新物理的层展论与还原论

 

知乎问题：你倾向于层展论还是还原论，为什么？

层展（emergence）和还原（reduction）常常被看作科学研究中的两种（对立的）方法论或理念。层展（emergence）还是我刚刚知道的中文翻译，不过它明显比我以前知道的翻译“涌现”要好得多，当然意思也更丰富。特别是这个中文“层展”概念与我最近发展的一种超越标准模型（beyond the Standard Model）的新物理的观念尤其吻合：物理规律和内涵（比如，基本粒子及其相互作用）是通过时空维度相变的机制一步一步演化的。

其实层展（emergence）和还原（reduction）这两个观念并不抵触，甚至是相辅相成的。换句话说，在宏观的视角（例如跨学科或领域）下，科学是层展论；而在微观的角度（即每一个具体的领域）下则是还原论。从大的学科角度，层展给出了科学分类的金字塔等级体系，最基础的或最塔尖的（取决于你看问题的角度）是物理学，然后是化学，然后是生物，等等。而层展其实更是层层展现的意思，比如在已知的物理体系内，一个层层递归的展现关系就是：粒子物理 ⇒ 核物理 ⇒ 原子物理 ⇒ 凝聚态物理。

在每一层的展现中，事实上科学都是用还原论的思想来描述：即用一组基本定律来统一描述本层领域的科学现象。每一层领域的基本定律和其他层的都应该是相容的，但并不存在严格的递推关系，换句话说并不存在还原论式的统一理论来描述所有的物理学，更不用说全部科学现象（参见我的博文和文章）。从某种意义上讲，各个不同领域的科学都有她的独立性，都需要相应的科学家去发现她自身特有的基本规律。

相邻层的定律通过一种类似物理里相变的机制来保证它们之间的一致或相容性。这样的层与层之间的突变或质变机制可能包括很多表现，比如物理上有自发对称破缺机制，还有“粗粒化”方法（也即物理学家 Anderson 所说的“more is different”）。而由质变机制的多样性，我们可以看到这样的层层结构并不是简单一维的，科学更像是多维的复杂网络。比如，通过尺度或数量上的突变，原子物理过渡到凝聚态物理；而通过复杂性（比如大分子）的增加则过渡到化学。

正是通过这些层展的质变机制，所有的自然学科都紧密地联系在一起。物理奠定了化学的基础，化学奠定了生物的基础。化学反应规律是有机大分子的功能的基础；大分子的功能是细胞的基础；细胞则是复杂生命的基础；生命的演化导致了人类大脑的出现；而大脑则进一步展现出意识、语言、庞杂的人类社会关系、甚至发展出超凡智慧来科学的认识这个世界。但我们显然不能说理解了物理就理解了所有这一切。

回到物理问题。今天人们在寻找新物理时，也就是在探索粒子物理的前一层结构时，虽然有一些层展论的努力，但更倾向于寻找一种还原论式的统一理论。很可能一个更自然的方向应该是通过自发对称破缺机制来发现“上一层”的物理基础。我最近发展出来的一套镜像物质理论框架（mirror matter theory）就是采用了这样的层展论思路。它通过对镜像对称（mirror symmetry）和超对称（supersymmetry）的新理解，给出了物理规律和时空本身及其维度的动态演化，从而非常有希望解决暗物质暗能量等许多当前的物理疑难。特别重要的是，这一新的镜像物质理论提供了一系列精准的可检验的独有预言和设计了当前技术可行的实验室检验。这或许才是层展论在追寻新物理上的真正意义。