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深度書(shū)評(píng) | 通向復(fù)雜系統(tǒng)的奇境

2022/10/15
導(dǎo)讀
隨椋鳥(niǎo)飛行，椋，liang，二聲

撰文 |  傅渥成

2021年，意大利物理學(xué)家喬治·帕里西（Giorgio Parisi）與另外兩名科學(xué)家一起分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。帕里西是統(tǒng)計(jì)物理和復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域的知名學(xué)者，在許多物理學(xué)分支領(lǐng)域都都有突出的貢獻(xiàn)。在獲得諾貝爾獎(jiǎng)之前，他已經(jīng)獲得了許多物理類(lèi)的獎(jiǎng)項(xiàng)，其中包括玻爾茲曼獎(jiǎng)（1992）、費(fèi)米獎(jiǎng)（2002）、昂薩格獎(jiǎng)（2016）、沃爾夫獎(jiǎng)（2016）等等。諾貝爾獎(jiǎng)給帕里西的頒獎(jiǎng)詞中提到，帕里西“發(fā)現(xiàn)了從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無(wú)序和漲落的互動(dòng)關(guān)系”，“對(duì)我們理解復(fù)雜系統(tǒng)做出了突破性貢獻(xiàn)”。
不過(guò)，由于帕里西的許多理論工作涉及到較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)，即使在物理學(xué)界，也并非所有人都能完全領(lǐng)悟帕里西究竟對(duì)我們理解復(fù)雜系統(tǒng)作出了怎樣的貢獻(xiàn)。這實(shí)在是太遺憾了。帕里西提倡讓更多人走近現(xiàn)代科學(xué)，主張要以平易近人的方式向公眾解釋清楚當(dāng)下的科學(xué)家都在做什么、面臨哪些挑戰(zhàn)。帕里西的科普作品《隨椋鳥(niǎo)飛行——復(fù)雜系統(tǒng)的奇境》很好地做到了這一點(diǎn)，是一本不可多得的好書(shū)。這本書(shū)不僅拉近了一般讀者跟科學(xué)研究最前沿的距離；也能幫助普通人領(lǐng)略復(fù)雜科學(xué)的魅力；還包含了很多有趣的八卦，例如書(shū)中介紹了帕里西在25歲的時(shí)候，是怎樣讓諾貝爾獎(jiǎng)從他的眼皮底下溜走的。
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  • 椋鳥(niǎo)群神秘的飛行秘密
這本書(shū)的標(biāo)題“隨椋鳥(niǎo)飛行”所描繪的，是一幅壯觀的場(chǎng)景。在天空中，成千上萬(wàn)只的椋鳥(niǎo)聚成一個(gè)鳥(niǎo)群，它們不僅可以朝著相同的方向飛翔，也可以在空中自由變換各種形狀。觀察鳥(niǎo)群的形狀變化，我們不禁會(huì)認(rèn)為整個(gè)鳥(niǎo)群形成了一個(gè)擁有智慧的超級(jí)生命體，它的大小超過(guò)了地球上已知的各種生物，甚至可以“不知其幾千里也，怒而飛，其翼若垂天之云”。帕里西同樣為鳥(niǎo)群的集體行為感到著迷，于是他與許多物理學(xué)家和生物學(xué)家合作，拍攝記錄了大量的鳥(niǎo)群飛行視頻。他們又從視頻中重建出了每只鳥(niǎo)的三維坐標(biāo)變化情況。以此為基礎(chǔ)，他們?cè)噲D分析成千上萬(wàn)的椋鳥(niǎo)個(gè)體究竟如何形成了智能的群體。通常，當(dāng)一個(gè)較大的系統(tǒng)由一堆基本單元或者許許多多的個(gè)體所構(gòu)成時(shí)，我們總可以試圖對(duì)它進(jìn)行不斷的拆解和約化，將宏觀的事物分解到更微觀的結(jié)構(gòu)，把握微觀結(jié)構(gòu)中的全部因果關(guān)系，從而掌握相關(guān)的發(fā)展規(guī)律。