宇宙的另一種真相

今年諾貝爾物理學獎頒獎那陣，看見中科院物理研究所公衆號發了一篇圖文:“2023是阿秒光學，2022是量子信息科學，2021是複雜科學，2020是天體物理，我們認爲凝聚態領域這些年的突破怎麼也論得上獲獎了吧，萬萬沒想到，今年獎項頒給的竟然是神經網絡和機器學習！”不得不說物理就是包括萬象的學科，宇宙萬物是物理學研究的對象，儘管今年諾獎趕了波AI的熱度，但凝聚態領域依然是這門學科比較前沿的方向，即使是近年大熱的AI其發展也與凝聚態領域成果不無關係。 本書名爲宇宙的另一個真相，重點落在題目後五個字，書中引例量子霍爾效應呈現的經典拓撲序以及拓撲絕緣體上呈現的量子自旋霍爾效應，對經典物質相變對應對稱性破缺理論的顛覆尤爲精彩，高中物理我們學過霍爾效應，兩端通電的金屬板外加一個垂直於電流方向的磁場時，磁場中的洛倫茲力使電子移動方向發生偏轉，而偏轉後沉積的電子產生電場進一步會繞動電子移動方向，電荷累積一定程度會產生一個垂直於電流方向的電壓，此時能觀察到，霍爾電阻與磁場強度呈線性關係，而在低溫強磁場環境下，這種線性特徵卻被打破，而是呈現出分段的、離散的量子化特徵，並且這種特徵極具穩定性，它對應着拓撲物態中，在不改變材料拓撲結構的前提下，材料本身呈現的強魯棒性，由此，從普通的霍爾效應突變到量子霍爾效應這一典型的拓撲序，事實上是對朗道相變理論“相變即對稱性的破缺”從根本上的顛覆，相變是可以由更基本的物理機制所驅動的，複雜系統中可以湧現出更爲基本的新秩序。 但這不免讓人疑惑，以往人類的科學研究中，還原論主宰着我們的思想，我們通常會認爲，複雜事物的性質，可以通過研究其微觀組分，以及組分與組分之間的相互作用得出，即我們研究清楚了小的組分，大的整體性質便能瞭然於胸，然而現實物理世界中的物體性質並不是各組分間粗暴的線性疊加，凝聚態物理提供了截然相反的視角，更爲基本的規律和秩序，是可以從複雜系統中湧現出來的，並且這種秩序具有強魯棒性。沿着這條思路往下想，標準模型中的六十一種基本粒子，真的已經是基本到不能再繼續分割的最小單元了嗎？它們完全可以是從人類目前無法觸及的能量尺度上從更爲複雜的系統中湧現出來的，或許我們改變粒子對撞機大力出奇跡的方式，轉而通過嘗試構建複雜系統也可以找出那些尚未被發現的粒子，反還原論的思想不失爲宇宙的另一個真相。 細想來，嶄新的規律和秩序能夠從複雜系統中湧現出來，究其原因是系統中組分的複雜相互作用，如今的人工智能算法正是受此啓發，拋棄過往自上而下的架構設計和預設的子問題代碼實現，轉而在算力提升和海量未標註的訓練數據基礎上，仿照人腦神經網絡集羣相互作用，讓AI自發生成問題的解決思路。人類大腦就是一個複雜系統，系統中新皮質有着不同的功能分區，分區中有着多層嵌套的組織結構，結構中有着數量龐雜的神經元集羣，在集羣中我們單獨研究其中某一網絡中的節點，它們是不具備腦分區的功能和性質的，但這網絡中節點與節點的電信號交互，卻強大到讓思維這一神奇物質湧現出來，湧現現象可謂是宇宙中的奇觀。 書中多次提到“more，is different”，但這句話不單是指系統中的變量和參數衆多，更多的指相互作用的繁多。