鸟群缘何像液氦?

来源:作者:狄增如 发布时间:2014-07-27 浏览次数:567

 

    (供稿人:狄增如)

7月27日,Nature Physics发表了题为:Information transfer and behavioural inertia in starling flocks 的研究论文,论文细致研究了信息在鸟群飞行过程中的传播过程。同日,Science在其官方网站上对这一研究进行了评述:How bird flocks are like liquid helium。《中国科学报》7月29日翻译和转载了Science网站的评述,全文如下:

一群椋鸟在天空中整齐划一地飞翔,队列中每只椋鸟掠过的姿态都像精心编排过的舞蹈表演,每只椋鸟似乎都确切地知道在何时、何地去改变飞行方向。现在,研究者首次测量了信息如何在椋鸟群中传递——那是类似液氦的某种量子现象的行为。

“这是首批深入地了解飞鸟群为何可以如此和谐活动的研究之一。”瑞典乌普萨拉大学并未参加此次研究的David Sumpter说。椋鸟群如此精彩一致地飞行的原因一直困惑着研究者和观鸟者。上世纪30年代,鸟类学者Edmund Selous甚至提出,椋鸟之间通过心电感应相互配合。随后,研究者开始转向利用数学模型提出更为科学合理的设想。

上世纪90年代,匈牙利罗兰大学物理学家Tamás Vicsek曾提出最成功的模型之一,该模型基于每只椋鸟都和它的邻鸟朝一个方向飞的原则,如果一只鸟朝右飞,那么它的邻鸟也会和它保持一致。尽管该模型很好地再现了飞鸟群的很多特征,如它们如何在随机安排的队形中灵敏地与队伍保持一致。但现在,研究者却发现该模型并没有准确地描述鸟群如何转向。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           椋鸟群飞过罗马市中心。图片来源COBBSLAB,ISC-CNR

 

来自罗马复杂系统研究所的物理学家Andrea Cavagna和Asja Jelic所带领的团队在椋鸟群飞到当地一个火车站附近的时候,通过高速录相机捕捉椋鸟飞行的姿态,并利用录像机上的追踪软件,精确查明每只椋鸟转向的时间和地点以及一个决定通过整个鸟群时,它们如何跟随信息指令行动。数据显示,转向的信息在由数只椋鸟发出后,很快便会以每秒20~40米的速度顺利通过整个鸟群,这意味着对于一群拥有400只椋鸟的鸟群来说,仅需要比半秒略多一点儿的时间来改变方向。

Cavagna 表示,新的研究结果与Vicsek模型相对立。他解释说,Vicsek模型认为这种信息指令会消散,如果这种假设是正确的,那么并非所有的鸟都可以及时得到消息并转向,那样鸟群的动作就不会整齐划一了。

新的模型还预测说,如果鸟队排列非常整齐,信息传递速度就会更快。Cavagna表示,有趣的是,从数学角度看,新的模型与描述液态氦的方程非常类似。如同量子物理定律所描述的那样,当液氦冷却接近绝对零度时,就会变成一种没有黏度的液体,在这种超流体中,每一个原子都处于同样的量子状态,从数学上讲,这种凝聚状态与椋鸟群队列十分相像。Sumpter表示,这个理论同样可以被应用到其他类似群体行动中,比如鱼群或是移动细胞组合等。

(冯丽妃 译自www.science.com,7月27日

《中国科学报》 (2014-07-29 第2版 国际)