當人們拿起碗（wǎn）去盛飯的時（shí）候（hòu），小狗會興奮地圍著你（nǐ）轉（zhuǎn）圈（quān）。當（dāng）這個小東西被要求等待時，它往往在原（yuán）地用（yòng）最熱切的眼（yǎn）神盯著它飯碗中的食物，並且用最大（dà）的（de）熱情搖著尾巴。
大家（jiā）完全可以感受到小狗腦袋（dài）中那種原（yuán）始欲望（wàng）與“文明力量”的鬥爭。食物冷（lěng）卻後，你隻需輕輕說一句：“過來。”估計這個聲波剛剛“碰”到小狗，它就（jiù）會跳起來衝向食物（wù）。
上麵的故（gù）事（shì）告訴我（wǒ）們（men），在生物個體相互作用的層麵上，信息的（de）力量可見一斑。然而，力和能量的相互作用概念在物理理論中（zhōng）占據的（de）地位卻是極重。那麽，從力、能量再到信息，這些相互作用在不（bú）同（tóng）的時空（kōng）、不同的層次上有（yǒu）著（zhe）怎樣的關聯呢？
力（lì）之曆程
17世（shì）紀，牛（niú）頓在蘋果（guǒ）樹下頓悟（wù）：讓蘋果掉下來的力和使得月亮繞著地球（qiú）旋轉的力是同（tóng）一種（zhǒng）力。萬有引力概念的提出，是人類曆史上一次偉大的統一。在此基礎上（shàng），結合牛頓力學三定律，人們可以推導出行星的運動（dòng）規律。
人類第一次發現“天上”的物（wù）體和地麵的物體遵循（xún）相同的規律，這給當時腦袋裏隻裝著“上（shàng）帝”的人們（men）極大衝擊。法國的拉普拉斯更是把這種世界觀推到了極致：認為（wéi）隻要知道了（le）一個係統中構成粒子的（de）初（chū）始狀況，根據粒子受到的力並運（yùn）用牛頓定（dìng）律，就可以預言這（zhè）個係統任何時候的（de）狀態。
18世紀以前，人們普遍（biàn）認為（wéi）熱（rè）是（shì）一種神秘的流體，並且有著種種古怪的性質：如沒有質量等。經過一批科學家的努（nǔ）力，到了19世紀中葉，人們才明（míng）確（què）認識到熱（rè）不過是構造物質原子的一種（zhǒng）無規則運動，這種能量與其他機械能、電（diàn）能等能量可以進行（háng）轉換（huàn）和轉移。並且在這個過程中，能量守恒，即為熱力學第（dì）一定律。
緊接著，科學家又發現（xiàn）了熱力學第二定（dìng）律。它指出了熱和其他形式的能量轉換（huàn）的不對稱性：可以把機械能或者電能100%轉換成熱能，但是熱能原則上卻不能對稱（chēng）地完全轉變回去。正如愛因斯坦指（zhǐ）出，對熱的這種深刻認識（shí），一旦區分（fèn）開了溫（wēn）度和（hé）熱的概念，熱學就飛速發展了。
19世紀的時候，丹麥物理學家奧斯特發現了（le）電（diàn）流的存在對小磁針有“力”的作用（yòng），在自（zì）然統一的思（sī）想（xiǎng）下，法拉第傾10年之功發現了磁對電的作用。在此基礎上，科（kē）學家們在當時（shí）提出了電場、磁場的概念（niàn），是人類認識自然的一個大（dà）進步。電場、磁場看不見，摸不著，沒有質量，彌漫在空中，其基本（běn）性質是對放入其中的電荷、磁極產生（shēng）力的（de）作用。
在現代物（wù）理學家看來，場“正如他坐的椅子一樣實在”。 根據麥克斯韋描述電磁場性質的方程組，物理學家（jiā）預言了電磁波的（de）存在，並且得到了實驗驗證。這也許是我（wǒ）們現在這個世界上遍布手機、到處（chù）“電磁汙染”的源頭。
物理（lǐ）學家一直以來（lái）就有一（yī）個偉（wěi）大（dà）的夢（mèng）想，希望有一天能（néng）夠發現所（suǒ）有的力，把所有的相互作用在本質上歸為同（tóng）一個東西。萬有引力的發現，統一了地（dì）球表麵的力和行星運行過程中受到的引力，是這個夢想的第一（yī）次偉大實現；愛因斯坦把他的後（hòu）半生都投入到了這個夢想中，希（xī）望把（bǎ）引力和（hé）電磁力統一起來，最後還是沒有（yǒu）成功。
但這位“現代物（wù）理之父”的精神還是流傳了下來，找到一個萬有理論（theory of everything），成了一批物理（lǐ）學家的夢想。
信息之惑