例如，以前的工匠門(mén)希望仿制一塊高級(jí)的手表時(shí)，他會(huì)嘗試著將它不斷拆分成更小的模塊甚至是零件，當(dāng)工匠理解清楚了各個(gè)模塊、各個(gè)零件的功能，他也就明白了整個(gè)手表的工作原理，這種認(rèn)識(shí)世界的方法叫做“還原論”。可是，在面對(duì)椋鳥(niǎo)群這樣的系統(tǒng)時(shí)，還原論的方法就遇到了問(wèn)題。沒(méi)錯(cuò)，整個(gè)椋鳥(niǎo)群的確是由無(wú)數(shù)只椋鳥(niǎo)個(gè)體聚集而成的，但鳥(niǎo)群卻不僅是“更多的鳥(niǎo)”。單個(gè)的椋鳥(niǎo)完全無(wú)法應(yīng)付游隼等捕食者的攻擊，可是作為一個(gè)群體，它們似乎突然產(chǎn)生了應(yīng)對(duì)天敵的能力。帕里西在書(shū)中提到，當(dāng)整個(gè)鳥(niǎo)群在面對(duì)游隼的襲擊時(shí)，椋鳥(niǎo)們會(huì)彼此靠近，收攏隊(duì)伍，迅速改變整個(gè)鳥(niǎo)群的運(yùn)動(dòng)方向。面對(duì)椋鳥(niǎo)這樣的集體反應(yīng)，游隼等捕食者不得不一次又一次發(fā)起進(jìn)攻。鳥(niǎo)群在空中的集體行為表現(xiàn)出讓人驚訝的協(xié)調(diào)性與秩序，而這些集體行為又與鳥(niǎo)群自身的生存密切相關(guān)。這種應(yīng)對(duì)天敵的能力究竟從何而來(lái)呢？鳥(niǎo)群中專(zhuān)門(mén)有負(fù)責(zé)觀測(cè)天敵的相關(guān)部門(mén)嗎，又或者，鳥(niǎo)群中難道隱藏著某個(gè)高明的指揮者，它能把握遠(yuǎn)處天敵的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，控制整個(gè)群體的行為？答案當(dāng)然都是否定的，我們沒(méi)有辦法找到究竟是鳥(niǎo)群中的那一個(gè)模塊、部門(mén)、或者領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)了這方面的功能。事實(shí)上，僅憑“還原論”的思維，我們無(wú)法搞清楚椋鳥(niǎo)群集體行為背后的秘密。帕里西等人的研究結(jié)果顯示，在鳥(niǎo)群中，每只椋鳥(niǎo)個(gè)體僅受到附近較少的幾個(gè)“鄰居”的影響，但這種影響可以不斷傳遞，最終遍及整個(gè)鳥(niǎo)群。
  • 規(guī)律從復(fù)雜中涌現(xiàn)
與鳥(niǎo)群相似的例子還有很多。例如，每只螞蟻的能力非常有限，但當(dāng)許許多多的螞蟻們聚集在一起時(shí)，作為一個(gè)群體，它們似乎突然產(chǎn)生了“智能”或者說(shuō)某種“解決問(wèn)題的能力”，它們不但相互交流、傳遞信息，還可以找到距離食物的最短路徑，甚至在災(zāi)難到來(lái)的時(shí)候還可以實(shí)現(xiàn)集體的遷移。螞蟻的群體中中似乎突然“涌現(xiàn)”出了單只螞蟻所不具備的全新性質(zhì)。再比如說(shuō)，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)學(xué)之父亞當(dāng)·斯密曾經(jīng)在《國(guó)富論》中提出過(guò)“看不見(jiàn)的手”的概念，雖然每個(gè)人在經(jīng)濟(jì)生活中只考慮自己的利益，但隨著市場(chǎng)交易的發(fā)生，在市場(chǎng)上也能發(fā)生自動(dòng)調(diào)節(jié)，形成良好的經(jīng)濟(jì)秩序，并且讓社會(huì)朝著有利于所有人的方向上演化。在這個(gè)例子里，“個(gè)體規(guī)律”是追求每個(gè)人的最大利益，而“整體規(guī)律”則是整個(gè)社會(huì)集體利益的不斷優(yōu)化。