“愛奧尼亞式迷情”破產后

華夢

從古至今，無數的先民及先哲思量這個世界，他們是如何做的呢？美國社會生物學學者愛德華·威爾森曾提煉說，在過去，人們總是假設，世界具有“確定性”“統(tǒng)一性”，即使表象是一個花花世界，但在表象之后，存在可提煉、可描述的明確規(guī)則。這被他總結為“愛奧尼亞式迷情”。

具體來說，它指的是，不再將我們身處的世界看作是雜亂的、難以理解的，而是試圖去尋找可以涵蓋并解釋這個世界的客觀規(guī)律，這種規(guī)律貫穿了整個世界，使這個世界有了一種“統(tǒng)一性”。

這種“迷情”仿佛先定一般，存在于“思考者”的頭腦中。從古希臘時期開始的世界本原論，到文藝復興時，伽利略統(tǒng)一“地界運動學”與“天體運動學”。再到20世紀，愛因斯坦以相對論重新概括了力學大廈，它們都是這一“迷情”的成果。

直到20世紀下半葉，復雜理論的出現，終于帶來“確定性的終結”。在今年，物理學獎頒給了復雜理論的模型和成果應用，這是一個機會，讓我們理解一個嶄新的“新物理的世界觀”。

“算力失效”和蝴蝶效應

幾百年來，物理學家都遵從著同樣的哲學和品味：“簡單即是美”。

曾經，這一思想下的研究趨勢所向披靡。從牛頓到愛因斯坦，物理學家都在盡可能地簡化，分解物質。通過更精密的儀器，我們能看到物質是原子構成的，而原子又能進一步分解成更加微觀的粒子。

同時，經過數學的不斷發(fā)展，我們掌握了支配原子、電子運動的公式，可以精確計算它們的狀態(tài)。而為了描述更大、稍微復雜一些的系統(tǒng)，物理學家會嘗試剝離許多無關緊要的細節(jié)，通過近似，來捕捉物質的本質。

雖然物理學家把研究對象簡化成了“真空中的球型雞”，但這恰恰是物理學古典美感的來源：我們想找到一個規(guī)律，能解釋整個宇宙。

但從20世紀50年代開始，這一趨勢放緩了。物理學家?guī)е麄兪种杏脕砻枋鰡蝹€粒子的公式，野心勃勃地向更加復雜的體系進軍?？蛇@時復雜系統(tǒng)開始產生混沌效應，大家發(fā)現，即使這些公式完全是確定性的，并沒有任何隨機元素，理論上我們可以預測它，但實際上就算利用世界上最先進的計算機，也需要花費比宇宙生命還長的計算時間。

另一方面，一個系統(tǒng)的演化方向，和初始狀態(tài)息息相關—

如果一個螞蟻一開始面向南方，另外一個螞蟻一開始面向北方，我們會推測它們倆最終會南轅北轍。同時，如果這兩只螞蟻都面向南方，物理學家通過抓住“主要矛盾”和“優(yōu)雅的近似”，會更傾向于預測它們往相近的方向前進。但當這個系統(tǒng)中存在許多粒子，蝴蝶效應出現了。

簡單來說，即使兩個體系的初始狀態(tài)只有微小的差別，在很短一段時間后，兩個系統(tǒng)的演化方向就能呈現出巨大的差別，這就是混沌理論。

在混沌系統(tǒng)中，演化方向對于初始狀態(tài)特別敏感，以至于出現了一些完全不切實際的要求：為了能成功預測一場颶風，我們必須要知道在巴西的蝴蝶有沒有扇動翅膀！

但這顯然不是當下的算力能做到的。

不過，對于算力失效問題，還能寄希望于未來的量子計算機能突破經典的算力限制，幫助人們擺脫困境。但是初值敏感問題，就使得物理學家的描述完全失效。

雖然物理學家把研究對象簡化成了“真空中的球型雞”，但這恰恰是物理學古典美感的來源：我們想找到一個規(guī)律，能解釋整個宇宙。

這是因為，我們完全理解了復雜系統(tǒng)，因為我們知道支配每一個粒子的運動規(guī)律，但我們又完全無法理解復雜系統(tǒng)，因為這些運動規(guī)律無法給出任何關于未來的預測。物理學家第一次發(fā)現，在小尺度上找到的運動規(guī)律，并不能幫助我們描述大尺度上發(fā)生的自然現象。

但我們并非毫無辦法。

永遠難以預測的天氣和無法追蹤的大氣粒子，最終卻在幾百萬年的氣候周期中展現出了規(guī)律?？此粕⒙]有指揮的鳥群，卻能在天空中變換出各種形狀。物理學到底需要知道多少細節(jié)才能描述這些神奇的現象？為了研究大海，我們需要知道每一滴水的狀態(tài)嗎？今年兩位諾獎得主，或許給我們提供了不同的思路。

2021年的諾貝爾物理學獎的一半頒發(fā)給了日裔美籍科學家真鍋淑郎和德國科學家Klaus Hasselmann以表彰他們建立的氣候模型準確地預測了全球氣候變暖，另外一半頒發(fā)給了意大利科學家Giorgio Parisi以表彰他發(fā)現了從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無序和波動的相互作用。復雜系統(tǒng)的研究，從最初的令人毫無頭緒，到最近物理學家發(fā)展出了有效的描述模型并獲得諾獎，這段歷程的背后，也代表了物理學世界觀的轉變。

擁抱自然界的復雜性

地球的天氣和氣候，就是一個典型的復雜系統(tǒng)。

短期內的天氣預測是一個混沌系統(tǒng)，手機里關于未來一周的天氣預報好像從來沒準過。但是今年的諾貝爾獎獲得者真鍋淑郎和Klaus Hasselmann，開創(chuàng)性地站在更宏觀的時間尺度上來思考地球氣候，他們的模型，準確預測出了未來十年地球溫度的上升。我們逐漸意識到，古典的、還原論的物理學范式，確實能展現簡單的美，但是解釋物理現象，并不一定需要拆分到更小的系統(tǒng)，不同的層次有不同的規(guī)律。

這種小尺度和大尺度的關系，還出現在微觀和宏觀的對比上。今年諾貝爾物理學獎的另外一半，頒發(fā)給了意大利物理學家Parisi，以表彰他為自旋玻璃理論作出的貢獻。

自旋玻璃是一種由微觀原子自旋組成的宏觀的材料，比如非磁性金屬與少量磁性原子混合的合金，同時它也是典型的無序材料。