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Take Home Message
• 傳統物理學可以透過化約主義解釋萬物，但當複雜系統出現無法預測的「湧現」現象時， 化約主義便難以解釋。
• 透過鳥群飛行、自旋系統及人工神經網路，簡單的單元互動可產生複雜行為，科學家利用簡單模型解釋湧現。
• ChatGPT 等語言模型是類神經網路系統擴大產生的湧現現象。當參數數量達到百億等級以上時，AI 將展現出各種高階能力。

傳統上，大部分的物理學家都信奉「化約主義」（reductionism）。這種觀點認為，世界上的一切現象不論複雜程度，都可以被拆解為更小的部分加以理解。只要能理解「物質的基本組成」及「物質之間的交互作用」，就可以了解宇宙的萬事萬物。在20 世紀後半，探索上述兩者的高能與粒子物理，堪稱物理學界的顯學。

根據此標準，科學家應該已十分接近宇宙的「終極解答」：物質由夸克（quark）與輕子（lepton）等基本粒子組成，物質之間則透過玻色子（boson）傳遞四種基本交互作用：強核力（strong nuclear force）、弱核力（weak nuclear force）、電磁力（electromagnetism）與重力（gravitation）。當然，理論架構尚未盡善盡美，強核力、弱核力與電磁力皆已經被整合到「標準模型」（standard model），唯獨重力尚未納入。不過，理論上可以透過基本粒子的特性及它們之間的交互作用，解釋一切事物！

數量愈變愈大，最終「湧現」而出

然而，隨著對自然界的理解日益深入，科學家發現事情似乎並不單純。根據化約主義，可以分析一個基本單元。例如微觀世界中的基本粒子或巨觀世界的生物個體，也可以分析單元之間交互作用所構成的系統，並藉此徹底了解系統的所有特性。最初系統中的單元數逐漸增加時，似乎除了系統變大之外，並沒有不同之處。然而當數量擴大到某個程度時，系統會展現出全新的行為與性質，此現象即為「湧現」（emergence）。

舉例來說，基本粒子之間會互相碰撞、散射、分裂、結合，科學家可根據基本的物理定律預測這些行為，但是一旦數量驚人的粒子依據前述基本交互作用結合，則有可能組成一個人類個體，擁有複雜的身體構造進行各種活動，並且具備意識與思考能力。這些都與基本粒子的特性及交互作用天差地遠。因此，生命即是一種湧現。

從鳥類飛行觀察湧現行為

自然界也經常可見湧現的現象。例如幾隻在空中飛的鳥， 看似在進行互相跟隨或各自飛行等簡單行為，但當一大群鳥出現時，則會顯現出完全不同的複雜行為──牠們既不會互相衝撞，也不會各飛東西，而是充滿協調感，隨時變換各種奇妙的隊形（圖一）。

如前所述，鳥是極為複雜的系統，而一大群鳥顯然又比一隻鳥更為複雜。因此若要研究鳥群的飛行，恐怕是幾近不可能的任務。2021 年的諾貝爾物理學獎得主、來自義大利的物理學家帕瑞西（Giorgio Parisi）發現，透過非常簡單的模型就可以解釋這種現象。他將三臺相機架設在羅馬中央車站周邊建築的屋頂上，記錄椋鳥的群聚飛行，並且以簡單的二維模型模擬椋鳥的運動模式。

假設所有鳥的飛行速率都是v0，而飛行方向會受到附近鳥的影響，可歸納成……【更多內容請閱讀科學月刊第667期】