罗伯特·梅进军生物领域

罗伯特·梅进军生物领域

罗伯特·梅(RobertMay)，原本是澳大利亚的一位理论物理学家，对数学有浓厚的兴趣。20世纪70年代初到哈佛大学攻读应用数学后，他进入普林斯顿大学生物学家的研究群体，并将兴趣集中在稳定性与复杂性的数学研究中，尤其是生态学的单一群体演化方程的研究。他一只脚站在数学里，一只脚站在生物学里，走进了一个崭新的学术阵地，对各种形式的逻辑斯蒂差分方程通过数学性质的分析和计算机的数值计算，进行了系统的研究。从此，梅成了一位杰出的生态学家或称为理论生物学家。

梅的改行是物理学家向生物领域转移、进军生物界大潮中的一个成功实例。其实物理学家向来就有关心并涉足生物学的光荣传统。物理学大师玻尔(N．Bohr，1885—1962)就曾发表过多篇文章专门论述生物领域的问题，并提出了“要用严格的物理术语来解释生命的本质”的响亮口号。量子力学的创始人之一薛定谔(E．Schrodinger，1887—1962年)于1944年发表的专著《生命是什么?——活细胞的物理观》，成为用物理学解释生命现象的传世之作，指引众多物理学家去研究生物问题。1953年由晶体物理学家克里克(Crick)与沃森(Watson)提出的DNA的双螺旋结构模型，成了分子生物学的先驱。此后，大批物理学家纷纷转移阵地，他们带着丰富的物理思想、成熟有效的研究方法、先进的物理仪器和高精的技术，以及对生物领域具有迷人开发前景的坚定信念，投身到进军生物界的大潮中，而且战果累累，捷报频传。梅的参加是偶然的，但也是一种必然，是科学发展的规律和趋势使然。

梅的研究是在20世纪70年代前期进行的，当时他已有了计算机，也知道了洛仑兹(E．Lorenz)和约克(J．Yorke)发现的混沌。他的研究重点在逻辑斯蒂方程中参数μ的改变对系统终极行为的影响。当参数值很低时，梅得到的都是些趋于定值的稳定态，就像上节μ=2.7时的情况。当参数值升高时，他发现稳定状态不再是一个了。比如当参数μ值超过3时，群体数x有两个值来回交替地出现，成为两个状态之间的周期性变动。就是说昆虫是两年一个周期地波动，μ值再大，还发现4年、8年等周期的，特别是当参数升高到μ_∞=3．5699456以后，梅的计算结果变得不可预测、不可思议、不可理解了。群体数在迭代过程中，从不趋于某个或某几个定值，而是在0和1之间不可捉摸地随意出现!开始他用的是计算器，后来他改用计算机，算得更快也更多了，结果都一样。他惊得目瞪口呆，他感到困惑不解。当他1975年见到李－约克关于混沌的论文之后，又激动不已，理解了自己早先发现的奇异现象。那不是生态学的特殊现象，而是具有生态学包装的混沌，由此也意识到自己通过一个简单的模型发现了新大陆。于是，他写论文，做讲演，和约克一起说服同事，组建研究队伍，很快成为混沌研究中的领头人物。他撇开具体领域的特殊性，总结混沌的普遍性，阐明确定性方程从平衡态到周期再到混沌态的系统行为谱系。他于1976年在《自然》杂志发表题为《具有复杂动力学过程的简单数学模型》的综述文章，影响非常深远，许多人是读了这篇文章之后才走进混沌王国的。他的贡献主要有两个方面:一是发现了混沌态及其内部结构，二是发现了定态到混沌的过渡途径。本章先介绍一下混沌的外观表现。