命运的绞链
科学并不试图阐明什么，甚至几乎
不试图解释什么，它只是举出范例。
——约翰?冯?纽曼
所有的事实都很简单——这不是一
句复合的谎话吗?
——弗雷德里克?奈兹奇
关于圣安德烈亚斯断层的事实并不简单，它更像是美国卷入越南战争、约翰F?肯尼迪被刺或者俄罗斯目前的政治状况。越是靠近观察，事情就变得越复杂。圣安德烈亚斯断层确实是从北到南纵贯加利福尼亚的一条线。然而在主断层附近，两边的地壳，由数以千计的小断层筛过，在每一个这种小断层周围又涌现了更小的次断层，依此类推。“断层”一词实际上应该换成词组“断层系统”。直到安德烈亚斯断层在旧金山附近终止时，地壳才停止了断裂。在那里奔宁和圣杰辛托断层系统取而代之，把该州更南部的地区切成薄片。加利福尼亚就像任何损坏破烂的公路上的混凝土一样，布满了道道伤痕。
地球上的每一个地震带都有着这一相同的断裂特性。然而在具体细节上总是稍有差别的。在中国、哥伦比亚、加利福尼亚和日本，断层、次断层和更小的裂缝构成了当地独特的网络。没有两地是十分相像的。那么，说地震是无法预测的还有什么奇怪吗?有些断层系统穿越山地，有些雕塑出平原或起伏的小山，还有一些将海底地壳切成薄片。一个断层有多深?这也不尽相同。有些有三十公里深，另一些只有五公里。
尽管地震会在一千种不同的环境中发生，这种复杂状况的最终结果是盖本伯格一理克特定律的惊人的简单性。20世纪80年代，科学家们开始正视混沌状态问题：像悬摆一样简单的东西，在规则周期作用力下，怎么可能以一种极其不规则的混乱方式运动呢?我们在这里面临着一个全然不同的问题：地壳中所有的复杂细节和过程凑在一起怎样产生如此令人惊叹的简单性呢?为什么那些细节对此没有妨碍呢?
移动的砂粒
在通常的想象中，当独居的天才默默无闻地辛苦钻研，在狭隘的氛围内出人意料地得到某一激进的新观点或纯粹想法时，伟大的发现便有可能诞生了。据传，阿尔伯特?爱因斯坦对他的老师感到很不耐烦，他躲进瑞士泊尔尼的专利局，独自一人就把物理攻下了。然而，伟大的观点总是有着乏味的起源。借用阿尔伯特?卡穆斯的话说，它们产生在一家饭店的旋转门道中，或是在不同领域的科学家聚在一起交换意见时。
1988年夏天的一个上午，在新汉普郡的一个小学校里召开了一次关于不规则图形的会议，就在这个特别的上午，一位地球物理学家作了一个关于地震的多少有些老套的报告。由于出席的大多数科学家不是地球物理学家，雅科夫?卡根作了一个概述。卡根简要指出了美妙的盖本伯格—理克特定律的神秘之处，提出尽管他和同事们付出了努力，他们在地震预测中还是遭到惨败。卡根同时还指出另外一个令人费解的事实——任何断层系统中的断层本身都具有一种不规则形状的特点。也就是说，不同长度的断层片段同样具有能量法则的浅显的规律性。在这种情况下，每当把所研究的断层按长度等分成两段时，你会发现每一断层的数量大致会增至7倍。换句话说，较短的断层与较长的断层相比，其数目以一种非常有规律的方式增长，根本不存在典型的断层长度。
就是那么巧，巴克就坐在听众席上。当卡根作报告时，巴克对此越来越人迷，并且开始回忆起他堆砂子的游戏。回想一下，在这种游戏中，有些雪崩只涉及到一粒砂子，有些却牵涉了数以百万的砂粒。然而这两种情况的发生都源于几乎同一原因，一切总是由一粒砂子落到砂堆的某一处开始的。如果这粒砂子使得砂堆那一点上过于陡峭，它就会滚下山坡。这也许就是终点了。但是巴克、唐和温森菲尔德发现，当砂堆到达“临界状态”后，许多砂粒就恰巧处于翻滚的边缘。更重要的是，这些砂粒连接起来形成各种可能长度的“手指”。许多手指都比较短，然而其他一些会足够从砂堆这一头伸到那一头。因此，由一粒砂于引起的链式反应可能导致任何规模的雪崩。从数学角度分析，这一特点应被看做是雪崩的绝对的能量定律。计算一下不同规模雪崩发生的频率，你就会发现从带落几粒砂子到几百万砂粒的雪崩遵循着一条规律：把所涉及到的砂粒数增大一倍，那么雪崩的发生就会减少到原来的二分之一稍少一点(更精确的说是不可能的几率增大到大约2.14倍)。但是巴卡开始考虑在地壳中的情况是否与之相同呢？这个想法既有诱惑性又十分荒谬。一个有关砂粒的游戏真的会对塑造新的湖泊、吞没整个城市的剧变有什么重要启示吗?
很难看出砂堆游戏与地壳运动有什么联系。回过头来，布鲁克海文、巴卡和唐又开始了工作，他们与理论地球物理学家进行讨论，并翻阅研究文献。很快他们就发现了地震科学家若干年以前自己发明的个游戏。不幸的是，它与砂堆游戏并不十分相像。
1967年，加利福尼亚大学洛杉矶分校的R?布瑞芝和L科泊夫努力尝试着除掉地震现象物理原理混乱的复杂性，希望以此给他们带来某种顿悟。尽管地震在一张巨大的断层和次断层网上时有发生，并且许多断层似乎马上就要发生滑坡，布瑞芝和科泊夫却有意忽视了这一点，他们只研究一个地震。回想一下，沿着圣安德烈亚斯的主断层，西部板块向北推移，而东部板块向南推移。如果处在交界的岩石没有下滑的话，那么它们就会变弯，内部拉力也随之增强。拉力越大，下滑的可能性也越大。在这种拉力的聚积和释放的过程中就产生了地震。布瑞芝和科泊夫努力用图解的方式演示地震是如何发生的。
粘附和下滑
假设有一大块木质地板，在它上面的一块同样面积的天花板像传送带一样不可阻挡地向右运动(图7)。天花板上延伸出一些活动的小杆，连接着地板上的一组木块。这个游戏是这样做的，随着天棚的移动，小杆逐渐变形，试图拉动木块。木块与地板的摩擦倾向于把它们留在原地。天棚越移动，小杆越弯曲。当摩擦力被战胜后，每一个木块，最终都会突然向前滑动。
图7布瑞芝一科伯夫的地震模型。(摘自Z?奥拉来、H?J?贵德和
K?克里斯廷森，《在一个模拟地震的持续、非保守的松散自动装置中的
自发临界状态)。物理?革命?文学，1992年，经许复制。)
一个细节使这个游戏更为有趣：在木块之间连接的弹簧，如果没有它，木块只能彼此孤立地运动，只会走走停停。但是在弹簧的作用下，当一个木块向前滑动时，它会推动前面的一块，拉动后面的一块。同样，如果一块木块由于某种原因，向一边滑动，它也会给其两边的木块施加一定的推力和拉力。导致一块木块滑动的全部力量，不仅来自于其头顶的活动小杆，还来自于它前后左右的弹簧。弹簧使得一块木块的运动可以影响到其他木块。
这与地震有什么关系呢？原因很简单：这个游戏旨在代表一个地质断层，只是把现实中的东西提炼出来，剩下的只有纯粹的物理学。地板和天棚代表两块大陆板块，木块与地板之间的接口代表板块的两个巨大表面。只要摩擦力能阻止木块滑动，它们就只能弯曲并积蓄能量。活动的小杆正是运用了物理中的这部分原理。木块之间的弹簧呢？岩石质地坚硬，你和我都无法用手把一块花岗岩石板像弹簧一样压缩，但当两个大陆挤压到一起时，这对它们来说简直易如反掌。假设发生了一场地震，一个断层不同地点的岩石滑落的数量不尽相同，某些地区的岩石会受到挤压，并且想要反弹。弹簧表明——岩石是有弹性的。
这个游戏只是让天棚移动，观察其结果。发生了什么呢？布瑞芝和科泊夫根据这个游戏建造了一个简单的物理模型，他们使用了一组一维木块而不是二维网络。不幸的是，他们只能以一种极粗简的方式操纵。模型、木块数量有限，观察到的滑动现象也不多。那是1967年发生的事。然面，到了1988年，巴克和唐就可以使用一台普通的台式计算机来发现布瑞芝和科泊夫只能设想的东西了。
要在计算机上模拟这个游戏，我们还需知道另一个细节。当木块承受的力量超过一定界限时，它一定会滑动。但是一旦它开始滑动，接下来又会发生什么呢?木块的滑动距离取决于它与地板之间摩擦力的大小。摩擦越大，滑动越短；摩擦越小滑动越大。麻烦的是，没有人真正精确地掌握这一情况。然而，巴克和唐决定继续研究，他们以最简单的方式越过了这个问题：根本不理会这个信息。
木块的运动可以用牛顿的运动等式恰当地表述出来。但是为了探究这个游戏的本质，巴克和唐用几个简单的规则，代替了牛顿的定律。假设在某一时刻，木块停留在某一特定结构上。接下来会发生什么呢？当然，对于作用力太小无法使其滑动的木块，什么也不会发生，它们只是停在原地。其他一些木块会有所运动，为了详细描述其运动方式，巴克和唐规定了一条特别规则：如果一个木块上的作用力超过滑动限界，它就会突然向前冲一下，同时，该术块上的作用力会少一单位，每一与之相邻的木块会增加四分之一单位的作用力。换句话说，每一个木块滑动时，所受作用力的部分将转移，并且平均分配给与之相邻的术块。从牛顿的定律中并不能得出这条规则，但是一个木块的运动必然会减少它的受力，增加与之相邻术块的受力，因此，这条规则至少是正确的。
一位老朋友?
