國際液晶學會與活性行走的由來

1 國際液晶學會的由來

液晶是1888年發現的. 沉靜了一段時間之後，在20 世紀30年代，在歐洲，對液晶的研究工作蓬勃了一下，之後又沉靜下來. 60年代末在美國，有人發明了液晶顯示，現代的液晶研究才開始，一直延續到現在. 首屆國際液晶會議於1965年在美國Ohio州Kent州立大學舉行，主席是Glenn H. Brown，大約有90人出席. 第二屆於1968年在同一地方舉行. 之後每兩年舉行一次，一直到現在. 會議在1990年之前由「 國際液晶會議策劃和指導委員會」負責推動，委員會由少數幾個重要的液晶科學家組成.

我於1978年1月回國，在中國科學院物理研究所工作. 1979年，應印度拉曼研究所Chandrasekhar 教授的邀請，我與北京大學物理系的兩位老師到Bangalore參加他主辦的國際液晶會議. 這是我生平參加的第一個國際液晶會議. 這個會議讓我認識了液晶界的主要同行，並獲得了碗形液晶的靈感. 第二年，我率領中國代表團到日本京都參加「第8屆國際液晶會議」. 在這次會議上，國際液晶會議策劃和指導委員會首次制訂了自己的章程. 根據章程，委員會需要增補新的會員. 我被提名並於兩年後的Bangalore會議上成為委員會的會員.

1980年夏天，我從京都回到北京，與國內同行創立了「中國液晶學會」. 經過選舉，清華大學的謝毓章教授任理事長，我任秘書長兼副理事長. 在我1983年底回美國之前的三年半內，學會嚴格按章程要求，進行定期選舉和保留每個會議記錄.

1987年夏天，我從紐約去法國Bordeaux參加一個液晶高分子會議，途經巴黎Orsay的南巴黎大學. Orsay的固體實驗室是Jacques Friedel和他的朋友創立的. 正是在這個實驗室，Pierre de Gennes帶領一大批法國科學家在液晶領域戰勝了世界上幾乎所有的同行，使液晶成為法國的「國技」. 也正是這個實驗室，我作為來自中國科學院物理研究所的訪問學者於1980年和1982年兩次在這裡工作. 這一次，我的好朋友告訴我一個令我震驚的消息，年輕有為的女液晶工作者Mireille剛剛去世. 震驚之餘，我感到悲傷和失望. 當時，液晶工作者的圈子相對比較小，大家每兩年在一次會議上見面，像一個家庭一樣. 我作為一個同行，如果沒有由於偶然的原因來到Orsay，就可能不知道Mireille的死訊. 這一刻，我清楚地意識到，液晶這個行業應該更好地組織起來，並擁有一份像Physics Today一樣的刊物. 就這樣，我決定要提議建立一個國際液晶學會. 然而，事情並沒有這麼容易.

在未來的三年，我把這個主意告訴我每一個做液晶的朋友、在全球發動一個爭取支持的簽名運動、讓當時的權力機構——國際液晶會議策劃和指導委員會——通過決議、和起草了章程. 在章程中，我建議把新的學會命名為「國際液晶學會」，並保證會出版一份官方的雜誌——Liquid Crystals Today. 最後，在1990年的暑假，萬事具備. 我建議在加拿大溫哥華將要舉行的「第13屆國際液晶會議」上成立這個學會. 所以，我就要去溫哥華了. 只有一個問題. 我在這個會議上要宣讀一篇論文，但是我還沒有足夠的材料來寫這篇文章.

1990年是我很忙碌的一年. 1月我在聖何塞州立大學舉辦了一個「 非線性物理冬季班」；3月在加州Anaheim，我主持了美國物理學會「軟物質物理中的失穩和傳播圖形」研討會，這個研討會是我提出來的；6月，我是在Los Alamos舉行的北太平洋公約組織高級研究研討會「簡單與複雜液體的非線性動力學結構」的總監；7月，在溫哥華液晶會議的前幾天，我還要到加拿大Edmonton參加一個「 非線性與混沌現象」會議.

