如吾所识的世界——从还原论说起
2008-10-06
原子们做了一场梦，于是如吾所识的世界就这样成了。
一
对于许多人来说，认识世界的本来面貌也许是一件很有趣事情。而且，我觉得这种趣味在每个人的童年时代都是很强烈的，只是随着年岁的增长，一切慢慢的司空见惯了，这种好奇心也就渐渐被漠然取代。这种满足求知欲的快乐原本每个人在童年的时候都有过的，但是少有人能把它继续下去。
可是，依然有些人把这种探索未知世界的兴趣保留下来了，比如说那些物理学家，化学家，生物学家，一些哲学家，以及艺术家和诗人，等等。他们每每发现自己对这个世界多知道了一点点时，就会体会到一种本能的快乐。他们就像是个孩子，拿到了新奇的玩具，然后他会陶醉在那种简单的快乐之中。也许这个世界就是这么一件新奇的玩具，而那种探索这个世界奥秘的冲动和快乐就是这么简单的本能。
可是，这个世界究竟是什么样子？这是从古希腊的泰勒斯开始一直延续下来的一种近乎白日梦的思考，不同历史不同领域的人常常给出不同的见解，但却总也找不到最终的答案。然而就是在这样的白日梦一样的思索中，人类构建起来了今天的知识基础和文明大厦。温伯格，这位1979年度诺贝尔物理学奖得主，在这本通俗读物中，就给我们讲述了这样一个梦，一个关于还原论的宗教徒般虔诚的梦。
二
泰勒斯之所以被后人记得，是因为他是史上第一个用这个自然本身而非神灵来解释这个世界的开拓者。也就是说，他第一个发现了理性的力量。而后的留基伯和德谟克利特提出，世间万物都是由不可分割的物质即原子组成。虽然这仅仅是一种哲学的推测，并不能成为一种科学的理论，但这种早期的原子论却为我们解释这个世界提供了一种可能。
而我觉得更为重要的是，德谟克利特给我们提供了一种还原论的方法，可以说，正是在还原论的基础上，两千多年后，我们有了牛顿的力学世界（也许还应该尤其提到培根）。而后的麦克斯韦电磁场理论、热力学理论、统计力学、相对论、乃至量子力学（尽管有人对此存有不同意见，限于篇幅，我不在此细述）更是沿着还原论的路途立下的一个个里程碑。那些种种复杂的瞬息万变的大千世界，似乎总是可以最终归结为几个简洁优美的数学方程式。
对于这点似乎有点奇怪：为什么上帝会遵循物理定律的数学公式运作这个世界呢？为什么复杂的世界可以归结为几个简约的公式呢？这点的确很奇妙。爱因斯坦就曾感叹：“这个世界唯一不可理解的是，它竟然是可以理解的。”这当然不是一个简单的绕口令，后面一个“理解”的准确含义，我想应该是这个世界居然可以用我们发现或者发明的数学物理来描述的意思。
对于这点，我觉得可能的解释(或者问题)是：数学公式描述的物理世界原本就是按照数学公式建构起来的。罗素的解释是，物理给出的世界“完全是一个推论出来的世界”。这个推论是建立在我们感官世界的基础上，运用数学和逻辑建立的外在世界。所以，自然这个世界会按照数学的定理行事。可是这样又会导致另一个问题：我们的科学世界和我们的经验世界，哪一个才是真实？也许我们的感觉是真的，而推论出来的世界只是一堆幻象演绎在我们头脑中。或者也可能，那个物理定律描述的世界才是自在之物，而我们的感觉只是这个世界在我们脑中的表象？
这些问题我觉得人们不可能得到一致承认的答案，因为这两种观点都既不能被证明也不能被否证。按照波普尔的观点，我认为这些都不是科学问题。那么我们继续谈论还原论好了。
三
过去人们一直承认，还原论是与现代科学实证主义精神相一致的。可是在面临一些更为复杂的现象时，人们的思想发生了分歧。人们发现很难运用还原论来解决那些相当复杂的系统，比如说生物现象，凝聚态物理，或者社会学、经济学等等。于是，很多与还原论对立的理论应运而生。
一个多月前，中科院理论物理所的于渌院士来到我们学校做了一个报告《呈展现象》，讨论的主要问题是凝聚态物理中的临界现象，由此阐述于渌院士的观念——呈展论（Emergence，通常译作“层展”、“突现”，于渌院士译作呈展）。
