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同步：秩序如何从混沌中涌现 04 苍茫的宇宙：同步无处不在
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自从亚历山大大帝的抄书吏安德罗斯提尼（Androsthenes）首次记载了生物节律以来，同步科学已经走过了漫长的历程。大约在公元前4世纪，亚历山大率军出征印度期间，安德罗斯提尼发现罗望子树的叶子总是白天打开，晚上闭合。又过了2 000年，人类才偶然发现了一种更怪诞的同步现象，一种出现在无生命物体之间的同步。
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科学史上一些关键的发现都是机缘巧合。众所周知，亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）发现青霉素是因为空气中的霉菌污染了他的实验材料，杀死了他正在研究的细菌。再如，贝尔实验室的阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）努力地清除着巨大天线上的鸽子粪，以排除那些他们认为来自太空各个方向恼人的背景噪声，直到他们意识到自己所听到的是宇宙诞生的声音——140亿年前宇宙大爆炸的回声。
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尽管我们都了解机缘巧合的作用，但并不十分赞许它，因为机缘巧合似乎跟幸运没什么不同。在我的字典中，机缘巧合并不只是一种幸运收获意外发现的明显倾向。意外发现总是出现在具有特定思维模式的人当中，在探索时，这些人的注意力高度集中，思维敏捷，他们只是碰巧发现了别的东西。
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对无生命世界的同步的发现也是如此。1665年2月，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯已经一连数日把自己关在卧室中，他在写给朋友罗伯特·莫里（Robert Moray）爵士的一封信中详细描绘了一种“轻微的不适”，这种“不适”使他痛苦不已。他已经欠莫里三封回信了，现在他正在记述自己在卧室期间观察到的一个奇怪现象，这是一个“会给你惊喜的奇妙现象”。
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在房间里陪伴惠更斯的是两座摆钟，这是有史以来最精准的两台计时工具。惠更斯在10年前发明了摆钟，现在，有了它的帮助，他希望解决那个时代最伟大的技术难题：在海上确定经度。正如戴瓦·索贝尔（Dava Sobel）在她的畅销书《经度》中的记载，经度问题的解决方案在探险时代极为重要，因为有越来越多的船只横渡大洋与其他国家贸易、作战或征服新领土。在实际航海生活中，测量经纬度的方式不同。纬度是测量船与赤道之间的角距离，通过测量白昼长度或太阳在地平线上的高度就可以很容易地得到结果，而经度是指船在地球东方或西方的角位置，东西方是人为定义的，在环境中没有固定的参照物。水手们无法凭借星星、太阳或其他线索来确定经度，即使在最一流的航海图和罗盘的帮助下也束手无策。由于无法确定船在海上的方位，即使是最优秀的船长也会迷失方向，导致船只偏离航线数百公里或在礁石海岸搁浅，而熟悉的航线又容易遭到海盗的袭击。葡萄牙、英国、西班牙和荷兰政府都开出了巨额悬赏以寻求可行的解决方案。尽管那个时代的一些顶尖科学家，包括伽利略、乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）、牛顿、爱德蒙·哈雷（Edmond Halley）在内，都试图攻克这一难题，但在长达4个多世纪的时间里仍未能解决。
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现在，惠更斯正在沿着最初由生于弗里斯兰省的同胞——天文学家杰玛·弗里西斯（Gemma Frisius）提出的思路来寻求解决方案。1530年，弗里西斯意识到，经度可以通过精确的计时来确定，至少在理论上这是可行的。假设一艘船上有一个时钟，从母港起航时进行了精确的校准，此后一直按照母港时间运行。通过把母港时间带到海上，航海家可以在到达地的正午时刻（即太阳升到最高点的时候）参考时钟的时间来确定经度。由于地球需要24小时才能完成360度的自转，因此到达地时间与母港时间每一小时的时差便对应经度的15度。在距离上，赤道上的15度便是1 609公里，所以为了使这一策略切实可行，钟表的精确度必须达到1天中只有几秒的误差。人们面临的挑战便是设计一个稳定的机械钟表，必须能够克服船只在波涛汹涌的海面上起伏颠簸，也必须能够克服不断变化的湿度、压力和温度的影响，因为这些环境变化会使钟表的齿轮生锈、弹簧拉长、润滑油变厚，导致钟表过快、过慢或是停止。
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16～17世纪初的钟表都是非常不精准的，当时最优秀的钟表在理想条件下一天也要差上15分钟。然而，惠更斯的新摆钟可以比之前的精准100倍。经度问题的解决方案似乎可以垂手而得。1664年，在与伦敦皇家学会以及一名船长共同合作展开的一次海上实验中，惠更斯特制的两座航海时钟航行到了非洲西海岸以外的佛得角群岛，成功地测量出了沿途各处的经度。双时钟的设计提供了有益的冗余；如果一个时钟停止或需要清洁，另一个仍然可以保持准确的时间。但后来的测试显示时钟并不可靠。它们在良好天气条件下表现尚可，但在风大浪急的海面上，钟摆的摆动就会受到干扰。
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在此期间，惠更斯留在了海牙，通过莫里爵士与伦敦皇家学会通信，二人都在询问正在进行的海上实验的结果，并报告自己对于完善时钟设计的最新尝试。大约就在这时，1665年2月下旬平常的一天，意外发生了。在一封写给父亲的信中，惠更斯写道：
