“爱奥尼亚式迷情”破产后
作者： 华梦
从古至今，无数的先民及先哲思量这个世界，他们是如何做的呢？美国社会生物学学者爱德华·威尔森曾提炼说，在过去，人们总是假设，世界具有“确定性”“统一性”，即使表象是一个花花世界，但在表象之后，存在可提炼、可描述的明确规则。这被他总结为“爱奥尼亚式迷情”。
具体来说，它指的是，不再将我们身处的世界看作是杂乱的、难以理解的，而是试图去寻找可以涵盖并解释这个世界的客观规律，这种规律贯穿了整个世界，使这个世界有了一种“统一性”。
这种“迷情”仿佛先定一般，存在于“思考者”的头脑中。从古希腊时期开始的世界本原论，到文艺复兴时，伽利略统一“地界运动学”与“天体运动学”。再到20世纪，爱因斯坦以相对论重新概括了力学大厦，它们都是这一“迷情”的成果。
直到20世纪下半叶，复杂理论的出现，终于带来“确定性的终结”。在今年，物理学奖颁给了复杂理论的模型和成果应用，这是一个机会，让我们理解一个崭新的“新物理的世界观”。
“算力失效”和蝴蝶效应
几百年来，物理学家都遵从着同样的哲学和品味：“简单即是美”。
曾经，这一思想下的研究趋势所向披靡。从牛顿到爱因斯坦，物理学家都在尽可能地简化，分解物质。通过更精密的仪器，我们能看到物质是原子构成的，而原子又能进一步分解成更加微观的粒子。
同时，经过数学的不断发展，我们掌握了支配原子、电子运动的公式，可以精确计算它们的状态。而为了描述更大、稍微复杂一些的系统，物理学家会尝试剥离许多无关紧要的细节，通过近似，来捕捉物质的本质。
虽然物理学家把研究对象简化成了“真空中的球型鸡”，但这恰恰是物理学古典美感的来源：我们想找到一个规律，能解释整个宇宙。
但从20世纪50年代开始，这一趋势放缓了。物理学家带着他们手中用来描述单个粒子的公式，野心勃勃地向更加复杂的体系进军。可这时复杂系统开始产生混沌效应，大家发现，即使这些公式完全是确定性的，并没有任何随机元素，理论上我们可以预测它，但实际上就算利用世界上最先进的计算机，也需要花费比宇宙生命还长的计算时间。
另一方面，一个系统的演化方向，和初始状态息息相关—
如果一个蚂蚁一开始面向南方，另外一个蚂蚁一开始面向北方，我们会推测它们俩最终会南辕北辙。同时，如果这两只蚂蚁都面向南方，物理学家通过抓住“主要矛盾”和“优雅的近似”，会更倾向于预测它们往相近的方向前进。但当这个系统中存在许多粒子，蝴蝶效应出现了。
简单来说，即使两个体系的初始状态只有微小的差别，在很短一段时间后，两个系统的演化方向就能呈现出巨大的差别，这就是混沌理论。
在混沌系统中，演化方向对于初始状态特别敏感，以至于出现了一些完全不切实际的要求：为了能成功预测一场飓风，我们必须要知道在巴西的蝴蝶有没有扇动翅膀！
但这显然不是当下的算力能做到的。
不过，对于算力失效问题，还能寄希望于未来的量子计算机能突破经典的算力限制，帮助人们摆脱困境。但是初值敏感问题，就使得物理学家的描述完全失效。
虽然物理学家把研究对象简化成了“真空中的球型鸡”，但这恰恰是物理学古典美感的来源：我们想找到一个规律，能解释整个宇宙。
这是因为，我们完全理解了复杂系统，因为我们知道支配每一个粒子的运动规律，但我们又完全无法理解复杂系统，因为这些运动规律无法给出任何关于未来的预测。物理学家第一次发现，在小尺度上找到的运动规律，并不能帮助我们描述大尺度上发生的自然现象。
但我们并非毫无办法。
永远难以预测的天气和无法追踪的大气粒子，最终却在几百万年的气候周期中展现出了规律。看似散漫没有指挥的鸟群，却能在天空中变换出各种形状。物理学到底需要知道多少细节才能描述这些神奇的现象？为了研究大海，我们需要知道每一滴水的状态吗？今年两位诺奖得主，或许给我们提供了不同的思路。
2021年的诺贝尔物理学奖的一半颁发给了日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家Klaus Hasselmann以表彰他们建立的气候模型准确地预测了全球气候变暖，另外一半颁发给了意大利科学家Giorgio Parisi以表彰他发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用。复杂系统的研究，从最初的令人毫无头绪，到最近物理学家发展出了有效的描述模型并获得诺奖，这段历程的背后，也代表了物理学世界观的转变。
拥抱自然界的复杂性
地球的天气和气候，就是一个典型的复杂系统。
短期内的天气预测是一个混沌系统，手机里关于未来一周的天气预报好像从来没准过。但是今年的诺贝尔奖获得者真锅淑郎和Klaus Hasselmann，开创性地站在更宏观的时间尺度上来思考地球气候，他们的模型，准确预测出了未来十年地球温度的上升。我们逐渐意识到，古典的、还原论的物理学范式，确实能展现简单的美，但是解释物理现象，并不一定需要拆分到更小的系统，不同的层次有不同的规律。
