作者：胡鋒

黃昏的時(shí)候，在世界上很多地方都可以看到這樣的景象：成百上千只的鳥成群在空中飛翔，仿佛形成了一個(gè)巨大的個(gè)體，它們時(shí)而形成一條長帶，時(shí)而聚攏成盤狀，時(shí)而形成各種依稀可辨的造型，毫不介意給地上仰頭觀看的人以無盡的驚奇與想象。

在19世紀(jì)30年代， 英國鳥類學(xué)家Edmundd Selous 用了“通靈”(Thoughts-Transference) 這個(gè)術(shù)語來解釋鳥群令人驚異的協(xié)調(diào)能力，這也許是當(dāng)時(shí)很時(shí)髦的“科學(xué)詞匯”吧。 但限于歷史條件，他對運(yùn)動群體中的鳥之間如何交流，信息如何在群體中傳遞毫無所知。他的這種解釋，我們其實(shí)可以選用任何看起來很玄妙的詞語代替， 如 “思想轉(zhuǎn)移”，“心靈感應(yīng)”，或者簡單的說，鳥群中存在一個(gè)“幽靈”。這種解釋方法很類似當(dāng)人們對生命系統(tǒng)不太理解的時(shí)候，認(rèn)為有所謂的“活力”因子在構(gòu)成生命有機(jī)體的物質(zhì)內(nèi)，直到隨著科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，才證明了生命物質(zhì)是由普通的化學(xué)元素構(gòu)成的復(fù)雜分子，從而把“活力論”送到歷史的博物館。

對鳥群以及一般的動物群體行為研究的突破來自于一個(gè)美國軟件工程師Craig W. Reynolds，他研究的初衷是為了讓計(jì)算機(jī)更有效率的繪制鳥群的飛行圖像。在此前，程序員編寫鳥群的運(yùn)動程序時(shí)，程序中都已經(jīng)規(guī)定好了每只鳥的運(yùn)動軌, 程序員其實(shí)是鳥群的中心指揮者。而Reynolds在1987年發(fā)表的一篇文章中發(fā)明了一種“自組織”的算法，根據(jù)這種方法，鳥群中的每只鳥只需獲取自己局部的環(huán)境的信息, 并根據(jù)這些信息自行決定自己下個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動狀態(tài)。具體說就是每只鳥每個(gè)時(shí)刻都要遵守如下三條規(guī)則:1、 避免與附近的其它成員碰撞。2、飛行方向與附近鄰居的平均飛行方向一致。 3、不要落單。可以看到, 這種算法只要求單個(gè)個(gè)體能夠分析自己附近的局部環(huán)境, 符合動物因生理?xiàng)l件的限制而只能處理有限信息的常識。這個(gè)算法的最大特點(diǎn)是整個(gè)的運(yùn)動群體不再有中心的指揮者，每個(gè)群體成員根據(jù)自己的局部環(huán)境決定自己的運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而決定整個(gè)群體的運(yùn)動狀態(tài)。那么，這種算法構(gòu)造的動物群體的運(yùn)動圖像效果如何? 據(jù)說，1994年美國迪士尼公司拍攝的電影《獅子王》中大規(guī)模的野牛群因?yàn)槭荏@嚇蜂擁而逃的畫面就是由“自組織”算法產(chǎn)生的。

這個(gè)算法提出之后，也引起了數(shù)學(xué)家，生物學(xué)家，物理學(xué)家，以及工程師的廣泛關(guān)注，因?yàn)檫@個(gè)算法基于的“自組織”理念是一個(gè)應(yīng)用非常廣泛的概念。有非常多的系統(tǒng)——自然的或者人工的——都不存在一個(gè)中心的指揮者，系統(tǒng)整體狀態(tài)的形成依賴于構(gòu)成系統(tǒng)個(gè)體間的相互作用。生物學(xué)中除了鳥群，魚群，蝗蟲群體外，其實(shí)一個(gè)有機(jī)體自身不也是由底層相互作用的細(xì)胞構(gòu)成的嗎？當(dāng)然，細(xì)胞先構(gòu)成器官，再構(gòu)成組織，最后構(gòu)成一個(gè)有機(jī)體。物理學(xué)中磁鐵磁性，超導(dǎo)體中的超導(dǎo)性也是由這些物質(zhì)中的電子局域間的相互作用，而在一個(gè)溫度點(diǎn)“相變”而形成的整體上的奇異狀態(tài)。甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)中，僅僅基于買者和賣者間的相互的利益需要，就可以構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定（至少短期穩(wěn)定）的市場。在這兒，除了有亞當(dāng)·斯密那只“看不見的手”的引導(dǎo)外，不需要另外一只“看得見的手”的調(diào)控。

