宇宙的另一种真相

今年诺贝尔物理学奖颁奖那阵，看见中科院物理研究所公众号发了一篇图文:“2023是阿秒光学，2022是量子信息科学，2021是复杂科学，2020是天体物理，我们认为凝聚态领域这些年的突破怎么也论得上获奖了吧，万万没想到，今年奖项颁给的竟然是神经网络和机器学习！”不得不说物理就是包括万象的学科，宇宙万物是物理学研究的对象，尽管今年诺奖赶了波AI的热度，但凝聚态领域依然是这门学科比较前沿的方向，即使是近年大热的AI其发展也与凝聚态领域成果不无关系。 本书名为宇宙的另一个真相，重点落在题目后五个字，书中引例量子霍尔效应呈现的经典拓扑序以及拓扑绝缘体上呈现的量子自旋霍尔效应，对经典物质相变对应对称性破缺理论的颠覆尤为精彩，高中物理我们学过霍尔效应，两端通电的金属板外加一个垂直于电流方向的磁场时，磁场中的洛伦兹力使电子移动方向发生偏转，而偏转后沉积的电子产生电场进一步会绕动电子移动方向，电荷累积一定程度会产生一个垂直于电流方向的电压，此时能观察到，霍尔电阻与磁场强度呈线性关系，而在低温强磁场环境下，这种线性特征却被打破，而是呈现出分段的、离散的量子化特征，并且这种特征极具稳定性，它对应着拓扑物态中，在不改变材料拓扑结构的前提下，材料本身呈现的强鲁棒性，由此，从普通的霍尔效应突变到量子霍尔效应这一典型的拓扑序，事实上是对朗道相变理论“相变即对称性的破缺”从根本上的颠覆，相变是可以由更基本的物理机制所驱动的，复杂系统中可以涌现出更为基本的新秩序。 但这不免让人疑惑，以往人类的科学研究中，还原论主宰着我们的思想，我们通常会认为，复杂事物的性质，可以通过研究其微观组分，以及组分与组分之间的相互作用得出，即我们研究清楚了小的组分，大的整体性质便能了然于胸，然而现实物理世界中的物体性质并不是各组分间粗暴的线性叠加，凝聚态物理提供了截然相反的视角，更为基本的规律和秩序，是可以从复杂系统中涌现出来的，并且这种秩序具有强鲁棒性。沿着这条思路往下想，标准模型中的六十一种基本粒子，真的已经是基本到不能再继续分割的最小单元了吗？它们完全可以是从人类目前无法触及的能量尺度上从更为复杂的系统中涌现出来的，或许我们改变粒子对撞机大力出奇迹的方式，转而通过尝试构建复杂系统也可以找出那些尚未被发现的粒子，反还原论的思想不失为宇宙的另一个真相。 细想来，崭新的规律和秩序能够从复杂系统中涌现出来，究其原因是系统中组分的复杂相互作用，如今的人工智能算法正是受此启发，抛弃过往自上而下的架构设计和预设的子问题代码实现，转而在算力提升和海量未标注的训练数据基础上，仿照人脑神经网络集群相互作用，让AI自发生成问题的解决思路。人类大脑就是一个复杂系统，系统中新皮质有着不同的功能分区，分区中有着多层嵌套的组织结构，结构中有着数量庞杂的神经元集群，在集群中我们单独研究其中某一网络中的节点，它们是不具备脑分区的功能和性质的，但这网络中节点与节点的电信号交互，却强大到让思维这一神奇物质涌现出来，涌现现象可谓是宇宙中的奇观。 书中多次提到“more，is different”，但这句话不单是指系统中的变量和参数众多，更多的指相互作用的繁多。