小议“还原论”和“层展现象”——读《凝聚态物理导论》“综览”有感

小议“还原论”和“层展现象”——读《凝聚态物理导论》“综览”有感

科学家在研究某一科学领域时有他们一套独有的研究方法和理论,其中还原论和层展现象是一对截然相反却又都大放异彩的理论。

1. 还原论

还原论的思维方法是将复杂还原为简单,然后在从简单重建复杂。爱因斯坦的表述为“物理学家的无上考验在于达到那些普世性的基本规律,再从它演绎出宇宙。”两者都在阐述一个观点那就是物理学家的研究重点应该放在那些最基本、最一般、最微观的原理上,其他复杂、宏观的问题能够通过这些最基本的原理得到解释。还原论的成功案例有原子结构的阐明导致了化学的革命,核酸与蛋白质分子的测定导致了生物学的革命,同样在凝聚态物理领域,物质结构的微观研究揭示了凝聚态物质的各种宏观性质(如铁磁性、铁电性、超导性、超流性等)。

显然还原论必然催生对大一统理论的追捧,正如Maxwell方程统一了电磁力,光被统一到电磁波中,到20世纪中叶,自然界中基本的相互作用被归纳为四种(按有强到弱排序):强力、电磁力、弱力和引力。

  • 引力——长程,按距离的平方而衰减,没有屏蔽和中和效应,在天文学中有重要作用。
  • 电磁力——凝聚态物理学研究范围中(10-10~1m尺度)对众多现象起绝对作用的唯一基本作用力。
  • 强力与弱力——极其短程,仅在核子和亚核粒子间相互作用起重要作用。

Einstein晚年就全身心的投入到统一这四种基本作用力的大一统理论的研究中,但未获成效。现在物理学中弦理论(Big Bang中谢耳朵的研究方向)也在尝试做同样的工作。“万物理论”(Theory of Everything,还记得那部电影吗)正是物理学家最求终极统一愿望的表达。

尽管还原论拥有众多追随者,而且看似成果丰硕,但是必须说它并不是真理,层展现象的提出给还原论猛烈的一击。

2.层展现象(Emergent Phenomenon)

我们还清楚的记得那副Length Scale图,物质结构可以分为不同层次,每一个层次的物质都有新的且激动人心的有效普遍规律,这些规律并不能如还原论者所说的能通过更加基础的科学自然而然的推导出来。例如生物学中动物的群居习性并不能通过更基本的蛋白质结构来得到,行星的运动规律也不受更微观的原子控制。还原论中将科学知识区分为等级是十分愚蠢的,在每一层级都有非常值得研究的适合于本层级的普遍规律。

 

zengzhan

现在我们总结层展现象的概念——每一不同的聚集层次,都会展现出全新的性质,这些性质已经超出其组成粒子的领域。现在,还原论趋向正逐渐被层展现象的研究所取代。

科学是不断进步的,同样,科学研究的方法和理论也是在向前推进的,面对还原论和层展现象我想到的是马克思的辩证论,事物不可能绝对的,应该辩证的看待,不论是还原论还是层展现象都有它们的道理,一个并不能全部的取代另一个。多么神奇的自然界!多么有趣的科学啊!!

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