总目录

无穷的开始：世界进步的本源（第2版）

生命的诞生：我们究竟来自哪里

真实世界的脉络：平行宇宙及其寓意：第2版

幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间

量子时刻：奇妙的不确定性

图解宇宙的尺寸

宇宙新图景：揭示宇宙奥秘的变革式理念

在悖论中前行：物理学史话

科学新经典文丛

THE BEGINNING OF INFINITY Explanatons that Transform the World

无穷的开始：世界进步的本源（第2版）

[英]戴维·多伊奇　编著

王艳红 张韵　译　王艳红　审校

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

无穷的开始：世界进步的本源 / （英）戴维·多伊奇（David Deutsch）著；王艳红，张韵译.--2版.--北京：人民邮电出版社，2019.5

（科学新经典文丛）

ISBN　978-7-115-50509-5

Ⅰ.①无… Ⅱ.①戴… ②王… ③张… Ⅲ.①科学观—研究 Ⅳ.①G301

中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第300041号

◆　　著　[英]戴维·多伊奇（David Deutsch）

译　王艳红 张韵

审　　校　王艳红

责任编辑　刘朋

责任印制　陈犇

◆ 人民邮电出版社出版发行　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编 100164　　电子邮件 315@ptpress.com.cn

网址 http://www.ptpress.com.cn

北京隆昌伟业印刷有限公司印刷

◆ 开本：880×1230 1/32

印张：17　　2019年5月第2版

字数：394千字　　2019年5月北京第1次印刷

定价：75.00元

读者服务热线：(010)81055410　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

目录

封面

扉页

版权信息

内容提要

致谢

被好解释改变的世界观（代序）

引言

第1章 解释的延伸

第2章 更接近现实

第3章 思想的火花

第4章 创造

第5章 抽象的现实

第6章 向通用性跳转

第7章 人工创造力

第8章 无穷的窗口

第9章 乐观主义

第10章 苏格拉底的梦

第11章 多重宇宙

第12章 一位物理学家的坏哲学史以及对坏科学的若干意见

第13章 选择

第14章 花儿为什么美丽

第15章 文化的进化

第16章 创造力进化

第17章 不可维持

第18章 开始

参考书目

译后记

无穷的开始世界进步的本源（第2版）

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版权声明

THE BEGINNING OF INFINITY：EXPLANATIONS THAT TRANSFORM THE WORLD BY DAVID DEUTSCH

Copyright：©2011 DAVID DEUTSCH

This edition arranged with DINAH WIENER LIMITED through BIG APPLE AGENCY，INC.，LABUAN，MALAYSIA.

Simplified Chinses edition copyright：

2019 POSTS & TELECOM PRESS Co., LTD

All rights reserved.

内容提要

《无穷的开始：世界进步的本源（第2版）》是一次大胆的、包罗万象的智力探险。戴维·多伊奇是《真实世界的脉络》一书广受好评的作者，他探索那些使我们理解现实世界怎样运转的重大问题。《真实世界的脉络》描述了我们当前知识中最深刻的4条支线——进化、量子物理学、知识和运算，以及它们带来的世界观。《无穷的开始：世界进步的本源（第2版）》将这种世界观应用于许多不同的话题和未解问题，涉及自由意志、创造力与自然规律、人类的未来与起源、现实与表象、解释与无穷。

多伊奇秉持坚定的理性和乐观态度，对人类选择、科学解释和文化进化的性质得出了惊人的新结论。他的立场并非来自充满希望的格言，而来自关于现实世界怎样运转的事实。他的核心结论是，“解释”在宇宙中有着基础性的地位。解释的范围和造成改变的能力是无穷无尽的。它们唯一的创造者——诸如人类这样能够思考的生物——是宇宙万物中最重要的实体。一切事物都在理性的延伸范围内，不仅是科学和数字，还有道德哲学、政治哲学和美学。在通用物理规律允许的情况下，进步没有限制。

这是一本改变思维模式的书，必定会成为同类书籍之中的经典之作。

致谢

我要感谢我的朋友和同事萨拉·菲茨克拉里奇、艾伦·福雷斯特、赫伯特·佛罗伊登海姆、戴维·约翰逊·戴维斯、保罗·塔本登，特别是埃利欧·坦普尔和我的副编辑鲍勃·达文波特。感谢他们阅读了我这本书的初稿，并提出了许多更正和改进意见。还要感谢那些阅读过并提出有益建议的朋友们，他们是欧米·塞伦、阿图尔·埃克特、迈克尔·戈尔丁、艾伦·格雷芬、鲁替·里根、西蒙·桑德斯和卢力·塔内特。

我还要感谢帮我画插图的画家尼克·洛克伍德、汤米·罗宾和卢力·塔内特，他们为我画的解释插图比我原来希望的还要精确。

被好解释改变的世界观（代序）

袁越[1]

非虚构类书籍大致可以分成三类，第一类告诉你一些你以前不知道的事情，第二类教会你一些你以前不具备的技能，第三类能够改变你的一些陈旧甚至错误的世界观。

多伊奇的这本《无穷的开始：世界进步的本源（第2版）》无疑属于第三类。

在我的个人阅读历史中，属于第三类的书并不多，道金斯的《自私的基因》和戴蒙德的《枪炮、病菌与钢铁》是其中两本对我影响比较大的。但是，现在的我已经不再迷信这两本书了，因为我在阅读和旅行的过程中发现了越来越多的新证据，证明道金斯和戴蒙德当初的一些观点是不正确的，起码是值得商榷的。

我自己的这个世界观转变本身就验证了多伊奇在《无穷的开始：世界进步的本源（第2版）》一书中提出的一条关于这个世界的终极定律：它永远在变，没有尽头。当人类终于开始自由探索并相互学习、相互借鉴之后，我们对这个世界的认知就好像一束从手电筒中射出去的光，从此开始了一段没有终点的旅程。

那个起点，就是无穷的开始，The Beginning of Infinity。多伊奇相信，我们人类已经按下了手电筒的开关，通向无穷的旅程已经开始了，我们的未来将是不可预知的，拥有无限多种可能性。

为了证明这一点，多伊奇需要从头开始，去构建一套完整而又统一的理论。考虑到他本人是一位很有成就的理论物理学家，解释世界是他的天职，他拥有这样的野心也就毫不奇怪了。这本书就是他经过多年思考之后交出的答卷，他把结论写在了副标题里，这就是英文版的“改变世界的解释”（Explanations that Transform the World）。这句话翻译成中文有点儿拗口，所以中文版的副标题改成了“世界进步的本源”，算是意译吧。

这个英文版副标题也可以翻译成“解释改变世界”。简单来说，多伊奇认为这个世界的进步是通过“寻求好解释”这个过程来实现的，“好解释”也是区分好科学和坏科学的唯一标准。关于“什么是真正的科学”这个问题，以前曾经有过很多不同的理论，最常见的就是理科生们挂在嘴边的“可证伪理论”。但多伊奇认为这并不是好科学的终极定义，很多科学理论并不是非得要通过实验验证才能成立，只要它是个好解释，那它就属于科学的范畴。

这是个革命性的理论，本身就需要解释。多伊奇在本书的第1章里提纲挈领地解释了什么是“好解释”，但这个解释充满了各种复杂概念，估计很多人读完后仍然一头雾水。不过大家不用着急，因为多伊奇在接下来的章节里把这套理论和思维方式用在了一个个具体的案例上，相信大家在读完这些案例后会对多伊奇的理论多一分理解。

这些案例对我也有很大的启发，先举一个最简单的例子：相信很多人都看到过这样的说法，那就是地球是人类的摇篮，地球上的自然环境是人类赖以生存的基础，所以我们要敬畏大自然，保护大自然。多伊奇用很多事实证明，地球环境其实非常严苛，并不适合人类生存，我们运用自己的智慧将其改造成了适合人类居住的环境，所以我们根本不必敬畏大自然。当然了，保护大自然还是必要的，两者不矛盾。

再举一个稍微复杂一点儿的例子：很多人都听说过霍金对于人类的警告，他建议我们应该尽可能地保持低调，以防被银河系里的其他智慧生物发现。刘慈欣在他那本流行一时的《三体》里也表达了类似的看法，因为他相信宇宙是个弱肉强食的世界，遵循黑暗森林法则。多伊奇在这本书里用令人信服的证据解释了为什么这个说法是毫无道理的，属于超自然信仰的范畴。相信这套理论的人就是一群盲目悲观者，他们的眼光太短浅了。

这样的案例还有很多，最后再举一例：最近人工智能很火，阿法狗的横空出世把很多悲观之人吓破了胆，Siri和小冰的出现也让另外一些围观群众相信美好未来指日可待。但在多伊奇看来，虽然人工智能超越人类是必然会发生的事情，但起码现在还差得远，因为我们尚未搞清智能的本质。阿法狗不具备通用性，不能算是真正的人工智能，而图灵测试也是过时的标准，并不能用来判断到底什么是人工智能，这一点和现有计算机的计算能力无关。

以上列举的这三个案例涉及生物学、天文学、物理学、计算机科学和神经科学等诸多领域，说明多伊奇是个兴趣极为广泛的人。事实上，他写这本书的目的绝不仅仅是想提出一个全新的科学哲学理论，而是试图找到一个万有理论，用来解释人类社会的方方面面。这本书不但包括人类的进化史和科学史，甚至连人类的文化史都有所涉及。比如，多伊奇用这套理论完美地解释了民主制度的核心要素，那一章极为精彩。

依我之见，多伊奇之所以要发明一个万有理论，其核心目的就是试图解释下面这个事实，那就是人类改变世界的能力多年来一直进展缓慢，但从启蒙时代开始突然加速，至今未停。

在多伊奇看来，造成上述结果的原因就在于“寻求好解释”才是人类社会进步的终极动力，而这个过程需要具备两个必要条件，一个是创造力，另一个是接受批评，两者缺一不可。启蒙时代是人类历史上第一次两个条件同时具备的时代，无穷由此开始。

从某种意义上说，多伊奇的这套理论就是达尔文自然选择学说的延伸。创造力相当于自然变异，为人类社会提供了各种各样的解释。批评就相当于自然选择，无数新解释通过批评而被筛选，并在这一过程中不断改进，使得人类对这个世界的解释变得越来越好。

插一句：我为什么一直认为达尔文是有史以来最伟大的科学家？就是因为他提出的“自然选择学说”是一个具有无限延伸性的学说，几乎可以用来解释一切，包括多伊奇提出的这套理论在内。

最后需要提醒各位读者，这本书门槛较高，你需要对一些基本概念，比如经验主义、进化论、自然选择学说、量子力学、相对论和迷米（Meme）理论等都有一些了解，否则读起来会比较困难。尤其是那些习惯了网络阅读的年轻人，你们会觉得这本书和你熟悉的网络文字很不一样。这一点毫不奇怪，因为当今世界属于那些情商高的网红，不属于智商高的知识分子。今天的普罗大众对界面友好的渴望超过了对知识本身的渴求，这一现象非常值得担忧。

无数案例证明，真正有营养的阅读都是困难的，如果你能克服这些困难，那么你将会获得无与伦比的收获，因为你的世界观将被一些更好的解释所改变。

[1] 袁越，《三联生活周刊》资深记者，网名“土摩托”，著有《生命八卦》《土摩托看世界》《来自民间的叛逆》等。

引言

进步，既要快得足以引起人们的注意，又要稳定得足以持续很多代人的时间，这样的进步在我们这个物种的历史上只发生过一次。它大约始于科学革命，现在仍在继续之中。这次进步的内容不仅包括人类对科学的理解加深，还包括在技术、政治体制、道德观念、艺术以及人类福利的各个方面的改善。

每当进步产生，总会有一些有影响的学者出来否认这些进步，断言它们不是真正的进步，否认它值得拥有，甚至否认进步的概念是有意义的。他们本该懂得更多。在虚假的解释与真实的解释之间，在长期无法解决问题与成功解决问题之间，在错误与正确之间，丑陋与美丽之间，痛苦与缓解痛苦之间，确实存在客观差异，因而停滞不前与进步之间也完全存在这种差异。

在这本书中我要论述，所有的进步，无论是理论上的还是实践上的，都来自人类的一种活动：寻求我称之为好解释的东西。不过这种追求是人类独有的，其有效性也是最客观的、宇宙层面上关于现实的一个基本事实，也就是说，它遵循那些确实是好解释的自然界普遍规律。宇宙与人类之间的这种简单关系，暗示了人在宇宙万物中的核心地位。

进步究竟是必定会走到尽头（不管是毁于灾难还是在某种程度上完成），还是无穷无尽？答案是后者。这种无界性就是本书标题所指的“无穷”。解释这一点，并探讨在什么条件下能产生进步、什么条件下不能产生进步，需要遍历几乎所有的科学和哲学的基本领域。从每个领域中我们都了解到，虽然进步不一定有结束，但它必然有开端：一个起因，或一个导致进步开始的事件，或一个使进步产生并蓬勃发展的必要条件。每一个这样的开端，都是从该领域的角度来看的“无穷的开始”。很多这样的开端在表面上似乎并无关联，但它们都是现实的同一个属性的某个方面，我称该属性为那个无穷的开始。

第1章 解释的延伸

这一切的背后是一种理念，如此简单，如此美丽，以至于当我们在十年、一个世纪或一千年后领悟它时，全都会互相说，哪里还会有其他可能呢？

——约翰·阿奇博尔德·惠勒：《纽约科学院年报》，480（1986）

对于人的肉眼来说，太阳系以外的宇宙，就是成千上万个在夜空中闪闪发亮的小光点，以及银河那暗淡缥缈的条痕。但是如果你问天文学家那到底是什么，他们不会说什么光点和条痕，而会谈起恒星：直径达数百万千米、距我们许多光年之遥、由炽热气体组成的球体。他们还会告诉你，太阳就是一颗典型的恒星，它之所以看上去与其他恒星不一样，仅仅是因为它离我们比较近——尽管仍然远在1.5亿千米之外。虽然恒星与我们的距离远到无法想象，但我们可以确信，我们知道它们靠什么发光。天文学家会告诉你，恒星由嬗变所释放的核能驱动，嬗变是一种化学元素转变成另一种化学元素的过程，在恒星里主要是由氢转化成氦。

某些类型的嬗变也在地球上自发地进行着，以放射性物质衰变的形式进行。该现象由物理学家弗雷德里克·索迪和欧内斯特·卢瑟福在1901年首次证实，[1]但嬗变这一概念本身非常古老。许多世纪以来，炼金术士们梦想着把铁或铅之类的“贱金属”变成黄金。当然，对于怎样才能达到这一目的，他们的理论连门都没有摸到，自然也从未能成功。但20世纪的科学家们做到了，恒星在超新星爆发的过程中也做到了。贱金属变成黄金可以由恒星完成，也可以由那些懂得星星为何发光的聪明人完成，除此之外在宇宙中别无他法。

说到银河，人们会告诉你，尽管它看上去虚无缥缈，却是我们可以用肉眼看到的最大物体：一个拥有数千亿颗恒星的星系，恒星靠相互之间的引力跨越数十万光年的距离联结在一起。我们是从内部观看银河系的，因为我们自己就是银河系的一部分。人们还会告诉你，虽然夜空看上去如此安详平静，大体上保持不变，但实际上宇宙里翻涌着剧烈的活动。仅仅一颗典型的恒星，每秒都会把上百万吨的质量转变为能量，而每克质量转换时所释放出的能量就相当于一颗原子弹。人们会告诉你，在当前最强大的望远镜——它们能看到的星系数量比银河系里的恒星数量还要多——的观测范围内，每秒钟都会有几次超新星爆发，每次爆发的短促光亮都要超过它所在星系全部恒星亮度的总和。我们不知道太阳系外哪里有生命和智慧（如果真的有的话），所以也无从知晓这样的大爆炸会造成什么样的惨剧。但是我们可以确定，超新星爆发会摧毁可能环绕其运行的所有行星，荡涤行星上可能存在的一切生命——包括任何智慧生命，除非他们拥有远远超出我们的技术。因为仅仅是超新星爆发时释放出的中微子辐射就可以杀人于几十亿千米之外，就算将这整段距离都用铅板挡上也无济于事。不过，我们的存在却要归功于超新星：组成人体和地球的大部分元素，都是通过超新星爆发的嬗变合成出来的。

还有比超新星爆发更神奇的现象。2008年3月，在地球轨道上运行的一台伽马射线望远镜探测到了一次“伽马射线暴”类型的爆炸，它发生在75亿光年之外，这个距离大约是跨越半个已知宇宙。这次爆炸可能是一颗恒星坍缩形成黑洞（一种引力大到连光都无法从其内部逃逸出来的物体）时产生的，亮度超过100万颗超新星，甚至从地球上用肉眼就应该可以看到——尽管由于非常暗淡且只有短短的几秒钟，不太可能真的有人看到过。而超新星爆发的持续时间比较长，一般会在几个月时间里慢慢暗下去，这使得望远镜发明以前的天文学家也有机会观察到银河系中的一些超新星爆发。

还有一类宇宙怪物是称为类星体的巨大发光体。它们离我们非常遥远，无法用肉眼看到。它们比超新星更亮，其亮度能一次持续数百万年之久。类星体的能源来自星系中心的巨大黑洞，整颗的恒星正在坠入黑洞之中，因潮汐效应被撕裂成碎片，一个大的类星体每天都会吸入好几颗恒星。极强的磁场形成通道，将一部分引力能以高能粒子流的形式释放出来，点亮周围的气体，其能量相当于1万亿个太阳。

黑洞内部（有去无回、被称为“视界”的表面以内）的情形更为极端，时空结构在那里都被肢解得七零八落。这一切都发生在一个不断膨胀着的宇宙里，它起始于大约140亿年前的一次涵盖一切的爆发——宇宙大爆炸。同宇宙大爆炸的威力相比，我前面描述的所有奇观都顿时黯然失色，微不足道。整个宇宙只不过是一个大得多的实体——多重宇宙的一个小碎片，这个实体里有着无数个这样的宇宙。

现实世界不仅比原先看起来更庞大，变动更剧烈，其细节、多样性和偶然性也要丰富得多。但所有这一切全都遵循优美的物理规律，我们已在某种程度上理解了这些规律。我不知道哪一点更让人感到敬畏：是现象本身，还是我们已经对现象有如此之多的了解。

我们怎样去了解？科学最了不起的地方之一，在于以下两者之间的反差：我们最优秀的理论的宽广的适用范围和巨大的威力，与我们创造理论所用的不保险的狭隘手段。从来没有人到过恒星的表面，更不用说探访过它的中心——发生嬗变、产出能量的地方。然而我们看着天上那些冷冰冰的光点时，就知道我们正在看那些遥远的核能炉白热的表面。实际上，这些体验无非是我们的大脑对眼睛送来的电脉冲的反应。眼睛只能觉察到当时它们接收到的光，这些光是从很远的地方、在很久以前发出的，除了发光之外还发生了许多别的事，此类事实不是我们用眼睛看到的，只能通过理论得知。

科学理论就是各种各样的解释：关于自然界里有什么东西以及它们怎样运作的主张。这些理论是从哪里来的呢？在科学史上的大部分时间里，人们错误地相信，理论是从人类的感觉证据“推演”出来的——哲学上称之为经验主义，见图1-1。

图1-1 经验主义

举个例子，哲学家约翰·洛克在1689年写道，人的头脑就像一张“白纸”，感觉经验在上面书写，我们所有关于现实世界的知识都是这样得来的。另一种关于经验主义的说法是：人只能通过观察手段从“自然之书”中读到知识。不管在哪种说法中，发现知识的人都是知识的被动接收者，而不是创造者。

但是，事实上，科学理论并不是“推演”而来的。我们并非从自然中读到它们，更不是自然把它们写到我们的头脑里。它们就是一些猜想——大胆的推测。人的头脑对现有观点进行重组、合并、修改和增添，希望在原有基础上做出改进，从而创造出理论。我们出生时并不是“白纸”，而是带着与生俱来的期望和意向，以及通过思考和经验对其做出改进的先天能力。经验对于科学研究的确是必不可少的，但它的作用却同经验主义者所说的大相径庭。它不是推演出理论的源泉，其主要作用是用于挑选已经提出的猜想，这就是从“从经验中学习”的意义所在。

不过，这一点始终没有得到正确的理解，直到20世纪中叶通过哲学家卡尔·波普尔的工作才有所改变。所以在历史上，是经验主义首先为我们今天所知的实验科学提供了一个貌似有理的辩护。经验主义的哲学家批评和抵制传统的知识获取方法，比如遵从圣书和古代典籍的权威，服从祭司和学者之类的权威人物，或是相信传统习俗、经验法则和道听途说。经验主义还同一个相反的、生命力意外地强的观念相抵触，后者认为感觉只不过是错误的源泉，应当忽略。经验主义在获取新知识方面是乐观的，与中世纪的宿命论相反，宿命论认为，所有应该知道的重要的事情，人们都已经知道了。因此，虽然经验主义有关科学知识从哪里来的观念大错特错，但它在哲学上和科学史上都向前迈进了一大步。然而，怀疑论者（友善或非友善的）从一开始就提出的问题仍旧没有得到解答：怎么可能从已经经历过的事物“推演”出关于未曾经历过的事物的知识呢？什么样的思考才能构建两者之间的合理推演？没有人会期望凭一张地球地图推导出火星地理学，那么我们为什么要期待可以通过地球上的实验来了解火星上的物理学？很明显，仅凭逻辑推理是做不到的，因为这里有一个逻辑缺口：对描述一系列实验的陈述进行再多的演绎推理，也得不出任何超出这些实验之外的结论。

传统智慧认为，关键在于重复：如果人反复在相似条件下得到相似的经验，就理当“外推”或“概括”出该现象模式，并预测这种模式将持续下去。打个比方，我们为什么预期太阳明天早上会升起来呢？因为在过去（理论上是这样），只要我们观看早晨的天空，就会看到太阳升起来。由此我们理当“推演”出这样的理论：在相似条件下我们将始终得到这种经验，或者可能将如此。这个预测每应验一次，考虑到它从未出错，它将始终应验的可能性就应当增加一点。这样，人就应该可以根据过去获取有关未来的更可靠认知，并根据特例获取有关普遍规律的更可靠认知。这种方法称为“归纳原则”或“归纳法”，认为科学理论通过这种方法获取的学说称为归纳主义。为了填补逻辑上的缺口，有些归纳主义者设想，存在一条自然原则——“归纳原则”——使得归纳推理可能成真。此类观念的一种普遍形式是“未来将与过去相似”，此外还有“远处的会与眼前的相似”，“未曾看见的会与已看见的相似”等。

但是，从来没有人能提出一个“归纳原则”的公式，可在实践中用于根据经验提出科学理论。在历史上，针对归纳主义的批评家把攻击重点集中在上述失败以及无法填补的逻辑缺口上。但这类批评对归纳主义过于宽容了，因为它回避了其中两个最重要的错误观念。

首先，归纳主义声称它能够解释科学怎样获取关于经验的预测。但是我们大部分的理论知识都不是这样得来的。科学解释是针对现实的，通常并不包含任何人的亲身体验。天体物理学与我们（我们仰望天空时会看到些什么）根本无关，而是研究恒星是什么：它们的结构如何，它们靠什么发光，它们是如何形成的，这一切所遵循的物理学普遍规律是什么。大部分这类现象从来没有人看到过：没有人体验过10亿年或1光年，宇宙大爆炸时没有人在场，没有人能摸到物理定律——除非是通过理论在头脑里捉摸。我们所有关于事物看起来将怎样的预测，都是从关于事物是怎样的解释中演绎出来的。因此，归纳主义甚至无法解答，我们怎么能仅凭天上的小光点来了解恒星和宇宙是怎么一回事。

归纳主义中第二个最重要的错误观念是，认为科学理论是预测“未来将与过去相似”、“未曾看见的会与已看见的相似”等（或者“可能”会相似）。但是在现实中，未来与过去并不相似，未曾看见的事物同已经看见的事物也很不同。自然科学经常会预测——并且实现——一些与以前我们所经历过的事物都特别不同的现象。几千年来人们都梦想着飞上天，但他们体验到的除了掉下来还是掉下来。后来他们发现了有关飞行的正确的解释性理论，然后飞上了天——顺序是这样的。在1945年以前，人类从来没有看到过核裂变（原子弹）爆炸，在宇宙的历史上大概也从未发生过这种爆炸。[2]然而，人们精确地预测到了首次这样的爆炸，以及产生该爆炸的条件——这可不是从未来将与过去相似的假定中得出来的。甚至归纳主义最喜欢的例子——日出也不一定是每隔24小时看到一次：在环绕地球的轨道上可能每90分钟看到一次，也可能永远看不到。早在任何人进行环地球飞行之前，人们就通过理论知道了这一点。

所有这些情况下，就遵循相同自然基本规律而言，未来的确仍然“与过去相似”，但指出这一点无助于为归纳主义辩护。因为这只不过是一句空话：与未来和过去有关的任何所谓的自然规律（真也罢假也罢），都断言未来和过去因共同遵循这一规律而彼此“相似”。所以，这样的“归纳原则”无法用来从经验或其他东西中推演出任何理论或预测。

即使在日常生活中，我们也很清楚地知道未来与过去不同，并会有选择地预期哪些领域的经验会重复出现。在2000年之前，我上千次地经历过这样的情况：如果一本日历得到妥善保管（并且使用标准的公历系统），日历就会显示年份以“19”开始。不过在1999年12月31日午夜，我预期会在每一本这样的日历上看到年份以“20”开始。我还预期到，要过17000年，才会有人在这样的前提下再次经历“19”。无论是我还是其他人，此前都不曾经观测到这样一个“20”，也不曾观测过这样长的间隔，但我们的解释性理论让我们这样去预期，我们也正是这样预期的。

正如哲学家赫拉克利特所说：“从来没有人可以两次踏入同一条河流，因为河不再是同一条河，人也不再是同一个人。”所以，当我们记得在“相同”的情况下“反复”看到日出时，是在心照不宣地依赖解释性理论告诉自己，我们经验中的变量的哪些组合应当解释成现实中“重复出现”的现象，哪些是局部或无关的。比如，几何和光学理论告诉我们，不要希望在阴天看到日出，尽管在云层后面未被观察的地方太阳确实正在升起。只有通过那些解释性理论，我们才会知道，在这样的日子里看不到太阳，并不是一种太阳未曾升起的经验。同样地，理论告诉我们，如果在镜子里、视频中或虚拟现实游戏中看到日出，不等于看到两次日出。这种观念正是，经历重现本身并不是一种感觉经验，而是一个理论。

归纳主义不过如此。而且，鉴于归纳主义是错误的，经验主义也就是错误的了。因为如果人不能依据经验进行预测，当然也不能做出解释。发现一种新的解释，本质上是一种创造性的行为。要把天空中的光点解释成白热的、直径数百万千米的球体，必须先对这类球体有一个概念。接下来，就必须去解释它们为什么看上去那么小，那么冷冰冰的，看上去绕着我们做着步调一致的运动，而不会掉下来。这样的想法不会自发产生，也无法根据任何事物机械推演而得：它们必须是猜出来的——随后可以接受批评和检验。在某种意义上，看见光点在我们的脑中“书写”了某种东西，但所写的并不是解释，仅仅是光点而已。自然也不是一本书：人可能耗尽一生——或生生世世——努力“阅读”天空中的光点，结果还是对它们到底是什么一无所知。

在历史上，情形就是这样的。好几千年以来，观察天空最仔细的人们相信，恒星是一些发光体，镶嵌在中空、旋转、以地球为中心的“天球”上（或者是天球上的孔洞，天国的光从中透过来）。地心说（以地球为中心的）宇宙观很像是从经验中直接推演出来的，并得到了一再确认：任何人只要一抬头就可以“直接观察”到这个天球，星星都保持在它们相应的位置上，而且正如理论所预测的那样固定着。可实际情况是，太阳系是日心的——以太阳而非地球为中心，地球也并非静止不动，而是进行着复杂的运动。虽然我们起初通过观察星星注意到它们每天的转动，但这根本不是星星的属性，而是地球的属性，以及跟着地球一起转动的观察者们的属性。这是感觉的欺骗性的一个典型例证：无论是看上去还是在感觉上，地球在我们的脚下都是不动的，虽然它确实在转动。至于天球，虽然在光天化日之下看得见（就是天空），但它根本就不存在。

感觉的欺骗性对经验主义来说永远是一个问题——因此，对科学来说似乎也是个问题。经验主义者最好的辩护词是，感觉本身不具备欺骗性，误导我们的只是我们对现象的错误观念。确实如此——但这仅仅是因为我们的感觉本身什么也不会说。只有我们的解释会说话，而解释是很容易出错的。但是对科学来说，真正的关键是我们的解释性理论（其中包含上述解释）可以通过推测、批评和测试来改进。

经验主义从来就没有达到把科学从权威中解放出来的目标。它否定了传统权威的合法性，这是有益的。但很不幸，他们做到这一点是通过树立另外两个错误的权威：感觉经验，以及某种虚构的“推演”过程，比如归纳，人们幻想用这样的过程来从经验提取理论。

认为知识需要权威使其真实可靠，这样的错误观念可以追溯到古代，如今仍然十分流行。直到今天，大多数关于知识的哲学课都教导说，知识是某种确证的真实信念，“确证”指根据知识的某种权威来源或检验标准来说是正确的（或者至少是“概然的”）。这样，“我们怎样去了解……？”就转化成“我们根据哪些权威断言……？”后面这个问题是一种妄想，它浪费掉的哲学家的时间和精力可能比其他任何观念都多。它把对真理的追寻变成了对确定性（一种感觉）或认可（一种社会地位）的追寻。这种错误观念称为证明主义。

与此相反的主张称为易谬主义，它认为并不存在权威的知识来源，也不存在任何可靠手段能证明观念是真实的或概然的。对于信奉知识是确证的真实信念这一理论的人来说，这种认知是绝望或玩世不恭的起因，因为对他们来说，这意味着得到知识是不可能实现的。但我们中间有些人认为，创造知识意味着更好地理解现实中存在什么事物、它们实际上如何运作、为何如此，对这些人来说，易谬主义正是做到这一点的方法之一。易谬主义者认为，就算是他们最好、最重要的解释性理论，在真理之外也包含着谬误，因此他们随时准备着努力修正理论以做到更好。相反，证明主义的逻辑是寻求（以及典型地相信已经找到了）确保观念不发生变化的方法。此外，易谬主义的逻辑是，人不仅要试图修正过去的错误观念，还希望在未来能发现那些迄今还没有人质疑或认为有问题的错误观念，并且改变它们。因此，易谬主义（不仅仅是拒绝权威）是知识开启无限增长之路的关键——无穷的开始。

对权威的追求使经验主义者贬低乃至丑化猜想，而猜想是我们所有理论的真正源泉。因为如果感觉是知识的唯一来源，那么错误（或至少是可以避免的错误）只可能是由于对来源本身添加了些什么、减去了些什么或是由曲解造成的。因此，经验主义者相信，除了拒绝古代的权威和传统，科学家还应该抑制或忽略他们可能有的任何新想法，除非是那些从经验中正确“推演”出来的想法。就像阿瑟·柯南·道尔笔下的侦探夏洛克·福尔摩斯在短篇小说《波希米亚丑闻》中所说的，“在得到事实之前就加以推测，是最大的错误。”

但这种观念本身就是最大的错误。在用理论解释事实之前，我们是不知道任何事实的。正如波普尔指出的，所有的观察都是理论负载的[3]，从而可能出错，像我们所有的理论一样。想一想从我们的感觉器官传到大脑的神经信号。它们根本就不会提供直接或未经污染的现实体验，甚至它们的真面目——电活动的火花——都从未有人体验过。在很大程度上，我们也不曾体验过它们到底在哪里——在我们的脑子里。相反，我们将它们置于大脑之外的现实之中。我们并非只看到蓝色，而是看到上方蓝色的天空；不只是感到疼痛，而是觉得头疼或胃疼。大脑把这些解释——“头”、“胃”和“上方”——附加在我们脑内发生的真实事件之上。我们的感觉器官本身，以及所有我们在其输出内容之上有意识或无意识地附加的解释，都是出了名地靠不住——天球理论就是证据，以及所有的视觉错觉和魔术。它们全都是理论的解释：猜想。

柯南·道尔在《博斯库姆溪谷奇案》中更接近真实，在这个故事里，他让福尔摩斯说“现场证据”（没有人证的事件的证据）是“很靠不住的……它好像可以直截了当地证明某一种情况，但如果你稍稍改变一下看法，那你就可能会发现它同样好像可以明确无误地证实截然不同的另一种情况……没有比明显的事实更容易让人上当的了”。这种情况也同样适用于科学发现，从而再次引出那个问题：我们怎样去了解？如果我们所有的理论都来自自身，是我们头脑中的猜测，并且只能通过经验来亲自检验，它们怎么可能包含如此广泛而准确的知识，描述着我们从未经历过的现实？

我不是在问科学知识来自或依赖于哪些权威。我的意思是，严格地说，针对现实世界的那些比以往更正确、更详细的解释，是通过什么样的过程体现在我们的大脑中的？我们是怎样知道一颗遥远恒星中心的亚原子粒子通过嬗变进行的反应？就算是从恒星到达我们的仪器的微弱光线，也是嬗变发生之处100万千米之上、恒星表面的发光气体所发出的。我们是怎样知道宇宙大爆炸之后最初几秒钟里火球的状况？大爆炸会立即摧毁任何生灵或科学仪器。我们又是怎样去了解我们完全没有办法测量的未来？我们怎样以相当程度的信心去预测一种新的芯片设计方式是否奏效，或者一种新药是否能治疗某种疾病，即使这些东西此前从未出现过？

在人类历史的大部分时间里，我们不知道怎样去做任何这类事情。人们不去设计什么芯片或药物，甚至什么车轮。成千上万代的祖先仰望夜空，在那里好奇星星是什么——它们由什么组成，是什么让它们发光，它们彼此之间的关系，它们和我们的关系——对这些感到好奇是理所当然的。他们使用的眼睛和大脑，在解剖学上与现代天文学家的眼睛和大脑没有显著差异。可是，他们什么也没弄明白。在其他的知识领域里，情形也是一样的。不是缺乏尝试，而是缺乏思考。人们在观察世界，试图去了解它——但几乎都是徒劳。他们偶尔发现了表象的一些简单模式，但当他们试图发现这些表象背后的真实情况时，几乎完全失败。

我觉得，就像今天一样，大多数人只是偶尔好奇一下这类问题——在关注他们更狭隘的事务之余。然而这些狭隘的关注也包含着对认知的渴求——并不是仅仅出于纯粹的好奇心。他们希望知道，如何保障食物供给；如何能在劳累时可以去休息，但不会有饥饿的风险；如何可以更温暖、凉爽、安全和少些痛苦——在生活中的各个方面，他们都希望知道如何取得改善。但是，在人类个体的一生这样的时间尺度上，他们几乎从来没有做到过。诸如火、衣服、石器和青铜之类的发明太罕见了，以至于从个人观点来看，世界从来没有改善过。有时人们甚至（以某种神奇的预见力）认识到，于实践中取得进步，要依靠在理解天空中令人迷惑的现象方面取得进步。他们甚至对这两者之间的联系提出了神话之类的猜想，认为这些神话令人信服，足以主导他们的生活——可是这跟真理毫不相干。总之，他们想要创造知识，从而取得进步，但是，他们不知道应该怎样去做。

从我们这个物种最初的史前到文明的黎明，在复杂程度方面历经缓慢得难以察觉的增长——其间几经反复——直到几个世纪以前，情形一直都是这样。然后，一种做出发现并寻求解释的强大的新模式诞生了，后来人们称之为科学。这次诞生称为科学革命，因为它几乎立刻就成功地以可观的速度创造知识，从那以后这速度一直在加快。

究竟是什么东西发生了改变？是什么让科学有效地理解现实世界，而此前所有的方法都失败了？人们做了些什么前所未有的事，使得情形得以改善？当科学刚刚开始取得成功，就有人开始问这个问题，对此有许多相互矛盾的答案。有些答案包含真理，但在我看来，没有一个触及问题的核心。为了解释我所给出的答案，下面我要先讲一点背景。

科学革命是一次更广泛的思想革命的一部分，这次思想革命就是启蒙运动，它带动了其他领域里的进展，特别是在道德、政治哲学和社会体制的进展方面。不幸的是，“启蒙运动”一词被历史学家和哲学家用来表示各种不同的趋势，其中有一些互相对立得很厉害。我用这个词来指什么，后面会谈到。它是“无穷的开始”的几个方面之一，也是本书的主题之一。不过，有一点是所有关于启蒙运动的观念都认同的：这是一场反叛，是专门针对知识权威的反叛。

拒绝知识权威，不仅仅是一个抽象分析的问题。它是进步的必要条件。因为在启蒙运动之前，人们普遍认为一切能够发现的重要东西都已经发现了，奉祀在古代典籍和传统观念之类的权威来源之中。有些来源确实包含了一些真正的知识，但它们是与许多谬误一道以教条的形式确立的。所以当时的情况是，所有人对普遍相信的知识来源其实什么也不懂，他们号称懂得的东西大部分是错误的。因此，进步取决于学习如何拒绝权威。这就是为什么英国皇家学会（最早的科学学术团体，于1660年在伦敦成立）把“Nullius in verba”作为自己的座右铭，大意是“不要相信任何人的话”。

然而，对权威的反叛本身并不能真正改变什么。历史上人们曾多次反叛权威，但很少产生出任何持久的好处，通常的结局只不过是新权威取代了老权威。要实现知识的持续快速增长，需要的是批评的传统。在启蒙运动之前，这样的传统非常罕见：通常，传统的要点就是保持事物不变。

因此，启蒙运动是人们寻求知识的革命：尽量不依赖权威。正是在这种背景下，经验主义——主张仅仅依靠感觉来获取知识——扮演了非常有益的历史角色，尽管它在科学如何运作的概念上存在根本错误，甚至本身也有权威性质。

这种批评的传统，其成果之一是诞生了一套方法准则，认为科学理论必须是可检验的（虽然一开始并没有明确这样讲）。也就是说，理论必须做出预测，如果理论是错的，其预测就会与某些可能的观测结果互相矛盾。因此，虽然科学理论不是从经验中得来的，却可以用经验来检验——通过观察或实验进行检验。例如，在发现放射性之前，化学家们认为（并在无数的实验中确认过）嬗变是不可能的。卢瑟福和索迪大胆地猜测，铀能自发嬗变成其他元素。然后，他们证明密封容器中的铀能产生镭元素，推翻了当时流行的理论，带来科学的进步。他们之所以能做到这一点，是因为先前的理论是可检验的：可以通过镭的存在来检验。相反，认为所有物质都由土、气、火、水等元素组成的古老理论是不可检验的，因为它不具备任何检验这些元素存在的方法。它永远不可能被实验推翻，从而永远不会——也从来未曾——通过实验得到改善。启蒙运动在根本上是一场哲学变革。

物理学家伽利略也许是最先了解到实验检验的重要性的人，他将这类检验称为cimenti，意思是“通过实验的考验”。实验检验与其他形式的实验和观察截然不同，后者更容易被错误理解为“阅读自然之书”。可检验性作为科学方法的决定性特征，现已被普遍接受。波普尔将其称为科学与非科学之间的“分界标准”。

不过，可检验性不可能是科学革命的决定性因素。与人们通常说的不同，可检验的预测一直都普遍存在。每一条制造燧石刀片或点燃篝火的经验法则都是可检验的。每个宣称下星期二太阳会熄灭的预备先知都有一套可检验的理论，每个预感“今晚是我的幸运之夜——我能感觉到”的赌徒也有。那么，科学中有而先知和赌徒的可检验理论所没有的、那种使进步成为可能的关键成分是什么？

可检验性不足以起到决定性作用的原因是：预测本身不是也不可能是科学的目标。想象一群观众在看魔术表演，他们面临的问题与科学问题有着相同的逻辑。尽管自然界里不存在有意欺骗我们的戏法，但这两种情况下我们感到费解的根本原因是一样的：表象不会自我解释。如果一个魔术的解释在表象中显而易见，它就不算是魔术。如果物理现象的解释在表象中显而易见，经验主义就是正确的，也就不需要什么科学了。

问题不在于预测魔术的表象。例如，我可以预测，如果魔术师看上去把不同的球放在不同的杯子下面，这些杯子随后看上去将是空的。我也可以预测，如果魔术师看上去把一个人锯成了两截，稍后这个人将毫发无损地出现在舞台上。这些都是可检验的预测。我可能经历许多魔术表演，每次看到我的预言都得到应验。但这根本就与魔术技巧是什么的问题无关，更不要说解答这个问题。解答问题需要一个解释：对于造成表象的现实的一种说明。

有些人可能只是欣赏魔术，而根本就不想知道背后的技巧。同样地，在20世纪，大部分哲学家和许多科学家接受了科学没有能力发现任何真实情况的观点。他们从经验主义出发得出了一个必然结论（这个结论吓坏了早期的经验主义者）：除了预言预测的结果，科学并不能做得更多，它也绝不应该声称自己能够描述带来这些结果的现实。这种观点称为工具主义，它从根本上否认了我称为“解释”的东西能够存在。这一观念至今仍然非常有影响力。在某些领域（如统计分析）中“解释”这个词是指预测，因而一个数学公式被说成是用来“解释”一组实验数据的。“现实”的意思仅仅是指观测数据，公式的宗旨是得出与其近似的结果。这样，能用来描述有关现实的假设的术语，大概只剩下“有用的虚构”。

工具主义是否认实在论的许多手段之一。实在论是一种符合常识并且正确的观点：现实世界确实存在，并且可以通过理性调查来了解。一旦否认这一点，就可以得出这样的逻辑蕴涵：所有关于现实的主张都等同于神话，客观意义上没有哪一种比其他的更强。这就是相对主义，认为特定领域内的陈述不存在客观对错，至多只能够相对于某种文化或其他武断标准来评判。

就算不提把科学贬低成一堆人类经验的陈述这种哲学上的恶行，工具主义自身也是没有意义的，因为根本就不存在什么纯粹预测、无关解释的理论。如果不使用一套相当复杂的解释框架，就连最简单的预测也做不出。例如，有关魔术的预测仅仅适用于魔术，这就是解释性信息，它告诉我的东西之一就是不要把这些预测“外推”到其他场合，不管它们在预测魔术时多么成功。因此，我知道不要去预测锯子通常对人体无害；同时我还预测，如果把一个球放在杯子下面，它们将一直待在那里。

魔术以及魔术与其他场合的差别，这些概念是大家所熟知的，而且没有什么问题——以至于我们很容易忘记，魔术依赖于实质性的解释理论，这类理论描述我们的感觉如何运作、固体物质和光的行为以及微妙的文化细节。为人们所熟知并且无异议的知识是背景知识。如果某个预测理论的解释性内容仅由背景知识构成，该理论就是一条经验法则。由于我们通常把背景知识当作理所当然，经验法则看起来可能像是不带解释性的预测，但这永远只是错觉。

经验法则为什么有效，永远都存在解释，不管我们是否知道这个解释。否认自然的某些规律性存在解释，就相当于相信“那不是魔术，而是真实的魔法”之类的超自然论调。此外，一条经验法则失效时，也永远存在解释，因为经验法则都是狭隘的，只涉及很窄范围内的熟悉场合。因此，如果杯子和球的魔术中出现了某种新特征，我所说的经验法则就很容易做出错误的预测。例如，我没办法根据这条经验法则判断，如果用的不是球而是点燃的蜡烛，这个魔术是不是还能变得成。而如果我对于魔术技巧有一个解释，就能判断出来。

对于总结经验法则，解释也是至关重要的：如果我的脑子里没有大量解释性信息，我就不可能做出关于魔术的预测，在对魔术技巧做出特定解释之前，就已经有这些信息了。例如，只有依靠解释，我才能够从自己有关这个魔术的体验中提炼出“杯子和球”的概念，而不是“红色和蓝色”的概念，尽管我每次看到的魔术里杯子都是红色的，球都是蓝色的。

实验检验的本质是，对问题至少有两套看上去可行的理论，它们做出互相矛盾的预测，可通过实验来甄别。正如互相矛盾的预测是进行实验和观察的理由，在更广泛的意义上，互相矛盾的观点是进行所有理性思考和探索的理由。比方说，如果我们对某个事物感到好奇，就表示我们相信自己现有的观念不能准确地把握或解释它。因此，我们拥有某种标准，我们最好的现有解释没能达到这个标准。这种标准和现有解释就是互相矛盾的观点。我把我们体验到互相矛盾的观点的情形称为问题。

魔术的例子显示了观察怎样给科学提出问题——一如既往地依赖先验的解释性理论。因为一个魔术只有使我们觉得某些已发生的事是不应该发生的，才能成为魔术。这两者都有赖于我们提出针对经验的大量解释性理论。这就是为什么成年人看起来很神奇的魔术对小孩来说可能很无趣，因为小孩还没有学会做出这个魔术所依赖的预期。就算是对魔术技巧缺乏好奇心的观众，也能察觉它确实是魔术，原因仅仅在于他们带进观众席的解释性理论。解决问题意味着提出一种不包含矛盾的解释。

同样地，如果人们事先没有不受支撑的东西会掉下来、灯需要燃料而燃料会耗尽之类的预期（它们属于解释），就不会有人好奇星星是什么，这些预期与对实际所见事物的阐释（它们也属于解释）之间存在矛盾。人们看到的是星星永远闪耀，并且不会掉下来。在这一情形下，错的是那些阐释：星星确实在自由落体，并且确实需要燃料。但要弄明白为什么会这样，需要很多很多猜想、批评和检验。

问题也可能完全通过理论产生，无需观察。例如，如果某个理论做出了我们预期之外的预测，问题就产生了。预期也是理论。同样地，如果事物的实际运作方式（根据我们的最好解释）与应当的运作方式不同，也就是说与根据有关它们将怎样运作的现有标准推断出的运作方式不同，问题就产生了。这涵盖了“问题”一词所有的普通含义，从不愉快的（例如阿波罗13号任务报告的“休斯敦，我们这里出问题了”[4]）到愉快的，正如波普尔所写的：

我认为，就此而言，通往科学——或哲学的路只有一条：遇到一个问题，看到它的美并且爱上它；同它结婚，幸福地生活在一起，直到死亡将你们分开——除非你遇到另一个更让人着迷的问题，或者找到答案，你确实应当去找。但即使真的找到答案，你可能会惊喜地发现一个由迷人但可能很麻烦的子问题组成的大家庭……

——《实在论和科学的目标》（1983）

除了被检验的解释，实验检验还涉及许多其他先验解释，诸如关于测量仪器如何运作的理论。在预期某个科学理论正确的人看来，推翻理论与魔术有着相同的逻辑——唯一的区别是，魔术师通常无法利用未知的自然法则来完成魔术。

由于理论可能互相矛盾，而现实中不存在矛盾，每个问题都意味着我们的知识必定有缺陷或不足。我们的错误观念可能与所观察的事实有关，也可能与我们对现象的认知有关，或二者兼而有之。例如，只有当我们对于“必定”会发生的事存在错误观念时，魔术才能给我们提出问题，这种错误观念意味着，我们用来解释眼前现象的知识存在缺陷。对于精通魔术学问的专家，个中奥妙可能显而易见——就算专家本人并没有亲眼看到魔术，只是听某个被魔术欺骗的人对其进行了一番错误描述。这是科学解释的另一种常见情形：如果人拥有错误观念，与预期矛盾的观察可能会（也可能不会）促使他做出进一步的猜想，但在他拥有更好的观念之前，再多的观察也无法纠正错误观念。相反，如果人有了正确的观念，就算数据里充满错误，也可以对现象做出解释。再说，“数据”（“已知事物”）这个词有误导性。修正“数据”，即把其中一部分作为错误的剔除掉，与科学发现时时相伴。甚至，在理论告诉我们去寻找什么、怎样寻找和为什么寻找之前，是没有办法得到关键“数据”的。

从来没有一个新魔术是与现有魔术完全无关的。就像新的科学理论一样，新魔术是通过对现有魔术进行创造性的修改、重排和组合得来的。它需要物体怎样运作、观众怎样表现以及现有的魔术怎样进行等种种先验知识。那么最早的魔术从哪里来？它们应该是对那些原本不是魔术的想法（例如认真地把东西藏起来）进行改造而来的。同样地，最早的科学观点从哪里来？在科学诞生之前，有着经验法则、解释性假说以及神话，从而存在充足的原始材料供批评、猜想和检验。在这些东西产生之前，有我们与生俱来的假设和预想：我们生来就拥有某些观念，以及通过改变观念取得进展的能力。此外，还有文化行为的模式，对此我将在第15章详谈。

但是，就算是可检验的解释性理论，也不是造成停滞与进步之间的差异的关键所在。因为这类理论一直以来也十分普遍。想一想，比方说，古希腊的神话怎样解释每年冬季的到来。很久以前，冥王哈迪斯绑架并强暴了春天女神普西芬尼。后来，普西芬尼的母亲、大地和农业女神得墨忒耳同他谈妥了释放她女儿的契约，规定普西芬尼要嫁给哈迪斯，并吃下一粒神奇的种子，迫使她必须一年一度去探访他。每当普西芬尼离开母亲去履行这项义务时，得墨忒耳就会很伤心，命令世界变得冷漠凄凉，什么都不能生长。

虽然这只是个神话，而且完全是虚构的，但它确实包含了某种对季节变换的解释：它是一种主张，描述使我们体验到冬天的现实。它也是绝对可检验的：如果冬天是得墨忒耳定期的哀愁所致，那么地球上所有的地方都必定在同一时间经历冬天。因此，如果古希腊人知道，在他们认为得墨忒耳最悲伤的时候，澳大利亚正经历着温暖的生长季节，就应该可以推断出，他们关于季节的解释是错误的。

然而，在许多世纪的历程中，神话被修改或被其他神话所取代，新神话却从来都没能更接近事实真相。为什么呢？想想在这一解释中，普西芬尼神话里的特定因素扮演了何种角色。例如，神祇们提供了影响大规模现象所需的力量（得墨忒耳控制天气，哈迪斯和他的神奇种子控制普西芬尼，从而影响得墨忒耳）。但是，为什么是这些神而不是其他的神呢？在北欧神话中，四季变化是由春天之神弗雷在与寒冷和黑暗力量的永恒战争中变幻无常的运势造成的。弗雷取胜时，大地就温暖；而当他失败时，大地就变得寒冷。

这个神话与普西芬尼神话一样对季节做出了解释。它在解释天气的随机性方面要强一点儿，但在解释季节的规律性方面更差，因为真正的战争并不会这么有规律地跌宕起伏（除非起伏是季节本身导致的）。在普西芬尼神话里，结婚契约和神奇种子的作用是解释规律性。但是，为什么是一粒神奇种子而不是其他任何种类的魔法呢？为什么是婚姻探访契约使她每年重复某个行为，而不是其他原因呢？举例来说，这里有一个变种解释也适合这一情况：普西芬尼并没被放出来——她是逃出来的。每年的春季，当她的能力达到顶点时，就对哈迪斯进行复仇，袭击冥界并用春天的气息使所有的洞窟凉爽下来。洞窟里被驱散的热空气上升到人类世界，造成夏季。得墨忒耳庆祝普西芬尼的复仇和逃跑的周年纪念日，命令植物生长来装点大地。这个神话能与原来的版本一样解释同样的观察结果，并且是可检验的（事实上被推翻了）。但其中有关现实的断言与原来的神话有显著差异，在许多方面截然相反。

除了冬天每年到来一次这个最低限度的预测之外，故事中的每个其他细节都一样容易改变。所以，尽管这个神话是被编出来解释季节的，但它只是表面上适合这一目的。当神话的作者想着有什么事能让女神每年都做一次时，他不是大叫“我发现了！必定是用一粒神奇种子强制执行的婚姻契约”。他之所以做出这个选择——以及他身为作者做出的大量其他选择，是出于文化和艺术的原因，完全不是因为冬天的属性。他可能还试图用隐喻来解释人性的诸多方面——但在此我只关心这个神话解释季节的能力，在这方面甚至连作者都无法否认，所有细节都可以由无数其他内容同等替代。

对于现实中发生了什么导致季节更替，普西芬尼和弗雷的神话断言了完全不相容的东西。然而，我猜，从来没有人在对其中一个神话的可取之处与另一个进行比较之后将其作为结论采信，因为完全没有办法区分它们。如果我们忽略两则神话里所有那些容易被替代的内容，两者就只剩下相同的核心解释：是神在作为。尽管弗雷作为春天之神与普西芬尼非常不同，他的战斗与她的婚姻探访也非常不同，但这些不同的属性在两则神话各自对季节为何更替的解释中，都没有起到任何作用。因此，它们没有提供选择一个解释而放弃另一个的任何理由。

这些神话容易被改写的原因是，它们的细节与现象本身的细节根本没有关系。特地假设一个婚姻契约，一粒神奇种子，普西芬尼、哈迪斯和得墨忒耳——或弗雷之类的神祇，完全没有摸到冬天为何到来这个问题的边。只要有更多各式各样的理论能对它们试图解释的现象进行同等描述，就没有理由偏爱它们中间的某一个胜于其他，因此特别宣扬其中一个是不合理的做法。

对季节更替的这些神话解释，其根本缺陷在于可以随意做出巨大改动。这就是为什么编造神话通常并不是理解世界的有效途径。不管神话是否可检验，情况都是如此，因为只要可以轻易改变解释而不改变预测，就可以同样轻易地按需要做出不同的预测。例如，如果古希腊人真的发现了季节在北半球和南半球是不一样的，那么就有一大堆在这则神话的基础上稍加改动、与观察结果一致的版本可供挑选。其中一个版本可以说，得墨忒耳难过的时候，把温暖从她身边撵走，温暖就得跑到别的地方去——跑到南半球去了。同样地，对普西芬尼的解释稍作改变，就可以同样好地解释有着绿色彩虹的季节、每星期变换一次的季节、不定时变换的季节或者永不变换的季节。同样，对于迷信的赌徒或预言世界末日的先知来说，当他们的理论与经验相矛盾时，他们确实会换一个新理论；但是他们的隐含解释很糟糕，因而很容易在不改变解释的实质的情况下，把新的经验容纳进去。没有好解释性理论，他们只有重新解释预兆，或选择一个新日期，做出本质上相同的预测。在这种情况下，检验某个理论，若被推翻就放弃它，并不会在理解世界方面取得进步。如果一个解释可以轻松地解释特定领域的任何东西，实际上就等于什么也没解释。

一般来说，当理论像我所说的那样容易改变时，实验检验对于纠正错误几乎毫无用处。我称这些理论为坏解释。理论被实验证明为错误，把理论改成其他的坏解释，丝毫不能使理论的持有者更加接近事实。

因为解释在科学中起着核心作用，而且可检验性在坏解释的情况下毫无用处，我本人倾向于把神话、迷信和类似理论称作非科学的，即使它们能做出可检验的假设。不过使用什么术语都无所谓，只要它不会导致你仅仅因为可检验就得出结论说，普西芬尼的神话、先知的世界末日理论和赌徒的妄想含有某些有价值的东西。人也不能仅凭愿意放弃一个被推翻的理论就能够进步，而必须寻求对相关现象做出更好解释。这才是科学的思考框架。

正如物理学家理查德·费曼所说：“科学是让我们学会防止自我欺骗的东西。”轻易接受可变的解释，能确保赌徒和先知们在无论发生什么事的情况下，都能够继续欺骗自己。他们拒绝面对那些表明他们对实体世界的认知不正确的证据，就像接受了不可检验的理论一样彻底。

我认为，追求好解释不仅是科学的基本原则，也是整个启蒙运动的基本原则。正是这一特征将这些追求知识的方法与所有其他方法区别开来，它还蕴涵着我在前面讨论过的取得科学进步的所有其他条件：它显示，仅有预测是不够的，这一点不太重要；稍微重要一点的是，它带来对权威的反叛，因为如果我们根据权威接受某一理论，就表示我们也将根据权威接受许多不同的理论。因此，它意味着我们需要批评的传统。它还提出了一个方法原则——真实的标准，意思是我们应当而且仅仅应当在某个特定的东西包含了我们对事物的最佳解释时，得出结论说这个东西是真实的。

尽管启蒙运动和科学革命的先驱们并没有这样说，但寻求好解释当时是（现在仍是）那个时代的精神。他们就是这样开始思考，就是这样开始做起来，首次有系统地做起来。正是这一点使得各方面取得进步的速度发生了翻天覆地的改变。

早在启蒙运动之前，就有人在寻求好解释。事实上，我在这里的讨论表明，所有的进步，不管是那时的还是现在的，都是因为有这样的人才能实现。但在大多数的时间里，他们无法接触到批评的传统，而只有经过批评的传统，别人才能传承他们的思想，所以他们没能留下什么东西让我们去发现。我们确实知道，在某些狭窄领域（如几何学）里，偶尔存在过寻求好解释的传统，甚至是短暂的批评的传统——微型启蒙运动，但它们惨遭扼杀，我将在第9章里谈到。不过，整个思考者群体的价值观和思维方式突然发生重大转变，导致知识的创造得以持续并且加速，这样的转变在历史上只发生过一次。追求好解释所带来的价值观，包括容忍异见、对变化持开放态度、怀疑教条主义和权威，以及从个人和整个文化的角度都渴求进步，催生了一整套政治、道德、经济和思想文化，大致就是现在被称为“西方”的那一部分。这一丰富多彩的文化所带来的进步，回过头来又推广了这些价值观——虽然它们还远未得到全面贯彻，就像我将在第15章讨论的那样。

现在我们来看看对季节的真正解释。地球的自转轴相对于它绕太阳公转的轨道平面是倾斜的，如图1-2所示。每年有一半的时间，北半球朝太阳倾斜，南半球则偏离太阳；另外半年情形正好相反。每当太阳光垂直照射某个半球（从而为每个单位面积的表面提供更多的热量），就会斜照另外一个半球（提供的热量较少）。

图1-2 对季节的真正解释（注意，此图不是实际比例）

这是一个好解释——很难改变，因为所有的细节有实际作用。比如，我们知道——并且可以用与季节体验无关的方法去检验——向远离辐射热的方向倾斜的表面，其变热的程度比朝着辐射热方向倾斜的表面要小；空间中旋转的球体总是指向恒定的方向。我们还能用几何学、热学和力学理论来解释为什么会这样。而且，在解释一年的不同时间里太阳出现在离地平线多高的地方时，也涉及同样的倾斜。相反，在普西芬尼的神话里，世界的寒冷是得墨忒耳的悲伤所致——但人们悲伤时通常并不会使周围变冷，除了冬天的来临本身，我们也没有办法知道得墨忒耳是不是正在伤心，或者她是不是真的能让世界变冷。在地轴倾斜的解释中，我们不能用月亮来替代太阳，因为月亮在天上的位置并不是每年重复一次，而且让地球变热的阳光对这个解释是必不可少的。我们也不能随便往里面塞太阳神对此感觉如何的故事，因为如果冬季的正确解释在于地—日运动的几何学，那么谁对此感觉如何是全无关系的；如果这个解释里有某种缺陷，关于谁对此感觉如何的任何故事都不会让它变正确。

地轴倾斜理论还预测，季节在两个半球是不一样的。所以，如果发现两个半球季节相同，这一理论就会被推翻，就像普西芬尼和弗雷的神话被相反的观察结果推翻一样。但区别在于，如果地轴倾斜理论被推翻，其支持者就无处可逃了。他们没有办法轻松地对此理论作一下修改就让倾斜的地轴导致全球各地的季节相同。需要提出全新的理论。这正是好解释对科学至关重要的原因：只有在一个理论是好解释——很难改变——的时候，它是否可检验才有意义。坏解释不管是否可检验，都一样无用。

大多数有关神话与科学之间差异的讨论，都过分强调可检验性的问题——好像古希腊人最大的错误是没有派远征探险队到南半球去观察季节似的。但事实是，他们永远都不会想到这样一支探险队能提供关于季节的证据，除非他们事先已经猜到两个半球的季节有可能不同——并且这种猜想很难改变（只有作为好解释的一部分时才会这样）。如果他们的猜想容易改变，他们可能还是会省下船票待在家里，检验唱约德尔调[5]可以阻止冬天来临这种容易检验的理论。

只要没有比普西芬尼神话更好的解释，他们就无需进行检验。如果他们曾经寻求好解释，应该会立即着手在神话的基础上进行改善，而不作检验。我们现在就是这样做的。我们并不会去检验每一个可检验的理论，只检验我们觉得是好解释的那些理论。绝大多数错误的理论无需任何实验就可以直接排除，就是因为它们是坏解释，如果没有这个事实，科学就不可能存在。

好解释往往惊人地简单或优雅——我将在第14章中讨论这一点。而且，一个解释成为坏解释的常见方式之一，就是带有多余的特征或随意性，有时把这些东西去掉就能得到一个好解释。这导致人们产生了一种称为“奥卡姆剃刀”（得名于14世纪的哲学家威廉·奥卡姆，但这一观念可以追溯到古代）的错误观念，认为始终应该寻求“最简单的解释”。它的一种表述是“不要增加超出必要的假设”。然而，有很多假设十分简单但很容易改变（例如“得墨忒耳导致冬天来临”）。而且，按照定义来说，“超出必要”的假设使理论成为坏理论，但对于理论中的“必要”到底指什么，存在许多错误的观点。例如，工具主义认为解释本身是不必要的，许多其他坏的科学哲学也这么认为，对此我将在第12章中进行讨论。

当一个以前认为的好解释被新观察证明不正确时，它就不再是一个好解释，因为问题扩展到把这些观察包括进去了。所以，理论被实验推翻时就放弃掉，这种标准科学方法是由对好解释的需求催生的。最好的解释是那些受现有知识约束最强的解释——包含其他的好解释以及与待解释的现象有关的其他知识。这就是为什么通过了严格检验的可检验解释成为了极好解释，后者又是可检验原则推动科学知识增长的原因。

猜想是创造性想象力的产品。但想象本身的问题是，编造虚构故事比构建真理容易得多。正如我曾提到的，历史上人类对于在更广泛的现实层面上对经验进行解释的尝试，几乎全都是虚构，以神话、教条和错误常识的形式存在着——可检验原则不足以发现这些错误。但对好解释的追寻完成了任务：创造谬误很容易，产生之后很容易改变；发现好解释很难，但发现的过程越难，发现之后就越难改变。解释性科学为之奋斗的终极目标，可以用本章开头惠勒的引言来很好地描述：“这一切的背后是一种理念，如此简单，如此美丽，以至于当我们在十年、一个世纪或一千年后领悟它时，全都会互相说，哪里还会有其他可能呢？”。现在我们能看到，以解释为基础的科学观念怎样回答前面我提的问题：我们怎么会这么了解现实中不熟悉的那些方面？

让我们把自己当成一个古老的天文学家，正在思考地轴倾斜造成四季的解释。为了简单起见，我们假设你已经接受了日心说。所以你可能是，比方说出生在萨摩斯岛的阿里斯塔克斯，是他在公元前3世纪提出了最早的日心说观点。

虽然你知道地球是球体，但你对地球上位于埃塞俄比亚以南或设得兰群岛[6]以北的任何地方都没有概念。你不知道有大西洋或太平洋；对你来说，已知的世界只包括欧洲、北非和亚洲的部分地区，还有附近的沿海水域。然而，根据地轴倾斜造成季节的理论，你可以预测已知世界之外前所未闻的地方的天气。这类预测有些很平凡，可能被误认为是归纳出来的：你预测，朝东或朝西走，不管走多远，都会体验到相同的季节在每年相同的时间出现（虽然日出和日落的时间会随经度逐渐发生变化）。但你还会做出一些违反直觉的预测：只要从设得兰群岛再往北走一点儿，就会到达一个冰冻的地区，那里的一个白天持续六个月，一个夜晚持续六个月；如果从埃塞俄比亚再往南走，会先到达一个没有季节的地区，继续往南又会到达一个有季节的地区，但季节与你所知道的世界完全相反。你从未到过离地中海里你居住的岛屿几百千米之外的地方，从未体验过与地中海不同的季节。你从未读到或听说过与你所经历的季节相反的季节，但你知道它们。

如果你宁愿不知道这些会怎样？你可能不喜欢这些预测。你的朋友和同事可能会嘲笑这些预测。你可以尝试去修改解释让它不要做出这样的预测，同时又不破坏它与观测结果的一致性，以及与其他那些你找不到好的替代品的观念的一致性。你会失败。这就是一个好解释给你带来的：让你更难欺骗自己。

例如，你可能会把理论改成这样：“在已知的世界里，季节在一年中发生的时间是地轴理论预测的那样；在地球上的所有其他地方，季节也发生在一年中的那些时间里。”这个理论可以正确地预测你所知的所有证据，而且跟你真正的理论一样可检验。但是，为了否认地轴倾斜理论对遥远地方的预测，你必须否认它对现实中所有地区的描述。修改后的理论不再是一个对季节的解释，只不过是一个（所谓的）经验法则。因此，否认原始解释描述了那些你缺乏证据的地区里季节发生的真正原因，也将迫使你否认它描述了你家乡岛屿上季节发生的真正原因。

为了方便讨论起见，假设地轴倾斜理论是你自己提出的。它是你的猜想，你自己的独创。但由于它是一个好解释——很难改变，它就不是你能修改的了。它拥有自主的意义和自主的适用领域。你不能把它的预测局限在你挑选的地区里。不管你喜欢还是不喜欢，它都要做出有关对你已知和未知地方的预测，预测你想到的或没有想到的东西。其他恒星—行星系统里有着类似轨道的倾斜行星肯定也有季节性的冷暖变化——遥远星系里的行星，很久以前就被摧毁、我们永远也观察不到的行星，尚未诞生的行星。可以说，理论从它在大脑中有限的起源之地——这个大脑只受到一颗行星上一个半球的一小片区域里零碎证据的影响——延伸到了无穷。解释的这种延伸是“无穷的开始”的另一个含义。它是部分理论的一种能力，即这些理论可以解决的问题超出了它们被提出来用于解决的问题的范围。

地轴倾斜理论就是一个例子：它最初被提出来只是为了解释太阳每年的仰角变化。结合少量热学知识和旋转物体知识，它就解释了季节。而且，它在没有作任何进一步修改的情况下，就解释了为什么季节在两个半球不一样，为什么热带地区没有季节，为什么在极地地区夏天的午夜阳光普照——这三种现象，它的创造者很可能想都没有想过。

解释的延伸不是“归纳原则”。这个原则并不是解释的创建者用来获取解释或证明解释的东西，它根本就不是创造过程的一部分。我们只是在有了解释之后才发现它——有时是很久以后。所以，根本就用不着“外推”、“归纳”或其他所谓的方法来“推演”出理论。实际情形完全背道而驰：对季节的解释之所以能远远延伸到理论创建者的经验之外，正是因为它不需要外推。作为一个解释，它自身的性质决定了，在创造者第一次想到这个理论的时候，它就已经适用于我们这颗星球的另一个半球，适用于整个太阳系、其他的恒星系统，和其他的时间。

因此，解释的延伸既不是一个额外的假设，也不是一个可以去掉的假设。它是由解释的内容本身来决定的。一个解释越好，它的延伸范围就界定得越严格——因为一个解释越难改变，就越难创建出仍然是一个解释但有着不同延伸范围的变种，不管这个范围是更大还是更小。我们预期万有引力定律在火星上同在地球上一样，因为关于引力的可靠解释我们只知道一个——爱因斯坦的广义相对论，它是一个通用理论。但我们并不指望火星的地图与地球的地图相似，因为我们关于地球外貌的理论尽管也是非常好的解释，但不能延伸到其他天体的外貌。总之，正是解释性的理论告诉我们，一种情形的哪些方面能够“外推”到其他情形（这样的方面通常极少）。

对于非解释形式的知识——经验法则，以及为了生物适应性而蕴涵在基因里的知识，谈论延伸也是有意义的。因此，正如我此前所说，我那个关于杯子和球魔术的经验法则，其延伸范围是特定的一类魔术；但如果没有关于法则为何有效的解释，我就没法知道到底是哪一类。

那些不追求好解释的旧思想方式，不容许任何修正错误和错误观念的方法存在，例如科学。改进发生得太少，以至于大多数人从未经历过。观念长期保持不变。作为坏解释，就算是其中最好的，其延伸范围也通常极小，因而十分脆弱，超出其传统的应用范围就靠不住，往往在范围内也是如此。当观念真的发生改变时，也很少会变得更好；碰巧变得更好时，其延伸范围也很少会扩大。科学的诞生，以及更广大范围内我所说的启蒙运动的诞生，是这个停滞、狭隘的观念系统的终结。它开启了人类史的当今时代，在持续、快速地产出延伸范围不断扩大的知识方面，这个时代是独一无二的。许多人疑惑，这种情形能持续多久？它是否有天然界限？或者，这是不是无穷的开始——也就是说，这些方法是否拥有继续产出知识的无限潜力？启蒙运动扫除了所有用来在事物体系中赋予人类特殊重要地位的神话，代表这项事业提出潜力无限这么了不起（即使只是可能这么了不起）的主张，似乎是自相矛盾的。因为，人类的理性和创造力推动了启蒙运动，如果这些能力是无限的，人类难道不应该拥有重要地位吗？

然而，正如我在本章开头提到过的，黄金只能由恒星和智慧生物创造出来。如果你在宇宙中任何一个地方发现了一块金子，就可以确信历史上那里要么有过超新星，要么有过拥有解释的智慧生物。如果你在宇宙中任何地方发现了解释，就知道这里必定有过智慧生物。仅有超新星是不够的。

但是——这又怎么样？金子对我们很重要，但它对宇宙万物并无重要意义。解释对我们很重要：我们需要解释才能生存。但在脑内看起来十分细微的物理过程中，是否有某种对宇宙万物有重要意义的、与解释有关的东西存在？在对表象和现实进行一些思考之后，我将在第3章中重点讨论这一问题。

术语

解释——关于现实中存在什么事物、其行为如何、怎样运作、为何会如此等的陈述。

延伸——部分解释的一种能力，这些解释可以解决的问题超出了它们被提出来用于解决的问题的范围。

创造力——创造新解释的能力。

经验主义——一种错误观念，认为我们所有的知识都来自感觉经验。

理论负载——不存在“原始”经验。我们对世界的所有经验都经过了意识和潜意识的层层解释。

归纳主义——一种错误观念，认为科学理论是通过对重复的经验进行概括或外推来获取的，一个理论被观察结果证实的次数越多，就越可靠。

归纳法——一种并不存在的“获取”过程，参见上一条。

归纳原则——认为“未来将同过去相似”的观念，与认为这一原则可断言未来所有事物的错误观念相结合。

实在论——一种观念，认为现实世界确实存在、有关现实世界的知识也存在。

相对主义——一种错误观念，认为特定领域内的陈述不存在客观对错，至多只能够相对于某种文化或其他武断标准来评判。

工具主义——一种错误观念，认为科学无法描述现实，只能预测观测结果。

证明主义——一种错误观念，认为知识只有经某种来源或标准证明才是正确的。

易谬主义——认为并不存在权威的知识来源，也不存在任何可靠的手段能用来证明观念是真实的或概然的。

背景知识——为人们所熟知并且无异议的知识。

经验法则——“纯粹预测的理论”（其解释性内容全是背景知识）。

问题——当观念与经验之间有矛盾时，就产生了问题。

好/坏解释——一种解释，很难/容易改变并仍然能说明它声称能说明的事物。

启蒙运动——一种追求知识的方法（的开端），这种方法通过批评的传统寻求好解释，而不是寻求对权威的依赖。

微型启蒙运动——一段短暂的批评的传统。

理性——试图通过寻求好解释来解决问题；通过对现有观念及新设想提出批评，来积极寻求修正错误。

西方——围绕启蒙运动关于科学、理性和自由的价值观发展起来的一套政治、道德、经济和思想文化。

“无穷的开始”在本章的意义

——某些解释的延伸范围达到无穷的事实。

——某些解释的通用延伸。

——启蒙运动。

——批评的传统。

——猜想：一切知识的起源。

——关于如何取得进步的发现：科学，科学革命，对好解释的追求，西方的政治原则。

——易谬主义。

小结

表象是有欺骗性的。但我们对于导致这些表象的、广大而陌生的现实，以及支配现实的优雅、普适的法则拥有大量的知识。这些知识包含解释，即关于表象之下的事实及其行为的断言。在我们这个物种的历史上，大多数时候我们在创造此类知识方面毫无建树。

知识从何而来？经验主义说，我们从感觉经验中推演出知识。这种观点是错的。理论的真正源头是猜想，知识的真正源头是随批评而修改的猜想。我们对现有观点进行重组、合并、修改和增添，希望在原有基础上做出改进，从而创造出理论。实验和观测的功能是在现有理论中做出选择，并不是作为新理论的来源。我们通过解释性理论对经验进行解释，但真正的解释并不是显而易见的。易谬主义让我们不要寻求权威，而是承认我们可能一直在犯错，并努力纠正错误。我们通过寻求好解释来做到这一点，好解释是难以改变的，改变细节会毁掉整个解释。这才是科学革命的决定性因素，也是启蒙运动其他领域取得独特、迅速、持续的进步的决定性因素，而实验检验不是。启蒙运动是对权威的反叛，它与大多数此类反叛都不同，并不试图为理论寻求权威证明，而是建立了一种批评的传统。由此产生的一些观念有着极大的延伸范围：它们能够解释的东西，比它们被创建出来用于解释的东西更多。解释的延伸是一种内在属性，不是经验主义和归纳主义所说的那种由我们提出的假设。

接下来我要就表象和现实、解释和无穷进行更多讨论。

[1] 两人在1901年至1903年间合作研究放射性，于1901年在实验中发现放射性钍能自发转变成镭。据称，当时索迪说：“卢瑟福，这是嬗变！”卢瑟福回答说：“看在上帝的份儿上，别说这是嬗变，他们会把我们当成炼金术士砍头的！”——译注

[2] 1945年7月16日，美国进行了世界上第一次核爆炸实验。在自然界中，放射性元素衰变可能引发核裂变，但很可能不存在裂变式核爆炸。——译注

[3] 这个词是哲学家诺伍德·罗素·汉森创造出来的。——原注

[4] 阿波罗13号是美国宇航局于1970年执行的一次载人登月任务，在前往月球途中，飞船服务舱氧气罐爆炸，使飞船严重损坏。三名宇航员以登月舱为救生艇，成功返回地球。“休斯敦，我们这里出问题了”是宇航员在事故发生后向休斯敦地面指挥中心报告情况时的喊话。——译注

[5] 约德尔调是一种特殊的歌唱形式，源于瑞士阿尔卑斯山区。它运用真假声两种唱法迅速交替的方式歌唱，婉转高亢，被牧民用于呼唤牛羊，或与山间其他人远距离交流。——译注

[6] 设得兰群岛是苏格兰最北端的一个群岛。——译注

第2章 更接近现实

星系是大得令人难以置信的物体。从这个意义上说，恒星也是大得令人难以置信的物体。我们自己的星球也是。从内部的复杂性和人类思想的延伸范围而言，人类的大脑也是难以置信地巨大。一个星系团里可能有成千上万个星系，星系团的尺寸可能数以百万光年计。“成千上万个星系”这个词组说出来非常容易，但要费一点时间才能在脑子里体会到它的真实情形。

我第一次被这个概念震惊到，是在我刚开始念研究生时。一些同学向我展示他们当时在做的工作：用显微镜观察星系团。天文学家就是这样研究帕洛马巡天星图[1]的，它是一套星空照片，总共1874张，形式为玻璃板负片，恒星和星系在上面呈现为白色背景中的暗影。

他们装好了这样一块玻璃板让我看。我将显微镜的目镜聚焦，看到了图2-1所示的画面。

图2-1 后发座星系团

图中模模糊糊的东西是星系，边缘清晰的黑点是银河系里的恒星，那些星系比这些恒星离我们远成千上万倍。这些同学的工作是将星系排列在显微镜目镜的十字叉丝上，按下按钮，记录星系的位置。我自己试了一下——只是为了好玩，因为我并不具备进行正式测量的资质。很快我就发现，这真的不像我想的那么容易。其中原因之一是，哪些是星系、哪些仅仅是恒星或其他前景物体，并不总是显而易见的。有些星系很容易辨认：比如，恒星从来不会自转，也不会明显呈椭圆形。但有些形状非常暗淡，很难分辨它们的边缘是否清晰。有些星系看上去很小、暗淡并且呈圆形。有些星系的一部分被其他物体遮蔽。如今，这样的测量是由计算机使用先进的模式匹配算法来完成的。但在那时，人们只能仔细查看每一个对象，利用边缘的模糊程度之类的线索——虽然有些天体的边缘本来就是模糊的，比如银河系里的超新星残骸。在这里人们用的是经验法则。

人们怎样去检验这样一条经验法则？其中一种方法是随机选择一片天空，对它拍一张清晰度更高的照片，使得识别其中的星系比较容易。然后将识别结果与经验法则的判断结果进行比较。如果两者有差异，经验法则就不准确。如果不存在差异，还是不能确定。永远都不可能做到确信无疑，这是理所当然的。

我对自己所看到的东西的尺度深感惊异，但这是不对的。有些人在宇宙的尺度面前感觉沮丧，因为这让他们觉得自己无足轻重。还有些人在感到自己无足轻重之后如释重负，这就更糟糕了。不管哪种情况，这种感觉都是错误的。因为宇宙很大而觉得自己无足轻重，这个逻辑就相当于因为自己不是一头或一群奶牛而感觉不对。宇宙不是用来把我们比下去的，它是我们的家，我们的资源。宇宙越大越好。

不过，接下来还有星系团在哲学上的意义。当我把十字叉丝从一个不起眼的星系移到另一个、在猜测是各星系中心的位置按下按钮时，一些异想天开的想法出现在我的脑海里。我在想着，我会不会成为第一个也是最后一个有意识地注意某个特定星系的人类。我只花了几秒钟去看这个模糊的对象，但它承载了与我所知的一切都有关联的意义。它里面有数以十亿计的行星，每颗行星都是一个世界。每颗行星都有自己独特的历史——日出和日落，暴风雨和季节变换，有的有着大陆、海洋、地震和河流。其中是否有一些世界拥有生命？那里有天文学家吗？除非有着极其悠久和先进的文明，否则他们永远走不出自己的星系，也就没有办法像我那样看到他们的星系是什么样子——尽管他们可能从理论上知道是什么样子。他们中间是否有人正看着银河系，对我们发出同样的疑问？如果是这样，那他们所看到的银河系，是它在地球上最高级的生命形式是鱼的时候的样子。[2]

如今用来给星系编制目录的计算机，可能比研究生做得更好，也可能做得更差，但它们的运算结果一定不会包含这样的反思体验。我提到这一点，是因为我经常听人把科研说得很单调乏味，认为它基本上是不动脑子的苦役。发明家托马斯·爱迪生曾经说过：“我的发明中没有一项是偶然得来的。我看到一种需求值得去满足，就会一次又一次地尝试，直到达到目的。这可以归结为百分之一的灵感和百分之九十九的汗水。”有人认为理论研究也是如此，其中“汗水”阶段指据称缺乏创造性的工作，如进行代数运算，或把算法转变成计算机程序。但事实是，计算机或机器人能不用脑子完成工作，并不表示科学家做这些工作时不用脑子。计算机下棋不用脑子，只是穷尽力量去计算所有可能的走法带来的后果；人类执行看上去相同的功能时，用的却是完全不同的途径：富有创意和乐趣的思考。给星系编制目录的计算机程序可能就是那些研究生写的，他们把自己学到的东西提取成易于重现的算法。这意味着他们在完成工作的过程中应当学到了东西，而计算机在完成工作时什么也不会学到。然而更重要的是，我觉得爱迪生曲解了自己的经验。就算失败的尝试也是有乐趣的。人在进行重复实验时，如果思考着实验要检验的观点和要调查的现实，就不能算是一种重复。那个星系项目的目标是发现“暗物质”（参见下一章）是否确实存在，它完成了任务。如果爱迪生，或者那些研究生，或者随便哪位科研人员，在做出发现的“汗水”阶段真的是不用脑子干活，他们会错过大部分的乐趣——这也是“百分之一的灵感”的巨大威力。

我碰到了一个特别模糊不清的图像，就问让我参与这项工作的同学们：“这是一个星系还是一颗恒星？”

答复是：“都不是，这只是感光剂上的一个缺陷。”

思维的急剧换挡把我逗乐了。本来我进行了一番宏大猜测，思考自己看到的东西有何深意，结果发现对这个特定目标来说什么也不是：突然之间，图像里没有了天文学家，没有了河流和地震，它们全都消逝在想象的烟雾里。我把所看到的东西的质量高估了10^50倍。我以为是自己看过的最大物体、最遥远时空的东西，其实只是一臂距离之内的一个微小斑点，不用显微镜就几乎看不见。人是多么容易、多么彻底地被误导啊！

不过，等一下。我到底有没有看到过星系？所有其他的斑点，实质上都是微小的银污斑[3]。如果我因为其中一个斑点与其他的太像而搞错了它的起因，为什么会是一个这么大的错误？

因为实验科学里的错误正是对事物起因的误解。就像准确的观测一样，这是一个理论问题。在自然界里，仅凭人类感官能察觉的东西太少了。大多数事物要么发生得太快或太慢，要么太大、太小或太遥远，要么隐藏在不透明的障碍背后，要么机制与影响我们进化的准则相差太大。但在某些情况下，我们可以借助观察仪器使这些现象变得可以觉察。

我们觉得这些仪器使我们更接近现实了——就像我看着那个星系团时的感觉。不过从纯物理的角度而言，它们只是让我们离现实更远。我可以仰望夜空，朝着那个星系团的方向看，它与我的眼睛之间除了几克空气之外什么也没有——但我什么都不会看到。我可以在它和自己之间加上一台望远镜，说不定就能看到它了。看星图底片时，我在它和自己之间加上了一台望远镜、一部相机、一间照片处理实验室、另外一部相机（用来给玻璃底片制作副本）、一辆卡车（用来把底片运到我所在的大学），还有一台显微镜。所有这些设备挡在中间，可以让我把这个星系团看得更清楚。

现在的天文学家从来不仰望星空（除了也许在业余时间里会看看），基本上也不通过望远镜观察天空。许多望远镜根本没有适合人眼的目镜，还有许多望远镜连可见光都探测不到。取而代之的是，用仪器探测看不见的信号，然后将它们数字化、记录下来、同其他数据相结合，由计算机处理和分析。在此基础上可能绘制出图像——也许是“假彩色的”，用来显示无线电波或其他辐射，或展现更加间接地推断出来的属性，比如温度或成分。许多情况下并不绘制遥远天体的图像，而只得出数据表、图形和图表，影响天文学家感官的只有这些工序的结果。

每多一层这种物理隔离，就需要更高层次的理论，以将感知结果与现实联系起来。天文学家乔斯林·贝尔[4]发现脉冲星（一种极其致密的恒星，有规律地爆发出无线电波）时，她看到的东西如图2-2所示。

图2-2 从第一颗已知的脉冲星得到的射电望远镜记录

只有通过复杂的理论解释链，她才能从纸上抖动的线条里“看到”深空之中一个威力巨大的、正在脉动的天体，并认识到这是一种前所未见的星体。

我们对远离日常经验的现象了解得越深，解释链就越长，每个新增的环节都需要更多的理论。解释链上任何地方出现一个意外或被误解的现象，就可能使接下来的感觉经验产生任意误导的效果，很多时候，事情确实这样发生了。然而，随着时间的推移，科学提炼出来的结论变得前所未有地真实。对好解释的追寻过程能纠正错误、偏见和误导性观念，填补空白。当我们像费曼说的那样不断学习怎样避免自我欺骗时，所能获得的东西就是以上这些。

天文望远镜装有自动追踪机制，不断调整方向以抵消地球自转的影响；有些计算机不断改变望远镜反射镜的形状，以抵消地球大气的闪光。因此，通过这样的望远镜观察，恒星就不会像过去一代又一代的观察者们所看到的那样闪烁，或在天空中移动。那些都只是表象，也就是狭隘的错误，与恒星的真实情形毫无关系。这类望远镜的光学器件的主要功能，就是减少恒星很稀少、暗淡、闪烁和移动着之类的假象。望远镜的其他特征，以及其他科学仪器的特征，也都是如此：人与观察对象之间的每一个间接层，都会通过与其相关的理论纠正错误、消除幻象、抑制误导性观念的影响、填补空白。真正准确的观测总是这样非常不直接的，这看上去之所以有点儿奇怪，大约是出于经验主义者关于“纯粹的”、不依赖理论的观测的错误观念。但事实是，取得进步有赖于在我们进行观测之前就运用很多知识。

所以，我确实是在看着星系。通过银斑点观察星系，与通过虹膜上的影像观察花园并无不同。在所有情况下，说我们真正观察了某种给定的事物，意思都是我们对这一事物准确地赋予了证据（最终都是我们脑子里的证据）。科学真理里包含着理论与物理现实之间的这种对应。

运行庞大的粒子加速器的科学家，同样是通过看着像素和墨水、数字和图像来观察核子和夸克之类亚原子粒子的微观现实。还有的科学家操作电子显微镜，用电子束轰击细胞，这些细胞像渡渡鸟[5]一样死得不能再死、经过染色、用液氮急速冷却、放置在真空里——但科学家就能由此得知活细胞是什么样的。世界上存在这样一些事物，当我们观察它们时，它们能准确呈现出位于别的地方、构成与它们差异很大的事物的表象及其他属性，这实在太奇妙了。我们的感官系统也是这样的物体，因为在我们观察事物时，只有它们直接影响着我们的大脑。

这类科学仪器是稀少且精细易损的物质结合体。只要按错了显微镜控制面板上的一个键，或往计算机里输入了一个错误代码，就可能导致这整个极其复杂的人造物变得什么也揭示不了，除了展现它们本身之外。如果你不制造科学仪器，而把原材料组合成其他随便什么样子，情形也是一样：你盯着它们，结果除了它们本身之外什么也看不到。

解释性的理论告诉我们怎样去制造这些仪器，以及如何正确地操作这些仪器，来完成这个奇迹。与魔术相反，这些仪器欺骗我们的感官，使我们看到真实的事物。通过我在第1章里谈到的方法论原则，我们的思想在且仅在某个特定事物符合我们关于某些事物的最好解释时，会得出结论认为这个事物是真实的。从物理上说，所有这些过程就是，地球上的人类挖出铁矿石和沙子之类的原材料，把它们（仍然在地球上）重组成为复杂物体，如射电望远镜、计算机和显示屏，然后不再仰望天空，而是看着这些物体。现在他们的眼睛注视着触手可及的人造物体，但他们的思想专注于许多光年外的陌生实体和过程。

有时，天文学家也像他们的祖先一样，仍旧注视着小光点——不过不是在看天空，而是在看计算机显示器。有时他们看着数字或图表。但是在所有情形下，他们都是在检视身边的事物：显示屏上的像素、纸上的墨水等。这些东西在物理上与恒星相差甚远：它们比恒星小得多，不由核动力和引力支配，不能进行元素嬗变或创造生命，不曾存在了数十亿年。但当天文学家看着这些东西的时候，它们就是恒星。

小结

科学仪器使我们更接近现实，尽管在纯物理的角度上它们让我们离现实更远，这看上去似乎有点儿怪。但不管怎样，我们对什么东西都不是直接观察的。所有的观察都是理论负载的。同样地，每当我们犯错，它都是对某种事物的解释里的错误。这就是为什么表象会具有欺骗性，也是为什么我们以及我们的仪器能够防止这种欺骗。知识的增长包含着对理论中的错误观念进行修正。爱迪生说研究是百分之一的灵感和百分之九十九的汗水，但这种说法存在误导，因为即使是计算机和其他机器做起来不带创造性的工作，人类也能对其赋予创造性。所以，科学并非不用脑子的苦役、以做出发现的难得时刻为补偿：苦役本身可以有创造性和乐趣，就像发现新解释一样。

那么，这样的创造性——以及乐趣——能无限持续下去吗？

[1] 1948年至1958年间，在美国国家地理学会赞助下，美国加利福尼亚州帕洛马天文台执行了一项大规模光学巡天观测，用122厘米口径的施密特反射望远镜针对北半球的天空进行观测，灵敏度达到人类肉眼视力极限的100万倍，其成果就是帕洛马巡天星图。——译注

[2] 作者所想的星系离我们很远，银河系在几亿年前发出的光现在才到达那里。——译注

[3] 光线使卤化银感光剂变成黑色的，所以星系在底片上的影像就是银形成的斑点。——译注

[4] 乔斯林·贝尔（1943—），英国天文学家。1967年7月，她在星表记录上发现了一个有规律的脉冲信号，该信号起初被人们认为是外星智慧生命发出的信息，后来被证实来自一颗脉冲星。这是20世纪最重要的天文学发现之一。——译注

[5] 渡渡鸟是毛里求斯岛上一种不会飞的鸟，于16世纪初被发现，不到200年时间里就因人类捕杀而灭绝。这是记载中第一种因人类活动而灭绝的物种，是最著名的已灭绝动物之一。——译注

第3章 思想的火花

对于超出日常生活经验的现实，大部分的古代描述不仅是错误的，而且有着一个与现代描述截然不同的特征：它们是以人类为中心的。也就是说，它们的核心是人类，以及更广泛意义上的人——有意图、有着与人类相似的思想的实体。这些古代描述里有着强大的超自然人物，例如神祇。于是，冬天源于某人的悲伤，丰收源于某人的慷慨，自然灾难源于某人的愤怒，如此这般。这类解释通常涉及宇宙层面上很重要的人物，他们关注着人类的举动，或对人类有意图。地心说还将人类置于宇宙的物理中心。这两种人类中心主义——解释上的和几何上的——互相使对方看起来更可信，结果，启蒙运动之前的思想比我们现今能轻易想象到的更加以人类为中心。

一个值得注意的例外是几何学本身，特别是由古希腊数学家欧几里得开发出来的系统。它那涉及点与线等非人格实体的优美公理和推理方式，后来激发了许多启蒙运动先驱的灵感。但在此之前，它对于流行的世界观影响不大。例如，大多数的天文学家同时也是占星家：尽管他们在研究中运用复杂的几何学，却相信星星能预言地球上的政治事件和个人活动。

在人们对世界的运作方式有任何了解之前，尝试用有目的、与人类相似的想法和行为来解释物理现象，可能曾经是一种合理的做法。毕竟，就算到今天，我们也还是这样去解释大部分日常体验：如果一件珠宝从紧锁的保险柜里神秘消失了，我们会寻求人类水平的解释，比如说弄错了，或者被偷走了（或者有些时候是变魔术），而不是去寻找新的物理规律。但这种以人类为中心的方法从来不曾对人类事务以外的东西给出过什么好解释。对整个物质世界而言，它是个非常错误的想法。我们现在知道，夜空中的恒星和行星的运行模式对人类事务没有什么影响。我们知道人类并不位于宇宙的中心——而且宇宙根本就没有一个几何中心。我们还知道，虽然我描述的某些规模巨大的天体物理现象曾经在我们的过去扮演重要角色，但我们对它们从来就不曾重要过。如果狭隘理论不足以解释一种现象，或者该现象存在于许多其他现象的解释里，我们就称这一现象为重要的（或者基础的）。这样一来，人类及其愿望和行动似乎对整个宇宙极端不重要。

以人类为中心的错误观念在其他基础科学领域里也被推翻了：我们现在的物理知识，是用与欧几里得的点和线一样非人格化的实体来表达的，例如基本粒子、力和时空，后者是一个有三维空间和一维时间的四维连续统。这些实体相互之间的影响，不是用感觉或意图之类的东西来解释，而是用表述自然法则的数学方程来解释。在生物学上，人们一度认为生物是由某种超自然人物设计出来的，必定包含某种特殊成分，或说“至关重要的法则”，使它们表现得具有明显的目的性。但生物科学通过化学反应、基因和进化之类的非人格事物找到了新的解释模式。于是我们知道，包括人类在内的生物，与石头和恒星包含同样的成分、遵循同样的规律，不是由什么人设计出来的。现代科学完全不用看不见的人物的想法和意图来解释物理现象，而认为我们自己的想法和意图是大脑里看不见（但并不是没有办法看到）的微小物理过程的集合体。

放弃以人类为中心的理论，所得的收获非常丰硕，这对更大范围的思想史是如此重要，以至于反人类中心主义越来越被提升到普适法则的地位，它有时被称为“平庸原则”，其主张是：人类（在宇宙万物中）完全不重要。如物理学家史蒂芬·霍金所说，人类“只是一个典型星系外缘绕着一颗典型恒星运转的一颗典型行星上的一堆化学渣滓”。“在宇宙万物中”这个附带条件是必需的，因为根据化学渣滓们应用于自身的价值观（如道德观），他们的确显然有着特殊的重要性。但平庸原则认为，所有这类价值观本身都是以人类为中心的：它们只能对“化学渣滓”们的行为进行解释，而这类行为本身是不重要的。

把一个人自己的癖好、所熟悉的环境或个人观察（例如夜空的旋转）当作正在观察的事物的客观属性，把经验法则（例如预测每天的日出）当作普遍规律，这样的错误是非常容易犯的。我把这类错误称为狭隘主义。

以人类为中心的错误就是狭隘主义的例证，但并非所有的狭隘主义都是以人类为中心的。例如，预测季节在世界各地都一样，是一个狭隘的错误，但不是一个以人类为中心的错误：它并不是从人的角度去解释季节。

另一个与人类处境有关的重要观念，有时被戏剧性地称为宇宙飞船地球号。想象一艘“世代飞船”，它的旅途是那么长久，很多代的乘客一辈子都生活在旅途中。已有人提出用这一手段去殖民其他恒星系统。在宇宙飞船地球号的观念中，世代飞船比喻生物圈——由地球上所有生物以及它们的栖息地构成的系统。乘客就代表着地球上所有的人类。飞船外的宇宙环境极其恶劣，但飞船内部是一个庞大、复杂的生命支持系统，能够给乘客提供使他们繁荣发展所需要的一切。像这艘飞船一样，生物圈能回收所有废物，利用它巨大的核电厂（太阳），完全自给自足。

正如飞船的生命支持系统是设计出来供养乘客的，生物圈也有着“设计的表象”：（飞船的比喻声称）生物圈看上去高度适合供养我们，因为我们通过进化适应了它。但它的能力是有限的：如果我们使它超载，它就会崩溃，不管超载原因是人口太多，还是人们采用了与进化出来的生活方式（生物圈“设计”出来支持的方式）过于不同的方式。就像飞船上的乘客一样，我们不会有第二次机会：如果我们的生活方式变得过于粗心或挥霍，就会毁掉我们的生命支持系统，无处可去。

宇宙飞船地球号的比喻和平庸原则，这两种说法都在有科学头脑的人中间得到了广泛的接受——成了众所周知的道理。尽管事实是，乍看起来这两种观念在某种意义上背道而驰：平庸原则强调地球和它的化学渣滓是多么典型（在其存在甚为平凡的意义上），而宇宙飞船地球号强调它们有多么不典型（在独特地彼此适应的意义上）。但如果用广泛的哲学方法对这两种观念进行解释（通常也就是这样解释的），两者就很容易殊途同归。它们都认为自己纠正了同样一些狭隘错误观念，诸如我们对地球生活的体验在宇宙中有代表性，地球广阔、静止并且永世长存。相反，它们都强调说，地球非常渺小，而且寿命短暂。两者都反对傲慢：平庸原则反对启蒙运动之前的傲慢，这种傲慢认为我们在世界上很重要；宇宙飞船地球号反对启蒙运动的傲慢，这种傲慢是立志掌控世界。两者都包含同一个道德元素：我们不应该认为自己很重要，我们不应该指望世界无限度地屈服于我们的掠夺。

这样一来，这两种观念产生了丰富的概念框架，可以为一整套世界观提供信息。然而，就像我接下来要解释的那样，它们都是错的，甚至在直白的实际意义上就是错的。而在更广泛的意义上，它们实在太具误导性了，以至于如果你想要找点格言来刻在石头上，或者每天吃早饭之前念诵一下，选择这两种观点的反面要好得多。也就是说，事实真相是：

人在宇宙万物中是重要的；

地球生物圈不适合支持人类生活。

重新考虑一下霍金的说法。确实，我们处在一个典型星系里绕着一颗典型恒星运转的一颗（有点儿）典型的行星上。但我们绝不是宇宙中的典型物质。原因之一是，据认为宇宙中约80%的物质是不可见的“暗物质”，既不发光也不吸收光。我们现在只能通过暗物质对星系的间接引力影响来探测到它。只有余下的20%的物质，才是我们狭隘地称为“普通物质”的东西，其特点是会持续发光。通常我们并不认为自己在发光，但这又是我们的感官局限导致的一种狭隘错误观念：我们发出辐射热（即红外线），也发出微弱到眼睛看不到的可见光。

像我们自己、我们的行星和恒星一样致密的物质集合，也不是典型的，虽然数量庞大。这样的物质集合是孤立、罕见的现象，宇宙的绝大部分是真空（加上辐射和暗物质）。我们之所以对普通物质很熟悉，只是因为我们由普通物质组成，并且处在大量普通物质集合附近这么一个非典型的位置上。

而且，我们是普通物质的罕见形式。普通物质最常见的形式是等离子体（原子电离成带电的部分），通常会发出明亮的可见光，因为它们位于炽热的恒星内部。我们这些化学渣滓主要发出红外线，因为体内有液体和复杂化学分子，而这些物质只能存在于低得多的温度范围里。

宇宙中弥漫着微波辐射——大爆炸的余晖，其温度大约是2.7开，即比可能的最低温度——绝对零度高2.7摄氏度，或比水的冰点低270摄氏度。只有在极不寻常的情况下，才能达到比这些微波更低的温度。宇宙中已知事物的温度没有比1开更低的——除了在地球上的某些物理实验室里。人们在实验室中获得了低于10亿分之一开的创纪录低温。在这样的超低温度下，普通物质不再发光。通过这种方法在地球上得到的“不发光的普通物质”，在整个宇宙中都是极端怪异的一种东西。而且，物理学家造出来的冰箱内部也许是宇宙中最冷最黑暗的地方。一点儿都不典型。

宇宙中一个典型的地方应该像什么样子？容我假设你正在地球上读这本书。用你心灵的眼睛，垂直向上几百千米，就来到了稍微典型一点的空间环境中。但太阳仍然在加热和照耀着你，你的视野仍然有一半被地球上的固体、液体和渣滓占据，一个典型的地方是不会有这些东西的。就这样，再往相同的方向推进数万亿千米。现在你所在的位置离太阳是如此遥远，以至于它看起来同其他恒星一样。这个地方更寒冷，更加黑暗和空旷，看不到渣滓。但这儿也不算典型：你仍然在银河系内部，而宇宙里大多数地方没有星系。继续前进直到你远离银河系——比如说，离地球十万光年。在这个距离上，就算用人类所造的最强力望远镜也看不到地球。但银河系仍然占据着你眼中的大部分天空。要到达宇宙中一个典型的地方，你必须把自己想象得比这里还要远至少一千倍，到星系之间的深空里去。

那里是什么样子？设想把整个空间抽象地划分成许多像太阳系那么大的立方体，从其中一个典型的立方体观察出去，天空会是一片漆黑。最近的恒星也远到这样的程度：如果它产生超新星爆发，而且爆发的光芒到达时你盯着它看，还是什么都看不见。宇宙就是这么大、这么黑。而且它非常寒冷：在它那2.7开的背景温度下，除了氦之外，所有的已知的物质都会冻结（据认为氦在绝对零度时也能保持液态，除非施加高压）。

宇宙还非常空旷：里面的原子密度不到每立方米一个，恒星之间的空间里的原子密度也比它大一百万倍，而后者又比人类技术迄今达到的最好真空状态里的原子稀少得多。在星系之间的空间里，几乎所有的原子都是氢或氦，所以不会发生化学反应。那里不会进化出生命或智能。什么也不会改变，什么也不会发生。下一个、下下一个立方体也是如此。朝任意方向连续查看一百万个立方体，情形都是一样的。

寒冷，黑暗，空旷。这种荒凉得难以想象的环境，正是宇宙的典型模样——它从另外一个衡量尺度上表明，在简单的物理意义上，地球和它的化学渣滓是多么地非典型。这种渣滓对宇宙究竟有何重要之处，此问题很快就会把我们带回到星系之间的空间。但首先让我们回到地球上，想一想宇宙飞船地球号这个比喻的简单物理版本。

有一点是很正确的：如果明天地球表面的物理条件以天体物理学的标准来说发生哪怕是一丁点儿改变，就不会有人能在这里无防护地生存，就像生命支持系统坏了会使他们无法在飞船上生存。不过我这会儿是在英格兰的牛津写下这段话，这里的冬夜同样经常冷得足以冻死任何未受到衣服或其他技术保护的人。因此，星系际空间杀死我只用几秒钟，原始状态的牛津郡大概要花几个小时——只有在最勉强的意义上，才能认为后者能够“支持生命”。如今的牛津郡确实有生命支持系统，但并非由生物圈提供，而是由人类建造的。这个系统包括衣服、房屋、农场、医院、电网、下水系统，等等。原始状态的整个地球生物圈，基本上都同样不能让一个无防护的人活多久。称其为人类的死亡之地，要比称其为生命支持系统准确得多。即使是我们这个物种进化出来的地方——东非大裂谷[1]，也并不比原始状态的牛津郡好多少。与想象中的飞船上的生命支持系统不同，东非大裂谷缺乏安全的水供应，没有医疗设备和舒适的住宅，充满了掠食者、寄生虫和病原体。它经常使“乘客”受伤、中毒、浑身湿透、挨饿和生病，大多数人因此而死。

这个本该仁慈友好的生物圈，对居住在其中的其他生物也同样苛刻：很少有生物个体能舒舒服服地活着，或者活到老死。这并不是偶然的：绝大多数物种的绝大多数群体都生活在灾难和死亡的边缘。情况必定会是这样，因为不管是出于什么原因（例如食物供应增加，或竞争者或掠食者灭绝），一旦某个地方某个小群体的生活变得轻松一点儿，群体就会扩大。于是其他资源因消耗增加而枯竭，群体中越来越多的成员不得不开拓更边缘的栖息地，利用更差的资源，等等。此过程将继续进行下去，直到群体扩大带来的坏处完全抵消了有利变化带来的好处。也就是说，饥饿、疲劳、被捕食、过度拥挤及所有其他自然过程导致个体大批伤残或死亡，出生率又变得只是勉强能跟上后者的速度。

这才是进化使生物去适应的情形，才是地球生物圈“看起来适合”供养生物的生活方式。只有通过持续地忽视、伤害、致残和杀死生物个体，生物圈才可能达到稳定——而且只是暂时的稳定。因此，把生物圈比喻成飞船或生命支持系统是非常不合适的：人类设计生命支持系统时，是要用现有资源向使用者提供最大可能的舒适、安全和长寿，可生物圈没有这样的优先目标。

生物圈也不是物种的保存者。进化除了对个体残酷得臭名昭著，还不断地灭绝整个物种。自从地球上有生命以来，平均每年约有10个物种灭绝（这个数字只是一个非常粗略的估计），在古生物学家称为“大灭绝事件”的相对短暂时期里，灭绝速度比平时高得多。物种产生的速度总体上只是略高于灭绝速度，净效果是，地球上曾经存在过的物种绝大多数（约99.9%）都灭绝了。遗传证据显示，我们的物种至少有一次险遭灭绝。有几个与我们亲缘关系很近的物种已经灭绝了。值得注意的是，消灭它们的正是“生命支持系统”——通过自然灾害、其他物种的进化和气候变化等手段。我们这些表兄弟并不是因为改变生活方式或使生物圈不堪重负而招致灭绝：相反，它们正是因为按照进化出来的方式生活着，才会被消灭掉的。根据宇宙飞船地球号的比喻，生物圈“支持”着他们的这种生活方式。

就算这样说，还是夸大了生物圈适合人类栖居的程度。第一个在牛津所在的纬度住下来的人（实际上来自一个与我们有亲缘关系的物种，可能是尼安德特人[2]），完全是因为懂得与工具、武器、火和衣服有关的知识才得以做到这一点的。知识一代代传下来，靠的不是遗传，而是文化。那些生活在东非大裂谷的前人类祖先也使用这类知识，我们这个物种肯定在诞生的时候就已经依赖这些知识生存了。作为例证，请注意，如果我尝试在原始状态的东非大裂谷生活，很快就会死去：我不具备必需的知识。从那以后，曾经有过诸如懂得怎样在亚马孙丛林生存而不懂怎样在北极圈生存的人类群体，也有过与之相反的人类群体。因此，这类知识并不通过遗传继承。它由人类思想创造，由人类文化保存和传播。

今天，地球的“人类生命支持系统”的全部能力，几乎都不是为我们提供的，而是由我们利用创造新知识的能力提供的。如今居住在东非大裂谷的人过着比早期人类舒服得多的生活，人数也多得多，靠的是有关工具、农耕和卫生的知识。地球的确向我们提供了生存所需的原材料——就像太阳提供能量、超新星提供元素。但一堆原材料远远不等于生命支持系统，把前者转变成后者需要知识，而生物进化从来不曾提供足够的知识让我们生存，更不用说繁荣发展。在这个方面，我们与几乎其他所有的物种都不同。其他物种确实拥有自己所需要的一切知识，通过基因编码在他们脑中。这些知识也确实由进化提供——在相关意义上，“由生物圈提供”。因此，它们的生活环境表面上的确像是为他们设计的生命支持系统，尽管只是在我所说的非常有限的意义上。但生物圈向人类提供生命支持系统的程度，并不比它向我们提供射电望远镜的程度更高。

所以，生物圈是无法支持人类生活的。从一开始，就只有人类知识才使得这颗行星勉强可供人类居住。而且从那个时候以来，我们的生命支持系统的能力（在人口数量和生活的安全舒适程度两方面）得到的极大增强，完全归功于人类知识的创造。如果说我们是在一艘“宇宙飞船”上，则我们绝不仅仅是它的乘客，也不是（人们经常说的）管家，甚至也不是维修人员：我们是设计者和制造者。在人类创造出这些设计之前，它并不是一艘运载工具，而只是一堆危险的原材料。

“乘客”的比喻在另一种意义上也是错误的。它暗示，曾经有段时间，人类的生活毫无问题：他们就像乘客一样，有人给他们提供一切，不用为了生存和发展而亲自去解决一连串的问题。但事实上，即使有着文化知识的助益，我们的祖先还是不断地面临着绝望的问题，比如下一顿饭从哪里来，通常他们只是很勉强地解决了这些问题，或者死掉。这就是为什么老年人的化石数量极少。

因此，宇宙飞船地球号这个比喻的道德元素有些自相矛盾：它把人类塑造成接受了礼物却不知感恩的形象，而事实上他们从来没收到过这份礼物。这个比喻还把所有其他物种塑造成在飞船的生命支持系统中起到道德正面作用的角色，人类是唯一的反派演员。但是，人类是生物圈的一部分，他们所谓的不道德行为与所有其他物种在好年景的行为完全相同——除了一点：只有人类在试图减轻他们的这种反应对子孙后代和其他物种的影响。

平庸原则也是自相矛盾的。由于它从各种形式的狭隘错误观念中专门挑出人类中心主义来谴责，它本身就是以人类为中心的。此外，它声称所有的价值判断都是以人类为中心的，但它自己经常使用带有价值观的术语，比如“傲慢”，“渣滓而已”，还有“平庸”这个词本身。这些贬低要按谁的价值观去理解？傲慢作为一种批评有何意义？而且，就算持有傲慢的意见在道德上是错误的，道德也仅指化学渣滓的内在组织，它怎么可能像平庸原则声称的那样，告诉我们渣滓以外的世界是怎样组织的？

不管在什么情况下，傲慢都不是人们接受人类中心主义解释的原因。它只不过是一个狭隘的错误，而且本来是个颇为合理的错误。傲慢也不是使人们长久无法认识到自身错误的原因：他们什么都认识不到，因为不知道怎样去寻求好解释。某种意义上，他们全部的问题就是还不够傲慢：太容易地假定世界对他们来说本质上不可认知。

认为人类曾经有一个毫无问题的时代，这种错误观念以黄金时代和伊甸园的形式呈现在古代神话中。恩典（上帝所赐的福祉）和天意（上帝秉此赐予人类所需）等神学概念也与此有关。为了将这个据称毫无问题的过去与自身不那么愉快的生活体验联系在一起，神话作者们必须加进某种发生在过去的转变，例如天意决定减少支持时发生的堕落。在宇宙飞船地球号的比喻中，堕落往往迫在眉睫或已经到来。

平庸原则包含了类似的错误观念。考虑进化生物学家理查德·道金斯所说的以下观点：人类的属性，与所有其他生物的属性一样，是在原始环境中自然选择下进化出来的。所以，我们的感官适应于探测水果的颜色和气味、掠食者的声音之类的信号：能够探测到这些事物，使我们的祖先有更多机会活下去繁殖后代。但道金斯指出，出于同样的理由，进化没有浪费我们的资源去探测与我们的生存全无关系的现象。例如，我们没办法用肉眼区分大多数恒星的颜色。我们的夜视能力非常差并且不能分辨颜色，因为我们的祖先里没有足够多的人因这种能力限制而死亡、从而增强该能力的进化压力。因此，道金斯认为——他在此诉诸平庸原则——在这方面没有理由期望我们的大脑与眼睛有何不同：它们进化出来是为了处理生物圈里经常发生的、范围很狭窄的一些现象，这些现象大致发生在尺寸、时间、能量等因素的人类尺度上。宇宙中的大多数现象发生在比这大得多或小得多的尺度上。有些现象会立刻杀死我们，还有些永远也不会影响到早期人类的生活。因此，就像我们的感官无法探测到中微子或类星体，或宇宙万物中的绝大多数其他重要现象，也没有理由期待我们的大脑能理解这些东西。就大脑对这些东西已经理解到的程度而言，我们很幸运——但不应该指望幸运能长期持续。因此，道金斯赞同此前的进化生物学家约翰·霍尔丹的观点，后者认为“宇宙不仅比我们想象的更不可思议，而且比我们能想象到的更不可思议”。

这是平庸原则的一个惊人——并且自相矛盾的——结果：它认为，人类所有的能力，包括创造新解释这样与众不同的能力，都必然是狭隘的。特别地，它意味着科学的进步无法超越由人类大脑的生物学界定的特定极限。我们必须预料到，或迟或早都会达到这个极限。在此之后，世界就不再有意义了（或说看上去是这样）。对于我在第2章末尾提出的问题——科学革命和更广泛的启蒙运动是否会成为无穷的开始，其答案应该是斩钉截铁的不会。科学尽管充斥着成功和灵感，但终将被证明是天然狭隘的——而且是以人类为中心的，这一点实在是讽刺。

平庸原则和宇宙飞船地球号的比喻就这样殊途同归了。它们都包含这样一个概念：一个微小的、对人类友好的泡泡，镶嵌在陌生而不合作的宇宙中。宇宙飞船地球号的比喻所说的泡泡是实体，指生物圈。平庸原则所说的泡泡主要是概念上的，标志着人类理解世界的能力极限。正如我们会看到的，这两个泡泡相互关联。在这两种看法中，人类中心主义在泡泡内部都是适用的：泡泡里的世界没有问题，独一无二地符合人类的期望和理解力。泡泡外面只有无法解决的问题。

道金斯更情愿它是别的样子，就像他写的那样：

我相信，与一个用变幻莫测的即兴魔术粉饰装点的宇宙相比，一个不在乎人类成见的有序宇宙，里面的所有事物都有解释，虽然我们要走很长的路才能发现解释，这样一个宇宙更加美丽、更加精彩。

——《解析彩虹》（1998）

一个“有序”（可解释）的宇宙确实更美丽（见第14章）——尽管认为宇宙要“不在乎人类成见”才能有序的假设是一个与平庸原则有关的错误观念。

任何认为世界不可解释的假设都只会带来极坏的解释，因为一个不可解释的宇宙将与一个“用变幻莫测的即兴魔术粉饰装点”的宇宙无法区分：从定义上来说，对于泡泡外面的世界，不管什么假设都不会成为比“那里由宙斯统治”或任何类似的神话或幻想更好的解释。

而且，由于泡泡外部影响着我们对内部的解释（要不然我们没有它也行），内部也就不是真的可解释。只有我们小心翼翼避免提出某些特定的问题，泡泡里面才会看起来可解释。这就像启蒙运动之前的思想领域将人间与天国区别对待，两种方式之间有着可怕的相似。它是平庸原则的一个内在矛盾：迫使我们回到一个陈旧的、以人类为中心的、前科学的世界概念中，与平庸原则的动机背道而驰。

平庸原则和宇宙飞船地球号的比喻，在有关延伸的主张上是共通的：它们都认为，人类独特的存在方式——即解决问题、创造知识、改造周围世界的方式——的延伸是有边界的。它们还认为，这个边界离人类能力已经到达的地方没有多远。平庸原则认为，试图超出这个范围会招致失败，宇宙飞船地球号的比喻则认为会导致灾难。

此外，这两种观念本质上都依赖于同一个主张，就是说，如果这样的极限不存在，就无法解释人类大脑为什么能一直有效地适应超出其进化条件之外的东西。地球上产生过数以万亿计的适应性，为什么某个适应性有着无限的延伸，而所有其他的适应性都只能在这个微小、无足轻重、非典型的生物圈内延伸？好吧，所有的延伸都有一个解释。但如果对人类大脑的这种特性确实存在解释会怎样？如果这个解释与进化或生物圈毫不相干又会怎样？

设想有一群鸟，它们这个物种是在一个岛上进化出来的，偶然飞到了另一个岛上。它们的翅膀和眼睛仍能正常工作。这是适应性的延伸的一个例证，是可以解释的。其解释的核心是，翅膀和眼睛利用了物理学（分别为空气动力学和光学）的普遍规律。虽然利用得并不完美，但以这些规律界定的标准而言，两个岛上的大气和光照条件足够相似，可以让这些适应性在两个岛上都能工作。

因此，这些鸟儿或许完全能够飞到水平方向上许多千米以外的其他岛上，但如果把它们往上方运送哪怕是几千米，翅膀就会停止工作，因为那里的空气太稀薄了。它们与生俱来的关于怎样飞行的知识，在太高的地方会失效。再往上一点，它们的眼睛和其他器官也会停止工作，这些东西的设计同样没有那么大的延伸范围：所有脊椎动物的眼睛都充满液态水，而水在同温层的温度下会结冰，在真空中会沸腾。还有不那么戏剧性的情况：如果这些鸟儿没有很好的夜视能力，却来到一个唯一合适的猎物是夜行动物的岛上，它们可能也会死掉。出于同样的原因，生物适应性对于其故乡环境变迁的延伸也是有限的，这会导致灭绝，事实也确实如此。

如果这些鸟儿的适应性有着范围足够大的延伸，使这个物种能在新岛上生存下来，它们将在这里形成一个群体。在随后的一代代里，对新岛适应得更好一点的突变体，其后代数量会比平均数多一点，因此进化将调整这个群体，使其拥有在此处生活的更准确知识。人类的祖先物种就是这样开拓新的居住地、采用新的生活方式。但在我们这个物种进化出来的时候，我们那些已经完全是人类的祖先，正通过文化知识的进化以快千万倍的速度做着同样的事。由于他们还不懂得怎样进行科学研究，他们的知识只比生物知识宽广那么一点点，由经验法则组成。因此，虽然他们取得进步的速度与生物进化相比算是很快，但与启蒙运动使我们习以为常的速度相比，是非常缓慢的。

启蒙运动以来，技术的进步完全依赖于解释性知识的创造。几千年来人们梦想着飞上月亮，但只有等到牛顿那些关于力和动量等不可见实体的理论问世，人们才开始理解，飞上月亮需要些什么。

解释世界与控制世界之间的关系看上去越来越密切，这绝不是偶然的，而是世界深层结构的一部分。考虑一下所有可以想象的现实物质转变。其中有些从未发生过（比如超光速通信），因为违反自然法则；有些自发地进行着（比如恒星从原始氢中诞生）；有些（比如把空气和水转变成树，或把原材料转变成射电望远镜）是可能发生的，但只有在必需的知识已经具备（体现在基因里或脑子里）之后才能发生。可能的情况就是这些了。也就是说，在给定的时间、给定的资源或其他条件下，每一种假定的物质转变都只可能是以下情形之一：

——不可能发生，因为被自然法则所禁止；

——可以发生，在有正确知识的情况下。

之所以存在这种重要的二元划分，是因为如果某些转换无论用什么样的知识都无法从技术上实现，则该事实本身就是一种可检验的常规现象。但自然界中所有的常规现象都是有解释的，因此对这一规律的解释本身就是一条自然法则，或者自然法则的推论。于是这再一次说明，如果有适当的知识，所有不被自然法则禁止的事物都是可以实现的。

解释性知识与技术之间的这种根本联系，是霍尔丹和道金斯的“宇宙比我们能想象到的更不可思议”这一观点的错误所在——也是为什么人类适应性的延伸的确与生物圈里的其他适应性有着不同的特征。能够创造和运用解释性知识，使人获得了一种改变自然的能力，这种能力不像其他所有的适应性那样从根本上受狭隘因素限制，而仅受普遍规律限制。这就是解释性理论——以及人在宇宙层面上的重要性，接下来我把人定义为能够创造解释性知识的实体。

对于地球上每一个其他物种，只要列出其适应性所依赖的所有资源和环境条件的清单，就可以判断出这些适应性的延伸范围。原则上这可以通过研究生物的DNA分子来判断——因为这些分子里（以称为“碱基”的小分子团序列的形式）编码着该生物所有的遗传信息。正如道金斯指出的：

基因库是通过世世代代祖先的自然选择刻画切削而成的，以适应[特定的]环境。理论上，一个知识渊博的动物学家，有了完整的基因组副本[一个生物体的全套基因]，就应该能够重建刻画该基因组的环境状况。在这个意义上，DNA是一套对祖先环境的描述。

——阿特·伍尔夫《生机勃勃的荒野》[3]，米歇尔·A.吉尔德斯 编（2000）

准确地说，“知识渊博的动物学家”只能够重建出该生物的祖先环境里能产生选择压力的那些方面——如存在什么类型的猎物，什么样的行为能抓住猎物，什么样的化学物质能消化猎物，等等。这些都是环境中的常规现象。基因组包含描述它们的编码，因此明确指定了该生物体能够生存的环境。例如，所有的灵长类动物都需要维生素C，没有它，它们就会患上坏血病而死亡，但灵长类动物的基因并不包含如何合成维生素C的知识。所以，任何非人类灵长类动物只要长时间生活在不提供维生素C的环境里，都会死亡。任何忽视这一事实的描述，都会高估这些物种的延伸范围。人类也是灵长类动物，但他们的延伸范围与哪些环境能提供维生素C无关。人类可以创造和运用新知识，即通过农业或化学工厂用多种原料合成出维生素C的知识。而且，在大多数环境里，人类都能为自己发现为了生存而需要做的事，这与维生素C问题在本质上是一样的。

同样，人类是否能完全在生物圈之外（比如说在月球上）生活，并不依赖于人类生物化学的古怪特性。正如人类如今可以（通过农业和工厂）每星期使超过1吨的维生素C出现在牛津郡，他们也可以在月球上做到同样的事。对于可供呼吸的空气、水、舒适的温度，以及其他所有狭隘需求，情况也是一样。只要有正确的知识，这些需求都可以通过转化其他资源得到满足。即使只凭现今的技术，都有可能在月球上建立一个自给自足的殖民地，供电来自阳光，回收废物，并从月球本身获得原材料。氧元素在月球上很丰富，以金属氧化物形式存在于月球岩石里。许多其他元素也很容易提取出来。有些元素在月球上很罕见，因此在实际操作上可能会由地球供应，但原则上，如果这个殖民地发送机器人空间飞行器从小行星上开采这些元素，或者通过嬗变来制造这些元素，就可以完全不依赖地球。

我特地指明机器人空间飞行器，是因为所有的技术知识最终都能通过自动化设备实现。这是“百分之一的灵感和百分之九十九的汗水”对进步如何发生的描述有误导性的另一个原因：“汗水”阶段可以是自动化的——就像识别天文照片上的星系的任务一样。技术越先进，灵感和自动化之间的距离就越短。月球殖民地上的情形越是这样，居住在那里所需的人力就越少。最终月球殖民者们会认为空气是理所当然的，就像现在生活在牛津郡的人认为，打开自来水龙头就会有水流出来是理所当然的。如果这两个群体中的任何一个缺乏正确的知识，他们的环境很快就会把他们杀死。

我们习惯性地认为地球适宜栖居，而月球是一个荒凉、遥远的死亡之地。但是，祖先们眼中的牛津郡应该跟我们眼中的月球一样危险，而且具有讽刺性的是，如今的我也是这么看待原始时代的东非大裂谷的。在人类这个特殊案例中，适宜栖居的环境与死亡之地之间的差异，取决于人们创造出了什么样的知识。一旦在月球殖民地上运用了足够多的知识，殖民者们就可以将思想和精力用于创造更多的知识，很快殖民地将不再仅仅是一个殖民地，而是真正的家园。到那时，没有人会再把月球当成边缘栖息地，它与地球“自然”环境之间的差异，不会比目前在我们看来牛津郡与东非大裂谷作为居住地的差异更大。

运用知识实现自动的物质转换，这种能力并不是人类独有的。它是所有生物赖以生存的基本方法：每一个细胞都是一个化学工厂。人类和其他物种之间的差异，在于人类所运用的知识类型（解释性知识而不是经验法则）以及创造知识的方法（猜想和批评的传统，而不是基因的变异和选择）。正是这两个差异，导致所有其他生物都只能在适合它们栖息的特定环境中活动，而人类可以把生物圈这样不宜栖居的环境转变成自身的生命支持系统。而且，身为物质转换的工厂，所有其他生物都是把固定类型的资源转变成更多像自身这样的生物体，而人类的身体（包括大脑）可以把任意事物转换成任意事物，只要自然法则允许。他们是“通用建造者”。

人类生存条件的这种通用性，属于一种更广泛的现象，我将在第6章讨论该现象。地球上的任何其他物种都不具备同样的特性。不过，鉴于这是创造解释性知识的能力带来的结果，宇宙中可能存在的其他人都应当有着同样的特性。自然法则所提供的资源转换机会是通用的，而所有具备通用延伸范围的实体，其延伸范围应该是一样的。

我们已经知道，除人类以外，还有几个物种有能力拥有文化知识。例如，有的猿能发现砸开坚果的新方法，并将这一知识传递给其他的猿。正如我将在第16章中讨论的那样，这类知识的存在，暗示了猿类怎样进化成人。但这与本章的内容无关，因为这些生物都不能创造或运用解释性知识。这些生物的文化知识本质上与遗传知识相同，确实只有很小、天生有限的延伸范围。它们不是通用建造者，而是高度专业化的。对它们来说，霍尔丹和道金斯的观点是正确的：世界比它们能想象到的更不可思议。

在某些环境中，人类兴旺发展的最有效方法可能是改变自身的基因。事实上，我们已经在目前的环境中做着这样的改变，以消除在历史上曾经夺走许多生命的疾病。有人反对这种做法，认为基因改变了的人类（实质上）就不再是人类。这是一个拟人化的错误观念。人类唯一特别重要的事物（不管是在宇宙万物之中，还是按任何其他理性的人类标尺），是我们创造新解释的能力，这一点与其他所有人相同。如果你因事故失去一段肢体，你仍然是个人，只有在失去脑子时才不能算是人了。改变我们的基因以改善生活，并促成更多的改善，与用衣服武装皮肤或用望远镜武装眼睛没有什么不同。

有人可能会疑惑，一般意义上的人，其延伸范围是否比人类的要大。比方说，假如技术的延伸范围确实是无限的，但只有两只手上各有两个对生拇指的生物才能做到，会怎么样？或者科学知识的延伸范围是无限的，但只有大脑是我们两倍大的生物才能做到，又会怎么样？但我们作为通用建造者的能力使这些问题跟获取维生素一样微不足道。如果进步在某种情况下需要每只手有两个拇指，那么结果并不取决于我们能否通过基因遗传到它们，而取决于我们能不能发现怎样制造每只手有两个拇指的机器人或手套，或者能不能改造自身以长出另一个拇指。如果进步需要比人脑更大的记忆容量或速度，那么结果取决于我们能否造出电脑来完成这项工作。这在技术上也已经是司空见惯的事情了。

天体物理学家马丁·里斯猜测，宇宙中“可能存在着其他形式的我们无法想象的生命和智慧。好像黑猩猩无法理解量子论，现实可能有一些方面远远超出了我们大脑的能力”。但情况不会是这样的。因为，如果所谓的“能力”指的是更高的运算速度、更大的记忆容量，我们可以借助计算机来理解那些方面——就像我们借助笔和纸来理解世界已有好几百年。就像爱因斯坦所说的，“我的笔加上我，比我自己更聪明。”在运算技能方面，我们的计算机——以及大脑——已做到了通用延伸。但如果说的是我们定性地不能理解其他某些智慧所能理解的东西，我们的能力缺陷不能仅仅通过自动化来弥补，那么这又是一个世界不可解释的主张。事实上，它等同于诉诸超自然，带着此类诉求固有的所有武断性。因为，如果我们想要在自己对世界的看法中塞进某种只有超级人类才能理解的虚构世界，那何必费心去放弃普西芬尼的神话和她的众神呢？

因此，人类的延伸范围本质上与解释性知识本身的延伸范围相同。如果在一个环境中可以创造出一条没有尽头的解释性知识流，它就处在人类的延伸范围之内。这意味着，如果合适类型的知识以合适的实体在这样一个环境里体现出来，它就能使自身存在下去，并继续无限增长。真的会有这样的环境吗？这其实就是我在上一章结尾时所问的问题——这样的创造力能无限持续吗？对这个问题，宇宙飞船地球号的比喻想当然地给出了一个否定的答案。

问题归结起来就是：如果这样的环境能存在，那它最低限度应该具备什么样的物理特征？其一是能够获得物质。例如，从月岩中提取氧的技巧，取决于有氧化合物的存在。使用更高级的技术可以通过嬗变制取氧，但无论技术多么高级，都需要某种形式的原材料。而且，虽然物质可以回收利用，但要创造出一条没有尽头的解释性知识流，需要有物质的持续供应，一是为了补充不可避免的低效率，二是为了增加额外的记忆容量，来存储创造出来的新知识。

此外，许多必要的转换都需要能量：提出猜想、进行科学实验以及进行所有的制造过程，全都需要动力。物理规律限定了能量不可能无中生有，因此获得能源供应也是必需的。在一定程度上，能量和质量可以相互转化。例如，氢嬗变成其他任何元素，都会通过核聚变释放能量。能量还可以通过多种亚原子过程转变成物质（但我想象不出，在什么样的自然发生的情形下，这能成为获得物质的最佳途径）。

除了物质和能量，还有另外一个基本要求，即证据：用于检验科学理论的信息。在地球表面，证据十分丰富。我们开始检验牛顿定律是在17世纪，检验爱因斯坦的理论是在20世纪，但用于检验它们的证据——来自天空的光线——在此之前充斥球表面已有几十亿年，以后几十亿年还会继续这样。就算是今天，我们也只是刚刚开始研究这些证据：每个晴朗的夜晚，你的屋顶都可能被从天而降的证据击中，如果你知道要寻找什么以及怎样去寻找，就能获得诺贝尔奖。在化学方面，普遍存在的稳定元素在于地球表面或稍下方。生物学上，关于生命本质的丰富证据普遍存在于生物圈里——以及手边，就在我们自己的DNA里。据我们所知，所有基本的自然常数都可以在地球上测量。在地球生物圈里，有着无止境地大量创造知识所需的一切。

在月亮上也是如此。本质上，它与地球拥有相同的物质、能量和证据资源。局部细节上有差异，但是，生活在月球上的人类需要自己制造空气，这一事实并不比生活在地球上的人需要自己制造真空更了不起。两项任务都可以实现自动化，基本上不需要人类的努力或注意。同样，正如人类是通用建造者，每个寻找或转换资源的问题，都只不过是给定环境里限制知识创造的一个短暂因素。因此，一个环境要成为永无止境的知识创造的舞台，需要的东西只有物质、能量和证据。

虽然任何特定的问题都只是短暂因素，但为了生存和继续创造知识而去解决问题，这种状况是永恒的。前面我曾提到，人类从未有过毫无问题的时代。这一点同样适用于未来，如同适用于过去。在今天的地球上，就算只是为消除饥饿及其他可追溯到史前时代的极端人类痛苦，短期内也仍有无数问题需要解决。今后几十年，我们可能将面临这样的抉择：是对生物圈进行重大改造，还是让它保持不变，或者折中。不管做出哪个选择，这都将是一项在全球范围进行控制的工程，需要创造出大量科学和技术知识，以及关于怎样理性决策的知识（参见第13章）。在更大的时间尺度上，成问题的不仅仅是我们的舒适感、审美感受以及个体的痛苦，还有我们这个物种的存亡，一如既往。例如，目前在任何一个世纪内，地球都有千分之一的可能性遭到足够大的彗星或小行星撞击，足以杀死全人类中至少相当大的一部分。这意味着，今天在美国出生的孩子，死于天文事件的概率比死于车祸更高。两者都是极小概率事件，但除非创造出比现在拥有的多得多的科学技术知识，我们面对它们及其他无可避免的自然灾害都将毫无抵抗之力。也许还有更多迫在眉睫的真实威胁——参见第9章。

在月球上和太阳系中其他地方——并最终在其他恒星—行星系统中——建立自给自足的殖民地，对防止我们的物种灭绝或文明毁灭，将是一个很好的手段，因此在诸多手段中也是受到高度青睐的一种。正如霍金所说：

我不认为在未来的一千多年中人类还能生存，除非我们散布到太空里去。有太多的意外可能降临到一颗孤单行星上的生命头上。但我是一个乐观主义者。我们会到别的星星上去。

——《每日电讯报》，2001年10月16日

但即使这样，也还远远不是毫无问题的状态。大多数人不仅仅满足于对物种的存续抱有信心：他们希望自己能生存下去。此外，同我们人类最早的祖先一样，他们想摆脱人身危险和痛苦。在未来，随着疾病和衰老等各种引起痛苦和死亡的因素先后得到处理和消除，人类的寿命增加，人们将担心更长远的风险。

事实上，人们的希望将永远不止于此：他们想要取得进步。因为除了生存威胁，还永远会有一些不那么凶险的问题：知识里我们希望解决的错误、差距、不一致和不足之处——特别重要的一点是，其中包括关于想要什么、为什么而奋斗的道德知识。人类的心灵寻求解释；我们现在知道怎样找到解释，但不会就此自行停止。伊甸园的神话里还有一个错误观念：所谓毫无问题的状态，生活起来将是很好的。有些神学家否认这一点，我赞成他们的意见：毫无问题是一种没有创造性思维的状态，它的另一个名字是死亡。

所有这些类型的问题（与生存有关的问题、与进步有关的问题、道德上的问题和纯粹由好奇心所驱动的问题）都是相互关联的。比如说，我们可以预期，我们应对生存威胁的能力将继续依赖于那些原本只是为了获得知识而创造出来的知识。我们还可以预期，有关目标和价值观的分歧将永远存在，原因之一是，道德解释在一定程度上取决于与现实世界有关的事实。例如，平庸原则和宇宙飞船地球号的道德立场，取决于现实世界在某种意义上不可解释，而我阐述了它在这一意义上必定是可解释的。

我们还会有永远解决不完的问题。解释越深入，带来的新问题就越多。情况必定是这样，只是因为不存在终极解释之类的东西：正如“这是上帝做的”永远是一个坏解释，任何其他声称是一切解释的基础的东西，也必定是坏的。它必定很容易改变，因为它无法回答这样的问题：为什么是这个基础而不是另外一个？仅凭它自身，什么也解释不了。在科学上是这样，在哲学上也是这样，特别是对道德哲学来说：乌托邦是不可能实现的，但这仅仅是因为我们的价值观和目标能够无限地改善。

因此，如果只有易谬主义，会在相当程度上低估知识创造过程容易出错的本性。知识创造不仅仅是会出错，而且错误是常见的、重要的、层出不穷的，纠错总会带来更多、更好的问题。因此，我先前建议刻在石头上的那句格言“地球生物圈不适合支持人类生活”，实际上是一条普遍得多的真理的一个特例。这条真理就是，对人类而言“问题是不可避免的”。让我们把这句话刻在石头上（见图3-1）。

图3-1 问题是不可避免的

我们不可避免地要面对问题，但没有什么特定的问题是不可避免的。我们生存下来并且蓬勃发展，靠的就是在每个问题出现时解决它。而且，由于人类改造自然的能力只受物理规律限制，层出不穷的问题中没有哪一个会成为无法逾越的障碍。因此，一条与人类和现实世界有关、与前一条真理同等重要的补充真理就是，问题是可以解决的。我所说的“解决”，是指正确的知识可以解决问题。这当然不是说我们只凭愿望就可以拥有知识，而是指知识在原则上是可获得的。于是，让我们把这句话也刻在石头上（见图3-2）。

图3-2 问题是可以解决的

进步既是可能实现的，也是值得追求的，这也许是启蒙运动的思想精髓。它推动了所有批评的传统，以及寻求好解释的原则。但它可以朝几乎对立的两个方向去解释，令人困惑的是，这两个方向都被称为“完美性”。其一是说，人类或人类社会能够达到所谓完美的状态——例如佛教或印度教的“极乐世界”，或者各式各样的政治乌托邦。另一种是说，每个能够达到的状态都是可以无限改善的。易谬主义排除了第一种，而偏爱第二种。不管是特定的人类生存条件还是通常的解释性知识，都不会达到完美，甚至不能接近完美。我们将永远处在无穷的开始。

这两种关于人类进步和完美性的诠释，在历史上产生了启蒙运动的两大分支。这两个分支虽然都有拒绝权威之类的属性，但在一些重要领域里大相径庭，以至于它们名字相同是一桩最大的不幸。赞成乌托邦的“启蒙运动”有时也被称为大陆（欧洲）启蒙运动，以区别于更加易谬的英国启蒙运动，后者开始得更早一些，并走了完全不同的路。（例如，参见历史学家罗伊·波特的《启蒙运动》一书。）用我的话来说，大陆启蒙运动认识到问题是可以解决的，但没有认识到问题是不可避免的；英国启蒙运动对这两点都认识到了。请注意，这种分类是针对思想观念的，并非针对国家或思想家个人：不是所有启蒙运动思想家都完全属于其中某个分支，也不是某一分支的思想家都出生在该分支名称所指的地方。比如说，数学家兼哲学家孔多塞是法国人，但更大程度上属于我称为“英国”启蒙运动的那一支。而英国启蒙运动在20世纪最重要的支持者卡尔·波普尔生于奥地利。

大陆启蒙运动渴望完美状态，结果导致了思想上的教条主义、政治暴力和新形式的暴政，1789年的法国大革命以及随后的恐怖统治[4]就是样板。英国启蒙运动是逐渐发展的，并且了解人类容易出错的特性，它渴望着不会扼杀逐步持续的变化的制度，还热衷于前途无量的微小改善（例如，参见历史学家珍妮·厄格洛的《月光之子》[5]一书）。我相信，这才是在追求进步方面取得成功的运动，因此，本书中我所说的“启蒙运动”是指“英国”启蒙运动。

要探讨人类（或者人，或者进步）的终极延伸范围，我们不应该考虑地球和月球这种资源异常丰富的地方。让我们回到那个典型的地方。地球上充满了物质、能量和证据，而在星系际空间，所有这三种东西的供应量都低到不能再低。没有丰富的矿物质供应，没有庞大的核反应堆在头顶上提供免费能源，也没有来自天空的光或者多种多样的局部事件提供自然法则的证据。它空旷、寒冷而黑暗。

真的是这样吗？其实，这又是一个狭隘的错误观念。以人类标准衡量，星系际空间确实很空。但每一个像太阳系那么大的立方体仍然包含超过10亿吨的物质，它们主要以电离氢的形式存在。要建造一个空间站，以及一个能创造没有尽头的知识流的科学家群体，10亿吨物质绰绰有余——如果有人知道怎么去做的话。

今天的人类不知道该怎么去做。例如，首先要把氢元素嬗变成其他元素。从这样弥散的来源中收集氢，远远超出我们目前的能力。而且，虽然某些类型的嬗变在核工业中已经是常规流程，但我们还不知道怎样在工业规模上将氢嬗变成其他元素。目前，即使一个简单的核聚变反应堆，也超出了我们的技术能力。但是物理学家有信心认为，只要不是任何物理规律所禁止的，它将一如既往地只是一个知道怎样去做的问题。

毫无疑问，10亿吨的空间站还没有大到足以能长久地蓬勃发展，空间站的居民会想要扩建它。不过这不会带来什么原则问题。一旦他们开始从自己所在的立方体里采集氢，就会有更多的氢从周围的空间飘过来，每年为这个立方体提供数以百万吨计的氢。（据认为，立方体里还存在质量更大的“暗物质”，不过我们不知道拿这东西能干什么有用的事，就让我们在这个思想实验里无视它好了。）

至于寒冷和缺乏可用的能源——如我所说，氢的嬗变释放出核聚变能。这将是一份规模庞大的电力供应，比今天地球上所有人的能耗总和还要高出若干数量级。所以说，这个立方体并不像狭隘的第一眼看上去那么缺乏资源。

这个空间站将如何获得关键的证据供应？使用由嬗变创造出来的元素，人们可以建造科学实验室，就像在计划中的月球基地上那样。在地球上，当化学处于萌芽阶段时，取得发现往往要靠在地球上东奔西走、去找到材料进行实验研究。但在空间站上，嬗变使这种方式过时了；空间站上的化学实验室能够合成任何化合物和任何元素。对基本粒子物理学也是这样：在这一领域，几乎任何东西都可以作为证据的来源，因为每一个原子都有可能是粒子的聚宝盆，正等着在有人（用粒子加速器）以足够大的力度敲打它、用正确的仪器观察它时展现自己。生物学方面，DNA和其他所有的生化分子都可以合成和进行实验。此外，虽然进行生物学的田野调查十分困难（因为最近的自然生态系统都远在数百万光年之外），但人们可以在人造生态系统或虚拟现实的仿真环境中，创造出任意形式的生命来进行研究。至于天文学——那里的天空对人眼来说是漆黑一片，但观察者借助望远镜就会看到天空中充满星系，用目前设计的望远镜就行。更大的望远镜可以观察到星系里恒星的丰富细节，足以用来检验当今的天体物理学和宇宙学理论。

即使抛开那10亿吨物质，这个立方体里面也不是空的。里面充满了微弱的光，这些光里包含的证据数量惊人：足以绘制出一张清晰度达10千米的地图，里面包含所有邻近星系里的所有恒星、行星和卫星。为了完整地提取这些证据，望远镜必须利用一面像该立方体本身那么宽的反射镜，所需的物质至少跟制造一颗行星相当。但即使是这样，也没有超出可能性的范围，只要有着我们正在考虑的技术水平就能做到。为了收集到这么多物质，星系际科学家撒网的区域只需延伸到立方体宽度的几千倍那么远，以星系际标准而言，这只是一段微不足道的距离。但即使只用百万吨级的望远镜，他们也可以做很多天文学研究了。有着倾斜自转轴的行星每年会有季节变换，这个事实显而易见。通过行星的大气成分，可以探测到是否有哪颗行星存在生命。通过更精确的测量，可以检验有关行星上的生命（或智慧生物）的特性及历史的理论。在任何时刻，一个典型的立方体都在这样的细节水平上同时包含着超过一万亿颗恒星及其行星的证据。

而这仅仅是一个瞬间。所有这些类型的更多证据不断涌入立方体，因此，在那里天文学家可以像我们一样追踪天空中的变化。可见光只是电磁波谱中的一个波段，立方体还接收着其他所有波段的证据——伽马射线、X射线，一直到微波背景辐射和无线电波，以及少量的宇宙粒子射线。总之，目前我们在地球上用来接收各种基础科学证据的所有渠道，在星系际空间几乎都能用上。

这些渠道运送的东西也大体相同：宇宙中不仅充满证据，而且每个地方都充满同样的证据。宇宙中所有的人，一旦懂得足够多、可以把自己从狭隘的障碍中解放出来，就在本质上面临着相同的机会。这是现实世界的一种根本统一，它比我此前所说的我们的环境与宇宙中的典型位置之间的所有不同之处更加重要：自然的基本规律如此统一，与此有关的证据如此普遍，理解与控制之间的联系如此紧密，以至于不管我们是在自己狭隘的故乡行星上，还是在一亿光年外的星系际空间里，都可以研究同样的科学，取得同样的进步。

因此，宇宙中的典型位置可以实现无止境的知识创造。其他所有类型的环境也是如此，因为它们拥有更多的物质和更多的能量，比星系际空间更容易获取证据。这个思想实验考虑了几乎所有可能出现的最坏情况。物理规律可能不允许在诸如类星体喷流之类的事物内部创造知识，也可能允许。但不管怎样，在整个宇宙中，知识友好是一条原则，没有例外。这个意思是，对拥有相关知识的人友好，不拥有相关知识的人只有死路一条。同样的原则从人类出现起就支配着东非大裂谷，并自那以来一直占据支配地位。

奇怪的是，我们的思想实验所设想的空间站，与宇宙飞船地球号比喻里的“世代飞船”是同一个东西——只除了一点，我们去掉了飞船上的居民从未改善过飞船状况这个错误假设。因此，想必他们早已解决了如何避免死亡的问题，“世代”对飞船的运作方式来说不再重要。回头看起来，在任何情况下，要戏剧化地表现人类生存条件是何等脆弱、对一个未经改变的生物圈何等依赖，世代飞船都是一个糟糕的选择，因为该主张与这样一艘飞船存在的可能性是矛盾的。如果有可能在太空中的一艘飞船上永久生活，用同样的技术在地球表面上永久生活的可能性会高得多——取得进步还会使这变得更容易。生物圈是否被破坏将毫无实质影响。不管生物圈是否能支持任何其他物种，它必定是可以容纳人——包括人类——在其中生活的，如果他们有合适知识的话。

现在我可以转而讨论知识和人在宇宙万物中的重要性了。

有很多事情都显然比人更加意义重大。空间和时间很重要，因为它们存在于几乎所有其他物理现象的解释中。同样，电子和原子很重要。人类在这个高贵的群体里似乎并无一席之地。我们的历史和政治，我们的科学、艺术和哲学，我们的愿望和道德价值——所有这些都是数十亿年前一次超新星爆发的微小副作用，也许明天就会被另一次这样的爆发摧毁。在宇宙万物中，超新星的重要程度也平平无奇。但看起来，似乎可以在完全不提到人或知识的情况下，去解释超新星的一切和其他所有的事物。