这种小尺度和大尺度的关系，还出现在微观和宏观的对比上。今年诺贝尔物理学奖的另外一半，颁发给了意大利物理学家Parisi，以表彰他为自旋玻璃理论作出的贡献。
自旋玻璃是一种由微观原子自旋组成的宏观的材料，比如非磁性金属与少量磁性原子混合的合金，同时它也是典型的无序材料。
对于普通的磁性材料，温度升高时，原子的热运动变强并带来无序，磁性原子的指向会随机分布。温度降低时，原子之间的相互作用能使它们全部指向相同的方向，微观上整齐排列非常有序，从而使材料产生宏观的磁性。就好比水在沸腾时状态非常混乱，但是降温结冰之后，形状却很整齐。
然而对于自旋玻璃，它独特的原子之间的相互作用使得在降温时，原子自旋的方向无法完成从无序到有序的过渡，每个原子都随机地冻结在某个方向上，保持了无序的状态。我们称它为“玻璃”，也是因为日常生活中的窗户玻璃，就是由无序的原子排列构成的。
更复杂的情况是，即使我们从同样的初始状态出发，开始同样的降温过程，自旋玻璃每次都会冻结在不同的最终状态下。就好像捏一块橡皮泥，每次捏出来的形状都不尽相同。
复杂系统总会伴随着一些有序的演生现象，并且这些现象无法被小系统的运动规律所描述，无序和有序可以同时存在于同一个复杂系统的不同尺度中。
自旋玻璃的难点在于，即使这些自旋仅仅由很简单的理论支配，它们互相之间的关系也只有特别简单的规则，但当大量的自旋放在一起组成的宏观材料，却产生各种奇异的特性，我们无法通过计算单个自旋的演化公式来预测自旋玻璃这个整体最终冻结在哪种状态下。
Parisi的重大突破在于他发明了副本技巧（Replica Method）和逐级分类方法，让我们能真正计算这个复杂体系，并且理解它。
利用副本技巧，我们计算复杂系统时，并不单单考虑一种微观状态，而是考虑许多这样相同的系统，它们有可能处于不同的微观状态。这种方法乍一看好像把问题变得更复杂了，但它却让计算变得更简单了。基于这些大量的副本，我们能看到它们之间的相似性，并进行逐级分类。实际上这相当于在一个更大的尺度上，找到了它的规律。
自旋玻璃也是一种高度抽象的模型，可以用它来描述各种尺度的复杂系统。Parisi还研究过椋鸟飞行的集体行为。天空中的鸟群，“一会儿排成一字形，一会儿排成人字形”，经常出现各种各样有序的运动行为。这些鸟群中并没有领头发号施令，传递指挥。但每个鸟都遵从一些简单的规则，比如和身边其他鸟保持1米的距离。可就是这样简单的规则，能演生出鸟群的各种复杂集体运动。
当下热门的神经网络算法也是如此，每个神经元只需要完成特别简单的操作，整个神经网络就能创造出复杂的人工智能。
复杂系统本身并没有一个明确的定义，但他们都有一些共同的特点。他们是由许多小的单元组成，但是这些小单元并不一定需要完全相同。
自旋玻璃中，合金中的原子可以混合各类杂质。地球气候，也是由无数混乱的小系统组成。与此同时，复杂系统总会伴随着一些有序的演生现象，并且这些现象无法被小系统的运动规律所描述，无序和有序可以同时存在于同一个复杂系统的不同尺度中。相互作用在复杂系统中也通常扮演着特别重要的角色。
复杂系统存在于宇宙和社会的各个角落，种群的演化、金融市场、神经网络都是复杂系统，个体的简单行为能演生出无数复杂的现象。Parisi发明的方法，虽然最开始是为了研究材料的性质，但现在已经应用于各个领域，并产生深远了的影响。
More is different多则异：新物理的世界观
对复杂系统的研究，逐渐使人们脱离了从还原论的视角看物质世界。古典的物理学把物质分成越来越小的组成单元，原子分成质子，质子分成夸克，并认为理解了这些组成单元，就算解释了物理现象。
为了更准确的描述物理现象，我们需要脱离古典的范式，拥抱新物理的世界观。
然而，物理学家对复杂系统的研究表明，物理系统的现象早就超越了微观公式能描述的范围。用微观可以解释宏观，物理世界能还原到基本定律，但我们不能从这些基本单元出发重构宇宙，也没有能力进行预测。为了更准确的描述物理现象，我们需要脱离古典的范式，拥抱新物理的世界观。
这种新的世界观，就是演生论。
在鸟群中的每一只鸟，都有着不同的肌肉和力量，对于它们的计算，物理学家无能为力。但当我们放弃站在还原论的角度去关注鸟的个体，转而关注鸟于鸟之间的关系，这种关系才是能演生出不同集体运动的本质。而因为有了不同层次的关系，复杂系统能在每一个尺度都构建出崭新的现象。大气粒子之间的相互影响，构建出了天气的混沌模型，天气却在气候这个更大的尺度上，又展现出来可以捕捉的规律。演生论在复杂系统中能作出更准确的预测，这也告诉我们，演生论并不只是换一种角度解释世界，而是一种更合适的，描述世界的观念。
基于演生论，当代物理学研究正尝试更近一步，试图创造一个演生的底层的模型。在这样的模型中我们测量出的最小的物质单元，只是它与其他物体的关系。各种各样的关系能演生出夸克、电子，以及基本的电磁相互作用，强、弱相互作用。在这种模型下，我们并不追求一个统一的公式来描述不同尺度的物理，但是我们找到的关系却有可能是普适的。物理学正在经历一场新的范式革命，这也是本次诺奖带给我们的思考。