還原論將世界“打碎”成基本粒子，而涌現(xiàn)論致力于發(fā)現(xiàn)生成復(fù)雜世界的簡單定律。這兩種互補的方式在現(xiàn)代的量子引力研究中合二為一。
作者 Robbert Dijkgraaf
翻譯 阿金
審校 金莊維
圖片來源：James O’Brien for Quanta Magazine
假設(shè)現(xiàn)在有一群外星人來到我們的星球，想要學(xué)習(xí)當(dāng)今的科學(xué)知識。我會先給他們播放一部 40 年前拍攝的紀(jì)錄片《十的力量》（Powers of Ten）。相信我，這部由著名設(shè)計師夫婦 Charles 和 Ray Eames 編導(dǎo)的短片雖然有點過時，但是仍然成功地在十分鐘不到的時間里讓人們對宇宙有了全景式的了解。
劇情簡單但不失精致。在影片的開頭，我們看到一對夫婦在芝加哥的公園內(nèi)野餐。然后，鏡頭開始拉遠，每隔十秒，視野就擴大十倍——從十米，到一百米、一千米，不斷拉遠。我們看到的范圍也在慢慢變大：城市、大陸、地球、太陽系、相鄰的恒星、銀河系，一直到目前我們所能觀測到的宇宙全景。在影片的后半段，鏡頭轉(zhuǎn)而拉近，一直深入到最微小的結(jié)構(gòu)，揭示出越來越微觀的細節(jié)——我們的視野穿入掌心，看到細胞、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、原子、原子核，最后是質(zhì)子內(nèi)不斷振動的夸克。
整部影片捕捉到了宏觀宇宙和微觀世界令人嘆為觀止的美，同時它的結(jié)尾留給我們一個完美的懸念。我八歲的兒子在第一次看完這部片子后問我：“然后呢？”是啊，然后呢？探索宇宙極限的科學(xué)家就在探索更大和更小的結(jié)構(gòu)。終于，我能夠向我兒子解釋你老爸我到底在干什么了！
《十的力量》也告訴我們：當(dāng)我們在不同的距離、時間和能量尺度中穿梭時，我們還跨越了不同的知識領(lǐng)域。心理學(xué)研究人類行為，演化生物學(xué)監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)，天文物理學(xué)探索行星和恒星，宇宙學(xué)則專注于整個宇宙。同樣的，在微觀尺度上，我們也看到生物學(xué)、生物化學(xué)、原子物理、原子核與粒子物理各司其職。各個學(xué)科看上去就像大峽谷（Grand Canyon）里的地質(zhì)層那樣層次分明。
從一個尺度穿越到另一個尺度時，我們就能看到現(xiàn)代科學(xué)兩大組織原則——涌現(xiàn)論和還原論的實例。當(dāng)尺度放大時，個體的復(fù)雜行為中將“涌現(xiàn)”出新模式：生化反應(yīng)產(chǎn)生有感知的生命體；單個的有機體聚集到一起形成生態(tài)系統(tǒng)；數(shù)千億的恒星匯聚成為壯觀的星系。
反過來進入微觀世界，我們則會看到還原論發(fā)揮作用——復(fù)雜的模式被分解為簡單單元：生命還原成 DNA、RNA、蛋白質(zhì)和其他有機分子之間的相互反應(yīng)；化學(xué)的復(fù)雜簡化為量子力學(xué)的優(yōu)美；粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型則將世間萬物濃縮成四種基本力和17種基本粒子。
那么二者孰強孰弱？傳統(tǒng)的粒子物理學(xué)家堅持還原論，而研究復(fù)雜材料的凝聚態(tài)物理學(xué)家則站隊涌現(xiàn)論。諾貝爾物理獎獲得者，粒子物理學(xué)家大衛(wèi)·格羅斯（David Gross）就犀利地發(fā)問：“我們究竟在哪里看到優(yōu)美？又在哪里發(fā)現(xiàn)一團糟？”
讓我們看看周圍現(xiàn)實有多復(fù)雜。粒子物理學(xué)家通常使用一些粒子和它們之間的相互作用來解釋自然現(xiàn)象。但凝聚態(tài)物理學(xué)家思考的問題是:如何描述一杯普通的水呢？像粒子物理學(xué)家那樣通過其中約 1024 個水分子（更不要說它們的基本粒子）的運動來解釋水面的波紋可不是個聰明的辦法。因此，凝聚態(tài)物理學(xué)家使用涌現(xiàn)論，即流體力學(xué)和熱動力學(xué)來優(yōu)美地解決問題。實際上，當(dāng)分子的數(shù)量趨于無限大時（在還原論者的眼中無異于一堆巨型垃圾），這些自然定律就會神奇地變成明晰的數(shù)學(xué)表達。
當(dāng)許多科學(xué)家盛贊還原論在過去的數(shù)個世紀(jì)中取得的巨大成功時，著名的物理學(xué)家 John Wheeler（從核物理一直到黑洞都是他的研究興趣）則表達了另外一種有趣的觀點：“每一條物理定律在接近極限的時候，都會變成統(tǒng)計和近似的，而不再保持數(shù)學(xué)上嚴(yán)格的完美和精確?！彼M一步指出，涌現(xiàn)論的近似本質(zhì)能為不同尺度間的過渡提供相當(dāng)?shù)撵`活性。
