311.「正如当细胞癌变时单个细胞中的连锁生化反应以及它们的破坏作用；股市的繁荣与崩溃；意识从大脑中数万亿个神经元的相互作用中涌现；生命之源从原始海洋的化学反应网络中诞生。所有这些现象都涉及连接到复杂网络中的海量个体，每种情况都会自发涌现出惊人的模式。我们身边的丰富世界在很大程度上就是由自组织造就的奇迹。然而，我们的大脑并不善于处理这些问题。我们的思考方式习惯于集中控制，清除指挥链，以及直截了当的因果逻辑。」

书籍名称：《同步》
基础信息：[美] 斯蒂芬·斯托加茨 / 2018 / 四川人民出版社
豆瓣评分：7.6/10
豆瓣链接：https://book.douban.com/subject/30192338/
读完时间：2021-04-15 21:51:13
我的评分：1.0/5.0
我的标签：#2021,微信读书
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阅读笔记：

斯蒂芬·斯托加茨

前言 聆听同步的循环之声

我个人的研究贯穿整个故事的始末，这不是因为我对自己的历史地位有着任何幻想，而是因为我想让读者感受到，在科学的战壕中工作是怎样一种体验——曲折的探索、碰壁的苦楚、新发现的兴奋、从学生到同事再到导师的蜕变。

01 萤火虫闪烁：同步是必然发生的

1961年，乔伊·亚当森（Joy Adamson）在她的书《生而自由》（Born Free）的续篇中，颇为感慨地描述了她在非洲看到的相同现象，这是这种现象首次在非洲大陆被发现。

这是一条巨大的光带，大约有3米宽，由成千上万只萤火虫组成，它们绿色的磷光在齐肩高的草丛上架起了一座光桥……这些微小的生物体组成的荧光带精确地同步闪亮和熄灭。人们疑惑于它们是以什么样的通信方式协调闪光的，仿佛被一台机械装置控制一般。

正如当细胞癌变时单个细胞中的连锁生化反应以及它们的破坏作用；股市的繁荣与崩溃；意识从大脑中数万亿个神经元的相互作用中涌现；生命之源从原始海洋的化学反应网络中诞生。所有这些现象都涉及连接到复杂网络中的海量个体，每种情况都会自发涌现出惊人的模式。我们身边的丰富世界在很大程度上就是由自组织造就的奇迹。然而，我们的大脑并不善于处理这些问题。我们的思考方式习惯于集中控制，清除指挥链，以及直截了当的因果逻辑。

02 脑电波研究：同步发生的条件

当他和家人从剑桥搬到牛顿的时候，他的妻子知道丈夫必然会忘记已经搬家，于是写下了新家的地址和从他的办公室出发回家的方向。果然，维纳将那张字条用作草稿纸扔掉了，并且走回了旧房子。走回去后，维纳才意识到自己已经不住在这里了，于是拦住了街上的一个小女孩，并问她是否知道维纳住在哪里。小女孩回答说：“知道，爸爸，跟我来。”

当整体不等于部分之和的时候，即当系统中存在合作或竞争的时候，控制方程一定是非线性的。

温弗里就在过去很少注意彼此的两个伟大学科之间的建立了联系。一个是非线性动力学，主要研究系统随时间演化的复杂方式；另一个是统计力学，它是物理学的分支，主要研究原子、分子或其他简单粒子构成的巨大系统的集体行为。这两个学科都可以相互弥补对方的缺陷。一方面，非线性动力学可以轻松处理只有少数变量的小型系统，但它无法处理大粒子群，而这对于统计力学而言只是小儿科。另一方面，统计力学擅长分析达到平衡状态的系统，但它不能处理任何随时间振荡或不断变化的事物。

序参量的数值总是介于0和1之间，由一个数学公式计算而来，数值大小取决于每个人的相对位置。一种极端的情况是，每个人都处于完美的同步状态，此时的序参量等于1；另一种极端情况是，跑步者随机分散在跑道上，此时的序参量等于0；而一个松散小组的序参量小于1。

让我着迷的问题是，秩序究竟是如何从随机状态中涌现的？一个由数以百万计的粒子组成的系统如何自发地组织自己？

03 睡眠周期：同步与非同步的斗争

[插图]
图3-1 睡眠周期与体温周期栅格图
第一天位于数据堆的顶部，第二天紧接在第一天的下方，以此类推，直到实验的最后一天位于数据堆的底部。为了总结受试者某天的昼夜节律，切斯勒用黑条表示此人的睡眠时间，灰条表示此人体温低于平均值的时间。栅格图的优点是数据中的任何模式都会直观地呈现在你面前，一个严格的24小时节律会被立即认出，它是由各个条块组成的一道竖直的条纹，全都开始并终止于一天中的同一时间，而超过24小时的节律是一条向右倾斜的斜条纹。

