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無序之美:與椋鳥齊飛【諾貝爾物理學獎Parisi解開複雜系統的八堂思辨課】

無序之美:與椋鳥齊飛【諾貝爾物理學獎Parisi解開複雜系統的八堂思辨課】

In un volo di storni. Le meraviglie dei sistemi complessi

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內容簡介

√ 2021 年諾貝爾物理學獎Parisi的開創性研究 √

☆║諾貝爾物理學獎讚詞║☆
「Parisi發現了從原子到行星尺度的物理系統中,無序和漲落的相互作用。」
亂中有序——「複雜系統」背後存在著共同規律
解開21世紀跨領域間的普遍秩序

  ◎沒有指揮,鳥群為何能快速變化陣形?而且不會相撞?
  ◎微觀細節完全不同,集體行為卻相同?
  ◎看似完全無關的系統之間卻存在著共通性原理?
  ◎解決科學問題的典型過程與小說家創作過程一樣?

  ★一部天馬行空、妙趣橫生的大師之作!
  ★物理學家跑田野,打破你的慣性思維!
  ★看見頂尖科學家自我顛覆與突破的研究過程!
  ★破解21世紀AI技術、網際網路、神經網絡、金融波動、人際關係、流行病學等……多元領域間的共通框架

  愛因斯坦曾說,「21世紀是複雜科學的世紀」。本書是帕里西為一般讀者所寫,罕見用優雅簡潔的論述方式,解開複雜系統的內涵與真相,思想深刻、風趣幽默、深入淺出,忠實呈現並反思自己獲得諾貝爾獎關鍵性成果背後的研究經歷與教訓,令人驚奇且愉快。

  帕里西將科學實踐從實驗室中移出,來到椋鳥群飛的現場。冬天的羅馬,無數椋鳥有節奏地迴旋飛舞,遮蔽天空,就像有個樂隊指揮——這樣複雜的集體行為,是如何做到的?帕里西觀察鳥群的飛行、設計實驗、重建單個標本在空間和時間上的軌跡、建立3D圖像、深化技術操作、自承失敗重新設計……,最終,鳥群的飛行為複雜系統提供了一種啟發性的規則——包括從原子和行星到其他動物;許多不同的、看似毫無關聯的現象,例如大腦網絡、人際關係等,都可以用這種新的模式理解。

  帕里西揭示了微觀行為與宏觀規則之間的關聯;跨學科間合作的優點與缺失;為什麼保留過去的記憶以及理解每一代科學家在想什麼非常重要;1968年全球學運浪潮下,物理學院如何回應這股氛圍以及促進科學躍進;直覺推理、微創造力、隱喻與類比等在科學的重要性與作用?他更廣博深刻地談到科學的文化價值,科學對繁榮社會的意義等。

  每年我們都會興奮地觀看諾貝爾獎揭曉,卻很少人能理解每項發現背後所經歷的時間跨度、前人的努力。這艱辛的過程沒有留下任何痕跡,卻是美麗的。帕里西這本書讓我們看到這個過程。他說,科學需要創造力、大量的紀律,但也需要一點運氣。要取得優異成果,就不能害怕付出努力。

  無序系統的奇境世界已經向你敞開了大門,歡迎即刻進入。

本書特色

  1.少見精簡闡釋「複雜系統」(義大利文sistemi complessi,英文complex system)的大師之作。
  2.「複雜系統」可以用來了解及管理不同領域中形形色色的系統,提供我們看待萬千世界的新視角。
  3.揭開諾貝爾獎Parisi背後的研究故事以及一代代科學家間有趣的激盪過程
  4.前所未有,物理學家跑田野:從鳥群切入,跨物理學、生態學、數學。
  5.搭配重要科學圖,有助理解。
  6.邀請國內首屈一指的專家擔任翻譯指導與導讀,增加可讀性:特邀義語專家倪安宇與物理學者仲崇厚擔任譯文指導,並有三篇國內傑出物理學者的導讀推薦文。

