《同步》 傅渥成解读
《同步》| 傅渥成解读
关于作者
这本书的作者斯蒂芬•斯托加茨是非线性科学领域最为出色的科学家之一，他在混沌理论和复杂系统方面做出来许多开创性的工作。他的发表的许多论文都涉及到不同学科中的同步现象，他还参与了“同步”相关科学概念的建立过程。由斯托加茨来写这样一本书，就像是那些重要的历史人物亲自写的口述历史。
关于本书
在这本书中，斯托加茨向我们展示了由各种同步现象所组成的一幅幅美妙的图像。今天，“同步”已经开始整合为一门新的科学，它成为了沟通数学、物理、化学、生命科学、社会科学等不同学科分支的桥梁。只有理解了同步现象，我们才能理解从细菌到宇宙之间各种秩序的起源，正如作者所说：当找到了自发秩序的源头，那么我们就会发现宇宙的秘密。
核心内容
同步遍及了宇宙中的各个尺度。对“同步现象”的研究不但可以帮助我们理解生命活动、集体行为、以及人类社会中的大量复杂现象，而且在应用层面，同步现象还可以启发我们设计和改进各种人造的复杂系统。
你好，欢迎“每天听本书”，本期音频要来向你介绍的这本书是《同步》。比如我们在看阅兵表演的时候，军人们让人震撼的、完全同步的步伐；还有音乐厅里，演奏者在指挥家的指挥下，奏响的悠扬音乐，这些都是同步现象。本书的作者说，这些现象，既古怪又美丽。
说它古怪，是因为从表面上看起来，它似乎违背了基本的物理规律。根据热力学第二定律，一个孤立系统当中的混乱度不可能自发地减小。可是当同步现象发生时，混乱的体系却有可能会自发地变得充满秩序，这不就意味着混乱度减小了吗？这无疑非常违反我们的直觉。
说它美丽，是因为我们知道，“大家一起来做一件事儿”本身就不是一件简单的事情。在一个大组织中，每个个体的想法和行为都可能是不相同的，如果没有“同步能力”，那这个组织只能是一盘散沙，甚至整个人类社会都没法建构起来。不管是细菌群、鸟群、生态系统、还是人类社会，只有当这些系统有了一定的同步能力，它才可以产生合作、执行任务。这时，系统中涌现出了某种秩序，它可以帮助系统更好地适应环境，甚至可以产生出更强的学习和进化能力。
只有认识了同步现象，我们才能理解从细菌到宇宙之间各种秩序的起源。正如作者所说，当找到了自发秩序的源头，那么我们就会发现宇宙的秘密。
同步现象已经吸引了许多来自不同学科的科学家研究，今天，“同步”已经被整合为一门新的科学，它成为了沟通数学、物理、化学、生命科学、社会科学等不同学科分支的桥梁。这本书的作者斯托加茨，就是这一领域内最出色的科学家之一。他的发表的许多论文都涉及到不同学科当中的同步现象，甚至他还参与了“同步”相关科学概念的建立过程。由斯托加茨来写这样一本书，就像是那些重要的历史人物亲自写的口述历史。
接下来我们会从以下四个问题来具体解读这本书的核心内容： 第一个问题是，同步现象在生活和科学中有哪些重要的应用？ 第二个问题是，这些同步现象是怎样发生的？ 接下来，我们要深入介绍一种同步现象，这就是我们的生物钟。我们要回答的问题是，生物钟是怎样与太阳的节奏保持同步的，或者说，太阳是怎样指挥我们的生物钟达到同步的？ 最后，这本书要回答的第四个问题就是，如果没有“太阳”或者类似的“总指挥”，一个系统能不能用其它的方式、自发地形成 “同步”？
好了，我们首先来讨论第一个问题，同步现象在生活和科学中有哪些重要的应用？
先来跟你讲一个真实的故事。2000年的时候，在英国伦敦的泰晤士河上，一座新的悬索桥被建立了起来，为了迎接新千年的到来，这座桥被命名为“千禧桥”。这座桥由英国最顶级的设计师和工程师设计，设计非常精巧。这座桥建成之后，马上就吸引了许许多多的市民和游客蜂拥而来，可万万没想到的是，当许多行人在桥上行走时，这座重达690吨的大桥竟然发生了非常大幅度的晃动，本来直直的一座桥变成了S形，桥体两端的偏斜竟然达到了20厘米，警方于是开始疏散人群。千禧桥在开放之后的第三天就惨遭封闭。
