P.W.安德森：貫穿20世紀物理學的兩個論題

Philip W. Anderson

1977年諾貝爾物理學獎獲得者

為20世紀的物理學撰寫一篇哲學意義上的概述是一項相當嚇人的任務。在此我想先談談貫穿本世紀物理學的兩個相關論題。

飛離「常識」

第一個論題是我們的自然觀的完全逆轉，比我們意料到的要更加深入和廣泛。

Maxwell，一個十九世紀物理學家的典範，在討論自己為電磁輻射寫下的方程時，是相當嚴肅地把討論建立在某種『以太』里出現的、能攜帶電磁波的物理實體的基礎上的。在其「奇蹟年」1905年，Einstein發現了以太的物理非現實性，但仍然使用非常實在的、經典的『米尺』和『時鐘』和『觀察者』這樣的辭彙表述他的狹義相對論。在晚年，愛因斯坦在某種意義上信仰直接感知之世界的真實性和首要性，信仰如他，Albert Einstein，所見到的那樣的空間和時間。我將表明，一個物理學「進步的世紀」（1932年芝加哥世界博覽會的主題詞）的結果是，如果一個理論物理學家在1990年代還這樣想的話，那他完全可以不必把自己個人太當回事。

一次又一次地，以許多種且是相當完全結構化了的方式，我們被引導到如下結論：「我們所見的」不是那裡存在的真實。

我認為，歷史上此一革命開始於Rutherford關於有核原子的發現。固體被發現不是均勻地攜帶其質量，而是大部分中空的。這不久就為X射線衍射所證實。但是我們關於世界之認知的偉大扭曲是由量子力學引起的——對大多數物理學家來說這仍是一個精神上需要治癒的錯位。第一個麻煩是人所周知且得到廣泛討論的測量理論以及不確定性原理。但是，儘管不是那麼明顯，同樣重要的是認識到真空是有性質的：如1940年代後期實驗——在一場至今還吸引我們注意力的關於自然的平靜的第二次思維革命中進行的——所驗證的那樣，它充滿漲落，能夠為從其中通過的粒子所感受到。這也許跟測量理論一樣，讓Einstein愛因斯坦在哲學上茫然不知所措: 有性質的真空如何是相對論不變的？凝聚態物理學家，那時叫「干固體的人」，接受了有性質的真空這一思想並開始擺弄它。利用Landau的『元激發』概念以及Heisenberg和Peierls『空穴』概念，固體物質獲得了真空的面目：激發態如同基本粒子那樣傳播，除了它們自身之間的相互作用以外沒有其它的相互作用。我們處理晶格的量子理論時，把晶格本身當作是某種真空。不久，南部，而後又有Goldstone、Ward、Salam和Weinberg，反用此思想，發明了『對稱性破缺』的場論版，即也許存在不僅包含漲落而且可能還包含實在的物理量（這種場合下是量子場）有限平均值這樣的真空。這留給物理真空的場論一個與關於真實真空背後的真實理論完全不同的對稱性。但在我們能夠構造出關於基本粒子和相互作用的成功的「標準模型」之前，一個反直覺的步驟仍然是必要的。這就是量子色動力學非Abel規範的引入，而這又一次使得強相互作用背後的物理同直接的測量完全不同了。當然，從這些巧妙的步驟可得到極大的簡單性和一般性，因為只有一種方程，方程里相互作用和對稱性都是等價的。標準模型的基本前提是所有的相互作用都遵循規範原理。不清楚我們在二十一世紀走向更高能量時是否還會找到物理概念結構的更大變動。現在已經有一種嚴肅的提議了，認為真實的理論不是關於粒子的，而是關於弦的，且沒有明確的統計。

