先看一小段轨迹
把水里一粒微尘放大,你会看到它抖来抖去。水分子从四面八方撞它,这种不规则运动叫布朗运动。会自己游的微粒也会抖,但它还多做了一件事:朝身体前方持续用力。可以把它想成一艘方向盘慢慢跑偏的小船。
刚开始,小船几乎直着走。看久一点,轨迹弯了,绕回来了,还可能穿过自己走过的地方。只拍一张照片,很难区分这艘小船和一粒被动微尘;拍一小段视频,区别就出来了:下一步是否还接着上一步的方向?
活性物质里的“活性”,说的是组成单元不断把输入能量变成运动。把一杯水加热,也能让被动微粒散得更快,却不会让每粒微尘都记住一个朝向。研究游动,我们还得把这个朝向记下来。
记忆能换成一段路程
给每个粒子起初的朝向做个记号,过一会儿再看它现在朝哪儿。等到新方向和旧方向大多不再相关,我们就说过了一个持续时间。用自由游动速度乘上这段时间,得到持续长度,也就是一次方向记忆大致能换来的路程。
持续长度若有十个身长,粒子遇到一小群同伴,可能还没怎么转弯就穿过去了。换成很大的一群,它可能还没出来就转了好几次。判断一次拥堵能维持多久,要把粒子的身长和这段持续长度放在一起看。
完整例题
算一算一次游动能走多远
设一个理想平面游动粒子每秒游 2 微米,约 3 秒后忘掉原先的方向。它的持续长度就是 6 微米。只拍十分之一秒,许多轨迹看起来接近直线;连续拍一分钟,每条轨迹都已经拐了很多次。
现在让速度加倍,转弯方式保持原样。每次近乎直行的路程加倍,路程的平方就变成四倍,长时间的活性扩散也会增强四倍。若速度不变,只把记住方向的时间加倍,活性扩散则增强两倍。后面遇到团簇时,我们就用这两个操作来分辨原因。
平均位置没动,粒子也可以越散越开
让许多粒子从同一点出发,起初朝向均匀分布。往左和往右的位移相抵,平均位置可能还在原点,可每个粒子早已游远。要看它们散开多少,应当先把每个粒子离起点的距离平方,再求平均。
自由游动时,自推进对这个平均值的贡献起初随时间平方增长,随后大致随时间直线增长;普通位置扩散另外贡献随时间线性增长的一项。活性部分的前一段保留方向记忆,后一段累积许多朝向不同的游动。等我们加入拥挤、边界和相互作用,轨迹会离开这条参考曲线;先认识自由运动,才知道后来改变了什么。