專文導讀推薦

  仲崇厚|陽明交通大學電子物理系特聘教授
  林秀豪|清華大學物理學系特聘教授
  陳宣毅|中央大學物理系教授暨中央研究院物理所合聘研究員

一致推薦

  林大利|農業部生物多樣性研究所副研究員.澳洲昆士蘭大學生物科學系博士
  湯偉君|前萬芳高中生物教師
  蔣正偉|臺灣大學物理學系教授

各界好評

  「不需要興趣或物理學背景就能欣賞帕里西的工作。這位物理學家以簡單易懂的語言為外行人士寫作,避免讓讀者感覺自己走進了演講廳,讓讀者可以一睹他的作品,並了解多年來科學研究的演變……在科學素養日益受到錯誤訊息挑戰之際,這本看似薄薄的書為科學素養的價值提供了有力的論點……帕里西的書是讓物理學變得更容易理解的一步。」——美聯社

  「我是一個物理系學生,看了這本書,突然忘了考試時哭過的一切。」——物理系學生fiordiligi

  「喬治.帕里西以其科學創造力、獨創性和力量而聞名。在這本令人興奮的小書中,他展現了人性的一面。讀完後,讀者會覺得自己結識了一位迷人、機智的新朋友。」——法蘭克.威爾切克(Frank Wilczek),諾貝爾物理學獎得主、《基礎知識》(Fundamentals)作者

  「在這本令人愉快且深思熟慮的書中,喬治.帕里西編織了一系列經驗和想法,將各個學科聯繫起來,讓我們欣賞科學的美麗、重要性和文化價值。」——法蘭西斯.阿諾德(Frances Arnold),諾貝爾化學獎得主

  「一本有趣的科學文集,反映了帕里西長期的科學生涯……科學的解釋非常清晰。」——華爾街日報

  「刺激振奮…… 對科學過程的頌歌令人著迷。」——出版者週刊

  「《無序之美:與椋鳥齊飛》有一種與睿智大方的長者交談的感覺。」——柯克斯

  「許多看似不相關的多體系統,卻有著一模一樣的臨界現象,這是21世紀多體物理(複雜系統)研究中非常重要的發現。若能明白,就能愉悅地欣賞、讚嘆大自然的奧妙,以及帕里西的研究對人類的重要貢獻。」——仲崇厚 陽明交通大學電子物理系特聘教授

  「帕里西以研究各個尺度下的無序與漲落拿下諾貝爾獎。……他跳脫框架,提出複本自發性對稱破缺(replica symmetry breaking)的概念,在不疑處有疑,是非常令人激賞的突破。……阻挫交互作用(frustrated interactions)的存在,讓複雜系統如此複雜。我們不需要對此感到挫折,因為神經網絡具有許多有點穩卻又不是太穩的樣態,正是我們顯得聰明的要素呢!」——林秀豪 清華大學物理學系特聘教授

  「基本粒子、統計物理、生物物理,理論、計算與實驗……帕里西在過去半個世紀裡悠遊於不同領域的問題間。從這本小書中,我們可以一窺這位少見的奇才成長與研究的經歷,也能感受到帕里西在這些過程裡心中的點滴。這些都是第一手資料,比我過去輾轉聽來的故事還要生動真摯。」——陳宣毅 中央大學特聘教授、中央研究院物理所合聘研究員
 

作者介紹

作者簡介

喬治.帕里西  Giorgio Parisi


  1948年出生於羅馬,義大利理論物理學家,羅馬第一大學量子理論教授,在粒子物理、統計力學、相變理論、無序系統(自旋玻璃和複雜系統)、流體動力學、凝態物理、超級電腦和大規模量子色動力學模擬、神經網絡理論免疫學等不同領域,皆有重要且決定性的貢獻。2021年因「發現從原子到行星尺度的物理系統中無序和漲落的交互作用」,提出可長期預測無序行為的新方法,而獲得諾貝爾物理學獎。