物理和數學是一對父子，數學定理的誕生通常是在理想化的條件下，排除多餘變量的干擾，通過基本的公理一步步演繹推導得來，典例如縝密的歐式幾何，在五條基本公設基礎上，推演出衆多的揭示平面圖形關係的衆多定理，因此數學是簡潔優美的，是還原論的，是1+1=2的，是抽象簡化的，但現實往往是複雜多變的，我們找不出零緯的點，找不出只有長度沒有厚度的線，也找不出只有面積不佔空間的面，我們在排除干擾因素的同時也不免造成整體上的信息失真，而湧現恰巧就是作用在龐雜數據量之間的交互上，我們的公式定理在其所適用的領域屢試不爽，在研究複雜系統時卻會失靈，三體問題，湍流問題，它們對初始參數高度敏感，是非線性的，因此前後計算結果會呈現出天差地別，這無疑是對過往還原論思想主宰我們探索宇宙過程上的重大沖擊。 本書末尾，作者講了一個農場主請教物理學家雞爲什麼不生蛋了的笑話，物理學家思考再三後說，我找到了治病的良方，但方法只對真空中的球形雞有效，讓人忍俊不禁的同時也讓我對因果律的認識更上層樓，休謨說:因果律是人類基於過往經驗的一廂情願。維特根斯坦說，邏輯是基於語言之上流淌的，有了自然語言，纔有邏輯流淌的可能性。歸納法和演繹法讓我們較之矇昧時代更靠近了宇宙的真相，讓我們對事物的本質有了更清楚的認知，但我們不得不承認的是，基於簡化後的問題得出的簡潔定律定理，仍然只是解釋事物本質的一種近似，科學終歸也是信仰的一種。 回到今年AI獲諾獎的新聞上，現如今AI算法模型的進化日新月異，程序員甚至都不清楚算法執行了什麼具體操作便得到了計算結果，AI只是吞吐信息，成了邏輯上的黑箱，我們不清楚推送到我們手中的短視頻，歌曲和商品經過了怎樣的具體路徑，但我想說未來足夠誘惑，終極智能誕生的腳步聲越來越近，當一件事對全人類都能有飛躍式提升時，有恐慌的聲音在所避免，但一個放在封閉空間內的盒子終究是會被打開的，儘管它只是暫時放在桌底角，但它終會被打開的，無論桌上的人正忙着喫飯或是打麻將，至於人類能否應對未來所帶來的挑戰，至少我並不悲觀。

《宇宙的另一種真相》是關於凝聚態物理學的科普作品，也是對已故的張首晟教授的致敬。張首晟在凝聚態物理學領域，特別是在拓撲絕緣體的研究上有着卓越成就。本書的作者有科普作家嚴伯鈞，也有張首晟的家人和學生等。 宇宙的一種真相是還原論。還原論是一種哲學思想，它的簡單表述就是：大東西由小東西構成，複雜的東西由簡單的東西構成，最基本的構成單元應當只有一種。還原論的哲學觀，關注的是萬事萬物的基本構成單元，認爲哪怕宇宙尺度的、宏觀的物理規律，也應當由微觀的規律構築出來。 還原論仍然指導着現代物理學的研究，但是宇宙還存在“另一種”真相，也就是反還原論的哲學觀。它強調的是“多，即不同”，強調的是“湧現”。作爲一種物理現象，它也可以作爲一種“萬物存在”的原理。 提到“湧現”，自然會聯想到大模型，以及它背後的神經網絡技術。大模型就是“多，即不同”的技術實現，當它的模型參數只有幾十億的時候，只能做特定類型的任務，而當參數達到上千億的時候，它就“湧現”出令人驚訝的推理能力。 實際上，這種“湧現”現象之前被稱爲“複雜”，或者“混沌”。除了上面提到的神經網絡，像氣象系統（你應該會想到蝴蝶效應吧），股票市場，都是複雜系統。組成複雜系統的基本單元之間產生了新的、不能從單個單元直接預測的行爲或模式，也就是複雜系統具有不確定性。 而還原論要的就是確定性，這種樸素的哲學觀也深刻的影響着物理學家。愛因斯坦極力反對量子力學，就是因爲他相信還原論，他相信上帝是不擲骰子的，否則因果律將不復存在。 還原論之所以重要，是因爲它是我們的“信念”。比如物理學中的能量守恆定律，它是經驗的產物，它和“天鵝都是白的”一樣是人類的信念。