诺奖得主乔治·帕里西：随椋鸟飞行，做前人从未做过的事

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原文转载自公众号返朴

2021年意大利物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）获得诺贝尔物理学奖，表彰他对复杂系统理论的开创性贡献，“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和涨落的相互影响”。1979年，帕里西巧妙地利用复本技巧解决了自旋玻璃问题，后来在数学上被证明，从此成为复杂系统理论的基石。物理学家在实验室内对各种无序体系进行探索，但帕里西不止如此。他来到户外，仰望天空：无数椋鸟在有节奏的飞舞，就像在一个乐队指挥下——这样复杂的集体行为，它们是如何做到的？德国物理学家库尔特·西曼齐克（Kurt Symanzik）曾形容帕里西“太狂野了”，是的，帕里西要与椋鸟齐飞。

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相互作用是一个重要的问题，也能用来理解心理、社会和经济现象。我们尤为关注的是鸟群中的每个成员如何能够相互沟通，从而协同一致地飞行，构成一个既表现出集体行为又具有多重结构的群体。

观察动物的集体行为是一件很美妙的事，无论是天上的鸟阵、水中的鱼群，还是成群的哺乳动物。

夕阳西下，我们看到成群结队的鸟形成了魔幻的景象，成千上万个舞动的小墨点在五彩缤纷的天空中格外显眼。只见它们一起飞来飞去，既不会撞到一起，也不会各自散开，它们飞越障碍，时而疏散，时而聚拢，不断变化着空间的排列，就好像有个乐队指挥在对它们下达指令。我们会良久地注视着这些鸟，因为眼前总是呈现新的景象，千变万化，出乎意料。有时候，即便面对这种纯粹之美，科学家也同样会犯职业病，于是许多问题就拍着翅膀飞进了他的脑袋。这到底是有乐队指挥还是它们自己组织的集体行为？信息是如何在整个鸟群中迅速传播的？它们的阵型怎么能如此快速地改变呢？这些鸟的速度和加速度是如何分配的？它们怎么能一起转向而又不相互碰撞？难道椋鸟之间那些简单的互动规则就能让它们做出复杂多变的集体运动，就像我们在罗马的天空中观察到的那样？

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当感到好奇并想解答这些疑问时，你便开始研究了起来：以前是去查书，而现在可以上网。如果你运气好，会找到答案，但是万一没有答案呢？因为没有人知道这是怎么回事。那么，假如你的好奇心真是那么重的话，你就会开始反问自己，回答这个问题的人选是否非你莫属。这项前无古人的研究不会把你吓住，毕竟这就是你该干的工作：发挥想象，做些前人从来没有做过的事。然而，你不能把一辈子都花在打开那些你没有钥匙的装甲门上。启程之前，你必须知道自己有没有胜任的能力和支持自己进行到底的技术工具。谁也不能担保你一定会取得成功，打个比方说，你想让自己的心飞越这个障碍，但如果障碍太高，让你的心碰了壁，那最好还是打消这个念头。

复杂的集体行为

椋鸟的飞行让我格外着迷，因为这是一条重要线索，既关系到我的研究，也与现代物理学许许多多的研究息息相关，就是弄明白一个由众多相互影响的成分（参与者）组成的系统的行为。在物理学中，根据不同的情况，这些参与者可以是电子、原子、自旋或分子，它们各自的运动规律非常简单，但把它们放在一起，就会发生非常复杂的集体行为。自19世纪以来，统计物理学就在试图回答此类问题：为什么液体在特定温度下会沸腾或结冰；为什么某些物质能传导电流并能很好地传递热量（例如金属），而其他物质则是绝缘的……这些问题的答案在很久以前就已经找到了，但我们却仍在继续探索。

在所有这些物理学问题中，我们能够以定量的方式理解集体行为是如何从单个参与者之间简单的互动规则开始的。但我们面临的挑战是将统计力学技术的适用性从无生命的物质扩展到动物，比如说椋鸟。这些成果不只是与生态学和进化生物学相关，而且在相当长一段时间内，可以加深人们对研究经济与社会现象的人文科学的理解。在这些学科中，我们会研究大量相互影响的人，因此有必要了解单个个体的行为与集体行为之间存在的联系。

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伟大的美国物理学家菲利普·沃伦·安德森（1977年诺贝尔奖得主）在1972年发表了一篇题为《多者异也》（编者注：参见《多者异也：破缺的对称性与科学层级结构的本质》）的文章，这篇具有挑战意味的文章揭示了如下观点。他认为，一个系统的成分数量增加，不仅决定了系统的量变，还决定了其质变。因此物理学应该面对的主要概念问题是，理解微观规则与宏观行为之间的关系。

要解释一个问题，我们必须先充分认识它。这样说来，一开始我们缺少一个关键信息：我们必须弄清鸟群是如何在空中运动的，但当时这个信息无从获得。事实上，那时候我们掌握的大量鸟群视频和照片（网上也很容易找到）都是从单一视角拍摄的，完全没有三维信息。某种程度上，我们就像柏拉图洞穴神话中的囚徒，只看得到投射在洞壁上的二维阴影，无法把握物体的三维属性。

恰恰是这个难题成为激发我研究兴趣的另一份动力：对鸟群运动的研究应是一个完整的课题。它包括实验设计、数据的收集与分析、用于模拟的计算机代码的开发、解读实验结果以得出最终结论。

大家知道，我一直从事统计物理学的研究，这一学科的研究方法对于椋鸟飞行轨迹的三维重建是必不可少的，但这项工作真正吸引我的是参与实验设计和实施环节。我们搞理论物理学的人通常都远离实验室，只与抽象的概念打交道。解决实际问题意味着要掌控许多变量，具体说来，就是从摄影镜头的分辨率到摄像机的最佳拍摄位置，从数据存储量到分析技术，每一个细节都决定着实验的成败。纸上谈兵的人根本不会意识到在战场上会遇到多少问题。我从不喜欢远离实验室的研究。