本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
毫無疑問，希格斯玻色子（或者如果您願意，稱之為“類希格斯粒子”）的發現是我們時代最重要的科學成就之一。它說明了純粹的思考——當然也得益於資料——能夠揭示宇宙的運作方式，並且延續了笛卡爾、休謨、伽利略和牛頓等傑出先輩開創的趨勢。從使物體沿斜面滑下，到在27公里長的隧道中以接近光速的速度撞擊原子，我們已經走了很長一段路。剖析我們的起源和我們周圍的宇宙，再也沒有比這更好的了。
然而，即使在激動人心的發現宣佈之際，我還是忍不住思考希格斯玻色子沒有為我們做些什麼。它不會加快發現新癌症藥物所需的時間。它無助於我們理解意識。它不會告訴我們生命是如何開始的，或者宇宙中其他地方是否存在生命。它沒有解釋浪漫的愛情，如何設計最好的太陽能電池，人們為什麼會有某些政治偏好，以及如何準確預測氣候變化的影響。事實上，我們可以有把握地預測，希格斯玻色子的發現，儘管它提升了意識，但並不會影響世界上99%的純粹和應用科學家的日常工作。
我說這一切並不是為了貶低這一粒子的發現，它是人類思想、辛勤工作和實驗創造力的無與倫比的勝利。我也不是為了說一個顯而易見的觀點，即一個科學領域的發現不會自動解決其他領域的問題。相反，我說這些是為了探究超越這一點的更深層次的現實，以突出科學的多方面性質以及它在各個研究層面呈現給我們的問題和現象的多樣性。我這樣說還帶著一種懷疑，即希格斯玻色子可能是對科學發現最有效的哲學工具——還原論——的侷限性的最恰當的致敬。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
從某種意義上說，這種基本物質成分的發現可以被視為還原論思想的頂峰，因為它解釋了質量的存在。還原論是二十世紀的偉大遺產，這種哲學的種子是在希臘哲學家開始思考物質的本質時播下的。事實上，這種方法非常直觀；自從人類從樹上下來以來，他們就一直試圖透過將問題分解成更簡單的部分來解決問題。在二十世紀，還原論的成果令人歎為觀止。還原論告訴我們，分子是由原子構成的，宇宙正在膨脹，DNA是雙螺旋結構，你可以製造雷射器和計算機。還原論的倫理賦予了我們量子力學、相對論、量子化學和分子生物學。幾個世紀以來，無數的實踐者將其用作精細的手術刀，揭示了自然的秘密。事實上，許多使用還原論方法回答的問題，甚至在提供答案之前就被理解為適合這種方法；例如，原子如何結合形成分子？基因的基本性質是什麼？原子本身是由什麼構成的？
然而，當我們進入二十一世紀的第二個十年時，很明顯，還原論作為我們發現工具庫中的主要武器已不再足夠。考慮一下現代科學麵臨的一些最重要的問題，幾乎所有問題都與複雜的多因素系統有關。地球上的生命是如何開始的？生物物質如何進化出意識？暗物質和暗能量是什麼？社會如何合作解決他們最緊迫的問題？全球氣候系統的特性是什麼？有趣的是，至少要注意到這些問題中的許多問題的一個共同特徵；它們是由其操作實體的積累而不是分解造成的。它們的特徵是集體湧現，即創造出大於其組成部分之和的屬性。例如，無論意識是什麼，它絕對是神經元共同作用的結果，而這從它們的個體結構來看並不明顯。同樣，生命的起源可以追溯到分子實體經歷自組裝，然後是複製和新陳代謝，這個過程超越了孤立組分的化學行為。暗物質和暗能量之謎的突出特點也是物質在大長度和時間尺度上的行為。研究社會中的合作本質上涉及研究群體動力學和進化衝突。所有這些問題存在中起作用的關鍵過程似乎幾乎直觀地涉及與還原相反的過程；它們都源於分子、物質、細胞、身體和人類在獨特層次結構中的聚集。此外，關鍵在於，它們涉及在每個層級上出現的獨特原則的體現，這些原則不能僅僅還原為底層級的原則。
