1700955550
在西方,约克和梅是第一批感受到倍周期分岔的巨大冲击,并试图将这股冲击传递给科学界的人。之前注意到过这一现象的少数数学家只是将之视为一个技术性问题、一个数值上的奇怪之处:它几乎是一种数学游戏。这并不是说他们认为它平凡无奇,而是他们认为它是一样只限于数学领域的东西。
1700955551
1700955552
生物学家一直未能注意到这种通向混沌的分岔,这是因为他们缺乏足够的数学功底,也因为他们缺乏探索无序行为的动机。数学家之前注意到过分岔,但他们越门而过。而作为一个同时涉足两个世界的人,梅知道自己正在进入一个迷人而深刻的新领域。
1700955553
1700955554
为了更深入地探索这个最简单的系统,科学家需要更强大的算力。27 美国纽约大学柯朗数学科学研究所的弗兰克·霍彭斯特德特就有这样一部强力计算机可用,他也决定借此制作一段动画。
1700955555
1700955556
27霍彭斯特德特,梅。
1700955557
1700955558
霍彭斯特德特(这位数学家后来也对生物学问题产生了浓厚兴趣)在他的 CDC 6600 超级计算机上亿万次地运行逻辑斯谛非线性方程。同时,对于每一千个不同的参数值,他拍摄一张计算机显示屏的照片。随着参数值变化,分岔出现,然后是混沌,再然后在一片混沌当中,出现狭窄的有序窗口,并稍纵即逝。这些是周期性行为的些许影子。看着他自己制作的影片,霍彭斯特德特感觉自己仿佛在穿越一片异星景观。前一刻它还一点儿都没有混沌的迹象,下一刻它就充斥着不可预测的紊乱。这种令人惊奇的感觉是霍彭斯特德特此后一直难以忘怀的。28
1700955559
1700955560
28霍彭斯特德特。
1700955561
1700955562
梅看过霍彭斯特德特的动画。他也开始收集来自其他领域,比如遗传学、经济学和流体动力学的类似案例。作为一位混沌的宣传员,他相对于理论数学家有两个优势。其一是,他很清楚,简单方程无法完美再现现实。他知道它们只是隐喻,所以他开始好奇这些隐喻的适用范围有多大。其二是,混沌的诸多启示可以直接帮助解决他所选领域的一个重大争议。
1700955563
1700955564
1700955565
1700955566
1700955567
©Robert May
1700955568
1700955569
梅一开始时绘制的分岔图大略,后来更强大的算力将进一步揭示出其丰富的精细结构
1700955570
1700955571
种群生物学本身长久以来就争议不断。比如在生物系中,分子生物学家与生态学家之间就关系紧张。分子生物学家认为自己所做的才是真正科学、明确、困难的问题,而生态学家所做的不过是不清不楚的工作。生态学家则相信,分子生物学的技术性成就不过是对于那些定义良好的问题的详尽阐发罢了。
1700955572
1700955573
而在生态学内部,梅认为,它在 20 世纪 70 年代初的一个核心争议是关于种群数量变化的本质。29 生态学家对此几乎各执一词。有些人将这个世界解读为有序的:种群数量的变化稳定有序——除了少量例外。其他人则做出完全相反的解读:种群数量的波动毫无规则——除了少量例外。毫不意外,双方阵营内部对于如何应用高深的数学来处理难搞的生物学问题也莫衷一是。那些相信种群数量稳定变化的人主张,它们必定遵循某种决定论式机制。那些相信种群数量无序波动的人则主张,它们必定受到不可预测的环境因素的影响而随机消长,从而将任何可能存在的决定论式信号完全抹除。因此,要么是决定论式的机制生成了稳定的行为,要么是随机的外部噪声生成了随机的行为。两者必居其一。
1700955574
1700955575
29梅。
1700955576
1700955577
在这个辩论的语境中,混沌揭示了一条令人惊奇的讯息:简单的决定论式模型能够生成表面上看似随机的行为。这类行为实际上具有一个细致的精细结构,但其中任意一部分又看上去与噪声相差无几。这个发现直切整个争议的核心。
1700955578
1700955579