自从哲学家鲍尔·奥本海默发表《作为工作假说的科学统一》之后，还原论与反还原论的战争就从未停歇了。奥本海默认为，“所谓科学统一就是：‘所有科学词项都还原为一门科学（例如物理学）的词语’‘所有科学的规律都还原为某一门科学的规律’，前者叫做语言统一，后者叫做规律统一……科学统一的主要理由异常简单，就是：不存在着特殊的科学，这里所谓特殊的科学指的是它的基本概念不与任一门其他科学相联系，相依存。”
其后物理学家安德森的《多了就不一样》反驳：“将万事万物还原成简单的基本规律，并不蕴含着从这些规律出发重建宇宙的能力……面对尺度与复杂性的双重困难，重建论的假定就崩溃了。不能依据少数粒子的性质作简单外推来解释由大量粒子构成的复杂集聚体的行为。正好相反，在复杂性的每一个层次会呈现全新的性质，为理解这些新行为所需要作的研究，就其基础性而言，与其他研究相比毫不逊色。”安德森的这个思想深深的影响了其后的凝聚态物理学家。
于渌院士显得也是站在安德森的立场之列。他说：
“仔细想想，为什么10的20次方个水分子，单个水分子结构不变、相互作用不变，会‘集体地’、‘不约而同地’从一个相‘变’到另一个相呢？‘新相’在‘老相’中又如何‘孕育’、‘形成’，如何‘呈展’？”
“我们能按古希腊人的理想把一切复杂的系统分解成最基本的单元，了解这些单元的行为，但对于复杂系统本身却一无所知！”
对于渌院士这些观点，我并不认同。于渌院士的说法其实是一种普遍流行的误解。
协同论的奠基人哈肯，就举过类似的例子来嘲讽还原论。哈肯说，当一个孩子希望了解一个汽车行驶的秘密，于是汽车拆了，汽车变成了方向盘、车轱辘和一堆齿轮，然而这个孩子并不能再这堆零件中找到汽车行进的秘密！
哈肯给我们讲述的这个故事里面，那个可怜的孩子的确很可能会面对一堆零零碎碎的玩意困惑，然后悲哀的说：“不，汽车行驶的秘密看来是没法从更细致的方面去理解了，我只应该相信，因为它是汽车，所以它能跑。至于为什么会跑，没有人可能知道。”不过这里还有另外一种可能，就是我猜想那个孩子如果足够聪明的话，也许会这么说：“是的，一堆汽车零件当然是不能行驶的，但是汽车却实实在在的是由这么一堆零件组成的，这里面一定藏着奥秘，只是我还没有掌握足够的知识来认识他们！但是我相信汽车能跑这件事情一定是可以更深刻的理解的，而不是仅仅满足于爸爸的权威:‘因为这些组装在一起的零件被命名为汽车，所以他能跑！’”
很显然，在这个汽车的例子里，哈肯恰恰没有达到他本来要表达的效果，因为我们都知道，汽车能跑其实对于20世纪的科学来说实在是没有什么秘密可言。组装在一起的零件之所以能跑，仅仅依靠经典力学和电磁学就可以解释了。当然，我们也可以用汽车工程的专业词汇来解释，但是这些都是建立在经典力学之上的应用的技术，是可以还原为物理学的。
我觉得还原论的思想只是研究问题的一种信念：这些复杂现象的背后一定有更基本的原理（或称基本假设）在起作用（而且这样的原理，应该是尽可能少的）。
但是许多人似乎根本就没有弄明白还原论者到底是什么意思然后就大家讨伐了。
这就好像哈肯的例子在告诉人们：“嘿，还原论要干的事情只是让一堆拆散的汽车零件不组装就能跑，这简直是做梦！”而事实上，还原论从来就没有说过那些被拆散的零件躺着地上就可以载客奔跑，还原论只是在讨论，这个汽车是可以拆开的，并且应该是这样拆（同样也应该这样组装，这是个逆过程）。而正是因为我们明白了它的各个组件怎样运作，我们才更可以理解为什么那些零件装在一起就可以跑。并且，额外的收获是，我们精通了汽车组装的原理，就可能用另外一堆齿轮去组装一辆坦克。
爱因斯坦曾说：“物理学家的无上考验在于达到那些普适性的基本规律，再从它演绎出宇宙。”这里，后半句话才是关键。还原论要寻找的不是那些“零件”，而是零件组装的“方法”。
那些指责还原论是要从一个个孤立的原子里面找出相变原因的说法，和哈肯那个例子一样是一种不负责任或者是一种误读和误解。所以，物理学家温伯格颇有些无奈的辩解说，粒子物理学之所以更可能接近“基本理论”，不是因为万物是由粒子组成的，而是因为在这个领域里更可能表现出那个“基本理论”来，或者，在基本粒子的领域里，那些本质的原理会更加裸露。