復(fù)雜系統(tǒng)集體行為中表現(xiàn)出了一些全新的性質(zhì)，它們無(wú)法通過(guò)經(jīng)典的“還原論”，被分解到系統(tǒng)的某個(gè)特定的組成部分上。1972 年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)物理學(xué)家菲利普·安德森就曾討論過(guò)這一問(wèn)題。在安德森看來(lái)，復(fù)雜系統(tǒng)之所以“復(fù)雜”，不是因?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)由許多基本單元所構(gòu)成，而是由于復(fù)雜系統(tǒng)在“個(gè)體”和“集體”兩個(gè)不同的層次上展現(xiàn)出不同的行為。因此，要想真正理解復(fù)雜系統(tǒng)，需要引入“涌現(xiàn)論”（也譯作“演生論”）這樣一種跨越宏觀和微觀尺度的全新的視角和思維方式。帕里西對(duì)鳥(niǎo)群的研究正是在由安德森等人所開(kāi)創(chuàng)的“涌現(xiàn)論”基礎(chǔ)上完成的。在鳥(niǎo)群中，只有當(dāng)個(gè)體在發(fā)現(xiàn)外界的捕食者時(shí)，將這一關(guān)鍵信息在鳥(niǎo)群中不斷傳遞，讓其影響遍及整個(gè)鳥(niǎo)群，才能讓群體表現(xiàn)出對(duì)外界危險(xiǎn)信號(hào)的高度敏感性、涌現(xiàn)出最高的集體智慧。在人類(lèi)的集體協(xié)作中，也有類(lèi)似的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)群體有更大的多元性，成員之間有大量密集的互動(dòng)，每個(gè)個(gè)體都貢獻(xiàn)想法，并對(duì)其他人的想法作出響應(yīng)，這樣的群體中才能更好地整合來(lái)自每個(gè)個(gè)體的意見(jiàn)，讓集體智慧更好地涌現(xiàn)。帕里西對(duì)鳥(niǎo)群運(yùn)動(dòng)的定量研究方法、以及描述椋鳥(niǎo)集體行為的這種模型，也可以推廣用于分析細(xì)菌群、昆蟲(chóng)群、甚至大腦神經(jīng)元的集體動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題。從鳥(niǎo)類(lèi)集體行為中學(xué)習(xí)到的互動(dòng)規(guī)則和控制策略也可以被應(yīng)用到人類(lèi)在社交網(wǎng)絡(luò)上各種行為的預(yù)測(cè)、避免人群的擁擠踩踏、大型無(wú)人機(jī)群的運(yùn)動(dòng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的組織和管理等領(lǐng)域。
  • 復(fù)雜系統(tǒng)的普適魅力
或許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，復(fù)雜系統(tǒng)的研究似乎具有某種“觸類(lèi)旁通”的特性，一旦深刻理解了某個(gè)具體的系統(tǒng)，我們很可能就完全搞清楚了大量同類(lèi)系統(tǒng)背后的機(jī)制。但是我們必須非常小心，因?yàn)檫@可能會(huì)讓我們陷入到“隱喻”的錯(cuò)誤中。在書(shū)中，帕里西就提到過(guò)這種隱喻性思維的危害。例如，常常聽(tīng)到有人說(shuō)“文化基因”，這其實(shí)就是一個(gè)隱喻，將不斷傳承的文化，比喻成不斷被遺傳的基因。然而這種比喻是不準(zhǔn)確的?；虻膫鬟f跟文化傳承背后的機(jī)制完全不同，我們所遺傳的基因是先天決定的，而文化則是通過(guò)后天的學(xué)習(xí)而獲得的。因此“文化基因”這樣的說(shuō)法其實(shí)是跟進(jìn)化論的基本原理相違背的。不過(guò)，也有某種截然相反的情況，例如在書(shū)中，帕里西還談到了“麥浪”與“海浪”的類(lèi)比。