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情不自禁的阿瑟·温弗里
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温弗里的研究议程，就像他写给我的字迹凌乱的信中所述，超前于所有人的思想。当然，温弗里完全游离于主流科学之外，随着科学走向狭窄的专业化趋势以及对简约的强调，人们钻进了越来越小的研究单元中——而温弗里从不思考单个基因、夸克或神经元通道。他甚至游离于混沌革命之外，所有的混沌学研究者都感觉自己位于浪潮之巅。但是实际上，混沌革命已经走向成熟，即将让位于下一波伟大的浪潮：即由很多部分组成的非线性系统的研究。后来这类研究被称为“复杂性理论”，这一运动看上去像混沌的自然产物，但在其表象之下，复杂性理论学家们专注的不是小系统不稳定的行为，而是着迷于大型系统有组织的行为。温弗里最早的关于生物振子自发同步的工作已经触到了这一主题。到现在，它已经在几个方面趋于成熟了。
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例如，温弗里在信中提到了他关于“扭曲的三维+振荡的波”的研究计划。这里的关键词是三维。没有人研究过在三维空间中相互作用的自激振子的行为。正如我们早先看到的那样，当理论家们第一次开始分析振子种群的动力学特征时，他们只聚焦于时间上的同步，完全忽略了空间，并不考虑振子的位置。维纳、藏本由纪、佩斯金，甚至温弗里自己的研究成果，都被限制在了最简单的可能情况，即振子多对多耦合，此时振子间的彼此相互影响都是完全相等的。全局耦合被认为仅仅是简化的第一步而已，这是走入多振子动力学丛林的最快道路。这里无须考虑空间结构，每个振子都是所有其他振子的邻居。
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一旦掌握了这种情况，下一级理论阶梯便是考虑放置在一维的链或环中的振子。正如你所期望的那样，现在会发生一些新的事情，它超越了纯粹的同步：波动可以一个振子接一个振子地稳步传播。事实上，在局部耦合的振子模型中，波比同步更普遍。我们都有过在体育场看球的体验：在巨大的体育场里，发起一波“人浪”并保持下去很容易，比让全体球迷同时起立和坐下容易得多。当一些数学家试图攀登更高的维度——研究二维平面中的振子时，他们必须竭尽全力。此时，分析变得几乎无法处理。所以，当温弗里决定继续攀登三维时，没有人跟随他。
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思考这些问题的原因是，大多数真实的振子都是局部耦合的，而非全局耦合。肠道是一条遍布振荡神经和肌细胞的长管，分割成一个个圆环，它们有节律地收缩，设定好的动作使得消化道的波动按照从胃到肛门的正确方向前进。振荡组织的每一环与其两侧最近的邻居发生电耦合，使得肠道实际上就像一条一维振子链。胃有点儿像神经肌肉振子形成的二维口袋，从这个意义上讲，胃的细胞有节奏地蠕动，主要与它们胃壁表面的邻居相互作用。心脏是由独裁的振荡细胞和无条件服从它们命令的“易受激”的细胞组成的厚厚的三维集合；如果受到足够强烈的电刺激的触发，它们发射一次便回去休息，等待下一个触发脉冲。当心脏正常运转时，心脏起搏器产生电兴奋波，沿着特殊的导电纤维来到泵房（心室），引起心室收缩并将血液泵到身体各处。
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然而，在患病的情况下，易受激细胞会叛变，转而维持自己的波，这道电子龙卷风挡住了从心脏起搏器传来的信号。心脏病学家数十年前就已经知道，这种“潜在旋转”或“杂技动作”可能导致心动过速（异常快速的心跳），然后恶化为致命的心率失常，医学上称为室上颤动，此时，心肌因极度痛苦而无助地扭动、抽搐、颤抖，但无法泵血。每年，成千上万表面看上去健康的人（没有心脏病病史的人），因心脏陷入了这种有害的组织模式导致猝死。当温弗里的信中提到“心肌的兼职应用”时，他指的就是这种奇怪的电子龙卷风。他想搞清楚它们的成因、行为以及如何应对它们。温弗里希望，一旦理解了其基本原理，就可以设计出比今天的粗糙装置柔和很多的除颤器，今天的粗糙装置通过电击来挽救生命，简直让人痛不欲生。
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1981年，非线性动力学显然没有发展到可以预测这种三维旋转波行为的程度。我们无法计算出它们的实时演化、无规律的移动以及电子湍流的旋转模式。即便在超级计算机的帮助下或许可以计算，这样的尝试也都是不成熟的，因为我们不知道如何解释这些发现。实际上，甚至没人知道这些影影绰绰的家伙的图像究竟是什么样的。它们尚未被心脏病专家直接看到过。所以温弗里觉得，第一步是学习如何识别它们，在头脑中构想它们的特征，以免日后担忧它们的惯常行为特征。
