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《随椋鸟飞行：复杂系统的奇境》解密椋鸟群舞背后的自组织法则
铛铛铃2025-09-14【科普】1人已围观
简介
今天为你解读的书是《随椋鸟飞行》。
“椋鸟”的“椋”是木字旁，加上一个“京”字。这是一种小型的雀类，最显眼的特点就是，它们的羽毛有一种金属光泽。
虽然书名中出现了“椋鸟”，但这可不是一本关于鸟类的科普书籍。本书还有一个副标题，叫做“复杂系统的奇境”，其中的复杂系统才是本书要讲的重点。
椋鸟与复杂系统有着紧密的关系。作为一种群居性鸟类，椋鸟经常成百上千只一起飞行，它们绝不是漫无目的地凑在一起，形成鸟群是椋鸟们的一种生存之道。比如椋鸟需要依靠群体的力量，才能够更好地抵御天敌。椋鸟群是一个典型的复杂系统，而对椋鸟群的研究，正是本书作者乔治·帕里希的代表工作。
帕里希是意大利物理学家，在罗马大学担任教授。现年74岁的帕里希可是位学术大咖，在2021年，他因为在复杂系统领域的研究，获得了当年的诺贝尔物理学奖。
在《随椋鸟飞行》这本书中，帕里希用通俗易懂的语言，讲述了他对复杂系统的研究成果。本书一经出版就受到了广泛好评，我国著名科学家万维刚就评价，本书比推理小说更有意思。
不仅如此，帕里希还真诚地分享了自己从事科研工作数十年中总结的经验，比如怎样获得灵感等。即便你不是这个领域的从业人员，听一听这位顶级学者的肺腑之言，想必也会是大有益处。
本次的解读将分为两部分，第一部分是对帕里希科研成果的介绍，随后我们会聊聊作者从事科研工作的一些心得体会。
好，就让我们跟随这位物理大师，开启在复杂世界中的探索之旅吧。
首先是帕里希的科研工作，他的主要学术贡献是构建了一系列对复杂系统的研究理论。这部分会比较烧脑，其中会有一些专业的名词，我们在讲解过程中，也会补充一些必要的背景知识。
所谓复杂系统，就是说在一个系统中，其内部的基本组成单元在特定规则下能够产生相互作用，从而表现出非常复杂的集体行为。
在真实世界中，复杂系统数不胜数。比如在物理学中，原子或者电子，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变化多端的科学现象。液体为什么会沸腾，磁铁为什么有磁性等，这些都是物质内部粒子的复杂行为在宏观上的表现。
当然，不只有物理学，很多人一起参与的领域，也会表现出复杂系统的特征。比如在金融领域，交易员们的买卖行为，会让整个市场出现难以预料的结果。
在复杂系统领域，帕里希本人最引以为傲的两项工作，分别是对椋鸟的观察，以及对自旋玻璃的研究。我们就来逐个讲解。
帕里希的一项重要成果是，通过对椋鸟的观察，揭示了鸟群集体行为的很多规律。
每年到了冬天，大批椋鸟会从北欧迁移到意大利过冬，庞大的椋鸟鸟群总是在罗马的天空中盘旋，而这种庞大的鸟群赋予了椋鸟新的能力。比如当椋鸟们躲避猎食者时，就会表现出很多有趣的现象。
椋鸟的天敌之一是一种叫做游隼的鸟类。游隼是一种翼展能够达到一米的猛禽，它们在全力冲刺时，速度甚至能达到每小时200 km。一只椋鸟是绝对不可能抵御游隼的袭击的，但是一群椋鸟就有了抵御天敌的能力。
如果有游隼向着椋鸟群袭来，椋鸟们会迅速地靠近彼此队伍，快速收拢成百上千只椋鸟，协调运动，躲避游隼的反复冲击。而面对这种庞大的鸟阵，游隼往往无处下手，如果贸然飞入其中，游隼很可能会撞上某一只椋鸟，使自己受伤坠落。
但神奇的是，在这种变化复杂的队形中，椋鸟们自己却有条不紊，从来不会出现两只椋鸟彼此相撞的场面。这一切让帕里希十分着迷，他想要弄清，这些椋鸟群在飞行中，究竟遵从着怎样的规律呢？
为了研究椋鸟，帕里希遇到的第一个问题就是如何去看清鸟群在空中的运动轨迹。虽然在网络上，随随便便就能搜出大量椋鸟飞行的图片或者视频，但是这些还远远不够。帕里希想要的是，椋鸟群飞行的准确三维信息，所以他需要更好的拍摄器材和更严密的拍摄方式。
