大自然如何运作：关于自组织临界性的科学

以什么样的尺度来观察，决定了我们看待大自然运作的方式。微观或宏观尺度下，大自然给予我们的物理现象截然不同。即使我们的研究已经下至微观、上达天体，但对于我们生活其中的自然界的复杂性却知之甚少。

当我们抬头仰望星空，俯瞰山川大地，是否曾思考过这浩渺宇宙与微观世界之间的奇妙关联？科学的真谛在于创建可以预测未来的理论，然而，《大自然如何运作：关于自组织临界性的科学》（以下简称《大自然如何运作》）却向我们展示了一个不同的视角。

《大自然如何运作》的作者丹麦物理学家帕·巴克（Per Bak）首次提出了“自组织临界性”的概念。自组织临界性，听起来就让人感到神秘。它解释了自然中许多看似无序、复杂的现象背后的有序性和自组织性。从岩层与地貌的形成，到河网与海湾的结构，再到地震、火山爆发、物种灭绝、市场波动……这些看似毫无关联的现象，在自组织临界性的框架下，竟然呈现出惊人的共通性。

在书中，巴克详细介绍了发现“自组织临界性”的研究进程，并且介绍了这一规律在自然界现象（社会现象）中广泛的存在。作者通过简单沙堆模型的计算，展现了自然界的复杂性和不可预测性。每一次的计算结果都不同，仿佛出现了若干平行宇宙，让人不禁惊叹大自然的神奇和魅力。

为了了解大自然的复杂性是如何产生的，作者进行了一系列论证和思考。他将有巨大变化的系统称为复杂系统，分析了简单物理定律与复杂大自然（系统）之间的鸿沟，通过对崩塌事件（因微小扰动产生的各种不同大小的响应）的稳态（实验中采用类似耦合扭摆的网络系统）建模计算，发现这一系统在没有任何外力作用下自组织发展到一个临界点。在这个点上，各种大小的崩塌均能出现。“一旦达到这种均衡态，这种‘临界性’就和核链式反应中的临界性类似。”作者如是说。

实验证明，朝着这种临界态演化与这种临界态的建立，仅仅是因为系统中的各个元素间的动力学相互作用，因而是自组织的。作者进一步指出，自组织临界性是目前所知道的产生复杂性的唯一普遍机制。在这个意义，或者说在这种观察尺度下，作者解释了大自然的复杂性是如何产生的，以及为什么是复杂的。

《大自然如何运作》是巴克教授关于自组织临界性理论的重要著作。它的写法与众不同，不是纯粹围绕着公式原理等谈理论，而是生动讲述了一群科学家如何创立一座宏伟的科学大厦，以及它如何解释了纷繁复杂的自然现象，乃至扑朔迷离的社会现象和人类思维现象。本书英文原文出版于1996年，中文版由李炜、蔡勖翻译，出版于2001年。近期经修订后再版。

尽管作为一本科普读物，《大自然如何运作》对于普通人来说还是有一定的难度，但相信只要我们对科学保持兴趣，就会慢慢地在看似杂乱无章的自然界中找到规律，感受到它的美丽与神奇。

霍金曾经说过，21世纪是“复杂性”的世纪，自组织临界理论为我们理解复杂性提供了一个框架，读完这本书，你将获得一把打开宇宙万物之门的万能钥匙。让我们能够站在一个更高的角度，俯瞰自然界的纷繁复杂。