小米的大问题：为什么蚂蚁这么聪明？
第1章：小米的大问题
为什么蚂蚁这么聪明？
初夏的阳光像融化的蜂蜜一样，懒洋洋地洒在小米家的后花园里。花园不大，但打理得很用心——玫瑰丛沿着木栅栏排成一列，绣球花开得正盛，蓝色的花瓣像一片片小小的云朵，而那棵种了十几年的老槐树，枝叶茂密，在草地上投下一片凉凉的绿荫。
小米今年十岁，扎着两个小辫子，圆圆的脸蛋上总是带着好奇的神情。她最喜欢做的事情，就是在花园里这里看看、那里摸摸，仿佛每一朵花、每一片叶子都在跟她讲着悄悄话。
这天傍晚，妈妈让小米去花园里给那株新栽的草莓浇水。小米提着粉色的小水壶，沿着石板路走到花园角落的草莓地前——然后，她看到了一个不可思议的场景。
草莓叶子旁边，散落着几颗昨天妈妈不小心打翻的白砂糖。那些糖粒在夕阳下闪着微光，像一小堆晶莹剔透的宝石。而在这些糖粒周围，一场“军队行动”正在秘密进行。
一支蚂蚁大军正浩浩荡荡地向糖粒进发。
小米蹲下身来，眼睛一下子亮了起来。她从小就喜欢蚂蚁，觉得这些小小的、黑黑的小虫子有着说不出的魔力。它们总是排着队前进，像是训练有素的士兵，从不乱作一团。而且，它们似乎总能找到一个家庭里所有的甜食——无论妈妈把饼干藏在哪里，蚂蚁们总有办法找到，然后排着整齐的队列把它们搬回家。
但今天，小米的观察比以往更加仔细。她发现了一些以前从没注意过的细节。
这支蚂蚁队伍是从槐树根部的蚁巢出发的，穿过草地，绕过那块她玩耍时常坐的大石头，最后到达了糖粒所在的位置。小米沿着蚂蚁的队伍走过去，用脚步大致测量了一下——如果走直线的话，从蚁巢到糖粒的距离其实很近，大概只有五六米。可是蚂蚁们走的路线，却是绕了一个大圈，足有十几米长。
这是怎么回事呢？
小米正准备站起来，突然，她注意到了一件更让她惊讶的事情。
就在蚂蚁队伍旁边不远处，有另一队蚂蚁正在返回蚁巢。它们驮着米粒大的糖块，排着队往回走。而这一队蚂蚁走的路线，和刚才那队出发的蚂蚁走的路线完全不同——它们走的恰恰是那条更短的直线！
小米皱起了小眉头。她完全糊涂了。
去的时候，蚂蚁们走远路；回来的时候，蚂蚁们走近路。这不是很奇怪吗？难道蚂蚁们也像有些人一样，去的时候想多看看风景，回的时候想快点到家？
不对，不对。蚂蚁们应该没有这么“聪明”才对。
小米又观察了一会儿，她发现了一个规律：越来越多的蚂蚁开始走那条短路线了。刚开始的时候，十只蚂蚁里有七八只还在走那条远路，但到了后来，几乎所有的蚂蚁都转移到了短路线上来。那条远路呢？渐渐地，就只有零星几只蚂蚁还在走了。
这下小米更好奇了。她跑回屋里，顾不上把水壶放下，直接冲进厨房，拉着正在做饭的妈妈就往外跑。
“妈妈，妈妈！你快来看！蚂蚁好像会变聪明！”
妈妈被小米的热情吓了一跳，差点被门槛绊倒。她跟着小米来到草莓地旁，听小米把观察到的情况一五一十地讲了一遍。
“你是说，”妈妈想了想，“蚂蚁去的时候走远路，回来的时候走短路？”
“对对对！”小米使劲点头，“但是后来，去的蚂蚁也开始走近路了！”
妈妈蹲下来，认真地看了一会儿蚂蚁的行动，然后站了起来。她的眼神里带着一丝微笑，好像想起了什么很久以前的事情。
“小米，你观察得非常仔细。”妈妈说，“你知道吗，你发现了一个非常厉害的科学原理。”
“什么原理？”小米睁大了眼睛。
妈妈没有直接回答，而是反问道：“你觉得，蚂蚁们是怎么决定走哪条路的？是有一只蚂蚁大王在下命令，告诉大家‘这条路线太远了，我们要换一条路走’吗？”
小米摇了摇头：“蚂蚁巢里应该没有大王吧……蚂蚁不都是各管各的吗？”
“对，蚂蚁确实没有大王。”妈妈说，“每一只蚂蚁都只管自己的事情——找食物、搬东西、照顾小蚂蚁。它们没有指挥者，没有司令官，没有任何蚂蚁在统一发号施令。可是，你刚才看到的现象是，一群蚂蚁凑在一起，就好像是变聪明了一样——它们慢慢地找到了从蚁巢到食物的最短路线。”
