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混沌：开创一门新科学 [:1700954725]
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混沌：开创一门新科学 第七章 实验科学家
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意识到自己心智中想到的某样东西确切对应于自然界中发生的某样东西，这是一种无与伦比的经验，是一位科学家能遇上的最好事情。而每次当它发生时，它总是令人吃惊。人们惊讶于自己心智的一个建构竟然可以在外面的现实世界中得以实现。这是一个极大的震惊，同时也是一个莫大的喜悦。
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——利奥·卡达诺夫
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“阿尔贝开始老糊涂了。”在巴黎高等师范学院，这座与巴黎综合理工学院齐名的法国顶尖学府里，有人这样议论道。1 他们纳闷才人到中年的阿尔贝·利布沙贝是否过早地进入了老年期。作为一名低温物理学家，利布沙贝之前靠着研究在绝对零度附近的低温下，液氦超流体的量子行为而成名，并已经在院系中奠定了一个稳固位置。而现在，在 1977 年，他正在将他的时间和学校资源浪费在一个看上去平凡无奇的实验上。利布沙贝自己也担心，这样一个项目会妨碍到任何参与其中的研究生的学术前途，所以他转而让一位职业工程师来协助自己。
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1利布沙贝，卡达诺夫。
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在德国人占据巴黎之前五年，利布沙贝出生在那里的一个波兰犹太人家庭，祖父是一位拉比。他从战争中幸存下来的方式与贝努瓦·曼德尔布罗特的相同：藏身乡下，并与父母分开，因为他们的口音太容易暴露身份。2 他的父母也得以幸存下来，但其他家庭成员则未能躲过纳粹的魔爪。在风云变幻中，利布沙贝有一次因得到当地维希政权一名秘密警察负责人的保护而躲过一劫，这个人尽管有着狂热的右翼政治倾向，但对于种族主义却深恶痛绝。在第二次世界大战后，这个十岁的小男孩回报了救命之恩。尽管半懂不懂，他还是在一个战争罪委员会前面作证，而他的证词救了那人的性命。
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2利布沙贝。
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利布沙贝后来在法国学术界闯出了名堂，而他的聪明才智从未遭到过质疑。他的同事确实有时认为他有点儿疯狂——他是一群理性主义者当中的一个犹太神秘主义者，在一个大多数科学家都是共产主义者的环境中的一个戴高乐主义者。他们取笑利布沙贝的英雄史观、他对于歌德的热爱，以及他对于古书的痴迷。他收藏有数百本科学家著作的初版，有些甚至可追溯至 17 世纪。并且他不是把它们当作历史存照来读，而是把它们当作一个探究现实本质的新思想的来源，这个现实也正是他现在利用激光和高科技制冷线圈试图一探究竟的。在自己的工程师伙伴让·莫雷尔身上，他发现了一种颇为合拍的气质，毕竟这个法国人只有在自己有兴致的时候才愿意工作。利布沙贝认为莫雷尔会发现这个新项目有点儿意思——这是他对于“深刻”“吸引人”或“令人激动”的委婉说法。两人在 1977 年开始设计一个实验，而这个实验将最终揭示湍流发生的过程。
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作为一名实验科学家，利布沙贝以一种 19 世纪的研究风格而知名：心灵手巧，总是更偏好以巧力智取，而不是以蛮力强取。他不喜欢大型机械和大量计算。他对于一个好的实验的概念有点儿像数学家对于一个好的证明的概念。优雅跟结果一样重要。即便如此，他的有些同事还是认为他在这个湍流发生实验上做得太过精益求精了。这个实验装置非常小巧，足以被放到一个火柴盒里随身携带——而有时候，利布沙贝也确实把它带在身上，就仿佛它是一件观念艺术作品。他把这称为“一个小盒子里的液氦”。3 实验的核心区域则还要更小，一个只有柠檬籽大小的对流室，由不锈钢围成，内壁极其光滑。对流室内充满了被冷却至绝对零度以上大约四度的液氦，这个温度相较于利布沙贝之前的超流体实验来说是暖和不少的。
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3A. Libchaber and J. Maurer,“A Rayleigh Bénard Experiment: Helium in a Small Box,”in Nonlinear Phenomena at Phase Transitions and Instabilities, ed. T. Riste (New York: Plenum, 1982), p.259; reprinted in Universality in Chaos, ed. P. Cvitanovi? (Bristol: Adam Hilger, 1984), p. 109.