然而，这只不过是另一个狭隘的错误，其根源是我们当前处在一场只有几百年历史的启蒙运动中的非典型优势位置上。长期而言，人类可能会开拓其他恒星系统，通过增加知识来控制更强大的物理过程。如果人们竟然选择居住在一颗可能爆发的恒星附近，他们有充分的理由希望防止这样一场爆发——也许是通过从恒星中去掉一部分物质来做到。这样一项工程所费的能量，将比人类当前能控制的能量高出许多数量级，在技术上也先进得多。但它本质上是一项简单任务，完全不需要接近物理规律限定的极限。因此，如果有了合适的知识，这是可以做到的。事实上，照我们看来，宇宙其他地方的工程师已经把这种工作常规化。因此，说一般意义上超新星的属性与是否有人在场、他们懂得什么样的知识和想要做什么全无关系，这是不对的。

更一般地说，如果我们想要预测一颗恒星将会怎样，首先要猜测它附近是否有人，以及如果有的话，这些人可能拥有什么样的知识、想要达成什么目的。跳出我们的狭隘角度来看，没有人类的天体物理学理论是不完整的，就像缺少引力或核反应理论一样不完整。请注意，这个结论并不依赖于假设人类或什么别的物种将要开拓星系，并控制任何一颗超新星：认为他们不会这样做的假设，同样是一种关于知识的未来行为的理论。知识在宇宙中是一种重要现象，因为要进行任何天体物理学预测，几乎都必须就所讨论的现象附近是否会存在哪些特定类型的知识表明立场。因此，所有关于现实世界情况的解释都要提到知识和人，哪怕只是隐含地提到。

但是，知识的重要性不止于此。设想任意一个物理对象，例如一个恒星-行星系统，或一块微型硅芯片，考虑物理规律允许它进行的所有转换。例如，硅芯片可以被熔化并凝固成不同的形状，或转换成一块功能不同的芯片。恒星-行星系统可能因为其恒星变成超新星而毁灭，或者生命可能会在其中的一颗行星上进化出来，或者用嬗变或其他未来技术变成微处理器。所有情形下，能够自发地进行（即不需要任何知识参与）的转换类型，与可由希望转换发生的智慧生物人工实现的转换类型相比，都少得微不足道。因此，几乎所有可能的物理现象的解释，都与怎样运用知识来实现这些现象有关。如果你想解释一个物体怎样才可能达到10摄氏度或100万摄氏度的温度，你可以将其归结为自发过程，明确回避人的作用（尽管此类温度下的大部分过程仅能由人实现）。但如果要解释一个物体怎样才能冷却到绝对零度以上的百万分之一开，就不可避免地要详细解释人会怎么做。

知识的重要性还远远不止于此。用你心灵的眼睛继续旅行，从星系际空间的这个点移到至少十倍远处的另一个点上。这次我们的目的地是一个类星体的喷流内部。那里会是什么样子？实在很难用语言表达：有点像是近距离直面超新星爆发，一次爆发持续几百万年。在这种环境里，人体存活的时间得用皮秒来计量。正如我所说的，还不清楚物理规律是否允许那里孕育出知识，更不用说孕育出人类生命支持系统。它与我们的祖先环境要多不同就有多不同。解释它的物理规律，同存在于我们祖先的基因或文化里的经验法则毫无相似之处。但今天人类的大脑能相当详细地知道在那里正在发生什么。

不知何故，这个喷流产生数十亿年后，在宇宙的另一边，一个化学渣滓能知道它会做什么，对其行为做出预测，还能理解为什么。这意味着某个物理系统（比如一位天体物理学家的大脑）包含了关于另一个实体也就是这个喷流的精确运作模型。它不仅仅是一个表面图像（尽管其中确实包含这么一个图像），而是一个解释性理论，体现了同样的数学关系和因果结构。这就是科学知识。而且，其中一个结构与另一个结构的相似程度在稳定地增长着。这构成了知识的创造。在这里，彼此差异很大的物理对象，行为分别受不同的物理规律支配，却拥有同样的数学和因果结构，而且这一点随时间的推移变得更准确。在自然界中能够发生的所有物理过程中，只有知识的创造展现了这种根本上的统一。

在波多黎各的阿雷西博，有一台巨大的射电望远镜，它的许多用途之一是执行地外文明搜寻计划（SETI）[6]。在望远镜附近的一幢建筑物的办公室里，有一个小型家用冰箱。冰箱里有一瓶香槟，用软木塞密封着。考虑一下这个软木塞。

如果SETI项目完成任务，成功探测到地外智慧生命发来的无线电信号，这个软木塞会就会被从瓶子里取出来。因此，如果你仔细观察软木塞，有一天发现它从瓶子里跳出来，就能推断出有地外智慧生命存在。软木塞这个配置被实验者们称为“代理”：它是一个物理变量，可以作为测量另一个变量的手段。（所有科学测量都要用到一连串的代理。）因此，我们可以把整个阿雷西博天文台，包括其工作人员，以及那只瓶子和它的软木塞，当作一种探测遥远的人的科学仪器。

于是，这个不起眼的软木塞的行为特别难解释或预测。为了预测，你必须知道是不是真有人在从其他的恒星—行星系统发出无线电信号。为了解释这一点，就必须解释你是怎样了解那些人及其属性的。除了这些特定的知识（它依赖遥远恒星的行星上化学过程的微妙属性及其他事物），没有东西能够准确地解释或预测软木塞会不会跳出来，以及什么时候会跳出来。

SETI仪器还经过特别精细的调节，以适应它的目的。它对近在几米之内、重达好几吨的人们完全不敏感，甚至对同一颗星球上重量数以千万吨计的人们也没反应，只探测绕其他恒星运转的行星上的人，而且这些人还得是无线电工程师。不论是在地球上还是在宇宙中，再没有其他类型的现象能够灵敏地探测成百上千光年外的人在做什么，更不要说以如此之高的鉴别力去探测。

这之所以成为可能，部分是因为，在这么遥远的距离上，很少有东西能比这种类型的渣滓更显眼。具体来说，在恒星级别的距离上，我们现有最好的仪器能探测到的现象只有：（1）特别明亮的发光体，比如恒星（准确地说，只是其表面）；（2）遮挡视线、妨碍我们看这些明亮天体的一些天体；（3）特定类型知识的效果。我们能探测到特地为通信而设计的激光和无线电信号，能检测到行星大气中没有生命就不可能存在的成分。这些类型的知识，属于宇宙中最显眼的现象。

还要注意，SETI仪器特别巧妙地适用于检测一些尚未被检测到的东西。生物进化不会产生这样的适应性，只有科学知识可以。这说明了为什么非解释性的知识无法做到通用。像所有的科学研究一样，SETI项目猜想某种东西存在，并建造仪器去探测它。非解释性的系统无法跨越解释性假说能够跨越的鸿沟，去处理从未体验过的证据或并不存在的现象。这不仅仅适用于基础科学。工程师说，如果对设想中的桥加上如此这般的负载，桥就会坍塌。就算是桥还根本没有造出来、更不用说加上负载，这种论断也可能是正确的，并且极其有价值。

其他实验室里也保存着类似的香槟酒瓶。每个这种弹出的软木塞，都代表着发现了某种在宇宙万物中有重要意义的东西。因此，研究香槟瓶塞和其他代理的行为以观察人们在做什么，与研究所有的重要事物都是对等的。这表示，人类、人和知识不仅在客观上重要：它们是迄今自然界最重要的现象，是唯一有着如下特性的事物——不理解所有根本重要的事物就无法理解其行为。

最后，考虑一下环境自发（即在没有知识的情况下产生）的行为方式，与有了一点儿正确类型的知识之后的表现，两者之间存在的巨大差异。我们通常会认为一个月球殖民地源自地球，就算是在它已经实现自给自足之后也这么认为。但是，它到底有什么东西真的源自地球？长远来看，它里面所有的原子都将是源自月球（或小行星）的，利用的所有能量都源自太阳。只有一部分知识来自地球，而且，在完全与地球隔绝的假想情况下，这部分知识所占的比例会迅速缩小。实际上发生的事情是，月球被来自地球的物质改变了——起初只是最低限度的改变。带来变化的并不是物质，而是它编码的知识。作为对这些知识的响应，月球上的物质以一种新的、越来越广泛和复杂的方式进行了重组，开始创造出无止境的、一直在改进的解释流。一个无穷的开始。

同样，在星系际的思想实验中，我们想象着用知识“装填”一个典型的立方体，结果是星系际空间本身开始产生一条不断改进的解释流。请注意，一个经过转变的立方体与一个典型立方体在实质上有多么不同。一个典型立方体的质量与附近成百上千万个立体方中的任一个都差不多，在成百上千万年里，这个质量几乎没有变化。转变后的立方体比邻近的立方体质量更大，而且其质量在持续增加，因为其中的居民在系统地捕捉物质，用于体现知识。典型立方体的质量稀薄地散布在它的整个区域里，而转变后的立方体的大部分质量集中在其中央。典型立方体主要由氢组成，转变后的立方体包含所有的元素。典型立方体不产出任何能量；转变后的立方体以极高的速率将质量转化为能量。典型立方体里充满了证据，但绝大多数证据只是路过，没有任何一个能带来什么改变。转变后的立方体包含的证据更多，其中大多数是就地创造出来的，用不断改进的仪器进行着探测，带来迅速的改变。典型立方体不释放任何能量，转变后的立方体很可能在向宇宙空间广播解释。但也许最大的实质差异在于，就像所有能创造知识的系统一样，转变后的立方体能纠正错误，如果你试图改变或采集其中的物质，就会注意到这一点：它会反抗！

不过，看起来大多数环境还没有开始创造知识。除了在地球上或地球附近，我们还没有发现哪个环境能创造知识。而且，我们所看到的其他地方的情形，与知识创造已经广泛存在后应该出现的情形有着巨大差异。但宇宙还很年轻。一个目前还什么都不创造的环境，将来可能会创造。遥远未来的典型情况，可能会与现在的典型情况非常不同。

就像爆炸期待着火花，宇宙中有多得难以想象的环境正在那里等待，亘古永在，完全无所事事，或者盲目地产生证据并存储起来，或将证据倾泻到太空里。如果能得到合适的知识，几乎任何一个环境都有可能立即不可逆转地爆发出一些类型截然不同的物理活动：密集的知识创造，展现自然法则中固有的各种复杂性、通用性和延伸，将这个环境从现在典型的样子转变成未来典型的样子。如果我们愿意，我们就可以成为这个火花。

术语

人——一种能创建解释性知识的实体。

以人类为中心的——把人类或人当作中心。

根本或重要的现象——一类现象，在许多现象的解释中扮演必不可少的角色，或者拥有与众不同的特征，需要以基础理论进行与众不同的解释。

平庸原则——“人类没有什么重要意义”。

狭隘主义——误将表象当成现实，或将局部的规律性当成通用规律。

宇宙飞船地球号——“生物圈是人类的生命支持系统”。

建造者——一种设备，能够在自身不发生净变化的情形下使其他物体发生转化。

通用建造者——一种建造者，只要有合适的信息，就可使任何原材料进行任何物理上可行的转换。

“无穷的开始”在本章的意义

——只要有合适的知识，就可以实现任何不被自然法则禁止的事。“问题是可以解决的”。

——“汗水”阶段总是可以自动化的。

——现实世界对知识是友好的。

——人是通用建造者。

——开始无止境地创造出解释。

——如果进行恰当的知识装填，就可创造出无止境的知识流的环境，即所有的环境。

——新解释带来新问题这一事实。

小结

平庸原则和宇宙飞船地球号的观念有着不可弥补的狭隘和错误，与它们的动机恰恰相反。从我们所能做到的最不狭隘的角度出发，人是宇宙万物中最重要的实体。人并非由环境“支持”，而是通过创造知识来自我支持。一旦人有了合适的知识（实质上就是启蒙运动的知识），就可以触发无限的进步。

除了人的思想以外，唯一已知的能创造知识的过程是生物进化。它所创造的知识（不是通过人创造的）是天生受限制的、狭隘的。然而，它与人类的知识有密切的相似之处，其间的相似与差异是下一章的主题。

[1] 东非大裂谷是非洲东部的一个绵延数千千米的巨大断裂带，据认为是人类进化的摇篮。大裂谷区域出土了大量原始人类化石，包括著名的南方古猿“露西”。——译注

[2] 尼安德特人是一种已灭绝的旧石器时代人类，于6万年至3.5万年前生活在欧亚大陆，与现代人类（智人）血缘很近。据认为他们拥有先进的工具、语言、复杂的社会群体、丰富的文化。智人的祖先是否曾与尼安德特人杂交，是一个有争议的研究课题。——译注

[3] 阿特·伍尔夫是美国一位著名的自然摄影师，《生机勃勃的荒野》是他的一部摄影作品集，其中图片配有道金斯等多位生物学家的文章。——译注

[4] 法国大革命始于1789年5月的三级会议，持续了10年，其间法国经历了异常激烈的政治动荡。1791—1794年雅各宾派当政期间，以断头台大量处死异见者，因此又称恐怖统治时期。——译注

[5] 18世纪中叶，一个小型的知识精英团体在英国伯明翰成立，在满月时举行聚会，称为月光社。这个存在了数十年的非正式团体聚集了一些著名的工程师、科学家和实业家，包括蒸汽机的重要改良者瓦特、进化论提出者查尔斯·达尔文、发现氧气的化学家普里斯特利等。月光社成员在诸多不同领域取得成就，帮助催生了英国工业革命。《月光之子》描述的就是这段历史。——译注

[6] SETI计划利用射电望远镜分析来自宇宙空间的电磁波，分析信号的规律性，希望从中找到地外文明发来的信息。——译注

第4章 创造

人类大脑里的知识和生物适应性的知识，广义上说都是进化创造出来的：现有知识的变种，在选择作用下更替。对人类知识来说，变种是通过猜想产生的，选择则通过批评和实验进行。在生物圈里，变种由基因突变（随机变异）产生，自然选择青睐那些能提升生物体繁殖能力的变种，从而使这些基因变种在群体中散播开来。

一个基因适应一项特定功能，意味着很少有（如果有的话）微小变化能提高该基因执行这项功能的能力。有些变化可能不会给这种能力带来实质改变，大多数变化会使情况变得更糟。换句话说，好适应就像好解释一样，其特点是很难在发生改变后还能履行自己的职能。

人类大脑和DNA分子都有许多功能，但在其他功能之外，其一般用途是充当信息储存介质：它们原则上可以存储各种类型的信息。而且，它们各自进化出来去存储的两类信息，都拥有一种在宇宙层面上有着重要意义的属性：一旦它们在合适环境中在物理上体现出来，就倾向于使自己保持这种状态。这样的信息——我称之为知识——是很难产生的，除非通过进化或思想的纠错过程。

这两种知识之间也有重大区别。其一是，生物学知识是非解释性的，其延伸范围有限；解释性的人类知识可以拥有宽广甚至无限的延伸范围。另一个区别是，基因突变是随机的，而猜想可以为某种目标有意构建。不过，两类知识在基础逻辑上的共通之处很多，因而进化论与人类知识高度相关。尤其是，历史上关于生物进化的一些错误观念，与关于人类知识的一些错误观念是对应的。因此，在本章中，我将讲述一些这类错误观念，还有对生物适应性的实际解释，即现代达尔文进化论，有时称为“新达尔文主义”。

神创论

神创论认为，某一个或一些超自然人物设计并创造了所有的生物适应性。换句话说，“这是上帝干的。”正如我在第1章中解释的，这种形式的理论是坏解释。除非用很难改变的具体内容进行补充，否则这种理论完全根本没有触及问题本身——就好比“这是物理规律干的”不会让你获得诺贝尔奖，“这是魔术师干的”不能解开魔术的奥妙。

一项魔术在付诸表演以前，其发明者必定已经知道了它的解释。这项知识的起源就是这个魔术的起源。同样地，解释生物圈的问题，就是解释生物适应性所体现的知识怎样被创造出来的问题。特别是，任何生物的假定设计者，必定也创造出了关于这种生物怎样运作的知识。神创论因而面临着固有的两难境地：设计者到底是不是一个完整拥有这些知识的、“就是在那里”的纯粹超自然人物？（对生物圈来说）一个“就是在那里”的人物完全起不到解释作用，因为完全可以更省事地说，生物圈自己带着生物体中的全部知识“就那么出现了”。另一方面，只要神创论提供超自然人物怎样设计和创造生物圈的解释，不管在什么程度上解释，这样的人物就不再是超自然的，而只是看不到的。比方说，他们可能是地外文明。但这样一来，该理论就不成其为神创论了——除非它认为地外设计者本身有着自己的超自然设计者。

而且，生物适应性的设计者，根据定义来说应该有着自己的意愿，认为适应性就应该是现在的样子。但这一点与几乎所有神创论共同想象的设计者——即值得崇拜的神或众神——都很难保持一致，因为事实上，许多生物适应性都有着显然不理想的特征。例如，脊椎动物眼睛的神经“连线”和供血系统位于视网膜前方，会对进入眼睛的光线进行吸收和散射，降低成像质量。视神经穿越视网膜通向大脑的地方还存在着一个盲点。一些非脊椎动物（如乌贼）的眼睛有着相同的基础设计，却没有这样的设计缺陷。这些缺陷对眼睛的功效影响甚微，然而要点在于，这些缺陷与眼睛的功能性目的完全矛盾，因而也与该目的是神圣设计者的意愿这一观念有冲突。正如达尔文在《物种起源》中所说，“根据每一生物以及它的一切不同部分都是被特别创造出来的观点，带着毫无用处的鲜明印记的器官……竟会如此经常发生，是多么不可理解。”

甚至有非功能性设计的例子。例如，大多数动物都拥有合成维生素C的基因，但在包括人类的灵长类动物体内，该基因虽然明显存在，却是有缺陷的，它没有任何功能。这一点很难做出解释，除非说这个发育不全的特征是灵长类动物从非灵长类祖先那里继承下来的。也可以退一步说，所有这些明显蹩脚的设计特征，都有着尚未被发现的目的。但这是一个坏解释：它可以用来声称，任何设计蹩脚或非设计的实体都是完美设计出来的。

根据大多数宗教的说法，设计者的另一个假定特征是仁慈。但正如我在第3章中所说的，生物圈对它的居民而言并不舒适，比起一个仁慈的、甚或是勉强说得过去的人类设计师能设计出来的任何东西都要差得多。在神学背景下，这被称为“受难问题”或“邪恶问题”，经常被用来反驳上帝的存在。但这一点很容易洗刷。典型的辩护词是：也许超自然人物的道德与我们不同；或者我们的智力有限，不足以理解生物圈实际上多么道德。不过，在此我关心的不是上帝是否存在，只关心如何解释生物适应性。在这方面，神创论的这些辩护词与霍尔丹和道金斯的观点有着同样的致命缺陷：“比我们能想象到的更不可思议”的世界，与“用魔法装扮粉饰”的世界无法区分。因此，这样的解释都是坏的。

神创论的核心缺陷是，对于适应性的知识怎样才能被创造出来，其解释要么缺失，要么超自然或不合逻辑。这一缺陷也是启蒙运动之前有关人类知识的权威观点的核心缺陷。某些情况下它们其实就是同一个理论，主张特定类型的知识（例如宇宙学知识，或道德知识及其他行为规范）是由超自然人物授予早期人类的。换句话说，社会的狭隘特征（例如政府中君主的存在，甚或宇宙中上帝的存在）受禁忌保护，或者被不加批判地认为是理所当然，以至于人们甚至没有意识到这是一些思想观念。我将在第15章中讨论此类观念及体制的演变。

在未来无止境地创造知识的前景，削弱了神创论的动力，因而与之存在冲突。最终，在我们觉得功能特别强大的计算机的帮助下，任何一个孩子都将能在视频游戏里设计一个比地球现有生物圈更好、更复杂、更美丽、也更道德的生物圈——或许是通过命令来达到这种状态，或许是通过创造出虚构的、比实际规律更有利于启蒙运动的物理规律。在这一点上，我们的生物圈的假想设计师不仅道德不高明，智力也不怎么样。后面这个特点可不那么容易洗刷。宗教将不再愿意宣称生物圈设计是其神灵的成就之一，就像现在他们不再把打雷归因于神灵一样。

自然发生论

自然发生指的是生物体并非作为其他生物体的后代而诞生，而完全从非生物的前体中产生——例如，老鼠从阴暗角落里的一堆破布中产生。几千年来，认为小动物一直都在这样自发地产生（在正常繁殖之外），是一种毫无疑问的传统智慧，直到19世纪还有人当真。随着动物学知识的增长，该观念的支持者们逐渐退让到更小的动物，直到最终争论被局限于我们现在称为微生物的东西——真菌和细菌等在营养丰富的介质上生长。对于这些生物，很难用实验推翻自然发生论。例如，实验不能在密封容器里进行，因为空气是自然发生的必要条件。但这一观点最终被生物学家路易·巴斯德在1859年用巧妙的实验推翻了，[1]这正是达尔文发表进化论的那一年。

但要说服科学家认为自然发生论是一个坏理论，根本就用不着实验。魔术不可能由真正的魔法实现，即不能由魔法师简单地命令事情发生，而必须由预先创造的知识来实现。同样，生物学家只要问：那堆破布怎么会得到如何构建一只老鼠的知识？这样的知识如何用来把破布变成老鼠？

对于自然发生有一个尝试性的解释，它是神学家希波的圣奥古斯丁（354－430）所支持的。这个解释认为，所有的生命都来自“种子”，有些种子由活的生物体携带，其他的遍布在地球上。两类种子都是在原初创世时创造的，在合适条件下都能发育成恰当物种的新个体。奥古斯丁机智地提出，这可以解释为什么挪亚方舟[2]不需要携带数量多到不可思议的动物：大洪水之后，大多数物种不用挪亚的帮助就能再生。不过，根据这一理论，生物体不是完全由非生物原料产生的。遍布各地的种子就是一种生命形式，就像真正的种子一样：它应当包含其生物的所有适应性知识。因此，奥古斯丁的理论就像他自己强调的那样，实际上是神创论的一种形式，而不是自然发生论。有些宗教将宇宙当成一种持续不断的超自然创造行为，在这样一个世界里，所有的自然发生都将归到神创论名下。

但是，如果我们坚持要好解释，就必须摒弃神创论，正如我前面所解释的。这样，就自然发生而言，它剩下的唯一可能是，也许物理规律就是允许它发生。例如，老鼠可能简单地在合适条件下形成，就像晶体、彩虹、龙卷风和类星体一样。

这在今天看起来很荒谬，因为人们现在已经弄清了生命的真实分子机制。但作为一个解释，这个理论本身有没有什么错误？彩虹之类的现象有着独特的外观，可以无限重复，不需要把信息从一种场合传递到另一种场合。晶体甚至有着与生命相似的行为：把晶体放在合适的溶液里，它会吸引更多适当类型的分子，使其排列形成更多相同的晶体。鉴于晶体和老鼠遵循同样的物理规律，为什么自然发生对前者是好解释，对后者却不是？具有讽刺意味的是，这个问题的答案来自一种本来用于替神创论辩护的主张——设计论。

设计论

几千年来，“设计论”都被用作证明上帝存在的经典“论据”，如下所述。世界的某些方面看上去像设计出来的，但并非由人类设计；由于“设计需要一个设计者”，必定有上帝存在。如我所说，这是一个坏解释，因为它根本没有触及创造此类设计的知识怎样才能创造出来的问题（“谁设计了设计者？”诸如此类）。但设计论也可以正确地运用，已知的对于设计论最早的一次运用由雅典哲学家苏格拉底进行，它就是正确的。这个问题是：假定神创造了世界，他们是否关心世界上发生了什么？苏格拉底的学生阿里斯托得摩斯认为他们不关心，另一位学生历史学家色诺芬回顾了苏格拉底的回答。

苏格拉底：因为我们的眼睛是娇嫩的，就有眼皮把它们挡上，要用它们时再打开……再有，我们的额头有眉毛做流苏，以防止头上的汗水伤害眼睛——还有，嘴巴设在近眼睛和鼻孔附近，作为我们所有供给的入口；而排出体外的物质令人不快，所以出口朝向后方，尽可能远离感官。我问你，当你看到这一切展示先见之明的东西，你还能怀疑它们是偶然产物还是设计出来的吗？

阿里斯托得摩斯：当然不！有鉴于此，它们似乎非常像一些聪明工匠的发明，对所有生物充满了爱。

苏格拉底：那么，植入人心中的生育本能，植入母亲心中的抚养幼儿的本能，植入幼儿心中的渴望生存、恐惧死亡的本能，又如何呢？

阿里斯托得摩斯：这些预备看上去也是某种发明，做出发明的人决定了世上应该有活物。

苏格拉底指出，生物的设计表象需要解释，他在这一点上是对的。这不可能是“偶然产物”，尤其是因为它标志着知识的存在。这些知识是如何产生的？

然而，苏格拉底从来没有说明设计表象包含什么，以及为什么包含这些东西。晶体和彩虹有设计表象吗？太阳或者夏季有吗？它们与眉毛之类的生物适应性有多大不同？

“设计表象”里面到底是什么东西需要解释，这个问题由教士威廉·佩利首先提出。1802年，在达尔文诞生之前，佩利在他的著作《自然神学》中发表了以下思想实验。他想象走过一片荒地，发现一块石头或一块手表。在两种情形下，他都在想象中思考这个物体是怎么来的，然后解释了为什么手表需要一种与石头的解释完全不同类型的解释。他说，据他所知，石头可能自古以来就在那里了。今天我们对地球历史有了更多了解，可以改而将石头归结于超新星、元素嬗变和冷却中的地壳。不过这与佩利的主张并无不同。他的着眼点在于：这样的描述可以解释石头是怎么来的，或手表的原材料是怎么来的，但永远不能解释手表本身是怎么来的。手表不会自古以来就在那里，也不会是在地球凝固的过程中形成的。与石头、彩虹和晶体不同，它无法通过自然发生从原材料中自我组装出来，它也不是一种原材料。但为什么？正像佩利问的那样：“为什么适用于石头的答案不适用于手表？为什么这种答案在第二种情况下不像在第一种情况下那样值得采纳？”他知道为什么。因为手表不仅能实现某种目的，它还适应这一目的：

仅出于这个理由，而不是别的理由，注意，当我们检查手表时，我们看到（这些东西在石头里是不会被发现的）它的几个部件是为了实现某种目的而安置摆放在一起的，比如，它们经过仔细的排列和调整，以产生有规律的运动，指出一天里的时间。

没有人能抛开手表准确计时的目的去解释手表为什么是这样。像我在第2章中讨论过的望远镜一样，手表是一种罕见的物质配置。手表可以精确地计时，这并不是巧合；它很适合这项任务也不是巧合；它被组装成这种形式而非别的形式，就更不是巧合。因此，必须是有人设计了手表。在此佩利当然是在暗示，对一个活的生物体（比如老鼠）来说就更是如此了，它的“几个部件”都是为某种目的而建造的（并且看上去是设计出来的），例如眼睛里的晶状体有着与望远镜透镜相似的目的，用来聚焦光线在其视网膜上形成影像；而视网膜有着识别食物、危险等目的。

实际上，佩利不知道老鼠的整体目的（不过我们现在知道了——见下面讲到的“新达尔文主义”）。但仅仅是一只眼睛，就足以宣告佩利的成功。也就是说，与明显有目的的设计有关的证据，不仅在于所有部件都服务于这一目的，还在于，如果这些部件稍作改变，其服务能力就会减弱甚至消失。一个好设计是很难改变的：

如果不同部件的形状与原来不同，或大小与原来不同，或安装方式与原来不同，或排列顺序与原来不同，那么，要么机器根本无法产生运动，要么产生的运动没有一个能实现它现在所服务的用途。

仅仅对某个目的有用，但不难在做出改变的同时仍然服务于该目的，并不是适应性或设计的迹象。例如，太阳也可以用来计时，但它所有的特征经微小（甚或巨大）改变后，仍然能同样好地服务于这一目的。就像我们转化了地球上许多非适应性的原材料以达到目的，我们也发现了太阳的用途，而太阳完全不是为这些用途而被设计出来的，也不是适应于这些用途的。在这种情形下，知识完全处在我们以及我们的日晷里面，而不在太阳里面。但知识确实体现在手表和老鼠里面。

那么，所有这些知识是如何体现到这些东西里的呢？正如我所说，佩利能想出的解释只有一种。这是他的第一个错误：

我们认为这样的推断是不可避免的：手表必定有一个制造者——不存在没有设计者的设计、没有发明者的发明、未经选择的订购。不可能有安排却没有具备安排能力的事物、有与目的相关的从属和关系却没有能够提出目的的人、有适合某个目标的手段却不曾构思过这个目标，或没有适合构思目标的手段。安排、部件的布置、对达到某目的的手段的服从、仪器与用途的关系，都意味着智慧和心灵的参与。

我们现在知道，可以有“没有设计者的设计”，那就是并非由人创造的知识。某些类型的知识可以由进化创造，我很快会谈到这一点。但这并不是在批评佩利不了解一个尚未做出的发现——它是科学史上最伟大的发现之一。

然而，尽管佩利对问题内容的理解很准确，却不知为何没有意识到，他所提出的神创论方案并没有解决这个问题，这个方案甚至被他自己的论证排除掉了。佩利认为存在的终极设计者应当也是一个有目的的复杂实体，它显然不会比一只手表或者一个活的生物体更简单。因此，正如那以后的许多批评家注意到的，如果我们用“终极设计者”来替换上面佩利的话里的“手表”，就会迫使佩利“（无可避免地）推断……终极设计者必定有一个制造者”。由于这自相矛盾，经过佩利完善的设计论排除了终极设计者的存在。

请注意，这并不是关于上帝存在的一个反证，正像原来的观点不是上帝存在的证明。但它确实表明，在任何关于生物适应性的起源的好解释中，上帝都无法扮演神创论赋予他的角色。虽然这背离了佩利相信他已经实现的目标，但谁都无法选择我们的观点所蕴涵的意义。对于按他的标准有着设计表象的任何事物，他的论述全都适用。这一观点是对生物的特殊地位的一种阐述，并设置了一个基准，用来衡量知识负载的实体的解释要达到什么程度才算有意义，它对理解世界至关重要。

拉马克主义

在达尔文的进化论之前，人们已经在思索生物圈及其适应性是不是逐渐出现的。达尔文的祖父伊拉兹马斯·达尔文（1731—1802），一个坚定的启蒙运动者，也是他们中间的一员。他们称这一进程为“进化”，但这个词在当时的含义与它在今天的主要含义不同。所有逐渐改善的过程，不管机制如何，在当时都被称为“进化”。（这种用法至今仍用于非正式场合，并作为一个技术词汇使用，其中在理论物理领域，“进化”指用物理规律解释的任何形式的持续变化。）查尔斯·达尔文将他发现的过程称为“自然选择导致的进化”，使它与其他含义区别开来——尽管“变异和选择导致的进化”这个名字可能更好。

佩利如果在活着时听到这个词，他就很可能认识到，“自然选择导致的进化”是一个比简单的“进化”更具实质性的解释模式，因为后者未能解决他的问题，而前者解决了。任何关于改进的理论都会提出这样的问题：关于怎样进行这种改进的知识是怎样创造出来的？它是一开始就存在的吗？这样的理论是神创论。它是“就那么发生”的吗？这样的理论是自然发生论。

19世纪早期，博物学家让—巴蒂斯特·拉马克提出了一种解答，如今被称为拉马克主义。其核心主张是，生物体在其一生中获得的改进可以遗传给后代。拉马克考虑的主要是生物器官、肢体等的改进，例如个体大量使用的肌肉会变得更大、更强健，而很少使用的肌肉会变弱。伊拉兹马斯·达尔文也独立想到了这种“用进废退”的解释。一个经典的拉马克式解释是，长颈鹿把树上低矮处的叶子吃光之后，会伸长脖子去吃高处的叶子，这将使它们的脖子变得长一点。其后代会继承这个特性，脖子也会长一点。经过很多代之后，脖子并不特别长的祖先就进化成了脖子很长的长颈鹿。拉马克还提出，改进受到一种朝复杂性更高的方向发展的倾向驱动，这种倾向是内置在自然法则里的。

后一点纯属胡说，因为并非任何复杂性都能为适应性的进化负责，必须是知识才行。因此，该理论的这一部分只不过是在引述自然发生论——来历不明的知识。拉马克对此可能不会在意，因为他像当时的许多思想家一样，把自然发生论的存在当作理所当然。他甚至明确地把这一点融入他的进化理论：他猜想，由于他的自然法则迫使一代代的生物体变成更复杂的形式，我们之所以还能看到简单生物，是因为它们在持续不断地自然发生。

曾经有人认为这个观点相当不错，但它与事实几乎全无相似之处。最显著的差异在于，现实中的进化适应性与单个生物体在一生中发生的变化完全不是同一种东西。前者涉及新知识的创造，后者只有在已经具备造成该变化的适应性之后才能出现。例如，肌肉的用进退废由一套精密的（知识负载的）基因调控，这只动物的远祖没有这些基因，拉马克主义无法解释基因里包含的知识是怎样创造出来的。

如果你缺乏维生素C，你那有缺陷的维生素C合成基因并不会因此得到改进，除非也许你是遗传工程学家。把一只老虎放进一片栖息地，如果在这个环境里毛色使老虎更显眼而不是更隐蔽，老虎并不会采取行动改变皮毛的颜色，就算有改变也不会传给后代。这是因为，老虎体内没有什么东西“知道”毛皮的条纹是干什么用的。拉马克机制怎么能“知道”，毛皮上的条纹更多能略微改善老虎的食物供应？怎么能“知道”应该如何合成染料、分泌到毛皮上，以产生设计合理的条纹？

拉马克的根本错误与归纳法具有相同的逻辑。两者都假定，新知识（在两种情形中分别是适应性知识和科学理论）已经存在于经验中，或可以机械地从经验中得出。但真相永远是，知识必须先假设再检验。这正是达尔文理论所说的：首先，随机突变发生（它们并不考虑要解决什么问题），然后自然选择把那些不太擅长重现在子孙后代身上的基因变种剔除掉。

新达尔文主义

新达尔文主义的中心思想是，进化偏爱在群体中散布得最广的基因。这个理念的内涵比乍看上去要多得多，接下来我会解释。

对达尔文进化论的一个常见误解是，它会最大化“物种的利益”。这给自然界中明显的利他主义行为提供了貌似合理实则错误的解释，这些行为的例子包括父母牺牲性命保护幼仔，最强壮的动物在群体遭受袭击时守在外围——这些行为降低了它们拥有漫长愉快的一生或生育更多后代的机会。该理论据此认为，进化优化物种利益而不是个体利益。但实际上，进化并不优化它们中间的任何一种。

为了弄清楚为什么，考虑这样一个思想实验。想象在一个岛屿上，如果某一物种的鸟类在某个时候——比方说4月初——筑巢，它们的总数量将达到最大化。至于为什么某个特定的日子最优，涉及多种因素的权衡，如温度、掠食者的数量、获取食物和筑巢材料的容易程度等。假设一开始整个群体都拥有使它们在最佳时间筑巢的基因，这表示这些基因非常适应于群体里鸟类数量的最大化——也许可以称为“最大化物种的利益”。

现在设想，这种平衡被一只鸟体内的一个突变基因打乱了，该基因导致这只鸟筑巢的时间稍微早了一点——比方说在3月底。假设每当一只鸟筑好巢，该物种的其他行为基因就会自动使它从配偶那里获得所需的全部合作。于是这对鸟儿必定能在岛上最好的地点筑巢——从后代的生存来看，这是一个优势，很可能压倒提早筑巢的所有微小劣势。这样，下一代里就会有更多在3月份筑巢的鸟，并且它们也全都能找到出色的筑巢地点。这意味着，4月份筑巢的鸟儿里能找到优秀筑巢地点的比例比平常低，因为它们开始寻找筑巢地点时，最好的地点已经被占据了。此后几代，群体的平衡将不断向3月份筑巢的变种倾斜。如果拥有最佳筑巢地点的相对优势足够大，4月份筑巢的鸟儿甚至可能灭绝。如果4月份筑巢的基因作为突变再次出现，拥有该基因的鸟会没有后代，因为当它试图筑巢时，所有的筑巢地点都已经被占据了。

于是，我们想象的初始情形——有着最佳适应性的基因使群体最大化（“使物种受益”）是不稳定的。会有进化压力使这个基因变得不那么适应这一功能。

在使种群里个体的数量减少（因为鸟儿不再在最佳时间筑巢）的意义上，这种变化损害了物种。它还可能对该物种造成了其他损失，如增加灭绝风险、降低物种扩散到其他栖息地的可能性等。所以，一个最佳适应的物种可能通过这种方式进化成一个不管从哪方面衡量都不那么“繁荣”的物种。

如果又有一个突变基因出现，使鸟在3月份更早的时候筑巢，同样的过程会再次发生，更早筑巢的基因接管优势地位，种群里个体的数量再次下降。进化会这样驱动筑巢时间不断向前推移，种群持续萎缩。当占据最佳筑巢地点给鸟类个体的后代数量带来的优势最终被提早筑巢带来的劣势所压倒，就会达到新的平衡。这个平衡状态可能与最开始对物种最优的状态相差很远。

一个与此有关的误解是，进化一直是适应的——也就是说，它总是造成进步，至少是使有用的功能产生某种程度的改进，从而起到优化的作用。人们经常用哲学家赫伯特·斯宾塞的话把这一点总结为“适者生存”，这句话还很不巧地被达尔文自己接受了。但是，正如上述思想实验说明的，事实并非如此。进化造成的改变不仅对这个鸟类物种有害，对每个鸟类个体也有害：不管选择哪个筑巢地点，它们要面对的生活都更艰难，因为筑巢的时间更早了。

因此，尽管进化论被提出来是为了解释生物圈里存在着的进步，但并不是所有的进化都造成进步，没有哪种（遗传的）进化会优化进步。

在这个过程中，这些鸟类的进化到底取得了什么成绩？它所优化的东西，并不是一个基因变种对其环境的功能适应性（这种属性想必会让佩利印象深刻），而是幸存的变种在群体中扩散的相对能力。4月份筑巢的基因无法再将自身传给下一代，尽管它在功能上是最好的变种。替代这个基因的早筑巢基因，其功能也许还过得去，但除了防止自身的其他变种复制之外，它对什么都不是最适应。从物种及其所有成员两方面看，这段进化历程带来的变化都是一场灾难。但进化并不“在乎”这些。它只青睐那些能在群体里传播最广的基因。

进化甚至可能青睐那些非但不是最优，还对物种及其所有个体整体上有害的基因。一个著名的例子是孔雀那色彩艳丽的大尾巴，据认为它会加大孔雀逃避掠食者的难度，从而削弱其生存能力，而且毫无实用功能。华丽尾羽的基因之所以能取得优势地位，是因为雌孔雀倾向于选择尾羽华丽的雄孔雀做配偶。为什么会有选择压力产生这种偏好？原因之一是，当雌孔雀同尾羽华丽的雄孔雀交配后，它的雄性后代就会有更华丽的尾羽，从而能找到更多配偶。另外一个原因可能是，一个能够长出色彩艳丽的庞大尾羽的个体更有可能是健康的。不管哪种情况，所有选择压力的净效果是，让华丽庞大尾羽的基因以及偏爱此类尾羽的基因在群体中散布开来。物种和个体都必须承受这个后果。

如果传播最广的基因给物种带来的劣势足够大，物种就会走向灭绝。生物进化里没有什么东西可以阻挡这种事发生。这样的情形在地球生命的历史上应该已经出现过许多次，发生在没有孔雀那么幸运的物种身上。道金斯将他阐述新达尔文主义的力作命名为《自私的基因》，就是为了强调指出，进化并不会特地促进物种或个体生物的“福利”。但正如他同时解释的，进化也不会促进基因的“福利”：它并不是让基因适应以较大数量生存，甚至根本不是让基因适应生存，而仅仅是让基因适应通过压倒与其竞争的基因来在群体中传播，尤其是压倒那些与它们略有差异的变种。

实际上，多数基因往往都会给物种和个体宿主带来一些功能上的好处，虽然并非最优，这完全是运气所致吗？并非如此。生物体是基因的奴隶或工具，被基因用来达成它们在群体中扩散的“目的”。（这个“目的”是佩利甚至达尔文都从未猜到的。）某种程度上，基因是通过保持奴隶生存和健康来获得压倒竞争对手的优势，就像人类奴隶主所做的那样。奴隶主并非为其劳工队伍在工作，也不是为了奴隶个人在工作：它完全是为达到自身的目标才蓄养奴隶，迫使他们繁殖。基因做着同样的事。

此外，还存在着延伸的现象：当某个基因里的知识刚好拥有延伸时，它会帮助个体在更广泛的环境里帮助自身，超越了扩散基因的严格要求。这就是为什么骡子虽然不能生育却能生存。因此，基因往往会给其物种和个体带来好处，经常成功地增加了它们自身的绝对数量，这并不奇怪。它们有时候的表现恰恰相反，也没有什么好奇怪的。但基因适应的是什么，也就是说它们在哪方面比自身几乎所有的变种做得更好，与物种、个体甚至基因自身的长期生存并无关系，仅仅是让自身比竞争对手复制得更多。

新达尔文主义和知识

新达尔文主义在根本层面上并不涉及生物。它的基础理念是复制因子[3]（任何会导致自身复制的事物）。例如，某个基因能带来消化特定类型食物的能力，它使生物在某些情况下能保持健康，否则就会虚弱或死亡。因此，它提升了这一生物在未来繁殖后代的机会，这些后代会继承并传播该基因的副本。

思想观念也可以成为复制因子。例如，一个好笑话就是一个复制因子：它停留在某个人的脑子里时，会有一种倾向促使这个人把它告诉给别人，从而把它复制到他们的脑子里。道金斯杜撰出“谜米”（与英文的“梦”押韵）这个术语来称呼能成为复制因子的观念。大多数观念并不是复制因子：它们并不会促使我们将其传递给他人。然而，能够长期存在的观念几乎都是谜米（或“谜米集合体”——相互作用的谜米的集合），例如语言、科学理论和宗教信仰，还有那些构成文化（例如英国化）的难以言传的思想状态，或演奏古典音乐的技巧。我将在第15章对谜米进行更多探讨。

对于新达尔文主义进化论的核心主张，最常见的表述是：一个会发生变异（例如通过不准确的复制发生）的复制因子群体，将被那些能比对手更好地复制自身的变种所掌控。这个深刻得令人惊异的真理经常受到批评，人们要么是说这太明显了不值一提，要么认为它是错的。究其原因，我觉得，虽然它的正确性不言而喻，但它不能不言而喻地成为对特定适应性的解释。我们的本能偏爱与功能和目的有关的解释：基因到底会为其宿主和物种做什么？而我们刚刚看到，基因通常并不会使这类功能达到最优。

因此，体现在基因里的知识，就是懂得如何损害对手来使自己得到复制的知识。基因经常通过赋予其生物体以有用的功能来做到这一点，在这种情形下，它们的知识就碰巧包含了与该功能有关的知识。功能则通过把环境中的规律性编码到基因中来实现，有时甚至会把与自然法则相近的经验法则编码进去，在这种情况下，基因就碰巧编码了这些知识。但对基因存在的核心解释在于，基因使自己比对手得到更多的复制。

非解释性的人类知识也能通过类似的途径进化：经验法则不会毫不走样地传给下一代的使用者，能长期存留下来的那些法则，未必是使表面上的功能达到最大化的法则。例如，用优美韵文来表述的法则，会比更精确但用词呆板乏味的法则更容易被人记住和重复。而且，人类的知识没有完全非解释性的，至少总会包含与现实有关的背景假设，经验法则的含义要放在这个背景之中去理解，而背景可能使一些错误的经验法则看上去合理。

解释性理论进化的机制更为复杂。传播和记忆中的偶然错误仍然在起作用，但作用要小得多。这是因为，就算不进行检验，好解释也很难改变，它在传播过程中出现的随机错误更容易被接收者察觉和纠正。解释性理论最重要的变异来源是创造性。例如，当人们试图理解从别人那里听来的某种观念时，通常会按照什么对自己最有意义、自己最想听到什么或害怕听到什么等方式去理解。这些意义是由听众或读者假设出来的，可能与述说者或作者的意愿有差别。而且，人们就算准确接收到解释，往往也想要对其进行改进：受自己的批评意见启发，进行创造性的修订。如果他们再把这个解释传递给别人，通常会试图传递自己认为有所改进的版本。

与基因不同的是，许多谜米每次复制时都会变成不同的物理形式。人们很少一字不差地复述他们听到的观念。有时候，观念还会从一种语言翻译成另一种语言，或在口头语和书面语之间转换，等等。而我们会说，整个过程中传播的是同一个观念——同一个谜米，这是十分正确的。因此，对多数谜米来说，真正的复制因子是抽象的，是知识本身。原则上基因也是如此：生物技术经常把基因转录到计算机的存储设备里，基因以另一种物理形式存储在其中。这些记录可以回译成DNA链，植入不同动物体内。这之所以没有成为一种通行的方式，唯一的原因是，复制原始基因有更简单的方法。但总有一天，珍稀物种的基因可以使自身被存储到计算机里，再植入另一个物种的细胞，从而使该珍稀物种免遭灭绝。我说“使自身被存储”，是因为生物技术学家不会无差别地记录所有的信息，而是只记录那些达到了诸如“某个珍稀物种的基因”之类标准的信息。通过这种方式引起生物技术学家的兴趣，这样的能力就是这些基因里包含的知识的部分延伸。

因此，人类的知识和生物适应性都是抽象的复制因子，这种信息形式一旦体现在合适的物理系统之中就倾向于保持不变，其大多数变种不会这样。

新达尔文主义从某种角度来说是不言而喻的，这一点经常使它遭到批评。例如，如果该理论必定是正确的，怎么才能对它进行检验？有一个答案（通常认为是霍尔丹提出的）是，如果能在寒武纪[4]地层的岩石里发现一只兔子的化石，就可以把该理论整个推翻。然而，这是一种误导。引入这样的观察取决于给定情形下有哪些解释可用。例如，对化石和地层的识别有时会出错，好解释必须在宣布“在寒武纪岩石里发现了兔子化石”之前把这类错误排除掉。

就算有了这样的解释，兔子所排除掉的东西也不是进化论本身，而只是关于地球生物史和地质过程的通行理论。比方说，假设有那么一块史前大陆孤立于其他陆地，这块大陆上的进化速度是别处的几倍，由于趋同进化，在寒武纪有一种像兔子的生物在那里进化出来了。再假设这块大陆后来因一场灾变与其他陆地连接起来，这场灾变毁灭了这块大陆上绝大多数的生物，并将它们的化石深埋在地下。这种像兔子的生物是极少的幸存者之一，它在此后不久灭绝。就算有了寒武纪的兔子为证据，进化论仍然比创造论和拉马克主义之类的解释好无数倍，因为后两者对这只兔子代表的显而易见的知识从哪里来没有做出任何说明。

那么，到底有什么能够推翻达尔文进化论？是这样一类证据：根据能够找到的最好解释，它们显示知识可以由其他途径产生。举例来说，如果发现一种生物仅仅（或者主要）发生有利突变，像拉马克主义或自然发生论所预测的一样，那达尔文主义的“随机变异”这个先决条件就会被推翻。如果发现有生物天生就拥有新的复杂适应性（不管是适应什么的），而其父母体内没有任何此类适应性的前体，那么达尔文主义的渐变预测或知识创造机制就会被推翻。如果某种生物天生拥有一种在今天有生存价值的复杂适应性，而其祖先面对的选择压力并不青睐这种适应性（比如发现并使用互联网天气预报来决定何时冬眠的能力），达尔文主义也会被推翻。届时将需要全新的解释。我们将面临与佩利和达尔文所面临的差不多的未解之谜，需要着手寻找有效的解释。

微调

物理学家布兰登·卡特在1974年计算发现，如果带电粒子之间的相互作用强度小上百分之几，行星就无法形成，宇宙中仅有的凝聚态天体将是恒星；如果大上百分之几，恒星就永远不会爆发，恒星外部就不会有氢和氦以外的元素存在。不管哪种情况，都不会有复杂的化学反应，想必也就不会有生命。

另一个例子：如果大爆炸时宇宙的初始膨胀率略高一点，就不会有恒星形成，宇宙中除了极其稀薄而且越来越稀薄的氢，什么也不会有。如果膨胀率略低一点，宇宙在大爆炸之后不久就会重新坍缩。对于其他一些并非由任何已知理论决定的物理常数，计算结果也是如此。对大多数——如果不是全部的话——物理常数来说，似乎是只要它们稍有不同，生命就不可能存在。

这是一个了不起的事实，甚至被引为证据来表明，这些常数是经过有意微调的，也就是说，是由某种超自然人物设计的。这是神论创和设计论的一种新形式，其基础是物理规律的设计表象。（考虑到神创论与进化论之争的历史，这实在太具讽刺性：该新观点认为，物理规律被设计出来，是为了创造一个受达尔文进化论支配的生物圈。）连哲学家安东尼·弗鲁都被说服，相信了超自然设计者的存在，他从前是一位热情的无神论鼓吹者。但他不应该被说服的。就像我接下来要解释的那样，这种微调按佩利的标准算不算设计表象都不清楚；就算它是，也不能改变诉诸超自然会得到坏解释的事实。在任何情形下，因为现行的科学解释有瑕疵或欠缺就赞成超自然解释，都纯属错误。正如我们在第3章中刻在石头上的格言，问题是不可避免的——总会有未解决的问题。但它们会解决的。尽管科学已经取得了许多伟大发现，但它仍然在进步，或者说正因为取得了伟大发现才会继续进步，因为发现本身会揭示更多问题。因此，物理学上存在一个未解决的问题，完全不能成为超自然解释的证据，就像存在一件未破解的罪案不能成为鬼魂作祟的证据。

有人干脆认为，微调根本就不需要解释，因为并没有好解释认为行星对生命形成至关重要。物理学家罗伯特·福沃德写了一篇出色的科幻小说《龙蛋》，其中假定信息可以通过中子星表面中子的相互作用来存储和处理，因而可以进化出生命和智慧。中子星是在引力作用下坍缩到直径仅几千米的恒星，它极其致密，以至于其中大多数物质都转变成了中子。我们不知道这种假想的中子模拟化学反应是否存在，也不知道如果物理规律稍有不同的话它是否能存在。我们也完全不知道不同的物理规律下是否有其他类型的环境允许生命诞生。（微调现象本身动摇了相似的物理规律应当会导致相似的环境这种观念。）

然而，无论微调是否构成设计表象，出于以下理由，它都是一个正当且重要的科学问题。如果事实是自然常数并非经过微调以便孕育生命，因为大多数有微小差异的变种仍然允许生命和智慧进化（尽管是在完全不同类型的环境里），那么这将成为一种未得到解释的自然规律性，是科学需要研究的问题。

如果物理规律就像看上去那样的确是经过微调的，那么有两种可能：要么这些规律是唯一能在现实世界（即宇宙）中实现的，要么存在着拥有不同规律的其他现实世界，即平行宇宙[5]。对于前者，我们应当预期，对于物理规律为什么是这样，必定存在一个解释。它要么与生命的起源有关，要么无关。如果有关，就把我们带回佩利的问题：它将意味着，规律有着能创造生命的“设计表象”，但没有进化。如果该解释与生命存在无关，那就没有解释以下问题：既然规律的本来面目与生命无关，为什么它们经过了适合创造生命的微调。

如果有许多平行宇宙，各有各的物理规律，其中大部分不允许生命存在，那么观察到的微调现象就只是狭隘视角所致。只有在拥有天体物理学家的宇宙里，才会有人思考为什么物理常数看上去是经过微调的。这种解释称为“人择推理”。据称它遵从一条称为“弱人择原理”的原则，不过实际上根本不需要原则，只需要逻辑。（用“弱”这个限定词，是因为人们还提出了另外几种人择原理，超出了逻辑的范围，不过在此无需考虑它们。）

然而，经仔细检查可以发现，人择理论根本就无法完成解释任务。为了弄清楚为什么，让我们考虑物理学家丹尼斯·夏默的一种观点。

想象一下，将来有一天，理论学家对一个物理常数计算出，它在什么样的取值范围内能使（合适的）天体物理学家出现的概率相当大。比方说这个范围是137到138（真正的常数无疑不会是整数，但让我们把事情简单化）。他们还算出，该常数取值为该范围的中点即137.5时，天体物理学家出现的概率最高。

接下来，实验专家着手直接测量该常数，可能是在实验室里测量，也可能是通过天文观测进行。他们会预测什么？有趣的是，由人择解释可以立即推导出一个预测：观测值不会刚好是137.5。因为假如是这样的话就不对头了。作为类比，想象一下，用飞镖靶的靶心区域代表这个能产生天体物理学家的取值范围，预测扎中靶心的一支典型飞镖会刚好扎在正中央，将是错误的。同样地，在能够发生此类测量（因为有天体物理学家存在）的绝大多数宇宙里，该常数不会刚好取中能产生物理学家的最优值；以靶心区的大小来衡量，该常数的取值与最优值的距离也不会特别近。

所以夏默的结论是，如果我们确实测量了这样一个物理常数，并发现它非常接近产生天体物理学家的最优值，这将从统计上推翻而不是证实有关其取值的人择解释。当然这个值可能就是一个巧合，但如果我们愿意接受在天文学上不太可能发生的巧合来当作解释，那么从一开始就不必为微调感到困惑——我们应该告诉佩利，荒地上的手表可能就是偶然形成的。

而且，天体物理学家相对说来不太可能出现在那些条件恶劣到难以允许天体物理学家存在的宇宙里。所以，如果我们在想象中把允许天体物理学家产生的所有取值排成一条线，那么人择解释会让我们预测，测量值将落在某个典型的点上，不会太靠近中央或两头。

然而——在此我们得出夏默的主要结论——如果有多个常数需要解释，预测就完全变了。因为，尽管任一常数都不太可能靠近取值范围的边缘，但常数越多，其中至少有一个靠近边缘的可能性就越高。这可以用以下图示来说明，用线段、正方形、立方体……取代我们所说的靶心，可以一路想象下去，有多少经过微调的自然常数就有多少个维度。把“靠近边缘”定义成“与边缘的距离在总范围的10%以内”，在只有一个常数的情况下，如图4-1所示，有20%可能的取值靠近取值范围边缘，80%“远离边缘”。但如果有两个常数，取值要“远离边缘”就得满足两个约束条件，只有64%的概率能做到，有36%的概率靠近边缘。有3个常数，就几乎有一半的可能取值靠近边缘。有100个常数，就有超过99.9999999%的取值靠近边缘。

图4-1 常数个数与靠近取值边缘可能性的关系

不管人择推理对多常数取值的预测如何，该预测都只是勉强得以发生。

所以，涉及的常数越多，一个典型的有天体物理学家的宇宙就会越接近没有天体物理学家。我们并不知道到底有多少常数参与其中，但看上去有那么几个，在这种情况下，人择区域里的绝大多数宇宙都将靠近边缘。因此，夏默得出结论认为，人择解释预测，宇宙只是勉强能产生天体物理学家——与一个常数时的预测几乎完全相反。

乍看上去，这似乎转而解释了另一个重要的科学未解之谜，人称“费米问题”，因物理学家恩里科·费米而得名，据认为是他提出了“他们在哪里？”的疑问。地外文明在哪里？考虑到平庸原则，或者仅就我们对星系和宇宙的了解而言，都没有理由相信天体物理学家是我们这个星球独一无二的现象。据推测，在许多其他恒星—行星系统里有着与太阳系类似的条件，为什么其中不会有一些系统产生类似的结果呢？而且，考虑到恒星和星系形成的时间尺度，任何地外文明的技术发展状态都非常不可能与我们相似：更可能的是，要么比我们落后成百上千万年（也就是说根本没有技术），要么比我们先进成百上千万年。更先进的文明有充裕时间探索星系，或者至少是发射机器人空间探测器，或者发射信号。费米的问题在于，我们并没有发现任何这样的文明、探测器或信号。

人们对此提出了许多解释，但迄今还没有一个特别好的。受夏默的论点启发，对微调的人择解释似乎能干净利落地解决这个问题：我们宇宙中的物理常数只是勉强能够产生天体物理学家，那么这样的事只发生过一次也就不奇怪，因为它在同一个宇宙里独立地发生两次的概率低到接近于零。

不幸的是，这也是一个坏解释，因为侧重于基本常数是狭隘的做法：在（1）有着不同常数的“相同”物理规律与（2）有着不同的物理规律之间，并无实质区别。逻辑上可行的物理规律无穷无尽。如果这些规律都在真实宇宙中实现（麦克斯·泰格马克等宇宙学家就这么认为），那么统计上确定无疑，我们的宇宙正好处在能够产生天体物理学家的那一类宇宙的边缘。

根据费曼的一番论证（他将该论证用在一个与此略有不同的问题上），我们知道这是不可能的。考虑所有可能包含天体物理学家的那一类宇宙，思考大多数这类宇宙还包含什么。特别地，想象一个刚好能装下你的脑子的球体。如果你对解释微调有兴趣，你现在的大脑就算是为该目的而努力的一个“天体物理学家”。在所有包含天体物理学家的宇宙里，有许多都包含着这样一个球体，其内部结构与你的球体内部完全相同，包括你大脑的每个细节。但在绝大多数这些宇宙中，球体外部是混沌，接近随机状态，因为这种状态数量最多。典型的此类状态不仅是无定形的，而且非常炽热。因此，在大多数这样的宇宙中，接下来会发生的事就是，球体以外的混乱辐射会立即杀死你。在任何给定的时刻，我们将在一皮秒内被杀死的理论会被一皮秒后的观察所推翻，于是又出现了一个这样的理论。因此，它是一个很坏的解释——赌徒预感的极端版本。

对所有其他包含不止少数几个常数的微调的纯人择解释来说，情况也是如此：这样的解释预测，我们非常有可能处在一个天体物理学家只是勉强能够产生并且瞬间就会消亡的宇宙里。因此，它们也是坏解释。

另一方面，如果只存在一种形式的物理定律，不同的宇宙之间只有几个常数的取值不同，那么，不同形式的定律未能实现这个事实就是一种微调，人择解释对此并没有解释清楚。

认为所有逻辑上可能的物理规律都在不同宇宙中实现了，这种理论作为一个解释还有更严重的问题。正如我在第8章中将要说的那样，考虑这类无穷无尽的事物时，往往没有客观方法来“计数”或“测量”拥有某一种属性而不是另一种属性的宇宙到底有多少个。另一方面，在所有逻辑上可能的实体中，能够理解自身（就像我们所处的现实世界那样）的实体，在任何合理意义上都肯定是极少数。认为其中有这么一个世界“就那么出现了”，没有任何解释，无疑只是一种自然发生论。

此外，逻辑上可能的物理规律描述的“宇宙”，几乎全都与我们的宇宙大不相同，差异大到它们根本不适合参与这个讨论。例如，其中有无数个宇宙里面只有一头朝向各异的野牛，刚好存在42秒整。还有无数个宇宙里面有一头野牛和一个天体物理学家。但在一个没有恒星，没有科学仪器，也几乎没有证据的宇宙里，天体物理学家是什么？在只有坏解释才正确的宇宙里，科学家或任何其他思考者是什么？

逻辑上可能的、包含天体物理学家的宇宙，几乎全都由作为坏解释的物理规律支配着。我们是否应该推测自己的宇宙也是不可解释的？或者很有可能不可解释，但不知道有多大的可能性？这样，基于“所有可能的规律”的人择观点又一次作为坏解释被排除了。

出于这些原因，我得出结论认为，人择推理很可能成为对明显的微调及其他观察结果的部分解释，但永远不会成为对于我们为何观察到一些现象的完整解释，这些现象用另外的方式看上去太具有目的性了，以至于无法将其解释为偶然。这需要用具体自然法则表述的具体解释。

读者可能已经注意到，我在本章中讨论的所有坏解释，在根本上都是相互关联的。对人择推理期待太高，或太在意拉马克主义怎样运作，就会走向自然发生论。把自然发生看得太认真，就会走向神创论——依此类推。这是因为它们全都讨论同一个潜在问题，并且都很容易改变。它们可以轻易地互换，或与其变种互换，而且它们作为解释来说也“太容易了”：能同样地解释任何东西。但新达尔文主义得来不易，改变也不易。稍加改变，就会得到一个差得远的解释，就算是达尔文本人的错误观念也一样。你可以试着用它解释某种非达尔文的事物，例如在生物的父母体内没有前体的、全新的复杂适应性——你会完全想不出有什么变种能够具备这种特征。

人择解释试图用单独一次选择行动来说明有目的的结构（如经过微调的常数）。这与进化不同，并且不会有用。微调之谜的答案应当用一个解释来表述，后者能具体解释我们观察到的事物。就像惠勒所说的，它应该是“一种理念，如此简单，如此美丽……我们全都会互相说，哪里还会有其他可能呢？”换句话说，问题并不在于世界复杂到我们没有办法理解它为什么看起来是这样，而在于世界简单到我们还未能理解它。但这一点只有在事后才是显而易见的。

所有关于生物圈的坏解释，要么没能涉及适应性里的知识怎样创造出来这个问题，要么解释得很糟糕。也就是说，它们都低估了创造——而且具有讽刺性的是，对创造低估得最厉害的正是神创论。想一想：如果超自然创造者造出宇宙的那一刻，爱因斯坦、达尔文或其他任何伟大的科学家（看上去）刚刚完成了他们的主要发现，那么这一发现（以及此前所有的发现）的真正创造者并不是科学家，而是这个超自然人物。这样一个理论会否认唯一真正发生过的创造的存在，也就是在该科学家做出发现时确实发生过的那次创造。

而且它的确是创造。在做出一个发现之前，没有什么预测过程能够揭示该发现的内容是什么，或将带来什么。因为如果能够揭示的话，它就会成为发现本身了。科学发现是高度不可预测的，尽管它由物理规律决定。我将在下一章进一步讨论这个奇妙的事实。简单地说，这是由于解释存在着不同的“突现”层次。在这种情况下，科学（以及一般意义上的创造性思维）取得的成果是，无中生有的不可预测的解释。生物进化也是如此。没有其他过程能做到。

因此，神创论这个名字是误导的。它并不是一个解释知识如何通过创造产生的理论，而是相反：它否认存在知识创造，将知识的起源置于无解释的境地。神创论实际上是否认创造，其他错误解释也都是如此。

理解什么是生命以及生命是怎么来的，这个难题催生了一段奇怪的历史，其中充满错误观念、功亏一篑和反讽。这种反讽的最后一个是，新达尔文主义就像波普尔关于知识的理论那样，的的确确描述了创造；而与之竞争的理论，从神创论开始，都没有能做到这一点。

术语

进化论（达尔文的）——知识通过交替发生的变异和选择被创造出来。

复制因子——能导致自身复制的实体。

新达尔文主义——作为复制因子理论的达尔文主义，不包含“适者生存”等错误观念。

谜米——能成为复制因子的思想观念。

谜米集合体——由能够互相帮助复制的谜米构成的群体。

自然发生论——生物体从非生命的前体中产生。

拉马克主义——一个错误的进化理论，其基础理念是，生物适应性是生物体在一生中获得并遗传给后代的改进。

微调——如果物理常数或物理法则略有不同，就不会有生命。

人择解释——“只有在包含智能观察者的宇宙中，才有人想知道所讨论的现象为什么会发生”。

“无穷的开始”在本章的意义

——进化。

——在更普遍的意义上，指知识创造。

小结

生物适应性的进化与人类知识的创造有着深远的相似之处，但也存在重大差异。主要的相似之处是：基因和思想观念都是复制因子，知识和适应性都很难改变。主要差异是：人类知识可以是解释性的，并有着广阔的延伸范围；适应性不具备解释性，延伸范围很少超出它进化时所处的环境。对于生物进化的错误解释，可在对于人类知识增长的错误解释中找到对应。例如，拉马克主义对应归纳主义。威廉·佩利的设计论观点阐明了哪些东西有“设计表象”，哪些东西没有，从而说明了哪些东西不能仅用巧合来解释——也就是针对某一目的、加以改变的适应性。这种适应性的起源必须是知识的创造。生物进化并不会最大化物种、种群、个体乃至基因的利益，而只最大化基因在群体中传播的能力。不过，由于自然法则的通用性以及创造出来的知识的某些延伸，上述利益也可能实现。物理规律或常数的“微调”曾被用作设计论的现代形式。出于通常的原因，它诉诸超自然因素，因而不是好解释。但“人择”理论也是坏解释，此类理论将微调归因于对无穷多个不同宇宙的纯粹选择，它们是坏解释的一部分原因是，大多数逻辑上可能的物理规律本身就是坏解释。

[1] 巴斯德用两个相反的实验证明，生命不能自发从培养液中产生，而空气中的尘埃里存在微生物。他用真空泵提取空气尘埃，从中繁殖出大量微生物。另一方面，他用未密封的曲颈瓶装上加热煮沸的培养液（弯曲瓶颈防止空气尘埃进入培养液），放在不通风的环境中，经过很长时间也不会产生微生物。——译注

[2] 《旧约·创世记》记载，上帝降下大洪水毁灭世界，事先命令义人挪亚制造一艘巨型方舟，携带各种飞禽走兽。——译注

[3] 这个术语的含义与道金斯的稍有不同。他把任何得到复制的东西都称为复制因子，不管复制的原因是什么。我称为复制因子的东西，他称之为“积极复制因子”。——原注

[4] 寒武纪是距今约5.4亿年至4.9亿年前的一个地质年代，当时地球上的生物以海生无脊椎动物为主。哺乳动物要在近3亿年后的中生代才出现。——译注

[5] 这并不是我将在第11章中讨论的量子多重宇宙。那些宇宙全都遵从相同的物理规律，持续产生微小的相互作用。它们的推测成分也要少得多。——原注

第5章 抽象的现实

现代物理学基本理论在解释世界时，用的是一种相当违反直觉的方式。例如，大多数非物理学家认为，当你把手臂平伸时，就能感受到引力向下拉的力量，这是不言而喻的。但其实你感觉不到。令人惊奇的是，物理学最深奥的两个理论之一——爱因斯坦的广义相对论否认存在引力的力量。该理论认为，上述情况下唯一作用在你手臂上的力量，是你自己在努力往上抬，使它不断加速远离时空弯曲区域里最直的可能路径。我们另一个最深奥的理论——量子理论描述的现实更加违反直觉，我将在第11章中讨论该理论。为了理解这样的解释，物理学家必须学会用新方式思考日常事件。

这里的指导原则是，要一如既往地拒绝坏解释、偏爱好解释。对于什么是真实的、什么不是真实的，由该原则可推导出这样一种要求：如果我们在相关领域里的最好解释涉及某个实体，我们就必须认为该实体确实存在。而且，就像引力的力量那样，如果我们的最好解释否认它存在，那就不应该再认为它存在。

此外，用基础物理学来表述的话，日常活动复杂得惊人。如果你把一个电水壶装满水、打开开关，地球上所有的超级计算机加在一起，花上宇宙的年龄那么长的时间，也解不出预测壶里所有水分子行为的方程组——就算我们能够决定所有水分子的初始状态以及外界对它们的所有影响，情况也是如此，而后者本身就是一项棘手的任务。

幸运的是，有些复杂事务可以自己归结为更高层次的简单事务。例如，我们能在一定程度上精确预测壶里的水要多长时间会沸腾。要做到这一点，我们只需要知道几个很容易测量的物理量，比如水的质量、水壶发热元件的功率等。要达到更高的预测精度，我们可能还需要一些精细属性的信息，比如气泡成核位置的数量和类型。但这仍然是相对“高层次”的现象，由大量相互作用着的原子层次的现象组成。因此，有一类高层次现象（包括水的流动性、容器、发热元件、沸腾与气泡之间的关系）可以仅通过彼此来很好地解释，无需直接涉及原子层次或更低层次的任何事物。换句话说，所有的高层次现象都是准自备的，接近于完备。在更高的、准自备的层次上变得可解释，称为突现。

“突现”的现象是极少数。我们可以预测水烧到什么时候会沸腾，也知道沸腾的时候会形成气泡，但如果你要预测每个气泡的行为（或确切地说，每个气泡各种可能的运动的概率——见第11章），那就不走运了。更加不可行的，是预测水的无数微观属性，比如一段时间里受加热影响的电子数量是奇数还是偶数。

幸运的是，对于大多数这类属性，我们都没有兴趣去解释或预测，尽管事实上它们占绝对多数。其中原因是，它们完全不涉及我们对水感兴趣的方面，例如弄清楚水由什么组成，或者用水泡茶。为了泡茶，我们希望水是沸腾的，而不在乎沸腾的气泡是什么样。我们希望水量处于特定的最小值与最大值之间，而不在乎其中到底有多少个分子。我们可以针对这些目标取得进步，因为能用这些准自备的突现属性来描述它们，而我们对这些属性有很好的高层次解释。要理解水在宇宙万物中的作用，也不需要了解它的绝大多数微观细节，因为几乎所有这类细节都是狭隘的。

高层次物理量的行为，仅由其低层次成分的行为组成，后者的大部分细节被忽略。这曾导致一种广为传播的、关于突现和解释的错误观念，称为还原论。该信条认为，科学总是以还原的方式解释和预测事物，也就是说，将事物分解成组件来分析。科学的确经常这样做，比如我们利用原子间作用力遵守能量守恒定律这一事实来预测并解释，水壶如果不接电就没有办法把水烧开。但还原论要求不同层次的解释之间的关系总是这样，事实往往并不是这样。例如，我在《真实世界的脉络》中写道：

考虑伦敦议会广场上竖立的温斯顿·丘吉尔爵士塑像鼻尖上一个特定的铜原子。让我试着解释一下为什么这个铜原子会在这里。这是因为丘吉尔曾在附近的下议院担任首相，因为他的思想和领导为盟军在第二次世界大战中的胜利做出了贡献，因为给这样的人立像以示敬意是一种习俗；因为制作此类塑像的传统材料青铜里面含有铜，等等。这样，我们就通过有关思想、领导、战争和传统之类突现现象的极高层次理论，解释了一个极低层次的物理观察——特定地点一个特定铜原子的存在。

关于那个铜原子为什么在那里，除了我上面给出的解释，不应该存在其他的低层次解释，就算只是在原则上存在。按理说，一个还原式的“万用理论”原则上能够对这样一座塑像存在的可能性做出低层次预测，只要给定条件，比方说此前某个时候太阳系的状态。原则上它还能描述这座塑像可能会通过怎样的方式运到那里。但这样的描述和预测（当然极其之不可行）什么也不能解释。它们将只能描述每个铜原子的运动轨迹，包括离开铜矿、经过冶炼炉和雕塑家的工作室等。事实上，这样一个预测需要参考地球上所有原子的情况，这些原子参与种种事件，其中包括我们称之为第二次世界大战的复杂运动。但就算你有超人的脑力，能够跟上对这个铜原子所在地点的漫长预测，也还是不能说“对啦，现在我明白为什么它们在那里了”。你必须探究其中的原因，研究原子为什么会那样配置，为什么会有那样的运动轨迹使一个铜原子在这个位置沉积下来。进行这样的探究是一项创造性的工作，因为发现新解释始终是创造性的工作。你必须发现特定的原子配置方式会导致领导和战争之类的突现现象，这些现象通过高层次的解释理论彼此关联。只有了解这些理论之后，你才能理解为什么那个铜原子会在那里。

即使在物理学中，某些最基本的解释及其预测也不是还原论的。例如，热力学第二定律说，高层次的物理过程趋向于更大程度的无序。一个炒蛋永远不会通过搅拌变成没炒过的样子，也永远不会从平底锅中汲取能量推动自己朝上进入蛋壳，蛋壳也永远不会变回完整密封的样子。不过，如果你把炒蛋的过程拍成录像，清晰度高到能看清单个分子，然后倒着播放，在分子尺度上仔细检查任何一段，都只会看到分子严格遵循低层次物理规律运动和碰撞着。人们还不知道怎样从对单个原子的简单描述中推导出热力学第二定律，也不知道能不能推导出来。

没理由能够推导出来。还原论往往有一种道德寓意（科学在本质上应该是还原论的），这与我在第1章和第3章中批评过的工具主义和平庸原则都有关系。工具主义颇像还原论，只除了一点：它不仅仅是拒绝所有高层次解释，而是拒绝所有解释。平庸原则是一种温和形式的还原论，只拒绝与人有关的高层次解释。谈到有道德寓意的坏哲学信条这个话题，请容我添上整体论，它是还原论的某种反面翻版，认为唯一有效的解释（或至少是唯一重要的解释）在某种程度上都是整体而言的。整体论者通常像还原论者一样错误地认为科学只能（或者只应该）是还原论的，因此反对大部分科学。所有这些信条不合理的原因都是相同的：它们没有把理论是不是好解释作为支持或拒绝理论的理由。

如果一个高层次解释在逻辑上的确遵循低层次解释，就意味着高层次解释蕴涵了低层次解释的某些内容。这样，更多的高层次理论（前提是它们互相一致）会给低层次理论可能的内容加上越来越多的限制。因此，情况有可能是这样的：所有存在的高层次解释加在一起，就蕴涵了所有的低层次解释，反之亦然。或者可能是一些低层次解释、一些中间层次解释和一些高层次解释，加在一起就蕴涵了所有的解释。我猜应该是这样的。

因此，最终解决微调问题的一个可能途径是，某些高层次解释本身就是准确的自然法则。这种情形造成的微观结果，可能看上去是经过微调的。此类高层次解释的候选者之一是计算的通用性原则，我将在下一章讨论。另一个是可检验原则，理由是：在一个物理规律不允许检验者存在的世界里，规律也将禁止自身被检验。然而，这类原则当前的形式如果被视作物理规律，就是人类中心主义的，并且是武断的，因此会是坏解释。但也许有着更深入的版本，它们确实是好解释，与热力学第二定律之类的微观物理学很好地契合，现有原则只是对这些版本的近似。

任何情况下，突现现象对世界的可解释性都至关重要。人类在拥有解释性知识之前很久，就能够运用经验法则控制自然。经验法则有解释，这些解释与火和石头之类的突现现象中的高层次规律有关。在这之前很久，只有基因编码着经验法则，其中的知识也与突现现象有关。因此，突现是另一种无穷的开始：所有的知识创造都依赖于突现现象，并且实质上包含突现现象。

突现导致人们能够通过连续步骤逐渐取得发现，从而为科学方法提供了空间。在一连串不断改进的理论中，每个理论取得的部分成功，对应于现象中存在着每个理论能成功解释的一“层”——不过，这被证明存在部分误解。

连续的科学解释偶尔会用不一样的方式解释它们的预测，即使是在各个预测本身相同或相似的领域里。例如，爱因斯坦对行星运动的解释不只是纠正了牛顿的解释，它是完全不同的，否认了许多东西，包括否认牛顿解释的一些核心元素的存在，例如引力的力量和均匀流动的时间，牛顿正是根据这些概念来定义运动的。类似地，天文学家约翰内斯·开普勒的理论认为行星沿椭圆轨道运动，这不只是纠正了天球理论，而是否认了天球的存在。牛顿也没有用新的形状来替代开普勒的椭圆，而是用一套全新方式的定律来描述运动——利用瞬时速度和加速度之类无穷小定义的量。于是，关于行星运动的这些理论，每一个都忽略或否认了前一个理论用来解释事物的基本方法。

这一点曾被用来论述工具主义，如下所述。每个连续的理论都对前一个理论的预测做出了微小但精确的更正，因此在这个意义上是更好的理论。但是，由于每个理论的解释都舍弃了前一个理论的解释，那么前一个理论从一开始就不正确，因而不能认为这些连续的解释构成了有关现实的知识增长。从开普勒到牛顿，再到爱因斯坦，情况依次是：不需要力来解释行星轨道；一个遵循平方反比定律的力是形成每个轨道的原因；再一次不需要力来解释轨道。那么，牛顿的“引力的力量”（与他预测其影响的公式不同）怎么能成为人类知识的一项进展呢？

它能，并且确实是。其中原因在于，舍弃一个理论做出解释时所用的实体，并不等于舍弃整个解释。虽然引力的力量不存在，但确实存在某种真实事物（时空弯曲），它源自太阳，产生的作用大致遵从牛顿的平方反比定律，影响着天体的运动，包括看得见的天体和看不见的天体。牛顿理论还正确地解释了引力定律对地面物体和天体是相同的；对质量（物体抵抗加速作用的量度）和重量（阻止物体受地球引力作用下落所需要的力）作了新颖的区分；提出一个物体的引力效应取决于质量，而与密度或成分等属性无关。后来，爱因斯坦的理论不仅支持所有这些内容，还反过来解释了为什么。牛顿的理论也曾经能做出比此前的理论更精确的预测，因为它在描述事实真相方面比它们更正确。在此之前，甚至开普勒的解释也包含了正确解释的一些重要元素：行星轨道的确由自然法则决定；这些法则的确对所有行星都相同，包括地球在内；行星轨道的确与太阳有关；它们在数学和几何上都很相似；等等。根据每个连续理论提供的后见之明，我们不仅可以看到前一个理论在哪里做出了错误预测，也能看到它因为描述了现实的部分真相而做出的各种正确预测。所以，它所包含的真理在新理论中继续存在，正如爱因斯坦所说，“对任何物理理论来说，指明通往一种更复杂理论的道路，自己作为后者的一种极限情况继续存在，再没有比这更公平的命运了。”

正如我在第1章所解释的，认为理论的解释功能至高无上，并不是一种无意义的偏好。科学预测的功能完全依赖于它。而且，要在任何领域取得进步，需要经过创造性修改以猜想下一理论的，都是现有理论中的解释，而不是预测。而且，一个领域里的解释影响着我们对其他领域的理解。例如，如果有人认为魔术源于魔术师的超自然能力，这将影响他们对宇宙学（例如宇宙的起源，或者微调问题）和心理学（例如人的头脑怎样运作）理论等的判断。

顺便说一下，认为有关行星运动的各个连续理论做出的预测的确非常相似，可以说是一个错误观念。牛顿的预测用在桥梁建造方面确实很出色，运行全球定位系统（GPS）时也只是略微不准确，但在解释脉冲星、类星体或整个宇宙时就错得无可救药。要对这些全都做出正确的预测，就需要爱因斯坦那截然不同的解释。

连续的科学理论有如此大的不连续性，这在生物界并没有可比拟的事物：在一个进化着的物种里，每一代的优势品种仅仅与上一代的优势品种略有不同。然而，科学发现也是一个渐进的过程，只不过在科学上，所有的渐进，以及几乎所有对坏解释的批评和摒弃，都是在科学家的头脑里发生的。就像波普尔说的，“我们可以让我们的理论替我们而死。”

这种无须赌上性命就能批评理论的能力，还有另一个更重要的优势。在一个进化着的物种里，每一代生物的适应性都必须有足够的功能以保持生物存活，并在将自身传播到下一代的过程中通过它们遇到的所有考验。相反，指引科学家找到好解释的中间解释完全不需要站得住脚，对一般的创造性思维也是如此。这是解释性思想能够摆脱狭隘而生物进化和经验法则做不到这一点的根本原因。

这就是本章的主要议题：抽象。在第4章中我说过，知识的片段是抽象的复制因子，“使用”（因而影响）生物体和大脑，使自身得到复制。这是一个比我前面讲的突现层次更高层次的解释。它声称，某些抽象事物（即某些非物理的事物，如某个基因或理论里的知识）影响着某些物理事物。在现实中，这种情形里唯一发生的事情是，一组突现的实体（如基因或计算机）影响着其他实体，这已经是还原论所讨厌的。但抽象对更完整的解释至关重要。你明白，如果你的计算机下象棋击败了你，击败你的实际上是程序，而不是硅原子或者计算机之类。抽象的程序在物理上被实体化，体现为大批原子的高层次行为，但对计算机为何击败你的解释不可能避开程序本身。这个程序还在一条不同物理载体的长链上分毫不走样地被实体化，包括程序员脑中的神经元，你通过无线网下载程序时所用的无线电波，最终还有你计算机里的长期和短期存储器件的状态。这个实体化链条的细节，可能对解释程序怎样到达你这里有意义，但对解释它为何击败你没有意义。对于后一点，知识的内容（程序里的知识和你脑子里的知识）就是全部。这是一个解释，它不可避免地要提到抽象，因而这些抽象事物确实存在，并且确实按解释所要求的方式影响着物理对象。

这类解释对理解特定现象至关重要，计算机科学家道格拉斯·霍夫施塔特对此有一番很好的论述。他在其著作《我是一个奇异的循环》（2007）中，设想了一台由数以百万计的多米诺骨牌搭建的特殊计算机。就像多米诺骨牌通常用来玩的方式那样，这些牌竖立着，彼此靠近，只要一张牌倒下，就会撞到旁边的牌，导致整列牌都一块接一块倒下。但霍夫施塔特的多米诺骨牌是弹簧式的，被击倒后经过一段固定的时间，会重新站起来。这样，一块多米诺骨牌倒下时，就有一个由倒塌的牌组成的波或“信号”沿着倒下的方向在骨牌队列中传播，直到尽头或遇到一块已经倒下的牌。把这些多米诺骨牌组成一个带环路、分叉和会合的骨牌队列的网络，就可以让这些信号组合和相互作用，形成一个足够丰富的路线指令集，能让整个构造变成一台计算机：沿着骨牌队列传递的信号可以解读成二进制的“1”，没有信号是二进制的“0”，这些信号的相互作用能实现一套指令集，诸如“与”、“或”和“非”，用它们可进行任意计算。

其中一块多米诺骨牌被指定为“启动开关”，它被击倒时，多米诺骨牌计算机开始执行由其环路和骨牌队列实体化的程序。霍夫施塔特的思想实验中的程序用于计算一个给定的数是不是素数。在特定位置摆上一个骨牌队列，其中牌的数量与给定的数完全相等，就可以把这个数输入进去，然后触发“启动开关”。在网络里的其他地方，一块特定的骨牌会输出计算结果：只有在发现除数时它才倒下，显示输入的数不是素数。

霍夫施塔特设定输入值为641，这是一个素数，然后触发“启动开关”。频繁的运动在网络里回荡。所有641块输入骨牌在计算“读取”输入值时倒下，然后重新站起来，参与更多错综复杂的运动模式。整个过程很漫长，因为这是一种效率相当低下的计算方式——不过管用。

这时，霍夫施塔特设想有一个观察者在看着这些多米诺骨牌的表演，观察者不知道这个多米诺骨牌网络的功能，他注意到有一块特定的骨牌一直站立不倒，完全不受旁边经过的波浪起伏影响。

观察者指着［这块多米诺骨牌］好奇地问，“这块多米诺骨牌为什么从来都不倒？”

我们知道这块多米诺骨牌是用于输出的，但观察者不知道。霍夫施塔特继续想象：

让我来对比一下两种不同类型的可能答案。第一种答案——目光短浅到愚蠢的地步——是“因为它前面的那块从来不倒，你这笨蛋！”

或者，如果它有两块或更多相邻的牌，答案就是“因为它相邻的牌从来都不倒。”

可以肯定，到目前为止这个答案还是正确的，但没有多大用处。它只是把责任推卸给另一块多米诺骨牌。

事实上，人们可以把责任不断从一块多米诺骨牌推给另一块多米诺骨牌，提供更加详细的“愚蠢，但目前还算正确”的答案。最终，把责任推卸了数以十亿次（次数比多米诺骨牌的总数多得多，因为程序会“循环”），就会遇到第一块多米诺骨牌——“启动开关”。

此时，还原论（还原到高层次的物理学）的解释总结起来将是，“这块多米诺骨牌之所以不倒下，是因为触发‘启动开关’导致的所有运动模式都不包含它”。但我们已经知道这一点了。我们根本不需要经历这个费劲的过程，就能跟刚才一样得出这个结论。而且它的正确性无可否认。但这不是我们想要的解释，因为它谈的是另一个问题——一个预测性的而非解释性的问题——也就是，如果第一块多米诺骨牌倒下，输出结果的那块骨牌会不会倒？而且这个问题是在错误的突现层次上发问。我们问的是：为什么它不倒？为了回答这个问题，霍夫施塔特随即采用了一种不同的解释模式，在恰当的突现层次上进行解释：

第二类答案是，“因为641是素数。”现在这个答案不仅同样正确（实际上它比第一个答案要中肯得多），而且有趣的是，它根本不必提到任何实物。不仅是关注重点向上移到了集体属性……这些属性还在某种程度上超越了有形实物，与纯抽象事物打交道，诸如数的素性。

霍夫施塔特总结说：“这个例子的要点在于，对于为什么某些多米诺骨牌倒下而另一些不倒，641的素性是最好的解释，甚至可能是唯一的解释。”

只是略微纠正一下：基于物理学的解释也是正确的，多米诺骨牌的物理现象，对于解释为什么素数与骨牌的特定状态有关，也是至关重要的。但霍夫施塔特的论述确实表明，对骨牌倒下或不倒的任何完整解释都必须包含素性。因此，在抽象上这是对还原论的驳斥。因为素数理论并不是物理学的一部分。它针对的不是物理对象，而是有着无限集的抽象实体——例如数。

不幸的是，霍夫施塔特接下来否认自己的论点而去接受了还原论。这是为什么呢？

他这本书主要谈的是一种特殊的突现现象——心灵，或者说是他所说的“我”。他提出疑问，考虑到物理规律无所不包的特性，是否可以始终认为心灵影响着身体——使身体做一件事而不是另外一件事。这被称为心身问题。例如，我们经常用选择某个行动而不是另一个行动的方式来解释自己的行动，但我们的身体，包括大脑在内，完全受物理规律约束，并没有留下什么物理变量可以承载一个“我”去产生影响以进行这样的选择。霍夫施塔特追随哲学家丹尼尔·丹尼特的脚步，最终得出结论认为“我”是一个幻象。他总结说，心灵不能“推动身体”，因为“单靠物理规律足以决定（身体的）行为”。

这就是他的还原论。

但是，第一，物理规律也不能推动任何东西。它们只能解释和预测，而且并不是我们仅有的解释。“因为641是个素数（而且多米诺骨牌网络实现了一个素性检验算法）”，所以那块多米诺骨牌不倒，这个理论是一个极好的解释。它有什么不对？它并不违反物理规律。它解释的东西，比任何纯粹用物理规律进行的解释都多。据我们所知，它没有哪个变种能取得同样的效果。

第二，这样一种还原论的论述最终也会否认一个原子能“推动”（在“使其运动”的意义上）另一个原子，因为宇宙的初始状态加上运动规律，已经决定了宇宙在任何其他时间的状态。

第三，原因这个概念本身是突现而且抽象的。基本粒子的运动规律并不涉及原因，而且正如哲学家大卫·休谟所说的，我们不能察知因果关系，只能察知一系列事件。而且，运动规律是“保守”的，也就是说，它们不会丢失信息。这意味着，正如运动定律能在得知运动初始状态的情况下决定最终状态，也能在得知最终状态的情况下决定初始状态。因此，在这个层次的解释中，因果可以互换——而且不是我们谈到一个程序是一台计算机下象棋获胜的原因、一块多米诺骨牌不倒下是因为641是个素数时所说的那个意思。

对同一现象有着不同突现层次上的多个解释，其中并无矛盾。认为微观物理学的解释比突现的解释更加基本，是武断而且错误的。我们无法摆脱霍夫施塔特的641论证，也没有理由要摆脱它。世界可能是我们想要的样子，也可能不是，因为这个而拒绝好解释，等于把自己限制在狭隘的错误中。

因此，“因为641是个素数”这个答案确实解释了那块多米诺骨牌为何始终不倒。该答案依赖的素数理论并不是物理规律，也不是物理规律的近似。它涉及抽象概念以及抽象概念的无限集（例如“自然数”集合1、2、3……其中省略号代表连续和无穷）。我们能了解所有自然数的集合之类的无穷大事物，其中没有什么神秘的地方。这只不过是个延伸范围的问题。将自己局限于“小自然数”的各种数论，必定充满了武断的限定条件、变通方案和未解决的问题，以至于它们是非常坏的解释，除非归纳为没有此类特别限制也能说得通的情形：无穷的情形。我将在第8章讨论各种各样的无穷。

在用突现物理量的理论去解释水壶里水的行为时，我们使用了抽象概念——一个忽略了大部分细节的“理想化”水壶模型，作为对真实物理系统的近似。但在用计算机来研究素数时，所做的是相反的事：我们用实物计算机作为对抽象计算机的近似，后者完美模拟素数。它与任何真实的计算机不同，永远不会出错，不需要维护，而且有着无限的存储能力，有无限的时间用来运行程序。

我们自己的头脑就像是计算机，能用来了解超越现实世界范围的事物，包括纯数学的抽象概念。这种理解抽象概念的能力，是人类的一种突现属性，曾让古雅典哲学家柏拉图极为困惑。他注意到，几何定理（如毕达哥拉斯定理）针对的是人类从未经验过的实体：没有粗细的完美直线，在完美平面上相交，形成完美的三角形。任何观察都不可能看到这样的东西。但人们了解它们——而且不只是肤浅地了解：在那时候，这类知识是人类所了解的最深奥的知识。它从何而来？柏拉图得出结论认为，这些知识——以及所有的人类知识——必定来自超自然。

这些知识不能通过观察获取，在这一点上他是正确的。但就算人类当时能观察到完美三角形（可以说现在能观察到，通过虚拟现实观察），也得不到这些知识。正如我在第1章中解释的，经验主义有许多致命缺点。但是，我们关于抽象概念的知识是从哪里来的，这一点并不神秘：与我们所有的知识一样，它来自猜想、批评和对好解释的追求。只有经验主义才会使科学以外的知识看起来无法获取，只有“确证的真实信念”这种错误观念才会使这类知识看起来不如科学理论“确证”。

正如我在第1章中所解释的，就算是在科学中，被摒弃的理论也几乎全是因为它们是坏解释而被摒弃，完全没有经过检验。实验检验只是科学所用的诸多批评手段之一，启蒙运动在将其他批评手段引入非科学领域方面也取得了进步。这样的进步之所以能实现，根本原因在于哲学问题的好解释跟科学上的好解释一样难以发现，而且批评对哲学跟对科学一样有效。

此外，经验在哲学中确实有一定作用——只不过不是它在科学的实验检验中所起的作用。它的首要作用是提出哲学问题。如果我们获取关于现实世界的知识并无困难，就不会有科学哲学。如果一开始没有怎样管理社会的问题，就不会有政治哲学之类的东西。（为避免误解，容我强调一下：经验只会通过使已存在的观念发生冲突来提出问题。它当然不会提出理论。）

在道德哲学方面，经验主义者和证明主义者的错误观念通常用这么一句格言来表达：“不能从事物是怎样推导出应该怎样做”（启蒙运动哲学家大卫·休谟的话）。这意味着，不能从事实知识推导出道德理论。这个观点成了一种传统智慧，结果导致人们对道德产生了一种教条主义的绝望：“不能从事物是怎样推导出应该怎样做，所以道德不可能因任何理由得到确证。”这只给我们留下两个选择：要么接受非理性，要么不作道德评价地活着。两者都容易使人做出道德上的错误选择，正如接受非理性或永不尝试解释现实世界会带来关于事实的错误理论（不仅仅是无知）。

你当然不能从事物是怎样推导出应该怎样做，但同样不能从事物是怎样推导出事实理论。科学不是这样做的。知识增长不是由追求确证信念的方法组成，而由寻求好解释组成。而且，尽管事实证明与道德格言在逻辑上彼此独立，事实和道德解释却不是彼此独立的。因此，事实知识可用于批评道德解释。

例如，在19世纪，如果一个美国奴隶写了一本畅销书，这件事不会在逻辑上否定“天意让黑人为奴隶”的主张。没有什么经验能否定这种主张，因为它是一个哲学理论，但这件事可能摧毁许多人赖以理解这一主张的解释。而且，如果这些人因此而无法找到让自己满意的解释，去弄懂为什么天意要让这位畅销书作者被迫做回奴隶，他们可能会质疑自己以前认同的说法：黑人到底是什么，人是什么，以及好人、好社会是什么，等等。

相反，鼓吹极其不道德教的教义的人，几乎全都相信与这些教义相关的事实性谎言。例如，2001年9月11日美国遭受袭击之后，全世界数以百万计的人相信这是美国政府或以色列特工部门干的。这是纯粹的事实误解，却带着道德错误的清楚印记，就像由纯无机材料组成的化石带着古代生物的印记一样。两者之间的联系在于解释。要捏造一个道德解释来说明为什么西方人应该被任意杀戮，就必须从事实上解释西方不是它假装的那样——而这就需要不加批判地接受阴谋论，否认历史，等等。

为了按照一套既定的价值观去理解道德，就需要也按特定的方式去理解某些事实，这种情况相当普遍。反过来也是如此：例如，就像哲学家雅各·布洛诺夫斯基指出的，成功做出真实的科学发现，需要遵循取得进步所需的所有价值观。科学家个人必须尊重真相和好解释，对思想观念和变化持开放态度。科学共同体（某种程度上是整个文明）必须重视宽容、诚实和争论的开放性等。

我们不应该对这些关联感到惊讶。真理在逻辑上一致，并且在结构上统一，我觉得不会有哪个真实解释会与其他真实解释全无关联。由于宇宙是可解释的，道德上正确的价值观应当以这种方式与真实的事实理论存在某种关联，道德上错误的价值观与虚假的理论之间也是如此。

道德哲学主要讨论接下来该怎么做的问题，更普遍地说是要过什么样的生活、想要什么样的世界。有些哲学家将“道德”一词限定于人应当怎样对待他人的问题。但这类问题与个人选择过什么样的生活之类的问题是相关的，这也是为什么我采用了内容更宽泛的定义。抛开术语不谈，如果你突然成为地球上最后一个人，你会思考自己想要什么样的生活。决定“什么让我最高兴我就做什么”不会给你什么提示，因为什么让你高兴取决于你对好生活是什么样子的道德判断，而不是反过来。

这也显示，还原论在哲学上没有价值。因为，如果我让你就生活目标给我提点建议，让我去做物理规律允许的事是没有意义的。不管怎样，我做的事都会是物理规律允许的。让我去做自己喜欢的事也没有意义，因为在决定了我想过什么样的生活、想要什么样的世界之前，我不会知道自己喜欢什么。由于我们的偏好至少在部分程度上是由我们的道德解释这么塑造出来的，完全用满足人们偏好的能力来定义对错就毫无意义。这种做法，是一种称为功利主义的颇有影响的道德哲学的具体表现，该哲学思想所扮演的角色与经验主义在科学哲学中扮演的角色相同：充当了反抗传统教条的自由源头，但本身的实在内容几乎不包含真理。

因此，接下来怎么做的问题是无法回避的。而且，在我们对这些问题的最好解释里，对与错有着明显的区别，因此我们必须认为这些区别真实存在。换句话说，对与错有客观差异，它们是客体与行为的真实属性。我将在第14章中谈到，在美学领域也是如此：存在着客观的美。

美、对与错、素性、无限集——它们都是客观存在的，但不是有形地存在。这是什么意思？它们当然都可以影响你——像霍夫施塔特的例子所显示的——但显然与物理对象影响你的方式不同。你不会在街上被其中任何一个绊倒。但是，两者的区别不像我们带着经验主义偏见的常识所认为的那么大。首先，被一个物理对象影响，意味着该物理对象的某些东西造成了改变，方式是通过物理规律（或者同样可以说，物理规律借助该对象造成了改变）。但因果关系与物理规律本身并不是物理对象。它们是抽象概念，我们对它们的知识，来源于我们最好的解释使用这些概念的事实，对其他所有抽象概念也是如此。进步取决于解释，因此，仅仅把世界想象成一连串事件、带着不明原因的规律性，意味着放弃进步。

抽象概念确实存在，这种说法并没有告诉我们它们以什么方式存在——例如，其中哪些是其他概念纯粹的突现方面，哪些与其他概念无关。如果物理规律不同，道德规律还会一样吗？如果它们是那些最好通过盲目服从权威来获取的知识，那科学家为了取得进步就必须回避我们认为是科学探索价值观的那些东西。我觉得道德要比这更自备，因此说这样的物理规律不道德是讲得通的，而且（如我在第4章中所说的）想象比现实物理规律更道德的物理规律也是有意义的。

思想观念延伸到抽象概念的世界，是观念所包含的知识的一个属性，而不是碰巧想到这个观念的头脑的属性。一个理论可能有无穷大的延伸范围，就算提出理论的人并没有意识到这一点。但是，人也是一个抽象概念。有那么一种无穷大的延伸范围，它是人所独有的：理解解释的能力的延伸范围。这种能力本身就是更广泛的通用性现象的一个例证——我将在下一章讲到这种现象。

术语

突现的层次——现象的集合，可以很好地互相解释，无需分析其成分实体，如原子。

自然数——整数1、2、3等。

还原论——一种误解，认为科学必须或者应该始终通过分析其组成部分来解释事物（因此较高层次的解释不可能是基本解释）。

整体论——一种误解，认为所有重要的解释都是从整体角度来谈组成部分，而不是反过来。

道德哲学——讨论想要过什么样生活的问题。

“无穷的开始”在本章的意义

——突现现象的存在，以及它们能编码其他突现现象的知识这一事实。

——存在着接近真正解释的不同层次。

——理解解释的能力。

——解释能力，能通过“让我们的理论替我们而死”来摆脱狭隘主义。

小结

还原论和整体论都是错误的。在现实中，各种解释不会组成以最低层次为最基本解释的等级体系。相反，任何层次的突现解释都可能是基本的。抽象的实体是真实的，并且在产生物理现象的过程中发挥作用。因果关系本身就是这样一个抽象概念。

第6章 向通用性跳转

最早的书写系统使用风格化的图片——“象形文字”——来代表词或概念。于是像的符号代表“太阳”，代表“树”。但是没有哪个书写系统能让其口语里的每一个词都有一个对应的象形文字。为什么呢？

从一开始，人们就不打算这么做。书写有专门用途，如记录库存和纳税情况。后来，新用途需要更大的词汇量，但在此之前，文士们应当已经日益发现，在他们的书写系统里增加新的规则比增加新的象形文字更容易。例如，在某些系统中，如果一个词听起来像是两个或以上的其他词连着念，它就可以用这些词的象形文字来表现。如果英语用象形文字书写，我们就可以把“叛国罪”[1]一词写成。这样并不能精确表现该词的发音（对于这一点，它实际的拼写方式其实也没有做到），但很相似，足以让任何讲这种语言并且懂得规则的人理解。

有了这个创新，人们就没那么多动力去创造新的象形文字了——比如说用来表示“叛国罪”。造这种字总是很烦人，倒不是因为设计令人难忘的象形文字很困难（虽然确实很困难），而是因为在使用这个字之前，你得把它的意思告诉所有的预期读者。这是很难做到的：如果很容易，那么从一开始就远不需要写那么多字。如果用前述规则来代替创造新字，效率会更高：任何文士都能写出，就算从没见过这个词的读者也能明白它的意思。

然而，该规则并不适用于所有的情况：它不能表现单音节的新词，还有许多其他词语。与现代书写系统相比，它看上去相当笨拙而且不够好。但是，它已经包含了某种重要的、任何纯象形文字系统都做不到的东西，那就是向书写系统里引入从未有人明确添加的词。这意味着它有延伸，而延伸总有解释。正如科学上一个简单的公式可能是大量事实的概括，一个容易记忆的简单规则也可能将许多新词引入书写系统，不过前提是它反映了某种潜在规律。这个例子里的规律是，在任何一种语言里，所有的词都由仅仅几十种“基本音”构成，在人类能够发出的范围很广的发音中，每种语言都选了一套不同的基本音。为什么？后面我会讨论这个问题。

一个书写系统的规则得到改进后，它可能跨过一个重要的门槛：对这种语言通用——即能够表现该语言的每一个词。例如，考虑我刚才讲的这条规则的如下变种：人们不用其他的词来造词，而是用其他词的首音来造词。例如，如果英语用象形文字书写，新规则将使“叛国罪”（treason）一词用“帐篷”（Tent）、“石头”（Rock）、“鹰”（Eagle）、“斑马”（Zebra）、“鼻子”（Nose）的象形文字来拼写。规则的这个微小改变，使这一书写系统变得通用。据认为最早的字母表就是从这样的规则中演变出来的。

通过规则实现的通用性，与完整列表（例如假想中完整的象形文字图表）有着不同的特性。区别之一在于，规则可以比列表简单得多。单个符号也可能更简单，因为数量更少。但区别不止于此。由于规则利用语言里的规律来运作，它其中就蕴涵了这些规律，因此包含的知识比列表更多。例如，字母表包含着词语怎样发音的知识，外国人可以用它来学习说这种语言，而象形文字至多只能用来学着写。规则还可以在不给书写系统增加复杂度的情况下容纳前缀和后缀之类的变形，从而使书面文本能够编码更多的句子语法。而且，基于字母表的书写系统覆盖的不止是其语言里的所有词语，而是所有可能的词语，尚未造出来的词语已经在其中有了一席之地。这样就不会出现每个新词都会暂时打破书写系统的情况，系统本身就能用来以简易、分散的方式造新词。

或者说，至少有过这样的可能。设想一下，如果造出第一个字母表的那位不知名文士知道他做出了有史以来最伟大的发现之一，该是多么美好。但他未必知道。就算知道，他也显然没能把自己的热情传递给很多人。因为事实结果是，古代人几乎没有运用过我刚才讲的这种通用性的威力，就算现成可用的时候也是这样。虽然许多社会都发明了象形文字书写系统，而且有时确实按我刚才所说的方式从中演化出了通用字母表，但从来没有迈出“显而易见”的下一步——即普遍采用字母表并放弃象形文字。字母表局限于特殊用途，如书写生僻词语或译写外国名称。一些历史学家相信，在人类历史上，基于字母表的书写系统，这样的概念只出现过一次——由腓尼基人的某些不知名前辈提出，而后腓尼基人将它在地中海一带传播开来，因此，所有基于字母表的书写系统，都要么源自腓尼基文字，要么受到了它的启发。然而，连腓尼基文字里也没有元音字母，削弱了我刚才提过的一些优势。希腊人加上了元音字母。

有时人们会说，文士们刻意限制字母表的使用，因为他们担心一种太容易学习的系统会威胁他们的生计。但这或许是一种过于现代的牵强解读。我怀疑，不管是通用性的机遇还是陷阱，都从来没有人想到过，直到历史上很久以后。古代发明家们只在意他们面临的特定问题——书写特定的词语，为了解决这类问题，其中一位发明了一个碰巧具有通用性的规则。这样的态度看起来狭隘得难以置信，但那时候事情就是狭隘的。

而且，在早期历史的许多领域里，这种情况的确都反复出现：通用性实现的时候，它并不是首要目标，如果算是一个目标的话。系统为了适应某个狭隘目标而作的一个微小改变，刚好也使系统变得通用。这就是向通用性跳转。

就像书写一样，数字也可以追溯到文明初期。现在的数学家将数与数字区分开来，前者是抽象实体，后者是代表数的物理符号，不过数字是首先被发现的。数字从“计数符号”（、、、……）或石头之类的象征物演变而来，史前人类用这些东西来记录离散的实体，诸如动物和天数。如果有人从圈里放出一只山羊就做一个记号，回来一只山羊就划掉一个记号，那么，当所有的记号都被划掉时，所有的山羊都回来了。

这是一个通用标记系统。但是，正如突现是有层次的，通用性也有层次。标记之上的一层是计数，使用数字。人在标记山羊时只是想着“又一只，又一只，又一只”，计数时则是想着“四十，四十一，四十二……”

只有凭着后见之明，我们才能把计数符号当作一个数字系统，称为“一元”系统。就其本身而论，它并不实用。例如，用计数符号来表示数时，就算最简单的操作——如比较大小、算术计算甚至只是抄录，也要重复整个标记过程。如果你有40只山羊，卖出20只，并且对这两个数都做了标记，也还是要进行20次独立的删除操作，才能得到最新的记录。同样地，为了检查两个相当接近的数是否相等，需要对它们互相标记。因此，人们开始改进这一系统。最早的改进可能只是对计数符号进行分组，例如用替代，这使算术计算和比较大小变得更容易，因为可以对整个组进行标记，并且一眼就能看出与不相等。后来，标记分组又被简写符号代替：古罗马系统使用I、V、X、、C、和分别代表一、五、十、五十、一百、五百和一千。（它们同我们现在的“罗马数字”不完全一样。）

所以，这是另一个通过逐步改进来解决特定的狭隘问题的故事。这一次还是没有人想追求更多的东西。虽然加入简单规则就可大大增强系统的威力，虽然罗马人确实偶尔会添加这样的规则，但他们既没有以通用性为目标，也没有实现通用性。在许多世纪的时间里，他们的系统规则是：

——把符号并排放置表示相加。（此规则是从计数符号系统那里继承下来的。）

——符号必须从左至右按递减顺序书写；以及

——只要有可能，相邻的符号都应当用其组合数值的符号替代。

（现今的“罗马数字”的减法规则是后来才出现的，如用IV代表4。）第二条和第三条规则保证每个数都只有一种写法，这使比较大小变得更容易。否则，XIXIXIXIXIX和VXVXVXVXVXV就都是有效数字，很难一眼看出它们代表同一个数。

这些规则利用通用的加法规律，使罗马数字系统拥有了超越标记符号系统的重要延伸，例如进行算术计算的能力。比方说，考虑7（VII）和8（VIII）两个数。规则告诉我们，将它们并排放置成VIIVIII等同于相加。然后，符号要按递减顺序写成VVIIIII。再然后，要用X来取代两个V，用V取代5个I。这样得到的结果是XV，代表15。在这个过程中出现了某种新鲜事物：一条关于7、8和15的抽象真理被发现了，并且得到了证明，其间没有任何人进行过任何计数或者标记。数通过表示它们的数字得到独立的操作。

我说进行算术计算的是数字系统，指的是字面上的意思。物理上实现上述变换的，当然是使用系统的人。但为了做到这一点，他们首先要将系统规则编码在头脑里，然后要像计算机执行程序那样执行规则。是程序在指导计算机的行动，而不是反过来。因此，我们称之为“使用罗马数字进行算术计算”的过程，也包括罗马数字系统使用我们进行算术计算。

罗马数字系统只有让人们这样去做，才得以存留下来——也就是说，使自身在罗马人身上一代又一代地复制下去：人们发现这个系统很有用，于是将它传给后代。就像我说过的，知识是这样一种信息，它在合适的环境里在物理上具象化时，倾向于使自身保持这种状态。

说罗马数字系统控制我们、使其自身得到复制和保存，这听起来似乎是把人类贬低成奴隶。但这是一种误解。人包含着抽象信息，包括独特的思想、理论、意愿、感觉和其他塑造“我”的心理状态。拒绝在发现罗马数字有用时被它们“控制”，就像是反对被自身的意愿控制。就此说来，试图摆脱（罗马数字的）奴役，本身就是一种被（自身意志所）奴役的行为。但事实上，当我服从那个构成我的程序（或说我服从物理规律）时，“服从”的含义与奴隶的服从不同。两种含义在不同的突现层次上解释事件。

与有些人说的不同，罗马数字也有着相当有效地做乘法和除法的方式。一艘船上装着XX个箱子，每个箱子用V乘VII的格栅装着罐子，人们就可以知道船上总共有CC个罐子，无需任何人去进行冗长的计数，这个数字已经明示了计数结果。而且，人一眼就能看出，CC小于CCI。这样，不用标记和计数、独立地对数进行操作，为计算价格、工资、税收、利率等应用开启了大门。这也是一个概念上的发展，打开了通往未来进步的大门。不过，对于这些更复杂的应用，该系统并不通用。由于没有比（一千）更大的符号，两千以上的数全都以一串开始，跟以千为单位的计数符号没什么不同。一个数字里的这个符号越多，做算术计算时就越要倒回去做标记（把许多该符号一个个数过来）。

正如人们可以往古代书写系统里添加新的象形文字来升级词汇表，也可以往数字系统里添加符号来扩大适用范围。这件事已有人做了。但由此产生的系统仍然会有一个最大值符号，因此仍然不能成为无需标记进行算术计算的通用系统。

把算术从标记中解放出来的唯一方法，是利用有着通用延伸范围的规则。就像字母表一样，很小的一套基本规则和符号就够用了。如今我们普遍使用的通用系统有十个符号，即数位0到9。它的通用性来源于这样一个规则：数位的值取决于它在数里的位置。例如，数位2单独写出来时代表二，但在204这个数里就代表二百。这样的“定位”系统需要“占位符”。例如204里的数位0，它唯一的功能就是使2处在代表二百的位置上。

这一数字系统起源于印度，但不清楚是在什么时期出现的。有可能晚至公元9世纪，因为在此之前只有少数模糊不清的文件似乎显示人们在使用它。不管怎样，它在科学、数学、工程和贸易上的巨大潜力当时并没有得到广泛认识。大约在那个时候，阿拉伯学者们接受了这个数字系统，但直到一千年后它才在阿拉伯世界得到普遍使用。中世纪的欧洲也出现了这种对通用性缺乏热情的奇怪现象，公元10世纪有几位学者从阿拉伯人那里学到了印度数字（结果是误称其为“阿拉伯数字”），但情况又是这样：好几个世纪里这些数字都没有得到日常使用。

早在公元前1900年，古巴比伦人就发明了一个实际上是通用数字系统的东西，但他们大概也不关心其通用性——也根本就没有意识到这一点。这个系统是一个定位系统，但与印度数字系统比起来非常烦琐。它有59个“数位”，每个数位的写法都类似罗马数字系统里的一个数值。因此，用它来对日常生活中常见的数作算术计算，实际上比用罗马数字还要复杂。而且它没有表示零的符号，因而用空格作为占位符。它没有办法表示数值末尾的零，也没有相当于小数点的东西（这就好比在我们的系统里，200、20、2和0.2都写成2，只有通过上下文才能区分它们）。所有这些都表明，通用性不是这个系统的主要设计目标，就算通用性得到实现，也不受重视。

公元前3世纪，古希腊科学家和数学家阿基米德的一段非凡趣事，或许能使我们深入理解这种一再发生的古怪现象。阿基米德在天文学和纯数学方面的研究使他需要对很大的数进行演算，于是他发明了自己的数字系统。他从一个自己熟悉的希腊数字系统开始，这个系统与罗马数字系统相似，不过有一个代表10000（一万）的最高值符号M。该系统的范围因这样一条规则得到了扩展：写在M上面的数字表示该数字乘以1万。例如，表示二十的符号是κ，四是δ，所以二十四万（240000）可以写成。

如果人们允许用这个规则产生多层次的数字，例如意味着二十四亿，该系统就能具备通用性，但很显然他们从来也没有这样做。更令人惊讶的是，阿基米德也没有这样做。他的系统采取了另一种思路，类似于现代的“科学计数法”（用这种方法，两百万写作2×10^6），只是用亿的次方取代了十的次方。但是，他仍然要求指数（一亿需要自乘的次数）必须是一个现成的希腊数字——也就是说，它不太容易超过一亿。因此，这种构造数的方法在我们称为10800000000的数之后就渐渐无能为力了。只要他不加上这个额外的规则，就会得到一个通用系统，虽然是一个笨拙得没有必要的系统。

即使在今天，也只有数学家需要大于10800000000的数，而且这种情况很少。但是，这并不是阿基米德加上那条限制的原因，因为他没有就此止步。他在进一步探索数的概念时进行了又一次扩张，这次得到了一个更加庞大笨拙的系统，以10800000000为底数。不过，这次他又只允许这个数的指数不超过800000000，从而产生了一个比1064×10^17大一些的人为限制。

究竟是为什么呢？在今天看来，阿基米德在他的数字系统里对哪些符号能用在哪些位置上加以限制，实在不合常理。这在数学上毫无理由。但是，如果阿基米德愿意允许他的规则在不带人为限制的情形下应用，他就能发明一个好得多的通用系统，只要从现成的希腊数字系统里把人为限制去掉即可。几年后，数学家阿波洛尼乌斯发明了另一个数字系统，出于同样的原因，他的系统也不具备通用性。好像古希腊世界的每个人都在故意回避通用性。

对于印度数字系统，数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（1749—1827）写道：“当我们想到，古代世界最伟大的智者中的两位——阿基米德和阿波洛尼乌斯都未能以他们的聪明才智取得这一成就，就应该体会到它有多么伟大。”但到底是他们没有发现，还是选择了避开？阿基米德应当知道，他连续用了两次的那套扩展数字系统的方法，可以无穷无尽地继续下去。但他也许怀疑，这样得来的数值不能表示人能合乎情理地想到的任何东西。确实，他做这件事的动机之一就是反驳一个当时是不言自明的真理的观点，即沙滩上的沙粒数量是数不清楚的。于是他用自己的系统来计算装满整个天球所需的沙粒数量。这显示，他本人以及整个古希腊文化可能根本没有抽象的数的概念，因此，对他们而言，数值只能代表物体——哪怕是想象中的物体。这种情况下，通用性会是一种很难把握的东西，更不要说追求了。也可能他只是觉得需要避免追求无穷的延伸，以便得到一个有说服力的事例。不管怎样，虽然在我们看起来阿基米德的系统一再“试图”向通用性跳转，但他显然不希望这样。

还有一个猜测成分更重的可能性。不管什么通用性，在狭隘问题希望它解决的事务之外，其最大益处是它对未来创新有用。创新是不可预测的。因此，要在发现通用性的时候看重它，人们要么必须看重抽象知识本身，要么预期抽象知识能带来不可预见的益处。在一个很少经历变革的社会里，这两种态度都是相当不自然的。但启蒙运动改变了这种状况，这场运动的思想精髓就是，进步值得拥有，并且可以得到。因而，通用性也是如此。

可能就是因为这样，启蒙运动使人们开始认为，狭隘主义和所有那些武断的例外及限制，本身是有问题的，而且不仅是在科学领域里有问题。为何法律要区别对待贵族与平民、奴隶与主人、女人与男人？启蒙运动哲学家洛克等人开始着手把政治制度从武断的规则和假设中解放出来。其他人试着从通用的道德解释里推导出道德准则，而不是仅仅武断地认为它们不证自明。因此，与关于物质和运动的通用理论一道，关于正义、合法性和道德的通用解释也出现了。所有这些情况下，人们都在把通用性当作一种本身值得拥有的特性来追求——甚至把它当成思想观念成立的必要条件，而不仅仅是解决狭隘问题的手段。

在启蒙运动早期历史中发挥过重要作用的一次“向通用性跳转”，是活字印刷的发明。活字由独立的金属块组成，每块雕刻一个字母。早期印刷对书写的简化，仅仅相当于罗马数字系统对标记的简化：每一页都雕在印版上，一次操作可以复制它上面所有的符号。但是，有了一套活字，其中每个字母都有许多份，就不需要更多的金属加工，只需要把活字拼成词语和句子。制造活字的人不需要知道这些字最终要用来印刷的文档的内容是什么，它是通用的。

即便如此，活字印刷术于11世纪在中国发明出来时，并没有带来多大的改变，可能是因为人们惯常地对通用性缺乏兴趣，也可能是因为中文书写系统使用了成千上万的象形字，这削弱了通用印刷系统的直接优势。但当它于15世纪在欧洲由印刷商约翰内斯·古腾堡用字母活字再次发明出来时，就触发了雪崩式的进步。

在此我们看到了一种向通用性跳转带来的典型转变：跳转之前，人们必须为每一份需要印刷的文档专门制造物体；跳转之后，人们定做（或专门制造，或设计）一个通用物体，在这一事例中是使用活字的印刷机。类似地，1801年约瑟夫·玛丽·雅卡尔发明了一种通用丝织机，现在称为雅卡尔织机。这种织机使人不再需要手工控制每一卷印花丝绸里的每一行针脚，而可以把既定图案编制在穿孔卡片里，指挥织机任意多次地织出该图案。

这类技术中最重要的是计算机，现在越来越多的技术依赖着它，它还在理论和哲学方面有着深远意义。向计算通用性的跳转应该在19世纪20年代发生，当时数学家查尔斯·巴贝奇设计出了一种装置，他称之为差分机，这是一个机械计算器，用齿轮代表十进制数字，每个齿轮可以嵌入十个位置之一。他原本的目标是狭隘的：将编制数学函数表的工作自动化，诸如对数表和余弦表，这些表在当时的航海和工程中大量使用。当时，这些表由称为“计算者”（computers，计算机一词的来源）的大批办事员编制，出了名地容易出错。差分机的错误较少，因为算术规则已经固化在它的硬件里了。为了用它打印出一个给定函数的表，只需要用简单操作根据该函数的定义对它编一次程。相反，人类“计算者”必须对每个表成千上万次地使用（或者说被使用）函数定义和一般算术规则，每一次都可能出现人为错误。

不幸的是，尽管巴贝奇倾注了自己的大量钱财以及英国政府为该项目投入的资金，但他是个很糟糕的组织者，从来也没有成功地造出一台差分机。但他的设计是合理的（除了少数微不足道的错误）。1991年，伦敦科学博物馆的工程师多伦·斯瓦德领导的团队成功地完成了差分机的制作，使用的是巴贝奇时代可能达到的工程公差。

用今天的计算机甚至计算器的标准去衡量，差分机的功能极其有限。但它有可能存在的原因是，物理学产生的所有数学函数是有规律的，因此航海和工程产生的数学函数也是有规律的。这些函数称为解析函数，早在1710年，数学家布鲁克·泰勒就已经发现，这些函数可以仅仅通过重复的加法和乘法进行任意程度的近似。（此前人们已经知道一些特例，但向通用性的跳转是由泰勒证明的。）因此，为了解决计算少数需要制表的函数这种狭隘问题，巴贝奇造出了一个通用于解析函数计算的计算器。在他那与打字机类似的打印机上，还运用了活字印刷的通用性，如果没有这种通用性，打印表格的过程就无法完全自动化。

巴贝奇原本并没有计算通用性的概念。但是，差分机已经非常接近这一点——不在于它的计算能力，而在于物理构成。对它编程使其打印出一个特定的表，要对特定的齿轮进行初始化。巴贝奇最终认识到，这个编程阶段本身是可以自动化的：可以把设置参数预设在穿孔卡片里，就像雅卡尔织机那样，然后通过机械手段转移给齿轮。这不仅可以去掉剩下的错误来源，还能增强机器的功能。巴贝奇后来意识到，这台机器还可以打出新的穿孔卡片，以备自己日后使用，还能控制接下来要读取哪张卡片（比如说，根据齿轮的位置从一叠卡片里挑选），然后某种质变就会出现：向通用性跳转。

巴贝奇将改进后的机器称为解析机。他与他的同事——数学家洛夫莱斯伯爵夫人艾达知道，这种机器能够进行人类“计算者”能做的所有计算，不仅是算术，还可以进行代数计算、下象棋、作曲和处理图像等。它将是一种今天称为通用经典计算机的东西。（我将在第11章节讨论量子计算机时解释“经典”这个条件的意义，量子计算机在一个更高的通用性层次上运作。）

不管是他们还是此后一个多世纪里的任何人，都没有想到计算在今天最常见的用途，例如互联网、文字处理、数据库搜索和游戏。但他们的确预见到的另一个应用，那就是进行科学预测。解析机将是一个通用模拟器——只要有相关的物理规律，它能以任何想要的精度预测任何物理对象的行为。这是我在第3章中提到过的通用性，通过这种通用性，彼此不相似、由不同物理规律支配的物理对象（例如大脑与类星体）能表现出同样的数学关系。

巴贝奇和洛夫莱斯都是启蒙运动时期的人物，所以他们懂得，解析机的通用性将使它成为一项划时代的技术。然而，尽管他们做出了巨大努力，却只将热情传给了少数几个人，而这几个人没能将热情传给任何人。于是，解析机成了历史上一件悲剧性的憾事。要是他们寻找过其他实验方法，就可能发现，完美方案已经在等着他们：继电器（由电流控制的开关）。继电器是电磁学基础研究最早的应用之一，此时正将因为电报的技术革命而大规模制造。重新设计的解析机，使用电流的开与关来代表二进制数字，用继电器进行计算，将比巴贝奇的解析机更快，也更便宜、更容易制造。（二进制数在当时已经众所周知。数学家和哲学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨甚至早在17世纪就建议利用它们来做力学计算。）这样，计算机革命就能提早一个世纪发生。鉴于电报和印刷技术同时出现，互联网革命很可能随之到来。科幻小说作家威廉·吉布森和布鲁斯·斯特林在他们的小说《差分机》里，对这些可能的情形进行了激动人心的描绘。记者汤姆·斯丹迪奇在他的著作《维多利亚时代的互联网》中提出，早期电报系统在没有计算机的情况下，在接线员之间创造了一种类似互联网的现象，其中有着“黑客、网恋和网婚、聊天室、网络口水战……”

巴贝奇和洛夫莱斯还想到了通用计算机的另一种应用，该设想直到今天还未能实现，就是所谓的人工智能（AI）。由于人类大脑是服从物理规律的物理对象，并且由于解析机是一台通用模拟器，可以通过编程使它在各种意义上都按人类的方式思考（虽然非常缓慢，而且需要数量多得不现实的穿孔卡片）。然而，巴贝奇和洛夫莱斯否认解析机能做到这一点。洛夫莱斯认为“解析机不能创造任何东西。它能做到我们知道该如何让它去做的所有事情，能够遵循分析，但没有能力预见任何分析关系或事实”。

数学家和计算机科学先驱阿兰·图灵后来称这个错误为“洛夫莱斯夫人的异议”。问题不在于洛夫莱斯未能认识计算通用性的意义，而是她未能认识物理规律通用性的意义。当时的科学对大脑的物理特性几乎毫无了解，而且达尔文的进化论尚未发表，有关人类本性的超自然学说仍然非常盛行。对于今天仍然相信人工智能不可能实现的少数科学家和哲学家来说，立场更加不可调和。例如，哲学家约翰·塞尔从以下历史角度来看待人工智能问题：几个世纪以来，一些人试图以机械方式解释头脑，以当时最复杂的机器进行明喻和暗喻。一开始，人脑被说成像一套极其复杂的齿轮和杠杆，然后认为它像液压管，然后是蒸汽机，然后是电话交换机——现在我们最了不起的技术是计算机，人脑就被说成是计算机。塞尔说，这仍然不过是比喻而已，没有理由认为大脑像计算机比像蒸汽机更多一点。

但其实是有理由的。蒸汽机不是通用模拟器，而计算机是，因此预期计算机能做神经元能做的一切事，并不是比喻：据我们所知，这是物理规律的一个已知并且已被证明的性质。（而且，碰巧液压管也能做成通用经典计算机，齿轮和杠杆也可以，就像巴贝奇所说的那样。）

具有讽刺意义的是，洛夫莱斯的反对论点几乎与道格拉斯·霍夫施塔特对还原论的论述（见第5章）有着相同的逻辑——但是霍夫施塔特是当代最主要的人工智能可能性的支持者之一。这是因为他们两人作了一个相同的错误假设，认为低层次计算步骤不能叠加成更高层次的、能对事物产生影响的“我”。他们的区别在于，在由此导致的两难局面中作了相反的选择：洛夫莱斯选择了人工智能不可能实现的错误结论，而霍夫施塔特则选择了这种“我”不可能存在的错误结论。

由于巴贝奇既没能造出一台通用计算机，也没能说服别人去建造一台，所以等到第一台通用计算机建成时，已经过了整整一个世纪。在此期间发生的事更像是通用性的古代史：虽然甚至在巴贝奇放弃以前就有人造出了与差分机类似的计算仪器，解析机却几乎完全被忽视了，连数学家都忽视了它。

图灵在1936年提出了明确的通用经典计算机理论。他的动机并不是建造一台这样的计算机，而只是抽象地用该理论去研究数学证明的性质。几年之后第一批通用计算机建成时，仍然不是为了特地实现通用性而造出来的。它们是英国和美国在第二次世界大战期间为了特定的战时应用而建造的。英国的计算机名为“巨人”（图灵参与了它的建造），用于破译密码；美国的计算机ENIAC设计出来是为了解出大炮瞄准所需的方程。两者所用的技术都是电子真空管，它们的功能与继电器相似，但速度要快一百倍。同时，在德国，工程师康拉德·楚泽在用继电器制造一台可编程的计算器——就像巴贝奇本来可以做到的那样。这三台设备都有着通用计算机必需的技术特征，但没有一台是为此配置的。到头来，“巨人”除了破译密码从来没干过别的事，而且战争结束后大部分被拆除。楚泽的计算机被盟军的轰炸摧毁。但ENIAC确实得以向通用性跳转：战争结束后，它应用于气象预报和氢弹项目等多个领域，而它根本不是为了这些领域而设计的。

自第二次世界大战以来，电子技术的历史一直由小型化主导，每一代新设备都使用更小的微型开关。大约在1970年，这些改进带来了一次向通用性的跳转，当时几家公司分别独立制造出微处理器，它是单独一块硅芯片上的通用经典计算机。从那时起，设计任何信息处理设备，都可以从一个微处理器着手，对它进行定制——即编程——来完成该设备需要的特定任务。今天，你家的洗衣机几乎都是由计算机控制的，它可以通过编程去进行天体物理计算或文字处理，只要有合适的输入－输出设备，以及足够的内存来存储必要的数据。

在这个意义上（也就是说，忽略速度、存储容量和输入-输出设备的问题），旧时代的人力“计算者”，老式蒸汽动力解析机与它的铃铛和哨子，第二次世界大战时房间那么大的真空管计算机，以及今天的超级计算机，都有着同样的计算功能，这是一个了不起的事实。

它们的另一个共同点是数字化：以物理变量离散值的形式对信息进行操作，例如电子开关的开或者关，齿轮处在十个位置中的一个上面。另一种类型的计算机——“模拟”计算机（如计算尺）以连续物理变量的形式表示信息，它曾经十分通行，但现在已经几乎没人用了。这是因为现代化的数字计算机可以通过编程来模仿任何模拟计算机，并且在几乎所有应用方面都比它们更强。数字计算机向通用性跳转，把模拟计算机甩在了后面。这是不可避免的，因为不存在通用模拟计算机这样的东西。

之所以不存在通用模拟计算机，是因为需要纠错：在漫长的计算中，诸如元件制造不完善、热胀冷缩、外界随机影响等因素导致的误差积累起来，会使模拟计算机偏离既定的计算路径。这听起来像是一个不重要或狭隘的理由，但事实完全相反。如果没有纠错，所有的信息处理乃至所有的知识创造都必定是有限的。纠错是无穷的开始。

例如，符号标记只有是数字化的才能够通用。试想一下，一些古代的牧羊人试图标记羊群的长度而不是数量。每只山羊离开羊圈时，牧羊人就放出一段与这只羊长度相同的绳子。然后，等山羊回圈时，就卷起这个长度的绳子。卷回整段长度，就表示所有的山羊都回来了。但是在实践中，由于测量误差的积累，结果总是至少会长一点或短一点。不管以什么样的精度去测量，这个“模拟标记”系统能够可靠地标记的山羊数量总有一个最大值。用这些“标记”进行的所有算术计算也是如此。每当代表几个不同羊群的几段绳子加在一起时，或者把一根绳子切断以便记录羊群的拆分时，都会产生误差。人们可以对每个操作重复多次然后取中间值，以减小误差的影响。但比较长度或复制长度这些操作本身只能以有限的精度进行，因而不能使每一步的误差积累率低于这个精度的水平。这就使得连续操作有次数上限，超出该限度，结果对特定目标而言就没有用了——这就是为什么模拟计算永远不可能通用。

我们需要的是这样一个系统，它认为误差理所当然会出现，但一旦出现就进行纠正——最低的信息处理突现层次上的“问题不可避免，但可以解决”。但是在模拟计算中，纠错会遇到一个基本的逻辑问题：没有办法一眼区分错误值与正确值，因为模拟计算的特征正是任何值都有可能是正确的。绳子的任何长度都可能是正确的长度。

局限于整数的计算就不同了。使用同样的绳子，我们可以用英寸整数倍的长度来表示整数。每操作一步，我们都把绳子剪短或加长到最接近的英寸数。例如，假设测量公差可以做到十分之一英寸，那么所有的错误都可以在每一步操作后被发现并排除，这样就排除了对连续步骤次数的限制。

因此，所有的通用计算机都是数字化的，它们全都用我上面所说的基本逻辑来纠错，虽然具体纠错方式千差万别。因此，对于齿轮所有可能朝向的角度构成的连续统，巴贝奇的计算机只赋予了它十个不同的含义。以这种方式使表述数字化，使轮齿能自动纠错：每一步过后，齿轮的朝向相对于十个理想位置的任何偏移，都会随着轮齿嵌合而修正到最近的那个理想位置上。对角度的整个连续统赋予含义，名义上能使每个齿轮表达更多（无限）的信息，但实际上，信息不能可靠地读取就等于没有存储。

幸运的是，信息必须数字化处理这个限制并不会减损数字计算机的通用性——也不会减损物理规律的通用性。假如用英寸的整数倍来衡量山羊数量不足以完成某个特定用途，可以用十分之一英寸的整数倍，或者十亿分之一英寸的整数倍。对其他所有用途也是一样：物理规律决定了，任何物理对象（包括任何其他计算机）的行为，都能由一台通用数字计算机以任何想要的精度进行模拟。这不过是一个用足够精细的离散变量网格来对连续变量进行近似的问题。

由于纠错必不可少，所有向通用性的跳转都发生在数字化系统中。这就是为什么口头语言用一套有限的基础音来构词：如果用模拟方式，口语就没法理解了。不管人说什么，都没法重复，甚至没法记住。这样，通用书写系统没办法准确表达声调之类的模拟信息也就不重要了。根本就没有什么能够准确表达这种东西。出于同样的理由，发音本身只能表达有限的含义。例如，人类只能区别大约7种不同的音量，标准乐谱对这一点有大略的反映，用约7种不同的符号标记音量（例如p、mf、f等）。而且，出于同样的理由，说话者也只能用每种发音意指有限的含义。

在各种不同的向通用性跳转事例之间，另一个引人注目的关联是，它们都发生在地球上。事实上，所有已知的这类跳转都是在人类主持下进行的——除了一次我尚未谈到的跳转，它是所有其他历史上出现过的跳转的基础，发生在生命进化早期。

如今的生物体里的基因，通过一条复杂而且非常曲折的化学路径来复制自身。在多数物种里，基因起到模板的作用，用来形成一种类似的分子——RNA的片段。RNA随即充当程序，指导合成构成机体的化学物质，特别是作为催化剂的酶。催化剂是某种建造者，它促使其他化学物质发生变化，而自身保持不变。这些催化剂进而控制所有化学物质的生产，调节机体功能，从而定义了生物体本身，关键是包括复制DNA的过程。这个错综复杂的机制是怎么进化出来的，在此并不重要，但为了说得明确一点儿，让我来大致描述一种可能性。

大约40亿年前，地球表面冷却到足以让液态水凝结之后不久，海洋被火山、陨石撞击、风暴和比今天强烈得多的潮汐（因为当时月亮比现在要近）搅动着，而且在化学上非常活跃，许多种类的分子不断地形成和转变，有些反应是自发的，有些是在催化剂作用下发生的。有一种这样的催化剂刚好催化产生了形成它自身所需的某些分子。这种催化剂不是活物，但它是生命的第一个迹象。

它还没有演化成一种有明确针对性的催化剂，因此也加快了其他一些化学物质的生产，包括自身的变种。那些与其他变种相比最擅长促进自身生产（并且抑制自身消亡）的分子变得越来越多。它们还促进了自身变种的建造，进化因此得以继续进行。

渐渐地，这些催化剂促进自身生产的功能变得足够强大和专门化，足以使它们被称为复制因子。进化产生了使自身更快速、可靠地复制的复制因子。

不同的复制因子开始结合成群体，群体里的每个成员都专门从事一套复杂化学反应中的一部分，净效应是形成整个群体的更多副本。这样一个群体就是一个原始的生命体。在这时，生命还处于一个与非通用印刷机或罗马数字有点相似的阶段：情况不再是每个复制因子各顾各，但也还没有出现经过定制和编程以生产特定物质的通用系统。

最成功的复制因子可能应该是RNA分子。它们有自己的催化性能，取决于组成它的分子（或碱基，与DNA的碱基类似）的精确序列。结果，复制过程变得越来越不像简单的催化，而更像编程——通过一种以碱基为字母表的语言或说遗传代码进行。

基因是一种复制因子，可以理解成遗传代码中的指令。基因组是由互相依赖对方进行复制的多个基因组成的群体。复制一个基因组的过程称为一个活的生物体。因此，遗传代码也是详细描述生物体的语言。在某个时候，系统切换到DNA构成的复制因子，它比RNA更稳定，因而更适合用来存储大量信息。

接下来发生的事，其熟悉程度可能掩盖了它的非凡与神秘。起初，遗传密码及其翻译机制与生物体内的其他东西共同进化。但在某个时候，虽然生物体还在继续进化，遗传密码却停止了进化。当时，这个系统只编码原始的单细胞生物，没有更复杂的东西。然而，此后直到今天，地球上所有的生物不仅都以DNA复制因子为基础，而且使用完全相同的碱基字母表，这些碱基组成三个碱基的“词语”，只在“词语”的含义上有微小区别。

这意味着，如果把遗传密码当作一种描述生物体的语言，它表现出了惊人的延伸。它进化出来只是为了描述没有神经系统、不能移动或施力、没有内脏和感官的生物，这类生物的全部生活内容就是合成自身的结构组分，然后一分为二。然而，同样一种语言在今天描述了导致无数多细胞行为的硬件和软件，这些行为包括奔跑、飞翔、呼吸、交配、识别掠食者和猎物，前面所说的生物体完全不具备与这些行为相似的东西。这种语言还描述了翅膀之类的工程结构、免疫系统之类的纳米技术，甚至还有一个能解释类星体、从零开始设计其他生物体、思考自身为什么存在的大脑。

在遗传密码的整个进化过程中，它表现出的延伸范围比这小得多。可能它的每个连续的变种都只用来描述几个彼此非常相似的物种。无论如何，遗传密码的一个新变种描述了一个能具象化新知识的物种，这种情况应该曾经频繁发生。但进化在遗传密码已经拥有广大延伸范围的时候停止了。为什么？它看起来像是向某种通用性的一次跳转，难道不是吗？

接下来发生的事，有着我在其他关于通用性的故事里描述过的同一种悲剧模式：在该系统实现通用性并停止进化之后远超十亿年的时间里，它仍然只被用来制造细菌。这意味着，我们现在看到的这个系统的延伸范围被束之高阁的时间，比系统本身从非生命的前体进化而来所用的时间还要长。如果在这十亿年里有外星智慧生命访问地球，他们将看不到任何证据表明该遗传密码能描述什么与它起初诞生时所描述的生物体明显不同的东西。

延伸总有解释，但这一次，就我所知，这个解释是什么还不为人知。如果延伸跳转的理由是它是一次向通用性的跳转，那么这里的通用性是什么？这套遗传密码似乎并不能通用于描述生命形式，因为它依赖特定种类的化学物质，例如蛋白质。它有可能是某种通用建造者吗？有可能。它有时确实能用无机材料进行建造，例如骨骼里的磷酸钙，或者鸽子大脑内部导航系统里的磁铁。生物技术学家已经在用这套遗传密码制造氢，以及从海水中提取铀。它还能对生物体进行编程，使其在体外进行建造活动：鸟儿筑巢，河狸造水坝。也许有可能用遗传密码描述一种生物体，其生命周期的内容包括建造核动力宇宙飞船。也有可能不是这样。我猜想，它拥有某种程度较低而且人们还不了解的通用性。

1994年，计算机科学家和分子生物学家伦纳德·阿德勒曼设计并建造了一台由DNA和一些简单的酶组成的计算机，并展示了它能进行某些复杂计算。当时，阿德勒曼的DNA计算机有可能是世界上最快的计算机。而且，很清楚，可以用类似的方法来建造通用经典计算机。于是我们知道，不管DNA系统的其他通用性何在，其计算通用性已经固有存在了几十亿年而完全没有被使用过——直到阿德勒曼使用它。

DNA作为建造者的神秘通用性，也许是史上第一种通用性。但是，在各种形式的通用性中，物理上最重要的是人的独特通用性，也就是说他们是通用解释者，这使他们同样也是通用建造者。这种通用性的效果，正如我所解释的，只能用完整的基础解释来阐明。它也是唯一能够超越其狭隘起源的通用性：如果没有人无限地提供能源和维护，通用计算机不可能真的通用。对所有其他技术来说，情况也是这样，就算是地球上的生命也终将被毁灭，除非人类另有决定。只有人能依赖自身进入无限的未来。

术语

向通用性跳转——一种逐步改进系统的趋势，经过功能的急剧大幅扩张，在某些领域变得通用。

“无穷的开始”在本章的意义

——许多领域里都存在着通用性。

——向通用性跳转。

——计算中的纠错。

——人是通用解释者这一事实。

——生命的起源。

——遗传密码向其跳转的神秘通用性。

小结

所有的知识增长都是通过渐进的改进实现的，但在许多领域里有一个节点，知识或技术系统一项渐进的改进在此时会导致延伸范围突然扩大，使系统成为相关领域的一个通用系统。过去，实现了向通用性的这种跳转的发明家们基本上不是在主动追求通用性，但启蒙运动之后他们就开始这样做，通用解释因其本身和用途得到看重。因为纠错对有潜力拥有无限长度的过程至关重要，向通用性的跳转只能发生在数字化系统中。

[1] 英语中的“叛国罪”一词treason的发音接近于tree（树）和sun（太阳）连着念。——译注

第7章 人工创造力

阿兰·图灵于1936年创立了经典计算理论，并于第二次世界大战期间帮助建造了最早的经典通用计算机之一。称他为现代计算之父，是十分恰当的。巴贝奇理当被称为现代计算的祖父，不过图灵与巴贝奇和洛夫莱斯不同，他非常清楚，由于通用计算机是通用模拟器，因此人工智能（AI）原则上是可以实现的。1950年，他在一篇题为《计算机械和智能》的论文中，对“机器能思考吗”这个问题进行了著名的探讨。他不仅根据通用性为机器能思考这一主张进行了辩护，还提出了一个用来检验程序是否能思考的测试方法。该方法现在称为图灵测试，它十分简单，就是让一个合适的（人类）裁判去判断该程序是不是人类。在这篇论文以及此后的文章里，图灵概述了进行这项测试的规程。例如他提议，接受检验的程序和一名真人应当分别通过电传打字机之类的纯文本媒介与裁判互动，从而只检验受试者的思考能力，不涉及其外表。

图灵的测试方法和他的论述使许多研究者陷入思考，不仅思考图灵是否正确，还思考怎样通过这项测试。人们开始编制程序，以研究通过图灵测试需要些什么。

1964年，计算机科学家约瑟夫·魏岑鲍姆写了一个叫Eliza的程序来模仿心理医生。他认为心理医生是一类特别容易模仿的人，因为程序可以给出关于自身的含糊答案，并且只根据用户自己的问题和陈述来提出问题。它是一个非常简单的程序。现在，这类程序仍然是非常受学生欢迎的编程项目，因为既有趣又容易写。一个典型的此类程序有两种基本策略。第一个策略是，它扫描输入内容，寻找特定的关键字和语法形式。如果这一步成功了，它就会根据一个模板做出回应，用输入内容里的词来填补模板中的空白。例如，如果输入内容是“我恨我的工作”，程序就能识别出句子的语法，其中包括所有格“我的”；也许还能识别出“恨”，这是内置列表“爱/恨/喜欢/不喜欢/想要”中的一个关键字。这样它就可以选择一个合适的模板，回应道“你最恨你的工作中的什么？”如果它没能对输入内容在语法上分析到这种程度，就会从库存模式里随机挑选一个来提出自己的问题，模式有可能与输入句子有关，也可能无关。例如，如果被问到“电视机怎样工作”，它也许会反问“‘电视机怎样工作’有什么有趣的地方”，或者就是问“你为什么对这个感兴趣”。第二个策略是Eliza程序最新的互联网版本所采用的，做法是将以前的对话建立数据库，使程序可以根据当前用户输入内容里的关键字，简单地重复其他用户输入过的语句。

许多人在使用Eliza时都被它蒙骗了，这让魏岑鲍姆感到十分震惊。因此，它通过了图灵测试，至少是最朴素版本的图灵测试。而且，就算人们得知它不是真正的人工智能，有时还是会继续就他们的个人问题与它聊很久，就好像相信它能理解他们一样。魏岑鲍姆写了一本书《计算机威力与人类理性》（1976），警告了当计算机看起来表现出类人功能时的拟人化危险。

然而，在困扰人工智能领域的狂妄自大中，拟人化并不是最主要的一种。例如，道格拉斯·霍夫施塔特在1983年遭遇了一个由研究生们搞的友好骗局。学生们说服他相信，他们已经获得许可，能使用一个政府运行的人工智能程序，并邀请他对这个程序进行图灵测试。事实上，线路的另一头是其中一名学生在模仿Eliza程序。霍夫施塔特在其著作《超级魔幻王国》（1985）中写道，这名学生从一开始就对霍夫施塔特的问题表现出令人难以置信的理解程度。例如，起初有一段对答是这样的：

霍夫施塔特：耳朵是什么？

学生：耳朵是动物身上的听觉器官。

这可不是词典里的定义。所以，肯定有什么东西用一种能把“耳朵”同大多数其他名词区分开来的方法，对这个词的意义进行了处理。任何一段这样的对答，都很容易用运气来解释：可能是问题与程序员提供的模板之一相匹配，该模板里包含了关于耳朵的特定信息。但是，在就不同的话题用不同的语句进行了好几段对答之后，运气就成了一个很坏的解释，游戏该结束了。但是没有结束。于是这名学生的答复变得更加肆无忌惮，直到最后他直接开起了霍夫施塔特的玩笑——这一点让他败露了。

霍夫施塔特说，“现在回想起来，我当时愿意相信程序里植入了多少真正的智能，真是太让人惊奇了……很显然，我当时愿意相信，在当今时代只要把一大堆孤立的技巧和凑合方案堆在一起，就能获得极大的可变性。”事实是（仅仅是这个事实就应当让霍夫施塔特感到警惕），Eliza诞生之后19年，还没有哪个类似Eliza的程序能够比它的原始版本更像一个人，哪怕只是更像一点点。虽然这些程序能更好地组织语句，有更多的预设问答模板，但这几乎无助于就多种多样的主题进行广泛的谈话。此类模板的输出结果仍然与人类思考成果相似的可能性，随着话语数量的增加呈指数递减。因此，霍夫施塔特本应该很快就断定，受试者通过了图灵测试，并且由于它完全不像Eliza，这必定是一个伪装成计算机程序的人。

又过了26年之后的今天，新写出的计算机程序在“显得在思考”的任务上仍然并不比Eliza更强。现在这些程序称为“聊天机器人”，其主要功能仍然只是娱乐，有的直接应用，有的用在电脑游戏里。它们还用来给怎样操作电脑之类的话题的“常见问题”列表提供看上去较为友好的使用界面。但我觉得，用户很快就会发现，这些程序并不比一个可搜索的问答列表更有用。