小米愣住了。
妈妈继续说道：“很多很多蚂蚁，每一只蚂蚁都只做很简单的事情。可是当它们凑在一起的时候，却能够完成一件看起来非常复杂、需要动脑筋才能完成的任务——找到最短的路线。你说，这是不是很神奇？”
这当然神奇。神奇得小米一时不知道该说什么好。
那天晚上，小米躺在床上，满脑子都是蚂蚁。她的脑海里浮现出一幅画面：无数只小小的蚂蚁，每一只都像一颗微小的沙子。它们没有大脑，只有一点点本能。但当这些“沙子”聚集在一起的时候，却形成了一个能够思考的“超级大脑”，完成了任何一只蚂蚁单独都无法完成的任务。
这到底是怎么回事呢？
妈妈说的那个“科学原理”，到底是什么？
带着这些问题，小米的探索之旅开始了。
蚂蚁的“气味语言”
第二天是周末，小米的爸爸妈妈都要上班，家里只剩下她一个人。
吃完早饭，小米迫不及待地跑进书房，打开了爷爷留下的那台旧电脑。爷爷以前是大学里的生物老师，书房里堆满了各种各样的书，电脑里也有不少资料。小米记得爷爷以前跟她讲过，蚂蚁是很有意思的小动物，爷爷的书房里一定有相关的书籍。
果然，在书架的最高一层，小米找到了一本厚厚的书，封面上画着一群蚂蚁，标题是《蚂蚁：微观世界的建筑师》。
小米搬来一张小凳子，踩上去把书取了下来。书很重，封面上落了些灰，显然很久没有人翻过了。小米轻轻吹掉灰尘，翻开了第一页。
书里讲的内容，比小米想象的有趣多了。
原来，蚂蚁虽然没有语言，不能像人一样说话，但是它们有自己独特的“语言”——一种叫做“信息素”的化学物质。信息素是一种很神奇的东西，它可以理解为蚂蚁留下的“气味脚印”。当一只蚂蚁在地上爬行的时候，它的腹部会分泌出一点点信息素，留下淡淡的气味。后面的蚂蚁闻到这种气味，就会跟着这条路线走。这就是为什么蚂蚁总是排成一条线——因为走在前面的蚂蚁留下了信息素，后面的蚂蚁闻到气味就跟着走。
“原来是这样！”小米恍然大悟，“蚂蚁走路的时候一直在留下‘脚印’，后面的蚂蚁就顺着脚印走。”
但这还是没有解释那个关键的问题：蚂蚁是怎么找到最短路线的？
小米继续往下读，终于找到了答案。
书中讲到了一个经典的实验。科学家们把食物放在一个地方，然后在食物和蚁巢之间设置了两条路线——一条长，一条短。刚开始的时候，蚂蚁们并不知道哪条路近，它们会随机选择路线。但是渐渐地，奇怪的事情发生了：短路线上的蚂蚁越来越多，长路线上的蚂蚁越来越少，最后几乎所有的蚂蚁都聚集到了短路线上。
这是为什么呢？
科学家们解释说，这是因为蚂蚁有一个特点：它们走路的速度是差不多的。也就是说，在同样的时间里，走短路线的蚂蚁能够多走几个来回，而走长路线的蚂蚁只能少走几个来回。
“等等，让我好好想想……”小米拿出纸笔，开始画图。
她先画了一个圆圈代表蚁巢，又画了一个小方块代表食物，然后在中间画了两条线——一条短的，一条长的。
“如果一只蚂蚁走短路线，”小米自言自语，“它从蚁巢到食物需要1分钟，那么一个小时内它能走60个来回。可是如果走长路线，一个来回需要3分钟，那么一个小时只能走20个来回。”
小米在纸上写着：
- 短路线：60个来回/小时
- 长路线：20个来回/小时
“走短路线的蚂蚁来回的次数多，那么它留下的信息素也就多——因为每走一次都会留下一点点气味嘛！”
小米继续往下想：如果短路线上蚂蚁多，而且每只蚂蚁来回的次数也多，那么短路线上的信息素就会越来越浓。相反，长路线上的信息素就会越来越淡。后来的蚂蚁闻到气味，就会被信息素更浓的短路线吸引过去……
“原来如此！”小米一下子跳了起来，差点把凳子踢翻。
这就是蚂蚁找到最短路线的秘密！
不是某一只蚂蚁特别聪明，想出了最短的路线。而是无数只蚂蚁，通过一种简单的规则——信息素浓度高的路线就走，浓度低的路线就不走——慢慢地、一点一点地，让那条最短的路线变得越来越“突出”，最终所有的蚂蚁都聚集到了这条路上。