只是，當人類在澳大利亞發現了黑天鵝，糾正一下物種的定義即可；而《三體》中的智子向物理學家展示了基本原理可以被操縱和改變，帶來的便是人類物理學大廈的崩塌。 說回到本書的內容，本書的核心是關於凝聚態物理學的。從應用的角度來說，凝聚態物理學在半導、超導、納米等材料科學都有應用，在電子學、能源技術、信息技術等領域也有應用。從研究領域來說，凝聚態物理學包括了晶體結構、電子性質、相變和臨界現象、熱力學性質、拓撲性質、軟凝聚態物理、量子計算和量子信息等諸多領域。這方面的內容就比較專業了，這也使得本書雖是科普讀物，但部門章節的閱讀門檻並不低。 從閱讀的角度來說，如果你的物理和數學知識已經退化到初中水平，又不想死磕現代物理學最前沿的技術，那就別爲難自己，有選擇性地吸收物理學背後的哲學思想足矣。

讀完的第995本書，嚴伯鈞所著的相對艱深而前沿的凝聚態物理科普作品，完美展現了“多，即不同”的湧現原理，五星推薦。 《宇宙的另一種真相》是科普作家嚴伯鈞聯合多位斯坦福大學學者創作的物理學科普著作，旨在通過凝聚態物理學的前沿視角，爲讀者揭示一個不同於傳統“還原論”的宇宙圖景。 本書的核心在於挑戰了“整體由局部構成”的經典還原論思想。還原論認爲，只要瞭解了構成萬物的最小粒子（如原子、夸克）的規律，就能理解整個宇宙。然而，作者指出，這種思維方式在解釋複雜系統時存在侷限。書中引入了凝聚態物理的核心概念——“湧現”（Emergence），即“多，即不同”。當大量粒子以特定方式組合時，會產生出無法從個體性質推導出的全新宏觀規律與特性。 爲了闡釋這一觀點，書中將目光聚焦於凝聚態物理這一當代物理學的前沿領域。作者通過生動的比喻，講解了“相變”、“拓撲”、“對稱性”等關鍵概念，並以“拓撲絕緣體”（內部絕緣、表面導電）爲例，展示了物質在宏觀尺度上湧現出的神奇性質。這些研究不僅催生了半導體、芯片、超導體和量子計算機等關鍵技術，也爲我們理解宇宙提供了新思路。 全書還探討了宇宙的“不確定性”本質。從量子力學的視角看，世界並非完全由確定性規律支配。作者認爲，認識到這一點有助於我們接納自身的侷限，緩解因追求絕對確定性而產生的精神內耗。此外，本書還展望了物理學的未來，提出可以利用凝聚態系統在實驗室中模擬黑洞等宇宙現象，從而以全新的方式探索宇宙的奧祕。

20260731 凝聚態物理學還真是挺難懂的，不感興趣的地方就直接囫圇吞棗了…有種走馬觀花我卻掉下馬的窘迫感。或許是國內第一本關於凝聚態物理學的科普書籍了，開了先河，但是還是想說這是另一種層面上的佶屈聱牙😭讀得不是很愉快。 不過關於粒子-空穴對稱性的描述，我倒是很喜歡，舉的例子也挺有哲學口味的，我閱讀科普書籍的舒適區也就僅在此處了。

“複雜性科學與《宇宙的另一種真相》的多維關聯” 《宇宙的另一種真相》和《複雜》《同步》《蝴蝶效應》等書有着共通的內核，因爲它們都聚焦於“複雜性”和“湧現”的現象，試圖揭示混沌、秩序與整體行爲之間的深層邏輯與規律。這幾本書各有側重，但彼此關聯緊密： --- 1. 《複雜：誕生於秩序與混沌邊緣的科學》 關鍵詞：複雜性科學、跨學科探索、湧現 這本書可以說是複雜性科學的“宣言”，它探討了複雜系統如何在“秩序”和“混沌”的邊緣生長出新結構，比如生命系統、社會系統和經濟系統的自組織行爲。 和《宇宙的另一種真相》的聯繫：兩者都強調“湧現”是複雜系統的核心屬性。《宇宙的另一種真相》以凝聚態物理爲例，具體描述了多樣性如何在微觀互動中創造新的宏觀規律，而《複雜》提供了更廣泛的視野，從生物進化到城市運作，再到生態平衡，展現複雜性在各領域的普適性。 --- 2. 《同步：秩序如何從混沌中湧現》 關鍵詞：同步現象、自組織、秩序湧現 這本書聚焦於自然界中各種同步現象，如螢火蟲閃爍的協調性、神經元的同步激發、甚至人類社會的行爲模式。它強調了系統中個體之間微弱的互動如何創造出驚人的整體秩序。 和《宇宙的另一種真相》的聯繫：同步現象本質上是湧現的一種形式，展現了“多，即不同”的統一性。例如，凝聚態物理中粒子間的量子糾纏、拓撲態的形成，某種意義上也是一種同步湧現的宏觀秩序。《宇宙的另一種真相》則從物理角度解釋這些湧現過程，而《同步》更偏向自然界和社會現象的觀察。 --- 3. 《蝴蝶效應：從分形到混沌》 關鍵詞：混沌理論、分形幾何、不確定性 《蝴蝶效應》關注混沌系統的特性，例如天氣系統、流體運動中的微小變化如何放大成巨大差異。它還講述了分形結構的美妙，探索了宇宙中隱藏的非線性規律。 和《宇宙的另一種真相》的聯繫：混沌理論是複雜性科學的基礎，也是反還原論的體現。《蝴蝶效應》展示了微小變化如何通過複雜系統放大出不可預測的結果，而《宇宙的另一種真相》則進一步強調，從這種不確定性和多樣性中湧現出的是一種新的宏觀真相。 --- 它們與《宇宙的另一種真相》的整體關聯： 1. 複雜性科學的統一性：所有這些書都從不同角度描述了複雜系統的特性，包括混沌與秩序之間的平衡、不確定性如何轉化爲湧現的秩序、以及這些系統的普適規律。《宇宙的另一種真相》通過凝聚態物理，展示了複雜性在物理學中的應用。 2. 反還原論的共同哲學：這些書挑戰了傳統還原論的觀點，強調個體之間的互動和整體的湧現行爲，反映了宇宙中“多樣性”的力量。 3. 跨學科的延伸：從《複雜》的宏觀視野，到《同步》對協調現象的關注，再到《蝴蝶效應》對混沌的深入探討，這些書爲理解《宇宙的另一種真相》提供了更廣闊的背景和理論支持。 總結：如果《宇宙的另一種真相》是從物理學切入複雜性的一個具體案例，那麼《複雜》《同步》《蝴蝶效應》就是補全它的理論和跨學科視角，讓我們看到湧現和複雜性在更廣泛領域的普遍意義。這些書一起讀，可以形成對複雜系統和宇宙本質的更全面理解。

抱着對宇宙的好奇心，速讀了《宇宙的另一種真相》這本書，儘管讀後似懂非懂，但還是收穫頗多。認識了好多物理前沿的新概念，比如還原論與反還原論、拓撲、湧現、費米子、玻色子、天使粒子、任意子、磁單極子、超對稱粒子……休謨說:因果律是人類基於過往經驗的一廂情願。 宇宙太神奇了，無限大又無限小，令人敬畏。物理學的成就基本都是西方人創造的，看到華人也開始參與其中，並取得了不錯的成績，深感幸慰，還是希望更多的華廈兒女在探索宇宙奧妙過程中多爲人類多做貢獻，纔不負洋洋大國之名。不得不感嘆，生有涯而學無涯。雖然自己抱着終生學習的態度，但終歸學無止境。書中的很多知識顛覆了我的認知。 張首晟教授在拓撲絕緣體的研究方面做出了極其突出的貢獻，不僅從理論上預言了拓撲絕緣體的存在，還預言了碲化汞(HgTe)可以成爲拓撲絕緣體，並被實驗所驗證。因此楊振寧先生也曾評價說張首晟獲得諾貝爾獎只是時間問題，可惜張教授英年早逝。 《宇宙的另一種真相》一書呈現了一場引人入勝的現代物理學之旅，重點展現了我們對宇宙理解的許多不同方面。 通過閱讀，我欣賞到關於“還原論”的討論，即複雜的現象被簡化爲簡單的組成單元或原因，還欣賞到關於“湧現”的討論，即複雜和全新的行爲由衆多簡單的組成單元共同作用而產生。