“复杂性理论”开创性研究者斯蒂芬•斯托加茨重磅新作！
电子科技大学教授周涛，诺贝尔奖获得者菲利普•安德森，牛津大学教授罗伯特•梅，美国海军研究实验室卢•佩科拉等联袂推荐！
湛庐文化出品。
成千上万只同步闪烁的萤火虫，整齐划一收缩的心脏起搏细胞，上万亿个在超导体中一致前进的电子……这些我们身边的同步现象，都指向了某种自组织现象，有关这种秩序的自发产生，是许多科学家终其一生研究的主题。而研究表明，持续、自发的同步现象与“耦合振子”的运动密切相关。
耦合振子究竟如何自发同步？在什么条件下同步？什么时候同步不可能出现，什么时候又不可避免？当失去同步时，会出现什么样的组织形式？我们正在努力学习的一切，其实际意义是什么？通过阅读本书，回答这些问题，我们将遇见一个隐藏的美丽世界，一个只有通过数学才能看到的世界。
除了理解同步现象本身，读者还将与作者一起体验在科学战壕中工作的诸多感受——曲折的探索、碰壁的苦楚、新发现的兴奋、从学生到同事再到导师的蜕变。阅读本书将是一种难得的乐趣！
01 萤火虫闪烁：同步是必然发生的
20 多年前，我认为自己发现了萤火虫同步闪烁的现象。我很难相信自己的眼睛，在我看来，这种发生在昆虫之中的现象必然是违背一切自然规律的。
上述文字摘自菲利普 · 劳伦特（Philip Laurent）于 1917 年发表在《科学》杂志上的文章，他参加了关于这个令人费解的现象的讨论。300 年来，到东南亚旅行的西方游客返回之后都会讲述这样的故事：不计其数的萤火虫全都亮灭一致地闪烁着，绵延于河岸两旁数公里之长。这些趣闻总会受到旅行作家们的青睐，被冠以浪漫色彩，引发广泛质疑。成千上万只萤火虫如何能够在如此巨大的规模中精确地策划它们的闪光，使之成为和谐的交响乐？现在，劳伦特确信自己已经解开了这个谜题：“表面现象是由我眼睑的抽搐或突然的上下眨动引起的，与昆虫完全无关。”
1915—1935 年间，《科学》杂志又发表了 20 篇关于这种神秘的集体同步现象的论文。有些论文认为这种同步仅仅是一个稍纵即逝的巧合，有些则把它归因于特殊的环境条件：独特的湿度、平静的天气，以及黑暗的环境，等等。有些还相信其中一定有一名指挥者：有一只萤火虫在向群体中的所有成员发送指示信号。正如乔治 · 赫德森（George Hudson）在 1918年写道：“如果想要一群人以如此完美的节奏合唱或合奏，不仅需要一名指挥者，而且必须经过训练去遵守他的指挥……这些昆虫天生就拥有比人类完美得多的节奏感吗？”博物学家休 · 史密斯（Hugh Smith）1923—1934年间居住在泰国，曾无数次目睹了这种同步现象，他愤然写道：“一些已发表的解释比这一现象本身更为不可思议。”但他也承认自己无法给出任何解释。
几十年来，没有人能提出一个合理的理论。1961 年，乔伊 · 亚当森（Joy Adamson）在她的书《生而自由》（Born Free）的续篇中，颇为感慨地描述了她在非洲看到的相同现象，这是这种现象首次在非洲大陆被发现。
这是一条巨大的光带，大约有 3 米宽，由成千上万只萤火虫组成，它们绿色的磷光在齐肩高的草丛上架起了一座光桥……这些微小的生物体组成的荧光带精确地同步闪亮和熄灭。人们疑惑于它们是以什么样的通信方式协调闪光的，仿佛被一台机械装置控制一般。
到了 20 世纪 60 年代末，萤火虫同步闪光的谜题开始浮现出些许头绪。几乎所有人都错过了一条十分明显的线索，即同步的萤火虫不仅一齐闪光，而且是以恒定的速率有节律地闪光，即使在彼此分离时，它们仍然保持着稳定的节奏。这意味着每一只萤火虫都必须有自己掌控时间的方法，即存在某种内部时钟。这个假想的振子在解剖学上仍来源不明，但被认为系于萤火虫微小的大脑中某处的一簇神经元。与人类心脏中的起搏细胞很像，振子重复地发射，产生有节律的电信号，传送到萤火虫尾部的发光器，触发周期性的闪光。