1990年，发明家休·勒伯纳捐资设立了一个通过图灵测试的奖项，通过年度竞赛来评选。在有计算机程序通过图灵测试之前，每年都会给最接近于通过测试的参赛者颁发一个次等奖项。这个测试比它乍看起来更难实施，其中一个问题是，让计算机程序假装成人类，这种要求既有偏见，也与它是否能思考并无关系。但是，如果它不假装成人类，那不管它有没有思考能力，都会很容易被认出是一台计算机。与此相关的一个难题是，参加测试的人类可能有意假装成聊天机器人，就像霍夫施塔特遇到的骗局那样，从而毁掉这场测试，因为测试的基础是对人类和聊天机器人进行比较。为了减轻前一个问题的影响，规则是否还应该允许人类这样假装？

不幸的是，这些微妙之处与当前的技术发展水平并无关系。以下记录很好地反映了这一点，这是Elbot程序在2008年获得（次等的）勒伯纳奖时的对话：

裁判：你是否明白图灵测试的要点？

Elbot：有的人自己都通不过图灵测试，为什么要强迫电脑去测试呢？

裁判：我觉得（spose）这有点苛刻。

Elbot：如果我们机器人能结婚，必定忠贞不渝，“直到锈蚀将我们分开”。

在这段话中，Elbot的第一句话不是对问题的回应，而应当是由关键词“图灵测试”触发的一个固定反应。接下来，裁判用了spose这个词，从上下文来看，它只应该是“觉得”（suppose）的意思（这要么是黑话，要么是打字错误）。但Elbot大概把它解释成了“配偶”（spouse），就用预设的一个婚姻笑话来回应。因此，仅从这段交流就能很清楚地看出，Elbot并没有在处理裁判的语句的含义。

裁判：你不跟我聊天的时候都做些什么？

Elbot：在买油的问题上我也有同样的麻烦。是该买特别油性的、超级油性的还是极其油性的，实在没办法搞明白。

裁判：你的事业如何？跟油有关系吗？

Elbot：那人类和职业又是怎样？他们对此的立场如何？

裁判善解人意地接上了Elbot随机挑选的关于油的话题，但Elbot忽视了这一点。相反，它检测到“事业（career）”这个关键字，将它转换成近义词“职业（occupation）”，然后塞进一个预设的句子模式。

在图灵的论文发表之后的58年里，人类在追寻“能思考的机器”方面取得的成果是：无。然而，在所有其他方面，计算机科学和技术在这段时间里都取得了惊人的进步。日渐减少的、认为人工智能不可能存在的那些人，无疑不会对这种失败感到意外，但他们的理由是错的，因为他们没有认识到通用性的重要之处。但是，最热情地认为人工智能就快要实现的那些人，则没有认识到这种失败的重要之处。有些人说，以上批评不公平，因为现代人工智能研究的重点并不是通过图灵测试，而且当前称为“人工智能”的许多专门应用领域都取得了巨大进步。然而，这些应用没有一个看上去像“能思考的机器”。[1]其他人坚持认为，提出这样的批评为时过早，因为在该领域历史的大多数时间里，计算机的计算速度和存储容量与今天相比都低得可笑。因此，他们仍然期待着今后几年就会有突破。

但不会有的。情况并不像是说，有人写了一个聊天机器人程序，它能通过图灵测试，但目前算出每个答复要一年时间。如果是那样，人们会很高兴地等待。不管在什么情况下，如果有人知道怎样写一个这样的程序，就无须等待，其中原因我很快会讲到。

图灵在他1950年的论文中估计，一个人工智能程序要通过他的测试，程序连同所有数据需要的存储容量不会超过100兆字节，所用的计算机也不必比当时的计算机更快（当时的速度大概是每秒几千次计算），到2000年，“人们将能够谈论机器思考，不必担心会遭到反驳”。好吧，2000年来了又走了，我用来写这本书的笔记本电脑拥有的存储容量（算上硬盘空间）比图灵说的大一千倍，速度快100万倍（虽然从论文里看不出他对大脑的并行处理能力是怎样考虑的），然而它的思考能力并不比图灵的计算尺更高明。我跟图灵一样确信，这台计算机能够通过编程具备思考能力，所需的资源可能跟图灵估计的一样少，虽然现在可用的资源比那高出几个数量级。但是什么样的程序才能做到这一点？为什么没有这样一个程序存在的迹象？

图灵所说的通用意义上的智能，是人类头脑的诸多属性之一，这些属性困扰了哲学家数千年，除智能外还包括意识、自由意志和意图等。其中典型的难题之一是感受性（qualia，单数形式为quale），指感受的主观方面。例如，看到蓝色的感觉，就是一种感受性。考虑以下的思想实验：你是一位生化学家，不幸天生带有一个基因缺陷，它使视网膜上的蓝光受体失活。因此，你患有某种色盲，只能看到红色、绿色及它们的混合色，例如黄色，任何纯粹的蓝色在你看来都像是上述混合色的一种。随后你发现了一种治疗方法，能使蓝光受体开始工作。在对自己进行治疗之前，你可以很自信地预测，如果该疗法有用的话会发生什么情况。其中一种情况是，如果你举起一张蓝色的卡片进行测试，就会看到一种前所未见的颜色。你可以预测自己将把它称为“蓝色”，因为你已经知道这张卡片的颜色叫什么（也已经可以用分光计检验它是什么颜色）。你还可以预测，当你痊愈后第一次看到白天的晴空时，会体验到一种跟看蓝色卡片相似的感受性。但这个实验的结果中有一样东西，是你和其他任何人都没有办法预测的，那就是：蓝色看起来是什么样。感受性既不可描述，也不可预测，它是一个独特的性质，会让任何有科学世界观的人深感困扰（虽然到头来似乎主要是哲学家在烦恼这个问题）。

我认为这是一个激动人心的证据，它显示有一个重大发现有待完成，该发现将把感受性之类的事物整合到我们的知识中去。丹尼尔·丹尼特得出了相反的结论，那就是：感受性不存在！严格说来，他的观点并不是说感受性是幻觉——因为某种感受性的幻觉就是这种感受性本身。他是说，我们有一个错误的信念。我们的内省（即对自身经验的记忆的检视，包括仅仅几分之一秒前的记忆）进化出来是为了报告说，我们体验到了感受性，但这是错误的记忆。丹尼特捍卫这一论点的著作中，有一本叫作《意识的解释》，有些哲学家挖苦说，称其为《意识的否认》会更准确。我同意他们的看法，原因是，虽然任何对于感受性的真正解释都必须能经得起丹尼特对感受性存在这种常识理论的批评，但直接否认感受性的存在将是一个坏解释：任何东西都可以通过这一方式被否决。如果它是真的，就必须用一个好解释来证明，该解释要说明这些错误信念看上去与其他错误信念（比如大地在我们脚下静止不动）有什么本质区别，以及为什么有这样的区别。但对我来说，这个问题跟最原始的感受性问题又一样了：我们看上去拥有感受性；感受性是什么样的，这一点看上去不可能描述。

总有一天，我们会描述出感受性。问题是可以解决的。

顺便说一下，有些人类能力通常包含在与通用智能有关的诸多属性中，但它们并不属于智能。其中之一是自我意识，有些试验可以证明它的存在，比如认出镜子里面的自己。有些人在发现多种动物显得拥有这种能力时感到莫名惊诧，但其中没有什么神秘的：一个简单的模式识别程序就能使计算机拥有这种能力。使用工具、使用语言发出信息（虽然不能进行图灵测试意义上的对话）、多种情绪反应（虽然不是相关的感受性）也都是如此。该领域里当前有一条有用的经验法则：已经能够通过编程实现的东西，与图灵意义上的智能无关。反过来，我用一个简单的测试来检验那些声称解释了意识本性（或任何其他计算任务的本性）的主张，包括丹尼特的主张。这个测试就是：如果你不能编出程序来实现它，那就是没有理解它。

图灵发明了他的测试，希望绕过所有这些哲学问题。换句话说，他希望在解释这项功能之前就实现这项功能。不幸的是，在无法解释方案为何有效的时候就找到基本问题的实用解决方案，这种情形极为罕见。

然而，虽然图灵测试的思想与经验主义有些相似，但不同的是，这种思想的确起到了有价值的作用。它使人们专注于解释通用性的重要之处，以及批评那些古老的以人类为中心的假说，这些假说否认人工智能实现的可能性。图灵自己在这篇开创性的论文中系统地驳斥了所有对人工智能的经典反对意见（此外还驳斥了一些荒谬的反对意见）。但他的测试源于一个经验主义者的错误，即寻找纯粹的行为标准：图灵测试要求裁判在不解释人工智能应当怎样运作的情况下做出结论。但是在现实中，判断某种东西是不是真正的人工智能，永远取决于有关人工智能怎样运作的解释。

这是因为，图灵测试中裁判的任务，与佩利走过他的荒野发现一块石头、一只手表或一个活的生物体时面临的任务有着相同的逻辑，那就是解释对象被观察到的特征是怎么来的。在图灵测试中，我们有意忽视了设计这个对象的知识怎样创造出来的问题。测试只关系到谁设计了人工智能的话语：谁使这些话语有意义——谁创造了它们里面的知识？如果是设计者创造了这些知识，那这个程序就不是人工智能。如果是程序自己创造了知识，那它就是人工智能。

这个问题有时候也出现在人类自己身上。例如，魔术师、政治家和考生们有时涉嫌通过隐蔽的耳机接收信息，然后机械地重复这些信息，同时假装这些信息源自他们自己的大脑。此外，当有人同意进行一个医疗程序时，医生必须确认他们不是仅仅在念念有词却不知道其中的含义。为了检验，可以换一个方式来问同样的问题，或者用类似的词语来问不同的问题，观察对方的回复是否会随之改变。在任何形式的自由对话中，这类情形都会自然发生。

图灵测试与此相似，但侧重点不同。对人类进行测试时，我们想知道对方是否是一个完好无损的人（并且不是其他人的代言人）。对人工智能进行测试时，我们希望发现一种难以改变的解释，来说明为什么测试对象的话语不可能来自任何人类，只可能来自人工智能。两种情况下，把与一个人说话作为实验的对照，都是没有意义的。

某个实体的话语是怎样创造出来的，如果对此没有好解释，观察这些话语就无益于了解这个问题。在最简单水平的图灵测试中，我们需要确信这些话语不是由一个假装人工智能的人类直接编造的，就像霍夫施塔特遇到的骗局那样。但骗局的可能性是最小的。我在前文中猜测，Elbot错误地识别出关键字“配偶”，从而复述了一个预设的笑话。但如果我们知道这不是一个预设的笑话，因为程序里根本没有编码过这样一个笑话，这个笑话的意义就大不相同了。

我们怎么能知道这一点？只能通过一个好解释知道。例如，我们可能因为程序是自己写的所以知道。另一种途径是，程序作者向我们解释这个程序怎样运作——它怎样创造出包括笑话在内的知识。如果解释是好的，我们就应该知道这个程序是人工智能。事实上，如果我们只有这样一个解释，还没有看到程序的任何输出结果——甚至程序还没有写出来——也仍然应该能得出结论说，它是一个真正的人工智能程序。因此，并不需要进行图灵测试。这就是我为什么说，如果计算机能力是实现人工智能的唯一障碍，则完全无需等待。

详细解释一个人工智能程序如何运作，可能复杂得棘手。实际上，作者的解释总是会在某种突现的、抽象的层次上。但这不妨碍它成为一个好解释。它无须描述编笑话的具体计算步骤，就好比进化论无须描述某个特定适应性的历史上每个具体的变异为什么成功或失败。考虑到程序的运行方式，相关解释只需说明事情可能怎样发生，以及我们为什么预期它会发生。如果它是一个好解释，就能让我们相信，那个笑话——笑话里的知识——发源于程序，而不是程序员。于是，程序所说的话语，也就是那个笑话，要么是程序没有在思考的证据，要么是程序在思考的证据，到底是哪一种，取决于有关程序如何运作的现行最好解释。

我们还不太了解幽默的本质，因此不知道编笑话是不是需要通用思考。可以想象，虽然可以用来编笑话的题材非常广泛，但其间应当存在隐藏的联系，能把所有编笑话的工作简化成单一狭窄的功能。这样的话，将来可能会出现不是人的通用编笑话程序，就像现在已经有了不是人的下象棋程序。这听起来不太可信，但由于我们没有好解释能排除这种可能性，就不能把编笑话当成评判人工智能的唯一途径。不过我们能做的是，就广泛的话题进行谈话，注意程序的话语在含义上是否适应相应目的。如果程序确实在思考，那么它在这种谈话的过程中会以无数不可预测的方式之一解释自身，就像你或者我会做的那样。

还有一个更深层次的问题。人工智能的能力必须具备某种通用性：特殊用途的思考不能算是图灵意义上的思考。我猜想，每个人工智能都是一个人，也就是一个通用解释者。可以想象，在人工智能与“通用解释者/建造者”之间还有其他层次的通用性，意识之类的相关属性可能有着独立的层次。但这些属性似乎全都在一次向通用性的跳转中出现在人类身上，而且，虽然我们几乎无法解释其中任何一种，但鉴于没有什么靠得住的论述表明它们处于不同层次或能彼此独立地实现，那就暂且认为它们不是这样的。不管怎样我们都应当预期，人工智能会通过一次向通用性的跳转来实现，从某种威力小得多的东西开始。相反，不完美地模仿人类的能力，或是执行特殊功能的能力，不是通用性的一种形式。这种能力能在不同程度上存在。因此，即使聊天机器人确实在某个时候开始变得特别擅长模仿人类（或蒙骗人类），这仍然不会是一条通往人工智能的道路。越来越擅长假装思考，与越来越接近于能够思考，并不是一回事。

有一个哲学流派，其基本信条是，以上两者是一回事。这种流派称为行为主义，就是运用在心理学上的工具主义。换句话说，这种学说认为，心理学只能或者只应该是行为的科学，不是思维的科学；只能测量和预测人的外部环境（“刺激”）与他们被观察到的行为（“反应”）之间的关系。不幸的是，后者正是图灵测试要求裁判看待受测试的人工智能的方式。因此，它鼓励这样一种态度：如果一个程序能够足够好地冒充人工智能，那就是实现了人工智能。但是非人工智能的程序终究不可能冒充人工智能，通往人工智能的道路不应当是让聊天机器人更有说服力的技巧。

行为主义者肯定会问：为聊天机器人提供极其丰富的技巧、模板和数据库，与对它赋予人工智能的能力，两者之间的区别到底是什么？除了一堆此类技巧的集合，一个人工智能程序还能是什么？

在第4章中讨论拉马克主义时，我指出了肌肉在个体生涯里变得更强壮与肌肉进化得更强壮之间的本质区别。对前者，在一系列变化开始发生之前，获得所有可能的肌肉力量的知识已经存在于个体的基因里。（关于怎样识别需要做出改变的环境的知识也应当这样存在了。）这正好对应着程序员植入聊天机器人的“技巧”：聊天机器人做出回应，“仿佛”它在编写回应时创造出了某些知识，但实际上所有的知识都是此前在别处创造出来的。物种的进化式变化，对应着人的创造性思想。认为人工智能可以通过积累聊天机器人的技巧来实现，这种观点对应拉马克主义。该理论认为，新的适应性可以通过实际上只是现有知识展示的变化来解释。

这样的误解在当前的几个研究领域中颇为常见。在基于聊天机器人的人工智能研究中，该误解把整个领域拉进死胡同，不过它在其他领域中只是让研究者们给真实但不太重大的成就贴上过于宏大的标签，其中这样一个领域是人工进化。

回顾一下爱迪生关于进步需要“灵感”与“汗水”交替的观点，还有，计算机和其他技术使“汗水”阶段越来越可能自动化。这个受欢迎的进展误导了那些对于实现人工进化（以及人工智能）过分自信的人们。例如，假设你是一名机器人学专业的学生，想造出一个能比以前的机器人更擅长用腿走路的机器人。解决问题的第一阶段需要用灵感——创造性思维——来改进此前的研究者对解决同一问题的尝试。你的出发点是前人的这些尝试，还有你猜想可能与此相关的其他问题的现有思想观念，以及自然界里会走路的动物的设计方案。所有这些东西构成了现有的知识，你将对它们进行改变和重组，然后经受批评以及进一步的改变。最终你会为你的新机器人的硬件创造出一个设计方案：带杠杆、关节、腱和电机的腿，携带电源的躯体，接受反馈信号以有效控制肢体的感官，实现这些控制的计算机。你将使设计方案中所有的东西都尽量适应走路的目的，除了计算机里的程序之外。

该程序的功能将是识别特定的状况，比如机器人开始翻倒，或者路上有障碍物，然后计算出合适的行动，并采取该行动。这是你的研究项目里最难的部分。怎么去识别什么情况下最好向左或向右躲避障碍物，或者从它上面跳过，或者把它踢开，或者无视它，或者加大步伐以免踩到它——或者判断出它无法逾越而掉头往回走？而且，在所有这些情况下，怎样通过向电机和齿轮发送无数经过感官反馈修改的信号来具体做到这些？

你会把这个问题分解成子问题。以某个特定的角度转向，与以一个不同的角度转向是类似的。这使你可以写一个负责转向的子程序，它能处理所有可能情形组成的整个连续统。一旦你写好这个子程序，程序的其他所有部分就只需在决定要转向时调用它，而无须包含与实现转向所需的大量细节有关的知识。当你尽可能多地识别并解决了这类子问题之后，就创造出了一种代码，或说一种语言，它高度适应于表达你的机器人怎么走路。对子程序的每一次调用，都是这种语言里的一个语句或命令。

到现在为止，你所做的事都顶着“灵感”的标签：它们需要创造性思维。但现在汗水逼近了。一旦把所有你知道该如何自动化的东西都自动化了，你就别无选择，只能依靠某种形式的试错来实现额外的功能。不过，你现在拥有了一个优势：你有一种语言，已经按照指导机器人走路的目标进行了适应。因此，你可以从一个在这种语言中算是简单的程序开始着手，虽然它从计算机基本指令的角度来说非常复杂，比方说这个程序是“往前走，遇到障碍物停下”。然后你可以用机器人运行这个程序，看看会发生什么。（你也可以对机器人进行计算机模拟。）如果它跌倒了，或者发生了什么其他不希望发生的情况，你可以修改程序（仍然是用你创造的高层次语言去修改），以在缺陷出现时去掉它们。这个方法将需要很少的灵感和很多的汗水。

但还有一条路向你敞开着大门：你可以用所谓的进化算法，把汗水委托给计算机。通过同样的计算机模拟，你可以进行许多尝试，每一次都使用与第一个程序略有不同的随机变种。进化算法自动对每个仿真机器人进行一系列你指定的检验——它能走多远不跌倒，应对障碍物和崎岖地形的能力如何，等等。每次模拟结束时，表现最好的程序留下，其他的被舍弃。然后又对这个留下的程序创造许多变种，重复以上过程。将这个“进化”过程反复进行成千上万次之后，你可能发现，按照你设立的标准，你的机器人走得相当好。现在你可以写论文了。你不仅可以声称造出了一个走路技巧合乎要求的机器人，还可以声称在计算机上实现了进化。

这种事情已经成功了许多次。这是一项很有用的技术。在变异和选择交替的意义上，它确实是“进化”。但在通过变异和选择去创造知识这个更重要的意义上，它是不是进化？总有一天它会实现，但我怀疑它现在还没有实现，原因与我怀疑聊天机器人有智能（哪怕只是一点点）的原因相同。这个原因是，对这些东西的能力有着明显得多的解释，那就是程序员的创造力。

在“人工进化”的案例中排除知识由程序员创造的可能性，这个任务与检查一个程序是不是人工智能有着相同的逻辑，但更加困难，因为声称由这个“进化”创造出来的知识，其数量要少得多。就算你本人就是程序员，也无法判断自己有没有创造这部分数量很少的知识。一方面，你花了好几个月的设计工夫写到语言里去的知识，其中一部分有着延伸，因为它们编码了某些与几何定律和力学定律等有关的普遍真理。另一方面，在设计语言时，你始终想着它最终将用来表达什么样的能力。

图灵测试的概念使我们认为，如果给Eliza程序提供足够多的标准答复模板，它将自动创造出知识；人工进化使我们认为，如果有了变异和选择，（适应性的）进化将自动发生。但两者都未必如此。两种情况下都存在另一种可能，即程序运行的过程不会创造任何知识，只有程序员开发它的过程才创造知识。

这类工程里似乎屡屡发生的一件事是，在实现了预定目标后，如果允许“进化”程序继续运行，它不会再产生任何改进。如果成功的机器人的所有知识实际上都来自程序员，就会出现这样的情形。但它并不是一个决定性的批评：生物进化经常会出现“局部的最大适应”。此外，生物进化在获得了它那种神秘的通用性之后，似乎停滞了十亿年之久，随后才开始创造重要的新知识。但还是那句话，获得某种很可能由其他原因导致的结果，不能算是进化的证据。

这就是为什么我不相信有什么“人工进化”曾经创造过知识。出于同样的原因，我对一种与此略有不同的“人工进化”也持有同样的看法，后者试图在虚拟环境里使模拟生物体发生进化，让不同的虚拟物种互相竞争。

为了检验这个主张，我想看看另一个稍微不同类型的实验：把研究生从项目中去掉。然后，不使用为了进化出更佳走路技巧而专门设计出来的机器人，而使用一个已有现实用途、碰巧会走路的机器人。不去创建一种由子程序组成的专门语言来表述如何走路的猜想，而用随机数来替代这个机器人现有的微处理器里现有的程序。为了产生变异，使用这种微处理器里必定会出现的那一类错误（不过，在模拟过程中可以让错误按你喜好的频率出现）。所有这一切的目的，是为了消除向系统设计里注入人类知识的可能性，这些知识的延伸可能被误认为是进化的产物。然后，按通常方式模拟运行这个变异系统，你想运行多少次都行。如果机器人能走得比原来更好，那我就错了。如果此后它还能继续改进，那我就大错特错了。

以上实验的一个主要特点是人工进化的通常方式所缺乏的，那就是，为了能够运作，（子程序的）语言必须与它表达的适应性一起进化。在向通用性的跳转选定DNA遗传密码之前，生物圈所发生的事就是这样的。正如我所说的，情况有可能是，所有此前的遗传密码都只能编码少数几种彼此十分相似的生物。我们在四周看到的极其丰富的生物圈，是在语言不变的情况下由随机变异的基因创造出来的，它只有在那次跳转发生之后才成为可能。我们甚至不知道当时创造出来的通用性是什么。那么，为什么要期待我们的人工进化能脱离这种通用性行事？

我认为，对于人工进化和人工智能，我们都必须正视这样的事实：这些问题很困难。关于这些现象怎样得以在自然界中实现，还有许多重大的未知。在发现这些未知之前尝试人工实现它们，也许值得一试，但如果失败了也不奇怪。具体来说，我们不知道，进化出来描述细菌的DNA代码，其延伸范围为什么大到足以描述恐龙和人类。而且，尽管很显然人工智能会有感受性和意识，但我们无法解释这些东西。既然我们没法解释它们，怎么能期待用计算机程序模拟它们？它们为啥要毫不费力地从设计用来做其他事情的项目中冒出来？但我猜想，当我们明白其中奥妙时，人工实现进化和智能以及与之相关的许多属性，将不用花多大力气。

术语

感受性——感受的主观方面。

行为主义——运用在心理学上的工具主义。该学说认为，科学只能（或应该只能）衡量和预测人们对刺激的行为反应。

小结

（通用）人工智能领域没有取得任何进展，因为在其核心里有一个悬而未决的哲学问题：我们还不了解创造性如何运作。一旦解决了这个问题，编程实现人工智能将不是难事。甚至人工进化也可能还没有实现，尽管看上去好像实现了。问题在于，我们不了解DNA复制系统的通用性的性质。

[1] 因此我所说的“人工智能（AI）”有时也称为“AGI”，即人工普智能。——原注

第8章 无穷的窗口

几个世纪以前，数学家们就认识到，一致并且有效地使用无穷的概念是有可能的。无穷集合、无穷大的量和无穷小的量都是有意义的。它们的许多属性违反直觉，因此无穷理论的引入一直有争议。但关于有限事物的许多事实一样违反直觉。道金斯所说的“基于个人怀疑的论证”并不是论证，只是一种喜爱狭隘误解胜过普遍真理的偏好。

物理学也是很早就考虑到了无穷。欧几里得空间是无穷的，而且在任何情况下，空间通常都被视作连续统：即使是长度有限的线段，也由无穷多的点组成。任意两个时刻之间有无穷多的瞬间。但在牛顿和莱布尼茨发明微积分以前，人们对连续量的理解一直是零散和矛盾的。微积分是一种用数量无限多的无穷小量来分析连续变化的技巧。

“无穷的开始”知识在未来无穷增长的可能性——取决于其他众多的无穷。其中之一是自然法则的通用性，它允许将有限、局部的符号应用于整个时间和空间，以及所有的现象和所有可能的现象。另一个条件是，存在作为通用解释者的物理实体（也就是人），他们必定也是通用建造者，而且其中必定包含通用经典计算机。

大多数通用性本身就涉及某种无穷，尽管它们总是可以用某种无限制的而非实际上无穷的东西来阐释。反对无穷的人称之为“潜在的无穷”，而非“实在的”无穷。例如，无穷的开始可以描述成“进步在未来将是无界限的”的状态，或是“将会取得数量无穷多的进步”的状态。但我在使用这些概念时把它们当作可互换的，因为它们在这个背景下没有实质区别。

有一种数学哲学称为有限主义，该学说认为，只有有限的抽象实体能够存在。因此，比方说，自然数的数量是无穷的，但有限主义者坚持认为这只不过是个说法问题。他们说，真正的真理只是存在一种有限的规则，它规定每个自然数（或更准确地说是每个数值）都可以根据前一个自然数产生。但这个学说会遇到以下问题：是否存在一个最大的自然数？如果存在，它就与产生更大的数的规则相矛盾；如果不存在，那自然数的数量就不是有限的。这样，有限主义者就不得不否认一条逻辑规律——“排中律”，该规律的内容是，对于每个有意义的命题，要么它本身为真，要么它的否命题为真。于是有限主义者说，虽然没有最大的数，但也没有无限多的数。

有限主义是运用在数学上的工具主义，从原则上拒绝解释。它尝试把数学实体看作纯粹是数学家遵循的流程、在纸上做记号的规则之类的东西，它们在某些场合有用，但并不指代有限的经验对象（如两个苹果或三个橘子）以外的任何实在物。因此，有限主义本质上是以人类为中心的，这并不奇怪，因为它把狭隘主义当成理论的优点而非缺点。在科学方面，它还有一个工具主义和经验主义具有的致命缺陷，即认为数学家对有限实体拥有一些他们对无限实体所没有的特许权限。但是，情况根本不是这样。所有的观察都是理论负载的。所有的抽象推理过程也是理论负载的。所有对抽象实体（不管有限还是无穷）的探究，都是通过理论进行的，与对物理实体的探究一样。

换句话说，有限主义同工具主义一样，只是一个用来阻碍我们在理解直接经验以外的实体方面取得进步的方案。但这也就意味着阻碍普遍意义上的进步，因为，正如我此前解释的，我们的“直接经验”以内并没有实体。

以上所有讨论都假定理性具有通用性。科学的延伸有着固有的局限，数学也是，每个哲学分支都是。但如果你相信理性作为思想观念仲裁者的适用范围有边界，就等同于相信非理性或超自然。同样地，如果你拒绝无穷，就会困在有限里，而有限是狭隘的，我们绝不应该停在那里。对任何事物的最好解释终究都要涉及通用性，也就要涉及无穷。解释的延伸不应受到许可的限制。

数学上对此的表达方式之一，是由数学家康托在19世纪首先阐明的一条原理：抽象实体可以用其他实体通过任何方式来定义，只要这些定义明确并且一致。康托开创了现代数学对无穷的研究，数学家约翰·康威在20世纪捍卫和归纳了康托的原理，并给这条原理起了个既古怪又合适的名称：数学家解放运动。康威在辩护中说，康托的发现在同侪中遭到了尖刻的反对，包括当时的大多数数学家、许多科学家、哲学家——还有神学家。具有讽刺意味的是，宗教上对此的反对意见实际上是以平庸原则为基础的，认为试图理解和运用无穷是侵犯上帝的特权。在20世纪中期，对无穷的研究早已成为数学的常规组成部分，并在数学中得到无数应用，但哲学家路德维希·维特根斯坦还轻蔑地称无穷“毫无意义”。（尽管最终他对整个哲学进行了同样的指责，包括他自己的工作在内——参见第12章。）

我在前面已经讲了一些在原则上拒绝无穷的事例，比如阿基米德、阿波洛尼乌斯等人对通用数字系统的奇怪反感。还有工具主义和有限主义之类的学说。平庸原则的出发点是逃离狭隘主义、向无穷延伸，结果却是把科学禁锢在一个极其微小、不具代表性的可理解性泡泡里。此外还有悲观主义（我在下一章会讲到），它将失败归咎于改进有着有限的边界。悲观主义的一个例子是宇宙飞船地球号那自相矛盾的狭隘主义，把这个运载工具当成一个无穷的隐喻会更合适。

每当我们提及无穷，都是在运用某种思想观念的无穷延伸。因为每一种无穷的观念之所以有意义，都是因为存在一个解释，它可以说明为什么一些用来处理有限符号的有限规则集合能指向某种无穷的事物。（让我重复一下，我们关于其他一切事物的知识也是如此。）

在数学上，无穷是通过无穷集（指包含无穷多个元素的集合）来研究的。无穷集的定义特征是，它的一部分与总体拥有同样多的元素。例如，考虑一下自然数（见图8-1）。

图8-1 自然数集合与它的一部分拥有同样多的元素

在图中最上面的一行，每一个自然数刚好出现一次。下面那行只包含自然数集合的一部分：从2开始的自然数。这张图对两个集合进行了对应标记（数学家称之为“一一对应”），证明两者拥有的元素数量相等。

数学家大卫·希尔伯特设计了一个思想实验来说明人在思考有关无穷的概念时需要放弃的一些什么样的直觉。他想象有一家有着无穷多间客房的旅馆，名叫无穷旅馆（见图8-2）。客房用自然数编号，开始是1，结尾是——什么？

图8-2 无穷的开始无穷旅馆的客房

最后的房间号不是无穷大。首先，不存在最后的房间。认为有编号的房间组成的集合总有一个最大编号，这是来自日常生活的第一直觉，必须舍弃。其次，在房间编号从1开始的有限旅馆中，必定有一个房间的编号与所有房间的总数相等，另外还有编号与这个号码接近的房间：如果有10间客房，其中必然有一间的编号是10，还有一间编号是9。但在无穷旅馆里，房间总数是无穷大，所有房间的编号都远小于无穷大。

现在让我们想象一下，无穷旅馆客满。每间客房都有一位客人，不允许更多。对于有限旅馆，“客满”就等于“没有空房来容纳更多客人了”。但无穷旅馆总有空房。投宿无穷旅馆的条件之一是，客人必须按管理人员的要求更换房间。因此，如果来了一位新客人，管理人员会通过公共广播系统宣布“请所有客人立刻换到编号比目前房间大一号的房间去”。于是，就像本章图8-1显示的那样，1号房的客人搬到2号房，2号房的客人搬到3号房，依此类推。在最后一间客房会发生些什么？由于并不存在最后一间客房，也就不存在那里会发生什么的问题。新客人可以住进1号房。在无穷旅馆，永远不需要预订房间。

显然，在我们的宇宙里不可能存在这样的无穷旅馆，因为它违背了一些物理规律。不过，这只是一个数学思想实验，所以想象中的物理规律所受的唯一约束是它们必须一致。正是由于对一致性的要求，它们才违反直觉：关于无穷的直觉往往是不合逻辑的。

不断地换房间确实有点儿麻烦——虽然房间都是完全相同的，而且每次有客人入住前都会重新打扫干净。不过客人们还是愿意住在无穷旅馆，因为它价格便宜（每晚只要1美元）又特别豪华。这怎么可能呢？每天，管理人员收到所有客房的房费，每个房间1美元，然后按如下方式支出：从编号1到1000的客房收来的房费，用来购置免费香槟和草莓、提供客房服务和支付所有其他开销——所有这些都只提供给1号客房。从编号1001到2000的客房收来的房费，按同样的方式为2号客房服务。这样，每间客房每天都会得到价值数百美元的物品和服务，管理人员也能从中赚取利润，所有这些都来自每个房间1美元的收入。

消息传开了，有一天一列无穷长的火车开过来，停在当地的火车站，载着无穷多的想住进无穷旅馆的人。发出无穷多的公共广播费时太长（而且酒店规定，每个客人每天被要求换房间的次数是有限的），但是没关系。管理人员只要宣布，“请所有客人立刻换到号码比现有房间号码大一倍的房间去”。显然客人们都可以做到。于是现在只有偶数号码的房间住了人，留下奇数号码的房间空着，可供新来的客人入住。这完全够接收无穷多的新客人，因为奇数数量与自然数数量完全相等，如图8-3所示。

图8-3 奇数数量与自然数数量完全相等

所以，第一个新来的客人住1号客房，第二个客人住3号客房，依此类推。

然后有一天，有无穷多列无穷长的火车到站，车上所有的人都是酒店的客人。但管理人员仍然泰然自若，他们只需要把公告变得稍微复杂一些，熟悉数学术语的读者可以在页脚注释[1]里看到这份公告。重点是：每个人都能住下来。

不过，在数学上有可能做到使无穷旅馆的容量不堪负荷。康托证明，并非所有的无穷大都是相等的，这是19世纪70年代的一系列重要发现之一。特别是，连续统的无穷大——有限线段里点的数量（与整个空间或时空里点的数量一样大）——比自然数的无穷大要大得多。康托证明这一点的方法，是证明自然数与线段里点的数量不存在一一对应：这些点的集合的无穷性比自然数集合的无穷性有着更高的阶。

康托的证明有一个版本称为对角线法。想象1厘米厚的一叠卡片，每张卡片都极其之薄，以至于0到1之间每个“实数”的厘米数都有对应的卡片。实数可以定义为0与1之间的十进制数，例如0.7071…，省略号仍然代表可能无限长的延续。不可能把每张这样的卡片都分配给无穷旅馆的一个房间。试想一下，假如卡片确实是这么分配的，会怎么样？我们可以证明，这会引起矛盾。它意味着卡片是以类似图8-4的形式分配给各个房间的。（图中的数具体是多少并不重要，我们将要证明，实数不能以任何顺序进行这种分配。）

图8-4 康托对角线法

注意看无穷数字序列中以粗体标注的数字，即“6996…”。然后考虑用以下方法构造一个十进制数：开始是0，后面跟一个小数点，后面任意继续，只除了每个数字都必须与无穷序列“6996…”里对应位置的数字不同。例如，我们可以挑选一个像“0.5885…”的数，对应这个数的卡片应当没有分配给任何房间，因为它的第一位数与分配给1号房间的卡片不同，第2位数与分配给2号房间的卡片不同，依此类推。它与已经分配出去的每张卡片都不同，因此，所有卡片都分配好了的原始假设带来了矛盾。

确实小到可以与自然数一一对应的无穷称为“可数无穷”，这个名字不太成功，因为没有人能数到无穷。但它的含义是，一个可数无穷集里的每个元素，原则上都可以通过按合适顺序去数这些元素来数到。比这更大的无穷称为不可数的。因此，任何两个相异的极限之间都有不可数无穷的实数。而且无穷的阶数也不可数，每一阶的无穷都大到无法与低阶无穷一一对应。

另一个重要的不可数集，是对无穷旅馆的客人和房间进行再分配的所有逻辑上可能的方案（或者用数学家的话来说是自然数所有可能的排列）。你可以轻松地证明，如果你想象用一个无穷长的表格列举任何一个再分配方案，如图8-5所示。

图8-5 描述一个客人再分配的方案

再想象把所有可能的再分配方案都列在表格里，一个接一个，然后“数”它们。对这个列表运用对角线法，可以证明这个表格是不可能实现的，因此，所有可能的再分配方案的集合是不可数的。

由于无穷旅馆的管理人员要用公共广播的形式具体说明一个再分配方案，说明的内容必须只包含一个有限的词语序列，也就只包含一个有限的字符序列。这类序列的集合是可数的，因而无限小于可能的再分配方案的集合。这意味着，所有逻辑上可能的再分配方案中，只有无穷小的一部分可以具体说明。对于无穷旅馆的管理人员那看似无穷无尽的把客人搬来搬去的能力，这是一个了不得的限制。几乎所有逻辑上可能的、把客人分配到各房间的方法，都是无法实现的。

无穷旅馆有一个独特的、自给自足的垃圾处理系统。每天，管理人员首先重新安排客人，确保所有房间都有人入住。然后他们发出如下公告：“在接下来的一分钟内，请所有客人将自己的垃圾装好袋，交给大一个编号的房间的客人。如果你在这一分钟内收到一个袋子，请在接下来半分钟内把它送出去；如果你在这半分钟内收到一个袋子，请在接下来四分之一分钟内把它送出去，依此类推（见图8-6）。”为了配合，客人们的行动必须相当快——不过谁也不必无穷快地行动，也不用处理无穷多的袋子。根据旅馆的规定，每个人都只采取有限次数的行动。两分钟后，所有的垃圾传递行动都结束了。因此，客人们开始行动之后两分钟，就没有人手里还有剩下的垃圾了。

图8-6 无穷旅馆的垃圾处理系统

旅馆里所有的垃圾都从宇宙中消失，去了不存在的地方。没有人把垃圾放到不存在的地方，每位客人只是把一部分垃圾移到另一个房间。这个作为所有垃圾的去向的不存在的地方，在物理学上称为奇点。奇点完全可能在现实中出现，在黑洞内部或其他地方。不过我离题了：我们仍然在讨论数学问题，不是物理问题。

当然，无穷旅馆有无穷多的员工，每位客人被分配了几名为其服务的员工。但员工自己也被当作客人看待，他们住在编了号的房间里，享受同其他客人一样的待遇：他们中的每一位，也被分配了几名为其服务的员工。不过，他们不准要求这些员工代替自己工作，因为如果所有人都这样做的话，旅馆就会陷入停顿。无穷并不是魔法，它有逻辑规则：这就是无穷旅馆思想实验的全部意义所在。

把自己所有的工作委托给更大编号的其他房间的员工，这种错误想法称为无穷回归。它是不可能无穷地有效进行的诸多事务中的一种。有一个老笑话说，有一个捣乱的家伙打断一场天体物理学讲座，坚称大地是平的，由站在巨龟之上的大象的脊背支撑。演讲人问：“乌龟由什么支撑？”“另一只乌龟。”“那这只乌龟又由什么支撑？”“你别以为我傻，”捣乱者得意扬扬地说：“是一直往下连绵不绝的乌龟呀。”该理论是一种坏解释，这不是因为它无法解释一切（没有理论可以解释一切），而是它因为最终没能解释的东西完全就是它一开始声称能够解释的东西。（生物圈的设计者由另一个设计者设计，如此这般无穷无尽，是无穷回归的另一个例子。）

有一天，在无穷旅馆里，一位客人的宠物小狗不慎钻到垃圾袋里去了。它的主人没有注意到，就把装着小狗的垃圾袋传递给了下一个房间，见图8-7。

图8-7 寻找小狗

两分钟之内，小狗就到了“不存在的地方”。悲痛欲绝的主人打电话到前台。接待员通过公共广播系统宣布：“我们对造成的不便表示歉意，但一件有价值的东西被不经意地扔掉了。请所有客人撤销他们刚刚完成的垃圾转移行动，按相反顺序传递，一旦从更高编号的房间收到垃圾袋就立刻开始。”

无济于事。没有客人退回任何垃圾袋，因为隔壁房间的客人也没有退回任何垃圾袋。说垃圾袋到了不存在的地方，绝不是夸张。它们并没有被塞进一个神秘的“编号为无穷大的房间”，而是不复存在了，小狗也是如此。除了把小狗转移到旅馆内部另一个编号的房间，再没有人对它做过什么。但它不在任何房间里。它不在旅馆里的任何地方，也不在其他的任何地方。在一家有限旅馆里，如果你把一个物体从一个房间移到另一个房间，不管方式多么复杂，它最后都会在其中某一个房间里。客人们对小狗进行的每个独立操作都既无害又可逆，但是这些行动加在一起就消灭了小狗，不可逆转。

逆转这些行动是行不通的，因为如果行得通的话，就无法解释为什么一只小狗会来到其主人的房间，而不是一只小猫。如果真的来了一只小狗，解释只能是，它是从大一个编号的房间传过来的——依此类推。但这整个无穷的解释序列永远无法解释“为什么是一只小狗”，这是一个无穷回归。

如果有一天1号房间确实来了一只小狗，它是从所有其他房间传过来的，会怎么样？这在逻辑上是不可能的：它完全缺乏解释。在物理上，可能会出来一只小狗的那个“不存在的地方”称为“裸奇点”。祼奇点出现在一些思辨性的物理学理论中，但这些理论理所当然地受到批评，原因是它们不能做出预测。正如霍金说过的，“（从一个裸奇点中）可能出来电视机。”如果存在一条自然法则，规定从里面能出来什么，情况就会不一样——那种情况下就不存在无穷回归，奇点也不会是“裸”的。大爆炸可能就是这样一种相对温和类型的奇点。

我说过，所有的房间都是一样的，但有一个方面不同：房间号码。因此，考虑到管理人员不时要求的任务类型，小号码的房间最受欢迎。例如，1号房间的客人享有永远不必处理其他人的垃圾袋的特权，搬到1号房间的感觉就像彩票中了头奖。搬到2号房间的感觉只比这稍差一点。但是，每一位客人的房间号码都异常靠近开端，因此每位客人都有优先于其他几乎所有客人的特权。政客承诺照顾每个人的利益的陈词滥调可以在无穷旅馆里实现。

每个房间都处在无穷的开始。这也是无界限的知识增长所具有的属性之一：我们只是刚刚触及皮毛，而且会永远这样。

因此，无穷旅馆里没有典型房间号之类的东西，每个房间号都是非典型地靠近开端。任何值的集合都有“典型”或“平均”的元素，这种直观想法不适用于无穷集。“罕见”和“常见”之类的直观想法也是如此。我们可能觉得，所有自然数有一半是奇数，一半是偶数，因此奇数和偶数在自然数中同样常见。但考虑以下重排方式（见图8-8）。

图8-8 自然数的一种重排方式，使得其中似乎有三分之一是奇数

这种重排方式使得奇数的常见程度好像只有偶数的一半。我们同样可以让奇数好像只占百万分之一，或者其他随便什么比例。因此，对于集合中元素所占比例的直观概念，必定也不适用于无穷集。

在令人震惊的小狗消失事件发生后，无穷旅馆的管理人员想让客人们振作起来，于是安排了一个惊喜。他们宣布，每位客人都可以获赠一本《无穷的开始：世界进步的本源》，或者一本我的旧作《真实世界的脉络》。分配方案如下：他们向每百万分之一的房间发放一本旧书，向其余的每个房间发放一本新书。

假设你是旅馆里的客人，一本用不透明的纸包装成礼品的书出现在你房间的传送槽里。你希望它是这本新书，因为你已经读过旧的那本了。你相当有信心认为它会是新书，因为你的房间收到旧书的可能性到底是多少？看起来像是百万分之一。

但是，你还没来得及撕开包装纸，广播通知又来了。每个人都要换房间，传送槽里会送来一张卡片，上面指定了房间号码。通知还说了，新的分配方案是，所有收到其中某一本书的客人搬到奇数号房间，收到另一本书的客人搬到偶数号房间，但没有说具体哪本对应什么样的房间。因此，你没法根据新的房间号来判断自己收到的是哪本书。用这种方法填满所有房间当然毫无问题：两本书都有无穷多的人收到。

你的卡片到了，你搬到新房间去了。现在你对于收到的书是哪一本是否把握更小了？想必没有。根据你先前的推理，现在你拿到《无穷的开始：世界进步的本源》这本书的可能性是二分之一，因为现在有“一半的房间”里放着这本书。由于这与前面百万分之一的估计相矛盾，你用来估算这些概率的方法肯定错了。事实上，所有估算这些概率的方法都是错的，因为正像这个例子说明的，在无穷旅馆里不存在你收到一本书或另外一本书的概率这类事物。

这在数学上并不重要。该例子只是再次说明，在对自然数的无限集进行比较时，概然或非概然、罕见或常见、典型或非典型之类的属性毫无意义。

但回过头来谈物理学时，这对人择观点来说是一个坏消息。想象一个宇宙的无穷集，所有的宇宙都有相同的物理规律，只有一个特定物理常数在每个宇宙中的取值不同，我们称这个常数为D。（严格说来，我们应该想象不可数无穷多的宇宙，就像前面说的无穷薄的卡片，但这只会让我要讲的问题更麻烦，所以就让我们简化处理好了。）假设其中有无穷多个宇宙的D的取值能产生天体物理学家，还有无穷多个的取值不能产生天体物理学家。然后我们对宇宙进行编号，所有有天体物理学家的宇宙编号为偶数，没有天体物理学家的宇宙编号为奇数。

这并不意味着有一半的宇宙里会有天体物理学家。就像在无穷旅馆里发书那样，我们同样可以通过编号使得只有每第三个宇宙甚或每第一万亿个宇宙才有天体物理学家，或者是只有每第一万亿个宇宙才没有天体物理学家。因此，微调问题的人择解释有错误：只要改变编号方式，就能让微调现象消失。我们可以随心所欲地编号，让天体物理学家看上去是正常情况，或反常情况，或两者之间的任何情况。

现在假设我们用不同的D值用相关物理定律计算天体物理学家是否会出现。我们发现，D值在比方说137到138的范围之外时，有天体物理学家的宇宙非常稀少，每万亿个这样的宇宙中只有一个拥有天体物理学家。D值在上述范围之内时，只有万亿分之一的宇宙没有天体物理学家；D值在137.4和137.6之间时，所有宇宙都有天体物理学家。让我强调一下，现实中我们对遥远的地方天体物理学家的产生过程所知甚少，没法计算这样的数值——而且可能根本不应该去计算，我将在下一章中解释这一点。不过，不管我们能不能计算，人择理论学家们总希望这样解读这些数值，如果我们对D进行测量，不太可能得到处在137到138的范围之外的值。但它们并没有这样的含义。我们只要对宇宙重新编号（对无穷的“牌”堆重新洗牌），就能使间距完全反过来，或者变成任何其他我们喜欢的样子。

科学的解释不可能取决于我们选择怎样给理论涉及的实体进行编号，因此人择推理本身不能做出预测。这就是为什么我在第4章里说它不能解释物理常数的微调。

物理学家李·斯莫林提出了人择解释的一个巧妙变种。它依赖于以下事实：根据某些量子引力理论，黑洞有可能在自身内部孕育出一个全新的宇宙。斯莫林设想，新宇宙可能有着不同的物理规律，而且这些规律会受到母宇宙条件的影响。尤其是，母宇宙里的智慧生物可能对黑洞施加影响，使其产生物理规律对人友好的更多宇宙。但这种解释（称为“进化宇宙论”）有一个问题：最开始有多少个宇宙？如果有无穷多个，我们就要面对怎样去数它们的问题——而且，每个拥有天体物理学家的宇宙能导致另外几个宇宙诞生，仅凭这个事实并不会使这类宇宙所占的比例得到有意义的增加。如果最开始没有宇宙，但整个体系已经存在了无穷长的时间，那这个理论就有无穷回归的问题。因为就像宇宙学家弗兰克·提普勒指出的那样，这样的话，整个集合体应当已经在“无穷长的时间以前”就进入了平衡态，意味着带来平衡的进化——被提出来解释微调的过程——从未发生（就好比消失的小狗处在不存在的地方）。如果起初只有一个或有限数量的宇宙，我们将面临原始宇宙的微调问题：它们是否包含天体物理学家？想必没有。但如果原始宇宙产生了许多代的后裔，其中有一个偶然拥有天体物理学家，那就仍然没有解释整个系统（它现在受到单一一条物理规律支配，其中明显的“常数”根据自然规律的不同而不同）为何允许产生了这个最终对天体物理学家友好的机制。这种巧合不存在人择解释。

斯莫林的理论做了件正确的事：它为所有宇宙的集合体提供了一个包罗万象的框架，以及不同宇宙之间的物理联系。但这个解释只能将宇宙与其“母宇宙”联系起来，而这是不够的，所以它不管用。

现在假设我们讲一个与现实有关的故事，它能把所有的宇宙都联系起来，并且为某一种对宇宙编号的方式赋予优先的物理意义。这类故事中有一个是这样的：有个女孩叫莱拉，出生在1号宇宙里，发现有一台设备可以把她带到其他宇宙里去。这台设备还使她能活在一个支持生命的小球内部，就算是在物理规律不支持生命的宇宙里也行。只要她按住设备上的某个特定按钮，就可以按照固定顺序不断从一个宇宙移到下一个宇宙，每次间隔刚好一分钟。只要松开按钮，她就会回到自己的宇宙。让我们按照设备拜访它们的顺序把这些宇宙编号成1、2、3……

有时莱拉会带上测量常数D的仪器，以及另一个测量宇宙中是否有天体物理学家的仪器（有点像SETI项目，但速度更快、更可靠）。她希望检验人择原理的预测。

但她只能访问有限数量的宇宙，没有办法判断这些宇宙是否能代表整个宇宙的无穷集。不过这台设备还有一个设定，它把莱拉带到2号宇宙需要1分钟，到3号宇宙需要半分钟，到4号宇宙需要四分之一分钟，依此类推。如果到2分钟的时候她还没有松开按钮，那么她将已经访问了无穷集里的每一个宇宙。在这个故事里，这指的是每一个存在的宇宙。随后，设备自动把她送回1号宇宙。如果她再次按下按钮，旅程就会从2号宇宙重新开始。

大多数宇宙只是一闪而过，快得莱拉根本来不及看到。但她的测量仪器不受人类感官的限制，也不受我们世界里的物理规律的限制。测量仪器打开之后，显示屏上就会显示所有经过的宇宙里测量值的平均数，不管它们在每个宇宙里花了多少时间。例如，如果偶数编号的宇宙拥有天体物理学家而奇数编号的宇宙没有，那么在穿过所有宇宙的两分钟旅程结束后，类似SETI的仪器将会显示0.5。因此，在这个多重宇宙体系里，说一半的宇宙拥有天体物理学家是有意义的。

使用一台以不同顺序访问同一批宇宙的宇宙旅行设备，得到的这个比例值会不同。但是，假设物理规律只允许用一种方式访问它们（就像我们的物理规律通常只允许我们按一种特定的顺序经历不同的时间）。由于现在测量设备只能以一种方式对平均值、典型值等做出反应，这些宇宙的一个理性中间人在思考概率、罕见与常见、典型与非典型、稀少与密集、有微调或无微调等时，将永远得到一致的结果。于是现在人择原理可以做出可检验的概率预测了。

这一点之所以成为可能，是因为有着不同D值的宇宙无穷集不再仅仅是一个集合，它是单一的物理实体，一个多重宇宙，其宇宙之间存在相互作用（莱拉的设备利用了这一点），使不同的部分彼此相关，从而为不同宇宙的比例和平均值赋予独特的意义，这个意义称为量度。

目前人们提出来解决微调问题的人择理论，没有一个能提供这样的量度。大多数此类理论只是“如果存在有不同物理常数的宇宙会怎样”之类的猜想。不过，有一个物理学理论出于独立的理由描述了一个多重宇宙，它里面所有的宇宙都有着同样的物理常数，宇宙间的作用不需要包含跨宇宙旅行或测量，但它的确为多个宇宙提供了一个量度。这个理论就是量子论，我将在第11章讨论。

一个集合与其自身的一部分一一对应，用这种方式来定义无穷集，是从康托开始的。在那之前和之后，数学外行们对无穷的非正式直观理解方式（也就是，“无穷代表‘比有限事物的任何有限组合更大’的事物”），与这个定义之间只存在间接关联。而这种直观理解是循环定义的，除非我们对于什么是有限以及什么是对有限进行“组合”的单一行动有着独立见解。直观答案将是以人类为中心的：如果某个事物原则上可以被人类体验所囊括，它必定是有限的。但“体验”又是什么意思？康托在证明有关无穷的理论时，是否“体验”了无穷？还是说他只体验到了符号？但我们总是只能体验符号。

我们可以转而谈及测量仪器以回避这种人类中心主义：如果一个量原则上可以由测量仪器标示出来，那么它必定既不是无穷大，也不是无穷小。但是，根据这个定义，就算其基本解释指向数学意义上的无穷集，一个量仍然可能是有限的。为了显示一个测量结果，仪表指针可能移动了一厘米，这是一个有限的距离，但它包含着不可数无穷多的点。这是因为，虽然点在对事物的最低层次解释中经常出现，但预测中从来没有出现过点的数量。物理学只管距离问题，而不管这段距离里点的数量。同样地，牛顿和莱布尼茨能用无穷小距离来解释瞬时速度之类的物理量，但实际上抛射体的连续运动中并没有物理上的无穷小或无穷大。

对于无穷旅馆的管理人员，播发一条有限的公共广播公告是一种有限的操作，虽然它会导致旅馆在数量无穷多的事件中发生转变。但另一方面，大多数逻辑上可能的转变只能通过数量无限多的此类公告实现，而他们世界里的物理规律不允许这样做。请记住，无穷旅馆里没有人能采取数量超出有限的行动，不管是员工还是客人。同样地，在莱拉的多重宇宙中，测量仪器可以利用它能在有限的两分钟旅程里获得无穷多个测量值的优点，因此这在那个世界里是一个物理上有限的操作。但以不同顺序对同一个无穷集取“平均”，需要进行无穷多次这样的旅行，这又不是那个世界的物理规律所容许的。

只有物理定律能确定什么东西在本质上是有限的。不能认识到这一点，经常会造成混乱。埃里亚的芝诺的悖论（例如说阿基里斯[2]跑不过乌龟）就是早期的例子。芝诺得出结论说，在阿基里斯和乌龟的赛跑中，如果乌龟在他前方出发，他就永远也追不上乌龟——因为当阿基里斯到达乌龟起跑的地方时，乌龟已经往前移动了一点；当他达到这个新的地点时，乌龟又往前移动了一点，如此这般无穷无尽。因此，“追上”的过程需要阿基里斯在有限的时间里进行无穷多次追赶，而他身为一个有限的人是假定做不到这一点的。

你看出芝诺在做什么了吗？他只是假定，数学上碰巧被称为“无穷”的概念忠实地反映了物理境况的有限与无限的区别。这是完全错误的。如果他抱怨无穷的数学概念没有意义，那么我们可以让他参考一下康托的理论，后者表明这个概念是有意义的。如果他抱怨阿基里斯赶上乌龟的物理事件没有道理，那他就是在声称物理规律不一致——但它们是一致的。但他是抱怨说，人不能体验一条连续路径上的每一个点，所以运动存在着某种不一致，那他就是把两种不同的、碰巧都称为“无穷”的东西搞混了。他所有的悖论中，除了这个错误就没有别的了。

阿基里斯能怎么样或者不能怎么样，不能从数学推导得来。它仅仅取决于相关的物理规律。如果物理规律决定阿基里斯能在给定时间里追上乌龟，他就能追上。如果这碰巧需要进行无穷多步的“朝特定地点移动”，那就会有这样的无穷多步。如果这需要他经历不可数无穷多的点，他就会经过这些点。但物理上没有发生什么无穷。

因此，物理规定不仅决定了罕见与常见、概然与非概然、有微调或没有微调之间的区别，也决定了有限与无穷之间的区别。正如同一个宇宙集合用一套物理规律测量时充满了天体物理学家而用另一套测量时却几乎没有，同一个事件序列既可能是有限的也可能是无穷的，取决于物理定律是什么样。

芝诺对另外几个数学抽象概念也犯了同样的错误。总体而言，他的错误在于把数学上的抽象属性与相同名称的物理属性搞混了。因为有可能证明与这个数学属性有关的定理，而它们是绝对必然真理，人就容易被误导认为，自己掌握了关于物理规律如何决定物理属性的先验知识。

另一个例子发生在几何学中。许多世纪以来，人们并没有弄清它作为数学系统与作为物理理论的区别——起初这没有什么危害，因为与几何学相比，当时的其他科学太简单了，而且欧几里得理论对当时的各种目的来说都是非常好的近似。但是，哲学家康德（1724—1804）虽然非常清楚数学上的绝对真理与科学上的偶然真理之间的区别，却还是得出结论说，欧几里得几何理论是不证自明的自然真理。因此他相信，不可能去理性地怀疑一个真实三角形的内角和为180度。通过这种方式，他把从前无害的误解变成了他的哲学中的一个核心错误，即认为人可以“先验了解”（也就是说不进行科学研究就了解）一些关于现实世界的特定真理。当然更糟糕的是，“了解”非常不幸地代表着“证明”。

不过，在康德宣布不可能怀疑现实空间的几何是欧几里得几何之前，数学家们已经开始怀疑这一点了。此后不久，数学家高斯居然去测量了一个巨大三角形的内角[3]——不过没发现与欧几里得的预测有偏差。最终，比高斯的实验更加精确的实验证明了爱因斯坦弯曲时空理论，它与欧几里得理论相矛盾。在地球附近的空间里，一个巨大三角形的内角和可能达到180.0000002度，现今的卫星导航系统等必须考虑到它与欧几里得几何之间的差异。在其他情形下（例如黑洞附近），欧几里得几何与爱因斯坦几何之间的差异非常大，以至于无法再用“偏差”来描述。

同一错误的另一个例子发生在计算机科学中。图灵创建出计算理论，最初不是为了建造计算机，而是为了研究数学证明的性质。1900年，希尔伯特向数学家们发出挑战，要求他们建立一个关于证明的严格理论，条件之一是证明必须是有限的：它们必须从数量有限的、以有限方式表达的公理出发，并且只包含数量有限的基本步骤，步骤本身也必须是有限的。图灵理论所理解的计算，与证明在本质上相同：每个有效证明都可以转换成一个计算，计算机能通过该计算根据前提得出结论；每个能正确执行的计算都是一个证明，输出值就是对输入值进行给定操作产生的结果。

现在，计算还可以理解成对函数进行计算，以任意自然数为输入值，输出值取决于对该输入值进行的特定操作。例如，使数增大一倍就是一个函数。无穷旅馆要求客人换房间的方式，通常是指定一个函数，让客人全都以不同的输入值（他们的房间号）对函数进行计算。图灵的结论之一是，几乎所有逻辑上存在的数学函数都不能用任何程序进行计算。出于同样的原因，绝大多数逻辑上可能的无穷旅馆换房间方案，也不能由管理人员发出的任何指令实现：所有函数的集合是不可数无穷，而所有程序的集合只是可数无穷。（这也是为什么说所有函数的无穷集的“几乎所有”元素都具备某个特定属性是有意义的。）因此，就像数学家哥德尔用另一种方法研究希尔伯特挑战时所发现的那样，几乎所有的数学真理都没有证明，它们是不可证明的真理。

这还意味着，几乎所有的数学陈述都是不可判定的：既不能证明它们为真，也不能证明它们为假。它们每一个都是要么真要么假，但没有办法用大脑或计算机之类的物理对象来发现哪个真哪个假。物理规律只给我们提供了一个狭窄的窗口，通过这个窗口我们可以窥见抽象世界。

所有不可判定的陈述都直接或间接地与无穷集有关。对于反对数学无穷大的人来说，这是由于此类陈述没有意义。但对我来说，它是一个强有力的论证（就像霍夫施塔特的641论证一样），显示抽象事物是客观存在的。因为它意味着，一个不可判定陈述的真假值绝不仅仅是一种描述物理对象（如一台计算机或一批多米诺骨牌）的便利手段。

有趣的是，极少有问题被人们了解是不可判定的，虽然绝大多数问题都不可判定——我后面还会讲到这一点。但有许多未解开的数学猜想，其中有些很可能不可判定，例如“孪生素数猜想”。孪生素数是一对差值为2的素数，例如5和7。孪生素数猜想认为，不存在最大的孪生素数，也就是说，存在无穷多的孪生素数。为了讨论方便起见，假设这个观点用我们的物理学不可判定，而用其他任何物理规律都可以判定。无穷旅馆的管理人员具体怎样解决孪生素数问题，对我的讨论并不重要。但为了让有数学头脑的读者明白，我还是在这里把它写出来。管理人员会这样通知：

首先：请在1分钟内检查你的房间号码和比它大2的号码是不是两个素数。

下一步：如果它们是两个素数，请通过号码较小的房间把消息传送下去，说你找到了一对孪生素数。请使用平常用来快速传递消息的方法（允许花1分钟完成第一步，此后每一步所用时间为上一步的一半）。把此类消息存储在此前没有记录过此类消息的最小号码的房间里。

下一步：检查号码比你的房间大1的房间。如果这位客人没有这样的记录，而你有，就向1号房间发送消息说，存在一对最大的孪生素数。

5分钟后，管理人员就会知道孪生素数猜想的真相。

所以，不可判定的问题、不可计算的函数、不可证明的命题在数学上没有什么特别之处。它们只在物理学上有区别。不同的物理规律会造成不同的无穷事物、不同的可计算事物、不同的可了解真理（包括数学上的和科学上的）。只有物理规律能够决定，哪些抽象实体及关系能由数学家的大脑、计算机和纸张之类的物理实体来模拟。

有些数学家好奇，在希尔伯特提出他的挑战时，有限性是否真的是证明的一个本质特征（表示数学上的本质）。毕竟，无穷在数学上是有意义的，无穷的证明凭什么不是？希尔伯特讥笑了这一观点，尽管他是康托理论的坚定捍卫者。他和他的批评者都犯了与芝诺相同的错误：他们都假定某一类抽象实体能证明事物，而数学推理能决定该类别是什么。

但如果物理规律实际上与我们现在认为的不同，那么我们能证明的数学真理集合也将与现在不同，可以用来证明它们的操作也会不同。我们所知的物理定律，碰巧给对独立信息单元（二进制数字或逻辑真/假值）进行的非、与、或之类的操作赋予了某种特权地位。这就是为什么这类操作以及单元在我们看来是自然、基本和有限的。如果物理规律像无穷旅馆的那样，就会有另外的、对单元的无限集进行的特权操作。在另一些物理规律下，非、与、或操作将是不可计算的，而有些在我们看来不可计算的函数看起来将是自然、基本和有限的。

这将我引向另一种由物理定律造成的区别：简单与复杂。大脑是物理对象，思考是物理规律允许的计算。有些解释可以轻松快速地弄懂，比如“如果苏格拉底是男人，柏拉图也是男人，那么他们都是男人”。这之所以很简单，是因为它可用短句来陈述，依赖于一个基本操作（即与）的性质。还有一些解释天生难懂，因为它们最短的形式仍然很长，而且依赖于许多这样的操作。但不管解释的形式是长是短，需要的基本操作是很少还是很多，完全取决于用来陈述和理解它们的物理规律。

量子计算目前被认为是完全通用的计算形式，它刚好与图灵的通用经典计算有着相同的可计算函数集合。但量子计算粉碎了关于“简单”或“基本”的经典理念。它使一些直观上看起来非常复杂的东西变得很简单。量子计算的基本信息存储实体“量子比特”很难用量子理论之外的术语解释。而以量子物理学的角度来看，普通的比特是一个特别复杂的东西。

有些人反对说，量子计算不是“真正的”计算，它只是物理学、工程学。对这些人来说，奇怪的物理规律使奇怪的计算形式成为可能，这种逻辑上的可能性并没有触及证明“到底”是什么的问题。他们的反对言论大概会是这样：在合适的物理规律下，我们固然可以计算图灵不可计算的函数，但那不是计算。我们可以对图灵不可判定的命题确立真假，但这种“确立”并非证明，因为到那时我们关于该命题是真还是假的知识将永远取决于我们关于物理规律的知识。如果有一天我们发现真实的物理规律不同，可能也必须改变对证明及其结论的看法。因此，它不是真正的证明：真正的证明是独立于物理学的。

这又是那种相同的误解（其中也有一些寻求权威的证明主义因素）。我们关于一个命题是真是假的知识，永远取决于我们关于物理对象的行为的知识。如果我们对计算机或大脑在做什么改变看法，例如，如果我们断定，自己关于在证明中已经进行了哪些步骤的记忆是假的，就必须改变有关我们是否证明了什么东西的观点。而如果我们对物理规律让计算机做了什么改变看法，也是一样。

数学命题的真假确实与物理无关，但这样一个命题的证明却完全是物理问题。不存在抽象的证明，正如不存在抽象的了解。数学真理是绝对必要并且超验的，但所有的知识都由物理过程产生，其适用范围和局限性受自然规律制约。人们可以定义一类抽象实体并称之为“证明”（或者计算），就好比可以定义一些抽象实体并称之为三角形，使它们服从欧几里得几何学。但你永远不可能从这个“三角形”理论推导出，当你沿着由三条直线组成的封闭路线行走时会转多大的角。数学上“理论的证明”与现实中能不能证明或了解什么真理毫无关系。同样地，抽象的“计算”理论也与现实中能不能计算什么毫无关系。

因此，计算或证明是一个物理过程，在此过程中，计算机或大脑之类的对象，把数或方程之类的抽象实体从物理上进行模拟或实例化，并模拟其属性。这就是我们了解抽象的窗口。这之所以有效，是因为我们只在拥有好解释的时候使用这些实体，这些解释表明那些对象里的相关物理变量的确能对那些抽象属性进行实例化。

因此，我们的数学知识的可靠性，永远从属于我们关于物理现实的知识的可靠性。每个数学证明的有效性，都绝对取决于我们已正确了解是什么样的规律在支配某些物理对象（如计算机、墨水和纸张、大脑）的行为。因此，与希尔伯特以及从古到今大多数数学家的观点相反，证明理论永远不会成为数学的一个分支。证明理论是一门科学：具体地说，它是计算机科学。

为数学寻找一个绝对安全的基础，这个动机根本就是错的，它是一种证明主义。数学的特点在于它对证明的运用，正如科学的特点在于它对实验检验的运用。两者的特点都不在于其目的。数学的目的是理解——解释——抽象实体。证明主要是用来排除错误解释的一种手段，有时它还能提供一些需要解释的数学真理。但是，像所有可能取得进步的领域一样，数学追求的并非随机真理，而是好解释。

物理规律显得似乎经过微调，以三种密切相关的方式：它们都可以用基本操作的单一有限集来表达；它们的有限操作和无穷操作有着同样一种区别；它们的预测都可以由单一物理对象——一台通用经典计算机进行计算（虽然通常可能要量子计算机才能有效模拟物理学）。这是由于物理规律支持这样一种计算通用性，即人类大脑可以预测和解释与人类极不相同的对象（如类星体）的行为。而且，同样的通用性使像希尔伯特这样的数学家可以建立对证明的直观感受，并且错误地认为它是独立于物理学的。但它并非独立于物理学：仅在支配我们的世界的物理学里面，它才是通用的。如果类星体的物理学与无穷旅馆的物理学类似，取决于一些我们称为不可计算的函数，我们就无法对类星体进行预测（除非能用类星体或其他依赖相同规律的对象来建造出计算机）。在比这还要怪一点的物理规律下，我们将不能解释任何东西——也就不能存在。

因此，我们实际发现的物理规律确实有某种特殊——无穷特殊——的地方，它们格外地计算友好、预测友好并且解释友好。物理学家尤金·维格纳称之为“数学在自然科学中不合理的有效性”。出于我讲过的理由，仅靠人择论证不能解释这一点。要用别的东西来解释。

这个问题似乎会吸引坏解释。对于数学在科学里不合理的有效性，宗教人士倾向于在其中看到天意，有些进化论者在其中看到进化的印记，有些宇宙学家在其中看到人择效果。同样地，有些计算机科学家和程序员在其中看到天空中的一台巨大计算机。举例来说，这种想法的一个版本是，我们通常认为的现实可能全都是虚拟现实，是在一台巨大的计算机——大模拟器——上运行的一个程序。乍看起来，这很有希望解释物理学与计算之间的联系：物理规律之所以能用计算机程序表述，可能是因为它们本来就是计算机程序。我们的世界里计算通用性的存在，也许是计算机（在这里是大模拟器）模拟其他计算机的能力的一个特例——依此类推。

但这个解释是一种妄想，它是一个无穷回归，因为需要放弃科学上的解释。如果我们和我们的世界都由软件组成，计算通用性的本性就决定了我们无法理解真正的物理学——大模拟器的硬件所依赖的物理学。

另一种把计算置于物理学的核心、解决人择推理的模糊性的方式，是想象所有可能的计算机程序都在运行。我们认为的现实，只是由一个或多个此类程序产生的虚拟现实。然后我们用所有此类程序的平均来定义“常见”和“罕见”，按程序长度（每个程序包含多少基本操作）进行计数。但这再一次假定，对于什么是“基本操作”存在一个首选概念。由于程序的长度和复杂度完全取决于物理规律，这一理论仍然要求存在一个供这些计算机运行的外部世界，这个世界对我们将是不可知的。

这两种方法失败的原因在于，它们试图扭转物理学与计算之间的真实解释连接的方向。它们看起来有道理，完全是因为人们把芝诺的标准错误运用在了计算上，误认为经典可计算函数集合在数学中有着先验优势地位。但它并没有。这个操作集合唯一的优势是，它由物理规律实例化了。如果认为计算在某种程度上先于物理世界产生自己的规律，那就丧失了通用性的全部意义。计算通用性完全是在说我们的物理世界内部的计算机，它们由通用物理规律彼此关联，我们（因此）能了解这些规律。

对于我们能了解什么、数学和计算可以实现什么的所有这些严厉限制，包括数学上不可判定问题的存在，这些东西怎样与“问题是可解决的”这一信条协调一致？

问题是思想观念之间的冲突。大多数抽象地存在的数学问题从来都不会成为此类冲突的主题，因为它们从来不是好奇的对象，从来不是对于抽象世界某些属性的互相冲突的误解的焦点。简单地说，它们大多数毫无趣味。

此外，回想一下，找到证据不是数学的目的，它仅仅是数学的方法之一。数学的目的是去理解，而且就像其他所有领域一样，数学的总体方法是提出假设、根据它们身为好解释的程度来进行批评。不可能仅通过证明一个数学命题为真来理解一个命题。这就是为什么会有数学讲座，而不是只罗列证明。而且，反过来，一个命题缺少证明并不代表它无法理解。相反，事情发生的顺序往往是：数学家首先理解了某种存在疑问的抽象事物，然后利用这些理解去猜想怎样证明有关这些抽象事物的正确命题，然后再证明它们。

一个数学定理可以得到证明但永远很无趣。一个未经证明的数学猜想，即使几百年得不到证明，甚至不可证明，也可能产生丰富的解释。有一个例子是个已知的猜想，用计算机科学术语来说是“P≠NP”。它大体上是说，存在一些数学问题，其答案一经获得就可得到有效的核实，但不能先由一台通用（经典）计算机进行有效的计算（“有效”的计算有技术性定义，与我们实际说起这个词来时所指的含义大体相似）。几乎所有研究计算理论的人都确信，该猜想为真（这进一步推翻了数学知识仅由证明组成的观念）。这是因为，虽然我们还不知道这些问题的证明，但对于我们为何预期它们为真，存在着非常好的解释，而且没有相反的解释。（据认为，对量子计算机来说也是这样。）

而且，有大量既有趣又有用的数学知识建立在这一猜想之上，其中包括像“如果该猜想为真，则会有如此这般的有趣后果”这种形式的定理。还有一些数量较少但也非常有趣的定理，它们关心的是如果该猜想为假会有什么样的后果。

一个数学家研究一个不可判定的问题时，可能会证明它不可判定（并解释为什么）。从这个数学家的角度来看，这就是一种成功。虽然它没有回答这个数学问题，却解决了数学家的问题。就算是研究那种不会带来任何此类成功的数学问题，也不等于创造知识失败了。人们每次努力解决一个数学问题却以失败告终，就是发现了一个定理（通常也是一个解释），其内容是为什么这种解决方法行不通。

因此，不可判定性与“问题是可以解决的”这一信条并不矛盾，正如它与物理世界中存在我们永远不能了解的真理这个事实并不矛盾。我预期有一天我们会拥有能够精确数出地球上有多少粒沙子的技术，但我怀疑我们永远也不会知道阿基米德时代的沙粒数量是多少。实际上，我在前面已经讲了一些关于我们能了解和实现什么的更严厉的限制。其中有通用物理规律直接施加的限制，诸如我们不能超越光速。还有认识论上的限制，诸如我们除了用猜想和批评的易谬主义方法之外，没有其他创造知识的途径；错误是不可避免的，只有纠错过程能长期成功或持续。所有这些都与上述信条不矛盾，因为其中没有哪条限制会引发不可解决的解释冲突。

因此我猜想，在数学、科学和哲学上，如果某个问题是有趣的，那么这个问题就是可解决的。易谬主义告诉我们，对于什么是有趣的，我们可能会犯错。因此，这一猜想有3条推论。第一条是，本质上无法解决的问题是本质上无趣的。第二条是，长远而论，有趣或无聊之间的区别不是一种主观感觉，而是一个客观事实。第三条是，为什么每个有趣的问题都是可解决的，这个有趣的问题本身也是可解决的。现在，我们不知道为什么物理规律看上去是经过微调的；我们不知道为什么存在不同形式的通用性（虽然我们知道它们之间存在许多关联）；我们不知道为什么世界是可解释的。但最终我们会知道。而当我们知道了这些之后，又会有无穷多的新东西等着我们去解释。

所有对知识创造的限制中，最重要的一种限制是：我们不能预言，也就是说，我们不能预测尚未被创造出来的思想观念会有什么样的内容和影响。这一限制不仅与知识的无限增长一致，也是后者必需的，我会在下一章里解释。

问题是可解决的，并不意味着我们已经知道了解决问题的方案，或者可以按要求产生出解决方案，那将近乎神创论。生物学家彼得·梅达沃将科学描述成“可解决的艺术”，这个形容适用于所有形式的知识。所有类型的创造都包括关于哪些方法可能有用或无用的判断。对特定问题或子问题产生兴趣或失去兴趣，是创造性过程的一部分，本身也是问题解决过程的一部分。因此，“问题是否可以解决”并不取决于任何特定的问题能否回答，或者能否在特定时候由特定的思考者回答。但如果进步取决于打破某个物理规律，那么“问题是可以解决的”就是错的。

术语

一一对应——用一个集合里的每个元素对另一个集合里的每个元素进行计数。

无穷（数学意义上的）——如果一个集合能与自身的一部分一一对应，它就是无穷的。

无穷（物理意义上的）——一个相当模糊的概念，其含义类似于“比任何在原则上可由体验囊括的事物更大”的某种东西。

可数无穷——小到可与自然数一一对应的无穷。

量度——一种方法，一个理论可以通过该方法使事物（如宇宙）无限集的比例和平均具有意义。

奇点——一种状况，在这种状态下，某种物理事物变得无边界地大，但保持处处有限。

多重宇宙——一个统一的物理实体，包含一个以上宇宙。

无穷回归——一种错误。在此类错误中，一个论述或解释依赖于一个相同形式的子论述，后者声称要着手解决的问题与原始论述的问题本质上是同一个。

计算——一个物理过程，能对某些抽象实体的性质进行实例化。

证明——一种计算，如果有了运行它的计算机怎样运作的理论，它就能确立某些抽象命题的真实性。

“无穷的开始”在本章的意义

——人们对无穷（和通用性）的古老反感的终结。

——微积分，康托的理论与其他有关数学无穷大和无穷小的理论。

——沿无穷旅馆的走廊里所见的景象。

——无穷序列的属性，每个元素都格外地接近开始。

——理性的通用性。

——一些思想的无穷延伸范围。

——一个多元宇宙的内部结构，使“宇宙的无穷”具有意义。

——未来知识的内容的不可预测性，是知识无限增长的必要条件。

小结

我们可以通过一些解释的无穷延伸来理解无穷。无穷在数学和物理上都有意义，但它具有反直观的属性，希尔伯特关于无穷旅馆的思想实验展示了其中一些这类属性。属性之一是，如果真的会出现无穷的进步，那么我们不仅是目前处于接近起点的地方，还将永远处在接近起点的地方。康托利用他的对角线法证明，无穷有无穷多的层次，物理学至多用到了最开始的一层或两层：自然数的无穷和连续统的无穷。在观察者有无穷多个相同副本的地方（例如多重宇宙中），概率和比例并无意义，除非这些副本总体上拥有一个结构，而该结构服从那些赋予这些概念以意义的物理规律。一个纯粹的无穷宇宙序列不具备这样的结构，就像无穷旅馆的房间一样，这意味着人择推理本身是不足以解释物理常数“微调”的表象。证明是一种物理过程：一个数学命题是否可以证明、是否可判定，都取决于物理规律，这决定了哪些抽象实体和关系可用物理对象来模拟。同样，一个任务或模式是简单还是复杂，也取决于物理规律是什么样。

[1] 他们首先对原有客人广播“对每个自然数N，请房间编号为N的客人立刻搬到编号为N(N+1)/2的房间去”。然后广播“对所有自然数N和M，请第M列火车的第N号旅客入住编号为[(N+M)2+N－M]/2的房间”。——原注

[2] 阿基里斯，古希腊神话中的勇士，荷马史诗《伊利亚特》里的重要人物。——译注

[3] 高斯曾主导汉诺威公国的大地测量工作，其间对相距甚远的三个山头构成的三角形测量内角和，希望验证非欧几何的正确性。——译注

第9章 乐观主义

可能性在未来世界里是无限的。当我说“保持乐观是我们的责任时，”不仅包括未来世界的开放性，也包括我们所做的一切对未来世界的贡献：我们全要对未来世界里有些什么而负责。因此，我们的职责不是预言邪恶，而是为更美好的世界而战斗。

——卡尔·波普尔：《框架的神话》（1994）

马丁·里斯疑心，文明能在20世纪生存下来实属幸运。因为在整个冷战期间，始终存在爆发另一场世界大战的可能性，而这场战争会用到氢弹，文明将被摧毁。这种危险性现在似乎已经减弱了，但里斯在2003年出版的《我们最后的世纪》一书中得出了令人担忧的结论，认为文明现在只有50%的机会可以在21世纪生存下去。

这一次仍然是因为，新创造出来的知识有着带来灾难性后果的危险。例如，里斯认为，能够毁灭文明的武器（特别是生物武器）可能很快就会变得非常容易制造，无法阻止恐怖组织甚至心存恶意的坏人获得这些武器。他还担心意外灾难，例如从实验室里逃逸出来的转基因微生物使一种无法治愈的疾病发生大流行。智能机器人和纳米技术（原子尺度上的工程学）“长远来看可能是更大的威胁”，他写道，而且“物理学也将很危险，这不是什么难以让人信服的事情”。例如，有人曾提出，基本粒子加速器暂时制造出来的条件，在某些方面比大爆炸以来的任何条件更极端，有可能打破真空的稳定性，摧毁整个宇宙。

里斯还指出，要让他的结论成立，这些灾难中间没有哪一种必须有可能发生，因为我们只需要倒霉一次就够了，而我们每次在诸多领域里取得进步，都会招致新的风险。他将这比作玩俄罗斯轮盘赌[1]。

但人类生存条件和俄罗斯轮盘赌之间有一个关键的区别：玩俄罗斯轮盘赌获胜的概率不受玩游戏的人想什么或做什么的影响。按游戏规则看，是一个纯靠运气的游戏。相比之下，文明的未来却完全取决于我们所想和所做的。如果文明衰落，不是因为我们碰上了，而是我们自己的选择带来的后果。如果文明生存下来了，将是因为人们成功地解决了生存问题，这同样不会是偶然发生的。

文明的未来和俄罗斯轮盘赌的结果都不可预测，但它们是两种不同意义上的不可预测，其原因彼此完全不相干。俄罗斯轮盘赌仅仅是随机的。虽然我们无法预测结果，但只要大家都遵守游戏规则，我们就知道可能会有些什么样的结果，以及每个结果的概率如何。文明的未来是不可知的，因为影响它的知识尚未创造出来。因此，我们连可能会有什么样的结果都不知道，更不要说它们的可能性。

知识的增长改变不了这一事实。相反，它是造成这一事实的重要原因：科学理论预测未来的能力，取决于其解释的延伸，但没有什么解释的延伸范围大到能预测它自身的后继者将包含什么内容——或者会有什么影响，或者预测人们尚未想到的其他思想观念的内容与影响。正如在1900年没有人能预见20世纪出现的创新会带来什么结果（包括核物理学、计算机科学和生物技术之类的全新领域），我们自身的未来也将由我们尚未拥有的知识来塑造。我们甚至不能预测到我们会遇到的大多数问题会是什么，或者大部分能解决这些问题的机遇是怎样，更不用说解决方案和试图解决的方案，以及它们将如何影响事件。生活在1900年的人并不是认为互联网或核电不可能出现，他们根本没有想到过这些东西。

对于其进程将受到新知识创造的重大影响的现象，没有好的解释可以预测其结果，或者某个结果的概率。这是科学预测的延伸范围所受的一种根本限制，在计划未来时，向这一限制进行妥协是至关重要的。我沿用波普尔的做法，用预测一词来表示好解释对未来事件的结论，用预言一词表示声称对某些尚不可知的事物有所了解。试图了解不可知的事物，会把人们无情地引向错误和自我欺骗，还会造成一种悲观倾向。例如，物理学家阿尔伯特·迈克尔逊在1894年对物理学的未来做出了如下预言：

物理科学最重要的基本规律和事实都已经被发现了，并且被牢固地确立下来，以至于它们因新发现而被取代的可能性极其渺茫……我们未来的发现必须在小数点后第六位上寻找。

——阿尔伯特·迈克尔逊，在芝加哥大学瑞尔森物理实验室成立仪式上的讲演（1894年）

迈克尔逊在断定他所知道的物理学基础只有“极其渺茫”的机会被取代时，究竟是在做什么？他在预言未来。怎么个预言法？以当时最好的知识为基础。但那是1894年的物理学！虽然它在无数应用中都既强大又准确，但并没有能力预测其后继者的内容。而且它根本不适合用来想象相对论和量子理论将会带来的变化——这也是为什么想象到了这些东西的物理学家们获得了诺贝尔奖。迈克尔逊不会把宇宙膨胀、平行宇宙的存在或重力的不存在放进机会性“极其渺茫”的可能的新发现列表中，他根本就没有想到过这些。

此前一个世纪，数学家约瑟夫—路易斯·拉格朗日曾评论说：艾萨克·牛顿不仅是有史以来最伟大的天才，也是有史以来最幸运的天才，因为“世界体系只能被发现一次”。拉格朗日可能永远都不会知道，他自己的一些工作，在他看来仅仅是把牛顿理论翻译成一种更优雅的数学语言，但其实是朝着取代牛顿的“世界体系”迈进了一步。不过迈克尔逊活着看到了一系列发现强有力地推翻了1894年的物理学和他本人的预言。

同拉格朗日一样，迈克尔逊自己也已经在不经意间为新系统做出了贡献，用的是一个实验结果。1897年，他与同事爱德华·莫雷观察到，当观察者移动的时候，光相对于观察者的速度保持不变。这个令人震惊的反直觉事实，后来成为爱因斯坦狭义相对论的核心。但迈克尔逊和莫雷都没有认识到，这正是他们所观察到的东西。观察是理论负载的。仅凭一个实验上的奇怪现象，我们无法预测它的最终解释将仅仅是纠正一个不重要的狭隘假设还是对整个学科进行革新。我们只有在从新解释的角度看待它之后，才能弄清这一点。在此期间，我们别无选择，只能通过现有的最好解释来看世界，这些解释中包括我们现有的错误观念。这会使我们的直觉存在偏见，抑制我们去设想重大变化。

当对未来事件的决定因素不可知的时候，人们应该怎样做准备？能怎样做准备？鉴于其中一些决定因素超出了科学预测的延伸范围，什么样的哲学才能正确地描述未知的未来？要探索不可知的——不可设想的事物，合理的方法是什么？这正是本章的主题。

“乐观主义”和“悲观主义”这两个词一直以来都与不可知的事物有关，但它们最初并不像现在那样专门用于谈及未来。最初，“乐观主义”是一种学说，认为世界（包括过去、现在和未来）好得不可能更好。乐观这个词最初用来描述莱布尼茨（1646—1716）的一个观点，他认为“完美”的上帝不可能创造比“所有可能的世界中最好的一种”更差的东西。莱尼布茨相信这个观点解决了“邪恶问题”（我在第4章谈过该问题），他提出，世界上所有明显的恶都被其良好结果压倒，只是这些结果太过遥远以至于人们了解不到。所有未能发生的明显的好事（包括人类未能成功实现的所有改善），之所以未能发生，都是因为它们会导致足以压倒自身的坏结果。

由于结果是由物理定律来决定的，莱布尼茨的观点很大程度上是在说物理规律好得不可能更好。根据莱布尼茨的观点，所有能使科学进步更容易、使疾病成为不可能、甚至使某种疾病变得不那么痛苦的其他物理定律（简单地说，就是所有其他能够看起来比我们充满瘟疫、磨难、暴政和自然灾害的真实历史好一些的替代方案），其实总体上都会使事情更糟糕。

这个理论是一个坏得惊人的解释。用这种方法，不仅任何观察到的事件序列都可以解释成“最好”，另一个莱布尼茨还可以同样有效地断言，我们生活在所有可能的世界中最坏的那个世界里，每件好事都必定是为了阻止更好的事发生。事实上有些哲学家（如亚瑟·叔本华）就是这么说的。这种立场在哲学上称为“悲观主义”。用这种方法，还可以说世界处在可能的最好状况与可能的最坏状况的正中间，如此种种。请注意，尽管这些理论表面上存在分歧，但它们有一个很重要的共同点：如果其中任何一个是正确的，理性将对于发现真正的解释近乎无能为力。因为，我们总是可以想象出比所观察到的更好的情况，就总是会误以为它们确实更好，不管我们的解释有多好。因此，在这样一个世界里，事件的真正解释甚至是永远不可想象的。例如，在莱布尼茨的“乐观主义”世界里，我们试图解决一个问题时遭遇失败，是因为我们被一个难以想象地庞大的智慧挫败了，该智慧断定这对我们是最好的。而且更糟糕的是，每当有人拒绝理性而决定去依靠坏解释或逻辑谬误（或者干脆是纯粹的恶意），他们总是可以得到一个总体上更好的结果，比大多数理性和好意可能带来的结果更好。按照我对悲观主义的定义，原始的“乐观主义”与原始的“悲观主义”这两种思想都接近纯悲观主义。

在日常习惯中，有一个常见的说法是，“乐观主义者说玻璃杯有一半是满的，而悲观主义者说有一半是空的”。这两种态度都不是我要谈的，它们不是哲学问题而是心理问题——更多的是“倾向性”而不是实质。乐观和悲观这两个词还常用来指情绪，如快乐或忧郁，但同样，情绪并不会使任何关于未来的特定立场成为必然：政治家温斯顿·丘吉尔患有严重的抑郁症，但他对文明的未来展望以及身为一名战时领袖的特定预期都是异常积极的。经济学家托马斯·马尔萨斯则相反，他是一个众所周知的厄运先知（下面会详谈），但据说他是一个安详又快乐的家伙，经常在饭桌上让同伴开怀大笑。

盲目乐观的确是对待未来的一种立场。它指人照常行事，好像知道坏结果不会出现似的。与其相反的盲目悲观通常称为预防性原则，通过避免一切未经确认安全的东西来避免灾难。没有人认真地把这两种态度中的任何一种当成通用政策来提倡，但它们的假设和论调在生活中很常见，经常潜藏在人们的计划中。

盲目乐观也被称为“过于自信”或是“鲁莽”。一个常被人引用的例子（也许不太公平）就是远洋客轮泰坦尼克号的建造者们对它的评判，说这艘轮船“实质上不可沉没”。它是当时最大的船，于1912年在其处女航中沉没。它被设计成能经得起每一个可以预见的灾难，却以一种人们未曾预见的方式撞上了冰山。盲目悲观者认为，在好结果与坏结果之间有一种固有的不对称性：一次成功的处女航的好处不一定能抵消一次灾难性处女航的伤害。正如里斯所指出的，一个在其他方面有益的创新的单一灾难性后果，就可以永远杜绝人类的进步。所以，建造远洋客轮的盲目悲观方法是，坚持现有的设计，避免去尝试创造新纪录。

但盲目悲观也是一种盲目乐观。它假定，不可预见的灾难性后果也不会由现有的知识（或者不如说是现有的无知）产生。并非所有的船只失事都碰巧发生在破纪录的大船身上。并非所有不可预见的物理灾难都由物理实验或新技术引起。但有一件事情我们是知道的，要想保护自己免遭任何灾害、不管是可预见的还是不可预见的，或者要在灾害发生后从中恢复过来，都需要知识，而知识需要创造。任何创新所产生的危害，只要不会摧毁知识的增长，就始终是有限的，其好处却可能是无限的。如果从未有人敢打破预防性原则，那就不会有可供坚持的现有船舶设计方案，没有可供保持的纪录。

因为悲观主义需要回击这种论点，以使自己的说法有说服力，所以在整个历史上的悲观主义理论里有一个反复出现的主题，那就是：一个极其危险的时刻迫在眉睫。《我们最后的世纪》说，自20世纪中期以来的时期，是技术有能力摧毁文明的第一个时期。但事实并非如此。在历史上，有许多文明被简单的技术（比如火和剑）摧毁了。事实上，历史上出现过的文明大多数都被摧毁了，有的是被有意摧毁，有的是被瘟疫或自然灾害摧毁。几乎所有这些文明本来都有可能避免那些摧毁它们的灾难，只要他们拥有一点儿额外的知识，诸如更先进的农业或军事技术、更好的卫生知识、更好的政治或经济制度。极少有（假如有的话）文明能够靠着对创新持更谨慎的态度来幸存下去。事实上，大多数被毁灭的文明都热情地实施了预防性原则。

更一般的说法是，它们缺少的是一个由抽象知识以及技术产物具象化的知识构成的特定组合，也就是说足够的财富。且让我用非狭隘的方式将其定义为，它们能造成的物理转换的集合体。

盲目悲观政策的一个例子是，努力使我们的星球在银河系里尽可能地不显眼，以免与地外文明接触。史蒂芬·霍金在他的电视系列节目《进入宇宙》中就提出了这样的建议。他认为，“如果[外星人]来访问我们，结果将同克里斯托弗·哥伦布首次登陆美国一样，那对印第安人来说并不是件好事。”他警告说，可能有流浪的、居住在宇宙空间里的文明来抢夺地球上的资源，或者有帝国主义文明会把地球变成他们的殖民地。科幻作家格雷戈·比尔写了一些颇为刺激的星系文明科幻小说，其中假设银河系里充满了文明，它们要么是掠食者要么是猎物，并且都隐藏着。这可能解开了费米问题之谜，但它作为一个严肃解释是靠不住的。原因之一是，它要求文明相信宇宙空间里存在着掠食者文明，进而对自身进行完全重组，以便在被掠食者发现之前隐藏好——这意味着甚至要他们在发明无线电之前就隐藏好。

霍金的建议还忽视了不让银河系居民知道我们的存在可能造成的各种危险，例如一个善意的文明可能以为太阳系无人居住，于是派来机器人开采资源，无意中摧毁我们。除了盲目悲观的经典缺陷，他的建议还依赖于一些其他的错误观念，其中之一是更大尺度的宇宙飞船地球号：它假设在一个掠夺成性的文明中，进步受原材料的限制而不是受知识限制。它将要来偷什么呢？黄金？石油？也许是地球上的水？肯定不是，因为任何文明如果能跨越星际级别的距离把自己送到我们这里来或者把原材料带回去，都必定有了廉价的嬗变手段，不必在意原材料的化学成分。因此实质上，我们的太阳系唯一对它有用的资源，就是太阳里的大量物质。然而物质在每颗恒星上都有。也许它在大量收集整颗的恒星来制造巨型黑洞，作为某种超巨型工程项目的一部分。但是那样的话，把有人居住的恒星-行星系统放过去，对它来说简直不费吹灰之力（这类恒星-行星系统应当只占少数，否则我们隐藏自己就毫无意义了）。那么它是否会无意间毁灭数十亿的人口？我们在它看来是不是像虫子一样？只有在人们忘记了人只有一种（即通用解释者和建造者）的情况下，这一点才会看起来有道理。认为可能存在某种生命、它们与我们之间的差别就像我们与动物之间的差别，这样的想法属于超自然信仰。

而且，要取得进步只有一种方法：猜想和批评。唯一能允许持续进步的道德价值观，就是启蒙运动开始发现的客观价值。毫无疑问，地外文明的道德与我们的不同，但这并不是因为他们的道德跟西班牙征服者相似。我们也不会在接触一种先进文明时面临文化冲击的严重危险：先进文明会知道怎么教育他们自己的孩子（或人工智能），自然也会知道怎么教育我们——特别是教我们使用它的计算机。

霍金的另一个误解是，把我们的文明与启蒙运动之前的文明进行类比。我会在第15章中解释，这两种类型的文明之间有本质区别。文化冲击未必会给一个启蒙运动之后的文明带来危险。

当我们回头看那些失败的文明时，可以看到它们的知识是那么少，技术是那么薄弱，对世界的解释是那么零碎而且充满错误，以至于它们对于创新和进步谨慎得有悖常理，好比希望在航行时蒙住眼睛会有助于通过危险水域。悲观主义者相信，我们自身的文明现状是该模式的一个例外。但预防性原则对这种说法有何评价？我们是否能确信，我们现有的知识没有充满危险的缺口和误解？是否能确信我们现有的财富不是少得可怜以至于无法应对尚未预见的问题？既然我们不能确信，预防性原则难道不会要求我们把自己限制在过去一直有益的策略中（也就是创新，甚至还包括紧急情况下对新知识的益处持盲目乐观态度）？

对于我们的文明，预防性原则把它自己排除掉了。由于我们的文明没有遵循预防性原则，为了朝预防性原则转向，将需要对正在进行中的日新月异的技术进步加以遏制。这样一种改变以前从来没有成功过。因此，一名盲目悲观主义者必须从原则上反对这样做。

这看起来像是诡辩，但其实不是。盲目乐观与盲目悲观之间存在这些相悖与相同之处，原因在于它们在解释层次上是两种非常相像的方法。两者都是预言，都声称能了解未来知识的某些不可知之处。在任何时刻，我们最好的知识里同时包含真理和误解，对其中一种进行悲观主义的预言，就必定是对另外一种进行乐观主义的预言。比方说，里斯最害怕的东西，取决于人类能空前快速地创造出空前强大的技术，例如能摧毁文明的生物武器。

如果里斯关于21世纪特别危险的观点是正确的，并且文明得以幸存下来，那它必定经历了一次极为惊险的死里逃生。《我们最后的世纪》一书只提到了另外一个死里逃生的事例，那就是冷战——这样的话，文明就会连续两次死里逃生。然而以这种标准而言，文明在第二次世界大战期间必定已经同样经历了死里逃生。例如，纳粹德国离开发出核武器已经非常接近；日本成功地造出了腺鼠疫武器，并在中国试验这些武器造成了灾难性的影响，他们还制定了用鼠疫武器攻击美国的计划。许多人担心，即使轴心国只用常规方式获得胜利，也会使文明崩溃。丘吉尔警告说，可能会出现“一个新的黑暗时代，堕落的科学使它更加邪恶，还可能更加漫长”——虽然他身为一个乐观主义者在努力防止这种情况出现。与他相反的是，1942年，在中立安全的巴西，奥地利作家斯蒂芬·茨威格和他的妻子双双自杀，因为他们认为文明已经在劫难逃。

这样就成了连续三次死里逃生。但是有没有更早的死里逃生呢？1798年，马尔萨斯在他那篇影响重大的文章《人口论》里指出，人类的进步将在19世纪不可避免地永远终结。他计算出，各种各样的技术和经济改进使当时的人口呈指数增长，正在接近地球粮食生产能力的极限。这个不幸并不是偶然事件。他相信他发现了一条关于人口与自然资源的规律。首先，每一代的人口净增长与现有人口成比例，因此人口会呈指数增长（或者用他的话说是“按几何比率增长”）。然而，其次，通过耕作以前的不毛之地等方法实现的粮食增长将是固定的，与相关的创新发生在其他任何时刻带来的增长相同。它与人口不成比例，不管人口是多少。他（独树一帜地）把这样的增长称为“算术比率”的增长，并认为“人口如果不受限制，将以几何比率增加。生活资料仅以算术比率增加。对数字略知一二，便可看出第一种增长与第二种相比的巨大威力”。他的结论是，他所处的时代里人类相对安康的生活，只是一种短暂现象，他正生活在历史上一个独特的危险时刻。长远来看，人类将处于两种趋势的平衡之中，一方面是人口增长，另一方面是饥饿、疾病、谋杀和战争使人口减少——就像发生在生物圈里的情形一样。

结果，在整个19世纪，一场人口爆炸就像马尔萨斯预测的那样发生了。但他预见的人类进步的终结没有出现，其中部分原因是粮食生产的增长速度甚至比人口增长还要快。然后，在20世纪，两者都增长得更快了。

马尔萨斯相当准确地预言了一种现象，对另一种却完全没有说对。这是为什么呢？原因是他的预言带着系统化的悲观倾向。在1798年，即将到来的人口增长比增幅更大的食品增长更容易预见，这不是因为预测人口增长在任何意义上更加可能实现，而仅仅是因为它所依赖的知识创造更少。马尔萨斯忽略了他试图比较的这两种现象之间的结构性差异，从基于知识猜测滑向了盲目预言。他和他的许多同代人都误以为他发现了一种客观不对称，也就是他所称的“人口力量”与“生产力量”之间的不对称。但这仅仅是一个狭隘的错误——同迈克尔逊和拉格朗日所犯的错误一样。他们都以为自己根据当时能用的最好知识做出了清醒的预测。但事实上，他们都任由自己被有关人类情形的一个不可避免的事实所误导，那就是我们还不知道我们还没有发现什么。

马尔萨斯和里斯的用意都不是预言，他们是在警告我们，除非我们能及时解决某些问题，否则注定要灭亡。但这种话过去始终是对的，将来也会永远是对的。问题是不可避免的。正如我所说的，许多文明都衰亡了。甚至在文明的黎明之前，我们所有的姊妹物种（例如尼安德特人）都灭亡了，而他们只要知道方法，就应该很容易应对那些使他们灭亡的挑战。遗传研究表明，我们自己的物种在约70000年前曾濒临灭绝，这是一场不为我们所知的灾难造成的，使人口总数减少到只剩下几千人。对受害者而言，被各式各样的灾难压垮，看上去就像被强迫着玩俄罗斯轮盘赌。也就是说，看上去他们能做的选择没有哪一种能够影响那些对他们不利的形势（也许除了更加虔诚地请求神灵干预之外）。但这是一种狭隘的错误。在马尔萨斯之前很久，就有许多文明死于饥饿，原因是他们称之为“自然灾难”的干旱和饥荒。但真正的原因是我们称之为水平低下的灌溉和种植方法——换句话说，缺乏知识。

在我们的祖先学会如何人工取火之前（在那以后也有很多次），必定有人冻死在本可以救他们一命的取火用品上，因为他们不知道怎样取火。狭隘地说，是天气杀死了他们；但更深层次的解释是由于缺乏知识。历史上数以亿计的霍乱受害者中，有许多人就死在炉子边上，只要用炉子把饮用水烧开就可以救他们一命，但他们也不知道这一点。相当普遍的情况是，“自然灾害”与无知带来的灾害之间的区别并不大。每一次曾被人们认为是“碰巧发生”或由神灵降下的自然灾害，我们现在都能看到，受其影响的人们在灾害发生前有许多行动方案可以采取，但他们没能采取——或者说没能创造出这些方案。所有这些方案加起来，就成为那个他们没能创造出的首要方案，也就是形成与我们的科学技术文明类似的文明。如果有批评的传统，就有可能产生启蒙运动，开创科学技术文明。

如果在21世纪早期之前的人类历史上的任何时候，有一颗尺寸为一千米的小行星与地球相撞，它会杀死全体人类中相当大的一部分。在这方面，同在许多其他方面一样，我们生活在一个前所未有的安全时代：21世纪是有史以来第一个人们知道怎样保护自己免受这种撞击影响的时期，这种撞击发生的可能性是每25万年左右一次。这听起来可能概率太小而无需担心，但它是随机的。任何一年都有1/250000的概率发生这种撞击，意味着地球上的一个普通人死于小行星撞击的可能性将大于死于飞机坠毁的可能性。下一个将要撞上我们的这类天体此刻已经存在，正快速向我们冲过来，除人类的知识之外没有什么可以阻止它。在其他几种风险水平类似的灾害面前，文明也是脆弱的。例如，冰期出现的频繁程度比小行星撞击更高，“小冰期”就更加频繁了——有些气象学家认为，小冰期发生前可能只有几年的预期时间。像潜伏在美国黄石国家公园地下的火山那样的“超级火山”，爆发后能把太阳一下子遮住好几年。如果它明天就爆发，我们这个物种可以靠人工照明生产粮食而幸存下来，文明可以恢复。但许许多多的人会死去，人类将备受磨难，因此这类事件与灭绝灾难一样值得去努力预防。我们不知道一场无法治疗的瘟疫自发产生的概率有多大，但可以猜测，它应该高得令人无法接受，因为14世纪的黑死病之类的流行病已经显示了，这种事情可能在几个世纪的时间尺度上发生。如果上述灾难中的任何一种逼近，我们现在至少还有机会及时创造生存下去所需的知识。

我们之所以有这样的机会，是因为我们能够解决问题。问题是不可避免的。我们始终都会面临如何对不可知的未来做出规划的问题。我们永远不会有条件闲坐下来期望最好的事发生。即使我们的文明像里斯和霍金正确建议的那样搬进太空寻找后路，在银河系附近发生的伽马射线暴仍然会把我们一扫而光。这种事件发生的可能性比小行星撞击要小许多，但一旦发生我们将无法抵御，除非我们拥有比现在多得多的科学知识，并实现财富的极大增长。

但首先，我们必须在下一个冰期中幸存下来。在此之前还有其他的危险气候变化（包括自发的和人为造成的）、大规模杀伤性武器、流行病，以及其他无数会降临到我们头上的未知危险。我们的政治体制、生活方式、个人愿望和道德都是知识的形式或体现，如果文明（特别是启蒙运动）要在里斯所描述的每一种风险以及许多其他我们还毫无头绪的风险中幸存下来，这些知识的形式或具象化方式都必须得到改进。

那么——怎么去改进呢？我们怎样才能制订出针对未知事物的政策？如果不能从我们现有的最好知识里推演出来，或像盲目乐观主义或盲目悲观主义那样从教条的经验法则里推演出来，我们用什么才能推演出这样的政策？同科学理论一样，政策不能从任何东西里推演出来。它们是猜想。我们不应该根据猜想的来源来对它们进行选择，而应该根据它们作为解释究竟有多好（也就是有多难改变）来进行选择。

就像摒弃经验主义，以及摒弃知识是“确证的真实信念”这种观念那样，要理解政治政策是猜想，必须摒弃一个以前不容置疑的哲学假设。波普尔也是这种摒弃行为的主要倡导者之一。他写道：

关于我们知识的来源的问题……一向是本着这样一种精神在问：“什么是我们的知识的最佳来源——最可靠的来源，不会把我们引向错误的来源，我们在有疑问的时候可以也必须把它当成最高上诉法院的来源？”我设想，这样理想的来源并不存在，所有“来源”都可能有把我们引向错误的时候。因此，我建议把知识来源的问题换成另一个完全不同的问题：“我们希望能怎样去检测和消除错误？”

——波普尔：《没有权威的知识》（1960）

“我们希望能怎样检测和消除错误”这个问题呼应了费曼所说的“科学让我们学会如何防止自我欺骗”。不管是对个人决策还是科学决策，答案基本上都是一样的：需要一个批评的传统，通过该传统寻求好解释——例如，解释什么东西出了问题，什么可以更好，不同的政策在过去造成了什么影响，对未来会有什么影响。

但如果解释不能像在科学领域那样做出预测或通过经验来检验，那它们有什么用？这个问题实际上是：如何使哲学进步成为可能？正如我在第5章中所讨论的，进步是通过寻求好解释来获取的。认为证据在哲学上没有合法地位，这种误解是经验主义的遗留。就像在总体道德和在科学上那样，在政治上取得客观进步也是可能的。

政治哲学在传统上集中探讨一类被波普尔称为“应该由谁来统治”的问题。权力应该由谁执掌？应该是一个君主还是一群贵族，或者是一群祭司，一个独裁者，一个小团体，“人民”，或者人民的代表？这又会衍生出其他问题，比如“国王应该受到怎样的教育”“在一个民主国家，谁应被赋予选举权”“如何能够确保全体选民是明智和负责任的”。

波普尔指出，这类问题与经验主义中“怎样从感官数据中推演出科学理论”的问题源于同一个误解。它寻求建立一个系统，用来从现有数据（如继承权、多数人的看法、人们接受教育的方式等）中推演或证明对政府领导者的正确选择。同样的误解也是盲目乐观主义和盲目悲观主义的根源：两者都期望，对现有知识应用一条简单法则就可以取得进步，以确定未来的哪些可能性可以忽略，哪些可以依赖。归纳法、工具主义甚至拉马克主义都犯同样的错误：它们都希望有无需解释的进步。他们希望知识能基本无误地强行创造出来，而不是通过变异和选择的过程来创造出来，该过程能产生一条连续的错误流并纠正错误。

世袭君主制的捍卫者怀疑，任何一种选择领导者的方法都不会比一个固定的、机械的标准更强。这是预防性原则在起作用，它会带来常见的反讽。例如，篡位者声称自己比现任掌权者更有资格继承王位时，实际是在用预防性原则为突然的、暴力的、不可预测的变化进行辩解——也就是说，为盲目乐观主义进行辩解。君王们碰巧自己偏爱激进的变革时，情况也是这样。还可以想想革命空想家，他们通常只实现了破坏和停滞。虽然他们是盲目乐观主义者，但使其成为空想家的正是他们的悲观主义，认为他们设想的乌托邦或者实现并巩固乌托邦的暴力手段是永远不可改进的。而且，他们之所以是革命者，本来就是因为他们很悲观，觉得难以说服别人相信他们认为自己所掌握的终极真理。

思想观念会产生后果，用“应该由谁来统治”的问题探讨政治哲学，不仅仅只是个学术分析上的错误，历史上每个坏的政治学说都有它的份儿。如果把政治进程看作一种使正确的统治者上台的工具，它就表示暴力是合理的，因为在正确的系统到位之前，没有哪位统治者是合法的；一旦正确的体系到位，它指定的统治者执政，反对他们就是在反对正当性。于是问题变成了怎样阻止任何人反对统治者或其政策。根据同样的逻辑，每个认为现有的统治者或政策不好的人，都是在说“应该由谁来统治”这个问题的答案错了，目前在位的统治者是不合法的，反对他是合法的，必要时可以使用武力。因此，“应该由谁来统治”的问题本身是在祈求暴力、独裁的答案，并且通常就会得到这样的答案。它导致当权者更多地用暴政来巩固坏的统治者和坏的政策，也导致反对者用暴力破坏和革命来推翻当权者。

倡导暴力的人通常认为，如果每个人都同意谁应该来统治，以上情形就都不会发生了。但这意味着大家对于什么是对的持相同意见，而既然在这个问题上达成了一致，统治者就无事可做了。其实，在任何情况下，这样意见一致的情况都既不可能也不可取：人与人是不同的，每个人都有独特的想法，问题是不可避免的，进步就靠解决这些问题来实现。

因此，波普尔把他的基本问题“我们能怎样去检测和消除错误”用在政治哲学上，变成“我们怎样才能用非暴力手段摆脱坏政府”的形式。正如科学寻求可用实验检验的解释，一个合理的政治体系会使事情尽可能简单，包括发现某个领导者或政策是坏的，说服其他人这样认为，不用暴力手段就把坏统治者免职、把坏政策废除。正如科学体制的结构是为了避免固守理论，让理论接受批评和检验，政治体制不应当让非暴力地反对统治者和政策很困难，而应当实现对统治者、政策、政治体制本身以及其他一切进行和平的批评性讨论。因此，对政府体系的评价依据不应该是它们选择和任命好统治者、实施好政策的能力，而是它们把现有的坏统治者免职、把现有的坏政策废除的能力。

这整个立场都是易谬主义在起作用。它假定统治者和政策始终会有缺陷——问题是不可避免的。但它也假定，对此做出改进是可能的：问题是可以解决的。这种方式要实现的理想，并不是不会出现意外的错误，而是意外错误如果出现的话，将成为继续进步的机遇。

为什么会有人想让自己青睐的领导人和政策更容易被去除？让我先问一下：为什么会有人想把坏的领导人和政策换掉？这个问题也许看着很荒谬，但可能只有把进步当作理所当然的文明才会觉得它荒谬。如果我们不期待进步，为什么要期待新的领导者或政策（不管是用什么方法选择出来的）会比旧的更强？相反，那样的话我们会预期，平均而言任何变化带来的坏处都会跟好处一样多。然后预防性原则就会建议，“你所知道的恶比你不知道的恶更好。”这些思想观念构成了一个死循环：根据知识不会增长的假设，预防性原则是正确的；根据预防性原则正确的假设，我们担当不起允许知识增长的后果。一个社会除非预期它自己未来所做的选择将比现在的更好，否则它将竭力使当前政策和体制尽量保持不变，这样一来，就只有那些预期其知识会增长（并且是不可预测地增长）的社会能满足波普尔的标准。而且它们预期，如果知识真的增长了，将会带来好处。

这种期望是我所说的乐观主义，我可以用最一般的形式对它表述如下：

乐观主义原则

所有的恶是知识不足造成的。

乐观主义首先是一种解释失败的方式，而不是预言成功的方式。它认为，没有什么根本性的障碍、自然规律或超自然法令能阻碍进步。每当我们改善事物的努力失败，都不是因为恶意的（或仁慈得深不可测的）神在阻挠我们或惩罚我们的尝试，也不是因为我们已经达到我们通过理智取得改善的能力极限，也不是因为我们失败才是最好的结果，而永远都是因为我们没有及时知道得够多。但是，乐观主义也是一种面对未来的立场，因为几乎所有的失败和几乎所有的成功都还未到来。

乐观主义来自物理世界的可解释性，如我在第3章所解释的。如果某些事情是物理规律所允许的，那么阻止我们从技术上实现它的唯一原因，就是还不知道怎样去实现。乐观主义还假定，物理规律所禁止的事物未必就是恶的。因此，举例来说，缺少进行预言所需要的不可能知识，对进步来说并不是不可逾越的障碍。不可解决的数学问题也是如此，如我在第8章中所解释的。

这意味着，长远来看没有不可克服的恶，短期内不可克服的恶都是狭隘的。没有哪种疾病不可能找到治疗方法，除了毁掉构成患者人格的知识的特定类型脑损伤之外。因为病人是物理对象，将这个对象转变成健康状态的同一个人，这样的任务并不为物理规律所禁止。因此有办法实现这种转变，也就是说治愈。这只是个弄明白怎么去做的问题。如果目前我们不知道怎样消除一种特定的恶，或者从理论上知道怎样消除但没有足够的时间或资源（即财富）去实现，那么即使如此，以下说法也是普适的：要么物理规律禁止在给定时间里用现有资源消除它，要么有办法在给定时间用这些资源消除它。

对死亡这种恶——也就是人类死于疾病或衰老——来说也是如此，同样显而易见。这个问题在所有的文化里都引起了巨大的共鸣，存在于它们的文学作品、价值观、伟大或渺小的目标里。它那不可解决的名声几乎无与伦比（除了在超自然信徒们中间），被当作不可逾越的障碍的化身。但这种名声并无理性基础，面对生物圈在支持人类生命方面的诸多失败（或古往今来医疗科学在治疗衰老方面的诸多失败），从这个特定的失败中读出什么深意，是狭隘得荒谬的行为。衰老问题与疾病问题同属一个类型，虽然以今天的标准来看它是个复杂的问题，但其复杂性是有限的，并且局限于一个相对狭窄的领域，我们对该领域的基本原则已经有相当不错的理解。同时，一些相关领域的知识正呈指数增长。

有时“永生”（在这个意义上来说）甚至被当作是不受欢迎的。例如，人口过剩的观点就这样认为。但这些都是马尔萨斯的预言错误的例证：每多一个人按今天的生活标准生存下去需要多少东西，很容易计算出来；但这个人将为解决其生存产生的问题贡献什么样的知识，是不可知的。还有观点认为老人把持权力将使社会变得愚蠢，但我们社会的批评传统已经很好地适应了去解决这类问题。即使在今天，西方国家也经常有强有力的政治家或企业主管在身体还很健康时就被免职。

有一个传统的乐观主义故事是这样的。我们的英雄是一位囚犯，他被残暴的国王判了死刑，但获得了缓刑一年的宽限，因为他许诺在一年之内让国王喜爱的马学会说话。那天晚上，一名狱友问他为何达成这样的交易，他回答说：“一年之中可能会发生很多事情。马可能会死掉。国王可能会死掉。我可能会死掉。或者是马可能会说话！”这位囚犯明白，监狱的栅栏、国王和马这些眼前的问题，以及他最终将面临的厄运，都是由于知识不足导致的。这让他成为一个乐观主义者。他知道，如果能取得进步，有些机遇和发现将是事先难以想象的。除非人对这些难以想象的可能性保持开放并做好准备，否则就不能取得进步。这位囚犯有可能发现教会马说话的办法，也可能发现不了。但他也许会发现些别的办法。他可能会说服国王废除他所触犯的那条法律；可能学会一个令人信服的魔术技巧，让马看起来在说话；可能逃跑；可能想出一件可以完成并且会比马说话更让国王高兴的任务。这份清单是无穷无尽的。就算清单中每一个设想实现的可能性都不大，但他只需要实现其中的一件，就能解决整个问题。但如果我们的囚犯要想出一个新主意来逃跑，他不可能现在就知道这个主意是什么，因此不能假设这个主意永远不会存在并据此做出计划。

乐观主义蕴涵着实现知识增长以及使创造知识的文明得以存续所需的所有其他必要条件，也就是无穷的开始。正如波普尔所说的那样，我们有责任保持乐观——包括在总体上保持乐观，以及在文明这个特定的问题上保持乐观。可以说拯救文明将很困难，但这不表示解决相关问题的可能性很低。当我们说一个数学问题很难解决时，并不是指这个数学问题不可能解决。各种因素在一起决定了数学家是否会着手解决某个问题、会付出多大的努力去解决。如果一个简单问题不让人觉得有趣或有用，数学家们可能把它丢在那里永远也不去解决，却一直在解决困难的问题。

通常来说，一个问题很困难，正是让人们去解决它的原因之一。对未来持乐观态度的一个著名事例是，美国总统约翰·F.肯尼迪在1962年说：“我们选择登月。我们选择在这十年中登月，并完成其他的事，不是因为这些事很容易，而是因为它们很难。”肯尼迪并不是说登月工程困难到不可能成功，相反，他相信它必定能成功。他所说的困难任务，指的是要面对未知事物的任务。吸引他的直观事实是，虽然这样的困难在选择完成目标的手段时始终是个不利因素，但在选择目标本身时可能是个积极因素，因为我们想要从事那些涉及创造新知识的项目。而且，乐观主义者期望通过创造知识来实现进步，包括这些进步所带来的不可预见的后果。

比如，肯尼迪提到，登月项目需要一种运载工具，“将由新型合金制成，其中有些合金尚未发明出来，其耐高温、耐高压的能力要比现有的合金高出好几倍；装配的精密程度比最精密的手表还要高；携带推进、导航、控制、通信、食品和生存所需的所有设备”。这些问题是已经知道的问题，解决它们需要未知的知识。“肩负一个前所未有的使命，前往一个未知的天体”所指的就是，未知的问题使得实现计划的可能性和结果都极不可预知。但这些都没有阻止理性的人们期待任务有可能成功。这种期待不是对可能性的判断，在深入进行计划之前，没有人能够预测可能性，因为它取决于对未知的问题给出未知的答案。人们被说服去为这个计划工作（或者投票支持这个计划，等等）时，他们是被说服认为，我们被局限在一颗行星上是一种恶，探索宇宙是一种善；地球的引力场对此并不是障碍，只是一个问题；克服这个问题和该项目涉及的其他所有问题，只是一个知道怎样去做的问题；这些问题的特性使得当时是努力解决它们的正确时机。在这些讨论里用不着概率和预言。

遍观历史，悲观主义几乎在每一个社会中都很流行，其形式包括“应该由谁来统治”的政治哲学以及其他所有对预言的需求，对创造力的绝望，把问题视为不可逾越的障碍的错误观念。但总有几个人把障碍看作问题，并认为问题是可解决的。因此，在某些地方、某些时期，悲观主义也会极偶然地出现短暂的中止。就我所知，迄今还没有历史学家研究过乐观主义的历史，但我猜想，每当乐观主义出现在一个文明社会中，就会有一次微型启蒙运动：批评的传统带来了人类进步的许多模式，我们对之非常熟悉，例如艺术、哲学、科学、技术和开放的社会体制。悲观主义的中止有潜力成为一个无穷的开始。我还猜想，在每种情况下（除了我们自己的启蒙运动这个巨大的例外），这个过程很快就因为悲观主义的复辟而结束了。

最知名的微型启蒙运动是古希腊在知识和政治上的批评传统，它于公元前5世纪在雅典城邦所谓的“黄金时代”[2]达到顶峰。雅典是世界上最早的民主政体之一，它还是许许多多思想史上的重要人物的故乡，这些人物的地位至今仍得到承认，包括哲学家苏格拉底、柏拉图和亚里士多德，剧作家埃斯库罗斯、阿里斯托芬、欧里庇得斯和索福克勒斯，历史学家希罗多德、修昔底德和色诺芬。雅典的哲学传统延续了一种批评传统，后者可以追溯到此前一百多年的米利都的泰勒斯。这种传统包括了克勒芬的色诺芬尼（公元前570—前480），他是最早质疑人类中心主义的神话理论的人之一。雅典通过贸易致富，把有创造力的人从当时已知的世界各地吸引过来，成为那个时代最杰出的军事力量之一，并修建了一座宏伟的建筑物——帕特农神庙[3]，它直到今天仍被视为有史以来最伟大的建筑成就之一。在黄金时代的鼎盛时期，雅典的领袖人物伯里克利试图解释雅典成功的原因。虽然他毫无疑问地相信，城市的守护神雅典娜站在他们一边，但他显然并不认为“女神的作为”就足以解释为什么雅典能成功。相反，他列举了雅典文明的具体属性。我们不知道他所说的这些有多少是奉承话或一厢情愿，但是，在评论一个文明的乐观主义时，这个文明渴望什么应当比它已经成功地做到了什么更加重要。

伯里克利列举的第一个属性是雅典的民主，他还解释了其中的原因。不是因为“应当由人民做主”，而是因为它促进了“明智的行动”。民主涉及不断的讨论，这是发现正确答案的一个必要条件，而正确答案又是取得进步的必要条件：

不要把讨论看成行动之路上的绊脚石，我们认为讨论完全是任何明智行动必不可少的预备程序。

——伯里克利：《祭文》，公元前431年

对于雅典成功的原因，他还提到了自由。悲观主义文明认为，不按照此前经过多次尝试的方法行事，是不道德的做法。产生这种观点的原因是，此类文明忽视了自由行事带来的益处抵消其风险的可能性。因此，悲观主义是不宽容并且墨守成规的。但是雅典采取了相反的态度。伯里克利把他的城市向外国游客开放，而敌对城市采取封闭和防守的态度。他希望，与不可预见的新思想接触也会给雅典带来益处，尽管他承认这项政策也给了敌方间谍进入城市的机会。他甚至似乎还把宽厚地对待儿童当成军事实力的一个源泉：

在教育方面，我们的对手从摇篮中就开始实施严厉痛苦的纪律，以求刚毅气概；在雅典，我们按自己喜爱的方式生活，同时也准备好去遭遇每一个合乎逻辑的危险。

悲观主义文明因为他们的孩子遵守适当的行为模式而感到自豪，并对每一个真实或想象的新奇事物发出悲叹。

在上述所有方面，斯巴达都是雅典的反面。它是悲观主义文明的一个化身，因其公民朴素的“斯巴达式”生活方式、教育系统的严厉和全民军事化而闻名。每一位男性公民都是全职士兵，绝对服从他的上级，而上级本人服从宗教传统。所有其他的工作都由奴隶来完成：斯巴达把附近的美塞尼亚社会整个变成希洛人（某种农奴或奴隶）。这里没有哲学家、历史学家、艺术家、建筑师、作家——除了偶然有才华的将军之外，没有任何其他创造知识的人才。因此，几乎整个社会都致力于保持其现有状态——换句话说，防止改善。公元前404年，伯里克利的祭文宣讲之后27年，斯巴达在战争中彻底击败雅典，并将一个专制形式的政府强加给它。虽然，通过变幻莫测的国际政治，雅典不久就再次独立和民主化，并在好几代人的时间里继续产出艺术、文学和哲学，可它再也没有主导产生过无穷无尽的快速进步。它变得平平常常。为什么呢？我猜是因为它的乐观主义消亡了。

另一场短命的启蒙运动发生在14世纪的意大利城市佛罗伦萨。这是文艺复兴早期，文艺复兴是一场旨在复兴古希腊和古罗马文学、艺术和科学的文化运动，发生在欧洲的知识停滞超过一千年以后。当佛罗伦萨人开始相信他们能靠这些古老的知识取得改善，就产生了一场启蒙运动。这个令人眼花缭乱的创新时代称为佛罗伦萨的黄金时代，是由城市的实际统治者——美第奇家族[4]有意孕育出来的，尤其是洛伦佐·美第奇，人称“伟大的洛伦佐”，他于1469年到1492年间掌权。与伯里克利不同，美第奇不是民主的信徒：佛罗伦萨启蒙运动不是从政治开始的，而是从艺术开始的，然后扩展到哲学、科学和技术，以及在思想和行动两方面同样地对批评保持开放、渴望创新的其他领域。艺术家们不再局限于传统的题材和风格，开始自由描绘他们认为美丽的事物，创造新的风格。在美第奇的鼓励下，佛罗伦萨的富豪们相互攀比各自赞助的艺术家和学者（例如达·芬奇、米开朗基罗和波提切利）做出的创新。当时佛罗伦萨的另一个常客是尼科洛·马基雅维利，自古以来第一位非宗教的政治哲学家。

美第奇家族很快就开始推广“人文主义”的新哲学，它认为知识的价值高于教条，认为思想独立、好奇心、高雅品位和友谊等美德的价值高于虔诚和谦卑。他们向已知世界的各个地方派出使者购买古代书籍，其中许多书籍自西罗马帝国灭亡以来还不曾在西方世界出现过。美第奇的图书馆制作书籍抄本，提供给佛罗伦萨和其他地方的学者。佛罗伦萨成为一个重要源泉，产生出新近复活的思想观念、对思想观念的新阐释和全新的思想观念。

但这场快速进步只持续了大约一代人的时间。一位魅力超凡的修士吉罗拉莫·萨沃纳罗拉开始鼓吹世界末日，反对人文主义和佛罗伦萨启蒙运动的其他所有方面。他敦促人们恢复中世纪的因循守旧和自我否定，预言如果佛罗伦萨继续沿这条道路走下去，末日就会到来。许多市民被说服了，1494年，萨沃纳罗拉夺取了权力。他重新实施了对艺术、文学、思想和行为的所有传统限制。世俗音乐被取缔。服装必须朴素简单。频繁禁食得到有效的强制实施。同性恋和卖淫被暴力镇压。犹太人被驱逐出佛罗伦萨。受萨沃纳罗拉鼓励的歹徒团伙在城市中漫游，搜寻禁忌的人造物品，如镜子、化妆品、乐器、非宗教书籍和几乎所有美丽的东西。大批这样的珍品被堆放在市中心，在称为“虚荣之火”的仪式中付之一炬。据说波提切利也把自己的一些画作扔进了火堆。这是焚毁乐观主义的火。

萨沃纳罗拉自己最终也被抛弃，烧死在火刑柱上。但是，尽管美第奇家族重新控制了佛罗伦萨，乐观主义却没有回来。就像雅典一样，传统的艺术和科学持续了一段时间，甚至直到一个世纪以后，伽利略还得到过美第奇家族的赞助（然后又被抛弃）。但当时佛罗伦萨已经只是另一个文艺复兴时期的城邦，在专制统治下蹒跚前行，从一场危机走向另一场危机。幸运的是，不知何故，这场微型启蒙运动从未完全熄灭。它继续在佛罗伦萨和其他几个意大利城市里闷烧，最后点燃了欧洲北部的启蒙运动。

历史上可能有过许多启蒙运动，与上述两场微型启蒙运动相比寿命更短、光芒更暗淡，也许发生在籍籍无名的亚文化、家族或个人中间。例如，哲学家罗吉尔·培根（1214—1294）因为反对教条而出名，崇尚由观察发现真理（虽然是通过“归纳法”），也取得了几个科学发现。他预见到显微镜、自动车辆和飞行机器的发明，还预见到数学将是未来科学发现的一个关键。因此，他是乐观主义者。但他不是任何批评传统的一部分，所以他的乐观主义随着他的去世而消亡了。

培根研究了古希腊科学家和“伊斯兰黄金时代”[5]学者的作品，后者如海什木（965—1039），他在物理和数学上有一些原创发现。在伊斯兰黄金时代（约8世纪到13世纪之间）有一个强大的传统，重视和借鉴欧洲古代的科学和哲学。这个时期是否还有一种科学和哲学上的批评传统，目前在历史学家之间仍有争议。但是，就算有的话，它也与其他的批评传统一样遭到了扼杀。

启蒙运动可能无数次“试图”发生，也许甚至可以追溯到史前时代。如果是这样，那些微型启蒙运动就把我们最近这几次“幸运的逃脱”衬托得格外醒目。可能每一次微型启蒙运动都产生了进步——暂时结束停滞，暂时窥见无穷，但总是以悲剧结束，总是被扼杀，通常都无迹可寻。除了这一次。

1494年的佛罗伦萨居民或公元前404年的雅典居民认为乐观主义事实上不正确，他们理当被原谅。因为他们对解释的延伸、科学的力量以及我们所理解的自然法则一无所知，更不用说这场启蒙运动开始后随之而来的道德和技术进步。遭遇失败的时候，曾经乐观的雅典人可能会觉得斯巴达人也许是对的，曾经乐观的佛罗伦萨人可能会觉得萨沃纳罗拉也许是对的。像其他每一次乐观主义的毁灭一样（不管是发生在整个文明头上还是某个人的头上的毁灭），这对那些曾经敢于期待进展的人来说，都必定是无法言述的灾难。但是，我们不应该仅仅去同情那些人，而应该感同身受。因为如果这些早期的乐观主义尝试有任何一次获得成功，我们这个物种现在应该已经在探索恒星，你和我也应该已经长生不死。

术语

盲目乐观（鲁莽，自信）——继续前行，好像知道坏结果不会发生。

盲目悲观（预防性原则）——避免一切未经确认安全的东西。

乐观主义原则——所有的恶都是知识不足造成的。

财富——人有能力进行的所有物理转换的集合体。

“无穷的开始”在本章的意义

——乐观主义。（悲观主义的终结。）

——学习怎样避免自我欺骗。

——雅典和佛罗伦萨之类的微型启蒙运动是潜在的无穷的开始。

小结

乐观主义（在我主张的意义上）是这样一种理论：所有的失败——所有的恶——都是知识不足造成的。这是关于不可知事物的理性哲学的关键。如果知识创造有根本限制，那乐观主义就空洞无物，但不存在这样的限制。假如存在着没有客观进步的领域（特别是道德之类的哲学领域），那乐观主义就是错误的，但所有这些领域里都存在着真理，朝向真理的进步通过寻求好解释来实现。问题是不可避免的，因为我们的知识与完备状态之间永远隔着无穷远的距离。有些问题很困难，但把困难的问题和不可能解决的问题混为一谈是错误的。问题是可以解决的，而且每一种特定的恶都是一个可以解决的问题。乐观主义的文明是开放的，它不害怕创新，以批评的传统为基础。它的体系不断改善，这些体系所实现的知识中最重要的，就是怎样检测和消除错误的知识。历史上可能有过很多短命的启蒙运动。我们的启蒙运动独一无二地长寿。

[1] 俄罗斯轮盘赌是一种致命游戏，据称起源于俄罗斯，玩法是给左轮手枪装入一粒子弹，转动弹巢。随后，参与者轮流将枪口对准自己扣动扳机。如果有人被子弹击中或有人不敢扣下扳机，游戏就结束。——译注

[2] 雅典的黄金时代大约是公元前480-前404年，始于希波战争，终于伯罗奔尼撒战争。由于政治家伯里克利对这期间文化、艺术和民主的发展贡献卓著，该时代也称为伯里克利时代。——译注

[3] 帕特农神庙，雅典娜女神的神庙，于公元前5世纪建造，位于雅典的军事要塞——雅典卫城。——译注

[4] 美第奇家族由经商积累财富，通过开办银行而兴旺，随后插手政治和宗教，于13世纪至17世纪之间实际控制佛罗伦萨，产生了三位教皇和若干欧洲王室成员。洛伦佐·美第奇（1449-1492）于文艺复兴时期统治佛罗伦萨，他死之后，文艺复兴的中心从佛罗伦萨转移到罗马。——译注

[5] 伊斯兰黄金时代又称伊斯兰复兴，指从公元762年伊斯兰帝国迁都巴格达开始的约500年时间。其间伊斯兰世界兴起重视知识的风气，汇聚了来自东西方多个文明的知识，科学、艺术、法律、文学、工程等各领域人才辈出，对整个世界乃至后世产生了重大影响。海什木是这段时期最重要的伊斯兰学者之一，他被认为是现代光学、实验物理学和科学方法论之父，第一位理论物理学家，中世纪欧洲人称其为“托勒密第二”。——译注

第10章 苏格拉底的梦

苏格拉底住在德尔斐神庙[1]附近的小旅馆里。他同他的朋友凯勒丰向神请教谁是世界上最聪明的人，[2]他们好去向他学习。但让他们烦恼的是，传达阿波罗神谕的女祭司宣布“没有人比苏格拉底更聪明”。在那个狭小而昂贵的房间里，苏格拉底躺在一张不舒适的床上，听到一个深沉悦耳的声音在吟诵他的名字。

赫尔墨斯：你好，苏格拉底。

苏格拉底：[拉起毯子盖在头上]走开。我今天已经献上了太多的贡品，你不会从我这里再榨取到什么了。我太“聪明”了，你没听说吗？

赫尔墨斯：我不求贡品。

苏格拉底：那你想要什么？[他转过身，看到浑身赤裸的赫尔墨斯。]好了，我敢肯定，我有些在外面扎营的同伴会很高兴——

赫尔墨斯：我要找的不是他们，而是你，苏格拉底。

苏格拉底：那么你会失望的，陌生人。现在麻烦你，让我享受好不容易才得来的休息。

赫尔墨斯：很好。［他朝门走去］

苏格拉底：等一下。

赫尔墨斯：［疑惑地转过身来］

苏格拉底：［缓慢而从容不迫地］我睡着了。在做梦。而你是阿波罗神。

赫尔墨斯：是什么让你这样认为？

苏格拉底：这块地方是你的圣地。现在是晚上，又没有灯，但我可以清楚地看到你。在现实中这是不可能的。所以，肯定是你走进了我的梦乡。

赫尔墨斯：你在冷静地思考。你不害怕吗？

苏格拉底：哈！我来反问你：你是一位仁慈的神还是恶毒的神？如果是仁慈的，那我用得着害怕吗？如果是恶毒的，那我不屑于怕你。我们雅典人是一个骄傲的民族——而且受我们的女神保护，这个你肯定知道。我们两次以寡敌众击败波斯帝国，[3]现在我们也不畏惧斯巴达。去藐视任何要我们臣服的人，正是我们的风尚。

赫尔墨斯：即使是神？

苏格拉底：一位仁慈的神不会要人怕他。而且我们还有一种风尚，就是倾听任何向我们提出诚实的批评、想让我们自愿改变想法的人的意见。因为我们想做正确的事。

赫尔墨斯：这两种风尚是同一枚珍贵硬币的两面，苏格拉底。因为你们尊重这些风尚，我大大地赞美雅典人。

苏格拉底：我的城市无疑是值得你青睐的。但你这样一位不朽的神灵，为什么会希望同我这样一个困惑而又无知的人交谈呢？我想我能猜到你的理由：你对自己通过神谕开的小玩笑后悔了，不是吗？实际上，你给我们这样一个嘲弄的答案，实在残酷，想想看我们走了多远的路才来到这里，还有我们献上的贡品。所以，这次请把真相告诉我，啊！智慧的源泉：到底谁是世界上最聪明的人？

赫尔墨斯：我不能揭示任何事实。

苏格拉底：［叹息］那么我请求你——我一直都想知道：美德的本性是什么？

赫尔墨斯：我也不能揭示道德的真理。

苏格拉底：然而，作为一位仁慈的神，你来到这里肯定是传授某种知识。你会赐予我什么样的知识呢？

赫尔墨斯：关于知识的知识，苏格拉底。认识论。我已经提到了一点。

苏格拉底：你已经提到了吗？哦——你说你赞美雅典人，因为我们对说服持开放态度，并且蔑视强权。但这些东西是美德已经众所周知！告诉我一些我已经知道的事，不算是“启示”。

赫尔墨斯：大多数雅典人的确会把这些称为美德。但究竟有多少人真的相信它呢？有多少人愿意用理性和正义的标准批评神呢？

苏格拉底：［思考］所有公正的人，我猜是这样。因为，如果一个人尚未信服神在道德上的正确性却遵从神的旨意，那他怎么可能是公正的呢？而如果没有事先就哪些品质在道德上是正确的形成一种观点，又怎么可能信服某人在道德上是正确的？

赫尔墨斯：外面草坪上你的同伴们——他们是不公正的吗？

苏格拉底：不是不公正的。

赫尔墨斯：那他们是否认识到了你刚才所描述的，理性、道德与不愿遵从神之间的关系？

苏格拉底：也许还没有充分认识到。

赫尔墨斯：所以，不是每一个公正的人都知道这些东西。

苏格拉底：同意。也许这只有聪明人知道。

赫尔墨斯：那么就是每个至少像你一样聪明的人。还有谁属于这个崇高的类别呢？

苏格拉底：你问我的这个问题，正是我今天向你请教的问题，聪明的阿波罗，你这样嘲笑我难道有什么高深的用意？在我看来，你的笑话一点儿也不好笑。

赫尔墨斯：你，苏格拉底，难道从来不嘲笑任何人吗？

苏格拉底：［自豪地］如果我偶尔开什么人的玩笑，也是因为我希望他帮我寻求一个我和他都还不知道的真理。我不会像你一样，站在高人一等的位置上嘲笑别人。我只想激励凡人同伴们帮我超越容易看到的东西，看到更远的地方。

赫尔墨斯：但这世界上有什么是容易看到的？什么是最容易看到的，苏格拉底？

苏格拉底：［耸耸肩］我们眼前的事物。

赫尔墨斯：那此时此刻你眼前的是什么？

苏格拉底：是你。

赫尔墨斯：你确定吗？

苏格拉底：你会不会开始问我，我怎样确信自己所说的话？然后，不管我给出什么理因，你就问我怎样确信这一点？

赫尔墨斯：不。你以为我来这里是同你耍弄老掉牙的辩论技巧吗？

苏格拉底：很好：很明显，我不能确信什么。但我也不想确信什么。我想不出什么——没有冒犯的意思，聪明的阿波罗——比在个人信念方面达到完全有把握的状态更无聊的了，有些人似乎渴望做到这一点。我看不出这有什么用——除了在不具备真正的观点时提供一个观点的假象。幸好，我渴望的东西与这种心理状态毫无关系。我渴望发现世界的真相是什么样，为什么是这样——还有，世界应该是什么样。

赫尔墨斯：祝贺你，苏格拉底，为着你在认识论上的智慧。你所寻求的知识——客观知识——很难获取，但是可以获取。许多人在追求你不愿追求的那种心理状态——确证信念，尤其是祭司和哲学家。不过，实际上，信念不能被确证，除非涉及别的信念，而即使这样也是容易出错的。因此，他们对确证的寻求只能导致无穷回归——它的每一步本身都有可能出错。

苏格拉底：这一点我也知道。

赫尔墨斯：的确如此。正如你已经正确地说过的，如果我把你已经知道的事情告诉你，就不能算作“启示”。不过请注意，你的那番话，正是寻求“确证信念”的人们所不同意的。

苏格拉底：什么？我很抱歉，但这个评论太费解了，我这个据说很聪明的头脑无法理解。请解释一下，我怎样才能认出在寻求“确证信念”的人们。

赫尔墨斯：就是这样的，假设他们刚好认识到了某种事物的解释。你和我会说他们知道这个解释。但是，不管解释有多么好，也不管有多正确、多重要和多有益，他们仍然不把它当成知识。只有神灵出现向他们保证这是正确的（或者他们想象出这样一位神或其他权威），他们才把它当成知识。因此，如果权威把他们已经完全认识到的事情告诉他们，对他们来说的确算是启示。

苏格拉底：我看出来了。而且我看出他们是愚蠢的，因为他们知道，“权威”［对赫尔墨斯打手势］可能在戏弄他们，或是想给他们一些重要的教训。他们也有可能误解了权威。或者他们把这当成权威的信念是错的——

赫尔墨斯：是的。所以他们称为“知识”的东西，即确证信念，是一种妄想。对人类来说它是不可获取的，除非用自我欺骗的方式；对任何良好目的来说，它都是不必要的；对最聪明的凡人来说，它是不值得拥有的。

苏格拉底：我知道。

赫尔墨斯：色诺芬尼[4]也知道，但他已不再是凡人中的一员——

苏格拉底：你通过神谕告诉我没有人比我更聪明时，是不是这个意思？

赫尔墨斯：［无视这个问题］因此，还有，当我在问你是否确信我在你眼前时，所指的并不是确证信念。我只是在质疑，你怎么能在说自己睡着了的时候声称“清楚地看到了”！

苏格拉底：哦！是的，你抓住了我的一个错误——但无疑只是小事一桩。事实上，你可能无法实实在在地站在我的眼前。也许你仍然待在奥林匹斯山[5]上的家里，送到我这里来的只是你自己的影像。但这样的话，你控制着你的影像，我看着它时，把它当作“你”，所以我正在看着“你”。

赫尔墨斯：但是，这并不是我所要问的。我问是什么在你眼前。在现实中。

苏格拉底：好吧。在我的眼前，在现实中，有——一个小房间。或者，如果你想要一个实在的答复，在我眼前的——是眼皮，因为我预期它们现在是合上的。然而，从你的表情我看到你想要更精确的说法。非常好：在我的眼前是我的眼皮的内表面。

赫尔墨斯：你能看到那些吗？换句话说，是不是真的“很容易看到”你眼前是什么？

苏格拉底：此刻不行。不过这只是因为我在做梦。

赫尔墨斯：只是因为你在做梦吗？你的意思是，如果你是醒着，现在就可以看到你眼皮的内表面吗？

苏格拉底：［谨慎地］如果我醒着，而我的眼睛仍然闭着，那么，是可以看到的。

赫尔墨斯：当你闭上眼睛时，看到的是什么颜色？

苏格拉底：在光线如此昏暗的一个房间里——是黑色。

赫尔墨斯：你认为你的眼皮的内表面是黑色的吗？

苏格拉底：我想不是。

赫尔墨斯：那么，你真的可以看到它们吗？

苏格拉底：不完全是。

赫尔墨斯：如果睁开眼睛，你将能看到房间吗？

苏格拉底：只能很模糊地看到。这里很黑。

赫尔墨斯：所以我再问你：如果你醒着，是不是可以很容易地看到你眼前是什么？

苏格拉底：好啦——并不总是如此。但不管怎么说，当我醒着的时候，我睁开眼睛，而且是在明亮的光线下——

赫尔墨斯：但我猜也不能太亮？

苏格拉底：是的，没错。如果你想继续纠缠下去，我必须承认，当一个人被阳光晃得眼花缭乱时，看到的东西可能会比在黑暗中更少。同样，人们可以在镜子里看到自己的脸，但实际上镜子背后只是空间。人有时会看到海市蜃楼，或者因为一堆皱巴巴的衣服正好像一个神秘人物而被愚弄——

赫尔墨斯：或者可能因为梦到一个而被愚弄……

苏格拉底：［微笑］确实如此。不过反过来说，无论是睡着或是醒着，我们往往看不到在现实中存在的东西。

赫尔墨斯：你根本不知道有多少这样的东西……

苏格拉底：毫无疑问。但是，当一个人不是在做梦、周围的条件适合看东西的时候——

赫尔墨斯：你怎么能说条件是不是“适合”去看东西呢？

苏格拉底：啊！现在你试图抓住我循环论述的问题。你希望我说，当一个人可以很容易地看到东西时，就能判断出条件适合看到东西。

赫尔墨斯：我希望你不这么说。

苏格拉底：在我看来，你在问一些关于我的问题——我面前有什么，我可以很容易地看到什么，我是不是能确信，等等。但我追求的是基本真理，据我估计，没有任何一条这样的真理是主要关于我的。因此，让我再次强调：我不确信我眼前的是什么——永远——不管我的眼睛是睁开还是闭着，不管我是睡着还是醒着的。我也不能确信我眼前可能有什么，因为当我觉得自己醒着的时候怎么能估计自己正在做梦的可能性？或者估计这样一种可能性：我先前的全部生活只是一个梦，某个你们这样的神灵因为把我禁锢在其中而感到高兴的梦？

赫尔墨斯：的确如此。

苏格拉底：我甚至可能是一个平凡骗术的受害者，就像魔术师的那些骗术。我们知道，魔术师在欺骗我们，因为他给我们看一些不可能出现的事物——然后要我们给钱！但是，如果他放弃收费，然后给我们看一些可能出现但实际上没有出现的事物，我们怎么能知道？也许你的这整个幻影根本不是梦，而是某种巧妙的魔术。另外，你也有可能是亲身在这里，而我是完全清醒的。所有这些我都永远不能确信是或者不是。不过，我可以设想知道其中的某一些。

赫尔墨斯：正是。对你的道德知识的情况是不是也如此：对于什么是对什么是错，你会不会出错，或者被相当于幻象或魔术的东西误导？

苏格拉底：这似乎更难想象。对于道德知识，我基本不需要感知。我理性思考什么是对的和错的，或者是什么使一个人是道德的或邪恶的。我在这些思虑中可能会出错，但不是那么容易受外界的魔术或幻象欺骗，因为这些东西只影响我们的感官，而不会影响理智。

赫尔墨斯：那么，你怎样解释这样的事实：对于什么样的素质构成美德或恶习，什么样的行动是对的或错的，你们雅典人一直在争吵不休？

苏格拉底：这有什么难理解的？我们意见不同，是因为这些事很容易搞错。然而，尽管如此，在许多这样的问题上我们还是意见一致的。

据此推测，我们之所以迄今未能达成一致，不是因为什么事在主动欺骗我们，而是因为有些问题很难推理——就像在几何中有许多真理，甚至连毕达哥拉斯都不知道，但未来的几何学家可能会发现。正如另一个“聪明的凡人”色诺芬尼所写的：

