描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787301334003丛书名: 科学通识书系
丹麦物理学家帕·巴克教授的《大自然如何运作》从简单的沙堆模型起笔，以生动的笔触和鲜活的故事展现了科学大厦构建的过程，为我们呈现了科学之美：大自然如此纷繁复杂，而物理规律却可以如此简单优美。当学科分化越细碎之时，越要求我们拥有交叉的视野和思维。书中所呈现的物理规则的广泛适用性，也让我们看到了学科交叉的可能性及其深度和广度。
？ 北京大学讲席教授、首都医科大学校长 饶毅
《大自然如何运作》讲述了一个浪漫、充满童真的话题。从长岛海滨到桑格雷- 德克里斯托山脉脚下的圣菲研究所，作者帕·巴克博士将一次次长谈和心灵碰撞娓娓道来，试图为错综复杂的大千世界理出普适的规则，周而复始，却从不重复。科学的真谛是创建可以预测未来的理论，而简单沙堆模型的计算却给出了每次不同的答案，就像出现了若干平行宇宙，这到底是怎么一回事？在这本书中，年轻的朋友们将学习玩具模型的构建和分析，邂逅不断奔跑的“红皇后”，迈步走出纳什均衡的困局，尽情享受复杂世界的韵律？自组织临界。
？ 西湖大学讲席教授 汤雷翰
21世纪被称为复杂性科学的世纪。丹麦物理学家帕·巴克和中国物理学家汤超开创的自组织临界性理论，对大自然的复杂性问题进行了系统化探讨，为复杂系统中的跨尺度现象，提供了一种普适而简单的机制上的解释，以其创新性、宏观性和简洁性引起科学界的密切关注。
作为解释大自然复杂行为的一种新的物理理论，自组织临界性涉及非常广泛的研究领域，如岩层与地貌形成、河网与海湾结构、地震与火山爆发、星震与星云塌陷、黑洞与日辉耀斑、夸克与胶子团簇、生态与物种灭绝、变异与生命演化、噪声与全球变暖、人口与环境污染、大脑与神经网络、市场与价格波动等。该理论已被成功应用到自然界的多种复杂系统之中，影响巨大。
《大自然如何运作》是帕·巴克教授关于自组织临界性理论的重要著作，视野宏阔，深入浅出，是一部兼具学术性与普及性的优秀之作。
目 录
第一章 复杂性与临界性…………………………………………………………………….1
简单的物理定律与复杂的大自然 ………………………………………………….3
讲故事与科学 ………………………………………………………………………………8
复杂性理论能解释什么？ …………………………………………………………..10
灾变遵循一种简单的模式 …………………………………………………………..14
分形几何 ……………………………………………………………………………………21
f /1噪声：时间中的分形 ……………………………………………………………..24
齐普夫定律 ………………………………………………………………………………..27
幂律与临界现象 …………………………………………………………………………29
处于平衡态的系统不是复杂的 ……………………………………………………30
混沌不具有复杂性 ……………………………………………………………………..33
自组织临界性 …………………………………………………………………………….35
第二章 自组织临界性的发现……………………………………………………………37
在布鲁克海文 …………………………………………………………………………….37
f/1噪声从何而来？ …………………………………………………………………….41
苏珊·科珀史密斯的狗模型 ………………………………………………………..42
耦合扭摆 ……………………………………………………………………………………45
简单模型的哲学：“球形奶牛” …………………………………………………….46
摆系统变成临界的 ……………………………………………………………………..51
第三章 沙堆模型……………………………………………………………………………..56
沙堆模型 ……………………………………………………………………………………59
假如生活在沙堆世界 ………………………………………………………………….67
我们能用笔和纸计算出幂律吗？ ………………………………………………..72
第四章 实际沙堆与地貌的形成………………………………………………………..75
真实的沙堆实验 …………………………………………………………………………76
挪威的米堆实验 …………………………………………………………………………80
维则克的山体滑坡实验：分形现象出现 ……………………………………..86
喜马拉雅“沙堆” ……………………………………………………………………….88
岩渣的沉积 ………………………………………………………………………………..89
