1972年8月,菲利普·安德森(Philip Anderson,1923-2020)的文章《多者异也》(More is different)在Science杂志发表。在该文中,他明确了涌现(emergence)的概念,并且认为“物理系统在每一个复杂度上都会出现全新的性质”——也就是说,尽管化学受制于物理定律,但我们无法从我们的物理知识中推断出化学领域的结果。
这篇里程碑式的论文发表50年后,2022年7月Nature Reviews Physics杂志邀请八位科学家,分别讲述了他们各自领域中有趣的涌现现象,以此纪念。
Steven Strogatz是康奈尔大学Jacob Gould schurman应用数学教授。他研究非线性动力学与复杂系统,并应用于物理、生物和社会科学。
1998年,他与弟子Duncan Watts合著了Nature杂志论文《小世界网络的集体动力学》,该论文跻身有史以来引用最多的100篇科学论文之列。1665年,克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)因“轻微不适”而闭门不出,他注意到近期制造的两个钟摆在一起,保持着完美的时间(同步)。当一个钟的钟摆向右摆动时,另一个钟的钟摆向左摆动,正好相差180度。
当惠更斯试图干扰它们的振荡时,他惊讶地发现,两个钟悬挂的板开始抖动。这种抖动逐渐推动摆回到反相同步。在通信中他形容这种对时钟的“奇怪的同步”是“不可思议的”。
Sara Walker是一位天体生物学家和物理学家,研究生命起源和宇宙定律,这可能使我们能够在其他地方找到例子。她是亚利桑那州立大学地球与空间探索学院的副教授和超越科学基础概念中心的副主任,也是圣塔菲研究所的外部教授。
在研究生命起源时,人们无法回避涌现。生命本身是一种涌现的属性:一个细胞是活的,但它的各个部分不是。用安德森的话来说,能够将生物体简化为简单的器官,并不意味着能够从这些器官开始重建生命。事实上,尽管我们对分子生物学已经有了详细的认识,但解决生命起源的尝试尚未成功。
Julia M. Yeomans是牛津大学理论物理教授和鲁道夫·佩尔斯中心负责人。
她将理论和计算物理的技术应用于软凝聚态物质和生物物理学的问题。她目前的研究兴趣包括活性物质和机械生物学。她曾获得ePJe de Gennes演讲奖、英国物理学会的sam edwards奖和皇家化学学会的Lennard–Jones奖。生命系统是高度复杂的机器:细胞需要组装分子结构,这些结构可以利用化学能来执行生命过程所需的复杂任务。
创造人工细胞的挑战,凸显了使生命得以运行的涌现自组装和控制机制的复杂性。
Corina Tarnita是普林斯顿大学生态学和进化生物学系的教授,曾是哈佛研究员协会的初级研究员。她在哈佛大学获得数学学士和博士学位。Corina研究在时空尺度上,从简单的相互作用中涌现复杂的生物特性。
无与伦比的建筑技艺、劳动分工、农业和畜牧业——虽然这些听起来像是人类独有的成就,但我实际上指的是昆虫社会,例如蚂蚁和白蚁。它们的内部组织中充满了涌现的现象:微小昆虫的任何个体属性都无法预示数百万个体所共同实现出的难以置信的复杂性。
Elsa Arcaute是伦敦大学学院高级空间分析中心的复杂性科学教授。她拥有剑桥大学理论物理硕士和博士学位。她在复杂性科学领域的初步研究探索了蚁群的自组织。
在过去的10年里,她的研究重点是城市和城市系统。城市呈现出许多涌现行为,例如分工和专业化等社会动物的特征。这些特征是在局域层面上通过不同机制和约束进行信息交流的结果。就人类社会而言,我们的互动不断受到路径依赖的调节,并通过混合和记忆进行微调,从而形成超越我们生存基本需求的机制。
Manlio De Domenico是帕多瓦大学的复杂性科学家和物理学教授。
他研究复杂网络的统计物理和非线性动力学,特别关注系统体系、信息动力学和几何学,以及生物物理、社会生态和社会技术系统中结构和动力学之间相互作用产生的功能行为。Oriol Artime是意大利布鲁诺·凯斯勒基金会的博士后研究员。他研究统计物理和复杂系统的交叉学科,从相变等经典问题到网络科学的现代应用。他热衷于创新性的跨学科挑战,并在可能的情况下,寻求将他的研究方向指向这些方向。
许多涌现现象是通过相互作用网络维持的。例如,聚焦于生物物理现象,我们有来自人类组织的生物分子相互作用,或来自人类组织中电化学神经连接模式。然而,一般来说,这些网络并不是孤立运行的:它们通过结构或功能上的相互依赖相互耦合,并且在多个交互环境中组织,也称为层(layers)。
Kwang-il Goh是韩国大学物理学教授,对复杂网络的统计物理感兴趣。
沿着从无标度网络和多层网络到高阶网络的主要路线,他的主要研究重点是使用简单的物理模型和动力学过程,在复杂网络系统中发现和应用新奇点及其物理含义。当现代复杂网络理论开始萌芽时,我很幸运地开始了统计物理学的职业生涯。从早期开始,我经常被问到这样一个问题:“作为物理学家,为什么要关心网络?”我从菲尔·安德森(Phil Anderson)等巨人的教训中得到了最好的回答。
用安德森的话说,复杂网络理论的一个关键格言是,当大量自由度通过非平凡但有组织的网络进行交互时,可能会涌现出新的和不可预见的集体现象。