長期以來，這種湧現已被視為持續解開科學謎團的關鍵。雖然科學家長期以來一直隱式地認識到湧現，但其現代開端無疑是諾貝爾獎獲得者物理學家菲利普·安德森於1972年在《科學》雜誌上發表的論文，題為《更多即不同》，這個標題已成為湧現愛好者的號角。在他的論文中，安德森（他碰巧首先提出了所謂的希格斯機制）認為，湧現並非什麼稀奇之物；例如，一塊鹽的性質與構成它的高活性成分鈉和氯的性質截然不同。一塊黃金錶現出顏色等性質，而這些性質在單個原子層面並不存在。安德森還呼籲對稱性破缺過程，該過程在各種基本事件中被呼叫——包括希格斯玻色子的存在——作為湧現的工具。從那時起，湧現現象已被應用於數百個不同的案例中，從白蟻丘的建造到鳥類的飛行。始於60年代的混沌理論的發展進一步說明了非常簡單的系統如何能夠產生非常複雜和違反直覺的模式和行為，而這些模式和行為從單個組分的身份來看並不明顯。
自安德森撰寫論文以來，許多科學家和哲學家為對還原論的深思熟慮的批判和對湧現的讚賞做出了貢獻。這些思想家指出，還原論不僅在實踐中失敗（因為它試圖解釋的系統非常複雜），而且在更深層次的原則上也失敗了。例如，牛津物理學家大衛·德意志在他的著作《現實的結構》中，明確指出還原論永遠無法解釋目的；為了強調這一點，他問我們，它是否能解釋倫敦溫斯頓·丘吉爾雕像鼻尖上的特定銅原子的存在。德意志的回答顯然是否定的，因為那個原子的命運是基於偶然的、湧現的現象，包括戰爭、領導力和崇拜。關於銅原子的結構，沒有任何東西能讓我們直接預測到某個特定的原子有一天會出現在那個鼻尖上。機會在這些發展中起著巨大的作用，而還原論在理解這種歷史偶然事件方面幾乎沒有給我們提供安慰。
複雜性理論家斯圖爾特·考夫曼（據說是《侏羅紀公園》中傑夫·戈德布拉姆角色的靈感來源）是這種基於偶然性的還原論批判的更有力的倡導者，他在兩本書中闡述了他的思想。就像安德森一樣，考夫曼並沒有否認還原論在闡明我們的世界方面的巨大價值，但他也指出了大大限制其應用的因素。他最喜歡的例子之一是偶然性在進化中的作用，他的關注物件是哺乳動物的心臟。考夫曼提出，任何數量的還原論分析都無法告訴你心臟的主要功能是泵血。即使在不太可能的情況下，你可以從希格斯玻色子開始預測心臟和容納它們身體的結構，這種演繹過程也永遠無法告訴你，在心臟的所有可能功能中，最重要的功能是泵血。這是因為心臟的泵血功能既是歷史偶然性和導致生物圈進化的無數偶然事件的結果，也是其從原子、分子、細胞和組織自下而上構建的結果。作為另一個例子，考慮一下構成地球上所有蛋白質的α-氨基酸。這些氨基酸有兩種潛在的變體，左手性和右手性。除了極少數例外，我們所知道的所有功能性氨基酸都是左手性的，但沒有理由認為右手性氨基酸不能同樣好地為生命服務。那麼問題是，為什麼是左手性氨基酸？同樣，還原論對這個問題保持沉默，主要是因為據我們所知，在生命起源過程中最初使用左手性氨基酸是一個偶然事件。現在，某種形式的還原論可能仍然可以透過訴諸關於化學鍵和能量學的分子水平論證來解釋左手性氨基酸的後續傳播及其在生物過程中的主導地位，但這種描述仍然會使起源問題懸而未決。即使像DNA的結構和功能這樣基本的東西——從各方面來看，這都是還原論的勝利——也最好用化學原理來解釋，如靜電吸引和氫鍵。