熱力學(xué)是涌現(xiàn)的典型代表，它描述一大群粒子的集體行為，而不考慮許多微觀細節(jié)。它通過簡潔的數(shù)學(xué)公式描述了的大量現(xiàn)象，適用范圍大得令人驚嘆。其實，在人們建立起物質(zhì)的原子基礎(chǔ)之前，熱力學(xué)定律就早已被發(fā)現(xiàn)。比方說，熱力學(xué)第二定律規(guī)定孤立系統(tǒng)的熵（用于衡量微觀信息的多少）總是隨時間增加。
現(xiàn)代物理學(xué)提供了一套精確的語言來描述尺度的變化：重整化群。這個數(shù)學(xué)工具讓我們可以系統(tǒng)化地從小尺度跨越到大尺度。其中關(guān)鍵的步驟就是取平均。打個比方，在考慮大量原子組成的系統(tǒng)時，我們并不逐一觀察構(gòu)成物質(zhì)的原子的行為，而是將邊長為 10 個原子大小的小立方體作為新的基本單位。接下來，我們可以重復(fù)這一步驟，這就像是對每個物理系統(tǒng)都拍一部《十的力量》。
重整化理論詳細地描述了在不同尺度上進行觀測時，物理系統(tǒng)的性質(zhì)如何發(fā)生變化。一個著名的例子就是粒子的電荷會根據(jù)不同的量子相互作用而改變。這在社會學(xué)上還能用于理解不同大小群體的行為（最小至個人）：群體是否理智？群體行為是否更缺乏責(zé)任感？
最有趣的莫過于重整化的兩個極端：無窮大和無窮小。這時情況會變得非常簡單：要么是所有的細節(jié)都被抹掉了，要么是背景消失了。這就類似于我們在《十的力量》中看到的那兩個令人遐想聯(lián)翩的“盡頭”。宇宙中至大和至小的結(jié)構(gòu)都簡單到令人難以置信，我們也因此建立了兩個“標(biāo)準(zhǔn)模型”：粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。
值得注意的是，物理學(xué)家現(xiàn)在認為，理論物理中最艱難的挑戰(zhàn)——引力的量子化——需要結(jié)合還原論和涌現(xiàn)論這兩種研究方法。傳統(tǒng)的還原論方法，比如弦的微擾理論，試圖建立一個能夠完全、自洽地描述所有基本粒子和力的理論框架。這樣一個“終極理論”必須包含引力相關(guān)的部分，比如引力子。舉例來說，在弦論中，引力子是由弦的特殊振動方式形成的，而弦論在早期取得的一大成功就是發(fā)展出了一套計算引力子行為的方法。
然而，這只回答了部分問題。愛因斯坦告訴我們：引力的范圍要寬廣得多，它涵蓋了整個時空。由于量子力學(xué)考慮的尺度極小，以此為基礎(chǔ)的理論（比如弦論）無法解決時空結(jié)構(gòu)問題。這該怎么辦呢？
將引力和量子理論結(jié)合起來的一種互補方法——全息——始創(chuàng)于上世紀(jì)八十年代，雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在研究黑洞信息問題時的靈光一閃。在九十年代后期，胡安·馬爾達西納（Juan Maldacena）發(fā)展了這套方法。在這套方法中，量子時空，包括其中所有的粒子和力，都是從全息描述中涌現(xiàn)出來的。全息系統(tǒng)是量子化的，但其中的引力并沒有明確的形式。它的空間維度甚至變少了。這套系統(tǒng)的行為由一個衡量系統(tǒng)大小的量來決定，如果量值大小增加，全息系統(tǒng)就更接近經(jīng)典的引力系統(tǒng)。最終，當(dāng)這個值趨于無窮大時，時空以及愛因斯坦的廣義相對論方程都會從全息系統(tǒng)中涌現(xiàn)出來。這個過程類似于熱力學(xué)定律從單個分子的運動中涌現(xiàn)。
在某種意義上，這套方法和愛因斯坦的目標(biāo)恰恰相反。愛因斯坦想要從時空的動力學(xué)中建立所有的自然定律，將物理簡化為純粹的幾何。他認為在物質(zhì)世界的金字塔中，時空是處在最基層的，就像大峽谷的底部一樣。而在全息觀點中，時空不是起點，是終點——從量子信息的紛繁復(fù)雜中涌現(xiàn)出的自然結(jié)構(gòu)。（回過頭來想想，愛因斯坦最喜歡的熱力學(xué)和廣義相對論都是涌現(xiàn)出來的，這也許并非巧合。）
涌現(xiàn)論和還原論的這場“聯(lián)姻”讓我們在世界的兩個盡頭——從基本粒子到時空結(jié)構(gòu)——都看到了優(yōu)美。雖然通往終極理論的可能道路遠不止一條，但這無疑是個上佳的選擇。
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