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我不得不在自己的房间里待了好几天，忙着观察我新做的两个时钟。我注意到了一个绝妙的现象，之前从未有人提及。把两个摆钟挂在一起，中间只隔30～60厘米，它们就会精确地保持一致，进而毫无变化地一起振荡。欣赏了一会儿后我终于明白，这种现象是通过某种同步发生的：把两个钟摆的摆动节奏搞乱，不出半小时，它们总是会趋于一致，并一直保持下去，直到我让它们停下来。然后我将它们分开，一个挂在房间的一端，另一个挂在4.5米开外，在一天之中，它们之间有了5秒的误差。因此，它们先前的一致在我看来是由钟摆运动造成的空气轻微扰动引起的。钟表总是被关在盒子里，每个都有将近45千克重。当二者一致的时候，钟摆并不是平行振荡，而是以相反的方向彼此接近和分离。
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1665年2月24日，在一封写给朋友德斯吕塞（R.F. De Sluse）的信中，惠更斯用“不可思议”描述了这种同步现象。2月27日，他匆匆将这封信交给莫里，让莫里向皇家学会传达这一观察结果。
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在接下来的一周中，惠更斯进行了一系列实验来探索引发这种同步的原因。他把两个时钟挂在同一根木梁上的两个钩子上，结果发现，当他把两个时钟转到彼此相差90度的时候，或是分开1.8米以上的时候，两者间的同步就消失了。而当他在二者之间放置一块大木板，阻断空气流通时，同步仍然存在。这证明了惠更斯先前的猜测是错误的：两个时钟完全没有通过空气通信。
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后来，惠更斯怀疑，时钟可能会通过它们的共同支撑物的微小摆动相互作用。为了研究这种可能性，他试图将两个时钟挂在分隔开的木梁上，两根木梁搭在了两把背靠背放置的椅子背上。同样，钟摆仍然会保持同步。它们的钟摆分开又合拢，像鼓掌的双手。在同一时刻，一个钟表发“嘀”的声音，另一个就发“嗒”的声音。随后，惠更斯扰乱了它们的同步，观察会发生什么事情。实验结果一定吓坏了惠更斯，因为椅子开始摇晃起来。钟摆一致的时候，椅子是静止不动的，但现在它们开始颤动，在地板上发出“咔哒”声。椅子持续摇晃了半个小时，直到时钟又恢复同步后才平静下来。
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惠更斯有了自己的答案。尽管每个时钟都被放置在36～40千克重的铅制盒子内，但钟摆的摆动使盒子产生了轻微的运动，从而使得木梁发生颤动，木梁又使得椅子发生颤动。当两个时钟同步的时候，即它们的钟摆刚好彼此朝相反方向摆动的时候，此时大小相等、方向相反的力作用在木梁上，二者相互抵消，椅子得以保持静止。反之，当惠更斯扰乱同步的时候，两个方向上相反的力不再保持平衡。二者合力中的一部分拖拽着木梁来回移动，椅子随之发生颤动。正如惠更斯所言，“同步一旦实现，椅子就不会再移动，只是在阻止时钟脱离‘同步状态’，因为钟摆一旦要脱离同步，椅子微小的移动便会使它们恢复到先前的位置”。用现代术语讲，惠更斯发现了通过负反馈实现稳定的现象。
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伦敦皇家学会对惠更斯的解释感到失望，不是因为他们认为惠更斯的解释是错误的，而是担心他是正确的。在该学会1665年3月8日的会议记录中写到，“某些成员怀疑这些钟表在海上运行的精确性，理由是，如此轻微、几乎无法察觉的运动会引起钟表运行的改变”。换句话讲，惠更斯自己给出的理由暗示：他的钟摆是极其灵敏的，但又因为过于灵敏以至于无法解决经度问题。
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钟表的同步，在短短几周前还显得如此神奇，现在却让惠更斯陷入了麻烦。于是，他不再进行研究，也不再设法解决经度问题。经度问题的解决方案不得不又等了几百年。到了18世纪中期，有一个没接受过正规教育的英国人叫约翰·哈里森（John Harrison），他发明了一系列由各种金属零件制成的航海时钟，它能够克服金属零件的生锈问题，并且巧妙地补偿了不同温度下零件彼此之间的伸缩。他将自己制作的第四个航海时钟命名为“H-4”，该时钟装饰有由钻石和红宝石制作的零件，这使它几乎能够无摩擦地运行。“H-4”只有1.4千克重，直径为12.7厘米，刚好可以放进衣袋。在18世纪60年代进行海上测试的时候，该时钟测量经度时的准确性达到了16公里，这足以使哈里森赢得英国议会的两万英镑奖金，这相当于今天的数百万美元。
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虽然经度问题已成为历史，但时钟一致问题却日渐成为科学研究的中心议题。昔日的天才惠更斯（牛顿曾称他为“德高望重的惠更斯”）也无法领会宇宙在他房间里透露的全部秘密。作为300余年后的后知之明，我们现在知道了这些现象背后的含义。惠更斯发现了一种自然万物中无处不在的驱动器，他发现了无生命的同步。
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我们能够一起唱歌跳舞、齐步行进、齐声鼓掌，我们认为这些都是理所当然的。同步是我们的第二天性。但正因为它来得如此容易，所以我们对它的实际需求的了解却很少。它似乎至少需要低水平的智能、调整行动时间的能力以及预料他人行动的能力。这就是为什么关于成千上万的萤火虫一齐闪光的报道多年来引起了广泛质疑，以及为什么蟋蟀的合唱、雄性招潮蟹的引诱策略（对着雌蟹一齐挥舞巨大的蟹螯）让我们印象深刻的原因。
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这些有生命体的同步伟业总是可以归因于进化的奇迹，归因于数百万年的自然选择的魔法。正是在这种情况下，我们可以清晰地看到惠更斯意外发现之中的震惊之处。
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