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同步：秩序如何从混沌中涌现 [:1701062285]
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同步：秩序如何从混沌中涌现 02 脑电波研究：同步发生的条件
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诺伯特·维纳先前并未成名。但当他的《控制论》（Cybernetics）在20世纪50年代出版时，当即在广大读者中引起了轰动。《纽约时报》的审稿人称之为“奠基者……与伽利略、马尔萨斯、卢梭、密尔等人同等重要”。维纳提出了一个统一的框架来思考通信和控制问题，无论是神经系统还是社会，动物或是机器，计算机或是人类。它更像是一个梦想，而不是一个完善的理论，结果也证明，这套理论还为时过早。今天，没有人会说他们在从事控制论工作，但控制论这个词的前一半“cyber”，作为流行词语“cyberspace”（赛博空间）和“cyberpunk”（赛博朋克）的前缀却被保留了下来。
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在科学家中，诺伯特·维纳永远不会被忘记，既是因为他很重要，也是因为他很糊涂。对于他重要性的一面，可以从他的名字被收录在高等数学的术语中可见，例如维纳过程、佩利-维纳定理、维纳-霍普夫方法等。维纳小时候是个天才，18岁时获得哈佛大学博士学位。维纳革新了随机过程理论。而他对于布朗运动，即溶液中分子无规则运动的分析，远远超越了爱因斯坦对于同样问题所采用的直觉性的方法。维纳的方法为理查德·费曼在量子电动力学领域的工作，以及费希尔·布莱克（Fischer Black）和迈伦·斯科尔斯（Myron Scholes）在金融学领域的工作奠定了基础，迈伦·斯科尔斯因而获得了1997年的诺贝尔经济学奖。
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对于维纳糊涂的一面，数学家们则津津乐道。维纳身形矮胖，戴着厚厚的眼镜，嗜好抽雪茄，经常骑独轮车穿行于麻省理工学院。甚至在某些专业领域中，当他人的技能和常识都表现平平时，维纳便会直言不讳地指出来。他和同伴打网球，在连续多次漏接对方的发球后，维纳甚至建议要与对方交换球拍。当他和家人从剑桥搬到牛顿的时候，他的妻子知道丈夫必然会忘记已经搬家，于是写下了新家的地址和从他的办公室出发回家的方向。果然，维纳将那张字条用作草稿纸扔掉了，并且走回了旧房子。走回去后，维纳才意识到自己已经不住在这里了，于是拦住了街上的一个小女孩，并问她是否知道维纳住在哪里。小女孩回答说：“知道，爸爸，跟我来。”
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维纳是同步科学的核心人物，一部分原因是，他提出了一个先前无人敢解答的问题。早期的数学家已经满足于解决涉及两个耦合振子的问题，而维纳解决的问题涉及成千上万个耦合振子。或许更重要的是，他首先指出了宇宙中同步现象是普遍存在的，“唧唧”叫的蟋蟀、“呱呱”叫的青蛙、闪光的萤火虫以及小行星带隙和电网中的发电机……维纳发现它们之中全都存在同步现象。表面上的差异并没有分散维纳的注意力，他正在寻找至高无上的法则，并且认为自己在思索人类脑电波的起源的时候就找到了。
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在20世纪50年代后期，根本没有人真正了解大脑振荡的原因。但在几十年前，生理学家发现，如果在人的头皮上的不同位置贴上两个电极，它们之间会产生微小的电压，这个电压会随时间波动。当电子放大器技术充分发展以后，这些微小的电压波动或称“脑电波”，可以方便地显示在带状图记录仪上，记录仪上下摆动的笔尖可以将波动记录在滚动的纸卷上。相同的技术也被应用于测谎和心率监测，对于看过关于医院的电视节目的人而言应该很熟悉。
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测量脑电波的脑电图学专家，非常善于在这些大脑活动的轨迹中注意到特征模式。一种模式是所谓的阿尔法脑波，阿尔法脑波常出现在人们清醒但闭目放松的时候。主观上讲，它感觉像是一种愉快、迷乱的状态。在带状图中，它看上去像一个突出的振荡，每秒大约振荡10个周期。
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维纳想研究阿尔法脑波更精细的细节，因为他预感到了阿尔法脑波的功能，他认为阿尔法脑波就像大脑主时钟的嘀嗒声。正如一台计算机需要一个时钟来同步其数千个组成部分之间的信息传递，维纳猜想，大脑协调各种各样的神经活动的方法是通过迫使所有神经活动按照中央鼓手的节奏行进。单个神经元不可能起到这种作用，它们至多只是草率的振子，担任时钟的工作恐怕不够精准。维纳因此推翻了先前的猜测：大脑从海量草率的振子中巧妙地建立了一个精准的时钟。维纳猜测，在大脑的某个地方，一定存在数以百万计的专用振子，或者是单个的神经元，又或者是由神经元组成的小簇，它们大约1秒放电10次。与其他生物种群一样，这些振子注定是各不相同的。其中一些先天就比其他的快，喜欢1秒发射12次；有的相对慢些，1秒只发射8次；但大多数都会居中，固有频率接近1秒10次。基于它们自己的设备，这群混杂的神经元振子会发射不同频率的脉冲，产生一阵电信号的喧嚣，类似于管弦乐队演奏前的调音。为了像一个精准的时钟一样共同工作，这些假想的振子需要互相合作，感知彼此的电波，并做出相应的反应以保持同步。维纳的观点是：振子会通过牵引彼此的频率实现自发同步。如果一个振子运动太快，群体中其他的振子就会使它慢下来；反之，如果运动太慢，其他的振子则会使它加快速度。