在Edmonton會議前幾天，在聖何塞州立大學科學樓地下室55號房間的「 非線性物理實驗室」，我與我的學生匆匆地做了一個實驗. 我們拿了一個液晶盒（就是在兩片透明導電的玻璃片中有一薄層的液晶，正如普通的電子手錶或計算器中的那個一樣），放進液晶或油，並加上足夠高的電壓. 白光一閃，這個實驗就做完了. 我們發覺在那兩片鍍過的玻璃內層表面，有一個複雜的線狀圖形. 圖1 是其中一個例子. 我在趕去飛機場之前把這篇文章寫好. 其後，在溫哥華宣讀了這篇論文.

圖1 一個由電擊穿引起表面化學反應的線狀圖形 （a）在均勻油盒中的圖形；（b）圖（a）的局部放大，顯示線條寬度的交替變化

國際液晶學會終於在溫哥華會議期間成立了，國際液晶會議策劃和指導委員會從此走進歷史. 國際液晶學會是目前唯一的全球性液晶組織，有近900會員，來自六大洲的43個國家和地區. 除了個人會員外，學會還包含個別國家或地區性的液晶學.

2 活性行走的由來

在文獻的實驗中，導致線狀圖形的物理和化學過程是相當複雜的，目前還在研究中. 基本上線條出現在一連串由電擊穿引起的化學反應所在的地方. 實驗做完之後，在不知道具體的物理機理的情況下，我們開始對這些線狀圖形進行計算機模擬. 我們很快了解到，可以把一條線條的生長看作一個行走者留下的軌跡. 要生長一條線條，我們只需要告訴行走者如何舉步和說明行走者在行走中如何改變附近的環境. 圖2給出了我們獲得的計算機模擬結果之一，與圖1的實驗符合得相當好. 這篇文章收錄在1992年我主編的Modeling Complex Phenomena一書中，在此文中，我把行走者命名為「 活性行走者」（active walker），把相關的模型稱為「活性行走者模型」. 其後，我把這個行走過程稱為「 活性行走」（ active walk），把相關模型稱為「 活性行走模型」. 很快，我意識到活性行走不僅可以用來模擬一條線條的生成，而且事實上還是一個能夠應用於很多其他複雜系統的普遍範式.

圖2 來自活性行走模型的一個模擬結果（ 開始，7個活性行走者的位置是隨意的，他們通過一個共享的可變形地貌來彼此間接相互影響；在模擬程序中，我們規定行走者的軌跡不能交叉，這導致多個不同大小的封閉空間的生成，與圖1實驗觀察到的結果一致）

1991年9月，在日本Kitakyushu召開的「 複雜耗散系統中圖樣形成的物理」國際會議上，我第一次在聖何塞之外做關於活性行走的演講. 第二年，我在另外三個會議——5月在Los Alamos、6月Edmonton和7月在德國Hamburg——做了活性行走的報告. 正是在Los Alamos的會議上， Harvey Gould邀請我為Computers in Physics期刊寫一篇關於活性行走的綜述文章——雖然活性行走在當時僅有不到一年的歷史.

關於「分形和無序系統」的Hamburg會議特別值得一提. 我演講用的一片透明膠片生動地抓住了一個活性行走者的本質（見圖3）. 報告後， Jerusalem的Hebrew大學的David Avnir私下問我：「你是怎樣發表這些嶄新的想法的？」我回答：「 我在會議錄上發表. 」這句話是真的. 最後，這個會議的會議錄編者十分喜歡我們的結果，把它印在會議錄書面上（圖4，Avnir當時正在研究結構的手征性，對我們的活性行走能產生螺旋狀圖形深感興趣）.

圖3 1992年作者在Hamburg會議上使用的關於「 活性行走者模型」的透明膠片（ 行走者行走時改變了環境———那些花的狀態，所以是一個活性行走者）

圖4 1992年Hamburg會議錄的封面，封面上的兩個圖來自書中我們的文章簡言之，我在1992年成功發表了活性行走的首三篇文章. 接下去是更多的會議.