物理和数学是一对父子，数学定理的诞生通常是在理想化的条件下，排除多余变量的干扰，通过基本的公理一步步演绎推导得来，典例如缜密的欧式几何，在五条基本公设基础上，推演出众多的揭示平面图形关系的众多定理，因此数学是简洁优美的，是还原论的，是1+1=2的，是抽象简化的，但现实往往是复杂多变的，我们找不出零纬的点，找不出只有长度没有厚度的线，也找不出只有面积不占空间的面，我们在排除干扰因素的同时也不免造成整体上的信息失真，而涌现恰巧就是作用在庞杂数据量之间的交互上，我们的公式定理在其所适用的领域屡试不爽，在研究复杂系统时却会失灵，三体问题，湍流问题，它们对初始参数高度敏感，是非线性的，因此前后计算结果会呈现出天差地别，这无疑是对过往还原论思想主宰我们探索宇宙过程上的重大冲击。 本书末尾，作者讲了一个农场主请教物理学家鸡为什么不生蛋了的笑话，物理学家思考再三后说，我找到了治病的良方，但方法只对真空中的球形鸡有效，让人忍俊不禁的同时也让我对因果律的认识更上层楼，休谟说:因果律是人类基于过往经验的一厢情愿。维特根斯坦说，逻辑是基于语言之上流淌的，有了自然语言，才有逻辑流淌的可能性。归纳法和演绎法让我们较之蒙昧时代更靠近了宇宙的真相，让我们对事物的本质有了更清楚的认知，但我们不得不承认的是，基于简化后的问题得出的简洁定律定理，仍然只是解释事物本质的一种近似，科学终归也是信仰的一种。 回到今年AI获诺奖的新闻上，现如今AI算法模型的进化日新月异，程序员甚至都不清楚算法执行了什么具体操作便得到了计算结果，AI只是吞吐信息，成了逻辑上的黑箱，我们不清楚推送到我们手中的短视频，歌曲和商品经过了怎样的具体路径，但我想说未来足够诱惑，终极智能诞生的脚步声越来越近，当一件事对全人类都能有飞跃式提升时，有恐慌的声音在所避免，但一个放在封闭空间内的盒子终究是会被打开的，尽管它只是暂时放在桌底角，但它终会被打开的，无论桌上的人正忙着吃饭或是打麻将，至于人类能否应对未来所带来的挑战，至少我并不悲观。

《宇宙的另一种真相》是关于凝聚态物理学的科普作品，也是对已故的张首晟教授的致敬。张首晟在凝聚态物理学领域，特别是在拓扑绝缘体的研究上有着卓越成就。本书的作者有科普作家严伯钧，也有张首晟的家人和学生等。 宇宙的一种真相是还原论。还原论是一种哲学思想，它的简单表述就是：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。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。 还原论仍然指导着现代物理学的研究，但是宇宙还存在“另一种”真相，也就是反还原论的哲学观。它强调的是“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。 提到“涌现”，自然会联想到大模型，以及它背后的神经网络技术。大模型就是“多，即不同”的技术实现，当它的模型参数只有几十亿的时候，只能做特定类型的任务，而当参数达到上千亿的时候，它就“涌现”出令人惊讶的推理能力。 实际上，这种“涌现”现象之前被称为“复杂”，或者“混沌”。除了上面提到的神经网络，像气象系统（你应该会想到蝴蝶效应吧），股票市场，都是复杂系统。组成复杂系统的基本单元之间产生了新的、不能从单个单元直接预测的行为或模式，也就是复杂系统具有不确定性。 而还原论要的就是确定性，这种朴素的哲学观也深刻的影响着物理学家。爱因斯坦极力反对量子力学，就是因为他相信还原论，他相信上帝是不掷骰子的，否则因果律将不复存在。 还原论之所以重要，是因为它是我们的“信念”。比如物理学中的能量守恒定律，它是经验的产物，它和“天鹅都是白的”一样是人类的信念。