层展现象

Emergent phenomena

还原论失效

在物理学的研究中，还原论是重要方法，即把复杂的现象还原为更简单更基础的现象。比如在经典物理学中，热力学可还原为分子运动论，声学可还原为原子的运动（疏密波），亥姆霍兹在关于能量守恒的讲演中认为：一切科学都可以归结到力学，等等。

还原论方法在实际应用中会碰到本质性的障碍，比如：根据经典力学，只要我们知道瞬间所有粒子的位置和动量，即可无限精确地预测系统的未来或反演系统的历史。但这种还原论途径实际上是走不通的，我们无法知道世界上所有粒子瞬间的位置和动量，即便知道了，也无法求解无穷多联立的微分方程。多体问题无法严格地解析求解（或数值求解）对量子力学依然成立，凝聚态物理学家文小刚曾作如下讨论：

“20年前，我们可以计算含11个相互作用电子的系统；20年后，计算能力提高了100倍，可计算含13个相互作用电子的系统。计算`10^{23}`数量级粒子组成系统是不可能的，一台由宇宙所有原子制造的传统计算机连这种宏观系统的一个量子态矢量也储存不下。因此面对复杂的系统我们只好为这样的系统猜一个理论，而不是从头计算出一个结果。”

凝聚态物理学家P.W.安德森进一步指出集体行为不是个体行为的简单相加(More is different.)：

“由大量基本粒子构成的巨大的和复杂的的集聚体的行为并不能依据少数粒子的性质作简单外推就能理解。正好相反，在复杂性的每一个层次之中会呈现全新的性质，而要理解这些新行为所需要作的研究，就其基础性而言，与其他研究相比毫不逊色。”

统计物理学家卡达诺夫（L.P.Kadanoff）说：

“在每一层次中总有新的而且激动人心的有效普遍原则，却并不能由更加基础的科学自然而然地推导出来。我们可以一一列举这些科学中的具有代表性和重要性的结论，诸如：遗传律、双螺旋、量子力学、核裂变，谁最根本？谁最基本？谁推导了谁？从这些例子可以看出，将科学知识分等级是十分愚蠢的，宁可说在每一层次的普遍原则中都会呈现宏伟的概念。”

层展现象的例子

1. 能量守恒是热力学中很基本的原理，但它是首先在生理学研究中被发现的，梅耶发现热带地区人的静脉血颜色鲜红，携带更多氧。说明热带地区人只需要消耗较少氧就能维持体温，静脉血因含氧较多，而呈鲜红色。生物学为物理学启示了能量守恒定律，但通常我们会认为物理学更为基础。
2. BCS配对机制和对称破缺概念等最初在凝聚态物理学研究中被提出，但现在也应用于粒子物理学和宇宙论中。
3. 文小刚在其新书《量子多体理论》中给出了更为清晰的叙述，不过译者把emergence翻译为演生。以低温下的声子激发为例，声子概念描述的世界是一个简单而完美的世界，它与原来的原子或分子系统不同，我们把这种“新世界”从“旧世界”中诞生的现象称为演生现象。类似地，高能物理中的基本粒子只是低能集体激发，而更基本的在普朗克尺度下的基本理论可能是复杂、蹩脚和非普适的。

即特设性高能理论可以获得普适的低能有效理论，如果认为简单性和美是物理的本质的话，更基本的理论反而更丑陋，而我们从前认为的物理之美则是来源于低能。

脱耦

物质世界的诸层次之间，除存在耦合外，还存在脱耦，而正是脱耦会切断高能物理学对其他层次（能量要小得多）的影响。K.G.威尔逊指出重正化不仅是消除发散的技巧，也表现了在不同尺度的现象上相互作用的效应也在变化，由此他发展了重正化群理论，从而顺理成章地忽略掉种种微观细节（其能量远大于某特定截至值）对问题的影响。这正好解释了为什么微观尺度和高能领域的物理学与临界现象毫无关系。

参考

1. 冯端等《凝聚态物理学·上卷》，pp5
2. 文小刚 著: 量子多体理论——从声子的起源到光子和电子的起源, 第一章
   
3. 李淼：时空、引力和层展现象
4. 向涛：Hybridized Course on Condensed Matter Physics
5. Answers: emergent phenomena