随着梅透过简单混沌模型的三棱镜来检视越来越多的生物学系统,他进一步发现了更多有违从业者一般直觉的结果。比如在流行病学中,众所周知,流行病的流行常常具有或规则或不规则的周期性。麻疹、脊髓灰质炎、风疹——它们的发病率都以一定频率起伏。梅意识到这样的振荡可经由一个非线性模型加以再现,并且他好奇,如果这样一个系统受到一个突发外力(可能对应于一个预防接种计划的一种扰动)的影响,情况又会怎样。朴素的直觉会告诉我们,系统将平滑地转向我们想要的方向。但梅发现,实际上可能出现的是大的振荡。即便长期趋势确实调头向下,在趋向一个新的均衡的过程中仍会出现出人意料的凸起。事实上,在比如英国的一个消除风疹计划的实际数据中,医生确实见到了像梅的模型所预言的那种振荡。但任何卫生官员,在看到风疹或淋病发病率出现一个急剧的短期上升时,都会认为预防接种计划失败了。
1700955580
1700955581
在短短几年时间里,混沌研究为理论生物学注入了一股强劲动力,并让生物学家和物理学家开始展开在几年前还难以想象的学术合作。生态学家和流行病学家翻出了被早前的科学家视为难以处理而弃之一旁的老数据。决定论式混沌在纽约市麻疹发病的历史记录以及加拿大猞猁种群数量在过去两百年的波动(由哈德逊湾公司经销的毛皮数量推得)中都可被找到。30 分子生物学家开始将蛋白质视为在不断运动的系统。生理学家也不再将器官视为静态结构,而是将之视为由规则的和不规则的振荡构成的复合体。
1700955582
1700955583
30William M. Schaffer and Mark Kot,“Nearly One Dimensional Dynamics in an Epidemic,” Journal of Theoretical Biology 112 (1985), pp. 403–427; Schaffer,“Stretching and Folding in Lynx Fur Returns: Evidence for a Strange Attractor in Nature,”The American Naturalist 124 (1984), pp. 798–820.
1700955584
1700955585
梅知道,在科学的各个领域,研究者已经发现各自系统中的复杂行为,并为此相互争论不已。每个学科都认为自己发现的混沌是特别的。这种想法无疑会让人感到灰心。但如果表面看来的随机性可源自简单模型,事情会怎样?如果同一个简单模型可解释不同领域的复杂性,事情又会怎样?梅意识到,那种令人惊奇而自己才刚触及皮毛的结构与生物学并没有内在关联。他也好奇有多少其他领域的科学家会像自己那样感到惊奇。于是他开始写作一篇最终被他视为“弥赛亚式的”论文,也就是 1976 年发表在《自然》杂志上的那篇综述文章。
1700955586
1700955587
他主张说,如果送给每个年轻学生人手一部便携计算器,并鼓励他们随意摆弄逻辑斯谛差分方程,世界将变得更加美好。31 这个简单的计算(他在《自然》杂志的文章中对其给出了细致分析)能够纠正人们经由标准的科学教育所形成的、对于世界的可能性的扭曲认知。它会改变人们思考从商业周期理论到流言传播模式的一切方式。
1700955588
1700955589
31“Simple Mathematical Models,”p. 467.
1700955590
1700955591
他呼吁,混沌应该被尽早教授。现在是时候意识到,标准的科学教育给科学家留下了一个错误印象。他主张,不论线性数学变得如何完善,连同所有那些傅里叶变换、正交函数、回归分析,它不可避免误导了科学家对于一个非线性占绝对主导的世界的认知。“如此形成的数学直觉让学生在面对哪怕最简单的非线性离散系统所展现出来的怪异行为时不免感到手足无措。”他这样写道。32
1700955592
1700955593
32Ibid.
1700955594
1700955595
“不只在科学研究中,也在日常的政治和经济世界中,如果有更多的人意识到,简单的非线性系统并不必然具有简单的动力学性质,我们都将因此受益。”
1700955596
1700955597
1700955598
1700955599
[
上一页 ]
[ :1.70095555e+09 ]
[
下一页 ]