只是，当人类在澳大利亚发现了黑天鹅，纠正一下物种的定义即可；而《三体》中的智子向物理学家展示了基本原理可以被操纵和改变，带来的便是人类物理学大厦的崩塌。 说回到本书的内容，本书的核心是关于凝聚态物理学的。从应用的角度来说，凝聚态物理学在半导、超导、纳米等材料科学都有应用，在电子学、能源技术、信息技术等领域也有应用。从研究领域来说，凝聚态物理学包括了晶体结构、电子性质、相变和临界现象、热力学性质、拓扑性质、软凝聚态物理、量子计算和量子信息等诸多领域。这方面的内容就比较专业了，这也使得本书虽是科普读物，但部门章节的阅读门槛并不低。 从阅读的角度来说，如果你的物理和数学知识已经退化到初中水平，又不想死磕现代物理学最前沿的技术，那就别为难自己，有选择性地吸收物理学背后的哲学思想足矣。

读完的第995本书，严伯钧所著的相对艰深而前沿的凝聚态物理科普作品，完美展现了“多，即不同”的涌现原理，五星推荐。 《宇宙的另一种真相》是科普作家严伯钧联合多位斯坦福大学学者创作的物理学科普著作，旨在通过凝聚态物理学的前沿视角，为读者揭示一个不同于传统“还原论”的宇宙图景。 本书的核心在于挑战了“整体由局部构成”的经典还原论思想。还原论认为，只要了解了构成万物的最小粒子（如原子、夸克）的规律，就能理解整个宇宙。然而，作者指出，这种思维方式在解释复杂系统时存在局限。书中引入了凝聚态物理的核心概念——“涌现”（Emergence），即“多，即不同”。当大量粒子以特定方式组合时，会产生出无法从个体性质推导出的全新宏观规律与特性。 为了阐释这一观点，书中将目光聚焦于凝聚态物理这一当代物理学的前沿领域。作者通过生动的比喻，讲解了“相变”、“拓扑”、“对称性”等关键概念，并以“拓扑绝缘体”（内部绝缘、表面导电）为例，展示了物质在宏观尺度上涌现出的神奇性质。这些研究不仅催生了半导体、芯片、超导体和量子计算机等关键技术，也为我们理解宇宙提供了新思路。 全书还探讨了宇宙的“不确定性”本质。从量子力学的视角看，世界并非完全由确定性规律支配。作者认为，认识到这一点有助于我们接纳自身的局限，缓解因追求绝对确定性而产生的精神内耗。此外，本书还展望了物理学的未来，提出可以利用凝聚态系统在实验室中模拟黑洞等宇宙现象，从而以全新的方式探索宇宙的奥秘。

20260731 凝聚态物理学还真是挺难懂的，不感兴趣的地方就直接囫囵吞枣了…有种走马观花我却掉下马的窘迫感。或许是国内第一本关于凝聚态物理学的科普书籍了，开了先河，但是还是想说这是另一种层面上的佶屈聱牙😭读得不是很愉快。 不过关于粒子-空穴对称性的描述，我倒是很喜欢，举的例子也挺有哲学口味的，我阅读科普书籍的舒适区也就仅在此处了。

“复杂性科学与《宇宙的另一种真相》的多维关联” 《宇宙的另一种真相》和《复杂》《同步》《蝴蝶效应》等书有着共通的内核，因为它们都聚焦于“复杂性”和“涌现”的现象，试图揭示混沌、秩序与整体行为之间的深层逻辑与规律。这几本书各有侧重，但彼此关联紧密： --- 1. 《复杂：诞生于秩序与混沌边缘的科学》 关键词：复杂性科学、跨学科探索、涌现 这本书可以说是复杂性科学的“宣言”，它探讨了复杂系统如何在“秩序”和“混沌”的边缘生长出新结构，比如生命系统、社会系统和经济系统的自组织行为。 和《宇宙的另一种真相》的联系：两者都强调“涌现”是复杂系统的核心属性。《宇宙的另一种真相》以凝聚态物理为例，具体描述了多样性如何在微观互动中创造新的宏观规律，而《复杂》提供了更广泛的视野，从生物进化到城市运作，再到生态平衡，展现复杂性在各领域的普适性。 --- 2. 《同步：秩序如何从混沌中涌现》 关键词：同步现象、自组织、秩序涌现 这本书聚焦于自然界中各种同步现象，如萤火虫闪烁的协调性、神经元的同步激发、甚至人类社会的行为模式。它强调了系统中个体之间微弱的互动如何创造出惊人的整体秩序。 和《宇宙的另一种真相》的联系：同步现象本质上是涌现的一种形式，展现了“多，即不同”的统一性。例如，凝聚态物理中粒子间的量子纠缠、拓扑态的形成，某种意义上也是一种同步涌现的宏观秩序。《宇宙的另一种真相》则从物理角度解释这些涌现过程，而《同步》更偏向自然界和社会现象的观察。 --- 3. 《蝴蝶效应：从分形到混沌》 关键词：混沌理论、分形几何、不确定性 《蝴蝶效应》关注混沌系统的特性，例如天气系统、流体运动中的微小变化如何放大成巨大差异。它还讲述了分形结构的美妙，探索了宇宙中隐藏的非线性规律。 和《宇宙的另一种真相》的联系：混沌理论是复杂性科学的基础，也是反还原论的体现。《蝴蝶效应》展示了微小变化如何通过复杂系统放大出不可预测的结果，而《宇宙的另一种真相》则进一步强调，从这种不确定性和多样性中涌现出的是一种新的宏观真相。 --- 它们与《宇宙的另一种真相》的整体关联： 1. 复杂性科学的统一性：所有这些书都从不同角度描述了复杂系统的特性，包括混沌与秩序之间的平衡、不确定性如何转化为涌现的秩序、以及这些系统的普适规律。《宇宙的另一种真相》通过凝聚态物理，展示了复杂性在物理学中的应用。 2. 反还原论的共同哲学：这些书挑战了传统还原论的观点，强调个体之间的互动和整体的涌现行为，反映了宇宙中“多样性”的力量。 3. 跨学科的延伸：从《复杂》的宏观视野，到《同步》对协调现象的关注，再到《蝴蝶效应》对混沌的深入探讨，这些书为理解《宇宙的另一种真相》提供了更广阔的背景和理论支持。 总结：如果《宇宙的另一种真相》是从物理学切入复杂性的一个具体案例，那么《复杂》《同步》《蝴蝶效应》就是补全它的理论和跨学科视角，让我们看到涌现和复杂性在更广泛领域的普遍意义。这些书一起读，可以形成对复杂系统和宇宙本质的更全面理解。

抱着对宇宙的好奇心，速读了《宇宙的另一种真相》这本书，尽管读后似懂非懂，但还是收获颇多。认识了好多物理前沿的新概念，比如还原论与反还原论、拓扑、涌现、费米子、玻色子、天使粒子、任意子、磁单极子、超对称粒子……休谟说:因果律是人类基于过往经验的一厢情愿。 宇宙太神奇了，无限大又无限小，令人敬畏。物理学的成就基本都是西方人创造的，看到华人也开始参与其中，并取得了不错的成绩，深感幸慰，还是希望更多的华厦儿女在探索宇宙奥妙过程中多为人类多做贡献，才不负洋洋大国之名。不得不感叹，生有涯而学无涯。虽然自己抱着终生学习的态度，但终归学无止境。书中的很多知识颠覆了我的认知。 张首晟教授在拓扑绝缘体的研究方面做出了极其突出的贡献，不仅从理论上预言了拓扑绝缘体的存在，还预言了碲化汞(HgTe)可以成为拓扑绝缘体，并被实验所验证。因此杨振宁先生也曾评价说张首晟获得诺贝尔奖只是时间问题，可惜张教授英年早逝。 《宇宙的另一种真相》一书呈现了一场引人入胜的现代物理学之旅，重点展现了我们对宇宙理解的许多不同方面。 通过阅读，我欣赏到关于“还原论”的讨论，即复杂的现象被简化为简单的组成单元或原因，还欣赏到关于“涌现”的讨论，即复杂和全新的行为由众多简单的组成单元共同作用而产生。