什么是“基本”？

昵称40471325 2017-11-14

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对于那些非常有趣的物理系统而言，我们可以用不同的语言来对它们进行描述。例如，一个细胞可以从量子力学或经典力学、从计算或信息处理、从生物化学、以及从进化和遗传学或行为和功能学的角度来理解。我们常常说上述的这些描述中的某一些比其他的描述更为“基本”，许多物理学家也为追求最基本的定律而感到自豪。但“基本”究竟是什么意思呢？

“更基本”是指尺度更小吗？好像也不见得：例如，如果宇宙暴胀的概念是正确的，那么暴胀场中的量子的大小与可观测的宇宙一样大。

那“较不基本”的东西是由“基本”的东西组成吗？也许是吧，虽然细胞确实是由原子构成的，但也许更应该说它是漫长历史和进化过程的结构和遗传信息构成的。这个过程是否比细胞更为基本？

什么是基本理论？

通常来说，如果一个理论不能源自于另一个更完备的理论，或者说它不能从另一个更完备的理论中推导出来，那么这个理论是基本的。更完备意味着这个理论的适用范围更大。一个基本理论可以从另一个同等意义的理论中推导出来，在这种情况下，你或许可以说这两个理论其实是一个理论。

纵观历史，人类对自然科学的基本原理的探索和发现已经取得了巨大的进展。然而，这并不能保证它将继续是一条前进的道路。问题在于“不能源自于另一个理论”的表达，这句话可以有三种不同的解读：

1. 理论上的不可能

还原论的信徒认为，我们现在所知道的自然定律并非如此：它们都应该遵循一个最基本的“万物理论”。诚然，还原论被证实是非常有用的，因此我们有充分的理由将它继续下去，但我们无法知道这种减少是否在自然规律中一直可行。接着，留给我们的将是在不同尺度上描述自然的层层无法从彼此推导衍生的理论，因此它们都被认为是同等基本的。虽然目前我们还没有这方面的证据，但这是一个可以自洽的观点。

2. 实践中的不可能

由于实际中的限制，从更基本的理论中推导新的“涌现”特征或许是不可能的。例如，它可能需要比我们所拥有的更多的运算能力、或者比宇宙的寿命还长的运算时间才；它可能需要无限精确的初始条件的信息；它可能需要更准确地测量参数，在一个我们无法企及的精度；它可能需要一个星系那么大的探测器来完成等等等等。

3. 还不可能

可能我们没能找到一个“基本”理论的源头，仅仅是因为我们目前的知识还不够充分，但或许我们可以通过更多的研究找到这样一个推导。

好，那么现在还是那个问题，到底什么是“基本”？我们的问题是，在任何时候，我们可能都无法知道需要处理的是这三种情况中的哪一种。例外是如果我们有一个确切的不能再推导的实际证明。因此，我们对情况进行评估，这种评估可能会随着我们对理论更好的理解而改变。在某些情况下，我们对一个定律是否是“基本”与否会有一个比较明确的共识，但在大多情况下，可能并不是那么清楚。

以塔利-费舍尔关系（Tully-Fisher relation）为例，它将旋转星系的光度与其旋转速度的四次方联系起来。这是一个从数据中精炼得来的摸索式关系，它很有用，并具有预测能力。从这个关系中没有推导出其他东西来；似乎也不会有物理学家把它认作是一个基本的定律。相反，随着对天体物理研究的不断深入，我们或许最终能够推导它。

还有一个有趣的例子就是提丢斯- 波得定律（Titius-Bode law），根据这一定律，行星与太阳之间的距离会根据它们的顺序呈指数级增长。这条定律到天王星之前都运行良好，但却在海王星处失效了，但是当这条定律被提出时，人们还不知道那些遥远的行星。人们曾经认为行星的轨道是由基本原理固定的，但随着对引力相互作用的理解变得深入时，“定律”被降级为“规则”，或者甚至变成一个巧合。虽然随着对太阳系形成有关的动力学知识的进一步了解，这一关系的近似有效性可能是一个“涌现”特征，可被认为大概有效。

当然，还有一个经常讨论的问题就是，理论上讲，我们是否可以从物理学中推导出所有的生物学、心理学、社会学和经济学，因此物理学便成了所有科学中最基本的学科。许多物理学家认为这是事实，但是我们离得到实际的推导还远着呢，我们根本不知道正在处理的三个“不能推导”问题中的哪一个。