作者：菲利克斯·弗利克，是一位理论物理学家，也是英国布里斯托尔大学的物理学高级讲师。他是《物质的魔力：晶体、混沌与物理学的魔法》（2023）一书的作者。

世界由什么构成？几个世纪以来，人们一直相信物质是由微小的、不可分割的粒子构成的。已知最早的相关论述来自希腊哲学家德谟克利特，他认为宇宙是由漂浮在阳光下的尘埃大小的原子组成。上座部佛教发展出了“卡拉帕” （kalapas）的概念，指的是不可分割的、属性的集合体，它们转瞬即逝，时隐时现。炼金术中对基本“微粒”的描述，由艾萨克·牛顿等人阐述，其灵感来源于中世纪伊斯兰学者对亚里士多德著作的翻译。而1949年诺贝尔物理学奖得主汤川秀树，因其在发展现代粒子基本理论方面的贡献而获奖，他的灵感则来自中国战国时期写成的道家经典《庄子》中的一段文字，其中描述了快速运动的物体在无形的混沌中刺穿孔洞。汤川秀树从中看到了粒子碰撞的相似之处。

因此，我们现在用来指代这些不可分割的组成部分的“粒子”概念，已被反复以相互矛盾的方式重新引入。现代观点延续了这一传统。在19世纪末的物理学中，粒子是具有明确位置和动量的微小不可分割的物体。量子力学的出现使这些清晰的概念变得模糊不清。但基本思想依然存在：我们从小就被教导物质是由原子构成的，原子由电子等粒子构成，而电子本身并非由其他任何物质构成。因此，这些粒子有时被称为基本粒子。但它们真的是基本粒子吗？宇宙真的像沙滩由沙子构成那样，是由最小的组成部分构成的吗？

这个问题的答案，我认为或许会出人意料：宇宙的确是由基本单元构成的——但基本单元并不一定意味着最小的单元。这种观点普遍被像我一样从事物理学领域最大分支——量子物质——研究的物理学家所接受。量子物质研究的是日常生活中常见的量子行为：铁对磁铁的吸引力、电流在导线中的流动，以及声音在晶体中的传播。在这些现象中，我们同样发现了粒子。但这些粒子并非像电子那样的基本粒子：它们是涌现粒子。

这种区别可以这样理解。想象一个灯泡，它的光线照射到你的眼睛。我们可以问，这些光线是由什么构成的？量子力学给出了答案：一束光线是由称为光子的单个粒子组成的。反过来，我们可以问，光子是由什么构成的？这次的答案是，它们不由任何其他物质构成：它们是基本粒子。现在想象这个灯泡是老式的，发出轻柔的嗡嗡声。它发出声波，这些声波传播到你的耳朵。我们可以再次问，这些声波是由什么构成的？量子力学再次给出了答案：声波可以用称为声子的单个粒子来描述。如果你熟悉粒子物理学的标准模型，你就会知道它包含光子，但不包含声子。原因是声子不是基本粒子。如果你问声子是由什么构成的，答案是：它是空气中原子振动的模式。然而，在量子物质的研究中，我们称其为涌现粒子。

那么，什么是涌现粒子？它们和基本粒子一样真实吗？或许最重要的是，它们能告诉我们关于现实本质的任何新信息吗？

T要回答这些问题，我们首先需要就“涌现”、“基本”和“粒子”这几个术语的含义达成共识。当然，这是一场哲学讨论，每个术语都曾被广泛争论，甚至有专门的教科书对此进行阐述。我将做一个简短且希望不会冒犯到任何人的总结。

如果一种现象由各个部分构成，但若将其还原为各个部分，就会丢失描述中的某些关键方面，那么这种现象就是涌现的。量子物质的先驱之一菲利普·安德森（Philip Anderson）对亚里士多德的格言进行了更新，从而提出了这一概念：整体不仅大于部分之和，而且可能与部分之和截然不同。以冰为例。冰具有构成它的任何一个水分子都不具备的涌现特性。例如，它是冷的。冷并不是单个分子可以拥有的属性。冰也是刚性的：推动冰块的一边，另一边也会移动。这既不是单个分子的属性，也不是它们总和的属性，因为同样的分子也可以形成液态水，而液态水并不具备这种刚性。冰是纯粹的涌现物。