帕里希以前是从事理论物理研究的，一直在与概念和方程打交道，基本不参与实验设计。但是这次为了拍摄椋鸟的精确飞行状态，他投入了极大的精力。
在具体的拍摄环节，比如从优化摄影机的工作效果，到寻找最佳的拍摄角度，从如何存储大量图片，到编写程序来分析数据。在对椋鸟的研究实验中，有着无数细节需要帕里希和同事们反复调试。按作者自己的话说，纸上谈兵的人根本不会意识到，在战场上会遇到多少问题。
正是这样事无巨细的倾情投入，经过两年对椋鸟的观测，帕里希团队建立了世界上第一个椋鸟群飞行的三维图像数据库。而且他们开发了相关的程序算法，能够在几百张高分辨率的照片中，同时分析数千只鸟的运动轨迹，甚至研究者能够以百分之几秒的精度，在鸟群中分辨出每只鸟的转弯过程。
有了这样丰富的原始数据，后续的工作就到了帕里希擅长的领域，那就是对大量的数据进行统计计算。而经过帕里希的分析，确实发现了椋鸟飞行中的很多规律。
比如有一个有趣的现象，如果我们只用肉眼观察椋鸟群的飞行形状，会发现它们时大时小，而且大小之间的转换特别迅速，鸟群从庞大的群体压缩成一个小小的黑团，往往就在一瞬间。帕里希借助鸟群的三维观察效果发现，人们之所以有这种视觉印象，是因为椋鸟的队列并不是球形的，而是一个扁平的圆盘形状。
可以想象一下，一个又大又圆的盘子，从正面看会让我们感觉面积很大，但是只要稍微转变一下观察视角，从侧面看，那么这个盘子就会是又小又扁了。椋鸟群也是如此，它如同盘子一样的形态，让我们感觉鸟群的形状变化极为迅速。
再有另一个让人惊讶的观察结果，就是在鸟群中位于边缘区域鸟的密度比中心位置鸟的密度要高将近1/3。也就是说，在椋鸟群中，越靠近中心越稀疏，反而越靠近鸟群边缘越拥挤。人们以前会误以为中心的群体密度更高，毕竟越往中心去，离外面的危险越远也就越安全。但实验结果推翻了这种想法。
帕里希分析，这种行为可以更好地抵御天敌的攻击，毕竟一只落单的鸟很容易被捕食，在鸟群边缘的鸟彼此之间比较紧密，不容易被游隼等天敌抓住，而且有了外围同伴的保护，位于鸟群中间的鸟也不用太拥挤，就能获得足够安全的环境了。
除了这些发现，在对椋鸟的研究中，最重要的成果就是弄懂了鸟群飞行时是如何相互协调配合的。
首先，椋鸟在群体飞行时，鸟与鸟之间会保持一种特殊的距离状态。具体来说，就是每只鸟与同伴之间呈现出前后距离大，两侧距离小的模式。这种模式在密集和稀疏的鸟群中都存在，跟鸟群密度没有关系。
经过分析，帕里希认为，之所以产生这种模式，是因为椋鸟在飞行时，会采取彼此定向的方式，以保持运动轨迹不会相撞，更容易让椋鸟掌握好自己的位置。这很像是在公路上跑的汽车，两辆车左右横向距离可能只有2-3米，但是前后车就要隔着几十上百米。
在这种距离模式的基础上，帕里希进一步分析了椋鸟是如何在群体飞行中调整运动轨迹的。为了便于将椋鸟的飞行定量化，帕里希团队提出了一个词，叫做“各向异性”。这个词最初来自于物理学，它原本用来描述一种现象，那就是物体性质在不同方向上会有明显差异。而当帕里希用这个词来形容鸟群时，他想表达的，两只鸟之间各向异性越大，这两只鸟的飞行相互影响程度越大，而如果各向异性为零，那么这两只鸟各自飞各自的，二者没有关系。
起初，作为物理学家，帕里希下意识地认为，单只椋鸟的运动决定于它与其他鸟的绝对距离。毕竟从牛顿的万有引力定律开始说的，就是两个物体之间的引力与距离的平方成反比。于是他们测量了鸟群图片中每两只鸟的各向异性，发现离得近的鸟各向异性高，离得远的这个值就低，这跟帕里希最初的猜测相同。
但是新的数据很快推翻了这个观点。当研究者比较不同鸟群中的数值时，发现有时相距2米的两鸟各向异性非常大，而在另一组鸟群中，同样相距2米，两鸟间的各向异性却几乎为零。
