本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
毫无疑问，希格斯玻色子（或者如果您愿意，称之为“类希格斯粒子”）的发现是我们时代最重要的科学成就之一。它说明了纯粹的思考——当然也得益于数据——能够揭示宇宙的运作方式，并且延续了笛卡尔、休谟、伽利略和牛顿等杰出先辈开创的趋势。从使物体沿斜面滑下，到在27公里长的隧道中以接近光速的速度撞击原子，我们已经走了很长一段路。剖析我们的起源和我们周围的宇宙，再也没有比这更好的了。
然而，即使在激动人心的发现宣布之际，我还是忍不住思考希格斯玻色子没有为我们做些什么。它不会加快发现新癌症药物所需的时间。它无助于我们理解意识。它不会告诉我们生命是如何开始的，或者宇宙中其他地方是否存在生命。它没有解释浪漫的爱情，如何设计最好的太阳能电池，人们为什么会有某些政治偏好，以及如何准确预测气候变化的影响。事实上，我们可以有把握地预测，希格斯玻色子的发现，尽管它提升了意识，但并不会影响世界上99%的纯粹和应用科学家的日常工作。
我说这一切并不是为了贬低这一粒子的发现，它是人类思想、辛勤工作和实验创造力的无与伦比的胜利。我也不是为了说一个显而易见的观点，即一个科学领域的发现不会自动解决其他领域的问题。相反，我说这些是为了探究超越这一点的更深层次的现实，以突出科学的多方面性质以及它在各个研究层面呈现给我们的问题和现象的多样性。我这样说还带着一种怀疑，即希格斯玻色子可能是对科学发现最有效的哲学工具——还原论——的局限性的最恰当的致敬。
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从某种意义上说，这种基本物质成分的发现可以被视为还原论思想的顶峰，因为它解释了质量的存在。还原论是二十世纪的伟大遗产，这种哲学的种子是在希腊哲学家开始思考物质的本质时播下的。事实上，这种方法非常直观；自从人类从树上下来以来，他们就一直试图通过将问题分解成更简单的部分来解决问题。在二十世纪，还原论的成果令人叹为观止。还原论告诉我们，分子是由原子构成的，宇宙正在膨胀，DNA是双螺旋结构，你可以制造激光器和计算机。还原论的伦理赋予了我们量子力学、相对论、量子化学和分子生物学。几个世纪以来，无数的实践者将其用作精细的手术刀，揭示了自然的秘密。事实上，许多使用还原论方法回答的问题，甚至在提供答案之前就被理解为适合这种方法；例如，原子如何结合形成分子？基因的基本性质是什么？原子本身是由什么构成的？
然而，当我们进入二十一世纪的第二个十年时，很明显，还原论作为我们发现工具库中的主要武器已不再足够。考虑一下现代科学面临的一些最重要的问题，几乎所有问题都与复杂的多因素系统有关。地球上的生命是如何开始的？生物物质如何进化出意识？暗物质和暗能量是什么？社会如何合作解决他们最紧迫的问题？全球气候系统的特性是什么？有趣的是，至少要注意到这些问题中的许多问题的一个共同特征；它们是由其操作实体的积累而不是分解造成的。它们的特征是集体涌现，即创造出大于其组成部分之和的属性。例如，无论意识是什么，它绝对是神经元共同作用的结果，而这从它们的个体结构来看并不明显。同样，生命的起源可以追溯到分子实体经历自组装，然后是复制和新陈代谢，这个过程超越了孤立组分的化学行为。暗物质和暗能量之谜的突出特点也是物质在大长度和时间尺度上的行为。研究社会中的合作本质上涉及研究群体动力学和进化冲突。所有这些问题存在中起作用的关键过程似乎几乎直观地涉及与还原相反的过程；它们都源于分子、物质、细胞、身体和人类在独特层次结构中的聚集。此外，关键在于，它们涉及在每个层级上出现的独特原则的体现，这些原则不能仅仅还原为底层级的原则。
长期以来，这种涌现已被视为持续解开科学谜团的关键。虽然科学家长期以来一直隐式地认识到涌现，但其现代开端无疑是诺贝尔奖获得者物理学家菲利普·安德森于1972年在《科学》杂志上发表的论文，题为《更多即不同》，这个标题已成为涌现爱好者的号角。在他的论文中，安德森（他碰巧首先提出了所谓的希格斯机制）认为，涌现并非什么稀奇之物；例如，一块盐的性质与构成它的高活性成分钠和氯的性质截然不同。一块黄金表现出颜色等性质，而这些性质在单个原子层面并不存在。安德森还呼吁对称性破缺过程，该过程在各种基本事件中被调用——包括希格斯玻色子的存在——作为涌现的工具。从那时起，涌现现象已被应用于数百个不同的案例中，从白蚁丘的建造到鸟类的飞行。始于60年代的混沌理论的发展进一步说明了非常简单的系统如何能够产生非常复杂和违反直觉的模式和行为，而这些模式和行为从单个组分的身份来看并不明显。
自安德森撰写论文以来，许多科学家和哲学家为对还原论的深思熟虑的批判和对涌现的赞赏做出了贡献。这些思想家指出，还原论不仅在实践中失败（因为它试图解释的系统非常复杂），而且在更深层次的原则上也失败了。例如，牛津物理学家大卫·德意志在他的著作《现实的结构》中，明确指出还原论永远无法解释目的；为了强调这一点，他问我们，它是否能解释伦敦温斯顿·丘吉尔雕像鼻尖上的特定铜原子的存在。德意志的回答显然是否定的，因为那个原子的命运是基于偶然的、涌现的现象，包括战争、领导力和崇拜。关于铜原子的结构，没有任何东西能让我们直接预测到某个特定的原子有一天会出现在那个鼻尖上。机会在这些发展中起着巨大的作用，而还原论在理解这种历史偶然事件方面几乎没有给我们提供安慰。
