物理学与脑科学里的“美”与“丑”

作者: 纪语

来源: 科学网纪语博客

发布日期: 2015-03-02 09:35:31

本文探讨了物理学中的“美”与“丑”在理论与实践中的体现,以及这些概念在脑科学中的应用和挑战。文章通过对比物理学和脑科学的基本特征,讨论了简洁、对称与复杂、混沌之间的辩证关系,并引用了多位著名科学家的观点和研究,展现了科学研究中对美的追求和实际问题的复杂性。

前几个月去听物理系的凝聚态物理,第一节课,教授在黑板上一字一字郑重地写:“物理中的基本定律——美、对称、简洁(beautiful,symmetrical,elegant)”;而统计物理和凝聚态物理的基本特征,则是“丑陋、复杂、混沌(ugly, complex, chaotic)”。我之前知道,对于理论物理学家,尤其是爱因斯坦和他以后的理论物理学家来说,“简洁”和“对称”意味着“真”。

毕竟相对论就是以这么不可思议的方式搞出来的。现在的弦论和超对称也一直顺着这个思路,以至于虽然今天对这些理论根本不可能有实验上的证实,但我记得一个搞弦论的物理学家说的话,可能依然反映了今日理论物理学家的信念(甚至可以说是信仰),他说弦论和超对称在数学和理论上太漂亮了,以至于它们不可能不是真的。

凝聚态教授接着说,今天物理中“四大力学”,对理论力学和电动力学是没有任何疑问了,甚至都有公认的基本一致的教学法;量子力学嘛,你要不实在像爱因斯坦一样那么往基础甚至哲学上刨根问底,基本也没什么问题。唯独统计物理,不那么完善和清楚,有时还显得丑陋,相比而言依然令物理学家困惑和心烦。很多“有洁癖”的理论物理学家,研究里不愿意碰,甚至有的还不怎么愿意教统计物理。

至于“凝聚态物理”这个学科,他说,哎呀,连这个名字当初都起的有点混乱和莫名其妙。而人脑之谜的答案,是否是像理论物理的基本定律一样的简洁和美?乍一看人脑的问题似乎跟凝聚态物理的问题更加类似:一个整体、一个系统,怎么不仅仅把它看成是其中“元素”的简单叠加;整体如何大于部分;系统的行为和体现出来的特质,不能简单地通过简单的“还原论”和个体层次的物理定律看出来。

今天的理论(计算)神经科学,以理论物理学家的标准,充斥着“丑陋”的数学,即便有些相对的简单和漂亮,那也大多都只在对神经现象的描述层面。

不过有的学者相信脑科学之最终答案,会比凝聚态物理要漂亮,甚至和物理中的基本定律一样漂亮和简洁,虽然他们是极少数。今天“主流”科学中最有名的例子,当属语言学中乔姆斯基以几乎五六十年毕生精力,以生成语法发展而来的“最简方案”,他和其他一些语法学家,明明白白地说,他们现在的语法理论,他们语法中的“最小计算性”,直接借鉴了基本物理定律里简洁和对称的原则。

乔姆斯基和侯世达的愿景我极其佩服和尊重,他们也都是这个时代最好的学者和思想者之一。不过我并不太认同跨越那么多层级,直接生硬地把物理基本定律的美搬到人脑问题里来的方法。能看到不同的科学问题后面是否可以用相似的数学来描述和发展,也许是种历代最优秀的理论科学家才有的直觉和眼光,这也是像爱因斯坦、玻尔、海森堡那样级别的科学家最为人称道的品质。

看来,美与不美,也许并不是最重要。相对论很美,托勒密的地心说体系也很美。美可以是真,可以曾经是真,也可以是有诱惑的陷阱。对于最一流的理论科学家,更重要的是独到的眼光,是vision——用杨振宁先生的话讲,是人文和艺术家一般的“个人风格”:崇尚美的狄拉克,“秋水文章不染尘”;而海森堡的研究总是有大胆和新意,但却“不那么干净”,“有渣子”。他们用截然相反的风格,都做出了最一流的科学。

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