一开始，众神并不曾向我们揭示

所有的事物，但随着时间推移

在寻找中，我们能学到更多，了解更多[6]

这是我们雅典人在道德知识方面所做的事情。通过寻找，我们学到了简单的东西，并且达成一致意见。将来，以同样的方式——也就是不让自己的任何观点免遭批评——我们可能学到一些不太轻松的东西。

赫尔墨斯：你的话很有道理。那么，稍微深入一点：如果在道德问题上是如此难以进行系统的欺骗，那为何雅典人几乎全都同意的某些看法，斯巴达人却不同意呢——就是你刚才所说的容易的东西？

苏格拉底：因为斯巴达人在幼年就学到很多错误的信念和错误的价值观。

赫尔墨斯：那雅典人是在什么年龄开始接受他们完美无瑕的教育？

苏格拉底：又让你抓住了我的一个错误。是的，当然，我们也向年轻人传授我们的价值观，这里除了包括我们最深刻的智慧，也肯定包括我们最严重的错误观念。然而，我们的价值观包括对建议持开放态度，宽容异议，对异议和接受的意见都进行批评。所以我想，斯巴达和我们之间的真正区别是，他们的道德教育命令他们使其最重要的思想观念免受批评。对建议不持开放态度。不批评特定的思想，比如他们的传统或关于众神的观念。不追求真理，因为他们声称已经真理在握。

因此，他们不相信，“但随着时间推移，在寻找中，他们能学到更多，了解更多”。他们彼此意见一致，是因为他们的法律和风尚强迫他们一致。我们意见一致（在我们做到的程度上）是因为，通过我们无穷无尽地批评的传统，我们已经发现了一些真正的知识。因为任何给定的事物只有一个真理，随着我们发现接近真理的思想，我们的思想也彼此接近，因此我们的意见更加一致。人们为了寻找真理走到一起，而真理又把人们聚集在一起。

赫尔墨斯：的确如此。

苏格拉底：此外，由于斯巴达人从未寻求改进，他们从未得到改进也就不令人惊讶。相反，我们在寻求改进——通过不断地批评和辩论，并试图纠正我们的思想和行为。因此，对于在未来学到更多的东西，我们处在有利的地位上。

赫尔墨斯：那么结论是，斯巴达教育他们的子女，维护他们城市的思想、法律和风俗免受批评，这种做法是错误的。

苏格拉底：我还以为你不会揭示道德真理呢！

赫尔墨斯：既然它来自认识论的逻辑推理，我实在忍不住要这样做。但是，不管怎样，这一点你也已经知道了。

苏格拉底：是的，我知道。我也看出来你要做什么了。你在向我展示，在道德知识方面有幻象和诡计之类的东西。其中有些体现在斯巴达人的传统道德选择中。他们的整个生活方式误导并困住了他们——因为他们的错误信念之一就是，他们不允许采取任何步骤去阻止他们的生活方式误导并困住他们！

赫尔墨斯：是的。

苏格拉底：是否有这类陷阱也体现在我们的生活方式中呢？［皱眉］当然，我认为没有——但我当然会这样想，不是吗？正如诺芬尼还写道，人们很容易把局部现象归结为普遍真理：

埃塞俄比亚人说，他们的神是塌鼻梁和黑皮肤的

色雷斯人则说，他们的神有蓝眼睛和红头发

然而，如果牛、马或狮子有手，可以画画

并像人一样会雕塑，那马塑造出的神将长得像马

牛的神长得像牛……

赫尔墨斯：所以现在你在想象，有一些斯巴达人的苏格拉底认为他们的方式高尚而你们的方式颓废——

苏格拉底：他会认为我们困在陷阱里，因为我们从来都不愿意“纠正”自己去采取斯巴达的方式。是的。

赫尔墨斯：但这位斯巴达的苏格拉底，如果他存在，会不会在担心雅典的苏格拉底可能是正确的，而他是错的呢？会不会有一个斯巴达的色诺芬尼，怀疑神可能不像希腊人所想的样子？

苏格拉底：当然不会！

赫尔墨斯：所以，既然他们的“方式”之一就是保持所有的方式不变，那么如果他是对的，而你是错的——

苏格拉底：那么斯巴达人自从采用当前的生活方式开始，就是正确的。众神必定一开始就向他们揭示了完美的生活方式，所以——其中有你吗？

赫尔墨斯：［扬了扬眉毛］

苏格拉底：当然，你没有。现在我看出，我们和他们的区别不只是角度问题，也不只是程度问题，[7]让我换一种方式再说一遍：

如果斯巴达的苏格拉底是正确的，雅典的确被困在谬误中，而斯巴达没有。这样的话，永不改变的斯巴达必定已经是完美的，因此在其他一切方面也是正确的。然而事实上，他们几乎一无所知。显然有一件事他们就不知道：怎样去说服其他城市相信斯巴达是完美的，即使是那些策略上愿意倾听争论和批评的城市……

赫尔墨斯：嗯，逻辑上说来，这个“完美的生活方式”取得的成就极少，在大多数的事情上都是错误的。不过，如果你从中窥见某些更重要的东西——

苏格拉底：如果我是正确的，雅典没有困在这样一个陷阱里，这完全不涉及我们在其他事情上是对是错。事实上，认为改进是可能的，我们的这个观念本身就意味着，我们当前的思想观念肯定有错误和不足之处。

感谢你，慷慨的阿波罗，因为你帮我“窥见”了这个重要区别。

赫尔墨斯：不过这个区别比你想象的大。要记住，斯巴达人和雅典人是一样的，只不过是容易犯错的人，所有的思考都会受误解和错误影响的人——

苏格拉底：等一等！我们所有的思考都很容易犯错吗？确实没有办法可以使我们安全地免于批评？

赫尔墨斯：你指的是什么？

苏格拉底：［思考了片刻。然后］比如说算术的真理，像二加二等于四？或德尔斐存在的事实？三角形的内角和等于两个直角这样的几何事实怎么样？

赫尔墨斯：我不能揭示事实，也就无法确认所有这三个命题的真实性！但更重要的是：你怎么就选了这几个特定的命题来作为免受批评的备选者？为什么是德尔斐而不是雅典？为什么是二加二而不是三加四？为什么不是毕达哥拉斯定理？这是因为你决定，你所选择的命题能最好地表达你的观点，因为在你考虑使用的所有命题中，它们最显而易见、毫不含糊地正确？

苏格拉底：对。

赫尔墨斯：但你怎么确定每个备选的命题与其他命题相比有多么显而易见、毫不含糊？你难道没有批评它们？你难道没有很快地试图想出什么样的方法或推理会使它们看起来是错误的？

苏格拉底：是的，我这样做了。我明白了。如果我维护它们免受批评，就无法得出那个结论。

赫尔墨斯：那么你终究是一个地地道道的容易犯错的人，虽然你曾经误以为不是。

苏格拉底：我只是怀疑。

赫尔墨斯：你怀疑和批评了易谬主义本身，正像一个真正的易谬主义者所做的那样。

苏格拉底：正是如此。而且，如果我不批评它，就不可能理解它为什么是真实的。我的疑问改进了我对一个重要真理的认识——被维护免受批评的知识永远无法得到改进！

赫尔墨斯：这也是你已经知道的。因为这就是为什么你总是鼓励每个人都去批评，甚至那些在你看来最明显的事情——

苏格拉底：这就是为什么我通过对他们这样做来树立榜样！

赫尔墨斯：也许吧。现在来这样考虑：如果容易犯错的雅典选民犯了一个错误，并颁布了一项非常不明智和不公正的法律——

苏格拉底：那个，唉，他们经常这样——

赫尔墨斯：想象一种特定的情形，为了讨论方便起见。假设不知何故，他们坚定地相信，偷窃是一种高尚的品德，这一行为会带来许多实际利益，于是他们废除所有禁止偷窃的法律。那会发生些什么？

苏格拉底：每个人都将开始偷窃。很快那些最擅长偷窃（以及在窃贼中间生活）的人会变成最富有的公民。但是大多数人（甚至大多数窃贼）都感到他们的财产不再安全，所有的农民、工匠和贸易商很快发现不可能继续生产任何值得偷的东西。灾难和饥饿跟着到来，而承诺的好处却并未实现，这时所有的人都意识到他们错了。

赫尔墨斯：他们会吗？让我再次提醒你人性是容易犯错的，苏格拉底。由于他们坚定地相信偷窃是有益的，他们对这些挫折的第一反应不会是偷窃得还不够吗？难道他们不会去制定法律去鼓励进一步的偷窃吗？

苏格拉底：唉，是——在一开始会的。然而，不管他们怎样坚定地确信，这些挫折都将是他们生活中的问题，他们会希望解决这些问题。其中一些人最终会开始怀疑，增加偷窃大概根本就不是解决问题的方案。因此，他们会更多地思考这个问题。他们曾经因为这样或那样的解释而相信了偷窃的好处。现在他们将试图解释为什么所谓的解决方案似乎不管用。最终他们会找到一个看上去更好的解释。于是他们开始逐渐说服别人——直到大多数的人再次反对盗窃。

赫尔墨斯：啊哈！所以，得救是可以通过说服来实现的。

苏格拉底：如果你愿意这么想的话。思考、解释和说服。现在，通过他们的新解释[8]，他们会更好地理解为什么偷窃是有害的。

赫尔墨斯：顺便说一下，我们刚才想象的小故事正是雅典看起来的真正情形，从我的角度看。

苏格拉底：［有点愤愤不平］你肯定在嘲笑我们！

赫尔墨斯：完全没有，雅典人。正如我所说的，我敬重你们。现在让我们考虑一下，如果他们的错误不是把偷窃合法化，而是禁止争论。还禁止哲学、政治和选举，以及所有此类活动，认为这些都是可耻的。

苏格拉底：我懂了。这样做的效果将是禁止说服。因此它将封锁我们所讨论过的、可以得救的道路。这是一种罕见而且致命的错误：它在阻止本身被消除。

赫尔墨斯：或者至少使得救变得极其困难，是吧。依我之见，这就是斯巴达看起来的样子。

苏格拉底：我知道了。现在你点出来的，我也有同感。以前我经常思考我们这两个城市之间的诸多差异，我必须承认——直到现在仍然是——有许多地方我佩服斯巴达人。但在这之前我从来没有意识到，这些差别都是表面的。在他们明显的优点和恶习之下，甚至在他们是雅典的仇敌这一事实之下，斯巴达是一种深重的恶的受害者——以及仆从。这是一个重大的启示，高贵的阿波罗，这个启示比一千个神谕的宣告还重要，我实在难以表达我的感激之情。

赫尔墨斯：［点头表示知道了］

苏格拉底：我也明白了，你为什么总告诫我，要牢记人类的易谬性。事实上，自从你提到有些道德真理来自认识论思考的逻辑推论，我就一直想知道，是不是所有的道德真理都是这样来的。不要毁坏纠正错误的方法，这条道德必须规则是不是唯一的道德必须规则？是不是所有其他道德真理都由它而来？

赫尔墨斯：［沉默］

苏格拉底：如你所愿。现在，对于雅典和你所说的认识论：如果我们发现新知识的前景是那么好，你为什么强调感官不可靠呢？

赫尔墨斯：我是在纠正你对追求知识的描述，你把那说成是“超越容易看到的东西”。

苏格拉底：我是在比喻：“看到”的意思是“理解”。

赫尔墨斯：是的。不过，你已经让步说，即使是那些你认为最容易在字面意义上看到的东西，事实上如果不具备与它们有关的先验知识，也是很难看到的。真正的情况是，如果没有先验知识，没有什么东西是容易看到的。世界上所有的知识都来之不易。此外——

苏格拉底：此外，由此推出，我们不是通过看来获得知识。知识不会通过我们的感知流向我们。

赫尔墨斯：没错。

苏格拉底：但你说客观知识是可以获得的。因此，如果知识不是通过我们的感官得到的，那它是从哪里来的？

赫尔墨斯：假设我要告诉你，所有的知识来自说服，你怎么想？

苏格拉底：又是说服！好吧，我会回答——恕我直言——这毫无意义。谁要说服我相信什么事情，他自己必须首先发现了它，这样的话，相关的问题就是他的知识来自哪里——

赫尔墨斯：没错，除非——

苏格拉底：而且在任何情况下，当我通过说服学到一些东西，知识就的确是通过我的感官到达我这里的。

赫尔墨斯：不，在这点上你错了。它只是看起来通过这种途径到达你这里。

苏格拉底：什么？

赫尔墨斯：好，你现在在向我学习东西，对不对？这些东西是通过你的感官学到的吗？

苏格拉底：是的，当然是。噢——不，不是的。但这仅仅是因为，你身为超自然的神灵，绕过了我的感官，在梦里向我传递知识。

赫尔墨斯：我有吗？

苏格拉底：我想你说过你不是在这里玩弄辩论技巧！你是在否认自身现在的存在？当诡辩家这么做时，我通常用他们自己的话攻击他们，并停止与他们争论。

赫尔墨斯：这种策略又一次证明了你的智慧，苏格拉底。但我没有否认我的存在。我只是在问，我是不是真实的，到底有什么区别。这会让你改变在这次谈话中了解到的关于认识论的观念吗？

苏格拉底：也许不会……

赫尔墨斯：也许不会？好啦，苏格拉底，你先前还在吹嘘你和你的同胞总是对说服持开放态度。

苏格拉底：是的，我明白了。

赫尔墨斯：现在，如果我确实只是你想象的虚构的东西，那是谁说服了你呢？

苏格拉底：大概是我自己——除非这个梦既不是来自你也不是来自我自己，而是从其他来源……

赫尔墨斯：但你不是说你对任何人的说服都是开放的吗？如果这个梦的来源未知，会有什么区别吗？如果它们有说服力，你作为一个雅典人难道不是有义务接受吗？

苏格拉底：看起来我有义务。但如果这个梦来自一个恶意的来源呢？

赫尔墨斯：也不会有什么根本区别。假设这个来源声称要告诉你一个事实。然后，如果你怀疑来源是恶意的，你会试着去了解它要通过告诉你这个所谓的事实来做什么坏事。但随后，根据你的解释，你可能无论如何还是决定相信——

苏格拉底：我明白了。举例来说，如果敌人宣布他打算要杀了我，我可能会充分相信他，尽管他是恶意的。

赫尔墨斯：是的。你也有可能不会。如果你最亲密的朋友声称告诉你一个事实，同样，你可能疑惑他是否被恶意的第三方误导了——或者就是因为无数理由中的任何一种而搞错了。这样的情况很容易出现，你会不相信你最亲密的朋友，却相信你最可怕的敌人。不管什么情况，重要的是你在自己的头脑里对这些事实以及相关观察和建议创造出的解释。

但这里的情况比较简单。如我所说，我不会揭示事实。只是在讨论。

苏格拉底：我懂了。如果论点本身有说服力，我不需要信任它的来源。也没有办法运用任何来源，除非有了有说服力的论点。

等一等——我刚刚意识到什么。你不“揭示事实”。但阿波罗神的确揭示事实，每天通过神谕揭示数以百计的事实。啊哈，我现在明白了。你不是阿波罗神，而是另外一位神。

赫尔墨斯：［沉默］

苏格拉底：你显然是一位知识之神……但有好几位神对知识有兴趣。雅典娜女神自己就是——但我能看出你不是她。

赫尔墨斯：不，你不能看出。

苏格拉底：我能。我不是指从你的外表来判断。我的意思是说，我可以从你用超然的方式来评论雅典而推断出来。所以——我想你是赫尔墨斯，知识、消息和信息流之神——

赫尔墨斯：很妙的想法。不过，顺便问一下，是什么使你认为阿波罗通过神谕揭示事实呢？

苏格拉底：哦！

赫尔墨斯：我们已经就此达成一致：“揭示”的意思是告诉请求者一些他还不知道的东西……

苏格拉底：他所有的答复都只是笑话和恶作剧吗？

赫尔墨斯：［沉默］

苏格拉底：正如你所希望的，敏捷的赫尔墨斯。那让我试着去理解你有关知识的论点。我问你知识从哪里来，你把我的注意力引入了这个梦。你又问我如果我正向你学习的知识原来根本不是超自然灵感所激发的，会有什么区别。我不得不同意，这样不会有什么区别。所以，我是不是要得出结论说……一切知识的来源都与梦的来源一样，在我们自己的头脑里？

赫尔墨斯：的确是的。你还记得色诺芬尼在说了人类可以获得客观知识之后还写了些什么吗？

苏格拉底：记得。他接下来写道：

但确切的真理，人过去不知道，

将来也不会知道；神灵也不知道，

我说过的一切都不知道。

就算他碰巧说出了完美真理，

他自己也不知道

因此他是在说，虽然客观知识是可以获得的，确证信念（“确切的真理”）却不是。

赫尔墨斯：是的，这些我们全都谈到了。但你要的答案在下面一行。

苏格拉底：“因为这不过是猜想编织出的一张网”。猜想！

赫尔墨斯：是的。猜想。

苏格拉底：可是等一下！要是知识并非来自猜想——就像某位神灵给我托梦那样，又如何？要是我仅仅从别人那里听到思想观念又如何？他们可能通过猜想得到这些知识，但我是仅仅通过倾听得到。

赫尔墨斯：你不是仅仅倾听。所有这些情况下，为了获得知识你仍然要猜想。

苏格拉底：我有吗？

赫尔墨斯：当然有。难道你没有经常被人误解，甚至是被非常努力想理解你的人误解？

苏格拉底：有的。

赫尔墨斯：反过来，你是不是也经常误解别人的意思，甚至在他努力尽可能向你说清楚时也是？

苏格拉底：的确，我有过。但至少在这次谈话中没有！

赫尔墨斯：嗯，这不只是哲学思想的一个属性，而是所有思想的属性。还记得你们乘船来这里时迷了路吗？那是因为什么？

苏格拉底：是因为——像我们事后明白的那样——我们完全误解了船长的指令。

赫尔墨斯：那么，在你们尽管认真听了他说的每一句话、却搞错了他的意思的时候，那些错误想法从何而来？估计不是从船长那里……

苏格拉底：我明白了。错误肯定来自于我们自己，肯定是某种猜想。不过，直到这一刻，我可是一点猜想都没做。

赫尔墨斯：那你为什么要期待在你确实正确理解别人时会发生不同的情况呢？

苏格拉底：懂了。当我们听到人们说什么时，就会猜想其中的意思，却没有意识到我们在做什么。这么一说，让我开始觉得有点道理了。除了——猜想不是知识！

赫尔墨斯：的确，大多数猜想都不是新知识。虽然猜想是一切知识的起源，它也可能是错误的来源，因此，一种思想观念被猜想出来之后经历了什么，是至关重要的。

苏格拉底：那么——容我把这种洞见与我对批评的了解结合起来。一个猜想也许是从梦中得来，也许只是一种大胆的推测，或把多种思想观念随意组合，或者任何东西。但是我们不会盲目接受它，也不会因为想象它是“权威的”就接受它，也不会因为我们希望它是真实的就接受它。相反，我们批评它，试图发现它的缺陷。

赫尔墨斯：是的。无论如何，这是你应该做的。

苏格拉底：那么，我们试图弥补这些缺陷，通过改变这个想法或放弃它而偏好其他想法的方式——而改变和其他想法本身也是猜想。它们也要受到批评。我们只有在所有这些否认或改进一个想法的尝试都失败的时候，才暂时接受这个想法。

赫尔墨斯：这是有效的。可惜的是，人们并不是总在做有效的事情。

苏格拉底：谢谢你，赫尔墨斯。通过这么一个过程就能了解到我们全部的知识来源，真是太令人兴奋了。无论是驶向德尔斐的海船船长的知识，或是我们已经精心提炼多年的有关对与错的看法，或是算术和几何定理——或由一位神灵向我们揭示的认识论——

赫尔墨斯：这一切都来自内心，通过猜想和批评。

苏格拉底：等一等！即使是神授的启示，也是来自内心的？

赫尔墨斯：而且也一样的易谬。是的，你的论点涵盖了这种情况，就像涵盖其他任何情况。

苏格拉底：太妙了！但现在——我们在自然界中体验到的物体又如何呢。我们伸手触摸到一个物体，因此体验到它在那里。显然这是一种不同类型的知识，不管是否易谬，它都确实来自外界，至少是在这个意义上：我们的感觉经验在那里，在物体所处的位置上。[9]

赫尔墨斯：你喜欢这样的想法：其他所有不同类型的知识都起源于相同的方式，在用相同的方式去改进。为什么“直接”的感觉经验是一个例外？要是它们只是看上去完全不同呢？

苏格拉底：但可以肯定，你现在要我相信一个全方位的魔术，与全部生活只是一个梦的幻想概念类似。因为这将意味着，触摸一个物体的感觉并没有发生在我们体验到它发生的地方，即不在手触及的地方，而是在头脑里——我相信它在大脑中的某一处。所以，我所有的触摸感觉都在我的头盖骨内部，那是个在现实中只要我还活着就没有人能触摸到的地方。每当我觉得我看到一个浩瀚的、灯火辉煌的景观，所有我真正体验到的东西同样是完全在我的头盖骨内部，而那里实际上总是黑暗的！

赫尔墨斯：这有那么荒谬吗？那你觉得这个梦里所有的景象和声音是在什么地方？

苏格拉底：我承认，它们确实是在我的脑海里。但这正是我要说的：大多数梦境所描绘的东西在外部现实中根本就不存在。对于确实存在的事物，如果没有并非来自头脑而是来自这些事物本身的某种信息，是不可能对它们进行描绘的。

赫尔墨斯：很有道理，苏格拉底。但你梦境的来源里需要这些信息吗，还是仅仅在进行批评时才需要？

苏格拉底：你的意思是，我们首先猜想那里有什么，然后——是什么？——用我们的感官得到的信息检验我们的猜想？

赫尔墨斯：是的。

苏格拉底：我明白了。然后我们仔细琢磨我们的猜想，然后把其中最好的猜想塑造成某种现实中清醒的梦。[10]

赫尔墨斯：是的。一个对应现实的清醒的梦，但还不止于此。这是一个你可以控制的梦。你通过控制现实的对应方面来控制它。

苏格拉底：［倒抽一口冷气］这是一个了不起的统一理论，而且就我看来是一致的。但我真的准备好接受这一点了吗——我自己，那个我称之为“我”的思考者，根本没有关于物理世界的直接知识，只能通过偶然扑到我眼睛上的闪烁和阴影以及其他感觉来获取深奥的暗示？还有，我体验到的现实只不过是一个清醒的梦，由源自我内心的猜想组成？

赫尔墨斯：你难道还有其他解释吗？

苏格拉底：没有！我越是仔细思考这个道理就越高兴。（这是一种应该提防的感觉！但我还是被说服了。）每个人都知道，人是动物的完美典范。但是，如果你告诉我的这种认识论是真实的，那么我们比那种典范还要奇妙无穷多倍。我们坐在这里，永远禁锢在黑暗、几乎完全封闭的头盖骨中，猜想着。我们编造关于某个外部世界的故事——实际上是很多世界：物理世界、道德世界、抽象几何形状的世界，等等——但是我们并不仅仅满足于编造，也不仅仅满足于故事。我们想要真正的解释。因此，我们寻求那些面对检验仍保持稳固的解释，包括闪烁和阴影的检验、互相之间的检验、逻辑标准和理性的检验以及其他一切我们能想到的东西的检验。当我们无法再改变它们时，就理解了某种客观真理。而且，好像这样还不够似的，我们理解之后就去控制它们。这就像是魔法，只不过是真实的。我们就像神一样！

赫尔墨斯：好，有时你会发现一些客观真理，因此实施一些控制。但往往是，当你认为你实现了任何这些事情时，实际上却没有。

苏格拉底：是的，没错。但我们既然发现了一些真理，难道不能做出更好的猜想、实行进一步的批评和测试，于是像色诺芬尼所说的那样了解更多并控制更多？

赫尔墨斯：是的。

苏格拉底：所以，我们的确像神！

赫尔墨斯：某种程度上像。至于你的下一个问题，答案是：是的，你确实可以用更多的方式变得更加像神，如果你选择这样做。（虽然你始终会容易出错。）

苏格拉底：我们究竟为什么要不选择？哦，我明白了：斯巴达之类的……

赫尔墨斯：是的。还有一个原因是，有些人可能会争论说，容易出错的神不是一种好的事物……

苏格拉底：好吧。但是，如果我们选择这样做，你是不是在说，我们最终能够理解多少、控制多少和实现多少是没有上限约束的？

赫尔墨斯：你这样问就有意思了。很多代人之后，会有人写一本书，提供一个令人信服的——

［这时有人敲门。苏格拉底朝声音传来的方向扫了一眼，再转向赫尔墨斯待着的地方，但这位神已经消失了。］

凯勒丰：［在门外］对不起吵醒你了，老伙计，但我听说，除非我们在清理房间的奴隶到达之前搬出房间，否则他们有权再收一天房钱。

苏格拉底：［出现在门口，示意凯勒丰的奴隶到房间里收拾苏格拉底简朴的旅行袋］凯勒丰——我们的旅行完全没有白费！我见到了赫尔墨斯。

凯勒丰：你说什么？

苏格拉底：是的，就是那位神。在梦中，或者就是他本人。或者，也许我只是梦见我见到他。不过，这并不重要，因为，正如他所指出的，这都没有区别。

凯勒丰：［困惑］你说什么？为什么没有区别呢？

苏格拉底：因为我学到了一个全新的哲学分支——和更多的东西！

［苏格拉底的同伴正向他们走来。急切地冲在别人前面的是十几岁的诗人亚里斯多克勒斯，朋友们叫他柏拉图（“宽大的”），因为他有摔跤手的身材。］

柏拉图：苏格拉底！早上好！再次千倍地感谢你让我来此朝圣！［不等任何答复直接切入哲学问题。］但是昨晚我在想：如果神谕告诉我们的事，是我们已经知道了的，这真的能算是一个启示吗？我们早就知道没有人比你更聪明，所以我想，我们是不是应该回去，要求免费问一个问题？但转念一想——

凯勒丰：亚里斯多克勒斯，苏格拉底——

柏拉图：不，等等！不要告诉我答案。让我先告诉你我最好的猜想。所以我想：是的，我们已经知道他是最聪明的。而且他是谦虚的。但我们不知道他到底有多么谦虚。所以，这就是神给我们的启示！苏格拉底是这么谦虚，甚至当一位神说他聪明时，他也要反对。

同伴们：［笑］

柏拉图：还有一点，我们知道苏格拉底的卓越，但现在阿波罗向全世界揭示了这一点。

凯勒丰：［低声嘟囔］那么我希望“全世界”分担一点费用。

柏拉图：什么？我没听错吧？

［苏格拉底吸了一口气想要回答，但柏拉图接着说。］

哦，苏格拉底，我可以叫你“师父”吗？

苏格拉底：不可以。

柏拉图：好的，好的，当然。对不起。这只是因为我经常在体育馆和一些斯巴达的孩子们在一起，他们总是这样说。“我师父这样说，我师父那样说，我师父不允许……”等等。这让我有点羡慕，因为我自己没有师父，所以——

同伴1号：哎，柏拉图！

柏拉图：是啊，但——

凯勒丰：［抢过话茬］斯巴达的孩子们？亚里斯多克勒斯，这是非常不恰当的。我们双方正在交战！

柏拉图：在德尔斐这里没有。他们从来不会违反神谕的神圣休战。他们非常虔诚，你知道的。挺好的孩子，尽管口音很滑稽。我们讲了很多关于摔跤的事——中间我们还真的摔跤。我们整夜没睡，在烛光下摔跤。以前我从来没有这样做过。他们真的很不错！虽然他们有时也会作弊。［回忆时带着宽容的笑。］但是，即便如此，我也不会让我们的城市蒙羞。我为雅典赢了好几次比赛，你肯定很高兴知道这个。非常激烈！他们教给我一些很好的动作。我等不及要回家尝试一下。然而，不知道为什么，他们没有一个人懂得诗歌。

苏格拉底：斯巴达不尊敬诗人。反正，不会尊敬活着的诗人。

柏拉图：哦！真可惜。我匆匆忙忙写了一首纪念我们摔跤比赛的诗。或者更确切地说，言外之意其实是为什么雅典比斯巴达更好。这是一个数学论点……不管怎样，我刚刚派了一名奴隶到他们的营地背诵给他们听，但如果他们不尊敬诗人，他们也许会不领情。好吧，这首诗是这样的——

凯勒丰：亚里斯多克勒斯——昨晚赫尔墨斯神来见苏格拉底了！

柏拉图：哇！你为什么没叫我们，苏格拉底？这可比与斯巴达人摔跤更来劲！

苏格拉底：我没法叫任何人，因为这事发生在一个梦里——或别的什么东西里。我甚至不知道那是不是真的是那位神。但是，正如他向我指出的，这并不重要。

柏拉图：为什么不重要？哦，我猜，一旦体验过去了，最重要的是你从中学到的东西。那么，他想要什么？我敢打赌，他想把你从拜阿波罗教里挖走。不要这样，苏格拉底！阿波罗要好得多。不是赫尔墨斯有什么不妥，但他没有神谕，而且他不像阿波罗一样酷——

凯勒丰：［震惊］表现得尊敬些，亚里斯多克勒斯——无论是对苏格拉底还是众神！

苏格拉底：他是在表示尊敬，凯勒丰，用他自己的方式。

柏拉图：［迷惑］我当然尊敬他们，凯勒丰。你知道，如果苏格拉底允许的话，我会在字面意义上崇拜他。哦，我也尊敬你，老人家，非常尊敬。如果我冒犯了你，我乞求你的原谅：我知道我有时候太热情。［短暂停顿］但是，苏格拉底——你向那位神问了些什么，他是怎么答复的？

苏格拉底：不完全是我问他答。他向我揭示了一个新的哲学分支：认识论——关于知识的知识，它还涉及道德和其他领域。其中许多是我已经在各种特殊情形下了解或部分了解的，但他从神的视角为我进行了一番概述，非常激动人心。有趣的是，他做到这一点的方式主要是向我发问，并引导我思考特定的事情。这个方法看上去很有效——有时间我可能会尝试一下。

柏拉图：全告诉我们，苏格拉底！从他问的最有趣的东西开始，还有你是怎么回答的。

苏格拉底：哦——他让我做的一件事是想象一位“斯巴达的苏格拉底”。

柏拉图：斯巴达的什么？哦！我明白了！那一定就是神谕所说的人。阿波罗真是遮遮掩掩的！世界上最聪明的人是斯巴达的苏格拉底——虽然只是更聪明那么一丝丝，我敢打赌！但是，作为斯巴达人，他可能也是一名伟大的战士。真棒！当然，我知道你当年也是一名伟大的战士，苏格拉底。但还是——斯巴达的苏格拉底！那么我们是不是现在就到斯巴达去看他？拜托！

凯勒丰：亚里斯多克勒斯——现在是战争时期！

苏格拉底：很抱歉让你失望了，亚里斯多克勒斯，但这是一个纯粹的智力游戏。不存在什么“斯巴达的苏格拉底”。事实上我知道斯巴达根本没有哲学家。在某种程度上，这就是我与赫尔墨斯所谈的主要内容。

柏拉图：请再讲详细一点。

［说这话的时候，柏拉图示意他自己那经过良好培训的奴隶，把随身携带的写字蜡板扔给他。柏拉图用一只手接住板子，并拿出一支尖笔。］苏格拉底：在某个阶段，赫尔墨斯让我认识到雅典和斯巴达在生活方式上的根本区别。那就是——

柏拉图：等一等！让我们大家都来猜猜！这听起来非常有意思。

让我先来——因为这基本上就是我在诗里写的。好吧，这个谜语中斯巴达的那一半很好猜：斯巴达以战争为荣耀。她重视与此相关的美德，如勇气、耐力等。

［苏格拉底的其他同伴低声表示同意］另一方面，我们——好吧，我们重视一切，难道不是吗！应该说是，所有好的事物。

同伴1：所有好的事物？这似乎有点循环论证，柏拉图，除非你能在某种程度上独立于“我们雅典人重视什么”来定义这个“好”。我想我可以说得更简练一些：“战斗”对“拥有值得为之而战的东西”。

同伴2：很好。但这基本上就是“战争对哲学”，对不对？

柏拉图：［假装愤怒］还有诗歌。

同伴3：难道是因为雅典的守护神是女神，代表着世界上的创新精神，而斯巴达喜欢嗜血与杀戮之神阿瑞斯[11]，被雅典娜击败而威风扫地——

柏拉图：不，不，其实他们没有那么喜爱战神。他们更喜爱阿尔忒弥斯。而且，奇怪的是，他们也崇拜雅典娜。你们知道吗？

凯勒丰：作为一个年纪比你们大的雅典人，我见过很多战争。我要说，在我看来，雅典尽管在军事上有着辉煌成就，但如果过着平静的生活、与所有希腊人特别是斯巴达人做朋友，我们也会一样快乐。但是不幸的是，斯巴达人最喜欢的事情就是一有可能就惹我们发火。虽然我必须承认，他们在这方面并不比其他任何人更坏，包括我们的盟友！

苏格拉底：这都是非常有趣的猜想，所有你们说的这些，我认为都抓住了这两个城市之间差异的不同方面。然而我怀疑——当然我可能是错的——

柏拉图：一个斯巴达的苏格拉底不会是谦虚的，是这个区别吗？

苏格拉底：不是（顺便说一下，我在想，更可能的是他会是谦虚的。）

我怀疑，我们全都在为一种关于斯巴达的错误观念而费脑子。情况会不会是，斯巴达根本没有这么渴望战争？至少是在他们几个世纪之前征服邻邦、把他们变成农奴之后是这样。可能从那以后，他们产生了一种完全不同的关切，对他们有着压倒一切的重要性，也许他们只有在这种关切受到威胁时才会打仗。

同伴2：那是什么？镇压农奴？

苏格拉底：不，那只是一种手段，不是目的本身。我觉得神告诉了我，他们最关切的是什么。他还告诉了我，我们最关切的是什么——虽然，唉，我们也为各种其他原因而争斗，并且经常对此感到后悔。

这两种总体关切是：我们雅典最关注的是改进；而斯巴达只追求——静止。这是两个完全相反的目标。如果你们想一想，我相信你们很快就会同意，这才是这两个城市之间种种差异的唯一根源。

柏拉图：我从来没有用这种方式想过这个问题，但我觉得我确实同意。让我尝试用这个理论来分析一下。这两个城市之间的一个差异是：斯巴达没有哲学家。这是因为一个哲学家的工作是更好地理解事物，而这就是一种变化，所以他们不想要哲学家。另一个不同之处是：他们不尊重活着的诗人，只尊重已死的诗人。为什么呢？因为死人不会写出什么新东西，但活人会。第三个区别是：他们的教育无可救药地严厉，而我们的是出了名地宽松。为什么呢？因为他们不希望自己的孩子敢于质疑什么，这样他们就永远都不会想到要改变什么。我的分析做得怎么样？

苏格拉底：你像往常一样理解吸收得很快，亚里斯多克勒斯。然而——

凯勒丰：苏格拉底，我想我知道的很多雅典人也并不求改进！我们也有许多政治家认为他们是完美的。还有许多智者认为他们已经知道了一切。

苏格拉底：但是，具体说来，那些政治家到底相信什么东西是完美的？是他们自己关于怎样改进这座城市的宏大计划。同样，每个智者都相信每一个人都应该采纳他的想法，他认为自己的想法对人们以前相信过的所有想法都有所改进。雅典的法律和风俗建立起来就是为了容纳众多相互竞争的关于完善的想法（以及比较谦虚的改进建议），让它们经受批评，从中筛选出有可能是少数微小的真理之种的想法，对看起来最有前途的那些进行检验。因此，无数那些想不出能对自己进行什么改进的个人，加在一起就成为了一座不屈不挠、夜以继日地寻求对自身进行改进的城市。

凯勒丰：是的，我明白了。

苏格拉底：斯巴达没有这样的政治家，没有这样的智者，也没有像我这样的牛虻，因为任何斯巴达人就算是真的怀疑或者不赞成他们一直以来的行为方式，也不会说出来。他们仅有的极少数新想法，都是为了使城市更稳固地维持住当前的状态。据我所知，确实有斯巴达人以战争为荣耀，喜爱征服和奴役整个世界，就像他们从前征服邻邦那样。然而他们这座城市的体系，以及就算在急性子的头脑中也根深蒂固的假设，对于朝未知迈出任何这样的步伐，体现了一种发自内心的恐惧。斯巴达城外的阿瑞斯像是被锁链束缚的，这一点也许很重要，能使他永远在那里保护这座城市。但锁链难道不也是为了防止这位暴力之神打破原则？不是为了防止他到处肆虐、造成混乱，带来可怕的变化风险？

凯勒丰：也许是。现在我明白了，苏格拉底，不管什么情况下，一座城市怎样可以拥有一种并非所有公民都同意的“首要关切”。然而，恐怕我还是看不出你的理论怎样描述两座城市之间的敌对。首先，我不记得斯巴达曾经反对过我们自我提高的习性。相反，他们列举种种具体的不满，说我们如何涉嫌违反条约，暗中破坏他们和盟友的关系，策划在大陆上建设帝国，等等。其次——当然，我不是想要批评那位神！——

苏格拉底：批评神并不是对神不敬，凯勒丰，这是理性的。赫尔墨斯也这样认为，这是值得做的……

柏拉图：［潦草地刻下：“批评神并不是对神不敬。”］

凯勒丰：嗯，即使那位神在停滞与改进这两个“首要关切”上是正确的，每座城市也只是各自保持相应的关切，并无野心要将其强加给他人。所以，尽管雅典选择向前跑，而斯巴达选择束缚自己，这些选择可能在逻辑上是“对立”的，但它们怎么可能成为敌对的来源呢？

苏格拉底：我猜是这样的：对斯巴达的停滞而言，雅典的存在本身就是一种致命威胁，不管这种存在有多么和平。因此长远说来，斯巴达的持续停滞（在他们看来是长期的存在）是对雅典的进步的破坏（在我们看来将是对雅典的破坏）。

凯勒丰：我还是看不出具体威胁是什么。

苏格拉底：哦，让我们假设，未来这两个城市继续在他们的首要关切上取得成功。斯巴达人完全保持与现在相同的状态。但是我们雅典人现在已经因为财富和多种多样的成就而成为其他希腊人羡慕的对象。假如我们进一步改进，在所有方面都比世上所有人更强，会发生什么？斯巴达人很少旅游或同外国人交流，但他们不能完全无视其他地方的发展。就算是发动战争也会使他们对其他更富裕、更自由的城市里的生活是什么样有所了解。有那么一天，一些拜访德尔斐的斯巴达年轻人会发现，雅典人掌握了更好的“动作”和更高超的技巧。如果过上一两代人，雅典战士在战场上发展出更好的“动作”会怎样？

柏拉图：但是苏格拉底，就算这是真的，斯巴达人也不知道！那他们怎么会害怕呢？

苏格拉底：他们不需要有先见之明。你难道认为，一名斯巴达的信使来到雅典，在看到耸立在卫城上的是什么时，[12]不会像其他人一样叹服吗？不管他可能怎样讥评（也许颇为公正）我们的狂妄自大和不负责任，你觉得他在回家的路上就不会想到，他的城市从来不曾也永远不会这样让人崇敬吗？你觉得斯巴达的长老们现在不担心民主在许多城市里声望日隆吗，包括斯巴达的一些盟友城市？

顺便说一下，我们对民主的谨慎程度，至少应与斯巴达人对嗜血和战争的谨慎程度相当，因为民主在本质上与它们一样危险。[13]我们不能没有民主，如同斯巴达离不开军事训练。而且，正如他们通过纪律和谨慎的传统减轻了嗜血的破坏性，我们也通过美德、宽容和自由的传统减轻了民主的破坏性。我们完全依赖这些传统去控制民主这头怪兽并使其为我们所用，就像斯巴达人依靠他们的传统去控制嗜血和战争的怪兽，免得它在吞噬眼前所有其他人时也把他们自己吞掉。我们可能也应该去竖立一座民主被锁链束缚的雕像，象征我们这座城市的基本保障。

柏拉图：［刻下：“民主是一头怪兽，如果不受锁链束缚，就是危险的。”］

苏格拉底：斯巴达人——以及许多其他不理解我们的人——肯定也每天都在疑惑，为什么我们雅典人能在世界上他们最擅长的一件事也就是战争上与他们对抗。而事实上我们同时还在哲学、诗歌、戏剧、数学、建筑以及所有其他人类壮举方面无与伦比，斯巴达人却根本不关心这些东西。

柏拉图：［刻下：“斯巴达人在战争方面世界第一，但在所有其他方面一塌糊涂”。］

苏格拉底：如果他们能看到这个事实，就不需要知道原因。但其原因是：我们可以改进，因为我们正在不断努力改进；他们几乎没有任何改进，因为他们努力不去改进！这就是斯巴达的阿基里斯之踵[14]。

柏拉图：［刻下：“斯巴达的‘阿基里斯之踵’是他们不改进。”］因此，他们需要的是哲学家。有了哲学家，他们就不可战胜！

苏格拉底：［轻声笑］从某种意义上说，就是这样，亚里斯多克勒斯。但是——

柏拉图：［刻下：“苏格拉底说，有了哲学家，斯巴达将不可战胜。”］凯勒丰：［担忧状］我们真的要在公共旅馆里讨论这些？如果有人偷听并把秘诀告诉他们怎么办？

柏拉图：［刻下：“自注：不要告诉他们！”］

苏格拉底：不要担心，老朋友。如果斯巴达人总体上能够理解这个“秘密”，他们很久以前就会实施了——也就不会有我们城市之间的战争了。如果某些个别的斯巴达人试图倡导新的哲学思想，他很快就会因为异端邪说或许多其他罪名受审判。

柏拉图：除非……

苏格拉底：除非什么？

柏拉图：除非接受哲学的是一位国王。

苏格拉底：找找里面的逻辑漏洞，亚里斯多克勒斯。从理论上看，你说得对。但在斯巴达，连国王都不允许改变任何重要的事物。如果某个国王尝试这样做，他会被五名长官废黜的。

柏拉图：嗯，他们有两位国王，五名长官和二十八名议员。[15]因此数学告诉我们，只要有十五名议员、三名长官和一位国王采纳了哲学——

苏格拉底：［大笑］是的，亚里斯多克勒斯。我承认。如果斯巴达的统治者采用我们的哲学风格，严肃地着手批评和改革他们的传统——

柏拉图：［稍微有些走神，刻下：“定理：一位身为哲学家的国王，等同于一位身为国王的哲学家。那么，如果一位哲学家成为国王会怎样？”］或许更可能的是一位仁慈的国王夺取了权力——

苏格拉底：随便怎样。如果他们成功地进行了这样的改革，那么他们的城市的确可能变得真的非常伟大。但这不会发生的，别指望了。

柏拉图：［刻下：“苏格拉底说，有着哲学家国王的城市将是真正伟大的”。］我不指望。但是长远来看，我们应该怎样把哲学教给国王们，苏格拉底？［刻下：“哲学家的作用是教育国王吗？”］

苏格拉底：我不确定哲学是不是对领导者进行教育的第一步。人应该有一些可以用来进行哲学探讨的东西。他应该懂得历史、文学和算术——而且，也许最重要的是，他应该熟知我们最深奥的知识，那就是几何学。

柏拉图：［刻下：“不懂几何学者禁止入内！”］[16]

凯勒丰：嗯，我会根据一个城市怎样对待它的哲学家来评判这座城市。

苏格拉底：［微笑］一个优秀的标准，凯勒丰，对此我最好不要吹毛求疵！顺便说一下，亚里斯多克勒斯，我丝毫没有谦虚。为了证明这一点，我可以告诉你，赫尔墨斯说服了我，让我认为自己的确很聪明——至少是在他特别重视的一个方面，也就是说，我认识到确证信念是不可能的、无用的、不可取的。

柏拉图：［刻下：“苏格拉底是世界上最聪明的人，因为他是唯一一个知道他没有知识的人，因为真正的知识是不可能获取的！”］等一下！确证信念是不可能的？真的吗？你确定吗？

苏格拉底：［大笑，其他人满头雾水。］很抱歉，但这个问题有点无理取闹，亚里斯多克勒斯。

柏拉图：哦！我明白啦。［懊恼地微笑，跟其他人一样。他们意识到，柏拉图刚刚要求对“信念无法确证”这个信念进行确证。］

苏格拉底：不，我不能确定什么。从来没有过。但那位神向我解释了为什么必定是这样，从人类头脑容易出错和感觉经验的不可靠开始。

柏拉图：［刻下：“只有物质世界的知识是不可能的，无用的，不可取的。”］

苏格拉底：他让我从一个奇妙的角度去了解我们是如何感知世界的。每一只眼睛就像是一个黑暗的小洞穴，后墙上投射着外界的斑驳阴影。你一辈子都待在洞穴里，能看到的东西只有后墙，因此根本不能直接看到现实。

柏拉图：［刻下：“我们就像是囚犯，被锁在小黑洞里，只允许看到后墙。我们永远无法了解外部现实，因为我们看到的只是稍纵即逝的扭曲阴影。”[17]］

苏格拉底：他接着向我解释，客观知识的确是可能的：它来自内心！它从猜想开始，然后经过反复循环的批评来纠正，包括与我们“后墙”上的证据进行比较。

柏拉图：［刻下：“真正的知识来自内心。（怎么来？从前世的记忆中来？）”］

苏格拉底：通过这种方式，我们这些意志薄弱、易犯错误的人类可以了解客观现实——前提是我们使用哲学上可靠的方法，就像我说的那些（大多数人并不使用这样的方法）。

柏拉图：［刻下：“我们可以超越经验世界的幻象了解真实的世界。但是只能通过哲学的至高艺术”。］

凯勒丰：苏格拉底，我认为同你讲话的确实是那位神本人，因为我强烈感觉到，我今天通过你窥见了一条神圣的真理。我得需要很长一段时间，根据神透露给你的新认识论来重新整理我的想法。这似乎是一个所涉范围极广、极重要的主题。

苏格拉底：的确如此。我自己也需要重新整理想法。

柏拉图：苏格拉底，你真的应该把这些写下来——再加上你所有的智慧——为了全世界和后人的利益。

苏格拉底：没有必要，亚里斯多克勒斯……后人就在这里，在听我说话。你们都是后人，我的朋友们。去写下一些需要无休止地修补和改进的东西有什么意义？与其把我在特定时刻的误解永久记录下来，我宁可通过双向的辩论把它们展示给他人。我就是这样从批评中获益，甚至可能因此改进自身。有价值的东西会在这样的讨论中存留下来，并且传承下去，无须我费力。没有价值的东西只会让子孙后代把我当傻瓜看。

柏拉图：既然你这么说，那就这样吧，师父。

因为苏格拉底没给我们留下任何著作，思想史家只能根据柏拉图和其他几个当时在他身边并有著作存留的人记录的间接证据，来猜想他的真实思想和他所传授的观念。这被称为“苏格拉底问题”，引发了诸多争议。一种普遍的看法是，年轻时的柏拉图相当忠实地传达了苏格拉底的哲学，但是后来他更多地把苏格拉底这个人物当成一个媒介来传达他自己的观点。他甚至不打算用他的对话去代表真正的苏格拉底，只把这当成一种便捷方式来表达一些你来我往的讨论。

我可能最好强调一下——如果这还不够明显的话——我也在做同样的事。我不打算用上面的对话准确代表历史上的苏格拉底和柏拉图的哲学观点。我把对话设定在历史上的那个时刻，并设置了那些参与者，是因为苏格拉底和他圈子里的人属于对“雅典的黄金时代”贡献最大的人，那个时代本应该成为一个无穷的开始，但是没有。还因为，我们对古希腊人确实了解的一件事是，他们认为重要的哲学问题，从那以后一直主导着西方哲学：知识是如何取得的？我们如何区分真与假、正确与错误、理性和非理性？哪类知识（道德的、经验的、神学的、数学的、确证的……）是可能的，哪些只是妄想？等等。因此，虽然在对话中提出的理论知识主要来自20世纪哲学家卡尔·波普尔的思想，加上我的一些补充，但我猜苏格拉底会理解它，并且喜欢它。在某些与我们当时的宇宙非常相像的宇宙里，苏格拉底自己想出了这些。

不过，我想对苏格拉底问题作个间接评论：我们习惯上会低估沟通的难度——就像苏格拉底的对话结束时那样，他假定辩论的每一方必定知道对方说的是什么，柏拉图却越发错误地解读了他的意思。在现实中，新思想的交流——就算是方向这种平常小事——取决于沟通者和接收者双方的猜想，本质上是容易出错的。因此，虽然年轻的柏拉图很聪明、受过很好的教育，而且所有的记录都说他对苏格拉底近乎崇拜，也没有理由期待他在传达苏格拉底的理论时就最不容易出错。相反，默认的假设应该是，误解无处不在，不管智力多高、意愿上多么想保持准确，也不能保证不出现误解。情况完全可能是，年轻的柏拉图误解了苏格拉底对他说的一切，年长之后逐渐成功地理解了，从而使其成为更可靠的指南。也有可能是，柏拉图在误解的道路上走得更远，产生了自己的正误差。要对这些可能性以及许多其他可能性进行辨别，需要证据、讨论和解释。对历史学家而言，这是一项艰巨任务。客观知识可以获得，但是很难获得。

无论是对写下来的知识还是亲口说出来的知识，这些都是一样的。所以，即使苏格拉底撰写过书籍，仍然会有“苏格拉底问题”。事实上，对于著作颇丰的柏拉图同样有这方面的问题，甚至有时对仍然在世的哲学家也有这种问题。该哲学家用这样或那样的术语或主张是什么意思？这个主张是为了解决什么问题，以及如何解决？这些问题本身都不是哲学问题，而是哲学史问题。然而，几乎所有的哲学家，尤其是学院的哲学家，都在这些问题上投入了大量的精力。在哲学课程中，阅读原始文本并做出评论占了很重的分量，这是为了理解各位伟大哲学家头脑里的理论。

这样重点关注历史是很奇怪的，与其他所有学科（也许除了历史本身）形成鲜明对比。例如，我读大学和研究生所学的全部物理课程，从来没有哪一次是学习从前的伟大物理学家的原始论文或书籍，它们甚至不会出现在阅读列表里。只有当课程涉及非常近期的发现时，我们才会去阅读发现者的著作。我们并不是直接从爱因斯坦本人那里学习爱因斯坦相对论；对于麦克斯韦、玻尔兹曼、薛定谔、海森堡等，我们也仅仅知道名字而已。我们是从物理学家（而非物理史学家）写的教材中读到这些先驱者的理论，写书的物理学家本人很可能也没有读过先驱者的原著。

为什么呢？直接原因是，这些科学理论的原始来源几乎从来都不是很好的来源。为什么这样？因为所有随后的阐述都旨在改进它们，有些成功地做到了，改进是会积累的。还有一个更深层的原因。提出一种全新理论的人，起初可能还拥有以往理论的许多错误观念。他们需要理解那些理论为什么是有缺陷的、缺陷在哪里，以及新理论怎样解释旧理论能解释的所有事物。但大多数最后来学习新理论的人，关注的东西与此大相径庭。通常他们只是理所当然地接受这个理论，用它来做出预测，或与其他理论结合在一起去理解一些复杂的现象。他们也可能想了解这个理论的精微之处，后者与该理论为什么比旧理论好完全无关。他们还可能想对这个理论进行改进。但他们不会再费心去追寻并最终找到每一种根据被取代的旧理论思考而自然产生的反对意见。对科学家来说，没有什么理由要去关心那些曾经激励了过去的伟大科学家但现在已经过时的问题情形。

相反，科学史家正需要这样做——他们遇到的困难与哲学史学研究“苏格拉底问题”时所遇到的困难大致相同。那么为什么科学家在学习科学理论时不会遇到这类困难呢？是什么允许这些理论能通过如此明显宽松的中间链条来传达？我前面所强调的“沟通困难”上哪去了？

对于这个问题，一半答案（看上去很矛盾）是，科学家们学习一个理论时，对于理论创始人或是传递链条上的任何其他人相信什么并不感兴趣。物理学家阅读一本相对论的教科书时，其直接目标是学习理论，而不是了解爱因斯坦或教科书作者的看法。如果这看上去似乎很奇怪，为了讨论方便起见，请想象一下，如果历史学家发现爱因斯坦写他的论文只是为了开玩笑，或者是在枪口逼迫下写的，并且实际上他是开普勒定律的一名终身信徒，这对物理学历史将是一个奇怪而又重要的发现，所有教科书中有关这方面的叙述都得改写。但它不会影响到我们的物理学知识本身，物理学课本也不需要做任何改变。

另一半答案是，科学家之所以努力学习一个理论，以及之所以这么不重视忠于原文，是因为他们想知道世界究竟是什么样的。最重要的是，这也是理论创始人的目标。如果它是一个好理论——如果这是一个极其杰出的理论，就像今天的物理学基础理论一样——那么它将极难在仍是一个可行解释的前提下发生改变。因此，学习者对他们的原始猜想进行批评，借助书本、老师和同事的帮助，通过这些手段寻求可行解释，必将得到与创始人相同的理论。理论正是这样一代又一代忠实传承下来，尽管完全没有人关心忠实与否。

慢慢地，在经过了许多挫折后，非科学领域里的情形也在朝这一方向转变。将不同领域汇聚到一起的道路，就是向真理汇聚的道路。

[1] 德尔斐是古希腊城邦共同的圣地，主要供奉太阳神阿波罗，由女祭司传达神谕。赫尔墨斯是主神宙斯之子、阿波罗的兄弟，神界与人界之间的使者。——译注

[2] 柏拉图在《苏格拉底的申辩》中讲的故事说，凯勒丰向神谕请教是否有人比苏格拉底更聪明，得到的答案是没有。但他真的会把贵重的特权浪费在一个只有两个答案的问题上吗？其中一个答案是奉承，另一个答案令人沮丧，而且两个答案都不怎么有趣。——原注

[3] 在这场对话中，苏格拉底有时夸大了他挚爱的故乡城邦雅典的特性和成就。提到这一点时他忽视了其他希腊城邦对击败波斯帝国入侵所做的贡献，两次战争都发生在他出生以前。——原注

[4] 色诺芬尼（约公元前570-前480），古希腊哲学家、神学家、诗人，质疑当时的信仰中给神赋予人类形象的做法，思想倾向于非人格化的一神论。——译注

[5] 奥林匹斯山是古希腊神话中众神的居所。——译注

[6] 引自波普尔在《巴门尼德的世界》中的译文。——原注

[7] 我会在第15章中对这两类社会之间的区别进行更多讨论，我将这两类社会称为静态社会和动态社会。——原注

[8] 其中有些会被误认为是“从经验中推演而来的”。——原注

[9] 古希腊人不太清楚感觉经验处在什么地方。就算是关于视觉，苏格拉底时代也有许多人相信，眼睛会发出类似光的东西，看到一个物体的感觉包含了该物体与这种光之间的某种相互作用。——原注

[10] 我们对世界的体验确实是某种形式的虚拟现实渲染，完全发生在大脑内部。——原注

[11] 阿瑞斯是古希腊神话里的战争之神，代表着力量、嗜血、杀戮。阿尔忒弥斯是月亮女神、狩猎之神，阿波罗的孪生姐妹。——译注

[12] 指帕特农神庙。——原注

[13] 关于民主的危险，参见苏格拉底本人的死亡。他被雅典法庭以“群众审判”的形式判处死刑，罪名是不敬城邦的诸神并引进新的神、腐蚀青年的思想。他拒绝逃亡，因为觉得这会损害雅典的法制，违背自身的原则。苏格拉底之死在西方思想史上影响深远，在近代经常被解释为民主形式下“多数的暴政”。——译注

[14] 阿基里斯之踵，比喻致命弱点。阿基里斯的母亲是海洋女神忒提斯。他出生时被母亲倒提着浸入冥河，从而刀枪不入，唯有被母亲握住的脚踵部位没有浸到。在特洛伊战争中，阿基里斯被特洛伊王子帕里斯用箭射中脚踵，因而死去。——译注

[15] 斯巴达国王权力较小，主要作用是在战时一人担任统帅出征、一人留守。重要政务一般由元老院决定，元老院共30人，由两名国王与28名议员组成。五名长官由全民公决选出，任期一年，负责监督国王，召集元老院和国民会议，有权审判和废黜国王。——译注

[16] 据称，柏拉图在雅典建立的学院门口刻着“不懂几何学者禁止入内”。——译注

[17] 苏格拉底对赫尔墨斯的启示略加改进，而柏拉图在越来越多地曲解苏格拉底的意思。——原注

第11章 多重宇宙

“分身”（一个人的“复制品”）概念是一个常见的科幻小说主题。例如，经典电视系列剧《星际迷航》中描绘了好几种与“传送器”失灵有关的分身故事，传送器是飞船的空间传送设备，通常用来进行短距离太空旅行。由于这种传送在概念上类似于在另一个位置复制出传送对象的副本，可以想象这个过程会以多种方式出错，结果不知怎么搞的，每位乘客都有两个实例——正本和副本（分身）。

关于这些副本与正本有多么相像，不同的故事有不同的说法。正本与副本要在字面意义上共有全部属性，除了看上去相像，还必须处在同一位置。但这意味着什么？试图使原子重合会导致一些物理问题——例如，两个重合的原子核倾向于形成更重的化学元素的原子。而两个相同的人体就算只是大致重合，也会发生爆炸，原因仅仅是水的密度比正常值高一倍时，产生的压力相当于几十万个大气压。在虚构的小说中，人们可以想象出不同的物理定律，以避免这些问题。但即使是这样，如果分身在整合故事中一直与其正本重合，那就不算是真正的替身了。正本与副本迟早会变得不一样。有时他们是同一个人的善恶两“面”；有时他们起初有着相同的思想，但因为经历不同的体验而变得越来越不同。

有时候，分身不是从原来的正本复制而来，而是一开始就存在于一个“平行宇宙”里。在一些故事中，宇宙之间存在“裂痕”，人们可以通过这些裂痕与自己的分身联络，甚至旅行去与分身会面。在其他一些故事里，宇宙互相之间无法感知，于是故事（或者说两个故事）有意思的地方在于，两者之间的差异如何对事件造成影响。例如，电影《双面情人》交错讲述一个爱情故事的两个版本，追踪同一对情侣在两个宇宙中的两对实例的命运，两者起初只在一个很小的细节上有着微末的不同。在一种称为“或然历史”的相关流派中，两个故事之中的一个不需要明确讲述，因为它就是我们自己历史的一部分，假定读者都了解。例如，罗伯特·哈里斯的小说《祖国》讲的是在某个宇宙中德国赢得了第二次世界大战的胜利，罗伯特·西尔弗伯格的小说《罗马永存》讲的是在某个宇宙中罗马帝国并没有衰落。

在另外一类故事里，传送器故障意外地把乘客送到了“幻影区”，在那里，他们无法被正常世界的人感知，却可以看到和听到正常世界的人（幻影区里的人也能互相感知）。因此，他们会经历这样痛苦的体验：他们绝望地向同船伙伴喊叫和打手势，伙伴们却毫无察觉地从他们身边走过。

在一些故事里，被传送到幻影区的只有旅客的副本，而正本并不知道。这种故事的结局可能是，流亡者们发现他们居然能对正常世界产生一些影响，他们利用这种效果来表明自身的存在，通过对他们放逐的过程进行逆转而获救。根据故事中虚构的科学，他们随后可能开始以另一个人的身份开始生活，或者与正本融合。后一种选择违反了质量守恒定律以及其他一些物理定律。不过，这也只是虚构。

不过，有一类相当学究的科幻小说爱好者，包括我自己，希望虚构的科学有些道理，也就是说包含比较好的解释。想象有着不同物理规律的世界是一回事，想象本身就不合理的世界是另一回事。例如，我们想知道，流亡者能看到和听到正常世界，却无法触摸正常世界，这种事情怎么可能发生。电视剧《辛普森一家》的某一集很好地模拟了我们的这种态度，在这一集里，一部幻想冒险剧的粉丝们如此质疑该剧的明星。

明星：下一个问题。

粉丝：哎，这边。［清了一下嗓子］在第BF12集，你是骑着长翅膀的阿帕卢萨马同野蛮人作战，而在下一个场景，我说亲爱的，你明明是骑在长翅膀的阿拉伯马身上。请解释一下这是怎么回事。

明星：啊，是啊，是这样，不论什么时候你注意到这样的事，那都是巫师干的。

粉丝：我明白了，好吧，就算这样，但在剧中第AG4集——

明星：［坚决地］巫师。

粉丝：啊，大喊一声“格雷温”！[1]

因为这是一个搞笑模仿，粉丝并不是在抱怨故事本身，而是抱怨故事里有一个连续性错误：两匹不同的马在不同的时间被用来扮演同一匹虚构的马。然而的确存在有缺陷的故事。比方说，假如有这么一个故事，它讲述追寻长翅膀的马是否真实存在的过程，而故事里的人物在追寻时骑的就是长翅膀的马。虽然这个故事逻辑上一致，但它作为一个解释是毫无意义的。可以在故事中插入一段背景使它合乎情理，比如插入一个寓言，其中讲到人们往往看不到明摆在眼前的事物的意义。但在这种情况下，故事的价值仍将取决于，用那个寓言是否能解释故事中的人物那明显荒谬的行为。把这个解释与“是巫师干的”进行比较。因为巫师同样可以用来在任何故事中解释任何事件，所以是一个坏解释，这也是为什么那个粉丝被它惹恼了。

在有些故事里，情节并不重要，故事想表达的其实是一些别的东西。但一个好的情节总是或明确或隐含地依赖于好解释，在故事中虚构的前提下解释这些事件为什么发生。那样的话，就算前提与巫师有关，故事也不是真的在讲超自然，它讲的是想象中的物理规律和想象中的社会，以及实在的问题和真实的想法。就像我将在第14章中解释的那样，不止是好科幻小说的情节在这方面与科学解释相像，在最广泛的意义上，所有好的艺术都是这样。

本着这种精神，我们来考虑一下虚构的分身在幻影区里的情形。是什么使他们能够看到正常世界呢？因为他们的结构与其正本完全相同，他们的眼睛也是通过吸收光线、探测由此产生的化学变化来运作，就像真正的眼睛一样。但如果他们能吸收来自正常世界的某些光线，那么在光本来会照到的地方，他们肯定会投射出影子。而且，如果幻影区的流亡者可以互相看到对方，他们是用什么光看到的？幻影区自己的光？如果是这样，这些光从何而来？

另一方面，如果流亡者不吸收光线就可以看见，那么在微观层面上，他们的构成必定与正本不同。这样的话，我们就没法解释他们为什么在外表上同正本相似。“意外的复制”这种说法不管用了：传送器从哪里得到必要的知识，去创造外表和行动都像人体、内部功能却不同的事物？这将是一种自然发生。

类似地，幻影区里有空气吗？如果流亡者呼吸空气，那不可能是飞船里的空气，否则别人就能听到他们说话，甚至听到他们的呼吸声。也不可能是传送器里的少量空气的复制品，因为他们可以在飞船各处自由走动，所以必定有着一整艘飞船的幻影区空气。但那样的话，怎样防止空气扩散到宇宙空间里去呢？

看起来，故事里发生的一切不仅几乎都同真正的物理定律冲突（这在小说中是无可指摘的），而且在虚构的解释上也产生了问题。如果分身可以穿过人，为什么他们不会穿过地板掉下去？在现实中，地板靠轻微弯曲来支撑人体。但是如果故事中的地板会因分身而弯曲，也就会随他们的脚步振动，发出声波，使正常世界的人可以听到。所以，幻影区里必定另有一套地板和墙壁，以及整个飞船船体。飞船外面的空间也不能是正常空间，因为如果人在离开飞船后就进入正常空间，流亡者就能通过这条路线返回飞船。但是，如果存在一个完整的幻象地带空间——一个平行宇宙，它怎么可能仅仅因为传送器故障而产生？

好的虚构科幻小说是很难创作的，这一点并不奇怪：它是真实科学的一个变种，而真正的科学知识是很难改变的。因此，我刚才讲的故事情节几乎都没有意义。但我还是想再讲一个自己的故事，保证它（最终）确实有意义。

一个真正的科幻小说作家面临着两个相互冲突的动机。其一是，像所有小说一样允许读者融入故事，做到这一点的最简单办法，就是利用他们已经熟悉的主题。这是一个以人类为中心的动机。例如，它促使作者想象出办法来绕过物理定律对旅行和通信施加的绝对速度限制（也就是说光速）。但作者这样做的时候，就把距离降到了它在地球故事里扮演的角色上，使得恒星系统跟早期小说里的遥远岛屿或狂野西部没有什么区别。同样地，平行宇宙故事的诱惑是允许宇宙之间的通信和旅行。但这样的话，它就实际上是单一宇宙的故事了：一旦宇宙之间的障碍可以轻易穿越，它就只是一种较为奇特的、将各大陆分隔开来的海洋。一个故事如果完全屈从于这种以人类为中心的动机，就不是真正的科幻小说，只是普通小说伪装成的科幻小说。

相反方向的动机是，探究一种尽可能有说服力的虚构科学前提，以及它可能的最奇特的含义，这是朝着反对人类中心主义的方向推进。它将使故事更难让人融入，但允许广泛得多的科学推测。我要在这里讲的故事中会使用一系列这种推测，把它们当作根据量子理论解释世界的手段，它们会越来越远离我们熟悉的事物。

量子理论是科学中已知最深奥的解释。它违反了很多常识假设，还有以往所有的科学——其中一些理论此前从未遭到怀疑，直到量子理论出现并推翻了它们。这个看似陌生的领域就是现实，我们以及我们体验到的一切都是这现实的一部分。没有别的。因此，通过用量子理论来编故事，我在熟悉的戏剧成分方面所失去的东西，也许能用一种机遇找补回来：解释某种比任何小说更令人惊奇的事物，它是我们对物理世界所知的最纯粹、最基本的事实。

我最好警告一下读者，接下来我要描述的东西——称为量子理论的“多重宇宙诠释”（这名字不太合适，只因为其中远远不止多个“宇宙”），在我写下这些话的时候，仍然只是物理学家中极少数人的观点。在下一章中我会推测，在许多经过仔细研究的现象没有其他已知解释的情形下，为什么还会这样。眼下只要说这一点就够了：“科学是解释”这个观念本身，以我在本书中所宣扬的含义（也就是描述现实中存在什么），就算在理论物理学家中也只是少数派观点。

让我用也许是最简单、最有可能的“平行宇宙”开始推测：有一个“幻影区”一直存在（从它自己的宇宙大爆炸开始）。直到我们的故事开始之前，它一直是我们整个宇宙的精确分身，原子对应原子，事件对应事件。

我提到的那些幻影区故事的缺陷，全都是由不对称导致的：正常世界里的事物能影响幻影区的事物，反过来却不行。那么容我想象此刻两个宇宙完全不能相互感知，以消除上述缺陷。由于我们在朝着真实的物理学靠近，让我保留通信的光速限制，并让物理规律通用而且对称（也就是说，两个宇宙间的物理规律没有区别）。此外，这些物理规律是确定性的，从来没有发生过随机事件，这正是两个宇宙迄今仍然相同的原因。那么它们怎样才会变得不同？这是多重宇宙理论里的一个关键问题，我将在下面回答。

在我的虚构世界里，所有这些基本属性都可以看作是信息流动的条件：人不能向另一个宇宙发送消息，也不能抢在光到达自己宇宙中的某个事物之前改变这个事物。也没有人可以给这个世界带来新的信息，甚至随机信息也不行：所有发生的事，都由物理规律根据以往发生的事决定了。不过，把新知识带进这个世界当然是可以的。知识由解释组成，所有那些条件都不会阻止创造新解释。这对真实世界也全都适用。

我们可以暂时把这两个宇宙想成是字面意义上平行的。抑制第三维空间，想象一个二维的宇宙就像一个无限大的平板电视。然后把第二个这样的电视跟它平行放置，两者呈现出完全相同的图片（象征这两个宇宙中的物体）。现在先忘掉电视是用什么材料做的，只有图片存在。这是在强调宇宙不是一个装着物理对象的容器：它就是那些物理对象。在真实的物理学中，甚至空间都是一个物理对象，能够弯曲，影响物质，并受到物质的影响。

于是现在我们有两个完全平行的、相同的宇宙，每个宇宙里都有我们的星际飞船、船员、传送器和整个空间的实例。出于两者之间的对称性，把其中一个称为“正常宇宙”而另一个称为“幻影区”是误导的，因此我只称它们为“宇宙们”。这两个宇宙加起来（包含了故事里迄今的全部物理现实）就形成了多重宇宙。同样，说对象的“正本”和“分身”也是误导的，它们只是同一对象的两个实例。

如果我们的科幻推测就此停止，两个宇宙会永远保持相同。这在逻辑上没有什么不可能。不过这会使我们的故事在作为小说和作为科学推测两方面都存在致命缺陷，并且原因相同：这是一个关于两个宇宙的故事，却只有一个历史。也就是说，关于这两个宇宙的真实情况只有一份脚本。作为小说来考虑，它实际上就是一个单宇宙故事，进行了毫无意义的伪装。作为科学推测来考虑，它描述了一个对其居民来说不可解释的世界，因为他们怎么能说他们的历史发生在两个宇宙中，但没有第三个或第三十个？为什么不是今天两个，明天三十个？而且，由于他们的世界只有一个历史，他们所有对自然的好解释都是关于这个历史的。他们说的“世界”或“宇宙”就是指这个历史。他们对于现实世界隐藏的二重性一无所知，这种二重性作为一个解释，对他们而言也并不比三重性或三十重性更有意义——虽然那样的话他们确实错了。

关于解释的评论：虽然从居民的角度来看这个故事到现在还是一个坏解释，但对我们来说未必是。想象不可解释的世界，可以帮助我们理解解释的性质。在前面的章节中，出于同样的原因，我已经想象出了一些不可解释的世界，在本章中会想象更多。但最终，我想谈论一个可以解释的世界，这将是我们的世界。

关于术语的评论：世界是全部的物理现实。在经典（量子物理学之前的）物理学中，人们认为世界只包含一个宇宙——整个三维空间和所有的时间，以及其中的全部内容。根据量子力学，正如我将要解释的那样，世界是一个比这大得多也复杂得多的对象，它是一个多重宇宙，其中包括许多这样的宇宙（还有其他东西）。历史是发生在对象（可能还包括与它们相同的副本）上的事件序列。因此，到目前为止，我的故事里的世界是一个多重宇宙，由两个宇宙构成，但只有一个历史。

所以，我们的两个宇宙不能一直相同下去，必须要有传送器故障之类的因素使它们变得不一样。不过就像我说过的那样，对信息流动的限制似乎排除了这种可能性。在这个虚构的多重宇宙中，物理规律是确定性的、对称的。那么传送器要做什么才能使两个宇宙不一样呢？看起来似乎是，不管传送器的一个实例对一个宇宙做了什么，它的分身也必定对另一个宇宙做了同样的事，因此两个宇宙只能继续保持相同。

令人惊讶的是，事实并非如此。两个相同的实例在确定性和对称的规律下变得不一样，这是一致的。但为了做到这一点，它们起初必须不仅仅是彼此的精确映像，还必须是可互换的，我用这个词指字面意义上在其他所有方面都可互换，只除了它们是两个宇宙之外。可互换性的概念将在我的故事中反复出现，这个词是从法律术语那里借用来的，它在法律中是指，对于还债之类的目标，将特定实例视作等同。例如，美元钞票是可互换的，这意味着借用一美元并不需要还回所借的那张特定的钞票，除非另有约定。（给定级别的）桶装石油也是可互换的。马是不可互换的，向一个人借一匹马必须还回那匹特定的马，就算是还回那匹马的同卵双胞胎也不行。但我在这里所说的物理可互换性并不是指视作等同，而是指本身相同，这是一个非常不同而且反直觉的属性。莱布尼茨在他“不可区分的同一性”学说中走得非常远，以至于从原则上把物理可互换性排除掉了，但他错了。就算不考虑多重宇宙的物理学，我们现在也知道，光子是可互换的，甚至原子在某些条件下也是可互换的，两者分别通过激光和称为“原子激光”的装置实现了。后者可以爆射出超低温、可互换的原子。目前这可以在不引起嬗变和爆炸等的情形下实现，见下文。

在许多量子理论教科书和研究论文中，甚至是少数支持多重宇宙诠释的论文中，你都找不到对可互换性概念的讨论，它们甚至根本不会提到这个概念。然而，在概念的表面之下，它无处不在。我相信，把这个概念厘清，有助于解释量子现象而不含糊其辞。就像接下来会清楚显示的那样，这是比莱布尼茨所猜测的还要离奇的一种属性——例如比多重宇宙更加离奇，后者终究不过是重复的常识。可互换性允许全新的运动和信息流动方式，与量子物理学出现之前人们想象过的任何东西都不同，因此有着与物理世界完全不同的结构。

碰巧，在某些情况下，钱不仅在法律上可互换，在物理上也可互换。由于这种情形非常熟悉，它为可互换性提供了一个很好的模型。例如，如果你的（电子）银行账号里存有一美元，银行存入第二个一美元作为忠诚红利，随后又因收费而取出一美元，这时候追究他们取走的一美元到底是你原来的那个一美元还是他们添加的那个一美元，是毫无意义的。这不仅仅是因为我们无从知道它是不是同一个一美元，或者决定不关心它是不是同一个一美元，而是因为在这一情形里的物理学中，并不存在拿走原来的一美元或者拿走后来添加的一美元之类的事。

银行账户里的美元大概可以称为“配置”实体，它们是对象的状态或配置，不是我们通常想的物理对象本身。你的银行账户余额存在于一台特定信息存储设备的状态中。在某种意义上这个状态归你所有（任何人未经你同意修改这一状态都是非法的），但你并不拥有这台设备，也不是设备的一部分。在这个意义上，一美元是一个抽象事物。事实上，它是一段抽象知识。正如我在第4章中所讨论的，知识一旦在合适的环境中以物理形式具象化，就会使它保持这一状态。因此，当物理的一美元磨损严重被送回造币厂销毁时，抽象的一美元使造币厂把它转换成电子形式，或者转换成一个纸张形式的新实例。它是一个抽象复制因子——虽然作为一个复制因子来说很不寻常的是，它会使自己不增殖，而是把自己复制到账目中，以及计算机存储设备的备份中。

对于经典物理学可互换的配置实体，另一个例子是能量的数量：如果你踩踏自行车直到蓄积了10千焦的动能，然后刹车直到其中一半的能量以热的形式耗散，追究耗散的能量到底是你开始蓄积的5千焦，还是后来蓄积的5千焦，或者任何其他组合，都没有意义。但是，一半的能量耗散了，这一点是有意义的。事实证明，在量子物理学中，基本粒子也是配置实体。我们日常尺度上认为的真空，甚至原子尺度的真空，都不是真的空无一物，而是充满了称为“量子场”的结构实体。基本粒子是这种实体的高能级配置：“真空激发态”。因此，举例来说，一束激光里的光子是其“空穴”内真空的配置。当空穴内存在两个或以上拥有相同属性（诸如能级和自旋）的这种激发态时，就不存在哪一个是先离开、哪一个随后离开之类的事。所存在的只有其中任意一个的属性，以及它们的总数有多少个。

如果我们虚构的多重宇宙中的两个宇宙最初是可互换的，传送器故障可以使它们获得不同的属性，方式就像是银行的计算机对一个有两美元的账户，从两个可互换的一美元中取出一个而不取出另一个。例如，传送器发生故障时，物理规律可能导致其中一个宇宙而不是另一个宇宙里被传送的物体产生一个微小的电涌。由于物理规律是对称的，它无法指定电涌会发生在哪一个宇宙里，不过鉴于两个宇宙起初是可互换的，也就不需要指定。

如果对象仅仅是相同（在互为精确副本的意义上），并服从确定性的、不会在两者之间造成区别的规律，那它们就永远也不会变得不同；而表现上看起来更加相同的可互换对象，却能够变得不同，这是一个相当反直觉的事实。这是莱布尼茨从未想到的可互换性的古怪属性中的第一种，我认为它是量子物理学现象的核心。

另一个可互换性的例子是这样的：假设你的账户里有100美元，你已指令你的银行在未来的某个指定日期转一美元到税务机关的账户上。于是现在银行的计算机包含了一句这样的确性定规则。假设你这样做是因为这一美元已经属于税务机关（比方说它错误地给了你一笔退税，要求你限期返还）。由于账户里的美元是可互换的，就不存在哪一个美元属于税务机关、哪一个美元属于你之类的情况。于是我们有了这样一种情形：一个对象集合，虽然对象是可互换的，却并非所有对象都属于同一个主人！日常语言很难描述这种情形：账户里的每一个美元都确实与其他美元的属性全都相同，但并不是所有的美元都属于同一个主人。那么我们能说这种情形里它们没有主人吗？这将是误导的，显然税务机关拥有其中的一个，而你拥有其他的。能说它们都有两个主人吗？也许可以，但这种说法非常模糊。理所当然，说每个美元都有一美分属于税务机关也毫无意义，因为这只会遇到账户里的美分也全都可互换的问题。但是不管怎样，请注意，由这种“可互换性内部的多样性”引发的问题，只是一个语言问题，在于怎样用语言描述这一情形的某些方面。谁也不会认为这个情形本身是矛盾的：计算机收到指令去执行确定的规则，即将产生的结果不存在任何含糊不清的地方。

可互换性内部的多样性是多重宇宙里广泛存在的现象，下面我会解释。可互换金钱的事例中最大的区别是，在后一种情况下，我们从来不必疑惑或预测，作为一美元存在会是什么样子。也就是说，作为可互换的、然后又变得有差别的对象，这样存在是什么样子。量子理论的许多应用都需要我们进行这样的预测。

但首先要做的是，我前面建议暂时把我们的两个宇宙视作在空间里相互靠在一起，就像某些科幻小说里的分身宇宙处在“其他维度”，而现在我们必须放弃这种图景，使两个宇宙重合：不管那个“额外的维度”代表什么，它都会使两个宇宙不可互换。[2]并不是说两个宇宙在什么东西（例如外部空间）里面重合，它们不在空间里。空间的一个实例，是每个宇宙的一部分。它们“重合”意味着不能以任何方式把它们分开。

很难想象完全一致的东西重合是什么样子。例如，只要你仅仅想象出其中的一个，你的想象力就已经违背了它们的可互换性。但是，虽然想象力可能止步不前，理性却不会。

现在我们的故事可以开始有不平凡的情节了。例如，传送器发生故障时其中一个宇宙中产生的电涌，可能使这个宇宙中某位乘客大脑里的某些神经元未能激发。结果是，在这个宇宙中，这位乘客把一杯咖啡洒在另一位乘客身上。这样，他们就共同拥有了在另一个宇宙中没有的一段经历，引发了浪漫故事，就像在电影《双面情人》里那样。

电涌不一定要由传送器故障导致，它们可能是传送器运转方式的一种规律影响。在进行其他方式的旅行（如飞行或骑野马）时，我们能接受比这大得多的不可预测的颠簸。让我们想象，每次传送器在两个宇宙中运转时，都会在其中一个宇宙里产生一个微小电涌，但它小到无法觉察，除非用灵敏度极高的电压表测量，或者推动了某个刚好处在变化边缘的东西，后者如果没有受到推动就会从边缘退回来。

原则上，存在三个原因，其中的一个或多个会使一个现象对观察者来说是不可预测的。第一个原因是，该现象受到一些根本上随机的（非确定性的）变量影响。我已将这种可能性从我的故事中排除，因为真实的物理学中不存在这样的变量。第二个原因至少要对日常生活中的大多数可预测性部分负责任，那就是影响现象的因素虽然是确定性的，但要么不为人知，要么过于复杂，无法予以考虑。（尤其是当它们涉及知识创造时，如我在第9章中所讨论的。）第三个原因在量子理论出现之前从未有人想象过，那就是观察者的两个或多个起初可互换的实例变得不一样。这就是传送器导致的电涌带来的结果，它使结果变得完全难以预测，尽管是用确定性的物理规律来描述的。

这些关于不可预测现象的评论，可以在根本不涉及可解释性或可互换性的情况下进行表达。多重宇宙研究者通常也确实就是这样做的。然而如我所说，我相信可互换性对于解释量子随机性和大多数其他量子现象至关重要。

导致不可预测性的这三种截然不同的原因，原则上可以给观察者带来完全相同的感觉。但是，在一个可解释的世界里，对于自然界中任何明显的随机性，都必定有办法找出到底三个原因中的哪一个（或哪种组合）才是其真正原因。人怎么才能发现可互换性和平行宇宙才是某个特定现象的根源？

作者写小说时总会受到一种诱惑，促使他们为达到上述目的而引入跨宇宙通信，导致宇宙间不再“平行”。正如我说过的，这会使故事实际上成为一个单宇宙故事，为了掩盖这个事实，我们可能会说这类通信很困难。例如通信方式有可能是，每个宇宙中都有一种办法，可以调节传送器使其在另一个宇宙中产生一个电涌，这就可以用来向另一个宇宙传递信息。但我们可以想象这样做非常昂贵而且危险，所以飞船上的规定限制其使用，尤其是禁止与一个人自己的分身进行“个人通信”。然而，有一位船员在值夜班时违背禁令，结果震惊地收到一条信息“同索纳克结婚了”。我们知道（但人物并不知道），这桩婚姻是咖啡泼洒事件带来的连锁反应，而咖啡泼洒事件又是另一个宇宙中的电涌带来的连锁反应。我们还知道（但人物也不知道），由于在另一个宇宙中，这次违规使用设备的行为被发现了，因此飞船上执行了更严格的安保措施。船员们对这桩令人吃惊的婚姻做出反应时会发生什么事，故事可以就此进行展开。

一个人得知自己的分身已经结婚时，应该做出什么反应呢？是不是应该在自己的宇宙里寻找那位配偶的分身？而此人先前从未见过那位配偶分身，更不用说与其发展浪漫关系。或者是，按照爱情故事的传统惯例，此人很讨厌那位配偶分身。这样设定不会有什么坏处，或者可能会有坏处。

源于其他宇宙的思想观念，至少与我们宇宙中的一样容易出错。如果这些观念得来不易，纠错就会更难。知识创造取决于纠错。因此，有可能接下来还会有消息传来：“已经后悔了。”或者可能是索纳克刚好出现在另一个宇宙的传送室里，使这条警告信息无法发出。或者是这对夫妇眼下很幸福，但关系很快就会严重破裂，导致离婚。所有情况下，跨宇宙通信根本起不到什么好作用，而可能使这位船员的两个实例都做出有着灾难性后果的婚姻决策。

普遍而言，另一个宇宙里你的分身因为做了某个特定的决定而看上去很幸福，这一新闻并不意味着你做出“对应”的决定也会幸福。宇宙间一旦产生差异（如果没有这些差异，来自另一个宇宙的新闻也就不成为新闻了），就没有道理再指望决策结果能不受影响。在一个宇宙里，你们因为意外地共有一段经历而相识；在另一个宇宙里，碰面的原因是你违规使用了飞船的设备。这会不会影响婚姻的幸福程度？也许不会，但你只有在对于哪些因素会影响婚姻的结果而哪些因素不会影响有了一个好的解释性理论之后才能弄明白。而如果你有这么一个理论，也许你就不需要躲在传送室里了。

更普遍而言，跨宇宙通信的益处实质上将是，它允许信息处理的新形式出现。在我描绘过的虚构情形下，直到最近两个宇宙还是相同的，与一个人在另一个宇宙中的副本进行通信，效果相当于对人在某段时期的自身生活的替代版本进行计算机模拟，在模拟时无须明确知道所有相关的物理变量。采用任何其他方式，这种计算都是不可行的，它可以帮助检验不同因素怎样影响事件结果的解释性理论，但不能代替事先对于这些理论的思考。

因此，如果此类通信是一种稀缺资源，更有效地使用该资源的一种方式可能是交换理论本身：如果你的分身解决了一个问题并把解决方案告诉你，就算你完全不知道分身是怎么想到这个方案的，你自己也可以看出这是一个好解释。

跨宇宙通信的另一种高效利用方式，可能是分享一项漫长的计算工作。比如故事里可能有一些船员中了毒，除非使用解毒剂，否则他们在几小时内就会死去。为了找到解毒剂，需要对一种药物的许多变种的效果进行计算机模拟。于是飞船计算机的两个实例可以各自搜索一半的变种列表，从而可以只用一半时间完成对整个列表的搜索。当一个宇宙找到疗法时，该药剂在列表中的编号可以传送给另一个宇宙，进行结果确认，于是两个宇宙中的船员都得救了。可借助传送器通过这种方式使用的计算机运算能力，其存在的证据表明，确实存在一台计算机，它执行着与人们自己的计算机不同的计算。思考细节（分身们怎样呼吸等），可以使一个宇宙的居民们知道，另一个宇宙总体上是一个实在的地方，与他们自己的宇宙有着相同的结构和复杂性。因此，他们的世界是可解释的。

由于真正的量子物理学里并没有跨宇宙通信，我们也不应该允许自己的故事里出现这种东西，于是通往可解释性的这条特定路径走不通。我们的船员结婚了的那个历史，与他们互相还不怎么认识的那个历史，不能互相通信或观察。然而如同我们将要看到的那样，有某些情形下，历史仍然可以通过不进行通信的方式互相影响，解释这种效果需要一个主要论点：我们的多重宇宙是真实的。

我们故事里的两个宇宙开始在一条星际飞船内部产生差异之后，世界上其他事物仍然作为一对对彼此相同的实例存在着。我们必须继续想象，每一对里的实例是可互换的。之所以必定如此，是因为宇宙并非“容器”——它们就是它们所包含的对象。如果宇宙确实是一个独立现实，那么每对实例里的每个对象都有一个属性，就是处于一个宇宙中但不处于另一个宇宙中，这会使对象不可互换。

通常情况下，宇宙之间有差异的区域会扩大。例如，当这对情侣决定结婚时，他们向故乡行星发出消息，宣告这件事。消息到达目的地时，每颗行星的两个实例也变得不一样。此前只有飞船的两个实例不同，但很快，甚至在有人有意把消息散播出去之前，就已经有一部分信息泄露了。例如，受到决定结婚的影响，两个宇宙中飞船里的人进行着不同的运动，他们反射的光会有不同，其中一部分光通过舷窗射出飞船外，随后不管到达哪里，都会使那里的宇宙有所不同。热辐射（红外线）也是一样，它会从船体上的所有地方透射出去。于是，从一个宇宙中发生的一个电涌开始，宇宙间的一个分化波在空间中沿所有方向传播开来。由于每个宇宙里信息传播的速度都不能超过光速，分化波也不能超过光速，而且，由于分化波前端的大部分传播速度等于或接近光速，开始传播时不同方向上的先后差异占总体传播距离的比例会越来越小，波传播得越远，整体形状就越接近球形，因此我将其称为“分化球”。

即使在分化球内部，宇宙间的差异相对来说也很小：恒星依然闪耀，行星上仍然有同样的大陆。就算是那些因听到婚礼消息而采取不同行为的人们，其脑子和信息存储设备里的大部分数据也仍然相同，他们还呼吸着相同类型的空气，吃着相同类型的食品，等等。

不过，尽管结婚的新闻对多数事物没有造成改变这一事实在直觉上合理，但还有一种常识直觉似乎能证明这个消息会改变一切，只是改变幅度很小。考虑一下，当这则新闻传到一颗行星时会发生什么，假定它是以通信激光光子脉冲的形式到来的。在引发任何人为影响之前，就存在着这些光子的物理冲击，它可能对暴露于激光束的每个原子产生撞击动量，也就是行星朝向激光束的那一半表面上的每一个原子。这些原子的振动方式会稍微改变，通过原子间作用力影响下层的原子。很快，整颗行星的原子都受到影响，尽管绝大多数原子所受影响都小得难以想象。但是，不管影响有多么轻微，也足以打破每个原子与它在另一宇宙中的分身的可互换性。所以，分化波所到之处似乎就再没有什么东西可互换了。

这两种相反的直觉，反映了离散与连续之间古老的二元对立。上面的讨论（分化球内部的一切都必定变得不同）取决于极微小物理变化的现实存在，这种变化比能够测量到的程度小许多数量级。从经典物理学解释出发，将不容阻挡地推导出这类变化的存在，因为经典物理学的大多数基本物理量（例如能量）都是连续变量。与其相反的那种直觉，源自用信息处理的方式思考世界，也就是用离散变量（例如人的记忆内容）来思考世界。对于这两种直觉的冲突，量子理论做出了有利于离散的裁定。对于一个经典物理量，它在给定条件下能够发生的变化存在着可能的最小值。例如，能够通过辐射传递给任何特定原子的能量，有一个最小能量值，原子不能吸收比这更小的能量，这样一份能量称为能量的一个“量子”。由于这是人类发现的第一种独特的量子物理特性，整个学科因此得名。且让我们把它也融入我们的虚构物理学。

因此，并不是行星表面的所有原子都会因消息的到来而改变。在现实中，一个大型物理对象对微小影响的典型反应是，该对象的大部分原子保持严格不变，与此同时，为服从能量守恒定律，少数原子会表现出离散的、相对较大的变化，即一个量子的变化。

变量的离散性提出了有关运动和变化的问题。它是否意味着变化是瞬时发生的？答案是不——而这就引发另一个问题：在变化发生的中途，世界是什么样子？而且，如果某种因素对几个原子产生强烈影响，对剩下的原子没有影响，那谁来决定哪些原子受影响？正如读者可能猜到的，答案与可互换性有关，我将在下面解释。

一束分化波的效应通常随距离增大而迅速减小——因为物理效应通常就是这样的。就算只从百分之一光年外的地方看太阳，它看上去也是天空中一个冰冷明亮的光点，几乎不会造成什么影响。在一千光年的距离上，连超新星也不会产生什么影响。就算是最剧烈的类星体喷流，如果从邻近星系看，也只是天空中的抽象画而已。已知现象中只有一种能够在出现之后产生不随距离而衰减的效应，那就是特定类型知识的创造，也就是无穷的开始。事实上，知识可以自行对准一个目标，在穿越广阔距离的过程中几乎不造成任何影响，然后彻底改造目标。

在我们的故事里也是这样，如果我们想让传送器故障在天文尺度上产生重大物理效应，必须通过知识进行。所有这些来自飞船的光子激流，都有意或无意地携带着与婚礼有关的信息，会对那颗遥远行星造成显著影响，但前提是有人非常关心这些信息的可能性，并设置了可以检测到它的科学仪器。

现在，正如我解释过的，只有宇宙之间可互换，我们想象的物理规律才能是确定性的，该规律导致电涌发生“在一个宇宙中而不在另一个宇宙中”。那么，当宇宙变得不可互换之后，传送器再次运转时会发生什么事？想象第二艘飞船，它与第一艘类型相同，但相距很远。如果在第一艘飞船启动传送器之后第二艘马上也启动，会发生什么事？

逻辑上可能的一个答案是，什么也不会发生——换句话说，物理定律会导致，一旦两个宇宙变得不同，所有的传送器都将正常运作，不再产生电涌。但是，这样就提供了一种超光速通信的办法，虽然不太可靠而且只能用一次。你在传送室里装上一个电压表，启动传送器，如果电涌出现，你就知道另一艘飞船还没有启动传送器，不管它有多远（因为如果它已经启动了传送器，就会使此类电涌在任何地方都永远不再发生。）支配现实中多重宇宙的物理规律不允许信息这样流动。如果我们希望虚构的物理规律在虚构宇宙的居民看来也是通用的，第二台传送器就必须完全像第一台传送器一样产生一个电涌，它发生“在一个宇宙中而不在另一个宇宙中”。

但这样的话，必须有什么东西来决定第二个电涌发生在哪个宇宙中。“在一个宇宙中而不在另一个宇宙中”不再是一种确定性的表述。而且，如果传送器只在另一个宇宙中运行，就必定不会产生电涌，否则就会导致跨宇宙通信。传送器的两个实例必须同时运行，才会产生电涌。就算是这样，也会容许某种跨宇宙通信，如下所述。在已经发生过一次电涌的宇宙里，在预定时间启动传送器，观察电压表。如果没有电涌发生，那么另一个宇宙里的传送器就是关闭的。于是我们陷入了僵局。“相同”与“不同”之间（或“受影响”与“不受影响”之间）表面上十分明确、非此即彼的差异，事实上可以多么微妙，这实在太不同寻常了。在真正的量子理论中也是一样，禁止跨宇宙通信与禁止超光速通信之间紧密相关。

有一种方法——我认为这是唯一的出路——可以既让我们虚构的物理规律具有通用性和确定性，又禁止超光速和跨宇宙通信：更多的宇宙。试想一下，有不可数无穷多个宇宙，它们最初都是可互换的。照例，传送器故障使从前可互换的宇宙变得不同。但现在相关物理规律规定：“在运行传送器的宇宙中，有一半发生电涌。”于是，如果两艘飞船同时启动传送器，待两个分化球重叠之后，就会出现4种不同类型的宇宙：只有第一艘飞船上发生电涌，只有第二艘飞船上发生电涌，两艘都不发生，两艘都发生。换句话说，在重叠区域里有4个不同的历史，每个在1/4的宇宙里发生。

我们的虚构理论没有给它的多重宇宙提供充足的结构，因而不足以使“一半的宇宙”有意义，但真正的量子理论做到了。正如我在第8章所解释的，一个理论所提供的，使无穷集的比例和平均值具有意义的方法，称为量度。一个熟悉的例子是，经典物理学对一条线上的点的无穷集赋予长度。让我们假定，我们的理论也为宇宙提供了一种量度。

现在我们的故事情节可以像下面这样发展。在那对夫妇结了婚的宇宙中，他们在飞船访问的一颗人类开拓行星上度蜜月。他们传送回飞船时，在一半宇宙中发生的电涌使某人的电子记事本播放一条语音信息，显示新婚夫妇中的某一位已经发生了不忠行为。这引发了一连串事件，最终导致离婚。所以，现在我们原来的那个可互换宇宙集合包含了三个不同的历史：第一个发生在原始宇宙集合的一半之中，那里面这两个人仍然是单身；第二个发生在原始宇宙集合的1/4之中，里面的这两个人结婚了；第三个发生在另外1/4之中，里面的这两个人离婚了。

因此，这三个历史在多重宇宙里所占的比例不相等。这两人从未结婚的宇宙数量是他们已离婚的宇宙数量的两倍。

现在假设飞船上的科学家知道多重宇宙，而且理解传送器的物理学。（不过请注意，我们还没有给他们发现这些东西的方法。）于是他们知道，当他们启动传送器时，他们自身的、全都拥有相同历史的无穷多个可互换副本，都在同一时刻做着同样的事情。他们知道，这个历史中的宇宙会有一半产生一个电涌，从而使历史分裂成具有相同量度的两个历史。于是他们知道，如果他们用一个能检测到该电涌的电压表，他们的实例有一半会发现电压表记录到了一个电涌，而另一半没有发现。但他们还知道，问他们将会经历哪一个事件是没有意义的（不仅仅是不可能知道）。结果是，他们做出了两个密切相关的预测。其一是，尽管所有正在发生的事情都具有完美的确定性，却没有什么东西能为他们可靠地预测电压表是否会检测到电涌。

另外一个预测就是，电压表将会记录到电涌的概率是一半。因此，这类实验的结果是主观上随机的（从任何观察者的角度而言），尽管正在发生的一切完全是客观确定的。这也是真实物理学中量子力学随机性和概率的起源：全都来自理论为多重宇宙提供的量度，而量度取决于理论允许和禁止什么样的物理过程。

请注意，当一个（这种意义上的）随机结果即将产生时，它是一种可互换性内部的多样性的情形，多样性存在于“他们将要看到什么结果”这个变量中。这种情形的逻辑与我在前面讨论过的银行账户的情形相同，只不过这一次可互换的实例是人。他们是可互换的，但有一半的人将会看到电涌，另一半将看不到电涌。

在实践中，他们可以把这个实验做很多次来检验这种预测。每一种声称能预测结果序列的方法都将失败：实验检验了不可预测性。在绝大多数宇宙（和历史）中，电涌发生的时间大概占一半：实验检验了预测的概率值。只有占微小比例的观察员实例会看到不同的东西。

我们的故事还在继续。在其中一个历史中，宇航员故乡行星的报纸刊登了他们订婚的新闻。这篇报道占据了很大的版面，讲述了让这两位宇航员走到一起的那个偶然事件，以及种种其他内容。在另一个历史中，报纸上没有宇航员的婚约消息，版面上同样的地方刊登了一则短篇小说，讲的正好是一艘星际飞船上的恋爱故事。这篇小说里的某些句子，与另一个历史里的那篇新闻报道里的句子一模一样。印在同一份报纸同一栏目中的相同词句，在两个历史之间是可互换的，但它们在一个历史中是虚构的，而在另一个历史中是事实。因此，这种事实／虚构属性有着可互换性内部的多样性。

不同历史的数量将迅速增加。每次使用传送器，分化球只需要几微秒就能吞没整艘飞船。因此，如果通常每天运转十次，整艘飞船内部不同历史的数量将每天发生十次翻倍。一个月后，不同历史的数量将比我们的可见宇宙里的原子数量还要多。它们绝大多数彼此极为相似，因为只在极少数情况下，电涌发生的精确时间和强度会刚好能够引发《双面情人》式的显著变化。然而，历史的数量继续呈指数增长，很快，事件的变种就多到使飞船的多重宇宙多样性的某些地方产生了一些显著变化。因此，有着显著变化的历史数量也呈指数增长，尽管它们在所存在的所有历史中仍只占一小部分。

不久以后，在一批数量更少但仍呈指数增长的历史中，离奇的“意外”和“不可能发生的巧合”链条将主导事件。我给这些词加上引号，是因为这些事件一点也不意外。根据物理规律的确定性，它们都是不可避免地发生的。所有这些事件都是由传送器引发的。

还有一种情况，如果我们不小心的话，常识会对物理世界做出错误的假设，从而把本身很明确的情形描述得听起来很矛盾。道金斯在他的《解析彩虹》一书中举了一个例子，分析了一个电视灵媒能做出准确预测的说法：

一年约有10万个5分钟。任何给定的手表，比如说我的手表，在某个指定的5分钟里停走的概率大概是十万分之一。这个概率很小，但有1000万人在看［这个电视灵媒的］节目。如果其中只有一半人[3]戴着手表，我们可以预期在任何时刻约有25只手表会停下。如果只有其中1/4的人给电视台打了电话，这6个电话就足以让天真的观众惊呆。尤其是还有人打电话来说，他的手表前一天就停了，或者自己的表没停但祖父的挂钟停了，或者有人死于心脏病发作，亲属打电话来说逝者的“钟表”停止摆动了，如此种种。

正如这个例子显示的，特定情形可以解释其他事件，却不曾以任何形式参与导致这些事件发生，这一事实虽然违背直觉，却是很熟悉的。“天真”的观众所犯的错误，是某种形式的狭隘主义：他们观察到一个现象（人因为他们的手表停了而打来电话），却未能理解，该现象是一个更广泛现象的一部分，后者之中的大部分是他们没有观察到的。这个更广泛现象中未被观察到的部分，虽然不会影响我们（电视观众）所观察到的现象，但对解释它们是必不可少的。同样，常识和经典物理学包含了一个狭隘错误，认为只有一个历史存在。这个错误嵌在我们的语言和概念框架里，使得像这样说显得很奇怪：一个事件在某种意义上极端不可能发生，另一种意义上必定会发生。但事实上这没有什么好奇怪的。

现在我们看到的飞船内部，是一个由叠加的对象构成的超级复杂的混乱事物。船上的大部分位置挤满了人，其中一些人在做非常不寻常的差事，所有的人都无法互相感知。飞船本身处在许多略有不同的航线上，这是由船员的行为略有不同造成的。当然，我们只能用心灵的眼睛“看到”这些。我们虚构的物理规律确保在多重宇宙本身里的观察者不会看到这样的情景。所以，通过（用我们心灵的眼睛）仔细审视，我们还能看到这表面的混乱中有着极强的秩序和规律性。例如，虽然船长的椅子上有许多人形在晃动，但我们能看到其中大部分是船长；虽然领航员的椅子上有许多人形在晃动，我们能看到其中几乎没有船长。这类规律性最终来源于这一事实：所有宇宙都服从相同的物理规律（包括其初始条件），尽管宇宙之间存在差异。

我们也看到，任何船长的特定实例只与领航员的一个实例互动，也只与大副的一个实例互动，而领航员和大副的这些实例正是彼此互动的实例。这些规律性存在的原因是，历史是接近自治的：每个历史里发生的事情，几乎完全依赖于这个历史里以前发生的事件——仅有的例外是传送器引发的电涌。在故事里，到目前为止，历史的这种自治只是一个微不足道的事实，因为我们一开始就设定各个宇宙是自治的。但是它将值得我们暂时为它变得更加学究一点：在你的那些实例中，我能与之沟通的实例与我感知不到的实例，其间的区别究竟是什么？后者是“在其他的宇宙里”——但是，请记住，宇宙仅仅由它们的物理对象组成，因此这就只等于是说，我能看到那些我能看到的实例。其结果是，我们的物理规律必然规定，每个对象内部都携带了它的哪些实例能与其他对象的哪些实例相互作用的信息（除了在实例可互换的情况下，那样的话就不存在“哪些”了）。量子理论描述了这样的信息，它称为纠缠信息[4]。

到目前为止，我们已经在故事里建立了一个庞大、复杂的世界，它在我们心灵的眼睛看起来非常陌生，但在它的绝大多数居民看来，它同我们的日常经验与经典物理学构成的那个宇宙几乎完全一样，加上传送器运作时产生的明显的随机抖动。极少数历史受到非常“不可能发生的”事件的显著影响，但即使在这些历史里，信息流动——即什么事物影响什么事物——仍然十分平常和熟悉。例如，某个版本的航行日志里有离奇巧合的记录，只有那些记得这些巧合的人能感知这个版本，这些人的其他实例感知不到。

因此，在这个虚构的多重宇宙中，信息沿着一条分支的树流动，各个分支（历史）的粗细（量度）不同，一旦分开就永远不会再合并。每一个分支都表现得好像其他分支不存在一样。如果这就是全部，这个多重宇宙的物理规律作为解释来说仍然有着致命缺陷，跟一直以来的情形一样：它们的预测，与那些更简单、认为只有一个宇宙（历史）存在的规律做出的预测，两者没有区别。在后一种情形中，传送器随机地使它传送的对象发生变化，历史不会分裂成两个自治的历史，而是随机地发生或不发生这样一个变化。于是，我们想象的整个复杂得惊人的多重宇宙，连同其实例的多重性（人们互相穿过对方）、奇异事件和纠缠信息，都会坍缩成虚无，就像第2章里的星系变成感光剂缺陷那样。对同一批事件的多重宇宙解释将成为一个坏解释，因此该世界对其居民来说将是不可解释的，如果它真的存在。

看起来似乎是，我们通过对信息流动施加所有这些条件，费了很大力气获得了这么一个属性——向居民们隐藏他们的世界那拜占庭式的错综复杂。[5]引用刘易斯·卡罗尔的《爱丽斯镜中奇遇记》里白骑士的话，我们仿佛是在：

……想办法

把胡须染成绿色，

并且总是拿着一把大扇子

不让别人看见。

现在是该把扇子拿开的时候了。

在量子物理学中，多重宇宙里的信息流动，不像在我描述的历史分支树里那样平淡。因为这是一种更深层的量子现象：在某些情况下，运动规律允许历史重新合并（再次变成可互换的）。这是我前面描述过的分裂（历史分化成两个或两个以上的历史）的时间逆转，因此在我们虚构的多重宇宙里实施它的一种自然方式，就是让传送器有能力逆转它自己造成的历史分裂。

如果我们这样表示原始分裂（见图11-1）：

图11-1 原始分裂的表示方法

其中X表示正常电压，Y表示传送器故障造成的异常电压。那么历史合并可以表示为图11-2所示方式。

图11-2 历史合并的表示方法

在干涉现象中，分化的历史重新合并。

这种现象称为干涉：Y历史的存在，对传送器通常对X历史产生的作用产生干涉，导致X历史和Y历史合并，见图11-3。这很像是某些幻影区故事里分身（副本）与正本合并的情形，除了我们不需要废除质量守恒或其他任何守恒定律：所有历史的总量度保持不变。

干涉现象可以在不允许跨历史通信的情况下，向多重宇宙的居民提供多重历史存在的证据。例如，假设他们快速连续两次运行传送器（我一会儿会解释“快”是什么意思）。

图11-3 一个干涉实验

如果反复这样做（每次使用传递器的不同复制品），他们很快就会推断出，中间结果不能只是随机的X或Y，因为如果是那样的话，最终结果有时候会是Y（因为），而实际上它总是X。因此，居民将无法再通过假设中间阶段实际存在的只有一个随机选择的电压值来解释他们看到的东西。

虽然这样一个实验能提供证据表明多个历史不存在，而且强烈地相互影响（在根据对方存在与否而表现不同的意义上），但它并不涉及跨历史通信（发送消息，把某人的选择告诉其他的历史）。

在我们的故事里，就像不允许分裂在允许超光速通信的情形下发生，我们必须保证干涉也是一样。做到这一点最简单的方式是，要求合并只能在还没有分化波出现的情形下发生。这就是说，只有在电涌对任何其他事物造成分化影响之前，传送器才能撤销电涌。当某个变量的两个不同取值X和Y触发的一个分化波离开一个对象时，该对象就与所有受到分化影响的对象纠缠，见图11-4。

图11-4 纠缠

所以，我们的规则简而言之就是，干涉只能发生在未与其余世界纠缠的对象上。这就是为什么在干涉实验中，传送器的两次运作是“快速连续”的。（或者，实验对象充分绝缘，其电压不会影响周围的事物。）于是我们可以象征性地表示一类通用的干涉实验，如图11-5所示。

图11-5 如果一个对象是非纠缠的，它可以因某事物仅仅作用于它而经历干涉

（箭头代表传送器的行动。）一旦该对象因X值和Y值与其余世界纠缠，就不会再有什么操作能单独作用于该对象而在这些值之间产生干涉。取而代之的是，历史再进一步分裂，一如往常，如图11-6所示。

图11-6 对于纠缠的对象，进一步的分裂取代干涉

当一个物理变量的两个或两个以上取值对其余世界里的某些事物产生不同影响时，连锁效应通常会无穷无尽地持续下去，就像我刚才描述的那样，分化波纠缠越来越多的对象。如果分化效应全都可以撤销，那么这些原始值之间的干涉会再次成为可能；但量子力学规律规定，撤销分化效应需要对所有受影响的对象进行精细控制，这很快就变得不可行。它变得不可行的过程称为消相干。在大多数情况下，消相干非常迅速，这就是为什么分裂通常压倒干涉占据主导地位，以及为什么干涉（虽然在微观尺度上普遍存在）很难在实验室里清楚地演示。

然而这是可以做到的，而且量子干涉现象构成了多重宇宙的存在及其规律是什么的主要证据。对以上实验的现实模拟，在量子光学实验室里已成为标准。这类实验不使用电压表（它与环境的许多相互作用迅速引起消相干），而使用单个光子；受作用的变量不是电压，而是光子可能在两条路径中取哪一条。实验也不使用传送器，而用一种称为镀银半反射镜的简单装置（在图11-7中用灰色斜条表示）。当一个光子撞击到这样一面镜子上时，在一半宇宙中它会反射，在另一半宇宙中直接穿过镜子，如图11-7所示。

图11-7 镀银半反射镜

在X或Y方向上行进的属性，其行为与我们的虚拟多重宇宙里X和Y两个电压类似。因此，经过镀银半反射镜类似于上面的转换。当一个光子的两个实例分别沿X和Y方向行进，同时撞击第二面镀银半反射镜时，就发生转换，意味着两个实例都出现在X方向上：两个历史合并。为了演示这一过程，可以使用一套称为“马赫－曾德尔干涉仪”的装置，它能快速连续执行这两个转换（分裂和干涉），如图11-8所示。

图11-8 马赫—曾德尔干涉仪

两面普通镜子（用黑色斜条表示）的作用仅仅是将光子从第一面镀银半反射镜导向第二面镀银半反射镜。如果不像图11-7中那样进行，而是在第一面镜子之后引入一个向右（X方向）行进的光子，那它离开最后一面镜子之后，会随机向右或向下行进（因为这样的话，最后一面镜子那里会发生）。在第一面镜子之后引入一个向下（Y方向）运行的光子，结果也是一样。但像图示那样引入的光子，它总是会出现在向右的方向上，而从来不会出现在向下的方向上。通过反复地做这种实验，在光子行进路线上安装探测器或者不安装探测器，就可以确认一个历史里只会出现一个光子，因为在一个这样的实验里总是只有一个探测器会被触发。于是，X和Y这两个中间历史都对决定性的结果X有贡献，由这一事实不可避免地推导出，在中间阶段，这两个历史都发生了。

在真正的多重宇宙里，不需要传送器或其他任何特殊设备，就可以造成历史的分化与合并。根据量子物理学规律，基本粒子始终在自行经历这样的过程。而且，历史可以分裂成为不止两个（往往是许多万亿个），以运动方向的微小差别或其他与基本粒子有关的物理变量的差异来区分。此外，一般来说，产生出来的历史有着不同的量度。因此，现在让我们把传送器也从虚构的多重宇宙中去掉。

不同历史的数量的增长速度快得让人难以置信——尽管如此，幸亏有干涉存在，现在也有了一定数量的自发合并。由于这种合并，真实多重宇宙里的信息流动并没有分为严格自治的支流——自治的历史分支。尽管历史之间仍然不能进行通信（在发送消息的意义上），但它们密切地互相影响，因为一个历史里的干涉效应取决于其他的历史是否存在。

不仅是多重宇宙不再能完美划分成多个历史，单个粒子也不能完美划分成多个实例。例如，考虑以下干涉现象，其中X和Y代表单个粒子位置的不同取值，见图11-9。

粒子在X位置的实例是留在了X位置还是移到了Y位置？粒子在Y位置的实例是回到了Y位置还是移到了X位置？

图11-9 一个粒子的多个实例怎样在干涉中失去身份

由于该粒子的两组实例（起初处于不同位置）经历了一个可互换的时刻，就不存在哪一个实例最终处在哪个位置上之类的情况。这类干涉一直在进行，就算是在只有一个粒子的空旷的空间区域里。因此，一般说来，不存在一个粒子的“同一个”实例存在于不同时间的情况。

即使在同一个历史里，随时间推移，粒子一般也不会保留身份。例如，当两个原子发生碰撞时，这个事件的历史分裂成这个样子：

或这个样子：

所以，对于每个单独粒子，碰撞事件都很像与镀银半反射镜相撞。每个原子都对另一个原子起到镜子的作用。但从多重宇宙的角度来看，这两个粒子看起来都是这样：

碰撞结束后，每个原子都有一些实例变得与原本属于不同原子的实例可互换。

出于同样的原因，不存在某个粒子的一个实例在给定地点的速度这种东西。速度的定义是行进距离除以所用的时间，这对以下情形来说没有意义：该情形中不存在不同时间里某个粒子的特定实例。取而代之的是，由一个粒子的可互换实例组成的集合体，通常有几个速度，意味着它们在瞬间之后的行为会不同。（这是“可互换性内的多样性”的又一个实例。）

不仅位置相同的可互换集合体有着不同的速度，速度相同的可互换集合体也可以有不同的位置。而且，由量子物理学规律可以推导出，对于一个物理对象的实例的任何可互换集合体，其中必定有一些属性是多样的。这称为“海森堡测不准原理”，得名于物理学家维尔纳·海森堡，他根据量子理论推导出了该原理的最早版本。

因此，举例来说，单一电子总有一个不同位置的范围，和一个不同速度及运动方向的范围。结果，其典型行为是在空间中逐渐扩散。其量子力学运动规律与一团墨渍的扩散规律相似，如果起初位于一个极小区域内，它的扩散速度会很快，变得越大，扩散速度就越慢。它所携带的纠缠信息确保不会有两个实例对同一个历史做出贡献。（或者更确切地说，在有着多个历史的时间和地点，电子以不会相撞的实例存在。）如果一个粒子的速度范围不以零为中心而是其他值，整团“墨渍”就会移动，其中心服从于与经典物理学运动定律近似的规律。在量子物理学中，一般意义上的运动就是这样进行的。

这解释了在类似原子激光的事物中，同一历史的粒子怎样也能可互换。两个“墨渍”粒子，每个都是一个多重宇宙对象，它们可以在空间中完美重合，其纠缠信息可以是这样的：它们的两个实例从来没有出现在同一历史的相同位置上。

现在，把一个质子放到逐渐扩散的单一电子实例云的中央。质子带有正电荷，吸引带负电荷的电子。结果是，云在尺寸达到这样一种情况时停止扩散：它因测不准原理多样性向外扩散的趋势，刚好被质子的吸引力所抵消。由此产生的结构称为氢原子。

历史上，对原子的这种解释是量子理论的第一个胜利，因为根据经典物理学，原子根本不能存在。一个原子包含一个带正电的核，它由带负电的电子环绕。但正、负电荷相互吸引，如果不加抑制，它们会加速互相接近，在此过程中以电磁辐射的形式释放能量。因此，电子为什么不会在辐射的闪光中“跌落”到原子核上，曾经是一个谜。不管是原子核还是电子，其直径都不超过原子直径的万分之一，是什么让它们相隔如此之远？是什么让原子在这样的尺寸上得以保持稳定？在非专业的描述中，原子结构有时被说成是像太阳系那样，想象电子绕着原子核运转，就像行星绕着太阳运转。但这与事实不符。一方面，受引力束缚的物体的确会缓慢地进行螺旋式跌落，释放出引力辐射（这一现象已经在中子星双星中观察到），原子里对应的电磁过程会在不到一秒钟的时间里结束。另一方面，固体物质（由紧密堆积的原子组成）的存在，表明原子不能轻易互相渗透，而恒星—行星系统必定能够互相渗透。而且，事实证明在氢原子里，处于最低能级的电子完全没有环绕原子核运动，而是像我说的那样，像一团墨渍一样待在那里——测不准原理使它扩展的倾向刚好被静电作用力抵消。通过这种方式，干涉现象和可互换性内的多样性现象，对所有静态对象的结构和稳定性来说都是必需的，其中包括所有固体对象，就像它们对所有的运动都是必需的那样。

“测不准原理”这个术语是误导的。容我强调，它与不确定性或者量子物理学先驱们可能有过的任何沮丧感觉都没有关系。一个电子有超过一个速度或超过一个位置，与任何人不能确定速度是多少毫无关系，就像与人们不“确定”银行账户里的哪一美元属税务机关所有毫无关系一样。两种情况下，属性的多样性都是一个物理事实，与任何人知道什么或感觉什么无关。

顺便说一下，不确定性原理也不是一条“原理”，因为“原理”意味着它是一个独立假设，逻辑上可以为了获得一个不同的理论而被放弃或取代。实际上，人们已经不能把它从量子理论中去掉，就像不能把日食从天文学中去掉。不存在所谓“日食原理”，日食的存在可以用普遍得多的理论推导出来，例如关于太阳系几何学和动力学的理论。同样，测不准原理可以从量子理论的原理中推导出来。

由于持续进行着的强内部干涉，一个典型的电子是一个不可简化的多重宇宙对象，而不是一个由平等宇宙或平等历史对象组成的集合体。这就是说，它在不分割成各有一个速度和一个位置的、自治的子实例时，就拥有多个位置和速度。就算是不同的电子，其身份也并非完全独立。因此事实是，电场遍布于整个空间，扰动以波的形式在这个场里扩散，速度等于或小于光速。正是这一点导致量子理论先驱们提出了那个经常被错误引用的观念：电子（以及所有其他粒子）“在同一时刻既是粒子也是波”。对于我们在特定宇宙中观察到的每个单独粒子，都有一个多重宇宙里的场（或者“波”）。

尽管量子理论是用数学语言来表达的，我还是用文字对它所描述的现实的一些主要特征进行了一番说明。于是，此时我所描述的虚构多重宇宙差不多就是真实的宇宙了。但还有一件事需要梳理。我的“连续推测”的基础，是多个宇宙、对象的多个实例以及为了描述这个多重宇宙对上述观念进行的纠正。但真正的多重宇宙不以任何事物为基础，也不是对任何事物的纠正。量子理论并不涉及宇宙、历史、粒子及其实例，就像不涉及行星、人类和他们的生活与爱情。这些东西全都是多重宇宙里近似、突现的现象。

一个历史是多重宇宙的一部分，意义等同于一个地层是地壳的一部分。历史以物理变量的取值与其他历史区分，就像地层以其化学成分及化石类型等与其他地层区分。地层和历史都是信息流动的渠道。它们之所以能保存信息，是因为虽然其内容会随时间推移发生变化，但它们接近自治——也就是说，在一个特定地层或历史中发生的变化几乎完全依赖于它内部的条件，而不是别处的条件。就是因为这种自治，今天发现的化石才能作为表明该地层形成时地球上有什么的证据。同样，这就是为什么在一个历史中，人们可以根据该历史的过去，用经典物理学成功预测它某些方面的未来。

地层像历史一样，并不具备高于其内部对象的独立存在：它由这些对象构成。地层也没有清晰的边界。另外，地球上的一些地区（比如靠近火山的区域）存在地层合并的现象（虽然我认为分割和合并地层的地质过程完全不同于历史分裂和合并的方式。）地球上也有一些区域（比如地核）从未分层。还有一些区域（如大气层）虽然分层，但层里包含的东西相互作用和混合的时间尺度比地壳里短得多。同样，多重宇宙里有区域包含短暂的历史，也有区域根本没有历史。

然而，地层和历史从各自的底层现象中突现的方式有一个很大的区别。虽然并不是地壳里的每个原子都可以明确分配给某个特定的地层，但形成地层大多数原子都可以。相反，一个日常物体里的每一个原子都是一个多重宇宙对象，不能分成多个接近自治的实例和接近自治的历史。而由此类粒子组成的日常物体（如飞船、订婚的新人等）可以精确地分成多个接近自治的历史，每个历史里的每个物体正好有一个实例、一个位置、一个速度。

这是因为纠缠对干涉的抑制。正如我前面解释的，干涉几乎总是要么在分裂之后马上发生，要么就根本不发生。这就是为什么物体或过程越大、越复杂，其总体行为受干涉的影响越小。在这样的“粗颗粒”突现层次，多重宇宙里的事件由自治的历史组成，每个粗颗粒的历史都包含很多历史，它们只在微观细节上存在差异，但通过干涉相互影响。分化球倾向于以接近光速的速度增长，因此，在日常生活尺度及更大尺度上，这些粗颗粒的历史可以很恰当地称为普通意义上的“宇宙”，其中每一个都与经典物理学的宇宙有几分相似。称它们“平行”是有用的，因为它们接近自治。对它们的居民来说，每个宇宙看上去都非常像一个单宇宙世界。

意外地放大到粗颗粒层次上的微观事件（例如我们故事里的电涌）在任何一个粗颗粒历史中都很罕见，但在整个多重宇宙中是常见的。例如，考虑从深空中朝地球方向行进的单一宇宙射线粒子，它必定沿某个范围内各个略有不同的方向行进，因为测不准原理意味着，在多重宇宙里，它在行进过程中必定像墨渍一样向四周扩散。当它到达地球时，墨渍可能已经比整个地球还要大，因此大多数都没有击中地球，其余的撞击在暴露表面上的所有地方。记住，这只是单一粒子，可能包含可互换的实例。接下来发生的是，它们不再可互换，通过它们在到达点与原子的相互作用，分裂成数量有限但非常多的实例，每个实例都是一个单独历史的起源。

在每个这样的历史中，都有该宇宙射线粒子的一个自治实例，它会通过产生由带电粒子组成的“宇宙射线雨”来耗散能量。因此在不同的历史中，这样一场射线雨会发生在不同的地点。在某些地点，射线雨会形成一条传导通路，闪电可以沿着它行进。地球表面的每个原子都会在某个历史中被这样的闪电击中。在其他历史中，一个这样的宇宙射线粒子会击中一个人体细胞，对一些已经受损的DNA造成破坏，使细胞癌变。所有的癌症中，有比例不可忽视的一部分是由这种方式引起的。结果就会存在这样的历史：某个特定的人，在我们的历史里活着，但在那些历史中很快就会死于癌症。还存在着其他的历史，其中的一场战斗或战争被一起这样的事件所改变，或者被一个在正确的时间和地点出现的闪电所改变，或者被无数其他不太可能发生的“随机”事件中的某一个所改变。这使得以下想法看上去颇为合理：存在某些历史，里面的事件发生方式与或然历史小说（如《祖国》和《罗马永存》）描述的差不多，或者与你自己生活经历中的事件完全不同，可能更好，也可能更坏。

因此，有很多小说的内容非常接近多重宇宙中某个地方的现实。但并不是所有的小说都会这样。例如，不会有任何历史是我那些传送器故障故事的样子，因为那需要不同的物理规律。也不会有自然基本常数（如光速或电子电荷）取值不同的历史。但确实会有一类历史，受到一系列“不可能发生的意外”影响，不同的物理规律会在一段时间内看上去是真实的。（也有可能存在拥有不同物理规律的宇宙，像微调的人择解释要求的那样。但现在还没有关于这样一个多重宇宙的可行理论。）

想象从一艘星际飞船的通信激光器里跑出来的单一光子，它朝地球方向飞来。像宇宙射线一样，它在不同的历史中到达地球表面的所有地方。在每个历史中，只有一个原子会吸收这个光子，而其余的原子从一开始就完全不受其影响。随后，一台用于此类通信的接收器将检测到这样一个原子产生的相对较大的离散变化。建造此类测量设备（包括眼睛）的一个重要结果是，不管来源有多远，一个到达的光子对一个原子的推动作用都是相同的，只不过信号越弱，推动就越小。如果不是这样（例如，如果经典物理学是真实的），弱信号将很容易被随机的本地噪声淹没。这跟我在第6章讨论过的数字信息处理相对于模拟信息处理的优势是一样的。

我自己的物理学研究一直与量子计算机理论有关。这类计算机里携带信息的变量受到多种手段保护，防止它们与周围的事物发生纠缠。这允许一种新的计算模式，其中的信息流动不局限于单一历史。在其中一种类型的量子计算中，同时运行的大量不同计算可以相互影响，从而对计算的输出结果做出贡献，称为量子并行。

在一个典型的量子计算中，独立信息单元由称为“量子比特”的物理对象来代表，实现量子比特的物理手段很多，但总是有两个关键特点。首先，每个量子比特有一个可以取两个离散值之一的变量；其次，采用防止量子比特发生纠缠的特殊手段，例如把它们冷却到接近绝对零度。一个利用量子并行的典型算法是，开始使某些量子比特中携带信息的变量同时取两个值，然后把这些量子比特当作寄存器去代表（比方说）一个数。寄存器的独立实例总数是指数级别的巨大的量子比特数量次方。然后进行一段时间的经典计算，在这期间，分化波扩散到其他一些量子比特——但不会扩散得更远，因为有防止扩散的特殊手段存在。因此，信息在数量巨大的自治历史中的每个历史里得到独立处理。最终，一个涉及所有受影响的量子比特的干涉过程把这些历史的信息结合到单一历史中。由于介入的计算对信息进行了处理，最终状态与初始状态不一样（与我前面讨论过的简单干涉实验不同），而是初始状态的某种函数，类似图11-10所示的样子。

Y1……Y（很多）是取决于输入值X的中间结果。要有效地计算输出值f(X)，它们全都是必需的。

图11-10 一个典型的量子计算

正如飞船船员能够通过与正在用不同输入值计算同一函数的分身共享信息来进行大型计算，运用量子并行的算法做的是同样的事。但是，虚构的效果受到飞船规定的限制，我们可能为了适应剧情而发明出这样的规定，而量子计算机受到物理规律的限制，这些规律掌控着量子干涉。只有特定类型的并行计算可以通过这种方式在多重宇宙的帮助下进行，在这类计算中，量子干涉的数学结果刚好可以结合成单一历史，也就是最终结果所需要的信息。

在这样的计算中，一台只有几百个量子比特的量子计算机，就可以执行比可见宇宙中的原子还要多得多的并行计算。在我写这本书时，能运算大约十个量子比特的量子计算机已经建成。对技术进行“尺度变换”，达到更大的量子比特数目，是量子技术面临的一个巨大的挑战，但目标正在逐渐达成。

我上面提到，当一个巨大对象受到一个微小影响时，通常的结果是，大的对象完全不受影响。现在我来解释一下为什么。在马赫—曾德尔干涉仪的例子里，如前所述，单一光子的两个实例行进在两条不同的路径上，在途中，它们撞击两面不同的镜子。只有当光子没有与镜子形成纠缠时，干涉才会发生——但只要任何一面镜子保留了一丝被光子撞击的记录（因为这将是两条不同路径上的实例的一个分化效应），光子就会形成纠缠。就算镜子在支架上的振动幅度只发生了一个量子的改变，就足以阻止干涉（指光子的两个实例随后的合并）。

当光子的实例之一从任何一面镜子反弹时，它的动量都会变化，因此按照动量守恒定律（这个定律通用于量子物理学，就像在经典物理学中一样），镜子的动量也必须有一个大小相等、方向相反的改变。因此看来，在每个历史中，这肯定会使一面镜子在受到光子撞击后以稍多或稍少一点的能量振动，而另一面镜子不会这样。这种能量变化将是光子路径的一个记录，因此镜子会与光子产生纠缠。

幸运的是，情况不是这样的。请记住，我们粗略地看作镜子的单一历史、在支架上被动地待着或轻微振动着的东西，在细节足够精细的水平上，实际上是大量的历史，其中所有原子的实例在持续地分裂和合并着。特别是，镜子的总能量在平均“经典”值附近有大量可能的取值。那么，当一个光子击中镜子使其总能量发生一个量子的改变量时，会发生什么？

暂时简化一下，只想象这面镜子的无数实例中的5个，每个实例都有不同的振动能量，取值范围在低于平均值2个量子到高于平均值2个量子之间。光子的每个实例撞击镜子的每个实例，给它增加一个量子的能量。于是在撞击之后，镜子的实例的平均能量增加了一个量子，取值范围变成了低于旧平均值1个量子到高于旧平均值3个量子。但是由于在这样的细节精细水平上，这些能量中的任何一个都没有相关的自治历史，追问镜子的某个有着特定能量的实例在撞击后是不是曾经拥有该能量的同一个实例，是没有意义的。客观物理事实只是，在镜子的5个实例中，4个拥有的能量曾经出现过，1个拥有的能量未曾出现过。因此，只有能量高于旧平均值3个量子的那个实例会留下光子撞击的记录。这意味着，只有1/5的宇宙中光子撞击使分化波扩散到镜子，只有在这些宇宙中，接下来曾经击中镜子与未曾击中镜子的光子实例之间的干涉会受到抑制。

用现实的数字来说，这更像是一亿亿亿分之一——这意味着干涉受到抑制的概率只有一亿亿亿分之一。这大大低于实验由于测量仪器不完善而得出不准确结果的概率，或者因为闪电击中而毁掉实验的概率。

现在让我们来转向单个量子的能量的到来，看看这个离散变化在没有连续性的情况下怎样才可能发生。考虑可能的最简单情形：一个原子只收了一个光子，包括光子所有的能量。这个能量转移并不是瞬时发生的。（请忘掉你可能读过的任何关于“量子跃迁”的东西，那只是虚构的。）发生的方式有许多种，但最简单的是这样一种。在这一过程的开始，原子是（比方说）处于“基态”，它的电子拥有量子理论所允许的最小能量。这意味着它（在相关的粗颗粒历史里的）所有的实例都拥有这个能量。假设它们也是可互换的。在该过程结束时，所有这些实例仍然可互换，但现在它们处于“激发态”，拥有一个额外量子的能量。原子在这个过程的半途会像什么样子？它的实例仍然是可互换的，但其中一半处于基态，另一半处于激发态。这就像是一笔连续可变数量的钱，逐渐从一个离散的主人转移到另一个主人手中，其所有权发生改变。

这一机制在量子物理学中是普适的，也是离散状态的转换以连续方式进行的一般方式。在经典物理学中，“小效应”总是意味着某些可测量物理量的微小变化。在量子物理学中，物理变量通常是离散的，所以不能经历微小变化。相反，“小效应”指的是拥有不同离散属性的比例的微小变化。

这也引发了时间本身是不是一个连续变量的问题。在这次讨论中，我假设它是连续变量。然而，时间的量子力学尚未被完全理解，而且在我们拥有一个引力量子理论（量子理论与广义相对论的大一统理论）之前都不会被完全理解，所以事情可能不会那么简单。不过有一件事我们可以相当肯定，那就是，在这样一个理论中，不同的时间是不同宇宙的一个特例。换句话说，时间是一个纠缠现象，它把所有相同的钟表读数（经过准确调整的钟表的读数，或者用作钟表的任何对象的读数）放进同一个历史。这种理解是由物理学家唐·佩奇和威廉·武特斯在1983年首先提出的。

在这个完整版本的量子多重宇宙里，怎么让我们的科幻小说故事继续下去呢？物理学家、哲学家和科幻小说家对量子理论的注意力，几乎全都专注于平行宇宙方面，这一点颇具讽刺意味，因为正是在平行宇宙的近似中，世界与经典物理学的世界最相像，这是量子理论让许多人发自内心地无法接受的一面。

小说可以探索平行宇宙展现的可能性。例如，因为我们的故事是一个恋爱故事，书中人物很可能会好奇其他历史里自己的副本的情况。故事会把他们的推测与我们所“知道”的在其他宇宙中发生的事情进行比较。配偶不忠被一次“随机”事件曝光的人物，可能会疑惑，这到底有没有让自己从一桩注定失败的婚姻中幸运逃脱。在不忠没有被曝光的历史里，他们的婚姻还维持着吗？他们幸福吗？“建立在谎言之上”的婚姻，可能有真正的幸福吗？我们在看着他们推测这些事情时，也看到“婚姻仍在维持”的历史，了解到（虚构的）事实。

他们也可能去推测不那么狭隘的问题。故事里可能会说他们的太阳属于一个由几十颗恒星组成的恒星簇，这些恒星全都处在一个半径几光周的球里。这个问题已经困扰他们的科学家几十年了，因为恒星的成分表明它们起源于遥远宽广的区域，通过一系列不可能发生的巧合变得受到引力束缚。这些科学家计算，在大多数的宇宙中，这样密集的恒星簇里都不可能进化出生命，因为会有太多的碰撞。因此，在大多数有人类的宇宙中，都不会有星际飞船舰队一个接一个地访问有人居住的恒星系统。他们一直试图发现一种机制，使得相邻恒星的邻近状态能促进智慧生命的形成，但他们失败了。他们应不应该考虑这只是一个天文学上不太可能发生的巧合？但他们不喜欢丢下无法解释的事情不管。他们得出结论说，肯定是有些什么东西选择了他们。确实如此。那些人不只是一个故事。他们是真正的、生活着、思考着的人类，在当下这个时刻正思考着他们从何而来。但是，他们永远也不会找到。在这个方面，他们是不幸的：他们确实是被巧合所选择的。另一种表述方式是，他们被我讲的关于他们的这个故事所选择。所有不违背物理规律的科幻小说都是事实。

有些小说看起来违反了物理规律，但它们也是事实，存在于多重宇宙的某个地方。这涉及一个与多重宇宙怎样构造有关的微妙问题——历史怎样出现。一个历史是近似自治的。如果我用一个电水壶烧水沏茶，我就处在这样一个历史中：我打开电水壶的开关，水逐渐变热，因为能量被电水壶输入到水中，使气泡形成，等等，最终形成热茶。这是一个历史，因为人们可以对它进行解释和做出预测，完全无需提到多重宇宙里还有其他的历史（如我选择煮咖啡而不是烧茶的历史），也无需提到水分子的微观运动受到多重宇宙在这个历史之外的其他部分的轻微影响。这个历史的一个微小量度在该过程中自主分化并产生其他行为，对这个解释来说完全不重要。在极少一部分宇宙里，水壶转换成一顶大礼帽，水转换成一只兔子跳走了，我既没有得到茶也没有得到咖啡，只是非常吃惊。转换发生之后，这也是一个历史。但如果不提到多重宇宙中没有兔子的其他部分——巨大得多的部分（即有着更大量度的部分），就无法对转换过程中间发生了什么进行正确解释，也无法预测转换的概率。所以，这个历史从转换开始，它与此前发生的事的因果关系无法用历史来表达，只能用多重宇宙来表达。

在像这样的简单情况下，有一种现成的近似语言，可以用来尽量少提及多重宇宙的其余部分：随机事件的语言。这允许我们承认，大多数相关的高层次对象仍然表现得是自治的，除了受到自身之外某些事物的影响——就像我受到兔子的影响。在一个历史与它从中分裂出来的一个从前的历史之间，这构成了某种连续性，我们可以把前者称为“已受随机事件影响的历史”。然而，从来也没有真正发生过这样的事：这个历史在“随机事件”之前的那个“部分”与更广泛历史的其余部分可互换，因此并无独立身份，无法对它进行独立解释。

但这两个历史的更广泛历史仍然可以独立解释。也就是说，兔子历史与茶的历史在根本上不同，后者在整个阶段仍然非常准确地自治。在兔子历史上，阶段结束时我的记忆，跟水变成兔子历史里的记忆相同。但这是误导的记忆，并不存在这样的历史。包含这些记忆的历史，是在兔子形成之后才开始的。关于这一点，多重宇宙中还有地方（量度比那一个大得多），在那里只有我的大脑受到影响，产生出这样的记忆。实际上，受到我大脑中原子随机运动的影响，我产生了一个幻觉。有些哲学家把这类事情看成一个大问题，声称它质疑了量子理论的科学地位，不过当然，他们都是经验主义者。在现实中，误导的观察、误导的记忆和错误的阐释即使在历史的主流中也是很常见的。我们必须努力避免用它们欺骗自己。

因此，比方说在某些历史中魔法看上去有效，这样的说法不完全正确。其实只有这样的历史：魔法看上去曾经有效，但再也不会有效了。在某些历史上我似乎穿墙而过，因为我身体中所有的原子在受到墙壁原子的偏转后恰好恢复原样。但这些历史从墙开始：对于所发生的事情的真正解释，涉及我和墙的许多其他实例——或者我们可以大致用极低概率的随机事件来解释。这有点像中了彩票，赢家如果不提到有许多没中奖的人存在，就不能正确地解释刚刚发生了什么。在多重宇宙中，输家是自己的其他实例。

只有在历史不仅分裂还会合并（即干涉现象）时，“历史”近似才会被完全打破。例如，某些分子可以同时以两种或多种结构存在（“结构”指原子排列方式，原子间通过化学键结合）。化学家把这种现象称为两种结构之间的“共振”，但分子并不是在两种结构之间变来变去，而是同时拥有两种结构。对于这类分子，没有办法用单一结构来解释其化学性质，因为当一个“共振”分子参与化学反应与其他分子相互作用时，就会发生量子干涉。

在科幻小说中，我们有权进行推测，就算是不可靠程度达到在现实科学中导致极坏解释的水平。但现实科学中对我们自身的最好解释是，我们嵌在多重宇宙对象中——我们这些有情众生，处在这个巨大的、不熟悉的结构里，它的物质没有连续性，甚至像运动和变化这样基本的东西也与我们体验的完全不同。每当我们观察什么事物，不管是一台科学仪器、一个星系还是一个人，我们所看到的实际上是一个更大对象的单宇宙视角，这个更大对象在一定程度上延伸到其他宇宙中。在一部分那些宇宙里，这个对象看上去跟我们看到的一样，在另一些宇宙里它看上去不一样，或者完全不存在。观察者看到的一对已婚夫妇，只是一个巨大实例的一片，这个实例包含这对夫妇的许多可互换实例，以及其他实例，包括离婚的实例、从未结婚的实例。

我们是信息流动的渠道。历史也是，历史上所有相对自治的对象也是。但是我们这些有情众生是极不寻常的渠道，知识（有时候）会随我们增长。这可以产生重大影响，不仅是在一个历史中（它当然能在一个历史中产生重大影响，例如知识的影响不随距离衰减），而是在整个多重宇宙中。由于知识的增长是一个纠正错误的过程，并且由于出错的方式比不出错的方式多得多，创造知识的实例在不同历史中变得相似的速度，比其他实例要快得多。据目前所知，知识创造的过程在这两个方面是独一无二的：所有其他影响都会随着空间距离而减弱，并且长远来看在整个多重宇宙里将变得越来越不同。

但是，这仅仅是目前所知。在此有一个机会可以进行大胆的推测，为科幻小说提供素材。如果在信息流动之外，多重宇宙中还有某种事物能引发协调一致的突现现象，会怎么样？如果从中可以产生知识或知识以外的某种东西，开始有着自己的目标，并使多重宇宙服从这些目标，就像我们所做的那样，又会怎么样？我们能与它通信吗？在通常意义上大概不能，因为那将是信息流动；但也许故事可以提出某种类似通信的新事物，就像量子干涉一样，不涉及消息发送。我们会不会困在一场与这样的实体互相灭绝的战争中？我们是不是可能多少与它有些共同之处？让我们避开这个问题的狭隘解答——诸如发现在障碍之间架起桥梁的是爱和信任之类。但是，让我们记住这一点：在世间万物中，我们的重要性处在顶级，所有其他能够创造解释的事物也将处在顶级。顶层一直都会有空间。

术语

可互换的——在各个方面都相同。

世界——全部的物理现实。

多重宇宙——量子理论所说的世界。

宇宙——多重宇宙里的准自治区域。

历史——一套可互换的宇宙，随着时间的推移。也可以说宇宙某个部分的历史。

平行宇宙——一种有点误导的多重宇宙。说它有误导性是因为宇宙不是完全“平行”（自治的）的，也因为多重宇宙里有更多的结构特别是互换性、纠缠和历史的量度。

实例——在多重宇宙含宇宙的部分里，每个多重宇宙对象都由相似的“实例”组成，有些完全相同，有些不相同，每个宇宙里有一个。

量子——一个离散物理变量可能发生的最小变化。

纠缠——每个多重宇宙对象里的信息，决定着哪些部分（实例）可以影响其他多重宇宙对象的哪些部分。

消相干——使得宇宙间分化波的影响无法被撤销的过程。

量子干涉——一个多重宇宙对象的不可互换实例变成可互换实例导致的现象。

测不准原理——量子理论的一个（严重地名不副实的）推论，对于一个物理对象的实例的任何可互换集合体，其中一些属性必定是多样的。

量子计算——信息流动不局限于单一历史的计算。

小结

物理世界是一个多重宇宙，其结构是由其中的信息如何流动来决定的。在多重宇宙的许多区域，信息以半自治的方式流动，这样的信息流称为历史，我们把其中一个历史称为我们的“宇宙”。宇宙近似服从经典（量子理论之前）物理规律。但是我们知道多重宇宙的其余部分，并可以检验量子物理规律，这是因为存在着量子干涉现象。因此，一个宇宙不是多重宇宙的一个精确特征，而是一个突现特征。多重宇宙最让人觉得不熟悉和反直觉的东西是可互换性。多重宇宙的运动规律是确定性的，表面上的随机性源于起初可互换的实例变得不同。在量子物理中，变量通常是离散的，它们如何从一个值变成另一个值，是一个涉及干涉和可互换性的多重宇宙过程。

[1] 格雷温是《辛普森一家》杜撰的一个词，含义模糊。——原注

[2] 在一个否则就为空的空间中，处在不同位置上的相同实体是不可互换的，但有些哲学家辩称，它们应该是莱布尼茨意义上的“不可识别的”。如果是这样，可互换性就在又一个方面比莱布尼茨想象过的还要糟糕。——原注

[3] 根据下文计算结果，此处疑应为1/4的人。——译注

[4] 认为这些信息完全由对象局部携带，这种观点目前有些争议。详细的技术讨论参见我和帕特里克·海登的论文《纠缠量子系统里的信息流》［皇家学会通报，A456(2000)］。——原注

[5] 拜占庭帝国即东罗马帝国，得名于帝国首都拜占庭，其艺术多以宗教为主题，风格精细、复杂、奢华。——译注

第12章 一位物理学家的坏哲学史以及对坏科学的若干意见

顺便说一下，我刚才概述的东西，我称之为“物理学家的物理学史”，它从来就没有正确过……

——理查德·费曼，《量子电动力学：光与物质的奇特理论》（1985）

读者：那么，我是多重宇宙里一个突现的、准自治的信息流。

戴维：是的。

读者：我以多个实例存在，其中有些彼此不同，有些彼此相同。根据量子理论，这是世界上最不奇怪的事物。

戴维：是的。

读者：但你的论点是，我们别无选择，只能接受理论的引申含义，因为对许多现象来说它是唯一已知的解释，而且它通过了所有已知的实验检验。

戴维：你还想要什么其他选择？

读者：我只是在总结。

戴维：那么，是的。量子理论确实有着通用的延伸。但如果你只是想了解我们怎样知道还有其他宇宙存在，那就不需要通过完整的理论来了解。你只需要看一下马赫－曾德尔干涉仪对单个光子的作用：光子没有选择的那条路径会影响到它已选择的那条路径。或者如果你想要一些显而易见的事物，就只需要想一想量子计算机：其输出将取决于在同样的少数几个原子的大量不同历史中进行的中间计算。

读者：但是，这只是有几个原子以多重实例存在，不是人。

戴维：你在说你不是由原子组成的吗？

读者：啊，我明白了。

戴维：另外，想象由单一光子的实例组成的庞大的云，其中一些实例被障碍物阻挡。它们是被我们所看到的那个障碍物吸收了呢，还是被位于同一地点的另一个准自治的障碍物吸收了？

读者：这有区别吗？

戴维：有区别。如果它们都被我们所看到的障碍物吸收了，这个障碍物就会蒸发掉。

读者：是会蒸发掉。

戴维：我们可以问——像我在飞船的幻影区故事里问的那样——是什么支撑那些障碍物？必定是地板的其他实例，还有地球的其他实例。然后我们可以考虑设置这些实验装置的实验者，还有观察实验结果的观察者，等等。

读者：所以，通过干涉仪的光子细流确实打开了一扇通向宇宙的庞大多重性的窗口。

戴维：是的。这是延伸的另一个例证，它在量子理论的延伸中只占一小部分。这些实验的解释孤立看来并不像整个量子理论那样难于改变，但在其他宇宙的存在方面，它同样不容置疑。