另一条线索来自生物学家约翰 · 巴克（John Buck）的研究成果，他对于萤火虫同步性的研究比其他人都更为科学可信。20 世纪 60 年代中期，巴克和妻子伊丽莎白第一次去泰国，希望看到萤火虫同步闪光的壮观景象。在一次非正式但十分富于启发的实验中，他们沿着曼谷附近的潮汐河流捕捉了许多萤火虫，将它们放飞到黑暗的酒店房间中。起初，这些萤火虫焦急地飞来飞去，然后逐渐降落到墙壁和天花板上，彼此分开至少 10 厘米远。刚开始，它们的闪光毫无条理，在巴克满怀惊奇地默默注视之下，两只、三只开始一齐闪光……零星的同步继续出现并发展，直到多达 10 余只萤火虫完全同步地闪亮和熄灭。
这些观测表明，萤火虫必须通过某种方式调整自己的节奏，以响应其他萤火虫的闪光。为了直接验证这一假设，巴克和同事们进行了实验室研究，他们对一只萤火虫施以闪烁的人造光（模仿另一只萤火虫的闪光），然后观察它的反应。结果发现，单独的一只萤火虫会以持续、可预测的方式改变其随后的闪烁时间，改变的大小和方向取决于接收到刺激信号时的周期位置。对于某些个体而言，刺激信号总是超前于萤火虫的节奏，仿佛要调快它的时钟；对于其他个体而言，时钟不是延迟就是提前，这取决于萤火虫是即将闪光，或是处于两次闪光之间的间隔，等等。
以上两条线索表明：萤火虫的闪光节奏是被一个内部可重置的振子控制的。同时，这也暗示了一种可能的同步机制：在一群闪光的萤火虫中，每一只都在不停地发送和接收信号，并依次改变其他萤火虫的节奏，同时也被其他萤火虫的节奏改变。一阵喧嚣之后，同步不知何故就自发出现了。
由此我们想到了一种解释，这种解释在数十年前似乎还是不可想象的——萤火虫是自组织的。它们不需要指挥家，也不受天气的影响，同步是在彼此的暗示中出现的，同样，没有指挥者的管弦乐队也是通过相同的方式保持完美的节奏的。此处违反直觉的是，虫子不需要具有智能。它们具备所有同步必需的要素：每只萤火虫都有一个振子，这是一个小节拍器，它的时间可以自动调整，以回应其他萤火虫的闪烁。仅此而已。
但有一点，这种方案的有效性并不明显。完美的同步能够从成千上万个无意识的节拍器杂乱无章的喧嚣中产生吗？ 1989 年，我和同事伦尼 · 米洛罗证明，这个问题的答案是肯定的。这种方案不仅有效，而且在特定条件下总是有效。
前言 聆听同步的循环之声
第一部分 思考同步
01 萤火虫闪烁：同步是必然发生的
萤火虫同步闪烁的壮观景象是自然界的一大奇观，同时这一现象也是科学界的未解之谜。是谁在“指挥”着成千上万的萤火虫共同跳起这样奇特的舞蹈？科学家通过将萤火虫抽象为“振子”研究发现，生命现象中总是存在一种持续的、节律性的同步。
02 脑电波研究：同步发生的条件
控制论先驱维纳通过研究脑电波，揭示了同步产生的条件——振子通过彼此之间的“频率牵引”实现同步，这是自然界基本的自组织机制之一。随后，几位科学家各抒己见，在数学上解释了生物振子如何同步这一问题。
03 睡眠周期：同步与非同步的斗争
人体内存在一个生物钟，数百万年的进化使得我们的身体可以自动与昼夜更替协调一致。睡眠周期和昼夜节律同步是大自然给人类的馈赠。这种同步一旦紊乱就会引发严重的问题。科学研究发现了这种规律，但对规律的基础仍一无所知。
第二部分 发现同步
04 苍茫的宇宙：同步无处不在
无生命体之间也存在同步现象。同步不依赖于智能、生命和自然选择，它源于深刻的万物之源：数学和物理定律。同步研究带来了激光、电网和全球定位系统，甚至地球上的水也可能是太空尺度的同步现象所赐。同步是苍茫宇宙的背景声。