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为了测试这种“频率牵引”机制是否存在于大脑中，维纳计划寻找阿尔法脑波节律的一个明显的特征。政治学中的一个比喻在此刻提供了帮助。我们可以将振子的固有频率想象成假想社会中的政治倾向的频谱，最极端的左翼激进派相当于一小群喜欢每秒运动8个周期（8赫兹）的振子。而向频谱的右侧移动，我们会遇到一个更大的群体，即自由主义者，他们偏爱的频率为9赫兹，占主导核心的中立派为10赫兹，然后又回到一个由保守党组成的稍小的群体，他们偏爱的频率为11赫兹，只有极少数右翼狂热分子偏爱的频率为12赫兹。为简化起见，我们可以假想一张表示各个政党运动周期的曲线图，它遵循我们熟悉的钟形曲线：一个强大的中心占主导地位，随着我们向两翼移动，两侧呈对称性逐渐降低（见图2-1）。
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图2-1 频率钟形曲线
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需要注意的是，这张图表仅仅表示了固有趋势。这是在假设完全屏蔽掉其他人影响的情况下，人们所持有的态度，或者说振子所呈现的频率。
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现在我们让个体开始彼此相互牵引，并且假设这些振子可以改变自身的频率。通过他人的劝说，一个缓慢的振子可以被说服提高速度，一个高速的振子则可以被鼓励降低速度。然后，再次测量频谱，它将不再类似于一条钟形曲线。维纳猜测，它的形状应如图2-2所示。
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图2-2 维纳设想中的振子牵引频谱图
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为了理解这张图中独特的曲线形状，请记住，开始时大多数振子都在靠近钟形曲线中间的位置。通过牵引彼此的频率，它们中的大多数折叠到了绝对中心，形成了一个强大的主流共识，对应图中高而窄的中心波峰。它们对其他人群的整体影响足够强大到会从两翼招募一些温和派（峰值的高度继续增加，原本温和派的位置降低，导致在中心峰值两侧形成了凹陷）。然而，这个共识的说服力还不够强大，并不足以移走位于边缘的最顽固的极端主义者，图中显示为频谱两端的肩部。
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维纳预测，阿尔法脑波会在其频谱中呈现出与之相同的奇特波峰和两个凹陷。如果是这样的话，这将为他的想法构筑强有力的证据，阿尔法脑波是由不同频率的振子之间的同步所引起的。要证明这种想法的正确性，维纳需要一种前所未有的高精度测量频谱的方法。在这里，维纳计划开发一种实验技术，而他的同事，麻省理工学院电子工程师沃尔特·罗森布里斯（Walter Rosenblith）在数年之前已经开发出了这项技术。罗森布里斯发明了一种在磁带上记录脑电波的方法，而不是在纸上记录。这意味着数据可以通过电子方式处理，首次实现了对脑电波频谱的定量计算。以前所有的工作都是定性分析：依赖于模式识别和接受过培训的专家的主观判断，这些专家学习过在脑电波曲线中发现模式。现在，利用罗森布里斯的方法，人们可以自动、客观地进行计算。
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在维纳写作于1958年的专著中，他宣布了结果，但他只是作了粗略的介绍，而不是展示实际的数据（如果研究结果真的令人信服，其他科学家都会这么做）。他画了一张草图版的测量频谱，图中曲线如前图所示。结果似乎有些太过巧合，吻合得令人难以置信，维纳似乎在刻意隐瞒什么。
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然而，他的文字背叛了他的自信。维纳认为，“频率牵引”是自组织的一种普遍机制，不只是大脑中振子的运转，它在自然界中无处不在，在生物和非生物中都是如此。在一次福音派的请愿中，维纳呼吁生物学家对青蛙、蟋蟀以及东南亚的萤火虫进行实验，而这发生在萤火虫的同步闪光现象记录在科学文献中很久以前。“在未进行实验之前，我不敢对实验结果发表意见，但这一研究方法让我觉得有希望，而且不太困难。”维纳在1961年写道。
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维纳的下一项工作是阐明“频率牵引”的详细理论，然而，当他试图用严谨的数学论证来支持自己的直觉的时候却遇到了难以克服的困难。他做了一些粗略的计算，但问题很棘手，最终一无所获。1964年，维纳逝世，遗憾的是，他最后也没能解决这一问题。而在一年后，一名大学生发现了解决问题的正确方法。
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当时，阿瑟·温弗里是康奈尔大学工程物理专业的高年级学生。他很久以来就梦想成为一名生物学家，但他并未选择传统路线，而是选择了数学和物理学的核心训练，希望能获得一套不同的工具。电子学、计算机科学、量子力学、微分方程等都是大多数生物学家从不接触的领域。
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当温弗里思考群体同步问题时，他想到了振子本身，而不仅仅是它们的频率。在这方面，他对这个问题的概念化要比维纳明确得多。温弗里不只是通过振子所倾向的运动速度来标记每个振子，即上文类比中的振子在政治频谱中的位置，相反，他描绘了振子在其周期中的每一步运行，归根结底，这是每个振子的精髓。当时，这个新出现的难题几乎击退了任何人，但这也正是年轻的优势——不知道什么是不可能。