大自然如何運作：關(guān)于自組織臨界性的科學

以什么樣的尺度來觀察，決定了我們看待大自然運作的方式。微觀或宏觀尺度下，大自然給予我們的物理現(xiàn)象截然不同。即使我們的研究已經(jīng)下至微觀、上達天體，但對于我們生活其中的自然界的復雜性卻知之甚少。

當我們抬頭仰望星空，俯瞰山川大地，是否曾思考過這浩渺宇宙與微觀世界之間的奇妙關(guān)聯(lián)？科學的真諦在于創(chuàng)建可以預測未來的理論，然而，《大自然如何運作：關(guān)于自組織臨界性的科學》（以下簡稱《大自然如何運作》）卻向我們展示了一個不同的視角。

《大自然如何運作》的作者丹麥物理學家帕·巴克（Per Bak）首次提出了“自組織臨界性”的概念。自組織臨界性，聽起來就讓人感到神秘。它解釋了自然中許多看似無序、復雜的現(xiàn)象背后的有序性和自組織性。從巖層與地貌的形成，到河網(wǎng)與海灣的結(jié)構(gòu)，再到地震、火山爆發(fā)、物種滅絕、市場波動……這些看似毫無關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，在自組織臨界性的框架下，竟然呈現(xiàn)出驚人的共通性。

在書中，巴克詳細介紹了發(fā)現(xiàn)“自組織臨界性”的研究進程，并且介紹了這一規(guī)律在自然界現(xiàn)象（社會現(xiàn)象）中廣泛的存在。作者通過簡單沙堆模型的計算，展現(xiàn)了自然界的復雜性和不可預測性。每一次的計算結(jié)果都不同，仿佛出現(xiàn)了若干平行宇宙，讓人不禁驚嘆大自然的神奇和魅力。

為了了解大自然的復雜性是如何產(chǎn)生的，作者進行了一系列論證和思考。他將有巨大變化的系統(tǒng)稱為復雜系統(tǒng)，分析了簡單物理定律與復雜大自然（系統(tǒng)）之間的鴻溝，通過對崩塌事件（因微小擾動產(chǎn)生的各種不同大小的響應(yīng)）的穩(wěn)態(tài)（實驗中采用類似耦合扭擺的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）建模計算，發(fā)現(xiàn)這一系統(tǒng)在沒有任何外力作用下自組織發(fā)展到一個臨界點。在這個點上，各種大小的崩塌均能出現(xiàn)。“一旦達到這種均衡態(tài)，這種‘臨界性’就和核鏈式反應(yīng)中的臨界性類似?！弊髡呷缡钦f。

實驗證明，朝著這種臨界態(tài)演化與這種臨界態(tài)的建立，僅僅是因為系統(tǒng)中的各個元素間的動力學相互作用，因而是自組織的。作者進一步指出，自組織臨界性是目前所知道的產(chǎn)生復雜性的唯一普遍機制。在這個意義，或者說在這種觀察尺度下，作者解釋了大自然的復雜性是如何產(chǎn)生的，以及為什么是復雜的。

《大自然如何運作》是巴克教授關(guān)于自組織臨界性理論的重要著作。它的寫法與眾不同，不是純粹圍繞著公式原理等談理論，而是生動講述了一群科學家如何創(chuàng)立一座宏偉的科學大廈，以及它如何解釋了紛繁復雜的自然現(xiàn)象，乃至撲朔迷離的社會現(xiàn)象和人類思維現(xiàn)象。本書英文原文出版于1996年，中文版由李煒、蔡勖翻譯，出版于2001年。近期經(jīng)修訂后再版。

盡管作為一本科普讀物，《大自然如何運作》對于普通人來說還是有一定的難度，但相信只要我們對科學保持興趣，就會慢慢地在看似雜亂無章的自然界中找到規(guī)律，感受到它的美麗與神奇。

霍金曾經(jīng)說過，21世紀是“復雜性”的世紀，自組織臨界理論為我們理解復雜性提供了一個框架，讀完這本書，你將獲得一把打開宇宙萬物之門的萬能鑰匙。讓我們能夠站在一個更高的角度，俯瞰自然界的紛繁復雜。