地貌学：偏离平衡的地表 …………………………………………………………..92
第五章 地震、星震及太阳耀斑………………………………………………………..97
地震的自组织 …………………………………………………………………………..101
一处印刷错误导致了重要进展 ………………………………………………….107
斯特龙博利附近的隆隆声 ………………………………………………………… 111
地壳是临界的 ………………………………………………………………………….. 113
脉冲星频率突增与星震 ……………………………………………………………. 114
黑洞与太阳耀斑 ………………………………………………………………………. 116
第六章 “生命的游戏”：复杂性就是临界性 ……………………………………120
第七章 生命是自组织临界现象吗？……………………………………………….129
圣菲研究所 ………………………………………………………………………………130
沙堆与间断平衡 ……………………………………………………………………….134
相互制约调节的适应性图像 ……………………………………………………..135
第八章 简单演化模型中的大灭绝与间断平衡…………………………………147
我们能对达尔文建模吗？ …………………………………………………………150
周日下午的一个科学课题 …………………………………………………………153
低温产生复杂生命 ……………………………………………………………………164
与真实数据比较 ……………………………………………………………………….165
恐龙灭绝和陨石 ……………………………………………………………………….172
丹蒂· 查尔沃的演化游戏 ………………………………………………………….174
自组织临界性与盖亚假说 …………………………………………………………175
重新来一次演化 ……………………………………………………………………….177
第九章 间断平衡模型理论……………………………………………………………..182
什么才算理论？ ……………………………………………………………………….182
演化模型的随机近邻形式 …………………………………………………………184
自组织过程 ………………………………………………………………………………188
临界态 ……………………………………………………………………………………..191
重访生命游戏 …………………………………………………………………………..192
重访地震 ………………………………………………………………………………….193
第十章 大脑与自组织临界性………………………………………………………….197
为什么大脑应当是临界的？ ……………………………………………………..198
猴子问题 ………………………………………………………………………………….200
大脑与河网 ………………………………………………………………………………203
第十一章 经济和交通阻塞……………………………………………………………..206
均衡经济像水 …………………………………………………………………………..206
实际经济像沙 …………………………………………………………………………..209
临界经济的一个简单模型 ………………………………………………………… 211
波动和灾难不可避免 ………………………………………………………………..215
交通阻塞 ………………………………………………………………………………….216
参考文献………………………………………………………………………………………….223
人名英汉对照表……………………………………………………………………………….230
附录 汤超致译者信………………………………………………………………………..238
译后记……………………………………………………………………………………………..240
序
中国科学院院士 汤超
1986 年我从芝加哥大学毕业后，去到布鲁克海文国家实验室凝聚态理论组从事博士后研究。那是一个科研氛围非常自由的地方，经过一段时间的思考后，我决定试试 f/1噪声问题的研究。这是一个自然界广泛存在的现象，我在研究生期间就对它着迷。我把想法告诉了巴克（Per Bak）教授和维森费尔德（Kurt Wiesenfeld）博士，他们也很有兴趣，于是就有了书中第二章里描述的故事。我的办公室，就在那个咖啡屋隔壁。那是一段非常有趣的时光，典型的由好奇心驱动的自由探索、交流碰撞。记得我们第一篇文章（书中图9 描述的工作）被接收的那天，我和维森费尔德去实验室的小餐厅吃了一顿汉堡包来庆祝。从那以后，我就爱上了汉堡包。
