多就是多
除了粒子之外，我们还需要哪些东西才能创造出一个有意识的存在？
我发现，很多人都会下意识地否认这么一种可能性：人类的意识是由大脑中许多粒子的相互作用产生的。他们似乎固执地认为，意识一定有什么不同之处。虽然他们当中一些有科学头脑的人不会称之为“灵魂”，但他们的确就是这个意思。他们致力于寻找那些神秘的，无法解释的，可以让他们的存在显得与众不同的东西。他们很难接受自己宝贵的思想居然“仅仅”是众多粒子依照自然规律运行的结果。因此，他们坚持认为意识一定没有这么简单。在2019年的一项调查中，75.8%的美国人认同这种二元论的观点，即人类的思维不仅仅是一台复杂的生物机器。在新加坡，二元论者的比例甚至更高，达到了88.3%。3
如果你也是信奉二元论的多数派，那我们必须在继续探讨之前达成共识。你需要抛开之前认为意识需要物理学之外的东西来解释的信念，听我慢慢道来。我向你保证，如果直到本书的结尾，你还依然坚持认为人类的大脑不受自然规律的约束，我就不会再絮絮叨叨地打扰你了。
话虽如此，作为一名训练有素的粒子物理学家，我必须告诉你的是，从既往所有的观测结果来看，系统的整体是其各个部分的总和，不会多也不会少。数千年来，无数的实验已经证实，物体都是由更小的物体构成的，了解了小的物体有何表现，就能知道大的物体会有何表现。目前这条规律还没有任何例外，甚至还没有哪个一致的理论能预言这种例外。
正如一个国家的历史是其公民的行为及其与环境相互作用的结果一样，公民的行为也是构成他们的粒子的性质和相互作用的结果。这两种假设经受住了迄今为止的所有考验，所以作为一名科学家，我对此欣然接受。这并不是要把它们当作终极真理的意思，因为它们可能将来会在某天得到修正，但这就是目前最准确的知识。
许多人似乎认为这仅仅是一种哲学立场，即一个复杂对象（例如人）的行为是由其组成部分（亚原子粒子）的行为所决定的。这种思想被称为还原论或是唯物主义，有人也称之为物理主义，好像给它起一个“××论”或是“××主义”的名字就能让它消失一样。还原论认为，某个客体的行为可以从它各组分的属性、行为和相互作用中推导出来，哲学家将该过程称为“还原/化约”。然而还原论不只是一种哲学思想，而且是我们有关自然的理解当中最为确凿无疑的事实之一。
不过，我也不是一个还原论强硬派分子。我们对自然规律的认识是有限的，目前还有很多地方没搞清楚，而且还原论有可能会在一些微妙的细节上失效，我将在后面的章节对此加以讨论。但是，在打破规则之前，你必须充分地了解它。
在科学研究中，我们的规则是以事实为基础。而事实就是，对于所有已知的由大量粒子组成的物体而言，我们从未观察到其行为足以证伪还原论，尽管这种情况本可能出现过无数次。我们从未见过性质与其原子组分无法对应的分子，从未遇到过发挥了超出其分子结构的效果的药物，从未制造过表现出与基本粒子的物理性质相冲突的行为的材料。如果有人非要扯什么“整体论”，那我只能回他一句“狗屁不通”。
我们当然知道，有很多事情我们目前都无法预测，因为我们的数学技能和计算工具都是有限的。例如，一般的人类大脑大约包含1000亿亿亿个原子[2]。即便借助当今最强劲的超级计算机，也没有人能计算出所有这些原子是如何通过相互作用来产生有意识的思维的。但我们也不能说这就是不可能的。据我们目前所知，假如我们有一台足够大的计算机，没有什么能阻止我们将大脑中的每一个原子都模拟出来。
相反，假设复合系统（作为整体的大脑、社会、宇宙等）所表现出的行为并非源自其组成部分的行为，则没必要。就像有关上帝的假设一样，没有任何证据能证明这一点。这倒也谈不上错，只是无关乎科学罢了。
这可能会让你们之中的一些人感到震惊。堂堂诺贝尔奖得主菲利普·安德森那句著名的“多即不同”（More is different），难道不是在提出相反的主张吗？的确如此，但光是诺贝尔奖得主说过，并不意味着这句话是正确的。
直到大约50年前，物理学家还在采用不同的数学模型来描述不同分辨率水平的系统。例如，他们会用一套方程来计算水，用另一套方程来计算水分子，然后再换一套方程来计算原子以及其他组分。这些不同的数学模型是相互独立的。