这一规则的重要优点之一就是巴克和唐可以在很短的时间内对上百万块木块进行模拟操作。然而，很有讽刺意味的是，他们根本不需要这样做。因为在游戏开始之前，他们就突然有了一种似曾相识的感觉。
他们从前见过一样的情况。并没有刻意安排，但是他们的特别规则却给地震游戏赋予了一个与砂堆游戏揭示出来的完全一样的数学逻辑。在这里，语言表述的是在某一平面上滑动的木块；在那里，表述的是滚落砂堆的砂粒。然而语言背后却只有一个数学构架。因此，巴克和唐甚至根本不用做这个新游戏来进行观察——它只是一个乔装打扮起来的老把戏。
研究至此，巴克和唐终于可以谈论最终问题了：如果砂堆游戏中的雪崩遵循某一能量法则，那么它对于地震、至少对于“木块和弹簧”这一地震模型，有什么启示呢?盖本伯格一理克特定律是针对释放一定能量的地震次数的。巴克和唐推断，木块每向前滑动一下，释放的能量大致相同。因此，在这个游戏中，一场地震的“总能量”就是由一次初始滑动引发的木块滑动次数。把两个游戏作一下比较，我们发现它也是滚落的砂粒总数或者由一粒砂子下落引发的雪崩的规模。通过类推，我们知道地震中的震动遵循着与砂堆游戏中的雪崩相同的能量法则。值得注意的是，与盖本伯格一理克特定律非常相似的针对真正地震的某种东西终于出现了。
令巴克和唐既激动又惊奇的是，他们发明的简单游戏似乎解释和预言了全部地球科学最基本的法则。很可能有人会提出不很强烈的反对：在砂堆游戏中，把雪崩的规模增大一倍，它不发生的可能性就增至2.14倍，相反，盖本博格—理克特定律指出当地震的规模增大一倍时，其发生机率就降为原来的四分之一。所以能量法则中的数字并不完全相同。但是与巴克和唐的成就相比，这点差异意义并不大。他们至少已经解释了能量法则的极其特殊的形式源自何处。
在一次游戏中，对每一时刻滑动的木块数量的记录会呈现出一个怪异却很熟悉的图形。它像任何地震带的地震活动记录一样，看上去极不规则又似乎很随意。记录中的大地震就像沙漠中的红杉一样醒目。如果一次小地震涉及到的只是一块岩石滑坡。那么大地震也许会牵涉到上百万块。
就像大地震对于地球物理学家一样，对于不昔猜疑的人来说，大的事件往往需要特殊的解释。然而，无论大小，每一种情况的最初原因都只是系统中某一处木块的突然滑动。既然木板和弹簧自发组织成一种临界状态，系统就很难平衡，任何事情都有可能发生。一块岩石的滑动也许会引发一场波及整个系统的雪崩——也就是一场灾难性地震。地震规模的不同只与最初下滑发生的精确方位有关。这就解释了为什么地震是无法预测的，以及为什么可怕的大震动可以毫无预警就突然发生。
这些结果太理想了，以至于让人无法相信这是事实——而实际情况正是如此。其他研究人员立刻对巴克和唐筛减后的游戏版本提出了异议。他们的特殊规则遭到了异常猛烈的攻击。砂堆具有种“保守性”：也就是，当砂粒滚下砂堆时，它们的总数是不变的。砂粒并不会消失，在地震游戏中，巴克和唐使施加在术块上的力以同样的方式发挥作用。当一个木块上的作用力大到足以使之滑动时，他们的特殊法则就把这个力均分给与其相邻的木块。所以就像在砂堆游戏中的砂粒总数不变一样，使木块滑动的总作用力也保持不变。这就是两个游戏结局一样的原因。
不幸的是，断层的真实物理原理中没有什么能使这一特殊性质变成现实的。如果地球物理学家对下滑岩石的表面摩擦法则不甚了解，他们一定也会肯定摩擦力的存在——这一摩擦应该会消耗一定的力。因此巴克一唐规则肯定是不合理的。为了响应这种异议，巴克和唐对其规则进行了修改，使事情更加现实化。但当他们修改之后，这个游戏已面目全非了。它不再等同于砂堆游戏。其能量法则也消失了。地震是无法解释的，至少现在还不能。
错误的一致性
1990年，巴克和另一位同事陈坎写了一篇关于地球和自我临界状态的很长的文章，并把手稿的草稿寄给了其他物理学家，包括在挪威奥斯陆的詹斯?费德。费德和他的儿子汉斯?雅各布(当时还在高中念书)一起，开始在计算机上仿真操作，试图重新得出巴克及其同事的研究结果。费德父子按论文中的所述规则拟订了一个方案，然后就开始做这个游戏。他们记录了不同规模地震发生的频率，最终当取得足够的数据后，便绘制了一份图表。正如所期望的一样，他们发现了一个能量法则。然而，令人懊恼的是，它与巴克及其同事发现的能量法则并不一样——具体数字不同。
费德父子检查了他们的计算机密码，又重新核对了巴克和陈的描述，但是似乎一切都没有出错。他们进行了更多的计算机仿真，但是仍然得出了变更后的能量法则。詹斯?费德十分沮丧，最后给巴克打了电话，经过长时间的讨论终于查出问题的原因：论文的最初稿有一处很小却很严重的印刷错误。游戏的一条规则被写错了。因此费德父子一直是按错误的规则进行着游戏。事实上他们做了一个不同的游戏。不可思议的是，这个新的游戏并不是乏味而没有意义的。如果说伟大的观点可以诞生在一扇“旋转门”中的话，那么重大发现也可以在印刷错误中产生：因为这个新的游戏更进一步推进了酷似盖本伯格一理克特法则的模式，而且不具有保守性的限制。
第一年夏天，汉斯?雅各布与巴克与布鲁克海文的同事机弗?奥拉米和金?克里斯廷森合作，试图理解这一问题的成因。这个三人小组回到最初布瑞芝和科泊夫的游戏，开始追溯巴克和唐的足迹，简化游戏，但又尽量保持忠实于深层的物理原理。最后他们研究起那个棘手的问题：如何详细描述木块开始滑行后的运动。但是在巴克和唐采用令他们招惹麻烦的特殊规则的地方，奥拉米、费德和克里斯廷森发现了其他的办法，这种其他方法具有坚实的物理学基础。
沿另一块岩石滑动的岩石会产生热量。也就是说，在受力岩石中积存的一部分能量不是驱动岩石，而是使它变热。要模拟这一情况，这个游戏还需要加人一个散失能量的类似机械。奥拉米、费德和克里斯廷森很容易就发明了一条新的规则来满足这一点。他们指出，当木块向前滑动时，会因为与地板的摩擦而丧失一些能量。因此，当滑动木块的作用力降低一个单位时，与它相邻的木块增加的作用力要小于这个量，这就是摩擦所耗费的。奥拉米—费德—克里斯廷森游戏——最初是偶然发现的——终于诞生了，它以新的规则取代了巴克和陈游戏中的旧则。
这个游戏还有其他的显著特点。当然，它未必一定要成为地震产生过程的绝对精确摹本。它仅旨在捕捉到给那一过程赋予特色的逻辑的最小核心。然而，如果对游戏规则的微调会导致相去甚远的结果，那么这个游戏就很难让人信服了。那么人们可能会猜测这个游戏是否可以被“调频”，使之与事实相吻合。但是当奥拉米、费德和克里斯廷森改变每次木块滑动丧失的能量时，地震资料统计结果却并未保持不变。他们把它从10％换到20％又换到30％，能量法则没有变化。换句话说，游戏操作方式全然不受规则变化的影响。几乎所有具有这一逻辑核心的游戏都会产生盖本伯格一理克特定律。然而这个新游戏却比原有的巴克和唐的游戏更接近地震的实际情况。在奥拉米—费德—克里斯廷森的游戏版本中，每当地震规模增大一倍，其发生机率就降为四分之一——与关于实际地震的盖本伯格一理克特定律所显示的数字完全一样。
这个游戏还揭示出其他的东西。1995年，日本神户大学的物理学家基素克运用游戏的一个替换形式，做了大量的模拟操作，观察地震发生的精确次数。现实世界中的地震十之八九会伴有前震和后震。这等于是说，大规模地震倾向于成串爆发，越久没有发生大地震，它发生的时间就越晚，这与我们的直觉恰恰相反，也与我们所做的游戏不相吻合。
这种聚集现象的数学标志是在一次大地震发生后，下一次大地震的等待时间的发布，这一时间分布同样遵循一条能量法则。在游戏中，如果你记录了一千次地震每相邻两次的发生时间，你会发现较短的时间出现频率更高，而且符台通常的能量法则模式：比如说等待两周与等待一周相比，不发生地震的机率会增至2.8倍，等待两个月与等待一个月、等待两年与等待一年相比，也是一样。把它与被称为奥漠瑞法则的实际地震分布进行比较：在现实世界中，能量法则中等待时间的数字不是2.8，但已相当接近，是2.6。
怎么会这样呢?
通过巴克和唐、奥拉米、费德和克里斯廷森，以及许多我没有提到的研究人员的努力，近几年，地震才最终开始得到解释。或者更确切地说，地震过程的特点不再是一个不解之谜。美国物理学家理查德?费曼告诫研究量子理论的学生不要问“怎么会这样呢?”以免掉进理解的深渊。量子世界里居民的举止未必会很合理或是一定遵照我们经典的先人之见。然而，在地震领域，我们的预测能力可能甚至比在量子世界中还小，我们目前仍无法回答这个问题：怎么会这样呢?
然而，理解与预测是两码事。事实上，在这一情况下，尽管目前科学家们做出的地震过程图解十分简单，但对它的理解却得出这样的结论：个别地震是无法预测的。地球内部的热能驱使板块运动．地壳又处于板块运动不断带来的压力之下。这一压力不断积聚，直到一个断层某一小段的岩石达到它的下滑极限，开始下滑。最初下滑的断层也许只有一毫米长。也许它只能用显微镜来观察。但接下来发生的就未必如此了，因为体现最终效力的震级与初始原因是没有关系的。
如果地震活动和地震游戏砂堆游戏很相像的话，那么一段时间以后，不同大小的岩石所受的压力和拉力就获得了临界状态的特殊组织形式。地壳被各种长度的不稳定的手指抓得遍体鳞伤，因此，当第一块岩石在某地下滑后，很自然一切都有可能发生。一场地震也许很快就会结束，也可能最初的下滑运动给周围岩石带来巨大的压力而引起进一步的下滑。地震的最终规模取决于一个我们永远也掌握不了的极其微小的细节：第一次微小滑动发生处的那段不稳定的特殊“手指”的长度。
那么，灾难性地震的爆发事实上根本毫无原因。首先，对于这样大规模地震发生的原因有一种解释——就是地壳被调节到一种临界状态，处于大骚动的边缘。但却没有解释——在爆发之后。只是对哪处岩石发生下滑以及以什么顺序发生进行了简单的描述——第一块下滑的岩石碰巧处于最长的一根不稳定手指上，这些手指又置穿于整个断层系统。一场猛烈的震动随时可能在其中任何一处爆发。哥伦比亚大学地震专家克里斯托弗?斯吉尔兹曾经很生动地描述道，地震爆发时，仿佛“并不知道将会发展成多大规模”。如果地震自己都不知道，我们就更无从而知了。
当然，你可能会想，如果可以绘制一张压力和拉力模式的精确图表，极其详细地了解所有岩石的性质和下滑前所能承受的最大压力，等等，那么也许你就可以绘制出一张不稳定手指的地图了。但即使这样，大规模地震的预测也几乎是不可能的。在某些地方。由于岩石已被压迫到了极限。极微小的下滑马上就要发生，地壳中这样的地方不计其数。你需要对所有这些点进行监控以确保它们当中没有任何一点降临到某一不稳定的较长“手指”上。
失衡的世界
从根本上说，这本书并不是针对地震的。它是关于在各个层次上贯穿世界的变化和组织的普遍模式的。我从地震开始谈起并且已经讨论了很长时间，只是为了举例说明我们马上会在其他环境中遇到的思维方式。当谈及与地震灾难相似的金融崩溃、革命或是毁灭性战争时，可以理解我们都很渴望能辨识出这些事情发生的原因，从而可以避免其再次发生。我们很快会发现不规则图形和能量法则适用于所有环境中，这很可能是因为其力学的根本是临界状态。结果，总是渴望得到解释的人类可能只是白白付出心血，而注定要不满意。如果我们的世界永远处在突然而激烈的变化的边缘，那么，即使是在发作前不久，这些和其他的骤变也全都根本无法避免和预测。
然而，也许你对我到目前为止所说的一切都持有很大的异议。你也许会想：难道这个愚蠢的小游戏确实可以解释地壳的剧烈运动吗？应当指出，巴克和唐描述其游戏的最初论文引发了一场猛烈的抨击。为了理解地震，许多地球物理学家花费了毕生精力，极其细致地研究具体地震带和断层系统。对于他们来说，这一草率的数学途径几乎是一种侮辱，只是向理论物理学家证实了克瑞克关于数学家的言论：“我认为，大多数数学家都心智懒散，尤其不爱读实验论文。”毕竟，有少数理论家从没有学过地球科学的任何大学课程，却宣称他们可以用一个不包含实际地震发生时物理情况的复杂细节的一个玩具模型来解释地震。
