摘要：伊桑·西格尔是一位天体物理学博士，他提到：这个世界的许多方面都由复杂的现象组成，这些现象的属性无法轻易地从支配它的基本定律和构成要素中推导出来。这并不能成为反对还原论的有力论据。

伊桑·西格尔是一位天体物理学博士，他提到：这个世界的许多方面都由复杂的现象组成，这些现象的属性无法轻易地从支配它的基本定律和构成要素中推导出来。这并不能成为反对还原论的有力论据。

有一种说法，在19世纪末或许毫无争议，但如今，无论科学界还是科学界，许多人都会对此提出异议。不妨想想你对此有何感想：

“当支配物质和能量最小成分的基本定律应用于足够长的宇宙时间尺度的宇宙时，可以解释将会出现的一切事物。”

这意味着，我们宇宙中一切事物的形成，从原子核到原子到简单分子到复杂分子到生命到智慧到意识等等，都可以理解为直接从支撑现实的基本定律中产生的东西，不需要额外的定律、力量或相互作用。

这个简单的想法——宇宙中的所有现象本质上都是物理现象——被称为还原论。在很多地方，包括在 这里的 Big Think上，还原论都被视为宇宙运作方式的理所当然的默认立场。另一种主张是涌现论，它指出，在更复杂的系统中发现了新的定性属性，而这些属性即使在原则上也无法从基本定律、原理和实体中推导出来或计算出来。虽然许多现象确实并非明显地从其组成部分的行为中涌现出来，但还原论应该是任何现实解释的默认立场（或零假设）。任何其他观点都应被视为与“差距之神”论证等同的观点，以下将解释其原因。

右图展示了介导宇宙三种基本量子力的规范玻色子。只有一个光子介导电磁力，三个玻色子介导弱力，八个玻色子介导强力。这表明标准模型是由三组粒子的组合：U(1)、SU(2) 和 SU(3)，它们的相互作用和粒子共同构成了已知的一切存在。尽管这幅图景取得了成功，但仍有许多谜团未解。

图片来源：丹尼尔·多明格斯/CERN

当我们思考宇宙中“什么是根本”这个问题时，我们通常会转向最不可分割的基本实体及其支配规律。对于我们的物理现实而言，这意味着我们应该从标准模型中的粒子及其支配的相互作用开始——以及暗物质和暗能量是什么以及支配它们的相互作用；迄今为止，它们的性质尚不清楚——并看看这是否能为我们提供必要且充分的要素，让我们能够仅凭这些基本要素，构建出所有已知的现象和复杂实体。

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只要存在一种力的组合，这种力在一个尺度上相对吸引，而在另一个尺度上相对排斥，我们几乎可以保证从这些基本实体中形成束缚结构。鉴于宇宙中有四种基本力，包括：

我们应该充分预料到，结构会出现在各种距离尺度上：小尺度、中尺度和大尺度。

传统的原子模型已有一百多年的历史，其核心是带正电的原子核，周围环绕着带负电的电子。尽管这幅图景源自过时的玻尔模型，但原子本身的大小是由电子的荷质比决定的。如果电子更重或更轻，原子就会变得更小或更大，同时也更难或更容易电离。

图片来源：美国能源部

确实如此：这正是我们在审视我们实际栖息的宇宙时所发现的。在最小尺度上，强核力将夸克束缚成三个一个的束缚结构，称为重子。最轻的两个重子是最稳定的：质子，100%稳定；中子，即使不与其他任何物质结合，也足够稳定，半衰期约为15分钟。

这些质子和中子随后可以形成由这些复合实体组成的束缚结构，作为更大结构的基石。这一次，强核力才是罪魁祸首：它能够将质子和中子结合在一起形成原子核，甚至克服了由于大多数复杂原子核中存在多个质子而产生的同性（正）电荷之间的排斥电磁力。有些原子核能够稳定地抵抗衰变，而另一些原子核则需要经历一次或多次（放射性）衰变才能产生稳定的最终产物。

然后，电磁力利用了有关宇宙的两个事实。

这使得电子和原子核结合在一起形成中性原子，其中每种独特的原子，根据其原子核中的质子数量，都有自己独特的电子结构，这符合支配我们宇宙的量子物理基本定律。

氢原子内部不同状态对应的能级和电子波函数，尽管所有原子的构型都极其相似。从基本粒子和相互作用入手，理解原子如何结合在一起形成分子和其他更复杂的结构是一项颇具挑战性的任务，但理解这些基础知识是我们解释更复杂系统的基础。

