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One of the 70 unsolved problems in physics

Reduction and Emergence: How to Understand the Material World

When we divide matter and make it infinitesimally small, where do we end up? This worldview of matter, as represented by particle physics, is called the element reductionist approach, and it supports one aspect of the success of physics. If these are challenges to the "infinitely small," then condensed matter physics can be said to be a challenge to the "infinitely large." Solid matter contains about Avogadro's number (1023) of electrons, and it is impossible and meaningless to solve the same number of Schrödinger equations to understand the behavior of all electrons. In condensed matter physics, the function of matter is deductively understood through understanding the behavior of electrons as a multi-particle system. Anderson (P. Anderson) clearly expressed this approach to the material world with the phrase "More is different." There is a "hierarchy" in the material world. In order to understand nature over a wide range of scales in both length and energy, it is necessary to construct physics according to the hierarchy. For example, electrons in solids behave according to the symmetry of crystals, and the physical laws are significantly different from those of electrons as elementary particles. Nevertheless, "infinitely small" and "infinitely many" are not opposing concepts in physics. Although the approaches are different, they are part of the same tool, physics.

ルを用いるなかで驚くほど似た概念に到達する場合がしばしばある。たとえば、超伝導のBCS 理論が記述するゲージ対称性の自発的破れの考え方が、南部陽一郎によって素粒子物理学に持ち込まれ、ヒッグス機構につながった。また、金属中の磁性不純物で生じる近藤効果の非摂動性が、量子色力学での漸近的自由性と対応することも知られている。

物理学の魅力の1 つは、実験から帰納的に推論を重ねる一方で、数学的援用を受けながら演繹性、予言性を獲得しうることだろう。では、複雑に組織化された多粒子系を扱う物性物理学は、その演繹性の先になにをみるだろうか? 

個々の基本要素の総和としてではなく、システム全体として思いもよらない性質が発現することを創発という。これは近年、複雑系や生命科学を中心に強調される概念であるが、固体物質の新奇機能を求める際の指導原理になりえる。アンダーソンの提唱から40 年以上経つ。Beyond “More is different”の探求は、多粒子系の示す機能―different の正体―を解明する物理学を構築することにほかならない。これからの実験的・理論的研究がどのような物質世界観を提示していくのか、興味は尽きない。

Journal Editorial Committee

The Physical Society of Japan

Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 72, No. 9 (Serial No. 823), September 5, 2017, Appendix

​p.41 「還元と創発」より引用

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