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发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标题: 1.2 锁相
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年12月26日19:46:00 星期三), 站内信件

解决量子理论的线性悖论还有另一条途径：在打开箱子以前，薛定谔猫会以多态精神分
裂形式存在。量子非线性这一研究的线索在于大自然的基本集体性。
生命和自然界中到处是由相联系的个体组成的系统。我们已见识过这种现象，如涉及上
百万个个体分子协调动作的化学钟，靠来自大量个体变形虫的信号发生聚集的粘菌等。
相联系的个体系统出现的形式各种各样：在受精卵中，相同细胞分裂并分化为分离的器
官、然后共同维持机体；磁体则是以有序原子结构的形式出现，超导体则以电子协作的
形式出现。当许多个体振荡器从集体浑沌态向同步搏动或谐和共振转变时，就出现所谓
的“锁相”。
我们夜伏昼起，这是我们自己身体里发生锁相的一个熟悉例子。在与光、时钟或有规律
的膳食完全隔离的情况下，我们的生物计时器以25小时的周期运行。一旦又处在光照条
件之下，生物钟便受每日24小时的驱使，相位锁定到这个周期之上。但我们仅仅作一次
跨大西洋飞行，就可破坏这种锁相，当身体力图锁入不同的24小时周期时，便体验到高
速飞行引起的生理节律紊乱。
生活在密集群体(如监狱、医院和学生宿舍)中的妇女，她们的月经周期倾向于同步。个
体螺旋体细菌在食物源处聚集时，开始以同一节律振荡。马古利斯认为，这一群体节律
可以解释螺旋体如何形成原始动物细胞的纤毛。
集体振荡形成极限环，比个体集合体振荡更稳定，更有回复力。个体钟会游荡，会变化
，但锁相的集体却能抵御小的扰动。
蒙特利尔麦吉尔大学的迈克尔·格瓦拉(Michael Guevara)、利昂·格拉斯和阿尔文·施
赖尔(Alvin Shrier)从鸡胚心脏中采集细胞，把它们在溶液中分离，细胞在溶液中继续
胡乱搏动。但几天以后，这些细胞又聚集到了一块。这些细胞能够使个体输出发生锁相
，产生集体振荡。
麦吉尔实验的下一步，是把微电极插入细胞聚团，施加单脉冲或者周期脉冲串。这些心
脏细胞能够锁相到输入信号上，自身产生一种稳定脉冲。通过细致地改变频率，实验者
们能利用锁相把细胞的节律推向周期倍化区，以及最后的浑沌区。(详见格拉斯、麦基
著《从摆钟到混沌——生命的节律》，潘涛等译，上海远东出版社1994年。——译者注
)
麦吉尔实验结果表明，我们自己的心脏通过个体细胞的锁相系统而搏动。这些细胞集合
体被各种产生周期信号的天然起搏点——神经节——所驱动。锁相心脏的内在稳定性，
在动物休息或睡眠时是有益的。对于突然爆发的活动，心脏必须改变其搏动的基频，那
正是起搏点起作用的时候。
如果心脏细胞能锁相并产生可变又稳定的节律，那么大脑那复杂的非线性网络又怎样呢
?如上所述，神经系统本身由天文数字的内联结构成，具有利用范围从极限环和孤子到
精致的多种浑沌形式等广泛秩序的潜力。规则的锁相以许多频率出现，如脑电图节律所
见。还存在着跨越大脑运动的节律，这些节律表现得与特殊类型的活动相谐调。此种全
局节律和局部节律能否以分形形式，在愈来愈小的脑区中重复出现?