比利時(shí)物理學(xué)家Tamás Vicsek在1995年更加深入的研究了“鳥群”的運(yùn)動規(guī)律。在他的計(jì)算機(jī)模型中，每個(gè)個(gè)體運(yùn)動的速度大小恒定，下一時(shí)刻的運(yùn)動方向由鄰居的平均運(yùn)動方向決定。這項(xiàng)研究從數(shù)量上揭示了如果群體的密度到一個(gè)闕值，并且個(gè)體在決定自己運(yùn)動方向時(shí)出現(xiàn)的偏差不太大，那么群體的運(yùn)動狀態(tài)會有一個(gè)突變，由群體中個(gè)體（或者許多小集團(tuán)）向許多方向運(yùn)動狀態(tài)到所有的個(gè)體向一個(gè)方向運(yùn)動狀態(tài)的突然變化，物理學(xué)中把這種現(xiàn)象稱為“相變”。

生物學(xué)家根據(jù)動物的生理特性進(jìn)一步豐富了個(gè)體間的相互作用，比如個(gè)體間的距離如果太小，個(gè)體會互相遠(yuǎn)離以避免碰撞；因?yàn)楦泄俚南拗?，對空間中不同位置信息的獲得有差異等等。改進(jìn)后模型的模擬結(jié)果與真實(shí)的動物群體的運(yùn)動很相似，比如魚群在海中的繞圈運(yùn)動，受到襲擊時(shí)會像噴泉一樣從中間散開，然后再合并，都可以在屏幕上根據(jù)模型中參數(shù)的變化而逼真的展現(xiàn)出來?，F(xiàn)在看來，解釋鳥群，魚群還有其他動物群體令人驚異的運(yùn)動狀態(tài)，不必假設(shè)有什么“幽靈” 存在。群體中的每個(gè)個(gè)體只需獲悉周圍局部的信息，根據(jù)這些信息而采取相應(yīng)的行動，整合起來，在整體上就產(chǎn)生了令人意想不到的狀態(tài)。

現(xiàn)在，許多工程師開始研究，如何根據(jù)自組織的理論更好的設(shè)計(jì)幾十個(gè)或者上百個(gè)小機(jī)器人之間的合作，從而讓它們可以更高效率的工作，比如合作搜索。

然而，對“鳥群”運(yùn)動機(jī)制的解釋也存在不同的聲音。美國生物學(xué)家Wayne K. Potts在1984年提出了“合唱團(tuán)”假說。通過分析鳥群飛行時(shí)突然轉(zhuǎn)向的錄像，Potts觀察到單只鳥在轉(zhuǎn)向時(shí)的反應(yīng)時(shí)間很短。如果讓群體轉(zhuǎn)向的信息通過局域的相互作用傳遞（這種傳遞受到鳥類反應(yīng)時(shí)間的限制），需要的時(shí)間遠(yuǎn)長于錄像中的觀測結(jié)果。Potts對此的解釋是，鳥群中的鳥可以獲得鳥群整體的信息，并根據(jù)這個(gè)信息預(yù)備自己的動作，到需要做出反應(yīng)時(shí)就可以很快地響應(yīng)了，就像人類中的合唱團(tuán)一樣。他的這個(gè)假設(shè)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的觀測做出的，只是很難想象鳥群的單只鳥必須每個(gè)時(shí)刻都獲得鳥群的整體信息, 并能處理這些信息, 這對鳥類的” 智商” 是很高的要求。信息如何在動物群體中傳播? 這也是目前很多領(lǐng)域的科學(xué)家所非常關(guān)心的問題。

要徹底的請出這個(gè)“幽靈”可能還有很長的路要走，新的事實(shí)有可能帶來新的爭議。當(dāng)你對這些爭論略感疲憊，就在黃昏的時(shí)候看一看鳥群在空中進(jìn)行的盛大表演吧，這場亙古至今的表演是壯觀的，也是免費(fèi)的。

兩個(gè)鳥群視頻