學術研究

       李定國院士受東海大學應用物理系邀請，以「物理現象中湧現的新穎群體行為」為題，給東海師生一場精采的大型演講。群體行為最近受到重視，因為它存在於物理世界(例如磁性，超導現象)，也存在於自然生物界(例如水中魚群有群體游動，空中鳥群有群體飛舞)，以往為因為群體行為屬於複雜系統，無法以物理定律解釋，所以仍舊是一個不解之謎。但是近幾十年物理學家漸漸對於複雜系統建立簡化之模型，才開始能一窺群體行為之奧妙。今年的諾貝爾物理獎即是頒給三位對於處理複雜系統有卓越貢獻的物理學家。

 

張國恩校長蒞臨會場與李院士交換科學教育之心得，並贈送紀念品

 

       李院士先說明的複雜系統的特徵; 系統本身不是完全的無序，也不是完全的有序，等於是介於無序狀態與有序狀態之間。這種介於無序及有序之間的狀態，被稱為「臨界狀態」。最簡單的例子就是在零度時，同時有無序的水(水分子完全混亂)及有序的冰(水分子有一定的排列方式)共同存在，因此零度時的冰水共存也是一種臨界狀態，零度就是臨界溫度。另一個常見的臨界例子就是磁鐵的磁性會有因為溫度高過所謂「居禮溫度」而失去磁性。磁鐵因為材料中的磁矩有序排列而產生磁性，當溫度高於居禮溫度，磁矩變為無序，就沒有磁性。所以在居禮溫度時，這個磁鐵處於臨界狀態。磁鐵的磁性隨溫度改變的現象可以用物理模型完美解釋其的行為。

 

李院士演講之大師風采

 

       李院士接著探討在自然界水中魚群有群體游動(schooling)，空中鳥群有群體飛舞(flocking)之現象。當有成千上萬之鳥同時在空中飛翔，鳥群們”各飛各的”，本是一種無序的行為。但是這些成千上萬的鳥兒集體群飛的行為出現，並不是無序地各飛各的，也不是有序地整整齊齊的排隊飛行。群飛是一種介於無序及有序之間的行為。最近專家為鳥類的群飛建立模型去分析其中的特性，證明群飛也是一種臨界狀態。原來臨界狀態不限於物理系統，也存在於生物系統。鳥兒在群飛時，鳥之間也有交互作用，每一隻鳥與身邊最靠近的數隻鳥相互觀察，彼此之間有快速之資訊傳遞，來維持臨界狀態。雖然鳥兒飛行很快，彼此不會相撞，但又可以保持集體行動。只是何以鳥兒知道要維持臨界狀態，就能有群飛行為，就要靠動物行為專家去進一步研究了。

 

椋鳥群飛 (from FAYEZ NURELDINE)

 

      李院士就將這些分析臨界狀態的方法應用到動物的腦神經系統中。每一神經元會跟上千個神經元連結，所以腦神經是一個非常複雜系統。但是他將類似計算磁鐵的磁矩之間交互作用的模型應用到腦的神經元之間交互作用。他分析老鼠大腦接受刺激時神經元反應的數據，得到有趣的結果; 原來老鼠的腦神經系統在工作時是處於臨界狀態，也是無序與有序的狀態同時存在。雖然還沒有人腦的實驗，但是極有可能人腦工作時也是在臨界狀態。為何腦神經系統要在臨界狀態下工作，這就是一個非常值得深入探討的問題，有機會讓人類更加了解大腦的運作方式。

 

李院士與聽講師生合照

 

      臨界狀態是一個新穎的群體現象，它存在於物理、生物、腦神經等不同系統中，對於群體行為的瞭解將有助於我們對於自然界的瞭解。研究群體行為是一個跨領域的研究工作，而這項工作在這大數據時代變得可行且有意義，有機會讓人類更加認識這個世界。對於現場的教師及學生們，李院士的這場演講是一場自然科學的美麗饗宴，讓大家飽餐一頓。

 

 

李定國博士 小檔案

中央研究院院士

東海大學 應用物理系 榮譽講座教授

清華大學 物理系 特聘研究講座教授

1975年獲美國布朗大學物理博士，曾於維吉尼亞理工大學物理系任教(1981-1997)，於1996回國任職於中央研究院物理所。先後擔任之重要職務有國家理論研究中心組主任(1997-2003)、奈米國家型計劃總主持人(2004-2006)、中央研究院物理所所長(2012-2018)等，是國家基礎科學研究之重要推手。因解釋高溫超導體現象有卓越成就，於2018年獲得中央研究院院士之榮譽。