人類的思想有許多層面，正是這些層面的進步使我們終於能夠理解物質和宇宙的運作方式，這本書完美地呈現了這一點，閱讀後會產生了很多思考。 1數學是物理學的形式語言，而數學是還原論的，則我們的理論物理，也流淌在還原論的語言之上。 2超導即電阻爲零的現象。 3爲什麼通電的電線會發熱。因爲對帶電粒子動能的耗散現象體現爲電阻。 4還原論的思想告訴我們，研究萬物規律的終極，是不斷把物體拆分得更小，尋找最爲基本的、構成萬物的最小單元，是在不斷地做減法。 5凝聚態物理，顧名思義就是研究凝聚態物質的物理，主要由量子力學規律所主導的物理對象。 6“多，即不同”的意思就是量變引起質變。此處的多，指的是系統的複雜性，這些複雜性不光是來源於物理系統當中存在數量龐大的研究對象，更加是體現在物理系統中相互作用的複雜，正是這種複雜性，會讓複雜系統產生有別於微觀系統的、新的、無法從微觀系統中推導得出的規律。 7多，即不同！這就是湧現。關鍵在於混沌系統、複雜系統的非線性行爲。混沌系統的性質多變、難以預測，因此也給新的秩序提供了可能性。也許正是因爲這種複雜性，地球才能誕生生命。要知道生命系統是異常複雜的系統，生命延續的本質，都是要攝取能量、消耗能量以抵抗系統本身的熵增。恰恰是因爲世界上存在湧現，存在足夠高的複雜度，才能呈現出如此多變、如此多樣的秩序性。 8凝聚態物理的研究範疇:是那些由量子力學所主導的物理現象和物理過程，並且它的尺度大約是在原子核之外，化學反應之內。也就是說，凝聚態物理研究的物質形態，其形成過程一般是不包含化學反應的。 9熱力學第二定律還有一個名稱叫“熵增定律”。熵，entropy，是代表一個物理系統混亂程度的物理量，熵值越高則說明系統越混亂。用熵增定律來描述熱力學第二定律，可以表述爲：一個封閉系統的熵永遠不會自發地降低。這其實也符合我們的日常生活經驗，例如一個房間，不打掃就會越來越髒亂，房間絕不會“自己收拾自己”；一個被打碎的花瓶不會自動恢復完好；破鏡無法自發重圓。但這些都只是符合人主觀經驗的一些現象。畢竟房間的髒亂、花瓶的破碎，它只是人定義的“混亂”，從物理學的、定量的角度如何來定義一個系統的混亂程度呢？奧地利物理學家，統計物理的奠基人玻爾茲曼給出的定義是“微觀態數”。玻爾茲曼的墓碑上刻着的就是他關於熵的公式： S=k log W 其中S是熵；k是玻爾茲曼常數，由實驗測得；W便是微觀態數。什麼是微觀態數呢？它是一個系統可能存在的狀態的個數。 10什麼是拓撲(topology)？就是不關心幾何體的具體形狀，只關心它們的連接方式。 11上帝是不擲骰子的 ——愛因斯坦 12英國哲學家大衛·休謨(David Hume)通過著名的“休謨第一問題”，直言因果律並不存在，它不過是人類認知世界、解釋世界的一種習慣。 13說到底，科學，究其根本，也是一種信仰。數學並非科學，它是科學的語言，尤其是物理學的語言，物理學必須要有語言，才能讓人的思維去理解它。科學需要有可證僞性，但數學似乎並不需要。數學的推理過程，是基於一些不言自明的公理，在公理的基礎上進行邏輯推演，並最終依靠證明過程獲得結論規律。數學理論的結論，只要大家在公理的內容上沒有分歧，則結論必然一致，除非證明推導過程中存在錯誤。