  帕里西發現無序系統中的隱藏規律,並擴展至生物學領域,例如解釋鳥群集體飛行的規律,並巧妙利用複本技巧解決了自旋玻璃問題,後來在數學上被證明,從此成為複雜系統理論的基石。此理論不僅在物理學,亦廣泛應用在其他領域,如數學、生物學、神經科學和AI學習等。

  獲得無數學術獎項,目前是義大利猞猁之眼國家科學院院士、法國科學院外籍院士、美國國家科學院院士、歐洲科學院院士以及美國哲學會的成員。

譯者簡介

文錚


  北京外國語大學教授,榮獲義大利政府頒發義大利之星騎士勳章。義大利粃糠學院通訊院士,獲義大利文化部國際翻譯最高獎。

譯文指導

倪安宇


  淡江大學大眾傳播系畢,威尼斯大學義大利文學研究所肄業。榮獲義大利政府頒發義大利之星騎士勳章。旅居義大利威尼斯近十年,曾任威尼斯大學中文系口筆譯組、輔仁大學義大利文系專任講師、淡江大學法國語文學系兼任講師。從事義大利文口譯、筆譯等工作。譯作有《如果在冬夜,一個旅人》、《玫瑰的名字》、《馬可瓦多》、《傅科擺》、《試刊號》、《困難的愛故事集》、《收藏沙子的人》、《在美洲虎太陽下》、《給下一輪太平盛世的備忘錄》、《宇宙連環圖》、《命運交織的城堡》等。

仲崇厚

  陽明交通大學電子物理系特聘教授及理學院「理論與計算物理研究中心」主任,美國布朗大學物理博士,加拿大多倫多大學及德國卡爾斯魯爾科技大學博士後研究,凝態物理理論學家。研究專長為量子多體物理系統之新穎量子態、量子相變與臨界現象等。多年來受邀擔任多所國際頂尖研究單位的訪問學者,包括美國耶魯大學、加州大學聖塔芭芭拉分校之凱維里理論物理研究所、布魯克海文國家實驗室、德國馬克思普朗克複雜物理系統研究所、義大利國際理論物理研究中心等,並擔任國際研究複雜物質學術組織Institute for Complex Adaptive Matter之科學指導委員。近年來帶領團隊在基礎科學研究上取得重大突破,成功解開稀土族金屬與超導體中「奇異金屬」量子臨界態形成機制之謎,登上國際頂級期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)。曾獲學術榮譽包括第57屆(2022)中山學術著作獎、國科會優秀年輕學者研究獎助計畫、西蒙斯基金會(美國知名基礎科學研究支持單位)研究訪問獎金等。

 
 

目錄

導讀1  紊亂中「一以貫之」的普遍秩序:自然界中無關且相異的複雜系統,背後隱藏的共同規律/仲崇厚 陽明交通大學電子物理系特聘教授
導讀2  亂中有序:從自旋玻璃到神經網絡/林秀豪 清華大學物理學系特聘教授
導讀3  悠遊於理論、計算與實驗間的物理學家/陳宣毅 中央大學特聘教授、中央研究院物理所合聘研究員

一、    與椋鳥齊飛 In un volo di storni
二、    五十多年前的羅馬物理學界 La fisica a Roma, una cinquantina di anni fa
三、    相變,也就是集體現象 Transizioni di fase, ovvero i fenomeni collettivi
四、    自旋玻璃:系統的無序性 Vetri di spin: l’introduzione del disordine
五、    物理學與生物學之間的隱喻交流 Scambi di metafore tra fisica e biologia
六、    想法從何而來 Come nascono le idee
七、    科學的意義 Il senso della scienza
八、    我無怨無悔 Je ne regrette rien
後記
譯名對照表

 
 