人类的思想有许多层面，正是这些层面的进步使我们终于能够理解物质和宇宙的运作方式，这本书完美地呈现了这一点，阅读后会产生了很多思考。 1数学是物理学的形式语言，而数学是还原论的，则我们的理论物理，也流淌在还原论的语言之上。 2超导即电阻为零的现象。 3为什么通电的电线会发热。因为对带电粒子动能的耗散现象体现为电阻。 4还原论的思想告诉我们，研究万物规律的终极，是不断把物体拆分得更小，寻找最为基本的、构成万物的最小单元，是在不断地做减法。 5凝聚态物理，顾名思义就是研究凝聚态物质的物理，主要由量子力学规律所主导的物理对象。 6“多，即不同”的意思就是量变引起质变。此处的多，指的是系统的复杂性，这些复杂性不光是来源于物理系统当中存在数量庞大的研究对象，更加是体现在物理系统中相互作用的复杂，正是这种复杂性，会让复杂系统产生有别于微观系统的、新的、无法从微观系统中推导得出的规律。 7多，即不同！这就是涌现。关键在于混沌系统、复杂系统的非线性行为。混沌系统的性质多变、难以预测，因此也给新的秩序提供了可能性。也许正是因为这种复杂性，地球才能诞生生命。要知道生命系统是异常复杂的系统，生命延续的本质，都是要摄取能量、消耗能量以抵抗系统本身的熵增。恰恰是因为世界上存在涌现，存在足够高的复杂度，才能呈现出如此多变、如此多样的秩序性。 8凝聚态物理的研究范畴:是那些由量子力学所主导的物理现象和物理过程，并且它的尺度大约是在原子核之外，化学反应之内。也就是说，凝聚态物理研究的物质形态，其形成过程一般是不包含化学反应的。 9热力学第二定律还有一个名称叫“熵增定律”。熵，entropy，是代表一个物理系统混乱程度的物理量，熵值越高则说明系统越混乱。用熵增定律来描述热力学第二定律，可以表述为：一个封闭系统的熵永远不会自发地降低。这其实也符合我们的日常生活经验，例如一个房间，不打扫就会越来越脏乱，房间绝不会“自己收拾自己”；一个被打碎的花瓶不会自动恢复完好；破镜无法自发重圆。但这些都只是符合人主观经验的一些现象。毕竟房间的脏乱、花瓶的破碎，它只是人定义的“混乱”，从物理学的、定量的角度如何来定义一个系统的混乱程度呢？奥地利物理学家，统计物理的奠基人玻尔兹曼给出的定义是“微观态数”。玻尔兹曼的墓碑上刻着的就是他关于熵的公式： S=k log W 其中S是熵；k是玻尔兹曼常数，由实验测得；W便是微观态数。什么是微观态数呢？它是一个系统可能存在的状态的个数。 10什么是拓扑(topology)？就是不关心几何体的具体形状，只关心它们的连接方式。 11上帝是不掷骰子的 ——爱因斯坦 12英国哲学家大卫·休谟(David Hume)通过著名的“休谟第一问题”，直言因果律并不存在，它不过是人类认知世界、解释世界的一种习惯。 13说到底，科学，究其根本，也是一种信仰。数学并非科学，它是科学的语言，尤其是物理学的语言，物理学必须要有语言，才能让人的思维去理解它。科学需要有可证伪性，但数学似乎并不需要。数学的推理过程，是基于一些不言自明的公理，在公理的基础上进行逻辑推演，并最终依靠证明过程获得结论规律。数学理论的结论，只要大家在公理的内容上没有分歧，则结论必然一致，除非证明推导过程中存在错误。