图片来源：PoorLeno/Wikimedia Commons

还原论者如何看待宇宙

当我们讨论还原论时，非常重要的一点是，不要“歪曲”还原论者的立场。还原论者并不主张——也不需要主张——他们对每一个可以想象到的复杂结构中出现的每一个复杂现象都有完整而充分的解释。当然，一些复合结构和复杂结构的某些属性很容易从底层规则中得到解释，但系统越复杂，解释所有出现的各种现象和属性就越困难。

后一段无论以何种方式、何种形式都不能被视为“反对还原论的证据”。“存在这种现象，而我的能力超出了它做出稳健、定量预测的能力”这一事实，绝不应被理解为“这种现象需要超出目前所知的额外定律、规则、物质或相互作用”的证据。

您要么充分了解您的系统，了解其中应该出现什么和不应该出现什么，在这种情况下，您可以对还原论进行检验；要么不充分了解，在这种情况下，您必须回到零假设：除非您能够从还原论方法做出这样的预测，否则您不能将您发现的任何证据视为需要超越还原论观点的证据。

当以合适的频率振动时，酒杯会破碎。这个过程会显著增加系统的熵，并且在热力学上是有利的。相反的过程，即玻璃碎片重新组装成一个完整的、未破裂的玻璃杯，几乎不可能在实践中自发发生。然而，如果单个碎片在飞散时的运动方向完全相反，它们确实会飞回一起，至少在瞬间成功地重新组装成酒杯。时间反演对称性在牛顿物理学中是精确的，但在热力学中却不成立。

图片来源：BBC Worldwide/GIPHY

更明确地说，这就是“零假设”：宇宙是100%还原论的。这意味着一系列的事情。

迄今为止，尽管做出这样的陈述不应该引起争议，但没有证据表明存在任何超出还原论能够解释的现象。

位于沙特阿拉伯的纳斯拉岩层由高密度沉积岩构成，显示出明显的风化和侵蚀痕迹。然而，其下方的基座侵蚀速度更快，其上的岩画已有数千年历史，而其中心极其光滑的裂缝尚未完全解释。

图片来源：OnPoint TV/YouTube

还原论如何轻易解释“表观涌现”

对于复杂系统固有的一些属性，解释它们为何存在相当容易。宏观物体的质量（或者说重量，如果你喜欢用尺度来衡量的话）很简单，就是组成它的各个组成部分的质量之和，减去由于将这些组成部分结合在一起而损失的能量，即爱因斯坦的E = mc²公式。

对于其他属性，这未必是一项简单的任务，但已经有人做到了。我们可以解释热量、温度、熵和焓等热力学量是如何从复杂的大尺度粒子集合中产生的。我们可以通过量子化学来解释许多分子的性质，而量子化学又可以直接从其基本定律中推导出来。我们可以利用这些基本定律来理解——尽管所需的计算能力巨大——各种分子，例如肽和蛋白质，是如何折叠成平衡态的，以及它们是如何最终进入亚稳态的。

还有一些特性我们无法完全解释，也无法对这些特性做出可靠的预测。这些“难题”通常包括一些极其复杂、无法用现有技术建模的系统，例如人类意识。

当时还是研究生的何超站在约翰·霍普金斯大学霍斯特行星实验室的气室前。该气室重现了疑似存在于系外行星大气雾霾中的环境。通过模拟紫外线辐射和等离子体放电引起的环境，研究人员致力于研究有机物以及生命从非生命体中诞生的过程。

图片来源：Chanapa Tantibanchachai/约翰·霍普金斯大学

换句话说，鉴于我们目前计算能力的局限性，今天看似涌现的事物，未来某一天或许可以用纯粹的还原论术语来描述。许多曾经无法用还原论描述的系统，如今随着更优秀的模型（就我们关注的领域而言）和计算能力的提升，已经能够被精确地用还原论的方式描述。事实上，许多看似混乱的系统，只要有足够的计算资源，就可以按照我们任意选择的精度进行预测。例如：

是的，我们不能排除非还原论，但凡我们能够对自然基本定律对大规模复杂结构的含义做出可靠预测的地方，它们都与我们能够观察到和测量到的结果相符。构成宇宙的已知粒子以及它们相互作用的四种基本力，足以解释从原子到恒星尺度乃至更广阔的宇宙中我们遇到的一切。存在一些过于复杂、无法用现有技术预测的系统，并不能成为反对还原论的论据。