这是一种“集体智慧”——每只蚂蚁都很笨，都只会做很简单的事情（留下气味、跟着气味走）。但是当很多很多蚂蚁凑在一起，通过这种简单的互动方式，它们就能完成一件看起来需要很高智力才能完成的任务。
小米放下书，心里有一种说不出的兴奋。她感觉自己好像发现了一个天大的秘密，一个关于世界运行方式的秘密。
但是，这个秘密还牵扯到更深的含义。蚂蚁的故事让小米想到了一些问题：
为什么每只蚂蚁都很简单，但蚂蚁群却很聪明？ 为什么没有人指挥，蚂蚁们却能协调行动？ 为什么整体似乎比部分之和更大？
这些问题，小小的小米暂时还想不明白。但她知道，这些问题的答案，可能就藏在那个叫做“复杂系统”的神秘世界里。
什么是“系统”？
为了搞清楚这些问题，小米决定先弄清楚一个最基本的概念：什么是“系统”？
她回到书房，继续翻阅爷爷的书籍。这次，她找到了一本相对薄一点的书，封面上写着《认识系统》。
翻开书，第一页就写着：
> 系统是由多个相互作用的部件组成的整体，这些部件协同工作，产生单个部件无法实现的效果。
“系统……由多个部件组成的整体……”小米念了一遍，觉得有点抽象。
书里有个例子，说的是一辆汽车。一辆汽车有很多部件：发动机、轮子、方向盘、刹车、座椅、车灯……这些部件单独放在那里，什么也做不了。但当它们按照一定的方式组装在一起，形成一个“系统”的时候，汽车就能够行驶、转向、停下来——这些功能，是任何一个单独部件都无法实现的。
“原来是这么回事！”小米想，“把一堆零件凑在一起不是系统，但按照特定方式组装起来，形成一个能够运转的整体，这才叫系统！”
她又想起了妈妈曾经给她讲过的人体。人体也是由很多器官组成的：心脏负责泵血，肺负责呼吸，胃负责消化，大脑负责思考……每一个器官都很重要，但光有一个心脏是活不了人的。只有所有器官协同工作，人才能正常地生活。
“这就是系统啊！”小米觉得自己开始理解这个概念了。
但是，什么是“复杂系统”呢？
书上说，普通系统可能很简单，比如一个灯泡——打开开关就亮，关掉就灭，没什么复杂的。但是复杂系统就不一样了。复杂系统的部件很多，而且部件之间不是简单的线性关系——不是“一加一等于二”那么简单。
复杂系统的特点是：当很多部件凑在一起时，系统会表现出一些单个部件没有的特性。这些新特性是从哪里来的呢？它们不是凭空出现的，而是从部件之间的相互作用中“涌现”出来的。
“涌现”这个词很新鲜，小米以前从来没听过。
书上的解释是：“涌现是指系统的整体行为无法从单个部件的行为中预测或推导出来的现象。系统的整体大于部分之和。”
“整体大于部分之和……”小米重复着这句话。
她想到了一个比喻。画画的时候，红色的颜料和黄色的颜料混合在一起，会变成橙色的颜料。橙色是红色和黄色加起来产生的，但是它既不是红色，也不是黄色——它是一种全新的颜色，是从红色和黄色的“组合”中“涌现”出来的。
蚂蚁的世界就是这样的。一只蚂蚁很简单，没有什么智慧。但是很多很多蚂蚁凑在一起，就会“涌现”出集体智慧——它们能够找到最短路线，能够建造复杂的巢穴，能够分工合作完成各种任务。这种集体智慧，是任何一只单独的蚂蚁都不具备的。
“太好了！”小米开心地拍了拍手，“我好像有点明白‘涌现’是什么意思了！”
花园里的更多秘密
带着新学到的知识，小米迫不及待地想要去花园里验证一下。
她首先去看了那群搬糖粒的蚂蚁。果然，昨天那条远路已经完全被废弃了，所有的蚂蚁都在走那条最近、最平坦的路线。它们来来往往，排着整齐的队伍，好像在告诉小米：“你看，我们找到最好的路线了！”
小米蹲在蚂蚁队伍旁边，看着它们忙碌的身影，心里涌起一股奇怪的感觉。这些小生命，每一只都那么微不足道，它们没有大脑，只有一点点本能。可是当它们凑在一起，却能够完成让人类都要动脑筋计算的事情。