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对于三维形状的研究，我们需要粗糙的数学，无须在乎时间，但需要在乎空间。当温弗里提到“拓扑谜题”时，他指的是数学的一个分支——拓扑学，拓扑学是研究连续的形状、刚度被弹性取代时的一种广义几何。在拓扑学看来，好像一切都是橡胶制成的。形状可以连续变形、弯曲或扭转，但不允许切割。正方形与圆形是拓扑等价的，因为它们都没有“洞”。而另一方面，圆形与8字形不同，因为8字形不用剪刀剪开的话，无法避免交叉点。从这个意义上讲，拓扑学是将形状分成广义的类的理想方法，基于的是它们的纯连通性。温弗里的计划是利用拓扑学对人们可能会遇到的易受激细胞在三维空间的波动进行分类。知道了哪些是可能的，他便可以知道在以后的实验中要寻找什么，并希望可以识别出各种奇异的结构。
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1982年6月闷热的一天，我抵达了温弗里的实验室，他正全神贯注于一些书面工作，独自坐在实验室的长凳上，衬衫敞开着。他的这种不拘小节让我有些尴尬——我父亲陪伴我完成了从康涅狄格到印第安纳的跨州驾驶，这是父亲第一次见到我的偶像，但是温弗里这种无拘无束的友好完全打消了我们会面前的疑虑。很快，父亲告辞离去，实验室中只剩下我和温弗里两个人，还有散落四处的烧杯、本生灯和剃刀刀片。我后来发现，剃刀刀片是他的首选切割工具。当他用刀片切割铁丝或微孔滤纸时会高兴地喊着“吱吱吱吱”。
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实验室里很安静。没有研究生或博士后。但我已经准备好了——在先前的信件中，当我询问谁会和我们一起工作时，温弗里回信道：“现在，我可以编造另一名学生+同事的故事了。但老实说，一个也没有。也许我已经远离了社交，也许我有狐臭，不知道……但我的实验室中人口密度等于1。你的到来会是个奇异事件。这打击到你的信心了吗？”
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我们只有三个月的时间在一起工作，所以我需要快速学习。温弗里感觉我应该亲自动手操作：暂时无须使用数学或计算机。我的第一个项目是一个实验，温弗里称之为“扎鲍廷斯基的汤”，这种化学反应可以维持波的激发，非常像触发心跳的电波。但它比真实的心脏简单很多，甚至没有生命、没有肌肉也没有任何形式的运动。它是探索激励波以最纯净的形式传播的理想平台。这种方法，就像果蝇在遗传学的作用一样，它在心脏波动中也起着相同作用——用方便、简洁的方法揭示复杂现象的本质。
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通常情况下，在化学实验里，你期待的最有趣的结果只是一股烟或一股毒气而已。相比之下，扎鲍廷斯基的汤提供了源源不断的快乐。当按其原有配方调制时，它的行为像一个自激振子，仿佛起搏细胞的化学模拟。它的颜色交替改变，有节奏地在天蓝色和锈红色之间变换数十次，直到最终在约一个小时后稳定在平衡状态。如果我们可以在分子尺度上进行观察，这种表现会显得更加令人印象深刻：数以万亿计的耦合振子，完美地同步行进，这是有史以来最大规模的广场舞。
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如果使用新的、更微妙的配方，此时它的反应则非常令人兴奋。起初，它看上去非常不活泼，振荡也消失了。但是，如果你将一层薄薄的红汤倒入培养皿，然后用一根银线或一根热针刺它时，它会瞬间发射一圈蓝色的圆波，像野火一样扩张和蔓延。这就是化学波，即化学反应从还原态变为氧化态时传播的激发脉冲。一旦波被传出，反应恢复平静，再次变红，就像草原大火后的草会重新生长一样。然而，这个比喻并不完美。化学品的恢复比草原更快；第二波会紧随其后。
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化学波与传统物理课程中研究的波完全不同，不同于声波或池塘中的水波。当化学波通过扩散传播时，液体的表面不会忽高忽低，仍是一动不动。这种传播是一种激励模式，一种化学上的蔓延。这些波也不会像声波或涟漪一样，从波源传出后就开始衰减。化学波的每处介质都提供了新的能量源，为波增添能量，防止它衰减。