在坚实的数据结果面前，帕里希改变了自己原本的想法，他不再使用绝对距离作为研究方向，而是开始考虑相对位置。为此，他耐心地为每一只鸟的邻居进行编号，比如邻居一号，也就是距离他最近的伙伴，然后是邻居2号、邻居3号，以此类推。
经过计算，他们发现，不论是大群还是小群，不论是密集还是稀疏，每个鸟与邻居一号的各向异性几乎是相同的，数值都很高，而邻居2号、3号数值逐渐减小，到了邻居7号，各向异性就快到零了。
也就是说，鸟类之间的运动状态，并不取决于邻居之间的绝对距离，而是取决于它们的相对关系。这个道理也不难理解，假如我们和一群朋友去跑步，为了和队伍保持一致，我们肯定是注意最近处朋友的步伐和速度就够了。
正是基于这些简单的规则，每只椋鸟在飞行中，都会根据最邻近同伴的状态，来调整自己的速度和方向。比如在椋鸟群转弯时，几乎总是一侧的一小群鸟先开始转，然后要转弯了的消息，就从这一小群鸟迅速向周围传递，在很短的时间内，所有的鸟就顺次做出转弯的动作。即使几千只椋鸟组成的大鸟群完成转弯，也只需要一秒钟的时间。
帕里希的这项研究结论看似简单，但更重要的是这一研究思路的创新。他开辟了生物学研究中的一个新方向，那就是运用统计物理学的技术，来解决生物群体复杂行为的问题。通过引入可定量化的方法，彻底改变了此前研究鸟群、羊群和其他动物群体的思路。基于这项观察，帕里希所撰写的学术论文也引起了广泛的关注，目前已经被2000多篇论文所引用。
其实在椋鸟之前，帕里希在复杂、无序系统的研究领域早已声名鹊起，这是因为他在自旋玻璃的研究中取得了重要突破。自旋玻璃，“自”是自己的“自”，“旋”是旋转的“旋”，它并不是真的玻璃，而是一类金属合金，这类合金最大的特点就是有着奇特的磁学性质。
要想更深入地了解自旋玻璃，我们得先说说材料的磁性。一般而言，在材料中存在两种主要的磁性状态，分别是铁磁性和反铁磁性。而这两种磁性状态，其实是材料内部粒子的自旋状态决定的。
我们可以把自旋状态假设成一个箭头，在材料内部排列着一大堆的粒子，每个粒子里有一个箭头，指向上或者指向下。箭头都朝向一个方向的话，这个材料就具有铁磁性，比如日常生活中见到的磁铁，就是典型的具有铁磁性的材料。如果相邻的粒子中的箭头一半向上，一半向下，那么二者就相互抵消，于是就会形成反铁磁性。
但是在自旋玻璃的体系中，这些箭头的指向就比较复杂了。最关键的区别在于，在自旋玻璃中，粒子的自旋状态会受到其他临近粒子的影响。这是一种怎样的状态呢？作者用了一个通俗的例子进行类比。
你可以想象有这么三个人，甲、乙、丙，他们在一场勾心斗角的戏剧里，他们必须被分为两队，每个人都要选边站。如果甲乙两个人关系好，丙讨厌他们俩，那么这三个人就自然分成了两个队伍。但也有可能是这三个人谁都瞧不上谁，在分队伍时，肯定会在一个队伍里有两个互不喜欢的人，于是就会产生一定的不满情绪。
在自旋玻璃中的三个粒子，每个粒子都有让附近粒子改变自旋指向的倾向。刚才例子中说到的友善关系，是一种倾向于让自旋指向同一方向的力，而厌恶关系就代表让自旋指向相反方向的力。这才只有三个粒子的状态，想象一下，当有数百万、上千万的粒子相聚在一起时，粒子与粒子间有的存在友善关系，有的则是厌恶关系，这些相互作用会使得选边站的情况变得无比复杂，每一种组合形式都会产生大量不满情绪，粒子会不断调整它们的队伍选择，这就意味着，这些粒子集体所产生的磁性也在不断变化。
使用什么方法去描述或者分析这种变化，就是自旋玻璃的研究关键。
在帕里希看来，要想弄懂自旋玻璃，关键在于寻找到合适的数学解法。巧合的是，帕里希在研究其他问题时，偶然间发现了一种方法，可以用来解释自旋玻璃这个体系，这种方法叫做副本法。“复”是复印的“复”，“本”是本来的“本”。所谓副本法，就是对一个变化的系统进行多次复制，然后比较多个副本的行为表现，从中窥探出这个系统的隐藏规律。