为什么千禧桥会出现这样重大的安全隐患呢？难道是因为这座桥实在太受欢迎，导致这座桥超载了？这些本来就是工程标准中最基础的要求，工程师不会犯这么外行的错误。工程师们回过头来，重新查看大桥开放当天的录像，终于找出了关键原因。
我们在走路的时候，会在横向上产生一个很小的力，因为平时大家走路的步伐肯定是杂乱无章的，所以这些向左或者向右的力，基本上可以相互抵消。但是那天在千禧桥上，所有人的步伐在不知不觉当中“同步”了。这一同步，就让行人在行走过程中的横向力发生了叠加，让桥在水平方向上振动了起来。这个振动一旦开始，就像一艘船开始进水了一样，比如本来是左侧进水，所有乘客为了保持平衡，全部跑到船舱右侧，然后船又会向右倾斜，大家为了维持平衡又向左跑……每个人维持平衡的努力都在加剧这艘船的倾覆。后来，工程师们在桥上安装了一些减震的装置，千禧桥才重新恢复通行。
说到这里，相信你已经了解到了同步现象，不过你可能还会有疑问，这样的研究真的有那么重要吗？甚至要整合出一门新的科学？其实，研究同步的学者们曾经长期遭到类似的质疑。在美国，就有研究员因为研究萤火虫的同步发光现象，而被议员批评说，美国国家科学基金会怎么能组织进行这样的研究，花纳税人的钱研究萤火虫呢？
针对这样的质疑，这本书的作者给出了一个非常精彩的回应，他提到，对同步现象的研究能给许多领域的研究提供非常重要的启发。比如在以前，网络工程师们经常遇到一个很常见的问题，那就是当大量的路由器连接在一起的时候，由于路由器之间的信息传输，它们也会像千禧桥上的人群一样，在不知不觉间实现同步。但这种自发产生的同步是有坏处的，如果所有的路由器一起发送信息，那么网络上肯定会信息拥堵，这时，网络上的信息传播是非常低效的。
通过对大量同步现象的研究，工程师们受到了一些启发，他们设计出了一个分布式的架构，这种网络的架构降低了系统的同步能力，让网络上的信息传输变得更加可靠。
同步现象甚至是我们生命活动的基础。在我们的心脏中，有一类可以发生振动的起搏细胞，这些细胞位于心脏的“窦房结”，它们可以产生出某种电流的“节拍”,正是这些细胞让心肌细胞有规律地收缩。当所有的这些起搏细胞在一起同步工作时，心脏瓣膜才会有节奏地舒张和收缩。如果起搏细胞不能同步地收缩，那一个人的心跳将会非常紊乱，而这通常是一些心脏疾病发病的危险信号。
同步的有关技术还在许多高科技领域中有着重要的应用。比如，普通的光线通常是没有同步的，会向四面八方四散传播，我们很难让这些光线汇聚；假如我们让所有的光子达成同步，我们就可以对光线进行非常精确的控制，这就是我们所熟悉的激光技术。如果我们可以让数万亿的原子一起发射完全同步的光波，就可以精准地让光线汇聚到一点，可以利用它来读取 DVD 光盘上的数据，也可以用来进行高精度、低创伤的激光手术。
好了，到这里为止，我们就讲完了第一个问题。为什么同步现象如此重要？这是因为因为在各个学科中都有大量的同步现象。小到微观粒子，比如超导体中会有电子的同步；大到天体运动，比如月球的自传和公转周期也会出现同步；没有同步就没有生命，细胞就没法被组装出来，更不要说像大脑、心脏这样复杂的器官了。可以说，同步遍及了宇宙中的各个尺度。
刚刚介绍完了同步现象的各种应用，我们紧接着要来回答第二个问题，这些同步现象是怎样发生的？
