【物理學2】我們能解釋世界到哪一步？

打開港鐵路線圖，你會覺得香港好像被幾條色彩分明的線路完美覆蓋；但一走到地面，街巷、天橋、巴士專線、紅隧塞車，遠比圖上的世界複雜。物理學的「地圖」也是這樣：它幫我們找到方向，卻未能把一切細節盡收眼底。今次想和你一起看看，物理學到底解釋了多少，又在哪些地方仍然留白。

從「物理學地圖」看視野如何擴張

二十世紀初，科學家對物理學的信心非常高。原因很簡單：我們能觀察到的宇宙不算太大，顯微鏡下的世界亦不算太小，肉眼所見的「經典世界」似乎足以涵蓋一切。於是牛頓力學、電磁學、光學、波動學、熱力學等，配合化學家列出的元素清單，似乎可以解釋所有物質現象。那時甚至出現了類似「物理學地圖」的整理（例如約1939年的版本），內容大致等同今日高中到大學初年的經典物理。

但視野愈拓展，問題愈多。望向宇宙深處，我們發現宇宙比想像中浩瀚；看向原子深處，又遇上直覺不適用的奇異行為。放射性、核能、核分裂為何會釋放大量能量等疑問紛至沓來，經典理論再也無法獨力承擔。

量子革命與為現象「度身訂造」的理論

量子力學登場後，物理學地圖被重畫。為了描述光與帶電粒子的互動，科學家發展出量子電動力學（QED）；為了把「粒子」與「場」統一起來，建立了量子場論（QFT）；為了把重力也量子化，探索量子引力。不難發現：很多理論都像為特定現象「度身訂造」，在各自範圍內表現不俗，但要把它們無縫串連起來，仍有距離。

今日的物理版圖：豐富，卻未盡

現代物理的版圖很大，仍包含牛頓力學、電磁學、熱力學與統計物理、凝聚態物理、量子力學、波動與光學，以及天文與引力等；再加上粒子物理、量子場論、量子電動力學與正在探索的量子引力。這些領域幫我們解釋大量現象，從半導體到激光，從GPS到核磁共振，都得益於此。

但版圖越大，空白處也更顯眼。例如：即使在凝聚態物理中，某些複雜材料的行為仍然難以用統一簡單的法則一網打盡；至於把所有理論「大一統」的終極框架，也仍未建立。

空白與邊界：湧現、複雜與網絡

更大的挑戰在於「湧現」與「複雜系統」。例如：人的思維、神經網絡、交通流、互聯網等網絡科學的議題，涉及大量互相影響的單元，整體行為並不是「把零件相加」那麼簡單。這些現象雖然可以借用物理的數學工具觀察與建模，但現有物理學並不足以完全覆蓋與統一。

為何還原論有時會失靈

物理學的成功很大程度來自還原論：把大問題拆成小而簡單的部分，為其找出通用定律。這在簡單系統非常有效，但在複雜系統往往失靈。原因包括：影響因素太多、互動具非線性、噪音與外界擾動無處不在、以及整體行為會「湧現」出原先零件沒有的新特性。這些都令「由下而上」的推演變得困難。

混沌：可知的規律，仍可能不可預測

更微妙的是混沌現象。即使系統遵守確定的方程式，初始條件的微小差異也會被迅速放大，導致長期行為難以預測。好比紅隧前多兩部車切線，車流就可能由暢順轉成停滯；或天氣預測中，微弱擾動足以改變未來幾天的走勢。再加上量子層面的不確定性原理，物理學在多體與長期預測上，天然面對限制。

把物理推向社會：有啟發，也有風險

很多學者嘗試把物理的數學工具推向更廣的範圍。例如Philip Ball在《The Critical Mass（臨界質量）》中，討論如何用物理的量化方法建構國際政治模型：世界被分成不同陣營，彼此博弈，如何才能利益最大化？這種方法在邏輯上很吸引。但挑戰在於人與國家的決策並非總是理性，也受情緒、歷史與文化牽引。

金融亦然。Black–Scholes模型在特定假設下有效，但真實市場常見「胖尾」與「極端波動」，有人嘗試引入分形或重尾分佈等數學以改良模型。然而，如果把「所有參與者永遠理性」作為前提，模型往往在關鍵時刻失效。非理性行為會誘發非線性反應，甚至進入混沌區域，市場因此出現難以預測的劇烈震盪。