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物理学与脑科学里的“美”与“丑” 精选

已有 10375 次阅读 2015-3-1 14:12 |个人分类:学问|系统分类:科研笔记| 物理学, 脑科学

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(beautifulsymmetricalelegant)”;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”(当今活着的物理学家里,对这个主题讲的最好的人之一当然是杨振宁先生)。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(theyre too beautiful to be not true)。

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(比如早就拿了诺奖的,经典的Hugkin-Huxley Model), 不说和今天的理论物理里的基本定律,就算和牛顿定律在物理里的地位怕也不能比。不知是不是凝聚态物理学家和理论神经科学有“同病相怜”之感,我见过和听说过的物理学家转过来搞神经科学的,属凝聚态物理学家最多(不过,搞弦论转行来搞神经的,居然也有不少)。现在的理论神经科学中某些理论猜想,甚至直接搬用凝聚态和统计物理里的方法。

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”(minimal computation),直接借鉴了基本物理定律里简洁和对称的原则。而剑走偏锋又颇有名气的,写《集异璧》的侯世达算一个,他对人脑的认知中发现像物理基本定律中一样的美坚信不疑,虽然几乎没有业界人士对他的努力完全认同,他还是在这条路上孤独地走了近二十年。

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(当然我“有资格”去跟人讲我认不认同,那是以后的事)。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。这学期跟我上一门数学课的C先生讲到爱因斯坦时,也如是这般说。老先生今年已过八十,爱因斯坦算是他的老师的老师,他其他两个导师是香农和维纳。他年轻一点时,花了二十年的时间,最终意识到,用在量子力学里的creation/annihilation  operators,可以用在大脑神经网络的数学描述中,以他名字命名的model是历史上第一个大尺度神经网络的数理模型。他的讲课,有时候甚至会把微积分里的基本的数学,和希格斯波色子,还有视觉皮层里的数学上的相似之处一语道破,让本来就喜欢“融会贯通”的我时不时大呼过瘾。不过他也强调,有些时候, 数学上的巧合极其重要,而有些巧合就只是巧合而已。于是下面有人问那怎么看出来什么是重要而什么是巧合呢。老先生莞尔一笑,耸了耸肩……

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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