锁相对量子层次系统如何形成并创造经典尺度系统，提供了一种可能的解释。依此思路
，戴维·玻姆对量子锁相作出了一项有意义的观测。
在本世纪初叶，科学家们面临着解释著名的麦克耳孙莫雷实验的否定结果问题。常识
指出，倘若你顺着一束光而行，其速度将显得比你逆光束而行的速度快。但麦克耳孙(
Michelson )和莫雷(Morley)对这一想法的仔细验证表明，不管观测者在什么方向上，或
不管光源如何运动，测得的光速均相等。
最终表明，麦克耳孙莫雷实验结果需要另外一种解释——爱因斯坦的狭义相对论。
但在爱因斯坦那篇重要论文发表前一年左右，另一位物理学家亨德里克·洛伦兹(Hendr
ick Lorentz)却已提出，光速事实上并不象麦克耳孙莫雷实验结果表明的那样恒定；
他指出，实验效应使得观测不到光速的实际变化。洛伦兹认为，钟和尺由原子组成，这
些原子靠电磁相互作用结合到一起。任何物体运动时，它必须再调整其内部结构。这种
再调整使运动着的钟走慢，使量尺缩短。洛伦兹主张，把测量装置中这些小小的调整汇
集起来，恰恰掩盖了该装置要测量的光速变化。
爱因斯坦对麦克耳孙莫雷实验结果的解释更加巧妙，更加透彻。他指出，时间和空间
不象洛伦兹假设的那样是绝对的事物，因而洛伦兹所说的钟“确实”走慢以及量尺“确
实”缩短没有什么真正意义。不同系统的长度和时间均以彼此相对的不同的速率运作。

玻姆把被抛弃的洛伦兹的论据与爱因斯坦相对论结合起来，提出一个他称之为“实体框
架” 的概念。他认为，观测者——包括实验装置或其它集体结构——可设想为各自定义
了其自身的局部时间和空间。在一定意义上，玻姆的诠释类似于洛伦兹的，因为实体框
架内的时间由该框架内物质的锁相产生。但它又不同于洛伦兹的思想，因为根本不存在
这些时钟和距离可相对于其进行测量的绝对背景空间和绝对背景时间。相反，时间是过
程发生进程的量度，即框架内部时钟的滴答声。当时钟相对对方走慢时，乃因为时钟的
实体框架彼此被不同地锁相。
实体框架的这种锁相兴许不仅仅对以近光速穿越爱因斯坦宇宙的空间旅行者才发生。它
甚至发生在个体层次和文化层次之上。由人和社会似乎锁入十分不同的“时间感”这个
事实，即可印证这一点。
实体框架的锁相必须发端于量子层次。但那是怎样开始的?我们认为，答案在无规的个体
行为变成集体行为时发生的转换之中。在这里，与粘菌作类比颇有帮助。
在一定层次上，林地上有大量食物时，粘菌作为个体细胞的集合体行动，每个细胞均与
其相邻细胞无关，各干各的事。但当食物匮乏时，这些个体结合成一个集体同一体，结
合成共同在林地上运动的单个共同体。粘菌清楚显示了个体行为与集体行为之间的这个
转变。我们推测，在个体现象与集体现象之间的量子层次上会发生某种类似的事情。果
如此，则量子锁相将提供沟通经典的非线性实在与线性的量子实在的一座桥梁。假设
量子客体与粘菌细胞相似，以集体方式彼此相互作用。在其个体特性上，量子客体可用
所有可能的解的线性组合——活猫和死猫的组合——加以精确描述。但当大量量子客体
开始集体行动时，出现某些稳定的确定的性质，这个集合体不再能用不同状态的线性组
合描述了。我们认为，某种类似的事物必定发生在生命系统内。分子通过锁相得以构建
，分子的
图1.1 锁相好比由个体组成的管弦乐队，同步演奏同一曲调，但没有指挥。
性质介于量子特性和经典特性之间。此种分子一方面具有某种确定性质，另一方面与量
子过程有牵连。例如，有的分子对单个量子粒子的输入很敏感。
暂且回到薛定谔猫悖论：显然，猫是具有十分确定性质的合作的非线性系统，它不能生
死参半。另一方面，触发氰化物瓶的衰变核是线性的量子客体。然而，当它与薛定谔猫