例如，布瑞芝和科泊夫的模型就是对现实问题的一个过于简单的描述。它几乎删除了实际的断层中几何和物理性质的所有细节。地震发生在岩石中，真正的岩石中。但是这个游戏并没有提到岩石的性质，只是“几乎作为一种事后想法”承认由弹簧代表的岩石也具有弹性这一特点。而且，正如我们看到的一样，现实世界中的地震极少只涉及到一个断层，它们几乎总是牵涉到一个极其复杂的断层网络，所以，不能说一场地震发生在这个或那个断层上。下滑现象总是在许多断层和次断层上同时发生。可是，这个地震游戏只包含了一个断层。巴克和唐的删减后的游戏版本甚至更糟糕。因为它在分析木块运动中随意违反了物理规则——不可避免的摩擦作用。奥拉米、费德和克里斯廷森的游戏版本部分地纠正了这个错误，但是它几乎不是基于对物理状况的仔细分析之上的。对真正物理原理的有意篡改又怎么可能产生任何对于实际地震有价值的观点呢?这些地球物理学家得出结论：所有这些模型也许都是聪颖的游戏，但它们也只是游戏而已，它们与盖本伯格一理克特定律的神奇的一致也只能是一个毫无意义又索然无味的巧合。
今天，一些地球物理学家还持有这一异议，这有价值吗？要回答这个问题，我们也许得再深入地探讨一下具体地震的所有细节，以期找出那些真正起作用的因素。但是，细节的数量几乎是不可限量的．而且幸运的是，我们还有另外一个思路来解决对有意回避事实提出的异议。读到这里，也许你会认为，存在于砂堆游戏和地震这些奇异行为之后的临界状态是巴克、唐和威森菲尔德在1987年发现的。事实并非如此。他们在自己的游戏中创造了临界状态，在发现中得出结论。但是，临界状态的科学早在几个世纪以前就有了基础。
这些基础渗透到了极其平常的事物的物理原理中去——比如，磁铁的运动，以及液体遇热汽化的分子变化。可30年后，这块贫瘠的土壤却孕育出了现代物理学中最具诱惑力的、最有力的观点，可这些观点却不为外行人所知。今天，这些概念使物理学家得以在地震学、_凡类生理学、进化生物学和经济学等广阔的领域内建立永久的阵地。
磁 性
在我们生活的世界上，诗人、历史
学家和职员都十分骄傲，因为他们甚至
都不需要去学习任何科学，科学对于他
们来说就是一个长长的烟囱的另一端，
任何智者都不会将脑袋伸入这个烟囱的
中心。
—_J．罗伯特?奥本海沫
进行基础研究就像是向空中射出一
支箭，等箭落地后再画上靶子。
——荷马?阿德金斯
俄国物理学家派奥特尔?卡皮萨连续二十年担任莫斯科物理学院的院长，有一次去英国旅行，有人曾问他皇家学会实验室墙上画的一只鳄鱼是什么意思。他后退几步，仔细研究着
这幅画，最后得出结论，说它应该被理解为一句关于科学本质的陈述。他说道：“鳄鱼无法转动脑袋，这就像科学一样，它必须带着吞掉一切的下颚不断前进。”
1938年，卡皮萨在他莫斯科的实验室里把氦气冷却到令人难以置信的-271℃，，只比最低的绝对零度高了2℃。他希望会在这种冰冻的环境中发现一些有趣的现象，这一次他没有失望。卡皮萨发现当氮气处于超低温下时，它先是变成了一种普通的液体，之后又变成了一种最最纯正的橙黄色物质——一种超液体。超液体可以像任何液体一样被倒人一支罐子中，并一直置于其中，但是如果你把它在碗中旋转搅动起来，它就会永远旋转下去。超液体缺少所有普通液体具备的物质：黏性，一种最终使所有运动停止的内部摩擦。蜂蜜的黏度很大，水的黏度不大，超液体则一点也不具备。
当卡皮萨发现这种物质时，它看上去奇异而诱人，同样，那吞噬一切的下颚也并未让人惊慌失措。几年之后，一套关于超液体氦的正确理论就出台了，到1950年，它就根本不再是什么神秘的物质了。
1600年，英国物理学家、科学家威廉姆?吉尔伯特出版了 一本名为《磁性》的不朽的论文，这在当时是关于普通磁铁的性质的最全面的研究。吉尔伯特的磁铁可以吸住铁钉，拖动剑和马蹄铁，可以由于不同的方向而相互吸引或排斥。他在书中还记述了另外一个不十分明显的细节。吉尔伯特把他的一块磁铁投入了一个五金商的壁炉里，磁铁变热，发出橙色的火，令他惊讶的是，它无法再吸住铁钉了。酷热似乎使磁铁的能量失效了。
人们也许认为，吞噬一切的下颚许多年以前就已吞掉了关于磁铁的神秘之处，其实不然。对于吉尔伯特的观察的第一个适当的解释仅仅出现于300多年之后的1907年。40年之后物理学家们才认识到这第一条理论实际上是完全错误的，又过了30年，他们才提出了一个更好的理论来代替它。总而言之，科学花了将近4个世纪才吃掉了磁铁。然而，在破解这一神秘的过程中，物理学家们得出了一条深奥的教训：世界比看上去的要简单。当人们要理解什么事物的时候，细节绝对是无关紧要的。
关于顺序
一块金属中的每一个原子本身就是一个小型的磁石，它能够指出所有方向：上、下、左、右，等等。所以，你可以把一块金属的内部想象成一队箭头。早在一个世纪以前，物理学家们就知道一块金属是否具有磁性与这支队伍的组织有关。一块金属也许在室温下被放在桌子上，也许在壁炉里被烤得吱吱作响。关键的问题是：所有这些箭头都指向哪里呢？
这些原子磁石会一个挨一个地排列起来，如果不受任何外力，它们会像一支训练有素的军队一样排列得井然有序。但是这些箭头有一个不断发难的敌人与之竞争：热。任何物体的温度都表明其内部含有无秩序的能量。在温暖的空气中，分子的飞行比在寒冷条件下更为猛烈。在固体金属中，原子并不飞来飞去，而是在固定的位置上不停地颤动，当金属遇热后，这种颤动就更为剧烈了。所以当金属原子之间的磁力努力将它们排列起来时，热量却不断地搅扰它们。在有序与混乱的力量之间展开了一场战争，战争的结果就决定了磁铁的外在表现。
如果在室温下将这块金属放在桌子上，原子磁石遇到的阻力是很小的，它们就可以排列成行。当然，每一个原子磁石的力量是极其微小的，但是即使在一小块金属中，原子的数量也会远远超过10^24(也就是1 000 000 000 000 000 000 000 000)。
这支军队协同作战会有相当的力量，这块金属足以吸住铁钉。另外，如果这块金属在壁炉中被加热发光，那么一场吱吱作响的猛烈风暴将摧毁有序的力量。如果抓拍一张快照，你会看到一支东倒西歪的军队。在这种情况下，所有小磁石的效应都抵消了，这块金属也就无法吸住铁钉了(图8)。
图8在高温下(a)，一块磁铁内部的金属磁石无法排列成行，恼人的热能推力太大了。但是，如果温度降到某一特定的关键值以下(b)，战斗就发生了转变：现在面对较弱的阻力，壁石可以组织起来，金属也就具有了磁性。
这只是被物理学家们称做阶段过渡的一个例子。当冰化作杜松子酒和滋补品时，或者当一块卵石蒸发并消散在空气中的时候，这些都属于阶段过渡：两者都是某种物质从一种形式或“阶段”过渡到另一种。在两种情况中，事物的内部运动都发生了变化，其原子或分子重新进行了组织。当卡皮萨的氦气突然从一般液体变为超液体时，他发现了另一种阶段过渡。
那么，对于磁铁来说，情况似乎更为简单了：遇冷时，有序的力量会胜出；遇热后，战斗发生了转变，混乱状态占了上风。但是，这还不是全部情况，因为它忽略了一个十分有趣的细节。在某个中间温度上，有序和混乱的力量一定会处于僵持状态。这个温度被称为临界点，金属的临界点是770℃。在这一温度时，箭头大军会怎样呢?某一物体既非井然有序，也不是混乱无章，而是处于两者敏感的边界上，这究竟是什么意思呢?这些问题的答案更难理解。事实上，在20世纪40年代，物理学家必须去沼泽地才能开始寻求问题的答案。
0的故事
1941年秋，德军正在占领包括芬兰、丹麦和挪威在内的西欧和北欧的大部分地区，挪威物理学家拉斯?盎萨格是一个幸运儿。当时，盎萨格远在美国，在他已经工作了将近十年的耶鲁大学中。也许他在努力从祖国面临的残酷现实中摆脱出来，也许他正受着无休止的好奇心的驱使。无论出于何种原因，盎萨格正在忙于解决人类面临的最复杂的运算的某些细节问题。
在每块金属中，热量的喧嚣使原于箭头无休止地一会儿朝向这边，一会儿朝向那边。既然一小块金属都会含有无数原子，要想极其详尽地预测每一个原子的运动显然是不可能的。
幸运的是，盎萨格的目标要现实得多。假设你负责疏导10万个球迷进入一个体育场。你是不会密切关注其他任何个人找到座位的具体路线的。但是，你却想知道大致有多少人会可能从北门进，从东门进，等等。盎萨格面对原子群也想得到与之类似的信息。忘掉这个或那个原子磁石。在临界点上，箭头的队列大体将会怎样呢?
体育馆的官员们无法计算出他们的答案：答案来自于残酷的经验。从理论上讲，盎萨格处于更为有力的地位，因为物理学家掌握有用的方法可以计算出这种平均值。被称做统计力学的物理学分支就是关于由诸如原子或分子等大量物质组成的群落的大致行为的，其主要解决途径被称为吉伯新公式，1902年因其发明者美国物理学家乔费阿?威勒德?吉伯斯而得名。该公式是一组与牛顿定律很相像的方程，只适用于平均值，而不适用于像行星一样的个体的运动，但是盎萨格发现，对于磁石来说，即使这条途径也帮不上他。既然每个原子磁石都会影响到整块金属中其他每个磁石的运动，那么遵循这一途径就意味着硬着头皮进入一片无法穿越的数学森林中。盎萨格一筹莫展。
然而，他决心在某样东西上运用这一途径，并采取了大胆的措施。现实太复杂了，所以，他决定将它简化一下。首先，盎萨格假定一块磁石中的所有箭头都被套在了一起，所以它们不会指向各处，而只是指向上或指向下。其次，他假定每个磁石不会对无数个其他磁石产生影响，而只会影响到其周围的几个。即便如此，还是难以运用这条途径。所以，盎萨格又从现实向前迈了一大步。和我们一样，每一块真实的磁石都存在于普通的三维空间之中。盎萨格把他设想出的磁石的生命进行了压缩，将其囚禁在一个二维空间中，在一片沼泽地中，这时磁石就像是一只挤在两片玻璃板之间的虫子一样。
为了使之形象化，你可以想象一组列在棋盘方格上的原子磁石，每个箭头都只能对其周围的4个箭头起作用。这个磁石的玩具模型无异于是对真实磁石的一种歪曲，然而盎萨格又继续着他的研究。工作依然很难开展。结果表明，统计力学的解决途径要求人们依次研究由向上和向下的箭头组成的每一个图形。即使一个一边有100块磁石的小棋盘，也有2^1000个这种图形，其数值相当于1后面加上几千个0。如果你要在纸上画出所有这些图形的话，那么不等画完你早就死了。即使你能够长生不老，一直画到不能动而所有的空间都塞满了纸片，你也只是万里长征迈出了第一步。
尽管如此，盎萨格还是在1940年冬天开始了计算，希望会有什么神奇的图形出现。他在多年之后回忆道，“这就是一种投资，你发现一个很好的目标，必然要争取到；在达到这一目标之前…”又出现了另一个……目标一个接一个地出现，每个都令你爱不释手。”尽管有太多的组合，但是盎萨格发现借助一些数学技巧，他可以将不同的图形归纳成几组，所以他可以一次就处理大量图形。
经过将近一年，盎萨褚终于走完了这条途径。然面，令他沮丧的是，此时他发现他打开了一个数学保险箱，却发现里面还藏着另一个。他的二维磁石模型大致行为的数学解答形式还是无法清晰地描绘临界状态。又经过6年多的努力——这次是在一位有才华的年轻学生布鲁瑞亚?考夫曼的帮助下——他终于了解到一些箭头图形的更为有趣的性质。
假设在磁石群中的某块磁石x碰巧指向上。这对于离它有一定距离的另一块磁石有什么影响呢?用物理学术语来说，这是一个有关磁石之间“相关性”的问题，盎萨格和考夫曼在处于临界点上的磁石模型中发现了有趣的结果。如果磁石图形完全是随机的，那么任意两块磋石指向同一方向的机率就为50％(记住，箭头只能指向上或指向下)。而精确的计算显示出，两块磁石离得越近，它们就越有可能连在一起。
这听起来很有道理，也不太深奥。每当盎萨格和考夫曼把两块磁石的距离扩大一倍时，它们指向同一个方向的可能性就减小大约1.19的一个因子。这个关系适用于在棋盘上相距10个、100个或是1 000个格的两块磁石，也同样适用于相距100 000个或1亿个格的磁石。这是十分深奥的——因为这一结果的简明形式是一条能量法则。
派系的兴起
数字计算机被称做“自精确计时法发明以来科学方法上最重要的认识论上的进步。”这是很有道理的。当然，盎萨袼和考夫曼无法使用计算机，但我们却可以，它为我们提供了理解他们的能量法则的核心意思的最简单的方法。使用一台快捷的计算机，我们很容易就可以在一个坐标方格上设置250 000块原子磁石，并任其自由发展。主要思路就是在各种不同的温度下进行计算，并且将“向上”的碰石涂成白色，“向下”的涂成黑色，以此来显示最终图形。让我们来看一下几种典型结果吧(图9)。
