[论文解读] On emergence from the perspective of physical science

Joon-Young Moon, Eric LaRock|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Philosophy and History of Science参考文献 17被引用 3

一句话总结

本文提出，物理系统中的涌现现象源于对称性破缺，特别是微观与宏观层次之间成员关系的破裂。论文提出了三个猜想，将自发对称性破缺与滞后现象联系到涌现属性，提出一种对称-非对称框架，以解释复杂系统中的新颖性，对物理学和科学哲学中的新涌现论具有启示意义。

ABSTRACT

In this paper, we summarize the development of the concept of emergence in physical science and propose key concepts of emergence in the form of conjectures. Our conjectures are threefold: I. A system having a broken-symmetry in membership relation with respect to micro and macro scales can have emergent properties. II. Spontaneous symmetry-breaking is an example of an emergent property. III. The phenomenon of hysteresis accompanies spontaneous symmetry-breaking. We argue that these conjectures and their relationship can illuminate the concept of emergence from the perspective of symmetry breaking.

研究动机与目标

• 通过微观与宏观层次之间对称性破缺及成员关系破裂的视角，重新定义物理科学中的涌现概念。
• 通过基于物理现象的可检验猜想，形式化新涌现论。
• 阐明涌现属性（与微观层次定律不同）如何通过规范-非规范关系获得同等本体论地位。
• 考察居里原理与重整化群理论在验证涌现现象中的作用。
• 论证涌现现象在认识论上得到支持，并可能在经验确认后具有本体论实在性。

提出的方法

• 通过三个猜想形式化涌现：(I) 微观与宏观层次之间成员关系的对称性破缺是涌现的必要条件；(II) 自发对称性破缺本身是一种涌现属性；(III) 滞后现象伴随自发对称性破缺。
• 应用皮埃尔·居里的对称性原理，分析对称性原因与非对称性结果之间的因果关系。
• 采用层级实在论作为结构框架：层级Y中的部分是层级X整体的子集，但整体并非其部分的子集。
• 借鉴重整化群（RG）理论，表明宏观属性可从微观细节中涌现，且不依赖于精细尺度参数。
• 将相变与临界现象作为对称性破缺与涌现的物理范例进行分析。
• 依据波普尔标准，通过可证伪性与理论一致性评估涌现的认识论地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 物理系统中的涌现属性是否可通过微观与宏观层次之间成员关系的对称性破缺来解释？
• RQ2 自发对称性破缺本身是否是一种涌现现象？若是，它与微观层次动力学有何不同？
• RQ3 滞后现象是否可作为自发对称性破缺的物理特征，从而成为涌现的标志？
• RQ4 居里的对称性与非对称性原理在多大程度上可验证宏观系统中涌现属性的因果起源？
• RQ5 重整化群理论能否提供一种理论机制，使新颖的宏观定律在独立于微观细节的情况下得以涌现？

主要发现

• 本文提出，微观与宏观层次之间成员关系的对称性破缺是涌现属性产生的必要条件。
• 自发对称性破缺被假定为一种涌现属性，无法仅从微观层次定律推导，从而支持新涌现论。
• 滞后现象被识别为自发对称性破缺的物理对应物，强化了涌现态的不可逆性与新颖性。
• 居里的原理支持如下观点：原因中的非对称性是导致结果中非对称性的必要条件，但反之不成立——结果可比原因更对称。
• 重整化群理论提供了一种理论机制，表明宏观属性可独立于微观细节而涌现，支持更高层次中存在普遍且新颖定律的可能性。
• 尽管任何理论都无法被绝对证实为真，但当前框架为将涌现视为在当前科学理解范围内具有本体论实在性的现象，提供了可证伪且认识论上稳固的基础。