男性经常会在快速眼动睡眠期间勃起，这种不由自主的勃起可以帮助医生区分心理和生理上的阳痿。

只有当下丘脑的前部受损时，老鼠才终于失去了节律。

有史以来最糟糕的时间表之一就是美国海军在核潜艇上使用的时间表。水手们每工作6小时后休息12小时。换句话讲，他们生活在18小时一天的周期中。由于起搏器不可能牵连到如此短的周期中，水手们便永久生活在了非同步状态中。

04 苍茫的宇宙：同步无处不在

1530年，弗里西斯意识到，经度可以通过精确的计时来确定，至少在理论上这是可行的。假设一艘船上有一个时钟，从母港起航时进行了精确的校准，此后一直按照母港时间运行。通过把母港时间带到海上，航海家可以在到达地的正午时刻（即太阳升到最高点的时候）参考时钟的时间来确定经度。由于地球需要24小时才能完成360度的自转，因此到达地时间与母港时间每一小时的时差便对应经度的15度。在距离上，赤道上的15度便是1609公里，所以为了使这一策略切实可行，钟表的精确度必须达到1天中只有几秒的误差。

经度问题的解决方案不得不又等了几百年。到了18世纪中期，有一个没接受过正规教育的英国人叫约翰·哈里森（John Harrison），他发明了一系列由各种金属零件制成的航海时钟，它能够克服金属零件的生锈问题，并且巧妙地补偿了不同温度下零件彼此之间的伸缩。他将自己制作的第四个航海时钟命名为“H-4”，该时钟装饰有由钻石和红宝石制作的零件，这使它几乎能够无摩擦地运行。“H-4”只有1.4千克重，直径为12.7厘米，刚好可以放进衣袋。在18世纪60年代进行海上测试的时候，该时钟测量经度时的准确性达到了16公里，这足以使哈里森赢得英国议会的两万英镑奖金，这相当于今天的数百万美元。

这就是激光背后的关键过程，被称为“受激发射”，你可以看到，它提供了一种增加沿着特定路线飞行的光子数的方法。每一次，一个光子撞击一个被激发的原子，光子就会进行自我复制，放大该方向上的光量，这正是激光的英文LASER首字母缩写代表的含义：受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。辐射是被激发的，而不是自发的，因为射入的光子引发了激发态的原子射出新的光子。

耗散的能量与电流的平方成正比，所以要使电流尽量小。

两台发电机自同步的情况最容易理解。如果它们以不同的速率旋转，速率慢的发电机就会从速率快的发电机那里吸收能量，最终慢的那台会加速，快的那台会减速，以弥补差异。用更专业的物理术语讲，任何引起一台发电机牵引另一台发电机的干扰，都会被立即流过的补偿电流所抗拒，于是产生了扭转力矩，使两台发电机的速率变得更加接近，及至相等。因此，两台发电机倾向于自同步。

当法官宣读完辛普森杀妻案[插图]的判决书时，整个美国电网中的用电量迅速下跌，大概是因为数百万人一听到判决就关掉了电视机。

但要记住的是，月球是一个巨大的球体，并不是一个点。月球中心以外的点的受力并不完全平衡。在月球的近地侧，引力更强；远地侧则离心力更强。这种不平衡造成了月球上有两个小凸起，一个在近地侧，一个在远地侧。地球上也是如此，月球的引力是导致海洋中产生潮汐的原因。在月球上，由于没有水，“潮汐效应”并不明显，但仍然很重要，正是它将月球从球形变成了雪茄的形状。由于地球的引力作用，雪茄总是想径直指向地球的中心。