然而在20世纪中叶，物理学家开始从形式上将这些不同的模型联系起来。之所以要强调“形式上”，是因为数学推导在大多数情况下无法执行，与之相关的计算难度太大了。但是物理学家现在已经拥有了一套明确的程序，可以从原子的性质推导出水的性质。该过程被称为粗粒化（coarse-graining），尽管背后的数学运算相当困难，但是它的思想在概念上其实很简单。
假设你需要描述一个高分辨率的系统，那么你就要考虑很多小尺度下的精细结构。假设现在你的面前摊开了一张地形图，它不仅能告诉你山脊和山谷的位置，还能标示出沥青路面的褶皱和草地上的鹅卵石。如果你正在规划一趟徒步旅行，那么这张地图上有很多细节是你用不到的。为了得到一张更加实用的地图，你可以在现有的地形图上放置一个100码[3]大小的网格，并取用网格中每个方块的平均值。如此一来，你就可以消除那些冗余的信息。
物理学中的粗粒化类似于上述取平均的过程，只是更加复杂一些，但它本质上就是一种消除冗余信息的方法。在物理学中，网格的大小通常被称为截断距离（cutoff），计算的目的就是在截断距离给出的分辨率下写出一个足够精确的近似模型，并且对缺失的细节进行小幅修正。如果你决定把截断距离以下的修正全部清除，那就会得到物理学家所说的有效模型。这种模型并不完全正确，因为就像取过均值的地形图一样，它也缺少了一部分信息。但是在你想要研究的分辨率水平上，它已经完全够用了。
我们最为耳熟能详的有效模型是用温度、压力、黏度、密度等物理量来大体上描述气体和流体，这样的描述抹平了分子层面的细节。我们在物理学中使用的有效模型还有很多5，它们的典型特征是核心对象和物理量经常与基础理论中的不一致，甚至在基础理论中压根儿就没有意义。例如，金属的导电性是一种源自电子行为的材料性质，但是讨论电子的导电性毫无意义。事实上，如果你研究的是亚原子粒子的模型，那整个金属的概念就完全没有意义了。金属是许多微小粒子依照某种方式排列而成的结构。
我们认为这些在有效理论中起到关键作用但在基础理论中没有出现的性质和对象是涌现[4]性质/对象。涌现的性质和对象可以从其他东西衍生出来，也就是还原成其他东西。涌现的反义词是基础/基本，一个基本性质或对象无法从其他东西衍生出来（还原成其他东西）。在下文中我还会用到另外两个术语：更加基础的层次对应的是相对较低的层级，而更加“涌现”的层次对应的则是相对较高的层级。
我们在日常生活中处理的所有事情几乎都是涌现的，即高层级的性质或是对象。材料的颜色（高层级）来自它的原子结构（低层级）；药物的疗效（高层级）来自它的分子结构（低层级）；而分子的组成又来自其原子组成（更低层级）。细胞的运动来源于分子的排列和相互作用，器官的功能则来源于细胞的功能，以此类推。
正如粗粒化处理后的地形图一样，在衍生出涌现性质的过程中，我们抹除了小尺度下的细节。所以说，在理论大厦中只有一条逐级向上的单行道。你可以根据有关原子的理论推导出描述流体运动的流体力学定律，但是却不能根据流体力学推导出原子理论，因为你在推导有效模型的过程中永久地抛弃了一些信息。这通常发生在数学运算中，比如将一些参数取为无穷大，或是舍去一些细微的修正（两者是等价的）。事实上，这就是为什么我们无法从已有的定律中推导出更基础的定律——物理学的理论大厦无法双向通行。当然，如果我们能够双向通行的话，也就没有什么“更基础”一说了。那么物理学家要如何发现更加基础的规律呢？我们将在稍后的访谈中与戴维·多伊奇（David Deutsch）讨论这个问题。
在大多数情况下，我们目前还无法执行粗粒化所需要的数学计算。例如，目前还没有人能根据某个细胞的原子构造推导出该细胞的性质。实际上，即便是预测分子的性质也很困难，比如我们在蛋白质折叠的问题上就遭遇了不少挫折。数学太难了。
但是对于我们的目的来说，将低层级和高层级联系起来的计算能否在实际上执行其实无足轻重，我们感兴趣的只是从自然规律的结构中获知哪些信息。因此我们需要关心的重点在于，根据目前公认的理论，最低层级的性质和对象决定了更高层级会发生什么。如果现在有人声称事实并非如此，那他们至少必须把理由解释清楚。比如，一块金属怎么可能不遵循关于金属成分聚集的理论呢？要是你想在理论研究上再进一步，那这就是你必须面对的挑战。