《宇宙的另一種真相》簡評 好久沒看過物理類的通俗科普書了，前些天偶然發現了這本書，號稱是第一本凝聚態物理的科普讀物。這本書是主編聯合張首晟老師的家人和學生（Xiaoliang Qi, Biao Lian）共同編寫的，而且有Witten、薛其坤老師作序背書，才讓我有興趣看下去。但是很遺憾，最後成書質量甚至遠遠不到及格線。看完全書後，我覺得可能只有關於拓撲的那部分有以上幾位老師把關，而且僅僅停留在正確性上。 這本書欲從還原論的困境出發，分析大量粒子存在時的層展行爲，最後談凝聚態宇宙中的湧現現象。整體主幹本身是清晰的（這主線是個物理人都知道），但是更具體的邏輯線很混亂，有些單元之間的聯繫很牽強。比如在分析還原論的困境部分，談了半天也沒釐清楚爲什麼我們也需要從演生論的角度認識世界？整體爲什麼不是簡單的部分之和？作者欲想通過旁徵博引各領域的例子來說明還原論的問題，可是面對最核心的“爲什麼需要演生論”只是淺淺帶過。而且有些類比根本就不恰當（比如哥德爾不完備定理），整體給人的感覺反倒像是作者很想表現出自己涉獵的知識領域很廣罷了，像這樣的情況有很多… 還有在引入一些普通讀者不熟悉的概念（比如能帶論）時，要麼講得很混亂，要麼給的圖像很無厘頭甚至不對，要麼就是把教科書內容用白話重複了一遍。至於做到高屋建瓴地分析物理理論、描繪物理圖像、對未來的展望等方面，這本書更是談不上了。最後，這作者的文筆也是在太爛了，簡直是小學生水平，但凡能把“故事”講得更精彩一些觀感都會好很多… 總的來說，如果把這書當作一些科普主題的合集，那你確實能瞭解到一些知識，否則這本書對於讀者來說幾乎沒有任何啓發，無論是物理專業還是非物理專業的。 給個評分，2.5/10，一坤分。 還是很希望有真正的凝聚態物理學家來寫一本這樣的書，大衆對現代物理的認知還是停留在半個世紀前的時代，甚至很多低年級本科生也是。比如我在大二上學期的時候，對物理終極的認知還侷限於統一場論的觀念，現在回過頭去看自己的《上帝擲骰子嗎》讀後感還蠻幼稚哈哈。

挺好就記住了簡潔可以來自複雜 還原論解釋下世界呈現簡潔和有沒，不確定消除達到空前高峰 凝聚態物理給出另一種解釋簡潔和優美，未必來自更簡潔和更優美，它也可以從複雜的系統當中湧現出來，不確定性、複雜性，也許纔是這個宇宙的真相，至少可能是，宇宙的另一種真相。

難得的一本凝聚態物理學的科普書！ 從前沿的視角展示了當代最有活力的凝聚態領域的進展。 仍然記得大二學習《固體物理》時，老師開篇講解《more is different》這篇文章時對我觀念的衝擊。如今，也進入凝聚態的研究領域，再讀這本科普書，再回憶之前的學習拾光，深刻感受到了情感的守恆和不變在我身上的作用。 所以，如果用一句話向世人宣佈凝聚態物理究竟在幹啥，那麼來自本書的這句話說的極爲精妙“凝聚態物理的任務，是去尋找物質當中的秩序，而且主要是尋找在量子物理規律主導下的秩序。” 去尋找秩序， 去對抗無序， 去研究複雜系統的相互作用， 在最絕望的時候期待複雜到無解的困境帶來的意想不到的湧現！

給出了不少反還原論的論據，但我認爲這不能說服真正的還原論者。 1.還原論者會認爲大多數對還原論的挑戰歸根到底是實踐層面的困難，並不能在本體論維度上證明其錯。 2.還原論者會認爲湧現的性質不過是人們對“部分”性質觀測不充分而被誤以爲是超出了部分之和的性質。 不過話說回來，湧現出來的人的主觀體驗——疼痛感、冷熱度的感知、聽覺等——似乎即便在技術層面過關，也只能被視作原理來接納，它很難從部分之和中得到說明。 存在着這些困難，但恐怕不可能打消人類追求確定性的念頭。可以與主流量子力學對抗的非主流決定論思想，即德布羅意—玻姆理論，出於技術限制，也同樣無法被證明是對是錯。