同样，对于于渌院士的质疑，还原论并没有要把一滴水割裂为一个个彼此无关的原子来研究而否认水分子是在一个个其他水分子的环境中，受到其它分子的关联效应。他们只是觉得，从集体效应唯象出发给出的理论，也许还不是最基本的理论，或者太复杂了，不够简洁，不够美。
费曼曾经说过这样的话（引自格雷克《费曼传》）：
“到底,这个世界的全景是什么? 假如,来了一次大洪水, 所有的科学知识都被摧毁了, 只有一个句子可以传给下一代生物,什么样的句子可以用最少的字表达最多的信息? 我相信就是原子假说所讲的, 所有东西都是原子构成的----小小的粒子不断在动来动去, 分开一点点的时候会互相吸引, 可是硬挤到一块的时候, 又会互相排斥。 在这一个单句里, 只要运用一点想象力和思考, 你就可以看得出来, 里面蕴藏了这个世界里无穷得信息。”
费曼尽管反对哲学，但显然他是相信这个世界在还原论意义上的简洁性的。在他的眼里，原子假说不是把事情简化的结果，而是通向了解繁复现象的坦途。
四
其实我觉得有一些思想问题的争论，很多时候只是在名词定义上理解的不同而引起的，纯粹可以归结为语义学问题来解决。其实事实摆在那里，谁都看得见，或许想法实质上也差不多，只是表达的时候不是很精确，于是彼此的争端就出现了。比如说今天的还原论与整体论，其实大部分观点都是交叉的重叠的，不一致的问题并不像表现出的那么严重。而彼此曲解对方的意思，来获得名义上的胜利，本身是毫无意义的。而且我觉得这一点，似乎在中国的学术界尤其明显，可能是因为我们的意识形态以往过分强调“斗争”了吧？
五
相反，有些时候，我又不恰当的把一些可以商榷的问题规定为真理，是不容质疑的。而事实上，怀疑永远都是科学的最重要精神。玻恩在总结全部思想史的历史教训时曾经深刻指出：“相信只有一种真理而且自己掌握着这个真理，这是世界上一切罪恶的最深刻的根源。”
（……此处删去很恶心的200字，以下批驳一些庸俗观点……）
比如，物质世界的层次性理论，认为每一层次都有其自己的基本规律，是不能由低层次推出的（这实际上回到了于渌院士所说的呈展现象问题的讨论了）。这本身是一种反还原论倾向。事实上，尽管还原论在今天遇到了复杂系统的难题，但是历史上许多理论的进步和并合已经告诉我们，并不是所以层次的理论都是基本的。比如量子力学可以解释化学，化学可以解释分子生物学，等等。一种理论只可能被证明是不基本的，而不可能被证明是基本的，因为我们永远都有可能发现一个更基本的理论。所以，基本原理只能等于基本假设，而无论是从经济的原则上还是从可移植性考虑，基本假设都不该很多。层次之间并没有物理定律的本质的区别，他们只是表象不一样而已。
再比如，所谓的“运动是绝对的”是什么概念？简单阐述一下：
我们的世界当然是在运动的，可是，当我们谈论运动的时候，很自然的已经选择了一个参考系，或者更简单的说，需要一个参照物，而不管这个参照物究竟是什么，不管我们谈论的是接近绝对零度时原子的振动还是宇宙的膨胀，我们都已经选择了某个参考系。
那么，“绝对运动”的概念，究竟怎么理解？
我只能说，绝对运动是牛顿绝对时空里的概念，相对于“绝对空间”或者“以太”的运动，是一个谬误。
可以假象，如果宇宙只有一个基本粒子（这里理想假设这个粒子没有内部解构），那么它是否可能运动呢？不！它的周围只有虚空，此时它的运动没有意义的。你不能告诉我：“不，我就认为它的确在动！”
因此，“绝对运动”不可能是一个客观实在的概念，无论谈论什么客观物体的运动，都有只能是相对运动。至于它是否可以作为一个纯粹哲学里的概念存在，我并没有兴趣去讨论。
六
还有很多问题没有展开，但是没有太多篇幅可以说了。就此结束吧。
最后，我引用物理学家费曼一句颇有些诗意的话作为结束语——
“大自然只用最长的线来编织它的图案，所以每一小片布块都可以展露出整幅织锦的组构方式。”
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旧货，写于2007年12月
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