复杂性理论家斯图尔特·考夫曼（据说是《侏罗纪公园》中杰夫·戈德布拉姆角色的灵感来源）是这种基于偶然性的还原论批判的更有力的倡导者，他在两本书中阐述了他的思想。就像安德森一样，考夫曼并没有否认还原论在阐明我们的世界方面的巨大价值，但他也指出了大大限制其应用的因素。他最喜欢的例子之一是偶然性在进化中的作用，他的关注对象是哺乳动物的心脏。考夫曼提出，任何数量的还原论分析都无法告诉你心脏的主要功能是泵血。即使在不太可能的情况下，你可以从希格斯玻色子开始预测心脏和容纳它们身体的结构，这种演绎过程也永远无法告诉你，在心脏的所有可能功能中，最重要的功能是泵血。这是因为心脏的泵血功能既是历史偶然性和导致生物圈进化的无数偶然事件的结果，也是其从原子、分子、细胞和组织自下而上构建的结果。作为另一个例子，考虑一下构成地球上所有蛋白质的α-氨基酸。这些氨基酸有两种潜在的变体，左手性和右手性。除了极少数例外，我们所知道的所有功能性氨基酸都是左手性的，但没有理由认为右手性氨基酸不能同样好地为生命服务。那么问题是，为什么是左手性氨基酸？同样，还原论对这个问题保持沉默，主要是因为据我们所知，在生命起源过程中最初使用左手性氨基酸是一个偶然事件。现在，某种形式的还原论可能仍然可以通过诉诸关于化学键和能量学的分子水平论证来解释左手性氨基酸的后续传播及其在生物过程中的主导地位，但这种描述仍然会使起源问题悬而未决。即使像DNA的结构和功能这样基本的东西——从各方面来看，这都是还原论的胜利——也最好用化学原理来解释，如静电吸引和氢键。
因此，还原论在试图解释两件事时显得非常不足：起源和目的。人们可以看到，即使在处理左手性氨基酸和人类心脏时，它也存在问题，那么在试图解释例如亲属选择或地缘政治冲突时，它将处于更加糟糕的境地。事实是，这些现象中的每一种都最好用它们自身层面的基本原理来解释。化学有其共价键和空间效应，地质学有其风化和构造运动，神经学有其记忆增强和可塑性，社会学有其冲突理论。据我们所知，这些科学将继续进步，而无需希格斯玻色子和中微子的帮助。这也使得“万物理论”——即连接四种基本力的单一优雅方程——的发现虽然无疑代表了人类最伟大的智力成就之一，但不太可能让社会学家和经济学家有所停顿，即使他们继续使用自己特殊的基石原理工具包来研究股市和民主制度。
这种相当悲观的还原论观点可能听起来像是科学走到了尽头，或者至少已经开始在自身成功的重压下崩溃。但是，这种观点就像过去两百年中每隔几年就会出现的关于“科学终结”的公告一样，是错位的。每次宣布科学终结时，科学本身都证明了关于其消亡的说法被大大夸大了。首先，还原论将永远充满活力，因为通过将任何事物分解成其组成部分来研究它的通用方法将继续取得丰硕成果。但更重要的是，与其说是还原论的终结，不如说是结合还原论和新的思维方式的更通用范式的开始。还原论的局限性不应被视为绝望的原因，而应被视为庆祝的原因，因为它意味着我们现在正在进入新的、未知的领域。科学仍然有无数个深奥的谜团需要解决，从暗能量、意识和生命起源，到更所谓的平凡的关注，如超导性、癌症药物发现和玻璃的行为。这些问题中的许多问题都需要跨学科的方法，从而形成特定于问题陈述的基本原理。这种融合本质上将仅将还原论作为一种组成部分。
现在有些人可能不认为这些问题“足够基本”，那是因为他们会通过传统的二十世纪科学的视角来看待这些问题。还原论事业的可悲牺牲品之一是一小群人，他们认为宇宙学和粒子物理学构成了唯一真正值得做的事情以及基础科学的缩影；其余的都是可以由二流头脑填补的细节。尽管存在一个不方便的事实，即也许 80% 的物理学家根本不关心基本问题。但是，如果您认为流体湍流是二流头脑的二流问题（仍然没有解决），那么您就是在自欺欺人，特别是如果您还记得海森堡认为上帝将能够为量子力学提供解释，但不能为湍流提供解释。事实是，像超导性这样的“平凡”的关注已经吸引了过去五十年中最优秀的一些头脑，但它们并没有完全屈服于这些关注，而且在它们自身的层面上，它们与希格斯玻色子或加速宇宙的发现一样困难。探索这些有价值的难题与科学中的任何其他努力一样令人兴奋、深刻和令人满意。那些想知道接下来会发生什么的人不必担心；一段精彩的旅程就在前方。
为了指导我们踏上这段旅程，我们只需要记住二十世纪最伟大的还原论者之一和彼得·希格斯英雄之一的话。保罗·狄拉克在他的量子理论名著的结尾写道，这些话语有望像它们对还原论的二十世纪一样，成为对涌现的二十一世纪的伟大预兆：“这里需要一些新的原则”。
参考文献
1. P. W. 安德森，《更多即不同》，《科学》，1972年，177，393
2. 大卫·德意志，《现实的结构》，2004年
3. 斯图尔特·考夫曼，《重塑神圣》，2009年； 《宇宙中的家园》，1996年
其他阅读
1. 特伦斯·狄肯，《不完整的自然》，2011年
2. 约翰·霍根，《科学的终结》，1997年
3. 罗伯特·劳夫林，《不同的宇宙》，2006年