关于同步现象的研究最早可以追溯到三个半世纪以前，是当时的荷兰物理学家惠更斯首先发现的。当时，物理学家惠更斯发明了摆钟，他在偶然间发现了一个现象：如果两个摆钟挂在同一根梁上，这两个钟的钟摆节奏总会变得完全一致，而摆动的方向会完全相反。我们现在知道，他第一个发现了无生命之间的同步现象，我们在无序当中，第一次发现了自发产生的有序。
随着科学的发展，科学家们在许多系统中都发现了类似的同步现象，最典型的例子就是发电机的同步了。在一个大型的发电站，里面可能有许多发电机。通常，人们通过火力或者水力推动发电机的旋转，将旋转的动能转换为电能。有意思的是，当发电机在发电的时候，所有发电机的运动也是完全同步的。
这些同步现象是怎么发生的呢？要知道，刚刚介绍的这两种同步现象都是在完全没有生命的系统中实现的，这说明同步现象的发生，似乎不需要主观的“意识”或者“智能”。说到这里，可能你会有些疑问，“同步”这种大型集体的动作，总该有个人来协调或者来指挥吧，怎么会在“不知不觉之间”就实现同步了呢？这是一个很好的问题。
其实这种现象很好理解，假如两台发电机以不同的速率旋转，一个旋转的速度快，另一个旋转的速度慢，因为这两台发电机都与电网相连，所以它们之间存在着能量的交换。转得快的发电机能量更高，它的能量会通过电网流到转得慢的那台发电机，那转速慢的那一台发电机会加速，转速快的那台会减速，最终达成同步。
惠更斯所观察到的单摆同步现象也是同样的道理，因为两个单摆都悬挂在同一根梁上，它们之间也存在着能量交换，摆动速度较快的单摆会把能量通过横梁，输出到更慢的单摆那里。只要在一个系统中存在着一些能量交换，那么这种同步完全可以在“不知不觉”间，无意识地产生。
说到这里，可能你已经发现了，各种同步现象的本质未必相同。我们可以粗略地把同步现象可以分成两类：一类系统依靠外部指令而达成同步，这样的演化机制可以叫做“他组织”，比如我们前面介绍过的激光，就是在外界的操控下实现的同步；而另一类系统并不存在外部指令，而是可以自发地形成同步或者产生有序结构，这样的演化机制常常被叫做“自组织”。
咱们可以用一个很形象的比方来对比这两种同步现象，这两种不同的同步现象就像是两种不同形式的音乐演奏，中心化的同步像是交响音乐会的演奏，所有的演奏者是在指挥家，也就是“中心”的指挥下，节奏才达到了完全的同步；而在自组织系统中，音乐的演奏就像是爵士音乐的即兴表演，尽管没有指挥的存在，但大家却依然实现了节奏和频率的完全协调，形成了某种“秩序”。这种在没有领导者达成同步和有序的状态通常也被叫做“去中心化”的自组织。自组织现象让我们看到：“秩序”是怎样在一个无序的复杂系统中产生的。
好了，说到这里，咱们来总结一下同步现象产生的原因。同步现象的形成有两种重要的原因，一种是系统依靠外部指令在“中心化”的控制中实现同步，而另一种系统可以在“去中心化”的情况下，无序的个体在不知不觉间达成同步、形成秩序，这种机制常常被叫做“自组织”。
好了，介绍完同步现象的分类，我们就先来介绍一种典型的“中心化”的同步现象，那就是在我们体内每天都在发生的一个过程——生物钟。我们要回答的问题是，我们的生物钟是怎样与太阳的节奏保持同步的？
要想揭示生物钟与太阳的同步原理，有一种简单粗暴的方法，那就是设计一个对照试验，让实验者看不到太阳，然后测量实验者的生物钟和正常情况下有什么不同。美国航空航天局，也就是 NASA ，很关注这个实验，因为宇航员在太空舱里也会面临时间错乱的问题。在 NASA 的资助下，法国研究者西弗尔，进入了一个位于地下的封闭实验室里，实验室里有充足的食物和水、基本的家具，还有很多实验设备，可以测定西弗尔的体温、监测他的睡眠等等。不过，在这个实验室里，没有日历或者钟表，也见不到阳光。
