宏观性质和微观细节真的有直接联系吗？

龚明，中国科学技术大学

现在科学家已经发明了很多工具来测量材料的微观结构，所以为了研究某些物质的宏观性质，可以在实验上直接测量和表征它们的微观结构。下图就是典型的例子，这些工具包括X射线衍射（XRD），拉曼（Raman）谱以及原子力显微镜（AFM）等。有些实验还会用同步辐射来观察原子的位置的移动，结构、组分和缺陷等。那么，这些性质到底在多大程度上加强了我们对宏观性质的认识呢？或者说，这些微观结构和宏观性质之间是否有简单的，直接的，可以度量的关系呢？ 答案是没有简单的定量关系，但是很多文章似乎都回避了这个问题。下面列举两个例子，并分析其困难。

第一个例子：我们测量某个材料的光谱或者光电转换性质以及微观结构，并试图从微观结构的变化理解宏观光谱的性质。比如比较光谱的变化和形貌的变化，并试图从形貌的变化解释光谱的移动等。但是仔细一想，就会发现问题。这是因为光谱是电子能带的性质，而微观结构是原子的表面的性质，二者之间其实可以无直接关联。

第二个例子：我们在测量材料的力学性质的时候，往往会测量其微观结构。这样可以将力学性质的改变归结于微观结构的变化。可是，这些性质和结构之间到底有什么关系？ 目前，科学家几乎不可能建立一个直观的理论解释宏观性质和微观结构之间的关系。更何况我们看到的是材料的宏观性质，而实验上测量到的只是一个局部的微观结构的变化，二者怎么可以建立直接的联系呢？

事实上，我们可以列举一个和物理无关，但是非常类似的例子来理解上面的两个问题。假设要知道中国经济的总体趋势，我可以列举一些个人的收入情况，或者一些公司的经营情况。直觉告诉我们，无论如何，这样的考虑是不正确的。所以我们才用到了统计分析。因此，当我们希望建立微观结构（比如个人收入）和宏观之间（比如国家经济）之间的关系的时候，存在一个巨大的困难，即微观结构不是一个可以清晰度量的物理量，或者是一个维度巨大的物理量，而宏观性质是可以用单个变量定量描述的。从逻辑上，这条路可能从根本上是行不通的。道理其实显而易见，正确的方式应该是这些微观结构是以一种复杂的、统计的、间接的方式，影响着材料的宏观性质。显然上面的几个例子并没有考虑这一点。这是一个巨大的困难，至今没有办法解决，而许多人还在使用类似的方法从事科学研究。

仔细一想，读者其实不需要读这篇文章，就会有答案，宏观性质和微观结构之间，怎么可能有简单的直接的关系呢？ 对，本该如此。本文的目的是为了分享一个尝试，如果我们放弃那些根深蒂固的习惯，会看到什么？ 未来我会继续思考这个问题。走笔至此，让我们回顾一下笛卡尔在《第一哲学沉思录》中的一段话：“我在很多年前就已经觉察到，我从早年以来，曾经把大量错误的意见当成真的加以接受。从那时起，我就已经断定，要想在科学上建立一些牢固的、永久的东西作为我的信念，我就必须在我的一生中有一次严肃的把我从前接受到信众的所有意见一齐去掉，重新开始从根本做起。”事实上，即便在现在的一些教材中，有些内容或者是错误的，或者是不真实的，或者是其成立是有条件的，无论是哪一种，它们被过渡使用和过渡相信了。