令“坐下，不动！”，于是，小狗坐下了，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。你完全可以感受到小狗脑袋中的那种原始欲望与“文明力量”的斗争。食物冷却后，我只需轻轻说一句，“过来”，估计当这个声波刚刚碰到小狗，它就跳起来冲向食物。看着狼吞虎咽的小狗，我知道了，这个时候信息重要性！

通过这些年来的学习和研究物理，我知道力和能量的概念在物理理论中占据中心的地位。

17世纪牛顿在苹果树下领悟到，使得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，从而提出了万有引力的概念，这是一个伟大的统一。在此基础上，结合牛顿力学三定律，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”的人极大的冲击。法国的拉普拉斯更是把这种世界观推倒了极端，他认为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。这一类的习题，我们在中学已经做了无数道了。

18世纪以前，当时的普遍观点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。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的运动，热这种能量与其它的能量，如机械能、电能可以进行转换和转移，并且在这个过程中，总的能量守恒，即是热力学第一定律。紧接着，科学家又发现了热力学第二定律，它指出了热和其它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，但是热能原则上不可以对称的完全转变回去。对于热的这种深刻认识，正如爱因斯坦指出的，一旦区分开了温度和热的概念，热学得以飞速的发展。

在电磁学领域，19世纪的时候，丹麦物理学家奥斯特发现了电流可以对小磁针有力的作用，在自然统一的思想下，法拉第通过10年的研究，终于发现了磁对电的作用。当时的物理学家，在此基础上提出了电场、磁场的概念。场观念的提出，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。但在现代的物理学家看来，“正如他坐的椅子一样实在”。 根据麦克斯韦提出的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。

物理学家一直一来就有一个伟大的梦想，希望有一天能够发现所有的力，所有的相互作用原来本质上是同一个东西。牛顿发现万有引力的发现，统一了地球表面的力和行星运行受到的引力，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同一起来，最后是没有成功。但这位“现代物理之父”的精神还是留传了下来，找到一个theory of everything（万有理论）成了一批物理学家的梦想。

当我们抬起头来，把目光脱离物理学家研究的没有生命的粒子、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，比如从研究一盒子飞来飞去的气体分子，到研究一群自由飞翔的鸟。而是随着研究领域的变化，整个的思考范式，审美趣味都在变化，其中一个明显的变化是所谓能量、力的概念在研究鸟群的时候已经让位给了信息的概念。

1995年的时候，比利时的物理学家Vicsek等提出了一个模型解释鸟群为什么可以形成一个一致的飞行方向。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，所谓的局域相互作用。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大小（不考虑能量了！），而速度方向是在获取了自己邻居的方向信息后，算术平均后得到自己下一个时刻得运动方向。通过这个模型，他们指出只有在一定的密度和噪声的情况下，鸟群才能形成一个确定的方向。生物学家对物理学家把他们心爱的生物个体，鸟，鱼，当作粒子对待很不满，建造了一个更加“人性化”的zonal model。在这个模型中，如果邻居离开当前个体较远，这个个体会受到群体的吸引，而如果太近，这个个体会远离邻居，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。这个模型目前在一种surf scoter的水鸟的群体运动中得到了证实。

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博士的两个小组开始确定鱼群中的鱼如何与自己的邻居交换信息。Couzin教授小组研究了两条和三条鱼，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的位置关系，至于两侧邻居的运动方向似乎对其影响不大。在zonal model中假设的平均邻居的速度方向并没有被观察到。这种速度的变化似乎既受到前面鱼的影响，也受到后排鱼的影响。Herbert－Read博士小组也研究鱼的相互作用，但可能因为研究鱼的种类不同，得出的结论不完全一样。他们调查了2，4，和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，单条的鱼会调整自己的速度来保持他们之间的距离，并且单条的鱼只对自己最近邻的邻居的速度做出反应。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1930年代就引起了生物学家的注意。俄国生物学家Radakov就描述了受到惊吓的鱼群会从前往后调整运动方向，形成了一种波的图案，从前向后传播。只是很可惜，到现在这种研究还只是停留在定性描述的层次上。

我并不怀疑，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的作用，实际上很多物理学家正在用这些概念研究的蛋白质如何折叠的问题。但到了生物群体，如鸟群、鱼群这个层次上，信息就取代了能量、力的概念占据一个中心角色。我很欣赏物理学家盖尔曼对自然真理的比喻，他说就像一层层的洋葱，每一层代表不同层次上的真理。在认识自然的每一个层面上，会有不同的真理，也会伴随有不同的关键概念。

                                                

 

胡锋     2012-2-12 

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自胡锋科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-43547-536777.html

上一篇：一个物理学家学习windows编程的感受
下一篇：“我们是哥伦比亚大学”