探索知了的同步鸣叫：奇妙科研世界！

炎炎夏日我们都有这样的体会：天气越是炎热，树上的知了就越是响亮地叫起来。它们往往合唱一段时间后集体沉默一段时间，然后再合唱一段时间，再沉默一段时间，如此往复。

早就有人观察到知了的同步发声行为，其实，大自然中类似的现象很多，也很有趣。比如说萤火虫往往会同时发光和熄灭[2]；青蛙的鸣叫声往往相互合拍；一只乌鸦可以带动很多只乌鸦一起开始鸣叫等。在有人参与的活动中，也有数不清的同步现象。比如说在大剧院中人们的鼓掌声，往往会经过一个同步化和退同步化过程[3]。再比如说，著名的“千年桥事件”，当日的客流高峰造成了桥体在横向发生剧烈震荡，引起了极大的恐慌。（顺便提一下：英国伦敦泰晤士河上的“千年桥”耗资1 820万英镑， 2000年6月10日首次向公众开放时，桥身出现明显摆动，3天后被迫关闭。有关部门在这座350m长的步行桥上加装了91个类似汽车减震器的装置，方得以重新向公众开放。）研究同步现象的生成原理和研究如何利用或避免同步化过程，都具有重大意义。

看到上面几个例子，我们不禁要想，萤火虫的群体、知了的群体、剧院中鼓掌的人数、“千年桥”上行进的人数，都是一些比较大的数目，那么，是否存在一个数目的阈值，在数目少于它时，系统不发生同步；而在数目大于它的时候，才能发生同步行为呢？历史上关于同步问题有很多著名的模型，Peskin、藏本由纪、Strogatz都是这个领域的“Big names”。但这些经典模型，似乎都并没有直接针对于由于振子数目调控的同步现象。

为了弄清楚群体数目在同步现象中扮演的角色，我们“请”来知了做实验[4]，并设计了一个孤立系统来避免外界的干扰。在这个孤立系统中，我们记录了不同个数知了的鸣叫声波形，如图4．24．1所示。图中的3个波形分别对应于知了数目为15，20和25的情况。我们可以清楚地看到，当知了的数目较大时，它们的行为趋向于完美的“鸣叫30s，停顿30s”周期（作者注：已经有不少专家研究过这个完美周期）。

图4．24．1 “知了”实验中不同数目知了的鸣叫声波形

基于这个现象，我们建立了数学模型来解释[5]，模型里的群体数目作为知了相互作用的一个重要因素。结果发现，只有当群体数目足够大时，知了的行为才会完全地同步起来。关于知了鸣叫这个特定问题其背后的生物背景，还需要进一步的探索。(www.xing528.com)

[1]此文作者为赵晓雪，撰写此文时是我课题组的硕士生，她写得非常好，让我基本无用武之地，我只改了几个词和标题；此文最初于2009年9月22日发表于新浪博客：http：／／blog．sina．com．cn／s／blog＿53af0c0f0100ev9m．html。

[2]J．Buck，E．Buck．Science，1968（159）：1319．

[3]Z．Neda，et al．Nature，2000（403）：849．

[4]S．Y．Gu，Y．L．Jin，X．X．Zhao and J．P．Huang．Communications in Theoretical Physics，2009（51）：1055；或直接点击：http：／／www．physics．fudan．edu．cn／tps／people／jphuang／Mypapers／CTP－4．pdf下载。

[5]S．Y．Gu，Y．L．Jin，X．X．Zhao and J．P．Huang．Communications in Theoretical Physics，2009（51）：1055；或直接点击：http：／／www．physics．fudan．edu．cn／tps／people／jphuang／Mypapers／CTP－4．pdf下载。