如果实体彼此独立，并且构成理解所有其他现象的基础，那么它们就是基本的。元素周期表中的原子一度被认为扮演着这样的角色：它们是理解分子、进而理解生命体等等的基础。但我们后来发现，原子本身也可以用电子、质子和中子等基本粒子来描述。（因此，我们过早地称它们为原子！）认识到这一点，我们可以得出两种可能的结论。

一种观点认为基本粒子才是基本的，而不是原子。另一种观点认为，事物可以在某个描述层次上是基本的，同时承认其他事物在其他层次上也可能是基本的。原子对于化学来说是基本的，但对于核物理来说则不是。后一种观点通常是科学家和哲学家所采用的。这不无道理，因为我们永远无法确定是否已经触及了所有层次的底端。例如，质子是由夸克构成的，而诸如弦理论之类的各种假说试图对更低层次的描述进行阐释。重要的是，科学永远无法告诉我们，我们所处的描述层级是否是最低的：它只能将其作为一种假设提出，而这个假设可能会被进一步的数据证伪。因此，如果我们把“根本的”限定为“最根本的”或“在所有可能的层级上都是根本的”，那么这个概念就超出了科学的范畴。

我突然想到一个主意——灵光一闪！这个洞就像一个粒子，而环绕的水流就像它的场。

粒子最初是一个相当简单的概念：它具有明确的位置（这要求它极其微小）和明确动量。牛顿力学的所有理论都可以用位置和动量这两个量来描述，因此粒子是构成自然界基本单元的绝佳候选者。然而，随着量子力学的出现，这一切都被推翻了。我们发现，位置和动量不可能同时被明确定义：因此，量子粒子的概念本身就是一个矛盾。

因此，在现代物理学中，“粒子”一词的含义有很多种，而且并不完全相同。大多数物理学家乐于接受的定义是：粒子是量子场的激发。当然，这又引出了一个问题：我们所说的量子场究竟是什么？在量子力学出现之前，场的概念是可以直观理解的。迈克尔·法拉第提出场的概念，是为了对磁铁的行为给出一种机械的解释：将磁铁移到这里似乎会影响到那里的指南针指针，这听起来有点像魔法。因此，法拉第提出，每个磁铁都是一个不可见磁场的源；移动磁铁会影响其磁场，而指南针所在位置的磁场变化会导致指南针的移动。场的存在消除了超距作用的必要性。由此推论，当一个电子感受到远处另一个电子的影响时，我们可以说这是因为每个电子都是一个电场源。

量子场论的出现使我们能够探究场本身是由什么构成的。这里就有点绕回了原点。场是由粒子构成的，而粒子又是场的激发态。在量子场论的框架下，场和粒子在概念上是无法分离的。为了更好地理解这种共生关系，我们可以举个例子。想象一下，我正躺在温暖舒适的浴缸里，突然意识到自己不小心拔掉了塞子，目光瞬间从肚脐上移开。水面上形成了一个漩涡，中心是一个连接水面和塞子的细小孔洞。我灵光一闪——找到了！这个孔洞就像一个粒子，而旋转的水流就像它的场。我想象自己缩小到一条小鱼的大小，在水面下游动。以前我根本不会注意到水的存在，但现在我能感受到漩涡的旋转拉力。离漩涡越近，这种拉力就越强，这表明漩涡中心存在某种能量源。但无论我多么靠近，在水中，那个洞总是越来越小。

这个浴缸的比喻揭示了物理学和哲学中一个由来已久的争论：究竟是粒子还是场才是根本？一方认为，既然我们只能探测到粒子，而无法探测到场，那么前者才是根本，而后者仅仅是数学上的抽象概念。（顺便说一句，我并不认同这种观点：我们无时无刻不在探测场，例如用磁铁移动指南针时，许多声称探测粒子的实验也是通过探测它们的场来实现的。）另一方则反驳说，粒子是从场中产生的，所以场必然更加根本。我承认，我从未真正理解过这场争论。粒子和场是密不可分的： 在浴缸里，连接水面和排水口的漩涡状孔洞的存在仅仅依赖于水，而水的循环也仅仅依赖于这个孔洞。试图确定哪一个更根本，就好比争论房间的定义一样荒谬，一方认为是墙壁，另一方则认为是墙壁之间的空间。