前两张图片(a和b)对应在临界温度以上或以下的磁石。与预想中的一样，在临界点之上，热能占上风，磁石排列一片混乱。每一块碰石都快速地任意上下翻转，这是真正的混乱场面，图片看上去就像是没有调好的电视机上出现的静电干扰。然面，在低于临界点的温度下，几乎所有的磁石都能够朝“向下”排列起来，在这个有序的环境中，我们几乎可以看到一片纯黑。这一点没有什么令人奇怪的。
现在取第二张图片，把温度提高一点，使之接近临界点。局面变得更为有趣了：当大多数磁石还仍旧粘附在一起时，几队白色的异教徒开始入侵了。继续升温，这些队伍就不断壮大
图9在临界点以上(a)，沼泽地一片混乱。原子磁石指向上(白色)
和指向下(黑色)的比例相当，一块磁石的指向也不会对其周围的磁石产
生任何影响。在临界点以下(b)，一切井然有序，此时，几乎所有的磁石都
一个接一个地排在了一起。临界点本身(c)是一个特殊的处于有序和混
乱之间的交界，白色与黑色的磁石彼此交错，其所占比例也不断地变来
变去。(摘自J J?拜尼和其他人，《临界现象理论简介》，牛津大学出版
社。1992年，经许复制。)
并且数量也不断增多。最后，当温度到达临界温度时(图9c)，侵入的磁石所占的比重已经相当大，以至于人们可以不离开白色而穿越整个队列——或者，如果你愿意，不离开黑色也可以。这就是临界状态——磁石的状况完全处于磁性和非磁性之间。这张图片反映出了那条能量法则的涵义。
在临界点上，磁石的集结有大有小，从单个独立的到穿越整块磁石的大面积联结都有。如果我们加入更多的磁石，使整个图的面积有如美国版图一样大，那么情况还是一样的。这种集结既会有小块，也会有从纽约到洛杉矶的一大片。我们在第3章和第4章中得知，每条能最法则的几何规律性都表明没有典型的规格，在不规则图形——临界点图像中，这一特点异常清晰。但是，一幅图片的确无法合理地描述临界状态的特点，因为它是一直不断变化的。
如果在不同的时间拍下快照，你就会看到磁石集结的联合不停地变来变去，一些解体了，而又有一些形成了。临界状态易于出现急剧的波动，总是倾向于发生突然而激烈的变化。“极端敏感”是一种保守而低调的说法。既然这支箭头大军处于两个阶段之间的悬崖之巅，总是要倒向某一边，即使最微小的影响也会把它推下悬崖。只要有一块碰石滑落了，就足以引起一场雪崩，使所有磁石都从一边转向另边。
但是，等等——不要太激动。盎萨格是用一个连他自己都觉得荒唐可笑的模型开始研究的。我们所研究的计算机图片来自于对这个可笑的玩具的模拟： 一块在沼泽中备受煎熬的磁石。如果我们让这幅图片更接近现实一些会怎么样呢？真正的磁铁会怎样？其他物质，比如说水，或者卡皮萨的氦气呢？要回答这些问题，我们需要看几个重要的数字。
深层理论
在盎萨格和考走曼的能量法则的关系中出现的数字1.19是这一临界状态的数学标志。我们发现，在前几章能量法则的关系中，当规格不断变换时，都存在一个同样有规律的模式，而具体数字在每种情况中却不尽相同。把地震的规模扩大一倍，盖本伯格—理克特定律认为这级地震发生的可能性降为四分之一。把你要寻找的马铃薯碎块的体积扩大一倍，断裂的能量法则告诉你这种碎块的数量会降为六分之一。当然，每一个这种数字都对应着某种具有自我相似性的不规则结构关系，所以，为了更为详细地了解临界状态的性质，物理学家们不仅重视能量法则的形式，也很注意其中出现的具体数字。
因此，会有许多不同的临界状态存在，每种状态的临界数值都各小相同，我们可以预想往不同物质的阶段过渡中会有不同的临界状态出现，这些物质既可以是实实在在的，也可以像盎萨格的磁石一样是想象出来的，既然盎萨格用可笑的玩具得出了数字1.19，我们应该相信真正的磁铁会有另外一个数字——毕竟，盎萨格在制造他的模型时几乎完全忽略了事实。我们同样有理由认为，其他阶段过渡的临界状态中的数值是各不相同的。气体或液体原子之间的相互作用与两块小磁石之间的这种相互作用大相径庭。原子或分子到处乱飞，彼此相撞，而磁石则原地不动只是改变着方向。对于超液体氦来说，量子世界的规则十分重要，发挥作用的力量也远非我们所熟知的力量。
所以，20世纪60年代，研究人员观察了许多物质，如氧、氖和一氧化碳等，从气体到液体的变化，当他们得出了完全相同的临界值时，不免大为困惑。当这些数值又出现在关于化学药品的混合和分离的阶段过渡中时，他们更是惊讶不已，这是一种与气体液化毫无相似之处的过程。最令人震惊的是，这些数值在盎萨格研究的磁石模型三维版——个极其粗糙的磁行模型，而且显然与化学药品的混合和液体的压缩毫不相干的计算中再次出现了。
到1965年时，物理学家们一直在关注一个让人几乎难以置信的可能性：不仅临界状态和集结现象出现在所有阶段过渡中，而且这种状态确切的数学性质几乎与所涉及的物质的细节毫不相干。这个观点一直都只是一种充满诱惑的模棱两可的可能。直到l970年，一位芝加哥大学的年轻物理学家才为之提供了更可靠的证据。如果说没有多少细节发挥丁作用，利奥…卡达勒夫则设法研究了那几个真正起作用的细节。
在临界点上，随着集结不断扩大，会有大片组织随时在任何地方出现，它们不断涌现，之后又消失了。集结会增长到多大呢？它们又会多快解体呢?这些问题归根结底都是关于那个基本的几何问题：在点上的有序影响要使邻近各点遵循相同的秩序到底有多难？这不是物理问题，而是一道几何题。在一块普通的三维磁石中，每块原子磁石都可以在三个不同的方向上对与之相邻的磁石施加影响。然而，在沼泽地中，可能如此的方向已律不复存在了。
在研究不同阶段过渡的临界状态中出现的临界数字时，卡达勒夫发现，被考察事物所处的基本物理维度是起作用的因素之一。他还发现，似乎另外只有一个细节是发挥作用的，这就是个体元素的大致形状。比如，在氚气中，每个原子都像是一个小台球。它可以到处运动，却不能指向。在磁石中，原子像箭头一样，由于它们可以指向许多方向，也就可以“做”更多的事情。当个体元素有更大的选择性时，你可以想象得到，有序状态就更难从一处传到另一处了。毫无疑问，这一细节同样影响着临界状态中自我相似性的具体形式。
然而，令人难以置信的是，卡达勒夫发现其他因素似乎都没有发挥作用。所以，抛开原子团和有关粒子发出的电荷吧，不必计较那些微粒是氧原子、氮原子、氪原子、镍原子还是铁原子。无需理会它们是单一原子，还是由几个甚至一百个原子组成的复杂分子，实际上，我们可以完全不管粒子的种类，以及它们之间的相互作用的是强是弱。这些细节对于临界状态的组织不会产生丝毫影响。物理学家们把这个大大的奇迹称为临界状态普遍性，它日前已得到了上千个实验和计算机仿真的证实。
在临界状态，有序和混乱力量势均力敌，没有哪一方是完全的赢家或输家。争斗的特点以及由此引发的不断变化的纷争也同样几乎与所研究的物质的所有细节都毫不相干。该物质的物理维度和其元素的基本形状——点、箭头等等——都起著作用。其他一概都无关紧要。
所以让我们向抽象迈出小小的、但却很有收益的一步，
去设想一下由所有可以想象得出的物质构成的概念世界吧。这个世界将被自然地分成几个国家。这里会有“三维空间里像箭头似的事物”的国家，还会有“一维在线像点一样的东西”的国家，等等。物理学家把这些国家叫做“普遍性门类。”普遍性的奇迹是指属于同一等级的任何两种物质，尤论是真实存在的，还是想象出来的，不管看起来差距有多大，一定会有完全相同的临界状态组织。
临 界
为了提到临界状态及其特性，我们将话题扯得远了点。现在，我们就要看一下它的最深层次，也是最深奥的涵义了。因为在临界状态普遍性上，自然送给科学家的那份礼物，令他们惊讶不已。
既然每个物理系统都属于某种普遍性门类，那么如果你理解了一个门类中任何一个系统的临界状态，你就马上理解了该门类的所有系统。但是应该注意：即使是像盎萨格的那种最粗糙的玩具模型也是属于这些普遍性门类的。所以要理解处于临界点上的任何真实的物理系统，你也可以把该系统所有真实的庞杂的细节统统忘掉．而只专注于属于同一普遍性门类的最简单的数学游戏，这个游戏可以不很精致，甚至可以极其粗糙。它可以违反物理定律、完全忽略真实系统的每一处细节，然而，你却可以放心，只要那两个关键条件是正确的，它就会与真实的物理事物具有完全相同的临界行为即使最粗糙的模型的运动也会和真实物体完全相同。
这又使我们回到了对地震游戏提出的那些异议中。我们在第5章中见到的木块和弹簧模型与真实的地壳并没有什么关系。就连一块真正的岩石的性质也没有在模型中体现出来，这个模型也没有尊重在现实世界中地震是发生在断层体系中，而不是单一的断层上这一事实。再问一遍我们当时时问过的问题：对真实物理状况的有意减化怎能得出对于真实地震的有价值的见解呢？如果说这一玩具模型得出了盖本伯格—理克特定律。那会不会是无意的巧合呢?
现在，我们得出了一个更深奥的观点。对于处于临界状态下的事物来说，只要我们保留几个真正重要的细节，完全可以忽略几乎所有细节，而理解其主要组织。鉴于盖本伯格—理克特能量法则以及地震在时间上的自我相似聚集性，地壳看起来是处于在时间和空间上都没有固有的典型规模的临界状态中。这点就反驳了缺少细节这一异议。地壳的主要运动的确可能利用极为粗糙的模型得到理解，比如布瑞芝和科泊夫的木块和弹簧模型，或是由巴克和唐以及由奥拉米、弗德和克里斯廷森发明的现代版本。
所以，我们已经达到了一种也许可以被称为临界思考的态度。处于临界状态下的事物倾向于表现出相似的组织，这种组织不存在于那些系统的具体细节和组成要素中，而是从这些细节背后基本几何和逻辑的极为深刻的框架中产生的。无论什么事物都会产生临界形式。所以当第一事物被认为处于一种临界状态之中时，我们就可以不必考虑大多数细节而理解其主要特性了。
我们很快就会看到，许多其他事物，例如经济、生态群落，甚至科学自身的运动．也都具有这种组织的特性。把阶段过渡放到一边，转向这些系统，我们可以预见，既然临界状态只有几种，并且界限分明，那么世界上存在的组织种类其实十分有限。表面看来大相径庭的事物也许在组织形式上极其相似。
关于临界的思考
科学思维的目的是在具体中见
抽象，在瞬间中见永恒。
——艾尔弗雷德?诺斯?威特罕德
模型的目的不是为了反映资
料，而是为了使问题尖锐化。
——塞缪尔?卡林
1942年12月2日下午早些时候，一些物理学家排成单行走进了芝加哥人学足球场下面的网球场。这次他们所做的是个具有历史意义的实验。在一个用球场改建的临时实验室里，这个小组建造了世界上第一个核反应堆。他们在一块巨大的花岗岩上钻了一些洞，在洞中插入了些改良铀的长棒。该项目的总策划安利克?弗米六年前发现，当铀的原子核被一个中子击中时，会分裂开来并释放出其内部的中子。这些中了通过撞击其他铀核子，在理论上可以再引起进一步裂变和核子内部中子的大量释放——一个自我维系的原子核反应。
至少，这在理论上是行得通的。这一理论同时表明，除非人们很小心，要不然反应堆会自发启动的。毕竟，即使没有刺激，铀原子核也经常会分裂，放射出中子。当条件合适时，甚至仅一个这样的中子就会引发一长串反应。为了避免反应堆在他准备好之前就开始运作，弗米在铀燃料棒之间插入了镉质的“控制棒”，它们通过搜集吸收中子和确保由单个中子触发的大规模释放能马上停止，来控制反应堆。但在今天弗米准备去掉控制，看一看到底将会发生什么。
刚过下午3点，当弗米抓住绳子的拉环，开始慢慢把镉棒拉出反应堆时，每个人都异常激动。物理学家尤金’威纳端着 一瓶用来庆祝的意大利基昂蒂红葡萄酒，异常紧张义满怀希望。
当镉棒被一寸一寸提出时，一台盖格计算器开始记录反应堆偶尔发出的喀哒声，再拉出一点，那声音就变成机械枪发出的嘎嘎声了。弗米已事先用他的滑尺汁算出在反应堆迅速转变成一个巨大的链式反应前，他可以把镉棒拉出多长，下午3：36，当镉棒被拉到那一位置时，盖格计算器已经转疯了。弗米不再拉动镉棒，他把反应堆调控在临界点的微小范围内，这时一个单个中子就可以引发任何规模的大量释放。