當(dāng)我們說(shuō)到“麥浪”時(shí)，其實(shí)是在把麥田在風(fēng)吹拂下的運(yùn)動(dòng)模式跟海浪在進(jìn)行類(lèi)比，從表面上來(lái)看，這里似乎包含了某種隱喻，可是，在物理學(xué)家們看來(lái)，“麥浪”跟“海浪”其實(shí)是一回事。帕里西提到：“物理學(xué)家將具體的現(xiàn)象翻譯成數(shù)學(xué)語(yǔ)言，在這種語(yǔ)言中， 這些現(xiàn)象的許多形體特征都消失了，只保留了研究某種現(xiàn)象所必需的本質(zhì)特征。”這種本質(zhì)的特征就是各種各樣的“方程”或者“公式”，由于描述海浪的方程與描述麥穗運(yùn)動(dòng)的方程相似，因此從數(shù)學(xué)上來(lái)看，海浪跟麥浪就是一回事。發(fā)現(xiàn)完全不同的系統(tǒng)具有相同的數(shù)學(xué)描述是一件非常重要的事。正由于其可以歸為同一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，物理學(xué)家們可以將很多不同的模型根據(jù)其等價(jià)性分成不同的“普適類(lèi)”，一旦屬于同一個(gè)普適類(lèi)，那么兩個(gè)看似完全不同的物理領(lǐng)域就可以相互促進(jìn)、相互參照、共同發(fā)展。因此，對(duì)于各種復(fù)雜系統(tǒng)，用一個(gè)領(lǐng)域的結(jié)論在另一個(gè)完全不同的領(lǐng)域進(jìn)行預(yù)測(cè)并不是在使用“隱喻”，而是在數(shù)學(xué)意義上的“等價(jià)”。舉個(gè)例子，一根繩子上打了一個(gè)結(jié)，這個(gè)“結(jié)”就是繩子表現(xiàn)出來(lái)的一種結(jié)構(gòu)。不管你是用什么東西在打結(jié)，鞋帶、數(shù)據(jù)線(xiàn)、甚至一條蛇，只要這個(gè)結(jié)是相同的，那么，解開(kāi)這個(gè)繩結(jié)或者打結(jié)的整個(gè)過(guò)程也是一致的。類(lèi)似的，不管是社交網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)，還是大腦中某些區(qū)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只要這些網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有相似之處，那么，它們就會(huì)在某些方面表現(xiàn)出相同的性質(zhì)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，帕里西的《隨椋鳥(niǎo)飛行》是一本引人入勝的科普書(shū)，因?yàn)闀?shū)中所介紹的每個(gè)具體的例子背后，還對(duì)應(yīng)著無(wú)數(shù)個(gè)其它與之等價(jià)的問(wèn)題。它不僅為我們指引了“通向復(fù)雜系統(tǒng)的奇境”的道路，也為我們理解我們所生活的復(fù)雜世界提供了許許多多深刻而生動(dòng)的參考。

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《隨椋鳥(niǎo)飛行》是一本只有150頁(yè)的小書(shū)，帕里西在這本書(shū)里以風(fēng)趣幽默的語(yǔ)言，深入淺出地介紹了自己獲得諾獎(jiǎng)的關(guān)鍵性成果。他用生動(dòng)有趣的研究經(jīng)歷與巧思，帶我們重返科學(xué)探索的第一現(xiàn)場(chǎng)。書(shū)里沒(méi)有一條公式，只要帶上好奇心，就能與一位思維與眾不同的物理學(xué)家，一同飛入復(fù)雜系統(tǒng)的奇境，感受天馬行空的想象力與科學(xué)的確定之美。

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