華夢(mèng)

從古至今，無數(shù)的先民及先哲思量這個(gè)世界，他們是如何做的呢？美國社會(huì)生物學(xué)學(xué)者愛德華·威爾森曾提煉說，在過去，人們總是假設(shè)，世界具有“確定性”“統(tǒng)一性”，即使表象是一個(gè)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(jié)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(gè)世界的客觀規(guī)律，這種規(guī)律貫穿了整個(gè)世界，使這個(gè)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(shí)期開始的世界本原論，到文藝復(fù)興時(shí)，伽利略統(tǒng)一“地界運(yùn)動(dòng)學(xué)”與“天體運(yùn)動(dòng)學(xué)”。再到20世紀(jì)，愛因斯坦以相對(duì)論重新概括了力學(xué)大廈，它們都是這一“迷情”的成果。

直到20世紀(jì)下半葉，復(fù)雜理論的出現(xiàn)，終于帶來“確定性的終結(jié)”。在今年，物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了復(fù)雜理論的模型和成果應(yīng)用，這是一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我們理解一個(gè)嶄新的“新物理的世界觀”。

“算力失效”和蝴蝶效應(yīng)

幾百年來，物理學(xué)家都遵從著同樣的哲學(xué)和品味：“簡單即是美”。

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

同時(shí)，經(jīng)過數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展，我們掌握了支配原子、電子運(yùn)動(dòng)的公式，可以精確計(jì)算它們的狀態(tài)。而為了描述更大、稍微復(fù)雜一些的系統(tǒng)，物理學(xué)家會(huì)嘗試剝離許多無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)，通過近似，來捕捉物質(zhì)的本質(zhì)。

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

但從20世紀(jì)50年代開始，這一趨勢(shì)放緩了。物理學(xué)家?guī)е麄兪种杏脕砻枋鰡蝹€(gè)粒子的公式，野心勃勃地向更加復(fù)雜的體系進(jìn)軍。可這時(shí)復(fù)雜系統(tǒng)開始產(chǎn)生混沌效應(yīng)，大家發(fā)現(xiàn)，即使這些公式完全是確定性的，并沒有任何隨機(jī)元素，理論上我們可以預(yù)測(cè)它，但實(shí)際上就算利用世界上最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，也需要花費(fèi)比宇宙生命還長的計(jì)算時(shí)間。

另一方面，一個(gè)系統(tǒng)的演化方向，和初始狀態(tài)息息相關(guān)—

如果一個(gè)螞蟻一開始面向南方，另外一個(gè)螞蟻一開始面向北方，我們會(huì)推測(cè)它們倆最終會(huì)南轅北轍。同時(shí)，如果這兩只螞蟻都面向南方，物理學(xué)家通過抓住“主要矛盾”和“優(yōu)雅的近似”，會(huì)更傾向于預(yù)測(cè)它們往相近的方向前進(jìn)。但當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)中存在許多粒子，蝴蝶效應(yīng)出現(xiàn)了。

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

在混沌系統(tǒng)中，演化方向?qū)τ诔跏紶顟B(tài)特別敏感，以至于出現(xiàn)了一些完全不切實(shí)際的要求：為了能成功預(yù)測(cè)一場(chǎng)颶風(fēng)，我們必須要知道在巴西的蝴蝶有沒有扇動(dòng)翅膀！

但這顯然不是當(dāng)下的算力能做到的。

不過，對(duì)于算力失效問題，還能寄希望于未來的量子計(jì)算機(jī)能突破經(jīng)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(xué)家的描述完全失效。

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

這是因?yàn)?，我們完全理解了?fù)雜系統(tǒng)，因?yàn)槲覀冎乐涿恳粋€(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但我們又完全無法理解復(fù)雜系統(tǒng)，因?yàn)檫@些運(yùn)動(dòng)規(guī)律無法給出任何關(guān)于未來的預(yù)測(cè)。物理學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)，在小尺度上找到的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并不能幫助我們描述大尺度上發(fā)生的自然現(xiàn)象。

但我們并非毫無辦法。

永遠(yuǎn)難以預(yù)測(cè)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(xiàn)出了規(guī)律。看似散漫沒有指揮的鳥群，卻能在天空中變換出各種形狀。物理學(xué)到底需要知道多少細(xì)節(jié)才能描述這些神奇的現(xiàn)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(jiǎng)得主，或許給我們提供了不同的思路。

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

擁抱自然界的復(fù)雜性

地球的天氣和氣候，就是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)。

短期內(nèi)的天氣預(yù)測(cè)是一個(gè)混沌系統(tǒng)，手機(jī)里關(guān)于未來一周的天氣預(yù)報(bào)好像從來沒準(zhǔn)過。但是今年的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者真鍋淑郎和Klaus Hasselmann，開創(chuàng)性地站在更宏觀的時(shí)間尺度上來思考地球氣候，他們的模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出了未來十年地球溫度的上升。我們逐漸意識(shí)到，古典的、還原論的物理學(xué)范式，確實(shí)能展現(xiàn)簡單的美，但是解釋物理現(xiàn)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(guān)系，還出現(xiàn)在微觀和宏觀的對(duì)比上。今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的另外一半，頒發(fā)給了意大利物理學(xué)家Parisi，以表彰他為自旋玻璃理論作出的貢獻(xiàn)。

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(shí)它也是典型的無序材料。