这一事件隐含的信息就是没有什么可以自发达到临界状态，调控是至关重要的。无沦是在核反应堆中还是在磁场中，创造临界状态使每一微小事件足以引发大规模持久巨变，要花费很大气力。把一块旧铁块投入壁炉中，它在升温的过程中会越过临界状态。但是要使其温度保持在770℃，就得仔细调控了，有一二度的差异，铁块就会错过临界点。这就是为什么1987年巴克、唐和威森菲尔德对他们简单的砂堆游戏能够自发处于临界状态，感到困惑、疑虑和震惊。他们的计算机缓慢而又随意地在一个平面上投下砂粒。砂堆不断增大、变质，之后发生了雪崩，开始只是涉及到几粒砂子，随着砂堆的增大，雪崩的典型规模也随之增大。最终，正如弗米适当调控的反应堆一样，砂堆达到临界，可能爆发任何规模的雪崩。但是巴克、唐和威森菲尔德并没有设置任何按钮来控制这一程序，临界组织自身发挥了效力。
每当他们发现一个奇迹总要给它命名，这次他们把它称做“自我临界状态”。物理学家在历史上第一次发现了一个完全不需要控制而可完美地自发组织到临界状态的事物。而且，这种组织还富有弹性。你可以伸出手来，去除一半砂堆，绝对没有问题。只要不断有砂粒落下来，它自己还会进人临界状态。你不要以为可以在矿堆中找到一块处于临界状态的磁石。对于磁石来说．这一状态是相当特殊的。但是如果一种临界状态可以自发产生的话，就不难设想砂堆并不是自然界中惟一具有这一显著特性的事物、
伊萨克?牛顿发现了行星运动定律，结果，这些定律同样适用于彗星、雨滴、下落的苹果、卫星、直至流体和飞机以及地球上和地球心外存在的几乎一切事物，在解释受热物体发射出的光的颜色时，马克斯?普兰克发现了量子理论的基础，他的这一发现很快就扩展到物理学的每一个角落。一个重大发现问世以后，科学家会突然看到他们以前从来看到的世界。
我们已经知道，自发临界状态是地壳进行无规律又不可预测的运动的原因，地壳仿佛就处于一种临界状态之中。缓慢而又不可逆转的大陆板块漂移运动就像砂粒的下落一样，它使得地壳进入一种会发生任何规模“雪崩”的状态——在这种情况下，涉及的是在断层上相对滑动的岩石。世界上还存着与砂堆游戏同样复杂、并具有同一主要逻辑的其他事物吗?十几年来．这个问题一直笼罩着一层“争论不休的紧张气氛。”物理学家还没有弄清全部答案，但是他们的发现既有趣又微妙。
适当燃烧
要弄清楚1988年黄石国家公园的森林大火为什么如此可怕并不容易。大火蔓延的原因、方式和地点取决于沿途树木的种类、密度以及树林与草地交织的具体结构。风力驱动大火蔓
延，而雨又减缓了这一速度。这片森林详细的历史也与之有关，某些地区的树木要比其他地区老得多，这影响到它烧起来是否容易；河流之类的自然障碍，也可以缓解大火的进程；同时，大火又能把其灰烬吹到河的对岸，在前方一公里以外的地方燃起新的火种。
鉴于以上种种影响，难怪科学家们在预测森林大火上取得的成功与在地震预测方面不相上下。如果说美国林业局在黄石公园束手无策的话，这也许就是因为他们有太多的问题需要考虑了。同样，也许还有更进一步的原因。1998年，科尔奈尔大学的地质学家布鲁斯?马拉穆德、戈莫?摩雷恩和唐纳德?特科特收集丁芙于上个世纪美国和澳大利亚发生的森林火灾的大量资料。一场典型的森林火灾到底有多大呢？
也许人们认为火灾的历史会表明，自然的破坏力和人类的保护努力大致处于一种僵局。为了证实这一点，马拉穆德和他的同事绘制了一个简单的图形来表明吞噬1平方公里、10平力公里等等的火灾的发生频率。令人惊讶的是，他们并没有发现火灾典型规模存在的任何迹象。相反，他们掌握的关于 1986年至1995年间发生在美国鱼类和野生动物局所辖地区的4 284场火灾数据显示出一个相当明确的能量法则。我们又一 次发现了同样的几何关系：把火灾吞噬的面积扩大一倍，其不发生的机率就大约增至2.48倍，这一关系适用于所有规模为一百万的园子之一的火灾。换句话说，尽管大火的蔓延情况十分复杂，但当你观察不同规模火灾的发生频率时，却可以发现一个极其简单的关系——一个适用于生态大火的盖本伯格—理克特定律。
我们应该记得具有规格恒定性的能量法则表明大事件只是较小事件放大后的版本，两者的起源是相同的。特大地震并不是由特殊情况引发的，而只是地壳整个临界组织的大规模链式反应，是一种自然状态下的敏感反应，也许是不太常见的结果。科尔奇尔的研究人员发现这一点不仅在美国、澳大利亚，而且很可能在世界上其他地方，对于森林火灾都是如此的。当火灾发生时，“它并不知道会发展成什么规模。”大火会极其自然地蔓延，因为每一片森林都是一种临界状态的组织，所以一场具体火灾的发展规模在很大程度上是随机的。
能量法则本身只是一种资料，它也许暗示出大地震与小地震在成因上井没有区别，但是一个怀疑论者也许还是会对此感到奇怪。为了进一步理解能量法则是如何产生的，马拉穆德和他的同事又向前迈出了一步。在上一章中，我们设立了一个普遍原则，表明如果一个事物处于临界状态的话，那么制造一个工作原理与之完全相同的模型就并不困难。只要你掌握了运动一点一点发展这一过程的核心逻辑，你就可以抛开所有细节了。那么，对森林火灾来说，关键是什么呢？
目前就大火的蔓延而言，科尔奇尔研究人员归结出三条原则。首先，森林是由树构成的，如果不受什么影响，一定时间后，树的数量会有所增加。其次，某一地区的某棵树偶而会着火。再次，这场火会殃及附近的其他树。对于林业工作者来说，这一概要描述是对森林的一种荒唐可笑的过分简化。然而，马拉穆德和他的同事把这些原则引入了一个数学游戏，并用计算机来对游戏进行操作。
像砂堆游戏一样，森林火灾游戏是在一个坐标方格上进行的，每隔一定时间，计算机就在任意方格内种上一棵树。随着时间的推移，在整个森林不断有树任意长出，树的数量便不断增加。然而，当已经种出一定数量的树后，计算机就频繁地往任意一个方格内投下一根火柴。因此，我们让树按一个统一的频率冒出来，每一步长出一棵，并让火柴按一个较小的频率落入方格——比如说，每200棵或400棵树落一根火柴。当火柴落下后，如果落在一个没有树的方格内，它就毫无作用。如果它落在一棵树上，树就着火了。这个游戏的最后一条规则是，一旦一棵树着了火，它会在下一时间内引燃周围四个方格内的所有树。这就是整个游戏：随意长出树，使单棵树偶而着火，又让火蔓延开，如果它能办到的话。
这个模型不包含任何诸如河流或公路之类的火的障碍物。森林中不长树的空隙星罗棋布它们就是天然的屏障。这个模型还将所有树都强行规定为一种类型。所有树的着火机率是一样的，而且一旦着火，燃烧速度也是一样的。该游戏忽视了消防队员的作用和天气的影响。由于遵照着普遍观念，游戏的操作仍然无懈可击地符合实际森林火灾的数据。马拉穆德和同事们进行了几次模拟操作，每次操作都记下了坐标方格中某特定地区被火烧毁的次数。像在实际森林一样，小火灾比大火灾要多。但是尽管该模型在质量上很难让人赞赏，它仍然得出了一个近乎完美的能量法则。坐标方格的树木网仿佛能够很自然地自发调节到一种临界状态，这时，下一根火柴可以引燃一场任何规模的火灾，甚至是焚毁整个森林的大火。
鉴于这个简单游戏的惊人的一致性，马拉穆德和他的同事得出了这样的结论：地壳不是惟一能够自发处于临界状态的事物——森林也是如此，至少如果任其自便的话。这一限制条件是完全必要的。因为这个游戏还提供了另外一个有趣的细节，这甚至可以帮助美国林业局减少今后大规模灾难性火灾的次数。
超临界
黄石公园1988年的大火烧毁了150万英亩的林地。当然在临界状态下，我们没有理由去寻找重大事件发生的特殊原因。临界组织的存在本身就意味着森林就像弗米的临界反应堆
一样悬在灾难的边缘，无论怎样，骇人的火灾总是会偶尔发生的。但是现在，黄石公园和其他美国公园的森林状况甚至更糟。如果弗米不停止抽出他的控制棒，反应堆会陷入一场灾难
性的失控反应，每一个中子都会触发场雪崩式的中子释放，继而增加更多的中子。那天，也就不会有人用威纳的基昂蒂红葡萄酒庆祝了。小幸的是，上世纪美国森林的管理政策相当
于在生态领域一次性拔出了控制棒，结果，目前森林虽然还没有处于灾难的边缘，但已在它几乎确定无疑的道路上前进了。这个游戏显示出其原因。
我们应该还记得，计算机很频繁地投下火柴。马拉穆德和他的同事可以控制这一频率。有时，他们让计算机每种上100棵树后就投下一根火柴，有时，种了2 000棵树后，他们才投下一根。按第一种速度，火柴下落很频繁，引起了许多火灾。按第二种速度，下落的火柴相当稀少，因而火灾发生也没那么频繁，在这第二种情况中发生的事情很有启发性：既然没有太多火灾，树的密度趋向于增大，因为没有什么来破坏它们。实际上，当相对于一根火柴要种下2 000棵树时，在看到一场火灾冒出火星之前，这个游戏就一直是向坐标方格里添充树木。当终于看到火星时，其结果是毁灭性而又不可避免的——仅一棵树着起火，也会殃及整个森林。换句话说，当火灾的初始频率很低时，这个游戏就已显示出发生毁灭件灾难的明显倾向。
马拉穆德和他的同事们把这个游戏称为“黄石效应”，它解释了为什么美国土地管理局承认，尽管他们已经花了大力气控制自燃性火灾，近几年来野火却变得更频繁更凶猛，也更难以控制了。
1890年以来，美国林业局的态度已变为“无法宽恕”，即便是对于由自然原因引起的舞林火灾，林业局也竭尽全力地扑灭每一场火灾。这是在森林火灾游戏中不太频繁地投下火柴，这一做法的现实版本是它看来也导致了类似的结果。
这个过程的一个意料之外的结果就是森林开始老化。老树没有被新树所取代，森林物种的自然进化被改变了。枯死的树木、草和小枝、柴枝、树皮和树叶不断累积，结果，森林脱离了自发临界状态。问题在于火灾是保持森林处于那一状态的自然力中不可或缺的一部分，因此，由于压制火灾，森林就趋近了种更为不稳定的状态，一种超临界状态．到处都是大密度的可燃物质。正如位作家评述的一样．“自然母亲已经把一个相当于世界末日的装置藏匿于森林中。”被严加保护的树林已经建立起个由倒下的和站立的死树、枯枝、可燃的下层灌木和草构成的巨大的燃料库……只要一道闪电或是一个烟头就足以引发大量火灾。
现在，美国联邦野外火灾政策局通过以往的实践已经认识到美国森林的困难状况：灾难性的野火正威胁着数百万公亩的野地．当燃料库超过历史条件时，很可能会发七严重的永久的生态变质。
结果，森林管理局不再试图控制那些较小的和中级的火灾。事实上，他们现在甚至在有计划、有管理地放火，以使燃料不得储备齐全。中级火灾除去了森林中一部分危险的死木。用森林火灾游戏作比，他们降低了火传播路线上的树木密度，因此使得小麻烦不易于引发大灾难。
美国联邦野地火灾政策局得出这样的结论：“作为一种临界的自然程序，野火必须被重新引入生态系统。”这话相当中肯——政府本身也许还没有认识到。大概要花几年时间才能作出合理的调整，甚至到那时大火还会相当频繁地发生——这在临界状态中是不可避免的。但至少，超级大火不会像在超临界状态下那么易于发生了。
森林火灾模型与普遍观念一道揭示出，大火如何蔓延的根本事实与所涉及事物的具体细节毫无关系。森林就是自发临界状态的绝好例子。在临界状态中有决定意义的不是复杂的细节，而是控制影响和如伺传播的几何学的简单基本特性。
相对临界
早在20世纪，各界思想家就把阿尔伯特?爱因斯坦的相对论作为依据，认为一切事物的真实性从根本上都取决于观察角度。具有讽刺意味的是，爱因斯坦的理论给他本人提供的却是完全相反的信息，相对论是建立在永恒的概念之上的，换言之，其前提是即使人的视角有所改变，其对事物的深层判断仍保持不变。自发临界性观点具有相同的精髓，这也是它的力量所在：对事物运动的解释它能够以一概全，而不考虑分子、树木或构成这些事物的部分之间毫无头绪的大量细节。