導讀1

紊亂中「一以貫之」的普遍秩序:自然界中無關且相異的複雜系統,背後隱藏的共同規律
仲崇厚◎陽明交通大學電子物理系特聘教授


  本書是二○二一年諾貝爾物理獎得主喬治.帕里西自傳式的科普著作,他以自身經驗談論存在於不同科學領域中,有關複雜系統現象的研究及其共通性(普適性規律),包括對鳥類集體飛行的理解、在隨機摻雜磁性金屬雜質之合金中出現的「自旋玻璃」態理論的建構(這是他獲得諾貝爾物理獎的主要原因)、磁性物質中因溫度上升而產生從有磁性到無磁性的相變(物質狀態改變)與臨界現象等;並以生動活潑的例子,說明科學研究的曲折過程,例如如何克服困難、如何面對質疑、成功與失敗的研究經驗、不同研究領域間基於隱喻類比關係的交流、科學家研究的靈感來源為何、科學在現代科技社會中的意義與價值等。目的是希望能重新喚起社會對科學的信任,並以科學的態度因應人類社會當前的巨大挑戰,例如地球暖化、蔓延全球的瘟疫等種種危機。

  我在凝態物理界研究相變與臨界現象近三十年,學生時期研讀過帕里西所著之「統計場論」教科書,對他以「複本法」(replica method)解開困擾已久的自旋玻璃模型難題印象深刻。在歐洲做博士後研究時,我曾親自聽他以濃厚的義大利腔英語介紹自己的研究。雖然無法完全理解他演講的內容,但十分欽佩他嚴謹的治學態度與令人驚豔的創造力與統整力:他游刃有餘地穿梭於不同研究領域,借助其他領域的研究方法以獲得自己研究領域的突破。

  本書所提及的重要物理或科學概念包括:一、「多者異也」(More is Different,或「量變產生質變」),此為諾貝爾物理獎得主菲利普.沃倫.安德森(Philip Warren Anderson)於一九七二年所寫的文章,我可以稱之為「多體物理宣言」,這是本文提出複雜系統中出現新穎多體現象的根本原因。二、「普適性」與「普適類」:諸多不同複雜現象背後的共同規律(數學規律),包括以下兩種相關卻不完全相同的概念:1、「普適性」(universality):鳥類集體飛行、磁性材料、腦神經細胞元……這些看似完全無關的系統之間卻存在著「共通性」原理(或基於「幾乎一樣」的數學模型)。2、「普適類」(universality class):不同的多體物理系統在相變臨界點附近所展現的「同一種」臨界行為。三、不同科學領域間存在著以滿足同一個數學結構作為「隱喻」及「類比」關係的「相似性」。四、於正式論文裡常被忽略不提的「直覺推理」,卻在取得重要科學成果的過程中,扮演最關鍵的角色。

  以下試著加以分述。

  一、多者異也(More is Different,或「量變產生質變」):

  安德森的〈多者異也〉(More is Different)一文可以說是「多體物理的精神宣言」,向基本粒子物理學界出現的錯誤邏輯——化約論(reductionism)提出挑戰!化約論是一種哲學思想,認為複雜的系統、事物、現象可以透過將其各部分化解、拆解的方法來加以理解和描述。

  多者異也的概念一言以蔽之即為:量變導致質變。道理看似很簡單,卻深具哲學意義。我在美國布朗大學修讀博士時,「量子多體物理」這堂課的教授給我們的第一個作業,就是讀懂這篇文章的深刻物理與哲學涵義。這篇文章扮演一九七○年代以後凝態物理、複雜系統等新穎物理現象的理論精神支柱,啟發了非常多凝態物理學子與學者(包括帕里西),對於理解這本書有相當大的助益。

