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(1 北京交通大學理學院) 

(2 中國科學院物理研究所)

(3 北京教育科學研究院)

本文選自《物理》2021年第3期

近年來，由于媒體和公眾對超導、芯片等話題的關(guān)注，“凝聚態(tài)物理”這個現(xiàn)代物理學的重要分支廣為人們所知?？墒窃S多人在深入了解和學習的過程中卻發(fā)現(xiàn)，有許多概念讓人難以理解，例如聲子，在標準模型中找不到它，它到底是什么？它是由什么基本粒子組成？實在讓人費解。

之所以有這種疑問，重要原因是思維方式仍停留在經(jīng)典物理的“還原論”(reductionism)架構(gòu)下。但現(xiàn)代物理的許多問題，凝聚態(tài)物理中的各種“元激發(fā)”，相變問題中的“對稱性自發(fā)破缺”等等，許多物理理論已經(jīng)跳出了還原論范式¹⁾，而采用被稱為“演生論”(emergence)的新范式。仍用還原論觀點去看基于演生論形成的概念和理論，張冠李戴導致誤解或覺得難以理解也就不令人奇怪了。

多數(shù)人從中學到大學所學習的物理，其體系背后潛藏著這樣一個基本的觀念：我們所處的這個世界中，千奇百怪的事物歸根結(jié)底都是由一些“基本單元”組成的，這些基本單元在一組“基本規(guī)律”的約束下，構(gòu)成了各種紛繁復雜的自然現(xiàn)象。只要追本溯源，找到組成世界的基本單元和約束它們的基本規(guī)律，便可以通過嚴謹?shù)倪壿嬐蒲莺途艿臄?shù)學計算，建立起一套精準、完備地描述世界運行規(guī)律的體系，達到包羅萬象的“萬物理論”(theory of everything)。簡單說就是“先把復雜還原為簡單，再從簡單重建復雜”^[1]，這便是所謂“還原論”的基本范式。

還原論是物理學建立和發(fā)展過程中的主流范式，也取得了輝煌的成就。我們把宏觀物體看成分子、原子組成的聚集體，它們的性質(zhì)和行為可以用原子、分子的性質(zhì)、運動和聚集的方式等去詮釋。這便是一次成功的“還原”過程，在此基礎上，經(jīng)典物理學的許多問題得到了簡潔的圖像和優(yōu)美的理論。從《費曼物理學講義》中那句著名的“matter is made of atoms”以及相關(guān)論述^[2]，可以一窺這“還原—構(gòu)建”的精彩和成功。

圖1 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次

再把原子分解為質(zhì)子、中子和電子，質(zhì)子和中子進一步分解為夸克，人們在還原層次不斷加深中尋找最基本的物質(zhì)組成單元和最基本的相互作用機制。今天多數(shù)學過些物理的人們腦海中的世界圖景，大約如圖1所示那樣，世間萬物皆源于夸克、輕子和規(guī)范玻色子這三大類“基本粒子”。自然界中的四種基本相互作用：引力、電磁力、強力、弱力，除引力之外的其他三種在這個“標準模型”中得到統(tǒng)一?！皹藴誓Ｐ汀笔悄壳拔锢韺W在還原論范式下的巔峰之作，大家近乎本能地認為，我們完全可以從基本粒子的質(zhì)量、電荷、自旋、壽命等性質(zhì)出發(fā)，結(jié)合粒子間的基本相互作用規(guī)律，層層遞進地精確了解宏觀物體的性質(zhì)和行為。計算物理中的“第一性原理”便是沿著這個思路，“第一”二字將還原論的思想體現(xiàn)的淋漓盡致。雖然這個模型中的基本粒子達到61種之多，算不上十分簡潔，但看起來只要再努把力，解決了引力統(tǒng)一的問題，物理學所追求的“大統(tǒng)一”的萬物理論便實現(xiàn)可期。

然而大自然看起來并不打算輕易地讓人類揭開它的面紗。在研究中發(fā)現(xiàn)，基于還原論建立起的物理體系在面對少量粒子組成的對象時，理論和實驗符合得相當好，但隨著粒子數(shù)的增加，數(shù)值計算的難度指數(shù)增長。宏觀物體往往含有巨量的粒子，一滴水(約 1/20 ml)中水分子個數(shù)就達到10²¹的量級，遑論更大更復雜的體系。

目前的算力還不足以支持從基本粒子到宏觀物體的計算，于是有人將希望寄托在未來的量子計算的發(fā)展之上。確實，量子計算的發(fā)展對分子設計等問題有可預期的幫助，但問題不僅僅是算力限制。

