“愛奧尼亞式迷情”破產后

華夢

從古至今，無數的先民及先哲思量這個世界，他們是如何做的呢？美國社會生物學學者愛德華·威爾森曾提煉說，在過去，人們總是假設，世界具有“確定性”“統一性”，即使表象是一個花花世界，但在表象之后，存在可提煉、可描述的明確規則。這被他總結為“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世界的客觀規律，這種規律貫穿了整個世界，使這個世界有了一種“統一性”。

這種“迷情”仿佛先定一般，存在于“思考者”的頭腦中。從古希臘時期開始的世界本原論，到文藝復興時，伽利略統一“地界運動學”與“天體運動學”。再到20世紀，愛因斯坦以相對論重新概括了力學大廈，它們都是這一“迷情”的成果。

直到20世紀下半葉，復雜理論的出現，終于帶來“確定性的終結”。在今年，物理學獎頒給了復雜理論的模型和成果應用，這是一個機會，讓我們理解一個嶄新的“新物理的世界觀”。

“算力失效”和蝴蝶效應

幾百年來，物理學家都遵從著同樣的哲學和品味：“簡單即是美”。

曾經，這一思想下的研究趨勢所向披靡。從牛頓到愛因斯坦，物理學家都在盡可能地簡化，分解物質。通過更精密的儀器，我們能看到物質是原子構成的，而原子又能進一步分解成更加微觀的粒子。

同時，經過數學的不斷發展，我們掌握了支配原子、電子運動的公式，可以精確計算它們的狀態。而為了描述更大、稍微復雜一些的系統，物理學家會嘗試剝離許多無關緊要的細節，通過近似，來捕捉物質的本質。

雖然物理學家把研究對象簡化成了“真空中的球型雞”，但這恰恰是物理學古典美感的來源：我們想找到一個規律，能解釋整個宇宙。

但從20世紀50年代開始，這一趨勢放緩了。物理學家帶著他們手中用來描述單個粒子的公式，野心勃勃地向更加復雜的體系進軍?？蛇@時復雜系統開始產生混沌效應，大家發現，即使這些公式完全是確定性的，并沒有任何隨機元素，理論上我們可以預測它，但實際上就算利用世界上最先進的計算機，也需要花費比宇宙生命還長的計算時間。

另一方面，一個系統的演化方向，和初始狀態息息相關—

如果一個螞蟻一開始面向南方，另外一個螞蟻一開始面向北方，我們會推測它們倆最終會南轅北轍。同時，如果這兩只螞蟻都面向南方，物理學家通過抓住“主要矛盾”和“優雅的近似”，會更傾向于預測它們往相近的方向前進。但當這個系統中存在許多粒子，蝴蝶效應出現了。

簡單來說，即使兩個體系的初始狀態只有微小的差別，在很短一段時間后，兩個系統的演化方向就能呈現出巨大的差別，這就是混沌理論。

在混沌系統中，演化方向對于初始狀態特別敏感，以至于出現了一些完全不切實際的要求：為了能成功預測一場颶風，我們必須要知道在巴西的蝴蝶有沒有扇動翅膀！

但這顯然不是當下的算力能做到的。

不過，對于算力失效問題，還能寄希望于未來的量子計算機能突破經典的算力限制，幫助人們擺脫困境。但是初值敏感問題，就使得物理學家的描述完全失效。

雖然物理學家把研究對象簡化成了“真空中的球型雞”，但這恰恰是物理學古典美感的來源：我們想找到一個規律，能解釋整個宇宙。

這是因為，我們完全理解了復雜系統，因為我們知道支配每一個粒子的運動規律，但我們又完全無法理解復雜系統，因為這些運動規律無法給出任何關于未來的預測。物理學家第一次發現，在小尺度上找到的運動規律，并不能幫助我們描述大尺度上發生的自然現象。

但我們并非毫無辦法。

永遠難以預測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出了規律。看似散漫沒有指揮的鳥群，卻能在天空中變換出各種形狀。物理學到底需要知道多少細節才能描述這些神奇的現象？為了研究大海，我們需要知道每一滴水的狀態嗎？今年兩位諾獎得主，或許給我們提供了不同的思路。

2021年的諾貝爾物理學獎的一半頒發給了日裔美籍科學家真鍋淑郎和德國科學家Klaus Hasselmann以表彰他們建立的氣候模型準確地預測了全球氣候變暖，另外一半頒發給了意大利科學家Giorgio Parisi以表彰他發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和波動的相互作用。復雜系統的研究，從最初的令人毫無頭緒，到最近物理學家發展出了有效的描述模型并獲得諾獎，這段歷程的背后，也代表了物理學世界觀的轉變。

擁抱自然界的復雜性

地球的天氣和氣候，就是一個典型的復雜系統。

短期內的天氣預測是一個混沌系統，手機里關于未來一周的天氣預報好像從來沒準過。但是今年的諾貝爾獎獲得者真鍋淑郎和Klaus Hasselmann，開創性地站在更宏觀的時間尺度上來思考地球氣候，他們的模型，準確預測出了未來十年地球溫度的上升。我們逐漸意識到，古典的、還原論的物理學范式，確實能展現簡單的美，但是解釋物理現象，并不一定需要拆分到更小的系統，不同的層次有不同的規律。

這種小尺度和大尺度的關系，還出現在微觀和宏觀的對比上。今年諾貝爾物理學獎的另外一半，頒發給了意大利物理學家Parisi，以表彰他為自旋玻璃理論作出的貢獻。

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，同時它也是典型的無序材料。