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由混沌到秩序:螞蟻如何找到覓食的最佳路徑?

活躍星系核_96
・2014/05/27 ・1497字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 591 ・九年級

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

credit: CC by screenpunk@flickr
credit: CC by screenpunk@flickr

編譯 / WuDaoer Tsai(任教淡江大學,研究複雜網路)

生物學家知道,單一螞蟻找尋食物是隨機的,然而群體螞蟻的覓食行為卻遠遠超越隨機模式。一份即將發表於《美國國家科學院期刊》(PNAS)的研究顯示:動物的移動行為,在某些時機點會由混沌的轉變成有秩序;而這樣的轉變是以不預期的自組方式所產生。了解螞蟻有助於分析類似的行為,例如:人如何在網際網路中瀏覽。

「蟻群有巢穴促使它們需要策略將找到的食物帶回去。」研究的作者,同時任職于北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室資訊安全中心,以及德國波茨坦氣候影響研究院的李麗香(Lixiang Li)說,「我們認為這一項因素,至今被大大地低估但實際上卻是主導它們行為的因素。」

沿路遺留味道

中德兩國的研究團隊,將幾乎所有已知有關螞蟻覓食的行為,化成方程式跟演算法並送進電腦裡。團隊假設蟻群複雜的覓食行為分成三階段:一開始,尖兵螞蟻用混亂的遶圈圈方式;等到疲憊了,它們就回到巢穴裡休息與進食;若是其中有些螞蟻在巢穴附近發現食物,就攜帶一小份回到巢穴裡,同時沿路就遺留下費洛蒙化學訊號。接著,其他的螞蟻沿著這個味道去找到食物,並且也帶一小部份回到巢穴。此時,它們的合作作用依然很弱,因為沿著路徑的費洛蒙很稀少。但由於蟻群數量龐大,許多螞蟻會由不同的路徑找到食物並且帶回巢穴裡,因此會有許多不同的費洛蒙路線。

最終會出現最佳化路徑:因為費洛蒙具揮發性,較短路徑的味道會比較強烈。也因此更多的螞蟻會依循這較短的路徑,留下更多的費洛蒙,如此便產生了自我強化效率的效果。與持續混亂的螞蟻覓食行為比較,這樣花費較少的行徑時間與能量。

很重要的,研究人員發現,單一螞蟻的經驗成就了整體覓食的行為,這是之前研究所忽略的。較老的螞蟻對巢穴周遭較瞭解,對較年輕的螞蟻而言,與其說是有效貢獻於找尋食物,毋寧說這是個學習過程。

高度有效率的複雜網路

「單一螞蟻並不聰明,但集體的行為,我不得不認為,在某方面而言,是可以稱為有智慧的。」主持「跨領域觀念與方法」研究團隊的共同作者糾爾根.寇斯(Jurgen Kurths)如是說。「自我組織的原則早在魚群行為中就有發現,但蟻群的返家行為更形有趣。研究螞蟻覓食行為在生態學上有其實際重要性,此研究的作者主要是對了解非線性現象的基本樣貌有興趣。」

「螞蟻群體形成一個有效率的複雜網路。」寇斯(Kurths)解釋,這是我們在許多自然與社會系統中均可發現。因此,研究蟻群所發展的數學模型,也適用於一些具有返家共同特徵但是非常不一樣的生物,例如信天翁。這項研究亦帶給各種領域-例如網頁服務演化與智慧傳遞系統-裡的人類行為模式一個新觀點。

資料來源:From chaos to order: How ants optimize food search. Phy.org [May 26, 2014]

研究文獻:Li, L., Peng, H., Kurths, J., Yang, Y., Schellnhuber, H.J. (2014): Chaos-order transition in foraging behavior of ants. Proceedings of the National Academy of Sciences, Early Edition: DOI: 10.1073/pnas.1407083111

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延伸科學再發現@科技大觀園


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活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 79 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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水熊蟲真的能跟量子位元「量子糾纏」嗎?

linjunJR_96
・2022/01/20 ・2128字 ・閱讀時間約 4 分鐘

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物,能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠,遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期,有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐:和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞,讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果,讓作者可以做出這種宣稱?科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢?

掃描式電子顯微鏡下的水熊成蟲。圖/EOL

什麼是量子糾纏?

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述,至於實際上到底是在「糾纏」什麼,可以參考先前這篇文章[2]

儘管名字聽起來很神祕,但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場,現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說,但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制,結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統,生物體的結構可說是極為雜亂複雜,難以成為量子實驗的對象。

此外,為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響,糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續,許多物質的特性也都已經改變。

因此,儘管實驗方面已經發展許久,要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說,整個生物世界太亂又太熱,完全不會想靠近一步。正因如此,這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大,算是「巨觀」生物中相對微小的種類,要做量子實驗的話較好下手;更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境,爾後再重新恢復活力,如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度(也就是只比絕對零度高 0.01 度),同時接近真空的環境中,在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中,並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏,並測試糾纏結果。

根據測試的結果,作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說,水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元,和另外兩個超導位元糾纏在一起!實驗結束後,水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍,最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制,打開了通往量子生物學的大門,並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題,將文章的預印版放上了 arXiv 網站,引起科學界一片譁然。

圖/GIPHY

等等,這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣,媒體也爭相報導,但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動,突破性恐怕也是過於誇大。

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣,裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路;而接近絕對零度的水熊,基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面,會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵,其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊,灰塵,還是螞蟻,這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的,並非量子現象。

也就是說,作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實,甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊,因此沒有經歷同行科學家的審查,還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進,目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的,那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天,水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言,好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按:該如何驗證量子糾纏,可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天:06/28〉,此論文的主要問題是不能藉由實驗設計,來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

  1. 看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!
  2. 照出黑洞不算什麼,科學家連量子纏結都能拍到!?
  3. 水熊和超導量子位元的糾纏(原文)

linjunJR_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。