在刚刚进入实验室的一段时间里，西弗尔始终保持着大约26小时左右的生物钟。与此同时，他的体温也会依然按照一个稳定的周期自然地波动着。我们每个人的体温在一天中的不同时间是会有一些微小的波动的，波动的范围通常不超过1摄氏度，一个正常作息的人，通常在清晨的时候，体温降低到最低，而每天下午的时候我们的体温达到最高。
不过，当西弗尔在实验室里待到第37天的时候，有意思的现象发生了，西弗尔的体温仍然表现出准确的周期性，可他的生物钟却完全混乱了：他有的时候会睡上15个小时或者连续清醒40个小时，有时候又恢复成26小时左右的周期。西弗尔面对着自己的实验数据，完全一筹莫展，不知道这个数据中到底有什么规律。
如果在正常的生活里，我们可能会觉得，这一天比较辛苦，或者熬夜看了球，那睡眠的时间就会更长。但是西弗尔的这个实验好像表明，睡眠时间跟这些都没关系。那到底跟什么有关系呢？
这时，美国的一位科学家切斯勒登场了，他把实验者们每次的睡眠时间和入睡时的体温画在了一起，从这些看似无序的数据中找出了一条看起来不可思议的规律。他发现，我们的睡眠时间是由开始睡觉时的体温所决定的，如果在体温相对较高的时间点开始入睡，那么这一次我们很可能会睡得很久，而如果在体温较低的时候入睡，那么这一次睡眠的总时间可能会相对比较短。
即使像西弗尔那样，当他的生物钟被完全打乱了之后，他的睡眠依然服从这个规律。切斯勒认为，这种现象告诉我们，我们每次睡眠的时间只跟体温的自然周期有关，跟工作辛不辛苦、熬不熬夜都是没有关系的。大脑根本就不在乎你真正需要多少时间的睡眠，当你熬夜到凌晨四五点的时候开始入睡，体温已经降到了一天之中的最低点，这暗示着你的这次睡眠很可能不会持续太久。
在我们的生物钟系统中，还隐藏着许多有趣的规律。我们都有过这样的经验，当我们努力熬夜工作时，到了四五点的时候，我们越来越困，脑子变得越来越不清醒，这个时间段也被科学家们叫做“僵尸时间”，因为这个时候就算我们强行熬夜醒着，也就像行尸走肉一样，对外界环境也很难作出准确的反应。也就是说，其实我们对外界环境的警觉性也是随着体温周期自然同步的，所以夜间疲劳驾驶的风险会比白天大很多很多。
随着科学家们的研究越来越深入，他们发现，人体内许多生理功能和认知功能的波动都与昼夜节律和体温周期保持同步，人体内的很多激素分泌也和昼夜节律同步。比如我们非常熟悉的一种辅助睡眠的药物——褪黑素，我们的身体也能分泌褪黑素，当我们快要入睡的时候，体内褪黑素的浓度最高。这么多不同的生理反应都保持着同样的振荡，那么只有一种解释，我们体内这些各种各样的“振荡”其实是由同一个生物钟控制的。
科学家们花费了很长的时间来寻找这个隐藏的时钟，最终发现，这个“时钟”就位于我们大脑中的下丘脑部位，有两组非常微小的神经元群体，这个神经元直接与我们的视觉神经相连，所以这个部位也被叫做视交叉上核。光信号从眼睛流到大脑时，一共有两条通路：一就是我们每个人都非常熟悉的视觉信号，另一条则决定了我们的昼夜节律。
当早上的阳光照在了我们脸上时，就有光信号传递到了我们体内的“时钟”部位。这个时钟就会提醒自己，现在是早上了，于是它调低褪黑素等各种激素的水平，我们的状态也就由睡眠切换到了清醒。通过这样一种调节机制，我们每个人的生物钟就和太阳的周期保持了完全的一致。
如果说我们下丘脑视交叉上核是一个钟表，那么每天升起的太阳就像是不断打理和调校这个钟表的工匠。科学家发现，在盲人人群中，有高达80%的人患有慢性睡眠障碍，这很可能是因为他们的两条通路都受到了损害，这些盲人即使站在强光下，体内的褪黑素分泌也可能非常高。