演生作為上帝原理

第二個論題是演生（emergency）的過程實質上是在所有層面上二十世紀物理學結構的關鍵。

這一事實已經被Sylvan Schweber在一篇發表在1993年11月份的《今日物理》(Physics Today)雜誌上的富有洞見的文章加以強調。對稱性破缺，一種演生的性質，包括1970年代Kadanoff，Widom，Fisher和Wilson曾分類整理過的對稱性改變的相變，以及鐵磁性和反鐵磁性的對稱性破缺，還有關鍵的超流（O.Penrose, Onsager和Feynman）與超導（Bardeen-Cooper-Schriffer ,P W Anderson和Gor』kov）的規範對稱性破缺,也是固體（近日稱為『凝聚態』）物理的中心概念，它展示了宏觀尺度上的量子困境。

演生也被逐漸理解為生物界和我們人類的社會世界從物理的背景得以發生的過程。若作為活體物質中演化的複雜性之源泉，十九世紀的『熱寂說』和『活力說』看起來不是對不可避免的生命出現（至少是在地球上）——先是原始形態，而後通過形態發生，隨著複雜程度的增加達致意識、交流、以及演生出社會複雜性——的合適的描述。

二十世紀科學的基本哲學洞見是：我們觀察的任何事物都是從更原始的層級上演生出來的，這裡用的是『emergent』這個詞的精確意思，是指遵從更原始層面的定律，但概念上卻不是來自那個層面的結果。分子生物學不違反化學定律，但它包含了不是（或許不能夠）從那些定律直接推導的思想；核物理學被認為同量子色動力學並無矛盾，但它仍未被還原為量子色動力學，等等。

這一層次結構在上述Schweber的文章中被很好地闡述，該文又廣泛引用了作者早先（1967－71年間）的一篇文章。他的結論，如同我的結論一樣，是指標準模型那樣或者化學鍵的定律等結構在哲學上斷開了還原主義的鏈條，且使得深入探究更深層次的基礎定律對於高層次上的組織變得毫不關聯. Schweber 的文章可看作是對關於超導超級對撞機（SSC）以及其它主導本世紀最後十年的大型科學工程之哲學辯論的貢獻，是對Weinberg的《終極理論之夢》和Lederman的《上帝粒子》的反駁。這兩本書表達了一股對還原主義之重要性和關聯性的強烈信仰。我覺得這看起來有效地表明了在每一個層次上演生這一『上帝原理』，同任何可能的代表在朝向更簡單更抽象的關於亞原子粒子內部動力學規律之還原過程中的猜想里程碑的『上帝粒子』相比，更加充斥我們對宇宙的理解。

提及關於超級超導對撞機的辯論是改變話題轉而檢視物理世界之實用的和社會學的狀態的合適機會，因為這場辯論及其產出看起來成了被新聞界稱為『物理學時代的終結』之事件狀態的符號。

本文由劉四旦節選自(美)布朗(Brown, L.M.)等編、劉寄星等譯《20 世紀物理學(第3 卷)》（北京：科學出版社, 2016.8）一書，「第27章 對二十世紀物理學的省思：散文三篇」中Philip.Anderson撰寫的 《二十世紀物理學的歷史概述》一文，標題為編者所加。全文目錄如下：。

▌導言

▌飛離「常識」

▌演生作為上帝原理

▌前半世紀與第二次世界大戰：物理學的勝利

▌大科學時代

▌『小科學』的繁榮

▌小科學的飽和：榮譽的結束

▌總結性評述

ISBN 978-7-03-047635-7

20 世紀是物理學的世紀, 物理學在20 世紀取得了突破性的進展, 改變了世界以及世界和人們對世界的認識。本書是由英國物理學會、美國物理學會組織發起, 由各個領域的知名學者（有很多是相關領域的奠基者、諾貝爾獎獲得者）執筆撰寫, 系統總結20 世紀物理學進展的宏篇巨著, 其內容涵蓋了物理學各個分支學科和相關的應用領域。全書共分3 卷27 章, 最後一章為3 位物理學大家對20 世紀物理學的綜合思考和對新世紀物理學的展望。本書可供物理學科研工作者、教師、物理學相關專業的研究生、高年級本科生, 以及對物理學感興趣的人員使用。

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