1993年4月在新墨西哥州Santa Fe召開的「非平衡複雜系統中的時空圖形」會議非常激動人心. 圖形形成方面幾乎所有的重要人物都參加了會議. 我做了題為「活性行走者、地貌和複雜系統」的口頭報告. 正是在這次會議上，我第一次見到了Frank Schweitzer，他發表了題為「『 活性』布朗粒子生成的軌跡網路」的張貼報告. 他讀過我的那篇Kitakyushu論文，我們約定今後保持聯繫. 我們真的這樣做了. Schweitzer於1994年發表了自己的第一篇活性行走論文，是關於活性行走者聚集問題的研究. 他進一步發展了活性行走，並且成功地把它應用在很多生物和社會系統中（在文獻中的第207頁最後一行，「an electric field between the center and the boundary of a Hele-Shaw cell」應改為「a vertical uniform electric field in a Hele-Shaw cell」）.

從那時起，世界上很多人已經把活性行走應用於來自自然科學和社會科學的各種簡單和複雜系統中. 譬如：物理、生物和化學系統中的圖樣形成（ 例如表面化學反應線狀圖形和視網膜神經原圖形），分形表面的形成，螞蟻覓食，蟲的蠕動，細菌的運動和圖樣形成，行人小徑的自然生成，局域性-非局域性的形成和轉變， 顆粒物質，石油開採， 經濟系統，以及正反饋系統. 最近，活性行走被運用於對人類歷史的研究.

與此同時，在最近十年，以「行動者」（agent）為基礎的模型越來越受到重視，並且在解決社會系統中的問題時，成為最常用的方法. 這些模型採用了數量眾多的行動者；每個行動者改變它的環境，反之亦然. 這些行動者實際上就是活性行走者，這些模型就是活性行走模型.

3 活性行走的實質和意義

活性行走最簡單的數學描述包含一個粒子的運動和與它耦合的一個位勢———可變形的地貌. 螞蟻就是一個活生生的活性行走者. 螞蟻每走一步，就放出某種味道，下一步就朝著味道濃的地方去. 味道濃度的空間分布就是上面所說的位勢.

我們可以從三個不同的角度來了解活性行走的本質和意義.

（1）活性行走是自然界的一項組織原則. 在自然界中觀察到的結構和圖樣具有豐富的多樣性，它們可以被分為少數的幾類；同一類的結構或圖樣彼此相似. 為了有效地「 製作」它們，我們可以假定大自然採用了幾個簡單的組織原則. 兩個極端簡單的組織原則是「絕對有序原則」和「絕對無序原則」，它們分別導致了晶體和氣體的出現. 一個更有趣的組織原則是生成分形的「 自相似原則」. 然而，自然界中存在眾多不是分形的結構，表明至少還存在另一項組織原則，即「 活性行走原則」. 由於活性行走中行走者的行走規則和地貌改變規則並不固定，而是根據所模擬的具體系統來確定的，活性行走原則因而非常簡單和靈活，也就非常有用. 根據採用的具體規則，活性行走可以生成分形的和非分形的結構.

（2）活性行走是利用行走來模擬自然現象的一個新的方案. 一個粒子——行走者——的移動被稱為「行走」. 運用行走者來建立物理、生物甚至社會系統的模型，已經有很長的歷史. 1992年之前，模型中使用的行走者實際上都是消極行走者. 消極行走者行走時並不改變它的環境中任何事情. 最簡單的例子就是隨機行走. Bachelier首次運用它來描述市場預測中的期貨選擇，五年後，愛因斯坦用它來解釋布朗運動. 相反，活性行走者改變環境並且依改變了的環境做出反應；很明顯，活性行走是更普遍的另一種新的行走（自我避免的行走和隨機行走的其他相似推廣都是行走者在經過的地方留下一個標記，都沒有清晰地包含一個獨立的延伸的地貌. 雖然可以把它們看作是活性行走的極端例子，但它們在實質上更像是消極行走）.