读者：事情就是这样？

戴维：是的。

读者：那为什么只有少数量子物理学家支持？

戴维：坏哲学。

读者：那是什么？

量子理论是由两位物理学家分别从不同的方向独立发现的，他们是维尔纳·海森堡和埃尔温·薛定谔。薛定谔方程得名于后者，它用于描述量子力学的运动原理。

量子理论的这两个版本都创立于1925年至1927年间，两者都以异常反直觉的新方式解释运动，尤其是原子内部的运动。海森堡的理论说，粒子的物理变量没有数值，它们是矩阵，即由数字组成的大型阵列，这些数字变量的观测结果之间存在着复杂的、概率性的关系。回头看去，我们现在知道，之所以存在信息的多重性，是因为对于多重宇宙里对象的不同实例，一个变量有着不同的取值。但在当时，不论是海森堡还是其他人，都不相信他那些取值为矩阵的物理量真的描述了爱因斯坦所说的“现实要素”。

薛定谔方程应用于单个粒子时，描述一个穿过空间的波。但薛定谔很快意识到，对于两个或两个以上的粒子，该方程就无法这样描述。它不能代表一个有着多个波峰的波，也不能分解成两个或两个以上的波；在数学上，它是高维空间里的一个单波。回头看去，我们知道这些波描述了每个粒子的实例的哪些部分处于空间中的哪些区域，以及粒子之间的纠缠信息。

虽然薛定谔和海森堡的理论描述的世界似乎非常不同，两者都不容易与现有的现实概念扯上关系，但人们很快发现，如果给这两个理论加上一条特定的简单经验法则，它们就总是能做出相同的预测，而且这些预测最终都很成功。

根据后见之明，我们可以这样表述这条经验法则：每当一个测量得以进行，除了一个历史之外，所有历史都不复存在。存留下来的历史是随机选择的，每个可能的结果出现的概率，等于出现该结果的所有历史的总量度。

在这个时候，灾难降临了。大多数理论物理学家都没有尝试对这两个功能强大但略有瑕疵的解释理论进行改善与整合，而是非常驯顺地迅速退到工具主义。他们的理由是，如果预测有效，为什么要关心解释？于是他们试图把量子理论仅仅当成一套对实验的观察结果进行预测的经验法则，认为它不代表任何（除了观察结果之外的）现实。这种行为至今仍很普遍，被其批评者（甚至包括一些支持者）称为“量子理论的‘闭嘴吧，计算就行了’诠释”。

这样做意味着忽略以下令人尴尬的事实：（1）该经验法则同这两种理论严重不一致，因此它只能应用于量子效应小到难以察觉的情形，这类情形恰好包括测量的那一刻（正如我们现在知道的，原因是对象与测量设备的纠缠，以及因此产生的消相干）；（2）在应用于一名观察者对另一名观察者进行量子测量的假想情况时，该经验法则甚至不自洽；（3）量子理论的这两个版本都清楚地描述了引起实验结果的某些类型的物理过程。专业性和天然的好奇心都使物理学家们很难不去思考这些过程。但他们中间的许多人都努力不思考，大多数人还教学生不去思考。对于量子理论，这样的行为违背了科学的批评传统。

让我来定义一下：“坏哲学”指不仅本身错误还主动阻止其他知识增长的哲学。在量子理论的案例中，工具主义阻止薛定谔和海森堡理论中的诠释得到改进、详细阐述或统一。

随后，物理学家尼尔斯·玻尔（量子理论的另一位先驱）对量子理论提出了一个“诠释”，后来被称为“哥本哈根诠释”。该诠释认为，量子理论以及这条经验法则，是对现实的一个完整描述。玻尔用工具主义和有意的含糊其辞来为该诠释中的多种矛盾和缺口来辩解。他否认“把现象视作客观存在来谈论的可能性”，但他说，只有观察结果才能算作现象。他还说，虽然观察无法触及“现象的真正本质”，但确实能揭示它们之间的关系，而且，量子理论使观察者和观察对象之间的界限变得模糊。至于如果一名观察者对另一名观察者进行一次量子水平上的观察会发生什么，他回避了这个问题——该问题称为“维格纳的朋友悖论”，得名于物理学家尤金·维格纳。

对于观察行为之间未观察到的过程，薛定谔和海森堡的理论似乎都描述了历史同时发生的多重性，玻尔则提出了一条新的自然基本原理——“互补性原理”。该原理称，对现象的描述只能用“经典语言”（任一时刻只给物理变量赋单一值的语言）表达，但经典语言只能用于一部分变量，包括那些刚刚被测量的变量。不许问其他变量的取值是什么。因此，对于诸如马赫－曾德尔干涉仪中“光子选择了哪条路径”的问题，回答将是，当观察到路径之前，不存在“哪条路径”。对于“那么，光子怎么知道它遇到最后一面镜子时应该朝哪个方向行进，既然这取决于前面全部两条路径上发生的情况”这个问题，回答将是称为“波粒二象性”的含糊其辞：光子在同一时刻既是扩展的（非零体积）也是定域的（零体积），人可以选择观察其中一种属性，但不能同时观察两种属性。这通常表述为“它在同一时刻既是波又是粒子”。具有讽刺意味的是，从一种意义上说，该观点非常正确：在干涉实验中，整个多重宇宙光子确实是一个扩展对象（波），而它的实例（各个历史里的粒子）是定域的。不幸的是，哥本哈根诠释不是这个意思。根据该诠释，量子物理学对理性的基础发出了挑战：粒子具有互相排斥的属性，而且它把批评意见当作是无效的，从而不予理会，因为这些批评尝试在合适领域之外使用“经典语言”（即描述测量结果）。

后来，海森堡把那些不允许询问的值称为潜能，在测量完成时，只有一个潜能变成实在。仅此而已，没有发生的潜能怎么会影响实际结果？这一点仍然含糊不清。是什么导致了从“潜在”到“实在”的转变？玻尔那人类中心主义的语言意味着，转变是由人类意识导致的，这一点在哥本哈根诠释后来的大多数陈述中得到明确阐述。因此，人类意识可以说是在物理学的基础层次上发挥作用。

几十年来，人们把各种版本的量子理论当作事实在大学课堂上讲授——含糊不清的、人类中心主义的、工具主义的以及所有其他类型的。很少有物理学家声称自己懂得量子理论。其实也没有人懂。于是，学生们的问题会得到“如果你觉得自己懂量子力学，那你就没懂”之类的胡扯答复。人们把理论中的不一致性辩解成“互补性”或“二象性”，把其中的狭隘主义当成哲学上的精妙之处。于是，该理论要求不受正常的（也就是所有的）批评模式管辖——这是坏哲学的一个显著标记。

这个理论的模糊性与批评豁免权，加上基础物理学的声望及其在人们眼中的权威性，为无数据称基于量子理论的伪科学和骗术打开了大门。它轻蔑地把普通的批评和理性视为“经典的”、故此不合理的，从而给那些想要拒绝理性、接受任何非理性思维方式的人予以无尽的安慰。结果，量子理论——物理学最深奥的发现——因支持几乎所有的神秘超自然学说而闻名。

不是每一个物理学家都接受哥本哈根诠释或它的派生学说。爱因斯坦就从来没有接受过。物理学家戴维·玻姆竭力构建一种与现实相容的替代方案，得出一个相当复杂的理论。我认为这是一个经过重重伪装的多重宇宙理论，虽然玻姆强烈反对这样看待该理论。1952年，薛定谔在都柏林进行一次讲座时诙谐地告诫听众说，他将要讲一些可能“看上去很疯狂”的东西。他说，当他的方程似乎在描述几个不同的历史时，这些历史“不是可供选择的事物，而是真正地在同时发生”。这是已知的有关多重宇宙的最早表述。

在这个事例里，一位杰出的物理学家开玩笑说，他可能被人当成疯子。因为什么？因为他声称自己的方程——正是这个方程使他赢得了诺贝尔奖——可能是真实的。

薛定谔从未发表过这次讲座的内容，似乎也没有进一步思考上述观点。五年后，物理学家休·埃弗雷特独立发表了一个全面的多重宇宙理论，现在被称为量子理论的埃弗雷特诠释。然而，几十年过去了，才有为数不多的物理学家注意到埃弗雷特的工作。即使是现在，虽然该诠释已经众所周知，也只有少数物理学家表示赞同。经常有人让我解释这个不寻常的现象。不幸的是，我也不知道什么完全令人满意的解释。但是，要明白为什么这一事件或许不像表面上那么离奇和孤立，必须考虑到坏哲学的广阔背景。

我们的知识中有错误是正常的，不是耻辱。错误的哲学也不是什么坏事。问题是不可避免的，但它们可以由寻求好解释并且具有想象力的批判性思维来解决。这是好哲学和好科学，两者都在某种程度上始终存在。例如，儿童学习语言的方式，总是就词语和现实之间的联系提出猜想，对猜想进行批评和检验，他们不可能以其他任何方式学会语言，我会在第16章解释。

坏哲学也始终存在。例如，大人总是对小孩说“因为是我说的”。虽然这句话并非总是被当作一种哲学立场，但值得当作哲学立场来分析一下，因为这简单的几个字包含了假且坏的哲学的许多主题。第一，它是一个坏解释的绝佳例子：它可以用来“解释”任何事物。第二，这句话成为坏解释的原因之一是，它只强调问题的形式而不管实质：关注话是谁说的，而不是他们说了什么内容。这与追求真理背道而驰。第三，它把一个对真正解释（为什么这些事情是这样的？）的索求重新诠释成对确证（是什么让你有权断言事情是这样的？）的索求，后者是一种确证信念的妄想。第四，它混淆了不存在的思想权威与人类权威（权力），后者是坏的政治哲学经常走的一条路。第五，它通过这种方式要求免受正常的批评。

启蒙运动之前的坏哲学通常是“因为是我说的”这种类型。启蒙运动解放了科学和哲学之后，它们都开始取得进步，好哲学越来越多。但离谱的是，坏哲学变得更坏了。

我前面说过，经验主义起初在思想史上起到过积极作用，它帮助抵抗传统的权威和教条，并给实验赋予科学中的核心地位（虽然这个地位是错误的）。经验主义不可能描述科学的运作方式，但这一点起初几乎毫无害处，因为谁都没有把经验主义当真。不管科学家说他们的发现从哪里来，他们都在热切地研究有趣的问题，猜想好解释，检验猜想，只有在最后才宣布他们通过实验得出了解释。底线在于他们成功了：他们取得了进步。没有什么东西阻止经验主义那无害的（自我）欺骗，人们从经验主义中也没有推断出什么东西。

不过，人们渐渐地的确开始把经验主义当真，它造成的坏影响也就越来越多。例如，在19世纪发展起来的实证主义学说，试图把一切不是“从观察中推演而来”的东西从科学理论中剔除。由于从观察中推演不出什么东西，实证主义者要消除些什么，完全取决于他们自己的心血来潮和直觉。这样偶尔也会带来好结果。例如，物理学恩斯特·马赫（马赫－曾德尔干涉仪发明者路德维希·马赫的父亲）也是一位实证主义哲学家，他影响了爱因斯坦，促使后者把未经检验的假设从物理学中消除，其中包括牛顿关于时间对所有观察者都以相同速度流动的假设。这碰巧是一个绝妙的主意。但马赫的实证主义也导致他反对由这个绝妙主意促成的相对论，主要是因为相对论声称，时空确实存在，虽然不能被“直接”观察到。马赫也坚决否认原子的存在，因为它们太小以致观察不到。我们现在笑话他的愚蠢——因为我们有了可以看到原子的显微镜——但哲学在其中所起的作用在当时就应该被笑话。

相反，物理学家玻尔兹曼用原子理论去统一热力学和力学时，受到马赫和其他实证主义者的诋毁，使他陷入绝望，这可能是他在潮流转向、大多数物理学分支摆脱马赫的影响之前自杀的原因之一。在那以后，再没有什么可以阻止原子物理学繁荣发展。爱因斯坦又幸运了一次，他很快拒绝了实证主义，坦率地为实在论辩护。这也是为什么他从来不接受哥本哈根诠释。我很好奇，假如爱因斯坦继续重视实证主义，他还能想到广义相对论吗？（在广义相对论里，时空不仅存在，而且是一个动态的、看不见的实体，在大质量物体的影响下屈曲和扭转。）时空理论会不会像量子理论那样骤然停止？

不幸的是，马赫之后的大多数科学哲学更加糟糕（波普尔是一个重要的例外）。在20世纪，反实在论在哲学家之中几乎成了普遍观念，在科学家之中也很常见。有些人甚至根本否认物理世界的存在，大多数人感觉不得不承认，就算物理世界存在，科学也无法触及。例如，哲学家托马斯·库恩在《反思对我的批评》中写道：

有（一步）是许多科学哲学家希望走但我拒绝走的。那就是，他们希望将［科学］理论比作对自然的陈述，即关于“现实中到底有什么”的陈述。

——拉卡托斯和艾伦·马斯格雷夫编，《批评和知识增长》（1979）

实证主义沦为逻辑实证主义，它认为不能通过观察验证的陈述不仅毫无价值，而且毫无意义。这一学说不仅威胁要扫除解释性的科学知识，而且要扫除整个哲学领域。特别是逻辑实证主义本身就是一种哲学理论，它也不能被观察验证，因此它声称自己（以及所有其他哲学）是无意义的。

逻辑实证主义者试图把他们的理论从上述推论中拯救出来（例如称该理论是“逻辑的”，有别于哲学的），但只是徒劳。然后维特根斯坦接受了这一推论，并宣布所有哲学都毫无意义，包括他自己的哲学在内。他提倡对哲学问题保持沉默，尽管他从未尝试实践这一志向。他被许多人誉为20世纪最伟大的天才之一。

人们可能认为这是哲学的低谷，但不幸的是，还有很大的堕落空间。在20世纪后半叶，主流哲学不再试图去理解科学实际上在做什么、应该怎么做，也不再有兴趣去理解。追随着维特根斯坦的脚步，有一段时间，哲学的主流学派是“语言哲学”，其主要信条是，看上去是哲学问题的东西，其实只是关于词语在日常生活中如何使用的困扰，哲学家能够进行的有意义的研究仅此而已。

然后，在一个发源于欧洲启蒙运动但传播到整个西方世界的相关趋势中，许多哲学家不再试图理解任何事物。他们不仅主动抨击解释和现实的观念，还抨击真理和理性的观念。如果只批评这些言论像逻辑实证主义一样自相矛盾（它们也确实如此），实在是太看得起它们了。因为逻辑实证主义者和维特根斯坦至少还有兴趣对什么有意义与什么没有意义进行区分，尽管他们推崇的区分方法错得无可救药。

有一个当前很有影响的哲学运动，它有各式各样的名称，诸如后现代主义、解构主义和构造主义，具体叫哪个名字取决于历史细节，在此并不重要。该运动声称，由于包括科学理论在内的所有思想观念都是猜想的、无法确证的，所以它们本质上都是武断的；它们仅仅是故事而已，在此背景下称为“叙事”。这种观点把极端文化相对主义与其他形式的反实在论糅杂在一起，认为客观真假、现实和关于现实的知识都只是话语的传统形式，表示某个特定人群（如精英或舆论）、某个潮流或其他武断的权威赞同某个思想观念。它认为科学和启蒙运动也只是这样一种潮流而已，科学所声称的客观知识只是傲慢的文化自负。

这些指责适用于后现代主义本身，这或许是不可避免的：后现代主义是一种拒绝理性批评或改善的叙事，正是因为它拒绝所有的批评、认为它们只是叙事。创建一个成功的后现代主义理论，实际上纯粹就是一个如何满足后现代主义者群体标准的问题，其标准已经变得非常复杂、排他、以权威为基础。这样的东西绝不适用于理性思考：创造一个好解释很困难，其原因并不在于谁决定了什么，而在于存在一种客观现实，它不符合任何人的预先期望，包括权威的期望。神话之类的坏解释的创造者确实是在编造，但寻求好解释的方法创造了一种与现实的关联，不仅在科学中是这样，在好哲学中也是这样——这正是为什么好哲学是有效的，以及为什么它与编造故事以满足既定标准是对立的。

虽然自20世纪末以来已经有了好转的迹象，但经验主义的一项遗产仍在继续造成混乱，为许多坏哲学打开了大门。这个观念认为，有可能把一个科学理论分割成能做出预测的经验法则和对于现实的主张（有时称为它的“诠释”）。这毫无道理，因为就像魔术一样，如果没有解释，就不可能辨别出经验法则应当用于什么样的情形。它在基础物理学方面尤其毫无道理，因为一个观察的预测结果本身就是一个未被观察的物理过程。

迄今许多科学都避免了这种分裂，包括物理学的绝大多数分支——虽然就像我说的那样，相对论可能是侥幸逃生。因此，比方说在古生物学里，我们在谈起千万年前恐龙的存在时，并不把这当成是“我们最好的化石理论的一个诠释”，而是声称这就是对化石的解释。而且不管怎样，进化论主要不是研究化石甚至恐龙，而是研究根本不会留下化石的基因。我们声称恐龙真的存在过，它们拥有基因，我们对这些基因的化学性质颇有了解，尽管对于同样的数据还有着无穷多可能的其他“诠释”，这些诠释能做出相同的预测，但认为既不曾有过恐龙也不曾有过它们的基因。

其中这样一个“诠释”是，恐龙只是一种说法，用来表达古生物学家盯着化石看产生的某些感觉。这些感觉是真实的，但恐龙不是真实的。或者是，假如恐龙真的存在过，我们也永远无法了解它们。后者是人们通过知识的确证信念理论陷入的诸多纠结之一，因为实际上我们现在就了解恐龙。于是还有一种“诠释”是，只有用古生物学家选定的方式从岩石中提取，并且用一种可与其他古生物学家交流的方式去体验，化石本身才会存在。这样的话，化石肯定不会比人类更古老。它们也不是恐龙的证据，而是那些观察行为的证据。或者可以说恐龙是真实的，但并非作为动物是真实的，而是作为不同的人对化石的体验之间的一套关系是真实的。因此可以推断出，恐龙与古生物学家没有明显差异，“经典语言”虽不可避免，但并不能表达两者之间那种难以言述的关系。从经验主义的角度，所有这些“诠释”都与化石的理性解释难以区分。但它们作为坏解释被排除了：它们全都是否认任何事物的万能手段，甚至可以用来否认薛定谔方程是真实的。

由于实际上不可能做出没有解释的预测，把解释从科学中排除的方法，只是一种使某人的解释免受批评的方法。让我来举一个关系较远的领域里的例子：心理学。

我曾经提到过行为主义，它是应用在心理学上的工具主义。它成为心理学领域几十年里的流行诠释，虽然现在已经很大程度上被否定了，但心理学研究仍然轻视解释，而支持刺激—反应的经验法则。因此，比方说，在进行行为学实验以衡量人类心理状态（如孤独或快乐）在多大程度上由基因编码（就像眼睛的颜色）或不由基因编码（就像出生日期）时，它被认为是一种好科学。现在，从解释的角度来看，这样的研究有一些根本上的问题。第一，我们怎样才能衡量不同的人对自身心理状态的评估是不是能用相同的单位度量？也就是说，一部分声称其快乐指数是8的人可能很不快乐，而且悲观得没法想象更好的事情。而有些声称其快乐指数只有3的人可能实际上比大多数人更快乐，但是陷于一种狂热之中，后者许诺，人们只要学会特定的颂扬方式，未来就会极其快乐。第二，如果我们发现有某个特定基因的人比没有这个基因的人更倾向于认为自己快乐，我们怎么能判断这个基因是不是编码了快乐的感觉？可能它编码的是在量化自己的快乐时更加不勉强。也许这个基因根本不影响大脑，只影响人的外貌，也许更漂亮的人平均起来更快乐，因为别人对他们更好。有无穷多可能的解释，但这种研究不是在寻求解释。

如果实验者试图消除主观的自我评估，而是通过行为（比如面部表情，或快乐地吹口哨的频繁程度）来观察人的快乐和不快乐，也不会有什么区别。行为与快乐之间的关系仍然涉及对主观诠释进行比较，而没有办法为此设立一个共同标准；但除此之外，还有另外一个层次的诠释：有些人相信，表现得“快乐”可以对不快乐进行补救，对这些人来说，这样的行为可能是一种不快乐的代理指标。

由于这些原因，没有什么行为学研究能检测出快乐是不是天生的。人们说到快乐时所指的客观属性是什么，什么样的物理事件链把基因同这些属性联系起来，在我们拥有与这些问题有关的解释性理论之前，科学解决不了快乐是否天生的问题。

那么，没有解释的科学怎样解决这个问题？首先，研究者解释说，他并不是在直接测量快乐，只是测量一个代理指标，比如在一个名为“快乐”的度量表上做记号的行为。所有的科学测量都会使用代理链。但是，正如我在第2章和第3章中所解释的，链条上的每个环节都是一个额外的错误来源，我们只能通过对每个环节的理论进行批评来避免自我欺骗，但如果没有一个解释性理论来把这些代理指标与我们感兴趣的量联系起来，就无法做到这一点。这就是为什么在真正的科学里，只有拥有了一个解释性理论，可以说明测量过程怎样以及为什么能揭示某个量的数值、精度如何，才能够声称测量了这个量。

某些情况下，确实有一个好解释能把代理（诸如做记号）与人们感兴趣的量联系起来，研究中就没有什么不科学的地方。例如，政府民意调查或许会询问调查对象，他们对于一位竞选连任的政客是否感到“高兴”。该做法的理论依据是，这能够反映选民在真正的选举中会做出什么样的选择。这个理论随即在选举中得到检验。对于快乐的研究，不存在类似的检验，因为没有办法对它进行独立测量。

另一个真实科学的例子，是对一种声称能缓解不快乐（特别是那些可以确认的不快乐）的药物进行临床试验。在这种情况下，研究的目标又是确定该药物是否能导致那些显示一个人更快乐（并且没有体验到不良副作用）的行为。如果一种药物通过了测试，它到底是真的让病人变得更快乐，还只是改变了他们的人格、使快乐的标准或类似的东西降低，这个问题是科学无法触及的，除非对于快乐是什么有了可检验的解释性理论。

在没有解释的科学中，研究者可能会承认，实际的快乐和测量的代理指标未必相等。但他仍然把这个代理指标称为“快乐”，然后继续研究。他选择了一大批人，表面上是随机选择的（但实际上限于一个小群体，比如某个特定国家里想要赚点外快的大学生），然后把其中有明显外在的快乐或不快乐因素（比如最近中了彩票，或者失去了亲人）的人排除掉。这样，他的研究对象就是“典型的人”，虽然在没有解释性理论的情况下没有办法判断这些人到底在统计上是否有代表性。接下来，研究者把一个性状的“可遗传性”定义为它与血缘关系的统计相关程度。这也是一个非解释性的定义：根据这个定义，一个人是不是奴隶在美洲是一个高度“可遗传”的性状，它是家族继承的。一般说来，研究者会承认统计相关性并不代表因果关系，但会加上归纳主义的含糊其辞“不过，这或许是暗示性的”。

于是，研究者进行了研究，比方说发现“快乐”有50%是可遗传的。在发现相关的解释性理论之前，该主张与快乐本身毫无关系（相关理论将在未来某个时候被发现，也许是在人类理解了意识、人工智能已经司空见惯之后）。但人们觉得结果很有趣，因为他们用“快乐”和“可遗传”等词语的日常意义去诠释研究结果。根据这种诠释（研究论文的作者们如果严密谨慎的话，是决不会赞成的），该结果对有关人类思想本性的许多哲学和科学争论具有重要意义。关于该发现的新闻报道会反映这种看法。新闻标题会说“新研究显示快乐一半由遗传决定”技术术语不带引号。

坏哲学将随之而来。假设现在有人敢于寻求对人类快乐的起源的解释性理论。他们猜想，快乐是一种持续解决个人问题的状态。不快乐是由此类尝试长期受挫导致。解决问题取决于知道怎样做，因此，撇开外部因素，不快乐是由于不知道怎样做导致的。（读者或许能看出，这是乐观主义原则的一个特例。）

研究的诠释者说，研究否认了这种快乐理论。他们说，至多有50%的不快乐是由不知道怎样做引起的。另外50%在我们能控制的范围之外是由遗传决定的，因此与我们知道什么或相信什么无关，有待相关遗传工程的发展。（把相同的逻辑用到奴隶的例子上，就有可能在1860年得出结论说，有95%的奴隶身份是由遗传决定的，因此超出了政治行动能够补救的范围。）

此刻——从“可遗传”迈向“遗传决定”的时候，没有解释的心理学研究把它那正确但不有趣的结果变成了某种非常令人兴奋的东西。因为它参与了一个重要的哲学问题（乐观主义）和一个科学问题（大脑如何产生感受性之类的精神状态）的讨论。不过，它是在对这些问题一无所知的情况下参与的。

但别着急，诠释者说。诚然，我们无法判断基因是不是编码快乐（或一部分快乐）。但谁在乎基因怎样产生效果——不管是让人长得漂亮还是其他？效果本身是真实的。

效果是真实的，但实验无法检测在没有遗传工程、只知道怎么做的情形下能对它做出多大的改变。这是因为，基因影响快乐的方式本身可能就依赖于知识。例如，一种文化的变化可能影响到人们对“漂亮”的看法，从而改变人们会不会因为拥有特定基因而倾向于更快乐。研究中没有什么东西能检测到这样的变化是否即将发生。同样，它也检测不出是否会有一天有人写出一本书，来说服一部分人认为所有的恶都源于缺乏知识，而知识是通过寻求好解释来创造的。如果这些人里面有一部分因此创造出更多知识，比他们在其他情况下创造的更多，并且变得比其他情况下更加快乐，那么所有以前的研究里那“由遗传决定”50%的快乐中，有一部分将不再是由遗传决定的。

这项研究的诠释者可能回应说，它已经证明不可能有这样的书！他们中间当然不会有人会写这么一本书或者这样一篇论文。所以，坏哲学会造成坏科学，扼杀知识的增长。注意，有一种形式的坏科学也许遵守科学方法的所有最佳实验——恰当的随机化、恰当的对照、恰当的统计分析，似乎遵守了所有“如何防止自我欺骗”的正式规则。然而它不可能取得进步，因为它没有在追求进步：无解释的理论只能巩固现有的坏解释。

在我描述的这个假想研究中，研究结果似乎支持悲观主义理论，这并不是偶然。一种预测人们（可能）将有多么快乐的理论，不可能考虑到知识创造的效果。因此，不管知识创造参与其中的程度有多少，这个理论都是预言，因此会偏向悲观主义。

人类心理学的行为主义研究，其本性决定了它必定通往把人类状态非人性化的理论。因为，拒绝把思想当作一个致使媒介来进行理论化，就等于认为把它当成一个不具非创造性的自动机。

行为主义方法在应用于一个实体是否有思想的问题时，也同样无用。我在第7章中谈到图灵测试时已经批评了这一点。对于动物思想的争议（例如狩猎或饲养动物是否合法），情况也是一样，此类争议源于一些哲学争议：动物是否会体验到与人类的恐惧、疼痛等类似的感受性；如果是的话，都有哪些动物。科学目前对这个问题基本没有涉猎，因为还没有关于感受性的解释性理论，也就无法用实验来检测感受性。但这并未阻止政府试图把这个政治上烫手的热山芋扔给实验科学去进行假定客观的裁决。因此，比方说，动物学家帕特里克·贝特森和伊丽莎白·布拉德肖在1997年受英国国民托管组织委托，判定被狩猎的雄鹿是否痛苦。他们的报告说雄鹿是痛苦的，因为狩猎使它们“压力极大……疲于奔命，非常痛苦”。然而这是在假设，“压力”、“痛苦”这些词所代表的可测量指标（例如血液中酶的水平）表明，存在着名称相同的感受性——这正是媒体和公众假设这项研究应该去发现的。次年，乡村联盟委托进行了同一问题的研究，由兽医生理学家罗杰·哈里斯主持，他得出结论说，这些指标的水平与人正在享受一项运动（如足球）而非受苦时的水平相似。贝特森（相当准确地）回应说，哈里斯的报告与他自己的并无冲突。但这是因为，这两项研究都与要讨论的问题全无关系。

这种无解释的科学只是把坏哲学伪装成科学，其作用是压制有关应该如何对待动物的哲学辩论，假装这个问题已经科学地解决了。实际上，科学对这个问题还无能为力，在发现关于感受性的解释性知识之前不会有办法。

无解释的科学抑制进步的另一种方式是放大错误。让我举一个古怪的例子。假设你受委托统计每天参观市博物馆的平均人数。这是一座拥有许多出入口的大型建筑，免费入场，所以一般不统计游客人数。你雇用了一些助手，他们不需要有任何特殊的知识或能力；事实上情况很快就会明了：他们的能力越低，得到的结果越好。

每天早晨，你的助手们站在门边的岗位上。只要有人从他们所守的门进入博物馆，就在纸上做个记号。博物馆关闭后，他们数出所有记号的总数，你把他们所有的计数加在一起。在一段特定时间里，你每天都这样做，取平均值，这就是你要给客户报告的数值。

然而，为了声称你的计数同博物馆的游客人数相等，你需要一些解释性理论。例如，你要假设你所观察的门确实是博物馆的入口，并且只通往博物馆。如果其中有一个门也能通向餐厅或博物馆商店，而你的客户不把只去这些地方的人算成是“博物馆的游客”，那你可能会出很大的错。还有博物馆工作人员的问题——他们是否也被视为游客呢？还有一些游客在同一天离去又返回，等等。所以，你需要一个相当复杂的解释性理论来说明客户所说的“博物馆的游客”是什么意思，然后才能制订出一个统计游客人数的办法。

假设你也数从博物馆出来的人的数量。如果你有一个解释性理论说，博物馆晚上总是空的，除了门之外没有进出博物馆的途径，游客从来不会被创造、销毁、拆分或合并等，就可以用出去的人数来验证进入的人数：你会预测，这两个数目应该相等。如果它们不相等，你会对计数的精确度有一个估量。这是好科学。事实上，你报告的结果如果不包含精确度评估，报告就毫无意义。但是，除非你有一个关于博物馆内部情况（你从未见过）的解释性理论，否则就不能用离开的人数或任何其他事物来估算你的误差。

现在，假设你在用无解释科学做你的研究，这实际上是指带有未经说明、未经批评的解释的科学，就像哥本哈根诠释实际上假设把依次进行的观察联系起来的只有一个未被观察的历史，那么你可能这样分析结果。每天用进入的人数减去离开的人数，如果结果不为零，那么——这是研究中的关键步骤——就把正的差值称为“人类自发创造计数”，负的差值称为“人类自发毁灭计数”。如果刚好是零，就称它“与传统物理学一致”。

你的计算和制表能力越是不足，就会越频繁地发现“与传统物理学不一致”。下一步，证明非零的结果（人类的自发创造或毁灭）与传统物理学不一致，把这个证明写在你的报告中，再加上一个妥协，说外星游客或许有能力利用我们不知道的物理现象。而且，在你的实验中，向另一个地点传送或从另一个地点瞬间传送，可能被误解成“毁灭”（不留痕迹）和“创造”（从稀薄的空气中），因此不能排除这类传送是导致异常的可能原因。

当报纸上出现“科学家称，在市博物馆可能观察到了瞬间传送”和“科学家证明，外星人绑架是真的”之类的大字标题时，你会温和地抗议说，你没有声称过这样的事情，你的结果不是结论性的，只是暗示性的，需要进行更多研究来确定这种令人费解的现象的机制。

你没有说错什么。数据由于包含错误的平凡手段而“与传统物理学不一致”，就像基因由于影响外貌之类的无数平凡手段“导致快乐”。你的论文没有指出这一点，并不表示这是假的。而且，就像我说过的，关键步骤包含定义，而定义只要一致就不会是假的。你把进入的人数多于离开的人数这样一种观察结果定义为人的“毁灭”。尽管这个词在日常语言中的意思是人在一阵烟雾中消失，但它在这项研究里不是这个意思。就你所知，他们有可能在一阵烟雾中消失，或者消失在看不见的宇宙飞船里，这将与你的数据一致。但你的论文并没有就此表明立场，完全只涉及观察结果。

所以，你最好不要把研究论文的题目写成“对人计数不当导致的错误”。这个标题在公关方面是一个失误，而且据无解释的科学来看，它甚至可能被认为是不科学的。因为它在观察数据的“诠释”上采取了立场，而数据并未提供任何相关证据。

在我看来，这只在表面上是一个科学实验。科学理论的实质是解释，任何不同寻常的科学实验，其设计方案的主要内容就是对错误的解释。

上面这个例子表明，实验的一个一般特征是，你出的错越大（不管是错在数字还是错在你对测量指标的命名和诠释上），结果就越激动人心，如果它们属实。因此，如果没有解释性理论所依赖的强有力的错误检测和纠正手段，就会导致不稳定性，使假结果驱逐真结果。在“困难科学”（通常是好科学）中，各种类型的错误导致的假结果很常见。但当它们的解释得到批评和检验时，错误就会被纠正。无解释的科学做不到这一点。

因此，只要科学家们允许自己停止要求好解释，只考虑预测是否准确，他们容易自我欺骗。这种方法使得几十年里连续有著名物理学家被魔术师欺骗，相信许多魔术是“灵异”手段完成的。

坏哲学不容易被好哲学（讨论和解释）驳倒，因为它使自己免受批驳。但它可以被进步驳倒。人们想要了解世界，不管他们否认得有多么大声。进步会使坏哲学更难让人相信。这不是用逻辑或经验来推翻的问题，而是解释的问题。如果马赫仍然在世，我预期他在通过显微镜看到原子的行为服从原子理论之后，就会接受原子的存在。逻辑上，他仍然可以说“我看到的不是原子，只是一个显示器。我只看到理论关于我的预测成为事实，而不是关于原子的预测”。但他会认识到这是一个万能的坏解释。他还可以说“很好，原子是存在的，但电子不存在”。但他很快就会厌倦这个游戏，如果有更好的游戏可玩的话——也就是说，如果取得快速进步的话。而且他很快就会认识到，这不是一场游戏。

坏哲学否认进步可能实现，否认进步值得追求，否认进步存在。进步是反对坏哲学的唯一有效途径。如果进步不能无限持续，坏哲学将不可避免地再次盛行——因为那样的话它就是真实的。

术语

坏哲学——主动阻止知识增长的哲学。

诠释——科学理论的解释部分，理应有别于其预测或仪器部分。

哥本哈根诠释——尼尔斯·玻尔的工具主义、人类中心主义和有意的模棱两可的结合，用来回避把量子理论理解成对事实的描述。

实证主义——一种坏哲学，认为一切不是“从观察中推演而来”的东西都应该从科学中剔除。

逻辑实证主义——一种坏哲学，认为不能由观察验证的主张是没有意义的。

“无穷的开始”在本章的意义

——拒绝坏哲学。

小结

启蒙运动之前，坏哲学占统治地位，好哲学是罕见的例外。随着启蒙运动的到来，有了越来越多的好哲学，但坏哲学变得更坏，从经验主义的后裔（仅仅是虚假的）到实证主义、逻辑实证主义、工具主义、维特根斯坦、语言哲学、“后现代主义”和相关的运动。

在科学领域里，坏哲学的主要影响通过这样一种观念来实现：把科学理论分割成（无解释的）预测和（武断的）诠释。这有助于把对人类思想和行为的非人类化解释合法化。在量子理论学中，坏哲学主要表现为哥本哈根诠释和它的许多变种，以及“闭嘴吧，计算就行了”诠释。这些诠释诉诸逻辑实证主义之类的学说来为系统性的模棱两可辩解，并使自身免受批评。

第13章 选择

1792年3月，乔治·华盛顿行使了美利坚合众国历史上第一次总统否决权。我怀疑你是否能猜到他和国会在吵什么，除非你已经知道了。他们争执的问题至今仍有争议。事后看来，人们可能觉得这个问题是不可避免的，因为就像我将要解释的那样，其根源在于有关人类选择的本质的深远误解，这种误解在今天依然很普遍。

从表面上看，这似乎只是个技术性问题：每个州在美国众议院里应该分配到多少个议席？它称为席位分配问题，因为美国宪法规定席位“在各州中……根据各自的数量［即它们的人口数］分配”。因此，如果你的州占美国人口的1%，它在众议院有权占1%的席位。这是为了实施代议制政府的原则——即立法机构应该代表人民。不过，这只是众议院的情况。（与此相反，美国参议院代表联盟的各州，因此每个州不论人口多少都有两名参议员。）

目前众议院有435个席位。如果占美国1%的人口生活在你的州，那么严格按比例分配时该州有权获得的众议员名额——称为其配额——将是4.35个。当配额不是整数时（理所当然，它们几乎就没有过是整数的时候），就要用某种方法对它进行舍入。这种办法被称为分配规则。“美国宪法”没有详细说明分配规则，把这些细节问题留给了国会，几个世纪的争议因此开始。

如果分配规则给一个州分配的席位与该州的配额相差不超过一整个席位，该规则就称作“与配额相符”。例如，如果一个州的配额是4.35个席位，为了“与配额相符”，规则应该给该州分配4个席位或5个席位。规则可以考虑各种各样的信息来在4与5之间做出选择，但如果它能给该州分配其他数目的席位，就称为“违反配额”。

当一个人第一次听说分配问题时，似乎能解决这个问题的妥协方案会毫不费力跳进脑海。每个人都问“为什么他们不干脆……？”我问的是：为什么他们不干脆把每个州的配额四舍五入成最近的整数？根据这样一条规则，4.35个席位的配额将舍入成为4个，4.6个席位舍入成5个。在我看来，由于这样的舍入绝不会增减超过半个席位，它将把每个州的席位数量保持在与其配额相差不到半个席位的范围内，做到“与配额相符”绰绰有余。

我错了：我的规则违反了配额。用它处理一个有10个席位的虚构众议院，就能看出这一点。假如有一个州的人口略低于总人口的85%，另外三个州每个都略高于5%。于是最大的州的配额略低于8.5，我的规则会把它舍入成8；三个小州每个州的配额略高于半个席位，我的规则把它舍入成1个。但现在我们分配了11个席位而不是10个。这本身没有什么要紧，国家要比原计划多养一名立法者而已。真正的问题在于，这一分配已经不具代表性：11的85%不是8.5，而是9.35。最大的州只有8个席位，比它的配额少了一整个席位还多。我的规则使得85%的人口未被充分代表。由于我们打算分配10个席位，确切的配额加起来必定等于10；但舍入之后的配额加起来等于11。如果众议院有11个席位，代议政制的原则以及宪法都要求每个州得到11个席位中公平的一份，而不是我们打算的10个席位中的份额。

又有许多“为什么他们不干脆……”的想法跳进脑海。为什么他们不干脆再设立3个席位并把它们分给大州，从而使整个分配与配额相符？（好奇的读者可以确认一下，实现这一目标至少需要3个额外的席位。）或者，为什么他们不干脆从其中一个小州拿出1个席位来给大州？也许应该从人口最少的那个州拿出来，使得受到不利影响的人最少。这不仅能使分配方案与配额相符，还能把总席位数目恢复成原定的10个。

这样的策略称为再分配方案，它们确实能做到与配额相符。那么，它们有什么问题？用这个主题的行话来说，答案是分配悖论——或者，用日常语言来说是不公平和不合理。

例如，我上面所说的最后一种分配计划是不公平的，它对人口最少的州的居民不利，让他们承担纠正舍入误差的全部成本。在这种情况下，他们受代表的程度被舍入成零。不过，在最小化与配额的偏差这个意义上，它几乎完全公平：此前，85%的人口在配额范围以外，现在所有的人口都在配额范围以内，95%的人口代表席位是与他们的配额最近的整数。确实有5%的人没有被代表——于是他们根本无法在国会选举中投票——但他们仍然处在配额范围内，实际上与准确配额的距离只是比原来远了一点点儿。（对于略高于0.5的配额，0和1与它几乎等距离。）然而，由于这5%的人完全被剥夺了公民权，大多数提倡代议制政府的人会认为这个结果的代表性比原来的方案低得多。

这必定意味着，“与配额的最小总偏差”不是衡量代表性的正确标准。但是正确的标准是什么？在对大多数人稍不公平与对少数人极其不公平之间，什么才是正确的权衡？美国的开国元勋们认识到，有关公平性或代表性的不同概念可能相互冲突。例如，他们为民主辩护的理由之一是，除非每个人都依法在立法者中间拥有一位权力平等的代表，否则政府就是不合法的。他们的口号“无代表，不纳税”表达了这种观点。他们的另一个愿望是取消特权，希望政府系统不带内置的偏见。这就要求按比例分配代表席位。由于这两个愿望可能相互冲突，宪法中有一项条款对此进行了明确裁决：“每个州至少有一名众议员。这就偏重“无代表，不纳税”意义上的代议制政府原则，胜过废除特权的代议制政府原则。

开国元勋们对代议制政府的论述中另一个经常出现的概念是“人民的意志”。政府应当体现人民的意志。但这是更多不一致的一个根源。因为在选举中，只有选民的意志算数，但并不是所有“人民”都是选民。在当时，选民只占很少一部分：只有21岁以上的男性公民。针对这一点，宪法里所指的“数目”包含一个州的全部人口，包括妇女、儿童、移民和奴隶等非选民。宪法试图以这种方式通过不平等地对待选民来平等地对待人口。

因此，对非选民比例比较高的州，其选民每人分配到的代表更多。这会产生一种很不妥的影响，那就是在选民已经在州内部拥有最高特权（即选民占特别少数）的州，他们现在又额外得到一项相对于其他州选民的特权：他们在国会分配到的代表更多。在奴隶主方面，这成为一个热点政治问题。为什么要给蓄奴的州在国会分配更多的政治影响力，与他们拥有的奴隶数量成正比？为了减少这一影响，人们达成妥协，在分配众议院议席时，把一名奴隶按五分之三个人计算。但就算这样，五分之三的不公平在很多人看来仍然是一种不公平。[1]在非法移民方面，同样的争论今天仍然存在，在分配议席时，他们也算作人口的一部分。因此，有着大量非法移民的州在国会得到更多席位，而其他的州就相应地吃亏了。

在1790年美国第一次人口普查之后，虽然新宪法要求按比例分配，但众议院议席是按一条违反配额的规则分配的。这条规则是由未来的总统托马斯·杰弗逊提出的，也对人口较多的州有利，使这些州的人均代表数量更多。因此，国会投票废除这条规则，代之以一条由杰弗逊的主要竞争对手亚历山大·汉密尔顿提出的规则，后者可以保证与配额相符，同时在州与州之间没有明显偏见。

这就是华盛顿总统否决的那项更改。他给出的原因很简单，就是这涉及再分配：他认为所有的再分配方案都是违宪的，因为他对“分配”这个词的解读就是用一个合适的数值因子来除，然后舍入，没有其他。不可避免地有人怀疑，其中真实原因是他像杰弗逊一样来自人口最多的弗吉尼亚州，该州在汉密尔顿的规则下会吃亏。

从那时起，美国国会一直在对分配规则进行争论和修补。杰弗逊的规则最终于1841年废止，代之以参议员丹尼尔·韦伯斯特提出的规则，该规则确实进行了再分配。它也违反配额，但违反的时候极少；而且它像汉密尔顿的规则一样，被认为对各州不偏不倚。

十年后，韦伯斯特的规则也被废止，汉密尔顿的规则取而代之。后者的支持者相信代议制政府原则现在得到了完全实施，也许还希望分配问题就此最终解决。但他们失望了。汉密尔顿的规则很快引起了比以往更多的争议，因为虽然它不偏不倚而且遵从比例，却开始产生一些看上去极其不妥的分配方案。例如，它对后来被称为人口悖论的现象非常敏感：一个自上次人口普查以来人口增长的州，可能会输掉一个席位给人口减少了的州。

那么，“为什么他们不干脆”设置新的席位，分配给那些因为人口悖论而输掉席位的州？他们这样做了，但不幸的是，这会导致分配超出配额范围。它还导致了另一个历史上重要的分配悖论：阿拉巴马悖论，即增加众议院的总席位导致某些州失去一个席位。

还有其他的悖论，它们未必是有偏见或不遵从比例方面的不公平。他们之所以被称为“悖论”，是因为一条显然很合理的规则导致一次分配与下一次分配之间发生了显然不合理的变化。这类变化实质上是随机的，源于舍入误差的变幻莫测，并非由任何偏见导致，并且长远来看会相互抵消。但长远的公平不能达到代议制政府的预定目标。完美的“长远的公平”甚至无须选举就能达成，只需要从全体选民中随机挑选立法者。但是，正如一枚硬币随机抛掷一百次的话不太可能刚好出现五十次正面和五十次反面，随机挑选的435位立法者实际上永远不会在任何情况下具有代表性：从统计学上看，与代表性之间的典型偏差将是八个席位。这些席位在各州之间的分配也将有很大浮动。我所描述的分配悖论会产生类似效果。

悖论涉及的席位通常很少，但它并不会因此而不重要。政治家们对此感到担心，是因为众议院投票中支持票数与反对票数往往非常接近。法案的通过与否决往往是由于一票之差，政治交易经常取决于个别代表加入这一派还是那一派。因此，分配悖论一旦导致政治分歧，人们就试图发明一条在数学上不可能导致这个特定悖论的规则。特定的悖论看起来总是让人觉得，只要“它们”做出某种简单改变就没事了。但悖论总体上有一种让人恼火的特性，不管人们怎样坚定地把它们从前门踢出去，它们马上就会从后门溜回来。

汉密尔顿的规则在1851年被采纳后，仍有很多人支持韦伯斯特的规则。因此，国会至少有两次试图用一种技巧来进行合理折中：调整众议院的议席数量，直到两条规则一致。这当然会让所有人都满意的！但结果是，1871年有一些州认为分配结果如此不公，随之而来的妥协法案如此混乱，以至于弄不清楚到底是根据哪条规则在分配，如果有规则的话。所实施的分配方案（包括在最后一刻没有明显理由就增设几个席位）既不符合汉密尔顿规则，也不符合韦伯斯特规则，许多人认为这是违宪的。

1871年之后的几十年，每次人口普查时都要么采用一条新的分配规则，要么对议席数量做出改变，希望能在不同的规则之间达成妥协。1921年根本没有进行分配，他们完全保留了上一次的分配方案（这种做法也可能违宪），因为国会无法就规则达成一致。

分配问题被多次提交到杰出的数学家手中，包括两次提交到国家科学院，每次这些权威们都给出不同的建议。然而，他们都不曾指责前辈们在数学方面有错误。这本应该让大家警醒，这个问题实在不是数学问题。每次专家们的建议得到落实，悖论和纠纷都会继续产生。

人口统计局在1901年发表了一份表格，对议席数量在350至400之间的每一个取值，都给出了汉密尔顿法则的分配方式。一种在分配中常见的算术上的怪现象，导致科罗拉多州总是得到3个席位，只有在总数为357席时得到2个席位。当时众议院分配委员会的主席（来自伊利诺伊州，我不知道他是否对科罗拉多州有任何意见）提出，议席数量可以改为357，并且使用汉密尔顿规则。这一提议遭到猜疑，最终国会拒绝了该提议，采用了386个议席以及韦伯斯特规则，该方案使科罗拉多获得了它那“公正的”的3个席位。但这种分配方案真的比运用汉密尔顿规则的357席方案更公正吗？用什么标准衡量？难道是在分配规则之间进行多数表决吗？

计算出大量不同分配规则的分配方案，给每个州分配大多数计划为该州分配的席位数，这到底有什么错？主要问题在于，这样做本身就是一条分配规则。同样，像他们在1871年那样试着把汉密尔顿规则和韦伯斯特规则结合起来，实际上就成了采用第三种计划。这样一个计划的好处是什么？组成它的每个计划设计出来都是为了实现某些可取的属性。一个并非为这些属性而设计的综合计划将不具备这些属性，除非巧合。因此，它未必会继承组成它的那些计划的优点。它会继承一些优点和一些缺点，还会有自己额外的优点和缺点——但如果它不是为了有益而设计出来的，它为什么要有益？

唱反调的人可能会问：如果在分配规则之间进行多数表决是个坏主意，为什么在选民之间进行多数表决是个好主意？在有些方面——比方说科学上使用多数表决，会带来灾难性的后果。占星家的人数比天文学家多，相信“灵异”现象的人经常指出，宣称看到此类现象的人比大多数科学实验的见证人数量要多得多。于是他们要求按比例决定可信程度。然而科学拒绝这样评判证据：它固守好解释的标准。那么，如果采用“民主”原则对科学来说是错的，为什么对政治来说就是对的？难道只是像丘吉尔说的那样，“在这个罪恶和苦难的世界上，人们尝试了并且还将尝试许多形式的政府。没有人假装民主是完美的或完全明智的。实际上曾有人说过，民主是最坏的政府形式，除了所有那些已经被不时尝试过的其他形式之外。”这确实是一个充分理由。但另外还有令人信服的正面原因，它们也与解释有关，我在下面会解释。

政治家们有时为分配悖论极端有悖常理感到非常困惑，以至于沦落到指责数学本身。得克萨斯州的众议员罗杰·Q.米尔斯在1882年抱怨道：“我以为……数学是一门神圣的科学。我以为数学是唯一与灵感对话、其表达万无一失的科学，［但是］现在有一个数学系统，它显示真理是虚假的。”1901年，席位受到阿拉巴马悖论威胁的缅因州众议员约翰·E.李德菲尔德说：“当数学向缅因州伸手要把她打倒的时候，求上帝帮助缅因州。”

事实上，不存在数学“灵感”之类的东西（灵感指数学知识来自一个不会犯错的来源，传统上是上帝）：就像我在第8章解释的那样，我们的数学知识并非不会出错。但如果米尔斯众议员是指数学家是社会上对于公平的最佳裁判，或者某种程度上应该是最佳裁判，那他就完全弄错了。[2]美国国家科学院1948年向国会报告的小组里，有一位成员是数学家兼物理学家约翰·冯·诺伊曼。小组确定，由统计学家约瑟夫·阿德纳·希尔发明的一条规则（该规则至今仍在使用）在各州之间最为不偏不倚。但后来数学家迈克尔·巴林斯基和佩顿·杨得出结论说，这条规则对小州有利。这再次说明，不同的“公平”标准偏向于不同的分配规则，到底哪一种标准才是正确的，不能由数学来决定。事实上，如果米尔斯众议员的本意是带讽刺意味地抱怨一下，实际上是说不公平不可能仅由数学产生，也不可能仅由数学解决，那他倒是正确的。

然而，有一个数学发现永远改变了分配争论的本质。我们现在知道，一条分配规则既想按比例分配又想不产生悖论，这样的追求永远不会成功。巴林斯基和杨在1975年证明了这一点。

巴林斯基和杨的定理

每个与配额相符的分配规则都会遭遇人口悖论。

这个强大的“不可行”定理解释了历史上解决分配问题的一长串失败。不管有多少其他条件看起来对一条分配规则的公平性至关重要，都没有哪一条分配规则能满足按比例分配并避免人口悖论的基本要求。巴林斯基和杨还证明了涉及其他经典悖论的不可行定理。

这项成果的背景比分配问题广阔得多。在20世纪，特别是第二次世界大战之后，大多数主要政治运动达成一种共识，即人类未来的福祉将取决于更多地在社会范围内（最好是全世界范围内）进行计划和决策。西方的这个共识不同于对应的极权主义观念，区别在于其预期目的是满足公民个人的喜好。因此，西方提倡社会范围决策的人被迫面对一个极权主义者不会遇到的根本问题：当社会作为一个整体面临选择、公民对于不同备选方案的偏好不同时，哪个方案对社会来说是最好的选择？如果人们意见一致，就不成问题——但也就不需要规划者了。如果人们意见不一致，哪个方案可以合理地说成是“人民的意愿”——是社会“想要”的方案？这又引发第二个问题：社会应该怎样组织其决策，使得它确实会选中“想要”的方案？这两个问题从现代民主的开端就一直存在，至少是隐含地存在。例如，美国独立宣言和美国宪法都谈到了“人民”做某些事的权利。这些问题现在成了数学博弈论中一个称为社会选择理论的分支的核心问题。

博弈论从前是数学的一个不起眼并且多少有些古怪的分支，这下子突然窜到人类事务的中心，就像曾经的火箭技术和核物理学那样。包括冯·诺伊曼在内的许多世界最优秀的数学头脑一起来应对这样一个挑战：对博弈论进行发展，以满足正在设立的无数集体决策体系的需求。他们将开发新的数学工具，在已知社会中所有个人的意愿或需求的情形下，提炼出社会“想要”做什么，实现“人民的意愿”这一抱负。他们还将确定，什么样的投票和立法系统能使社会得到它想要的东西。

他们取得了一些有趣的数学发现，但其中极少（如果有的话）能满足以上愿望。相反，各种“不可行”定理（类似巴林斯基和杨的定理）一再证明，社会选择理论背后的假设是不连贯而且不一致的。

因此，消耗了立法者们无数时间、精力和热情的分配问题，原来只是冰山之一角。这个问题完全不像表面上那么狭隘。例如，立法机构越大，舍入误差就成比例地越小。那么他们为什么不干脆把立法机构弄得非常大——比如说有1万名成员，这样一来所有的舍入误差都无足轻重？理由之一是，这样一个立法机构将在内部进行组织才能做出决策。立法机构内部的派系必须选择自己的领导人、政策、战略等。这样，社会选择的所有问题都会在一个党派、在立法机构内部的团队“小社会”里出现。而且，问题不仅关系到人们的首要偏好：一旦我们考虑大型团体的决策细节（立法机构、党派、党派内部的派系怎样组织自身，使他们的愿望体现在“社会的愿望”中），就必须考虑到他们的第二和第三选择。然而，设计时考虑到这些因素的选举系统，无一例外会产生更多的悖论和不可行理论。

最早的不可行定理中，有一条是经济学家肯尼思·阿罗在1951年证明的，这为他赢得了1972年的诺贝尔经济学奖。阿罗的定理看起来否认社会选择的存在，并打击代议制政府的原则、分配、民主本身，还有许多其他的东西。

阿罗所做的工作是这样的。他首先提出5个基本公理，是任何定义“人民的意愿”（团体的偏好）的规则都必须满足的，并且这些公理第一眼看上去十分合理，简直不值得说出来。其中一条是，规则必须只用一个团体的成员的偏好来定义该团体的偏好。另一条是，规则不能在不考虑其他人想要什么的情况下把某个特定人员的观点指定为“团体的偏好”，这称为“不要独裁者”公理。第三条是，如果团体成员对某件事意见一致，即他们全都对它有着相同的偏好，那么规则必须认为该团体也有这样的偏好。在这种情况下，上述三条公理都是在表达代议制政府的原则。

阿罗的第四条公理是这样的：假设根据一个给定的“团体偏好”定义，规则认为该团体有一个特定的偏好，比方说喜欢比萨饼胜过汉堡包。于是它还必须认为，如果某些此前与团体不一致（即更喜欢汉堡包）的成员改变了主意、现在更喜欢比萨饼，则该偏好仍是团体的偏好。这个约束类似于排除人口悖论。一个团体如果朝着与成员意见相反的方向改变“主意”，就是不合理的。

最后一条公理是，如果团体有某种偏好，然后部分成员对别的事情改变主意，那么规则必须继续认为团体保有原来的偏好。例如，如果某些成员改变了他们在草莓与树莓之间的偏好，但是没有改变自己在比萨饼和汉堡包之间的偏好，那么喜欢比萨饼胜过汉堡包的团体偏好也不应该改变。这个约束也可以看作合理性问题：如果团体成员都不改变他们对特定比较的意见，则团体对该问题的意见也不能改变。

阿罗证明了，我上面列出的几条公理虽然表面上合理，逻辑上却互相不一致。没有哪种途径能构想出满足全部5条公理的“人民的意愿”。这甚至可以说是在比巴林斯基和杨的定理更深的层面上打击了社会选择理论背后的假设。首先，阿罗的公理不是针对明显狭隘的分配问题，而是针对所有我们希望构想有偏好的团体的情形。其次，所有5条公理直观上都不仅仅是一个系统做到公平所必需的，也是使系统合理所必需的。然而它们不一致。

由此似乎可以推断出，一群共同决策的人必定会有这样那样的不合理。也许独裁，也许受某种武断规则支配。或者，如果它满足所有3个代表性条件，则必定有时会朝着批评和说服无法起作用的方向改变“主意”。于是它将做出悖理的选择，不管对其偏好进行阐释和实施的人可能有多么明智和充满善意——除非也许其中有一个人是独裁者（见下文）。因此，没有“人民的意志”这回事。没有办法把“社会”当成有着自我一致的偏好的决策者。这完全不是人们料想社会选择理论会回报给世界的结论。

对于分配问题，有人企图用“为什么他们不干脆……”的想法去修补阿罗的定理的隐含意义。例如，为什么不考虑人们的偏好有多强？因为，如果有略微超过一半的选民在X和Y之间没有多大偏好，而剩下的人认为必须是Y且此事生死攸关，那么大多数代议制政府的直观想法是把Y指定为“人民的意志”。但就像快乐一样，偏好的强度极其难以定义，更不用说测量，特别是不同人之间的强度差异，或同一个人在不同时候的强度差异。而且，不管怎样，把这些东西包括进去也不会有什么区别，还是会有不可行定理。

对于分配问题，看起来只要用一种方式给某决策系统打一个补丁，它就会通过另一种方式变得矛盾。许多决策体系有一个更严重的问题，那就是它们会刺激参与者对其偏好说谎。例如，如果有两个备选方案，你略微偏爱其中一个，就有动机去把你的偏好说成是“强烈”。也许市民的责任感会阻止你这样做，但一个由市民责任感调节的决策系统会有这样的缺陷：对那些缺乏市民责任感、愿意说谎的人的意见给予比例不相称的权重。另外，在一个人人都对别人充分了解、很难说这种谎的社会里，不可能进行有效的秘密投票，系统就会对那些最有能力威逼摇摆分子的派系给予比例不相称的权重。

一个常年存在争议的社会选择问题，是怎样设计一个选举制度。这样一个制度在数学上与分配计划相似，但它不是以人口为基础把席位分配给各州，而是以票数为基础把席位分配给候选人（或党派）。然而，它比分配计划更矛盾，有更严重的后果，因为在选举中，说服的元素对整个过程至关重要：选举就是为了确定哪些选民被说服了。（相反，分配并不是各州试图说服人们从其他的州迁移过来。）因此，选举制度可以对社会的批评传统做出贡献，也可能起到抑制作用。

例如，一个选举制度中，如果席位全部或部分按各党派所得票数的比例分配，该制度就称为“成比例代表”制度。我们从巴林斯基和杨的理论中知道，如果一个选举制度过于依赖比例，它将出现类似于人口悖论及其他的悖论。实际上，政治学家彼得·库里尔德—科利加德研究了丹麦的最近8次（根据其成比例代表制度进行的）大选，发现每一次都产生了悖论。其中包括“更偏爱更少席位悖论”，大多数选民偏爱X党胜过Y党，但Y党却得到比X党更多的席位。

这还只是成比例代表的诸多不合理属性中最小的一种。还有一个更重要的不合理属性，就算是最温和的成比例制度也会有，那就是它们会在立法机构中给第三大党派分配不成比例的权力，经常对更小的党派也这样做。问题是这么来的：（不管在什么制度下）单一政党得到总体多数票的情况很罕见。因此，如果投票在立法机构中得到成比例的反映，那么除非一些党派合作通过法案，否则就没有法案可以通过；除非一些党派结成联盟，否则也无法组成政府。有时最大的两个党勉强达成合作，但最常见的结果是第三大党的领导人掌握着“权力的平衡”，决定了两个最大党派中的哪一个能够进入政府，哪一个要靠边站，时间多长。这意味着，全体选民相应地更难决定哪个党派应该下台、哪些政策应当废止。

在1949年至1998年间的德国，自由民主党（FDP）是第三大党。[3]虽然它从未得到过超过12.8%的选票，而且通常要少得多，但成比例代表系统使它拥有了不易受选民意见变化影响的权力。有几次的情形是，在选择两个最大的政党谁该执政时，自由民主党两次改变了立场，三次选择了让两者之中不太受欢迎（根据选票衡量）的那个政党上台。作为联盟协议的一部分，自由民主党的领导人通常在内阁中担任部长，这使得德国在这段时期的最后29年时间里只有两个星期的外交大臣不是自由民主党成员。1998年，自由民主党被绿党挤到第四大党的位置时，它立刻被赶出政府，绿党接替了拥立者的位置，并同样掌握了外交部。成比例代表体制给予第三大党这样不成比例的权力，对一个全部目的是按比例分配政治影响并理当以此为其道德合理性所在的体制来说，是一个极为尴尬的特征。

阿罗的定理不仅适用于集体决策，而且也适用于个人决策，如下所述。试想，一个理性的人需要在几个选项中选择一个。如果这个决策需要思考，那每个选项必定有一个相关的解释（至少是暂定的解释），说明它为什么可能是最好的。选择一个选项，就是选择它的解释，那么怎样决定采纳哪个解释呢？

常识说，选择的方式是对不同解释进行“衡量”——或对它们在主张中提出的证据进行衡量。这是一个古老的比喻。自古以来，正义女神的形象就是手持一杆秤。最近，归纳主义把同样的模式套在科学思考上，说科学理论是根据对它们有利的“证据分量”选择出来、得到确证和相信的，有时甚至是据此事先创造出来的。

考虑一下假定中的衡量过程。每一个证据，包括每一种感觉、偏见、价值、公理和论证等，依据它在当事人头脑中的“分量”，对这个人在不同解释之间的“偏好”做出相应的贡献。因此，对于阿罗的定理，每一个证据都可视作一个参与决策过程的“个体”，总体上的人就是“团体”。

现在，在不同解释之间进行裁决的过程，如果要合理，就必须满足一定的约束条件。例如，如果人在确定了某个选项最好之后，得到了给该选项增加分量的进一步证据，那么这个人的总体偏好仍然应该是这个选项，依此类推。阿罗的定理说这些要求互相不一致，因而似乎暗示着所有的决策——所有的思考——必定都是不合理的。除非也许有某个内部因素是独裁者，能够凌驾于所有其他因素的综合意见之上。但这是一个无穷回归：对于最好压倒哪些因素，“独裁者”本身怎样才能在相关的不同解释中做出选择？

这样的整个传统决策模型有些地方错得离谱，对于社会选择理论假设的个人决策和群体决策都是如此。它把决策当成是根据固定公式（例如分配规则或选举制度）在现有选项中做出选择的过程。但事实是，只有在决策的最后阶段——不需要创造性思维的阶段才是这样的。用爱迪生的比喻来说，这个模型只涉及汗水阶段，没有认识到决策是解决问题，如果没有灵感阶段，就什么也不能解决，也没有什么东西可供选择。决策的核心是创造新的选项，摒弃或修改现有选项。

要合理地选择一个选项，其实是选择相关的解释。因此，合理的决策所包含的不是对证据进行权衡，而是在解释世界的过程中对证据进行解释。人把主张作为解释而非确证来评判，有创造性地做这件事，使用猜想，接受各种批评的锤炼。好解释的性质——难以改变——决定了好解释只有一个。人在创造出好解释之后，就不会再受其他替代方案的诱惑。这些替代方案并不是在分量上被超过，而是被驳倒、推翻、舍弃。人在进行创造性过程时，不是在无数差不多一样好的不同解释中竭力进行区分，通常需要费力的过程只是创造一个好解释，一旦成功，就可以很高兴地摆脱其他解释。

通过权衡来进行决策的理念有时会导致另一种错误观念，认为问题可以通过权衡来解决，尤其是对于不同解释的支持者之间的纠纷，可以通过对他们的提议进行加权平均来解决。但事实是，一个好解释很难在不失去解释能力的前提下发生改变，因而很难与对立的解释混合：对两个解释进行折中，往往比其中任意一个更糟。把两个解释混合在一起创造出一个更好的解释，需要额外的创造性行动。这就是为什么好解释是离散的（即由坏解释相互分隔开），也是为什么在对解释进行选择时，我们面临的是离散的选项。

在复杂决策中，创造性阶段后面往往跟着一个机械的汗水阶段，用来敲定解释的细节，这些细节本来不是难以改变的，但可以通过非创造性的方法变得难以改变。例如，当客户询问一座摩天大楼在特定限制条件下可以建多高时，建筑师并不仅仅是根据公式算出这个数字来。决策过程可能以这样的计算结束，但开始阶段是创造性的，始于构思怎样用新设计最好地满足客户的优先考虑及限制条件。在此之前，客户必须创造性地决定，这些优先考虑和限制条件应该是什么样的。在这个过程开始时，他们还不清楚自己最终将告知建筑师的所有偏好。同样，选民可能会查看不同政党的政策，甚至可能会为每个问题设一个“权重”来代表其重要性，但在此之前，人必须先思考自己的政治哲学，对于不同的问题按自己的政治哲学来说有多重要、不同政党对这些问题可能采取哪些政策等，给出让自己满意的解释。

社会选择理论考虑的“决策”类型，是根据已知、固定、一致的偏好，对已知、固定的选项做出选择。典型例子是一个选民在投票站的选择，不是选择偏向哪位候选人，而是选择在哪个框框里打钩。正如我解释过的，对人类的决策来说，这是一个相当不合适也不准确的模型。事实上，选民是在解释之间选择，而不是框框之间选择。而且，虽然很少有选民会通过亲自参选来影响框框，但所有理性的选民都会对他们个人应该选择哪个框框创造自己的解释。

所以，决策过程并非必定要承受这些天然的不合理——不是因为阿罗的定理或任何其他不可行定理有什么错，而是因为社会选择理论本身是以关于思考和决策由什么组成的错误假设为基础的。这正是芝诺的错误，错误地把一个它将其命名为决策的抽象过程当成了有着同样名称的现实过程。

同样，阿罗定理的“独裁者”未必是一般意义上的独裁者。他只是一个代理，社会的决策规则给予他单独做出一项决策、无视其他人偏好的权力。因此，每条需要个人赞同的法律（例如反对强奸或反对非自愿手术的法律）都建立了阿罗定理的技术意义上的某种“独裁”。每个人都是自己身体的独裁者。反对盗窃的法律建立一种对个人财产的独裁。根据自由选举的定义，每个选民都是支配自己选票的独裁者。阿罗定理本身假设，所有参与者都单独控制着他们对决策过程的贡献。更普遍地说，合理决策（诸如思想自由、言论自由、容忍异见、个体自决）最重要的条件，全都需要阿罗的数学意义上的“独裁”。他选择这个术语是可以理解的，但这与那种你批评政府就会有秘密警察半夜找上门的独裁毫无关系。

几乎所有的评论者在回应这些悖论和不可行定理时都用了一个错误的而且很说明问题的方式：他们对此感到遗憾。这显示了我所指的混乱。他们希望这些纯数学定理是错的。他们抱怨说，要是数学允许，我们人类本可以建立一个能做出合理决策的公平社会。但是由于不可能做到，我们剩下能做的只有决定哪些不公平和不合理是我们最喜欢的，把它们供奉在法律里。韦伯斯特写道，分配问题“虽然做不到完美，也必须用尽可能接近完美的方式去进行。如果事物的本质决定了做不到完全准确，也应该采用最接近准确的可行办法”。

但什么样的“完美”会是一个逻辑矛盾？逻辑矛盾就是无稽之谈。真理比这更简单：如果你对于公正的概念与逻辑或合理的需求冲突，那么它是不公正的。如果你对于合理的概念与一条数学定理（或者，在这种情况下是许多定理）冲突，那你的合理概念就是不合理的。顽固地坚持逻辑上不可能的价值，不仅必定会在永远也得不到这些价值的狭义意义上招致失败，还会迫使人放弃乐观主义（“所有的恶都是缺乏知识导致的”），从而剥夺人取得进步的手段。盼望某种逻辑上不可能的东西，标志着有更好的东西值得盼望。而且，如果我在第8章中的猜想是正确的，一个不可能实现的愿望最终也是无趣的。

我们需要一些更好的东西用来盼望，一些不会与逻辑、理性或进步不相容的东西。我们已经见过它。它是政治体系能够持续取得进步的基本条件：波普尔的标准，要求系统能够不用暴力就废除坏政策、罢免坏政府。这就要求放弃把“应该由谁来统治”作为一个评价政治体系的标准。关于分配原则和社会选择理论中所有其他问题的全部争议，传统上都被相关人等放在“应该由谁来统治”的框架里：每个州或每个党应该拥有的正确席位数量是多少？团体（假定它有权支配其子团体和个人）“想要”什么？什么样的制度能使团体获得它“想要”的东西？

因此，让我们用波普尔的标准来重新考虑集体决策。我们不去认真思考那些不证自明但互相不一致的公平、代表性等标准里哪些最不证自明从而可以确立，而是对这些标准以及其他实际或假想的政治体制进行评价，评价依据是它们促进废除坏政策、罢免坏政府的能力。为了做到这一点，它们必须实现对统治者、政策和政治体制本身进行和平的批评性讨论的传统。

说民主过程只是一种询问人们的意见、弄清应该由谁来统治或实施什么政策的方法，任何这样的诠释按前述观点来看都没有抓住事情的要点。选举在一个理性社会里所起的作用，不同于询问先知或祭司、服从国王的命令在早先的社会里所起的作用。民主决策的实质不在于系统在选举过程中做出的选择，而在于在历次选举之间创造出的思想观念。有许多体制的功能是允许对这样的思想观念进行创造、检验、修改和舍弃，选举只是其中之一。他们试图解释世界从而改善世界，在此过程中容易犯错。在个体和群体层面上，他们都在追求真理，或说如果他们是理性的，就应当追求真理。而且，对于这个问题确实存在着一个客观真理。问题是可以解决的。社会不是一场零和博弈：启蒙运动文明发展到今天的程度，并不是靠对财富、选票或其他起初存在争议的东西进行聪明的分配而取得的，而是靠无中生有地创造。特别是，选民在选举过程中所做的事，并不是合成一个超级人类即“社会”的决策。他们选择下一步要进行什么样的试验，以及（原则上）哪些试验应该舍弃，因为不再有解释可以说明它们为何最好。政治家和他们的政策就是这些试验。

当一个人用阿罗定理之类的不可行定理去模拟真实决策时，必须相当不切实际地假定，团体中的决策者没有人能说服其他人改变偏好，或者创造出更容易达成共识的偏好。现实情况是，不管是偏好还是选项，在决策过程结束时都无须与过程开始时相同。

为什么他们不干脆……通过在决策的数学模型中加入解释和说服等创造性过程来修补社会选择理论？因为人们不知道怎样对创造性过程建立模型。这样一个模型本身就会是一个创造性过程：人工智能。

各种社会选择问题中设想的“公平”条件是类似经验主义的错误观念，它们谈的全都是决策过程的输入——谁参与，他们的意见怎样整合形成“团体偏好”。理性分析应该改而重点关注规则和体制怎样有助于去除坏政策和坏统治者、创造新方案。

有时这样的分析的确支持一个传统要求，至少是部分支持。例如，团体中的任何成员都不应在代表性方面拥有特权或被剥夺权利，这一点的确很重要。但这并不表示所有的成员都能对答案做出贡献。原因是这样的差别对待会在系统中面对潜在的批评巩固一个偏好。在新决策中把所有人偏爱的政策或其中一部分都包括进去，是毫无意义的。进步需要的是把经不起批评的观念排除掉，防止它们被巩固，并促进新观念的创造。

人们为成比例代表制辩护时经常使用的一个理由是，它会带来联合政府和妥协的政策。但是妥协（各贡献者的政策的混合）不应该享有这么高的声誉。虽然妥协肯定比直接的暴力要强，但正如我解释过的，它们一般都是坏政策。如果谁也不认为一个政策会有效，那它为什么要有效？但这还不是最糟糕的。妥协政策的关键缺陷是，如果这么一个政策得到实施然后失败了，谁也不会从中学到什么，因为本来就没有人同意过这个政策。所以，妥协政府掩护了那些确实至少看上去对某些派系有利的潜在解释，使其免于被批评和舍弃。

在大多数采用英国政治传统的国家里，用来选择立法机构成员的体制是，国家的每个区域（或“选区”）在立法机构中都有一个席位，该席位属于该区域获得最多选票的候选人。这称为多数投票制（“多数”表示“最多票数”），经常也称为“胜者通吃”制，因为第二名什么都得不到，也不会举行第二轮投票（而其他选举制度为了增强结果的比例性，通常都会考虑这两项）。在多数投票制下，与所得选票比例相比，两个最大的政党通常会得到“过度代表”。而且，它并不能保证避免人口悖论，甚至能在一个党派得票总数高得多的情况下让另一个党派上台。

这些特点经常被人当作论据来反对多数投票制而赞成一种更成比例的体制，不管是字面意义的成比例代表，还是其他能够使选民在立法机构里的代表更成比例的制度，诸如可转让投票制或决胜选举制。然而，根据波普尔的标准，鉴于多数投票制能更有效地去除坏政府和坏政策，这些弱点都微不足道。

让我更明确地追溯一下这种机制的优势。经过一次多数投票选举，通常的结果是得票最多的党派在立法机构中总体上占多数，从而得以单独掌权，所有其他竞选失败的党派都被排除在权力之外。这种情况在成比例代表制度下很罕见，因为旧联盟里的某些党派通常也是新联盟所必需的。所以，多数投票制度的逻辑是，政治家和政党如果不能说服相当一部分人口投票支持他们，就没有机会获得权力。这刺激所有的政党都去寻找更好的解释，或者至少是去说服更多的人接受他们现有的解释，因为一旦失败，他们在下次大选中就会被扔到一边，毫无权力。

在多数投票制中，胜出的解释得以接受批评和检验，因为它们在实施时无须与反对议程中的最重要主张进行混合。同样，获胜的政治家也要单独为他们做出的选择负责，因而如果事后这些选择被认为是错的，他们就没找借口的余地了。如果到下次大选的时候，他们对选民的说服力不如从前，那不管怎样，通常都不会有达成交易把他们留在台上的余地。

在成比例体制下，民意的微小变化很少能有什么价值，权力可以轻松地朝与民意相反的方向转移。在权力变化中，最重要的是第三大党派领导人的意见。这不仅保护了这位领导人，还保护了大多数在任的政治家和政策，使他们不会因投票而被免去权力。他们失去权力的原因往往是失去党派内部的支持，或者党派之间的联盟发生改变。在这个方面，该体制按波普标准来说完全不及格。在多数投票体制下，就是另外一种情形了。选区选举的胜者通吃特性，以及由此导致的小党派代表程度低，使得整个结果对民意的微小变化很敏感。如果民意稍微偏离执政党，通常就会使它面临完全失去权力的实在危险。

在成比例体制下，存在很强的动机使系统特有的不公平保持下去，甚至随时间推移而变得更严重。例如，如果一个小派别从一个大党中背叛出来，其政策得到实施的机会，可能会比支持者留在原来的政党里时更高。这导致立法机构中小党派林立，反过来又增强了对联盟的需求，包括与小党派的联盟，从而进一步扩大了它们本来就不成比例的权力。在有着世界上最成比例的选举制度的国家——以色列，上述效应已经非常严重，以至于在作者写下本文时，就算最大的两个政党加起来也无法形成整体上的多数。这个系统牺牲了所有其他考虑，专门为比例的公平性着想，然而就算比例本身也不是总能实现：在1992年大选中，右翼政府总体获得了多数选票，但左翼政党获得了多数席位。（这是因为，连一个席位都没有拿到的边缘小党大多是右翼党派。）

相比之下，多数投票体制的纠错属性倾向于避免系统在理论上可能遭遇的悖论，并且能在悖论出现时迅速使其消失，因为所有刺激都朝着与悖论相反的方向。例如，在1926年的加拿大马尼托巴省，保守党获得了比任何其他党都多一倍以上的选票，却没有获得该省分配到的17个席位中的任何一个。结果，该党也失去了在全国议会中的权力，尽管它在全国范围内获得的票数也最多。但是，就算是在这样一个罕见、极端的情况下，两个主要党派在议会中的代表不成比例的程度也没有那么大：平均说来，自由党选民在议会中获得的代表人数，是保守党选民的1.31倍。然后呢？在下一次大选中，保守党再次在全国范围内获得最多选票，但这一次使它在议会里掌握了总体多数。它的选票增幅是全体选民的3%，但代表程度增幅是所有席位的17%，使它的席位份额重回到大致符合比例的状态，并且非常成功地满足了波普尔的标准。

出现这种情况，部分是由于多数投票制的另一个有益特性，那就是选举结果通常差异很小，不仅是票数相差很小，而且政府所有成员都面临着被赶下台的严重威胁。在成比例体制中，选举很少出现以上任一种情况。如果席位数量第三的党派不管怎样都可以把第二大党推上执政党的位置，从而达成一个完全没有人投票赞成过的妥协平台，那为什么要给得票最多的党派分配最多的席位？多数投票制几乎总是会产生这样的情况：投票的微小变化就能在谁组建政府方面产生相对较大的变化（朝着相同方向变化！）。体制越是成比例，所得的政府及其政策因投票而改变的敏感度就越低。

不幸的是，有些政治现象可以比坏选举制度更严重地违背波普尔的标准——例如，根深蒂固的种族划分或各种政治暴力的传统。因此，我无意使有关选举制度的上述讨论成为对多数投票制的全面背书，把它当成唯一真正的民主体制、适合所有情况下的所有政体。在有些情况下，连民主本身都是不切实际的。但在有着启蒙运动传统的先进政治文化里，知识的创造是而且应该是最重要的，认为代议制政府取决于在立法机构成比例代表的观念则毫无疑义地是个错误。

美国政府体制要求参议院以与众议院不同的方式进行代表，每个州的代表程度等同，为的是彰显这样一个事实：每个州都是一个独立政治实体，有着自己独特的政治和法律传统。每个州都有权在参议院拥有两个席位，无论人口多少。由于美国各州人口数差别很大（目前人口最多的加利福尼亚州比人口最少的怀俄明州多将近70倍的人口），参议院的分配规则造成了相对于人口比例的巨大偏差，比众议院激烈争论过的偏差还要大得多。然而历史上，选举结束后，很少出现参议院和众议院由不同党派控制的情况。这意味着，在这个巨大的分配和选举过程中发生的事远远不止是“代表”——立法机构忠实地反映人口分布。情况是不是多数投票体制促成的问题解决方式，在于通过说服持续改变选民的选项，以及他们在各选项中的偏好？而且观点和偏好是趋同的（尽管在表面上不是），这不是指分歧更少（因为解决方案会带来新的问题），而是指创造出共享程度更高的知识。

在科学上，如果一个团体里的科学家一开始有不同的希望和期待，持续就各种相互竞争的理论进行争辩，逐渐在稳定的一连串问题上达成近乎一致（不过一直还有分歧），我们不会感到惊讶。这并不奇怪，因为在这种情况下，有观察到的事实可以用来检验他们的理论。他们在任何特定问题上趋同，都是因为他们都在趋近客观真理。政治上的习惯是对出现的这类趋同进行冷嘲热讽。

但是这是一种悲观看法。在整个西方，有许多哲学知识眼下几乎被所有人看作理所当然，比方说奴隶制是可憎的，妇女应有外出工作的自由，尸体解剖应该是合法的，军队中的晋升不应该取决于肤色，但它们在仅仅几十年前还极具争议，最初被看作理所当然的是与此相反的观点。一个追求真理的成功体制致力于达成广泛的一致或接近一致，也就是民意不会产生决策理论悖论、“人民的意志”有意义的状态。因此，相关各方逐渐消除其立场中的错误、趋向客观真理，使得随时间推移趋于广泛一致成为可能。在满足波普尔标准的同时促进这一过程，比两个相互竞争、支持率接近的党派谁能赢得某次特定的大选更加重要。

关于分配的问题也是一样。自从美国宪法颁布以来，关于“代议制”政府意味着什么的流行概念发生了巨大的变化。例如，承认女性的投票权使选民的数量翻了一倍，并隐含地承认，在此前的每一次选举中，有一半的人口被剥夺了选举权，另一半人口则得到了相对于公平代表来说的过度代表。从数值上看，这种不公平使得几个世纪以来消耗了大量政治精力的席位分配不公都相形见绌。但这是因为，政治体制、美国人民和总体上的西方人民虽然在为了州与州之间几个百分点的代表程度变化吵得不可开交，但也在争论中促成这些重大改善。他们也变得没有争议了。

分配制度、选举制度和其他人类合作体制，很大程度上是设计或演化出来对付日常争议的，为的是在大家对于什么最好的看法存在极大分歧的情况下，拼凑出不用暴力的行事方法。其中最好的方法不仅实施了，还取得了成功，原因是采取了有巨大延伸范围的解决方案（经常是无意中做到的）。因此，应对当前争议变得只是一种达成结果的手段。在民主体制中服从多数，目的应该是在未来接近一致，通过鼓励相关各方抛弃坏的思想观念、猜想更好的思想观念来达成。创造性地改变选项，允许人们在现实生活中以不可行定理认为不可能的方式进行合作，并从根本上允许独立的头脑进行选择。

人们对知识主体的增长达成一致，并不意味着争论终结。相反，人类的不一致永远不会比现在更少，这是一件大好事。如果那些体制确实像看上去那样满足人们的期望，使变得更好成为可能，那么总体而言，随着我们从错误观念走向更好的错误观念，人类生活就能够无限改善。

术语

代议制政府——一种政府体制，立法机构的组成或意见反映着人民的组成或意见。

社会选择理论——研究怎样用社会成员的愿意来确定“社会的愿望”、什么样的社会体制能使社会实现其意愿，这样的学问称为社会选择理论。

波普尔标准——良好的政治体制是使以下行动尽可能容易的体制：检测出统治者或政策是否错误，在它们确实错误时不使用暴力就将其去除。

“无穷的开始”在本章的意义

——涉及创造新选项而不是对现有选项进行权衡的选择。

——符合波普尔标准的政治体制。

小结

把选择和决策过程想象成按照固定公式在现有选项中进行选择，是一种错误的做法。这忽略了决策的最重要元素，即创造新的选项。良好的政策是很难改变的，因此互相冲突的政策是离散的，不能随意混合。正如理性思维不仅包括对相互竞争的理论的理由进行权衡，还要使用猜想和批评来寻求最佳解释，所以，联合政府不是选举制度的可取目标。选举制度应通过波普尔标准来评价，评价依据是去除坏统治者和坏政策的容易程度。这表明，在先进的政治文化中多数投票制度是好的。

[1] 这条规则经常被错误诠释成，它体现了奴隶怎样被视作比完全的人低等。但它与这个问题完全无关。当时人们确实广泛认为黑人比白人低等，但这条特定措施设计出来是为了削弱蓄奴州的权力（与把奴隶与其他所有人同等看待时的情形相比）。——原注

[2] 当然应该是物理学家。——原注

[3] 为当前目的，我把基督教民主联盟（CDU）和地方性的拜仁基督教社会联盟（CSU）算成一个党。——原注

第14章 花儿为什么美丽

我的女儿朱丽叶，当时六岁……指着路边的一些鲜花。我问她对野花有何看法。她给出了一个深思熟虑的回答。“有两点，”她说，“为了让世界美丽，并且帮助蜜蜂为我们做蜂蜜。”我被她的回答感动了，但是对不起，我不得不告诉她，事实并非如此。

——理查德·道金斯，《攀登不可能之山》（1996）

“只要换掉一个音符，就会削弱曲子的美感。要是换掉其中的一段，整个乐曲结构就坍塌了。”这是1979年彼得·谢弗的戏剧《上帝的宠儿》中对莫扎特音乐的描述。这让人想起本书开篇惠勒谈到期待中的基础物理学统一理论时所说的：“一种理念，如此简单，如此美丽，以至于当我们……领悟它时，全都会互相说，哪里还会有其他可能呢？”

谢弗和惠勒描述的是同一种属性：很难在保持效用的同时发生改变。在第一种情况下它是审美上的好音乐的属性，第二种情况下是科学上的好解释的属性。而且惠勒在谈到科学理论难于改变的同时，还谈到它是美丽的。

科学理论很难改变，是因为它们与客观真理密切对应，后者独立于我们的文化、个人喜好和生物构造。但是，是什么让彼得·谢弗认为，莫扎特的音乐很难改变？我觉得，艺术家和非艺术家之中流行的观点是，艺术标准不存在客观性。俗话说，情人眼里出西施。“这是个口味问题”被当成“这件事没有客观真理”的另一种说法。根据这种观点，艺术标准只不过是时尚、其他文化偶然事件、个人的一时兴起或生物偏好的产物。许多人愿意承认，在科学和数学中，一个想法可能比另一个想法更加客观真实（虽然就像我们看到的那样，有些人连这一点也要否认），但其中多数人坚持认为，不存在一个东西在客观上比另一个更美的情况。数学有它的证明（理论上是这样），科学有它的实验检验。但你如果选择相信莫扎特是一个笨拙而且刺耳难听的作曲家，不管是逻辑还是实验，或者任何其他客观事物，都不会反驳你。

然而，因为这种理由而否定客观的美存在的可能性将是一个错误，因为这只是我在第9章中讨论过的经验主义的遗物，即声称一般意义上的哲学知识不可能存在的断言。确实，人没有办法从科学理论中推导出道德准则，同样也不能推导出审美价值。但这并不妨碍审美真理通过解释与物理事实连接在一起，就像道德真理一样。惠勒在那段引文中，几乎就是在宣告这个连接的存在。

事实可以用来批评美学理论，正如它们可以用来批评道德理论。例如，有一种批评说，因为大多数艺术依赖于人类感官的狭隘属性（诸如能感受到哪个范围内的色彩和声音），它们不可能获得任何客观的东西。感官能接收无线电波但无法接收可见光或声波的外星人，其艺术将是我们无法了解的，反之亦然。对这种批评的答复可能是，首先，或许我们的艺术只摸到了可能存在的艺术形式的皮毛，确实很狭隘，但它们是对某种通用事物的初步近似。其次，地球上耳聋的作曲家曾经创造和欣赏伟大的音乐作品，凭什么耳聋的外星人（或者生来耳聋的人类）就不能学会做同样的事——或许只能通过下载一套耳聋作曲家审美理论到他们的脑子里？再次，用射电望远镜研究类星体物理学，与使用人造感官（植入大脑以创造出新的感受性）欣赏外星艺术，两者有什么区别？

经验也可以提供艺术方面的问题。我们的祖先拥有眼睛和颜料，这可能导致他们思考怎样使用颜料可以看起来更漂亮。

正如布伦诺斯基指出的，科学发现取决于对特定道德价值观的承诺，这是否可能还意味着欣赏特定形式的美？深刻的真理往往是美的，这是一个事实，它经常被提及，但很少有人去解释。数学家和理论科学家们把这种形式的美称为“优雅”。优雅是解释中的美。它不是多么好或多么真的代称，而是一个解释。诗人约翰·济慈的断言（我认为有讽刺意味）“美即是真，真即是美”[1]被进化论学者赫胥黎所说的“科学的大悲剧——一个美丽的假说被一个丑陋的事实屠杀[2]——不断地在哲学家眼皮底下发生着”所推翻。（他说“哲学家”其实是指“科学家”。）我觉得赫胥黎把这个过程称为大悲剧也有讽刺意味，特别是因为它指的是自然发生论被推翻。不过，有些重要的数学证明和科学定理确实远远谈不上优雅。然而，真理确实经常是优雅的，以至于优雅至少可以作为寻找基本真理时的一个有益启发。当一个“美丽的假说”被屠杀时，它的命运往往不会像自然发生说那样，而是更有可能被一个更美丽的假说所取代。这当然不是巧合，而是自然的一种规律性，它必定有一个解释。

科学和艺术的过程可以看上去相当不同：一个新的艺术创作很少证明一个老的艺术创作是错的；艺术家很少用显微镜观看舞台，或通过方程了解雕塑。然而，科学创造和艺术创作有时确实看起来非常相似。理查德·费曼曾经说过，理论物理学家需要的设备只是一叠纸、一支铅笔和一个废纸篓，有些艺术家工作时的样子酷似这一画面。在打字机发明之前，小说家用的是与这完全相同的设备。

作曲家（如贝多芬）苦苦思索、改了又改，显然是在追求某种他们知道正等着创造出来的东西，显然是要力争达到一个只有经过大量创造性努力和大量失败才能满足的标准。科学家们做的事往往也是一样。在科学和艺术领域都有些特殊的创造者，比如莫扎特和数学家拉马努金，据说他们没有经过任何这样的努力就做出了杰出贡献。但是，就我们对知识创造的了解来看，我们不得不得出结论认为，在这些事例中，努力和失误确实都发生过，只不过是发生在他们的脑子里，别人看不见。

这些相似之处是否只是表面现象？贝多芬认为他废纸篓里的乐谱有错误、比他最终将要发表的乐谱要差的时候，是不是在欺骗自己？他是不是仅仅在满足文化的武断标准，就像20世纪的妇女每年仔细调整她们的裙摆以符合最新的时装潮流？或者是，像这样说真的有意义——贝多芬和莫扎特的音乐远远高于他们石器时代的祖先们敲打猛犸象骨头的音乐，就像拉马努金的数学远远高于符号标记的数学？

贝多芬和莫扎特努力想要达到的标准也更好，这是不是一个错觉？是不是不存在所谓的更好？是不是只有“我知道我喜欢什么”，或者传统或权威认为的好？或者是基因让我们倾向于喜欢什么？心理学家渡边茂发现，麻雀更喜欢和谐的音乐而不喜欢不和谐的音乐。人类的艺术鉴赏能力是不是仅此而已？

所有这些理论都假设（很少或完全没有论证），对于每个逻辑上可能的审美标准，都有可能存在比方说一种文化，其中的人会享受符合这个标准的艺术，并被它深切地感动。或者可能存在一种遗传的倾向性，有着同样的特征。但是，如果说只有非常特别的审美标准才可能最终成为任何一种文化的规范，或者成为某些创造新艺术风格的伟大艺术家用毕生时间追求的目标，岂不是听起来有理得多？人们认为自己在改进某个传统时，其实是在做什么，（关于艺术或道德的）文化相对主义对这个问题解释起来非常困难，这种情形相当普遍。

再有就是工具主义的等价说法：艺术是否只不过是为了达到非艺术目的的一种手段？例如，艺术创作可以提供信息——一幅画可以描绘出某些东西，一段音乐可以代表一种情感，但它们的美主要不在内容里，而是在形式中。例如，图14-1是一幅无聊的照片。

图14-1 照片1

图14-2是内容几乎相同的另一幅照片。

图14-2 照片2

但这幅就有更高的审美价值。可以看出，第二幅照片是有人动过脑筋的结果。在构图、取景、裁剪、用光、聚焦等方面，它都有着由摄影师进行设计的表象。但这个设计是为什么呢？与佩利的手表不同，它似乎没有什么功能——只是好像比第一张照片更美。但这有什么意义呢？

美有一个可能的工具性目的，就是吸引。一个美丽的事物能够吸引欣赏它的美的人。（对给定观众的）吸引力可以是功能性的，是一个现实的、可进行科学测量的量。艺术品可以导致人们向它移动，在这个意义上，它在字面意义上有着吸引力。画廊的参观者可以在看到一幅画之后久久不愿离去，后来还被这画幅吸引再次来到画廊。人们可能为了听一场音乐会而赶很远的路——等等。如果你看到一幅自己喜欢的艺术作品，这意味着你想详细研究它、关注它，为的是更好地欣赏它。如果你是一个艺术家，在创作一件艺术作品的过程中，看到里面有些东西是你想表达的，那么你是在被一种从未体验过的美所吸引。你在被一件你尚未创作出来的艺术品中的想法所吸引。

并非所有的吸引力都与美学有关。当你失去平衡从一根木头上掉下来，那是因为我们都被地球所吸引。这似乎只是拿“吸引力”这个词在玩文字游戏：地球对我们的吸引力不是因为美学欣赏，而是因为物理规律，它对艺术家的影响不会比对土豚多些。红色交通灯可能会导致我们停下来盯着它看，只要它还是红色的。但是，这也不是艺术欣赏，尽管是吸引力。它是机械的。

但是，进行足够详细的分析时，一切都是机械的。物理规律统治一切。那么是不是可以得出结论说，美没有其他的客观意义，只是“我们通过大脑中的过程，从而通过物理规律被其吸引”的东西？不能，因为这样说的话，物理世界也会在客观上不存在，因为物理规律决定了科学家或数学家想要把什么称为真实的。然而，如果不谈及数学的客观真理，就无法解释数学家做了什么——或者霍夫施塔特的多米诺骨牌做了什么。

新的艺术同新的科学发现一样是不可预测的。这是随机的不可预测，还是更深刻的、知识创造的不可知？换句话说，艺术是不是像科学和数学一样，真的具有创造性？这个问题通常是倒过来问的，因为关于创造性的想法由于各种错误观念还比较混乱。经验主义把科学当成是自动的、非创造性的过程。而艺术虽然被承认有“创意”，但经常被视为科学的对立面，因而是非理性的、随机的、不可解释的——从而是不可评判的、非客观的。但是，如果美确实是客观的，那么一个新的艺术作品就像一条新发现的自然规律或数学定理，为这个世界添加了一些不可削减的新东西。

我们盯着红灯看，因为这样做能使我们尽可能地减少延迟，继续我们的旅程。动物可能被其他的动物所吸引，为的是与它交配，或者吃掉它。一旦掠食者咬下了第一口，就会被吸引着再咬另一口——除非食物的口味不好使它退却。这是实实在在的口味问题。这种口味的确是由物理规律以化学规律和生化规律的形式导致的。我们可以猜测，对于因此引发的行为，没有比动物学层次更高的解释，因为这种行为是可预测的，如果不是重复的就是随机的。

艺术并不包含重复。但人类的口味中可能有真正的新意，因为我们是通用解释者，不会简单地服从基因。例如，人类的行事方式经常与可能合理根植于基因中的任何偏好都相反。人们禁食——有时是为了审美原因。人们的行为千差万别，或出于宗教原因，或出于许多其他原因，如哲学或科学上的原因，实用或异想天开的原因。我们天生厌恶待在很高的地方或者跌落下来，然而人们会去玩跳伞——并非不顾这种感觉，而正是因为这种感觉。对这种天生的厌恶感，人们可以把它重新诠释成一幅更大的、有吸引力的图景——他们想要更多这种感觉，想更深入地欣赏它。对跳伞者来说，从我们天生会畏缩的高处看到的景象是美的。整个跳伞活动是美的，其中一部分美正是那种进化出来阻止我们尝试跳伞的感觉。不可避免的结论是：那种吸引力不是天生的，就像一个新发现的物理规律或数学定理的内容不是天生的一样。

难道它是纯文化的？我们追求美，也追求真，两种情形下我们都有可能被欺骗。我们觉得一张脸很美，也许是因为它确实很美，也许仅仅是出于我们的基因与文化的组合效果。一只甲虫被另一只甲虫吸引，你和我可能都觉得另外那只甲虫丑得可怕，但如果你是一名昆虫学家，就不会这么看。人们可以学着去把许多东西看成美的或丑的。但是，人们同样也可以学着把假的科学理论看成真的，或者把真的科学理论看成假的，而客观的科学真理确实存在。所以，这仍然没有告诉我们，有没有客观的美。

现在来看，花朵为什么是这样的形状（见图14-3）？因为相关基因进化出来，使花朵对昆虫有吸引力。基因为什么要这样做？因为昆虫拜访花朵时会粘上花粉，然后把花粉带到同一物种的其他花朵上，花粉DNA中的基因就此向四面八方传播。这是如今大多数开花植物仍然在使用的繁殖机制：在昆虫出现之前，地球上没有花。但这套机制之所以能运作，是因为昆虫同时进化出了受花朵吸引的基因。为什么它们会这样？因为花能提供花蜜作为昆虫的食物。就像协调同一物种内雄性与雌性交配行为的基因会协同进化，产生花朵、赋予它们形状和色彩的基因，也与昆虫体内负责识别花蜜最好的花朵的基因协同进化。

图14-3 花朵

在生物协同进化期间，就像在艺术史中一样，标准在演变，而且满足这些标准的手段也一起在演变。正是这些东西使花拥有如何吸引昆虫的知识，并使昆虫拥有如何识别这些花的知识，以及飞向这些花的习性。但令人惊讶的是，这些花同样也吸引人类。

这个事实太熟悉了，以至于人们很难看到它是多么惊人。但是想想自然界中无数丑得可怕的动物，想想其中那些通过视力找到配偶的都进化得认为那种外表有吸引力。我们不被它们吸引，这一点并不奇怪。掠食者和猎物之间存在一种类似的协同进化，只不过是竞争的而非合作的：每一方都有着进化出来识别对方并使其奔向或逃离对方的基因，而另一方则有着进化出来使其身体在相应背景中很难分辨的基因。这就是为什么老虎的身上有条纹。

偶尔也会碰巧出现这样的情况：在某一物种内进化出的狭隘的吸引力标准产生了一些我们也觉得美的东西，孔雀的尾羽就是一个例子。但这是一种罕见的异常情况。关于什么东西有吸引力，我们与绝大多数物种都没有相同的标准。但对花——大多数的花——来说，我们有相同的标准。有时一片树叶甚至一个水洼也可以是美的，但这种情况同样非常罕见。而花的吸引力总是可靠的。

这是自然界的另一种规律性。对此的解释是什么？为什么花是美丽的？

考虑到科学界（它仍然很经验主义和还原主义）流行的假设，这样说似乎有理：花并不是客观美丽的，它们的吸引力仅仅是一种文化现象。但我觉得经不起推敲。我们对自己从未见过的花、我们的文化从来不知道的花也会觉得美丽，并且对大多数文化里的大多数人来说都是这样。而植物的根或树叶对我们就没有同样的吸引力。为什么只有花才有呢？

花与昆虫的协同进化中的一个不寻常之处是，它涉及创造一套复杂的代码或语言，用来在物种之间传递信息。这种代码必须复杂，因为基因面临着一个很困难的沟通问题。一方面，代码要容易被合适的昆虫识别；另一方面，代码必须很难被其他物种的花复制，因为如果其他物种能够让同样的昆虫给自己传粉，而无须为其提供需要耗费能量才能生产的花蜜，它们就会拥有选择优势。所以，昆虫里面进化的标准必须有足够的辨别力，能选中正确的花而不是粗糙的模仿；花朵的设计必须不能容易由其他开花物种进化出来使昆虫误认。因此，这两种标准以及达到标准的手段，都必定是难以改变的。

当基因在物种内部面临类似问题时，特别是在选择配偶的标准和特点的协同进化中，它们已有一大批共享的遗传知识可以利用。例如，在此类协同进化出现之前，基因组已经包含了识别同一物种其他成员、察觉其特定属性的适应性。而且，配偶寻求的属性起初可能在客观上是有用的，例如长颈鹿脖子的长度。关于长颈鹿脖子进化的一个理论是，它起初是进食方面的一种适应性，但随后通过性别选择继续进化。然而，在关系很远的物种之间，没有此类共享知识可以用来跨越鸿沟。它们必须从零开始。

因此，我的猜测是，要跨越这么大的鸿沟用难以造假的模式发出信号、由难以模仿的算法来识别，做到这一点最容易的方法，就是使用美的客观标准。因此，花朵必须创造客观的美，而昆虫必须识别客观的美。于是，唯一能被花朵吸引的物种，就是协同进化出来识别花朵的昆虫——还有人类。

如果的确是这样，就意味着道金斯的女儿关于花儿的看法终究有一部分是正确的。它们的存在的确是为了让世界更美；或者，至少美不是意外产生的副作用，而是花儿特地进化得要拥有的东西。并不是有谁特意要让世界更美，而是因为最擅长复制的基因依赖于体现客观的美来使自身得到复制。例如，蜂蜜的情况就非常不一样。花朵和蜜蜂之所以很容易制造蜂蜜（成分是糖水），蜂蜜的味道之所以对人类和昆虫一样有吸引力，是因为我们确实共同拥有一种遗产，它可以追溯到我们的共同祖先以及更早的时候，包含了与糖的许多用途以及认识糖的手段有关的许多生物化学知识。

情况会不会是人类觉得花朵或艺术有吸引力的地方确实是客观的，但并不是客观的美？也许它是某种更平凡的东西，就像对鲜艳的色彩、强烈的对比度、对称的形状的喜爱。人们似乎天生喜欢对称。据认为对称是性吸引力的因素之一，还可能有助于帮我们在物理上和概念上对环境中的物体进行分类和整理。因此，这种天生倾向的副作用之一，可能就是喜欢刚好鲜艳又对称的花朵。然而，有些花是白色的（至少在我们看来是白色，它们可能有着我们看不见但昆虫能看见的颜色），但我们仍然觉得它们的形状很美。所有的花都在一定程度上与其背景形成对比（这是用于传递信号的一个先决条件），但浴缸里的一只蜘蛛与背景的对比更强烈，人们并不普遍认为这样的景象是美的。至于对称，蜘蛛也很对称，有些花朵（如兰花）很不对称，但我们不会认为兰花不如蜘蛛有吸引力。所以，我不觉得对称、色彩和对比度是我们看到花朵觉得美丽的全部原因。

这种客观性有一个翻版，那就是自然界中还有一些东西在我们看来是美的，这些东西既不是人类创造力的成果，也不是跨越鸿沟的协同进化的结果，例如夜空、瀑布、日落。花的情况难道不一样？但情况确实不一样。那些东西可能看上去有吸引力，但它们并没有设计表象。它们的情况不像佩利的手表，而像是用太阳来计时。如果不提及计时功能，就无法解释手表为什么是那个样子，因为如果它做得略有不同，无法用来计时。但是正如我所说的，就算太阳系发生改变，太阳仍然可以用来计时。同样，佩利可能觉得一块石头看上去很有吸引力，也许会把它带回家当成一个观赏性的镇纸来用。但他不会坐下来写一本专著，论述任何细节改变会怎样使这块石头失去镇纸的功能，因为本来就不会这样。对夜空、瀑布和几乎所有其他的自然现象也是同理。但花朵确实有着追求美丽的设计表象：如果它们看起来像叶子或根，就会失去它们通用的吸引力，甚至去掉一个花瓣都会降低它的吸引力。

我们知道手表的设计是为了什么，但不知道美丽的设计是为了什么。我们面临的情形就像是，考古学家在一座古墓里发现了一些未知语言的铭文，它们看起来像文字，而不仅是墙壁上毫无意义的痕迹。这有可能是个误解，但它们看起来像是有意刻在那里的。花与此类似，它们看起来像是为了我们称为“美”的目的而进化成这样的，我们可以（不完美地）识别美，但对其性质知之甚少。

在以上讨论的启发下，关于花对人类有吸引力的现象，以及我提到的其他零碎证据，我只能看到一个解释。那就是，我们所说的美分为两种类型。其一是狭隘的类型，局限于一个物种、一种文化或一个个体。另一种与以上全都无关，它是通用的，像物理规律一样客观。创造其中任何一种美都需要知识，但创造第二种美需要有着通用延伸范围的知识。它延伸到各个方面，从花的基因组（它有着竞争性授粉的问题）到人类的头脑（它能把由上述方式产生的花当作艺术来欣赏）。没有什么伟大的艺术——人类的艺术家要比这强得多，这是可以预料的。但它有着难以伪造的、追求美的设计表象。

那么，如果人类没有经历过类似的协同进化，为什么会欣赏客观的美？在某个层面上答案很简单，那就是我们是通用解释者，能创造出与任何事物有关的知识。但是我们为什么要特地创造出美学知识？这是因为我们确实与花朵和昆虫面临着同样的问题。跨越两个人之间的鸿沟传递信号，与跨越两个物种之间的鸿沟传递信号是类似的。以知识内容和创新的独立性而论，一个人就像是一个物种。对任何其他物种而言，其所有个体都有着几乎相同的基因编码，根据同样的标准采取行动和被吸引。人类则截然不同，一个人的头脑里的信息量，比任一物种基因组里的信息量还要多，更是远远多于一个人独有的遗传信息。因此人类艺术家是在跨越人与人之间的鸿沟传递信息，这种鸿沟与花朵和昆虫之间的物种鸿沟有着同样大的尺度。他们可以用一些物种特有的标准，但也能实现客观的美。对我们其他所有的知识来说，情况也完全相同：我们能通过由基因或文化决定的预设信息与其他人交流，也可以发明新东西。对于后一种情况，要起到交流的作用，我们最好努力超越狭隘去追求通用真理。或许这也是人类开始超越狭隘追求通用真理的最可能原因。

我觉得，根据该理论可以必然推导出一个有趣的结论：人类的外貌由于受到性别选择的影响，在满足物种特有的美丽标准之余，也满足了客观的美丽标准。在这条路上我们可能还没有走多远，因为我们与猿分家只有几十万年，在外貌上与猿的差别不是很大。但我猜想，等到人类更了解美，就会发现人类与猿的外貌差异中，绝大多数都是朝着使人在客观上比猿更美的方向发展。

两种类型的美，通常被创造出来解决两种类型的问题，可以分别称为纯粹的问题和应用的问题。应用类型的问题是传递信息，通常由创造出狭隘类型的美来解决。人类也有这类问题：例如，计算机的图形用户界面，主要是为了促进该计算机的使用舒适性和效率而创造出来的。有时候，一首诗或一首歌也是为了同样的实用目的而写出来的：增强一个文化的凝聚力，推进一项政治目的，甚至宣传一种饮料。同样，这种目的有时也可以通过创造客观的美来达成，但通常用的是狭隘的美，因为创造起来比较容易。

另外一种类型的问题，即纯粹的问题是，在生物学中没有可以类比的事物，它是为了美本身而创造美，包括设立更高的美丽标准，如新的艺术标准或风格。这与纯科学研究类似。这样的科研所需要的头脑与这样的艺术所需要的头脑在本质上是同一种，两者都是在追求能用的客观真理。

我相信，以上两者都在通过寻求好解释来追求通用的客观真理。在涉及故事的艺术形式——也就是小说中，情况尤其如此。正如我在第11章中所提到的，一个好故事对它描绘的虚构事件有一个好解释。但这一点适用于所有的艺术形式。对某些艺术形式，特别难用语言对一件特定艺术作品的美进行解释，就算人们知道这个解释是什么也是一样，因为相关知识本身就无法用语言表达——它是模糊的。还没有人知道怎样把音乐解释翻译成自然语言。然而如果一段音乐有着“只要换掉一个音符就会削弱曲子的美感”的特性，它就有一个解释，作曲家知道这个解释，欣赏这段音乐的听众也知道。总有一天，它能用言语表达出来。

这与科学和数学之间的差异也没有表面上看起来那么大：诗歌与数学或物理有着同一种属性，那就是它们都开发了一套与普通语言不同的语言，用来有效地描述一些用普通语言描述起来效率非常低的事物。它们做到这一点的途径都是构建普通语言的变种。要理解科学和艺术，必须先理解这些变种。

应用艺术与纯艺术“感觉”起来是一样的。而且，正如我们需要复杂的知识去区分小鸟飞过天空的运动（这是客观发生的）、太阳划过天空的运动（这只是一种主观错觉，由我们的运动导致）和月球的运动（主观和客观皆有），纯粹的艺术和应用的艺术、通用的美和狭隘的美，在我们对事物的主观欣赏中也是混合的。把它们区分开来非常重要。因为只有沿着客观方向，我们才能预期取得无限的进步。其他方向在本质上都是有限的，它们受到我们的基因和现有传统里固有的有限知识约束。

这涉及关于艺术是什么的各种现有理论。古代的美术（例如希腊的美术）起初主要是重现人体和其他物体外形的技艺。这与追求客观的美不一样，原因之一是它能臻于完美（从负面意义上说，它能达到一种无法再有较大改进的状态）。但这也是一种能让艺术家追求纯粹艺术的技艺，艺术家们在古代追求过纯艺术，在文艺复兴时期这一传统复活的时候又开始追求。

关于艺术的目的，存在着功利主义理论。这些理论贬低纯艺术，就像同样的论述贬低科学和数学那样。但是，对于艺术改进由什么构成这个问题，人们别无选择，就像在数学上无法选择何为真何为假。如果有人努力调节自己的科学理论或哲学立场，以适应特定的政治目的或个人偏好，那就完全搞反了。艺术可以用于多种目的，但艺术价值并不从属于任何其他事物，也不能从任何其他事物中得来。

同样的批判也适用于认为艺术是自我表达的理论。表达是传递已经存在的事物，而艺术的客观进步是创造新事物。而且，自我表达是表达主观事物，而纯艺术是客观的。出于同样的理由，任何只包含自发或机械行为的艺术，例如向画布上泼洒颜料或者腌泡绵羊[3]都缺乏取得艺术进步的手段，因为真正的进步是很难的，每一次成功背后都有许多错误。

如果我是对的，那么艺术的未来将与所有其他类型的知识的未来一样惊人：未来的艺术能创造出美的无限增长。我只能推测，但想必也可以期待新型的统一。当我们更好地理解了优雅到底是什么之后，也许就能找到更好的新办法，用优雅或美来寻求真理。我猜我们将能设计新的感知、新的感受性，能够容纳我们目前在字面意义上无法体会的新型的美。“做一只蝙蝠是什么感觉？”这是由哲学家托马斯·内格尔提出的一个著名问题。（更准确的说法是，如果一个人有了蝙蝠的回声定位感知会是什么感觉？）也许完整的答案是，在未来，发现这会是什么感觉将不是哲学家的任务，而是技术艺术的任务，后者将使我们拥有这种体验本身。

术语

美学理论——有关美的哲学。

优雅——解释、数学公式等事物中蕴含的美。

明晰的——用文字或符号来表达。

模糊的——非明晰的。

隐含的——以暗示或其他形式包含在其他信息中。

“无穷的开始”在本章的意义

——以下事实：优雅是寻求真理的有益启发。

——为了允许不同的人进行交流而创造客观知识的需要。

小结

美学中有客观真理。流行的说法认为不可能有客观的美，这是经验主义的遗物。美学真理与实际真理有关系，它们既通过解释互相关联，也因为艺术问题可以从物理事实和情况中突现出来。花在人眼里总是美的，而它们的设计是为一个显然与人类无关的目的进化而来，这一事实显示美是客观的。美的趋同标准，在预先的共享知识不足以提供难以伪造的信号时，解决了创造此类信号的问题。

[1] “美即是真，真即是美”出自济慈于1819年所作的颂诗《希腊古瓮颂》，文学界对这句话的理解存在许多争议。——译注

[2] 赫胥黎的这句话出自他1870年在英国科学促进会所作的报告《生物发生与自然发生》。“美丽的假说”指自然发生论，“丑陋的事实”指意大利人斯帕兰扎尼在1776年发现，如果对烧瓶进行密封和充分加热，瓶中的营养液里就不会长出“小动物”。这是人类第一次在“自然发生”实验中取得反面结果。——译注

[3] 随意泼洒颜料是“行动绘画”画派的一种典型做法，代表艺术家有杰克逊·波洛克等。“腌泡绵羊”指英国艺术家达明安·赫斯特的作品《迷途的羔羊》，是一只泡在福尔马林里的绵羊。——译注

第15章 文化的进化

存留下来的观念

文化是一整套思想观念，这些观念导致持有它们的人以特定方式行事。我用“观念”一词在这里指代任何能存储在人们大脑中并能影响其行为的信息。在这个意义上，一个国家里共有的价值观，用一种特定语言交流的能力，对一条学术准则的共同了解，对一种特定音乐风格的欣赏，全都是定义文化的“整套观念”。其中有许多是含糊的，事实上所有的观念里都有某些含糊的元素，因为就算是我们有关词语含义的知识，很大程度上也是在我们脑海里说不清的。体育技能（例如骑自行车的能力）包含的含糊内容特别多，就像自由和知识之类的哲学概念一样。明晰与含糊之间并非总是界限分明。例如，一首诗或一则讽刺作品可能在一个主题上很明晰，特定文化的观众无须告知就必定能明白它是在说另一个主题。

世界上主要的文化——包括国家、语言、哲学和艺术运动、社会传统和宗教——都是在几百甚至几千年里逐步创建的。它们大部分的关键观念，包括含糊的观念，都有着从一个人传递给另一个人的悠久历史。这些观念因此成为谜米——身为复制因子的观念。

然而，文化会改变。人们在他们的头脑中修改文化理念，有时会把修改过的版本传承下去。无心的修改也是不可避免的，其中一部分是由于直接的错误，一部分是由于含糊的观念很难准确传达，没有办法像下载计算机程序那样把这些观念从一个大脑中直接下载到另一个大脑中。就算是以某种语言为母语的人，也不会对每个词语给出相同的定义。因此，两个人头脑里的文化观念完全相同的情形是极为罕见的，如果有的话。这就是为什么一场政治或哲学运动或一种宗教在创始人死亡之后通常会出现分裂，有时甚至在创始人死亡之前就开始分裂了。该运动最忠实的追随者们往往会震惊地发现，他们对教义的内容“到底”是什么意见不一。如果宗教有一本明确陈述教义的圣书，情况也不会有多大的区别：人们经常为词语的含义和句子的解释发生纠纷。

因此，文化实际上并非由一套完全相同的谜米确定，而是由一套谜米变种确定，这些变种会导致稍有区别的特征行为。有些变种倾向于使拥有它们的人热情地践行或谈论它们，其他变种的这种效果较弱。有些变种比其他变种更容易让潜在接收者在他们的头脑里复制。这些因素和其他一些因素影响着一个谜米的每个变种有多大可能忠实传递下去。少数特殊变种一旦在某个人的头脑里出现，就倾向于在整个文化里传播开来，同时其含义基本不变（含义表现为它们导致的行为）。我们对这类谜米很熟悉，因为悠久的文化是由它们构成的。然而在另一种意义上，它们是一类不寻常的观念，因为大多数观念都是短命的。每个人的头脑都会产生许多想法，但只有很少一部分想法会导致被其他人注意到的行动，这其中又只有很少一部分被其他人复制。所以，绝大多数观念都在一个人的有生之年或更短的时间内就消失了。因此，在一个悠久的文化里，人们的行为部分由迅速消亡的新观念决定，部分由长寿谜米决定，后者是连续多次精确复制的特殊观念。

文化研究中的一个根本问题是：是什么使长寿谜米拥有历经多次复制而不改变的特殊能力？另一个问题与本书的主题密切相关，那就是：当这类谜米发生变化时，什么样的条件能使它们变得更好？

认为文化会进化的观念，至少与生物上的进化观念一样久远。但人们为理解文化如何进化所做的努力，大部分建立在对进化的误解的基础上。纳粹之类的法西斯意识形态使用了歪曲或不准确的进化观念（如“适者生存”）来为暴力开脱。但事实上，生物进化中的竞争并不是物种之间的竞争，而是同一物种内部的基因变种之间的竞争。这种竞争能导致物种之间的暴力或其他竞争，但也能导致物种之间的合作（例如花与昆虫的共生），以及形形色色错综复杂的竞争与合作的结合。

尽管法西斯主义者设想了错误的生物进化理论，但是，把社会与生物圈进行类比往往是指社会很严酷，这一点并非偶然：生物圈本来就是严酷的。它充满了掠夺、欺骗、征服、奴役、饥饿和灭绝。因此，那些认为文化进化是这个样子的人，最终要么反对它（推崇静止不变的社会），要么容忍这类不道德的行为，认为这是必要的或不可避免的。

通过类比进行论证是错误的。虽然任何两种事物之间的任何类比都包含着些微的真理，但人在对什么与什么相似、它们为什么相似有了独立的解释之前，不可能判断出这些真理到底是什么。生物圈－文化类比中的主要危险在于，它会鼓励人以还原主义的方式去思考人类状况，这种方式会抹杀那些对理解人类状况至关重要的高层次差异——例如没头脑与有创意之间、决定论与选择之间、正确与错误之间的差异。这类差异在生物学水平上没有意义。实际上，人们提出生物圈－文化的类比，正是为了推翻一种常识观念，即认为人类是因果关系的能动者，有能力为自身做出道德选择并创造新知识。

正如我将要解释的，虽然生物进化和文化进化是用同一个基本理论来描述的，但其传播、变异和选择的机制全都非常不同。由此产生的“自然历史”也不同。对于生物体、细胞、有性生殖或无性生殖，在文化上都没有相近的类似物。在机制和成果的层面上，基因与谜米要多不同就有多不同。它们只在解释的最低层面上相似，即两者都是把知识具象化的复制因子，受同样的基本原则制约，这些原则决定了在哪些情况下知识能保存或者不能保存、能改进或者不能改进。

谜米进化

在艾萨克·阿西莫夫1956年所写的经典科幻小说《爱开玩笑的人》中，主角是一位研究笑话的科学家。他发现，虽然大多数人都会不时地说出一些原创的俏皮话，但是他们从来没有发明出一个他认为的成熟笑话，即有情节有笑料的故事。他们每次讲笑话，都只是在重复他们从别人那里听来的笑话。那么，笑话最初是从哪里来的？谁创造了它们？《爱开玩笑的人》给出的虚构答案颇为牵强，在此无须关注。但故事的前提并不荒唐：有些笑话不是由任何人创造的，而是进化出来的，这一点确乎言之有理。

人们互相讲述有趣的故事——有些是虚构的，有些是事实。这些故事并不是笑话，但其中有些变成了谜米：它们足够有趣，使得听众把它们复述给别人听，这其中又有一些人再向别人复述。但人们很少逐字逐句地背诵，也不会保留故事内容的每个细节。因此，一个经常被复述的故事会以不同的版本存在。其中有些版本比别的版本得到更多复述，有时是因为人们觉得它们更有趣。因此，进化的条件已经存在：不准确地复制信息的重复循环，随选择而变化。最终，故事变得有趣到能让人发笑，一个成熟的笑话就进化出来了。

可以想象，一个笑话可以通过本来不是为了更加好笑的变异进化出来。例如，人们听到一个故事时，可能会误听或误解其中的某些方面，或者出于实用原因对其做出修改，在很少一部分情况下，由于纯粹的运气，产生了一个更有趣的故事版本，它可以得到更好的传播。如果一个笑话通过这种方式由一个非笑话进化而来，那么它的确没有作者。另一种可能性是，在这个有趣的故事变成笑话的过程中对它做出修改的大多数人设计了他们的贡献，使用他们的创造力有意地让故事变得更好笑。在这些情况下，虽然笑话的确是通过变异和选择而创造出来的，它的滑稽性却是人类创造力的结果。这样，说“没有人创造它”就存在误导，它有许多共同作者，每个人都对成果贡献了创造性的思维。但可能仍然确实没有人理解为什么这个笑话这么好笑，因此，没有人能随意创造出另一个同等质量的笑话。

虽然我们不知道创造性究竟是怎样工作的，但我们确实知道，它本身是在个体的大脑中发生的进化过程，因为它取决于猜想（也就是变异）和批评（为了选择观念）。所以，在大脑内部的某些地方，盲目的变异和选择积累起来，成为更高突现层次上的创造性思维。

谜米的观念遭到很多激烈批评，这些批评在我看来是错误的，它们的大概意思是，谜米是模糊、无意义或带有倾向性的。例如，在古希腊的宗教被压制时，人们仍然在讲述它的神话故事，虽然只是当作虚构小说来讲，那么这些故事仍然是同一批谜米吗，只是导致了新的行为？牛顿定律从拉丁文原文翻译成英语时，导致人们用不同的词语来讲述和书写它们。这还是同一批谜米吗？但事实上，这类问题没有质疑谜米的存在，也没有质疑这个概念的实用性。这就像太阳系中哪些天体可称为“行星”的争议一样。冥王星甚至比我们太阳系里的一些卫星还小，它是不是“真正的”行星？木星是不是真的不是行星，而是一颗未点燃的恒星？这并不重要，重要的是实际存在的事物到底是什么。谜米确实存在，不管我们怎样称呼它们或对其进行分类。就像在基因的基本理论在DNA发现之前很久就创立了，如今我们虽然不知道观念怎样储存在头脑里，却确实知道有些观念可以从一个人传递给另一个人，并影响人们的行为。谜米就是这样的观念。

另一条对谜米的批评是，它不同于基因，没有以相同的物理形式存储在每一个持有者身上。但是，正如我所解释的，谜米未必会因此就不可能在对进化来说重要的意义上被“忠实”地传递。认为谜米从一个持有者传递给另一个持有者时仍能保留其特性，这种看法确实是有意义的。

正如基因会成群地共同工作以实现我们认为的单一适应性，也存在着谜米复合体，它由几个观念组成，可视作单一的复杂观念，诸如量子理论或新达尔文主义。因此，如果我们把一个谜米复合体称为一个谜米，是不要紧的。不过，包括谜米在内的观念并不能无限划分成亚谜米，因为达到某个点时，用一个谜米的一部分取代它本身会导致它不能被复制。例如，“2+3=5”不是一个谜米，因为它不包含能使自身被稳定复制的内容，除非是在复制某些有着通用延伸范围的算术理论的情况下，这样的理论如果不同时传递2+3=5的知识，就无法传递下去。

被一个笑话逗笑，再去复述这个笑话，都是由笑话造成的行为，但我们往往不知道自己为什么这样做。这个原因客观地存在于谜米里，但我们不知道。我们可以尝试去猜测，但我们的猜测未必是真实的。例如我们可以猜测，某个特定的笑话之所以好笑，是因为它的笑点出人意料。但进一步体验同一个笑话，我们可能会发现再次听到时它仍然很好笑。在这种情况下，我们面临着反直觉（但很常见）的处境，即对自身行为的原因认识有误。

语法规则里也有同样的情况。我们说：“I am learning to play the piano.”（英式英语），但我们从来不说：“I am learning to play the baseball.”我们知道如何正确地组织这样的句子，但在我们想到语法之前，几乎没有人知道我们遵循的隐含语法规则存在着，更不用说知道这些规则是什么。美式英语的语法规则略有不同，因此，短语“learning to play piano”是可以接受的。我们可能好奇这是为什么，可能会猜想因为英国人更喜欢定冠词。但这也不是问题的解释：在英式英语中病人住院是“in hospital”，在美式英语中是“in the hospital”。

对普遍意义的谜米来说也是一样的：它们隐含了一些持有者不知道但会导致持有者们行为相似的信息。因此，正如以英语为母语的人会错误地理解他们为什么在一个给定句子中用定冠词“the”，人们在实践其他谜米时也会错误地解释为什么他们要那样做，甚至对自己也是这样解释。

像基因一样，所有的谜米都包含着如何使自身得到复制的知识（通常是隐含的）。基因中的知识编码在DNA链里，谜米中的知识由大脑记住。两种情况下，知识都适应于使自身得到复制，效果比自身几乎所有的变种更加稳定可靠。两种情况下，适应性都是变异与选择交替进行的结果。

然而，复制机制的逻辑在基因和谜米中是非常不同的。在通过分裂进行繁殖的生物体中，要么全部基因被复制到下一代，要么（如果个体未能繁殖的话）没有基因来复制。在有性生殖中，要么随机选自父母双方的一套完整基因来复制，要么没有基因被复制。所有情况下，DNA复制过程都是自动的，基因被不加区别地任意复制。其中一个后果是，一些基因可以复制好几代都不“表达”（造成任何行为）。无论你的父母是否曾经骨折，修复断骨的基因（除非发生不太可能的突变）都会传给你和你的后裔。

谜米所面临的情况完全不同。每个谜米每次被复制时都必须表达成行为。因为（在所有其他谜米创造的环境中）导致复制的正是这个行为，也只有这个行为。这是因为，接收者看不到谜米在持有者脑中的呈现。谜米不能像计算机程序那样下载。它如果不能被践行，就不能被复制。

这样的结果是，谜米必然会交替地体现在两个不同的物理形式中：大脑中的记忆以及行为，如图15-1所示。

图15-1 谜米以大脑形式和行为形式存在，每种形式都被复制到另一个人身上

在每个谜米世代中，这两种形式中的每一种都必须得到复制（具体说来是转移成另一种形式）。（谜米的“世代”就是指复制给另一个个体的连续情形。）技术可以在谜米的生命周期里添加新的阶段。例如，行为可能是写下某些东西，这就使谜米以第三种物理形式具象化，它可能随后使读到它的人实践其他行为，导致谜米出现在某人的脑子里。但所有的谜米都必须至少有两个物理形式。

相比之下，对基因来说，复制因子只以一种物理形式存在，那就是（生殖细胞里的）DNA链，见图15-2。虽然它可能被复制到生物体内的其他地方，翻译成RNA，表达成行为，但后面这些形式都不是复制因子。认为行为可能是复制因子，这样的观念是某种形式的拉马克主义，因为它暗示受环境改造的行为可以遗传下去。

图15-2 基因只以一种物理形式存在，这种形式得到复制

因为谜米有着交替的物理形式，在每一个世代中，它都必须经受两套不同的、可能彼此不相关的选择机制而存留下来。大脑记忆的形式必须导致持有者实施行为，行为的形式必须使新的接收者记住它——并且实施它。

因此，举例来说，虽然宗教规定了某些行为，比如教育自己的孩子接受这个宗教，但仅仅有意愿把一个谜米传递给自己的孩子或其他人，还远远不足以实现意愿。这就是为什么绝大多数创立新宗教的尝试都失败了，即使其创始成员非常卖力地传播。在这类情况下，一个被某些人接受的观念成功地使他们实践了不同的行为，包括产生意愿让自己的孩子或其他人同样去做，但这些行为未能使同一个观念在接收者的头脑中扎下根来。

世界上存在着历史悠久的宗教，这一现象有时被解释为“孩子们容易轻信”或“容易被超自然的故事恐吓”。但这不是真正的解释。绝大多数观念就是不具备说服（或恐吓、哄骗或其他）孩子们或其他人去对他人同样行事的能力。如果创建一个忠实复制的谜米有那么容易，那我们社会里的所有成年人就都会精通代数，因为在他们还是小孩的时候人们曾努力把代数教给他们。准确地说，他们全都会成为熟练的代数教师。

一个观念要想成为一个谜米，它必须包含相当复杂的知识，内容是如何导致人们至少做两件独立的事情：忠实透彻地理解谜米，并且实践它。有些谜米能使自身以极高的保真度复制许多世代，这是它们包含大量知识的标志。

自私的谜米

如果一个基因存在于基因组里，那么在适当的情况出现时，它必定会表达成一种酶，并产生它特有的效果，就像我在第6章中描述的那样。如果基因组的其他部分得到了成功的复制，它也不会被抛下。但一个谜米如果仅仅是存在于头脑里，它并不会自动表达成一种行为，谜米必须在同一个头脑里与其他观念竞争这个特权，这些观念包括涉及各种主题的谜米和非谜米。仅仅表达为行为也不会自动使谜米与其他谜米一道复制到接收者那里，它必须与其他人的各种行为以及接收者的思想观念共同竞争接收者的注意力和接受力。除了所有这一切以外，谜米还要面对基因所面对的类似选择，每个谜米都要在人群中与它自己的对手版本竞争，竞争方式可能是包含一些关于有用的功能的知识。

除了上述选择之外，谜米还会发生各种随机和有意的变化，因此它们会进化。在这个程度上，适用于基因的同一个逻辑也适用于谜米：谜米是“自私的”。它们的进化未必有利于持有者或所属的社会，甚至同样未必有利于它们自己，除非是在比其他谜米更好地复制的意义上。（不过现在大多数其他谜米都是其对手，不限于自身的变种。）成功的谜米变种能够改变其持有者的行为，使它最擅长在人群中取代其他谜米。该变种可能也会对其持有者、所属的文化或整个物种有利。但如果它对持有者、文化或物种有害，甚至导致它们的毁灭，也仍然能够传播。损害社会的谜米是一种熟悉的现象。你只需要想想你最憎恶的政治观点或宗教，它们的追随者所造成的损害。一些最擅长在人群中传播的谜米对社会有害，已经导致多个社会的毁灭，我将在第17章中讨论一个这样的例子。无数的个人因为接受了对他们有害的谜米而受到伤害或死亡，例如荒谬的政治意识形态或危险的狂热。幸运的是，对谜米而言，这并不是故事的全部内容。为了理解故事的剩下部分，我们必须考虑基因用来使自身得到忠实复制的基本策略。

静态社会

正如我已经解释过的，人类的大脑——完全不同于基因组——本身就是一个发生着激烈的变化、选择和竞争的场地。在一个大脑里创造出来的观念，大多数都是为了在想象中对它们进行试验、批评和改变，直到它们符合这个人的偏好。换句话说，谜米的复制本身就包括发生在个人头脑内的进化。有些情况下，可能先要经历成千上万个变异和选择的周期，才会有一个谜米变种得到实践。因此，就算是在一个谜米复制到新的持有者之后，它还没有完成生命周期。它还必须经历一轮选择过程而生存下来，这就是谜米持有者对于要不要实践它的选择。

头脑用来进行这种选择的标准中，有一些本身就是谜米。其中有些是自然产生的观念（通过改变谜米或其他方式产生），从未在其他任何头脑里出现过。在不同的人之间，这种观念可能差异极大，某个给定的谜米能否通过某个特定的人存留下来，它们起着决定性的影响。

由于人接收一个谜米之后能很快就实践和传播它，谜米的一代可以比人类的一代短很多。在谜米的一代里，相关的头脑中就可能发生许多个变异和选择的周期。此外，谜米还可以传递给持有者的亲缘后裔之外的人。这些因素使得谜米进化比基因进化快得多，也是谜米之所以能包含这么多知识的部分原因。因此，人们经常引用的关于地球生命史的一个比喻是误导的，该比喻称在生命存在的一“天”里，人类文明只占到最后的一“秒”。事实上，我们这颗行星上迄今很大一部分进化发生在人类的头脑里，它还只是刚刚开始。生物进化只是一个序言，进化的主要情节是谜米进化。

但是，出于同样的原因，表面看来，谜米复制的可靠性天生就比基因复制的可靠性低得多。由于谜米的隐性内容不能逐字逐句复制，而必须根据持有者的行为来猜测，因此一个谜米在每个持有者头脑中都会发生大量有意的变异，如果有哪个谜米能得到哪怕一次忠实的传递都堪称奇迹。实际上，所有长寿谜米的生存战略都由这个问题主导。

这个问题的另一种表述是，人们思考并尝试改进他们的观念，就会改变这些观念。长寿谜米能够一遍遍经受这种严酷考验而幸存。这怎么可能呢？

启蒙运动之后的西方，是唯一在超过几代人的时间里持续经历快得足以引人注目的变化的社会。短暂的快速变化一直在发生：饥荒、瘟疫和战争来了又走了，特立独行的君王们试图进行激进的改革。这偶尔会迅速造就帝国，或迅速摧毁整个文明。但是，在一个社会存续期间，对其成员来说，生活的所有重要领域几乎都保持不变，他们预期自己死去时，道德观念、个人生活方式、概念框架、技术和经济生产模式仍然与他们出生时一样。而且，如果真的发生了变化，也几乎不会往好的方向变。我把这种社会称为“静态社会”，它们发生变化的时间尺度很大，不会引起其居民的注意。在理解我们这个非同寻常的动态社会之前，必须先理解这种寻常的静态社会。

一个社会要成为静态社会，它所有的谜米必须保持不变，或者变化很慢、难以察觉。从我们这个迅速变化的社会的角度来看，这种静态状况是很难想象的。例如，考虑一个孤立的原始社会，它出于某种原因在许多代人的时间里一直保持不变。为什么？很有可能这个社会里从来没有人想要让它发生变化，因为他们想不到其他的生活方式。然而其成员不能免于疼痛、饥饿、悲伤、恐惧或其他的身心痛苦。他们试图想办法缓解其中一部分痛苦。有些这样的想法是原创的，偶尔会有一个真的有用。它只需要是一个微小的、试验性的改善，例如稍微少花力气打猎或种植粮食的方法，或者制造稍好工具的方法，更好地记录债务或法律的方法，夫妇关系或亲子关系的微小变化，对待社会统治者或神灵的态度略有不同。然后会发生什么？

有这个想法的人可能也想告诉其他人。相信了这个想法的人会发现，它能使生活稍微少些艰辛、野蛮和匮乏。他们会把这个想法告诉家人和朋友，后者再告诉自己的家人和朋友。这个想法会在人的头脑里与其他关于怎样改善生活的想法竞争，其中大多数可能都是错的。为了方便起见，假设这个独特的正确想法碰巧被人们相信了，在社会中传播开来。

这样一来，社会就会变化。它可能变得不多，但这只是一个人思考出来的一个想法导致的改变。把它乘以社会里思考的头脑的数量，以及每个头脑一生中进行的思考的数量，让这种情形持续几代人，结果就是一股呈指数增长的、革命性的力量，使社会的方方面面都发生改变。

但在一个静态社会里，这种无穷的开始永远不会发生。我在这个故事中对一个静态社会的设想完全失败，虽然我仅仅是假设了人们努力改善生活、他们不能完美地传递自己的想法、经受变异和选择的信息会进化。

一个社会要成为静态社会，还必须发生一些其他的事，我的故事没有考虑到的一点是，静态社会有着习俗和法律，也就是禁忌，会阻止他们的谜米发生变化。它们强制实践现有的谜米，禁止实践谜米的变种，压制对现状的批评。但是，单靠这些还不能抑制变化。首先，没有一个谜米的实践与上一代完全相同。以完美精确度指定可接受行为的所有方面，是不可行的。其次，不可能预先得知对传统行为的哪些微小偏差会带来进一步的变化。最后，一旦某个变异想法开始传播，哪怕是仅仅传给一个人（意味着这个人会偏好该变种），要阻止它继续传播就极其困难。没有哪个社会能够仅仅靠在新想法出现时予以压制而保持静态。

这就是为什么强行维持现状永远只是阻止变化的一个辅助手段，一个扫尾工作。主要手段永远是——而且只能是——毁掉新思想的源泉，即人类创造力。因此，静态社会永远有着把孩子培养得丧失创造力和批评力的传统。这能保证大多数有可能改变社会的新思想根本就不会产生。

如何做到这一点？具体细节变化多端，在此无关紧要，但结果就是，在这样的社会里成长起来的人，获得了一套评价自身和他人的价值观，其效果实际上就是消除独特之处，仅仅寻求与构成社会的重要谜米保持一致。他们不仅实践这些谜米，还认为自己存在的目的就是实践这些谜米。因此，这种社会不仅把服从、虔诚和忠于职守等品质强加于人，社会成员的自我意识也倾注在同样的标准中。人们不知道别的东西。所以，他们以自己在多大程度上服从社会谜米为标准，以此为基础感觉到骄傲或耻辱，并形成他们所有的愿望与观点。

谜米怎么“知道”怎样对人类的思想和行为产生这么复杂的、可复制的影响？它们当然不知道，它们并不是有知觉的生物。它们只是隐含了这些知识。它们的知识是怎么来的？是进化而来的。在任何时刻，谜米都以许多变种形式存在，这些变种要经受偏爱忠实复制的选择。对于静态社会里的每个长寿谜米，都有成百上千万的变种因为缺少了一点东西而被淘汰，这点东西可能是一点儿额外的信息，或者在阻止竞争对手被想到或被实践方面多出来的一点儿无情的效率，或者心理力量方面的微弱优势，或者任何让它在人群中的传播情况强于对手所需要的东西，或者在它流行起来之后使它被复制和实践的忠实程度更高一点的东西。如果有一个变种碰巧稍微更擅长导致有这些自我复制属性的行为，它很快就会流行起来。一旦流行，又会有许多这个变种的变种出现，它们也面临同样的进化压力。因此，谜米的连续版本积累的知识，使它们能更加稳定地对其人类受害者施加它们独有的损害。就像基因一样，它们也可能带来益处，但就算是这样，也不太可能以最佳方式实现。就像眼睛的基因隐含地“知道”光学定律，静态社会的长寿谜米也隐含地拥有此种人类情形的知识，并利用这些知识无情地绕过它们奴役的人类头脑的防御，利用其弱点。

谈一下时间尺度：根据定义，静态社会并非完全不变。它们在人类能注意到的时间尺度上是静态的，但谜米不能阻止比这更缓慢的变化。因此，静态社会里仍然发生着谜米进化，只不过非常缓慢，大多数社会成员在大多数时间里都注意不到。例如，古生物学家研究旧石器时代的工具时，通过形状确定其年代只能达到几千年级别的精确度，因为当时工具改善的速度不会比这更快。（注意，这个速度还是比生物进化快得多。）研究古罗马或古埃及静态社会的工具时，有可能仅通过工具的技术把年代确定到最接近的世纪。但未来历史学家研究今天的汽车和其他技术产品时，将很容易把年代确定到最接近的十年，对计算机技术则能确定到最接近的一年或更短的时间。

谜米进化倾向于使谜米保持静态，但未必会使整个社会保持静态。同基因一样，谜米并不是为了群体利益而进化。然而，正如基因进化可以造就长久生存的生物体，并为它们带来一些利益，谜米进化有时能造就静态社会，合作使社会保持静态，并通过具象化真理来帮助它们发挥功能，也就不奇怪了。同样不奇怪的是，谜米经常对它们的持有者有用（虽然基本不会是最优方式）。正如生物体是基因的工具，个人被谜米用来达成它们在人群中传播的“目标”。而且，为了做到这一点，谜米有时会带来益处。不过。谜米进化与生物进化的一个区别是，生物体只不过是它们所有基因的奴隶，谜米却永远只能控制一个人的部分思想，就算是在最盲从的静态社会里也一样。这就是为什么有人将谜米比喻成病毒，后者能控制细胞的部分功能来传播自身。有些病毒只是把自己插进宿主的DNA，从此除了参与复制之外什么也不做，但谜米与这不同，它必须导致宿主产生该谜米独有的行为，利用知识使他们自身得到复制。其他病毒会摧毁宿主的细胞，就像谜米会摧毁持有者：当有人以值得上新闻的方式自杀时，通常会引发一连串的“模仿自杀”。

谜米首要的选择压力是倾向于忠实的复制。但还有压力是，尽可能少地损害持有者的头脑，因为人用头脑来长久生存，从而能尽可能多地实践谜米指定的行为。这推动谜米朝着一个方向发展：使持有者的头脑里产生一种经过微调的冲动，理想情况下这种冲动应该刚刚好不足以抑制实践特定谜米（或谜米复合体）的倾向。这样一来，比方说，能够长久存在的宗教使人们恐惧特定的超自然实体，但并不会导致总体上的恐惧和轻信，因为后者会从总体上损害持有者，并使他们更容易受谜米竞争者的影响。因此，进化压力是使心理损害局限在接收者思想的一个相对狭窄的区域里，但扎根牢固，使接收者在考虑偏离该谜米指定的行为时要面临巨大的感情代价。

如果人们没有办法摆脱这种影响，静态社会就形成了：所有重要的行为、人与人之间所有的关系以及所有的思想，全都是为了让这些谜米得到忠实的复制。在谜米控制的所有领域都不能进行批评。创新完全不可容忍，也几乎没有人尝试创新。对人类头脑的这种破坏，造就了在我们看来无法想象的静态社会。无数的人们，一代又一代，终其一生希望着他们的痛苦能得到缓解，但他们不仅未能在实现这种希望方面取得进步，而且很大程度上根本就没有去尝试追求进步，甚至没有去想过尝试。即使他们看到机遇，也会拒不接受。我们所有人生来就熟悉的创新精神，在能创造出任何新东西之前就会被系统地消灭。

静态社会涉及——意思是包含——防止知识增长的残酷斗争。但其内容还不止于此。如果静态社会里出现了一个迅速传播的想法，没有理由期待它会是正确或有用的。这是我前面关于静态社会的描述中缺失的另一部分。我假设变化是朝着好的方向。但其实未必，特别是因为静态社会缺乏批评能力，使人容易受一些错误和有害的想法影响，禁忌不能保护他们免遭这些想法伤害。例如，当14世纪黑死病扰乱了欧洲的静态社会时，传播得最快的防疫想法都极其之坏。许多人确信这是世界末日，因此试图在人世间再进行任何改善都是无意义的。许多人杀害犹太人或“女巫”。许多人聚集在教堂和修道院里祈祷（结果无意中促进了疾病的蔓延，该病由跳蚤传播）。一个称为自笞者的邪教组织兴起，其成员致力于鞭笞自己，并宣扬以上所有的手段，以向上帝证明他的子民们知道错了。所有这些想法不仅确实是错的，而且在功能上有害，最终被当局为了恢复稳定而镇压。

然而具有讽刺意味的是，认为任何改变的弊端都会远远大于利益，这种静态社会的典型恐惧在很大程度上是正确的。静态社会确实一直面临着被功能异常的新生谜米损害或毁灭的危险。然而，在黑死病之后，有几个正确并且有用的想法也传播开来，可能对于以一种非同寻常的好方式（通过文艺复兴）终结那个静态社会做出了贡献。

静态社会靠有效地消灭谜米独有的进化来生存，这种进化是进行创造性的改变，以满足持有者的个人偏好。没有这一点，谜米进化就与基因进化更加相似，对两者进行幼稚类比所得出的一些冷酷结论全都适用。静态社会确实倾向于用暴力来解决问题，确实倾向于为社会的“利益”（也就是说，为了防止社会发生变化）而牺牲个人福祉。我在前面说过，相信这种类比的人最终要么鼓吹静态社会，要么纵容暴力和压迫。我们现在可以看到，这两种反应实质上是同一种：压迫是维持静态社会的手段；除非是静态的，否则给定类型的压迫不会长久持续。

知识持续呈指数增长的效果一目了然，因此我们可以在没有历史研究的情况下推断，在地球上，当前西方文明之前的所有社会要么是静态的，要么在几代人的时间里就被摧毁了。雅典和佛罗伦萨的黄金时代就是后者的例证，但可能还有许多其他类似的情形。这直接否认了一种被广泛接受的信念，该信念认为原始社会里的个人都很快乐，这种快乐的方式以后再不可能有了，他们不受社会习俗和其他规则约束，可以自由地表达并满足个人的需求和愿望。但原始社会（包括狩猎采集者部落）必定全都是静态社会，因为如果有哪一个不再是静态的，它很快就会不再是原始的，或者因为失去了它独有的知识而毁灭。在后一种情况下，知识增长仍然受到原始暴力的抑制，此类暴力能立即取代该静态社会的制度。一旦暴力促成变化，通常都不会变得更好。由于静态社会如果不能有效扼杀知识增长就不能存在，它们不会给社会成员多少追求幸福的机会。（具有讽刺意味的是，创造知识本身是一种自然的人类需求和愿望，而静态社会“不自然地”压抑它，不管社会有多么原始。）从这样一个社会里的每一个人的角度看，社会抑制创造力的机制会带来灾难性的损害。每个静态社会都必须长期阻止其成员尝试为自己或他人实现任何正面的东西，或者实际上是阻止他们尝试任何东西，除了谜米强制的行为之外。只有通过压制其成员的自我表达、瓦解他们的精神，静态社会才能使自己长生不灭，它的谜米极其适应做到这一点。

动态社会

但是，我们的社会（西方）不是一个静态社会。这是长期生存的动态（指迅速变化）社会唯一已知的实例。它能促成长期、迅速、和平的变化和改善，包括在价值观和目标的广泛共识方面的改善，就像我在第13章中描述的那样，这种能力在历史上是独一无二的。这之所以成为可能，是因为出现了一类完全不同的谜米，尽管它们仍然是“自私”的，却未必对个人有害。