许多人认为，像人类眼睛这样复杂的器官的进化不可能仅仅通过自然过程发生，但这种观点毫无根据。然而，眼睛却在许多不同的生物体中，在无数个独立的时期内自然进化而来。断言宇宙中存在某种中等尺度的超自然力量，从根本上违背了科学的进程，而且随着科学的不断进步，这种断言很可能被证明是不必要的、无关紧要的。

图片来源：Venti Views / Unsplash

非还原论的“间隙之神”本质

但事实上，诉诸非还原论——或者认为复杂系统会出现全新的属性，而这些属性无法从其组成部分的相互作用中推导出来——在目前这个阶段，无异于一种“上帝之隙论证”。它的基本意思是：“我们知道事物在特定尺度或特定时间的行为方式，也知道它们在较小尺度或更早时间的行为方式，但我们无法填补所有步骤，从小尺度/早期阶段理解大尺度/后期阶段的行为方式。因此，我将插入这样一种可能性：某种神奇的、神圣的或其他非物质的东西发挥作用。”

尽管这一论断很难甚至不可能被反驳，但它的科学价值不仅为零，甚至可以说是负面的。科学的整个过程包括用我们现有的工具来探索宇宙，并确定描述该现实的最佳物理模型、描述和条件集。断言“也许我们需要比我们目前最好的模型更多的方法来描述现实”是多么愚蠢的一件事，因为：

如果生命起源于一种随机的肽，这种肽可以从其环境中代谢营养/能量，那么复制就可能通过肽-核酸协同进化而来。这里展示了DNA-肽协同进化，但它也可以以RNA甚至PNA作为核酸。断言生命的起源需要“神圣的火花”是典型的“上帝之眼”论证，但断言我们确切地知道生命是如何从非生命中起源的也是一个谬论。这些条件，包括表面存在这些分子的岩石行星，很可能存在于大爆炸后的最初10亿至20亿年内。

图片来源：A. Chotera 等人，《欧洲化学》，2018 年

如果你相信或者只是想相信宇宙不仅仅是其物理部分的总和，那么科学对此就没有任何有意义的解释；科学对这种可能性完全持不可知论。然而，如果你想相信对这个宇宙中存在的物理现象的描述，则需要：

也许你能做出的最不成功的决定就是将你所相信的任何“形而上学”实体插入到一个地方，而科学一旦稍微进步，就可以完全证明它们的必要性。

我始终不明白，为什么有人会如此热衷于在如此狭小的空间里宣称神灵或超自然的存在：在这样一个空间里，对神灵或超自然的需要如此轻易地被否定。既然身处如此浩瀚的宇宙，为何会相信某种超出我们物理定律描述能力的事物，会首先出现在如此无关紧要、不必要的地方？如果我们观察和测量的宇宙，无法用已知的现实定律来描述其内部存在的物理现象，那么在诉诸非科学的超自然解释之前，我们难道不应该先确定宇宙确实存在吗？

共聚焦显微镜下观察的果蝇大脑。任何动物的大脑运作机制都尚未完全明了，但大脑和全身的电活动很可能构成了我们所谓的“意识”，而且，人类在动物甚至其他生物中拥有意识并非独一无二。

最后的想法

我们物理宇宙的基本组成部分，以及支配一切存在的基本定律，构成了历史上最成功的宇宙科学图景。从最微小的亚原子粒子到宏观现象，再到宇宙尺度，我们从未像今天这样成功地描述过我们的物理现实。还原论的理念很简单：物理现象可以用宇宙中存在的物体的复杂组合来解释，而这些物体受制于支配宇宙中所有物理系统的相同物理定律。

这是我们的默认起点：现实的“零假设”。

如果这不是你的出发点，我有责任告诉你，你的世界观——包括一组新的基本力、新的实体、新的相互作用，或超自然力量的干预——的举证责任在于你。你必须证明，零假设不足以描述一个预测明确，且与可观察和/或测量结果相冲突的现象。这是一个非常高的标准，也是还原论的反对者从未成功做到的。我们或许无法理解所有复杂现象的全部：这是事实。现象越复杂，从其基本原理推导出其所有属性就越困难，但这并不意味着有证据表明需要更多的东西。

然而，在科学领域，我们永远不会满足于简单地说“这个问题很难，所以答案或许超越了科学”。这并非进步的途径。我们前进的唯一途径是坚持不懈地进行更多更好的科学研究，直到我们弄清楚这一切的运作原理。

来源：人工智能学家