沙堆问题引领物理学进程！

2024-01-24 理论教育版权反馈

【摘要】：Bak的沙堆问题是一个革命性的问题，如果他的思路是对的，将对物理学带来巨大的改变。Bak想研究的不仅仅是沙堆，他的野心是想探索这个世界内在的规律。Bak相信，沙堆的能量，那种当系统处于不可预测的边缘的时候迸发的能量，是大自然的基本力量之一。Bak的沙堆世界是狂暴的，也是能够创造历史的。科学家把像沙堆或是宇宙这样的系统称为“非线性”，这是由于其内在的变动总是使得你难以预测某一特定行为在每一次都会产生一样的后果。

在约克镇高地的托马斯?J?Watson研究中心一直恪守着IBM创始人Watson的誓言。从IBM成立之时，其梦想就是要生产新的思想，而不仅仅是带插头的箱子。在IBM遍布世界各地的工厂的墙壁上，都曾经镌刻着Watson的名言：“思考”。从某个角度来看，托马斯?J?Watson研究中心就是这一梦想的实现。这个巨大的实验室看起来更像大学校园。在Watson研究中心的一个好处是，你可以完全自由的挑选有趣的题目，根本不需要考虑是不是跟计算机或数据库有什么关系，也不用担心最后出来的东西根本就卖不出去。Watson研究中心从事的是“纯粹”的研究，换句话说，就是“不考虑商业价值的研究”。令人感叹的是，尽管计算机行业几经起伏，Watson研究中心始终坚持着其使命。研究中心的主楼是一个巨大的白色limestone的新月形建筑物，高高矗立在一个小山顶，周围哈德逊河谷的风光尽收眼底。Watson研究中心有很多办公室和实验室，同事之间有着亲密的伙伴情谊，这里更像大学，而不是公司。当我最近访问这个研究中心的时候，他们正在做的研究五花八门，比如，青蛙怎样思考，或是云彩怎么“决定”下不下雨。Glenn A. Held的办公室长年都在二楼，他是一个物理学家，研究专长是材料科学（最近，Held加入了一个对冲基金，从没有商业气息的科学转到了更能赚钱的商业）。Held个子不高，头发灰白，充满了对自然的好奇。他会在午餐时间滔滔不绝的给你讲无线电子通讯，并假设即使你一点也听不懂，仍然会感兴趣。

20世纪80年代末，当Held加入IBM公司不久，他发现在科学界，大家都在争执由一位丹麦物理学家和生物学家Per Bak提出的假说。Bak的假说看起来简单，但实际上非常复杂，复杂到了现在的科学难以解释。就像伽利略著名的试验，从比萨斜塔上扔小球，测量地心引力一样，Bak的问题也是表面上简单，实际上提出的是一个深刻的问题。为什么一个重球和一个轻球会同时落到地上？这是一个谜。这种谜题一句话就能说清楚，但是需要几代人才能找到答案。让Bak着迷的问题表面上看起来也非常简单：如果你一粒一粒的把沙粒堆起来，直到能垒起一个大约像拳头大小的沙堆，你怎么才能知道，什么时候这个小小的金字塔会突然倒塌？随着沙堆慢慢变高，也就会变得越来越陡峭，最终沙粒一定会滑下来。我们能预期什么时候会发生这种情况吗？问题很简单，但回答起来极其困难。

2002年，54岁的Bak去世了。他的一个朋友称其为“最美国化的丹麦科学家”。他的朋友的意思是说，Bak最喜欢跟人争辩，搞发明，而且往往是边跟人争辩边提出创新。Bak的沙堆问题是一个革命性的问题，如果他的思路是对的，将对物理学带来巨大的改变。Bak假设在最初阶段，沙粒会堆成一个小小的沙堆，但是到第二个阶段，沙堆就会自己组织起来，变得不稳定，这时，再增加一粒沙粒，都有可能会触发沙堆的崩塌，当然，也可能什么事情也不会发生。他的思想最独特之处在于，他认为沙堆表面上看起来非常稳定，但实际上是不可预测的，你根本不能知道下一步会发生什么，在投入和产出之间有着一种神秘莫测的关系。当物理学遇到这种奇怪的现象时，感到无比的困惑：组织起来的不稳定性？这是什么意思？Bak希望知道，在每一个时点，如何才能知道是什么因素导致了沙滩的崩塌。这是一个非常难以回答的问题，至少对传统的科学来说是这样。Bak说：“复杂的行为是非常自然的，大的系统往往会演变到一个关键的时期，在这一关键期，平衡会被打破，任何一个微小的干扰都会导致或大或小的崩溃。”(www.chuimin.cn)

Bak想研究的不仅仅是沙堆，他的野心是想探索这个世界内在的规律。这就是为什么沙堆会让科学家感兴趣。Bak相信，沙堆的能量，那种当系统处于不可预测的边缘的时候迸发的能量，是大自然的基本力量之一。他在大自然的每一个角落都能看到这种能量：在物理学领域，小的微粒聚集起来，并能释放出巨大的能量；在气象学领域，云朵时聚时散，突然降雨；在生物学领域，哺乳动物磕磕绊绊的演化。Bak的沙堆世界是狂暴的，也是能够创造历史的。这并不意味着他不承认世界上也有稳定，但是，他把稳定视为一个过渡时期，在不可思议、不可预测的动态世界中的短暂间歇。Bak的世界仿佛俄罗斯轮盘赌中不断转动的左轮手枪，不知道哪次扣动扳机，就会发射出子弹。

科学家把像沙堆或是宇宙这样的系统称为“非线性”，这是由于其内在的变动总是使得你难以预测某一特定行为在每一次都会产生一样的后果。如果你能够将这些系统模型化，或许能够看出，它们是如何在一段较长的时期内演化的，这不正是“我们从哪里来，要到哪里去”这样的问题吗？这可是困扰了诸多前沿学科的重大问题。但是，没有人能够做出精确的模型，尽管这些问题对于科学来说是如此重要。物理学家和数学家Stanislaw Ulam曾经说，把一门科学称为“非线性科学”，就好比把有的动物学称为“非大象动物学”（non-elephant zoology）一样。Bak说，这个世界上的绝大部分事物，尤其是最重要的事物，都是非平衡的，它们不是按照平滑的线性路径演进，而是忽冷忽热的。地理学能够提供一个很好的案例：加利福尼亚的南部，在平常时候不是看起来都很平静吗？

沙堆问题引领物理学进程！

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