大概在三年前,我开始找自己博士论文的题目,读了很多文献,但提出的题目总是通过不了,当时我极其茫然,但就是搞不清问题何在。后来一位导师跟我说,我们社科选题,其实很简单,任何问题你都可以研究,但这里面有个基本原则就是,没有争议,或争议不大的话题不要研究,因为这种形成共识的东西,是做不出新的贡献的,换言之,要选题目,你就要选有争议,或能颠覆的东西。
后来通过阅读和研究,我发现有一个领域确实对我过去的本能认知是非常颠覆的,就是假货。我们每年都举办315晚会,保护消费者权益,因此,我们从本能上认为假货是不好的,是要打击的。但实际呢?其实假货大致可以分成两种,欺诈假货,和非欺诈假货,欺诈指的是消费者不知道物品真假,然后购买,例如假药假酒。非欺诈指消费者知道物品真假,依然购买,例如淘宝上200元的AJ篮球鞋。
这里省略变量选择和统计统计分析的过程,直接说结果,结果便是,例如在非欺诈假货这个范畴内,假货的存在其实有利于真货品牌持有人,因为假货扩大了品牌影响,培养了潜在消费群体,而且最重要的是,假货的消费者和真货的消费者其实不重叠。
这个领域很大,而且确实有很多低垂的果子。
某官员和某幕僚聊天,说某某家公子败家。
幕僚表示,这是好事。
如果该公子哥不败家,那家的财富就无法回到民间。
某人赈灾,先往米粥里撒点土。
旁人不解,这人解释到,这样做可以避免不是饿极的人来混饭。
算不上颠覆。但是确实极大地冲击了整个物理学体系甚至其它学科,这就是重正化群(renormalization group), 发现者是wilson. 他凭借这个发现获得了诺贝尔奖,但是今天知道他的人却不太多。重正化群拯救了凝聚态物理,拯救了量子场论。揭示了为什么不同的体系在发生相变时拥有相同的参数,这种参数被命名为universality. 重正化群表明,我们身处的这个世界是分不同层次的,微观结构决定了宏观,但是无法决定过于宏观的东西。许多我们习以为常的宏观现象其实只是系统的复杂度大到一定程度时自发涌现的,是emergent。所谓涌现是因为人类无法掌握并理解全部细节,因此意识选择将一些元素归纳到一起以便于理解。
由此我们开始怀疑并探索周围的一切。人类的六种感觉都是电磁相互作用涌现出来的,包括 色,声,香,味,触,法。负责归纳总结他们的器官是眼,耳,鼻,舌,身,意。但人们很快又发现,涌现出来的东西远远不止这些,还有色,受,想,行,识,这叫做五蕴。再往后,人们开始怀疑引力甚至时间和空间都不是真的。这就是熵引力,全息原理,ADS/CFT对偶等理论被提出的原因。
如果一个人可以做到意识并看破周围的一切涌现现象,这个人就叫做悟道。这就叫:“凡所有相,皆是虚妄;若见诸相非相,即见如来。”
1. More is different.
出自1972年的Science,凝聚态之父Anderson的这句话在物理学界实在是过于出名以至于我甚至很难找到一个合适的翻译。其原文可以看
一个最直观的例子就是三体问题,三体系统可以轻松地用经典牛顿力学写出所有的动力学方程,但是非线性动力学系统的混沌(chaotic)特性决定了整个系统的运动方程永远无法被精确的给出,即便是数值解仍然会面临发散的问题。
这其实从根本上打击了传统物理学界一直信仰的还原论(reductionism),大部分人包括很多物理学家一直相信通过研究理解基本粒子的运动规律就可以解释从分子运动到化学合成到生物进化的一切现象。
但这个简单粗暴的想法是不正确的,我们不可能通过一组基本的物理法则推导出世界运行的全部规律。正如程序员不可能通过理解基本的函数和指针概念推导出淘宝的分布式数据库架构。单个粒子的运动是简单的,但是多体系统中每多一个粒子都可能完全改变系统的性质,这就是三体问题中可见的量变到质变,以及More is different的含义。
我一直觉得这句话本身过于抽象,更直白的表述可能是
Complexity emerges from simple rules. 复杂性涌现于简单的规则
这句话来自于复杂系统(Complex System)科学,可能也是现实最真实的写照。
我们的世界是分层的,在不同的复杂性(complexity)尺度上具有完全不同的规律。量子力学和电动力学支配了原子和小规模分子的运动规律,而简单分子是化学的基础,并进一步衍生出了复杂大和有机分子的反应,大分子和有机分子最终成为了生命的基础。每一层复杂性都是在底层的基础上进一步抽象(abstraction)和封装,如同程序员需要一步步构建变量,函数,类,库最终完成整个复杂软件系统的架构(architecture)。或者如同工程师需要从材料,结构,到采光,供水,供电,功能子系统最后成型内饰,一层层完成对建筑的建造。但每一层所需要的知识,经验,和系统的规律都是基于底层的更简单规律,但却产生了与底层规律完全不同的新的运动形式,这就是复杂性涌现(emerge)的过程。我们的世界来源于基础规则,但是基础规则并不能解释一切,站在学术鄙视链顶端的粒子物理物理学家并不是万能的,而生物乃至社会科学也绝不trivial。
2. Information is physical. -Landauer 信息是物理的
