随椋鸟飞行 复杂系统的奇境

  2021年诺贝尔物理学奖得主恒星·级科普之作

新晋诺奖得主乔治·帕里西，首·次向大众介绍获得诺奖的物理学前沿研究成果与心得。在阅读中即可体验诺奖成果诞生的全过程，已被翻译为18种文字。

揭示无序世界隐藏的规律，混乱的背后原来能如此简洁明了

巨型鸟群没有指挥，为什么在极速中阵型千变万化？个体间简单的相互作用，蕞终形成难以捉摸的壮观景象。微观规则与宏观行为之间到底有着什么关系？2021年诺贝尔物理学奖得主乔治·帕里西，为我们揭示纷繁复杂的世界里蕴含的简单规律。世界有多混乱复杂，答案就有多简洁明了。

零起点了解一项前沿新知，推动21世纪发展的非凡科学

一同进入复杂系统的奇境，感受不一样的科学魅力：椋鸟、自旋玻璃、社会心理、股市行情、神经网络等看似无关的现象，背后竟有着普适性的规律。信息优化、人工智能等领域深受影响，史蒂芬·霍金都准确预言：“21世纪是复杂性科学的世纪。”

众多名人学者盛赞，《七堂极简物理课》作者卡洛·罗韦利推荐

饱含对科学简洁而深刻的描述与追求科学的拳拳初心，一经推出广受各界好评，各国读者口碑加持。

这本书讲了一个个科学探索的故事，比推理小说更有意思，更烧脑——因为是真的。——万维钢，科学作家

这是继庞加莱《科学与假设》之后，一本生动的科学方法的科普读物。——陈平，北京大学国发院退休教授，复旦大学中国研究院研究员

真正好的研究，就是能从细节发现宇宙真理。——郝景芳，科幻作家，雨果奖得主

体验一场拓宽认知的思维挑战，获得看待世界的不同视角

我们都习惯性地认为，相互作用取决于距离。是时候打破惯性思维了，距离在决定相互作用的强度上起到的只是边缘作用。从蕞习以为常的日常出发，跳出局限，领略不一样的科学探索思维，给你认识世界的全·新眼光。

重返科学探索的第·一现场，看顶·尖科学家如何思考

全身心沉浸式的解谜之旅，如同推理小说一般引人入胜，看物理学家面对难题时如何开动大脑、见招拆招，在试错中化脑洞为现实。源源不断的创意和思考，掀起智性风暴。

好奇心驱动的研究，有趣有益的心得逸事，让探索妙不可言

生动有趣的研究经历，充满用好奇心点燃的探索热情，立体展现一位科学家的执著与纯粹，读着读着，会心一笑。我们可以与一位思维与众不同的伟大头脑一起，发挥想象，做些前人从来没有做过的事。

动物的集体行为是件奇妙的事情。成千上万的椋鸟在天空中飞舞，时而疏散，时而聚拢，在高速飞行中阵型变幻莫测，好像有个乐队指挥在下达指令。信息是如何在鸟群中迅速传播的？它们为什么能一起转向又不发生冲撞？每个行动自由的个体，最终形成统一而多变的集体，这与物理学的主要概念问题息息相关，即理解微观规则与宏观行为之间的关系。19世纪以来，物理学家一直努力寻找谜底。乔治·帕里西的突破性发现，道出无序现象背后的简单秩序。带上好奇心，随椋鸟一同飞往复杂系统的奇境。

  乔治·帕里西GIORGIOPARISI

意大利物理学家，罗马大学教授，2021年因复杂系统方面的研究获诺贝尔物理学奖。

研究兴趣广泛，主要贡献为发现无序体系中的隐藏规律，对复杂系统理论具有开创性意义，并扩展到生物学领域，如解释鸟群集体飞行的规律。同时，其巧妙的数学描述方法深刻影响21世纪神经网络、信息优化、机器学习、人工智能等领域的发展。

与椋鸟齐飞
物理学在罗马，五十多年前的事
相变，也就是集体现象
自旋玻璃：引入无序
隐喻，物理学与生物学之间的交流
想法从何而来
科学的意义
我无怨无悔
注释
译名对照表

     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？ 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。这项少有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，那优选还是打消这个念头。 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。 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》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。 椋鸟之阵 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，接近没有三维信息。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很好拍摄位置，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。 P3-7