然而，还有20%的盲人可以和太阳的周期运动保持同步，当这些盲人站到强光底下，科学们测量到他们体内的褪黑素水平发生了明显的降低，这是因为他们虽然视觉信号的通路出现了问题，但视神经与生物钟的相关连接仍然在正常工作。这个研究给了我们很多提醒，比如在入睡之前，我们不应该玩手机，因为这些光信号会对我们大脑中的“时钟”造成错误的印象。
咱们来总结一下这一部分的内容。在我们的体内，存在着大量的周期振荡：我们的睡眠、体温、激素分泌水平、警觉程度在一天以内都会发生周期性的波动，这些都是我们“生物钟”的一部分。在我们每个人的大脑中，有一个区域与视觉神经相连，可以直接接收外界光线的刺激，通过这种方式，太阳像总指挥一样，用中心化的方式控制我们大家的生物钟。
我们已经知道了，同步现象可能是“他组织”，也可能是“自组织”。我们刚刚说的生物钟的例子就是最典型的“他组织”，那么如果没有“太阳”或者类似的“总指挥”，一个系统是怎样通过去中心化的方式，通过“自组织”达成同步的？这就是我们要说的第四部分。
关于自组织的同步现象，有一个非常精彩的案例。我们前面也提到了一下，就是萤火虫的同步发光现象。在美国田纳西州的一个国家公园里的一小片森林里，有一种这样的萤火虫，这些萤火虫会在每天夜里出来活动，数千只萤火虫的闪光完全同步，在3秒钟内，它们会闪光6次，然后熄灭6秒钟的时间，再次闪光。相互之间的闪光时间差不超过0.03秒。这类有趣的同步现象引起了许多科学家的注意，他们提出了许多模型，希望可以定量描述这样的同步现象。
说到这，可能你马上会想到一个问题：为什么这些萤火虫的发光要同步呢？生物学家提出了很多猜想，最古老的一种叫“灯塔假说”：我们知道，雄性萤火虫发光其实是在吸引雌性的萤火虫，在开阔的环境下，每个萤火虫自己发光吸引异性，这其实就足够了。而如果是在森林里，有许许多多的遮挡物，这就需要所有的雄性萤火虫通力合作、一起发光，才能让这个光束传播到更远的地方，否则，如果所有的雄性萤火虫都各自发光，很可能大家都没有办法吸引到雌性的萤火虫，那么整个种群都有可能有灭绝的危险。
还有一种最新的理论是这么说的，这其实是一种竞争关系，而不是合作。因为雌性萤火虫更偏爱第一只闪光的虫子，所以每只雄性萤火虫都争相成为那个第一。如果每只雄性萤火虫都遵守这条看似自私的规则，那同步现象就是肯定会发生的。这帮助萤火虫从混乱中建构出了秩序，在漫长的进化过程中，这种同步机制让萤火虫的整个“社会”朝着有利于“集体利益”的方向演化。而有趣的是，科学家们发现，在萤火虫的同步过程中，并不存在任何的“领导”或者“指挥”。萤火虫在完全去中心化的情况下，通过个体之间的互动，最终实现了同步。
说到这里，可能你会联想起亚当·斯密著名的“看不见的手”的理论，“看不见的手”的意思是指：在经济活动中，每个人在经济生活中只考虑自己利益，即使没有政府干预经济活动，在竞争的环境下，市场也能发生自动调节，形成良好的经济秩序，并且让社会朝着有利于所有人的方向上演化。这个过程跟萤火虫的同步是非常类似的，尽管每个个体考虑的只是自己局部的同步和信息，但系统最终总是可以朝着有利于整体的方向演化。
从这个同步现象当中，作者说到了我们思维当中的一个漏洞：当我们看到某种秩序出现的时候，我们总会认为这有可能是由于存在着某种“控制者”或者“领导者”。但在一个复杂系统中，通过复杂的信息传递，每个个体的状态最终都会影响到所有其他个体，这样一来，我们标准的思考方式就会崩溃。
举个例子，当我们看到市场的波动时，我们常常会想找到制造这些波动的“庄家”和“操盘手”，但有的波动其实并不存在背后的操纵者。在很多时候，市场恐慌情绪的扩散会导致股票市场的波动，而市场波动又会反过来造成更大的恐慌，这些恐慌累积在一起，市场上交易者的行为也就变得“同步”了起来，系统的集体行为其实是通过自适应、自调节和自组织形成的。