1972年，美國凝聚態(tài)物理學家安德森(P. W. Anderson)在《科學》上發(fā)表的“More is different”一文指出：“將世間萬物還原成基本單元和基本規(guī)律，并不意味著從這些規(guī)律出發(fā)能夠重建整個宇宙”……“大量基本粒子構(gòu)成的巨大復雜聚集體的行為并不能依據(jù)少數(shù)粒子的性質(zhì)做簡單的外推得到，在每一個復雜性的發(fā)展層次之中都會呈現(xiàn)出全新的物理概念、物理定律和物理原理，要理解這些新行為所需要做的研究，其基礎性與其他研究相比毫不遜色”^[3]。

也就是在復雜度提升的過程中，那些基本粒子在不同的尺度、能量下聚集的各個層次，都將產(chǎn)生新的物理規(guī)律，這些規(guī)律不是基本單元的性質(zhì)和規(guī)律的排列組合或延展派生，而是全新的、同樣基本的物理規(guī)律。這些規(guī)律看起來好像是在粒子聚集的過程中通過相互影響“無中生有”的，因而借用生物學中emergence的“演生”含義，稱為“演生論”。

讓我們來觀察一片雪花。范仲淹《依韻和提刑太博嘉雪》詩云：“昨宵天意驟回復，繁陰一布飄寒英。裁成片片盡六出，化工造物何其精。”雪花“六出”的冰晶結(jié)構(gòu)大家都很熟悉，可你有沒有想過，在水滴成冰的過程中，是什么讓數(shù)以萬億計的水分子從各向均分狀態(tài)產(chǎn)生了高度有序的排列，對稱性明顯降低而產(chǎn)生自發(fā)的“對稱性破缺”？

在還原論范式下，還是那些水分子，它們遵循的基本規(guī)律也沒變，為何降溫過程中體系的狀態(tài)和性質(zhì)卻發(fā)生突變——結(jié)冰呢？合理的推斷是還有別的規(guī)律起作用，這個規(guī)律是大量粒子在組成體系時“演生”出來的。威爾遜(K. G. Wilson)正是因為臨界現(xiàn)象的重正化群理論對相關(guān)相變規(guī)律的貢獻獲得了1982年諾貝爾物理學獎。從最常見的水結(jié)冰以及各種物質(zhì)結(jié)晶等第一類相變，到前沿的超導、超流等第二類相變，相變和臨界問題是凝聚態(tài)物理重要的研究方向，也是演生論的重要佐證。

凝聚態(tài)理論中的聲子、等離子激元、自旋波、激子、極化子等元激發(fā)在還原論的范式中很難找到它們的位置，但在演生論的范式下，它是大量粒子集體激發(fā)行為中“演生”出的一種“準粒子”，它們顯現(xiàn)出普適的、完美的、簡潔的物理規(guī)律，這些規(guī)律和實驗符合得也很好?！爸浼w激發(fā)的物理定律的簡潔與完美不是來自于原子之間相互作用的簡潔性，而是來自于這些物理定律必須保證集體激發(fā)要在低能極限下演生出來”^[4]。了解了演生論的范式之后，導言中提到的有關(guān)聲子概念的疑惑迎刃而解。

物理學遵循的原則是理性主義加實用主義，所追求的是建立簡潔、完備、精確的理論來描述自然規(guī)律。評判物理理論好壞的唯一標準是與實驗是否相符合。因此不管還原論還是演生論并無孰優(yōu)孰劣的問題，還原論是top—down的方式而演生論是bottom—up的方式，它們只是兩種不同的研究范式。經(jīng)典物理的各個分支、原子分子物理、核物理、粒子物理以及相對論等多采用還原論的范式，而凝聚態(tài)物理、熱力學與統(tǒng)計物理多采用演生論的范式。兩種范式在不同的問題上各有優(yōu)點、相輔相成。在討論物理問題時，只有選擇合適的范式才能對問題有正確的理解。

如前所述，大量實驗證明，不同尺度和層次上確實存在還原論范式下基本粒子和基本相互作用之外的新規(guī)律，這些規(guī)律也正是今天物理學前沿的重要探索方向，對我們理解世界有重大意義。然而除了少數(shù)物理專業(yè)學生之外，多數(shù)人從中學到大學接觸的物理教育均以經(jīng)典物理為主，涉及的內(nèi)容與今天的物理學前沿距離甚遠，導致在多數(shù)人心中還原論范式被等價為物理學基本且唯一的范式，使其在后續(xù)接受現(xiàn)代物理前沿內(nèi)容時產(chǎn)生一些障礙。

雖然演生論涉及的物理問題多較為前沿，但如相變等現(xiàn)象在生活中十分常見。基礎物理教學過程中，如能學習經(jīng)典物理，傳授必要的物理知識，培養(yǎng)基本物理思想和方法的同時，告訴學生我們遵循的還原論范式之外，還有演生論范式的存在并做基本的介紹，使之保持開放的心態(tài)，避免形成排他的認知體系，這將為更多人更深入地了解物理提供有利的條件。

參考文獻