在美国西北部地区，有300多种不同的蝗虫破坏着植被。地面上没有什么生物比蝗虫更能破坏植被了。例如，在比较典型的一年里，这些蝗虫大约吃掉了百分之二十的叶类植物，因此给草原生态带来了巨大的影响。在通常情况下，这是有益的，因为它们的觅食有助于循环土壤养分和保持植物群落的稳定性；然面有时，它们的数量会完全失控。1983年和1984年，在怀俄明的黑山地区，蝗虫的数量猛增，所有草地差不多都被蝗虫覆盖了。一个多世纪以来，当局一直努力预防和控制类似事件在美国西部的发生，因为牧场主们还要依靠这些草地来放牧家畜。然而，要搞清楚重大事件的发生原因绝非易事。生态学家估计共有200多个因素决定了每年蝗虫的数量各不相同，其中包括季节性湿度和降雨的具体分布，以及无数蝗虫的天敌和寄生虫的数量。
然而，1994年生态学家戴尔和杰弗里?洛克伍德(也是兄弟)开始对虫灾发生进行更严密的数学研究，他们的发现也许不会让你感到惊讶。在半个多世纪的时间里，美国农业部在埃达荷、蒙大拿和怀俄明的不同地区整理出一份年度数据显示出，蝗虫数量超过被称为“可承载能力”的一定界限的全部土地面积。大致说来，如果蝗虫的数量超过这个值(大约每平方米八只)，它们仅一年的活动就足以给当地植被群落留下永久的伤痕。在这一标准上被覆盖的地区可以成为测量蝗虫侵扰面积的一个很好的尺度。通过观察几个地区虫害发生记录的统计，研究人员发现，受灾地区的分布符合一条能量法则。如果说小规模虫灾比较普遍的话，大规模虫灾则不然。然而，重要的一点是，就原因而言，二者没有实质性区别。这条能量法则说明，在某一情况下触发小规模虫灾的看似微不足道的原因，在另一情况下可能会引发破坏性极强的虫灾，因此在虫灾起始阶段对当地情况进行分析不会对评估其最终规模有任何说明。 这给虫害管理提供的教训与在林业方面十分相像。一方面，它表明即使生态学家可以完全控制那20 000个因素，他们也无法在虫灾预测方面取得任何进展。大规模虫灾的发生也许是不可避免的，这只是因为有机体和自然影响之间相互作用的密林处于一种类似于全临界的状态，悬于骤变的边缘。因此，试图预测下一次虫害的发生可能是毫无意义的。另一方面，以前抑制虫灾的努力也许是一种误导，因为这种抑制也许只是增加了大规模虫灾爆发的可能性。
类似的结构还存在于其他事物中。1996年，两名牛津大学的研究人员罗伊?安德森和克思斯?罗蒂斯研究了1912年至1969年间，在沙罗群岛上与世隔绝的人群中流行的天花。该群岛位于北大西洋的冰岛和挪威之间。他们发现，不同规模(传染人数)流行性天花的分布就像地震或森林火灾的分布一样，遵循着一条美妙的能量法则。用森林火灾模型进行模拟操作——用树来代表人，火代表传染——可以对观察作出令人满意的解释。没有什么比这更能说明细节通常是无关紧要的了。人们发明这个模型，旨在解释大火如何在森林中蔓延，它不仅
圆满地完成了这一使命，而且还捕捉到了疾病在人群中传播的精髓。即使树换成了人，火变成了一种疾病，令人不快的事物还是按完全样的方式传播。
临界状态也许还可以解释宇宙中更离奇的事物的运动。被称为脉冲星的一种星星完全是由中子构成的。它们的密度非常之大——仅一茶勺的物质就比最大的摩天大楼还要重得多。脉冲星还是太空中的灯塔——每颗星在旋转时都会反射出一束光，摇曳在天空中。每当光束照过地球时，在地球上对其进行观测的宇航员，都能看到脉冲波。然而，一颗脉冲星的脉冲频率经常会突然跃升一级，仿佛它突然开始加速转动了似的。这种突增被称为脉冲星假电子讯导。
有些假电子讯号比其他一些更猛烈。也就是说，它们体现了转动速率上更大的突增。1993年，得克萨斯大学奥斯汀分校的两位物理学家研究了一份有二十年记录的数据，发现假电子讯号的分布遵循着一条完善的、规模恒定的能量法则，而且较弱的假电子讯号比较强的讯号更普遍。这是什么原因呢?他们认为，既然构成脉冲星的纯的核物质密度很大，星的表面一定处于巨大的重力之下。实际上，重力一直在努力把这颗星压缩成更小的体积。你可以把这种力量看做大陆运动给断层施加的力。就像地壳抵制下滑运动一样，脉冲星的物质通常也会抵制这种挤压，但它们偶尔也会屈服。
在这样的“星震”里，中子自发组织成个体积更小、密度更大的球体，因而就像冰舞者收紧双臂后会旋转得更快一样，这颗星也开始加速旋转。如果这想法是正确的，那么脉冲是假电子讯号的能晕法则仅仅表明，针对地震的盖本伯格理克特定律适用于脉冲星之类的事物。
20世纪90年代，物理学家发现自发临界状态的特征存在于一张普通的团皱的纸、磁场通过超导体的运动、太阳风暴的偶尔爆发，甚至在交通阻塞之中。这些例子可以很容易扩展。无论一个事物是由什么物质组成的，无论要用什么物理因素对其进行描述，临界状态似乎总会存在。在某种程度上，临界状态的组织比物理更为基本。它位于物理之后，成为世界上许多事物的运动核心。
稻谷：一种更好的砂子
但它还不能囊括整个世界，一盆凉水一定不会处于临界状态，一块磁石或者在通常情况下的其他任何东西也同样不会。当然，巴克、唐和威森菲尔德从没说过万物都处于临界状态。他们希望可以用自发临界状态来描述许多事物，尤其是那些处于非均衡状态下的事物。一盆处于静止状态下的凉水是平衡的：相反，不断有砂子从天而降，砂堆就无法达到平衡。同样，地球内部的热能驱使大陆块不停地在表层漂移，使地壳无法达到平衡。
即使抛开平衡，也很容易找到没有临界概念的东西。从下面给一些水加热，如果加热很猛烈，水会突然开始运动，但是这种运动既不是无规则的又不是无法预测的，它更不会反应任何能量法则。像1900年法国物理学家亨利?贝纳德样仔细地进行这一实验，你会看到一个完全六边形蜂房状排列的形成(图10)。在每一个小单元内水会从中心涌起，从边缘落下如果说有些事物可以自发组织成临界状态的话，那么即使抛开平衡来看，也不是全部事物都是如此。
图10雷音—贝纳德实验中的六连形排列结构，如上图所示，液
体在阴影处落下，在亮处涌起。(科尔奈尔大学伊伯哈德?伯顿斯卡兹供
图，特此致谢。)
那么，什么是自发临界状态呢？它在什么时候发生，什么时候不会发生呢？我们应该还记得，巴克、唐和威森菲尔德研究了一个计算机砂堆模型——我们一直叫它砂堆游戏，而不是一个真正的砂堆。20世纪90年代初，物理学家们通过周密的实验发现了一个初看起来很令人失望的现象：在真正的名副其实的砂堆中的，雪崩并不完全遵循一条真正的能量法则。结果显示，真正的砂堆运动不像砂堆游戏，倒更像森林火灾游戏：它们对于异常大规模的雪崩有一种内在的倾向。所以，如果自发临界状态确实适用于脉冲星、地壳、流行病，以及大多数森林火灾的发生方式，那么具有讽刺意味的是，它却不适用于其最初产生的环境：砂堆。巴克和同事们的计算机砂堆游戏也许的确可以组织某种临界状态，但真正的砂堆却不然。
这一具有讽刺意味的意外发现第一次暗示了我们自发临界状态究竟如何以及何时发挥作用。1995年，伦敦的帝国学院的肯?克里斯廷森发现尽管砂堆游戏并不能描述真正砂堆的增长，但它确实描述着真正颗粒堆的增长——只是这种颗粒需要是米粒，而不是砂粒。克里斯廷森和他的同事很认真地做了一个实验，他们在两片直立的普列克斯玻璃之间的空隙中一次投下一颗米粒，结果发现雪崩的分布遵循着一个近乎完美的能量法则。
图11米堆实验中零星的，不可预测的雪崩记录，每一根长钉的
高度表明由一颗米粒引发的雪崩的“规模”。更确切地说，相对于所有
参与那场雪崩的米粒所丧失的高度来说．每一根长钉都要高一些，因此
它不但可以反应下滑米粒的数量，还可以反应其下滑幅度。(图摘自V
弗莱特及其他人，《米堆中的雪崩动力学》《自然》。1996年，经许复
制。)
他们也能够把处于临界状态下的事物发出的奇异又有规律的循环运动用实验方法演示出来。他们做了一个实验，记录下每时刻下滑的米粒数量，接着用照相机拍下米堆的形状，又查出米粒的数量。结果显示出一个完全不可顺测的狂乱模式(圈11)。长时期的平静设猛烈的突然发作所打断——真正的大灾难。这一事件中涉及的任何每一粒米都会吸引我们沉思。是什么使雪崩如此猛烈是很有诱惑力的。
那么，它为什么适用于米粒而不适用于砂子呢？答案似乎与惯性有关。砂粒相对要重些，也更滑。它们一旦开始滑动，就倾向于持续下滑，把整个砂堆带塌。相反，米粒则较轻，也更有粘性。所以当米粒开始下滑时，它只滑动到米堆到达下个刚刚稳定的轮廓时就会停下来。在砂堆游戏中，巴克和同事们使砂粒的粘性很人，并且毫无惯性，因此，它们就很像米粒了。砂堆游戏本应该被叫做米堆游戏。
因此，仅仅改变下落物质可能就意味着临界状态和事物之间的不同。物质的下落速度也同样会产生这一影响。1994年，微软研究部的杰尔夫?格林斯坦指出，只有当计算机非常缓慢地投下砂粒时，砂堆游戏才会达到临界状态。它投下一粒砂子，必须等到由它引起的雪崩完全结束后，才能再投下另一粒。一旦砂粒下投的频率加快——也就是说，如果下一粒砂子在上一场雪崩结束之前，就落了下来——临界组织就不复存在了，能量法则也是如此。
这些细微之处隐含着儿条重要的暗示。巴克、唐和威森菲尔德对他们的计算机游戏不需要任何调控就可以自发组织到临界状态大为震惊。但现在看来，他们也许只是自欺欺人。砂粒需要有粘性又较轻，而且要被慢慢投下。为了发现奇异的结果，巴克、唐和威森菲尔德似乎无意识地调控了计算机游戏，使它满足了所需要求。自发临界状态似乎只存在于那些刚刚失去平衡的事物中，并且在这类事物中，每一个独立因素的运动都受控于它与其他因素的关系。
砂堆游戏中存在着调控，这一迟来的认识给最初的自发临界状态的假想带来了沉重的打击。正如巴克曾经写道的那样，自发这一概念对于“自发临界状态的观点能否用来解释现实世界，至关重要。事实上，它就是整个思想…当我们试图把砂堆推出临界状态时，它又弹回了这一状态。”如果砂堆游戏必须经调控才能达到临界的话，科学家们完全可以这样做。那么，在现实世界中，怎样才能进行调控呢?
然而，这个打击并不像它看上去那么可怕。一方面，世界上几乎每一个好的理论都包含着一些经调控的数字，以使理论适用于实践。马克斯威尔的电和磁力方程式包含光速；量子理论包含普朗克常数，这些理论在现实世界中的应用不可避免地要涉及到这些数字以及电子和大量粒子。尽管粒子物理学的标准理论包含了十九个“可调”数字，它仍然不失为一个优秀的理论。一个简单的游戏如果只需调控两个方面就能够解释许多事情，那就相当不错了。
更重要的是。随后的研究阐明了调控被引入砂堆游戏的方式，指出它是以一种很特殊的方式进入这一游戏的。这种调控十分微弱，这一点专业性较强，但也许几个词就足以解释清楚了。
我们在上一章中遇到的词组“转变”是指平衡的阶段性转变。也就是说，主要考察的事物是处于平衡状态下的，它们根据温度等优势条件采取一种或另一种组织形式。物理学家刚刚才开始研究不平衡状态下事物的阶段性转变．也就是不断受外力作用下的系统。当然这是一个更为广阔的领域，因为世界上的大多数事物都是非均衡的。
物理学家亚利山德罗?维斯派纳尼和巴黎物化工业高等学院的物理学家斯蒂法诺?扎佩伊，一直在研究作为非均衡阶段转变的范例——砂堆和森林火灾游戏。他们发现当这些游戏最初被发明出来的时候，发明者无意识地为它们设置了一些特点，以保证其可以到达临界点。例如，在砂堆游戏中，你可以接任意频率撒下砂粒，但是只有当砂粒的投放率比其流动率
小得多时，你才可以发现临界状态。要达到临界状态，砂粒的投放和流动率的比率应调为零。
真巧，调到零总比调到其他任何数要容易些。对于在平衡状态下的磁石来说，调控的焦点在于温度，应该把温度准确地设在770摄氏度。如果改变这一温度的10％，磁石就会错过临界点。但是对于一个非常小的数，比如0.0001，改变它的10％，或者甚至把它扩大2倍、10倍或100倍，你仍会得出一个很小的数。砂堆和森林火灾游戏调控没有磁石那样敏感。
这也许正解释了为什么“自发”临界状态似乎描述了现实世界的许多事情。它真应该被称做“相当强度的”临界状态。由于某种原因，地震和流行病似乎已经完戒了必要的大致调控。我们将看到这些控制的相同因素似乎也存在于科学本身的运动中——在思想发展变化的方式中——甚至也许在人类历史中。我们还将看到在考察自发临界状态的局限时，科学家们已经发现了自发组织的另一个过程，这一过程绝不比自发临界状态复杂，并且似乎捕捉到了许多逃脱临界状态控制之外的事物的运动方式。重要的是，这个另一种机制还完全导向了一个悬在不稳定状态边缘的世界。