“这就是涌现的力量吗？”小米喃喃自语。
她突然有了一个想法：花园里还有其他“系统”吗？还有其他的“涌现”现象吗？
小米开始在花园里仔细观察起来。
她先去看了一丛绣球花。那些蓝色的小花密密麻麻地挤在一起，形成一个大大的花球。小米想：一朵绣球花很小，很普通。但是当很多很多朵花聚在一起，形成一个大花球的时候，它看起来就特别漂亮，特别壮观。这种美，是一朵花能有的吗？
不对不对，这不是涌现，这只是数量上的堆积。小花聚在一起，虽然看起来更大了，但本质上还是花的集合，没有什么新的东西“涌现”出来。
那什么才是真正的涌现呢？
小米继续在花园里寻找。
她走到老槐树下，抬头看了看那茂密的树冠。阳光从树叶的缝隙中洒下来，在地上投下斑驳的光影。小米突然想到一个问题：这棵树是怎么长成这个样子的？
种子很小，只有一点点。但当种子发芽、长根、抽枝、长叶……经过很多很多年，它就变成了一棵大树。大树有粗壮的树干，有茂密的枝叶，有复杂的根系——这些都是种子没有的特性。从种子到大树，这种变化是不是一种涌现呢？
种子没有“长成大树”的计划书，也没有“如何生根发芽”的说明书。种子只是按照简单的规则生长——根往土里长，芽往天上长，见阳光就长叶，遇到水就壮大。但是这些简单的规则重复无数次之后，就“涌现”出了一棵复杂的大树。
“对对对！”小米激动得在原地跳了起来，“这个也是涌现！从简单的种子，到复杂的大树，中间就是涌现的力量！”
她又想到了另一个例子。
小米跑回家，从冰箱里拿了一面小镜子。她把镜子对着阳光，调整角度，让阳光反射到墙上，形成一个光斑。然后她又拿出一张纸，在纸上扎了一个小孔，把纸放在镜子和墙之间。
光穿过小孔，在墙上形成了一个倒立的影像——和照相机、眼睛的原理一样。
这个影像从哪里来呢？它不是镜子本来有的，也不是小孔本来有的。光斑、镜子、小孔，每一个都很简单，但当它们组合在一起的时候，却能形成图像——这是一种全新的、之前不存在的特性。
“这也是涌现！”小米觉得自己已经完全掌握了这个概念。
但是她还有一点不明白：涌现到底是怎么发生的？是什么让简单的东西组合在一起之后，就产生了新的东西？
她想，也许这个答案就藏在蚂蚁的信息素里。也许是蚂蚁们留下的气味，让它们之间产生了“联系”。正是这种联系，让个体的简单行为汇聚成了整体的复杂行为。
一个惊人的发现
下午的时候，小米决定做一个实验，验证一下自己学到的知识。
她找来了一个纸盒子，在盒子的一侧剪了一个小洞。然后，她在盒子里放了一块巧克力——那是一块她一直舍不得吃的高级黑巧克力，是舅舅上次从国外带回来的。
小米把盒子放在花园里，用一根小树枝在旁边做了一个记号，然后回到屋里，躲在窗户后面偷偷观察。
没过多久，几只蚂蚁发现了巧克力。它们围上去，试探性地咬了几口，然后有一只蚂蚁驮着一小块巧克力碎屑，钻进了盒子上的小洞。
小米紧张地盯着那几只蚂蚁。她知道，这只蚂蚁现在要回蚁巢报信了。它会留下信息素的轨迹，告诉其他蚂蚁：“那边有食物！快去！”
果然，那只蚂蚁钻出盒子，在地上转了几圈，然后开始往某个方向爬去。它走得并不快，中途还停下来好几次，好像在确认方向。
小米拿出妈妈给她买的小手表，开始计时。
一分钟过去了，两分钟过去了，三分钟过去了……那只蚂蚁爬得真的很慢，而且它没有走直线，而是歪歪扭扭地绕着圈子。
“它能找到蚁巢吗？”小米有点担心。
五分钟后，那只蚂蚁终于消失在了蚁巢的方向——老槐树的根部有一个小小的洞口。
然后，奇迹发生了。
又过了两分钟，第一只“侦察兵”出现了——不是原来那只，而是一只新的蚂蚁。它沿着那只侦察兵走过的路线，准确地爬到了盒子边上，钻进去开始搬巧克力。
又过了一会儿，第二只侦察兵出现了。第三只。第四只。第五只……