在其他几个方面，小行星带同样是个谜。一方面，它似乎比理论上要稀疏得多。如今，小行星带上所有物质的总量只有月球质量的1/20。尽管它曾经一度包含了足以形成数个像地球一样大的行星的质量，在今天却没有任何这种迹象。它们都去了哪里？下面我们将会看到一个与此相关的谜题。一个多世纪以来，天文学家们已经意识到了小行星带上的神秘空隙，即没有小行星存在的环形凿孔，就像老唱片中歌曲之间的间隔一样。1857年，丹尼尔·柯克伍德（Daniel Kirkwood）发现了这一现象，他先前是位小学教师，用学生们使用的教科书学会了代数，后来成为印第安那大学的数学教授。通过钻研天文学家收集的数据，柯克伍德注意到，这些空隙并不是等距的，它们的位置也没有遵循任何明显的规则。一个重要的线索出现于1866年，当时柯克伍德将这个难题改写成了一个时间问题，而不是距离问题。他想知道一个假想的小行星在空隙中绕太阳公转一周需要多长时间，通过调用开普勒第三定律（天体与太阳之间的距离和天体公转周期之间的数学关系），柯克伍德可以计算出每一个空隙的轨道周期。例如，在最大的空隙中的一颗小行星围绕太阳公转一周需要大约4年时间：这是一个有趣的数字，因为它正好是木星的轨道周期12年的1/3。同样，另一个空隙中的小行星围绕太阳公转5圈与木星公转2圈的时间相等。事实上，所有的空隙都遵循同一个完美的规则：它们的轨道周期与木星的轨道周期总是满足整数比，例如3：1，5：2，7：3，2：1……这些数字不是巧合。这些空隙现在被称为“柯克伍德空隙”，它们是天文同步的迹象。它们暗示木星的引力是“始作俑者”：木星的引力会与任何误入这些空隙中的小行星产生“共振”，有节奏地扰动它，并最终将它掷出小行星带。以上便是共振机制的运行原理。我们可以假设，一个公转周期约为4年的小行星，它的公转速度是木星的3倍，对应于3：1的柯克伍德空隙。木星遵循着几乎呈正圆形的公转轨道庄严地行进着，小行星从木星旁边开始前进，然后沿着细长的椭圆形轨道朝太阳冲去。太阳强烈的引力会将小行星吸引到近日点，然后迅速将它送回木星，在相同时间内，小行星公转3圈，木星只公转1圈。在小行星公转第3圈的末尾，它又回到了位于木星旁边的初始状态。换句话讲，小行星与木星的最接近点总是出现在二者轨道中的相同位置处。这些亲密接触对于小行星有极强的干扰效应，木星体积巨大，当二者最接近的时候，木星的引力对小行星的吸引最明显。此外，因为相互作用总是出现在轨道上的同一点，因此同样的干扰效应会加倍累积。几百圈后，周期性的拉扯积累到扭曲小行星路径的程度，就会使之变得无序，这大大增加了它离开小行星带的概率。（相比之下，如果小行星不处在3：1共振状态，它最接近木星的点会随机分散在轨道上，从长远看，其整体效果会相互抵消。）

05 量子的合唱：同步无孔不入

超导态的电阻不只是接近于零，它完全就是零。我们无法通过实验证明它，因为这需要使脉冲电流永远持续。但是这些实验可以得出一个固定的电阻上限。它只有室温下的铜的电阻的一百亿亿分之一。这个数字小于0.000000000000000001。

06 晃动的千禧桥：中间物的弱耦合

伸展状态就像惠更斯所观察到的钟摆同步时的现象：钟摆以相同的速率摆动，但两者整整相差半个周期。一个发“嘀”声，同时另一个发“嗒”声。

07 混沌：蝴蝶效应

当科莫用电路来掩盖信息时，他博得了满场喝彩，他选择了玛丽亚·凯莉的主打歌《情感》的录音带。播放完原版歌曲后，科莫接着又播放了掩盖后的版本。从当时的情况看，人们绝不会感到有一首歌曲掩藏在这嘶嘶声中。然而，当掩藏的信息被发送到接收器时，它的输出几乎与最初的混沌完全同步，瞬间的电子减法完成后，我们又听到了玛丽亚·凯莉的歌声。歌声听起来虽然很模糊，但并不影响人们对它的理解。

08 三维中的同步

今天它被称为B-Z振荡反应，得名于发明并改进它的两位苏联科学家鲍里斯·别洛索夫和安诺托里·扎鲍廷斯基（Anatol Zhabotinsky）。

在20世纪70年代初，扎伊金（A.N. Zaikin）和扎鲍廷斯基在B-Z反应的薄薄的未受刺激层中发现了激发波的传播。波类似于同心圆，在相遇时湮灭，就像神经或心脏组织中的电波。它们的波源似乎是一些类似于心脏起搏器的东西，随机的散点自发喷出波。

09 小世界网络：深层的无尺度结构

《六度分离》（Six Degrees of Separation）

我们在紧密的圈子中运动，而全世界的人却都被非常短的关系连接到了一起。现在的问题是：大自然能否利用这种网络结构的特殊形式？如果能的话，目的又是什么？