  二十世紀中期以來,基本粒子物理的研究有非常多重要成果,巨觀至天文宇宙,微觀至原子中質子、中子的更基本組成份子等,皆有全面而「統一性」(unified)的了解,尤其是粒子物理理論中「標準模型」(standard model)的提出。此模型成功地將物理學中四大作用力——強交互作用、弱交互作用、電磁交互作用與重力交互作用——中的前三種統合在此一標準模型中,以理解早期宇宙(early universe)演化的一些現象以及基本粒子間交互作用與衰變的過程(包括楊振寧、李政道的宇稱不守恆定律)。因此,學界不免有種樂觀的期待與氛圍,認為複雜的多原子電子體系可以透過不斷研究更基本的粒子(化約)的方式來理解,例如生物組織細胞系統可以透過研究其化學分子成分而理解,化學分子可以透過研究更微小的組成分子(質子、電子、中子)的物理行為來理解,而質子、中子、電子間的行為可以化約為更小的基本粒子「夸克」(quarks,質子與中子由夸克組成)與其他新發現的基本粒子間(如丁肇中發現的丁粒子〔J particle〕,希格斯粒子〔Higgs particle〕)的交互作用來理解。

  由此,物理學界有種「化約論」的偏見,認為生物學不如化學來得「基本」,化學不如物理學來得「基本」,而物理學中最「基本」的就是「基本粒子物理學」,只要將基本粒子物理研究透徹,就能理解所有物理現象、所有化學現象、所有生物現象……因此基本粒子物理是所有學科的最重要的「基石」(foundation,building blocks),最值得研究,其他學門不過是基本粒子物理的應用而已。(以當時的學術金字塔結構來看,基本粒子物理的位階最高,其次是物理學其他領域,再其次是化學,然後是生物學)。在此氛圍下,最優秀的學生被鼓勵研究基本粒子物理,幾乎所有對物理有興趣的學生都立志要在粒子物理學中一展長才,並一窩蜂地找高能粒子物理學的大師教授學習。這就是帕里西五十多年前在羅馬讀大學時的氛圍。(當時全世界物理界,包括台灣,都是這樣的時代氛圍。許少台灣學子,受到李政道、楊振寧、丁肇中、吳健雄等粒子物理學家的精神感召,立志研究基本粒子物理學,包括我自己)帕里西是當時那些立志要研究粒子物理的義大利優秀學生之一,而他的博士論文就是基本粒子物理。

  回到〈多者異也〉,其文指出,當粒子數目大到一定程度時,新的「多體物理現象」因應而生。這些現象無法從分析其基本組成粒子的性質而得出,因為多體系統中無數多的粒子與粒子間的交互作用會產生新的粒子間的「集體行動」,如同在大舞池中跳舞的對對佳偶,隨著音樂跳著同一種舞步。彼此協調,雖然很靠近彼此,卻不會碰撞。如果我們從遠處拍照,便形成一種集體圖案。這種集體行為無法從單一舞者(單一粒子)形成(雖然其交互作用不外乎四種基本作用力的其中一兩種,多為電磁作用)。凝態多體物理中常見的集體行為包括:超導現象、超流現象、磁性現象(自旋液體、自旋玻璃)、量子拓撲行為(整數與分數量子霍爾效應、拓撲絕緣、拓撲超導現象)、紊亂無序現象、奇異金屬現象、相變與臨界現象等。

  多體粒子間因為要滿足統計物理原理,雖然只由大家熟知的基本電磁交互作用影響,但因為數量太大,基於統計物理原理而出現的新的多體現象即因應而生。此為「量變產生質變」之意。安德森強調,這些新的多體現象如同基本粒子物理現象一樣基本,因此,了解物理並不一定能了解所有化學作用,了解化學並不能了解所有生物學現象。每一個學科都有它基本與獨特之處。沒有任何學科比其他學科更「基本」,更值得被研究。自此以後,凝態多體物理逐漸有其「獨立人格與定義」,物理學界也逐漸走向多元。(這對現在來說其實是種常識,但在二十世紀的確是物理史的重要觀念轉變,誰更「基本」是需要科學論證的)

  帕里西的研究背景應該也受到〈多者異也〉的深刻啟發。他在本書提到,他是為了解決在高能粒子物理研究中遇到的困難而意外進入自旋玻璃的研究。當他發現此一新的領域後,便為之吸引,將原本粒子物理研究暫時放在一邊,轉而專心發展他的複本方法,因而得到獲諾貝爾物理獎的成果。這說明了不同領域間的相互影響與啟發。物理界有很多著名的例子(詳以下第三點說明)。

