作者：胡鋒

黃昏的時候，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，仿佛形成了一個巨大的個體，它們時而形成一條長帶，時而聚攏成盤狀，時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)時很時髦的“科學(xué)詞匯”吧。 但限于歷史條件，他對運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“幽靈”。這種解釋方法很類似當(dāng)人們對生命系統(tǒng)不太理解的時候，認為有所謂的“活力”因子在構(gòu)成生命有機體的物質(zhì)內(nèi)，直到隨著科學(xué)的進一步發(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美國軟件工程師Craig W. Reynolds，他研究的初衷是為了讓計算機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動程序時，程序中都已經(jīng)規(guī)定好了每只鳥的運動軌, 程序員其實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時刻的運動狀態(tài)。具體說就是每只鳥每個時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個體能夠分析自己附近的局部環(huán)境, 符合動物因生理條件的限制而只能處理有限信息的常識。這個算法的最大特點是整個的運動群體不再有中心的指揮者，每個群體成員根據(jù)自己的局部環(huán)境決定自己的運動狀態(tài)，進而決定整個群體的運動狀態(tài)。那么，這種算法構(gòu)造的動物群體的運動圖像效果如何? 據(jù)說，1994年美國迪士尼公司拍攝的電影《獅子王》中大規(guī)模的野牛群因為受驚嚇蜂擁而逃的畫面就是由“自組織”算法產(chǎn)生的。

這個算法提出之后，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，因為這個算法基于的“自組織”理念是一個應(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，其實一個有機體自身不也是由底層相互作用的細胞構(gòu)成的嗎？當(dāng)然，細胞先構(gòu)成器官，再構(gòu)成組織，最后構(gòu)成一個有機體。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，而在一個溫度點“相變”而形成的整體上的奇異狀態(tài)。甚至經(jīng)濟學(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。

比利時物理學(xué)家Tamás Vicsek在1995年更加深入的研究了“鳥群”的運動規(guī)律。在他的計算機模型中，每個個體運動的速度大小恒定，下一時刻的運動方向由鄰居的平均運動方向決定。這項研究從數(shù)量上揭示了如果群體的密度到一個闕值，并且個體在決定自己運動方向時出現(xiàn)的偏差不太大，那么群體的運動狀態(tài)會有一個突變，由群體中個體（或者許多小集團）向許多方向運動狀態(tài)到所有的個體向一個方向運動狀態(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)動物的生理特性進一步豐富了個體間的相互作用，比如個體間的距離如果太小，個體會互相遠離以避免碰撞；因為感官的限制，對空間中不同位置信息的獲得有差異等等。改進后模型的模擬結(jié)果與真實的動物群體的運動很相似，比如魚群在海中的繞圈運動，受到襲擊時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動狀態(tài)，不必假設(shè)有什么“幽靈” 存在。群體中的每個個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)計幾十個或者上百個小機器人之間的合作，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”運動機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”假說。通過分析鳥群飛行時突然轉(zhuǎn)向的錄像，Potts觀察到單只鳥在轉(zhuǎn)向時的反應(yīng)時間很短。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)時間的限制），需要的時間遠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)這個信息預(yù)備自己的動作，到需要做出反應(yīng)時就可以很快地響應(yīng)了，就像人類中的合唱團一樣。他的這個假設(shè)是根據(jù)實驗的觀測做出的，只是很難想象鳥群的單只鳥必須每個時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“幽靈”可能還有很長的路要走，新的事實有可能帶來新的爭議。當(dāng)你對這些爭論略感疲憊，就在黃昏的時候看一看鳥群在空中進行的盛大表演吧，這場亙古至今的表演是壯觀的，也是免費的。

兩個鳥群視頻