如果你只能通过「远处的行为」来观测一个系统,你能知道它内部发生了什么吗?
在很多实际问题中,我们往往不能直接观察系统的内部,只能通过它的外部响应来推断结构。例如:通过测量材料的电导率、热容等宏观量,去判断它的微观结构;通过散射实验(比如电子或者光的散射)来重建物质内部的排列;在地球物理中,通过地震波来反演地球内部结构; 从数学上看,这类问题被称为反问题(inverse problem):我们已知系统的响应函数或者边界行为,来试图反推其内部参数或结构。 但事情可能没有那么简单。在物理中,一个重要的思想是有效理论,当我们只关心低能、长程的行为时,系统的很多微观细节其实是「看不见」的,不同的微观模型可能会给出几乎相同的宏观表现,例如相变附近临界指数的普适性。 更进一步,重整化群提供了一种理解方式,当我们不断放大尺度(忽略细节,只保留粗粒化后的自由度)时,系统的描述会流向某些稳定的 fixed point,而在这个过程中,大量微观信息被洗掉,只剩下少数关键参数来决定系统的宏观性质。另一方面,也存在一些「顽固」的信息,比如某些拓扑性质,它们并不依赖于局部细节,但可以通过边界行为或者整体响应被探测到(例如 bulk-boundary correspondence)。 那么问题来了,这种由外到内的推断,在原理上是唯一且可靠的吗,我们能在多大程度上重建一个系统的内部结构?如果确实有信息在尺度放大的过程中不可逆地丢失,那我们所谓「理解一个系统」,究竟意味着什么?