在引入了副本法后，帕里希和同事们开始将副本法和物理学进行融合，并成功建立起一套对自旋玻璃的数学分析框架。
在对自旋玻璃的研究过程中，帕里希得到的最重要的启迪就是，在自旋玻璃这类复杂无序的系统中，可以同时存在大量不同的平衡态。这话该怎么理解呢？用水来举个例子，在一定温度和压力下，水要么是液体，要么是固体，要么是气体，我们可以说，水处于一种状态或者是一个“相”。而在某些特殊情况下，水可能处于两种状态，比如在摄氏100度时，水可以同时处于液相和气相，我们通常称之为两相共存。
而因为粒子间复杂的自旋方向变化，使得在自旋玻璃之中，同时存在无数种不同的相，从而造成了它独特的磁学性质。比如自旋玻璃有一种特性，叫做磁化弛豫，“弛”是飞驰的“驰”，“豫”是犹豫的“豫”。很多材料在外部磁场的环境中，能够出现被磁化的现象，这个过程时间往往很短，几乎可以忽略不计。但是自旋玻璃的磁化过程却要慢半拍，虽然它也可以被磁化，但完成磁化的时间往往要几分钟甚至几小时。这正是因为自旋玻璃内部存在各种不同的平衡态，要想让他们全部磁化成同样的状态，难度很大。这就好比我们要让一个纪律涣散的队伍都朝一个方向前进，肯定要花费大量时间来组织协调。
此外，对于自旋玻璃的研究方法，还可以借鉴推广到其他体系之中。无论是原子、分子还是细胞所组成的系统，都可以引入这种分析方法，甚至人类社会中也充满了类似的体系，独立个体之间发生复杂的相互作用，从而让整体表现出奇特的宏观现象，这些都可以套用自旋玻璃的研究方法，来进行分析。
在介绍了帕里希的主要科研工作后，接下来我们就来聊聊作者在科研工作中的心得感悟，主要讲了如何利用无意识思维来激发灵感和获得直觉。如果你恰巧从事科研或者创意方面的工作，这些来自诺奖得主的建议也许大有用处。
从事科学研究工作几十年，帕里希的一个重要心得体会，就是要善于使用无意识思维。按照现代心理学的解释，所谓的无意识，是指那些人们没有主动调用意识参与的精神活动。我们有时也会听到潜意识这个词，不过潜意识主要用在弗洛伊德的精神分析中，目前主流学术界已经不太实用了。
什么是无意识思维呢？一般来说，我们在有意识地进行思考时，要借助语言的力量来组织自己的思考逻辑。比如在跟别人聊天交流时，当我们说出第一个词时，其实后面的话语已经想好了，整个句子会自然涌现。而在思考中，虽然我们不会发出声音，但其实在脑子里仍然是需要用话语组织起逻辑，来连接各种概念。语言就如同一根绳子，将散落的各种想法串联起来，从而让我们的思考过程更为顺利。这种思维模式就是有意识思维，帕里希也管它叫做语言式思维。
而无意识思维则是一种非语言式思维，这种思维方式并不靠语言进行逻辑整理，而是让脑海中的想法自由涌现。目前科学家对这种思维过程的了解仍然十分有限，帕里希也承认自己不是这方面的专家。但是在他看来，这种思维模式虽然不会形成条理清晰的逻辑，但却能为思考者带来两方面的好处，那就是激发灵感和获得直觉。
我们来分别解读一下。帕里希提出，如果利用好这种非语言的无意识思维方式，可以提升灵感出现的概率。这种灵感究竟是怎么起作用的呢？帕里希举了一个例子，在理论物理研究中，他经常需要在电脑上编程，但问题是，电脑程序在运行时，往往会得出一些与预想偏差很大的结果。帕里希坦言道，他有过无数次这样的经历，折腾半天也不知道程序到底哪里出错了。他要仔细检查每一条编程语言，看看是不是缺了个逗号或者少了个字母，但是结果往往仍然是报错。
每到此时，帕里希就会选择放下执念，不再深究，而是开车回家，但经常开到半路，他会忽然想明白哪里出错了，然后回头检查，果然错在哪里。
这种突然获得灵感的体验，也会出现在帕里希的科研项目中。他曾经和同事们困扰于一个非常困难的问题，具体是什么问题，帕里希倒没有细说，他只是回忆道，他们在这个问题上卡住了十多年，最后已经接近放弃，但就是在参加一次学术会议时，在午餐期间，帕里希跟别人聊天，随意聊起了这个问题，结果他就找到了问题的解法。这一解题的灵感，就如同自己浮出了水面一般。