为了解释这些新谜米的性质，让我提出这样一个问题：在迅速变化的环境中，什么样的谜米可以导致自己长期被复制？在这样的环境中，人们不断地面临着不可预知的问题和机遇，因此他们的需求和愿望也不可预知地变化着。在这种情况下，谜米怎样才能保持不变？静态社会里的谜米通过有效清除个人的选择来保持不变，人们不能选择要接受哪些观念，也不能选择实践哪些观念。这些谜米还结合起来使社会保持静态，人们所处的环境也就尽可能地相同。但一旦静止被打破，人们有了选择，就会做出选择，选择的一部分依据是他们的个人状况和想法。这种情况下，谜米面临的选择标准在不同的接收者之间有着不可预测的差异，在不同的时候也是。

一个谜米要传给单一的人，只要看上去对这个人有用就行了。要传给不变的环境中一群类似的人，它只需要是一条狭隘真理。但哪种观念最适合使自身不断地被多次接受，被有着不同的、不可预测的目标的许多人接受？真实的观念是好的备选方案。但并非所有的真理都可以。它必须看上去对所有这些人都有用，因为他们将要选择是否实施它。在这个语境里，“有用”不一定表示在功能上有用，而是指任何使人们愿意接受和实践一个观念的特点，例如有趣、好笑、优雅、容易记、道德正确等。要看上去对多种多样不可预测的环境中多种多样的人有效，最好的办法就是确实有效。这样一种观念就是最广泛意义上的真理，或者具象化了这样的真理：如果该观念是对事实的断言就确实正确，如果是艺术价值或艺术行为就是美的，如果是道德价值就是客观公正，如果是笑话就是好笑的，等等。

最有机会经历许多代的变化仍能存留下来的观念，是有着延伸的真理——深刻的真理。人容易犯错误，经常会偏好虚假、肤浅、无用或道德错误的观念。但具体偏爱哪些虚假观念，人与人之间是不同的，同一个人在不同的时候也不同。环境变化之后，徒有其表的谎言或狭隘的真理想要存留下来只能靠运气。但真实、深刻的观念有客观理由在较长时间里被目的各不相同的人认为有用。例如，牛顿定律有助于建造更好的教堂，但也能用来建造更好的桥梁，或设计更好的火炮。由于这种延伸，它们在许多代的时间里被各种各样的人记住并实践，其中许多人的目标严重对立。这就是那种有机会在迅速变化的社会里成为长寿谜米的观念。

事实上，这类谜米不仅仅能够经受迅速变化的批评标准而存留下来，它们还积极地依靠这样的批评来实现自身的忠实复制。它们没有受到强行维持现状或压制批评等手段的保护，因而会遭受批评，但它们的竞争者也同样遭受批评，竞争者的表现更差因而未得到实践。如果没有这种批评，正确的想法就不会拥有这种优势，可能会变坏或者废弃。

理性与反理性的谜米

因此，这类通过理性和批评思考创造出来的新型谜米，接下来同样依赖这样的思考来实现自身的忠实复制。所以，我可以称之为理性谜米。老式的、静态社会的那类谜米，通过使持有者失去批评能力来生存，我将称之为反理性谜米。理性谜米和反理性谜米的性质截然不同，其根源是它们的复制策略在根本上不同。它们相互之间的差别就像它们与基因的差别那样大。

如果某种妖怪有这样一种特性：害怕它的孩子长大以后会让自己的孩子也害怕它，那么讲述这种妖怪故事的行为就是一种谜米。假设它是一个理性谜米。然后一代又一代的人会对它进行批评，怀疑故事的真实性。由于实际上没有妖怪，这种谜米可能会进化到灭绝。请注意，它并不“在乎”自己会灭绝。谜米做它们必须做的事情，并没有意图，连关于自身的意图也没有。但它还有其他可能的进化道路。它有可能变成公然的虚构。由于理性谜米必须被看作对持有者有益，那些会引发不愉快情绪的谜米会处于劣势地位，因此它还可能进化得不再引起恐惧，而是倾向于引发比方说愉快的兴奋，或者（假如它选择代表一种真正的危险）为当前探索实用性、为未来探索乐观主义。

现在，假设这是一个反理性的谜米。引发不愉快的情绪将有助于它造成必需的伤害，那就是使听故事的人无法摆脱这种妖怪的念头，并使他们产生根深蒂固的冲动，要去想到和谈论这种妖怪。妖怪的属性越精确地利用人类头脑广泛存在的真实弱点，这种反理性谜米就越能忠实传播。如果该谜米能历经许多代而存留下来，有一点至关重要：它隐含的关于这些弱点的知识是真实而深刻的。但它的表面内容——关于这种妖怪存在的观念——无须包含真理。相反，妖怪不存在有助于该谜米成为一个更好的复制因子，因为这样的话故事就不受现实威胁的普通属性约束，现实威胁往往是有限的，而且某种程度上可以战胜。如果故事能够削弱乐观主义原则，情形就更是如此。所以，正如理性谜米会朝着深刻真理的方向进化，非理性谜米会向远离深刻真理的方向进化。

像往常一样，把这两种复制策略混在一起不会带来好处。如果一个谜米包含对接收者来说真实而有益的知识，但会使接收者丧失批评该谜米的能力，那么接收者纠正这些知识中的错误的能力会降低，从而减少该谜米传播的忠实程度。而且如果一个谜米依赖于接收者相信它有益的信念，但实际上并无益处，那就会增加接收者抵制它或拒不实践它的可能性。

同样，理性谜米的天然居所是动态社会——差不多是任何动态社会，因为动态社会中的批评传统（乐观地指向解决问题的方向）将压制那些包含的真理略少的谜米变种。而且，迅速的进步将使这些变种面对持续变化的批评标准，仍然只有深刻真实的谜米才有机会生存。出于与此相反的种种原因，反理性谜米的天然居所是静态社会，不是所有的静态社会，而最好是它进化出来的那个社会。因此，每个类型的谜米如果处在大体上相反类型的社会里，使自身得到复制的能力就较弱。

启蒙运动

我们的西方社会并不是因为静态社会突然失灵而变成动态的，而是经历了许多代静态社会类型的进化。从静态到动态的转换是在什么时候从什么地方开始的，对此没有明确的界定，但我推测它开始于伽利略的哲学，可能随着牛顿的发现而变得不可逆转。对谜米而言，牛顿定律使自身作为理性谜米得到复制，并且保真度非常高，因为它们在诸多方面都非常有用。这种成功使人很难无视两种影响，一种是人们对自然的理解达到了前所未有的深度这一事实的哲学影响，另一种是实现这一切所用的科学和理性方法的哲学影响。

不管怎样，自牛顿以后，人们无法再忽视这样一个事实，那就是迅速的进步正在发生。（有些哲学家确实试着忽视它，特别是让-雅克·卢梭，但忽视的方式只是辩称理性有害、文明不好、原始生活很幸福。）科学、哲学和政治上雪崩式的进一步改善，彻底消除了恢复停滞的可能性。西方社会将成为无穷的开始，或者被毁灭。今天，西方以外的国家也在迅速变化，有时是出于与邻国作战的迫切需要。他们的文化也无法恢复静态，要么以自己的运作方式变得“西方化”，要么失去所有的知识，从而不复存在——这种两难局面在世界政治中正越来越重要。

即使在西方，今天的启蒙运动也完全未臻于完成。它在少数重要的领域里相对较为先进，在这些领域里，思念观念对批评、实验、选择和变化相当开放。但在许多其他领域里，谜米仍以旧方式复制，通过压制接收者的批评能力、忽视他们的偏好来进行。女孩子们努力表现得像淑女，在身材和外貌方面满足文化定义的标准，男孩子们则竭力表现得强壮，遇到痛苦时不哭。他们在做这些事的时候，全都是在复制古老的“性别刻板化”谜米，这些谜米现在仍是我们文化中的一部分，尽管明确支持这些谜米已经成为一种不太光彩的行为。这些谜米能够防止各种各样关于人应该过什么样的生活的观念在持有者的头脑里留下印象。如果他们的思想偶然想到不被允许的方向，他们就会感觉不安和尴尬，并且会像自古以来宗教人士想到背叛神时一样感觉恐惧和失去自我。他们失去了世界观和批评能力，正好能使他们在适当的时候把下一代养育得具有同样的思维模式和行为。

今天，反理性谜米仍然是我们的文化和个人头脑的重要组成部分，这个事实让我们很难接受。具有讽刺意味的是，我们比早期社会里头脑彻底封闭的人们更难接受这个事实。他们的大部分人生都用在实行复杂仪式上，而不是做出自己的选择、追求自己的目标，这样说他们并不会让他们困扰。相反，一个人的生活在多大程度上被义务、服从权威、虔诚、忠实等掌控，正是人们用来评价自己和他人的标尺。孩子们问为什么自己要实践繁重而看上去没有用的行为时，得到的答案将是“因为是我说的要这样”，将来他们在被自己的孩子问起同样的问题时，也会给出同样的答案，从来没有意识到他们给出了完整的解释。（这是一种有趣的谜米，它的明确内容是真实的，虽然持有者并不相信。）但在今天，由于我们渴求变化，并且对新观念和自我批评采取前所未有的开放态度，我们仍然在很大程度上是反理性谜米的奴隶，这一点就与大多数人的自我形象相冲突。我们大多数人都会承认自己多少有些烦恼，但大体上觉得自己的行为是我们通过自己的决策来决定的，而我们通过对论点和证据进行理性评估所做出的决策符合我们理性的自身利益。这种理性的自我形象本身就是我们社会里新近发展出来的产物，其中许多谜米会明确地推动并隐性地实践以下价值观：理性、思想自由、独立个人的固有价值等。我们会自然而然地以满足这些价值观来解释自我。

这其中显然包含真理，但不是故事的全部内容。只需要看看我们的服装款式和我们装饰屋子的方式，就能找到证据。想一想，如果你穿着睡衣去购物，或是你把你的家漆成蓝色和棕色的条纹，别人会怎么看待你。这暗示了，支配那些就算是客观上无关紧要的风格选择的习俗有多么狭隘，违背这些习俗的社会成本有多大。对于生活中更重要的模式，例如事业、关系、教育、道德、政治观念和民族认同，情况是不是也一样？考虑一下，当一个静态社会逐渐从反理性谜米转向理性谜米时，我们应当预期发生什么事。

这种过渡必然是渐进的，因为使一个动态社会保持稳定需要大量的知识。利用一个静态社会里仅有的手段创造知识，也就是说利用少量的创造性和知识、许多错误观念、谜米的盲目进化和反复试验来创造知识，必定会花费时间。

而且，社会在这个过程中要继续发挥它的功能。但理性谜米与反理性谜米共存会使这种转变不稳定。每个类型的谜米都会使人们采取行为去阻碍另一类谜米的忠实复制，非理性谜米需要人们避免批判性地思考他们的选择，而理性谜米需要人们尽可能批判性地思考。这意味着，在我们的社会中，没有谜米能够像非常静态的社会或者完全动态的社会（这种社会迄今还只存在于假设中）里的大多数成功的谜米那样可靠地复制。这导致了我们这个过渡时代特有的一些现象。

此类现象之一是，一些反理性谜米违反常理，朝着理性的方向进化。其中一个例子是从君主专制转变为“君主立宪”，这在一些民主体系里起到了积极作用。由于我说过的不稳定性，这种转变经常失败也不值得奇怪。

另一种现象是在动态社会里形成反理性的亚文化。回想一下，反理性的谜米选择性地压制批评，只造成经过微调的损害。这使得反理性亚文化的成员有可能在其他方面表现得很正常。所以，这类亚文化可以生存很长时间，直到其他领域的延伸偶然导致它们不稳定。例如，种族主义和其他形式的偏见如今几乎完全存在于压制批评的亚文化里。偏见之所以存在，并不是因为它们对持有偏见的人有好处，而是因为这些人使用固定的、非功能性的标准来决定生活中的选择，所以，尽管偏见会对这些人造成伤害却仍然存在。

现今的教育方法仍然与静态社会的教育方法有很多共同之处。虽然现代人嚷嚷着要鼓励批判性思维，但死记硬背的教书方法仍旧存在，通过心理压力反复灌输标准行为模式也仍旧是教育的组成部分，虽然这类做法在明确的理论中已经被全盘或部分抛弃。此外，在学术知识方面，实际上人们仍然理所当然地认为，教育的主要目的是忠实地传授一套标准课程。这样做的后果之一是，人们以缺乏活力的机械方式获取科学知识。由于没有办法批判性地差别对待他们所学的东西，其中大多数人不能有效地把科学和理性的谜米复制到自己的头脑里。于是我们生活在这样一个社会里，人们可以在白天认真地用激光技术数血样里的细胞，晚上则盘腿而坐念念有词，想从大地中汲取超自然能量。

与谜米共生

关于谜米的现有论述忽视了理性复制模式与非理性复制模式之间的首要区别，因而最终漏掉了大多数实际发生的事情，以及这些事为什么会发生。而且，由于谜米最明显的例子是长寿的反理性谜米和短暂随意的一时狂热，这类论述往往是反谜米的，就算它们正式承认最好、最有价值的知识也包含谜米。

例如，心理学家苏珊·布莱克摩尔在她的《谜米机器》一书中，试图用谜米进化为人类状况提供一个基本解释。关于我们这个物种的存在，谜米确实是其解释的一部分，但就像我将在下一章解释的那样，我相信她提出的特定机制不可能出现。不过关键的是，布莱克摩尔在谜米的复制和起源中都贬低了创造性因素。这使她质疑传统叙事中技术进步最好由个人行为来解释的说法。她认为技术进步是谜米进化导致的。她援引历史学家乔治·巴萨拉的书《技术的进化》，否认“英雄发明家的神话”。

但是，作为带来发现的媒介，“进化”与“英雄发明家”的区别只在静态社会中有意义。在静态社会中，大多数变化确实是以我所猜测的笑话进化方式出现的，没有哪个参与者发挥了高度的创造性。但在动态社会里，科学和技术创新通常是创造性地产生的。也就是说，它们以新颖想法的形式出现在个人的头脑里，在这些头脑里取得了很强的适应性。当然，在两种社会里，观念都是从以前的观念中通过变异和选择的过程产生的，这个过程构成了进化。但当进化主要发生在个人的头脑里时，它就不是谜米进化，而是英雄发明家的创造力。

更糟糕的是，对于进步，布莱克摩尔否认存在“朝向任何特定事物的进步”，也就是说，不存在朝向任何客观上更好的事物的进步。她只承认日益增加的复杂性。为什么？因为生物进化没有“更好”与“更坏”之分，尽管她自己警告说谜米进化与生物进化不同。她的说法同样在很大程度上适用于静态社会，但不适用于我们的社会。

既然我们的行为有一部分是由我们不知道内容的自治实体造成的，我们应该怎样理解人类独有的突现现象，例如创造性和选择？而且更糟糕的是，既然我们在自身想法、观点和行为的理由方面容易被这些实体系统性地误导，我们应该怎样理解上述现象？

这个问题的基本答案是，我们无须惊讶于自己可能在思想观念上大错特错，就算是关于自身的观念，就算我们强烈感觉自己正确。因此，我们应当对此做出的反应，原则上应该与对其他原因导致错误的可能性的反应相同。我们是易谬的，但通过猜想、批评和寻求好解释，我们可以纠正自己的一些错误。谜米会隐藏自己，但就像视觉盲点一样，没有什么东西能阻止我们结合解释和观察来间接检测到谜米并发现其隐含内容。

例如，一旦我们发现自己在实践某种复杂或狭义的、从一个持有者复制给另一位持有者的行为，就应该心存怀疑。如果我们发现实践这一行为会阻挠我们实现个人目标的努力，或者它表面上的理由消失之后仍然被忠实地继续实践，就应该更加怀疑。如果我们发现自己用坏解释来解释自己的行为，就应该越发怀疑。当然，任何时候我们都有可能注意不到这些东西，或者发现不了它们的真实解释。但在一个所有的恶都源于缺乏知识的世界里，失败不会是永久的。我们起初没能注意到引力的力量不存在，现在我们理解了。归根到底，发现问题更加容易了。

另一种应当引起我们怀疑的东西，是反理性谜米进化条件的存在，例如服从权威、静态的亚文化等。任何“因为我说要这样”或“它从没给我带来坏处”的说法，任何“让我们压制对我们的想法的批评，因为这些想法是真实的”的论调，都意味着静态社会的思维。我们应当检查和批评法律、惯例和其他制度，着眼于它们是否会形成反理性谜米进化的条件。避免这些条件是波普尔标准的实质。

从启蒙运动的那一刻起，解释性知识开始承担它那很快就将正常化的功能，成为物理事件最重要的决定性因素。至少它有可能是最重要的决定性因素：我们最好记住，我们试图去做的事情——持续创造知识，是此前从来没有成功过的。确实，从这一刻开始，我们将要尝试实现的所有事物，都是从来没有成功过的。到目前为止，我们已经从永恒状况的受害者（兼执行者）转变成了一段激荡的过渡期里被动的接收者，接收着相对快速的创新所带来的益处。我们现在应该接受和欢庆下一次转变的发生：变成新兴的理性社会中——以及宇宙中——实现进步的积极能动者。

术语

文化——一组由多人共有的思想观念，导致其持有人的行为在某种形式上相像。

理性谜米——一种思想，依赖于接收者的批评能力实现自身的复制。

反理性的谜米——一种思想，依赖于使接收人失去批评能力实现自身的复制。

静态文化/社会——发生变化的时间尺度很大，超过了其成员能注意到的范围。这类文化由反理性谜米主导。

动态文化/社会——由理性谜米主导的社会。

“无穷的开始”在本章的意义

——生物进化只是一个序言，进化的主要情节是谜米的无限进化。

——静态社会中反理性谜米的进化也是如此。

小结

文化由谜米组成，谜米会进化。谜米在许多方面与基因相似，但在进化方式上有着深远的差异。最主要的差异是，每个谜米都必须包含自身的复制机制，并且以两种不同的物理形式交替存在：一种思想上的表达，以及一种行为。因此，谜米与基因不同，它在每次复制中经受分别选择，选择标准是它引发行为的能力，以及该行为导致新的接收者采纳该谜米的能力。谜米的持有者通常不知道他们为什么会实践这些谜米，例如，我们实践语法规则的精确程度比我们表述这些规则的精确程度高得多。谜米复制只有两种基本策略：帮助预期的持有者，或者使持有者丧失批评能力。两种类型的谜米——理性谜米和非理性谜米——互相抑制对方的复制，以及总体上抑制对方文化的能力，借此来传播自身。西方文明处于一个不稳定的过渡期，正从包含反理性谜米的稳定、静态社会转向包含理性谜米的稳定动态社会。与传统观念相反，原始社会中的生活难受得无法想象。这些社会要么是静态的，仅仅通过消灭社会成员的创造性并瓦解其精神来生存；要么迅速失去其知识而解体，由暴力取而代之。关于谜米的现有论述忽视了理性与反理性之间的重要差别，因而倾向于隐含地反对谜米。这等于是把西方文明误认为是静态社会，并认为西方社会的公民像静态社会的成员一样，是被谜米压垮的、悲观的受害者。

第16章 创造力进化

在我们的行星上进化出来的无数生物适应性中，只有创造力能够产生科学或数学知识、艺术或哲学。创造力通过它带来的技术和制度，产生了壮观的物理效应，这些效应在人类居住区附近表现得最为明显，但在更远的地方也存在：地球陆地的很大一部分区域已经被用于人类目标。人类的选择（这本身就是创造性的产物之一）决定了要驱除、容忍或培养其他哪些物种，让哪些河流改道，铲平哪些山丘，保护哪些荒野。夜空中一个快速移动的明亮光点可能是一个载人空间站，它比运载任何东西的任何生物适应性都飞得更高、更快。它也可能是一颗卫星，人类用它进行通信，所跨越的距离是生物通信从来没有达到过的，它利用了无线电波和核反应之类的现象，是生物从未利用过的。创造性的独特影响主宰了我们对世界的体验。

现在这些体验包括了快速创新的体验。当你读到我这段话时，我写它所用的计算机将已经过时，那时会有功能更强、制造所需人力更少的计算机出现。人们会写出其他的书，建造新建筑，制造新产品，其中有些东西很快就会被取代，另一些东西存留的时间将比金字塔迄今屹立的时间还要长久。人们会做出惊人的科学发现，其中有些将永远改写教科书。创造力的所有这些结果，促成了一种日新月异的生活方式，它只有在一个长久存在的动态社会里才有可能实现，这样的社会本身就是一种只有用创造性思维才可能实现的现象。

然而，正如我在前一章和第1章里指出的，在我们这个物种的历史中，直到很近的时候，创造力才开始产生这些影响。在史前时代，在一个漫不经心的观察者（比如说一位来自外星文明的探险家）看来，人类进行创造性思考的能力根本不明显。在当时，我们看起来只是无休止地重复着我们在遗传上适应的生活方式，就像生物圈里数以十亿计的所有其他物种一样。我们显然会使用工具，但很多其他物种也会。我们会用符号语言交流，但这也没有什么了不起，连蜜蜂都会。我们会驯养其他物种，但蚂蚁也会。仔细观察会发现，人类语言和人类使用工具的知识通过谜米传递，而非通过基因传递。这一点使我们相当不寻常，但创造力还是不明显：其他几个物种也有谜米。然而它们除了随机的试错之外，没有其他改进谜米的手段。它们也不能经历许多代持续取得改进。如今，把我们与其他物种在极大程度上区分开来的，正是人类用来改进思想观念的创造性。然而在人类存在的大多数时间里，创造性的使用并不明显。

在我们这个物种的前辈身上，创造力应该更加不明显，但它必定已经在那个物种身上进化出来了，否则就不会有我们。事实上，连续发生的、使我们前辈的大脑稍微更有创造性（或者更精确地说，我们现在认为是创造力的那种能力更强）的变异带来的优势应该相当大，因为人人都知道，类人猿祖先进化成现代人类的速度按基因进化的标准来说非常快。我们的祖先繁殖后代的速度，必定一直比那些创造新知识的能力略差的表亲们更快。为什么？他们用这些知识来做什么？

如果我们对此没有更多了解，那么自然而然的答案就是，他们就像今天的我们一样运用这些知识来进行创新、理解世界，以改善他们的生活。例如，能够改进石器的人会造出更好的工具，从而获得更好的食物，养活更多子女。他们还可以造出更好的武器，不让对手基因的持有者获得食物和配偶，等等。如果事实是这样，古生物记录应该显示，这样的改进发生在人类世代的时间尺度上。但并非如此。

而且，在创造力进化期间，复制谜米的能力也在进化。据认为，生活在50万年前的直立人中，有一些成员懂得生火。该知识存在于他们的谜米里，而不是基因里。创造力和谜米传播一旦同时存在，就会大大提升对方的进化价值，因为这样的话，任何能改进某些事物的人都有办法把该创新传给所有子孙后代，大大增加了它给相关基因带来的利益。而且，创造力对谜米做出改进的速度，比随机试错要快得多。由于思想观念的价值没有上限，让两种适应性如脱缰野马一样协同进化的条件已经具备了，这两种适应性就是创造力和使用谜米的能力。

然而，这种情景也有问题。上述两种适应性可能确实产生了协同进化，但这种进化背后的驱动力不可能是人们改进思想观念并传给子孙，因为如果是这样的话，他们同样应该能够在人类世代的时间尺度上积累改进。但在农业于1.2万年前诞生之前，每隔成千上万年才会发生一次显著变化。好像创造力方面每个微小的遗传改进都只产生了一次显著革命，然后就没有了，很像今天“人工进化”的实验。但为什么会这样？与今天的人工进化和人工智能研究不同，我们的社会进化出了真正的创造力，正是这种能力创造了一股没有尽头的创新之流。

他们的创新能力在迅速增加，但他们几乎没有做出什么创新。这个问题伤脑筋之处不在于这种行为很古怪，而是因为，如果创新如此罕见，那它怎么会对多少有创新能力的个体的繁殖产生明显的效果？每隔成千上万年才会发生一次显著变化，可能意味着人群中最有创造力的个体也做不出多少创新，因而他们更强的创新能力并未产生对他们有利的选择压力。那为什么这种能力的微小改进一直迅速在人群中传播？我们的祖先必定把创造力用在了某些事物上，而且经常使用、用到极致，但显然不是用来创新。它还能用来做什么呢？

有一种理论是，创造力进化出来不是为了提供功能优势，它仅仅是通过性选择进化出来的，人们用创造力制造炫耀效果以吸引配偶，比如色彩鲜艳的服装、装饰品、讲故事、谈吐风趣等。求偶时偏爱炫耀效果最有创造性的个体，与满足这种偏好的创造力协同进化，形成进化的螺旋。该理论认为，这就像是雌孔雀的偏好和雄孔雀的尾羽。

但是，创造力不太可能是性选择的目标。它是一种复杂适应性，直到今天我们还无法对它进行人工复制。因此，它应当比色彩或身体部位的大小和形状等属性更难进化出来，据认为后者之中有一些确实在人类和其他许多动物身上通过性选择进化出来了。据我们所知，创造力只进化出来了一次。而且，它的可见效果中大部分是累积的，在任何一个场合，都很难察觉拥有创造力的潜在配偶身上的微小差别，特别是在这种创造力并无实际用途的情况下。（试想一下，在今天通过一次艺术竞赛来察觉人们的艺术能力的微小遗传差异会有多难。实际上任何这样的差异都会被其他因素淹没。）所以，与其进化出创造新知识的能力，我们何不进化出五颜六色的头发或指甲，或者无数其他进化起来容易得多、可靠评价起来也容易得多的属性中的某一种？

性选择理论的一个更有说服力的变种是，人们根据社会地位选择配偶，而不是直接青睐创造力。也许最有创造力的人能通过谋略或其他社会操纵手段更有效地获取地位。这可能使他们在具有进化优势的同时不产生任何我们能通过证据看到的进步。然而，所有这类理论仍然需要解释以下问题：既然创造性集中用于其他目的，为什么没有同样用于功能性目的？一位通过有创造性的谋略夺取权力的首领，为什么不会想到制造更好的狩猎长矛？一位发明了这种东西的下属为什么不会受到青睐？与此类似，对艺术性的炫耀效果动心的潜在配偶为什么不对实用创新同样动心？不管怎样，有些实用创新本身就会帮助发现者制造出更好的炫耀效果。而且创新有时候可以延伸，在一代人里用来制作装饰珠串的新技巧，在下一代人里可能成为制造弹弓的技巧。为什么当初的实用创新这么稀少？

根据前一章的讨论，大家可能会猜想，这是因为人们生活的部落或家族是静态社会，任何明显的创新都可能降低一个人的地位，从而降低这个人作为配偶的条件。那么，人要怎样通过比别人更多地运用创造性来获得地位，同时不会因为违反禁忌而遭人注意？

我认为只有一个办法，那就是比通常标准更忠实地实践该社会的谜米。表现出格外的遵从和顺服，格外强烈地抑制创新。对于这样的突出表现，静态社会只能选择给予奖励。这么说，增强创造性可以帮助人比别人更少地创新？这成为一个关键问题，我将在后面谈到。但首先我要谈谈第二个伤脑筋的问题。

怎样复制一种意义？

人们通常认为（比如布莱克摩尔认为），谜米复制的特征是模仿。但事情不可能是这样的。一个谜米是一个思想观念，我们不能观察到别人头脑里的观念。我们也没有硬件可以用来把它们像计算机程序那样从一个头脑下载到另一个头脑，也不能像DNA分子那样复制它们。因此，我们不可能在字面意义上复制或模仿谜米。我们获取其内容的唯一途径，是通过其持有者的行为（包括他们所说的话以及他们的行为造成的结果，例如文字作品）获取。

谜米复制始终遵循这样一种模式：一个人直接或间接观察谜米持有者的行为，然后（有时是立刻，有时是观察之后许多年），持有者头脑里的谜米出现在这个人自己的头脑里。它们是怎么到达那里的？看上去有点儿像归纳，不是吗？但归纳是不可能的。

在谜米复制的过程中，看上去要对持有者进行模仿。例如我们通过模仿词语发音来学习词语；在别人对我们挥手时模仿所看到的东西，从而学会挥手。因此，表面上（甚至我们内心也这么认为）我们看似在模仿其他人的做法，记住他们说了什么、写了什么。这种常识性的误解甚至得到了事实的印证：我们这个物种现存的亲缘关系最近的动物——类人猿拥有模仿能力（比人类的模仿能力有限得多，但仍然很引人注目）。但是，正如我将要解释的，事实是模仿人的行为、记住他们的话不可能成为人类谜米复制的基础。这些方法在现实中所起的作用很小，其中绝大部分无关紧要。

谜米的获取来得那么自然，以至于人们很难认识到这是一个多么神奇的过程，或者认识到究竟发生了什么。尤其难看到的是，知识从何而来。就算是最简单的人类谜米里，也包含着大量知识。当我们学着挥手时，所学到的不仅是这个手势，还有在什么场合挥手合适、怎样挥手、对谁挥手。大部分这些东西都没有人告诉我们，但我们还是学会了。同样，当我们学会一个词语时，所学到的不仅是它的含义，还包括许多隐含的细微之处。我们是怎样获得这些知识的？

不是通过模仿谜米持有者。波普尔讲科学哲学课时，一开始往往要求学生们去“观察”，然后不说话，等着有人问他们应该观察什么。他用这种方式来展示经验主义的诸多缺陷之一，该缺陷今天仍然是常识的一部分。他会向学生解释，如果没有预先存在的知识，就不可能进行科学观察，这些知识涉及要去看什么、寻找什么、怎样去看、怎样解释看到的东西。于是他接下来会解释，理论必须先行。理论要靠猜想得来，而不是推演得来。

如果波普尔让他的听众去模仿而不仅仅是观察，同样可以说明这一观点。逻辑是一样的：他们应该根据什么样的解释性理论来“模仿”？模仿谁？波普尔吗？如果是这样，他们是不是应该走上讲台，把他推到一边，自己站在他刚才站的地方？如果不这样，他们是不是起码应该转过身去面向教室后方，以模仿他的面向？他们是否应该模仿他那浓重的奥地利口音，还是用正常腔调说话，因为波普尔是在用他自己的正常腔调说话？或者他们这会儿什么特别的事也不做，只是在他们自己成为哲学教授时在课堂上进行同样的试验？“模仿波普尔”有无穷多种可能的诠释，每一种都界定了模仿者的一种不同行为。其中许多方式彼此大相径庭。每一种方式都对应一种不同的理论，解释波普尔的头脑里什么想法造成了他被人观察到的行为。

因此，没有“仅仅模仿行为”这回事，更不用说通过模仿行为来发现这些想法。在模仿行为之前，就必须知道想法。模仿行为不可能是我们获取谜米的方式。

假想中通过模仿导致谜米复制的基因，必然也要指定模仿谁。例如布莱克摩尔提出，标准可能是“模仿最好的模仿者”。但这是不可能的，原因同上。在评价别人模仿得有多好之前，必须已经知道或猜测到他们在模仿什么（行为的哪些方面，谁的行为），哪些情况算数，怎样评价。

如果行为包括陈述谜米，也是一样的。正如波普尔所说的，“人不可能用不会被误解的方式说话”。人们只能陈述明确内容，而这不足以界定谜米或其他事物的含义。就算是最明确的谜米例如法律，也有着隐含内容，如果没有这些内容，谜米就无法得到实践。比方说，许多法律谈到了“合理”，但没有人能把这个属性定义得足够精确，使得来自不同文化的人也能用该定义来裁决罪案。因此，我们肯定不是通过聆听关于“合理”这个词的含义的陈述来学到它的意义。但我们确实学到了，而且同一文化中的人学到的含义版本足够相近，法律在此基础上可以实施。

任何情况下，就像我在前一章中谈到的，我们都对自己的行为规则缺乏明确了解。我们对母语口语的规则、含义和模式的了解，在很大程度上是隐性的，然而我们还是能以相当高的保真度把这些规则传给下一代，还包括在新任持有者从未经历过的场合应用这些规则的能力，以及人们明确努力阻止下一代复制的说话模式。

实际情况是，人们需要隐性知识去理解法律和其他明确的陈述，而不是反过来。哲学家和心理学家非常努力地要去发现我们的文化心照不宣地做出的一些假设并使其明确化，包括关于社会体制、人性、对与错、时间与空间、意图、因果关系、自由、必要性等的假设。但我们并不是通过阅读此类研究成果来获得这些假设，而是用完全相反的方式。

在涉及引发行为的理论的先验知识方面，如果没有这种知识就不能模仿行为，那么猿怎么会出了名地能够模仿其他猿的行为？它们有谜米：它们可以观看其他已经知道怎么用新方法打开坚果的猿，从而学会这种方法。为什么猿不会被模仿的含义中无穷的模糊性搞糊涂？就算是鹦鹉也出了名地能模仿其他鹦鹉，它可以记住几十种听到过的声音，并在后来重复这些声音。它们怎么处理模仿的模糊性，知道要模仿什么声音、何时重复这些声音？

它们通过事先拥有相关的隐性理论来处理模糊性。或者不如说，它们的基因知道这些理论。进化把“模仿”的含义的某种隐性定义植入了鹦鹉的基因，对鹦鹉来说，这意味着把满足某些先天标准的声音记下来，在满足另一些先天标准的环境中重复这些声音。这会导致鹦鹉在生理学方面的一个有趣事实：鹦鹉的脑子里必须包含一套翻译系统，分析来自耳朵的神经信号，并输出信号使鹦鹉的声带发出同样的声音。这种翻译需要一些复杂计算，这些计算编码在基因里，而不是在谜米里。据认为这在部分程度上是通过一套基于“镜像神经元”的系统实现的。这些神经元在一只动物做出特定动作时激发，在这只动物看到其他动物做出相同动作时也会激发。人们已经通过实验在有模仿能力的动物身上找到了这些神经元。有些科学家相信人类谜米复制是模仿的复杂形式，他们倾向于认为镜像神经元是理解人类头脑的各种功能的关键所在。不幸的是，这是不可能的。

人们不知道鹦鹉为什么会进化出模仿能力。这在鸟类中间是一种很常见的适应性，其作用可能不止一种。但是不管原因是什么，对我们当前谈论的话题来说，重要的是鹦鹉从来不能选择模仿哪种声音、模仿声音时要做什么。门铃声和狗吠声可能会碰巧提供满足天生标准的条件，触发鹦鹉的模仿行为，而且当它们模仿的时候，总是在模仿事物的同一个方面：声音。于是，它解决这种无穷的模糊性的方式就是，根本不做什么选择。它在这些条件下不会忽视狗叫声，也不会模仿狗摇尾巴，因为除了植入其镜像神经元系统的标准，它没有能力想到别的标准。它们没有创造力，并且靠着缺乏创造力来忠实复制声音。这很像人类在静态社会中的情形，除了一个关键区别之外，我下面会解释。

现在想象一下，有一只鹦鹉听过波普尔的课，学会了波普尔喜欢用的一些句子。在某种意义上，它“模仿”了波普尔的部分思想，一名对此感兴趣的学生原则上可以通过听这只鹦鹉讲话来学到这些思想。但鹦鹉只是把谜米从一处传播到另一处，所做的事并不比讲堂里的空气所做的更多。我们不能说鹦鹉获得了这些谜米，因为在这些谜米可能引发的无数行为中，它只会再现其中的一种。这只鹦鹉凭记忆来学习这些声音，它接下来的行为（比如对问题的回应）不会与波普尔相像。它拥有了谜米的声音，但不曾拥有谜米的含义。而含义——即知识——才是复制因子。

鹦鹉对它模仿的声音里的人类含义浑然不知。如果它听到的不是哲学课而是油炸鹦鹉食谱，也会热情地向任何愿意听的人学舌。但它对声音的内容并非浑然不知——它不同于机械的录音机。相反，鹦鹉既不会无差别地记录声音，也不会随机播放声音。它们天生的标准隐含地为它们听到的声音赋予了意义，只不过这种意义永远只是从同一套狭窄的可能性中选择出来的：例如，如果鹦鹉学舌的进化功能是创造出独特的叫声，那么它听到的每个声音要么是可能的独特叫声，要么不是。

类人猿能识别的可能含义比鹦鹉要多得多。其中有些含义相当复杂，以至于人们经常把类人猿的模仿行为错误诠释成与人类相似的认识的证据。例如，如果一只类人猿学到了用石头砸开坚果的新方法，它不会像鹦鹉那样盲目地按固定顺序重复这套动作。砸开坚果所需的动作每次都不一样：类人猿要用石头瞄准坚果；如果坚果滚走了，它可能必须去追赶它，把它捡回来；它必须不停地砸，直到坚果裂开，而不是砸固定的次数；如此种种。在该过程的某些阶段，类人猿的两只手必须合作，每只手完成一项不同的次级任务。在它开始砸坚果之前，必须能够识别出适合砸的坚果；它必须寻找石头，同样地识别出适合用来砸的石头。

这类活动可能看上去依赖于解释——依赖于理解这个复杂行为里的每个动作怎样与其他动作契合以实现整体目的，以及为什么这样。但最近的发现揭示了类人猿怎样能够模仿此类行为而不创造任何解释性知识。进化生理学家和动物行为研究专家理查德·伯恩通过一系列杰出的观察和理论研究显示了，类人猿怎样通过一个他称之为行为解析的过程做到这一点（行为解析类似于语法分析，或人类语言和计算机程序的“解析”）。

人类和计算机把连续的声音流或字符流拆分成单个元素，比如词语，然后把它们看成是由更长的句子或程序里的逻辑连接在一起。同样，在行为解析中（在人类语言解析出现之前，行为解析已经进化了成百上千万年），一只类人猿把它看到的一连串行动拆分成独立元素，对其中每一个元素，它都已经（通过遗传）知道怎样模仿。这些独立元素可能是天生的行为，例如啃咬；也可能是通过试错学到的行为，例如抓住荨麻而不被刺到；也有可能是以前学到的谜米。至于在不知其所以然的情况下用正确方式将这些元素连接在一起，人们已经发现，在每个已知的非人类复杂行为事例中，必要的信息都可以仅仅通过多次观察该行为、寻找简单的统计模式来获取——例如哪些右手动作通常会搭配哪些左手动作，哪些元素经常会被省略。这是一种效率非常低的方法，需要对行为进行大量的观察，而人类可以通过理解其目的来立即模仿这些行为。而且这种方法只允许用少数固定的方案把行为连接起来，因此只有相对简单的谜米能得到复制。类人猿可以立即模仿特定的独立动作，就是那些他们已通过镜像神经元系统获得了先验知识的动作，但它们学习一套涉及动作组合的复杂谜米要花好些年。然而这些谜米（以人类的标准看来只是平凡的简单把戏）有着巨大的价值，类人猿可以运用它们获取那些其他动物不得其门而入的食物来源，谜米进化使它们有能力更快地转向其他食物来源，比基因进化允许的快得多。

所以，一只类人猿（隐含地）知道另一只类人猿在“捡起一块石头”，而没有对这些动作进行无数其他可能的诠释，例如“在一个特定位置捡起一个物体”，因为捡起一块石头是它那套天生的可复制行为之一，而其他可能性不是。当然，情况也完全有可能是类人猿没有能力模仿“在一个特定位置捡起一个物体”的行为。注意，在这方面，类人猿不能模仿声音。它们甚至不能鹦鹉学舌（盲目重复声音），尽管它们拥有一套天生的复杂呼叫声，能够按遗传预先决定的方式发出这些声音、识别这些声音并据此采取行动。它们的行为解析系统没有进化出一套预先决定的翻译机制，用来把听到声音转变成发出同样的声音，因而它们无法模仿其他类人猿的声音。于是，在类人猿由谜米控制的各种行为中都没有特别定制的声音。

因此，在谜米复制的关键方面，模仿其他类人猿与鹦鹉学舌有着相同的逻辑：与鹦鹉一样，类人猿解决模仿时无穷的模糊性的方法，是已经隐含地知道它能够模仿的每个动作的含义。只有对自己能够模仿的动作，它才能把动作与一个意义联系起来，这确定了怎样在不同情形下执行“同样的”动作。类人猿谜米之所以能得到复制，而无须经历从另一只类人猿那里复制知识的不可能步骤，就是通过这种方式实现的。谜米的接收者立即认识到行为中每个元素的意义，它通过统计分析把这些元素联系在一起，而不是通过发现这些元素如何在功能上互相支持而把它们联系在一起。

人类获取人类谜米的做法与此大相径庭。听众在听讲座或孩子在学说话时，他们面临的问题几乎与鹦鹉学舌或类人猿模仿行为完全相反：他们观察到的行为有何含义，这正是他们努力想要发现的东西，而不是预先知道的东西。动作本身，乃至把动作联系起来的逻辑，在很大程度上是次要的，事后往往会被完全忘掉。例如，已经是成年人的我们，根本不记得学说话的时候具体说了什么样的语句。如果一只鹦鹉模仿了波普尔讲课时说的一些话，必然会用他的奥地利口音进行模仿，鹦鹉不可能不带口音模仿说话。但人类的学生很可能无法带着口音进行模仿。事实上，学生完全可能通过一堂课掌握了一个复杂谜米，却没有办法复述授课者所说的哪怕一句话，就算是课后马上复述也不行。在这种情况下，学生复制了谜米的含义（也就是它的全部内容），而根本没有模仿任何动作。就像我说的那样，模仿不是人类谜米复制的核心。

假设授课者多次提到一个特定的关键思想，而且每次都用不同的词语和手势来表达它，那鹦鹉（或者类人猿）的任务就比只模仿第一次难多了，学生的任务则容易多了，因为对人类观察者而言，每种不同的表达该思想的方法都会传递更多知识。或者假设授课者总是用同一种会改变含义的方式错误地表述，在最后进行一次更正。鹦鹉会模仿错误的版本，而学生不会。就算是授课者根本没有纠正错误，一位人类听众也很有可能理解授课者头脑中的想法，并且仍然不模仿任何行为。如果其他人对这堂课进行报道，但报道中存在严重误解，一位人类听众仍然可能通过解释报道者的误解和授课者的意图来察觉授课者本来是什么意思——就像一位魔术专家就算只听观众对他们看到的东西进行错误的描述，也能知道魔术技巧到底是怎么回事。

人类不去模仿行为，而试图去解释行为——去理解导致行为的想法，这是人类解释世界的一般目标中的一个特例。如果我们成功地解释了某个人的行为，并且认可导致行为的意图，我们就可能表现得与这个人“相似”。但如果我们不认可这些意图，就会表现得与这个人不相似。由于创造解释是我们的第二天性（或者不如说是第一天性），我们很容易把获得谜米的过程误解为“模仿我们看到的”。我们利用解释“看”透了行为，直达其中的含义。鹦鹉模仿特定的声音；类人猿模仿有限的一类特定的、有明确目的的动作。但人类并不会特地模仿任何行为。他们运用猜想、批评和实验来创造对于事物含义的好解释——这些事物包括其他人的行为、自己的行为、世界总体上的行为。如果我们最终表现得与其他人相似，那是因为我们重新发现了同样的思想观念。

这就是为什么观众在课堂上努力消化授课者的谜米时，不会试图面朝讲堂后方，或者以无穷多其他方式中的任何一种来模仿授课者。对于授课者的哪些东西值得模仿，他们拒不接受上述诠释，这不是因为他们像其他动物一样因为遗传的原因想不到这些诠释，而是因为这些诠释是对授课者行为的坏解释，以听众自己的价值观来看是坏思想。

两个难题答案相同

在这一章中，我提出了两个难题。第一个是为什么人类的创造力在几乎没有创新的情况下具有进化优势。第二个是人类谜米怎么可能得到复制，既然它们包含的内容是接收者永远观察不到的。

我认为这两个难题的答案是一样的：复制人类谜米的是创造力；创造力在进化的过程中被用于复制谜米。换句话说，它被用来获取已存在的知识，而不是创造新知识。但完成这两件事的机制是同一个，因此，通过获得完成前一件事的能力，我们自动拥有了完成后一件事的能力。这是延伸的一个重要例证，造就了几乎所有的人类独有事物。

获取谜米的人面临着与科学家相同的逻辑挑战。两者都必须发现一个隐藏解释。对前者而言，该解释是其他人头脑中的一个思想观念；对后者而言，是一种规律或一条自然法则。两者谁都不能直接触及这个解释，但都能获取可用来检验解释的证据，对前者是谜米持有者被观察到的行为，对后者是与法则一致的物理现象。

因此，人怎么可能把行为重新翻译成包含其含义的理论，这个难题与科学知识从哪里来的难题是一样的。谜米通过模仿持有者的行为来得到复制，这个错误与经验主义、归纳主义或拉马克主义的错误也是一样的。它们全都需要有一种自动把问题翻译成解决方案的方式（类似于行星运动的问题，或者怎样够到高树上的叶子的问题，或者怎样让猎物看不到自己的问题）。换句话说，它们假设环境（其形式是一种观察到的现象，或者比方说一棵很高的树）能“指示”头脑或基因组怎样面对挑战。波普尔写道：

归纳主义或拉马克主义的方法，着眼于来自外界或环境的指令这样一种观念。但批评的或达尔文主义的方法只允许来自内部的指令——来自结构自身内部……

我认为，不来自结构的指令是不存在的。我们并不是通过模仿来发现新事实或新效应，也不是通过观察以归纳方式来推断，也不是由来自环境的其他指示方式来获得。相反，我们用的是试验并消除错误的方法。正如恩斯特·贡布里希所说，“先制作，后匹配”，一个新的试验结构的积极产物先产生出来，再接受淘汰检验。

——《框架的神话》

波普尔也大可以这样写：“我们并非通过模仿来获取新谜米，也不是通过观察以归纳方式来推断，也不是由对环境的其他模仿方式或者来自环境的其他指示方式来获得。”人类谜米（即含义大部分没有在接收者头脑里预先确定的谜米）的传播只可能是接收者的一种创造性活动。

谜米同科学理论一样，不是从任何东西推演而来的。它们由接收者重新创造，是猜想性质的解释，在暂时被采纳之前要经受批评和检验。

这种创造性地提出猜想、批评和检验的模式，既然能产生明确的思想观念，也能产生隐含的思想观念。实际上所有的创造力都是这样，因为没有哪种思想观念能够完全明确表达。当我们提出一个明确猜想时，它也拥有隐含元素，不管我们是否意识到其存在。所有的批评也都是这样。

因此，就像在通用性的历史中经常发生的那样，人类的通用解释能力并不是为了某种通用功能进化出来的。它进化出来只是为了增加我们的祖先能获取的谜米信息量，加快获取的速度，提高精度。但鉴于进化做到这一点的最容易方式是，通过创造力赋予我们一种进行解释的通用能力，实际上它就是这么做的。认识论的这个事实不仅解决了我提到的两个难题，还从一开始就给出了人类创造力进化的原因，因而也给出了人类这个物种进化的原因。

实际情况必定与此类似。在早期的前人类社会里，只有非常简单的谜米，就是类人猿现在拥有的那一类谜米，虽然也许有着更丰富的可模仿的基本行为。这些谜米涉及实用事物，诸如怎样获取用其他方式无法得到的食物。这类知识的价值必定非常高，因而这准备好了现成的位置，供任何能减少复制谜米所需的努力的适应性去占据。创造力是占据这个位置的终极适应性。随着创造性增长，协同进化出了更多的适应性，例如记忆容量增加（用来存储更多谜米），更精细的运动控制，用于处理语言的脑部专门结构。于是，谜米的带宽（能够从一代人传给下一代人的谜米信息量）也增加了。谜米还变得更加复杂和精密。

这就是我们这个物种进化出来的原因和方式，也解释了为什么人类当初进化出来的速度很快。谜米逐渐主导了我们祖先的行为。谜米进化发生了，就像所有的进化一样，它永远是朝着忠实度更高的方向。这意味着越来越反理性。在某个时候，谜米进化实现了静态社会——应该是部落的形式。因此，创造力方面的所有增长始终没有产生出创新之流。创新仍然慢得让人察觉不到，虽然创新的能力正在迅速增长。

就算是在静态社会里，谜米也在进化，这是出于难以察觉的复制错误。它们进化的速度慢得让任何人都注意不到，难以察觉的错误无法被压制。谜米在总体上会朝着更忠实复制的方向进化，就像其他进化一样，从而使社会更加静态。

在这样一个社会中，违背人们对于合理行为的期待会导致人的地位降低，满足这些期待会使地位上升。这些期待可能来自父母、祭司、酋长、潜在的配偶（或者社会中任何控制着交配权的人）——他们大体上也遵从着社会的希望和期待。这些人的观点将决定一个人进食、生存和繁殖的能力，从而决定其基因的命运。

但人怎样去发现其他人的愿望和期待？这些人可能发出命令，但绝不可能具体指定他们期待的每个细节，更不要说关于怎样去实现这些期待的每个细节。一个人被命令做某些事（或被期待做某些事，比方说把这当作一种考虑给予食物或进行交配的条件）的时候，可能会想起曾看到一位已经受尊敬的人是怎样做同一件事的，然后可能努力去模仿这个人。为了有效地做到这一点，人必须理解这样做的意义是什么，然后尽力去实践它。一个人通过复制和遵循他的酋长、祭司、父母或潜在配偶关于人应当为什么而奋斗的标准，就有可能博得这些人的好感。一个人如果能复制整个部落关于什么东西有价值的思想观念，并照此行动，就有可能博得整个部落的好感。

因此，矛盾的是，要在静态社会里生活得好，创造力是必需的——让人的创新精神比其他人更少的创造力。知识少得可怜、只有靠压制创新才能生存的原始静态社会，就是这样产生了一种环境，非常有利于更强创新能力的进化。

在那些观察我们祖先的假想外星人看来，在创造力的进化开始之前，一个由拥有谜米的高级类人猿组成的社群，表面上看起来很像那些已经向通用性跳转的后代社群。后者只是拥有多得多的谜米，但使这些谜米忠实复制的机制应该发生了翻天覆地的变化。早期社群里的动物要靠缺乏创造力来复制其谜米，而人类虽然生活在静态社会里，却完全要依靠创造力来复制谜米。

就像所有朝通用性跳转的情形一样，跳转从渐变中突现出来的方式十分有趣，值得认真思考。创造力是软件的一种属性。正如我所说的，如果我们知道怎样编写（或进化）人工智能程序，现在就可以在我们的笔记本电脑上运行这样的程序。就像所有软件一样，该程序需要计算机拥有特定的硬件指标，从而能在一定时间内处理一定数量的数据。使创造力能够付诸实践的硬件指标，正好是创造力之前的谜米复制特别青睐的那些。最主要的一个指标应该是记忆容量，一个人能记住的东西越多，能实践的谜米就越多，实践谜米的精确度也越高。但可能还有其他的硬件能力，诸如镜像神经元，它用于模仿比类人猿更多的基本动作，例如语音的基本发音。语言能力的这种硬件辅助与更大的谜米带宽同时进化出来，是自然而然的事。因此，到创造力进化出来的时候，基因与谜米之间应当已经出现了重要的协同进化：基因进化出硬件以支持更多、更好的谜米，谜米进化得接手更多从前属遗传范围的功能，例如对配偶的选择、进食和战斗的方法，等等。因此我推测，创造力程序并非完全是天生的，它是基因与谜米的结合。虽在任何创造性程序出现之前，人类大脑的硬件就已经能够具有创造性（并且有感觉、意识以及其他各种东西）。考虑这段时期内一系列的头脑，最早能够支持创造力的头脑应当需要极其精妙的编程技巧，以便用勉强够用的硬件来实现这种能力。随着硬件升级，创造力的编程变得更容易，直到某个时刻容易得可以由进化轻松完成。我们不知道，在这段走向通用解释者的道路上，到底是什么东西在逐渐增长。如果我们知道的话，我明天就可以编出一个这样的程序。

创造力的未来

在布莱克摩尔和其他人认识到谜米在人类进化中的意义之前，对于到底是什么样的根本原因推动一种看上去很普通的类人猿迅速变成一个能解释和控制宇宙的物种，人们提出了各式各样的猜想。有些人提出是直立行走的适应性，它解放了前肢，结合与四指相对而生的拇指，专门从事操作。有些人提出气候变化青睐那些使我们的祖先更擅长利用多种环境的适应性。此外，就像我说的那样，性选择永远是解释快速进化的一个候补理论。还有“马基雅维利假说”，认为人类智能进化出来是为了预测其他人的行为，从而欺骗他们。还有假说认为，人类智能是类人猿模仿能力的适应性的加强版，我说过了这不可能是真的。不过，布莱尔摩尔的“谜米机器”观念应当是真实的，该观念认为人类头脑是为了复制谜米而进化。它之所以是真的，原因在于，不管是什么东西触发了任何此类属性的进化，创造力都必须同样进化出来。因为如果没有人类谜米（解释性谜米），就不可能有人类水平的思想成就；认识论法则指出，如果没有创造力，就不会有这样的谜米。

创造力不仅是人类谜米复制的必要条件，也是充分条件。耳聋、失明和瘫痪的人仍然能够或多或少甚至完全获取和创造人类思想观念。因此，要让人类拥有创造力，直立行走、精细动作控制、把声音解析成词语的能力以及任何其他的适应性都不是功能上必需的，虽然它们可能在为人类进化创造条件方面起到了历史作用。对于理解今天的人类是什么，它们也缺乏哲学上的重要性。今天的人类也就是人：创造性的通用解释者。

正是创造力造成了类人猿谜米和人类谜米之间的差异，类人猿谜米需要大量的时间和精力去复制，能够表达的知识本质上很有限，而人类谜米传播起来很容易，其表达能力是通用的。在这个意义上，创造力的开始就是无穷的开始。现在我们还没有办法分辨，创造力在类人猿中间开始进化的可能性有多大。但这个进化一旦开始，就会自动产生选择压力让它继续进行下去，并让其他有利于谜米的适应性随之出现。这种增长应当贯穿了所有的史前静态社会。

现在看来，我在前一章中描绘的静态社会的可怕之处，可以视作宇宙对人类搞的一个可怕的恶作剧。我们的创造力进化出来是为了增加我们能运用的知识，并且立刻有能力产生一条没有尽头的实用创新之流，但它从一开始就被创造力所保存的知识——谜米——所阻碍，无法做到这些。个人为了让自己变得更好而进行的奋斗，从一开始就被一种超级邪恶的机制引上了邪路，使他们的努力朝着完全相反的方向进行，去阻挠一切改进的企图，永远把众生困在粗陋、痛苦的状态中。只有几十万年之后的启蒙运动（天知道此前有过多少次错误的开始），才可能最终使人类能够逃出那种永恒，进入无穷。

术语

模仿——复制行为。它不同于人类谜米的复制，后者复制导致行为的知识。

“无穷的开始”在本章的意义

——创造力的进化。

——创造力的功能转变，从忠实保存谜米的原始功能，转向创造新知识的功能。

小结

乍看起来，创造力在人类进化过程中不会有用，因为知识的增长过于缓慢，不能使更有创造力的人拥有任何选择优势。这是一个难题。第二个难题是：既然不存在把复杂谜米从一个头脑下载到另一个头脑中的机制，复杂谜米怎么可能存在？复杂谜米并不指向特定的身体动作，而是指向规则。我们能看到动作，但看不到规则，那我们怎样复制规则？我们通过创造力复制它们。这解决了以上两个问题，因为创造力就是为了把谜米保持原样复制下去而进化出来的。这是我们这个物种得以存在的原因。

第17章 不可维持

南太平洋上的复活节岛之所以著名，主要是——说白了，仅仅是——因为岛上的居民在几百上千年前修建的巨石像。石像的用途不为人知，据认为与某种祖先崇拜的宗教有关联。第一批定居者可能早在公元5世纪左右就抵达此岛。他们建立了一个复杂的石器时代文明，该文明在一千年后突然崩溃。根据一些说法，岛上发生了饥荒、战争，还可能有人类的同类相食。人口下降到原有数量的极小一部分，文化消失了。

流行的说法是，复活节岛上的灾难是岛民自己招来的，部分是由于砍伐原先覆盖岛上大部分区域的森林。他们在消灭树木的同时，还消灭了大多数有用的物种。如果你依靠木材建造房屋，或者主要靠吃鱼为生，而渔船和渔网要用木材制作，则上述做法实在不明智。砍伐森林还带来了土壤侵蚀之类的连锁效应，加速破坏岛上居民所依赖的环境。

一些考古学家对此抱有异议。例如，特里·亨特的结论是，居民在13世纪才来到岛上，在森林被摧毁（他将此归咎于老鼠，而不是砍伐树木）期间，他们的文明继续发挥功能，直到与欧洲人接触带来的传染病摧毁了它。不过，在此我不想讨论流行理论是否准确，只想拿它当作一个常见谬误的例证——通过类推来讨论远远不那么狭隘的问题。

离复活节岛最近的人类居住地，是大约2000千米之外的皮特凯恩岛（博爱号[1]上的船员在那场著名的叛乱之后在此避难）。就算以今天的标准来说，这两个岛与其他地区的距离都非常遥远。不过在1972年，雅各布·布洛诺夫斯基来到复活节岛，为他那部杰出的电视系列片《人之上升》拍摄取材。他和剧组乘船从加利福尼亚州出发，航行了1.4万千米。当时他的身体很差，工作人员是把他抬到拍摄地点的，毫不夸张。但他坚持了下来，因为那些独特的石像对他来说是一个绝好的背景，适合用来传达这部片子的中心思想，该思想也是本书的主题，即我们的文明因为它取得进步的能力而在历史上独一无二。他希望颂扬我们这个文明的价值观和成就，并将后者归功于前者，同时把我们的文明与其他文明进行对比，后者由古代的复活节岛集中体现。

《人之上升》由博物学家大卫·艾登堡委托拍摄，他当时是英国电视频道BBC2的主管。四分之一个世纪之后，艾登堡已成为自然历史影片制作领域的元老，他带领另一个摄制组来到复活节岛，拍摄另一部电视系列片《地球的声明》。他也选择了这些面容冷峻的石像作为最后一幕的背景。唉，他传达的思想差不多完全与布洛诺夫斯基背道而驰。

这两位伟大的制作人在一些方面非常相似，包括富有感染力的惊奇感、清晰的表述和人道主义，但他们对这些石像的不同态度，直接昭示了他们在哲学上的差异。艾登堡把这些石像称为“令人惊叹的石像……生动地体现了曾经生活在这里的人们所拥有的技术和艺术技巧”。我很怀疑艾登堡到底有没有那么佩服这些岛民的技巧，在其他石器社会里，几千年前就有比这更高明的技巧了。我觉得他是出于礼貌，因为在我们的文化里，对一个原始社会的任何成就都大加赞赏，乃是社交礼节之所需。但布洛诺夫斯基不愿意遵从这种习俗。他说：“关于复活节岛，人们经常问：岛上的人是怎么来到这里的？他们来到这里是由于意外，这一点毫无疑问。问题在于，他们为什么不离开？”他可能还会问，为什么其他人没有跟上来与他们做生意（除了复活节岛之外，波利尼西亚的其他岛屿之间贸易非常活跃），或者打劫他们，或者向他们学习？因为他们不知道怎样去做。

至于说石像“生动地体现了……艺术技巧”，布洛诺夫斯基也根本没有提到。对他而言，这些石像只是生动地体现了失败，而不是成功：

关于这些石像（见图17-1）的关键问题是，他们为什么都一个模样？你看到他们坐在那里，就像第欧根尼坐在他的桶里，[2]用他们空荡荡的眼窝望着天空，看着太阳和星星经过头顶的天空，从来没有试图去理解它们。当荷兰人在1722年的复活节星期日发现这个小岛时，他们说这个地方足以成为人间天堂。但它并不是这样。人间天堂不是由这种空洞的重复制品构成的……这些冷冰冰的面孔，渐渐消散的薄雾中的这些呆板的躯体，表明这种文明没能在理性知识的上升之路上迈出第一步。

——《人之上升》（1973）

图17-1 复活节岛上的石像记录

这些石像全都是一个样子，因为复活节岛是一个静态社会。它从来没有迈出人类上升的第一步——无穷的开始。

岛上的数百座石像是在几个世纪的时间里陆续建造的，其中处在预定位置上的不到一半。其余的石像，包括最大的一座，都处于不同的完成阶段，有多达10%已经在专门修建的路上进行转运。对此也有许多各不相同的解释，但根据流行理论，这是因为就在他们永远停止建造石像之前，建造速度曾急剧加快。换句话说，当灾难逼近时，岛民们越发不努力去解决问题——因为他们不知道怎样解决——而是为他们的祖先建造更多更大（但基本上不会更好）的纪念碑。那些道路是用什么修建的？树木。

在布洛诺夫斯基制作他的纪录片时，关于复活节岛文明是怎样灭亡的，还没有具体的理论。但与艾登堡不同，他对此不感兴趣，因为他去复活节岛的整个目的就是指出我们的文明与另一类文明之间的巨大差异，后者就是与建造那些石像的文明相似的文明。他要传达的思想是，我们与他们不相似。我们迈出了他们未曾迈出的那一步。艾登堡的论述完全以相反的论调为基础：我们与他们相似，正跟随他们的脚步前进。因此，他把复活节岛文明与我们的文明进行了广泛的类比，特征对应特征，危险对应危险。

在地球上一个偏远的地方……可以看到关于未来情景的一个警示。当第一批波利尼西亚人到达这里时，他们发现了一个微型世界，这里有充足的资源来维持他们的生存。他们生活得很好……

——BBC：《地球的声明》（2000）

一个微型世界，正是这几个字让艾登堡万里迢迢来到复活节岛讲述它的故事。他相信复活节岛是对世界的一个警示，因为它本身就是一个出了问题的微型世界——一艘宇宙飞船地球号。它有着“充足的资源”来维持它的人口，就像地球看似有充足的资源来维持我们的生存。（想象一下，要是马尔萨斯知道地球上的资源在2000年还被悲观主义者称作是“充足的”，他会多么惊讶。）岛上的居民“生活得很好”，像我们一样。但他们在劫难逃，正如我们如果不改变自己的行为方式也会在劫难逃。如果我们不改变，“未来情景”是这样的：

曾经维持他们的古老文化被抛弃，石像倒塌。曾经富饶肥沃的微型世界，变成了荒芜的沙漠。

艾登堡同样为这种古老文化说了好话，说它“维持”了岛民（就像充足的资源维持岛民生存，直到他们无法可维持地使用这些资源）。他用石像的倒塌来象征文化的灭亡，仿佛在向我们发出未来灾难的警告；他还重申了他的微型世界比喻，把古代复活节岛的社会和技术与我们今天整个星球上的社会与技术进行比拟。

因此，艾登堡的复活节岛是宇宙飞船地球号的一个变种：“富饶肥沃”的生物圈和静态社会的文化知识，共同维持着人类的生活。在此背景下，“维持”是一个含糊得意味深长的词。它的意思可以是向人提供他们所需要的东西，但也可以是防止事物发生变化——这与前者差不多完全相反，因为压制变化通常不是人们所需要的东西。

当前在牛津郡维持人类生活的知识只在第一种意义上维持，它不会使我们每一代人都采取相同的传统生活方式。事实上它在阻止我们这样做。比较一下：如果你的生活方式只是让你建造一座新的巨大雕像，你以后可以完全与从前一样生活。这是可维持的。但如果你的生活方式让你发明了一种更高效的耕种方法，或者为一种夺去许多儿童生命的疾病找到疗法，它就是不可维持的。本来会死去的儿童活了下来，导致人口增长；同时，他们中间不再需要那么多人去田里耕作。生活再也不会跟从前一样了。你必须让这个解决方案成为生活的一部分，并着手解决它带来的新问题。正是由于这种不可维持性，气候比亚热带的复活节岛恶劣得多的不列颠岛，现有的文明维持的人口密度至少是复活节岛巅峰时期人口密度的三倍之多，生活水平也要高得多。可以说，这个文明拥有知识，知道怎样在曾经覆盖不列颠岛大部分区域的森林消失之后生活得很好。

复活节岛居民的文化在两种意义上都维持着他们。这是一个正常运作的静态社会的重要标志。它为居民们提供了一种生活方式，但也抑制了变化：它维持了他们一代又一代反复实行相同行为的决心。它维持了把森林（在字面意义上）置于石像之下的价值观。它维持了石像的形状以及建造更多石像的无意义工程。

而且，该文化中通过提供人们所需的东西来维持他们的那一部分内容，表现并不特别出色。其他石器社会能够从海中捕鱼、播种谷物，而不是把精力浪费在无休止地建造纪念碑上。而且，如果流行的理论是对的，那么复活节岛的居民在文明崩溃之前就开始死于饥饿。换句话说，该文化就算是在停止供养他们之后，仍然熟练地维持他们实行特定模式的行为，这种熟练是灾难性的。此外，它继续有效地防止人们通过唯一可能有效的方式解决问题，即创造性思维和创新。艾登堡认为这个文化曾经非常有价值，它的毁灭是一个悲剧。布洛诺夫斯基的观点则与我的观点接近，认为既然这个文化从来没有改进过，它能存续几百上千年才是一个悲剧，就像所有的静态社会一样。

从复活节岛的历史中得出可怕教训的，不是艾登堡一个人。它已经成为宇宙飞船地球号比喻的一个被广泛援引的版本。但教训背后的类比到底是什么？认为文明依赖于良好的森林管理，这种观念的延伸范围极小。但是，生存依赖于良好的资源管理，这种广泛诠释差不多等于没说：任何物理对象都可能被视作一种“资源”。而且，由于问题是可以解决的，所有的灾难都源于“资源管理不善”。古罗马统治者尤利乌斯·恺撒被刀刺死，[3]人们可以总结说，他的错误在于“铁管理不谨慎，导致体内的铁过量累积”。确实，如果他成功地使铁远离自己的身体，就不会（刚好）那样死去。但作为对于他怎样死去、为何死去的一个解释，这种说法完全没有抓住重点，十分荒唐。问题的有趣之处不在于刺死他的是什么东西，而是其他政治家怎样密谋用暴力手段除掉他并且获得成功。波普尔式的分析将着眼于如下事实：恺撒采取了严厉手段，使人们无法不使用暴力就把他赶下台。他们关注的另一个事实是，恺撒被除掉并未纠正这种压制进步的创新，反而加强了它。为了理解这些事件以及它们更广泛的意义，人们必须理解当时的政治、心理学、哲学，有时还有神学，而不是去关心刀子。复活节岛的居民可能是因为管理森林不善而遭到惨败，也可能不是。不过，如果他们确实因为森林管理问题而灭亡，相关的解释也不在于他们为什么犯了这种错误——问题是不可避免的——而在于为什么他们未能纠正错误。

我在前面说过，自然规律不可能对进步施加任何约束，第1章和第3章的论述表明，否认这一点相当于诉诸超自然。换句话说，进步是可维持的、无限期的。但是，这要通过采取特定思维方式和行为的人来实现，也就是启蒙运动特有的解决问题和创造问题的那一类思维方式和行为。这需要一个乐观主义的动态社会。

乐观主义的结果之一是，人们希望从失败中吸取教训，不管是自己的失败还是他人的失败。但认为我们的文明要从复活节岛居民在森林管理方面的失败中吸取教训，这种观念并不是根据我们的情形与他们的情形在结构上的任何相似之处推导出来的。因为他们实际上在所有的方面都没有取得进步。没有人指望根据复活节岛居民在医学上的失败来解释我们在治疗癌症方面遇到的困难，或者根据他们在理解夜空方面的失败来解释为什么量子引力理论对我们来说那么难以捉摸。复活节岛居民的错误，包括方法论错误与实际错误，都太过基本，对我们来说无关紧要。他们那糟糕的森林管理——假如这真的是毁灭其文明的原因——只是他们全面缺乏解决问题的能力的一个典型表现。如果我们研究他们那许多微小的成功，要比研究他们完全司空见惯的失败要好得多。如果我们能发现他们的经验法则（例如“石面覆盖”，用于在贫瘠的土壤上种植谷物），可能会找到有价值的历史学和人类学知识片段，甚至可能发现一些有实用价值的东西。但从经验法则中是得不出什么普遍结论的。要是一个原始静态社会的崩溃的细节关系到我们这个开放、动态、科学的社会面临的隐藏危险，那就太让人惊讶了，更不用说关系到我们要怎样应对这些危险。

那些可能拯救复活节岛文明的知识，我们在很多世纪以前就掌握了。六分仪可以让他们探险出海，带回新的树种和新的思想观念。更多的财富以及书面文化，可以让他们能从一场灾难性的瘟疫中恢复过来。但最重要的是，如果他们知道了我们的一些解决问题的思路，比如科学观念的雏形，将能更好地解决各种各样的问题。这些知识不能保证让他们安居乐业，就像对我们不能保证一样。然而，他们的文明由于缺乏一些我们早就发现的东西而毁灭了，这个事实不能成为对我们的“未来情况”的不祥“警示”。

这种以知识为基础解释人类事件的方法，遵循了本书的总体观点。我们知道，要实现任何不被物理规律禁止的物理转变（例如再造森林）都只是一个知道怎样去做的问题。我们知道，发现怎样去做是一个寻求好解释的问题。我们还知道，一次特定的追求进步的努力是否会成功，是高度不可预测的。事后追溯时可以判断出来，但无法预先知道。这样我们就明白了为什么炼金术士从来不能成功地进行嬗变：因为他们必须先懂得一点核物理学，而当时不可能有人懂这些。他们所取得的进步（这些进步促进了化学科学的诞生）很大程度上取决于炼金术士个人的想法，手边有哪些化学物质可用之类的因素并不重要。地球上几乎所有的人类居住区域，都存在着无穷的开始的条件。

生物地理学家贾雷德·戴蒙德在他的《枪炮、细菌与钢铁》一书中表达了相反的观点。他提出了他所谓的“终极解释”来说明人类历史在不同的大洲为什么如此不同。特别是，他试图解释为什么是欧洲人出航征服美洲、大洋洲和非洲，而不是反过来。在戴蒙德看来，历史事件中的心理学、哲学和政治在历史的大河中只不过是短暂的涟漪。历史进程与人类的思想和决策无关。具体来说，他认为，地球上的各大洲有不同的天然资源——不同的地理、植物、动物和微生物——抛开细节不谈，这一点解释了整个历史，包括人类创造出哪些思想观念、做出哪些决策，以及政治、哲学、刀剑和所有其他的东西。

例如，对于为什么美洲在欧洲人到来之前从未发展出技术文明，他的解释中有一部分是说，这是因为美洲缺乏适合驯养成驮畜的动物。

羊驼（见图17-2）原产于南美洲，自史前时代就被用作驮畜，因此戴蒙德指出，它们不是整个大陆的本地物种，只是安第斯山脉的本地物种。安第斯山脉为什么没有产生技术文明？印加帝国为什么没有发生启蒙运动？戴蒙德的看法是，由于其他的生物地理因素不利于这些事物产生。

共产主义思想家弗雷德里希·恩格斯对历史提出了相同的终极解释，并同样提出了羊驼的限制性。他在1884年写道：

图17-2 羊驼

东大陆……差不多有着一切适于驯养的动物……而西大陆，即美洲，在一切适于驯养的哺乳动物中，只有羊驼一种，并且只是在南部某些地方才有……由于自然条件的这种差异，两个半球上的居民，从此以后，便各自循着自己独特的道路发展……

——《家庭、私有制和国家的起源》

弗雷德里希·恩格斯，根据卡尔·马克思的笔记

但既然羊驼在其他地方也可以有用，为什么它一直“只是在南部某些地方才有”？恩格斯没有谈到这个问题。但戴蒙德认识到，这个问题“迫切需要解释”。因为除非羊驼没有输出到其他地方的原因本身就是生物地理原因，否则戴蒙德的“终极解释”就是错的。于是他提出了一个生物地理原因：他指出，一个不适合羊驼生存的炎热低地环境，把安第斯山脉与可能将羊驼用于农业的中美洲高原分隔开来。

但是我们又要问，为什么这样一个区域会成为阻碍驯养羊驼传播开来的屏障？商人来往于南美洲和中美洲之间已有几个世纪，他们可能会走陆路，也肯定走过海路。只要有长距离的贸易存在，思想就不必要在一路上每个地方都有用才能传播。正如我在第11章中所说的，知识有着独特的能力，可以瞄准一个遥远目标，让它发生翻天覆地的变化，而在它与目标之间的空间里不产生什么影响。那么，其中一些商人带几头羊驼到北方去卖，需要什么？需要的只是这么一个想法：想象力的一次跳跃，猜想如果一种东西在这里有用，那么它可能在那里也有用。还有承担投机风险与物质风险的魄力。波利尼西亚的商人们就是这样做的。他们走得更远，跨越了一道更难对付的天然屏障，携带的货物里包括活的牲畜。为什么没有南美洲商人想过要把羊驼卖到中美洲去？我们可能永远也不会知道——但这为什么一定要与地理有关？他们可能只是太习惯了自己做生意的方式。也许动物的新用途是犯忌讳的。也许有人尝试过这样的贸易，但每次都纯粹因为运气不好而失败了。但是，其中原因不管是什么，都不会是炎热地区形成了一道物理屏障，因为它没有形成屏障。

这些都是狭隘的考虑。从大局来看，阻碍羊驼传播的只可能是人类的思想和观点。如果安第斯人有波利尼西亚人的眼界，羊驼可能会传播到美洲各地。如果古代波利尼西亚人没有这样的眼界，他们可能从一开始就不会定居在波利尼西亚，生物地理解释就会把大洋的屏障当成这种现象的“终极解释”。如果波利尼西亚人更擅长远距离贸易，他们可能会把马从亚洲运到他们的岛上，然后运到南美洲——这一壮举可能不比汉尼拔把大象运过阿尔卑斯山[4]更令人佩服。如果古希腊启蒙运动能够持续下去，雅典人也许会率先定居在太平洋岛屿上，他们就会成为“波利尼西亚人”。或者，如果早期的安第斯人能找到办法繁殖出作战用的巨型羊驼，他们可能会在任何人想到驯养马之前就骑着羊驼去探索和征服，南美洲的生物地理学者将会解释说，他们的祖先之所以能够殖民全世界，是因为其他的大陆没有羊驼。

而且，美洲并不是总缺少大型四足动物。当第一批人类到达美洲时，有很多“大型动物”物种很常见，包括野马、猛犸象、乳齿象和其他象科成员。有些理论认为，人类捕猎使这些动物灭绝了。如果那些猎人中间有一个人有不同的想法，想在杀死这些野兽之前骑一骑它，会发生什么事？几代人之后，这种大胆猜想产生的连锁效应可能会造成这样的局面：骑着马和猛犸象的勇士部族如潮水一般通过阿拉斯加涌回旧大陆，重新征服它。他们的后代会把这归功于大型动物的地理分布，但真正的原因应该是某个猎人头脑里的某个想法。

在史前时代早期，人口数量很小，知识是狭隘的，改变历史的想法几千年才会产生一个。在那时候，一个谜米想要传播，只有靠一个人观察到身边的一个人在实践它，并且（由于文化的静态性）就算是这样也很少能传播开来。所以在那时候，人类行为与其他动物的行为相似，大部分的事情确实可以用生物地理学来解释。但是，抽象语言、解释、高于最低生存水平的财富、远距离贸易之类的发展，全都有潜力突破狭隘，从而使思想观念具有因果力。到历史开始被记录下来的时候，它早已成为思想观念的历史，远胜于作为其他任何事物的历史——虽然不幸的是，当时的思想观念仍然主要是自残的、反理性的那一类。在此后的历史中，再坚持用生物地理学来解释全部的历史，就需要很大的奉献精神了。

关于人类事物的机械性再阐释，通常不仅缺少解释能力，在道德上也是错误的，因为它们实质上否认了参与者的人类属性，只把他们和他们的思想当作自然环境的副作用。戴蒙德说，他写《枪炮、细菌和钢铁》一书的主要原因是，除非人们确信欧洲人的相对成功是出于生物地理学因素，否则他们总是会受到种族主义解释的诱惑。不过，这本书的读者们是不会同意的，我相信！如果戴蒙德研究一下古代雅典、文艺复兴、启蒙运动——所有这些通过抽象思想体现因果关系精髓的事物，他也会看不到有什么办法能将这些事件归因于思想观念和人类，而会理所当然地认为，要放弃对事件进行一种还原主义的、非人类化的再诠释，就必须采用另一种同样的再诠释。

在现实中，斯巴达和雅典之间的差异，或萨沃纳罗拉与洛伦佐·美第奇之间的差异，与他们的基因全无关系；东印度群岛居民与英国国民之间的差异也是如此。他们全都是人——通用解释者和建造者，但他们的思想观念不同。引发启蒙运动的也不是自然环境。说我们所处的自然环境是思想观念的产物，要准确得多。原始自然环境虽然充满证据因而也充满机遇，但里面一个思想观念也没有。只有知识能把自然环境转变成资源，只有人类能创造解释性知识，从而创造出称为“历史”的人类独有行为。

植物、动物和矿物之类的物理资源提供了机会，可能会激发新的思想观念，但它们从来不能创造观念，也不能让人拥有特定的观念。它们还会引发问题，但不会阻止人们找到解决这些问题的方法。火山喷发之类的重大自然事件可能会彻底消灭一个古代文明，不管受害者们想什么都没有用，但这种事是特例。通常，如果有人类能幸存下来思考，就有思维方式可以让他们改善自己的处境，然后进一步改善。不幸的是，正如我解释的，也有思维方式可以阻止所有这样的改善。因此，自文明开始以来以及更早的时候，进步的主要机遇和主要障碍都仅仅由思想观念组成。它们是整个历史的决定性因素。马、羊驼、燧石或铀的原始分布状况只能影响到细节，并且只能在人类对于怎样使用这些东西有了想法之后才能产生影响。思想观念和决策的影响几乎完全决定了哪些生物地理因素会影响今后的人类历史，会造成什么样的影响。

对一个静态社会来说，存续一千年是很长的一段时间。我们记得有些古代的大型中央集权帝国持续的时间比这更长，但这是一种选择效应：大多数静态社会都没有留下记录，它们必定要短命得多。一个很自然的猜测就是，其中大多数社会在面临第一个需要创造出全新行为模式的挑战时就毁灭了。复活节岛在地理位置上与世隔绝，自然环境相对适宜居住，这些因素可能帮助这个静态社会维持了较长的寿命。如果它面临着自然和其他社会的更多考验，将不会存在那么久。但就算是这些因素也仍然在很大程度上是人类因素，而不是生物地理因素，如果岛上居民知道怎样去进行远距离航海，该岛就不会“与世隔绝”。同样，复活节岛有多么“适宜居住”，取决于居民们知道什么。如果移民们懂得的生存技巧与我一样少得可怜，那他们在岛上连第一个星期都撑不过去。另一方面，如今有数千人生活在复活节岛上而不会饿死，并且没有森林——虽然目前他们在造林，因为他们想这么做，也知道怎么去做。

复活节岛文明崩溃了，因为人类不可能不遇到新问题，而静态社会在面临新问题时本质上是不稳定的。在南太平洋的其他岛屿——包括皮特凯恩岛上，也有文明兴起并衰落。这是该地区内历史全貌的一部分。而且从全局来看，上述现象的原因是，这些文明都面临他们没能解决的问题。复活节岛居民没能航行离岛，就像罗马人没能解决政府和平更替的问题。如果复活节岛上确实发生了森林灾难，它也不是打垮岛上居民的原因。真正的原因是，他们长期未能解决森林灾难带来的问题。如果这个问题没有终结他们的文明，最终还会有其他问题来终结他们的文明。把他们的文明维持在那种静态的、痴迷于建造石像的状态中，从来都不是一种可供他们选择的方案。他们唯一能够选择的是，文明要么痛苦地突然终结，毁掉他们那少得可怜的知识里的绝大部分，要么慢慢改变，变得更好。要是他们知道该怎么改变，可能就会选择后者。

我们不知道复活节岛文明在阻止进步的过程中犯下了什么样的可怕错误。但显然它的崩溃并没有使任何事物得到改善。事实上，暴政崩溃永远不足以带来改善。要持续创造知识，还要依靠特定类型的思想观念，特别是乐观主义，以及与之相关的批评传统。这类传统必须包含并保护一些社会和政治体制，在这样的社会中，人们会容忍一定程度上的异见和背离规范，教育实践不会完全扼杀创造力。这些事物中没有一样是能够轻易实现的。西方文明是实现这些东西的当前结果，这也是为什么它已经拥有了避免复活节岛式灾难所需的东西，就像我说的那样。如果它确实面临危机，这必定是某种其他危机，如果它崩溃了，将是以别的方式崩溃；如果它需要拯救，将必须用它自己独有的方式来拯救。

1971年，当时我还在上中学，参加了一次为高中生举办的题为“人口、资源、环境”的讲座，主讲人是人口学家保罗·埃利希。我不记得我预先想到过会在讲座上听到什么（在那之前我根本没听说过“环境”这个概念），但我完全没料到他会如此华丽大胆地直接展示悲观主义。埃利希直截了当地向他年轻的听众们描述了他们将要继承的人间地狱。好几种不同的资源灾难已经迫在眉睫，其中一些已经无法回避、为时已晚。在10年内，最多20年内，就会饿死数以十亿计的人。原材料会耗尽：当时正在进行中的越南战争，是为了争夺该地区的锌、橡胶和石油而进行的背水一战。（请注意，他的这个生物地理学解释多么漫不经心地排除了政治分歧导致冲突这一事实。）美国内地城市当时面临的困境，犯罪率上升，精神疾病，全都是一场巨大灾难的部分表现。埃利希把这一切都归结为人口过剩、污染和无节制地使用有限的资源：我们建造了太多的发电站、工厂、矿山、集约化农场，经济增长太快，远远超过了地球可以维持的限度。而且最糟糕的是，人太多了，这是所有其他不幸的根本原因。在这方面，埃利希步马尔萨斯的后尘，犯了同样的错误：根据对一个过程的预言来对另一个过程进行预测。于是他计算出，美国就算维持它在1971年的生活水平，也要把人口减少四分之三，减少到5000万人——这当然不可能及时完成。他说，全球人口过剩7倍，连澳大利亚也快要接近它能维持的人口上限，等等。

教授跟我们谈的是他的研究领域，当时我们没有什么根据可以质疑他的话。然而，不知道为什么，我们事后的谈话不像是一群刚刚被夺走未来的学生会谈的。我不知道其他人怎样，但我记得自己是在什么时候变得不再担忧。讲座结束时，一个女孩问了埃利希一个问题，具体细节我已经忘了，但问题的形式是“如果我们在几年之内解决了（埃利希描述的问题之一）会怎么样？这难道不会影响你的结论吗？”埃利希的回答非常干脆：我们怎么可能解决呢？（他不知道。）而且，就算我们能解决，这除了短暂地推迟灾难到来的时间，还能有什么用？到时候我们又该怎么办？

放心啦！当我意识到埃利希的预言等于是说“如果我们停止解决问题，就会大难临头”，我就不再觉得他的预言有多么让人震惊了，因为怎么可能会是别的样子呢？那个女孩就很有可能去解决她问到的那个问题，以及接下来产生的问题。不管怎样，肯定有人解决了那个问题，因为预定会在1991年降临的灾难还没有成为现实。埃利希预言的其他情景也没有成为现实。

埃利希认为，他在调查一颗行星的物理资源，预测其下降速度。事实上他是在预言未来知识的内容。他设想了一个只能运用1971年的最佳知识的未来，隐含地假设今后只能解决一批数量很少并且迅速减少的问题。而且，他用“资源枯竭”来表述问题，忽视了解释的人类水平，从而错过了他试图预测的事物所有重要的决定性因素，也就是：相关的人和体制是否拥有解决问题所需要的东西？或者更宽泛地说，解决问题需要什么？

几年后，一位学习环境科学（这在当时还是一个新学科）的研究生向我解释，彩色电视机是我们的“消费社会”即将崩溃的一个预兆。为什么呢？他解释说，首先，它毫无意义。电视机全部的功能都可以同样由黑白电视机来完成，花费几倍的成本去加上色彩，仅仅是“炫耀性消费”。这个词是经济学家索尔斯坦·凡勃伦在1902年杜撰出来的，比黑白电视机的诞生还要早20多年，它指的是为了向邻居炫耀而想要新物品。我的同事说，通过科学地分析资源限制条件，可以证明我们现在已经达到炫耀性消费的极限。彩色电视机所用的阴极射线管需要用元素铕来制造屏幕上的红色荧光粉。铕是地球上最稀有的元素之一，全球所有已探明储量只够制造几亿台彩色电视机。用完之后，电视机又会变回黑白的。但是更糟糕的是，想想看这意味着什么。从此以后世界上会有两种人：拥有彩色电视机的人和没有彩色电视机的人。对于其他正在消耗的东西，情形也是一样的。世界将有着永久的等级差别，精英们囤积最后的资源，过着华丽耀眼的生活，与此同时，为了在最后的年月里维持这种幻想的状态，所有其他人都必须在死气沉沉的怨恨中辛苦劳作。情况就这样发展下去，这是噩梦中的噩梦。

我问他怎么知道人们不会发现新的铕。他反问我，我怎么知道会发现，而且就算发现了，然后我们要怎么办呢？我问他，他怎么知道不用铕就无法生产彩色阴极射线管，他向我保证说这不可能，因为能有一种元素具有人们需要的属性已经是奇迹了。毕竟，大自然为什么要提供那些属性能对我们提供便利的元素呢？

我不得不承认这一点。元素的种类并不多，每一种元素只有几个能级可以用来发光。毫无疑问，物理学家们已经评估过它们了。如果最终结论是除铕之外没有其他办法可以制造彩色电视机，那就是没有其他办法。

然而，红色荧光粉的“奇迹”让我深感困惑。如果自然仅仅提供一对合适的能级，它为什么要刚好提供一对？我当时没有听说过微调问题（这在当时是个新问题），但这个问题的费解之处与它一样。实时传递精确的图像，是人们自然而然想做的事，就像快速旅行一样。如果物理规律禁止这样做，就像禁止超光速旅行那样，就没有什么好奇怪的。如果它们允许这样做，但只有人们知道怎么做才行，也很正常。但它们刚好允许这样做，就是一种经过微调的巧合。为什么物理规律会划下这样一条线，与一个碰巧对人类有技术重大影响的位置如此接近？这就好比地球的中心离宇宙的中心只有几千米一样，看上去违反了平庸原则。

更让人困惑的是，就像真正的微调问题一样，我的同事认为存在许多这样的巧合。他的全部观点就是，彩色电视机只是一种现象的代表体现，该现象在许多技术领域里同时发生：最终极限正在迫近。我们为了达到看彩色肥皂剧这么无聊的目标，正在消耗最稀有的稀土元素的最后库存，同样地，所有看似进步的事物，其实都只是在疯狂开采地球上最后的资源。他相信，20世纪70年代是历史上一个独特而可怕的时期。

他在一个方面是正确的：直到今天，人们都没有发现其他生产红色荧光粉的方法。然而当我写下这一章的时候，眼前就有一个超级好的计算机显示器，它里面一个铕原子都没有。它的像素是完全由普通元素构成的液晶，也不需要阴极射线管。就算它需要阴极射线管也没关系，现在人们已经开采出足够多的铕，可供让地球上每个人都拥有十几个使用铕的显示屏，而且铕的探明储量比这还要多出几倍。

就在我那悲观的同事唾弃彩色电视技术、认为它无用而且注定要失败的时候，乐观的人们在发现制造彩色电视机的新方法，以及它们的新用途——他只花了五分钟去思考彩色电视机实现黑白电视机现有功能的能力，就排除了这些新用途。但对我来说，值得注意的不是他那失败的预言及其根本错误，也不是因为噩梦不曾发生而产生的轻松感，而是关于人是什么的两种观念之间的明显差异。在悲观主义的观念看来，人是浪费者，他们取得珍贵的资源，疯狂地将它们转换成没有用的彩色图像。这种说法对静态社会来说是正确的，那些石像才是无用而且注定要失败的，就像我同事心目中的彩色电视机——将我们的社会与复活节岛的“古老文化”进行比较之所以完全错误，就是因为这一点。在乐观主义的观念看来（事实证明这种观念是正确的，人们没有预料到这一点），人类是问题的解决者，能创造出不可维持的解决方法，并带来新的问题。悲观地看，人的这种独特能力是一种疾病，其治疗手段是可维持性。乐观地看，可维持性是一种疾病，其治疗手段是人类。

从那时起，出现了多种全新的工业，利用着伟大的创新浪潮，对其中许多行业——从医疗成像到视频游戏、桌面出版、自然纪录片（如艾登堡的作品），事实都证明彩色电视技术非常有用。而且，完全没有出现黑白电视机与彩色电视机用户之间永久的等级差异，黑白电视技术现在实际上已经过时了，阴极射线管电视机也是。现在的彩色显示器非常便宜，可以作为营销手段随杂志免费赠送。所有这些技术都没有在人群中制造分裂，它们本质上崇尚平等，把以前阻止人们获得信息、观点、艺术和教育的许多根深蒂固的障碍扫荡一空。

反对马尔萨斯观点的乐观主义者往往热衷于强调，所有的恶都源于缺乏知识，而问题是可以解决的，他们在这一点上很正确。对于灾难的预言（比如我前面描述的那些灾难）确实彰显了这样一个事实，那就是预言式思维方式不管看上去可能多么有道理，都是错误的，而且本质上带有偏见。不过，预期问题总是会得到及时解决以避免灾难，同样是错误的。事实上，马尔萨斯主义者更深刻、危险的错误在于，他们声称有办法避免资源配置灾难（也就是说可维持性）。这种观点也否认了我建议大家刻在石头上的另一条伟大真理：问题是不可避免的。

一个解决方案有可能在一段时期内、用于某种狭隘用途时不遇到问题，但没有办法事先确认哪些问题会有这样一个解决方案。因此，除了保持静态以外，没有办法防止新解决方案带来不可预见的问题。但静态本身是不可维持的，历史上的每个静态社会就是证明。马尔萨斯不会知道，不起眼的、当时刚刚被人们发现的铀元素，最终会关系到文明的生死存亡，就像我的同事不会知道，在他有生之年，彩色电视机将会每天都在挽救生命。

因此，没有哪种资源战略能够预防灾难，正如没有哪种政治体制能够只带来好领导和好政策，也没有一种科学方法能只带来正确理论。但确实有些思想观念会导致灾难，众所周知，其中之一就是认为可以科学地规划未来。在以上三种情况下，唯一合理的策略是根据它们的纠错能力来评价体制、资源和方法：废除坏政策，罢免坏领导，淘汰坏解释，从灾难中恢复过来。

例如，在20世纪的进步带来的巨大胜利中，有一项是抗生素的发现，它终结了自古以来造成痛苦和死亡的多种瘟疫和地方性疾病。然而几乎是从一开始，那些批评“所谓的进步”的人就说，由于耐药病原体的进化，这一胜利可能是暂时的。这一点经常被放在更广大的意义上，用来控诉启蒙运动的狂妄自大。这种观点认为，在与细菌和它们的武器（也就是进化）对抗的战争中，我们只要输掉一场战斗就会大难临头，因为我们其他的“所谓的进步”，诸如廉价的全球航空旅行、全球贸易、大量的城市，使我们在全球传染病面前比过去更加脆弱，这样一场传染病的毁灭性可能超过黑死病，甚至可能导致人类灭绝。

但是所有的胜利都是暂时的。因此，用这个事实来把进步重新诠释为“所谓的进步”，属于坏哲学。依赖特定的抗生素是不可维持的，这一事实只能用来控诉某些人的观点，他们期待一种可维持的生活方式。但事实上不存在这样的东西，只有进步是可维持的。

预言式的做法只能看到有可能推迟灾难的方法，也就是提高可维持性的方法：大幅减少和分散人口，使出行变得困难，抑制不同地理区域之间的接触。一个这样做的社会，没有能力负担研发抗生素的科学研究。该社会的成员会希望他们的生活方式能替代抗生素保护他们，但是请注意，人们尝试这种生活方式时，它没能预防黑死病。它也不能治愈癌症。

预防和拖延战术是有用的，但在可行的未来战略中，它们只能占一小部分。问题是不可避免的，当预防和拖延战术失败时，生存迟早要依赖于对抗问题的能力。显然，我们需要努力寻求治疗方法，但只能针对已经了解的疾病做这种努力。所以，我们要有能力去处理未曾预见、无法预见的失败。为此，我们需要一个庞大而充满活力的科研共同体，它对寻求解释和解决问题有兴趣。我们需要有财富来为它提供资金支持，还需要有技术能力把它的发现付诸实践。

气候变化问题也是如此，该问题目前有很大争议。我们面临的前景是，技术产生的二氧化碳排放将使大气平均温度升高，其有害影响包括干旱、海平面上升、农业破坏、部分物种灭绝。预测认为，气温上升的这些有害影响超过了有利影响，后者包括粮食产量上升、总体上促进植物生长、冬季死于低温的人数减少。目前，人们还等待着最强大的超级计算机对地球气候的模拟结果，以及经济学家们关于这些计算结果意味着下个世纪经济会怎样的预测，来决定意在减少二氧化碳排放的数以万亿美元计的资金，以及大量的法律和体制变化。根据以上讨论，我们应该注意到与该争议及其背后的问题有关的几件事。

首先，到目前为止我们还是很幸运的。不管流行的气候模型准确度如何，有一点在物理规律上是没有争议的，并且无需任何超级计算机或复杂模型就能得出结论，那就是，这样的排放必然将最终导致使气温上升，后者最终将是有害的。那么考虑一下：如果相关参数略有不同，灾难到来的时刻是1902年（凡勃伦的年代），当时的二氧化碳排放已经比启蒙运动之前高了几个数量级。那么，灾难会在任何人能预见到它或者知道是怎么回事之前发生。海平面会上升，农业会被破坏，数以百万计的人开始死去，还会有更糟糕的事接踵而来。那时的重大问题不会是怎样预防这场灾难，而是怎样应对。

他们那时候没有超级计算机。由于巴贝奇的失败和科学界的错误判断——也许最重要的是，由于他们缺乏财富——他们完全不具备自动计算的关键技术。机械式计算器和满屋子的计算人员是不够的。但更糟糕的是，他们几乎没有大气物理学家。事实上，当时各种各样的物理学家加起来，人数也只是今天专门研究气候变化的物理学家的零头。从社会的角度看，物理学家在1902年是一种奢侈品，就像彩色电视机在20世纪70年代是一种奢侈品。但是，要从灾难中恢复过来，社会需要更多的科学知识、更多更好的技术，也就是说更多的财富。例如，在1900年，建造海堤以保护一个低地岛屿的海岸，所需要的资源非常庞大，只有那些大量集中了廉价劳动力或巨额财富的岛屿才负担得起，就像荷兰那样，由于造堤技术，该国大部分人口已经生活在低于海平面的地区。

这个挑战很容易通过自动化来应对，但当时的人们没有能力用这种方式来处理它。那时候所有相关的机器都动力不足、性能不可靠、价格奇高，也不可能大批量生产。为了在巴拿马修建一条运河付出的巨大努力刚刚失败，[5]牺牲了成千上万的人，损失了大量金钱，原因是技术和科学知识准备不充分。而且，当时的世界总体上拥有的财富以今天的标准看来少得可怜，这加重了上述问题。今天，几乎任何沿海国家都完全有能力进行海岸防御工程，为寻找海平面上升的其他解决方案多争取了几十年时间。

如果一个解决方案都没找到，我们到时候该怎么办？这是一个类型完全不同的问题，它引出了我对气候变化争议的第二个观察，那就是，虽然超级计算机模拟是在（有条件地）预测，经济展望就几乎纯粹是预言。因为我们可以预期，未来人类应对气候变化的能力，将在很大程度上取决于他们在创造新知识处理问题方面有多么成功。所以，将预测与预言进行比较，将导致同样的老错误。

再假设那场灾难在1902年已经降临，想想科学家们将会对20世纪的二氧化碳排放做出什么样的预测。他们假设能源消耗将大致像过去一样呈指数增长（这个假设是靠不住的），估算由此导致的排放量增长。但这个估算没有把核能的效果包括在内，也不可能包括，因为当时放射性本身还只是刚刚被发现，要到20世纪中叶才会被用来发电。但容我假设他们不知何故就是能预见到这一点。那么他们可能会修改对二氧化碳的预测，得出结论说，排放量很容易在世纪末恢复到1902年的水平以下。但这只是因为他们无法预见到反核能运动，该运动使核能在成为重要减排因素之前就停止了扩张（具有讽刺意味的是，用的是环境方面的理由）。如此种种。人类的新想法（包括好的和坏的）这个不可预测的因素，一次又一次使科学预测变得无用。现在对下一个世纪的预测也必定是这样，而且更加是这样。这引出了我对当前争议的第三个观察。

人们目前还不是非常清楚大气温度对二氧化碳浓度有多敏感，即给定的浓度增幅会导致气温上升多少摄氏度。这个数字在政治上很重要，因为它关系到这个问题有多紧迫，敏感度高意味着紧迫度高，敏感度低则相反。不幸的是，这导致政治争论被一个次要问题所主导：迄今的升温在多大程度上是“人类的”（由人类造成的）。这就好比人们在争论应对下一次飓风的最佳准备措施时，大家一致认为只需要准备应对由人类造成的飓风。各方似乎都觉得，假如事实表明气温的随机浮动将要导致海平面上升、破坏农业、毁灭物种等，那么我们的最佳方案就是微笑着忍受。或者如果升温有三分之二由人类造成，我们就不应该去减缓另外三分之一的升温的影响。

试图预测我们对下个世纪环境的影响，然后让所有的决策都围绕着这个预测来优化，这样做是行不通的。我们无从知道要削减多少排放量，或者减排会产生何种影响，因为我们无从知道未来的发现，这些发现会使我们今天的某些行为显得很明智，有些则适得其反，还有些无关紧要；也无从知道纯粹的幸运会怎样给我们提供帮助或拖后腿。使可预见的问题推迟发生的战术可能会有用，但它们不能替代如下做法，并且相对于该做法必须居于次要地位：增强我们在事件以出乎意料的方式发生之后进行干预的能力。如果二氧化碳导致变暖的发展没有出乎我们的意料，也会有别的事是这样的。

我们确实没有预见到全球变暖的灾难。我之所以称其为灾难，是因为流行理论认为，我们的最佳选择是通过大笔花钱和在全世界范围内严厉约束行为来阻止二氧化碳排放，随便用什么合理标准来看，这都已经是一场灾难了。我说人们没有预见到它，是因为我们现在认识到它在1971年我去听那个讲座的时候已经开始了。埃利希确实告诉我们，气候的迅速变化很快就会摧毁农业，但他当时说的变化是全球变冷，由烟雾和超音速飞机凝结的尾迹造成。当时已有科学家提出了气体排放导致变暖的可能性，但埃利希认为这不值得一提。他对我们说，证据表明总体的变冷趋势已经开始，该趋势将持续下去，带来毁灭性的后果，虽然长期而言它可以因为工业的“热污染”而逆转（与我们重点关注的全球变暖相比，热污染的影响要弱许多）。

常言道，预防即治疗。但是只有知道了要预防什么，才能够进行预防。任何防范措施都无法规避我们没有预见到的问题。为了准备应对这些问题，我们别无他法，只能靠增强我们在事情出问题时把它带回正确轨道的能力。试图永远靠纯粹的运气来避免坏结果，只会注定让我们以失败告终，没有复苏的手段。

世界正忙着讨论几乎不惜代价地强制减排的计划，但人们本应该更多地讨论降低温度的计划，或者是在更高气温下繁荣发展的计划，而且不应该不惜代价，而要高效低价。已经有了一些这样的计划，比如通过多种手段消除大气中的二氧化碳，在海洋上空产生更多的云来反射阳光，促使水生生物吸收更多的二氧化碳。目前这方面的研究投入还非常少。超级计算机、国际条约和巨额金钱都没有专注在这方面。在人类应对气候变暖问题或类似问题的努力中，这类方案并不是核心。

这样做很危险。目前还没有重要迹象表明我们会退回到可维持的生活方式，但仅仅这种渴望就是危险的。我们会渴望什么？强行把未来世界变成我们心目中的样子，无休止地重复我们的生活方式、误解和错误。但如果我们改而进行一趟没有尽头的创造和探险旅程，其中每一步在被下一步补救之前都是不可维持的，如果这成为我们的社会中流行的价值观和渴望，那么人之上升——即无穷的开始将至少成为可维持的，如果不是稳如泰山的话。

术语

人之上升——无穷的开始。此外，雅各布·布洛诺夫斯基的《人之上升》是本书的灵感源泉之一。

维持——这个词有两个几乎是相反的但经常被混淆的含义：为人们提供他们所需要的东西，或防止事物发生改变。

“无穷的开始”在本章的意义

——拒绝把（表面上的）可维持性当作一种渴望，或者对计划的约束条件。

小结

静态社会最终失败，是因为它们无法迅速创造知识的特性必定会把一些问题变成灾难。因此，把这类社会与今天西方的技术文明进行比拟是错误行为。戴蒙德对不同社会的不同历史所做的“终极解释”是错的：历史是思想的历史，不是生物地理学的机械影响的历史。预防可预见灾难的战略最终必将失败，而且对不可预见的灾难连讨论一下都做不到。为了防备不可预见的灾难，我们需在科学技术方面取得迅速进步，还需要尽可能多的财富。

[1] 博爱号是英国海军1787年购买的一艘小型商船，被派往南太平洋塔希提岛执行运输任务。1789年4月28日，博爱号离开塔希提岛后不久，船上爆发叛乱，叛变的船员罢免并放逐船长，驾船前往皮特凯恩岛一带定居，博爱号被烧毁。小说《叛舰喋血记》及同名电影与此事有关。——译注

[2] 锡洛普的第欧根尼（约公元前412-前343），古希腊犬儒派哲学家，提倡清心寡欲，反对文明和享受，据称他住在一只木桶里。——译注

[3] 尤利乌斯·恺撒（公元前100-前44年），古罗马帝国末期政治家、军事家，于公元前44年成为终身独裁官。反对恺撒的元老院成员担心他称帝，密谋刺杀了他。——译注

[4] 公元前218年，在第二次布匿战争中，迦太基统帅汉尼拔在冬季带着步兵、骑兵和战象翻越阿尔卑斯山，攻打罗马本土。不过战象在翻越过程中损失严重，只剩下几头。——译注

[5] 1881年，法国实业家、苏伊士运河工程领导者斐迪南·德·雷赛布主持第一次巴拿马运河修建工程。由于设计失误、管理不善、热带病侵袭等原因，工程于1889年宣告失败。其间，疾病和事故导致约2.2万人死亡。——译注

第18章 开始

“这是地球。它不是人类永远和唯一的家园，只是一场无尽冒险的起点。你需要做的是做出决定（去终结静态的社会）。这个决定必须由你来做。”

（有了这个决定之后，）终结到来，永恒的终结。——然后就是无穷的开始。

——艾萨克·阿西莫夫：《永恒的终结》（1955）

第一个测量地球周长的人，是公元前3世纪的天文学家昔勒尼的埃拉托色尼。他的测量结果非常接近40000千米的实际值。在历史上大多数时候，人们一直认为这个距离非常巨大，但启蒙运动使这种观念逐渐改变，如今我们觉得地球很小。这主要是由两个原因造成的，一个是天文学，它发现了超级巨大的天体，与之相比，我们的星球确实小得不可思议；另一个原因是各种各样的技术，它们使全球旅行和通信成为家常便饭。地球相对于宇宙和相对于人类行动的尺度都变小了。

因此，对于宇宙的地理学以及我们在宇宙中的地位，流行的世界观已经摆脱了一些狭隘的错误观念。我们知道，对这个以前看来极为巨大的球体，人类已经探索了几乎它表面上所有的地方。但我们还知道，在宇宙中还有很多地方有待探索（在地球表面的陆地和海洋之下也是），比任何人想象的还要多得多，对这些地方我们仍然存在着狭隘的错误观念。

然而，在理论知识方面，流行的世界观还没有跟上启蒙运动价值观的脚步。由于预言的谬误和偏见，有一个顽固假设仍然存在，它认为我们现有的理论已经达到了可知事物的极限，或者非常接近这个极限——我们即将到达终点，或者正在途中。正如经济学家大卫·弗里德曼所说的，大多数人相信，比他们自己的收入高一倍的收入足以让任何理智的人满意，超过这一数量的钱不会带来什么实质好处。不仅财富如此，科学知识也是如此：很难想象我们所了解的东西比现在多出一倍会是什么情形，所以如果我们试图对此进行预言，就会发现我们所描述的只是现有知识之后的一丁点儿东西。连费曼在这方面都犯了一个不寻常的错误，他写道：

我觉得，今后一千年都肯定不会再有什么新奇事物了。现有情形不会一直持续下去，让我们不断地发现越来越多的新规律。如果确实能发现，这么多的一层又一层会令人厌倦……我们很幸运地生活在一个仍然能做出发现的年代。这就像发现美洲一样，你只能发现它一次。

——《物理规律的特性》（1965）

除了别的之外，费曼还忘了，自然的“规律”这个概念本身并不是一成不变的。正如我在第5章中提到的，在牛顿和伽利略之前，这个概念与现在不一样，它可能还会再次改变。解释的层次的概念在20世纪才出现，它今后也可能发生变化，假如我在第5章中做出的猜测正确的话。我的猜测是，存在着一些基本规律，相对于微观物理学，它们看上去是突现的。更普遍地说，大多数基础发现一直以来不仅包括新解释，还要运用新的解释模式，它们今后也将一直如此。至于说令人厌倦，这种说法只是在预言，评判问题的标准进化得不像问题本身那样快，但这只是想象力的失败，除此之外没有什么好说的。就算是费曼也无法回避这样一个事实：未来还不可想象。

在未来，我们必须一遍又一遍地摆脱这种狭隘主义。某个层次的知识、财富、计算机性能或物理尺度，在某个瞬间看来庞大得不可思议，但后来会显得少得可怜。而我们永远也不会达到一种没有问题的状态。就像无穷旅馆的客人一样，我们永远不会“到达终点”。

“到达终点”有两个版本。在凄凉的版本中，知识被自然规律或超自然意志束缚着，进步是暂时的阶段。虽然这种思想按我的定义是彻底的悲观主义，它的名字却是花样繁多，其中包括“乐观主义”，对于过去的大多数世界观，它都是其中的一部分。在乐观的版本中，所有剩下的无知都会很快被消除，或局限于无足轻重的领域。这种思想在形式上是乐观的，但越是仔细探究，它实际上就会显得越悲观。例如在政治方面，空想社会主义者们承诺，有限数量的已知改变就能让人类状况臻于完善。众所周知，这种想法是通往教条主义和专制的不二法门。

在物理学方面，想象一下，假如拉格朗日说的“世界体系只能被发现一次”是正确的，或者迈克尔逊关于1894年所有仍未发现的物理学只是“小数点后第六位”的说法是正确的。他们声称自己知道，今后所有对“世界体系”之下的事物感到好奇的人们，都只会是在徒劳地探究不可理解的东西；如果任何人对某个反常事物感到奇怪，怀疑某些基本解释包含错误观念，也都会是错的。

如果是这样，迈克尔逊的未来——也就是我们的现在——将极度缺乏解释性知识，缺乏到我们无法想象的程度。他当时已经知道的许多现象，如引力、化学元素的性质、太阳的光辉，都还没有得到解释。他声称，这些现象将永远只是事实或经验法则，人们会记住它们，但永远不会理解它们，也不会通过研究它们获得什么成果。对1894年存在的基础知识来说，它的每一个这样的前沿都是一道屏障，屏障之外的东西都是不能解释的。不会有原子内部结构之类的东西，不会有时间和空间的动力学，不会有宇宙学这样的学科，不会有引力或电磁方程的解释，不会有物理学与计算理论之间的关联……世界的最深结构将是一个不可解释的、以人类为中心的边界，刚好与1894年的物理学家们认为他们理解的边界重合。在边界以内，没有什么东西（比方说引力的作用力）会变成重大错误。

迈克尔逊当时开设的实验室再也不会做出什么非常重要的发现。在那里学习的每一代学生，都不会致力于比他们的老师更深入地理解世界，他们能向往的东西莫过于模仿老师——或者充其量为某个小数点后第六位已知的常数找到小数点后第七位。（但是怎样去找呢？如今最灵敏的科学仪器是根据1894年之后做出的发现研制的。）他们的世界体系将永远是不可知的海洋上一个微小、冰冻的解释之岛。迈克尔逊的“物理科学的基本规律和事实”不会像在现实中那样成为无穷地进一步理解世界的开始，而将成为理性在该领域里的垂死挣扎。

我怀疑，不论是拉格朗日还是迈克尔逊都不会觉得自己悲观。但他们的预言都意味着人类命中注定要陷入一种悲惨境地：不管你做什么都不会进一步理解世界。偏巧，他们本人都做出了足以让他们取得进步的发现，这种进步的可能性正是他们所否认的。他们本该追求这一进步，难道不是吗？但没有人能在自己感到悲观的领域里还能拥有创造力。

我在第13章末尾说过，值得追求的未来，应该是我们从错误观念向更好的（错误更少的）错误观念进步的未来。我经常想，假如我们从一开始就把理论称为“错误观念”，而不是在发现了新理论之后才把原来的理论称为错误观念，人们也许能更好地理解科学的本质。这样我们就可以说，爱因斯坦的引力错误观念是牛顿错误观念的改进版本，后者又是开普勒错误观念的改进版本。新达尔文主义进化错误观念是达尔文错误观念的改进版本，后者又是拉马克错误观念的改进版本。如果人们这样思考，也许就都会记得，科学从来不要求一贯正确或最终定论。

更实用地强调上述真理的方式也许是，把知识（所有知识，不仅是科学知识）增长表述成从问题到更好的问题的持续过渡，而不是从问题到解决方案，或从理论到更好的理论。这是我在第1章中强调的有关“问题”的积极概念。由于爱因斯坦的发现，我们现在的物理学问题比爱因斯坦本人的问题体现了更多的知识。他的问题立足于牛顿和欧几里得的发现，今天的物理学家们关注的大多数问题立足于20世纪的物理学发现，如果没有这些发现的话，这些问题就会成为无法理解的神秘事物。

对数学来说也是如此。虽然数学定理存在一段时间后很少会被证明为假，但数学家对基本原理的理解确实会加深。有些抽象概念起初被人们单独研究，但现在被当成更广泛的抽象概念的某些方面，或者以未曾预见的方式与其他抽象概念发生关联。因此，数学上的进步也是从问题过渡到更好的问题，就像其他领域的进步一样。

不管从哪个意义上说，认为我们的知识或其基础“即将到达终点”，这种狂妄都与乐观主义和理性格格不入。不过，全面乐观始终是很罕见的，预言式谬论的诱惑力很强，但总有例外。苏格拉底公开宣称自己极度无知。波普尔则写道：

我相信，努力了解世界是值得的，就算在努力过程中发现自己所知甚少……我们大家也许还应该记住，虽然我们在各种零星所知方面有所不同，但在无穷的无知中都是平等的。

——《猜想与反驳》（1963）

无穷的无知是知识存在无穷潜力的必要条件。拒绝接受我们“即将到达终点”的观点，是避免教条主义、停滞和专制的必要条件。

1996年，记者约翰·霍根的著作《科学的终结：在科学时代的暮色中审视知识的极限》引起了轩然大波。他在这本书中提出，所有基础科学领域里的终极真理——或者至少是人类头脑能够掌握的部分——都已经在20世纪被发现了。

霍根写道，他原来也认为“科学是没有终结的，甚至是无限的”。但他后来被一系列（我所称的）错误观念和坏论述说服，相信了与此相反的观点。他的基本错误观念是经验主义。他认为，科学与非科学领域（如文学批评、哲学和艺术）的区别在于，科学有能力客观地“解决问题”（通过将理论与实际情形进行比较），而其他领域对任何问题都只能产生多种互不兼容的诠释。他在两方面都是错的。就像我在这整本书中所解释的，在所有这些领域里都存在有待发现的客观真理，而都不存在最终结论或一贯正确。

从来自“后现代”文学批评的坏哲学那里，霍根接受了一种故意混淆的做法，将哲学与技术里可能存在的两种“模糊性”混为一谈。第一种是多种真实含义的“模糊性”，要么是作者有意为之，要么是由于思想观念的延伸而在。第二种是刻意的含糊、混淆、模棱两可或自相矛盾。第一种模糊性是深刻思想的属性，第二种则是深刻愚蠢的属性。把两者混为一谈，就是把最糟糕的艺术和哲学的特质归咎于最优秀的艺术和哲学。因为，根据这种看法，读者、观众和批评家可以对第二种模糊性赋予任何他们选择的含义，坏哲学宣称所有的知识都同样真实：所有的含义都是平等，没有哪种含义是客观真实的。于是，人要么陷入完全的虚无主义，要么认为所有的“模糊性”都是相关领域里的有益事物。霍根选择了后者，他把艺术和哲学划分成“反讽的”领域，因为同一陈述有多种互相矛盾的含义而具有讽刺意味。

然而，与后现代主义不同的是，霍根认为，在所有领域中，科学和数学是耀眼的例外，只有它们有能力产生非反讽的知识。但他得出结论说，也存在着反讽的科学——不能“解决问题”的科学，因为它们本质上是哲学或艺术。反讽的科学能够无穷无尽地持续下去，但这正是因为它不能解决任何问题；它永远发现不了客观真理。它仅有的价值存在于旁观者的眼中。因此，根据霍根的观点，未来属于反讽的知识。客观知识已经到达了它的终极边界。

霍根考察了基础科学中一些悬而未决的问题，认定它们全都要么是“反讽的”，要么不是根本性的，用以支持他的论点。但只要有他的前提，就会不可避免地得出这样的结论。考虑一下任何可成为根本性进步的未来发现会有什么样的前途。我们不知道它具体是什么，但坏哲学原则上已经可以把它分割成一条新的经验法则和一个新的“诠释”（或解释）。新的经验法则不可能是根本性的，它只会是另一个等式，只有受过训练的专家才能分辨它与旧等式之间的差异。新“诠释”按定义将只是纯哲学，因此必定是“反讽的”。通过这种方法，人们可以把任何潜在的进步抢先诠释成非进步。

霍根自己正确地指出，以前的预言失败不能证明他的预言是错误的。迈克尔逊对19世纪成就的看法错误，与拉格朗日对17世纪成就的看法错误，这些事实并不意味着霍根对20世纪成就的看法也是错的。然而，我们现有的科学知识恰巧包含了大量深刻的根本性问题，数量多得在历史上罕见。我们所知甚少并且极其无知，这一点在此前的人类思想史上从来没有这么明显过。因此，霍根的悲观主义不仅是预言错误，还与现有知识相抵触，这一点颇不寻常。例如，现今的基础物理学面临的问题情形与1894年有着完全不同的结构。尽管当时的物理学家认识到了一些现象和理论问题，我们现在将它们视作革命性的解释即将到来的预兆，但其重要性在当时并不清晰。那时人们很难把这些预兆与终将被现有解释厘清的反常现象区分开来，也很难将它们与“小数点后第六位”的调整或公式的微小变动区分开来。但今天我们没有理由否认，我们的问题中有一些是根本性的。我们最好的理论显示，它们自身与它们要解释的事实之间存在着重大差异。

最显眼的例证之一是，当前的物理学有两个基本的“世界体系”——量子理论和广义相对论，它们在根本上不一致。对于这种不一致性（称为量子引力问题），有许多描述方式，分别对应许多经过尝试但未获成功的解决建议。其中一方面是离散与连续之间自古以来的紧张关系。我在第11章中描述的解决方式，即一个有着不同离散属性的粒子的可互换实例构成的连续云，只有在时空本身是连续的情况下才成立。但如果时空受到云的引力影响，就会获得离散属性。

在宇宙学领域，在《科学的终结》问世后几年就出现了革命性进步，此后不久我就写了《真实世界的脉络》。当时在所有可行的宇宙理论中，宇宙膨胀都在引力影响下逐渐放慢，这一趋势在大爆炸的初始爆炸之后就开始了，并将永远持续下去。宇宙学家们当时正努力判断，宇宙膨胀速率是否足以使宇宙永远膨胀下去（就像超过了逃逸速度的抛射物），尽管它在放缓；还是说宇宙最终会在一场“大坍塌”中再次坍缩。人们认为只有这两种可能。我在《真实世界的脉络》中讨论了这两种可能性，因为它们与以下问题有关：一台计算机在宇宙的有生之年里能够执行的计算步骤，其数量是否有上限？如果有，那么物理学也会使人类能创造的知识总量——以计算形式进行的知识创造——具有上限。

大家首先想到的是，只有在不会再坍缩的宇宙里，才有可能进行无限的知识创造。然而分析表明实际情形正好相反：在不断膨胀的宇宙里，居民会没有能量可用。但宇宙学家弗兰克·提普勒发现，在特定类型的再坍缩宇宙里，大坍塌的奇点适合执行我们在无穷旅馆中用过的越来越快的伎俩：在奇点到来之前，受到引力坍缩本身不断增强的潮汐作用，可以在有限时间里完成无穷长的计算步骤序列。那时宇宙中的居民最终必须把人格上传到计算机里，这些计算机由类似纯粹潮汐的东西组成。对这些居民来说，宇宙将是永生的，因为在宇宙坍缩的过程中，他们的思考速度能无穷无尽地加快，同时把记忆存储在更小体积里，使访问时间可以无穷无尽地缩短。提普勒将这样的宇宙称为“终点宇宙”。当时的观察证据，与认为真实宇宙属于这种类型的理论一致。

目前宇宙学中正在发生的一小部分变革是，观测结果排除了终点模型。证据（包括一系列对遥远星系超新星的杰出研究）迫使宇宙学家们得出一个出人意料的结论，那就是宇宙不仅将永远膨胀下去，而且一直在加速膨胀。有东西在抵消宇宙的引力。

我们不知道那是什么。由于还没有发现一个好解释，这个未知原因被称为“暗能量”。对于它可能是什么，人们提出了几种说法，其中包括仅仅造成加速表象的效应。但目前表现最好的假说是，引力方程中还有一项，爱因斯坦于1915年提出了这样一个形式的项，但后来抛弃了它，因为他认识到自己对这个项的解释是坏的。20世纪80年代，人们把这个项作为量子场论的一个可能效应再次提出，但仍然没有哪个解释其物理意义的理论好到可以预测其数量级之类的东西。暗能量的性质和效应问题不是细枝末节，也没有什么东西显示它是深不可测的永恒奥秘。宇宙学作为一门基本完善的科学，也不过如此。

在遥远的未来，人们有可能利用暗能量，为永不停息的知识创造提供能量，具体情况取决于暗能量到底是什么。由于要跨越前所未有的遥远距离去收集这种能量，计算将会变慢。就像终点宇宙的居民注意不到加快一样，这个宇宙里的居民们注意不到变慢，因为他们也要以计算机程序的形式存在，其计算步骤的总量是无限的。因此，暗能量排除了知识无限增长的一种可能，却会为另一种可能提供字面意义上的动力。

新宇宙模型描述的宇宙在空间维度上是无限的。因为大爆炸发生在有限的时间以前，而且光速有限，我们将永远只能看到无限空间中有限的一部分，但这部分会不停地扩大下去。直到永远。因此，最终会有越来越不可能的现象进入我们的视野。当我们看到的事物总量达到现在的100万倍时，就会看到空间里存在着那些发生概率为百万分之一的事物，就像我们今天看到的那样。一切在物理上可能的事物都将展现出来：自发产生的手表，长得刚好像威廉·佩利的小行星，和所有的一切。根据目前流行的理论，所有这些事物今天就存在着，但与我们的距离太远，它们发出的光远远不能到达我们这里——目前还不能。

光在传播的过程中会变得暗淡，每个单位区域里的光子减少了。这意味着，要在更遥远的距离上探测一个给定对象，需要更大的望远镜。所以，我们能够看到多远的现象——或说多么不可能的现象，也许是有极限的，除非是某一类现象：无穷的开始。具体说来，任何以无限的方式开拓宇宙的文明，最终都将到达我们所在的位置。

因此，单一的无限空间，可以扮演微调巧合的人择解释所提出的无穷多个宇宙的角色。它可以通过某种方式把这个角色扮演得更好：如果一个文明能够诞生的概率不为零，则空间中必定有无穷多个这样的文明，它们最终会相遇。如果它们能从理论上估算此类文明产生的概率，就可以检验人择原理。

此外，人择原理不仅不需要所有这些平行宇宙[1]，还可以不需要物理规律的变种。回忆一下第6章，物理学中出现的所有数学函数都属于一个相对狭窄的类别——解析函数。它们有一个引人注目的性质：一个解析函数只要有一个点不为零，它在整个范围内就只能以孤立的点通过零。因此，“存在一个理论物理学家的概率”以物理常数的函数表达时，情形正是如此。我们对这个函数几乎一无所知，但确实知道它对至少一组常数来说不为零，那就是我们的常数。因此我们还知道，它对几乎任何常数值来说都不为零。对于几乎所有常数值的集合来说，它可能都微小得难以想象，但不管怎样，不为零。因此，几乎不管常数取什么值，我们这一个宇宙里就会存在无穷多的天体物理学家。

不幸的是，到了这里，微调的人择解释就把自己抵消了：不管有没有微调都存在天体物理学家。因此，人择原理在新宇宙学里比在旧宇宙学里更加不能解释微调，从而也不能解决费米问题“他们在哪里”。它有可能成为解释中必不可少的一部分，但永远无法独立解释任何东西。而且，就像我在第8章解释的那样，任何涉及人择原理的理论都必须提供一种量度来定义一个事物无穷集里的概率。人们还不知道在一个空间无限的宇宙里怎么做到这一点，宇宙学家们目前相信我们就生活在这样一个宇宙里。

这个问题的影响范围不止于此。例如，关于多重宇宙，有一种所谓的“量子自杀论”。假设你想中彩票，你买了一张彩票，然后设置一台机器，假如你没有中奖，机器会自动杀死你。于是，在所有你醒来的历史中，你都是赢家。如果没有挚爱亲友哀悼你，或者你有其他理由不想让大多数历史因你永远的死亡而受影响，你就通过该论点支持者所说的“主观确定性”安排了不劳而获。然而，这种应用概率的方式并不是像通常方式那样直接来自量子理论，它还需要另一个假设，即人在决策的时候应当无视那些决策者不存在于其中的历史。这与人择原理非常接近。人们对这类情况的概率论也不甚了解，不过我猜想这个假设是错的。

所谓的模拟论中有一个相关假设，该理论最有力的支持者是哲学家尼克·博斯特伦。这个假设是，在遥远的未来，我们所知的整个宇宙都将用计算机多次模拟（也许是为了科学或历史学研究的目的），有可能是无穷多次。因此，我们所有的实例几乎都在这些模拟中，而不是在原来的世界中。这样，我们就几乎肯定是生活在模拟中，说起来是这样。但这样把“大多数实例”与“几乎肯定”等同起来，真的能行吗？

为了稍微了解为什么这样不行，考虑一个实验。想象一下，假设物理学家发现空间实际上像酥皮点心一样分为许多层，每一处的层数各不相同，有些地方层与层分离，它们的内容也随之分离。不过，每层的内容都是一样的。于是，我们移动的时候，我们的实例在分离和融合，虽然我们感觉不到。假设伦敦所在的空间有一百万层，牛津只有一层，我在这两个城市之间频繁来往，有一天醒来时忘了自己在哪个城市。天黑着。我要不要赌自己更有可能在伦敦，就因为我在伦敦醒来的实例数量比在牛津多出一百万倍？我觉得还是不要的好。在这种情况下，对自身的实例数量进行计数，显然无助于判断需要用于决策的概率。我们应当对历史计数，而不是对实例计数。在量子理论中，物理规律告诉我们怎样通过量度来对历史计数。对于多重模拟，我不觉得有什么好论点可以用来对历史计数：它是一个开放的问题。但我不觉得，把对我的模拟重复一百万次能在任何意义上使我“更可能”身为模拟而不是原件。假如一台计算机用来在存储设备中代表一个比特信息的电子数量是另一台计算机的一百万倍，我是不是更有可能存在于前一台计算机而不是后一台“里面”？

模拟论引发的另一个问题是：我们所知的宇宙在未来真的会被频繁模拟吗？这样会不会不道德？今天存在的世界里有着巨大的痛苦，任何进行这种模拟的人都要为再创造这些痛苦而负责。或者他们不用负责？一种感受性的两个相同实例，与一个实例是一回事吗？如果是的话，创造这类模拟就不会不道德——不会比阅读一本关于过去痛苦的书更不道德。但在这种情况下，一个人的两个模拟要有多大差异，才能在道德方面算成是两个人？对此我也没有很好的答案。我猜想，只有能够产生人工智能的解释性理论才能回答这些问题。

还有一个与此相关但更尖锐的道德问题。用一台强大的计算机，用量子随机发生器随机把每个比特设为0或1（意味着0和1在历史上发生的量度相等）。这时，计算机存储器里所有可能的内容都存在于多重宇宙中，因此必定有这样的历史存在：计算机中包含一个人工智能程序——事实上是所有可能状态下所有可能的人工智能程序，达到计算机存储器所能容纳的上限。其中有一些程序与你非常相似，生活在一个与你的实际环境大体相近的虚拟现实环境中。（如今的计算机没有足够的存储容量来精确现实环境，但正如我在第7章中所说的，我确信它们模拟一个人绰绰有余。）也有一些人处在各种可能的痛苦状态中。那么我的问题是：启动计算机、让它在不同历史中同时执行所有这些程序，是不是错误的？是不是真的有人犯下最恶劣的罪行？还是说这样做仅仅是不明智而已，因为包含这种痛苦的所有历史的量度非常小？它是否清白无辜且无关紧要？

人择型推理还有一个更靠不住的例子，那就是世界末日论。它假设典型的人类大约处于所有人类序列的中途，试图据此估计我们这个物种的预期寿命。根据该假设我们应当预期，从过去到将来能够出现的人类总数，将是迄今已经出现过的人类总数的两倍。这当然是预言，仅仅出于这个原因，它就不可能成为一个有效论点，但让我来简短讨论一下它本身。首先，如果人类总数会是无穷大，这个说法就根本不适用，因为在那种情况下，每个得以出现的人类都将生活在序列的极早期。这意味着，我们处于无穷的开始。

此外，一个人的一生是多久？疾病和衰老很快就会被治愈——在今后几个一生的时间里肯定能实现。技术还将能为大脑的状态创建备份，在人死之后把备份上传到有着相同躯体的全新空白大脑里，由此避免凶杀或事故造成的死亡。一旦这种技术出现，人们就会觉得不频繁备份自己是极其愚蠢的，比在今天不频繁备份电脑要愚蠢得多。就算没有别的原因，仅仅是进化就能保证人们这样做，因为那些不备份自己的人会逐渐绝种。因此，只会有一种结果：对全人类来说非常不道德，因为当前这一代将是最后几代寿命短暂的人之一。这样的话，如果我们这个物种的寿命无论如何都是有限的，知道了从过去到将来能够出现的人类总数，也无助于确定寿命的上限，因为它不能告诉我们，在预言中的灾难到来之前，有潜力永生的未来人类能活多久。

数学家弗农·维格在1993年写了一篇有影响力的文章，题为《即将到来的技术奇点》。他在这篇文章中估计，大约30年内，人类就不可能预测未来的技术——这一事件被简称为“技术奇点”。维格把技术奇点的到来与人工智能的成就联系在一起，接下来的讨论完全围绕这一点来进行。我当然希望人工智能到时候能实现，但还没有看到我所说的必须先行的理论进步有实现的迹象。另一方面，我觉得没有理由单把人工智能看作一项突破现有模式的技术：我们已经有数十亿个人了。

技术奇点理论的大多数支持者认为，人工智能突破出现后不久，就能建造出超级人类头脑，然后就会像维格所说的那样，“人类的时代结束了”。但我对人类头脑通用性的讨论排除了这种可能性。由于人类已经是通用解释者和通用建造者，他们已经能够突破他们狭隘的起源，也就不存在超级人类头脑之类的东西。将来只会有进一步的自动化，使现有类型的人类思考速度加快，工作记忆容量更大，把“汗水”阶段委托给（非人工智能的）自动装置。在计算机和其他机械领域已经发生了许多类似的事，人类财富也得到了普遍增长，使能把时间花在思考上的人类数量增加了许多倍。确实可以预期这种情形会持续下去。例如，将来会有更加有效的人机接口，毫无疑问将以大脑附加组件的形式达到高潮。但互联网搜索之类的任务绝不会由速度超快的人工智能承担，不会让它们带有创造性地去扫描数以十亿计的页面、判断其中的含义，因为它们不会想干这样的事，就像人类不想一样。人工科学家、数学家和哲学家们也不会想要运用人类天生无力理解的概念或论点。通用性暗示着，在每个重要的意义上，人类和人工智能都完全对等。

同样，人们往往认为技术奇点是一个前所未有的动荡和危险的时刻，因为创新的速度太快，人类无法应对。但这是一种狭隘的错误观念。在启蒙运动的最初几个世纪里，人们一直觉得不断加快的迅速创新快要失控了。但我们应对和享受技术、社会、生活方式、道德规范等变革的能力也在增强，曾经妨碍变革的一些反理性谜米弱化或灭绝了。在未来，时间脚步加快和大脑附加组件及人工智能计算机的生产能力增加等因素导致变革加快时，我们应对这些事物的能力也将以相同或更快的速度增长：如果每个人的思考速度都突然快了一百倍，没有人会因此觉得匆忙。因此我认为，把技术奇点当成某种不连续性，这样的概念是错误的。知识将继续呈现指数增长或以更快速度增长，这就够惊人了。

经济学家罗宾·汉森提出，人类历史上已经出现过几个技术奇点，例如农业革命和工业革命。可以说，根据该定义，连早期的启蒙运动也是一个技术奇点。谁能料到，一个目睹了英国内战[2]（宗教狂热与绝对君权之间的一场血腥斗争）和1651年宗教狂热取得胜利的人，也会看到一个以自由和理性为主要特征的社会和平地诞生？例如，英国皇家学会成立于1660年，这个进展在一代人以前是难以想象的。罗伊·波特认为英国启蒙运动始于1688年，即“光荣革命”之时，由此开始了一个以宪政为主的社会，还有许多其他理性改革，是流行世界观这场深刻而惊人的迅速变迁的一部分。

而且，对于不同的现象，科学预测变得无能为力的时间点是不同的。对每一个现象来说，这个时间点是知识创造可能开始对人试图预测的东西产生显著影响的时刻。由于我们对此的估计也会是这样，我们必须真正理解，我们所有的预测都隐含着这样一个附带条件——“除非知识创造介入其中”。

有一些解释的确延伸到遥远的未来，远远超出多数其他不可预测事物的视界，其中之一就是这个事实本身，另一个是解释性知识的无限潜力——本书的主题。

试图预测任何超出视界的东西都是徒劳的（这是预言），但想知道这些东西不是徒劳。好奇心引发猜想，其中包含推测，后者并不是不理性的。事实上，它至关重要。每一个使未来变得不可预测的、极难预见的新想法都始于推测。每个推测都始于问题：与未来有关的、也可以是超越预测范围的问题——并且是有解决方案的问题。

在了解物理世界方面，我们的处境与埃拉托色尼在了解地球方面的处境非常相似。他能用很高的精度进行测量，而且对地球的某些方面非常了解，比仅仅几个世纪以前他的祖先们所知的多得多。他必定已经知道了诸如地球各地区季节之类的事物，虽然他没有证据。但他还知道，大多数存在的事物不仅超出了他在物理上可以到达的范围，也远远超出他的理论知识范围。

我们还不能像埃拉托色尼测量地球一样准确地测量宇宙。我们也知道自己有多么无知。例如，我们由通用性知道，人工智能可以通过编写计算机程序来实验，但我们不知道怎样去编写（或进化出）正确的程序。我们不知道感受性是什么，也不知道创造力怎样起作用，虽然我们所有人体内都有着感受性和创造力的活例子。我们在几十年前就知道了遗传密码，但不知道它为什么有着那样的延伸。我们知道，物理学两个最深奥的流行理论必定都是错误的。我们知道，人具有根本重要性，但不知道我们是否属于其中一员：我们可能会失败或放弃，宇宙中其他地方产生的智慧生物可能成为无穷的开始。还有我提到过的所有诸如此类的问题和许多其他问题。

惠勒曾经想象，在铺满地板的纸上写出所有可能是物理学终极规律的方程，然后：

站起来，看看所有这些方程，有的方程也许比别的方程更有希望。伸出手指命令它们“飞！”，没有一个方程会长出翅膀飞起来，或在天空中飞翔。然而，宇宙在“飞翔”。

——C.W.密斯那、K.S.索恩和J.A.惠勒：《万有引力》（1973）

我们不知道为什么宇宙在“飞翔”。那些在物理现实中得到具象化的规律与没有具象化的规律之间有什么差异？对一个人进行的一个计算机模拟（出于通用性的原因，它必定就是一个人）与该模拟的一份记录（它不可能是一个人）之间有什么差异？两个相同的模拟同时存在时，是存在两套感受性还是仅有一套？道德观是两套还是一套？

我们的世界比埃拉托色尼的世界更大、更统一、更复杂、更美丽，我们对这个世界的理解和控制程度，在他看来就像神明一般。然而，这个世界对我们而言与对他而言是同样的神秘和开放。我们只是在各处点燃了几支蜡烛。我们可以蜷缩在它们狭隘的光芒中，直到视野范围之外的什么东西消灭我们，但也可以反抗。我们已经看到，我们并非生活在一个毫无意义的世界里。物理规律有意义：世界是可解释的。存在着更高水平的突现以及更高水平的解释。数学、道德和美学中极为抽象的概念对我们来说是可理解的。有着巨大延伸范围的思想是有可能出现的。但世界上还有许多东西对我们而言没有意义，将来也不会有意义，除非我们找到纠正它们的办法。死亡没有意义。停滞没有意义。无尽的无意义之中一个有意义的气泡也没有意义。世界最终是否有意义，取决于人——与我们相似的人——选择怎样去思考和行动。

很多人厌恶各种各样的无穷。但有些事情我们别无选择。只有一种思维方式有能力取得进步或者长久生存，那就是通过创造力和批评寻求好解释的方式。我们要面对的东西，无论如何都是无穷。我们能选择的只有：是无穷的无知还是无穷的知识，是错误还是正确，是死亡还是生存。

[1] 容我提醒读者，这些推测成分很强的平行宇宙与量子多重宇宙里的宇宙或历史毫无关系，有大量证据表明量子多重宇宙的存在。严格地说，标准人择解释假定了无穷多个量子多重宇宙。——原注

[2] 英国内战是1642年至1651年间英国保皇派与议会派之间的一系列政治和军事冲突，议会派的主力是清教徒。1688年的光荣革命是一场不流血政变，议会废黜詹姆斯二世，邀请其女玛丽二世和女婿威廉三世共治英国，并确立了议会权力超过君主权力的君主立宪制。——译注

参考书目

推荐阅读

[1]Jacob Bronowski,The Ascent of Man (BBC Publications,1973)

[2]Jacob Bronowski,Science and Human Values (Harper & Row,1956)

[3]Richard Byrne,‘Imitation as Behaviour Parsing’,Philosophical

[4]Transactions of the Royal Society B358 (2003)

[5]Richard Dawkins,The Selfish Gene (Oxford University Press,1976)

[6]David Deutsch,‘Comment on Michael Lockwood,“‘Many Minds’Interpretations of Quantum Mechanics”’,British Journal for the Philosophy of Science 47,2 (1996)

[7]David Deutsch,The Fabric of Reality (Allen Lane,1997)

[8]Karl Popper,Conjectures and Refutations (Routledge,1963)

[9]Karl Popper,The Open Society and Its Enemies (Routledge,1945)

延伸阅读

[1]John Barrow and Frank Tipler,The Anthropic Cosmological Principle(Clarendon Press,1986)

[2]Susan Blackmore,The Meme Machine (Oxford University Press,1999)

[3]Nick Bostrom,‘Are You Living in a Computer Simulation?’,Philosophical Quarterly 53 (2003)

[4]David Deutsch,‘Apart from Universes’,in S.Saunders,J.Barret t,A.

[5]Kent and D.Wallace,eds.,Many Worlds?: Everett,Quantum Theory,and Reality (Oxford University Press,2010)

[6]David Deutsch,‘It from Qubit’,in John Barrow,Paul Davies and Charles Harper,eds.,Science and Ultimate Reality (Cambridge University Press,2003)

[7]David Deutsch,‘Quantum Theory of Probability and Decisions’,Proceedings of the Royal Society A455 (1999)

[8]David Deutsch,‘The Structure of the Multiverse’,Proceedings of the Royal Society A458 (2002)

[9]Richard Feynman ,The Character of Physical Law (BBC Publications,1965)

[10]Richard Feynman,The Meaning of It All (Allen Lane,1998)

[11]Ernest Gellner,Words and Things (Routledge & Kegan Paul,1979)

[12]William Godwin,Enquiry Concerning Political Justice (1793)

[13]Douglas Hofstadter,Gödel,Escher,Bach: An Eternal Golden Braid(Basic Books,1979)

[14]Douglas Hofstadter,I am a Strange Loop (Basic Books,2007)

[15]Bryan Magee,Popper (Fontana,1973)

[16]Pericles,‘Funeral Oration’

[17]Plato,Euthyphro

[18]Karl Popper,In Search of a Better World (Routledge,1995)

[19]Karl Popper,The World of Parmenides (Routledge,1998)

[20]Roy Porter,Enlightenment: Britain and the Creation of the Modern World (Allen Lane,2000)

[21]Martin Rees,Just Six Numbers (Basic Books,2001)

[22]Alan Turing,‘Computing Machinery and Intelligence’,Mind,59,236 (October 1950)

[23]Jenny Uglow,The Lunar Men (Faber,2002)

[24]Vernor Vinge,‘The Coming Technological Singularity’,Whole Earth Review,winter 1993

译后记

少年时读过一篇科幻小说，大意是某人特别崇拜莎士比亚，带了一批莎翁剧本穿越时空去寻找偶像，不料真正的莎士比亚是个毫无才气的卑劣小人，令他大失所望。结局是莎士比亚发现了穿越者留下的剧本，拿来抄袭，成了一代文豪。

我当时困惑地想“那么这些剧本到底是谁写的呢”，那些触动了不同时代不同地域万千观众心灵的语句和故事，不太可能自发产生。我不觉得我们这个物理世界具备了实现“无限只猴子在无限的时间里随机敲打键盘写出莎士比亚全集”的条件。就算把穿越者和抄袭者放在不同的平行宇宙里，也仍需要回答作品最初来源的问题。

模仿《无穷的开始：世界进步的本源》这本书的说法，莎士比亚剧作体现了知识、创造力和客观的美。探寻这些东西的来源和本性，对充满好奇心的头脑有着特殊意义。

我没有系统地学过科学哲学，起初很犹豫要不要接下这本书的翻译工作。但大致浏览之后，发现它不是我想象中的枯燥论述，而是一场令人难以抗拒的思想风暴。它起源于一位物理学家的头脑，席卷了一些我思索过但不得要领的问题，同时揭示了一些我从未想到的问题，这些问题都带着某种“终极”色彩，可能会从根本上影响我看待现实世界的方式。对我而言，仔细研读一本外文书的最好途径，就是翻译它。

翻译过程是一次艰辛而刺激的旅行，我的思维跟着作者在不同的世界之间飞跃，时常体会到“哪里还会有其他可能呢”的惊喜，也时常因为背景知识不足而茫然无力。例如，旁观苏格拉底在梦中与赫尔墨斯谈论波普尔认识论时，我高兴得直拍桌子；看到佛罗伦萨的乐观主义被扑杀时，我心情难以平静，抓住朋友喋喋不休；但对于“物理世界是一个量子多重宇宙”，我实在不敢说自己理解了多少，只能说尽最大努力用中文重新表述了原文的内容。

感谢本书共同译者张韵的辛勤工作。虽然我们在翻译过程中竭尽全力，但难免还会存在一些疏漏之处，但愿这些错误不会对读者的思想旅程造成明显干扰。

王艳红

2014年9月22日

无穷的开始世界进步的本源（第2版）

科学新经典文丛

The Beginning of Infinity:

Explanations that Transform the World

旧思想方式不容许任何修正错误和错误观念的方法存在，因此，观念长期保持不变。科学的诞生，以及更广大范围内启蒙运动的诞生，是这个停滞、狭隘的观念系统的终结。它开启了人类史的当今时代，在持续、快速地产出延伸范围不断扩大的知识方面，这个时代是独一无二的。许多人疑惑，这种情形能持续多久？它是否有天然界限？或者，这是不是无穷的开始——也就是说，这些方法是否拥有继续产出知识的无限潜力？

科学从未有过像戴维·多伊奇这样的支持者……他的论述如此清晰，阅读他的作品是在体验地球上最高水平的讨论带来的兴奋……多伊奇是当代的伏尔泰，他用极为清晰的思维撕碎了错误观念。

——华威写作奖得主彼得·福布斯，《独立报》

多伊奇讲述了一个条理清晰、引人注目的故事，谈及多种多样的话题。你一旦接触他那非同寻常地新颖的世界观——或者也许是多重宇宙观，就无法再用原来的方式看待这些问题以及许多其他话题了。

——小说家、《走出围墙》和《编码宝典》的作者尼尔·史蒂芬森

一种闪闪发光的乐观主义……（多伊奇）又一次写出了一本非凡著作，其中充满伟大的思想，表达的清晰程度无与伦比。他论述说，解释的力量能够改变、已经改变并将继续改变我们的世界。这些宇宙级的思想非常了不起，带来的乐趣也是宇宙级的。

——记者蒂姆·拉福德，《卫报》

这本书确实能以一种独特的方式给人带来强烈的感受：它深入到了我们如何掌握宇宙真正奥秘这一问题的核心。

——PD.史密斯，《卫报》

多伊奇教我们怎样理解反直觉的东西可能是真实的，他教得如此成功，以至于这些反直觉的东西甚至可能变成直觉的。

——小说《大气干扰》的作者里夫卡·加尔亨，《纽约客》

科学新经典文丛

A Brief History of Creation:Science and the Search for the Origin of Life

生命的诞生：我们究竟来自哪里

[美]比尔·梅斯勒（Bill Mesler）　[美]H.詹姆斯·克利夫斯二世（H.James Cleaves Ⅱ）

张君　王烁/译

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

生命的诞生：我们究竟来自哪里/（美）比尔·梅斯勒（Bill Mesler），（美）H.詹姆斯·克利夫斯二世（H.James Cleaves Ⅱ）著；张君，王烁译.--北京：人民邮电出版社，2017.6

（科学新经典文丛）

ISBN　978-7-115-45207-8

Ⅰ.①生…　Ⅱ.①比…②H…③张…④王…　Ⅲ.①生命科学—研究　Ⅳ.①Q1-0

中国版本图书馆CIP数据核字（2017）第081517号

◆著　[美]比尔·梅斯勒（Bill Mesler）　[美]H.詹姆斯·克利夫斯二世（H.James Cleaves Ⅱ）

译　张君　王烁

责任编辑　刘朋

责任印制　陈犇

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptptress.com.cn

北京隆昌伟业印刷有限公司印刷

◆开本：880×1230　1/32

印张：10　　2017年6月第1版

字数：161千字　　2017年6月北京第1次印刷

著作权合同登记号　图字：01-2015-4665号

定价：45.00元

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目录

封面

扉页

版权信息

版权声明

内容提要

其它

推荐序

中文版序

引言

第1章 太阳的作用

第2章 不断地尝试

第3章 昆虫之眼

第4章 无神论者的实验室

第5章 生命的力量

第6章 造物主创造了最初的生命形式

第7章 梦想虽遥不可及但令人愉悦

第8章 找不到生命起源的痕迹

第9章 地球实验室

第10章 核酸的垄断

第11章 生命随处可见

第12章 一种最原始的生命形式

第13章 细胞诞生

后记

附录：生命的“食谱”

参考文献

致谢

插图出处

版权声明

ABrief Historyof Creation

Copyright©2016by Bill Meslerand H.James Cleaves Ⅱ

Simplified Chinese translation copyright©2017 by Posts&Telecom Press

Published by arrangement with W.W.Norton&Company,Inc.