复杂系统科学的研究对象涵盖非常广泛，从自然到社会，通常也都会涉及学科的交叉，这些从本书中可窥见一斑。自组织临界性思想试图为复杂系统中的跨尺度现象提供一种普适而简单的机制上的解释，是一种全新的思维。也正因如此，它在相当广泛的领域启发了许多后续研究。
科学发展到今天，大家越来越认识到我们面对的许多问题需要从复杂系统的角度、从多学科交叉的角度去思考。霍金（Stephen Hawking）曾说，21 世纪将是复杂系统的世纪；2021 年的诺贝尔物理学奖也颁给了复杂物理系统方面的工作。在这个背景下，北京大学出版社决定出版此书的中译本修订版，可谓恰逢其时。
在这本书里，巴克教授将自组织临界性理论及其在一些领域中的应用以深入浅出的方式介绍给大家，并在其中穿插了不少故事，使它的可读性很强，让读者脑洞大开。希望此书能像巴克教授所期望的那样，进一步激发读者，尤其是青年朋友们对大自然的热爱、对科学的兴趣和热情。也希望读者能从中领略到从事科学研究的极大乐趣。
对具有相关专业背景知识的读者，我建议读此书时不要太注重严谨性和技术细节。一方面，就像巴克教授说的，科普读物所要求的通俗性使其不可能像科学期刊那样简洁而准确。另一方面，对自组织临界性更应该是从概念上去理解。我们构建“沙堆模型”是为了更形象地阐述自组织临界性的概念，而不是要真的去模拟海滩边的沙堆。打个比方，统计物理中的理想气体模型对热力学和统计物理的发展至关重要，但大自然中并不存在完全理想的气体。
在此，让我引用一段著名物理学家安德森（P. W. Anderson）的话：
我觉得自组织临界性思想不一定是对这个或那个类似问题的正确和唯一解，而是具有代表下一阶段物理学的范式价值。20 世纪的物理学构建了层级结构，在每个层次内都有着清晰的理论框架：原子与分子理论、核物理、量子色动力学、弱电理论、量子多体理论、经典流体力学、分子生物学，等等。在21 世纪，一个可能发生的革命将是在不同层次之间构建理论框架，或者构建具有尺度不变性或跨尺度的理论框架。前者的范式是对称破缺，后者的范式是自组织临界性。
此书的英文版于1996 年出版。李炜和蔡勖两位老师将此书翻译成中文，于2000 年出版了中文版。这次的中译本修订版对原译文进行了认真细致的校对与修订工作，做了许多修改。这一切都要感谢我们实验室的前任和现任成员。具体分工如下—— 第一章：闫嘉伟、方美琛、王彬；第二、三章：秦山山、刘波、刘雨轩；第四章：盛南、俞易；第五章：李倩怡；第六章：王敬业、俞易；第七章：张潇逸、余幸恒；第八章：赵心源；第九章：徐依朋、俞易；第十章：王欣、常畅、刘祥；第十一章：徐小婵、田冰珲；全书统筹：俞易。
最后，特别要感谢北京大学出版社同仁，正是他们的不懈努力，使得这本书在多年后以新的面貌呈现在读者面前。希望书中对科学自由探索的热情，能够点燃更多年轻学子的思想火花。
汤超
2022 年12 月
于北京大学
致中国读者
为什么我们所处的世界如此复杂，而物理规律却如此简单？
为什么大爆炸导致复杂性不断增加，让地球上有了生命，产生了具有大脑的人类，最终形成了复杂的社会，而不是像通常的爆炸那样产生一些简单的气体粒子？我们在21 世纪将要面临这样的重大问题。
关于自组织临界性（SOC）的科学表明，复杂系统在远离平衡的临界态上运作，以阵发的、混沌的、类似崩塌的形式演化，并不像通常以为的那样遵循一种平缓的、渐进的演化方式。地震、大灭绝，还有人类的工业革命和社会变革，都是这样的崩塌式演化。
这个理论是由汤超、库尔特·维森费尔德和我本人于十多年前提出来的，并且已被广泛应用于诸如太阳耀斑、火山爆发、经济学、生物演化、湍流，以及传染性疾病如麻疹的传播等现象中。那时以来，已有成千上万篇关于这个理论的学术论文陆续发表。
用来模拟这些千变万化的现象的模型是如此简单，以至于几乎每个人只需凭直觉就能推测出模型所能展现的行为。沙堆模型展现了一堆沙中崩塌的形成。生物演化模型展现了有着相互作用的生态系统的演化。只要有一台PC 机，你就能够通过编程来领会由简单的局域相互作用导致有组织的整体动力学的原理。
我非常激动地看到我的书已经被翻译成中文。我十分感谢蔡勖教授和他的学生李炜，因为从我的朋友及同事汤超教授那里得知，他们为这本书的付梓做了大量杰出的工作。复杂性科学还处于萌芽阶段，但我打心底里相信它将是21 世纪的科学。我真诚希望这本书能够激发中国的广大读者，尤其是青年朋友们对这个新奇领域的兴趣，因为他们是这个不断进步着的、伟大的、前程远大的东方民族的精髓和希望所在。
自组织临界性不是复杂性的全部，但它或许打开了通向复杂性科学的第一扇大门！
帕·巴克
2000 年元旦
于哥本哈根，玻尔研究所
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