05 量子的合唱：同步无孔不入
宏大的同步现象可以发生在宇宙这个大的尺度上，而在物质深处，在量子尺度上发生的同步现象更为惊人和反直觉。量子粒子的同步超越了一切宏观现象，超导就是量子领域同步现象的完美应用。
06 晃动的千禧桥：中间物的弱耦合 / 152
千禧桥开放当日，数以万计兴奋的伦敦市民涌向桥面，人流涌入几分钟后，钢制大桥开始晃动。由于同步引发的事故，千禧桥在开放三天后即被政府关闭。
第三部分 探索同步
07 混沌：蝴蝶效应
混沌科学是 20 世纪物理学的第三次伟大革命。混沌和同步本质上不是矛盾的，由于混沌同步的存在，同步不再只与节律性有关，与之相关的还有循环、周期和重复。
08 三维中的同步
三维中的同步形态会呈现出一种螺旋波，螺旋波似乎是有生命的，可以自维持，不需要起搏器。螺旋波连续叠加，会形成卷轴波。科学界对螺旋波和卷轴波的研究兴趣呈爆炸式增长，这项研究直接的应用是解决心律失常和心脏性猝死问题。
09 小世界网络：深层的无尺度结构
我们生活在一个小世界网络里，通过 6 个人，就可以联系到地球上的每个人。不仅社交网络是小世界网络，互联网、我们的大脑、物种间的食物链、细胞的代谢网络、《财富》1000 强的董事会，甚至英语的语法结构都是小世界网络。理解小世界网络的意义对我们的生活影响巨大。
10 人类社会：从流行到意识产生
在心理学和群体行为学领域，人群同步是不可忽视的现象。某种东西的突然流行、传染病的爆发、交通拥堵，甚至意识的形成，都与同步现象有关。这些问题与我们的生活息息相关，科学家正在不断探索，找寻其背后的机理及解决问题的方案。
后记
译者后记
绝大多数捧起本书的读者，都不曾想过同步如此美妙，如此重要！一群闪烁的萤火虫，一颗跳动不休的心，背后的机制都是同步。而健康的大脑只能工作在同步和去同步的竞争转换之间。我相信本书所展现的数学之美将如囊萤映雪，轻触你的灵魂。
——周 涛
电子科技大学教授
《同步》这本书文字美丽，视野惊人！其中既讲述了个人的故事，又讲述了科学的故事。在个人方面，这本书讲述了发现的乐趣，以及开创一门新科学的人物、想法、观察、友情、顿悟之间机缘巧合的关系。在科学方面，作者精心选取的解释和案例，可以启发并感染每一位读者，从初学者到专家。我从《同步》中学到了很多，阅读这本书着实是一种乐趣。
——查利•佩斯金
纽约大学应用数学与神经科学教授
《同步》是一门重要的前沿科学的一次伟大旅行……同步像混沌一样迷人而又富有哲理，只有它才能解释日常生活中那些与常理相悖的现象，自然界中许多令人惊讶的秩序的实例都是同步现象。
——保罗•霍夫曼
科普作家，《只喜欢数字的人》《疯狂之翼》作者
这本书是我见过好的一本关于构成现代复杂性理论的各学科的介绍，或许它应该被称为“新科学”。
——菲利普•安德森
诺贝尔奖获得者，普林斯顿大学约瑟夫•亨利物理学教授
我阅读了大量关于复杂性和自组织秩序的书籍，特别是与网络和日常环境中所看到的各类关系模式相关的书籍。这些书大部分都很有趣，但很多都是噱头大于内容。将“小世界网络”带到舞台中央的先驱——斯蒂芬•斯托加茨写了一本出色的书，逻辑清晰，充满趣味，同时又严谨缜密。此书的中心思想是解释同步现象：闪烁的萤火虫、心脏细胞有节律的跳动、行星和小行星的运动。一旦拿起这本书，你会发现自己很难再把它放下。
——罗伯特•梅
牛津大学教授
斯托加茨揭示了同步如何展现在宇宙，甚至我们的日常生活中——从原子到电流，再到我们的大脑。此书覆盖的学科跨度很广，也丰富地展现了科学研究中人性的一面。通过讲述一名研究者的真实生活，作者将科学与技术连接了起来，这样的方法使得任何人都有机会理解同步的概念。
——卢•佩科拉
美国海军研究实验室