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“万物是由原子构成的”，这个知识点在当代，几乎尽人皆知。但为了证明这个结论，人类花了两千多年时间。万物是由原子构成的，它其实揭示了两个道理。第一个道理是“万”与“一”的关系：无论“万物”如何千变万化，它们都是有基本构成单元的，那就是原子，即复杂的事物由简单的事物构成的。第二个道理则是“大”与“小”的关系：万物的概念包含有万有，自然可以有无比巨大的事物，如天体星系。原子则又是无比微小的事物。所以“万物是由原子构成的”，其实也是在说，大的东西都可以拆分成更小的东西。

这种“大东西由小东西构成，复杂的东西由简单的东西构成，最基本的构成单元应当只有一种”的思想，在哲学上有一个更广为人知的名字：还原论（reductionism）。

还原论的哲学理念认为，整体的性质可以通过了解其组分的个体性质，以及组分个体之间的作用关系完全得出。还原论的思想贯穿了人类对自然、宇宙规律以及基础物理学的研究两千多年，一直到今天，它依然是现代粒子物理最为核心的理念，甚至可以说是信念。的确，在这两千多年探索的道路上，秉承还原论的哲学理念，人类在基础物理的研究道路上攻城略地，获得了极其璀璨的成就。它带来的科研成果惠及人类生活的方方面面。无怪乎费曼选择留给后世的一句话遗言是：万物是由原子构成的。还原论的哲学理念实在太成功了。

追随还原论的理念，我们发现不同元素之所以拥有不同性质，是因为拥有不同的原子核，不同原子核的质量各不相同，带电量也各不相同，对应核外电子数量不同，电子分布的轨道也各不相同，正是不同的电子分布轨道导致了不同的化学性质。但问题依然存在，原子之间化学性质不同，是因为原子核不同，而原子核之间又为何不同？还原论告诉我们：一定是有更小的构成单元形成了不同的原子核。元素周期表上的元素序号其实是不同元素原子的原子核带电的数量。那么组成原子核的、更小的单位，应当带有单位为1的正电荷，这恰恰便是质子（proton），而质子也是卢瑟福在实验室中发现的。如果所有原子核中只有质子，而没有中子，我们的还原论基本可以算大功告成了：“构成万物的基本单元找到了！那就是质子！”然而事与愿违，查德威克又在1932年发现了中子。现在构成原子更为基本的单元至少有了三种：电子、质子和中子。然而“祸不单行”，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）在1928年的时候即提出了反粒子的概念。在试图把爱因斯坦的狭义相对论融入量子力学的时候，狄拉克惊奇地发现，每一种基本粒子都应该存在与其对应的反粒子，这些反粒子的量子性质与原本的粒子相反。例如电子的反粒子叫正电子（positron），也译成阳电子。顾名思义，正电子的电荷是正的，但电量、质量、自旋等种种性质皆与电子相同。而正电子也在1932年被意外地发现了，从而证实了反粒子概念的正确性。

物理学家们致力于寻找构成万物的基本单元，结果越找越多，所以还原论的信念是错的吗？至少在当年的盖尔曼看来，还不至于此。这些基本粒子应当更有基本的构成单元，于是盖尔曼提出了著名的“夸克（quark）”理论。实际上，启发盖尔曼想到夸克模型的依据并不复杂，基本上是个“鸡兔同笼”问题。

我们在学习物理学的过程中，一定学到过很多知识点，像阿基米德原理、牛顿定律、动能定理、麦克斯韦方程、左手定则。为什么它们明明都是一些物理学的结论，却要用不同的名字呢？原理、定律、定理、方程、定则又有什么区别？其实这里面是有讲究的。基本上按照贴近事物规律本质的程度来说：原理比定律接近本质，定律比定理接近本质，定理比方程接近本质，方程又比定则接近本质。