回到量子场论，教科书中的描述通常以这样的结构开始。想象一长串原子通过化学键连接在一起，就像一条弹性项链，珍珠串在一根弹力绳上。如果一个原子试图向左移动，它会被拉回右侧，反之亦然。就好像每个原子都被一个量子弹簧束缚在原地一样。这就是我们对量子场的理解。要从振动的原子过渡到量子场，最后一步就是模糊你的视线：将事物平滑化，使你无法再看到单个原子，只能看到它们粗略的行为。最终的结果，就是一幅由众多量子弹簧组成的平滑图像，这就是我们所说的量子场。

假设你敲击一个原子来“激发”它。会发生什么？这个原子开始更剧烈地振动，带动相邻原子振动，相邻原子又带动它们的相邻原子振动，如此循环往复。振动沿着原子链传递。在粗粒化层面上，这种量子场的激发就是我们所说的粒子。对于实际的原子链，我们称这种粒子为声子。它以振动的形式传递声音。但类似的激发存在于任何量子场中。声子是一种涌现粒子：它可以被简化为原子的振动，但这会丢失描述的关键方面（例如，声音的直观概念）。

我我们有理由质疑，刚才描述的这种粗略的原子链量子振动描述，如何能够描述电子和光子等基本粒子。答案是，我们可以舍弃原子，保留量子弹簧。这或许令人惊讶。毕竟，原子是唯一实际存在的物质，而弹簧只是描述原子间相互作用的抽象概念。如果没有原子，那么振动的又是什么呢？但这其实是老生常谈的另一种说法：如果光是波，那么它必然存在于某种介质中。爱因斯坦解释说，情况并非如此：光可以脱离介质而存在。在描述基本粒子时，量子弹簧存在于时空中的任何点。它们并非存在于真空之中，而是真空本身。

如果这一切听起来匪夷所思，那么值得注意的是，量子场论（特别是量子电动力学，即光子和电子理论）的预测已被证实，精度达到十亿分之一。就验证精度而言，它是历史上最精确的理论，而且优势非常明显。

一旦我们最终得到去除原子结构后的最终图像，基本粒子和涌现粒子的数学描述之间就没有本质区别了。我们只是恰好知道，如果我们愿意，后者也可以用原子来描述。

涌现现象显然存在。例如，猫头鹰是存在的，它们是真实存在的。但它们也是涌现现象。

尽管如此，人们常常认为基本粒子是“真实的”，而涌现粒子则不是。为了强调这种简化状态，涌现粒子有时被称为“准粒子”。其理由是，例如，声子只是对真实原子运动的一种更简单的描述。

我在此提出几点异议。首先，涌现事物显然存在。例如，猫头鹰是存在的，它们是真实的。但它们也是涌现的，因为它们可以用原子来描述。其次，正如前面提到的，涌现粒子和基本粒子的数学描述是相同的。如果数学表明它们是相同的，我们又凭什么断言它们是不同的呢？答案不可能取决于原子，因为为了得到场的描述，原子已经被抹去了。

第三，我们关于涌现粒子的证据与关于基本粒子的证据一样直接。例如，让电子穿过一层薄薄的铝膜（比如，用铝箔替换旧式阴极射线电视的屏幕，同时巧妙地保持真空密封）。你会发现电子穿过铝箔后能量会降低。但重要的是，你会发现损失的能量总是某个最小值的整数倍——1、2、3等等，但不是1.2或1.37。为什么呢？因为电子在箔片内产生新的涌现粒子（称为等离子体激元）时会损失能量。每个等离子体激元的产生都需要消耗相同的能量。粒子不可能只有一半，所以产生的等离子体激元数量分别为一个、两个、三个，以此类推。涌现粒子的存在对于解释这种效应至关重要。

一个较弱的论断可能是：涌现粒子是真实的，但并非基本粒子。但这实际上是援引了“基本粒子”的某种定义，即只有一种事物才能拥有这种地位。正如我们所论证的，这种论断在科学上是站不住脚的。科学的论断必须是：涌现粒子和基本粒子具有完全相同的本体论地位。换句话说，它们彼此同样真实。

T我所挑战的观点，即基本粒子和涌现粒子本质上不同，是历史发展的结果。我之前在教科书中对基本粒子的介绍，将其视为涌现粒子的抽象概念。但这并非我们历史上对基本粒子的理解方式，也不是我们现在对它们的实际构想。基本粒子和涌现粒子的理论发展于不同的出发点，直到最近我们才开始将它们视为同等重要的概念。