《宇宙的另一种真相》简评 好久没看过物理类的通俗科普书了，前些天偶然发现了这本书，号称是第一本凝聚态物理的科普读物。这本书是主编联合张首晟老师的家人和学生（Xiaoliang Qi, Biao Lian）共同编写的，而且有Witten、薛其坤老师作序背书，才让我有兴趣看下去。但是很遗憾，最后成书质量甚至远远不到及格线。看完全书后，我觉得可能只有关于拓扑的那部分有以上几位老师把关，而且仅仅停留在正确性上。 这本书欲从还原论的困境出发，分析大量粒子存在时的层展行为，最后谈凝聚态宇宙中的涌现现象。整体主干本身是清晰的（这主线是个物理人都知道），但是更具体的逻辑线很混乱，有些单元之间的联系很牵强。比如在分析还原论的困境部分，谈了半天也没厘清楚为什么我们也需要从演生论的角度认识世界？整体为什么不是简单的部分之和？作者欲想通过旁征博引各领域的例子来说明还原论的问题，可是面对最核心的“为什么需要演生论”只是浅浅带过。而且有些类比根本就不恰当（比如哥德尔不完备定理），整体给人的感觉反倒像是作者很想表现出自己涉猎的知识领域很广罢了，像这样的情况有很多… 还有在引入一些普通读者不熟悉的概念（比如能带论）时，要么讲得很混乱，要么给的图像很无厘头甚至不对，要么就是把教科书内容用白话重复了一遍。至于做到高屋建瓴地分析物理理论、描绘物理图像、对未来的展望等方面，这本书更是谈不上了。最后，这作者的文笔也是在太烂了，简直是小学生水平，但凡能把“故事”讲得更精彩一些观感都会好很多… 总的来说，如果把这书当作一些科普主题的合集，那你确实能了解到一些知识，否则这本书对于读者来说几乎没有任何启发，无论是物理专业还是非物理专业的。 给个评分，2.5/10，一坤分。 还是很希望有真正的凝聚态物理学家来写一本这样的书，大众对现代物理的认知还是停留在半个世纪前的时代，甚至很多低年级本科生也是。比如我在大二上学期的时候，对物理终极的认知还局限于统一场论的观念，现在回过头去看自己的《上帝掷骰子吗》读后感还蛮幼稚哈哈。

挺好就记住了简洁可以来自复杂 还原论解释下世界呈现简洁和有没，不确定消除达到空前高峰 凝聚态物理给出另一种解释简洁和优美，未必来自更简洁和更优美，它也可以从复杂的系统当中涌现出来，不确定性、复杂性，也许才是这个宇宙的真相，至少可能是，宇宙的另一种真相。

难得的一本凝聚态物理学的科普书！ 从前沿的视角展示了当代最有活力的凝聚态领域的进展。 仍然记得大二学习《固体物理》时，老师开篇讲解《more is different》这篇文章时对我观念的冲击。如今，也进入凝聚态的研究领域，再读这本科普书，再回忆之前的学习拾光，深刻感受到了情感的守恒和不变在我身上的作用。 所以，如果用一句话向世人宣布凝聚态物理究竟在干啥，那么来自本书的这句话说的极为精妙“凝聚态物理的任务，是去寻找物质当中的秩序，而且主要是寻找在量子物理规律主导下的秩序。” 去寻找秩序， 去对抗无序， 去研究复杂系统的相互作用， 在最绝望的时候期待复杂到无解的困境带来的意想不到的涌现！

给出了不少反还原论的论据，但我认为这不能说服真正的还原论者。 1.还原论者会认为大多数对还原论的挑战归根到底是实践层面的困难，并不能在本体论维度上证明其错。 2.还原论者会认为涌现的性质不过是人们对“部分”性质观测不充分而被误以为是超出了部分之和的性质。 不过话说回来，涌现出来的人的主观体验——疼痛感、冷热度的感知、听觉等——似乎即便在技术层面过关，也只能被视作原理来接纳，它很难从部分之和中得到说明。 存在着这些困难，但恐怕不可能打消人类追求确定性的念头。可以与主流量子力学对抗的非主流决定论思想，即德布罗意—玻姆理论，出于技术限制，也同样无法被证明是对是错。