在所有的这些物理学的知识当中，物理学原理无疑是最接近事物本质的，我们无法解释这些原理为何如此，它们单纯是我们通过实验总结出来的、自然界的底层规律。物理学原理也是我们进行演绎推理的起点，就好比数学中的公理一般。而当我们秉承还原论，认为复杂的系统由简单的系统组成，不断地去寻找万事万物的基本构成单元时，我们会习惯性地、不假思索地认为，只有那些微观世界的规律、原理是更为基本、更为底层、更为坚实的：宏观世界的物理规律，甚至是宏观世界的物理原理，即便它们是原理，也似乎只有暂时性的原理，还原论的信念会让我们认为，总有一天我们会用微观世界的原理，把宏观世界的规律统统解释清楚。

但事实果真如此吗？著名的物理学家，也是凝聚态物理领域的泰斗，菲利普·安德森（Philip Anderson），曾于1972年在著名的学术期刊《科学》（Science）上发表了一篇著名的评论文章《多，即不同》（More is different）。

在这篇文章中，安德森给出了一些评论。通常我们会认为，大的东西由小的东西组成，复杂的东西由简单的东西组成，那我们会不会下意识地认为，研究更为宏观系统的学科，无非是对研究更为微观系统的学科的应用？固体物理是否只是“应用粒子物理”？生物学是否只是“应用化学”？而心理学又是否只是“应用生物学”？安德森的答案是否定的。“多，即不同”的理念，用我们更熟悉的一句话概括，其实就是“量变，引起质变”。

热力学第二定律适用的系统是满足统计规律的系统，满足统计规律的意思，就是系统中存在数量众多的微观组分。例如，一团处在热稳态的气体，其中的气体分子固然是数量众多的，从微观上，每个气体分子都可以用量子力学对其描述，但是量子力学规律，即便在数量很多的情况下，量子力学的规律并不能推导出热力学第二定律。而热力学第二定律又如此坚实，放之四海而皆准，目前从未出现过违反热力学第二定律的物理现象。把一团冷空气和热空气靠近，但并不让两团空气相接触，中间只以不透气的薄膜隔开，最终二者会达到统一的温度。热量是如何从热空气传递给冷空气的呢？是因为相互作用。

即便是不同组分之间的相互作用，也是源自组分与环境之间的相互作用。这些不同秩序中，有些秩序可以用还原论解释，例如半导体（能带理论）、玻色—爱因斯坦凝聚，有些则完全无法用还原论解释，例如分数量子霍尔效应、拓扑序，还有一些可以部分用还原论解释，例如超导体。而那些拥有极强鲁棒性的系统，往往是无法用还原论解释的那些系统。这种无法用还原论解释的物质系统中的秩序，更令我们着迷的，它对应了一种秩序诞生的过程：涌现（emergence）。

什么是涌现？如果一个系统拥有某种性质，而这种性质并不存在于它的组分身上，这种性质便是一种涌现出来的性质。我们人类，作为生命体，组成我们生命体的组分是我们身上的各种细胞，而如果把细胞作为一个整体，组成细胞的无非是各种化学分子，化学分子拥有化学性质，但化学性质并无法解释生命现象。生命究竟是如何诞生的？热力学第二定律摆在那里，封闭系统的熵只会不断增大，系统会逐渐丧失，而生命作为一种高度秩序性的存在，又为何诞生呢？为了解释这个问题，前辈科学家前赴后继，甚至不少人最终转向了神创论，即生命这种高度秩序性的存在，只能来自超自然力量的创造。但非平衡热力学系统的涌现现象，似乎可以把我们从神创论的桎梏中解脱出来。

本书的书名是《宇宙的另一种真相》，但直到现在，我们都未曾谈到宇宙。其实宇宙的“另一种”真相，强调的是反还原论的哲学观，有别于传统、还原论的哲学观，强调的是“多，即不同”，强调的是“涌现”作为一种物理现象，它也可以作为一种“万物存在”的原理。还原论的哲学观，关注的是万事万物的基本构成单元，认为哪怕宇宙尺度的、宏观的物理规律，也应当由微观的规律构筑出来。这也是为什么宇宙学的研究，无时无刻不包含着量子物理、粒子物理甚至是弦论这样描述微观世界的基础理论。既然凝聚态物理的方法论、反还原论的思想以及涌现的物理现象，也是我们所主张的、对我们这个宇宙最基础的认知方式，那这套认知，是否也可以被应用到对天体宇宙的研究之上呢？