2025-09-28 15:53
每次看到天上的鸟群变换队形，或者鱼缸里的鱼群整齐游动，我们都会默认它们在“互相看齐”。
就连科学家过去也觉得，这种集体行为全靠“对齐指令”——每个个体都在跟着邻居调整方向，就像军训时的士兵一样。
但上海交大的研究团队最近干了件颠覆常识的事，他们找了一群彻底的“独行侠”粒子，这些小东西既不会看方向，也不会跟同伴，只会瞎转悠。
结果发现，只要把它们挤在一起，这群混乱的粒子居然能自动围成圈旋转，形成整齐的集群，这篇发表在《自然》的研究，直接撕开了我们对“集体智能”的固有认知。
鸟群秘密被推翻？诺奖得主都在研究的难题
2021年诺贝尔物理学奖给了研究复杂系统的科学家，其中乔治・帕里西的灵感就来自罗马上空的椋鸟群。
他在《随椋鸟飞行》里写过，成千上万只椋鸟聚在一起，时而变成丝带，时而缩成圆球，整个鸟群像个活物。
为了搞懂这背后的规则，帕里西团队用两台相机拍了两年，以10厘米的精度追踪每只鸟的轨迹，最后还是归结到“对齐相互作用”上。
这个理论统治了学界几十年：不管是鸟群、鱼群还是蚁群，要形成集体行为，“看齐”和“跟随”是必须的。
没人敢想，如果把“看齐”这个规则拿掉会怎样，毕竟一群只会随机乱动的粒子，怎么看都该是一盘散沙，上海交大的实验，偏偏就做了这个“不可能”的尝试。
给“独行侠”粒子量身定做的实验室
要做这个实验，首先得创造一群绝对不会“对齐”的粒子，研究团队用3D打印做了一种叫“布朗振子”的小圆盘，底部有一圈倾斜的“小短腿”，这是关键设计。
他们把这些小圆盘放在高频振动的平台上，平台一抖动，就会随机“踢”到粒子的某条腿，因为腿是斜的，每一脚的推力方向都不一样。
这种运动方式和水里的花粉颗粒一模一样，就是典型的布朗运动——毫无规律可言。
这样一来，理想的“独行侠”群体就诞生了：没有视觉，没有意图，只知道在自己的小世界里瞎晃，接下来，研究人员只改变一个变量——密度，也就是慢慢增加粒子数量，看拥挤起来会发生什么。
实验刚开始，粒子很少的时候，系统就像“颗粒气体”每个粒子都在乱撞，你走你的，我走我的，整个场面乱糟糟的，完全符合直觉。
随着粒子越加越多，密度达到某个临界值时，神奇的事情发生了，原本乱作一团的粒子，突然开始围着平台中心顺时针转，形成一个稳定的大旋涡。
速度场图能清楚看到，所有粒子都在朝着同一个方向运动。
这是人类第一次在物理实验里证明，没有“对齐”规则，纯粹的随机粒子也能形成集体运动。
更有意思的是，要是继续加粒子，密度超过另一个阈值，旋转又会消失，粒子被挤得动不了，堆成类似固体的结构，就像被冻住了一样。
从稀疏的“气体”到转圈的“液体”再到僵硬的“固体”，一场完整的相变就在眼前发生。驱动这一切的，不是“看齐“，居然是密度。
这群粒子既不看方向，也不跟同伴，怎么就突然“懂事”了？
答案藏在两种看不见的力量里，它们一直在进行“拔河比赛“。
拔河的一方是“主动推力”，来自振动的平台，平台每一次抖动都在给粒子随机的推力，就像个捣蛋鬼，总想把所有粒子往不同方向推，维持混乱状态。
另一方是“有效吸引力”，这股力量更隐蔽，不是真的引力或磁力，而是碰撞攒出来的效果。
这些塑料粒子碰撞时，会像篮球砸地面一样“掉能量”，篮球弹起来会越来越矮，粒子碰撞后速度也会变慢，这就是非弹性碰撞。
这种“掉能量”的效果，让粒子碰撞后有点“黏糊糊”的，不会像台球那样马上弹开。
密度低的时候，碰撞少，这股“黏合力”可以忽略，密度一高，碰撞变得频繁，微弱的黏合力攒起来，就成了强大的吸引力。
低密度时，推力占上风，粒子乱作一团；中等密度时，吸引力和推力打平，粒子被“橡皮筋”连在一起，随机推力的微小偏差会被放大，最终变成集体旋转。
高密度时，粒子挤得太紧，排斥力主导，集体运动就没了。
自然界的集体智能可能更简单
这个实验给了我们一个全新的视角看世界，过去我们总觉得，生物的集体行为肯定靠复杂的信号传递，现在才发现一群没生命的塑料颗粒，光靠“被挤着”和“碰撞掉能量”就能形成有序运动。
那自然界的情况会不会也是这样？
细菌菌落的聚集，细胞组织的形成，说不定不全是靠生物化学信号，底层可能也有这种物理法则在起作用，这一下就把物理学和生物学连了起来，新的研究方向就这么打开了。
技术应用更是看得见摸得着，要是掌握了密度驱动的相变规律，未来设计微型机器人就简单了。
不用编复杂的程序，只要改变环境里机器人的密度，它们就能自动在“单独干活”和“组队协作”之间切换，智能材料也一样，调整密度就能改变特性，比现在的设计思路省事多了。
结语
原来复杂的集体行为，未必需要复杂的规则，上海交大的粒子实验说明了，有时候只要“挤一挤”，混乱里就能长出秩序。
帕里西花两年追踪椋鸟得到的“对齐”理论，可能只是表象，那些我们以为的“智能协作”，说不定只是最基础的物理力量在博弈。
自然界的底层逻辑，或许比我们想象的要简单得多。