涌现理论的重要性丝毫不亚于基础理论。事实上，涌现理论往往更实用，而这正是因为它们忽略了无关紧要的细节。在大多数情况下，涌现理论在其相对应的分辨率水平上都能更好地解释。但是我们目前所知的基础理论只有两个，那就是粒子物理标准模型和爱因斯坦用于描述引力的广义相对论，它们是我们目前所知的最低层级的基础理论。
在本书后面的内容中，我将把物理学中研究基本定律的领域称为基础物理学。除了基础物理学以外的所有理论都来源于这些基本定律，大致可以按照以下顺序排列：原子物理学，化学，材料科学，生物学，心理学，社会学。包括我自己在内的大多数物理学家都认为，目前的基础理论总有一天会不再基础。更有可能的是，目前最基础的东西是从更低的层级涌现出来的。[5]
事后看来，科学领域各个学科之间的这些联系似乎是显而易见的。但在20世纪的大部分时间里，科学家并不是这样看待自然的。事实上，在基础物理学之外，你仍然能看到很多人极力主张所有的科学学科都是同等基础的。
在某种程度上，这只是耍嘴皮子的诡辩。我使用“基础”一词只是为了表示“无法从其他理论推导出来”，但是其他学科的科学家有时会认为，不那么基础就意味着没那么重要，这简直是一种侮辱。但物理学家指出“一切都是由粒子构成的”时，并不是为了贬低其他科学家，而是事实的确如此。
我说过我会对你坦诚相待，所以我应该补充说明一下，一些物理学家依然不太相信自然规律确实是还原论。关于这点我没什么要说的，我在前文已经列出了很多证据，你可以自行评估。自然是还原论的这一假设得到了观测证据的支持——我们只能通过更低层级的性质来了解更高层级的性质，反之则不成立。而且近年来，我们还对其背后的一些数学原理有了更深的理解。
说到这里，我必须澄清一个关于自然规律这种分层结构的普遍误解，也就是似乎有些例子与它存在矛盾。假设你按下一个按钮，启动了粒子对撞机，让两个质子对撞并产生一个希格斯玻色子。在这一系列操作中，难道不是你在更高层级上的决定引发了更低层级上的事件吗？这是不是违反了原本井然有序的结构呢？我再举一个更加常见的例子，计算机算法在处理信息时控制晶体管的开关，难道这不是由你编写的代码（高层级）在控制电子（低层级）吗？想找出更多这样的例子不是什么难事。6
这些情况下的误解本质上都是一样的。采用宏观的术语（你的动机、计算机代码）来描述系统（你、计算机算法）的某些性质或行为是有效的，但单凭这并不意味着宏观的描述是更基础的。事实并非如此。你完全可以用中子、质子和电子来完整描述一台计算机及其算法，只是这样的描述根本毫无用处。
但是如果你想证明还原论是错误的，你就必须证明用宏观术语描述一个系统所得到的预测和用微观描述所得到的预测不同（然后你还需要做一个实验来证实从微观描述中得到的预测是错误的）。目前为止还没人能够做到这一点，而这也不是因为这件事不可能完成。也许你可以试着想象这样一个世界——原子的行为来源于行星的行为，而非相反的情况。但是据我们目前所知，事实并非如此。
要想理解这样一座理论大厦，一定要注意的是，复杂对象的功能不仅仅来自其组成部分。我们还必须了解各组分间的相互作用以及相互关系，也就是说，我们需要完整的微观信息。特别是量子纠缠，它实际上就是一种将粒子联系在一起的相互关系，尽管它可以跨越宏观的距离，但它仍然是一种在基础层面上定义的性质。稍后我们会更详细地讨论量子纠缠，但现在我们需要注意它与还原论并不矛盾。
总之，根据目前最有力的证据，这个世界是还原论的：大型复杂物体的行为源于其组成部分的行为，但我们不知道自然规则为什么是这样的。为什么小尺度上的细节在大尺度上就变得无关紧要了呢？为什么原子内部的质子和中子的行为不会影响行星的运行轨道？为什么夸克和胶子在质子内的表现不会影响药物的效果？物理学家给这种脱节的现象起了个名字叫“多尺度解耦”，但是没有深入地解释它，或许这根本就无法解释。世界必须以某种方式而不是以其他方式存在，所以我们总是无法回答“为什么会这样”的问题。又或许这个“为什么”的问题可以启发我们思考，我们是不是还缺少一个在不同层级间建立联系的总体原则。