在谈论这些事物之前，还是让我们来探究一个更为复杂的不寻常的例子吧，这一复杂过程是与临界状态的神秘组织共存的——地球上的生命过程及偶而爆发的人劫难。
消 遣
从本质上讲，一种假设一旦被
人们接受，它就会把一切都作为适
当的养分吸收进来，从你赋予它生
命之初，它会逐渐通过你看到、听
到和理解的一切不断成长。
——劳伦斯?斯图恩-
世界上不存在无哲学的科学，
只有不经检查就完全接受其哲学包
裹的科学。
——丹尼尔?丹尼特
埃尔河静静地流淌出位于美国蒙大拿州最东端的佩克堡水库，辟出一条孤独、蜿蜒的河道，一直延伸到山中。这是一片有着广阔空间的土地，在大草原和宽广的河谷中点缀着松树，奇异的、扭曲的岩石在耀眼的阳光下发出橘红和紫色的光。埃尔河穿过这些两岸露出的突兀的岩石，它们讲述着炎热的夏季和严寒的冬季在这里发生的故事，记载了风雨如何慢慢侵蚀地球。这里每天都有一些碎石变成一层极薄的沉淀物，为以往的累计记录增加新的内容。一个多世纪以来，化石学家一直在挖掘这一记录，研究其中的化石。他们在记录中读到了一个恐怖故事——世界上最大的谋杀谜案。
对于化石学家来说，回到从前就意昧着研究更深的沉淀层，但是就埃尔河而言，它意味着逆流而上，回到上层岩层中去。一上午的行程就可以很轻松地跨跃一千万年。在离水库不远的地方，较深的沉淀层大约形成于七亿年前，当时美洲平原还处于一片较浅的宽广海洋之下。这里是传闻中的生物和众多海洋生物的丰富的化石墓地。继续逆流而上，所见到的岩石就年轻了几百万年，那时海水已经后退，蒙大拿东部是一片森林与河流交织的郁郁葱葱的土地。人们在这里发现了植物、牙齿和兽爪的碎片，以及霸王龙与它的历史仇敌三经龙上演经典角逐的那个野蛮又令人兴奋的些许痕迹。这是世界上寻找霸王龙的最好地方，实际上，埃尔河也是地球上惟一发掘出其整套骨架的地方。然而，再沿河上行不远，事情突然发生了变化。在距今六千五百万年的沉淀中，命运似乎惩罚了奇妙的恐龙世界，沉淀物艟示出突然奇异的大规模死亡。地质学家和化石学家把它称做KT界限，在这一界限之上，恐龙和上千种其他物种的踪迹都消失了。
处于KT界限处的化石的不延续性十分明显，以至于地质学家实际上以此来界定早期白垩纪和晚期第三纪。这两个时期的分界线，也就是六千五百万年前的一段时间，在世界上数以千计的地点都有所体现。例如，西班牙北部某些地区的化石反映了菊石的戏剧性灭亡——它是KT界限以前，大约三亿三千万年间大量存在的、带螺形壳的海洋生物。在这一界限以下，菊石化石到处可见，在它以上却一块也没有。六千五百万年前，某种东西对它展开了彻底的谋杀。在地质史上的一瞬间，恐龙和75％的其他物种都突然灭绝了。
发生了什么事昵?1905年，一位研究人员评论恐龙时说道，“由于骨架重量的超大重负必然会耗尽恐龙的生命力，这一家族的短命也就不足为奇了。”另一位研究人员指出，“恐龙四肢重量的增加使它们很难交配。”恐龙的灭绝曾经一度被归结为它们变瞎了、贪婪的哺乳动物偷吃了它们的蛋、火山爆发使它们失去知觉、或者骤冷骤热、过旱或过湿等气候的影响。当然，灭绝的也不仅仅是恐龙。
在全世界的科学会议和学术期刊中，科学家们继续热烈地争论着究竟是什么几乎毁灭了这颗星球上所有的生命。几乎每个星期，会有人发表“证据”，支持这种或那种、或者反对另外一种推测。但是，即使没人能肯定发生了什么，有一件事却是所有科学家都同意的：无论原因何在，它并不是极其不寻常的。仔细观察化石记录，你会发现，地球上已经多次发生毁灭性灾难了，KT时代的灭绝还不是最糟的。
在KT界限下很远处，另一条戏剧性的死亡线横贯岩层，它是一亿五千万年前形成的。同样，生命记录在此突然停止了，因此地质学家用它来定义地质时代中二迭纪的结束和三迭纪的开端。1998年，麻省理工学院的地质学家S.A.鲍岭和他的同事们测定了这次灭绝事件的持续时间，发现它发生于10 000年的较短时期内。10 000年看起来像是很久，然而，在多细胞生命存在的六亿年的历史长河中，这只不过是一眨眼的时间。鲍岭和他的同事写道，“在过去的了五亿四千万年中，这是一次规模最人的生命毁灭。整整95％的全部海洋物种死掉了，陆地上也有相当规模的损失。”
类似的大灾难分别在距今四亿四千万、三亿六千五百万和二亿一千万年前袭击了这颗星球。这三次大规模灭绝和KT以及二迭纪灾难一起构成了所有灭绝记录中的五大灭绝事件，就像1836年、1838年、1868年、1906年和1989年爆发的大地震主宰了旧金山地区的地震史一样。查尔斯?达尔文曾写道，“根据进化论，那种认为在连续的灾难期间地球人类已被一扫而光的旧观念正在逐渐被人们摒弃。’这显然不对。如果说生命结构很稳定并且变化缓慢的话，历史记录则恰恰相反。五大灭绝只是生命突然停止中最显著的例子。在它们之间，还有无数小规模的集体灭绝。地球上的生命似乎在承受着偶然的灾难性崩溃。
当然，并非每一次灭绝都是集体灭绝。进化论生物学家估计，有几十亿种不同的物种曾经一度进入生命历史进程中。然而，今天只有几千万种存在，这意味着历史中全部物种的99％现在都已绝迹了。灭绝是进化中一件非常自然的事情，所以有人曾说，根据最初概算，一切都是要绝种的。结果证明，全部物种中只有35％是作为集体灭绝的一部分绝种的。“背景”灭绝几乎占全部灭绝的三分之一。但它们却无法解释集体杀戮的高潮。在这一偶然大灾难的奇怪记录之后究意隐藏着什么呢？
上帝的行动
保险业用“上帝的行动”这个词组来指代那些完全超出任何人的预见力之外的事故和灾难，没有人应该为此受到责备。如果龙卷风用你家的屋顶玩飞盘游戏，或者闪电把你崭新的波尔舍型跑车当做了火把，你就是“上帝的行动”的受害者。你很不幸地遭到破坏性力量的袭击，保险公司会对你作出赔偿这应该是无可非议的。
大多数科学家从集体灭绝中，而不是从一般性的历史事件中发现与“上帝的行为”类似的结果。我们持续的生存有赖于一个平稳、随和的环境。我们需要氧气，适合的温度、充足的水和食物、不太多的辐射，等等。如果环境出现了严重问题，生物就要受苦。那么，对于大多数科学家来说，解释集体灭绝就意味着找出环境的问题所在及其原因。
当然，环境出现问题的方式会有一千种，但是有两类情况被认为是特别重要的，而且一种比另一种更为猛烈。
1980年，加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家卢伊斯?阿尔瓦瑞兹领导的一个科学小组提出，KT灾难是由一颗巨大的小行星或彗星与地球剧烈冲撞引起的全球范围大气变化的直接结果。“一位研究人员写道，“它的直径为十公里，每秒钟运行十几公里，其运动能量相当于世界上所有核武器一万倍的破坏力。”这一冲撞会使岩石蒸发，在地面上炸出一个四十公里深的洞，使无数微小岩石微粒和极细的尘埃穿过大气，发射到宁宙中。这些微小粒子重返地面后，会烤焦距撞击处一千多公里范围内的空气，“煮熟、烧焦、点燃、自焚所有没有避在岩石下或洞中的树木和动物 整个森林都被点燃了，席卷大陆的大火吞噬着天地。”但这只为真正杀手的到来作了铺垫。遍布上层大气中的坐埃会把太阳遮住数月，给地球带来无尽的黑夜。植物会枯萎，冬眠动物会饿死。这种蹂躏会破坏食物链，使它像卡片搭建的房屋一样倒塌，最终连最凶猛的肉食动物也绝迹了。
如果这种观点看起来很像科幻小说的话，我们倒有许多证据来支持它。首先，科学家不是在一处而是在全球一百多处KT界限的岩层中发现了大量稀有元素——铱。地球形成之初，当它还是一个滚热的熔化的小圆团时，较重的元素落入了地心。铱就是这样一种元素，它在地壳上十分稀少。那么，它是如何进入KT层的呢？小行星和彗星含有大量的铱。看来无论是什么撞击了我们的行星，它所含的铱都漂浮在上层大气中，逐渐进入地球，最终降到地面进入KT层。科学家们测量了KT界限处的钌、铑等其他稀有元素的含量，它们的含量比率与在小行星和彗星中一样。
如果这还不够有说服力，在阿尔瓦瑞兹和他的同事们提出他们的撞击推测的十二年后，另一组科学家在墨西哥的尤卡坦半岛上发现了一个巨大的坑。你可能会站在这个被称为芝克库鲁伯的大坑的顶部，却根本不知道它的存在，因为它被埋于地下1.5公里处。然而，坑的直径将近180公里。1992年，它的年代被估算了一下，结果显示，它形成于距今六千五百万年前。
这个观点并不是没有问题，大坑的存在这一事实暗示出曾经发生过巨大的冲撞。铱的沉淀物和其他证据表明这一冲撞的物理影响传遍了整个世界。但是这就足以引发一次集体灭绝吗?有人指出，阿尔瓦瑞兹和他的同事们1980年长篇论文的主体部分“局限于一次冲撞的地理和物理证据，以及冲撞带来的物理结果。而冲撞引起的生物结果的讨论却只占了半页纸的篇幅。原因很简单“没有什么真正线索来证明冲撞确实给整个星球的生命带来了什么影响。”
更重要的是，一些物种灭绝了，而另一些则安然无恙地度过了危险，这一点很令人费解。正如阿尔瓦瑞兹小组的一名成员所承认的，“许多小型陆地动物活了下来，包括哺乳动物、鳄鱼和乌龟之类的爬行动物。没人真正明白为什么这些动物逃脱了灭绝。”使事态更为扑朔迷离的是，以往的大冲撞并未见得有什么害处。1998年，加利福尼亚理工学院的肯?法利和萁他研究人员发现了充分证据证实，北西伯利亚的一个直径为100公里的大坑与美国切萨皮克湾人口处的85公公里的洞形成于同一时代。两者都形成于三千五百万年前，当时太阳系的彗星袭击了地球。化石记录显示当时并未出现任何异常现象。
鉴于这些突出的问题，不是所有人都认为恐龙的灭绝是由一块从天而降的、致命的岩石造成的。科学们也正淡论著其他一些观点。恐龙当然不是独自生活在地球上的。几年前，芝加哥大学的地质学家利?万?瓦伦注意到，仅在KT界限标记着，几十万年前哺乳动物才开始兴旺发展起来，也许是它们将恐龙强行挤出了自然界 些化石学家认为这场战斗也许还受到不断变化的气候的影响，因为那时恐龙温暖的郁郁葱葱的栖息地正在变为更适合哺乳动物的凉爽的森林。同一次气候变迁也可能导致其他许多物种的灭亡。也许这次冲撞与白垩圣殿灭绝毫不相干吧？
寒 风
发生在二亿一千万年前、二亿五千万年前、三亿六千五百万年前和四亿四千万年前的其他的集体灭绝又怎么样呢？对于这些事件，还投有人找到相应年代的火坑。当然，也许化石学家以后会找到的，但是目前，他们中的大多数人怀疑是某种其他的力量发挥了作用，比如说气候的突然变迁。约翰斯?霍普金斯大学的斯蒂文?斯坦利认为，“有一个简单的事实可以使得气候变化很可能成为集体灭绝的总体原因，那就是全球气温变化可以相对容易地淘汰无数物种。”
毕竟，每一种生物都适合于特定的气候。例如，当气温降低时，生物需要向赤道迁徙以寻找其适应的气候，或者适应新的较冷的环境。但是有些生物无法迁徙，因为它们或是受到山脉、大湖或海洋阻碍，或是生活在并不向南延伸的森林中的树上。同样，如果气温下降过快的话，一种生物也许无法很快适应温度，也就只得灭绝了。
在距今二亿五千万年前最严重的一次灭绝——二迭纪灭绝中．全球温度的确突然降低，同时还出现了其他一些噩兆。其中之一就是海面水位明显下降。当海面水位降低时，海水从大陆上退去．使大陆架的辽阔面积暴露在空气中。这些大陆架包含无数有机物质，当其与空气发生化学反应时，会消耗大量氧气。里兹大学的化石学家保尔?威格纳尔预计这一反应将使氧气含量降到只相当于今天二分之一的水平。他下了这样的结论：“二迭纪—三迭纪集体灭绝是生物因窒息而死。”
关于这些影响中哪个更重要，或者它是否有可能在其他主要灭绝事件中也发挥作用，科学家们还没有达成共识。一些化石学家指出，有一个剧烈的火山活动时期曾向空中喷放了数不尽的尘埃。还有人注意到集体灭绝背后蔓延全球的干旱的作用。假想的原因列几页纸也列不完，你也许会猜想这些观点到底与事实联系得多紧密。总之，在距今六千五百万年、二亿一千万年或二亿五千万年前，地球上肯定发生着某种不寻常的变化——气温或海平面上升或下降、火山爆发、太阳的紫外线辐射量增大，等等。任何一种变故给全球生态系统带来的后果还主要有赖于推测。因此，人们考察了这么多潜在的原因也就不足为奇了。正如化石学家戴维?罗普猜测的那样：“难道导致物种灭绝的所有可能原因，只不过是对个体构成威胁的一系列事件吗?”