为了说明涌现粒子概念的历史演变，我们可以考虑三种我们通常理解为物质内部电子的物体。每种描述都成立，但适用场景各不相同。

最简单的例子，也是最早被理解的例子，是基本电子飞入电绝缘体晶体（例如石英）的情况。进入晶体后，电子的行为基本与在晶体外时相同。它仍然具有质量和电荷。然而，这些性质会发生改变。我们可以用一个经典的类比来理解这一点。想象一下基本电子就像一颗小而重的弹珠。假设你想测量它的质量。为此，你可以来回摇晃它，精确记录产生特定加速度所需的力；质量就是加速度和力的比值。现在想象一下在浴缸里重复这个实验，把弹珠浸入水中。你需要施加更大的力才能获得相同的加速度。这是因为你不再只是在移动弹珠，你也在移动水。弹珠似乎因为与水的相互作用而获得了质量。当电子进入晶体时，情况也类似。它的性质会因为与周围原子的相互作用而改变。试图移动电子需要额外的力，因为你现在还要对抗晶体。

人们很容易再次提出这样的观点：这种新的“涌现电子”（即质量发生变化的电子）并非真实存在，或者并非基本粒子。难道真实存在的电子不就是基本电子加上一些相互作用吗？然而，除了与之前的论证相悖之外，认为唯一真实存在的是无相互作用的电子这一说法本身也存在诸多问题。首先，无论是基本电子还是涌现电子，它们始终处于相互作用之中。它们通过电荷与可观测宇宙中所有其他带电物体相互作用，并通过质量与所有其他有质量的物体相互作用。其次，对电子或任何其他粒子的任何测量都需要与测量装置发生相互作用。第三，因此，任何假设的无相互作用粒子的存在，即使在理论上也永远无法被测量，因此不能被视为科学假设。

第一颗弹珠落到杯底。随着更多弹珠的加入，杯子逐渐被填满，后续的弹珠必须放在先前弹珠的上方。

从历史上看，人们接下来要了解的电子类型是金属中的电子。这里的情况比乍看起来要复杂得多。例如：当你用金属导线连接电池的两端时会发生什么？金属中含有许多不与特定原子结合的电子。导线两端的电压会使这些电子移动，从而产生电流。然而，如果我们测量参与电流的电子数量，会发现它与未结合的电子数量相比微乎其微。为什么呢？

我们可以通过回到弹珠的比喻来理解原因。暂时先忽略水。不妨把充满电子的导线想象成装满弹珠的杯子。为了更好地理解，拿一个空杯子，然后一颗一颗地把弹珠放进去。第一颗弹珠会沉到杯底。随着弹珠的不断放入，杯子逐渐被填满，后面的弹珠必须落在前面的弹珠上面。每颗弹珠都想尽可能地降低自身能量，但后面的弹珠却不得不比前面的弹珠高一些。

金属中的电子也是如此。想象一下，如果把金属中的所有电子都移除，然后再一个一个地添加回去。最初添加的电子会占据能量最低的能级。后来添加的电子会发现这些能级已被占据，因此必须占据能量更高的能级。

为了更好地理解电池的作用，想象一下轻轻摇晃杯子，试图让里面的弹珠移动。底部的弹珠纹丝不动，只有顶部的弹珠可以自由移动。这就是为什么只有极少数的电子承载着导线中的所有电流。

就像放入杯中的弹珠必须位于所有其他弹珠之上一样，如果不参考所有已存在的电子，就无法理解进入金属的电子。它不仅与这些电子相互作用，而且还与它们发生量子力学纠缠。从这个角度来看，第二类涌现电子——基本电子加上与金属中所有其他电子的相互作用和纠缠——竟然与基本电子如此相似，这本身就令人惊叹。事实上，它确实如此，但这一概念（被称为费米液体理论）的理解却花费了数十年时间。

正如安德森所说，整体不仅大于部分之和，而且也与部分之和不同。

物质中最后一类电子是最近才被理解的，也是量子物质领域之外讨论最少的。我需要补充一点，目前的证据都是间接的。回到最初的类比，考虑一下浴缸里的涡旋。这里没有弹珠，但涡旋本身具有许多粒子般的特性：例如，你不能拥有半个涡旋，就像你不能拥有半个粒子一样；两个或多个涡旋可以通过浴缸里的水进行远距离相互作用；你甚至可以像之前那样，通过尝试赋予涡旋加速度来赋予它质量。涡旋和粒子之间的类比并不完美，因为涡旋不是量子的。但是，在某些晶体中，量子涡旋确实存在。它们是第三类涌现粒子的成员，是所谓的“涌现规范场”的激发态。