  (未完)

導讀2

亂中有序:從自旋玻璃到神經網絡
林秀豪◎清華大學物理系特聘教授


  你是否有時被人際關係搞到一個頭兩個大,覺得這個世界怎麼如此複雜呢?啊哈~你並不寂寞,科學家長年以往也被複雜系統搞到一個頭兩個大,很拿抓到適當的切入點,給出客觀具體的描述。二○二一年諾貝爾物理獎開盤,正是頒給研究複雜系統(complex systems)的科學家:一半是由研究大氣模型且準確模擬全球暖化的真鍋淑郎(Syukuro Manabe)、哈塞曼(Klaus Hasselmann)所共享,另一半則是由帕里西(Giorgio Parisi)以研究各個尺度下的無序與漲落所拿下。

  複雜系統的「無序」(disorder)與「漲落」(fluctuation)是什麼啊?每個字眼都讀得懂,但是完全抓不住其精髓所在。讓我們試著先用直觀來理解複雜系統:在桌面上鬆散放置一堆小圓盤,若是在邊界施力壓縮,小圓盤會彼此靠近,但每次壓縮都不見得會重現相同的排列樣態。然而仔細瞧過可以發現,小圓盤的排列也不是全然隨機,似乎還是有一些規律可循:有點亂又不是太亂,正是複雜系統的特性。

  (未完)
 

詳細資料

  • ISBN:9786267428597
  • 叢書系列:beNature
  • 規格:平裝 / 208頁 / 14.8 x 21 x 1.5 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

與椋鳥齊飛 In un volo di storni
 
交互作用是一個重要課題,也能用來理解心理、社會和經濟現象。我們主要關注的是鳥群的組成個體間如何溝通,從而行動一致的飛行,產生集體且具有多重結構的單一群體。
 
觀察動物的集體行為是一件很美妙的事,無論是天上的鳥群、水中的魚群,還是成群的哺乳動物。
 
暮色時分,我們看到鳥兒成群結隊形成的各種魔幻景象,成千上萬個舞動的小黑點在五彩繽紛的天空中格外顯眼。只見牠們群聚飛翔,既不會互相衝撞,也不會散開,牠們飛越障礙,時而拉開距離,時而重新聚攏,在空中不斷變換著隊形,彷彿有個樂隊指揮在下達指令,大家依從行事。我們對眼前景象百看不厭,因為千變萬化,出乎意料。有時候,面對這種純粹之美,即便科學家也會忍不住犯職業病,許多問題拍著翅膀飛進他的腦袋。
 
是真的有樂隊指揮,還是鳥群自發的集體行為?訊息如何在鳥群中迅速傳播?牠們的隊形怎麽能如此快速改變?牠們的速度和加速度是如何分配的?又如何能同步轉向且不會互相碰撞?難道只要簡單的互動規則,就能讓椋鳥做出我們仰望羅馬天空時看到的複雜多變的集體運動?
 
當你感到好奇並想知道這些問題的答案時,你便會開始尋找:以前是去書裡找,現在可以上網找。如果你運氣好,會找到答案。但是萬一沒有答案呢,因為沒有人知道答案?假如你真的那麼好奇,你會開始問自己,不然我自己想辦法解答吧。
 
這項前無古人的研究不會讓你打退堂鼓,畢竟這就是你的工作:發揮想像力,做些前人從來沒有做過的事。然而,你不能把一輩子的時間都花在打開那些你沒有鑰匙、卻被鎖住的防盜門上。所以在啟動之前,你必須知道自己有沒有勝任的能力和支持自己走到最後的技術工具。誰也不能保證你一定會成功,打個比方,你得讓自己的心飛越這個障礙,但如果障礙太高,會讓你的心碰壁,那最好還是打消這個念頭。

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