物理學與腦科學裡的「美」與「丑」

前幾個月去聽物理系的凝聚態物理，第一節課，教授在黑板上一字一字鄭重地寫：「物理中的基本定律——美、對稱、簡潔（beautiful，symmetrical，elegant）」；而統計物理和凝聚態物理的基本特徵，則是「醜陋、複雜、混沌（ugly, complex, chaotic）」。

我之前知道，對於理論物理學家，尤其是愛因斯坦和他以後的理論物理學家來說，「簡潔」和「對稱」意味著「真」（當今活著的物理學家里，對這個主題講的最好的人之一當然是楊振寧先生）。畢竟相對論就是以這麼不可思議的方式搞出來的。現在的弦論和超對稱也一直順著這個思路，以至於雖然今天對這些理論根本不可能有實驗上的證實，但我記得一個搞弦論的物理學家說的話，可能依然反映了今日理論物理學家的信念（甚至可以說是信仰），他說弦論和超對稱在數學和理論上太漂亮了，以至於它們不可能不是真的（they』re too beautiful to be not true）。

凝聚態教授接著說，今天物理中「四大力學」，對理論力學和電動力學是沒有任何疑問了，甚至都有公認的基本一致的教學法；量子力學嘛，你要不實在像愛因斯坦一樣那麼往基礎甚至哲學上刨根問底，基本也沒什麼問題。唯獨統計物理，不那麼完善和清楚，有時還顯得醜陋，相比而言依然令物理學家困惑和心煩。很多「有潔癖」的理論物理學家，研究里不願意碰，甚至有的還不怎麼願意教統計物理。至於「凝聚態物理」這個學科，他說，哎呀，連這個名字當初都起的有點混亂和莫名其妙…..

而人腦之謎的答案，是否是像理論物理的基本定律一樣的簡潔和美？乍一看人腦的問題似乎跟凝聚態物理的問題更加類似：一個整體、一個系統，怎麼不僅僅把它看成是其中「元素」的簡單疊加；整體如何大於部分；系統的行為和體現出來的特質，不能簡單地通過簡單的「還原論」和個體層次的物理定律看出來。

今天的理論（計算）神經科學，以理論物理學家的標準，充斥著「醜陋」的數學，即便有些相對的簡單和漂亮，那也大多都只在對神經現象的描述層面（比如早就拿了諾獎的，經典的Hugkin-Huxley Model）， 不說和今天的理論物理里的基本定律，就算和牛頓定律在物理里的地位怕也不能比。不知是不是凝聚態物理學家和理論神經科學有「同病相憐」之感，我見過和聽說過的物理學家轉過來搞神經科學的，屬凝聚態物理學家最多（不過，搞弦論轉行來搞神經的，居然也有不少）。現在的理論神經科學中某些理論猜想，甚至直接搬用凝聚態和統計物理里的方法。

不過有的學者,相信腦科學之最終答案，會比凝聚態物理要漂亮,甚至和物理中的基本定律一樣漂亮和簡潔,雖然他們是極少數。今天「主流」科學中最有名的例子，當屬語言學中喬姆斯基以幾乎五六十年畢生精力，以生成語法發展而來的「最簡方案」，他和其他一些語法學家，明明白白地說，他們現在的語法理論，他們語法中的「最小計算性」（minimal computation），直接借鑒了基本物理定律里簡潔和對稱的原則。而劍走偏鋒又頗有名氣的，寫《集異璧》的侯世達算一個，他對人腦的認知中發現像物理基本定律中一樣的美堅信不疑，雖然幾乎沒有業界人士對他的努力完全認同，他還是在這條路上孤獨地走了近二十年。

喬姆斯基和侯世達的願景我極其佩服和尊重，他們也都是這個時代最好的學者和思想者之一。不過我並不太認同跨越那麼多層級，直接生硬地把物理基本定律的美搬到人腦問題里來的方法（當然我「有資格」去跟人講我認不認同，那是以後的事）。能看到不同的科學問題後面是否可以用相似的數學來描述和發展，也許是種歷代最優秀的理論科學家才有的直覺和眼光，這也是像愛因斯坦、玻爾、海森堡那樣級別的科學家最為人稱道的品質。這學期跟我上一門數學課的C先生講到愛因斯坦時，也如是這般說。老先生今年已過八十，愛因斯坦算是他的老師的老師，他其他兩個導師是香農和維納。他年輕一點時，花了二十年的時間，最終意識到，用在量子力學裡的creation/annihilation operators，可以用在大腦神經網路的數學描述中，以他名字命名的model是歷史上第一個大尺度神經網路的數理模型。他的講課，有時候甚至會把微積分里的基本的數學，和希格斯波色子，還有視覺皮層里的數學上的相似之處一語道破，讓本來就喜歡「融會貫通」的我時不時大呼過癮。不過他也強調，有些時候,數學上的巧合極其重要，而有些巧合就只是巧合而已。於是下面有人問那怎麼看出來什麼是重要而什麼是巧合呢。老先生莞爾一笑，聳了聳肩……

看來，美與不美，也許並不是最重要。相對論很美，托勒密的地心說體系也很美。美可以是真，可以曾經是真，也可以是有誘惑的陷阱。對於最一流的理論科學家，更重要的是獨到的眼光，是vision——用楊振寧先生的話講，是人文和藝術家一般的「個人風格」：崇尚美的狄拉克，「秋水文章不染塵」；而海森堡的研究總是有大膽和新意,但卻「不那麼乾淨」，「有渣子」。他們用截然相反的風格，都做出了最一流的科學。

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