不过，为什么萤火虫要用这样一种去中心化的方式来实现同步化呢？有人指挥不会更方便吗？这是因为去中心化的系统具有更强的稳定性。如果一个系统缺乏自组织的能力，当它被攻击时，比如萤火虫群体中的“总指挥”被其它捕食者吃掉之后，萤火虫的系统就会完全无法实现同步，一个种群就会灭绝，生物系统显然不愿意去冒这么大的风险。
而且，这种去中心化的同步机制还有一个很大的好处，那就是极大的可扩展性。随着群体中个体数量的增多，在一个中心化的群体中，“领导者”会需要跟越来越多的个体发生信息交流，它的压力就会越来越大；而在一个去中心化的群体中，任何个体都不会增加任何的负担，因为群体里每个小模块都是自己单独负责的。因此，蚂蚁、蜜蜂等昆虫的社会行为和鸟群、鱼群的集体行为都选择的是去中心化的控制方式，这都是因为，一个去中心化的自组织系统，在遇到各种外界环境的冲击后，依然可以保持系统的稳定性。
好了，《同步》这本书的核心内容我们就讲完了。总结一下本期音频刚刚介绍的内容：
在第一部分，我们回答的问题是：同步现象在科学和生活中有哪些应用？我们介绍了许多不同学科中的同步现象。对“同步现象”的研究不但可以帮助我们理解生命活动、集体行为、以及人类社会中的大量复杂现象，而且在应用层面，同步现象还可以启发我们设计和改进各种人造的复杂系统。
在第二部分，我们介绍了同步现象的形成机制，或者换句话说，这也是复杂系统“从混沌到有序”的组织机制，分为两种：一种是系统依靠外部指令，在“中心化”的控制中实现同步，而另一种系统没有中心化的控制，可以在“去中心化”的情况下，在不知不觉间达成同步，这种机制常常被叫做“自组织”。
在接下来的两部分，我们分别详细介绍了一个他组织系统和一个自组织系统。我们生活中最常见的一种他组织同步现象，那就是生物钟与太阳每天节奏的同步。我们的睡眠和许多生理状态在一天内都会发生周期性的波动，这些波动构成了我们的生物钟。大脑中与生物钟相关的区域与我们的视觉神经相连，它们可以直接接收外界光线的刺激，让我们的生物钟与太阳，这样一个“中心化”的控制者的节律保持同步。
最后，我们通过对萤火虫的同步现象的介绍，讨论了自组织的同步机制。萤火虫们通过与自己周围的其它萤火虫保持步调一致，最终实现了整个群体的同步。这种同步可以帮助萤火虫群体将光线传播到更遥远的地方，让整个萤火虫的群体朝着有利于“集体利益”的方向演化。去中心化的系统在实现同步时具有更强的稳定性和可扩展性，这种机制在自然界和人类社会的自组织起到了关键性的作用。
就像这本书所展示的，“同步”已经成为沟通许多不同学科分支的桥梁，我们在阅读这本书的时候，也应该尽可能找到同步问题与其它科学问题之间的联系。比如我们知道，信息在网络上的传播速度是前所未有的迅速，为什么社交网络上的信息同步速度这么高效呢？
本书的作者斯托加茨提到，这是因为社交网络常常表现出“六度分隔”的特征，就是通过很少的几个好友，就可以联系起你和世界上的任何其他人。这个特征大大提高了同步的效率，关于六度分隔的“小世界特征”，我在“每天听本书”中解读过《六度分隔》这本书。如果你感兴趣，可以试着把这些内容串联到一起，建立起更完整的知识体系。
撰稿：傅渥成 脑图：刘艳 转述：江宁
划重点
1.同步现象在各个学科中都有大量案例。它的形成有两种原因，一种是系统依靠外部指令在“中心化”的控制中实现同步，另一种系统可以在“去中心化”的情况下，无序的个体在不知不觉间达成同步。
2.人和太阳是一种中心化同步，每个人的大脑接收外界光线的刺激，然后太阳像总指挥一样，用中心化的方式控制我们大家的生物钟。
3.去中心化同步系统更稳，任何个体都不会增加任何的负担，因为群体里每个小模块都是自己单独负责的。