从自然界到人类社会，所有看起来恒定不变的量实际上都是在随机变化着，这种变化就叫“涨落”或者“噪声”。比如，地球自转一圈需要的时间是24小时，其实 24小时只是平均值，真实的自转周期是随机变化着的。又如，人体的体温、血压、脉跳速率被测出来的也是平均值，实际上也是在不断、不规则地变化着的。可以 说，几乎所有的物理量，只要用足够高精度的仪器进行测试，就会发现它们都在随时间而涨落，如图1所示。
图1 物理量随时间的随机涨落
如果将这些物理量随时间的变化转化为随频率的变化（利用富里叶变换之类的方法，形成的曲线称 之为“频谱”），就会发现一种极其奇妙的现象：只要观察的频率足够低，所有的物理量的频谱都会呈现出如图2所示的，即物理量的大小与频率f成反比（或者与 f的β次方成反比，但β通常在1.0附近），故称之为“1/f涨落”。
图2 物理量随机涨落随频率的变化
1/f涨落在1930年代在电子管中最早观察到的，之后人们惊奇地发现这种现象在自然界甚至人类社会中几乎无处不在。从微观世界中基本粒子，如电子的运动到宏观的大如天体中行星、太阳的运动，社会现象乃至人的情感的变化等等，比如，电子学中所有电子材料、器件和整机中电压和电流的涨落，天文学中太阳黑子数、银河系天体辐射强度、行星间磁场的涨落，气象学中气温和降雨量的涨落，地球物理中河流与海流流量、地球自转公转速度的涨落，生物学中DNA基因数、脑神经元数目的涨落，人类学中地球物种进化速率、城市人口变迁的涨落，经济学中股市指数、外汇兑换率的涨落，交通与网络学中高速公路车辆间隔、Internet数据流量的涨落，音乐与语音学中音强与音调的涨落，自然景观中山脉地形轮廓、风景纹理变化、云彩边缘形态的变化，…….全都呈现1/f的规律。
气象学中的涨落
Representative examples for time series of some meteorological parameters used in the present study
森林火灾的涨落
Observed temporal fluctuations in fire frequency and synchrony correspond to independent estimates of past climate.
1993年8月8日，在太平洋中的关岛附近海域水下60公里处发生了里氏8.0级地震（与汶川地震震级相同）。巧的是，美国在关岛设有一个地磁观察站，离震中大约65公里，不经意间记录下了地震前后数个月的地磁场测量数据。
地磁场的涨落通常也呈1/fβ涨落的性质，但β值的变化区间较大，可能在2.0到1.2之 间。对地震前后10个月的地磁观察数据（见图3）的分析发现，平常β的平均值大约在1.6附近，但在地震来临前4个月，β值开始显著向1.0逼近，地震发 生时大约到达1.2左右，地震发生后又开始显著上升，直至地震发生4个月后恢复到正常波动区间。从图4也可看出，在地震前1个月内，β大于1.2的天数急 剧增加。
由此可见，我们可以通过测量地磁场的1/fβ涨落的指数因子β值的变化来预报地震，提前量可达1～4个月。
图3 地震前后地磁场1/fβ涨落的β因子随时间的变化（测量时间间隔为5天）
图4 地震前后地磁场1/fβ涨落的β因子随时间的变化（测量时间间隔为1天）
如果能够利用自己的知识、技术和科研成果，为人类预防和抵抗地震灾害做一些哪怕是非常微薄的贡献，那将是一个科学工作者对汶川地震死难者最大的悼念了！
本文著作权归西电微电子学院院长庄奕琪教授所有。
原文链接 1/f涨落之谜(1)：地震预报
For Further Reading:
Sources for 1/f noise effects in human cognition and performance
Introduction:chaos and quantumlike mechanics in atmospheric flows
Fire Regimes in Sierran Mixed-Conifer Forests
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Fractal analysis for the ULF data during the 1993 Guam earthquake to study prefracture criticality
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