为了理解第三类现象，这次我们考虑一种磁性晶体。我将描述一种特殊的磁性晶体，称为量子自旋冰，尽管还有其他例子也展现出类似的效应。磁性源于单个原子，每个原子都有其自身的量子磁场，称为“自旋”。（严格来说，原子是带电离子，但这与本文无关。）从这些自旋出发，我们可以再次模糊视野，直到只看到量子场。那么，涌现出的粒子会呈现怎样的形式呢？

三种粒子涌现出来。第一种是涌现电子。这令人深感意外，因为这次并没有基本电子存在，只有带有磁场的离子。正如安德森所说，整体不仅大于部分之和，而且也与部分不同。第二种涌现粒子，磁单极子，则更加奇特。电子带有电荷，而磁单极子则带有“磁荷”。它看起来像一块没有南极的磁铁的北极。我们在学校里学到，这是不可能的：将一块磁铁切成两半会得到两个较小的磁铁，每个磁铁都有南北极，而不是两个独立的南北极。但是，作为量子自旋冰中的涌现粒子，磁单极子是可以存在的。第三种粒子是涌现光子。与基本光子一样，它决定了信号在晶体中传播的最大速度。它还介导涌现电子和磁单极子之间的相互作用。

这三种涌现粒子都非常奇特，因为它们所展现的性质在它们涌现的层面上并不存在。其他晶体中的涌现粒子也同样能够呈现出基本粒子从未展现过的形态。磁单极子就是一个例子。其他涌现粒子，例如声子——声音的粒子——不可能以基本粒子的形式存在（因为声音离不开介质）。有些晶体中，电子的电荷和自旋会分离成独立运动的粒子（“空穴”和“自旋子”），就像柴郡猫的笑容分离一样。有些粒子（“任意子”）彼此传递后会变成不同的粒子。还有一些粒子（“玻色子”）的电荷可以处于正负量子叠加态。总的来说，你能想象到的任何粒子都可能存在于某种晶体中。

T这一非凡的事实引出了一个令人着迷的可能性：如果基本粒子本身实际上是涌现出来的呢？如果在我们所认为的现实之下，存在着某种类似原子的物质，质子、电子等等都是从中涌现出来的呢？格里戈里·沃洛维克在《氦液滴中的宇宙》（2003）一书中对此做出了明确的阐述。简而言之，如果我们缩小到几个原子的大小，并在像液氦这样的低温量子流体中游泳，我们就会遇到各种各样的涌现粒子，它们在我们看来就像我们现在所认为的基本粒子一样真实和根本。那么，谁又能断言我们不是已经存在于这样的流体之中呢？正如沃洛维克所观察到的，物理学中一些最大的未解之谜将立刻得到令人满意的解答。

温晓刚及其合作者等其他学者也提出了类似的观点，他们指出，这类方法旨在对现实进行比弦理论等更为根本的描述。例如，弦理论需要假设诸如“费米子”之类的粒子类别；但如果现实是由量子流体支撑的，那么这些粒子类别本身就可以自然而然地涌现出来。

沃洛维克和温都未声称拥有基本粒子的最终理论。但重要的是，他们理论中的某些特定方面可以利用现有技术和已知材料进行验证或证伪。这使得我们能够在验证后利用由此产生的粒子。例如，任意子被认为是通往实用量子计算的可行途径之一。

那么，基本粒子是涌现的吗？即便我们最终能够回答这个问题，我们仍然会面临同样的问题：无论我们发现什么？归根结底，你是否喜欢这个想法取决于个人喜好，或许也与你的文化背景有关。那些广为人知的“万物理论”尝试总让我觉得与旧约中的某些主题有着惊人的相似之处：宇宙曾经可以用一个单一的数学公式来描述，但那个唯一的、真正的量子场在一次灾难性的事件中自发地崩溃了，最终形成了我们眼前这团杂乱无章的粒子。另一方面，我发现量子物质的视角与《庄子》等道家经典有着异曲同工之妙。从这个新的视角来看，我们当下的世界才是美丽的。它从各种理论的泥沼中生长而来，每一种理论都因其随意性而显得丑陋：我们选择哪条路都无关紧要，因为它们最终都会通向这里。