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现在假设你在培养皿中的两个不同的点上引爆了两列化学波。蓝色的圆圈扩大并相互蔓延。当它们相遇时，不会互相渗透或叠加，而会湮灭。这种现象的原因与汹涌的草原火灾相遇时消失一样：它们无法燃烧彼此的灰烬。在这个比喻中，灰烬对应于耗尽区，即波浪过后的耐火带。化学介质需要时间恢复，才可以再次变得活跃。
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在许多方面，这种化学介质的行为像人类的性反应。性的唤起和恢复取决于神经组织的属性，这就像扎鲍廷斯基的汤，属于一类被称为应激介质的广义系统。神经元有三种状态：平静态、激发态和耐火态。通常一个神经元是平静态。对于不够强的刺激，它几乎没有响应，并返回休息。但一次充分的刺激会激发神经元，导致它发射。接下来它变为耐火态（一段时间内无法再次被激发），最后再回到平静态。与之类似，化学波会产生动作电位，即沿神经轴突传播的电波。动作电位在传递中同样没有衰减，当二者相遇时会彼此湮灭。事实上，另一种兴奋介质——心脏中的电波状态也是如此。这就是这种抽象的美丽之处——兴奋介质的性质主宰了一切。研究一个例子即可一举掌握所有情形。扎鲍廷斯基的汤、神经组织，以及心肌之间的相似性向下延伸到支配它们非线性动力学的数学方程结构。这种相似性根深蒂固。
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但扎鲍廷斯基的汤有许多优点，特别是对于一个刚上手的实验员来讲。无须牺牲任何动物也没有复杂的剖析，例如神经网络的错综复杂或心肌中扭曲的纤维结构。最棒的是，波是肉眼可见的，它们移动缓慢，所以无须任何精心制作的记录装置。相比之下，心脏电波可视化至今仍然是一项艰巨的技术挑战，即便在有着大笔预算的实验室也不例外，心脏电波可视化要求电压敏感性染料、多电极阵列以及其他顶尖水平的技术。
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在扎鲍廷斯基的汤的帮助下，科学家们已经开始解开波在应激介质中传播的秘密。特别是，扎鲍廷斯基的汤中发现了一种新类型的波：一个螺旋形旋转的、自维持的波。虽然它的几何形状很优美，但其后果却是破坏性的。心脏中旋转螺旋波是心跳过速的罪魁祸首，在最坏的情况下，室上颤动会导致心脏性猝死。
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对扎鲍廷斯基的汤及其非凡的螺旋波的发现是一段教条、失望，但最终得到证实的故事。当然，扎鲍廷斯基的汤不是真名——它只是温弗里平时对它的称呼。今天它被称为B-Z振荡反应，得名于发明并改进它的两位苏联科学家鲍里斯·别洛索夫和安诺托里·扎鲍廷斯基（Anatol Zhabotinsky）。
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在20世纪50年代早期，别洛索夫尝试用试管实验描述克雷伯氏循环，克雷伯氏循环是一种发生在活细胞中的代谢过程。当别洛索夫将柠檬酸和溴酸根离子混合在含有铈催化剂的硫酸溶液中时，他惊讶地观察到，混合物变成了黄色，约一分钟后褪成无色，再一分钟后又回到黄色，然后又变成无色，这样交替振荡了数十次，直到约一小时后最终达到平衡。
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现在，化学反应可以自发振荡已经不足为奇，这种反应已成为化学课堂上的一个标准演示实验。但在别洛索夫的时代，他的发现太过于激进，以至于没有人会相信。人们都认为，由于热力学定律，所有化学试剂溶液都会单调地走向平衡。各种期刊都拒绝刊登别洛索夫的论文。一名编辑甚至在退稿信中讽刺地写道“据说是发现的发现”。
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别洛索夫万分沮丧，决心永不与化学界的同事分享他的技术突破。他在一次苏联医学会议中发表了一个简短的摘要，但没有人注意他，直到多年以后那篇摘要才唤起人们的注意。然而，关于这一惊人反应的谣言却于20世纪50年代末在莫斯科的化学界中广为流传，1961年，一位名叫安诺托里·扎鲍廷斯基的研究生被他的导师派去深入调查别洛索夫的发现。扎鲍廷斯基证实，别洛索夫始终都是正确的。1968年，扎鲍廷斯基在布拉格国际会议上公开了这一发现，这个会议是一个只允许西方科学家和苏联科学家参加的罕见场合，当时，参会的科学家们对生物振荡和生物化学振荡抱有浓厚兴趣，B-Z反应被视为更复杂的系统的一个可处理的模型。
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