耦合时，系统作为一个整体又变成非线性的，只能以确定状态存在。
数学家兼理论物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)也研究了大量客体彼此耦合时发生
的情况。(参见R·彭罗斯著《皇帝新脑——有关电脑、人脑及物理定律》，许明贤、吴
忠超译，湖南科学技术出版社1994年。——译者注)彭罗斯决定探讨最基本的量子实体
——旋量，每个旋量只能取两个可能值中的一个。他按照量子理论规律把这些客体相加
，直到以大旋量网络告终。彭罗斯问，当两个此种网络彼此发生关联时会发生什么。回
答是，它们将在空间范围内相互观望，仿佛以特定角度一对一取向似的。
这一结果的惊人之处在于，彭罗斯以完全抽象的方式着手，不在任何实在空间，而是在
纯粹数学领域里工作。但随着旋量锁定到一块，形成愈来愈大的的网络，他能够从旋量
的相互关系推导出三维空间里的取向性质。结果表明，空间性质不是固有的，不是给定
的，而是在大尺度上从量子系统的合作相互作用中产生的。
同理，我们认为，量子系统能锁定到一起，不仅创造空间，而且创造时间及其它宏观结
构。因此，在线性量子世界与我们大尺度非线性世界之间，没有必要划出一条界线。因
为随着量子系统尺度上的增长，它们将演变出非线性，演变出结构。
在有些情况下，演变出的经典层次结构变得相对稳定，从而象在我们的太阳系情形里那
样，对个体量子涨落相对不敏感。但另一些大尺度系统都以敏感于并接近于浑沌区的方
式锁相。在此种情况下，经典集体系统对个体量子涨落作出反应，在奇怪吸引子的影响
下表现出浑沌的、不可预见的行为。
当科学家们进行量子测量时，他们放大了单个量子过程，导致某些大尺度变量(如仪表上
的刻度盘或盖革计数器的卡嗒声)发生变化。就象薛定谔猫实验，结果总是无法预言。

象猫和人这样的自生结构已进化到利用量子的个体不可预言性。我们的眼睛、鼻子和味
蕾对区区几个量子的能量，就能够作出反应。人的神经系统本质上既是经典系统，又是
量子系统，为了实现大尺度目标(如运动或言谈)而利用量子尺度上的过程。所以，个体
量子浑沌与集体量子秩序之间的张力能够创造并驾驭越来越复杂的结构尺度。
因此，镜鉴世界当中是一个或多个奇怪的地方。在其中，普里高津在浑沌和演化着的时
间箭头中找到了薛定谔猫问题的解答。玻姆则通过找到一种无限的、整体性秩序的标志
来解决它，而且有其它迹象表明，解答就在锁相反馈之中。所有这些解答可能都错，亦
可能都对。无论如何，它们看来都反映了个体和集体、确定和不确定、浑沌和秩序之间
一个古老的张力。我们愈益明白，那个张力就是一种创造性张力。
塔阿劳长期居于他的海贝中。海贝圆似鸡卵，旋转于无尽的黑暗虚空。……可是最后塔
阿劳因居于此几近受约束，就开始敲打贝壳，于是贝壳咔咔裂开。他爬了出来，站在贝
壳上面，高喊道：“谁在上面?谁在下面?”……他把贝壳翻转过来，举到天上，构筑了
穹窿，称之为鲁米亚。他感到疲惫，不久又挣脱包裹他的另一贝壳，将它变成岩石和沙
土。……已数不清这个世界照此产生了多少事物。
——波利尼西亚创世神话(塔阿劳(Taaroa)也作塔噶劳(Tangaroa )。传说这位高位神
生于海贝，并从另一新的海贝中造出大地和其它诸神；一说他以钓杆钓出众海岛，然后
便退隐而为逊位神。——译者注)

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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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