21世紀被稱為復雜性科學的世紀。丹麥物理學家帕·巴克和中國物理學家湯超開創(chuàng)的自組織臨界性理論,對大自然的復雜性問題進行了系統(tǒng)化探討,為復雜系統(tǒng)中的跨尺度現(xiàn)象,提供了一種普適而簡單的機制上的解釋,以其創(chuàng)新性、宏觀性和簡潔性引起科學界的密切關注。
作為解釋大自然復雜行為的一種新的物理理論,自組織臨界性涉及非常廣泛的研究領域,如巖層與地貌形成、河網與海灣結構、地震與火山爆發(fā)、星震與星云塌陷、黑洞與日輝耀斑、夸克與膠子團簇、生態(tài)與物種滅絕、變異與生命演化、噪聲與全球變暖、人口與環(huán)境污染、大腦與神經網絡、市場與價格波動等。該理論已被成功應用到自然界的多種復雜系統(tǒng)之中,影響巨大。
《大自然如何運作》是帕·巴克教授關于自組織臨界性理論的重要著作,視野宏闊,深入淺出,是一部兼具學術性與普及性的優(yōu)秀之作。
帕·巴克(Per Bak,1948—2002),丹麥著名物理學家,曾任職于美國布魯克海文國家實驗室(BNL)、丹麥玻爾研究所和倫敦帝國理工學院等。
譯者
李煒,華中師范大學物理科學與技術學院教授,德國洪堡學者,德國馬克斯-普朗克研究所訪問學者。
蔡勖,華中師范大學物理科學與技術學院教授,國家973計劃專家咨詢組成員。
目 錄
第一章 復雜性與臨界性...............................................................................1
簡單的物理定律與復雜的大自然 ..........................................................3
講故事與科學 ..........................................................................................8
復雜性理論能解釋什么? ....................................................................10
災變遵循一種簡單的模式 ....................................................................14
分形幾何 ................................................................................................21
f /1噪聲:時間中的分形 .......................................................................24
齊普夫定律 ............................................................................................27
冪律與臨界現(xiàn)象 ....................................................................................29
處于平衡態(tài)的系統(tǒng)不是復雜的 ............................................................30
混沌不具有復雜性 ................................................................................33
自組織臨界性 ........................................................................................35
第二章 自組織臨界性的發(fā)現(xiàn).....................................................................37
在布魯克海文 ........................................................................................37
f/1噪聲從何而來? ...............................................................................41
蘇珊·科珀史密斯的狗模型 .................................................................42
耦合扭擺 ................................................................................................45
簡單模型的哲學:“球形奶牛” .............................................................46
擺系統(tǒng)變成臨界的 ................................................................................51
第三章 沙堆模型.........................................................................................56
沙堆模型 ................................................................................................59
假如生活在沙堆世界 ............................................................................67
我們能用筆和紙計算出冪律嗎? ........................................................72
第四章 實際沙堆與地貌的形成.................................................................75
真實的沙堆實驗 ....................................................................................76
挪威的米堆實驗 ....................................................................................80
維則克的山體滑坡實驗:分形現(xiàn)象出現(xiàn) ............................................86
喜馬拉雅“沙堆” ..................................................................................88
巖渣的沉積 ............................................................................................89
地貌學:偏離平衡的地表 ....................................................................92
第五章 地震、星震及太陽耀斑.................................................................97
地震的自組織 ......................................................................................101
一處印刷錯誤導致了重要進展 ..........................................................107
斯特龍博利附近的隆隆聲 .................................................................. 111
地殼是臨界的 ...................................................................................... 113
脈沖星頻率突增與星震 ...................................................................... 114
黑洞與太陽耀斑 .................................................................................. 116
第六章 “生命的游戲”:復雜性就是臨界性 ..........................................120
第七章 生命是自組織臨界現(xiàn)象嗎?.......................................................129
圣菲研究所 ..........................................................................................130
沙堆與間斷平衡 ..................................................................................134
相互制約調節(jié)的適應性圖像 ..............................................................135
第八章 簡單演化模型中的大滅絕與間斷平衡.......................................147
我們能對達爾文建模嗎? ..................................................................150
周日下午的一個科學課題 ..................................................................153
低溫產生復雜生命 ..............................................................................164
與真實數(shù)據(jù)比較 ..................................................................................165
恐龍滅絕和隕石 ..................................................................................172
丹蒂· 查爾沃的演化游戲 ...................................................................174
自組織臨界性與蓋亞假說 ..................................................................175
重新來一次演化 ..................................................................................177
第九章 間斷平衡模型理論.......................................................................182
什么才算理論? ..................................................................................182
演化模型的隨機近鄰形式 ..................................................................184
自組織過程 ..........................................................................................188
臨界態(tài) ..................................................................................................191
重訪生命游戲 ......................................................................................192
重訪地震 ..............................................................................................193
第十章 大腦與自組織臨界性...................................................................197
為什么大腦應當是臨界的? ..............................................................198
猴子問題 ..............................................................................................200
大腦與河網 ..........................................................................................203
第十一章 經濟和交通阻塞.......................................................................206
均衡經濟像水 ......................................................................................206
實際經濟像沙 ......................................................................................209
臨界經濟的一個簡單模型 .................................................................. 211
波動和災難不可避免 ..........................................................................215
交通阻塞 ..............................................................................................216
參考文獻.......................................................................................................223
人名英漢對照表...........................................................................................230
附錄 湯超致譯者信...................................................................................238
譯后記...........................................................................................................240