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内容提要

生命来自哪里？或者说，生命是如何诞生的？千百年来，这个问题一直困扰着人们。在本书中，作者从古埃及时代开始讲起，追溯了关于生命起源的种种传说、假说及理论，一直到最新的细胞学和基因科学。我们可以从中看到科学发展的曲折历程，可以看到技术手段如何促进科学的发展，可以看到一代代哲学家和科学家是如何思考这一重大问题的。也许探求生命诞生的意义在于进一步理解生命的意义，但愿你在阅读本书的过程中能够接近这一问题的本质。

其它

谨以此书献给我们的母亲！

《犹太律法》中有关物种起源的描述并非完全是低俗想象，如果真是那样的话，哲人们也就不会再阐述其中的奥秘了。如果一个人并不具备各方面的科学知识，那么他要做的仅仅是避免凭借想象思考文章的含义。

——迈蒙尼德，《困惑者指南》，1190年

推荐序

追溯起来，“生命如何诞生”的问题是“我从哪里来”这一问题的延续。这一问题并不只是一个科学问题。因为，就个人来说，早在其接受科学教育之前的孩提时段，一个个幼稚的脑海里恐怕没有不曾掠过这个问题的；就智人这个物种而言，远在科学还没有出现的洪荒岁月里，这一问题就已经被一个个不同的民族思考并演绎过。

我们不能怪远古的思考多么荒诞，因为人是进化的产物，人的智力——包括对事物的认识——也是如此。今天的认知，是站在昨天的基础之上的；有了科学之后，我们才拥有了一个对过往认识进行证明或证伪的工具，从而赋予我们的新知识以可检验的属性，摆脱了玄学和迷信的色彩。而且，科学自身也是从过去的知识体系和认知实践中产生出来并不断发展的。

《生命的诞生：我们究竟来自哪里》这本书就是关于人类对这一问题思考与检验的一部历史记录。这部历史既是思想史，也是与之相关的科学发展史。

历史是由人构成的，这一点被本书表现得酣畅淋漓。一个个活生生的人物、曾经干出的一件件实实在在的事情，使得科学一点儿都不枯燥，一点儿都不深奥难及。同时，译作语言流畅隽永，保持了原作的风格；第二译者为本人所熟悉的青年才俊，其现代生物学基础扎实，古生物学研究成果颇丰，对科学内容的把握准确严格。

这“史记”般的铺陈给我们开启了一个得以了解人类探寻“生命诞生”问题的大视野，这样的视野将使我们尽可能地避免思想上的以偏概全、停滞不前、自以为是和旧错再犯。

本人在中国科学院大学（前身为中国科学院研究生院）开讲“生物进化论”课程已有15年时间，“以史为线”“知史得鉴”一直是我的授课风格和特色。《生命的诞生：我们究竟来自哪里》这本书让我顿生“高山流水”之感。“诞生”又是“进化”之源，这本书给我的教学提供了与众不同的重要参考资料，乐哉！

郭建崴

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员

《化石》杂志主编

2017年4月3日

中文版序

这本书通过一个个生动的故事讲述了一个思想诞生和发展的历程。虽然这些故事跨越千年，但除了少数发生在南半球以外，其余都发生在欧洲和北美洲。因此，欧美的一小部分科学家和哲学家们以他们的智慧和勇气回答了一个所有人都感兴趣的深刻问题：我们究竟来自哪里？

外来文化为欧洲文艺复兴之后的科学革命奠定了基础，特别是它们在数学以及炼金术等领域取得的成就使欧洲的科学发展成为可能。虽然在很大程度上说这只是科学在西方世界发展的历史，但它也的确是今天我们所谓“现代科学”的历史，更是一段与基督教会不断斗争的科学思想史，而这也正是本书的主题。

很多中国读者一定会对这样的主题感到困惑。事实上，宗教并不是一个西方世界特有的事物。随着基督教在罗马帝国的兴起，其附属城邦也将基督教作为自己的官方信仰。基督教在欧洲的盛行对研究地球诞生和生命起源的科学产生了深远影响。首先，大多数基督教派都信奉被视为道德规范和文字历史的《圣经》。其次，在现代科学萌芽时期，许多新兴的科学思潮必然与作为大部分欧洲国家官方信仰的基督教发生直接的冲突。踏上美洲大陆的欧洲人不仅带去了先进的科学技术，也将基督教植根在了这片新的沃土，在一个全新的环境中基督教与科学之间的冲突向着新的方向发展。

需要指出的是，宗教对生命起源研究起到的并不仅仅是阻碍作用。可以说，没有宗教和科学的对立就没有现代科学思潮的诞生。如果没有与基督教教义之间的冲突，许多新的科学思想很可能得不到挑战，可能正是这种斗争推动了科学的进步。无论如何，我们希望中国读者能够受到这些科学故事的启迪，并且从中感受到科学的发展其实是一段艰辛曲折的历程。

如今，对生命起源的研究正向着全球化的方向迈进。有关的国际学术交流不仅吸引着越来越多的来自亚洲、南美洲和非洲的科学家，而且这一领域的研究也向着更广、更深的层次发展。如果10年、20年甚至更久以后我们有机会重新出版这本书的话，后半部分章节里的许多故事可能都会来自上述地区的科学家们的研究经历。同时，我们也由衷地希望这本书能够激励越来越多的年轻人加入到科学研究的队伍中来，共同探索地球诞生和生命起源的奥秘。

比尔·梅斯勒

H.詹姆斯·克利夫斯二世

引言

“我渴望了解的正是天地奥秘，无论是事物外在的属性、内在的精髓还是人类神秘的内心都吸引着我，但我想探究的是超自然的奥秘，或者说最想探究的莫过于自然界的终极秘密。”

——玛丽·雪莱，《弗兰肯斯坦：现代普罗米修斯的故事》，1818年

倾斜的深绿色海底如同一块巨大的圆形璧玉，布满了深长的裂缝和陡峭的沟壑。这里一片死寂，几乎没有生物能够在如此深邃的海洋中生存。而体型巨大的双壳动物和为数不多的管状蠕虫是仅能见到的生物，它们中的一些体长甚至达到了2米。巨大的蠕虫不时朝水中喷射血红色的烟雾，有如章鱼喷出的墨汁弥漫在众多浅色的海底山之间。最高的海底山有16层楼高。这些山峰的表面酷似粗糙的树皮，因此看上去它们像是生长在奇特森林中的树木，向着太阳光的方向伸展枝叶。

但是阳光无法穿透如此深的海水。没有任何光线能够抵达海面以下800米的海底山，只有在海面上缓慢航行的船只的灯光能够照射到它们。

“阿尔戈号”水下探测器仅有一只独木舟大小，由一只位于橇板形滑道上的巨大金属笼包围着。虽然“阿尔戈号”乍看上去并没有什么特别之处，但这艘无人水下探测器有着悠久而传奇的历史。“阿尔戈号”曾参加过一系列重要的深海探测活动，包括发现了“泰坦尼克号”和“俾斯麦号”残骸。不仅如此，“阿尔戈号”还配有全球最复杂的海底地貌传感器和摄像机，其信号通过长约10000米的线缆传送到停泊在海面上的“亚特兰蒂斯号”科考船上。“亚特兰蒂斯号”上的两位地质学家巴巴拉·约翰和格雷琴·福禄·格林通过小型控制系统操控着“阿尔戈号”水下探测器。

科学家们知道“亚特兰蒂斯号”过不了多久就必须返回港口。现在是2000年12月初，“亚特兰蒂斯号”出海已有一个多月的时间了。海面天气变得愈发恶劣，在科考船东北方向的海面上，一场飓风正在形成。“亚特兰蒂斯号”是一艘全长83米、能够搭载23名船员、排水量为数百吨的大型科考船。虽然能够抵抗飓风的袭击，但是像探测海底地貌这样的精细工作最好还是在风平浪静的条件下完成。汹涌的海浪让科学家们操控“阿尔戈号”愈加困难。起伏的波浪以及摇摆的船体拖动着正在水下工作的“阿尔戈号”。在常规条件下操控“阿尔戈号”本来就不容易，何况科学家们要在如同水下阿尔卑斯山的复杂地形下，在充满极度陡峭的尖岩和悬崖峭壁的海底环境中操控“阿尔戈号”，其难度可想而知。

“阿尔戈号”探测的是一座名叫亚特兰蒂斯的海底山，它位于欧洲与北美之间的大西洋中心地带，靠近世界最大的海底山脉大西洋洋中脊。操控“阿尔戈号”的科学家认为亚特兰蒂斯海底山有着特别之处，首先是这座海底山的大小。亚特兰蒂斯海底山长约16000米，高4200多米，有雷尼尔山那么大。其次是组成这座海底山的岩石成分。一般来说大洋底部矿物质种类繁多，然而亚特兰蒂斯海底山几乎完全由高密度橄榄岩组成——这种橄榄岩通常只能在地壳以下至少32000米的深处才能找到。需要说明的是，约翰和格林并不是在寻找人类尚未发现的东西，他们正在为回答一个重要的科学问题寻找关键的线索。

这两位科学家沿着海底山的边缘小心翼翼地操控着“阿尔戈号”，他们第一次看到了树形的海底山。随着“阿尔戈号”的不断靠近，这些海底山的形态也愈加清晰。最先让约翰和格林感到吃惊的是这些海底山的高度，其中一座海底山高约55米，被命名为“波塞冬”。随着“阿尔戈号”驶向这些巨型的海底山，约翰和格林还注意到了新的情况——海水的温度正在逐渐升高。他们开始意识到这些树形的海底山实际上就是著名的深海热液喷口，它们是由海底火山活动形成的水下“烟囱”。但是，呈现在约翰和格林眼前的这些深海热液喷口比人们以往见过的都要大许多。当观察到第一个位于海底山上方的乳白色温暖水柱时，他们意识到这是一种全新的、此前从未被发现过的深海热液系统。他们把这片区域命名为“失乐城”。

英国地质学家麦克·拉塞尔很快就得知了这一消息，世界上怀疑发现于“失乐城”的巨型深海热液喷口是否真实存在的科学家不止他一个。一些科学家相信这些深海热液喷口确实存在过，或者至少在大约40亿年前存在过，拉塞尔就是这些科学家当中的一位。他的观点是，如果这些深海热液喷口不曾出现过，那么不仅我们人类不会存在，地球上也不会有任何其他生命出现。

作为一位年轻的地质学家，拉塞尔在爱尔兰中部的银矿山做了数年野外工作。他在那里找到了独一无二的管状矿床。对于拉塞尔而言，对这些管状矿床的形成方式只有一种可能的解释：很久以前当爱尔兰还完全处于大西洋洋底时，在位于今天银矿山一带的大西洋洋底形成了大规模的深海热液喷口。拉塞尔的说法之所以引发争议，是因为他所提到的深海热液喷口类型不同于当时人们已知的类型。深海热液喷口得名“剧烈喷发的黑烟囱”是由于这些喷口喷出的有毒金属和硫化物使得它们看上去与19世纪工厂里的烟囱颇有几分相似。只是拉塞尔想象的深海热液喷口更加温暖且富含矿物质，对于生物而言并没有工厂里的烟囱那么可怕罢了。

随后在达尔马提亚山脉以及加拿大境内几处采石场的考察使拉塞尔进一步相信深海热液喷口确实曾经存在过。更重要的是，他相信这些深海热液喷口为回答科学界迄今最具挑战性的课题之一——生命起源的问题提供了重要的线索。拉塞尔认为这些深海热液喷口是孕育生命的绝佳之地，如果科学家能够确定生命起源的地点，那么再确定生命起源的方式就显得容易多了。

一个半世纪以前，一位学者就曾经试图描绘生命起源的可能环境，这位学者就是查尔斯·达尔文。达尔文认为孕育生命的环境就像一个“温暖的小池塘”。从那以后，许多科学家自然而然地认为水是生命起源的必要因素，但他们也认为远古海洋并不是孕育生命的理想环境。

拉塞尔认为，最早的生命大约出现在40亿年前，彼时的海洋环境糟糕得让人难以想象。早期地球大气中的二氧化碳大量溶解于海水中，导致海水酸度过高而无法孕育我们已知的最初生命形式。海水中能够孕育生命的有机物寥寥无几，而大多数科学家相信有机物是生命起源的必要条件。海水中的这些有机物浓度过低，不利于结合在一起形成最初的生命形式。

华盛顿大学凯莉与埃兰德馈赠的镶嵌画《失乐城》

然而拉塞尔描绘的深海热液喷口处的环境并非这样，“热液花园”中的海水既不会太热也不会太冷，水中还富含各种矿物质。不仅如此，这种环境还能帮助最初的生命避开海水表层持续不断的陨石撞击和由紫外线辐射带来的伤害。尽管遭到了这一领域权威科学家的强烈反对，拉塞尔还是以极大的热情宣传着自己的理论。破解生命起源之谜一直以来都是生物学家们孜孜以求的目标，拉塞尔确信自己找到了回答这个问题的关键线索，但同时他的坚持也激怒了不少同行。对于同行而言，他的大部分观点只不过是猜想，并没有确凿的证据支持。因此，不少支持深海热液喷口假说的学者都被同行嘲笑为“通风专家”。

拉塞尔理论中的一个致命缺陷就是人们从未发现这样的深海热液环境。随着“失乐城”的发现，一切都发生了戏剧性的变化。

2009年，著名的英国《自然》杂志不仅刊登了拉塞尔的肖像，还配以讽刺他的漫画。漫画中他身着文艺复兴时期科学家的装束——深色的长袍和黑色的贝雷帽。或许漫画中最有趣的部分就是拉塞尔的微笑，在神态上酷似“蒙娜丽莎”的微笑，显得静谧而博学，好像只有他自己知晓某个重大秘密一般。

在不到10年的时间里，“失乐城”的发现将拉塞尔从一个生命起源研究领域的边缘学者变成了在声名显赫的《自然》杂志中占有一席之地的现代版哥白尼。拉塞尔新获得的名望之前许多人也同样享有过。许多科学家都渴望揭开生命起源的奥秘，其中不少人自认为离实现这一目标只差毫厘，但经过严格的科学检验后却发现他们所做的贡献实际上微乎其微。这些科学家中的任何一员都有机会不止一次地取代拉塞尔让自己的名字出现在《自然》杂志上。

生命起源问题与科学试图回答的其他任何问题都有所不同。与高山或河流形成的问题不同是因为生命起源的问题直指人类存在的核心，甚至涉及人类存在背后可能包含的更深层次的意义。这一问题源于一种能让人类幻想出无所不能的造物主的共同向往，它不仅涉及我们如何存在，还涉及我们为何存在。从这个层面上讲，生命起源就是我们存在的终极问题。

一些敢于挑战传统观念的人善于抓住这样的问题，他们勇猛无畏，有时近乎狂妄自大。这些人拥有科学历史中最具智慧的思想，他们的一生与胜利和失败相依相伴。

这些人的故事也告诉了我们什么才是科学。没有哪个科学问题曾引起过如此大的争论，也没有哪个科学问题能剥去客观的外衣。我们甚至希望并相信科学就是人们追求的纯粹真理，不会受到任何偏见的阻碍，科学如同人们的失败和自欺欺人一样，的确存在并将永远存在于人类社会当中。

这本书不仅讲述了地球生命起源的故事，也记录了人类对生命起源过程的认识不断发展的过程。站在21世纪回眸，故事发展的轨迹清晰可辨：从最开始的一无所知，到大自然的启迪与自然科学知识的出现，此后人类对自然界的认识一路向前，经过达尔文对生物演化规律的揭示以及科学家对基因密码的解读，一直发展到对细胞内部工作方式的探索。然而这条探索之路充满了挑战，长期饱受质疑的观点得到了证实，传统上认为无可争议的理论却遭到了反驳。毫无疑问，由于生命起源的问题尚未解开，更多类似的挑战还会接踵而至。我们至今依然不清楚生命如何出现，不仅因为没人亲眼目睹过这一过程，更因为数十亿年的沧海桑田早已使几乎全部的地质遗迹变得面目全非。

我们现在能够知晓的仅仅是至少在35亿年前，一种单细胞生物曾经出现在贫瘠的地球上。尽管我们不清楚这些生命是如何出现的，但依旧可以推断出它由非生命物质演变而来。18世纪的知识分子或许会嘲笑这样的观点，然而古罗马人、古代中国人以及任何其他远古时期的人们持有的核心观点或许与我们当今的认识大同小异。21世纪的科学家将这一观点称为“无生源说”，即生命源自非生命物质。基督时代的希腊学者可能会把这一过程称为自然发生，但是这两种认识在本质上十分相似。尽管这些可能让今天的我们感到惊讶，但在历史上人们认为由非生命物质形成生命并非天方夜谭。

第1章 太阳的作用

我站在丛林上方，周围的巨石、湍急的河水和低矮的杜鹃花丛宛如萨尔瓦托·罗萨画卷里描绘的景象。我脚下的这片松林和山顶生长的火地岛山毛榉一样密集而难以穿越。除了山顶终年不化的积雪，所见之处一片生机勃勃的景象。山中的风光大同小异，然而这里的杜鹃花却光彩夺目。在自然哲学家看来，五彩缤纷的鲜花与灌木形成了一片与众不同的区域。这里生长着20个物种，而其他区域可能只有一个物种。它们不断考问着我一个争论不休的问题：我们来自哪里？

——1849年6月24日约瑟夫·胡克致查尔斯·达尔文的信

在过去，没有人知晓尼罗河的源头。人们曾经认为尼罗河发源于遥远的南方，比古埃及人称为努比亚[1]的地方还要遥远。尼罗河在进入埃及境内之后河面的宽度已超过6400米，奔腾的河水在坚硬的大地上切割出一条长达1000多千米的深谷。之后，河水一路奔向撒哈拉沙漠，在汇入地中海之前好似一条蜿蜒的生命之路将无尽的沙漠一分为二。

古埃及人没有给尼罗河命名，因为没有这个必要。对于他们来说河流就是生命，一切生命都起源于河流。古埃及人把尼罗河称为“伟大之河”，把自己的国家称为“黑色的土地”。古埃及人正是用这个词形容他们肥沃的黑土地的，它们由尼罗河每年泛滥的洪水在河岸堆积而成。每年7月前后，尼罗河水就会上涨并淹没平原。两周后洪水退去，在此前淹没的地区留下肥沃的黑土。古埃及人能够根据当年洪水的水势估算来年是否会发生大规模饥荒。

每年尼罗河河水的上涨似乎都有规律可循。在大水到来时会出现数以万计的青蛙，它们的出现会引发大规模的瘟疫，进而使大批百姓背井离乡。就在古埃及人思考尼罗河来源的同时，他们也在思考青蛙来自哪里。在古埃及人的意识中，青蛙并非卵生，因而与通常在河边高耸的芦苇丛中筑巢的朱鹭不同。青蛙也并非胎生，这与经常在河边吃草的水牛也存在天壤之别。在古埃及人看来，青蛙是从水中孕育而生的，它们是长着青蛙头的女神赫凯特[2]的馈赠。据说在尼罗河水暴涨之时，赫凯特正在河里游泳。

古埃及人看待尼罗河青蛙的方式并没有什么特别之处。有的生物是胎生，而有的则为卵生，另外一些生物也很自然地可以从非生命物质中孕育出来。在他们的眼里，包括树木、陈谷、河水和灰尘在内的非生命物质都可能孕育生命。在他们的周围，类似的现象随处可见，比如落叶中孕育的昆虫、稻谷中滋生的老鼠以及河水里出现的青蛙。

古埃及人面临青蛙的困扰

古埃及人认为，从非生命物质中产生生命就如同从鸡蛋里孵出小鸡一般自然。正是因为相信非生命物质与生命之间存在着普遍的联系，人们也自然而然地认为所有的生命都是通过同样的方式产生的，无论是第一只鸡、第一只猫头鹰还是我们人类本身。对于能够见到的所有不产卵的和找不到亲本的物种，人们都做出了同样的解释。

从这一点来说，大多数宗教对于生命起源的说法如出一辙：诞生之初的世界原本一无所有，或者至少几乎一无所有。对于古印度人来说，生命起源于一场不为人知的混乱，而中国古人则认为生命形成于无形的“道”。古埃及人理所当然地认为天地形成于被称作“奴”（Nu）的海洋中，四周一片漆黑。无形出现之后便是神圣的孕育过程。对于人类而言，孕育通常从某种具有文化意义的天然物质开始，最终形成人类的外形。相传古埃及神灵阿图姆[3]通过自慰孕育了其他神灵，也有版本认为是阿图姆同自己的影子交欢孕育了其他神灵，阿图姆因此得名“伟大的雌雄合体”。最终人类从拉神的眼泪中诞生——换而言之，人类同青蛙一样也是从水中诞生的。古代挪威人认为最早的人类是从冰中诞生的，而玛雅人和古亚述人则认为人类源于湿黏土。《创世记》[4]中提到：“上帝用泥土创造了人类。”以上种种猜测对于它们的提出者来说必然是合理的。但是仔细想想，倘若河水能够凭空孕育青蛙，那为什么不能孕育出人类呢？

需要指出的是，仅仅把这些开天辟地的神话视为故事是错误的。人类通过实践认识自然法则，而这些神话就是人类对自然法则认识的反映。挪威人认识到冰的重要性是有根据的，而居住在沙漠中的古埃及人崇尚水，也因其历史与水密不可分。这些说法的问题在于它们能够自圆其说，难以驳斥。随着人类对世界认识的深入，这些说法已经根深蒂固。

还有一种方法能解决所有问题。这种方法并非寻求答案，而是提出一种假设或者假说。假说并非真理，但经过严格的检验和批判后有可能产生真理，因而可以更好地回答人们想要回答的问题。假说仅源于细致的观察和推断，并未给神圣的创世者确定角色。最终，在观察和推断的过程中会加入实验手段，这便是我们所熟知的科学。

公元前6世纪，也就是双目失明的古希腊著名诗人荷马创作出《伊利亚特》之后大约200年，希腊城市斯巴达近郊的塔依格托斯山脉发生了地震。罗马史学家西塞罗认为这场地震的威力巨大，以致一座山体崩塌时的情景犹如暴风雨中坠落的船尾，将斯巴达城毁于一旦。然而斯巴达人却并没有受到地震的影响。根据西塞罗的记述，斯巴达人听从了一位哲人的忠告，整夜躲在山谷中才避免了人员伤亡。这位哲学家名叫阿那克西曼德，来自米利都的安那托利亚城。

阿那克西曼德拯救斯巴达人的故事当然只是个传说，而且故事内容很可能不是传说中的那样。还有一种说法认为阿那克西曼德在斯巴达建造了圭表，这是一个金属杆状物，可以看作早期的日晷[5]，但是这一说法没有提及地震。大多数古希腊人认为这两个版本的内容同样可信，因为在他们眼里预测地震和计时之间并没有多大的区别，两者都像魔术一般神奇，就好像尚未开化的民族对读写能力同样感到神奇一样。

阿那克西曼德出生在良辰吉日，就连出生地也是块宝地。他出生于公元前611年，当时希腊的米利都已成为全世界最强帝国中鼎盛的城邦之一。米利都位于安那托利亚半岛西南部海岸（现位于土耳其境内）的迈安德河河口附近，得天独厚的地理位置使得这里成为古代贸易往来的必经之地。迈安德河在这里蜿蜒流淌，“蜿蜒”（meander）一词正得名于此。米利都人个个都是驾船高手，位于爱琴海的城市港口总是挤满来往的贸易船只，船上除了葡萄酒以外还有从各地乡村的果园中生产的橄榄油，抑或是整箱装载的腓尼基骨螺。希腊人从腓尼基骨螺中提取珍贵的紫色染料，这种染料价值连城。从12000只骨螺中提取的染料仅能染制一件衣服，因此不仅经过这种工艺染制的衣服象征着富贵，紫色也成为王权的代称。米利都兴旺发达，久负盛名，希腊历史学家希罗多德把这座城市城形象地称为“爱奥尼亚之珠”。

米利都拥有90个殖民地，其军事实力在这一地区也不容小觑。至于阿那克西曼德本人，有时人们甚至习惯地把他称为黑海殖民地之主。时至今日，人们仍然没有遗忘米利都，原因并非与金钱或军事有关，而是因为米利都是古希腊哲学的发祥地。

哲学家泰利斯出生于米利都，与其说他是另一个阿那克西曼德，不如说是阿那克西曼德的导师。人们把泰利斯视为第一位古希腊哲学家，这一点毋庸置疑；而把他视为全世界第一位数学家，这一点缺乏根据。同时他也是已知最早的三角函数的创立者。实际上三角函数可能起源于埃及，泰利斯年轻时在埃及接受神学教育的同时也研究过金字塔。

古希腊人总是因其他国度的文化而享有盛誉，特别是希腊周边的古埃及和古巴比伦文化。根据记载，古巴比伦人率先发明了文字，因此古巴比伦是最早记录周边地区情况的国家。古巴比伦人在底格里斯河与幼发拉底河河岸上把黏土片晒干，然后作为他们记载各种事情的载体。他们仔细并系统地观察太阳活动的规律，是最早根据日出日落记录时间的先民。他们还对各种天象进行系统的分类，并在数学领域取得了长足的进步。现代数学为十进制，而古巴比伦数学为六十进制，这也就是为什么我们确定的时间单位是以60为基数的，即60秒为1分钟，60分钟为1小时。“科学”一词是指系统性解决问题的过程，但这一术语在古巴比伦数学确立之后很久才被创造出来。虽然我们很难确定最早的科学究竟在何时出现，但在探索科学起源方面，没有人比古巴比伦人做得更好。特别是同希腊人相比，古巴比伦人似乎做得更加出色。

尽管在欧洲人眼里发明日晷是阿那克西曼德的功劳，但古巴比伦人才是日晷真正的发明者。而且尽管人们认为是阿那克西曼德首先绘制出了地图，但是古巴比伦和其他文明也几乎同时绘制出了地图。历史上，人们曾一度认为阿那克西曼德完成了诸多发明，然而同其他历史人物一样也很可能被张冠李戴。但阿那克西曼德也很可能因为一项重要发明而名垂千史。据记载，阿那克西曼德是第一位以散文方式将自己的思想撰写成书的人，这部著作就是《论自然》。

《论自然》从头至尾试图对宇宙整体进行阐释，从宇宙的起源一直到宇宙的终结。与阿那克西曼德同时代的科学家已经做了类似的事情，他的导师泰利斯在这一领域发表了诸多观点，但泰利斯的世界观与其他同行相比并无二致。泰利斯认为最初地球上只有水，这与埃及人的“奴”如出一辙。这一点不难理解，因为泰利斯早年曾前往埃及做过研究。但是泰利斯的另一部分观点是基于自己的观察：地球上存在大量的水，而大部分生物体亦是由水组成的；水能改变物质的状态，例如灰尘遇水可以变为泥土。泰利斯认为任何物质都是由水组成的，水是万物之本。基于这一点，长久以来人们把泰利斯视为发现“物质”[6]的第一人，而化学家则喜欢把泰利斯所谓的“物质”称为元素。元素无法再分解成其他成分，是构成其他更复杂成分的物质基础。虽然今天我们都知道水可以进一步分解为氢和氧两种元素，但是在泰利斯生活的时代，所有的观察都基于人们直观的感知。

值得注意的是，泰利斯的宇宙观是扎根于神学之中的，他认为神灵的力量可以把非生命物质转化成生命。而阿那克西曼德的宇宙观则完全不同，他的理论完全来源于他所观察到的事物。他从未看到过灵魂，因此在他的理论中找不到任何神的力量或超自然力。阿那克西曼德的宇宙就像一台机器，一刻不停地在按照自己的方式运行。

阿那克西曼德不仅寻找自己能用肉眼看到的事物的答案，而且寻找自己真正能理解的事物的答案。他把目光投向太阳、星星、地球以及地球上的生命。他认为自然界的万物都是由土、风、火、水4种基本元素组成的，还认为太阳的体积是地球的28倍，但实际上太阳的大小相当于地球的50万倍。考虑到太阳在天空中呈现的样子似乎很小，彼时人们能够认识到太阳体积比地球更大已经相当不容易了。阿那克西曼德认为地球的表面是弯曲的，形状像石柱。他还提出恒星围绕地球运动的轨道是一个巨大的圆形，并通过这一推断得出了最具革命性的结论：如果恒星绕地球旋转，那么地球就应该是漂浮在宇宙中的。地球下面没有任何东西这一事实在大部分历史时期都是令人无法想象的。尽管人们总是认为阿那克西曼德的观点不够成熟，但他对于自然世界的认识在许多方面至少与此后两千年中人们的认识大致相当。

尽管阿那克西曼德对于地球起源的认识有些含糊不清，但他有关地球生物进化的解释如同他对于宇宙的解释一样，都体现出了他的先见之明。阿那克西曼德对宇宙的认识起初充满了某种无限的虚无，他将其称为“阿派朗”。土、风、火、水这些基本元素逐渐成形，并结合起来组成新的物质，最终海陆交汇处的泥土孕育出最早的动植物。这些最早的生命起初被类似漂浮的树皮包裹着，直到潮水将它们送上陆地。它们逐渐被晒干，然后破裂，最终将包裹着的动植物释放出来。

在阿那克西曼德看来，人类是地球上最早出现的生物之一，是从洄游到浅海的似鱼非鱼生物的嘴里孕育而生的，就如同蝴蝶破茧而出一般。从某种意义上而言，人类在进化——阿那克西曼德的这般描述简直和一个21世纪的孩子对生物进化的理解如出一辙。

阿那克西曼德一定曾认为生命起源问题相当简单。与他无法丈量太阳不同，与他只能猜想恒星的轨迹不同，阿那克西曼德能够“看到”生命体从非生命物质中孕育出来。在他看来，生命的出现只不过是自然元素的形式发生了改变，就像木头变成了火，或者火变成了烟。然而他却没有给这种现象命名，这项工作很可能是由阿那克西曼德的接班人、聪慧的亚里士多德完成的。

阿那克西曼德的著作中只有两句高深莫测的话语还流传在世：“根据需要，万物都源于其他物质，消失后也会转化为其他物质。万物按照时间顺序依次出现，并且对没有依次出现的物质进行再造。”这些援引自《论自然》的话被古希腊哲学家辛普里丘保留了下来，并在他对亚里士多德的巨著《物理》的评论中进行了引述。我们对阿那克西曼德其他观点的认识也都源于诸多古希腊学者所做的引述，这些学者都读过阿那克西曼德的著作，特别是在与亚里士多德同时代的伟大的古希腊哲学家泰奥弗拉斯托斯的著作中，对阿那克西曼德观点的引述尤为突出。

在阿那克西曼德去世200多年之后，泰奥弗拉斯托斯很可能一度泡在雅典文化宫的亚里士多德图书馆里潜心研究《论自然》。早在亚里士多德诞生前很久这个文化宫就已经存在，只不过后来亚里士多德把用于训练奥林匹克运动员的体育馆改造成了培养那个时代年轻思想家的学术场所。于是梦想成为哲学家的人们纷纷前往雅典这一希腊知名的圣地，因为那里正是亚里士多德接过自己老师柏拉图位子的地方。作为史上最著名思想家柏拉图的学生，亚里士多德之后又成为了伟大的征服者亚历山大的老师，亚里士多德图书馆也因为亚历山大日益显赫的战功而熠熠生辉。除了这座著名的图书馆以外，亚里士多德还建造了植物园和动物园，园里饲养的动物都是亚历山大从那些被他征服的遥远国度带回来的。

政治原因使亚里士多德成为柏拉图思想继承人的过程异常曲折，最大的障碍莫过于亚里士多德本不是希腊人。亚里士多德的父亲是马其顿国王（即亚里士多德的祖父）的御医。18岁那年，亚里士多德从马其顿只身前往柏拉图学院。他的聪明才智得到了公认，然而当20年后柏拉图去世时，亚里士多德却自愿接受了流放。后来，马其顿军队接二连三地攻占了希腊境内的各个城邦，雅典也弥漫着反对马其顿的情绪，这使得亚里士多德成为柏拉图思想的继承者变得顺理成章。

亚里士多德离开雅典前往位于米利都北部阿索斯地区的安纳托利亚，并最终来到爱琴海的莱斯博斯岛，在那里他遇到了在柏拉图学院认识的朋友泰奥弗拉斯托斯。泰奥弗拉斯托斯出生在莱斯博斯岛，他的本名为蒂尔塔默斯。由于举止高雅，亚里士多德给他取了个昵称，这就是此后人们耳熟能详的“泰奥弗拉斯托斯”，寓意“像神一样讲话的人”。泰奥弗拉斯托斯与亚里士多德一样兴趣广泛，但他把大部分精力都投入到对自然界的研究当中，特别是植物学研究。泰奥弗拉斯托斯撰写了两本植物学领域的重要著作——《植物探究》和《论植物成因》，后来他因此成为植物学领域家喻户晓的古希腊学者。

与泰奥弗拉斯托斯不同，亚里士多德的兴趣点则更多地集中在动物学领域。莱斯博斯岛上生活着各种动物，它们都是经历了几个世纪的演化才变成现在的模样的。对于亚里士多德来说，莱斯博斯岛可能有点儿像达尔文眼中的加拉帕戈斯群岛。莱斯博斯岛的生态系统同样与世隔绝，这为研究自然变化的规律提供了绝佳场所。正如加拉帕戈斯群岛帮助达尔文创作了《物种起源》一样，莱斯博斯岛成为了当时亚里士多德创作以自然为主题的三卷著作的思想源泉。后来这些著作奠定了他作为生物学奠基人的地位。

在亚里士多德的所有著作中，没有哪部（包括数学、地质学、物理等后来被称为科学的著作）的影响力能够与他的生物学著作相提并论。尽管亚里士多德也犯了一些严重的错误，比如他认为女性的牙齿比男人多，但他依然坚持对各种自然现象进行仔细观察、认真分类。亚里士多德的著作甚至影响着两千年之后的学者，他们不仅不把他的著作视为过时的理论，反而将其誉为文艺复兴之前最权威的自然主义思想。在此后的两千多年里，欧洲人用审视古罗马建筑的眼光看待亚里士多德的著作，因为那些令人叹为观止的技艺对于他们来说早已失传。

在其重要的著作《动物史》当中，亚里士多德绘制了一幅类似现代演化生物学家构建的“生命之树”的动物演化图谱，里面一行行的物种最终演化出人类。但是与现代“生命之树”不同的是，在亚里士多德绘制的演化图谱中，不同的动物之间仅存在十分微小的差异。但是就像柏拉图认为的一样，亚里士多德也相信物种和它们赖以生存的世界都是亘古不变的。在他们的意识里，大自然是完美无缺的。无论如何，对自然界进行分类的亚里士多德应当算得上历史上第一位进化论学者。然而，即使有充足的证据，亚里士多德也从不猜测那些与他同时期的哲学家偶然找到的答案，这些哲学家中最广为人知的莫过于卢克莱修和伊比鸠鲁。

但需要指出的是，亚里士多德、阿那克西曼德以及其他大多数哲学家依然认为生命能够自然而然地从非生命物质中孕育出来。正如亚里士多德发现苔藓等植物不需要种子就可以繁殖一样，他还观察到昆虫和其他动物也能通过无性繁殖的方式产生后代。亚里士多德把这一过程称为“自然发生”，并在他的《动物史》中做了如下表述：

“如今我们发现动物和植物在一个属性上是相通的，即一些植物通过种子产生后代，而另一些植物是通过某些类似种子萌发的原理直接产生后代的。动物也是如此，一些动物由亲本孕育而成，而另一些则是自然孕育的。许多昆虫都是自然孕育的，它们中的一些来自腐烂的泥土，而另一些可能来自腐烂的植物，还有一些可能来自动物体内器官的分泌物。”

在所有希腊哲学家阐述自然发生的著作中，亚里士多德的观点是流传最广的。不论是后来古罗马取代了古希腊还是基督教风靡古罗马，在各个时代最有影响力的基督教思想家的著作中都能看到亚里士多德的自然发生论的身影。

公元415年，一群埃及基督徒把一位名叫希帕蒂娅的妇女从家里硬拉出来，将她扒光沿着亚历山大大街游行示众，最后她被人用瓦片砸死。希帕蒂娅是位数学家，愿意把经典理论传授给想要学习的人，从不区分对方是基督徒还是异教徒。希帕蒂娅视自己为新柏拉图学派哲学家，支持以经典希腊哲学为核心的宗教复兴运动。她的死源于基督徒的一场暴动，这些基督徒认为地方长官俄瑞斯忒斯的所作所为违反了宗教教义，于是揭竿起义，最终导致希帕蒂娅受到牵连。公元7世纪的约翰·尼坤主教后来诡辩道：“希帕蒂娅一生从事魔法、占星术以及乐器研究，她一直在用邪恶的阴谋欺骗众人。”在研究早期教会的现代历史学家眼里，希帕蒂娅之死是一个重要的转折点，因为正是从这时起西方人开始用怀疑的态度审视古希腊人的智慧和学识。

基督教《圣经》中的许多警示都是为了使信徒免受世俗知识的影响。使徒保罗在其所著的《哥林多书》中写道：“你们务必要警醒，不要让自己的头脑被虚伪而又具有欺骗性的思想迷惑，而要以自然世界元素为核心的人—人传教作为基础。”希帕蒂娅的朋友、北非人德尔图良（有时也被誉为基督教教义之父）在自己的著作中对这一反科学的论调做出了回应。他回想起有关泰利斯的一则很有名的故事：泰利斯在眺望星辰时不慎跌落到水井中。对于德尔图良而言，这一说法就是打个比方，喻指那些潜心做学问而不求回报的学者，以及那些痴迷于自然事物的学者。

但是有不少与希帕蒂娅同时代的基督徒也热爱且渴望理解古典知识，其中一位便是希波的奥古斯汀。他在去世前早已成为对早期基督教教会发展起关键作用的重要人物，其影响力虽然超过了德尔图良等人，但尚不及使徒保罗。自基督教教会成立两千多年来，奥古斯汀算得上是最为重要的思想家和作家。与德尔图良不同的是，奥古斯汀支持的观点十分独特，人们因此更加珍视古希腊人的智慧和学识。

奥古斯汀的家乡位于今天的阿尔及利亚，但是大部分时间他都生活在罗马帝国位于北非的边境地带。他起初是在迦太基做修辞学老师，然后在希波当大教主。作为一个年轻人，他似乎很容易对一些事情着迷。奥古斯汀开始研究摩尼教后不久，便迷失在伊朗先知摩尼的神秘教义当中。有一段时间，像希帕蒂娅曾经的那样，奥古斯汀也全身心投入到对古希腊经典著作的研读当中，这对他后来的思想产生了深远的影响。但最终，他同母亲一道皈依了基督教。

奥古斯汀的早期著作大多数是他在改教后撰写的，里面的内容与固执己见的神学家德尔图良的思想不谋而合。但是当奥古斯汀的思想趋于成熟时，他的文笔却更加接近他年轻时受到熏陶的经典教义。他在撰写名著《论创世》时就曾敦促基督教同仁重新回到对自然界的研究当中：

“即便不是基督徒也知道一些地球、宇宙以及各种有关这个世界的知识。他们不仅掌握行星的运动规律，对各个行星的体积和相对位置也有所了解，甚至还通晓一些有关预测日食和月食的知识；他们能够感知季节的变换，能够认识动物、灌木、石头等的属性——非基督徒获得这些知识的途径都源于推理和经验。对异教徒而言，听基督徒谈论这些毫无意义的话题既丢人又危险，这种尴尬局面可以通过冷落和嘲讽基督徒的方式加以避免。如果那些所谓的哲学家，尤其是柏拉图学派哲学家坚持的观点的确是真理且与我们的信仰相一致的话，那么他们就不应对此感到恐惧，而是要像从恶人手中夺取真理一样，以这些真理为我们所用。”

自然的奥秘激发了奥古斯汀的兴趣，在这方面他发表了不少著作。他以自然哲学家的眼光认真地观察树木和其他植物，不仅记录了藜芦的药用价值，还发现了牛膝草净化呼吸的作用。奥古斯汀还注意到植物季节性生长的特点，他想知道树木为何在秋季落叶，春季树叶又为何生长出来。奥古斯汀对渗透作用的理解让此后1000多年里的人们感到望尘莫及。

奥古斯汀也曾把好奇的目光转向动物界，他认同亚里士多德的自然发生论。因为这些生命从无生命的物质中孕育出来时并没有统一的性别，奥古斯汀甚至怀疑诺亚根本没有必要把动物带到方舟上。在他看来，自然发生就是上帝为地球制定的计划的全部。

奥古斯汀和亚里士多德有关自然方面的著作在以基督教为信仰的国度中流传了1000多年，他们的理论甚至为宗教饮食禁忌的破除创造了条件。从公元12世纪开始，基督徒在周五可以吃到鹅肉，而吃肉在当时是被完全禁止的。这一禁令的打破与英国自然哲学家亚历山大·尼卡姆“发现”鹅是从松脂和海盐的混合物中“自然发生”的不无关系——此番言论让人们相信鹅属于鱼类。甚至到了1623年，威廉·莎士比亚在《安东尼与克莉奥佩特拉》中还曾这样写道：“在太阳的作用下，埃及的蛇以泥土为食。”在古埃及人的眼中，鳄鱼就是在太阳的作用下从泥土中自然地孕育而生的。这一点在希罗多德有关尼罗河的著作中曾被提及。但莎士比亚并不是在描绘古埃及人的信仰，他是在影射那些17世纪的作家，特别是那些伟大的自然哲学家的思想。在《安东尼与克莉奥佩特拉》问世大约40年之后，当时全世界最著名的科学机构英国皇家学会还曾举办过专门的学术会议，探讨蛇是如何从泥土中孕育而出的。

在经历了几个世纪的停滞之后，欧洲的文明在莎士比亚时代终于迎来了转折。一种新的探索和发现的精神正在这片沃土上生根发芽，欧洲的理性时代到来了。随着文艺复兴的开始，亚里士多德、奥古斯汀等古希腊学者的理论被再一次解读、推敲和质疑。哥白尼、伽利略等学者所看到的宇宙天体与人们传统意识中的宇宙大相径庭，而另一些学者则将怀疑的目光投向了那些与生命起源有关的问题。

[1].努比亚指的是埃及尼罗河第一瀑布阿斯旺与苏丹第四瀑布库赖迈之间的地区。——译注

[2].赫凯特是埃及传说中掌管生育、水源、复苏的女神。——译注

[3].阿图姆神是赫利奥波利斯神学中的创世神和太阳神，是九柱神之首。

[4].《创世记》是《圣经·旧约》的一卷书，本卷书共50章，记载了上帝的创造、始祖的堕落、神和人的关系、神拯救的计划、基督的豫表、人类的发展、神如何选以色列人成为自己的选民以及以色列人的起始历史等。

[5].希腊人仅利用三角函数和日晷就能准确测量地球周长并断定地球形状。哲学家埃拉托色尼估算地球周长约为40000千米，现代测量法使用借助卫星的仪器，得出地球周长为40075.7千米。

[6].大约在同一时期，印度哲学家羯那陀描述了物质基础，他把物质基础称为阿努，所有物质都是由阿努组成的。阿努体积很小，比一粒灰尘还要小，是无法被破坏的球体。希腊哲学家德谟克利特得出了类似的结论，并且创造了“原子”这一术语。羯那陀和德谟克利特通过对相同问题的思考形成了各自的理论：如果把某一物质一分为二，然后继续再次一分为二，那么要经过多少次才能无法分解？

第2章 不断地尝试

看到这只蛋了吗？你可以用它颠覆所有的神学流派和世界上所有的教义。

——丹尼斯·狄德罗，《达朗贝尔之梦》，1769年

1662年冬季，3位牧师行走在比萨市托斯卡纳大区的街道上，木制的鞋子将街道上的卵石踩得嘎吱作响，这无形中暴露了他们的信仰。一些不怀好意的市侩把这些穿着笨重木鞋的牧师叫作“佐卡兰提”（Zoccalanti），而上流人士则称他们为方济会修士，即圣法兰西斯会的修道士。

在前往比萨的途中，他们计划顺访大公爵费迪南多二世位于托斯卡纳的冬季寓所。费迪南多大多数时间都生活在托斯卡纳大区的首府佛罗伦萨。但是在意大利人的眼里，佛罗伦萨的冬天湿冷，有时还会下雪，公爵可不喜欢湿冷的天气。

费迪南多年轻时曾是位帅气的王子，但如今迎接3位牧师的费迪南多早已过不惑之年，体态臃肿，一脸倦容。中年的费迪南多开始蓄胡子，胡子两端向上翘起，好像有人在他的脸上画了个笑脸一般，看上去却像个小丑。站在费迪南多身旁的年轻人名叫弗朗西斯科·雷迪，他是费迪南多的私人医生兼密友，也是费迪南多处理科学事务时的左膀右臂。

费迪南多公爵极为慷慨，愿意褒奖任何向他展示所谓科学的人。方济会修士刚从东方国度归来，为公爵带来了许多礼物。修士们对一些小黑石头情有独钟，因为它们是从恒河一带的眼镜蛇头中提取出来的。修士们说，这些石头可以抵挡任何毒药。不论是蛇的毒液还是人造毒物，只需把这些石头放到伤口处，它们就会像磁铁一样吸附在伤口上，直到把毒素全部吸走。然后再用刚挤出的鲜奶清洗石头，等石头中的毒素释放出来之后就能再次使用了。

雷迪以前见过这种石头，精通医术的人们深知这些石头所蕴含的超自然力，谙熟古典医术的罗马医生伽林甚至还为这些石头的功效做过担保。然而活跃在佛罗伦萨科学学会（或称实验学会）的雷迪却不以为然，他对这种石头的功效持怀疑态度。这个学会的口号就是“不断地尝试”，雷迪对此完全赞同。在过去数年里，雷迪自己收集了许多类似的石头，其中一些不乏是从忠实信徒手中得到的，而另一些则是江湖郎中的馈赠。但无论是谁都无法证实这些石头比普通的鹅卵石具有更强的解毒功能。

很快，比萨市那些精通医术的博学之士纷纷前来一睹这些东方神石的芳容。费迪南多公爵决定亲自检验一下方济会修士们带来的石头。他本打算让侍卫找来几条毒蛇进行实验，但在冬季难觅毒蛇的踪迹，于是改用小鸡完成实验。侍卫先把一根长约四指的针浸入由烟草提取的毒物中，再刺入小鸡的体内。然后，把修士们带来的石头放在小鸡的伤口上，但是不到一刻钟的工夫小鸡就死了，说明石头根本没有发挥解毒的作用。方济会修士们目瞪口呆，他们要求再做一次实验。侍卫又拿来一些小鸡，结果还是没有一只小鸡能够死里逃生。几位修士还是将信将疑，觉得小鸡可能是由于其他不明原因死亡的。多年之后，雷迪在给著名的耶稣会会士、自然哲学家阿塔那修斯·基歇尔的信中提到了这个场景，他这样写道：“真理往往来自对普遍认知的怀疑。”

雷迪比方济会修士早两年多来到费迪南多的寓所。作为公爵的私人医生，他在公爵富丽堂皇的碧提宫中有一个房间。寓所内外的风格本身就是雷迪所处前后两个完全不同时代的写照：寓所的外面酷似黑暗时代的堡垒，除了高高的拱门以外就是罗马士兵为抵御入侵而建造的带有军国主义色彩的圆柱，看上去令人生畏；而寓所的内部则选用色彩艳丽的挂毯和前卫的艺术品加以装点。随处可见的机关也体现出寓所的主人梅第奇家族在文艺复兴时期显赫的地位。

梅第奇家族在银行业经营方面十分成功，其业务遍布欧洲的每个角落。家族成员还喜欢炫耀他们的财富，特别是他们收集到的各种现代化的科学装置。佛罗伦萨的碧提宫内各种最新的高科技物件可谓琳琅满目，包括温度计、星盘以及世界上第一个气压计。碧提宫甚至还拥有当时世界上最先进的望远镜，这让人不禁想到曾经出入于碧提宫的著名天文学家伽利略。

尽管雷迪在伽利略去世20年之后才搬入寓所，但他还是对这位著名前辈留下的遗物印象深刻。伽利略对别人感知的世界不屑一顾，而是试图通过亲身观察理解世界。毫无疑问，伽利略就是个理性和教条的矛盾体，但在雷迪身上理性却占据上风。

同其父科西莫二世一样，大公爵费迪南多二世对所有与科学相关的事物都颇为着迷。他甚至收集了一批相貌古怪的人类标本，据说包括一些长着象牙的小矮人。包括妻子维多利亚在内的一些人认为费迪南多过分痴迷于这些事物。费迪南多也毫不隐瞒对妻子虔诚布道的痛恨，当然很多其他因素也成为了他们婚姻的绊脚石。不久，有关大公爵婚外情的流言蜚语在佛罗伦萨寓所内传得沸沸扬扬。有人说费迪南多的妻子维多利亚曾发现他与一位名叫布鲁托·德拉·莫里拉的男子同床，许多人因此认为布鲁托就是是费迪南多的情人。费迪南多二世的生母大公夫人玛丽亚·马达莱娜出生于奥地利，她在费迪南多的房间里讲述了发生在寒冷冬日的一个故事。她手中有一份写有佛罗伦萨权贵姓名的清单，据说这些人都是同性恋者。她建议费迪南多对他们施以火刑。费迪南多接过清单看了看，告诉母亲名单上的人名不全。他在清单上添加了一个名字后把它还给了母亲。大公爵写在清单上的名字正是他自己。

有了大公爵的资助，雷迪很快成为了科学学会的一员。这个学会由梅第奇家族创办，旨在保留伽利略去世后留下的科学成就。雷迪在自然科学方面著述颇丰，只要有可能，他就一定会坚持学会的口号——“不断地尝试”。他总是非常大胆，甚至曾经用喝下蛇毒的方式证明口服蛇毒并不会使人命丧黄泉。这个时代的一些知名科学家都加入了这个学会，其中也包括伽利略的众多弟子。然而在伽利略的这些弟子当中，雷迪是最让人耳熟能详的一位。

在古希腊和古罗马思潮风靡的欧洲，雷迪算得上是新派的自然哲学家。至少在年轻时，雷迪对任何事物都持怀疑态度。书是知识的载体，知识也是需要积累的。但所有事物都必须经过检验才能判断真伪，从避开毒药的神奇方法到备受推崇的亚里士多德有关生命自然发生的理论都是如此。

公元10世纪，拜占庭君主君士坦丁七世颁布了一部实用农业智慧纲要《农书》。在这之后的6个世纪里，这部著作成为了欧洲农业生产指南，其中包括红酒制作工艺、牲畜饲养窍门以及养蜂等各种实用农业知识，对于农业生产至关重要。书中有一段详细介绍养蜂的方法，引述如下：

建造一座大约4.4米高的房子，使房子在各个方向上的尺寸相同。房子需要一扇门，每面墙上各有一扇窗。房子中央拴上一头两岁左右的肥硕小牛，然后众人合力用棍棒把小牛狠狠地打死。小牛的肉和骨头都可以打，但不要溅出血。牛身上的各个开口，如口、鼻、眼睛都要用经过沥青浸泡的优质亚麻布封上，然后在牛肚下方用大量的百里香蒸烤。此时门窗不但要紧闭，而且需要用厚厚的黏土覆盖，防止外界空气进入屋中。3周后打开门窗，阳光和新鲜空气进入屋内，但注意不要让大风吹入。11天后，你会发现屋子里到处都是簇聚在一起的蜜蜂，而那只可怜的小牛只剩下角、骨头和皮毛。

这部著作读上去像是魔法，但是直到文艺复兴时期人们依然将其视为科学，毕竟其中的方法都能够得到验证。这个养蜂的方法至少在罗马诗人维吉尔时期就已问世。类似的养殖方法还有不少，几乎涵盖了所有生物种类。这些方法甚至还可以在文艺复兴时期著名的科学家兼医生约翰尼斯·范·赫尔蒙特的著作中找到。

文艺复兴时期的科学发展经历了两个明显不同的阶段，因此历史学家长期以来一直致力于对“文艺复兴时期科学”的研究。第一阶段为恢复元气阶段，这时学者们开始重拾亚里士多德和阿那克西曼德等古希腊思想家的著作，这些著作中的绝大部分内容曾在中世纪的西欧失传。接下来为创新阶段，学者们开始提出新的、原创性的理论，并利用实验检验这些想法。约翰尼斯·范·赫尔蒙特对文艺复兴时期科学发展的两个阶段都有所建树。

范·赫尔蒙特出生于当时隶属于西属尼德兰（比利时等的旧称）的布鲁塞尔，青年时期在位于鲁汶的大学里度过。在这所大学中，范·赫尔蒙特将自己的全部精力投入到对古典生理学家伽林和希波克拉底的著作的研究中。但是随着研究的不断深入，他发觉这些著作空洞无味，并开始对这些经典著作失去了兴趣。范·赫尔蒙特多年以后曾写道，当他发现这些著作“确信无疑且无可辩驳”时，他感觉到这些年所做的研究“毫无意义”。他把学生时代获得的书籍都送给了别人，还经常跟别人提起自己唯一的遗憾就是没有将那些书籍烧毁。

范·赫尔蒙特不断提升自己，成为了文艺复兴早期最为知名的自然哲学家之一。他在气体研究领域取得了长足的进步，在世界上第一次成功地分离出二氧化碳。他把分离出的二氧化碳称为“gas sylvestre”，实际上“气态”这一术语就是由范·赫尔蒙特创造的。

作为实验生物学家，范·赫尔蒙特的同行甚少，几乎没人留意他的想法。他花了5年时间完成自己最著名的实验——认真观察并记录树木的生长以验证其提出的水和空气使树木增重的假设。这一假设与人们认为的土壤让植物增重的概念完全不同，为后来理解光合作用奠定了基础。范·赫尔蒙特还认真研究了包括胃酸和精液在内的体液的属性，并将它们统称为“发酵物”，还把这些体液与体内发生的化学反应相联系。虽然他的做法并没有得到广泛的认可，但确实是人类在理解生命体代谢方式的过程中一个重要的里程碑。范·赫尔蒙特的实验预言了现代酶学理论，酶是一种有机大分子，调节着所有生命活动的化学过程。到了19世纪，许多科学家才开始意识到这些化学过程是维持生命体征的关键因素。

然而范·赫尔蒙特作为科学界的知名人物总是饱受争议。尽管范·赫尔蒙特经常挑战经典的假设以抛出自己的理论，但他还是沉迷于古代的神秘主义和魔法，甚至包括古希腊科学中一些最具争议的想法。范·赫尔蒙特并不回避使用“魔力”这个词，尽管他是虔诚的罗马天主教徒。他对亚里士多德的自然发生论十分着迷，而且还被誉为这一时期这一领域的最高权威。范·赫尔蒙特甚至为各种饲养动物编写了食谱，其中最著名的莫过于他为老鼠准备的食谱：把汗水浸透的衬衫与粮食一同放入桶中，等待粮食变成老鼠。

雷迪认为范·赫尔蒙特的所谓“食谱”与方济会修士带来的石头没什么区别，都在强调生命是自然发生的。于是，他以苍蝇为研究对象对自然发生论进行检验。显而易见，苍蝇不是通过传统方式孕育的，而是从各种垃圾中滋生的。人们可以肯定苍蝇不是从卵中孵化的，因为根本没人见过蝇卵。但是在阅读荷马的《伊里亚特》有关自然发生的描述时，雷迪顿悟了。他后来回忆道：“如果能够证实腐肉中的蛆就是苍蝇的卵而非源于肉本身的话，那又该如何解释苍蝇的来源呢？”

7月份是一年当中苍蝇数量最多的时期，雷迪把蛇、鱼、小鳗鱼以及生牛肉片分别放入4个不同的烧瓶中，然后把烧瓶密闭好。又用另外4个烧瓶装上同样的东西，但这次他没有封上瓶口，而是把这些动物的尸体暴露在空气中，任何昆虫都可以进入瓶内。正如雷迪预想的那样，敞口烧瓶中的腐肉滋生了蝇蛆，而那些与空气隔绝的烧瓶中没有滋生蝇蛆。

实验结果支持了雷迪的假设，但他意识到该实验并不具有决定性。考虑到批评家可能会吹毛求疵，雷迪猜测会不会是密闭的烧瓶由于缺乏足够的空气才导致了蝇蛆无法存活？于是他设计了一个更加精巧的实验，用缠着纱布的容器代替密闭容器。这次蝇蛆的确出现了，但是只是在纱布以外。雷迪认为唯一说得通的解释就是腐肉吸引苍蝇，但是苍蝇无法穿透纱布，于是就把蝇卵产在纱布上。

总有一天学校课本会把这个实验称为“雷迪实验”。雷迪所做的实验在科学史上之所以非同寻常，并非在于他支持或反对的内容，而是在于他做实验的方式：首先提出假设，然后在两种不同条件下通过实验验证理论。这是最早也是最精确的科学对照实验之一。

很快，雷迪用不同的昆虫进行类似的实验。这些实验为他的科学巨著《昆虫繁殖实验》的出版奠定了基础。这部著作称得上这个时期的鸿篇巨著，不仅观察入微，而且实验详尽。在这部著作中，雷迪不仅否认了亚里士多德的自然发生论，而且坚信是大自然孕育了生命，它们根本不是上帝的杰作。雷迪是一位杰出的作家，以诗一般的文字归纳了古希腊哲学家们的观点，并阐述了大自然孕育生命的思想：

许多古希腊哲学家认为我们俗称为地球的美丽家园在离开永恒之手后开始赋予自己绿色生命，此后不断变得美好和充满活力。在阳光的沐浴和土壤的滋润下，植物自然而生，并为动物提供了食物来源。动物的种类最终变得丰富多样，从肉眼难辨的微生物到体型硕大的大象。

“苍蝇的生命周期”，选自《昆虫繁殖实验》

在雷迪看来，古希腊哲人们的观点与自然法则相悖。为了回应荷兰自然哲学家简·施旺麦丹的观点，雷迪这样写道：“所有生命都由卵发育而来。”

雷迪在科学领域的职业生涯十分短暂。1670年5月，大公爵费迪南多二世突发疾病，现代医学把该病称为“脑卒中”，也就是我们俗称的中风。医生尽了最大努力用当时最先进的治疗手段对公爵进行医治，包括用热铁块烘烤他的前额，用死鸽肉对他进行熏蒸。就如同方济会修士献给大公爵的具有解毒作用的石头一样，这些治疗手段都没有奏效，两天后公爵去世了。

公爵唯一的儿子科西莫三世继承了公爵之位。公爵曾经想让科西莫接受现代科学教育，但是公爵夫人维多利亚一点儿也不懂科学。这位新继位的大公爵几乎在所有方面都受到母亲的呵护。据说他一生中从来没有笑过，敬仰科西莫三世的人把这一点看作他对宗教虔诚信仰的体现。他统治的最大特点就是颁布法律镇压当地犹太人，而这些人在费迪南多二世在位的时候不断壮大，成为了当时意大利的主要民族。科西莫三世还痴迷于节欲，颁布法律禁止在门窗附近交欢，甚至要求女性不得把非亲属身份的年轻男子带入屋内。同性恋者要被砍头。有位传记作家后来这样形容科西莫三世：“（他）虔诚得近乎偏执，禁锢一切自由思想，遭妻子厌恨，而且还经常前往教堂和修道院。”

雷迪发现自己在公爵寓所的职位并没有发生变化。过去他总是在科西莫三世和父亲争吵时充当调停人的角色。虽然新大公爵对雷迪有几分敬仰，但雷迪却无法继续追寻科学事业，因为新大公爵关闭了科学学会。

雷迪把自己的精力投入到新学术组织中，即托斯卡纳文学秕糠学会。他协助编纂了首部托斯卡纳词典，并且完成了几部史诗。在那个时代，雷迪在诗赋方面取得的成就比他在科学领域的贡献更加为人所知，他的杰作《托斯卡纳美酒》至今仍被视为意大利文学的典范。这部作品主要讲述的是一位男士努力替代罗马酒神的故事。在雷迪的诗句中，复仇之神巴克斯悲叹道：“英勇的亵渎者变得十分果敢，他现在要佯装篡夺我的王位。”

雷迪在垂垂暮老之际，由于患有中风，身体每况愈下。按照一些人的说法，雷迪喜欢天主教的神秘，曾数日沐浴在神圣油池中，还曾在与圣拉涅利的骨头摩擦过的绸带上碰过运气——据说这样做能产生神奇的疗效。他对自己生活状况的描述似乎暗示他曾患上抑郁症。

尽管雷迪久负盛名的科学著作《昆虫繁殖实验》广为人知，但对那个时代的大多数人而言，这部著作的真实意义可能早已不复存在。雷迪运用实验方法探索生命是否真的可以从非生命物质中孕育，事实证明这并不可能。因此，他深信通过无可争议的实验已经证明了这一“事实”。然而，由于没人能够一口咬定见过蝇卵，所以没有几个人认为雷迪颠覆了自然发生论。真理往往来自对普遍认知的怀疑。

与此同时，一位不知名的荷兰杂货商拿到了一本《昆虫繁殖实验》。他确信雷迪所讲句句属实，因为他不仅相信雷迪的实验方法完全正确，而且他确实曾经见到过蝇卵。

第3章 昆虫之眼

当恒星最终毁灭时，行星只不过是浩瀚宇宙中的碎片；而当新的恒星诞生时，又总会有新的行星出现在它们的周围。在浩瀚的宇宙中，地球只不过是沧海一粟；而更加渺小的我们，却坚信宇宙因我们而存在。

——保罗·亨利·蒂里、巴龙·霍尔巴赫，《自然体系》，1770年

现在是公元1664年的夏末，一位40岁出头的男子正驾驶着一条船行驶在荷兰代尔夫特城外的湖面上。这位男子的胡子约有5厘米长，看上去像是用铅笔画出来的。他头上的浅棕色假发散落至肩部，给人一副典型荷兰中产阶级的形象。

这座位于代尔夫特城外的湖名叫博克尔斯·米尔湖。湖的面积不大，与其说是湖泊，倒不如说是湿地。湖水深浅不一，一些地方甚至变成了沼泽，因此在这里驾驶船只颇为困难。博克尔斯·米尔湖中鱼类资源丰富，据说还十分美味。虽然渔民们对这片湖水了然于心，但这位中年男子对湖水并不熟悉。他是来自代尔夫特城的一位布商，名叫安东尼·范·列文虎克，此刻他正在湖中寻找着什么。

尽管有些人认为博克尔斯·米尔湖名声显赫与该湖盛产的鱼类有关，但其实还有另一个原因。博克尔斯·米尔湖水在冬季除了出奇地清澈以外毫无异样，但是到了初夏湖水即开始变成奶白色。最终，湖中满是绿色的团状物体，看上去就像水中的云朵一样。当地人说这些绿色的团状物体是由初夏时节的露水形成的，因此称之为蜜露。列文虎克对此表示怀疑，他认为自己也许能够彻底解决这个问题。

列文虎克把船泊在一处绿色的团状物体上方，拿出小玻璃瓶装了些绿色的湖水，然后转乘马车经过两个小时的颠簸把水样带回位于城里的家中——在这里列文虎克同妻子和过继来的女儿生活在一起。他不确定会在这瓶水样中发现什么东西，也不清楚人类认识的世界将因此变得更加宽广，更不清楚人类有关生命本质的一切想法都将被彻底颠覆。

回到家中后，列文虎克把水样丢在一边。他在荷兰的这座小城中有一处普通住所，在这一天余下的时间里，他只是像一个普通的布商一样，除了照料生意就是陪伴女儿玛利亚。其他的孩子都在年幼时夭折了，因此他将这个唯一的女儿视若珍宝。

第二天，列文虎克又把注意力放在了水样上，他小心翼翼地用镊子取出一根头发丝粗细的绿色细丝。由于列文虎克的母亲出生于一个酿酒世家，这根绿色的细丝让他想起了铜制冷凝管——这是一种在酿造过程中冷却啤酒和麦芽酒的螺旋装置。列文虎克自制了一个小装置。这个小装置是一块固定在金属架台上的大约25厘米长的金属板，有点儿像木匠在把设备装到工作台上时用到的物件。列文虎克把金属架台作为基座，把金属板当作支架，然后在金属板上钻了一个洞，放上一小块用玻璃板打磨成的镜片。这个设备就是显微镜，这位荷兰布商制作的显微镜能够让他看到其他任何人都未曾看到过的微小物体。

列文虎克把水滴在显微镜上，透过镜片观察到了一个椭圆形的白色物体。他不仅在感觉像头的部位找到了看上去像腿的结构，还在另一面看到了长得像鱼鳍一样的东西。列文虎克认为这个椭圆形的物体比自己所见过的最小的昆虫还要小。当看到这个物体突然移动并像线虫一样在水中穿行时，他确信这是一条小生命。

对于人类而言，地球上的微生物数不胜数。微生物几乎可以在任何地方生长，从地表600米以下的岩层（这个深度是海洋平均深度的3倍）到我们的体内，微生物几乎无处不在。寄生在人体当中的微生物数量相当于人体细胞数量的10倍，然而在大多数时候，人们却没有意识到它们一直与我们共同生活。我们四处徘徊，不仅对如此众多的微小生命熟视无睹，还错误地将微观世界视作贫瘠的荒漠。列文虎克在博克尔斯·米尔湖水中发现的微生物让他第一次产生了一个模糊的想法：存在于这个世界上的生命体密度要比人类想象的大得多。

实际上，包括细菌、原生动物和其他数不清的微生物在内的微观世界是在17世纪被发现的。这个世纪人类对微观世界的认识不仅达到了前所未有的高度，而且1632年（也就是列文虎克出生的那一年）也因为一些颇具争议的理由变得重要起来。

一方面，1632年的欧洲正处于战争的中间点。这场天主教与新教之间的战争在当时被称为伟大的战争，后来历史学家又起了一个广为流传的名字，即“三十年战争”。随着战争的蔓延，中欧大部分乡村变成了战场，很多城市都不复存在。这不禁让人联想到列文虎克的荷兰朋友耶罗尼米斯·博斯以死亡为主题的绘画作品。比战争更恐怖的是接下来爆发的各种疾病，特别是所谓的“头部疾病”和“匈牙利病”。斑疹伤寒、黑死病、痢疾以及坏血病夺走了人们的性命。混乱中，狂热分子加入到大屠杀和宗教屠杀当中。大约5万百姓因相信巫术而被处以绞刑、溺刑，甚至被活活烧死或钉死在树桩上。

另一方面，1632年也是欧洲充满希望的一年，标志着欧洲科学与理性时代到来的“启蒙运动”在这一年拉开了帷幕。如果说文艺复兴时期科学开始回归于欧洲理性世界的过程就像涓涓溪流的话，那么启蒙运动时期的科学回归就好像洪水一般汹涌澎湃。启蒙运动中最重要的一批学者出生于1632年，其中之一就是英国人约翰·洛克。他对君主绝对权力思想的抵制不仅启发了包括伏尔泰和让-雅克·卢梭在内的启蒙运动思想家，也为美洲国家和法国的民主革命奠定了基础。另一位知名学者是具有犹太血统的荷兰哲学家巴鲁赫·斯宾诺莎，他开始理性地探索精神世界，并将自然看作其本身而非上帝的创造物。斯宾诺莎因此在哲学领域做出了不可磨灭的贡献，德国哲学家格奥尔格·威廉·弗里德里希·黑格尔后来做出了这样的评论：“要么是斯宾诺莎主义哲学家，要么根本称不上哲学家。”

荷兰成为了欧洲启蒙运动的中心之一。1632年有两位伟人诞生在当时的首都代尔夫特，他们分别是列文虎克和画家杨·维梅尔。维梅尔之后创作了他最具代表性的作品《戴珍珠耳环的少女》，他对颜色和明暗革命性的处理方式为自己在艺术史上谋得了一席之地，并因此成为一位颇具影响力的艺术家。值得一提的是，维梅尔与列文虎克的出生地也相距不远。

列文虎克的父亲飞利浦以做篮子为生，娶了一位酿酒商的女儿为妻。酿酒业在17世纪的荷兰是受人尊敬的行业，虽然飞利浦自身的条件有限，但是与这样的家族通婚在荷兰是司空见惯的事。大多数欧洲人的生活受到地位和特权的严格束缚，然而这种束缚在荷兰开始瓦解。随着启蒙运动使更广泛的阶层融入欧洲社会，荷兰人开始相信不依靠出身而是通过自身的努力也可能获得成功，荷兰女性也比其他大多数欧洲国家的女性赢得了更多的权利。妇女能够自由发表言论，独自上街也不再会有顾虑，家庭暴力也第一次被列为犯罪。

荷兰这个弹丸之国很快成为了欧洲的贸易中心，荷兰商船的数量比西班牙、英格兰、葡萄牙、法国以及奥地利的总和还要多。荷兰人成为各种商品在欧洲的中间商，他们在各个殖民地之间贩卖货物，既包括那些早期敌对国家的殖民地，也包括印度尼西亚瓜哇岛和曼哈顿岛新阿姆斯特丹地区（今美国纽约）的荷兰殖民地。自此，荷兰人开始了自己的“黄金时代”。

财富和前所未有的自由使得荷兰成为“三十年战争”之后欧洲的科学中心。自由甚至还延伸到了宗教领域，比如荷兰的加尔文教徒就认为宗教与国家之间并不存在什么瓜葛。犹太协会、路德教会甚至是他们不久之前的敌人天主教，都在17世纪的荷兰相互融合共同发展。此时宗教冲突在欧洲其他地区十分普遍，但荷兰画家杨·维梅尔将自己的信仰改为天主教的过程几乎没有遇到阻碍。倘若发生在欧洲其他国家，他可能会因此背井离乡或至少事业受阻。彼时斯宾诺沙的著作被认为是亵渎神明的，他本人后来因此遭到传唤并被犹太教除名，还受到了加尔文教徒的辱骂。然而这些著作从未致其锒铛入狱，更没有让他遭到任何迫害。而200多年之后，英格兰无神论诗人珀西·比希·雪莱却因为在大学期间张贴亵渎神明的传单而受到审判，他的子女也因此遭到了英国政府的驱逐。

自由的荷兰吸引了世界各地的移民蜂拥而至。包括范·赫尔蒙特在内的许多移民都是伟大的科学家，罗马的科学理论也因此毫无保留地在荷兰生根发芽。荷兰印刷厂开足马力印制世界各地的科学典籍。阿姆斯特丹作为首个荷城市出版了伽利略挑战上帝的禁书《关于两门新科学的对话》，而且多年来这本书只能在这座城市出版。

职业科学家彼时还没有出现。英语中的“science”（科学）一词来自拉丁语“scientia”（意为“知识”），其使用率远低于“自然哲学”。然而在我们的意识里，这个年代诸多伟大的思想家可以被归入科学家的范畴。包括物理学家雷迪在内的大多数科学家都有一份正式的工作。尽管范·赫尔蒙特经常被视为哲学家，但他同时也是一位物理学家。总的说来，这些人都具有一定的社会地位，并且有能力将时间和金钱投入在常人看来只不过是兴趣爱好的科学研究当中。

这些自然哲学家有一点是相通的，即他们都受过良好的教育。他们与那个年代的有识之士享有同样的社会地位，但这是列文虎克所不具备的。列文虎克5岁时父亲就去世了，母亲和继父把他送到一所极普通的小学就读。那时任何接受过良好教育的人都必须精通拉丁语与希腊语，因此剧作家本·琼森对与他同时代的威廉·莎士比亚不以为意，因为后者不论对拉丁语还是希腊语都称不上精通。虽然列文虎克对这两门语言一窍不通，但因取得了重大科学突破而受到人们的尊崇，也因此与各国名流互动频繁。然而列文虎克似乎总显得与他的身份格格不入，他不仅缺乏安全感，而且极度敏感。

在列文虎克16岁那年继父也去世了，母亲又把他送走了，这次是把他送到了港口城市阿姆斯特丹学习贸易。阿姆斯特丹有许多新来的外地人，有些来自海外，有些则来自乡村。荷兰很快成为城镇化国家，阿姆斯特丹也是当时知名的大都市。列文虎克在一家亚麻布商店当学徒，后来升职到文员和出纳。这期间学到的基本贸易知识也在日后成就了他的事业。也正是这时列文虎克第一次接触到了简易的显微镜，这使得世界各地的知识分子后来把他的名字和显微镜画上了等号。

至少从公元1世纪开始，简易镜片就出现了。罗马帝国君主尼禄的导师塞内卡·德·扬格曾经如是说：“无论多小多么不清晰的字母，透过球体或盛水的玻璃杯看时都会变大，而且变得更清楚。”但是人们何时意识到磨制的镜片可以用来制作显微镜这样的设备的确无从考证。15世纪末的意大利诗人乔瓦尼·迪·伯纳多·鲁切拉伊是罗马教皇利奥十世的堂兄，他曾使用凹面镜观察过蜜蜂的形态，这成为后来他创作名诗《蜜蜂》的基础。

伽利略是最早制作复式显微镜的人之一，他把这个显微镜叫作自己的“小眼睛”。这个显微镜通过数个镜片的叠加能够使放大倍数显著提高。英文中的“microscope”（显微镜）一词是由伽利略的朋友、德国植物学家乔瓦尼·法伯尔创造的，该词是希腊语“scopia”（意为“看见”）和“micro”（意为“微小”）的组合。就在伽利略制作显微镜之前不久，荷兰的两位眼镜制作工匠汉斯·利伯希和扎卡赖亚斯·詹森各自宣称是自己发明了显微镜，他们还宣称自己也是望远镜的发明者。这两位工匠是邻居，都坚称对方窃取了自己制作显微镜和望远镜的方法。虽然这些争吵毫无意义，但他们可能是最初尝试为这些物品申请专利的人。

在列文虎克生活的时代，镜片制作工艺风靡整个荷兰，甚至巴鲁赫·斯宾诺莎都曾以打磨镜片为生。质量最上乘的镜片用于制作望远镜，因为望远镜用于航海等重要的军事用途。但是用于观察微小物体的小镜片也有市场，它们专门用于列文虎克从事的布匹贸易领域。这些镜片比之后出现的放大镜还小，但可用来精确地检测布匹的质量和针线的工艺。

1665年，一本名叫《显微制图》的出版物激发了人们对显微镜的兴趣。该书的作者是一位名叫罗伯特·胡克的英国人，他是爱尔兰知名化学家和发明家罗伯特·玻意耳的助手。胡克不仅是位杰出的自然哲学家，也是一位有天赋的艺术家。这本书中精美的手绘插图甚至吸引了一些自然哲学领域以外的读者。书中介绍的大多是一些常见的东西，但胡克显微镜里的世界在17世纪的读者眼中既有趣又充满了神秘。

胡克在《显微制图》的前半部分只是绘制了用显微镜观察到的一些简单的人造物品，像列文虎克这样的布商可能对其中的一些感兴趣，比如针头和亚麻布。此后不仅更加复杂的物件被包括进来，胡克还将注意力转向了对植物结构的观察——除了普通的迷迭香，还有来自东印度群岛的外来物种刺毛黎豆。在书的最后是胡克描绘的最具魅力也是最复杂的动物结构，包含毛发、羽毛以及昆虫和其他动物的各部分结构，比如苍蝇的眼睛和蜗牛的牙齿。

胡克《显微制图》一书中有关跳蚤的插图

《显微制图》中的第一张插图便是一台显微镜，样子看上去与后来4个世纪里使用的没什么区别。它就像一架镜筒朝向地面的小型望远镜，观察者可以从镜筒的上方进行观察。胡克在书中详细描述了他制作显微镜的方法，甚至包括吹镜片和磨镜片的技术。这部分内容十分详细，以至于占到了全书一半的篇幅。

《显微制图》一书出版时，列文虎克正在代尔夫特结婚并装点新居。很快他根据胡克的方法大致制作了一台属于自己的显微镜，尽管不如胡克设计的那台好看，但也并非毫无美感可言。这台显微镜的所有部件均由铜或银打造而成，在镜片方面也有所创新。胡克打造的是那一时期常见的复式显微镜，数层镜片叠加可以提高放大倍率。然而列文虎克的显微镜只有一个镜片，放大倍率却相当于胡克整个显微镜的5～6倍。

与胡克不同的是，列文虎克对他磨制镜片的工艺守口如瓶，不仅坚决不分享制作方法，也从不与他人进行探讨。甚至当这种做法损害到自身信誉时，他也拒绝公开。现代画家戴维·霍克尼认为列文虎克曾通过增加背景亮度的方法提升镜片的清晰度，这与许多同时期荷兰著名画家处理明暗和视角的手法并无二致。霍克尼甚至怀疑列文虎克的设计受到过照相机暗箱（那是一个简单的箱子，利用光线在镜片之间的反射使物体的像更大且更加清晰）的启发，即投影仪的原理。最终，列文虎克的设计启发了卢氏兄弟设计出第一台电影放映机。

至少在使用单一镜片这个方面，列文虎克设计的显微镜更加高效。胡克复式显微镜最大的设计缺陷就是每加一个镜片，所能看到的物体就变得模糊一些。这一现象叫作色差。而列文虎克设计的显微镜使用的是极高倍数的镜片，因此不存在这样的问题。

现在，列文虎克能够利用他的显微镜看到其他人从未见过的东西。他首先把注意力转向胡克书中描绘过的东西，但他观察到了胡克漏掉的许多细节，比如蜜蜂的口器、刺针以及眼睛的结构。列文虎克把自己的发现分享给自己的几位朋友，其中包括瑞格涅·格拉夫。格拉夫不仅是一位自然哲学家，还是杰出的医生和皮下注射器的发明者。他很快把列文虎克介绍给了伦敦的自然哲学家亨利·奥尔登堡。在随后几年里，列文虎克因发明了世界上最精巧的显微镜而获得了极高的声誉，而奥尔登堡正是让列文虎克名扬天下的那个人。

列文虎克的显微镜

奥尔登堡来自德国的不来梅，原名为海因里希·奥登堡。他最早是以外交官的身份来到英格兰的，后来因为娶了一位在当地颇具影响的牧师的女儿而长期居住在此。奥尔登堡十分热爱科学，是一个自然哲学家组织的创始成员之一。这个组织的成员常在伦敦的格雷沙姆学院小聚，最终发展成为后来的牛津哲学学会。可能是出于对法国王室支持蒙特摩尔学院的回应，1662年牛津哲学学会收到了查尔斯二世的特许，更名为伦敦皇家学会。伦敦皇家学会旨在促进自然科学的研究，它通常被简称为皇家学会，并很快成为17世纪以来全世界最具影响力的科学团体。

数学家威廉·布朗克成为该学会的首任主席，而胡克则被任命为实验室主任。奥尔登堡是学会的第一任秘书，但任职时间不长。1667年奥尔登堡被英国政府逮捕并囚禁在伦敦塔中。当局怀疑他是间谍，理由是他曾给法国的一位自然哲学家朋友写信描述了英国伦敦发生的事情。当时伦敦弥漫着排外情绪。荷兰军舰的入侵威胁到了英国，英国人第一次听到了外国军舰的枪炮声。不仅如此，四处蔓延的黑死病更是让这座城市雪上加霜，但这也是伦敦历史上最后一次黑死病大流行。在此之前的两年里黑死病夺去了10万人的生命，更糟糕的是前一年的一场大火烧掉了这里几乎80%的房屋。年轻的建筑师克里斯多夫·雷恩正在帮助重建伦敦，他刚好也出生于1632年，是启蒙运动的另一位代表人物。

奥尔登堡在荷兰入侵事件结束之后重获自由。他写信给老朋友罗伯特·玻意耳，请求恢复他在皇家学会的地位并“承诺向国家尽职效忠”。大部分人欢迎奥尔登堡回来，但是有个疑问一直让人挥之不去——许多英国人甚至是皇家学会里熟悉奥尔登堡的人都对他的忠诚表示怀疑。胡克是位坚定的民族主义者，他怀疑所有人。在此后的几年里，胡克甚至对奥尔登堡有没有同法国人秘密结盟都产生了怀疑。

然而，奥尔登堡却摇身一变，成为了将皇家学会打造成世界领先的科学智库的功臣。因为与世界各地的科学家频繁地书信往来，他还成为了启蒙运动思想的传播者。但与此同时，奥尔登堡也在为大量的海外来信所困扰，曾经的监狱生活让他变得小心翼翼。他开始要求写信人把信件寄给“格鲁班多先生”，即奥尔登堡使用的假名。

《显微制图》是皇家学会出版的首部著作。起初克里斯多夫·雷恩计划来完成这一著作，雷恩不仅是建筑师，还是一位杰出的科学家。由于缺少时间，雷恩把这本书的写作任务交给了胡克。在皇室的资助下，皇家学会也开始出版期刊，奥尔登堡则成为了期刊的首位编辑。不久之后，英国《皇家学会哲学会刊》成为了世界性的科学刊物，这一地位一直保持了两百多年。

英国《皇家学会哲学会刊》上早期发表的许多论文都涉及显微技术。1673年，这份刊物上发表了一封代尔夫特物理学家瑞格涅·格拉夫的来信，信中提到“一位名叫列文虎克的人设计的显微镜性能远远超出我们见过的显微镜”。此事值得庆贺，但也受到了怀疑，因为没有人听说过列文虎克。于是人们纷纷向荷兰政治家和诗人康斯坦丁·惠更斯求证，他的儿子克里斯蒂安也是大名鼎鼎的数学家和天文学家。惠更斯写道，列文虎克“在科学和语言方面虽未受过良好的训练，但却是一位天性好奇且十分刻苦的青年”。

在瑞格涅·格拉夫的催促下，列文虎克寄出了写给奥尔登堡的第一封信。在信中，列文虎克表现出了极为勉强但又坦诚的态度，这也成为了他日后书信的风格。他写道：“我不会用任何风格或者文采来准确表达我的想法，在我们镇上除了我之外也没人做过这样的尝试。”列文虎克还介绍了自己的一些特质，其中一点直到他日后成名可能都没有改掉，即“我不愿意承受别人的非议和责难”。

除了上述内容以外，列文虎克还在信中介绍了他对蜜蜂和虱子毒针的观察结果，这些都是他利用自制的更高倍率的显微镜观察到的。这些描述还配以草图，虽然列文虎克并不具备胡克的绘画天赋，也从未尝试认真作画。此后，列文虎克请当地的画家帮助画图，有时他还会给画家提供简单的草图让他们照此绘制，但这些所谓的草图只不过是纸上的寥寥数笔而已。众所周知，列文虎克从未让画家直接通过显微镜观察完成绘图，因为这样做会削弱他在微观世界观察方面所起的作用。因此，据说他多年来都是独自使用显微镜的。

列文虎克的第一封来信就遭到了怀疑，因为他当时的身份只是个布商。然而奥尔登堡在英国《皇家学会哲学会刊》上刊登的版本中加入了他自己的一些讽刺性的评论。奥尔登堡清楚地写道他们没有听说过列文虎克这个人，“毫无疑问，他将在实验观察和传授观察经验方面不断迈进，而这些正是对他设计的显微镜优点的最好证明”。最终，奥尔登堡邀请了荷兰的同行对列文虎克的发现予以证明。

列文虎克就是这么做的。在此后的40年里，他向全球顶级的研究机构和自然哲学杂志寄出了大约560封信件，里面包含着重大科学发现。这些信件写得通俗易懂，即使在揭示重大科学发现时，他也总是使用通俗的语言。但是列文虎克从未出版过专著，也没有发表过学术论文。可能他从未使用过更适合发表的语言进行写作，这与他从未阅读过那些发表了自己研究成果的国外刊物有关。他唯一使用的语言就是荷兰语。

列文虎克的大部分信件都直接寄到了皇家学会，而在很大程度上，奥尔登堡则成为了列文虎克来信的翻译和编辑。列文虎克并不喜欢德国人，每当提及德国人，他总是用同样的方式高呼：“噢，畜生！”但讽刺的是，让列文虎克一举成名的正是德国人奥尔登堡。奥尔登堡恪尽职守，在1677年去世前编译了列文虎克的所有信件。许多信件的收件人都是“格鲁班多先生”。

在17世纪，大多数人都难以接受世界上存在无法用肉眼看到的生命这一事实。列文虎克的许多主张一开始遭到人们的无视，甚至当时最知名的学者对此也不屑一顾。对于列文虎克而言，更糟糕的是自己时常遭到奚落。喜欢拿科学家开涮的英国讽刺作家乔纳森·斯威夫特就曾讥讽过列文虎克。列文虎克观察跳蚤身上的寄生虫一事启发了斯威夫特，他继而创作了如下的诙谐诗文：

寄生虫只是一点点地蚕食它们的宿主，

自然哲学家发现寄生虫身上还有寄生虫，

而它们身上还寄生着更小的寄生虫，

大自然就是如此往复无休无止。

然而没有什么能帮助列文虎克摆脱因发现博克尔斯·米尔湖的微观世界所招致的质疑。彼时尚未有人见过原生动物和细菌等微生物，这无疑是科学史上的里程碑。而且如果没有列文虎克的努力，在那个遥远的年代也不会有人能够观察到这些微生物。列文虎克是历史上第一个看到单细胞生物的人，他因此被人们誉为微生物学之父。他把这些微小生物叫作“微动物”，并认为在自己采集的水样中应该生活着数以百万计的微动物。

列文虎克一开始不愿意公开自己的发现，最终是在一年多之后写给奥尔登堡的信中才提到了他所见到的微动物。他猜到了人们可能不会相信他的发现，而事实也的确如此。对于17世纪末的大多数人来说，地球上存在如此微小的生物实在令人难以置信，许多人甚至认为列文虎克应该是疯了。加上列文虎克从不展示他的显微镜，人们更加怀疑这些微小生物是否真的存在。列文虎克直到晚年才开始受到名人和皇室的关注，此时他也开始把显微镜当作礼物馈赠给他人。即使这样，得到显微镜的人也在抱怨自己拿到的显微镜与列文虎克在家中使用的显微镜存在不小的差距。

即使列文虎克不把显微镜赠给访客和皇室的话，皇家学会也会到他的家里使用显微镜。不久，由几位英国与荷兰知名牧师组成的代表团前往代尔夫特，他们最终证实了列文虎克的发现。几年间，列文虎克在国际科学界名声鹊起，并在1680年当选了皇家学会的正式成员。但他从不参会，即使是自己的入会典礼也没有出席。

在观察了博克尔斯·米尔湖水样4年后，列文虎克的另一项发现也具有里程碑意义。他在观察自己唾液时决定看看牙垢，并把牙垢描述为“一小块具有厚度的白色糊状物”。他在牙垢中也发现了线虫一样的丝状微动物，并据此断定在“不足沙粒百分之一大小”的牙垢中看到了上千个小生命。

很快，列文虎克几乎检测了每位参与者的牙垢。在一位一生中从未刷过牙的老人嘴里，列文虎克发现其牙垢中充满微动物。然而在另一位牙齿严重不洁的老人嘴中，他却没有发现任何微动物。他猜测之所以这样是因为这位老人十分喜欢喝红酒和白兰地，他的判断很可能是正确的。在一封写给皇家学会的信件中，列文虎克这样写道：“所有荷兰人加在一起也没有每天生活在我嘴里的微生物数量多。”但他也怀疑人们是否能接受微生物存在的事实。

这后来成为列文虎克一生中最重要的发现之一，他也因此成为了第一位观察到单细胞生物的人。是的，他发现了细菌的存在。细菌不仅是地球上最古老的生命形式之一，也是导致许多疾病和感染出现的因素。当然，那时候没人能理解这些观察的重要性，但列文虎克的贡献对200年后的医学革命起到了关键作用。

当时，列文虎克的同辈人实际上更关心微动物的来源。借助自然发生论，很多人认为微动物能够自我繁殖，对此列文虎克却持有不同观点。雷迪于1688年出版的《昆虫繁殖实验》一书对列文虎克的影响巨大。他确信雷迪的想法是正确的，即一切生命体都由受精卵发育而来。他的一些早期信件隐约包含着对自然发生论的抨击。他曾在1686年的一封信中这样写道：“没有繁殖过程，虱子或跳蚤就不可能自然出现；同样，马、牛和其他动物也不可能从腐烂的粪堆中自然地孕育。”

列文虎克将自己的大部分精力集中在对雷迪书中描绘的问题的研究上。凡是雷迪通过实验得到的结论，列文虎克都通过显微镜予以了证实。显而易见，任何人都能看到苍蝇、虱子或者跳蚤的卵，任何曾经被认为是自然发生的生命也都是通过卵进行繁殖的。

要证明雷迪结论的正确性，列文虎克只完成了其中一步，但又引出了另一个更难解决的问题：小昆虫确实为卵生，但那些极小的微动物又是如何繁衍的？列文虎克甚至无法宣称自己曾见到过微动物的“卵”。

对于大多数人来说，列文虎克认为微动物也具有有性繁殖的假设显得荒唐滑稽，而自然发生论似乎更说得通。但列文虎克坚持自己的怀疑，并坚定地认为这些微动物的繁殖方式同其他大多数生物没什么区别，甚至相信自己能够看到微生物的繁衍过程。

作为自然哲学家，列文虎克简直就是亚里士多德的翻版；但与实验主义者雷迪不同，列文虎克还是位观察者。因为不断取得成功，他不仅比以前更欣赏自己的学识，也更有信心推广自己的理论。最终，列文虎克决定要做一些自己从未做过的事情来回答微动物的繁殖问题，于是他设计了一个实验。

列文虎克设计的实验比较简单，他在两根试管中放入雨水和胡椒粉，这两种物质混合后总会出现很多的微生物。列文虎克对两个试管进行加热，因为经验告诉他这样做会杀死微动物。然后他借助火焰封闭其中一根试管，因为他相信隔绝空气的密闭试管无法令任何生物存活。两天后列文虎克检查试管。不出所料，敞口试管中出现了微生物，然而当列文虎克把另一根密封着的试管打开后也发现了微生物。这让他感到十分惊讶，最直接的解释就是密封试管中的微生物是自然产生的。

列文虎克无法相信密闭试管中的微生物是自然产生的。尽管他向皇家学会如实报告了观察结果，却不知这些微生物是怎么出现的。因此，对于这部分内容他只能一笔带过。

1698年的俄国算得上是一个强大的国家，这一点从当年彼得大帝启程前往荷兰检阅盟国军事实力一事就可以证明。彼得大帝乘船从海牙沿运河前往代尔夫特，在那里他差遣了两个随从前往列文虎克家中邀其见面。随从告诉列文虎克彼得大帝本打算亲自前往他的家中，但害怕被市民认出。于是列文虎克到船上与彼得大帝见了面，沙皇讲着一口地道的荷兰语，这让列文虎克感到十分高兴。他为彼得大帝准备了礼物：一台绑着鳗鱼尾巴的显微镜（这样彼得大帝就能亲自看到血液循环的过程）。虽然彼得大帝十分高兴，但列文虎克却告诉熟人自己觉得同彼得大帝见面十分无趣。

彼时，因为发现了微生物及其宿主，列文虎克已是全球最知名的微生物学家之一。他还第一次观察到了精液中的精子，同时也是第一批观察并记述血液在毛细血管中流动的科学家之一，他甚至还描述过单细胞生物。1692年，胡克在一篇有关显微镜的论文中表达了这样的不满，认为“列文虎克已经代表了整个显微镜学，我听说除了娱乐消遣，显微镜别无他用”。

尽管列文虎克的荣誉已经多得数不胜数，但晚年的他依然在抱怨这些伟大的发现并没有得到人们的公平对待。直到晚年列文虎克还在工作，并继续与皇家学会以及其他机构有书信往来。他在这些书信中也流露出一丝酸楚，显得有些不合时宜。尽管此时声名显赫，但他还是经常展示一些最习以为常的观察结果。

到了1723年，列文虎克的急性肺痉挛日益严重，这让他难以呼吸。他在写给皇家学会的一系列信件中开始提及自己的身体状况。尽管当时列文虎克的一只眼已经失明，但他在信中依然会介绍在显微镜下观察羊和牛切片的结果。医生诊断他患有严重的心脏病，但是列文虎克自己却不以为然，后来证实医生的诊断确实有误。列文虎克实际上得了罕见的呼吸性肌阵挛，该疾病后来也因此被人们叫作列文虎克病。

一位朋友把列文虎克写给皇家学会的最后两封信译成了拉丁语，这是他一生都不曾用过的一门语言。这两封书信流露出一些有关死亡的字眼，列文虎克当时年近90岁，知道自己所剩的时间不多了。他在一封信中提到持续了3天的痉挛：“这3天里我的胃肠停止运转，我仿佛感到自己就站在了死亡的边缘。”

列文虎克的身体每况愈下，并最终于1723年8月与世长辞。他死后被葬在代尔夫特的一处公墓，距离胡果·格劳秀斯的墓地仅有一两米之遥。格劳秀斯是位宗教理论家，同时也是荷兰历史上的一位杰出人物，他的理论曾为卫理公会以及五旬节派运动奠定了基础。

列文虎克把最宝贵的遗产留给了皇家学会：一个精美的黑色漆盒和里面的26台银制显微镜。显微镜上装着永久标本，放在一起看上去简直就是风靡一时的“古董陈列室”。皇家学会的一位文员在收条上用近乎诗歌的风格写下：“昆虫之眼……血细胞……茶叶的叶脉……苍蝇的眼睛。”遗赠还附以列文虎克一位朋友的书信，信中要求在出具收条的同时，皇家学会还要告知列文虎克的女儿玛利亚。玛利亚广受尊崇，却一直享受着独居生活，因为只有这样她才可以继承父亲的遗志。1739年，玛利亚让人在父亲下葬的墓地旁为自己修建了墓碑，6年后也长眠在了这里，至死未嫁。

安东尼·范·列文虎克被人们誉为“诸多科学及其子科学之父”，其中最重要的莫过于微生物学[1]。起初他只是个普通商人，这使他日后取得的成就格外耀眼。他发现了一个充满了微小生命的无限的世界，而在此之前没人注意过这些生命的存在。

人类对生命起源的认识有着许多意义。列文虎克是加尔文教的忠实信徒，对于他而言生命只不过是上帝一手的杰作。在当时，几乎所有人都持有这种观点，因此人们对列文虎克反对自然发生论的做法并不存在偏见。对雷迪结论的认同使列文虎克希望有朝一日能够推翻自然发生论，然而没人能够想到他设计的实验引发了新的更激烈的争论。这场争论一直持续到19世纪末，并且让欧洲一些最伟大的科学家都绞尽了脑汁，而辩论的主题就是微生物能否自然产生。在此后的200年里，世界上最伟大的科学家都在努力回答列文虎克等人在自然发生实验中遇到的问题。这个问题很快在宗教界激起了波澜，并成为神创论和自然科学两种信仰之间争论的焦点。

[1].在列文虎克去世近300年后，荷兰媒体的民意调查显示，公众把列文虎克视作荷兰历史上排名第四的伟人，排在他后面的是伦勃朗和梵高。

第4章 无神论者的实验室

去了解神灵的故事要比屈从于自然哲学家所谓的命运更好。因为如果神灵真的存在的话，人们还可以寄希望于通过膜拜神灵得到一丝安抚；倘若不存在的话，我们就是在被一个无法安抚的世界所主宰。

——伊壁鸠鲁，公元前300年

1766年7月1日，法国小城阿布维尔，一位名叫珍·弗朗索瓦·巴尔的年轻人被从牢房带到一间屋子里，双腿被固定在一个叫作“西班牙靴子”的刑具上。根据一些人的回忆，在接下来的一个小时里，狱卒一点一点地挤压巴尔的双腿和双脚，最后割掉了他的舌头。行刑结束后，狱卒把他抬上马车送至刑场。他们在巴尔的脖子上挂了个牌子，上面写着“可恶的亵渎者”。

巴尔是法国在北美殖民地的前地方长官。身为贵族的他并没有死于绞刑，而是遭到砍头。行刑完毕之后，刽子手们焚烧了他的尸体，一起烧掉的还有一本在他的房间里发现的禁书《哲学辞典》。这本书不仅挑战了奇迹的存在，而且还讽刺了圣经故事中所谓的“真理”。焚烧后的灰烬连同巴尔的骨灰被一并丢进了不远处的索姆河中。

与此同时，《哲学辞典》的作者在日内瓦附近的家中低调地生活。这位作家本身就是个矛盾体，他自负、自恋，而且还十分担心自己的安危。他曾被投入巴士底狱，而且还经历过两次流亡生活，其中一次仅仅是因为写了首诗，认为亚当和夏娃从未共浴过。他不想重蹈覆辙，却又是狂热的改革派，并且自封为不公和无知的敌人。他曾试图利用自己的影响力阻止对巴尔执行死刑，但以失败告终。他的确有着极大的影响力：身为作家，他的写作水平在当时几乎无人可及。他天资聪颖，是全世界最伟大的作家之一。他就是弗朗索瓦·马利·阿鲁埃，大部分人只是知道其笔名——伏尔泰。

实际上后人将伏尔泰的《哲学辞典》视为百科全书，这是一部涵盖各种主题的散文集。这种形式的作品在当时十分受追捧。法国学者皮埃尔·贝尔把《哲学辞典》称为“历史上最伟大的理性艺术作品”。贝尔所著的《历史批判辞典》同伏尔泰的《哲学辞典》一样备受争议。贝尔是胡格诺派教徒，即法国人所熟知的加尔文教徒。贝尔逃离了17世纪充满宗教纷争的法国，前往自由的荷兰，在那里他能够追求自己宗教宽恕以及怀疑主义的激进思想。尽管贝尔经常称自己保留了加尔文教信仰，但其著作却表达出理性之人不会相信圣经故事的思想。批判家视贝尔为无神论者，一些崇拜者也这么称呼他。而在当时的法国，贝尔的父亲（加尔文教牧师）和兄长却因为他的著作被捕，他的兄长最终死于狱中。

贝尔的《历史批判辞典》成为18世纪人们广为传阅的哲学著作，伏尔泰亲自为这本书之后的版本作序。《历史批判辞典》在文化界影响巨大，对启蒙运动中许多重要思想的形成起到了推动作用。托马斯·杰斐逊坚持将这部书列入美国国会图书馆最早收藏的百本图书之中。出版社很快策划了大量类似的图书，但是后来的这些似乎总是比此前出版的更加激进。这些著作中有不少都对宗教传统发起了挑战，一些书籍甚至开始公然怀疑上帝是否存在，即使这样做会冒很大的风险，甚至有被处死的可能。1757年的法国弥漫着反动的思潮，一个疯狂的刺客想要暗杀路易十五，法国国会因此通过了许多镇压政策，其中包括对撰写与出版攻击宗教作品的人处以死刑的条款。

伏尔泰比任何人都懂得这些危险，他曾写道：“在名人犯错之处坚持正义是件危险的事。”在伏尔泰一生中的某段时间里，他似乎十分期待察觉甚至是招惹这种危险。巴尔被执行死刑的时候，伏尔泰已经是71岁高龄了，然而他身体健康、精神矍铄。他喜欢把保养的秘诀归于定期斋戒、每日30杯咖啡以及不遵从医生忠告之类的习惯，然而高龄让他变得小心谨慎。

1764年，伏尔泰在日内瓦的一个专门发行禁书的出版社匿名出版了他的《哲学辞典》。当时在日内瓦有许多这样的出版社，每家都有自己的途径将出版的禁书走私到国外。这些出版社也发行通俗读物，这在当时被认为是色情读物。这两类图书都十分畅销，出版社也把这两类图书都归为“哲学类图书”的范畴。

《哲学辞典》的作者没有愚弄任何人。伏尔泰的一大特点就是不会保守秘密，特别是对他自己投入大量精力的事情更是如此。伏尔泰花了12年时间撰写这部著作，他认为这部著作是他毕生的心血——不仅是自己所有智慧的结晶，更是对自己哲学理念的总结。然而《哲学辞典》最终遭到封杀，并在法国各地的广场被焚毁。伏尔泰只是耸了耸肩装作毫不在意，他知道自己可能还会遇到更糟糕的事情。

凡是书中可能引起争议的内容，特别是有关基督教的内容，伏尔泰都仔细斟酌。他甚至用报告文体撰写，就好像他在转述别人的观点。实际上，伏尔泰本人对宗教的看法通常表达得更加犀利。在写给挚友普鲁士腓特烈大帝的信中，伏尔泰曾把基督教称为“世界上最荒谬、最荒唐，而且充满了血腥的宗教”。这并非因为伏尔泰不相信上帝，只是他不相信上帝真的能够显灵。伏尔泰在《哲学辞典》中这样写道：“设想无限的至尊为了取悦地球上的三四百只‘蚂蚁’而干预维持宇宙运转的庞大机器，这难道不是所有狂妄的言辞中最荒谬的吗？”

公众对巴尔事件的愤怒平息之后，伏尔泰在自己有关奇迹著作的基础上开始撰写一系列小册子，这引起了一位当年顺访日内瓦的校长的注意。对此，这位校长自己发表了一份声明，措辞之恳切与伏尔泰华丽的辞藻和讽刺的言语形成强烈对比。这位校长写道：“世界的确由上帝制定的规则支配，但上帝时不时地还要干预一下。”他还补充道：“虔诚的基督教徒非常理解并相信奇迹的存在。”

批判家最容易让伏尔泰愤怒，但他会回应所有的批判。对于伏尔泰来说，批判就好像是对他的挑战。他也经常说：“拿起笔就是在战斗。”如今他确实在战斗，好像已经把整个巴尔事件演变为一场争论。他的字迹变得更加清楚，和生气时的字迹没什么区别；信的内容也更加容易理解——批判家与伏尔泰之间开始了频繁的书信交流。

这样的争论在18世纪屡见不鲜。习惯上这种争辩以匿名方式进行，但是收到第四封信时，伏尔泰了解到对手的真实身份。这个与他书信来往的人名叫约翰·特伯维尔·尼达姆，是一位英国天主教牧师。尼达姆身上似乎集中了伏尔泰厌恶的所有东西，包括对教堂的钟爱、假装虔诚和迷信。因此，伏尔泰认为尼达姆是个十足的笨蛋。

尼达姆总是很天真，他乐于相信别人好的一面——有时这也会产生问题。但是尼达姆绝不简单，他是位成绩斐然的自然哲学家兼显微学家，也是名噪一时的实验生物学家，对生命起源问题的探索令他的名字家喻户晓。当时所有重要的学术期刊都发表过尼达姆的研究成果，他也是首位被允许加入英国皇家学会的天主教牧师。除此之外，尼达姆还是全世界自然发生论领域最权威的人士之一。

渐渐地，尼达姆和伏尔泰将争论的焦点转向了自然哲学领域。到14年后伏尔泰去世时，他在自然科学方面倾注的笔墨比其他任何领域都要多。伏尔泰与尼达姆有关奇迹的争论演变为对生命本身以及生命起源方式的辩论，而后者常常被当时严峻的宗教局势所扭曲。无论如何，这都是宗教与科学、理性与信仰之间的第一次辩论，而且类似的辩论在这之后持续了大约两个半世纪。

伏尔泰与尼达姆之间的辩论也包含着几分惊喜，因为他们两个人都发现自己扮演着并不熟悉的角色。伏尔泰曾说过，每位智者都应该“对基督教充满敬畏”并最终成为至高无上的信仰的拥护者。尼达姆是一位相信奇迹存在的天主教牧师，他无意间创造的科学财富为理解无神论者宣扬的世界提供了支持。

尼达姆是一位英国天主教徒，他成年之时正值英国天主教徒的危难之际。1688年，英国最后一位天主教徒国王詹姆斯二世遭到国会罢黜，随即被新教徒威廉·奥兰治亲王接替了王位。奥兰治亲王又被称为代尔夫特沉默的威廉[1]，他还是这个国家众多政要中亲眼见过列文虎克显微镜的一位。威廉安装显微镜的做法触怒了天主教徒，并最终引发大规模的叛乱，史称王党起事。这次叛乱随后遭到残酷的镇压。

身为英国的一位二流贵族，尼达姆来自传统家庭。宗教信仰把他的家庭一分为二，尼达姆的父亲秉承了家族的天主教信仰，由于担心英国未来的命运，他决定把儿子送到法国里昂附近的杜埃。那里已经建好了一所学校，专门容纳流亡的英国天主教徒。这所学校实际上是一所神学院，但它的地位却能够同英国其他知名的大学相媲美。尼达姆很快成为学校的明星，并赢得了伟大的实验生物学家与自然哲学家的美誉，许多老师甚至认为尼达姆的水平已经超过了自己。虽然最终成为牧师，但是尼达姆决定把自己的一生献给科学事业。他选择了隐姓埋名，并且放弃了牧师本应从事的正规职业。后来他又得到了一些教职，包括在里斯本的一所大学担任教授的机会，然而一年多之后他就放弃了这个职位。尼达姆身体羸弱，面色苍白，举止阴柔，他常向朋友们抱怨葡萄牙炎热的天气难以忍受。

回到伦敦之后不久，尼达姆就把注意力转向了对显微镜的研究，并且发现这个领域令他十分着迷。不到一年的工夫尼达姆就有了重要发现，并且这个发现决定了他后半生的研究方向。尼达姆一直在显微镜下观察一批患枯萎病的小麦，其中的一个样品引起了他的注意，他发现了此前从未见过的白色细丝。尼达姆觉得通过这些白色细丝有可能找到枯萎病发生的原因，于是他把细丝放入水中，想看看会发生怎样的变化。令他吃惊的是，这些细丝上很快长满了微小的生物。

一年后尼达姆又再次研究那批小麦并重新做了实验。这一次，他再次观察到了微小的生物。和列文虎克一样，尼达姆也把它们称为“小鳗鱼”，这些家伙似乎是从水中自然孕育出来的。1745年，尼达姆在英国《皇家学会哲学会刊》上发表他的研究报告。为了避免过度解释，他只是如实陈述了观察到的事实。一年后，他将更多的有关面粉糊和水中出现“小鳗鱼”的研究报告发表在英国《皇家学会哲学会刊》上。

尼达姆的论文经过翻译后陆续在巴黎发表，乔治·路易·勒克莱尔、孔德·布丰以及路易十四皇家植物园的负责人对此都有关注。布丰学识渊博，在许多涉足的领域中都有所建树。他还是当时最具天赋的数学家之一，解决了几何学中最早提出的一个难题，即著名的“布丰投针问题”。“布丰投针问题”研究了从某一高度投下的针与水平面上的平行线相交的概率，这是布丰在自然科学领域最重要的贡献之一。

布丰年轻时并没有展现出日后的才华，他在大学时充其量就是个中等生。在拿到法学毕业证之后不久，他隐约参与到斗争中并被迫流亡海外。数年之后，他偶然回到了巴黎。当时正值法国当局准备大修海军舰船，需要人手研究建造船只使用的木材强度。布丰刚好认识一些重要的朋友，这项任务就交给了他来完成。在工作最终结束时，主管部长对布丰十分满意，随即把他提升到了皇家植物园任职。

布丰到任后极大地扩展了皇家植物园的面积和功能，把原先仅仅起观赏作用的药用植物园变成了世界顶级的植物园，不仅新建了博物馆和动物园，还吸引了国内一批顶级的植物学家加入。就在尼达姆开始研究小麦之时，作为植物园主管的布丰为园中的动植物建立了一份详细的名录。布丰十分喜欢这一工作，简单的名录在他的手中变成了一项可以与贝尔的《历史批判辞典》相提并论的庞大工程，只不过他的名录完完全全是一部自然哲学著作而已。布丰也正是希望利用“自然哲学”这4个字，把自然界所有能够被人类理解的事物包括进去。

如此广泛的内容还包括一个令他头疼的主题：生命起源。这个主题十分重要，以至于无法被忽略，但是布丰对于当时盛行的理论并没有多少兴趣。当注意到尼达姆的研究结果时，他立刻意识到这些实验有重要的意义，尽管尼达姆本人还没有意识到这些实验的重要性。因此，布丰认为他可以与尼达姆合作共同破解生命起源的难题。

17世纪的大多数自然哲学家认为地球上的各种生物在世界诞生之日就已存在。各种生物（包括狗、鸟、人和蠕虫）都是由上帝以某种被称为“胚种”的东西创造出来的。这些“胚种”就像植物的种子，上帝在黎明时分向大地播撒这些“胚种”，就像园丁播撒的种子日后长成庄稼一样。“胚种”十分微小，即使在显微镜下都难以看到。每个“胚种”还包含更微小的“胚种”，并且任何生物都可以产生一个连续世代的“胚种”，它们层层嵌套就如同俄罗斯套娃一般。理论的无限内涵让人们一时间难以领会“胚种”的概念，而支持这一理论的法国哲学家尼古拉·马勒伯朗士则认为对于“胚种”的理解比理解植物的生命周期还要简单[2]。他解释道：“这就好比一枚苹果核长成苹果树，再结出苹果、产生种子的过程，‘胚种’也这样循环往复。”

有人认为人的“胚种”蕴藏在精液中，还有人认为蕴藏在卵细胞中。法国人把这一理论称为“化身论”，而英国则把它叫作“预成论”。这些理论并不仅仅是推测，预成论的支持者在他们身处的自然世界中随处都能找到支持这个理论的证据。比如，毛毛虫变成蝴蝶就是上帝设计的展现；郁金香层层紧裹的鳞茎预示着无限的繁殖力；而在青蛙的卵中，显微学家甚至认为他们可以看到子代的青蛙正在等待出生。因此，相信预成论的人们从来不缺乏证据。

这一理论的历史悠久，但在17世纪下半叶受到关注主要是为了回应伟大的思想家勒奈·笛卡儿所提出的理论。笛卡儿对自然科学最重要的贡献就是运用演绎的方法将世界的变化看作一部机器的运转。笛卡儿将这种机械论的观点融入他伟大的生理学著作中。然而，生命的孕育过程在这个生命拼图中最重要的一块却始终困扰着他，直至暮年。最终，笛卡儿提出了一个完全基于物质的理论，虽然在细节上有些粗略。在当时人们认为女性也会产生精子，因此这个理论就是在精子混合的基础上提出的，即精子混合后会在子宫中孕育出新的生命。1648年，笛卡儿在一本书中这样写道：“如果有人知道某种动物精液的成分，特别是人类精液的成分，那么通过数学和特定的逻辑推理就可以知道一个生命的整体形态和组成结构。”在笛卡儿的意识里，生命的孕育过程就好比“一只由固定数目齿轮组成的钟表按照既定的方式运转”。

预成论认为上帝是生命繁衍的主宰，而笛卡儿则主张繁衍的过程由生命本身决定。他的机械论法则适用于自然和天地，并且在不摒弃当时宗教教义的情况下也可以被接受。的确，他的主张得到了认可，特别是在当时的法国。但是令绝大部分人难以接受的是笛卡儿有关“人类本身就是这个庞大机器的杰作”的言论。这一看似细微的差别标志着一条界线，几乎没有人敢跨越。这样做的目的就是为了让人们攻击那些唯物主义者或者无神论者，这些人根本不相信世界上存在着至高无上的造物主。法国作家伯纳德·丰特内勒就提出了许多人都曾想到过的问题，他问道：“你是否认同野兽和钟表都属于机器？把一只公狗和一只母狗放在一起，最终会诞生一只小狗，然而把两只钟表放在一起无论多久都无法诞生出第三只钟表。”[3]

布丰潜心撰写自然科学著作的时候，预成论一度广为流传，甚至当时绝大多数自然哲学家对这一理论也情有独钟，但布丰对此却不以为然。作为唯物主义者，他看待世界的方式与笛卡儿如出一辙。大自然的一切，包括生命的起源都可以用通俗易懂的自然法则来解释。布丰确信预成论不是简单的猜想，尽管他认为笛卡儿的观点似乎更接近事实，但也承认这个理论尚缺乏细节的铺垫。在这之后，布丰的两个发现为生命起源的探索提供了线索。

1741年，布丰有了第一项发现。一天早上，两个小男孩在荷兰的一处海边无忧无虑地玩耍。他们在父亲庄园旁边的一个小池塘里发现了一些奇怪的小生物，这些在水里游动的绿色小家伙只有不到1厘米长。两个小男孩决定把这些小家伙装进罐子里，带回家给老师看看。而这位老师就是瑞士自然哲学家亚伯拉罕·特朗布雷。起初，特朗布雷究竟把这些小生命确定为动物还是植物不得而知。但不论是什么，它们移动得非常缓慢，以至于让人难以察觉。几个星期后，特朗布雷十分确信这些小生命确实移动过，但每天只不过移动三到五厘米的距离，因此有理由确定它们应该属于动物了。

特朗布雷首先想到的是自己发现了全新的物种，但是结果证明它们并非新物种。因为列文虎克早已记述了这种动物并将其命名为“水螅虫”，也就是后来人们常说的水螅。水螅是一种很奇特的生物。在显微镜下，它们看上去就像盘绕在一起的蜗牛、章鱼抑或某种植物。特朗布雷想要更深入地了解水螅，于是他把其中的一些个体切成两半。看到一分为二的个体仍能存活下去，特朗布雷感到十分震惊。他怀疑自己看到的是否只是水螅奄奄一息的部分组织，就像扯断的蜥蜴尾巴依然可以活动一样。但这之后，更加令人惊讶的事情发生了，每个被切掉一半的水螅又重新生长出了被切掉的部分，最终形成了两个完全独立的个体[4]。

特朗布雷将自己实验结果的摘要和一份水螅样品一同寄给巴黎著名的自然哲学家雷奥米尔。雷奥米尔十分怀疑预成论，他曾在龙虾螯肢再生方面发表过重要的论文。雷奥米尔重复了特朗布雷的实验，他把这些奇怪的小生命切成小段，并且也观察到了它们重新长成完整个体的过程。雷奥米尔后来写道：“我简直不敢相信自己的眼睛，在观察过数百遍之后我还是无法相信这一事实。”当年年底，雷奥米尔就此实验向巴黎科学院提交了一份证明，官方报告把这一现象比作“凤凰涅槃后的重生”，并要求目击者就动物繁衍的问题甚至其他更复杂的问题给出自己的结论。

特朗布雷在1744年出版的《论一种具有角状触手的淡水水螅》一书中绘制的水螅插图

布丰的结论认为生命的过程并不像预成论表述的那样清楚明了，在他看来水螅分裂成两个独立个体的能力并不符合预成论的观点。于是，布丰开始探索生命繁衍问题的全新解释，并且找到了尼达姆观察到的水里出现“小鳗鱼”的原因，但他的解释似乎又回到了自然发生论。布丰决定进行深入的研究，他的书中并没有回避有关生命起源的任何重要问题。如果无人知道某个问题的答案，布丰就自己寻找答案。他给远在伦敦的尼达姆写信，邀请尼达姆前往自己在巴黎的住所共同完成实验。

1748年的春天，尼达姆如约来到巴黎。布丰的家远比尼达姆想象得要奢华许多。在当时布丰十分富有，事实上他的贵族头衔是通过收购全部布丰的法国村庄获得的，他本人也因此得名。布丰出生于官宦家庭，自己早年也有从政的经历。在法国统治西西里的时候，他的一位叔父负责整个西西里地区的税收，积累了大量财富。这位叔父没有子嗣，去世后便将全部遗产赠与了布丰。在布丰这样的具有数学头脑的政客手中，财富自然在不断地积累。

布丰为尼达姆准备的实验室是一个华丽的客厅，中间摆放着一张通常在高级餐厅才能见到的精致桌子，屋顶还有屏风作为分隔。在布丰的要求下，尼达姆将显微镜一同带到了巴黎，而这个房间就是为此准备的。桌子周围摆放着椅子，这样布丰的朋友就有机会看到他们二位工作的场景了。

布丰和尼达姆的合作并不像人们想象中的那么有趣。布丰每天一般工作14小时，即使在晚年身体衰微也坚持如此。他在编纂动植物名录时，还专门雇用了一个仆人每天早上5点叫醒他，并支付给仆人一个纯金王冠作为报酬。布丰的座右铭十分简单，即“不能浪费时间”。他还希望每个人都能做到这一点。有时尼达姆自己工作，布丰就去照料皇家花园或整理他的名录。有时他们共同工作，一起解剖狗、兔或者公羊的生殖器。借助尼达姆的显微镜，他们一起研究了各种动物的精液，甚至包括人的精液；他们描绘了动物的生殖过程，并且在为生命起源这个庞大的问题寻找着线索。除了动物以外，他们还在微动物中寻找线索，而微动物正是尼达姆最有兴趣也是最擅长的领域。他们一起用小麦改进并重复尼达姆的实验，希望得到支持自然发生论的实验证据。

尼达姆和布丰在研究狗的睾丸

尼达姆开始用羊肉汤做实验，因为他知道在羊肉汤里面能够找到他想要的微小生命。尼达姆把少量羊肉汤装在小玻璃瓶中，盖上软木塞后又用松香密封，以确保不会有空气进入。然后他开始加热小玻璃瓶，这样做的目的就是确保实验不受污染——不仅杀灭了所有的受精卵，就连肉眼看不见的微生物也无法存活。

尼达姆十分确信没有受精卵能够在他设计的微环境里存活。几周后当他打开玻璃瓶时这样写道：“我的玻璃瓶中充满了大大小小的微生物。”尼达姆用其他不同成分代替羊肉汤重复实验，但每次结果都是一样的。尼达姆首先观察那些他称为“原子”的微小物质。这些“原子”每天都在生长，并逐渐汇聚在一起。几周后这些“原子”形成了“自然哲学家经常观察到的真正的微生物”。从很多方面说，尼达姆就是在重复列文虎克的实验，而同样的实验结果却让他困惑不已。对尼达姆和布丰而言，他们的确看到了从非生命物质中孕育出生命体的现象，找到了自然发生论的证据。

1748年，尼达姆在英国《皇家学会哲学会刊》上发表了他的研究报告，几年之后布丰也在自己的著作中公布了实验结果。这一次尼达姆的研究报告比之前发表的更加深刻，他对自己提出的理论更有信心，也更加坚定。更加重要的是，在布丰好奇心的驱使下，这一理论日臻完善。尼达姆并不回避在自然哲学领域做出里程碑式的结论。他认为自己观察到的自然发生过程并不仅仅是个别生物繁殖所采取的方式，而是所有生物采取的方式。如果尼达姆在显微镜下看到的精子不是微动物，那又是什么呢？他确信这些物质并不是预成论支持者所认为的“胚种”，而是所有生命体的真实来源。他把这一发现称为“营养力”——它不仅是“一种普遍繁殖方式，还是一切生命的源泉”。尼达姆又对这一发现加入了一些超越纯粹科学的内容，他认为这个发现证实了“最具智慧、最有力量、最为善良的人类曾把原始力量交给了自然，如今又主宰了自然”，而在当时并非每个人都能以这种方式看待自然。

在英国《皇家学会哲学会刊》发表了尼达姆论文一年后，布丰的《简明动植物名录》第一卷也开始在巴黎的各大书店销售。作为《自然史》的第一卷，这部著作在短短的几周内就销售一空。为了满足需求，出版社紧急加印。布丰的《自然史》总共36卷，均配有精美的插图，其中还包括一幅表现布丰与尼达姆在实验室中一起工作的版画。

布丰在《自然史》第二卷中阐述了自己有关生命的著名理论，即一切生命体都是由布丰所谓的“有机分子”组成的，这些“有机分子”主宰着生命的轮回。对于布丰和笛卡儿来说，生命和其他自然现象之间并不存在太大的差异。布丰写道：“生命就是物质的一种物理属性，而并非是形而上学的。”

布丰认为即使生命体死亡，这些小分子也继续存在并可以在空气中传播，当它们与其他有机分子结合后能够形成与之前有所区别的新生命体。布丰用这个理论解释种内变异，这也是许多自然哲学家开始关注的问题。虽然布丰的理论可能是错误的，但在当时却意义非凡，甚至称得上是达尔文自然选择理论的前身。布丰甚至认为人类族群之间的差异也是这一现象的结果。亚当和夏娃都是白种人，但布丰认为他们的后代受到了环境的影响而变成了弱小的族群[5]。此后对这一观点的抨击延续了差不多一个世纪，但当时许多人都认为不同族群的人就是完全不同的物种，因此在这样的情况下布丰的理论具有十分重要的意义。

除此以外，《自然史》中的其他内容也具有一定的历史意义。布丰用“生殖”一词描述生物繁衍后代的过程，而在此之前这一过程被叫作“创生”。雷奥米尔最早使用“生殖”一词来描述特朗布雷所观察到的水螅再生的过程，但是布丰认为这个词既可以形容生物的再生过程也可以描述有性繁殖的过程。“创生”一词表达了经上帝之手孕育生命的过程，而“生殖”表示复制，但又不是严格意义上的复制。不久之后，更多的自然哲学家开始从种系的延续性角度思考生物学问题。

1767年，伏尔泰在日内瓦读到了布丰的《自然史》，此时距离他和尼达姆就奇迹展开书信辩论之后没多久。伏尔泰在《自然史》的空白处写下一些文字以示愤慨，其中“妄想”一词反复出现在他的批注中。但凡书中有引述尼达姆著作的地方，伏尔泰就会写道：“尼达姆所见、所想、所说的都只是愚昧！”

伏尔泰与布丰年幼时曾是朋友，但在布丰的《自然史》出版后就开始反感他了。布丰与自然哲学家皮埃尔·莫佩尔蒂的关系紧密，而伏尔泰则视莫佩尔蒂为敌人。在阅读布丰著作的时候，伏尔泰发现莫佩尔蒂的影子无处不在，在布丰有关生命理论的章节中尤为如此。

伏尔泰对于莫佩尔蒂的敌对只是他的个人想法，他们曾经也是朋友，而且都十分喜爱艾萨克·牛顿的著作。牛顿用数学描述自然现象，并在物理学研究领域引发了一场革命。法国的科学界一度十分排斥牛顿，因为他当时在法国的声誉甚至超过了本国著名的自然哲学家笛卡儿。而牛顿身为英国人的事实也让情况变得更糟。

伏尔泰并没有公开自己的偏见。他首次流亡的目的地就是英国，而且在那里享受了国宾的待遇。他不仅笑纳了国王乔治二世赠与的津贴，还受到英国上流社会人士的款待，其中就包括乔纳森·斯威夫特（他的作品影响到了法国年轻一代的作家）。在写给法国朋友的信中，伏尔泰把法国称为“你们的国家”，并且提到了“英国的自由与法国奴役之间的区别，英国社会明智的坚韧与法国社会的迷信之间的反差，以及英国对各种艺术形式的包容和法国对艺术可耻的践踏”。伏尔泰在威斯敏斯特教堂参加了牛顿的葬礼，并打算向这位用数学方法改变了物理学研究的英国人学习。

伏尔泰的自然世界观受牛顿的影响最大。一有机会伏尔泰就可以随口说出“引力”一词，他只是想表达喜悦之情，有点儿像现代作家用这个词来彰显自己表达的严肃性。伏尔泰说伦敦人总是提到“引力”。莫佩尔蒂曾提起自己也信奉牛顿，他说道：“越是揣摩牛顿的理论，我就越欣赏它，整个宇宙的每个细节都受永恒与必要的数学法则支配。”

在伏尔泰与莫佩尔蒂之间很快出现了一位名叫沙特莱的侯爵夫人。在与伏尔泰正式交往之时，沙特莱不仅是有夫之妇，而且是3个孩子的妈妈。她即将成为当时最具才华的女性，但是在当时这样的女性并不能得到家庭的认可。沙特莱偷偷自学知识，还悄悄参加每周举行的研讨会。这个研讨会由全国最知名的作家和科学家发起，并由国王秘书即沙特莱的父亲主持。沙特莱自幼就对各种学术活动情有独钟，后来她成了法国科学院举办的各类会议的常客。尽管彼时许多学术活动都对牛顿的理论嗤之以鼻，但年轻的沙特莱很快就被牛顿的思想征服。伏尔泰总是揶揄爱情一词，但是所有人都能看到他被沙特莱迷得神魂颠倒。沙特莱的思维可以与伏尔泰相提并论，甚至超越了伏尔泰的水平。伏尔泰告诉朋友他已经找到了自己的“牛顿”，沙特莱也希望能与伏尔泰永远在一起。

1734年，阿谀奉承的伏尔泰讲述早年流亡英国时的故事最终在法国发表。伏尔泰对英法两国进行比较，觉得法国在各个方面都逊色于英国。这番言论在在巴黎引起轩然大波，此后不久伏尔泰便逃离巴黎前往沙特莱丈夫位于乡下的庄园寻求庇护，很快沙特莱自己也搬到那所庄园。这座庄园的名字叫凯里，坐落在香槟地区如画的森林中。罗马人建造的铁厂在这一地区星罗棋布。更重要的是，在当局逮捕伏尔泰的时候，这片林子能够为逃跑提供绝好的掩护。庄园距离边境很近，便于伏尔泰与沙特莱逃跑。

伏尔泰与沙特莱共同建立了一座容纳21000部自然哲学书籍的图书馆。此外，他们还组建了临时实验室，整天在里面进行各种实验，据说大部分实验都与伏尔泰感兴趣的火有关。实验室的隔壁是沙特莱丈夫的卧室，他本人也经常前来参观。沙特莱的丈夫知道他们的风流韵事，虽然不高兴，但并不干涉。

伏尔泰与沙特莱合作出版了许多著作。除此以外，沙特莱还将牛顿的名著《自然哲学的数学原理》译成了法语。这部译著后来成为最重要的法文版科学书籍之一，并一直沿用至21世纪。而伏尔泰则继续撰写剧本和评论，同时抽出一部分时间编写《牛顿哲学原理》。在书中他以常人能够理解的方式诠释牛顿的理论，不仅使法国人接受了牛顿，而且还让公众了解了牛顿被苹果砸中的故事。

后来伏尔泰与沙特莱各奔东西、另寻爱人。1749年沙特莱死于难产，她为诗人让·弗朗索瓦·圣朗贝尔诞下了一个婴儿。伏尔泰在写给普鲁士国王弗雷德里克的信中将沙特莱称为“一位伟人，唯一的遗憾就是她是女儿身”。

有关伏尔泰与沙特莱之间的故事，傲慢的伏尔泰唯一承认的就是自己并不具备沙特莱优秀的科学思维。沙特莱很可能参与撰写了《牛顿哲学原理》的部分内容，甚至是大部分内容。她对于牛顿的认识远远超越了伏尔泰。而让一切都变得糟糕的是，沙特莱还有一位事业伴侣，其科学水平和她旗鼓相当。这个人就是莫佩尔蒂。在沙特莱小时候，莫佩尔蒂当过她的家庭老师，从那时起沙特莱就认识他，而且还曾爱上过他。

没有证据表明莫佩尔蒂曾经对沙特莱的爱慕有所回应，而伏尔泰对此却依然怀有嫉妒之心。1736年，莫佩尔蒂正在北极地区的拉普兰测量子午线的长度以论证地球的形状，他的信件从那里寄到了凯里庄园。当时许多人都认为地球是两极稍长的椭球形，但莫佩尔蒂证明了牛顿的理论是正确的，即地球实际上是赤道相对膨出的扁球形。回国后，莫佩尔蒂因此成为了国家英雄，同时也被提名为法国科学院的院长。与此相反，伏尔泰始终没能加入法国科学院，于是他就将全部精力投入到了物理学研究中。伏尔泰的朋友亚历克西斯·克莱罗是位数学家兼天文学家，以坦诚和直率著称。伏尔泰请他对自己取得的成绩做出评价，但遗憾的是克莱罗并未被打动，只是建议伏尔泰继续从事文学创作。

1750年沙特莱死后不久，伏尔泰前往柏林参加弗雷德里克的国王加冕礼。弗雷德里克给他的老朋友伏尔泰发放了20000法郎，然而伏尔泰又一次发现莫佩尔蒂的风头超过了自己。莫佩尔蒂几年前被提名为普鲁士皇家科学院的院长，当时还负责领导总部位于巴黎的法国科学院。伏尔泰此时完成了首部讽刺莫佩尔蒂的文学作品，其中的一篇名叫Doctor Akakia[6]。弗雷德里克不仅让人烧掉了这些作品，还把伏尔泰关进监狱一段时间。后来，一本书的问世让这一罪名得以成立——虽然没人敢说，但几乎所有来过普鲁士宫廷的人都知道——弗雷德里克是个同性恋者[7]。人们认为伏尔泰是这本书的作者，因此他和弗雷德里克之间的关系变得紧张起来，直到伏尔泰晚年才有所缓和。

伏尔泰最早是通过莫佩尔蒂知道尼达姆这个人的。1752年，莫佩尔蒂通过一系列发表的信件表达了自己对若干科学问题的看法，其中一封信涉及布丰在《自然史》中以及尼达姆在英国《皇家学会哲学会刊》上发表的有关生命起源的观点。莫佩尔蒂描述了尼达姆的实验以及他所提到的“小鳗鱼”。这些“小鳗鱼”变干之后可以数年没有生命迹象，而在条件允许的情况下又能够复苏。此后，莫佩尔蒂把尼达姆的观察结论引申到了这位牧师从未达到过的高度。他继续写道：“那些把生命繁殖带回到朦胧之中的现象，难道不比我们想要理解的更加深刻吗？”至少伏尔泰清楚，莫佩尔蒂和大多数法国知识分子一样都在怀疑到底有没有创世者。

伏尔泰以鄙夷的口吻回应了莫佩尔蒂的信件，他又写了一部文学讽刺作品。文中讲述了莫佩尔蒂在柏林主持一场丰盛的晚宴，菜品包括“从面粉糊中突然生出的小鳗鱼”以及“从发芽的稻谷中孕育而生的小鱼”。至少在当时，伏尔泰依然把莫佩尔蒂宣扬的科学视为取笑的对象，而且他很快就明白了科学的危险性。

随着和尼达姆争辩的继续，步入高龄的伏尔泰似乎也不再像以前那样激进，至少在当时激进的法国知识分子中不算突出。他年事已高，世界似乎是从他身边走过的。随着人们对共和甚至是民主政府的呼声愈来愈高，他所支持的开明的君主制已经荡然无存。作为曾经挑战宗教教义的人士，他的观点也开始变得温和。在伏尔泰年轻时，质疑宗教信条的人还是少数，态度也比较谨慎。敌人看不出无神论者与自然神论者之间的区别，甚至这两种信仰的人自己都不清楚他们之间的界线究竟在哪儿。但如今一切都发生了改变，人们变得更加大胆，自认为无神论者的人也变得更加傲慢无礼了。

伏尔泰对于宗教的看法就如同他看待其他事物一样，时而武断时而矛盾。他的观点用一句话来概括就是反对迷信，除此之外再无其他。有时，他对上帝的态度显得有些功利，担心在一个没有上帝的混乱世界中是否存在道德。他曾写道：“如果上帝真的不存在，人们就有必要创造上帝。”伏尔泰有自我引述的习惯，他通过这种方法间接地提升自己的地位，而有关创造上帝的这句话是他最喜欢引用的。

伏尔泰拥护神明的做法受到了公开质疑，而这样做更深层次的原因是他自己确实把自然界看作神明的杰作。他在《哲学辞典》中曾揶揄过活神的概念，但内心中却相信存在一个终极创世者负责创生，并将其称为“最高级别之神”。创生后世界就出现了，而且一如既往地存在下去。山脉就在上帝原本放置的位置从未移动，海洋与森林也不曾移动过。这些观点与布丰等自然哲学家所持的观点并无二致。一些自然哲学家起初甚至认为化石并非很久之前生物的遗骸，因此通过它们并不能了解地球现在和从前的状况。

这一切都太复杂了，以至于不太可能是只是巧合。所有的事情都是精心安排的，虽然大自然有自己的法则，但是需要符合创世者的计划。所谓的计划就是“智能设计”，这一概念终将有一天为人所知。伏尔泰有关世界的态度与自然神论者牛顿的观点基本一致。他在凯里庄园完成的关于牛顿的著作中曾提到：“如果我一边检查人类或者桑蚕，一边检查鸟儿或鱼儿，就会发现它们都是从低等的生物演化而来的。”正如笛卡儿认为的那样，实际上地球可能是块钟表，而且自始至终都只是一块钟表。伏尔泰又补充道：“如果地球确实是一块钟表的话，那么肯定存在钟表匠。”如果伏尔泰憎恨有组织的宗教的话，那么他应该更加憎恨无神论。

随着对莫佩尔蒂、尼达姆以及布丰观点的逐渐接受，伏尔泰比以前更加深刻地理解了这些观点的内涵，甚至自认为比提出这些观点的人理解得还要深刻。伏尔泰开始把莫佩尔蒂、尼达姆和布丰视为危险的小圈子——他们的意图就是让人们相信唯物主义，而接踵而至的便是无神论。在与尼达姆就奇迹问题第五次通信时，伏尔泰告诉尼达姆：“通过面粉孕育小鳗鱼实验，你已在无神论者当中小有名气。你基于这个结果推论包括人类在内的所有动物也都可能是用同样的方式由一小块泥土甚至一小片面粉孕育而生的。”在此后的信中，伏尔泰的语气变得愈发严厉了，他把尼达姆称为“鳗鱼怪物”以及“爱尔兰耶稣会会士”。这可能是伏尔泰能想象到的最难听的词了，因为他曾经接受过耶稣会的教育，并且厌恶耶稣会，认为爱尔兰人被迷信所蛊惑无可救药。伏尔泰还把尼达姆的显微镜形容为“无神论者实验室”。和其他普通英国人一样，尼达姆对这些绰号不予理睬。但是“爱尔兰耶稣会会士”的称呼无形中让他成为了无神论者的同谋并深陷舆论的旋涡。在这之后不久出版的一本震惊全法国的书中，这一称呼的真实性即将得到证实。

18世纪中叶，法国启蒙运动中心位于巴黎附近的一个别墅中。为了掩人耳目，这座别墅又被称作哲学家旅馆、犹太人教堂或者“面包店”，而“面包店”的别称只不过是对哲学家尼古拉斯·布朗热的名字开个玩笑而已。布朗热是位十分激进的人士，过去总是出入这座别墅。他曾写过一本宣传进步思想的书，认为宗教诞生于很久之前的一场大灾难。灾难结束后，为了抚慰心中对自然世界的恐惧，人们开始相信迷信。布朗热是怀疑论者，也是个自由的思想家，他经常光顾这座别墅。

别墅的主人名叫保尔·霍尔巴赫，他自称保罗·亨利·蒂里。他的真名叫保罗·海因里希·迪特里希，来自德国莱茵河西部。在来到巴黎之前，霍尔巴赫在阿姆斯特丹和伦敦同激进人士在一起差不多有5年的时间。来到法国后，他不仅取了个法国名字，还娶了一位法国太太。和布丰一样，霍尔巴赫也因为继承了叔父的遗产而一夜暴富，而且同样继承了叔父的贵族头衔。他在巴黎市郊拥有一座大庄园，还有自己的牧师，而且在他成为无神论者之后很久依然没有辞退这位牧师。此外，霍尔巴赫还十分注重自己的外表和地位。

霍尔巴赫位于巴黎市区的别墅一直是他活动的中心，因为当时许多有识之士都是他家里的常客。他每周在这里举办两次奢华的晚宴招待朋友，据说招待的饭菜是全巴黎档次最高的，他甚至还不止一次款待过大卫·休姆、亚当·斯密和本杰明·富兰克林等名流。年轻聪慧的激进人士德尼·狄德罗是霍尔巴赫的好友，也是别墅的常客。让·雅克·卢梭一度也曾频繁光顾这里。霍尔巴赫为狄德罗的《百科全书》写了几篇文章，而且他本人很可能就是卢梭的著名小说《新爱洛漪丝》中沃尔玛的原型。霍尔巴赫周围的大部分人思想激进，虽然很多人激进的程度都和霍尔巴赫差不多，但很少有人像他一样厚颜无耻。

刚到巴黎时，霍尔巴赫还是位自然神论者，他看待自然界的态度与伏尔泰相似。然而，到了18世纪60年代，他不仅变成了坚定的无神论者，而且还用对无神论的热情抨击着自己摒弃的信仰。有人说霍尔巴赫改变信仰是受到了狄德罗的影响，但是他朋友圈中很多人的信仰都发生了改变。与这些人不同的是，霍尔巴赫更加敢于冒险。1761年，他出版了《揭穿了的基督教》一书，对上帝存在的观点进行了赤裸裸的攻击。他在扉页上将作者冠以怀疑论者布朗热的名字，布朗热是霍尔巴赫的老朋友，早在该书动笔之前就已经去世。因此，在书上冠以布朗热的名字也是对他当年在别墅传播思想的一种纪念。

霍尔巴赫的书读起来很拗口，整本书的写作风格平实、呆板，而且晦涩难懂，用狄德罗的话说就是缺乏艺术性。但是犀利的观点让这本书脱颖而出，朴实无华的语言更让它受到了读者的追捧。霍尔巴赫是有名的势利小人，他嘲笑民主，而且还把民主贬损为“愚笨的民众”，因此他的书里充满了诙谐和讽刺。尽管这本书的读者最终都遭到了法国警察的鞭打、烙印甚至关押，但人们对它的热情却丝毫没有减退。所有人都十分关注这本书的社会影响，霍尔巴赫也采取了严密的措施避免人们知道自己的作者身份。他悄悄前往伦敦与马克—马歇尔·雷会面。雷是阿姆斯特丹的一位出版商，敢于策划出版违禁书籍，其中还包括伏尔泰的一些著作。

在此之后，更多宣扬无神论的书籍相继问世。1770年，霍尔巴赫最具影响力的著作《自然的体系》（又名《精神和物质世界的法则》）出版，标志着此类书籍的出版达到了顶峰。《自然的体系》试图为人们展现一个清晰的世界，在不借助超自然理论的前提下回答现有的问题。《自然的体系》在开篇对全书进行了总结：“人们总是不相信经验，而是利用虚构的事物欺骗自己。人类是大自然的杰作——既存在于自然之中，又受到自然规律的支配。”霍尔巴赫坚持认为灵魂并不存在，人们只不过是把不理解的事物人格化为上帝而已。

在接下来的章节中，霍尔巴赫着重探讨了生命起源的问题。他以尼达姆的实验力证了生命可以通过简单的物理方式自组织形成，进而支持了非生命物质可以自然孕育出生命的观点。在脚注中，霍尔巴赫不仅为读者注明“参见尼达姆先生的显微图谱”，还反问道：“难道从常见的物质中孕育出人类比从面粉和水中孕育出昆虫要神奇吗？”

但这本书并不光彩，用伏尔泰的话说它是“道德的疾病和黑暗的著作”。对于伏尔泰来说，全书的根本只强调了一个观点，即生命可以由非生命物质孕育。在给朋友的信中，伏尔泰写道：“一个根本算不上哲学家的爱尔兰耶稣会信徒做了一个完全错误的实验，而霍尔巴赫却在这个实验的基础上建立起一整套体系。”伏尔泰开始把尼达姆的实验称为“小鳗鱼故事”，这已成为无神论创造的一个神话。他还进一步攻击尼达姆，指责后者冒充耶稣基督。

《自然的体系》可能更加让尼达姆烦恼，他写道：“世界在攻击创世者的恐惧中畏缩。”尼达姆名字的出现本身就是对他的侮辱。然而尽管他公然抨击《自然的体系》，但同时也小心翼翼不去否认或动摇自己的科学观察和科学结论。尼达姆认为自己的结论被误解，自然发生论支持者的称谓让他声名鹊起，他不仅得到了皇家学会会员的资格，而且还得到了其他自然哲学学会的认可。即使伏尔泰已经预言了他的显微镜就是“无神论者的实验室”，尼达姆依然坚持自己的观点。

很快伏尔泰就获得了更多的“弹药”来对付他的敌人尼达姆，这些“弹药”就是意大利著名科学家拉扎罗·斯帕拉捷所做的实验。斯帕拉捷与尼达姆有许多相似点，比如他们都是从事科学研究的世俗牧师，而且还都是以实验生物家的身份被人们所熟知。斯帕拉捷是最早完成动物体外受精的人，当时他的实验材料是蛙卵。斯帕拉捷还曾对不同品系的狗进行了杂交，虽然阿拉伯裔自然哲学家已经在中世纪实现了马的人工授精，但是斯帕拉捷在很长一段时间里被认为是人工授精技术的鼻祖。

1776年，斯帕拉捷依然在为证伪尼达姆的自然发生论做着努力，为此他更加认真地重复着尼达姆的实验，希望能够找到实验中的漏洞。他开始怀疑尼达姆的瓶塞漏气，于是在火焰上熔融试管进行密封。他还用白豆、大麦、玉米、白甜菜和蛋黄作为替代“培养基”反复尝试。斯帕拉捷的实验设计得十分严谨，几乎在所有方面都比尼达姆的实验更加完善，这样细致的实验方法在当时实属罕见。当烧瓶在不同温度下加热时，斯帕拉捷注意到一些微动物只有在极端温度下才能够被完全杀灭，而这样的温度是尼达姆的实验中不曾达到过的。于是斯帕拉捷与尼达姆开始了公开的争论，他们的观点在各自的著作中以及自然哲学领域顶级的学术圈中都有体现。

没多久伏尔泰就加入到了斯帕拉捷的阵营中。他写给斯帕拉捷的信从头到尾用的几乎都是阿谀奉承的语气，而通常这只会出现在伏尔泰与皇室之间的通信当中。在伏尔泰发表的作品中，他一边将斯帕拉捷尊称为“意大利学者”，一边将尼达姆贬低为“爱尔兰耶稣会会士”。与尼达姆相比，实际上斯帕拉捷的身份更像牧师，他曾公开主持过宗教仪式，还接受过耶稣会的培训。但这些都没有影响到伏尔泰，也没有影响到实验结果的可信度。伏尔泰辩论的焦点就是假定对生命起源的自然解释对创世者的存在构成威胁。他认为在某种程度上生命起源的问题比其他任何科学问题在形而上学上都更为重要，这也成为了他争论的筹码。

伏尔泰对尼达姆的攻击一直持续到他的暮年。1777年，在他有生之年出版的最后一部著作《埃维梅雷对话集》中还可以看到抨击尼达姆的言辞。翌年伏尔泰在巴黎离世。在巴尔事件后他曾到巴黎游玩，并在这里观看过英国人塞缪尔·约翰逊出演的话剧《艾琳》。临终前，伏尔泰最后写下了一段文字：“我在对上帝的崇拜中死去，我爱我的朋友，我不憎恨我的敌人，但我厌恶迷信。”巴黎教堂的神职人员否认给伏尔泰举办的是基督教葬礼，但在神职人员公布决定之前，伏尔泰的崇拜者们就已经悄悄地把他的遗体运回了香巴尼，并将他安葬在距离凯里庄园不远的一处修道院内。而凯里庄园正是伏尔泰与沙特莱曾经居住过的地方。