在大部分人的认知和目前的高等教育体系中,自然科学和信息论/计算机科学通常是没有关系的,EE中从物理底层实现出二极管,完成对最基本逻辑单元(比特,门)的抽象和封装之后,CS就和物理完全无关了。计算机是imperative的,在硬件基础上,我们可以在数字逻辑所至的范围内实现任何想要操作而几乎不受限制。一段代码可以控制登月的飞行器,可以驱动特斯拉的引擎,也可以触发知乎网页上的某个button点击。
数字逻辑的世界是人造的,这给了大部分人一种信息(information)虚无缥缈且并不受自然法则约束的错觉。
但实际上在更加基础的层面上信息是受到物理定律约束的。例如量子信息观测(measurement)后立即损失,无法被复制(non-cloning theorem);信息被擦除后会造成熵增(Landauer principle),因此黑洞会因为吞噬信息而辐射出热量(Hawking entropy,是霍金老爷子最著名的理论之一,RIP),这是信息具有物理效应的最直接的体现之一。量子信息是非局域(non-local)的,因此你可以在赌场里用纠缠量子比特作弊,并且实现比传统测率更高的胜率(看起来Vegas的赌场以后只ban掉数学家是不够的),或者用量子计算机来下围棋(上交-Quantum Go Machine)。
而当结论2与结论1结合时,我们就会得到凝聚态领域近年来最为著名的一句话
即文小刚教授著名的matter=quantum information,即物质来源于量子信息。鉴于他本人已经在知乎了,我觉得大家可以直接去看他在相关领域的回答(当然也是由于我自己并不能看懂...一知半解),就不再班门弄斧了。
另外值得一提的是Simons Fundation搞的 It's from qubit. 项目,其中最有名的大概是时空结构来自于量子纠错码 ,当年第一次在UCSB听到这个idea的时候简直是心灵爆震,惊为天人,(顺带一提这一工作的作者之一也是华人,UCSB的董希教授)即便我对引力方向知之甚少,也能感受到这一见解的深刻和穿透力。这更进一步表明宇宙的基本结构与信息有关。更激进的例如Seth Lloyd直接声称宇宙本身是一台量子计算机,而上帝本人是一个程序员,但这一点跟C++圈子里历来盛行的梗不一样的在于上帝编码的是qubit量子比特。
用文小刚教授演讲的一句话总结就是
空间、物质、相互作用起源于量子信息。
20世纪之前人类一直认为物质和能量是分开的,直到爱因斯坦写了质能方程。而今天我们对信息的和物质世界关系的认知可能一样primitive甚至可笑。但是以上的种种研究已经说明,信息被纳入物理学的架构的进程已经开始,新一轮的范式革命(paradigm revolution)可能正在到来,而这一进程必然会带来对世界认知的颠覆性改变。
无疑是量子力学。
我之所以一直搞物理读到了博士,也是因为遇到了量子力学。进入大学之后,物理专业有门课叫量子力学。在开课之前我就开始读一些量子力学的入门书,尤其在学相对论的时候,已经知道爱因斯坦对量子论中不确定性的反感。
我刚接触到这些概念也是充满着排斥。于是我怀着极大的热情把所有量子力学的书,尤其是量子力学早期实验和理论的著作全部找出来,整天泡在图书馆里面研读。因为当时我的世界观是确定性的,量子力学在我眼里是不可接受的,所以我要从实验和理论中找到其中的错误和漏洞。
读完众多相关的实验,我真切地体会到当时的理论学家困惑有多么强烈。量子力学的种种现象都是对当时所有物理学家思想上的颠覆。
比如,双缝干涉实验,发现电子既是粒子,又有波的特性!
黑体辐射实验,发现光也是一份一份的,有粒子特性!
氢原子光谱,光谱的频率谱线公式规律非常简单,竟然只是依赖于一些正整数!
理论学家也在努力理解这些现象,一些天才的想法不断涌现。
光是一种波,也是一种粒子。任何一种微观粒子,也具有波的特性。
量子理论发展中,矩阵运算被认为可以完美描述量子现象,后来基于概率的波函数又用于表示量子态,后来又被证明这两种数学形式完全等价。任何粒子态都可以用一个波函数来描述,波函数描述了一种概率分布,粒子未被实验观测时处于一种叠加态,实验观测又被看做是对叠加态做了一次投影,让粒子态投影到一个特定的态上。
叠加态是量子力学中最最颠覆的观点,能接受这一点才能去接受量子力学。量子力学的奠基人之一薛定谔,他想出的思想实验,一只处于死与活的叠加态的猫,就包含了他对这种理念的强烈排斥。
如果你不清楚什么是量子力学里的叠加态,可以举一个例子。对于一个系统,如果它处于A态,存在一种观测,会得到特定的结果a;如果它处于B态,得到特定的结果b;如果它处于A态与B态的叠加态,再进行观察时,结果不是处于a与b之间的某个值,而是结果有时是a,有时是b,出现的概率依赖于A与B的相对权重,除此之外而不会出现其他值。
量子力学中出现的叠加,与任何经典理论中出现的叠加有着根本的不同。经典力学,如果你对初始状态和演化规律能非常精确地了解,那么观察结果也是确定的;但量子力学的叠加原理要求观察结果具有不确定性。
这点是最最颠覆我的世界观的理论了。
但物理终究是实验科学。你可以提出很多理论,但只有被实验检验的理论才能留下来。新的实验,就会进一步修正或者加深人们对理论的理解。
牛顿力学被无数实验,乃至天体现象验证,但随着人类观测技术的发展,发现它只是宏观低速情况下更精确的理论的一种近似理论;量子力学同样是量子场论的低能近似。
物理学的美妙也就在这里,新的实验总是让人们对宇宙的原理更加了解。
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