然而，几乎所有的科学家都认为，集体灭绝是由破坏有机物生存环境的冲击和变动联合造成的。看来，正是这一点使集体灭绝在一直普遍存在的背景灭绝中异常突出。在正常时期里，正常的进化运动总是左右摇摆，不时地把一种或另一种物种推向没落。但是，这些时期被外界入侵打乱。化石学家戴维?杰希隆斯奇曾说过，“背景和灭绝的政权交替塑造了生命历史中大规模进化的结构。”或者，正如理查德?利基和罗格?莱文描述的世界生态系统的结构变化一样：
“那一结构中包含两种形式，物种慢慢消失的背景灭绝和蕴藏主要生命危机的快速灭绝。大多数生物学家认为在背景灭绝时期的主导力量是自然选择，竞争在其中起了重要作用。”
大多数生物学家认为进化本身不能够引起巨大的动荡。进化在持续着，但也存在着由外界冲击引起的动荡。这是幅简单而令人满意的图景，然而它看上去却存在一个严重的问题。图书馆中的十年
芝加哥大学的杰克?塞普科斯奇是一位喜欢在图书馆里，而不是野外进行研究的化石学家。他不去挖掘化石，而是探究别人已经发现的化石中隐含的信息。这位20世纪70年代哈佛大学的毕业生，着手把书本和研究论文中以及他与朋友和其他化石学家们的谈话中摘录出来的数据统统记在笔记本上。他要干什么呢?原来，他要编制一个巨大的目录，以显示有机物群落的发现和灭绝时间。
一提起进化，人们十有八九会想到物种。而塞普科斯奇却不是这样。生命之树的粗壮树干让位给较细的树干，在此之上生出了较小的树枝，老枝让位给新枝，直到最小的嫩枝长出——这就是物种。科学家们非常明智地给不同的级别贯以不同的名称。“属”是几个紧密联系的物种的集台，“科”是指一组相关联的属。1982年，塞普科斯奇发表了他的化石记录的第一部分——关于数千个科的起源和灭绝的庞大的统计数据库。这只是他前进路上的一站，又经过十年的搜集，他建立了一个包含大约40 000个不同属(全部都是海洋无脊椎动物)的数据库，这些属分属5 000个不同的科(每科大约含几个属)。
塞普科斯奇选择海洋无脊椎动物——例如海绵或珊瑚——因为它们构成了化石记录的绝大部分。当1993年完成这项工作时，研究人员得到了一幅关于过去的六亿年间地球上的生命如何兴盛和衰亡的缩微图片。塞普科斯奇的努力激发了同行们进一步的钻研，不久，加里斯托尔大学的地质学家迈克尔?贝纽恩建立了个记录7 000个科的有机物的起源和灭绝时问的独立数据库。这一次包括海洋和陆地动物。
在我们来认识这份数据的价值之前，还是有必要提一下收集资料的艰辛。“图书馆中的十年”，可以让我们对文献数据的巨大数量有所了解，但它并不能暗示出研究人员在开展这项工作中面临的棘手的问题。一个问题就是“近期拉力”。曾经生存过的有机体中只有极少的一部分最终形成了化石，大多数只是死去，尸体腐烂，这就是生命的全部内容。但是在那些确实形成化石的生物之中，越晚形成的化石越有可能不受触动面保存到现在。所以，化百记录不可避免地要倾向于现在。
接下来是“专著”效应。如果说没有多少化石被保存到现在的话，那么被研究人员真正发现的就少之又少了。因此，一定有许多化石未被发现。如果一位精力充沛的研究者就地质历史的某一时期，开展一次不寻常的彻底研究，化石记录将最后显示出个光点，就好像物种数量突然增大了一样。塞普科斯奇和本顿决定在属和科这一层次卜而不以物种来研究生物灭绝，这个决定本身就很令人懊恼。
在物种层次上进行研究显然有利于更好地掌握物种来去的有关情况。但是，化石记录十分稀少，这就造成了麻烦。假设你已经鉴定出某个物种的一些化石的年代，并试图推断出该物种是何时灭亡的，你也许会选取所有化右中最年轻的一块来作推断。然而，如果你只有几块化石，那么你的推断就未必准确。1982年，加利福尼亚大学戴维斯分校的地质学家菲尔?西格诺尔和杰里?莱普斯指出，任何人都不可能仅凭几块化石而判断出该物种灭绝的大致时间。你得出的更可能是它出现和消亡的大致中间的时间。结果，你推断的物种灭绝时间要比实际情况早得多，而且你拥有的化石越少，错误也就越大。这种被称为西格诺尔一莱普斯效应的现象还有一个被戏称为莱普斯一西格诺尔效应的逆命题，后者影响着对物种起源时间的推断。选取年代最古老的一块化石作为依据会使你推断的物种起源时间晚于实际时间。
我们已经知道，匮乏的化石记录会使物种看起来比实际情况起源得更晚．消亡得更早。幸运的是，更多的化石可以减小这种错误。这也是为什么塞普科斯奇和后来的本顿决定不研究物种，而是从生命树的高层属或科的层次上入手。在这一层次上开展研究，他们可以集中不同物种的化石，从而更精确地推断出任何特定群落的起源和消亡时间。在收集资料时，他们花费了很大精力来纠正近期拉力、专著效应和其他已知的思想倾向，就像所史学家并不仅以表面价值，而要带有一定健康的怀疑成分来判断文件。结果，塞普科斯奇和本顿的数据反映了我们关于地球过去生命真正结构的最佳图景。
正如我们已经看到的，物种灭绝的正统观点认为存在着两种灭绝：由正常的进化过程引起的背景灭绝和由气候变迁、小行星相撞或者生物圈的其他冲击引发的集体灭绝。塞普科斯奇和本顿的数据的大致图解似乎支持了这种观点。在每地质时期内灭绝的科的数量记录表明，相对平稳的结构不时地被突然灾变打乱(图12)。巨大的灭绝在其余时段中显现出来。但是我们以前也听说过这种情况。标绘出不同规模物种灭绝的发生频率完全是另外一同事。
图12集体灭绝的记录。每一个高峰代表在每一不同地质阶段消
亡的科的数目。五个最大的高峰代表了最大的五次集体灭绝，最后一个
是六千五百万年前毁灭恐龙的那次灭绝。
1996年，物理学家理查德?索尔和苏珊娜?曼鲁贝尔更仔细地研究了塞普科斯奇的数据，发现不同规模(灭绝的科的数目)物种灭绝的分布遵循着能量法则。事宴上，这种情况下的规则结构与地震中的结构完全相同：如果把所考察的灭绝规模扩大一倍，它发生的机率就减为四分之一。这一符合能量法则的规律适用于从只涉及到几个科的灭绝到毁灭上千个科的恶性事件。
突发的严重事件通常会暗含重大原因吗?每一次不寻常的灭绝事件一定有一个同样不寻常的原因吗?在前几章中，我们已经看到近几年来这种偏偏见在地震和森林火灾之类的情况中遭到了抨击。集体灭绝的极其简单的曲线模式暗示出，科学家们认为这些“突发”的事件十分特琳，也许犯了一个非常严重的错误，如果你划出一条时间曲线的陡升线，以标示不同的灭绝事件发生的时间和规模，毫无疑问最长的陡升线看上去“显然”是代表很特殊的事件。但是，当同一份记录以不同的方式表现时，其中最大的事件看起来也没有什么显著之处。能量法则观点暗示出集体灭绝未必就是进化进程中的特例。他们也许并不是远在天边的上帝的杰作，而只由进化中最普通的规则带来的无法避免的结局。
生命网
一个文明人的首要责任就是要
随时准备改写百科全书。
——厄姆伯托?埃科
事情应该尽可能地简单．但不
可以更简单。
——阿尔伯特?爱因斯坦
20世纪70年代未，一次小规模的生态灾难即将在英国南部绿草茵茵的乡野爆发。成群的野兔吞噬着上万英亩肥沃的良田。幸运的是，英国政府已准备一套安全方便的解决办法。兔瘟病菌几乎毫无例外地在所有兔子体内都能迅速繁殖，它不会置它们于死地，但会使受感染的兔子变得懒洋洋的，因而降低其觅食速度，并且使它们容易遭到食肉动物攻击。当局解释说通过引进兔瘟，他们可以控制野兔的数量，使之无法对乡村生态造成不利影响。当然，事情并非如此简单。
兔瘟确实使野兔数量在几年内急骤下降。然而，同时，牲畜价值下降了，农场上的牧养动物对于农场主来说变得相对的不再是有吸引力。随着牧养动物和吃草的野兔的减少，英国南部地里的草长得比以往更高了，这听起来并不非常可怕。但是有一种叫做MS的蚂蚁很快大批死亡了，因为它们在矮草中繁殖迅速，但在较高的草中，生命力却不很强。这种蚂蚁与种叫做MA的蓝色大蝴蝶有一种特殊的关系。当这种蝴蝶产下卵后，蚂蚁把它们运进洞穴，孵化出幼虫，并一直将其培育成成虫。不幸的是，在20世纪70年代这种蝴蝶的种群已经岌岌可危了，当蚂蚁数量下降时，这种蝴蝶的数量便也骤然下降。兔瘟的引入使草增高、蚂蚁减少，并使这种美丽的蓝色蝴蝶在英国完全绝迹了。
这种出乎人类意料之外的生态链式反应绝不少见。为了探究某一生态系统的结构，生态学家经常做这样的实验，他们除掉一种特定的肉食动物，然后观察这对其主要猎物的影响。你也许会认为，结果是很容易预测的：除去肉食动物，其猎物的数量会有所增加。但是，1988年，加拿大几埃尔夫大学的彼得?尤德兹斯发现事实并非如此。通过研究十五个不同的生态系统，他发现链接物种的间接途径数量巨大、结构复杂，除掉一种肉食动物，即使对于它最直接的猎物来说，其影响也多半是不可预测的。例如，除去捕食某一特定老鼠的鸟，也许最终会导致这种老鼠数量下降。如果这种鸟更偏爱该老鼠的某些直接竞争对手，那么没有这种鸟，老鼠对手数量的增加会比老鼠的增加快得多，老鼠种群便受到了危害。通过这种间接途径，一种有机物的数量变化可能会产生各种各样无法预见的后果，甚至会给看似与之毫不相干的物种带来影响。
一次更近的也是更复杂的研究得出了一个类似的结论，每年，北美鸟粪调查局都要统计出美国和加拿大600多种不同鸟类物种的数量。这项调查已经开展了三十多年，提供了关于所有这些物种数量浮动的大量详细数据。1998年，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的牛志学家蒂奠西?基特和波士顿大学的物理学家古恩?斯坦利利用这个数据库计算了每个物种每年数量变化的速度。一种鸟的数量也许会在一年内上升10％，而第二年又下降15％。看到这些变化。在种群增长率上，基特和斯坦利做了盖本伯格和理克特在地震密度方面所做的事情也就是说，他们查看了记录，计算出一种变化率相对于另一种变化率的出现频率，
那么，对于鸟类种群来说，典型的增长(或者减少)率是多少呢？值得注意的是，这样一个典型增长率并不存在。如果最常见的变化就是没有变化的话，那么向上或向下变化的可能性都要渐次减小，并且二者都遵循同一能量法则。基特和斯坦利得出结论，“对于这里考察的物种，不存在种群规模浮动的典型幅度。”换句话说，我们不仅无法预测出下次变化的方向，是向上或向下，而且甚平不能预测其大致幅度。
当然，这和我们在临界状态中看到的规模恒定完全一样，当某一事物处于两个阶段之间时使会产生这种状态。事实上，在评定他们的研究结果时，基特和斯坦利认识到规模恒定是发生在临界点上的，因而他们把这一结果与阶殷过渡学直接联系起来。
这些无生命系统中，每一个微粒都直接作用于与之相邻的微粒上，这些相邻的微粒再施力于各自的相邻微粒，所以，这种相互作用可以传播很远，从而带来能量法则的普及。与之类似地，某一生态系统中的物种直接作用于一些(而不是全部)其他物种，这些物种同样又作用于其他物种，因此，相互作用得以“传播”。
如果生态系统处于一种临界状态，那么大规模的剧变就有可能发生，并且我们会发现无规模限定的传播到处都是。那么，你很可能会猜想：这与我们在上一章中遇到的集体灭绝的能量法则有什么关系吗?集体灭绝的发生可能只是生态系统内部独立作用的结果吗？这是一个令人费解的问题。
然而，基特和斯坦利的数据反映的是原因和效果之间的生态链。这些资料涉及到相互作用的不同物种群落，并且可以显示出就在一二代内有机物数量发生的显著变化。生物学家把这种快速生态动态与那些极其缓慢的、只有经历许多代才能显见的进化变化进行了对比。进化改变的不仅仅是数量，还有有机物的特点——倾向于生成更长的喙、更漂亮的羽毛、或者是尾鳍上的斑点。既然化石记录的时间跨度非常大，就某一生态系统的普通内部作用而言，任何对集体灭绝所作的解释实际上都应该注重进化结构，而不是生态。
当然，进化完全可以使一个物种归于灭绝。当条件变化时，一个物种也许无法适应。那么，也就很容易设想，既然没有任何物种是孤立存在的，一个物种的灭绝也许会导致另一个物种的灭绝，这一灭绝又会相应地引发另一灭绝，从而触发了一场传播很远的、致命的大规模灭绝。有什么证据能够表明这种失控的灭绝与集体灭绝有任何关系吗？正如我们将要看到的那样，答案是肯定的。几位科学家开始渐渐怀疑，全球生态系统不仅在生态上，而且在进化进程上都被调控到了临界状态，有时仅仅一个物种的灭绝就可以触发一场殃及全系统的大劫难。
山中漫游
斯图尔特?考夫曼是一名医生，但他考虑问题的方式更像一位物理学家，而且几乎只研究生物问题——不是诸如确定另一种蛋白质或基因排列之类的小问题，而是大问题。20世纪80年代中期，考夫曼在费城的宾西法尼亚大学提出了一个关于地球生命起源的全新观点。在那之前，所有的理论推测都认为，生命起源是一个极其不确定的事件，几十亿年前混沌初开时，一群有繁殖能力的分子出现了。一旦可繁殖个体的差异性生存的进化机制开始运作，这种运作就是持续进行下去。但是，它最初是如何开始的呢?所有的估计都一致表明，自从宇宙形成以来，并没有足够的时间以产生分子。
考夫曼设计了一个简单的数学游戏来模仿在早期地球上不同种分子之间的相互作用，通过做这个游戏，他取得了一项有趣的发现。一些分于起着催化剂的作用——也就是说，它们促使其他分子加速化学反应，例如，分子甲也许可以很大地提高分子乙和丙聚到一起产生分子丁的机率。考夫曼研究了发生反应的分子之间任意的网状模式。如果这类分子的数量极其有限，这种混沌的化学厦应就不会出现任何特例。但是他发现，当这类分子的种类增多时，在这种网状模式中一定会出现一种被他称做自动催化组的东西。这是一种可以靠自身的努力改善境遇的次分子组。分于甲可能有助于催化丁，丁可能有助于产生戊或巳，它们转而又催化丙和庚，依此类推。最终，在这一反应链的末尾，壬和癸也许可以催化甲和乙，并完成这一循环．从而，每一个分子都可以被另一个分子所催化。
如果每一个分子集合中都存在这样一个良性循环的话，那么我们就不必设置任何自动催化组了。令人惊讶的是，考夫曼发现如果在混沌状态下的分子种类足够多的话，这种循环就定会存在。分子种类并不一定要非常多。像我们以前提到的磁石一样，随着分子种类的增多，分子混合物会呈现出一种从迟缓到活跃的自然阶段过渡。这种阶段过渡奠定了个全新理论的基础，在这一理论中，生命的起源不再是不确定的，而是毋庸置疑的。
受到这种思维方式的启发，考夫曼把注意力从生命起源转移到了它发展的韵律中去了。也就是——生态系统复杂环境中的进化。当然，这个问题是极其复杂的，因为每个物种所处的环境是从不固定的。物种间相互作用——他们以对方为食物、为领地而竞争、形成合作习惯，等等——一个物种在逐渐进化时会改变其他物种的进化条件。为了理解这一问题，生物进化学家花了许多时问来考虑地形——不是真正的地形，而是被叫做适应地形的一种起伏的数学平面。这些平面，直接或间接地出现在每一次关于进化本质的激烈争论中——考夫曼的平面也不例外。
进化是通过变异、选择和繁殖的三种行为来完成的。例如，在任何兔子种群中，有些兔子比其同类视力更好、跑得更快、或者反应更灵敏，这就是变异。这些更健康的兔子多半比体质差些的兔子活得更长，生出更多的后代，这就是选择。因为父母将其基因传递给后代，所以下一代中健康兔子的比例，几乎一定比上一代大——繁殖的结果。结果，这一群落的整体健康水平就慢慢提高了。
适位地形的概念帮助我们更准确、更直观地感受到这种变化。在生物学术语中，一个有机体的颜色、速度、力量、智商，等等构成了它的表现型，表现型决定着适应性。现在设想一个二维坐标方格，使其上每一个点都对应一种不同的表现型，在这个坐标方格上划一个波动的地形，令每一个高度都代表那种表现型中每一个体的适应程度(图13)。地形随着表现型的变化而上下浮动。这就是适应地形。
图13适应地形中只有一个波峰。
从这一地形来看，进化就像在爬这些小山的种群一样。一

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