當（dāng）我們抬起頭來，把（bǎ）目光脫離物理學家眼中沒有生命的粒子、場，會看到我們周圍一個生機勃勃的世界。
從物理學家到生（shēng）物學家的轉變，並非簡單的研究對象的改變，隻是從研究（jiū）一盒子飛來飛去的氣體分子變成研究一群自由飛翔的鳥，而是隨著研究領域的變化，人們的整個思考範式、審美（měi）趣味都跟著（zhe）變化。其中一個明顯的變化是，在研究鳥群的時候，能量、力（lì）已經讓位給了信息的概念。
對於一個由成百上千隻鳥組成的群體，很難（nán）想象有一個領導者在那兒（ér）發號施令。目前一個普遍的認識是，每隻鳥都是隻與周圍的幾個鄰居有相（xiàng）互作用（yòng），形成所謂的局域相互作用。1995年，比利時的物理學家Vicsek等提出了一個模型，解釋了鳥群為什麽可以形成一致的飛行方向。
在Vicsek的模型中，這種相互作用表現為每隻鳥都能（néng）保（bǎo）持固（gù）定的速度值，而方向是在獲取了自己鄰居的信息後，算術平均得到自己下一時刻的運動方向。通過這個模型，他們指出（chū），隻有在一定的密度和噪聲情況下，鳥群才能形成（chéng）一個確定的方向。事實上，這個模（mó）型並沒有涉及能量的概念。
生物學家對物理學家把他們心（xīn）愛的鳥、魚等當做粒子（zǐ）對待（dài）很不滿，於是物理學家（jiā）建造了一個更加“人性化”的“帶狀模型（xíng）”（zonal model）。在這個模型中，如果鄰居離開當前（qián）個體（tǐ）較遠，個體會（huì）受到群體的吸（xī）引；而如果太近，個體則會（huì）遠離鄰居，保持自己的空間；在中等距離的（de）時候，會計算鄰居平均的運動方向。這（zhè）個模型目前已在一種水鳥（surf scoter）的群體運動中得到了證實。
對於信息主導的相互作用研（yán）究還在深入。
為了研究真實魚（yú）群中的魚所（suǒ）用的相互（hù）作用（yòng）規（guī）則，最近普林斯頓大學Couzin教（jiāo）授和悉尼大學Herbert－Read博士的（de）兩個小組，研究了魚群中的魚（yú）如何與自己的鄰居交換信息。
Couzin教授小（xiǎo）組關注了2條和3條魚是如何相互作用的。他們發現單條魚常常通（tōng）過速度變化調整與前（qián）後鄰居位置關（guān）係，至於兩側鄰居的運動方向似乎對其影響不大。在“帶狀模型”中假設的平均鄰居的速度方向並沒有被觀察到。這種速度的變化既受到前麵魚的影（yǐng）響，也受到後排魚的影響。
Herbert－Read博士小組同樣也研究魚的相互作用，但可能因為魚的種類不同，得出的結論不完全一樣。他們調查了2、4、8條魚組成的群體，發現單條的魚一旦與鄰居距離超過了一個固定值，會通過（guò）加速來保持與其鄰居的距（jù）離（lí）。如果鄰居與自己距離太近，單條魚會調整自己的速度來保持它們（men）之（zhī）間的距離，並且單條魚隻對自己最近鄰居的速度作出反應。
事實上，現在的實驗結論很瑣碎，還處在公說公有理，婆說婆（pó）有理的階段。
關於信息（xī）如何在動物群體（tǐ）中傳播，早在上世紀30年代就（jiù）引起了生物（wù）學（xué）家的注意。俄國生物學家Radakov就描述到，受到驚嚇的魚（yú）群會（huì）從前往後調整運（yùn）動方（fāng）向，形成一種波的（de）圖案，從前向後傳播。隻是很可惜，這（zhè）項研究到現在還隻是停留在定性描述（shù）的層（céng）麵上。
在構（gòu）成這些生（shēng）物（wù）個體的底層細胞中，能量和力仍（réng）然起著核心作用，確實很多物理（lǐ）學家正在用這些（xiē）概念研究蛋白質（zhì）如何折疊。然而，一旦上升到了生物群體（如鳥群、魚群）的（de）層次上，信息就取代了能量、力的概念，占據一個中心角色。
物理學（xué）家蓋爾曼對自然真理的比喻很貼切：真理就像一層層洋蔥，每一層代表不同層次上的真理。而在認識自然的每一個層麵上既會有不同的真理，也會伴隨產生不同（tóng）的關鍵概念。
《中國科學報》 (2012-02-18 A2 新知（zhī）)

　　作（zuò）者：胡（hú）鋒來源中國（guó）科學報)

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