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利布沙贝的实验室坐落在巴黎高等师范学院物理楼的二层，距离路易·巴斯德的实验室旧址不过几百米。4 像所有好的通用物理实验室一样，利布沙贝的实验室始终处于一种乱糟糟的状态，颜料罐和手工工具凌乱地堆在地板和桌子上，大小不一的金属和塑料零件被放得到处都是。在这样一片混乱中，那件安放着利布沙贝的微型对流室的实验设备显得异常显眼。在不锈钢对流室的上下各有一片高纯度的铜片。在顶部的铜片上有一片蓝宝石，里面装着辐射热计。这些材料是根据它们的导热性能而相应选择的。底部的铜片下部有加热线圈，不锈钢壁内部则有特富龙垫片，以改变对流室的内径。液氦从上面只有一厘米多高的贮液池流入对流室中。整个系统置于一个维持着高度真空的容器中，而这个容器反过来浸在液氦中，以帮助稳定温度。
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4利布沙贝，费根鲍姆。
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© Albert Libchaber
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“一个小盒子里的液氦”
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阿尔贝·利布沙贝的精密实验的核心是一个细致打造的对流室（原先为圆筒形，后来改为长方形），里面充满液氦，并通过微小的蓝宝石辐射热计监控流体的温度变化。这个微型对流室被安放在真空当中，以隔绝噪声和振动，并进行精确的加热控制。
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振动的问题始终困扰着利布沙贝。跟现实中的非线性系统一样，相关的实验也存在于一个始终充斥着噪声的环境中。噪声干扰测量，损坏数据。在各种敏感的流中（利布沙贝的液氦流则将做到尽可能敏感），噪声的微扰还可能严重影响到一种非线性的流，使其行为从一种类型完全变成另一种。但非线性除了可以让一个系统变得不稳定，也可以让它变得稳定。非线性反馈可以调节运动，使之更稳健。在一个线性系统中，一个微扰的影响会一直延续下去。而当存在非线性时，一个微扰可以通过反馈过程越变越小，使得系统自动回复到一个稳定状态。利布沙贝相信，各种生物系统就是利用自身的非线性作为对抗噪声的一个手段。透过蛋白质进行的能量转移、心脏电活动的波状起伏，以及神经系统——所有这些都在一个充满噪声的世界中得以维持着自身的多种功能。利布沙贝希望，流体流背后暗藏的结构最终将被证明是足够稳健的，足以为自己的实验所探测到。
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他的计划是，加热底部的铜片，使得液氦上下出现温差，从而创造出对流。这正是爱德华·洛伦茨所描述的对流模型，也就是经典的瑞利–贝纳尔对流。利布沙贝当时还并不知道洛伦茨，他也没有听说过米切尔·费根鲍姆的理论。在 1977 年，费根鲍姆还在通过科学讲座介绍自己的工作，而他的发现在那些科学家知道如何诠释它的领域中产生了重要影响。但对于大多数物理学家来说，费根鲍姆所发现的模式和规则性与现实中的系统并不存在明显的关联。毕竟这些模式源自一部电子计算器，而物理系统要比这复杂不知多少倍。在没有更多证据的情况下，人们最多只能说，费根鲍姆发现了一个看上去像湍流发生的数学类比。
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利布沙贝知道，美国和法国科学家所做的实验已经表明，从层流到湍流的转捩是突然发生的，而不像朗道的湍流发生理论所预测的那样是一个不同频率的连续叠加。像杰里·戈勒布和哈里·斯温尼所做的旋转圆筒实验已经表明，对此需要一个新的理论，但他们一直未能观察到转捩发生的具体细节。利布沙贝知道，人们一直未能在实验室里得到湍流发生的清晰图景，而他相信自己的微型对流室将给出一幅到目前为止最清晰的图景。
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缩窄并专注于自己的视野可以帮助科学进步。根据这样的信念，流体力学家当初有理由怀疑斯温尼和戈勒布在研究泰勒–库埃特流时所声称达到的高精度。根据这样的信念，数学家当初也有理由对吕埃勒感到不满（而他们确实也这样做了）。他坏了规矩。他提出了一个雄心勃勃的物理理论，却让它装扮成一个严谨的数学命题的模样。如此这般，他让人难以区分什么是他假设的，什么又是他证明的。一位拒绝支持一个思想，除非它达到了形成定理并得到证明的标准的数学家，其实扮演了他的学科所赋予他的一个角色：有意识或无意识地，他是在警戒弄虚作假者和神秘主义者混入自己的学科。一位将包含新思想的论文退稿，只是因为它们以一种不熟悉的风格写成的期刊编辑，可能会让其受害者认为他是在维护那些学术“大佬”的地盘，但他其实也是在做他的分内之事，尤其是在一个有理由对那些未经检验的做法心存警惕的圈子里。“科学就是为了对抗一大堆胡说八道而建立起来的。”利布沙贝自己也这样说过。5 当他的同事将他称为一名神秘主义者时，这个标签并不总是意在讨人喜欢。
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5利布沙贝。
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利布沙贝是一名实验科学家，严谨小心，以做实验精确知名。但他也天生对那种飘忽抽象的、定义不良的、被称为流的东西有感觉。流是变化当中的形状，是运动当中的型相。一位物理学家在思考微分方程组时，会将它们的数学运动称为一种流。流是一个柏拉图式概念，它假设不同系统中的变化其实是某个不局限于一时一地的现实的反映。利布沙贝热情拥抱了柏拉图的思想，相信这样一些隐藏的型相在我们的宇宙中所在皆是。“但你知道它们是确实存在的！你都看到过树叶。当你看着所有这些树叶时，难道你不会惊讶于树叶的基本形状是有限的吗？你可以很容易就画出主形状。去试着理解它，或者其他形状，这应该会有点儿意思。在一个实验中，你已经看到液体如何扩散到另一种液体中。”他的桌子上到处放着这样一些实验的图片，上面是一些不断生长的分形的液体“树枝”。“现在，在你的厨房里，如果你打开煤气灶，你就会看到火焰也是这个形状。它是非常宽泛的，它是普适的。我不关心它是一团燃烧的火焰，还是在另一种液体中扩散的一种液体，又或是一种不断生长的晶体——我感兴趣的是这个形状。
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“自 18 世纪以来，人们就一直有某种梦想，某种科学一直未能帮助实现的梦想，那就是探究这样的形状在空间和时间上的演化。如果你想到了一种流，你可以想到各式各样的流，经济学中的流，或历史中的流。一开始，它可能是层流，然后它开始分岔，进入一个更为复杂的状态，或许还出现了振荡。再然后，它可能变得混沌。”6
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6利布沙贝。
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