上面谈到的这些灵光乍现的时刻，帕里希认为正是非语言思维在起作用。虽然表面上他停止了手头的工作，但其实这只是让语言式思维暂停了下来，大脑仍在无意识地工作，在搜寻着解题的方法。
我们日常工作中也会遇到类似的情况，被某个环节卡住，以至于整体计划推进特别缓慢。对此，帕里希认为，此时就应该让无意识的思维方式来帮忙了。他推荐的方法就是把难题先搁置一边，让思想沉淀下来，解决问题的灵感也许会自己蹦出来。
除了这种灵感，帕里希还提出，在科研工作中，无意识的思维还能带来重要的科研直觉。也许你会讶异，在我们的认知中，科学家应该是无比理性的，怎么可以靠直觉来工作呢？而帕里希所说的科研直觉，其实可以看作是一种跳出已有框架的能力。
大众会以为科学的进步如同修桥铺路一样逐步前进，其实这就是一种语言式思维的典型体现，也就是每个环节一环扣一环，按部就班地推进。但现实情况是，在科学研究中，很多巨大的进步都是跳跃式的，只有摆脱传统思维的束缚，才能取得新的突破。
为此，帕里希列举了一段量子物理的发展历史，来证明这一观点。对于这段历史，他称之为物理学最伟大的冒险之一。
在20世纪初期，物理学正在飞速发展，无数杰出的科学家置身于这一浪潮之中。但是当时的学者们却遇到了一些难题，这些难题按照当时的理论是没法解释的。比如著名的黑体辐射问题。所谓的黑体，指的是那些只吸收、不反射、不折射电磁波的物体。虽然不反射电磁波，但是黑体每时每刻都在向外界辐射出电磁波。人们发现，这种黑体辐射出电磁波的规律十分奇特，特别是它所辐射出的能量是非连续的，而且辐射的波长也仅与黑体的温度有关。
按照20世纪初期的经典物理学，这个实验结果是无法理解的。这并非由于科学家能力不够，而是因为这个现象是需要用量子力学来分析的。遗憾的是，当时还没有量子力学，那该怎么办呢？大部分学者困守于传统的经典物理学之中，拼凑各种理论来解释黑体辐射，但是有些人却决定选择一条完全不同的道路。
1900年，普朗克提出了一种新的思考方式，简单来说就是把能量想象成一份一份的，这是一种与经典物理学完全矛盾的说法。即便是遭到了其他同行的质疑，普朗克仍然坚信这是一条正确的道路。他的物理直觉是如此强烈，他确定，只有从这个角度才能解决黑体辐射问题。
当然，普朗克解决黑体辐射的过程中，仍然存在一些问题，但在他的启发下，各路学者投入到相关领域之中，又经过了20余年的发展，终于构建起了量子力学的研究方法，并解决了黑体辐射这一难题。
类似的依靠直觉取得突破的案例，在科学的发展过程中数不胜数。在书中，作者还举了一些其他的例子，比如爱因斯坦就曾有过类似的体验。1907年，当爱因斯坦在思考重力现象时，萌生出一个与经典理论相矛盾的念头，那就是重力的出现跟进行观察的坐标系有关。爱因斯坦本人称之为一生中最幸福的直觉。正是基于这个假设，他成功构建起了广义相对论。
当然，依靠直觉也是有前提的，那就是要对自己手头的工作有着足够的理解。借用书中的话来讲，你必须非常了解你的实验设备，了解你正在测量的系统，了解你正在观察的现象，做到无需思考就能给出正确答案的程度。只有经过充分的酝酿，才可能有望获得灵感和直觉的垂青。
你也有过这种获得灵感或者运用直觉的体验吗？欢迎在评论区留言分享。
回顾几十年的从业经历，帕里希对自己能够从事科学研究这份事业充满了感激。在他看来，科学家的工作就如同在漆黑的夜里升起篝火，篝火中加入的木头越多，光亮也越大，一项项科研成果就如同投入篝火中的木头，帮助人类照亮更多的未知。
好，《随椋鸟飞行》这本书就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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