越来越多的蚂蚁排着队，从蚁巢出发，沿着那条信息素路径，来到巧克力盒子前。它们钻进钻出，忙忙碌碌，不亦乐乎。
小米高兴得差点叫出声来。她的实验成功了！
那只最初的蚂蚁，只是一只普普通通的蚂蚁，它没有“高超的智慧”，也没有“远大的规划”。它只是做了一只蚂蚁应该做的事情：找到食物，留下气味，回家报信。但是，当这种简单的行为被无数只蚂蚁复制、叠加的时候，就产生了一种“集体行动”——一支蚂蚁大军被组织起来了，它们有序地往返于蚁巢和食物之间，像一条流动的河流。
这难道不神奇吗？
小米又想到了一个问题：为什么侦察兵蚂蚁能找到正确的方向呢？那只最初发现巧克力的蚂蚁，走路的时候歪歪扭扭、绕来绕去，可后来的蚂蚁却能沿着它的路线准确地找到食物。这说明，信息素路径不是随便哪条路都行——它一定是相对稳定的，能够被其他蚂蚁识别和跟随的。
也许，这就是“最佳路线”形成的原因？
一只蚂蚁随机探索，找到食物后随机返回。在很多次随机探索中，总有一些路线会被走更多次（因为距离短嘛，同样的时间能多走几个来回），这些路线上的信息素就会更浓。而更浓的信息素会吸引更多蚂蚁走这条路线，更多蚂蚁走过又会让信息素更浓……
“这不就是一种‘正反馈’吗？”小米突然想到了这个词。
她不知道这个词是从哪里来的——也许是爷爷的书里读到过，也许是妈妈无意中提过。但她突然觉得，这个词用在这里太贴切了。
信息素浓→更多蚂蚁走→信息素更浓→更多蚂蚁走……
这就是一个不断加强的循环，像滚雪球一样越滚越大。
而当一条路线上的信息素足够浓的时候，其他路线就慢慢被“遗忘”了——因为没有蚂蚁走，信息素会慢慢挥发消失。
“最后，所有蚂蚁都走最短的路线……”小米总结道，“这就是涌现的结果！”
从蚂蚁到世界
傍晚的时候，爸爸下班回家了。小米迫不及待地把今天的发现讲给爸爸听。
“爸爸，你知道吗？蚂蚁其实一点都不聪明——每只蚂蚁都很笨的！但是很多蚂蚁凑在一起，就变得超级聪明！它们能自己找到最短的路线！”
爸爸听得很认真，不时点头微笑。等小米讲完，爸爸说：“你说得很好。你发现了一个非常重要的科学原理。”
“什么原理？”
“叫做‘涌现’。”爸爸说，“这个原理不仅仅在蚂蚁身上存在。其实，这个世界上很多很多事情都是通过涌现来完成的。”
“真的吗？”小米惊讶地问。
“真的。”爸爸说，“比如，你的大脑。”
“我的大脑？”
“对。你知道吗，你的大脑是由数以亿计的神经细胞组成的。每一个神经细胞都很简单，它只能接收信号、发送信号。但是当这么多神经细胞组合在一起，形成一个大脑的时候，就涌现出了意识、思考、记忆、情感……这些复杂的东西。”
小米瞪大了眼睛：“所以，我之所以能思考、能记东西、能开心难过，是因为神经细胞之间的涌现？”
“正是如此。”爸爸说，“单个神经细胞不会思考，但无数神经细胞组合在一起，就产生了会思考的大脑。这和蚂蚁是一样的道理——单个蚂蚁不会找最短路线，但无数蚂蚁组合在一起，就产生了集体智慧。”
小米沉默了。她从来没有想过，自己大脑里的思想，竟然也是“涌现”的结果。
爸爸继续说道：“其实，涌现的现象在自然界中比比皆是。比如鸟群。当一群鸟在空中飞翔的时候，它们能够协调一致地变换队形，时而聚拢，时而散开，看起来就像是一个整体的生物在飞行。但实际上，每一只鸟都只是根据自己旁边几只鸟的位置和飞行方向，调整自己的飞行。它们没有‘队长’，没有‘指挥官’，只是遵循简单的规则。但就是这种简单的互动，让整个鸟群涌现出了复杂的协调能力。”
小米想起了以前在电视上看到过的画面：成千上万只欧椋鸟在天空中形成壮观的“云”，它们像被一只无形的手操控着一样，同时转弯，同时加速，同时散开——那种美，摄人心魄。
“还有鱼群。”爸爸说，“鱼群也是这样。每一只鱼都只是跟着自己旁边的鱼游，但整体却能形成复杂的群体行