因此，還原論在試圖解釋兩件事時顯得非常不足：起源和目的。人們可以看到，即使在處理左手性氨基酸和人類心臟時，它也存在問題，那麼在試圖解釋例如親屬選擇或地緣政治衝突時，它將處於更加糟糕的境地。事實是，這些現象中的每一種都最好用它們自身層面的基本原理來解釋。化學有其共價鍵和空間效應，地質學有其風化和構造運動，神經學有其記憶增強和可塑性，社會學有其衝突理論。據我們所知，這些科學將繼續進步，而無需希格斯玻色子和中微子的幫助。這也使得“萬物理論”——即連線四種基本力的單一優雅方程——的發現雖然無疑代表了人類最偉大的智力成就之一，但不太可能讓社會學家和經濟學家有所停頓，即使他們繼續使用自己特殊的基石原理工具包來研究股市和民主制度。
這種相當悲觀的還原論觀點可能聽起來像是科學走到了盡頭，或者至少已經開始在自身成功的重壓下崩潰。但是，這種觀點就像過去兩百年中每隔幾年就會出現的關於“科學終結”的公告一樣，是錯位的。每次宣佈科學終結時，科學本身都證明了關於其消亡的說法被大大誇大了。首先，還原論將永遠充滿活力，因為透過將任何事物分解成其組成部分來研究它的通用方法將繼續取得豐碩成果。但更重要的是，與其說是還原論的終結，不如說是結合還原論和新的思維方式的更通用正規化的開始。還原論的侷限性不應被視為絕望的原因，而應被視為慶祝的原因，因為它意味著我們現在正在進入新的、未知的領域。科學仍然有無數個深奧的謎團需要解決，從暗能量、意識和生命起源，到更所謂的平凡的關注，如超導性、癌症藥物發現和玻璃的行為。這些問題中的許多問題都需要跨學科的方法，從而形成特定於問題陳述的基本原理。這種融合本質上將僅將還原論作為一種組成部分。
現在有些人可能不認為這些問題“足夠基本”，那是因為他們會透過傳統的二十世紀科學的視角來看待這些問題。還原論事業的可悲犧牲品之一是一小群人，他們認為宇宙學和粒子物理學構成了唯一真正值得做的事情以及基礎科學的縮影；其餘的都是可以由二流頭腦填補的細節。儘管存在一個不方便的事實，即也許 80% 的物理學家根本不關心基本問題。但是，如果您認為流體湍流是二流頭腦的二流問題（仍然沒有解決），那麼您就是在自欺欺人，特別是如果您還記得海森堡認為上帝將能夠為量子力學提供解釋，但不能為湍流提供解釋。事實是，像超導性這樣的“平凡”的關注已經吸引了過去五十年中最優秀的一些頭腦，但它們並沒有完全屈服於這些關注，而且在它們自身的層面上，它們與希格斯玻色子或加速宇宙的發現一樣困難。探索這些有價值的難題與科學中的任何其他努力一樣令人興奮、深刻和令人滿意。那些想知道接下來會發生什麼的人不必擔心；一段精彩的旅程就在前方。
為了指導我們踏上這段旅程，我們只需要記住二十世紀最偉大的還原論者之一和彼得·希格斯英雄之一的話。保羅·狄拉克在他的量子理論名著的結尾寫道，這些話語有望像它們對還原論的二十世紀一樣，成為對湧現的二十一世紀的偉大預兆：“這裡需要一些新的原則”。
參考文獻
1. P. W. 安德森，《更多即不同》，《科學》，1972年，177，393
2. 大衛·德意志，《現實的結構》，2004年
3. 斯圖爾特·考夫曼，《重塑神聖》，2009年； 《宇宙中的家園》，1996年
其他閱讀
1. 特倫斯·狄肯，《不完整的自然》，2011年
2. 約翰·霍根，《科學的終結》，1997年
3. 羅伯特·勞夫林，《不同的宇宙》，2006年