（3）活性行走者是用行動者模型來進行計算機模擬中的行動者. 最近，以行動者為基礎的模型成為模擬複雜系統時廣泛使用的方法，特別是應用在生物、生態和社會系統. 這個方法背後的原理是：複雜系統是如此複雜，以至於從微分方程開始來研究它們，通常是不可能的，也是無法實現的. 取而代之，為了理解涌冒（emergent）現象，人們使用了久經考驗的還原論方法，就是從下面的層次開始———從系統的組成部分（ 即行動者）的性質和它們之間的相互作用開始. 在這些計算機模型中的行動者，只是一個具有內態的粒子；這個粒子通常是一個粒點，但是，從原則上說，它也可能是一個具有空間維度的單體.

行動者可能很聰明，也可能不聰明，但它們總是必須履行一些任務———例如感覺和衡量環境，做計算，以及改變它們的位置和內態. 根據這個定義，用Monte Carlo方法來模擬流體中使用的粒子也是行動者. 這些粒子必須記住自己的動量和能量，依動量和能量守恆原則進行運算，並且據此改變方向和位置———它們是非常忙碌的行動者. 從這個意義上說，所有從下一層次開始的計算機模擬，都是以行動者為基礎的.

在活性行走中，行走者能夠也必須履行簡單或複雜的任務. 例如，在走下一步之前，每個行走者必須獲取關於環境的信息，並且根據行走規則做出計算. 它們也可能擁有內態. 所以，活性行走者是行動者.

當多於一個的活性行走者共存於一個地貌中，它們通過共享的地貌彼此間接相互影響. 事實上，任何兩個物質單元之間的相互作用，在本質上都是間接性的. 在微觀層次，兩個量子力學粒子是通過交換信使來相互影響的. 例如，兩個電子通過交換光子來互相排斥. 用經典力學來描述，就是一個電子首先建立一個1/r 位勢，第二個電子「 感覺」到這個位勢的力，而受到第一個電子的排斥. 不管是哪種方式，兩個電子的相互作用都是間接的. 宏觀物體之間的相互作用也是間接性的. 兩個人的說話和聆聽是通過在空氣中傳播的聲波來進行的. 人們是通過網際網路（包含鍵盤、光纜和伺服器等），或者報紙上的廣告來相互、間接影響的. 瞬間和直接的影響只是一個近似. 最終而言，所有的行動者都是活性行走者.

4 結束語

國際液晶學會是作者於1990年建議成立的，活性行走的概念是作者於1992年提出的. 目前，關於活性行走有4篇主要的綜述. 文獻是活性行走的一篇科普介紹.

最後，我們談一談相關的術語. 在孤子範式的情況，根據不同的應用，孤子有不同的名稱，比如「牆」（wall）和「 通量子」（fluxon）；而且有不同形式的孤子，比如「 扭曲」（kink）和「 呼吸子」（ breather）. 活性行走的範式也有相似的情況. 事實上，根據活性行走固有的靈活性以及它的實際應用，活性行走者的多樣性在數量上是無窮的. 例如，一些活性行走者被稱為「布朗行動者」（Brownian agent）和「 生物子」（bion），活性行走的地貌在某一具體應用中被稱為「糖地」（sugarscape）.

致謝1978年，我回到中國科學院物理研究所工作不久，施汝為所長找我談話. 真摯的交談讓我感到自己終於和中國物理連上了. 物理所主樓當時只有一部國產電梯，用來運貨，連所長都不能用. 施老每天上班，要徒步上三樓的辦公室. 他步履蹣跚走上樓梯的背影給我留下深刻的印象，讓我看到了一位虛懷若谷的學者對物理事業畢生的忠誠. 這個背影一直鼓舞著我的工作.

本文選自《物理》2005年第7期

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