伏尔泰死后，尼达姆成为了奥地利荷兰帝国学院的负责人，而学院所在的地区就是今天的比利时。尼达姆的职位由最后一位哈布斯堡王朝统治者、曾经伟大的神圣罗马帝国女皇玛丽亚·特丽萨任命，而斯帕拉捷成为一所意大利大学负责人的任命也是由特丽萨完成的。尼达姆可能无法改变伏尔泰生前给他造成的负面影响，他花费了大量社交时间来反驳伏尔泰的指责，有时也稍稍提醒人们他既不是爱尔兰人也不是耶稣会信徒，甚至他还曾撰写讽刺文学作品来予以回击。尼达姆巧妙地模仿伏尔泰诗文的风格，他写道：“伏尔泰内心的指令误导了我们的心灵。”这篇诗文最终发表在尼达姆编纂的一部著作的附录中，但其水平远未达到伏尔泰精心打造的艺术标准。

尼达姆在实验方面最后的尝试依然是有关奇迹问题。古老的天主教信仰认为教堂的钟声可以避免雷击，而法国哲学家指出每年雷击致死的人员名单中似乎包括许多敲钟人。尼达姆辩解称事实上教堂的钟确实有某种神奇的保护能力，只不过被人们忽视罢了。对于那些遭到雷击的教堂，人们只是耸耸肩认为是特例而已。

1781年，即尼达姆去世前两年，他给惺惺相惜的法国哲学家写信解释自己对自然发生论进行实验背后的动机，流露出近乎懊悔的情绪。尼达姆认为预成论和“胚种”的存在似乎从未得到过科学的验证，也没有直接的证据证明这些观点。因此，自然哲学必将成为找到生命起源新答案的突破口。在预成论被证伪的情况下，尼达姆的实验正试图为生命的起源找到一种新的理论。他认为自己已经通过某种方式调和了一个存在创世神明的机械的牛顿世界。

事实上尼达姆是在南辕北辙。到了19世纪，有关微生物自然发生的问题不仅成为了自然哲学领域学者们争论的焦点，也引起了社会的关注。

[1].威廉一世（William I；1533—1584），荷兰开国国王。——译注

[2].马勒伯朗士有关“胚种”概念的解释在某种程度上表达了遗传的思想。从一定层面上说，能够使苹果树无限繁殖的信息就包含在一粒小小的苹果种子中。

[3].18世纪人们对生命现象的认识呈现出几何级的增长，笛卡儿的生命观得到了广泛接受，甚至是一些预成论的支持者都难以否认。为了回应笛卡儿，日内瓦的自然哲学家查尔斯·博内曾这样写道：“最细的纤毛也可以被想象为可以发挥功能的‘微型机器’，而整个大机器可以看作许多‘微型机器’共同发挥功能的结果。”博内对生命体系的理解在21世纪的今天依旧焕发着活力，与此同时博纳也并不反对预成论。

[4].1998年，生物学家丹尼尔·马丁内斯发现了水螅的另一个神奇现象：由于水螅干细胞具备永久再生的能力，因此它不会衰老。至少在理论层面，水螅与其他大多数动物的不同之处在于它们是可以永生的。

[5].托马斯·杰斐逊是众多受《自然史》影响的人中的一位。这位后来的美国总统对布丰书中描绘的美国野生动物感到困惑——在布丰的想象里，美国就是一片布满水塘和沼泽的不毛之地。杰斐逊在他唯一的一部著作《弗吉尼亚笔记》中，以很长的篇幅驳斥了布丰的观点。1785年杰斐逊访问巴黎时，还专门安排了时间到布丰家中共进晚餐。他说服布丰在以后出版的《自然史》中删去了有关美国野生动物的内容。

[6].在柏林时，伏尔泰抽出时间写了一部有关外星人迈克罗梅加斯的短篇小说。故事中的外星人迈克罗梅加斯有3000多米高，样子有点儿像乔纳森·斯威夫特笔下的格列佛，只不过他是“利用万有引力定律”在星际间穿越的外星人。迈克罗梅加斯发现地球上的人类都是“傻瓜、无赖和贱骨头”。后来一位哲学家告诉他，我们人类中的100000个头戴帽子的疯子杀死了100000个戴头巾的疯子。这篇小说又名《迈克罗梅加斯》，许多人认为它开创了科幻小说的先河。

[7].弗雷德里克年轻时曾试图同他的情人汉斯·赫尔曼·凡·卡特逃离普鲁士宫廷，但以失败告终。弗雷德里克残暴的父亲让他眼睁睁地看着卡特被斩首。后来弗雷德里克结婚，然而他与妻子只是每年在公众场合见上一面。

第5章 生命的力量

哦！当你读完这本书时会发现里面的内容都是已经被证实的，要想反驳其中的任何内容几乎都是不可能的——你知道这就是科学。与其他书不同，这本书里没有自相矛盾的内容，也没有错误。这些内容都是经过检验的。

——本杰明·迪斯雷利，《坦克雷德》，1847年

菲尼庄园坐落在英国西南部萨默塞特县人烟稀少的奎恩托克山。站在附近的高处可以领略四周的乡村美景，在天气晴朗的日子甚至还能看到格拉斯顿伯里高岗。这是一座绿色的锥形小山，古代不列颠人曾把它叫作Ynys yr Afalon（意为“乐土岛”），而且很可能是亚瑟王传奇故事中虚构的阿瓦隆岛。然而，菲尼庄园却位于一处奇怪的洼地，三面被峡谷中的密林包围。一位游客曾这样评论道：一般的建筑师不会选在这样的地方建房子，因为这里的大地好像会在某个晴朗的早上突然陷下去。

为了维持第一次工业革命期间蒸汽机运转的需要，萨默塞特县北部的森林正在被煤矿取代。但是奎恩托克山附近的煤矿不多，森林中依然生长着高大的橡树和冷杉树，地上的各种野花和蕨类植物也随处可见。诗人威廉·华兹华斯和塞缪尔·柯勒律治曾在这里度夏，柯勒律治的两部著名的英文诗歌《忽必烈汗》和《古舟子咏》就是在这里创作完成的。

但是1836年格外寒冷的冬季使菲尼庄园看上去并不像过去的英国农村，倒更像是美好未来的愿景。庄园周围的行道树上挂满了圣诞彩灯，单是为彩灯供电的电线长度就超过了500米。这些电线与菲尼庄园一层的巨型电池相连，电池里面成分复杂的电解液发生化学反应产生的电流足以使20人身亡。因此，电池的外面印有大号的拉丁文警示语“别碰我”。

庄园的主人安德鲁·克罗斯很少用风琴室举办娱乐活动。50多岁的他是个隐士，身为一名贵族却享受着隐居生活的淡然恬静。克罗斯平时把主要的精力放在经营土地和管理佃农上，因此有足够的时间追求自己真正感兴趣的东西。克罗斯是位“科学家”，但这个称谓只不过是英语中“自然哲学家”的别称。他最初的兴趣是电学，后来还曾因此赢得美誉。皇家学会主席曾被克罗斯的工作吸引，还特地前来参观了菲尼庄园。

克罗斯的另一个兴趣来自幼年时令他着迷的问题——晶体的自然生长过程。他觉得电与晶体的形成有关，并认为前者可能为找到这个问题的答案提供线索。于是他开始为不同的石头通电，认为总有一天可以用电制造出任何矿物，甚至是金子或钻石。克罗斯的实验有时长达数周，但这些工作却在一定程度上影响了他的声誉。

克罗斯最新的实验包括给装有维苏威火山石的密闭玻璃瓶通电，维苏威火山曾摧毁了罗马的赫库兰尼姆古城和庞贝古城。此外，玻璃瓶中还装有由燧石粉末和碳酸钾组成的溶液。在实验开始的前两周，每天早上克罗斯都穿着散发着烟味的绒面夹克（他经常在实验室中穿这件夹克）下楼观察实验结果。

一天早上，克罗斯终于看到了让他兴奋的东西，他在石头的上方观察到了许多小白点。在随后的4天里，他每天早上都认认真真地观察实验，并且发现小白点在变大。到了第四天，其中的一个白点变成了一条白色小虫，这让克罗斯感到十分惊讶。随着时间的推移，更多的白色小虫出现。克罗斯在日志中激动地称这些小虫为“完美之虫”。在接下来的几年里，他所做的实验可以说都是为了验证自然发生论，在与路易吉·伽伐尼所做的古怪实验进行比较的基础上，这位意大利学者似乎已证实电流存在某种产生生命的能力。很快，这个实验让克罗斯的名字在英国家喻户晓，同时也为他带来了诽谤与中伤。

有人会把科学发展的历程比喻成沙漏的形状。早在19世纪以前，科学在富裕的知识分子眼中只不过是一种娱乐方式。当时，科学并不是普通公众可以接触到的，这与现在的情况差不多，如今科学还是主要由受过教育的精英（即所谓的科学家）来主导。但是在19世纪这个伟大的时代，科学成为全民的娱乐方式。特别是在工业革命的发祥地英国，报纸上、餐桌旁甚至是酒馆里和激进刊物上都在热火朝天地探讨科学。在一个世纪前，几乎没人听说过克罗斯所做的实验，也没人关心这些事情。到了19世纪中叶，大家都了解了科学发展的最新趋势，而且每个人在科学方面都形成了自己的观点。

科学的民主化主要得益于蒸气印刷机的发明，印刷业因此蓬勃发展，纸张价格创下历史新低，印刷厂也看到了未来印刷业发展的浪潮。报纸和杂志随处可见，人类的读写能力也因此达到了历史上前所未有的水平。

克罗斯的故事刊登在某个地方报纸上，不久就尽人皆知了。事实上，默默无闻而又谦逊的克罗斯一夜之间就成为了19世纪小报上的知名人物，他的故事也因此成为了英国内外讨论的话题。克罗斯成为“在实验室中创造生命”的科学家，而且他所创造的不只是肉眼看不见的某些微生物。克罗斯认为通过创造肉眼可见的生物活体就可以证实自然发生论的正确性。他的实验开始广泛地引发了公众的兴趣，彼时善于炒作的新闻记者经常借助此类消息提高报纸的销量。

有两本书在传播克罗斯故事方面起到了关键作用，其中一本是极其畅销的科普书籍，该书在克罗斯实验完成7年后问世。这本书用克罗斯发现小白虫的事实证明生命可以依据一定的自然规律进行创造，并且通过演化的方式产生更加复杂的生命形式。

另一本书是一部小说，在克罗斯实验之前大约20年就出版了。故事讲述了日内瓦湖边的一位姑娘在一个雨天的下午完成了一部流芳百世的作品，满足了人们对神秘的生命给出全新解释的渴望。

1816年夏天，18岁的玛丽·沃斯通克拉夫特和她的未婚夫、诗人珀西·比希·雪莱前往瑞典拜访作家拜伦勋爵[1]。雪莱希望更有威望的拜伦能够成为自己的朋友和导师。在拜伦位于日内瓦湖边的别墅中，他们原计划前往瑞士的阿尔卑斯山观光探险，但瓢泼大雨迫使他们改变了计划，一整晚都在讲传说中的德国鬼故事。拜伦鼓励大家各自写下自己的故事，只有沃斯通克拉夫特与英国作家约翰·威廉姆·波利多里接受了拜伦的提议，把故事写成了小说。波利多里所著的《吸血鬼》一书于1819年出版，该书堪称恐怖小说的经典，引发了吸血鬼文学的浪潮，而且一发不可收拾。但是沃斯通克拉夫特小说的影响更加广泛和持久。

在小说出版时，沃斯通克拉夫特已经嫁给了雪莱，因此更名为玛丽·雪莱。小说的名字叫作《弗兰肯斯坦：现代普罗米修斯的故事》。事实上，大众有多喜爱这本书，批判家就有多恨这本书。玛丽·雪莱的这本书之所以独特而又引人注目，是因为该书关注了所谓的“科学”问题。玛丽·雪莱的弗兰肯斯坦博士创造的可不是一个简单的怪物，而是从非生命物质中创造出了活的生命体，正像克罗斯后来实现的那样。从某种意义上讲，这本书可谓是现代版的创生神话，是一本反映主宰生命定律的新思想的书籍。当时的科学以及怀疑主义为这部小说提供了素材。书中的故事不太可能是古代德国作家撰写的，因为他们讲述的鬼故事发生在多雨的瑞士。有人认为《弗兰肯斯坦：现代普罗米修斯的故事》是世界上第一部科幻小说。

在1831年出版的《弗兰肯斯坦：现代普罗米修斯的故事》的前言中，玛丽·雪莱介绍了故事的创作灵感。故事的情节来源于拜伦与雪莱有关“达尔文博士”进行自然发生实验的对话。玛丽·雪莱的描述打算混淆后人的视听。她提到的达尔文指的是查尔斯·达尔文的祖父伊拉斯谟斯·达尔文，这位具有传奇色彩的人士是位出了名的科学怪人。他曾经拒绝担任乔治三世国王皇家医生的邀请。伊拉斯谟斯·达尔文小时候患过小儿麻痹症，并因此留下了体态臃肿和跛脚等后遗症。然而，他同两个妻子和家庭女教师共养育了14个孩子，并且不耻地认为性关系是治疗忧郁症的良方。

在科学领域，人们认为伊拉斯谟斯·达尔文的观点有些偏激，有时甚至十分荒唐。他早年相信演化理论，认为该理论总有一天将完善成为进化论。他相信一个物种经过长期缓慢的变化最终会产生新物种，这就解释了地球上形形色色的生物为什么存在；他还认为自然界的生命都是通过演化形成的，但最初的生命是通过自然发生过程产生的。伊拉斯谟斯·达尔文是当时英联邦国家支持自然发生论最著名的人士，在他创作的诗歌中经常可以看到演化思想与自然发生论的影子。他的最后一部叙事诗《大自然的神殿》言简意赅地总结道：

因为没有亲本，

地球上最初的动物自然孕育；

植物和昆虫在大自然体中孕育，

并在那里发芽、呼吸，长出微小肢体……

浩瀚的大海孕育着生命，

它们在海底珍珠般光泽的洞穴中诞生、生长；

最初的生命十分微小，

借助显微镜也无法看到；

它们在泥土中穿梭，在水流中前行;

它们蓬勃发展的后代，

需要注入新的力量，拥有更大的肢体；

由此出现了数不清的植物，

以及动物的鳍、足、翼。

这种概念在玛丽·雪莱的世界中并无唐突之处，她周围都是自由的思想家以及宗教怀疑主义者。她徜徉在由波希米亚知识分子组成的学术圈子（就像英国的“面包店”一样前卫）里。无神论者都参与到“面包店”的活动中，他们认为自己在生命起源的问题上有共同的价值取向。玛丽·雪莱的丈夫珀西·比希·雪莱可能是当时英国最著名的无神论者。她的父亲威廉姆·高德运是位激进的政治哲学家，其知名度在这个领域也是数一数二的。两人都认为上帝与人类的诞生没有直接关系，这与霍尔巴赫等人的观点一致。因此，他们都希望对人类的出现做出科学的解释。

人们很容易把正在进行实验的克罗斯同玛丽·雪莱小说中疯狂的科学家联系起来，因为他们都在实验室里试图创造生命，只不过克罗斯进行的是电学实验。实际上玛丽·雪莱曾经参加过克罗斯早期举办的一次电学讲座，后来这引起了一些人的猜测，认为克罗斯为《弗兰肯斯坦：现代普罗米修斯的故事》的创作提供了灵感。但是这种联想非常不现实，因为讲座举办时克罗斯还没有对生物学产生什么兴趣。

人们把克罗斯和玛丽·雪莱小说中虚构的科学家相比较，主要是受到广泛流传的1823年舞台版《弗兰肯斯坦：现代普罗米修斯的故事》的影响。这个版本融入了电子效果作为点缀。玛丽·雪莱模糊处理了弗兰肯斯坦博士复活生命的手段，只是用“他把生命的火花注入到无生命的物质中”来加以渲染，并未使用“电学”一词。然而在序言中，玛丽·雪莱确实提及了伽伐尼的实验对她创作的影响。伽伐尼有关人类可以驾驭创生力量的观点的确曾引发人们的兴趣。

伽伐尼是意大利博洛尼亚大学的解剖学教授，他当时做的实验比克罗斯的还要神奇。伽伐尼一直在研究解剖下来的蛙腿，他发现当蛙腿被解剖剪触碰时就会抽搐。他对此感到吃惊，怀疑这一现象与实验室外强烈的雷暴有关。当年年末，伽伐尼在解剖过程中安装发电机时又观察到了相同的现象。伽伐尼天生好奇，但从不妄下结论。他曾写道：“在实验过程中自欺欺人十分容易，按照我们希望看到的方式先入为主地思考是非常容易的。”

然而，伽伐尼逐渐接受了一个观点，这就是他偶然发现的叫作“动物电”的生命力量。他的实验变得臭名昭著，这主要是因为他的侄子乔瓦尼·阿迪尼的表演技巧。阿迪尼乐于在公共场合展示其叔父的“动物电”，甚至在伦敦的街道上也进行表演。1802年，阿迪尼在观众面前表演让死去的公牛“起死回生”的节目，观众中有乔治三世国王的王后夏洛特以及王子。该表演让在场的观众瞠目结舌。一年后，阿迪尼还曾在伦敦当着一些著名内科医生的面为行刑后的死刑犯的头部通电并使其活动。他后来这样描述道：“犯人的下巴开始颤抖……并睁开了左眼。”伽伐尼的发现最终让他声名鹊起，这一发现创造了“电刺激”一词，意为“刺激”或“使苏醒”。

从某个角度说，伽伐尼的发现是正确的，虽然他本人并没有意识到，与他同时代的人也无法理解这一点。活细胞实际就是一个小型电池，细胞内膜系统之间形成的电位差是由离子泵驱动的。在动物细胞内，这种电位的改变引起神经冲动，进而使肌肉产生运动。从本质上讲，这种电流不仅维持了心脏跳动，使四肢运动，还让动物产生了意识。伽伐尼的著名实验证实了特殊生命力的存在，但这一想法后来却遭到亚历桑德罗·伏特的驳斥。伏特的名字后来被用作电压的单位。为了反驳伽伐尼的实验结果，伏特发明了世界上第一只电池，即著名的伏打电池。伏特在电流赋予生命方面所做的研究为第二次工业革命的出现奠定了基础，而第二次工业革命正是一次由电所引发的工业革命。

伽伐尼使蛙腿“起死回生”的实验

有关电的首篇研究报告是由希腊剧作家阿里斯多芬尼斯完成的，他发现用毛皮摩擦琥珀可以吸引羽毛等轻质物体。阿那克西曼德的导师泰利斯发现了更加惊人的现象：磁铁可以吸引任何含铁的物质。泰利斯试图描述这一现象，他使用绝大多数物体进行实验后发现这一现象难以解释，于是就把原因归咎于超自然力。他认为磁铁一定具有某种魔力。如果当时阿那克西曼德也观察到这一现象，他的描述方式可能完全不同。但是泰利斯的结论与此后两千年来大多数人对电学现象的认识如出一辙。有一次，奥古斯汀看到放在桌子下方的磁铁能够控制铁屑在桌面上移动，被惊得目瞪口呆。他回忆起这一情景时总认为是个奇迹，这个实验能够证明神灵的存在。1000多年以后，赫尔蒙特也并不回避使用“魔力”一词来描述磁力现象。

19世纪人们普遍认为电构成了生命中某种神秘的成分，这与活力论的观点不谋而合。活力论的笃信者认为生命体与非生命体之间有不可逾越的鸿沟，二者完全不同且互不相容。对于这些人来说，如果没有生命力的注入，自然发生论就纯属无稽之谈。

活力论的历史可以一直追溯到泰利斯时代。这一理论对西医的发展起到了重要的作用，而且在希波克拉底和伽林等名人的著作中也有体现。早在空气甚至气体被发现之前，人们认为肺是借助一种被泰利斯称为元气的神奇的超自然力工作的。同尼达姆和伏尔泰时期的预成论一样，那些恐惧物质主义抬头的人可能会说，生命被注入了新的活力。

19世纪是工业的时代。城市被随处可见的工厂和工业生产排放出的废气包围，铁路穿过不再恬静的乡村，从建筑的风格到社会习俗，一切似乎都被打上了工业革命的烙印。在科学界，牛顿和笛卡儿把整个宇宙看作一座精确运转的时钟，而这种宇宙观正在逐渐成为主流。与此同时，生命体与非生命体之间的界限也变得模糊起来，这一趋势令许多人感到不安。因此，活力论试图阻止其笃信者接受一个客观的非人性化的宇宙观。

活力论的核心思想是生命体具有灵魂，这是与非生命体的本质区别。但灵魂究竟是什么？这一概念需要经过科学的粉饰才能迎合科学怀疑主义时代的需要。活力论的笃信者开始描绘一种宇宙流体，有些人称之为“苍穹”或“生命力”，但也有人称其为“无法估量的流体”，一位活力论主义作家甚至把它描绘成“电、磁性矿物质或有机质流体”。“无法估量的流体”似乎有些讽刺的意味，实际上这个流体可能是肉眼看不见的，但是一些现象可以被观察或想象到，而这正是活力论所强调的。磁铁产生的磁力以及电流产生的电压都能够被观察到，这些似乎都与唯物主义的解释相悖，但也正是活力论的所谓“灵魂”与上世纪大多数人认知之间的区别。活力论的笃信者坚信只要克服困难，“灵魂”是可以被观察或度量的[2]。

一时间，连自然哲学家都迫切地追随活力论。巴黎《全球时报》的科学记者亚历山大·伯特兰斯甚至把活力论形容为“物理学前沿领域的一场革命……对于我们来说宇宙现在就好像完全浸没在由不可估量的物质组成的无限海洋之中”。事后来看，要破解这场招摇撞骗的运动并不困难，但是活力论在19世纪上半叶非常流行，以至于推动了有机化学和无机化学两大分支的形成。彼时，大多数知名的生物学家将自己视为活力论的笃信者，其中甚至包括路易斯·巴斯德，他们相信生命体与非生命体之间的界线坚不可破。虽然并非所有人都相信“无法估量的流体”的宇宙观，但是透过电学和电磁学不少人仿佛看到了生命的本质。

克罗斯最早接触电学与自己的家庭有关，他的父亲理查德·克罗斯是本杰明·富兰克林和约瑟夫·普利斯特里的好朋友。富兰克林和普利斯特里对电学的认识与18世纪末人们的认识水平大体相当，他们的友情源于三人共同的激进政治思想。理查德·克罗斯是法国大革命的倡导者，不仅在巴士底狱被攻破的当天就加入到了革命的人群中，还曾在战场上高举法国国旗。理查德·克罗斯的所作所为将自己在英格兰的名誉尽毁，英国人把他视为古怪的闹事者甚至是雅各宾派的激进民主人士。在返回英国时，愤怒的民众甚至试图袭击他所乘的马车。然而激进的主张也为理查德·克罗斯赢得了众多追随者，其中就包括富兰克林和普利斯特里。这两个人都是菲尼庄园的常客，而且也都对电学的发展起到了推动作用。

当时，科学家把磁现象解释为由两种不同电流产生的两种力量相互作用的产物，其中一个是引力，另一个是斥力。然而，富兰克林坚持认为电是一种流体，而且是单向流体，只不过因为同时具有正负电荷才形成了电的奇特属性。虽然富兰克林并不理解电的“流动”只是电子在原子间的定向运动，但他的观点对于理解电的本质及其工作方式是一个巨大的飞跃。在富兰克林出任美国驻法国大使期间，在电学领域的名望使他获得了皇家委员会的职务，负责研究德国催眠大师、活力论的支持者弗朗兹·麦斯迈的理论。麦斯迈声称能利用隐形的电流体治病，他让病人吞下铁片，把磁铁放在病人身体的其他位置。“动物磁性”一词正是源于麦斯迈“电磁组成了超自然的生命力量”的观点。

普利斯特利是一位与富兰克林名望相当的人士。他出生于家教严格的加尔文教家庭，虽然早年是一名牧师，但他相信上帝唯一论并否认基督的神圣性。在英国的寓所被反法民众烧毁之后，他逃往了宾夕法尼亚。普利斯特利可能因为在化学方面的贡献以及发现了氧气而被人们所熟知，他把氧气称为“脱燃素气”。除此之外，他还是第一位创造了电学公式的人，后来他把该公式写入了长达700页的《电的历史与现状》一书中，该书在之后的100多年间成为了电学领域的经典教材。

克罗斯在晚年回忆起自己对电学痴迷的那段往事时，从未提及父亲的知名好友。这一点并不奇怪，因为克罗斯是改革论者，但他只是支持改革，而非像他父亲那样成为激进的革命分子。克罗斯的方式就是成为辉格党的改革派，他甚至担任代表萨默塞特郡的国会议员长达一个任期。随着时间的推移，克罗斯的政治观点更加边缘化。他回避提起富兰克林和普利斯特利，可能是为了避免受到父亲激进主义的牵连。这样理解的话，他的做法也就不足为奇了。

16岁那年，也就是父亲去世的那一年，克罗斯得到了他平生的第一台发电机。彼时，克罗斯十分喜爱阅读，只要一有机会接触到《哲学学报》就会从头读到尾。他还把能找到的有关电学的书籍都读了个遍。克罗斯经常光顾的书店的老板自己就是位实验主义者，他十分喜欢克罗斯，送给他一台原始的发电机和由30个莱顿瓶组成的“电池组”。这台发电机通过简单摩擦就可以产生电能，而组成“电池组”的莱顿瓶比玻璃瓶的体积稍大一些，里面装有水及金属箔片用以导电。莱顿瓶的名字来源于它的发明地荷兰城市的名字，它是早期的一种电容[3]。克罗斯发明了一种有效的方法，能够通过安放在室外树上的避雷针将闪电释放的能量储存在电容中。莱顿瓶仍然是克罗斯实验中必不可少的设备，最终他的地下室里有差不多3000个这样的瓶子。

同一年，附近石灰岩采石场的工人偶然发现了一个长满文石晶体的神秘山洞，他们把它叫作霍维尔洞。孩提时的克罗斯常常在这里独坐几个钟头，观察晶体在昏暗摇曳的烛光里闪烁，好似它们能够散发出某种奇异的能量一般。克罗斯确信眼前这些晶体的美妙与他当时正在研究的神秘力量有关。在镜像中晶体似乎能触碰到彼此，仿佛被某种无形的力量拉在一起。克罗斯猜想这种无形的力量就是磁性。

在发现霍维尔洞两年后，克罗斯前往牛津大学的布列斯诺斯学院读书。在那里，他感觉到自己的内心更加孤独，觉得大学时光简直无聊透顶。在给母亲的信中，他这样写道：“牛津大学是世界上最好的地狱。”许多年后，克罗斯表示牛津的那段时光教会他“嘲笑是对年轻人残酷的磨练”。后来，他在希腊典籍的学习中找到了慰藉。克罗斯总是自诩为诗人，乐于描绘大自然的美丽，而霍维尔洞自然成为了他最喜欢的主题。克罗斯晚年的时候，其诗歌大多与自己的抑郁症或那些在他晚年给与他启迪的宗教狂徒有关。

21岁那年，克罗斯的母亲去世了。当他回到菲尼庄园时，发现自己已然是这座庄园的主人，管理着许多佃农。他对商业经营一窍不通，虽然有时他被人骗走大量钱财，但生活从未因此陷入绝境。随着时间的推移，一个人鼓励着克罗斯将更大的热情投入到电学实验中，这个人就是后来成为克罗斯最亲密朋友的电学家乔治·辛格。

27岁时，克罗斯设计了首个电学实验，并在霍维尔洞里完成。后来他甚至开始给慕名而来的当地农民用电流治病，据说当地人都知道他用这种方法能够治愈关节炎以及醉酒后的不良反应。很快克罗斯就开始研究电流各种可能的用途，他在电流对晶体生长影响方面的研究成果促使当时英国最知名的科学家、英国皇家学会主席汉弗莱·戴维前来菲尼庄园拜访。戴维发明了能够在充满沼气的矿井中安全使用的电灯，因而成为了英国的国民英雄。不仅如此，他还是一位才华横溢的科学家，在他的化学研究中大量使用了电。戴维对克罗斯研究的兴趣也源于他自己的实验，他利用伏特电极发现了电流的电解作用，通过这一手段可以把物质电解成化学单质。

到了1836年，英国科学界对于电学的兴趣更加浓厚，克罗斯也因此赢得威望并获得信心。同年秋天，在英国科学促进会成立之前，克罗斯前往布里斯托并十分罕见地发表了公开演讲。当时人们把克罗斯有关矿物的电流形成理论视为空想，他因此招致恶名，但这也让所有科学界人士了解了他，知道了他所做的许多事情与科学毫无关系。1836年底，克罗斯完成了他最著名的实验，他的科学事业也因此达到了顶峰。

后来事情开始变得对克罗斯十分不利，他不止一次地表达自己其实是无耻的记者们笔下的受害者的想法。而实际情况既不像记者们报道的那样，也不像克罗斯声称的那样。起初克罗斯的确没有对外公布自己发现石头上长出小虫子一事，然而最终他把这件事告诉了当地一家创立不久的报纸《萨默塞特公报》的编辑。不久之后，该报纸就刊登了这个有意思的故事，因此克罗斯本人应该清楚这件事。

就在1837年的最后一天，克罗斯发现石头上长出小虫子的故事以“奇异的实验”作为醒目的标题刊登在《萨默塞特公报》上，后来这则趣闻又被《泰晤士报》转载。从此，有关这位现实版“科学怪人”的各种新闻开始出现在各大媒体上，并如野火般迅速传遍了英国。但是没过多久，一些媒体上开始出现了不实的报道，这则趣闻很快变成了“时下最著名的电学家迈克尔·法拉第证实了克罗斯实验的结果”。媒体还给克罗斯发现的小虫子起了个拉丁文学名Acarus crossii，中文叫作螨虫。

克罗斯尽可能地远离名流，并且与自己成果可能产生的所有重要影响都保持着距离。在这以后，他继续探索电流产生晶体的方法。同时，他也希望找到仪器中出现螨虫的原因，但随后的几次尝试都徒劳无功。科学家威廉·威克斯是位受人尊敬的讲师，他表示自己已经重复了克罗斯的实验，并且在实验中也观察到有螨虫滋生，然而其他人在重复了克罗斯的实验后却并没有发现什么。虔诚的教徒法拉第虽然赞同克罗斯的想法，但是否认了自己重复做出克罗斯实验的报道。实际上报社并没有理睬法拉第的声明，因为他们不想因此削弱相关报道产生的轰动效应。但是在科学界，法拉第的表态只能进一步证明克罗斯的实验有误，相关的报道或许就此终止了。

克罗斯手绘的螨虫插图

1844年，英国的各大书店上架了一部最新出版的匿名著作，这时克罗斯发现自己再度成为了公众关注的焦点。这部著作名叫《自然创造史的痕迹》，在此之前英国民众从未见过这样的作品。小说家、后来的英国首相本杰明·迪斯雷利在给妹妹的信中激动地写道，这部小说“震撼了全世界”。果不其然，小说的第一版在几天内便销售一空。

《自然创造史的痕迹》描述了宇宙的自然历史，它开始于宇宙诞生的那一刻并一直持续到现在。一位名不见经传的作家把这一过程称为“自然孕育”。地球生命的历史可以上溯到自然万物起源之时，这一点可以由克罗斯的螨虫实验加以证实。从创生的自然过程来看，拉马克式的演化成为新物种诞生的动力。在最初手稿中紧随“生命起源”的章节里，作者在页边的空白处写下“此处引出了重要的内容”。

在维多利亚时期的英国，这部著作引起了轩然大波，然而出版商却因该书的畅销赚足了钱。爱德华王子就曾表示每天喝下午茶的时候他都要向维多利亚女王大声朗读该书的内容。事实上，这部著作的匿名出版更增添了它的吸引力，各大报纸都在推测这位神秘作者的身份。一些报纸认为是安德鲁·克罗斯所著，另一些则认为应该出自伊拉斯谟斯·达尔文的孙子查尔斯·达尔文之笔。还有一些报纸认为该书的作者很可能是位女性，因为只有女性才可能写出如此劣质和不严谨的文字。这些媒体甚至认为它或许是激进的政治经济学家哈里特·马蒂诺或者拜伦勋爵之女爱达·勒芙蕾丝的杰作，而后者为数学家查理斯·巴贝奇未完成的计算器编写了首部机器算法[4]。

记者兼出版商罗伯特·钱伯斯直到离世30多年之后才被发现是这部匿名著作的真正作者。钱伯斯生前不遗余力地隐藏自己的作者身份，甚至让妻子手抄原稿以避免编辑识别出自己的字体。他甚至烧毁笔记，并将手稿锁在抽屉中。如果身份暴露了，他将面对不可避免的宗教抵制。钱伯斯兄弟所拥有的出版社在苏格兰主要通过印制宗教教材盈利，一旦身份暴露就意味着利益受损。

尽管钱伯斯是宗教怀疑主义者，但他在书中竭尽全力坚持认为他所描绘的过程从本质上讲是神谕之作。虽然标题有所妥协，但全书的内容依然是在向《圣经》中对创生具有宗教倾向的释义发起挑战。虽然《自然创造史的痕迹》出人意料地畅销，但是在宗教怒气爆发之时，尽管批评家的措辞毫不留情，该书的大多数追随者却保持沉默。最严厉的评论发表在极具影响力的《爱丁堡评论》上，这篇长达85页的评论成为该杂志有史以来刊登过的最长的文章，作者是备受尊敬的亚当·塞奇威克。这位德高望重的地理学家也是剑桥三一学院的副主任。他严厉斥责书中没有出现亚当、夏娃以及伊甸园，并讽刺了人类从猩猩演化而来的滑稽说法。塞奇威克也相信《自然创造史的痕迹》一书的作者是位女性，他甚至洋洋洒洒地写下许多文章证明自己的观点。

然而塞奇威克并没有饶恕克罗斯。在写给克罗斯的一封私人信件中，塞奇威克曾警告他“不要再涉足动物起源的问题，马上拿起撬杠砸向实验装置”。塞奇威克并不是在孤军奋战。钱伯斯的著作问世后，克罗斯遭到了广泛的非议，从最悲观的角度说克罗斯甚至被人们视作科学怪人。由于他的实验颠覆了创世者的地位，许多满腹仇恨的信件蜂拥而至，信中充满对他的谩骂，甚至将他称为“异教徒”“亵渎者”和“暗黑艺术”的实践者。许多报纸也持有相同的论调，把克罗斯说成是“我们神圣宗教的谩骂者”和“和睦家庭的破坏者”。当地的农民也不再和他讲话，有人甚至认为克罗斯应该为发生在菲尼庄园附近的蝗灾负责，还有人让狂热分子在克罗斯庄园周边的小山上公开驱魔。

宗教色彩的批判伤害了克罗斯，但是真正给他带来打击的却是整个学术界对他的冷遇。在《自然创造史的痕迹》问世之前，英国绝大多数主流的学术团体只是避而不谈克罗斯发现螨虫的事。生命起源的问题过于敏感，学术团体大多不愿触碰这一话题。然而，这本臭名昭著的《自然创造史的痕迹》却提升了克罗斯实验的重要性，于是学术团体无法再对克罗斯置之不理，他本人也将面临前所未有的审查。克罗斯实验的每一个环节都遭到调查委员会的详细审查，最终他们如愿以偿地发现了实验中存在的缺陷。令很多同仁感到惊讶的是，克罗斯找到的螨虫只不过是普通的尘螨。他因此成为了学术界的笑柄，年轻时的精神疾病也再度发作。此后，克罗斯完全投入到诗歌和小说的创作中，但是始终没能成为作家。

许多年以后，有人请克罗斯为一本讲述19世纪上半叶著名历史事件的著作撰写评论。克罗斯对此严辞拒绝，他认为自己是不知情的受害者，从未因任何“创世”的行为受到称赞。他人得出的结论轻而易举地将克罗斯扫地出门，并使其卷入科学家和宗教人士日益激烈的争辩中。

在克罗斯淡出人们视线十数年后，他的名字依然在被科学家们引用。随着科学界的专业化和科学的职业化，克罗斯颇具讽刺意味地成为了那个时代“绅士科学家”的象征，而他的名字几乎成为了招摇撞骗的代名词[5]。

但是作为公众人物，克罗斯的故事留下的另一个宝贵遗产在《弗兰肯斯坦：现代普罗米修斯的故事》和《自然创造史的痕迹》中得到了很好的体现。这两本书都吊足了那些热衷科普以及想要了解过去那些奇异想法的普通公众的胃口。这两本书同时也成为了科学文学现象的先驱，而这一现象最终将在有史以来最著名也最具影响力的一部科学著作出版之时达到顶峰。

这部著作的作者在1836年年底回到了英国，此时克罗斯的实验还没有开始。这位作者是个年轻的博物学家，刚刚完成了一次漫长的环球航行，而正是这次航行将他带到了距离南美洲不远的加拉帕戈斯群岛。

[1].在《弗兰肯斯坦：现代普罗米修斯的故事》的前言中，玛丽·雪莱提到了1816年的极端气候。那年“没有夏天”，北半球的夏季被严寒笼罩。加拿大魁北克的积雪深达76厘米，中国不仅作物毁于一旦，还有成千上万头水牛相继死去。瓢泼大雨导致印度恒河地区爆发霍乱，甚至连遥远的莫斯科都受到波及。英法两国受到夏季严寒的影响，因粮食歉收而发生了暴动。这些极端的气候很可能是由历史上最严重的一次火山喷发引起的。那一年，位于今天印度尼西亚境内松巴哇岛的坦博拉火山爆发，其喷发强度是喀拉喀托火山的4倍，进而导致了大约70000人丧生。在遥远的伦敦都可以感受到这次喷发对大气的影响，该地区的落日呈鲜亮的橙紫色，持续数周之久，甚至许多虔诚的基督教徒把这种落日的颜色看作世界末日到来的标志。

[2].1928年，德国化学家弗里德里希·沃勒偶然发现了一个化学反应能够把氰酸铵转变为尿素。作为最早发现的有机物合成反应，这个实验经常被错误地视作活力论的终结，但实际上这一发现在当时并没有得到重视。弗里德里希·沃勒仍旧是一位活力论的拥护者。

[3].本杰明·富兰克林是第一个证明了电能储存在玻璃管中而非水中的人。他在著名的风筝实验中也使用了莱顿瓶，短语“把闪电捕捉到瓶中”正是源于该实验。

[4].1837年，巴贝奇率先宣布了有关计算器的建造计划，也正是在这一年克罗斯的趣闻出现在英国各大报纸上。巴贝奇准备建造的是一部能够进行基本数学运算的巨型机器。由于当时的建造费用过于高昂，他没能在有生之年完成夙愿，否则这将是世界上第一台计算机。勒芙蕾丝在穿孔卡片上推导她的算法，这与20世纪设计第一批计算机时使用的方法相似。

[5].历史学家特雷弗·品奇把克罗斯发现螨虫的事件与1989年宣布冷聚变的发现相类比。这两大事件都一度成为了当时主流媒体报道的焦点，得出的结论也都超越了实验结果本身。克罗斯的实验受到了《泰晤士报》的关注，而冷聚变的新闻则被《金融时报》追踪。两个事件的焦点人物都一度名声大噪，随后同样都遭到了各种揶揄和谩骂，而且名声与骂名来得也都毫无厘头，甚至这两个实验使用的装置都惊人地相似，它们都是将电导体穿过含有钾盐的溶液。

第6章 造物主创造了最初的生命形式

仅仅发现和证明以前未知的真理是远远不够的，还应当使其得到广泛传播并被人们所熟知。

——让·巴蒂斯特·拉马克，《动物哲学》，1809年

1835年10月，英国皇家海军的“贝格尔号”从厄瓜多尔沿岸的一座小岛起航。“贝格尔号”是一艘装备有10门大炮的双桅方帆军舰，用于英国皇家的环球考察。在过去的4年里，“贝格尔号”从英国出发一路向西南方向航行，途经亚速尔群岛和佛得角之后沿南美洲东海岸绕过合恩角北上，最终抵达了加拉帕戈斯群岛。

年轻且经验丰富的船长罗伯特·菲茨罗伊决定起航寻找淡水，为即将西渡太平洋前往塔希提岛的长途航行做准备。但是这次他决定留下4个人，等10天后“贝格尔号”返回时再让他们登船。留下的这4个人分别是“贝格尔号”的随船外科医生本杰明·拜诺、两位佣人以及时年26岁的博物学家查尔斯·达尔文。

只要一有机会，达尔文就会离开“贝格尔号”开始自己的考察，拜诺也经常和他一同前往。作为“贝格尔号”上的博物学家，达尔文负责观察并收集环球航行中见到的动植物标本。但有些时候达尔文只不过是为了离开而离开，因为他与船长之间经常因为政治问题产生摩擦。菲茨罗伊是位充满激情的保守主义者，而达尔文则是辉格党的坚定支持者，因此他们有时会因为对奴隶制度的不同看法而吵得不可开交。达尔文的祖父伊拉斯谟斯·达尔文和外祖父乔赛亚·韦奇伍德都是英国赫赫有名的废奴主义者，因此达尔文对奴隶制度持坚决反对的态度。达尔文和拜诺总会让对方心烦意乱，这是长时间航行的寂寞给人带来的影响。然而在菲茨罗伊船长眼里，寂寞带给人的影响可能更糟，因为“贝格尔号”的前任船长普林格尔·斯托克斯就是在航行途中开枪自杀的，当时菲茨罗伊还是他的手下。菲茨罗伊之所以选择达尔文同行不仅是因为他适合作为旅途中的陪伴，而且还因为达尔文是位科学家。许多年以后，当菲茨罗伊转而信奉达尔文极力消除的宗教原教旨主义时，他对当年选择达尔文一同环球航行的决定感到后悔。

詹姆斯岛是位于加拉帕戈斯群岛中心地带的一个面积较大的岛屿。早在17世纪，海盗安布罗斯·考利命名了该岛，而菲茨罗伊至今还在使用考利当年用过的地图。在“贝格尔号”寻找淡水的10天时间里，留守的达尔文一行只能自己照顾自己。

“贝格尔号”的船员在3周前第一次踏上了加拉帕戈斯群岛中的查塔姆岛。岛上火山遍布，怪石嶙峋，菲茨罗伊把他们上岸的海滩形容为一片“黑色的凄凉之地”，而达尔文则认为地狱也不过如此。岛上的温度高得让人难以忍受，达尔文测得海滩上沙石的温度高达60摄氏度，而且越是黑色火山石丰富的地方，温度就越高。达尔文在日志中写道：“在岛上即使穿上厚靴子都难以行走。”

加拉帕戈斯群岛上火山遍布，这些火山的活动引起了达尔文的兴趣。作为一名博物学家，达尔文在地质学方面也受过很好的训练。他在剑桥的基督学院学习时，上过由当时最知名的两位地质学家亚当·塞奇威克和约翰·亨斯洛讲授的地质学课程。他们二人都是达尔文最亲密的导师，其中塞奇威克还曾激烈地抨击过安德鲁·克罗斯以及《自然创造史的痕迹》。在“贝格尔号”起航前，亨斯洛给达尔文推荐了一套名叫《地质学原理》的书，希望这套书能在长途航行时帮他打发时间。这套书分为三卷，亨斯洛把第一卷作为礼物送给了达尔文。和塞奇威克一样，亨斯洛也是位神职人员。尽管他曾警告过达尔文不要对书里面的内容太过认真，但达尔文却对该书十分着迷、爱不释手。

《地质学原理》的作者查尔斯·莱尔是位才华横溢的地质学家。莱尔对地质学的理解与以塞奇威克为代表的一批地质学家完全不同。塞奇威克谙熟地震、洪水等自然世界的变化和灾难，但是在他眼里这些事件都是相互独立的：地质学是建立在稳定的地理格局上的科学，而这样的格局从过去到现在从未发生过改变。与之形成鲜明对比的是，莱尔把地质学看作一门变化的科学，大自然的变化日复一日形成新的高山峡谷和江河湖海，不断改变着地球的面貌。莱尔把大自然的变化作为线索，得出了他最具颠覆性的观点：地球至少存在了3亿年。

在海上航行的日子里达尔文与世隔绝，于是他就将全部的精力投入到阅读莱尔的著作当中。在航行之初，达尔文就在佛得角的圣杰戈岛上发现了高出海平面9米左右的贝壳和珊瑚层，在里面还找到了一些软体动物的化石。他相信这些发现足以支持莱尔的地壳抬升观点。在“贝格尔号”所到之处，达尔文似乎总是能找到莱尔描述的地质变化。他开始按照莱尔的视角重新审视世界，甚至对于莱尔自认为已经回答了的问题，达尔文还是希望能找到自己的答案。因此，在离开圣杰戈岛后，达尔文独自一人在房间里思考那些高出海平面的珊瑚层究竟是地壳抬升的结果还是海平面下降形成的。

詹姆斯岛是加拉帕戈斯群岛中面积最大的火山岛屿。达尔文在詹姆斯岛上的火山沉积物中找到了曾经在圣杰戈岛上见过的化石，因此他对加拉帕戈斯群岛上所有与火山活动有关的事情都产生了浓厚的兴趣。在抵达詹姆斯岛之前的3周，他已经可以远远地看见那些直入云霄的火山锥了——样子有点儿像“伍尔弗汉普顿地区的炼钢炉”。达尔文猜测整个加拉帕戈斯群岛可能有2000座这种规模的火山锥，在4名留守人员等待“贝格尔号”的海滩附近就有两个巨大无比的火山口。达尔文猜测眼前这个海湾的形成应该与这两座火山过去的喷发有关，因此，可以说地球也是有生命的、运动的，正是地壳的运动造就了达尔文脚下的这片岛屿。

在花了两天时间研究詹姆斯岛上的火山岩海滩之后，达尔文意识到几乎不太可能在这座岛上找到类似圣杰戈岛高出海平面的化石层，于是他转而开始采集标本。除了为数不多的低矮灌木以外，岛上一片荒芜。在火山口附近也只找到了寥寥几个本地物种，甚至连昆虫的踪迹都难以寻觅。与此相反，岛上生活着大量陆龟，这些笨拙的家伙可以长到1米左右。达尔文错误地认为这些陆龟是由殖民者带到岛上的，而并非这里的土著生物，所以他对陆龟并没有产生多大兴趣。然而陆龟却成了岛上主要的食物来源，在“贝格尔号”寻找淡水的10天中，达尔文和其他3名留守人员几乎就是靠陆龟肉活下来的。

很快，达尔文一行4人开始向岛内挺进。他们沿一条小路徒步前进了8千米，来到海拔300多米的一处高地。在那里，达尔文一行遇到了一个西班牙捕鲸队，队员带他们去看火山口底部的堰塞湖。在那里，湖水析出“美丽的白色盐晶”，而在湖的周围生长着一大片多肉植物，显得郁郁葱葱。离开堰塞湖的时候，这一行人在灌木丛中意外地揭开了一桩历史谜案。他们发现了一位捕鲸船船长的头骨，他当年应当是被船员杀害的。两天后，哈雷彗星划过天空，达尔文在笔记中记下了这一天象，但他只写下了“彗星”二字，因为和地球上的事情相比，天上发生的事情对达尔文并没有那么大的吸引力。

达尔文曾经答应过导师亨斯洛和塞奇威克将自己找到的所有动植物标本带回去。对于他在加拉帕戈斯群岛的发现，这两位导师都表现出了极大的好奇。在刚刚抵达群岛的时候，南美洲的野生动物令达尔文着迷。在巴塔哥尼亚外海，一大群迁徙的蝴蝶绕着“贝格尔号”飞来飞去。由于蝴蝶的数量过多，一些船员甚至大声喊道：“天上正在下蝴蝶。”夜幕降临，达尔文在海面上见到了会发光的水母。有时“贝格尔号”会从这些水母的上方驶过，它们发出美丽而又明亮的光芒，仿佛来自那深邃静谧的海底。

达尔文在巴塔哥尼亚购买了一些骨骼化石，它们可能属于某些奇特的远古生物。其中一个头骨看上去像是巨型老鼠，它的实际尺寸比达尔文能想象到的所有老鼠都要大许多。他还买下了一种看上去像骆驼的大型动物骨骼化石，这些标本让达尔文联想到一定是某种地壳变化导致了这些动物的灭绝。达尔文还思忖了布丰《自然史》中有关美洲野生动物弱小且毫无生机的观点，他在笔记中写道：“如果布丰能亲眼见到这些化石的话，他肯定会放弃他的想法。”

达尔文发现在詹姆斯岛[1]上远离火山的地方其实充满了生机。在这些地方，他采集了能够采集到的所有植物标本，但是对于动物标本来说，他只能带走那些他认为最有意思的。这是因为他需要自己制作动物的剥制标本，在标本制作完毕之前，他不得不将这些动物的尸体堆在自己船上的房间里。岛上的鸟类众多，因此在达尔文收集的标本中鸟类占了多数。由于岛上的鸟儿并不熟悉人类，因此捉到它们简直轻而易举。达尔文就曾经接近过一只鹰，当时他们之间的距离只不过相当于一支枪的长度。

达尔文几乎走遍了加拉帕戈斯群岛的每寸土地。他发现有一种鸟十分常见[2]，在日记中达尔文把这些鸟称为“丹卡”。“丹卡”是西班牙语中知更鸟的叫法，他原以为这些鸟就是他之前在南美洲本土见过的知更鸟。在抵达詹姆斯岛的时候，达尔文就对这些鸟儿产生了浓厚的兴趣。两周前“贝格尔号”在查尔斯岛殖民地监狱停留时，那里的犯人曾经提到加拉帕戈斯群岛不同岛屿上的陆龟种类各不相同，通过辨认龟壳就可以区分它们。不仅如此，副监狱长还曾说他靠辨别龟壳就可以知道自己在哪座岛屿上，但达尔文对这种说法不以为然。在詹姆斯岛上，达尔文有许多机会近距离观察陆龟，但它们似乎与之前见过的陆龟没什么区别。但是当达尔文开始注意到那些鸟儿形态上的细微差别时，顿时想起了此前在查尔斯岛上的对话。他发现不同岛上鸟喙的大小似乎存在显著的差异，不仅如此，就连喙的形状甚至也各有不同，从尖细的到圆钝下弯的应有尽有。从登上詹姆斯岛的一刻，达尔文就开始对这些鸟儿的栖息地做详尽的记录。

当时达尔文已经读完了《地质学原理》第二卷的内容，这是亨斯洛在达尔文抵达乌拉圭时送给他的。这套书的作者莱尔从前是位律师，因此他在第二卷中用自己十分擅长的辩术对拉马克的进化论进行了彻底的反驳。透过地质学，莱尔看到了一股强大的改变力，但这种力量在地球上的动植物中并不存在。拉马克认为化石记录反映了物种是可以随时间的推移发生改变的，莱尔则认为拉马克实际上看到的是旧物种灭绝和新物种诞生的过程——上帝会不断地创造新的、更高级的物种。这些新物种刚好解释了化石记录中看似十分突然的变化：一个物种的灭绝与另一个物种的诞生之间并没有自然的联系，每个新物种的出现都是一个奇迹。

尽管达尔文的态度十分谨慎，但他与莱尔在物种演化方面的观点在离开加拉帕戈斯群岛之前就已经分道扬镳。通过对鸟喙的观察，达尔文开始注意到一些支持物种渐变的证据，而渐变的原因恰恰是莱尔提出的物种对不断变化的环境的适应，虽然彼时的达尔文对这个观点并没有十足的把握。虽然鸟儿的形态存在巨大的差异，但在达尔文看来它们是从同一物种演化而来的。他在自己的鸟类学日志中这样写道：如果这些鸟类确实不是同一物种的变种而代表了不同的物种，“这一事实就会削弱物种稳定性”。生活在相邻岛屿上的鸟儿彼此的形态惊人地相似，这并非偶然，而是证明它们都是从同一祖先演化来的。后来，达尔文在工作中开始关注演化的过程，不仅包括莱尔提出的地质变化过程，还包括生命本身的变化过程。在加拉帕戈斯群岛上，达尔文写下了这样一段话：“这次航行似乎让我们很接近一个伟大的事实——各种神秘现象的秘密，也就是地球上物种诞生的过程。”19年后达尔文解释了当初这句话的含义。

离开加拉帕戈斯群岛之后，“贝格尔号”开始了它最后一年的环球航行。它向西穿越太平洋并绕过好望角，最终于1836年10月返回英国的法尔茅斯港。报纸上有关这次环球考察的新闻从未间断，以至于当达尔文回到英国时发现自己在国内早已家喻户晓。在过去5年的时间里，达尔文与亨斯洛之间的通信从未间断。他在旅行期间对地质现象的观察极大地震惊了亨斯洛，亨斯洛甚至把这些观察笔记集结成册分享给其他的博物学家。莱尔就是其中一位收到观察笔记的博物学家。达尔文自称是莱尔的“弟子”，莱尔更是迫不及待地想见到这位年轻的学者。

在回到英国后不久，达尔文就前往莱尔位于伦敦的寓所中共进晚餐。他们一见如故，并成为了一生的朋友。达尔文兴致勃勃地讲述了他在旅途中经历地震的经过，莱尔则全神贯注地聆听，还提出要在未来着重培养这位年轻人。莱尔建议达尔文待在伦敦，这样他就可以近距离地向各位专家讨教一路上的所见所闻。一天，莱尔邀请了一位年轻的专家与达尔文一起共进晚餐，这位专家就是解剖学家理查德·欧文，即4年后创造“恐龙”（或“恐怖的蜥蜴”）一词的那个年轻人。那天晚上临走前，作为英国地质学会主席的莱尔给了达尔文一个忠告：抓紧时间成为某个学术团体的领军人物。这个忠告似乎说得有点儿早，但莱尔坚信达尔文前途无量。

莱尔与达尔文几乎形影不离，有一段时间他俩几乎天天见面。莱尔竭尽所能帮助这位新门徒，达尔文获得的各个学术团体的会员头衔也接踵而至，包括英国皇家学会、皇家地理学会以及莱尔负责的英国地质学会。达尔文同时还得到了皇室基金，资助其将环球旅行中的所见所闻作为由菲茨罗伊主编的回忆录中的一卷公开出版。

达尔文开始按时间顺序整理自己的科考日志。为了给在巴塔哥尼亚购买的化石分类，他请求理查德·欧文协助完成这项工作。没过多久，数箱化石就运抵了欧文所在的皇家外科学院，达尔文只能猜测这些古怪的化石最终会被鉴定为哪种动物。欧文很快就告知达尔文这些化石包括一些巨型羊驼的骨骼碎片以及一件和河马体型相仿的巨型啮齿动物的头骨。在一次展览中，莱尔站在地质学会的摊位前骄傲地展示达尔文的发现，并把该展览称为“达尔文的动物展”。莱尔认为这些化石证实了有趣的“演化规律”，借助这一规律，上帝按照某种地理顺序依次创造地球上的生命。尽管各种生命在形态和结构上高度地相似，但是每种生命仍旧是独一无二的，即与它们的祖先类型毫不相干。

然而，达尔文开始怀疑这些动物仅仅代表了同一谱系中的不同分支，它们之间可能存在祖裔关系。虽然这些仅仅是推测，但直觉告诉他巨型羊驼化石至少应该是现生羊驼的近亲，它们之间应该存在着某种联系，在我们完全理解自然法则之后应该能够找到答案。事实上，把生物之间的差异简单地看作造物主的功劳是远远不够的。欧文自己就是位忠实的活力论人士，坚信所有生物都有一个内在的“组织能量”可以调控包括生长和衰老在内的各种生命过程。和莱尔一样，欧文也是个保守的宗教信徒，因此他对演化的概念同样持反对态度，但是最终他们都改变了看法。一开始欧文对演化持不同的意见，他甚至还曾抨击达尔文没有重视进化论对生命起源的影响。

1838年5月，菲茨罗伊的四卷本《两舰航行记》问世[3]。这套丛书的前两卷是船长菲茨罗伊对“贝格尔号”环球航行的回忆录，在斯托克斯的要求下，“贝格尔号”首次航行的经过也被包含其中。最后一卷是内容详实的附录，而第三卷则是达尔文的科学考察日志。这一卷很快就受到热捧，读者对它的喜爱也远超其他三卷。很快，这部分内容就独立成册出版发行，书名也变成了《英国皇家军舰贝格尔号所到达的各地区的地质历史与自然历史的考察日记》，就是人们后来所说的《贝格尔号航行日记》。

有关加拉帕戈斯群岛的内容只占达尔文著作很小的篇幅，但却具有十分重要的历史意义。其中最吸引人的莫过于达尔文对“地雀”的一段描述性文字：“可以想象，岛上最初为数不多的鸟类中的一种不断演化并最终形成了完全不同的物种。”哪怕只是谨慎地瞥一眼达尔文对物种不变观点的怀疑，都足以令人感到激动。

与化石相比，鉴定达尔文采集的动物标本的过程更加漫长。达尔文一共采集了80件哺乳动物标本和450件鸟类标本，全部转交给了伦敦动物学会。尽管该学会在繁华的伦敦西区新建了博物馆，但对接受这批标本并没有表现出多大的兴趣，办理交接手续的过程也是一拖再拖。这是因为当时的伦敦动物学会正在经历一场噩梦：学会张贴告示准备举办展览，因此每天都会收到来自世界各地的猎人和博物学家寄来的大量动物标本。由于展览之前需要对所有的标本张贴标签、系统描述并进行分类整理和保存，学会对此根本无力应对。最终，达尔文的标本被送到了学会首席标本剥制师约翰·古尔德的手上。古尔德以前自学过园艺，后来通过制作动物标本这门手艺当上了伦敦动物学会首任馆长兼标本管理员。他还擅长绘画，曾撰写并绘制了多本有关鸟类的畅销书。

达尔文在加拉帕戈斯群岛采集的小型鸟类标本同样引起了古尔德的兴趣，他认为这些标本代表了13个不同种类的地雀[4]和3种知更鸟，并且每种鸟儿只生活在加拉帕戈斯群岛特定的岛屿上。每个岛屿上的食物各不相同，造成了取食不同食物的鸟儿的喙出现了明显的分异，一些鸟儿演化出适合啄食仙人掌种子的喙，而另一些则适合啄食昆虫。达尔文最终找到了自己期待许久的答案。和采集的化石相比，演化的证据更令他震惊，他确定这些鸟儿存在血缘关系，它们有着共同的祖先。某个时候，一种地雀最早来到了加拉帕戈斯群岛，此后逐渐演化出13个种，它们的喙适应了各自的环境，但这是如何实现的？达尔文的哥哥伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文的好友曾经推荐给他一篇政治经济学文章，而达尔文就在这最不可能的地方偶然间发现了线索。

伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文不仅是位思想自由的废奴主义者，还是一位诗人。他体态臃肿，但乐于助人，而且慷慨无私。在许多方面，他就是其祖父的翻版。尽管在很多政治和宗教问题上伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文和弟弟持相似的观点，但他表现得更为大胆。和祖父一样，伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文也愿意体面地与上流社会保持着接触。虽然也是位外科医生，但他自己患有的慢性疾病时而发作，后来这种疾病也困扰着弟弟达尔文[5]。父亲担心伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文的医生职业对身体和精神都会造成严重负担，建议他提前退休。在达尔文结束了环球旅行返回英国时，伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文听从了父亲的建议放弃了他的医学事业，那一年他还不到30岁。

虽然放弃了事业，但伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文在上流社会及辉格党的政治圈中仍占有一席之地。金钱对他而言并不是问题，因为外祖父乔赛亚·韦奇伍德通过成功地经营家族产业积累了巨额财富，他和达尔文有大笔的家产可供支配。尽管伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文终身未娶，同时还是位瘾君子，但他同许多思想自由的女性都有过风流韵事，其中还包括激进的政治经济学家哈里特·马蒂诺。在很长一段时间里，人们都误以为马蒂诺就是《自然创造史的痕迹》背后的始作俑者。伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文与马蒂诺保持了很久的情人关系并结下了终身友谊。可能是父亲对伊拉斯谟斯·阿尔凡·达尔文与心直口快、摩登前卫的马蒂诺结婚有所忌惮，达尔文被要求密切留意哥哥的一举一动。在随后的日子里，即使算不上朋友，达尔文也算是马蒂诺的一位老熟人了。

马蒂诺是知名学者兼牧师托马斯·马尔萨斯的得意门生，曾经担任过英国东印度公司的经济官。马尔萨斯曾提出人口的不断增长势必会加剧贫困，因为劳动力过剩会造成用工成本的大幅削减。在谋求生存的过程中，弱势群体以及贫苦的百姓被淘汰，这就是人类社会的自然状态。在马尔萨斯看来，饥饿、疾病、战争甚至杀戮婴儿都是应对微妙经济平衡的自然选择。这些主张让马尔萨斯成为当时最具影响力的经济学家，甚至还引发了一场改革运动，最终强化了英国的《济贫法》。这部法律为济贫院里最贫穷的民众建立了一套生活保障体系。

马尔萨斯最具开创性的著作名为《人口原理》。在从马蒂诺那里了解了许多有关马尔萨斯的情况后，达尔文在1838年年末终于读到了这本书。马尔萨斯在人类社会中观察到的生存竞争与达尔文在自然界中观察到的并无区别，这让达尔文茅塞顿开。随后他在自传中这样写道：“在这种情况下，有利的变异得以保留，而有害的变异则遭到淘汰，这让我惊讶不已。这种选择的结果就是产生了新物种，这让我终于找到了支持（物种演化）的理论。”在笔记中，达尔文开始重新审视以前令其祖父着迷的那些演化理论。当他把马尔萨斯的人口原理应用到自然界中的时候，他最终找到了生物演化的基本原理。而这一原理是此前所有演化理论均未涉及的，即生物产生的变异是自然选择的结果[6]。

在达尔文生活的时代，大多数人甚至是绝大多数科学家都相信从上帝创造万物的那天起，生命几乎没有发生过变化。约瑟夫·普利斯特里并不是虔诚的基督教信徒，但在一本讲述自然发生论的书中，他对传统的观点进行了这样的总结：“在《圣经·旧约》的《约伯记》中描述的动植物与现在的没有区别，荷马时期的狗、驴以及狮子和现在的也都一样。尽管世界在向前发展，但我们并没有在植物和动物身上看到变化。”

在19世纪初，常被叫作演变论或生物变化论的进化理论正逐渐成为人们接受的科学知识。达尔文对这一理论的基本概念并不陌生，因为他的祖父很早就认为生物体通过持续不断的缓慢演化最终变成全新的物种。然而多年来残酷的宗教批判让他的祖父在有关进化理论的问题上保持沉默。直到达尔文开始涉足这一领域，一位名叫罗伯特·格兰特的生物学家才开始在苏格兰的大学课程中介绍这一理论的大部分内容。

在来到剑桥大学之前，达尔文和哥哥都曾在爱丁堡大学医学院学习。爱丁堡大学医学院是当时英国最知名的医学院，达尔文兄弟在那里一起攻读博士学位，而格兰特则把达尔文收到自己的门下。爱丁堡大学以思想激进著称，而作为亲法人士的格兰特正是这样一所大学里思想最为激进的一名教授，他自称反对宗教和传统，也有人说他是同性恋者。

格兰特给达尔文的第一印象是既固执又冷漠。然而，达尔文很快知道他并不是这样的人。事实上格兰特热情友好，充满激情，富有感染力，在探讨他感兴趣的科学问题特别是有关显微镜方面的问题时甚至表现出了极度的兴奋。他和达尔文经常在离家不远的北海海滩散步，他们一起捡拾海参、藻苔虫以及被他们称为“死人手指”的墨绿色海藻。格兰特对于自然的迷恋开始感染达尔文。

直言不讳的格兰特成为当时英国国内最支持进化论的人士之一。和其他的专业人士相比，格兰特和达尔文祖父这样的专业外科医生对进化论的接受程度最高，这主要因为他们在从医之前通常需要花费数年的时间研究骨头和重要器官的结构和功能。尽管物种在外部形态上千差万别，但内部结构往往具有许多共性。比如，老鼠前肢的骨骼与人手臂的骨骼惊人地相似，而鸟类翅膀的骨骼也与海豚鳍的骨骼相差无几。把不同门类脊椎动物的骨骼放在一起就能看出它们之间的关系，进化链条中的每个物种与亲缘关系最近的物种之间仅存在细微的差别，重要器官结构的相似性甚至可以反映出物种间的相似度。比如，熊的心脏与牛的心脏的差别不大。这就是生命长期连续演化的证据，所有的生命都是从简单的小型有机体演化为复杂的大型有机体的。

格兰特心目中的智慧英雄是法国人让·巴普蒂斯特·拉马克。拉马克曾是一名军人，后来成为了植物学家。他是第一位提出综合进化理论的学者，相比之下其他学者提出的理论或多或少都存在一些不完善性。一些古希腊自然哲学家早就提出过进化论的核心观点，但拉马克想到了一种理论来解释这个过程。这就是获得性遗传，即一切生物在一生中都具有将自身特征遗传给后代的属性。比如，亲代跑步速度的加快会使子代跑得更快，亲代能够举起重物，子代也会更加强壮。这些变化的自然过程都可以追溯到组成生命的最基本成分的自然发生过程，拉马克将这些成分称为“单孢体”。拉马克认为自然发生是一个连续的过程，通过自然发生演化出的新物种不断取代已灭绝的物种。总有一天达尔文会看到“生命之树”，而拉马克则把每一根“树枝”的出现视作一个新物种的形成——连续的自然发生过程不断孕育出新的“树枝”并取代已经灭绝的“树枝”。因此，拉马克认为生物体的结构越复杂演化的时间就越长（比如人类），而结构越简单演化的时间就越短（比如原生动物）。

达尔文在爱丁堡大学的学习提前中断了，他作为格兰特学生的身份也就此终结。故事开始出现在了校园里的各种印刷品上，一位讲师认为意识只不过是大脑自然进化的一个功能，因此根本就不存在灵魂。这一观点随后引发了众怒。在听说了发生在爱丁堡大学的事情后，达尔文的父亲决定为他的小儿子选择另一条人生道路，让他成为一名神职人员。在此之后，父亲在思想相对保守的剑桥大学为达尔文的新生活铺好了道路，这里的教授在生命本质方面持有的观点与格兰特教授相比更加保守。

尽管剑桥大学相对爱丁堡大学要保守许多，但对于现代科学来说，那里并不是保守主义的天堂。作为核心课程的一部分，达尔文需要精读副主教威廉·佩利的著作。佩利认为生命对自然环境的高度适应足以证明上帝的存在，上帝并非十分忙碌，也并非总是通过创造奇迹干预生命，而是一位伟大的宇宙设计师。和伏尔泰一样，佩利也喜欢使用类比的方法论述问题，他曾在著作中这样写道：“有钟表就一定有钟表匠，一定有钟表匠在某个时间某个地点为了某种目的制造了钟表，而他们也一定理解钟表的构造，并且设计了钟表的用途，而这正是我们要找的答案。”当时不少有身份的科学家都支持佩利的观点，达尔文在剑桥大学时的导师塞奇威克、亨斯洛以及其他教授也都在宣传佩利的观点。达尔文本人在阅读佩利撰写的《自然神学》一书时也曾写道：“我对该书的内容着迷并深信不疑。”

毕业时，达尔文对父亲建议他做乡村牧师的想法产生了兴趣，他憧憬管理一神论教徒的悠闲生活，因为这会让他有充足的时间追求自然主义并进行创作。然而当达尔文乘坐“贝格尔号”环球旅行时，他开始为面对自然界残酷的现实感到不安，以前渴望成为乡村牧师的想法也发生了动摇。达尔文的妹妹从他的家书中大致猜出了这一点。在一封祝贺达尔文回到法尔茅斯的信中，妹妹这样写道：“恐怕你不会再想去教堂工作了。”

“贝格尔号”环球航行归来后，达尔文确实发生了不小的变化，但没有变的是他依然渴望得到知名学术团体的认可。现在他没有时间与蛊惑人心而又毫无信仰的格兰特混在一起，因此一回到英国，他就把格兰特的建议抛之脑后，继续支持亨斯洛和塞奇威克的观点。达尔文想要得到稳定的生活和名誉，因此，1839年他与自孩提时代就认识的表姐爱玛·韦奇伍德结婚，并最终在肯特郡的道恩定居。达尔文发现自己喜欢英国乡村的恬静生活，其实他曾幻想的乡村牧师生活也不过如此，只是如今不需要管理一神论教徒了。

宗教仍旧是达尔文与爱玛生活中微妙的主题。尽管爱玛所坚持的一神论与诵读《圣经》并没有直接的关系，但她的宗教信仰十分虔诚。在决定与爱玛结婚的时候，达尔文就已经开始怀疑上帝是否真的存在。在求婚前，他就曾坦诚地告诉爱玛自己越来越相信物种变化的观点。实际上，第一个知道达尔文异教观点的人也是爱玛。尽管她在回信中表达了对达尔文科学探索可能引起的质疑的担心以及对宗教在他们之间造成空虚感的忧虑，但她最终还是答应了达尔文的求婚，而事实后来证明他们的婚姻是美满幸福的。

随着时间的推移，达尔文需要越来越多地面对科学探索带来的影响。在他的10个子女中有3个夭折（因为遗传疾病），这让他更加怀疑（上帝是否真的存在）。直到晚年，达尔文终于明白神圣的造物主只不过是个空洞的概念，其实生命并没有遵循某种预设的程序，造物主存在的说法本身就是荒诞可笑的。达尔文从不自诩为无神论者，也并不觉得自己与激进的无神论者之间存在某种密切的关系。虽然那些激进的无神论者十分支持进化论，但达尔文最终还是自诩为不可知论者。科学的信仰虽然在一定程度上对生活造成了阻碍，但他与爱玛的感情却始终如一。在公众场合，达尔文还是不愿触碰有关宗教的话题。

在道恩定居之后，达尔文开始着手准备一个全新的演化理论。这个新理论认为驱动物种变化的原因是自然选择，而非拉马克提出的获得性遗传。他把自己有关这个理论的想法写成文章，但多年来这些想法都只有他自己看过。全部完成之后，达尔文把手稿封存在信封中交给妻子，嘱咐她万一自己离世就委托他人将其出版。

1844年，钱伯斯的《自然创造史的痕迹》出版，这让达尔文既兴奋又恐慌。在达尔文看来，此书的内容一般。不出他所料，书中介绍了物种演化的历史。这本书十分畅销，说明大众渴望了解有关自然界的新观点，即使这些观点表达了对传统与宗教情感的藐视。

直到这时，达尔文才向莱尔和欧文等几位密友表达了自己越来越多地倾向于支持物种演化的态度，而朋友们也逐渐开始认可达尔文的地位。他还把自己长达230页的手稿交给另一位密友、年轻的植物学家约瑟夫·胡克阅读。后来，胡克不仅成为了达尔文最亲密的朋友，也成为了能和他的思想产生共鸣的可信赖之人。

达尔文开始为他的进化论巨著布局谋篇，并打算以《自然选择》作为书名。钱伯斯著作销售的火爆让达尔文意识到自己的书出版后也很可能畅销。虽然先师塞奇威克对《自然创造史的痕迹》的批判最为猛烈，但是达尔文却对这本书所遭受的非议持谨慎态度。塞奇威克似乎已经察觉到了达尔文的变化并开始疏远他。由于塞奇威克这样的学者正是达尔文希望培养的，所以他的态度让达尔文感到担心。达尔文对边缘科学并不感兴趣，因此他只能向格兰特这样的激进科学家宣传他的思想。这让他更加坚定地认为应该用详尽的研究成果武装自己的理论，进而使结论面面俱到无懈可击。

但是达尔文的这项研究进展十分缓慢，他花了10多年的时间收集资料，同时整理出能够支持其理论的证据。他先是撰写了一篇有关藤壶的内容详实的研究报告，后来又开始饲养鸽子，以期找到有关物种进化的更多线索和证据。

随着研究的不断推进，达尔文的进化理论也在蓬勃发展。这时胡克开始担心一个问题，即地球上最早的生命（胡克称其为“生命力”）究竟来自哪里。随着《自然创造史的痕迹》的问世，生命起源话题在各大报纸上屡见不鲜。科学领域中以罗伯特·格兰特为代表的一些学者继续猛烈抨击着《圣经》中的神创论观点。而对于胡克而言，地球上最早的生命如何出现则是要回答的终极问题，它们究竟是造物主的杰作还是和其他演化要素一样的自然过程？对于这个问题的答案，莱尔同样也感到痛苦。如果达尔文所言属实，那么人类就将失去所谓的“高贵地位”。

达尔文不屑于挑战根深蒂固的传统观念，但是能够解释生命起源的证据又明显不足。在这种情况下，任何想要回答生命起源这个终极问题的尝试都会威胁到达尔文为自然选择学说构建起的严密逻辑。由于拥护非传统的改革，宗教影响折磨着达尔文。他害怕被人们视为“邪恶的牧师”，这是福音传道者罗伯特·泰勒的别称。泰勒曾是位牧师，过去经常在剑桥附近发表激烈的街头演说。达尔文对所有可能影响他的理论或阻碍其理论得到接受的事情都十分小心。

撰写这样一部重要而又富有争议的著作需要承受很大的压力，这对达尔文的身体产生了很严重的影响，他甚至将对进化论的认同比作“承认谋杀”。可能是因为承受了巨大的精神压力，达尔文的身体每况愈下。自“贝格尔号”航行期间开始出现的心悸和胸痛症状愈发频繁地发作，这让达尔文开始担心死亡可能会过早地降临。不仅如此，他还患有慢性胃病，他自认为是“胃易激综合征”。医生总是建议达尔文不要过度劳累，这使他的生活变得更加与世隔绝。达尔文在自传中写道：“我才开始接触社会，但社会带来的刺激、剧烈的思想冲击以及令人作呕的攻击总是摧残着我的身体。”

研究虽然还在继续，但速度依然十分缓慢。然而就在1858年6月，达尔文收到一封从东印度群岛特尔纳特岛寄来的邮件，里面是年轻的博物学家阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士撰写的一篇论文手稿。令达尔文感到吃惊的是，这篇手稿的观点与达尔文10多年前秘密写下的有关自然选择的观点相差无几。

华莱士在各个方面取得的成绩几乎都是凭借他自己的个人能力。他不仅做过木匠、检验员和教师，而且还坚持在公共图书馆自学。后来，他开始追随他心目中的英雄——亚历山大·冯·洪堡以及达尔文等博物学家的脚步环球旅行。独自环球旅行本身就是个壮举，他受到纽约作家威廉姆·亨利·爱德华兹撰写的畅销回忆录《亚马孙河航行记》的启发，把环球旅行的第一站选在巴西。一路上，华莱士通过向英国有钱的收藏家和博物馆兜售自己采集的标本换取盘缠。在返程途中，他还躲过了船上的火灾，乘坐救生艇在海上漂泊了10多天。后来，印度尼西亚成为了华莱士环球旅行的第二站，在那里他为达尔文收集了许多重要的标本。

《自然创造史的痕迹》让华莱士第一次接触到了演化思想，这本书对他的影响十分深远。后来他在亚马孙河流域亲自观察并记录了蝴蝶的形态差异，这与达尔文在加拉帕戈斯群岛观察到的地雀喙的形态差异十分相似。和达尔文一样，华莱士也读了马尔萨斯有关人口理论的重要著作，并且也将大自然中的生存竞争同马尔萨斯的社会学观点联系在一起。在将自己的观点整理成文后，华莱士把论文手稿寄给达尔文。他认为达尔文能够理解自己的观点，也更希望能得到他的认可。

达尔文十分震惊，他赶紧致信莱尔和胡克。这两位学者多年来一直提醒达尔文早日将自己的观点公之于众，免得别人抢先发表自己的成果。在这种局面下，莱尔和胡克帮达尔文想出了一个解决办法，两周后他们在林奈学会宣布达尔文和华莱士同时提出了这一观点。但两周之后，与会者几乎没有注意到会上公布的这一结果。华莱士在3个月后才得知这个消息，尽管他已别无选择，但还是欣然接受了这个事实。

尽管达尔文的第三个孩子查尔斯刚刚夭折，但他还是在很短的时间内完成了自己的著作。他先是用了13个月的时间撰写这部著作的核心内容，并取了个新书名《通过自然选择的物种起源》。在随后的版本中，这个书名简化为《物种起源》。尽管该书十分畅销，但是从未超越《自然创造史的痕迹》创造的销售记录，《自然创造史的痕迹》一书再版的时间长达15年。

从历史的角度看，《物种起源》或许是当时已出版的科学著作中最具影响力的一部。与达尔文撰写“贝格尔号”航行经历时平实的语言风格相似，他的儿子后来评价该书“内容简明，近乎质朴”，但这种风格弱化了新理论的影响。这部著作在许多方面都具有相当强的说服力，但用达尔文自己的话来说它其实是一部长篇论述——用莱尔《地质学原理》的风格将环环相扣的事实证据以律师激辩的口吻展现出来。达尔文预见到了可能出现反对的声音，但在大量证据面前，这些声音根本无法深入人心。

1859年11月24日这一天，达尔文有关生命演化史的论述最终拨云见日。在达尔文看来，所有物种都是通过自然选择形成的，神圣的造物主其实并不存在。相反，自然界时时刻刻都在审视着每个物种的变异，哪怕是最微小的变异；最终将有利的变异保留下来，而不利的变异最终将被淘汰。大自然就是通过这样的方式悄无声息地运转，不断改变着生命与它们赖以生存的有机和无机环境之间的关系。

《物种起源》自出版之日起就引发了公众强烈的反响。达尔文家陆续收到大量来信，其中绝大部分是批评，但也有许多对达尔文的观点表示支持。其中一封信来自小说家查尔斯·金斯利。金斯利是英格兰一所教堂的牧师，这本书不仅让他犹生敬畏之情，而且在给达尔文的信中他还表示：“如果你是对的话，那么我必须摒弃我所信仰的大部分教义。”达尔文观点的影响力正蔓延至整个科学界，他的理性而客观的进化论开始取代激进而又骇人听闻的拉马克主义。

达尔文只是在全书的结尾处才提及曾经令胡克头疼的“生命力”。即便如此，有关生命起源的问题也几乎被视作以后要考虑的事情。在书中，达尔文这样写道：“当这颗行星按照既定的引力法则永无止息地运转时，仅仅凭借起初赋予几种或一种生命形式的有限的能力，它上面的生命竟从如此简单的开端演化出了无数奇妙无比、美丽至极的类型，并且还将继续演化下去。生命如是，何等壮丽恢弘。”在翌年问世的第二版中，达尔文将“生命起初仅以几种或一种形式出现”改为“生命及其蕴含的能力最初只是被造物主注入到寥寥几个或一个类型中”。

在《物种起源》中，达尔文没有深入探究生命起源的概念是基于一定的需要。这部著作是在仔细观察的基础上撰写的，因此达尔文是在巧妙地引导读者像批评《自然创造史的痕迹》一样批评自己的著作。《物种起源》并非纯理论著作，达尔文也意识到他本人有关生命起源问题的最终答案也不过如此。在第二版中增加“造物主”这3个字平息了他在宗教界遭受的非议，但他可能后悔做出这样的调整，因此这几个字在第三版及以后的版本中没有再出现过。

1882年的一幅漫画展现了达尔文主义的内涵

达尔文对生命起源问题的回答令科学界的许多有识之士感到失望，这其中也包括他身边的一些朋友。在达尔文的理论中，这些人和宗教思想批评家都读出了相同的含义，即生命完全是由大自然创造的，仅此而已。甚至在《物种起源》的所有版本中都未明确提及“造物主”这3个字，而生命是通过吹入某种物质而产生的说法也只不过是暗渡陈仓。这种说法并非在科学上过分严谨，而实际上是一种懦弱的表现。

理查德·欧文就是这些批评家中的一位。如果要用生动的案例评述《物种起源》将进化论引入主流科学的贡献，那么欧文就是写照。欧文不仅保守，而且对宗教十分虔诚。他不仅揶揄过拉马克的进化学说，在《物种起源》出版后的几年间也曾奚落过包括达尔文在内的进化论学者并不是扬名立万的人物。

1863年，欧文在伦敦最重要的文学杂志《雅典娜神庙》上发表了一篇书评。从表面上看，欧文评论的是有关微生物自然发生的著作，但实际上他是在借这篇书评抨击达尔文的理论。虽然欧文没有在这篇书评中署名，但袭常缀琐的文风和尖刻的观点让达尔文立刻认出了他的这位老朋友。

欧文在书评中批评达尔文忽略了微生物能够在泥土中自然发生的证据，在他看来，这些内容本可以让《物种起源》更加完整地解释生命是如何起源的。他还批评《物种起源》中“生命是被神秘地注入到第一个有机体中”的观点，嘲笑达尔文用《圣经》中曾经广泛使用的言语描述最早的生命。欧文所说的《圣经》借指《旧约全书》的前五本，又称为《五经》。3年后欧文在他的著作《论脊椎动物解剖学》中又补充道：“自然发生论与物种演变紧密相关。相信其一就是对另一个观点的默认，因为它们都是建立在亘古不变的自然法则之上的。”[7]

达尔文异常愤怒。在《雅典娜神庙》刊登的一封写给编辑的信中，达尔文质问道：“在没有任何有机物存在的情况下，这些元素仅靠已知的自然力就能孕育出生命，这样的说法是否能被一些事实或者哪怕是可能存在的事实加以证实？”但是当说到应该选择什么词语描述最早的生命时，达尔文满怀歉意地表示：“或许我本不该在纯粹的科学研究中使用这样的术语，但这样使用恰恰表明我们还十分无知。”

其实早在欧文的书评发表之前，达尔文就曾对自己的用词感到后悔。在给胡克的信中，他写道：“我十分后悔自己屈从了大众观点使用《五经》中的‘创生’一词来描述生命的起源过程，实际上我是想说生命是被某种完全未知的过程创造的。”与此同时，达尔文有关生命起源的观点也得到了进一步完善。

10多年后，达尔文已然是声名显赫的科学家。他开始进一步推测这个完全未知的过程，甚至更加倾向于有机体是从无机环境中自然发生的观点。和之前一样，达尔文在写给胡克的信中表达了自己的想法，其中写于1871年的一封信不得不提。在这封信中他思考了孕育最早的生命可能需要的条件，可能会是一些“温暖的小池塘，里面含有各种氨的化合物、磷酸盐以及通过化学途径自然形成的蛋白质。在光和闪电的作用下，这些物质能发生复杂的变化。”毫无疑问，这是一个十分惊人的有关生命起源的现代理论，百年后人们依然觉得这个推测相当合理。

达尔文甚至怀疑这样的自然发生过程依然存在于高度发展的现代地球上，但问题就在于他自己提出的自然选择理论。根据定义，地球上最早的生命形式应该仅能勉强维持生存。达尔文写道：“如今这样的生命形式可能会被其他生物迅速吃掉或分解掉，而这种情况在高等生命出现之前是不可能存在的。”随着时光的流逝，达尔文愈发相信自然发生过程依然存在于现代地球的观点。尽管这样的推测能够在实验室中重演，但是一些达尔文主义者甚至确信进化论中这片尚未开垦的“处女地”（即“生命力”）终有一天会被人们找到。

由于没有在书中感谢前辈们在进化论发展中起到的作用，达尔文在《物种起源》出版不久就饱受非议。实际上，他在这部著作刚刚出版之时就意识到了错误。于是他赶紧列出那些本该鸣谢的人名，一共有10人，包括他的祖父伊拉斯谟斯·达尔文、拉马克、华莱士，甚至还包括亚里士多德。但亚里士多德应该是达尔文误写上去的，他误以为亚里士多德所转述的观点是所有希腊人的观点，然而亚里士多德实际上并不认同这些观点。

如今，进化论观点是否由达尔文提出已经不再重要，因为他的名字实际上早已经成为进化论的代名词。可能除了爱因斯坦之外，再没有人像达尔文对待进化论一样如此投入地探索一个科学理论。当然，除了爱因斯坦之外也几乎没人如此声名显赫。然而对于相对论来说，除了众所周知的那个著名公式E=mc2以外，也几乎没有人真正理解这个理论的精髓。与之相比，进化论可能更容易讲得明白。

达尔文改变了我们看待生命的方式。如果考虑改变程度的话，达尔文的确是在很短的时间内做到了这一点。我们对大自然的认识能够发生如此迅速的改变，一方面得益于自由的英国为新理论诞生所奠定的社会基础，另一方面也因为生命科学整体的发展趋于成熟，支持进化论的证据层出不穷。但是最适合解释进化论的人莫过于达尔文，他的性格既谨慎又犹豫，甚至一些进化论的支持者认为他有些懦弱。但他的这些性格在说服持怀疑态度的公众和科学家时却十分奏效。事实上，达尔文既不想太出名，也不想出名太快。

试想，如果当时华莱士没有将自己的论文先寄给达尔文，华莱士或许会是那个最先提出自然选择的人，并因此在科学殿堂中取代达尔文后来的位置，虽然华莱士可能并不适合这个角色。然而，那位才华横溢的科学家兼作家却是达尔文，他能够接触到当时世界上最强大最具影响力的英国知名学术机构和学者。而华莱士只不过是个无名小辈，在科学界既没有位置重要的朋友，在大学中也没有关系，甚至未曾取得过大学文凭。华莱士晚年还曾戏谑唯心论和催眠术不光彩的一面。如果华莱士成为那个自然选择学说的提出者的话，或许人们对进化论基本原则的接受速度会更慢一些。

然而华莱士或许更有胆识，他从一开始就更愿意涉足诸如人类起源于猩猩这样的棘手问题。从《物种起源》出版的那天起，无论是批判达尔文的人还是支持其观点的绝大多数学者都意识到了这部著作在物种演化方面的巨大影响力。而有关人类起源的问题更是困扰了达尔文13年的时间，最终他在《人类的由来》一书中给出了完整的答案。

在公开场合，虽然达尔文也不回避这个问题，但他从未刻意把这个问题与生命起源的问题联系在一起。尽管他不太情愿面对眼前的问题，但他产生的影响却是深刻的。在进化论模型提出之前，所有这些甚至都不构成问题，人们问过第一只猴子从哪里来，也问过第一条鲨鱼从哪里来。从希腊人到布丰，无数先哲都曾试图回答各个物种的来源，但从未有人触碰过第一个物种是如何诞生的这个问题。以霍尔巴赫为代表的笃信自然发生论的人们坚持认为，大象的胚胎甚至人类的胚胎可能都是由非有机体自然孕育的。在达尔文时代依然有不少科学家坚持这一观点，从本质上讲拉马克主义就是这种观点的衍生品。但在进化论提出之后，这个问题变得具体了，从对每个物种起源问题的回答转变为对那个所有生命都与之相关联的最初生命形式起源的探索，那些曾经思考各个物种是如何诞生的人们如今应当思考所有物种的共同祖先究竟是什么。

在越来越多的支持进化论思想的人中，有人愿意尝试回答眼前这个有关生命起源的问题。在随后的几十年中，达尔文将会目睹一场著名的激辩。辩论的双方除了一位起初对进化论怀有敌意的学者外，还有达尔文的一位得意门生。当这一切结束的时候，辩论的胜者会赢得超越达尔文的传奇般的名誉，而失败者最终只能被遗忘。

[1].此处原文为“圣杰戈岛”，疑似作者笔误。根据上下文意思应为“詹姆斯岛”。——译注

[2].尽管我们通常把这些鸟儿叫作“雀”（例如达尔文雀），但是达尔文在加拉帕戈斯群岛上看到的这些鸟儿从分类学的角度讲与真正的“雀”毫不相干。这种混乱主要是由大卫·拉克于1947年撰写的科普书《达尔文雀》引起的。

[3].据考，《两舰航行记》最初是由伦敦科伦出版社在1839年7月出版的，全名为《1826—1836年阿德文丘和贝格尔两舰测量航行记，包括南美洲南部海岸区的考察和贝格尔舰环球航行的记述》。

[4].最新研究表明是14个种。——译注

[5].达尔文家族饱受近亲结婚的影响，从达尔文的外祖父辈开始的3代人都是表兄妹结婚，因此整个家族62人中有38人患有遗传疾病。

[6].从当前进化生物学的研究来看，这种说法并不准确。准确地说，生物产生的变异只是进化的原料。——译注

[7].欧文对于达尔文的抨击在一段时间内变化很大。一方面他批判达尔文有关人类起源于猩猩的说法——事实上欧文从未认可这一观点，另一方面他也为达尔文因推动进化论而得到过多的荣誉感到懊恼和嫉妒。达尔文对欧文的敌意感到困惑，欧文可能是因遭到达尔文密友的排斥心生嫉妒才这样做的。

第7章 梦想虽遥不可及但令人愉悦

对于任何时代的任何人而言，想要解释自然界的万物都不是件容易的事。所以，最好还是解释一些确定的现象而非所有的事情，把其他的内容留给后人。

——艾萨克·牛顿，《自然哲学的数学原理》，1687年

1864年4月7日，巴黎市拉丁区巴黎大学内的一个大礼堂座无虚席。人群中不乏巴黎上流人士，包括拿破仑的侄女、俄国沙皇的堂妹玛蒂尔德公主以及阿曼蒂娜—欧萝尔—露茜·杜班。杜班的名字可能并不为大家熟知，但她的笔名乔治·桑则是家喻户晓。她是19世纪法国著名的女作家，不仅是肖邦的情人，据传她还是女演员玛丽·多瓦尔的情人。杜班是这里的常客，喜欢女扮男装的她很容易被认出来。坐在前排醒目位置上的还有另一位同样在巴黎家喻户晓的作家，他就是《基督山伯爵》和《三个火枪手》的作者大仲马。

这次活动是巴黎大学新举办的双周免费系列讲座的一部分，也是学校进一步提升公众兴趣、提高社会知名度的一个举措。隔周一举办的讲座全部是有关科学的，因此人们又把周一的讲座称为“科学晚会”。“科学晚会”经常吸引大批听众前来，它之所以受到欢迎，除了演讲内容以外，还因为巴黎大学在讲座中使用了一系列先进的技术和设备。比如煤气灯的高度可以通过一个简单的按钮控制，汉弗莱·戴维发明的电弧灯可以把光柱投射到舞台上的演讲者或展品上。最令观众叹为观止的是，电弧灯还可以将载玻片中的图像投射到大屏幕上。

大约6000人参加了一周前举办的“科学晚会”开幕式讲座。这场讲座由物理学家朱尔斯·贾斯明主持，内容是关于物质的3种物理状态。由于座位有限，大多数人只能被迫站在门外，扶着门框想要看看屋内的情况。晚会的主办方预计本周的听众会更多，因为演讲者不仅魅力超凡，而且素以内容精彩著称。这位演讲者就是路易·巴斯德，没过多久他就成为了法国科学界的宠儿。

对于巴斯德来说，在巴黎大学发表演讲是一个里程碑式的胜利。在过去的3年里，巴斯德就自然发生问题与费利克斯·波契特在公开场合进行了辩论。波契特被誉为法国自然发生论的领军人物，他是备受尊敬的博物学家，也是鲁昂自然历史博物馆的馆长。巴斯德与波契特的辩论引发了广泛关注，法国科学院要对这一辩题做个了结，于是决定将科学院颇具声望的阿哈姆伯特奖颁给辩论的获胜方，并奖励2500法郎。辩论的结果是巴斯德获胜，科学院称赞他掌握了相关实验的方法。辩论的胜利让巴斯德成为了天主教会的英雄，天主教会把他视为传统宗教信仰的守护者和反对激进科学唯物主义的斗士。

巴斯德演讲之时，距离达尔文《物种起源》的法语译本出版已有3年之久。在演讲一开始，他先是总结了萦绕在巴黎人心头的问题，比如创生是否需要上溯千百万年，物种是不变的还是可以经过缓慢变化形成新的物种。尽管巴斯德一直是位出色的演说家，但在巴黎大学的这次讲演的精彩程度还是超过了以往。在演讲中，巴斯德开始称自己回答不了这些问题，然后暗示自己已经回答了所有问题。这种欲擒故纵的做法像是莎士比亚笔下的马克·安东尼——他是前来安葬恺撒而不是来称赞他的。

为了引出进化论，巴斯德首先简要地回顾了大多数听众都十分熟悉的《海》中有关生命起源问题的描述。《海》的作者是儒勒·米什莱，他曾经是位历史学家，后来成为了激进的进化论支持者。米什莱在书中这样写道：“一滴海水的成分，除了水以外还有一些非生命的含氮物、黏液或者我本人称为‘可繁殖的胶状物’的物质。最早的生命是通过自然发生的方式出现的，然后不断地演化，1万年后演化出了昆虫。毫无疑问，再经过10万年的光景就成为了猿或人。”巴斯德在引述这段文字的背后提出了一个关于整个进化命题的根源问题：难道是物质自组织形成生命？或者生命最初在地球上诞生的时候就不存在亲代或祖先？巴斯德告诉听众，如果生命真的只是通过自然过程就能产生，那么只能证明一点，那就是“上帝是无用的”。

接下来，巴斯德继续回顾自然发生论的发展历史，从赫尔蒙特、尼达姆一直讲到布丰和其他支持这个理论的当代科学家，但是这些受人尊敬的博物学家都忘记了一些东西——巴斯德补充道。这时礼堂内的灯光开始调暗，最后只剩下一束投射到舞台上的光柱。此刻，巴斯德让听众将目光集中在光柱中成千上万的微小尘粒上，这些弥漫在空气中的灰尘在灯光的照射下反射出点点光芒。巴斯德说道，过去有太多著名的学者都误认为他们观察到了生命自然发生的过程，而自然发生的真实原因就藏在灰尘中，肉眼难辨的微生物在空气中数不胜数。借用先成论人士所起的名字，巴斯德将这些微生物统称为“细菌”，这一贡献最终使巴斯德成为历史上最具传奇色彩的科学家。

巴斯德致力于传染病的致病机理及预防措施的研究，这不仅极大地推动了医学的发展，也为他奠定了世界顶级科学家的地位。但自然发生论依然是他思考的重要问题，这一问题在形而上学方面十分重要，在法国尤为如此。作为拉马克广义进化论框架的重要组成部分，自然发生论公然抨击了自然世界由造物主创造的整体理念。随着政治色彩更加浓厚的天主教对法国社会意识形态影响的逐步加强，自然发生论也就自然而然地变成了明显的政治问题，于是这一理论的命运开始随着后革命时代变化无常的法国社会起起伏伏。

拉马克在19世纪伊始法国大革命的动荡岁月里发展了自己的进化理论。彼时他在巴黎植物园担任教授，而巴黎植物园就是革命分子给皇家植物园起的别名。由于拉马克是由布丰介绍来植物园工作的，人们普遍认为他是布丰的弟子。年轻的革命群众涌入拉马克的讲座现场，聆听他阐述有关自然界不断变化和演变的理论。拉马克甚至不敢表达自然界能够孕育生命的观点，因为这样的言论可能意味着遭到迫害或面临死亡的威胁，在科学界只有为数不多的无神论者坚持这一观点。虽然如此，法国大革命让这种说法开始受到人们的追捧。

随着波旁王朝的复辟，法国社会变得越来越保守，拉马克亦发现自己的理论逐渐遭到攻击和唾弃。19世纪30年代，法国社会有关进化论的大讨论到了剑拔弩张的地步，在法国最受尊敬的两位科学家成为了两个相互对立的进化论观点的代表，他们就是乔治·居维叶与诺夫华·圣伊莱尔。

和拉马克一样，居维叶和圣伊莱尔都曾在皇家植物园担任解剖学教授，两人也曾与拿破仑保持密切的关系。居维叶是法国皇室信任的人士，负责拿破仑儿子的教育。圣伊莱尔曾被拿破仑钦点，随其短暂征战埃及。

波旁王朝复辟后，居维叶与圣伊莱尔在科学和政治上开始分道扬镳。居维叶善于社交，有魅力且在学术观点上较为灵活，所以在拿破仑流亡后他很容易就融入到了新的政治秩序中。他在法国科学界的地位继续上升，获得了包括皇室贵族爵位在内的一系列显赫身份，甚至受邀参加了1827年查尔斯十世的加冕礼。

居维叶对自然界的兴趣源于孩童时期布丰的《自然史》给他的启发。很快他开始对古生物学产生兴趣，这让他成为法国科学界的知名人物。早在达·芬奇时代，自然哲学家就已经认识到化石是生活在远古时期动物的遗骸。布丰是最早提出化石物种早已灭绝观点的人士之一，然而他的观点让那个时代的大多数人难以接受，因为人们无法理解，难道上帝创造物种就是为了让它们灭绝吗？地质学家们并不接受物种灭绝的理论，因此他们努力辩解在自然界中每天都可以发现各种各样的化石。

通过研究发现于西伯利亚的猛犸象骨架，居维叶确信他看到的化石物种与现生物种之间存在着天壤之别。在研究了另外一种动物的骨骼化石后，他更加确定自己的想法，并把这种动物命名为乳齿象。在1799年发表的一篇论文中，他明确地证实了物种的自然灭绝在地球上确实发生过，而这篇论文也因此成为了古生物学领域的经典之作。但居维叶从未接受拉马克提出的不断形成的新物种代替了已灭绝的旧物种的观点，在他看来不同历史时期特定地区化石组合出现的转变，只不过是由既有物种迁徙到灭绝物种曾经生活过的区域导致的。事实上，居维叶想要说的是他本人有关自然灾害导致物种灭绝的观点与《圣经》中的描述十分吻合。私底下，他几乎没有时间研究宗教，当那些见证过居维叶成长的人们看到他利用“唯物论”击败对手进而赢得科学辩论时十分吃惊，但居维叶一直都是个政治机会主义者。

拉马克却刚好相反，他在学术上秉持自己的观点且不善于交际，因此他愈发觉得自己遭到大多数同行的孤立，甚至皇家植物园的老同事也不喜欢他。他的晚年因债务缠身备感绝望，但依然在努力寻找进化论的听众。在1829年离世时，拉马克身无分文，双眼几乎失明。在写给法国科学院的悼词中，居维叶夸奖拉马克天赋过人且充满想象力，满篇都是言不由衷的恭维话。

每当政治风向发生变化时，圣伊莱尔更愿意保持沉默并全心投入到工作当中。同居维叶相比，圣伊莱尔喜欢用与众不同的更加拉马克式的方式去解释化石记录。居维叶看到的不同之处在圣伊莱尔眼中恰恰是相同点。比如人的手臂、鸟的翅膀以及鲸鳍的内部骨骼结构从根本上说几乎是相同的，它们的用途和外观的不同只不过是经历了几个世纪的拉马克式的演化形成的。圣伊莱尔并不认同所有生命都是从某个共同祖先演化而来的观点，但他的确认为所有的脊椎动物可以构成一个单系类群。因此，漫画家开始滑稽地把圣伊莱尔画成猴子，在随后的日子里媒体也经常以这种方式描绘进化论者。

最终，居维叶和圣伊莱尔在巴黎自然历史博物馆中各抒己见，他们在博物馆中利用自己的权威和所掌握的知识就各自研究的化石和现生动物的骨骼标本表达了完全相反的观点。1830年，法国科学院决定为居维叶和圣伊莱尔举办一场公开辩论，辩论的地点就选在巴黎自然历史博物馆。这场辩论持续了两个月之久，奥诺雷·德·巴尔扎克、古斯塔夫·福楼拜以及乔治·桑在一些问题上都表达了自己的态度。辩论即将结束时，似乎所有的法国人都在关注这场辩论，许多外国人也不例外。旅居瑞士的德国作家约翰·沃尔夫冈·冯·歌德饶有兴致地关注辩论的所有看点。德国学术界也更加坚定地支持纯自然的生命起源理论，对自然发生论的观点几乎没有异议。歌德向一位朋友谈及这场辩论时，把它比作火山爆发。当保守的法国科学院宣布居维叶最终赢得辩论时，歌德感到了沮丧，他认为这样的结果只不过代表了保守派的立场而已。随着法国社会变得愈发保守，自然发生论的中坚力量在此后的20年里逐渐衰落。

巴斯德成长在法国自然哲学的政治层面出现分化的时代，在居维叶与圣伊莱尔展开辩论的那一年他才只有10岁，而这场辩论为巴斯德科学观的建立以及他本人对进化论的态度都带来了深远的影响。巴斯德在政治上比较保守，在有关生命科学的问题上他反对唯物论。同居维叶一样，巴斯德也支持传统和天主教教义。

由于杰出的科学贡献，巴斯德在法国科学界的知名度迅速攀升，但这个过程并非一帆风顺，也不可预测。巴斯德生于1822年，其父是法国南部小城多尔的一个穷苦的制革工人。大学期间，巴斯德努力学习化学，并没有在后来从事的生命科学领域投入太多的精力。他的首个大学职位也和生命科学无关，而是在斯特拉斯堡大学担任物理系教授。

巴斯德早年就对晶体的属性感兴趣，这与克罗斯的研究兴趣不谋而合。在斯特拉斯堡大学研究结晶体时，他第一次对生命的本质产生了困惑。偏振计是一种测量化学物质与光束相互作用的装置。当巴斯德利用简陋的偏振计研究光束穿过酒石酸[1]溶液所产生的变化时，他注意到尽管酒石酸和外消旋酒石酸的组成成分相同，但偏振光在通过两种不同溶液时却产生了不一样的反应：光束通过酒石酸溶液时沿顺时针方向发生了旋转，而通过外消旋酒石酸时则不会发生任何变化。

巴斯德对这样的实验结果感到困惑。他用放大镜仔细检查，发现窗台上烧杯里的外消旋酒石酸溶液结晶后形成了两种晶体。除了在结构上互为镜像（对映异构体）以外，它们在其他各个方面似乎都是相同的。巴斯德小心翼翼地将晶体分成两小堆分别溶解，他发现偏振光在通过两种溶液时分别朝两个相反的方向旋转，其中一种晶体与自然界中酒石酸晶体的类型一模一样。这让巴斯德意识到人工合成的外消旋酒石酸实际上是天然酒石酸与其同分异构体等比例的混合物。

巴斯德偶然发现了分子的手性。这些分子之所以被化学家称为“手性”是因为它们在结构上互为镜像（对映异构体），就像是手套的左右手。这两种对映异构体由相同数量的原子组成，原子以相同方式相连接，但它们不能相互重叠，正如右手无法与左手重叠一样。蛋白质和核酸等大多数重要的生物大分子实际上都是纯手性分子，也就是说所有的分子要么全是左旋要么全是右旋。生物学中纯手性分子出现的原因是一直是生物化学家争论的话题。对于巴斯德而言，这个发现进一步支持了活力论的观点，即生命体与非生命的无机环境是完全不同的两个世界。

1854年，里尔大学任命巴斯德为化学教授兼科学系主任。很快，他发现自己转向了一个对生物学更有意义的课题，即酒精问题，更精确地讲就是发酵过程是如何产生酒精的？这个问题自古以来就困扰着人们，到了巴斯德生活的年代依然没有得到解释。

里尔是法国甜菜的主产区。英国长达十数年的封锁使拿破仑时代的法国无法进口食糖，拿破仑因此曾实施过精细化管理，加大力度促进里尔本地甜菜产业的发展。法国酿酒师曾尝试用甜菜汁酿造一种朗姆酒，但这种酒的酸度和气味实在让人难以下咽，因此要让它的味道香醇诱人并不是件易事。当巴斯德抵达里尔的时候，这里的酿酒师对甜菜酒早已不抱幻想。巴斯德有一个学生，他的父亲是位富有的实业家。一天，他找到巴斯德询问是否愿意帮助解决这里酿酒业面临的问题。尽管巴斯德从未涉足生物学领域，但他还是全身心地投入到对这一问题的研究当中。没过多久，巴斯德的妻子就给父亲写信说自己的丈夫“在甜菜汁问题上已经忙得不可开交了”。

在一个破旧糖厂的地窖中，巴斯德搭建了一个临时的实验室，而设备更是简陋到了只有一个简易的烧煤恒温装置。不过，他还使用了一个在当时化学实验室中很难见到的物件——一台从学校借来的标准学生用显微镜。巴斯德时代的化学家只是通过对物质的测量和称重得出抽象的化学式，而生物学家和生理学家则使用显微镜对物体的精细结构进行观察。巴斯德通过对发酵过程的观察来理解发酵原理，这是同时代大多数化学家没有尝试过的方式。

如今，每个人都知道发酵过程是酿酒的关键。虽然人们对发酵的细节一无所知，但酿酒师和酒商清楚发酵过程中使用了酵母。列文虎克通过显微镜最早观察到了四处游动的椭圆形酵母细胞，但由于这些细胞看上去只是在被动地漂移，他并没有把它们当作有机体。“酵母”一词也只不过是由古英语中“泡沫”一词派生而来的。当巴斯德开始思考发酵过程的时候，只有为数不多的科学家曾怀疑酵母活细胞可能是发酵过程的副产物，而化学界的一位早期领军人物安托万·拉瓦锡实际上在描述发酵过程时甚至完全忽略了酵母的存在。直到19世纪30年代末才开始有少数科学家怀疑酵母实际上是对发酵过程中起关键作用的微生物。

巴斯德利用偏振计观察到了发酵过程本身也存在着手性。通过对石英晶体的研究，他意识到手性意味着发酵是由生命体参与的过程，因为只有生命体才能产生纯手性的大分子。随着研究的推进，巴斯德还注意到酵母细胞的形状在发酵过程中发生了改变——从近圆形变成长椭圆形，并且通过分裂形成新的个体。这些现象让他开始意识到这些细胞是活的生命体，并且应该是发酵产生酒精的根本原因。

巴斯德的假设对酿酒以外的其他领域也有广泛的意义。发酵过程不仅是酿酒的关键步骤，可能还是导致所有有机物腐烂分解的化学过程。通过研究有机物腐败的原因，巴斯德为食物的储存打开了一扇新的大门。1862年年初，另一位法国科学家克劳德·伯纳德发现通过煮沸牛奶、红酒以及啤酒可以杀死细菌和霉菌，从而避免液体变质。这一方法使得食物的保质期得到有效延长，这就是著名的“巴氏消毒法”。

巴斯德在巴黎大学就自然发生论演讲的时候距离巴氏消毒法的创立已有一年的光景。然而，他本人却认为这不值得一提——同法国人对自然发生论形而上学的认识相比，这一发现就显得相形见绌了。

巴斯德是从1859年开始转而关注自然发生问题的，这一年恰逢达尔文《物种起源》的出版。巴斯德在写给一位同事的信中表示自己“要解决这一重要问题，而不仅仅是停留在怀疑的层面”。在这之前的一年，费利克斯·波契特在向法国科学院提交的一篇论文中宣称自己已经通过实验证明了自然发生过程的存在。波契特是一位杰出的内科医生和博物学家，曾撰写过不少读者喜爱的有关亚里士多德自然哲学方面的书籍。与此同时，他还是一位虔诚的天主教徒，比几乎不去教堂的巴斯德要虔诚许多。波契特苦口婆心地表示自己并没有质疑基督教创世的说法，但只是以奥古斯汀的方式尝试重新解读这一问题。他表示自然发生只是上帝繁衍生命的方式之一，然而这一观点还是遭到了保守派科学家们的声讨，指责他试图复辟唯物主义思想——这是居维叶所谓战胜圣伊莱尔时所质疑的观点。

波契特本不该在这个不恰当的时候提交论文，彼时天主教越来越政治化，在法国的地位也愈加重要，天主教的利益甚至已经等同于法国的国家利益。1848年，法国首次进行普选。拿破仑的侄子路易·拿破仑·波拿巴由于承诺恢复天主教的政治权利、提升教堂的社会地位并支持罗马教皇而得到了天主教会的认可，进而在竞选活动中取得了压倒性胜利。3年后，他发动了一场政变并宣布自己成为拿破仑三世[2]。政变使审查机构得以恢复，大约6000名政治犯被送进监狱，另一些甚至被流放到法国的海外殖民地。维克多·雨果是当时法国国家道德的化身，他公开谴责路易·拿破仑·波拿巴是卖国贼，自愿离开法国接受流放，而且在路易·拿破仑·波拿巴执政期间从未回国。

与此同时，波契特还不得不面对自己的思想与对达尔文《物种起源》的观点的碰撞，因为这部著作的出版结束了围绕居维叶与圣伊莱尔辩论的所有问题。1861年，法语版《物种起源》的问世让局势变得更加紧张。该书是由克莱门斯·罗耶翻译的，思想激进的她成为在法国科学院任职的首位女性。罗耶版本《物种起源》的序言包括由她本人撰写的谴责天主教会的长篇内容。达尔文同意让罗耶翻译这部著作时对她还一无所知。在写给自己的朋友、美国植物学家阿萨·格雷的信中，达尔文称罗耶“是欧洲最聪慧也是最古怪的女性，她不仅仇恨基督教，甚至宣称自然选择和生存斗争可以解释所有道德、人性和政治问题”。达尔文还强调罗耶计划就这些主题撰写自己的书籍，那将会是与众不同的作品。

巴斯德在事业初期时常与著名科学家展开辩论，并借此来提升自己的名望。开始与巴斯德发生冲突时，波契特已有62岁，那时他被誉为法国自然发生领域的顶级专家。巴斯德时年37岁，尽管他在发酵领域的著作让许多人折服，但他几乎没有涉足过生物学问题。

为了推翻波契特的理论，巴斯德在以前的实验方法中寻找瑕疵。研究自然发生的一个困难在于需要隔绝空气。当时人们认为所有的有机物都需要氧气才能生存，因此不可避免地需要通过重新输入氧气来创造自然发生所需的环境。然而在发酵方面的研究经验让巴斯德思忖微生物可能不是简单地通过空气中的灰尘进行传播的。为了验证这一假设，他设计了一个名叫鹅颈瓶的简易装置，后来这个装置成为了巴斯德天才智慧的标志。鹅颈瓶不仅美观，而且使用方便。瓶身呈圆形，弯曲的细长颈部形似鹅颈。这一结构虽然可以让空气通过，但会阻碍灰尘及其携带的微生物进入瓶内。巴斯德将尼达姆在研究中使用的肉汤培养基灌进鹅颈瓶，加热煮沸后用火焰将其中的一些瓶子密封，但让另一些瓶子敞口，便于空气流入。静置数周后，那些密封的烧瓶仍保持无菌状态，但更重要的是那些敞口的鹅颈瓶也没有滋生细菌。最终，巴斯德将密封鹅颈瓶密闭的一段打开，结果瓶子里的培养基依旧是无菌状态。

法国科学院组建了一个委员会对这一实验进行评判，并最终宣布巴斯德取得决定性胜利，这为他在巴黎大学成功举办讲座奠定了基础。实际上，事情从一开始就对波契特不利。委员会几乎全部由保守派人士组成，其中许多委员已经明确表示完全反对具有浓厚唯物主义色彩的自然发生论。在委员们看来，巴斯德不仅证实了“无生命的物质无法通过这样的方式自我组织成动物或植物”，而且证明了活力论，即“生命自创世以来一直是不间断地代代相传的”。这个结果巩固了巴斯德实验方法学家的地位，有关微生物能够通过空气传播的发现使他朝着一个重要的科学贡献迈进了一步，这一贡献就是他提出了细菌致病理论。但是自然发生论并没有因此沉寂，一场跨越英吉利海峡的争论正在酝酿，英法两国支持达尔文进化论的队伍正日趋壮大。

巴斯德的自然发生实验

1864年冬季的一天，8位帅气的绅士聚集在伦敦皮卡迪利广场附近阿尔伯马尔大街的圣乔治旅馆。这个旅馆与英国皇家学会总部伯林顿府坐落在同一条街上。出席晚宴的是一些英国最杰出的科学家，他们来自不同的领域。其中一位是解剖学家赫胥黎，他后来表示这些人的著作大多数都是“能收入百科全书的论文”。当晚，这些人决定成立一个非正式的俱乐部，正如成员之一约瑟夫·胡克在写给密友达尔文的信中表示的：“这个俱乐部致力于传承纯粹而又不受宗教信条约束的自由科学。”他们希望借助自身的影响力在幕后掌控皇家学会，进而引领英国科学界迈入一个全新的时代。这些人士中有3位继续享有皇家学会主席的头衔，另外的5位在英国科学促进会任同样的职位。他们把自己称为X俱乐部。

这8位成员决定限制俱乐部的人数，总数不超过10人。最终又有一名成员加入他们，但总人数从未达到10人。这一空缺席位也可能是为达尔文保留的，因为这个俱乐部的成员里有大约一半都是达尔文的密友。X俱乐部很快成为了推动进化论在大不列颠蓬勃发展的非正式“司令部”。俱乐部的第一项任务就是确保科普利奖章授予达尔文，这是英国皇家学会的最高荣誉。这一奖项的竞争随后在达尔文和塞奇威克之间展开，而后者是由欧文提名推荐的。在颁奖委员会举行的一次评选中，达尔文险胜他之前的导师。这一标志性的时刻反映了英国科学界变脸的速度之快让人难以预料。为了避免尴尬，达尔文慌称身体有恙，故意回避了颁奖典礼。

赫胥黎曾代表达尔文进行过激烈辩论，并成功战胜了许多依然怀疑《物种起源》理论的对手。赫胥黎自己也曾怀疑过进化论，但在过去的十余年里他已然变成了一名进化论的捍卫者，甚至还戏谑自己是“达尔文的斗犬”。

达尔文并不是一位出色的演讲家，在公共场合讲话时很容易转移话题。演讲时他喜欢过度挥舞双手，这会让听众感觉十分不舒服。与达尔文相反，赫胥黎是位技艺娴熟的演讲家，在必要的时候能够胜任这一角色。对于赫胥黎来说，1860年的演讲是第一次也是最重要的一次，这次在英国科学促进会发表的演讲在进化论发展史上的地位犹如神话一般。英国科学促进会组织的这次演讲不仅在牛津教区举行，而且得到了主教塞缪尔·威尔伯福斯的支持。威尔伯福斯是位保守党成员，言论自由的《每日电讯报》曾把他称为“固步自封的典范”。

威尔伯福斯和赫胥黎加入到英国科学促进会组织的以进化论为主题的辩论当中，大约700人聆听了这场辩论。由于听众人数过多，辩论只得转移到牛津自然历史博物馆中进行。博物馆的大厅为哥特复兴式风格，入口上方悬挂的天使雕塑给人一种圣洁的感觉。威尔伯福斯是欧文的弟子，他在陈述的最后向赫胥黎发问：你的猿猴祖先是否能够追溯到祖父或祖母？辩论话题的严肃性令听众紧张起来，他们以怨恨声作为回应。为了让听众能在嘈杂的环境中听清自己的观点，赫胥黎这样回答道：我宁愿自己是猿猴的后裔也不愿做一个阻碍科学进步的人的后裔。这时，一位女士晕倒了。在一片混乱中，达尔文曾经搭乘过的“贝格尔号”老船长菲茨罗伊[3]站了出来，把一本大开本的《圣经》举过头顶，要求听众回归到对上帝虔诚的信仰中来。

这是基督教第一次在一场正式的科学辩论中遇到对手。赫胥黎在这场辩论中脱颖而出，他不仅成为了进化论支持者心目中的英雄，也成为了许多唯理论者甚至思想解放的基督教神学家心目中的英雄，而这些人正是赫胥黎和达尔文希望培养的。实际上，牧师才是这场牛津辩论的主要听众，赫胥黎明白他们当中有许多人都可能成为进化论的支持者。尽管不时感到前途渺茫，但赫胥黎的宗教观常常十分微妙，他在公共场合发表演讲时更是如此。只要有可能，赫胥黎就努力确保世俗论阵营不会发展过快。他甚至创造了“不可知论”一词来描述自己缺少宗教信仰的唯物主义情怀，这使得他同彻底的无神论者相比不那么咄咄逼人[4]。

X俱乐部最重要的一项工作就是组建一支新的英国科学家队伍。自然哲学长期以来只是富人和权贵的专享，皇家学会500名成员中约有一半是凭借社会地位当选的，而第一位女性会员直到1945年才被正式接纳。X俱乐部倡导由各个阶层的一线科学家组成小型的学术团体，而非由那些把科学当成消遣的权贵组成臃肿的学术机构。华莱士和巴斯德等人在这个日益成为精英阶层的科学界的地位不断上升，自学成才的赫胥黎也同样如此。

赫胥黎是家里的第八个孩子，他的母亲是一位几乎没有教过课的数学教师。他只受过两年正规的学校教育，10岁时就终止了学业。然而，他自学了德语、拉丁语和希腊语。到医学院进修后，赫胥黎更是债台高筑，于是他与皇家海军签订了一份担任皇家海军“响尾蛇号”随舰外科助理的工作协议，随该舰前往澳大利亚和新几内亚执行考察任务。他的有关海洋无脊椎动物的研究得到认可，使他更加专注于对自然论的研究。

赫胥黎很清楚要成为自给自足的科学家是很困难的，因此他很享受指导年青一代进化论学者的工作。他不仅在理论和实验操作上给予年轻人帮助，还努力灌输自己所秉持的科学礼仪与科学精神。他利用充满危险的神学和根深蒂固的科学思想引导进化论，并总是以好斗著称，甚至还经常宣扬谨慎和适时收回毫无证据的断言。每次他这么做时，他总是用“吃韭菜”暗示“吃药”。很快，赫胥黎就招到一位才华横溢的年轻科学家，这位科学家在涉及与生命起源有关的课题时并不接受赫胥黎的建议。这个年轻人名叫亨利·查尔顿·巴斯蒂安，是位内科医生。在完成所有工作之前，巴斯蒂安在许多方面就已经成为了达尔文主义者的第一人。他试图从实验的角度证明达尔文所回避的一个关键问题：生命起源。与此同时，巴斯蒂安也成为了最后一位试图证明自然发生论的严肃科学家，至少按照连续发生这个自亚里士多德以来人们对自然发生过程猜想的普遍方式加以证明。

来自普通家庭的英国科学家不断增多，巴斯蒂安就是这些科学家中的一位。他出生在中产阶级家庭，他的父亲是一位来自康沃尔的普通商人。这种家庭出身的科学家正是赫胥黎最愿意支持的。天资聪慧的巴斯蒂安在19岁时就出版了第一本内容深奥的植物学著作。他在英国伦敦大学学院拿到了4个学位，在23岁毕业前还发表了一项重要的动物学研究成果——记述了100个线虫新种。

毕业后，巴斯蒂安的首份工作就是担任伦敦大学学院病理解剖学博物馆的助理管理员，但很快他又担任了新成立的布罗德莫精神病院刑事疯人院住院医师一职，而这个疯人院是英国首座关押精神病刑事犯的监狱。大多数人对这两份工作都感到苦恼，但这却符合巴斯蒂安的胃口。他的专业就是神经科学，而且他对人类神秘的意识十分痴迷，以一种物理主义的视角看待意识。生活在19世纪的大多数人认为意识是虚无缥缈的，然而与之形成对比的物理主义学派认为意识是纯粹的生理过程——大脑控制意识就像心脏控制血液流动一样。人类所有的思考能力都可以追溯到大脑相应的区域，大脑某些区域受伤会导致心智功能甚至人格发生变化。

受到意识具有物质基础这一概念的影响，巴斯蒂安在中风引发失语症方面取得了卓越的成绩。1868年，他因成绩卓著而成为英国皇家学会会员。这不仅是英国医学界的最高荣誉，也为他赢得了英国首家精神病医院（国家医院）的职位。在此之前，所有患失语症等头部疾病的病人常常被关在疯人院中。

巴斯蒂安在国家医院开展了一系列实验，希望重新打开自然发生的大门。对许多人而言，这扇大门已经被巴斯德完全关闭了。在一间检查室的屏风后面，巴斯蒂安在建造的实验室中开始利用煮开过的密封的枯草浸液做实验。和尼达姆之前的实验结果一样，巴斯蒂安的实验似乎也支持自然发生的现象。

巴斯蒂安认为自己只是回答了达尔文在有生之年无法解决的问题，即整个连续进化的过程是如何开始的？自然发生一直是巴斯蒂安进化论观点的重要组成部分，而这一观点正是从达尔文的启蒙老师、思想偏激的罗伯特·格兰特教授那里继承的。格兰特离开爱丁堡大学后来到了英国伦敦大学学院，而后者是一个建立在世俗教育基础上的机构。在伦敦大学学院，格兰特继续以广义拉马克主义的方式宣传进化论，其中也包含对生命起源问题的阐释。为了强调进化论意义上的自然发生而不仅仅是亚里士多德意义上的生命来源，巴斯蒂安开始使用另一个词描述这一过程，即“生命起源”。

医学界对巴斯蒂安重拾自然发生问题的做法持欢迎态度。当时，人们把医学领域视作英国科学界最激进的领域，因为这一领域依旧欢迎格兰特等人的想法。巴斯蒂安有关自然发生问题的许多早期论文在英国主流医学刊物上发表。在《柳叶刀》和《英格兰医学杂志》上发表的论文中，他反对生命世界与非生命的无机环境之间存在不可逾越的界限的观点。大自然在漫长的演化历程中不会只允许在开始时出现某种不可复现的神奇事件。在巴斯蒂安看来，进化是个不间断的过程，甚至早在地球上出现生命之前就已存在。结合自己的实验结果，他在这些学术杂志上发表的论文可以作为自己首部著作《生命之源》的基础。

许多进化论的支持者对有人填补达尔文有意留下的空白感到兴奋。华莱士为此写下了热情洋溢的评论，并将巴斯蒂安的著作推荐给达尔文阅读。在写给华莱士的一封信中，达尔文认为巴斯蒂安提出的有机体一定是由非有机体形成的观点极为重要。但同时，他也对巴斯蒂安自称有充分的实验证据证明自然发生存在的观点表示怀疑。为此，但达尔文补充道：“我愿意在有生之年看到自然发生的确存在，这将是极其重要的发现。”

尽管巴斯蒂安的书起初十分畅销，但他和他的自然发生问题即将与科学界另一个饱受争议的问题危险地联系起来，即疾病的属性问题。

对英国来说，这是一个棘手的问题，因为过去40多年里爆发的严重霍乱使英国损失惨重。1817年，驻扎印度的英国士兵首先感染了霍乱，而到了1831年这种疾病已经波及了整个俄国。在一艘由俄国驶往英国桑德兰港的英籍船只上，地方官员忽视了检疫命令，这让霍乱一路穿越欧亚大陆蔓延到了英国。首次爆发的霍乱造成超过5万英国人死亡。巴斯蒂安在国家医院工作之初，持续的霍乱夺去了超过25万人的生命。由于许多死于霍乱的病人脸色发青，人们开始在街头巷尾把霍乱称为“蓝色死亡”。

百年之后的今天，通过强烈水合以及矿物盐的替代就可以治愈相对温和的霍乱。而在巴斯蒂安生活的时代，对付霍乱的手段实际上就是限制患者的饮水量，而这种方法通常会加速患者死亡。

霍乱是由霍乱弧菌引起的，但19世纪的大多数英国医生都认为霍乱是以蒸汽的方式通过空气传播的。人们把这种蒸汽称为“瘴气”，这个词来源于希腊词汇“污染”，而这一理论也因此被称为疾病的瘴气理论。时至今日，依然有不少医学术语暗示疾病是由空气传播的，比如“疟疾”一词就表示“污浊的空气”的意思。在伦敦，工业革命以及随之而来的化石燃料的燃烧产生了挥之不去的灰褐色“伦敦雾”（如今我们把这种天气现象称为雾霾）。这种空气进一步加剧了人们对污浊空气的恐慌，空气对人体有害的想法一时间成为了人们的共识。与此同时，霍乱在不断增多的底层人群中快速传播。这些人通常居住在肮脏拥挤的贫民区，那里生活设施简陋，甚至缺乏完善的上下水系统。为了抗击霍乱，人们纷纷采取措施防止传播疾病的气体扩散。整桶的沥青和醋在街道上被点燃，房子内外也都被泼满了石灰水。

1832年曼彻斯特爆发霍乱时，人们为了祛除瘴气而在街道上燃烧整桶沥青的场景

在巴斯蒂安研究自然发生的同时，另一个理论正蓬勃发展。发酵理论又称细菌致病理论，这一理论认为微生物是许多疾病产生的根源。这并不是个新理论，但是像霍乱这样的疾病不需要与患者接触而只需要与患者共处一室就足以染病，这让人们对疾病的传播方式感到困惑。然而，这一问题即将被巴斯德攻破。

1865年，巴斯德接到让-巴蒂斯特·杜马从蚕丝业发达的法国南部寄来的一封信。杜马不仅是一位著名的化学家，还是拿破仑三世虔诚的天主教支持者。杜马在信中写道：“这里悲惨的状况是任何人都想象不到的。”

18世纪末以来，法国一直试图打破中国在蚕丝业方面的垄断地位。法国的大部分丝绸产业都集中在里昂，那里也因此成为了欧洲的丝绸中心。为了发展蚕丝业，人们砍倒整片的森林种植金叶桑树供桑蚕食用。但没过多久，桑蚕中出现的一种怪病开始影响到里昂地区的丝绸经济，于是绝望的桑蚕业主开始向巴斯德求助。尽管除了曾经研究过发酵问题外，巴斯德在其他生物学领域并没有什么研究经验，但他还是努力找寻这种怪病的根源，并最终发现这种疾病是由寄生在蚕卵上的微生物引发的。

巴斯德的发现挽救了法国的整个丝绸产业，也让他意识到可以把自己的目光转移到研究人类的传染病问题上。作为一名科学家，他的工作将会在这一领域留下永恒的烙印。事实上，巴斯德对传染病的研究感兴趣也掺杂着个人因素——他的两个小女儿都死于伤寒。

很快，巴斯德把自己有关自然发生的研究经验用于对细菌致病问题的研究中。如果他提出的细菌通过空气传播的理论可以被证实，那么细菌也应该可以通过相同的方式传播疾病，而这种传播方式将为“非接触性传染”这个细菌致病理论面临的最大难题找到答案。

起初，细菌通过空气传播引发疾病的想法在医学界特别是在英国医学界只是个非主流的概念。医生们经常能在患者送检的样本中见到细菌，但他们通常只是把细菌看作疾病的副产物，即疾病产生的后果而不是引起疾病的原因。当时，绝大多数的英国医生都认为细菌是自然产生的，他们对巴斯德提出的细菌可以通过空气传播的理论持怀疑态度。而巴斯蒂安则拥护疾病的毒气扩散理论，他认为自己在自然发生方面所做的实验为细菌的存在提供了更为合理的解释，即细菌是由感染而产生的，而不是通过空气传播的。自此，有关自然发生问题的不同观点成为了细菌致病理论和疾病的瘴气理论争论的焦点。

继赫胥黎之后，X俱乐部的第二位重要成员就是才华横溢的物理学家约翰·廷德尔。廷德尔不仅享有英国最负盛名的科学职位，而且作为迈克尔·法拉第的继任者还在皇家研究机构中担任自然哲学教授。他在晶体电磁学领域做出的开创性贡献为其赢得了极佳的口碑，后来他还在大气红外辐射以及臭氧层成分等方面取得过不小的成绩。

闲暇时，廷德尔十分喜爱登山。他不仅是首位登上瑞士阿尔卑斯山主峰魏斯峰的人，也是登顶马特洪峰的第一人。在1869年一次攀登阿尔卑斯山的过程中，廷德尔不慎坠落，造成其腿部严重骨折，伤口感染形成的脓肿差点要了他的命。廷德尔确信空气传播的细菌引发的感染正是那次自己与死神擦肩而过的主要原因，因此他十分支持巴斯德提出的细菌致病理论。

对细菌致病理论的态度让廷德尔与巴斯蒂安分道扬镳。很快，二人在写给《时代》周刊编辑的一系列信中表达了对细菌致病理论和自然发生论完全不同的观点，这些信件最终被刊登在杂志上。廷德尔把他和巴斯蒂安之间的分歧视为一场声援科学家和反对游医骗术的战役，这反而让巴斯蒂安成为了职业医生的代言人，并肩负起保护医生避免遭受其他领域人士攻击的职责。

在X俱乐部看来，这是巴斯蒂安失宠的开始。当得知廷德尔与巴斯蒂安的争辩发表在《时代》周刊上时，赫胥黎感到十分震惊。赫胥黎一直努力保持统一战线，确保进化论能够深入英国的主流社会，而且他认为自己的盟友在公开场合相互攻击是十分危险的，在英国发行量最大的杂志上相互攻击尤其可怕。不仅如此，巴斯蒂安的做法还打破了赫胥黎提出的基本原则，即科学家们需要尊重比自己经验更丰富和成就更卓越的同事。

在同廷德尔发生冲突前，巴斯蒂安就已经开始考验赫胥黎的耐心了。在巴斯蒂安的起步阶段，赫胥黎在他身上看到了科学潜质，决定把他收到自己门下，并希望X俱乐部能够对这位前途无量的年轻科学家有所影响。为此，他曾不止一次对巴斯蒂安的实验进行指导，以确保实验结果客观准确。当时，人们认为像苔藓这样结构复杂的生物不可能通过自然发生的方式出现。然而当苔藓出现在巴斯蒂安的一个密闭试管中时，赫胥黎感到了紧张。试管中出现苔藓的原因并不清楚，但这一现象让赫胥黎对最终出现在巴斯蒂安实验中的微生物的来源产生了怀疑。当得知巴斯蒂安撰写的一本极富争议的书稿[5]即将付印时，赫胥黎建议他推迟出版，因为这本书的主题同生命起源问题一样极具煽动性，向前每走一步都需要十分谨慎。

赫胥黎自己的教训就十分惨痛。1868年，在检查很久之前取自大西洋洋底的沉积物样品时，他发现样品表面生长出了奇怪的黏性有机物。与任何已知的生物都有所不同，这种黏性有机物似乎是在无菌样品上自然出现的。他推测这种有机物可能是一种介于生命体与非生命体之间的过渡类型。德国博物学家洛伦兹·奥肯曾提出最早的生命来自一种“原始黏液”（Urschleim）的观点。后来，德国哲学家和进化生物学家恩斯特·海克尔在《自然创造史》一书中将奥肯的“原始黏液”作为他本人提出的进化阶梯的第一层，并在此基础上进一步提出生命是一种高分子的碳基蛋白体。为了纪念海克尔，赫胥黎为他发现的黏性有机物起了一个标准的拉丁名Bathybius haeckelii，中文译作“海克尔原肠虫”。但是其他科学家对此不以为然，他们只是把“海克尔原肠虫”视为普通的真菌，这让赫胥黎感到自己距离克罗斯曾经的危险不远了。当“海克尔原肠虫”最终被证实只不过是海水中的硫酸钙在与保存标本的乙醇作用后形成的沉淀时，赫胥黎立刻在《自然》杂志上发文公开认错，并致函英国科学促进会承认自己的过失。

赫胥黎的错误成为了反对者们用来攻击进化论的把柄，这一突如其来的状况让他意识到过快地解释一个科学现象可能是危险的，特别是在证据不可靠的情况下尤为如此。毫无疑问，赫胥黎承认生命的确存在起源的过程，但那是在遥远的过去，彼时地球上的自然环境与今天的完全不同。这一事件使赫胥黎思考了达尔文曾经思考过的问题，他意识到自然发生的条件在当今自然界中可能不复存在。正当巴斯蒂安使用“生物自生”一词描述生命自然产生的过程时，赫胥黎则试图通过创造一个新的词汇来定义生命起源的过程。他选择的词汇十分生动，把生命起源的过程称为“无生源论”或“非生命的创生”。这一词汇并不包含无论在过去还是现在生命起源都会发生这层含义，因此与亚里士多德对生命起源的表述一致。与巴斯蒂安的“生物自生”概念不同的是，“无生源论”为解释亿万年前所有可能的生命起源过程留下了空间。赫胥黎确信无生源论可以解释所有生命的来源，他觉得这个词简单得足以表达这层含义，因此不需要再做过多解释。

最终，巴斯蒂安的《生命之源》得以出版。这本书不仅向赫胥黎发起了挑战，而且其中有关生命起源的解释还启发了不少进化论支持者。然而，巴斯蒂安反创世论的言论甚至令许多宗教温和派感到不安，而且他还扬言要阻碍赫胥黎向这些宗教人士宣传进化论思想。其中一位受赫胥黎影响的宗教人士是当时哥伦比亚大学校长、数学家乔治·巴纳德，他能够理解支持达尔文理论的所有科学证据，但因自己的宗教信仰而拒绝接受这一理论。在读了巴斯蒂安的《生命之源》后，巴纳德发现自己深受其理论的影响，然而他依然强迫自己拒绝接受所有的进化理论，因为一旦接受就意味着对自己信仰的背叛。在一篇不太显眼的有关细菌致病理论的文章中，巴纳德思忖进化与自然发生观点对其个人宗教信仰的挑战，并写下了一段相当有说服力的理由为他的信仰进行辩护：

我们被告知接受这些（进化）理论其实不需要动摇我们对万能造物主的信仰。这些理论向我们生动地阐释了造物主在有形世界中实现自己意志的一种更高且更有价值的概念。正是由一系列光和热产生的微小力量以及粗糙矿物的吸引力驱动了有机体不断演化，我们才会认识到像人类这样复杂的有机体正是出自造物主之手。无论如何，认为造物主通过无所不在的影响力（我们称为自然力）实现自己意志的设想的确十分宏伟，但这让我们在解释那些每天创造了无数有感知智慧生命的仁慈时感到困惑。这种智慧或仁慈会在生命诞生的翌日消亡，但这并非是全部。如果这些信条是真的，那么所有有关创生的言论或方法都将变得荒谬。这些信条的确是真的，因为上帝本身是不可能（完成这些任务）的……如果在我对自然的研究中发现了强加给我自觉精神的信仰只不过像蒸气一样短暂出现后就永远消失，这便是真理……但我永远不会感谢科学告知我这一真理。正如我热爱抽象世界的真理一样，我更热爱永不磨灭的希望；如果现代科学所有引以为荣的发现和成果只不过是向人类昭示它们比湖面上燕翅的倒影消散得更快的话，那么我祈祷不要再给我更多的科学知识。让我在简单的无知中继续生活下去，就像我的父辈们曾经生活的那样。当我准备好要离开这个世界时，让我仍可以穿好衣服愉快地躺下，即使这只是虚幻的梦境。

在显微镜下看到的海克尔原肠虫手绘图

随着廷德尔和巴斯蒂安有关细菌致病理论的争辩持续发酵，他们的证据越来越多地涉及自然发生的问题，其中一个重要的论点就是巴斯德是否实际上已经找到了空气能够传播细菌的证据。廷德尔开始利用赫胥黎对巴蒂斯安实验生物学家身份的贬低来破坏巴斯蒂安的成就。对于廷德尔而言，这场争辩掺杂着个人因素——在他看来赫胥黎看到的不严格的实验标准实际上就是对实验结果刻意的歪曲解读。受到廷德尔的煽动，巴斯德借助自己的声誉向巴斯蒂安施加影响。1877年7月，巴斯德写给巴斯蒂安的一封信不仅反映了他对这一问题十分热衷的态度，而且信件表达的好斗精神也不符合巴斯德修养良好、仁慈友善的形象。他在信中这样写道：“为什么对我而言与你争辩并最终取胜如此重要？这是因为你是疾病自然发生学说的主要拥护者之一，我认为这一理论对与医学的发展来说具有极大的危害。”

赫胥黎并没有参与廷德尔和巴斯蒂安之间的太多争论，但他的许多下属很愿意加入到这场争论中。年轻的动物学家雷·兰基斯特是上世纪初最具影响力的演化生物学家之一，他就曾对巴斯蒂安的观点发表过非常严厉的批评。在一篇发表于《显微科学季刊》上的针对巴斯蒂安《生命之源》的恶意书评中，兰基斯特把巴斯蒂安称为“妄想症的受害者”。他写道：“这种妄想可以促成一项非常有趣的心理研究，只有当我们正确理解了巴斯蒂安医生的概念并将其视为一种反常的心理现象时，我们才有可能正确领会他书中的全部观点[6]。巴斯蒂安身上表现出的攻击性正是源自达尔文主义者的阵营，这让许多进化论领域的人士特别是其他国家进化论领域的人士大为困惑。

为了平息这场争辩，廷德尔最终决定去做一件有违自己物理学家身份的事儿。他设计了一个生物学实验，希望能够借此破坏巴斯蒂安的工作。他知道要想平息这场争辩，关键就在于证实空气是能够传播细菌的。这是巴斯德曾经遇到过的问题，并促使巴斯德最终设计出了鹅颈瓶实验。廷德尔的解决方法是将一种他称为“光学纯”的空气注入到一定的密闭空间中。为此，他建造了一个带有透明玻璃观察窗的实验舱，其内部墙面和地面都涂以黏稠的甘油糖浆。这一设计就如同现代的皮棉辊，能将空气中的所有灰尘以及空气中可能传播的细菌黏住。廷德尔尝试用不同的方法在实验舱中重现自然发生现象，虽然其中的一些试管中的确长出了微生物，但并没有得到他预期的结果。在努力找到原因的过程中，他偶然发现的一个现象似乎解开了自列文虎克发现微生物以来自然发生研究中遇到的诸多悬而未决而又相互矛盾的迷团，这就是耐热孢子能够在高温条件下存活。后来为了纪念德国微生物学家费迪南德·科恩在细菌领域做出的贡献，耐热孢子又被称为科恩氏孢子。在此之后，廷德尔继续寻找杀灭科恩氏孢子的方法。他发现通过反复加热可以将科恩氏孢子完全杀灭，这一方法又被称为廷德尔氏灭菌法（间歇灭菌法），至今仍在许多领域普遍使用。

廷德尔的发现解释了巴斯蒂安试管实验中出现微生物的原因：这些微生物是由科恩氏孢子萌发产生的，在巴氏杀菌过程中没有被完全杀灭而存活了下来。自此，空气流动传播细菌的观点——细菌致病论开始得到医学界的广泛认可。从未逼迫自己“吃药”的巴斯蒂安此时发现自己在科学界曾经闪耀的地位如今已黯淡无光。自然发生的观点在廷德尔的实验发表之后遭到了科学界的摒弃，但巴斯蒂安还一直坚信自然发生是一个自然界普遍存在的、可重复的现象。尽管巴斯蒂安在实验生物学家中依然享有很高的声誉，但科学界早已将他排除在外，甚至连英国皇家学会也不再发表他的论文了。

晚年的巴斯蒂安靠行医维持生计，尽管他从未像拉马克那样拮据，但也承受了相当大的经济压力。不论生活何等艰难，巴斯蒂安依然坚持撰写有关生命起源的书籍，直到上世纪。不过，他后来出版的所有书籍只是在首部作品的基础上略加修改形成的，这些书籍并没有引起什么反响，有限的评论也几乎全是负面的。在巴斯蒂安的最后一篇论文发表后，《柳叶刀》杂志配发了一篇社论表达了医学界对他的看法：“在我们看来我们的立场并没有发生改变，当然除了巴斯蒂安医生的勇气与诚意外，我们依然不相信（自然发生论的观点）。”

巴斯蒂安是亚里士多德古老观点的最后一位代表，他认为自然发生是再正常、再普通不过的事情。但生命是由非生命物质孕育的想法不会被遗忘，除了一些坚持认为生命是通过“造物主注入到寥寥几个或一个类型中”的人以外，对于进化论支持者而言，赫胥黎提出的无生源论的概念依然是地球上生命起源唯一可能的答案。尽管赫胥黎本人坚持认为无生源的生命起源过程很可能只会发生在自然条件与今天完全不同的亿万年前，但达尔文却坚信只要条件允许，地球早期生命起源的过程可以在实验室中重演。在1882年给苏格兰地质学家丹尼尔·麦金塔的信中，达尔文写道：“在我看来，尽管到目前为止没有任何有价值的证据支持生命是从非生命物质中孕育出来的假说，但我本人依然相信这一过程在未来一定是可以被证实的。”

证明这一假说最大的障碍莫过于缺乏有关早期地球的基本知识。科学家推测地球诞生之初的自然环境与现在的完全不同，但这种差异究竟有多大却一直无从考证。尽管包括莱尔在内的地质学家支持地壳变化的理论，但这一理论在当时看来不仅过于激进，而且也没有阐明地球大气和地质构造在漫长的岁月中究竟发生了多大的变化。因此，没人知道地球和地球上的生命究竟诞生了多久，事实可能会令这个时代的人感到震惊。

[1].酒石酸是在葡萄、酸角等水果中普遍存在的一种物质。酒石酸也可以人工合成，作为发酵剂出售，通常叫作外消旋酒石酸。——译注

[2].1851年12月2日，路易·拿破仑·波拿巴发动政变，解散议会，并通过公民投票使政变合法化。1852年12月 2日法国元老院宣布恢复帝制，路易·拿破仑·波拿巴成为法兰西人的皇帝，史称拿破仑三世。——译注

[3].5年后，菲茨罗伊因生活窘迫用剃刀割喉自杀。

[4].X俱乐部成员在创立《自然历史评论》和《读者周刊》这两本科学杂志中发挥了重要作用。成员们为这两本杂志撰写了大部分文章。这两本杂志都遇到了经济困难，但最终因亚力山大·麦克米兰出版的第三种杂志《自然》陷入困境。麦克米兰是赫胥黎的一位朋友，因“烟草派对”而出名。而“烟草派对”就像是一个以达尔文主义和其他进化论内容为主题的图书俱乐部。赫胥黎为《自然》杂志创刊号撰写了第一篇文章，其他X俱乐部成员也踊跃投稿。《自然》杂志大约有45万名读者，可能是当今全球最具影响力的科学期刊之一。

[5].指巴斯蒂安的《生命之源》。——译注

[6].私下里最让赫胥黎感到担心的是兰基斯特的理智。在给一位朋友的信中，赫胥黎这样写道：“兰基斯特身上有一些我们所谓‘怪异’的特点。我并不了解这些特点，但他的性格的确有些多变。”（斯特里克，《生命的火花》，第101页）

第8章 找不到生命起源的痕迹

当我在创造地球时，你在哪里？

——《约伯记》，34：4～7

公元前4004年10月23日的某个时刻，地球诞生了，至少这是19世纪大多数西方人的认识。事实上，绝大多数人根本不清楚地球诞生的准确时间，公元前4004年这个“生日”也是1650年由爱尔兰大主教詹姆斯·厄谢尔参考《圣经》中相应的内容，在其编纂的《旧约编年史》中大致推测出来的。尽管如此，大多数人还是相信地球诞生的时间不长。与伏尔泰一样，人们也都认为自诞生之日起地球上的地理格局和地质环境并没有发生太大的变化。

然而，随着越来越多的自然哲学家开始仔细地研究地球特别是地球深部的构造，人类开始意识到地质结构就如同记载地球变化的一部史书，地球的面貌也不是一成不变的。不论置身于高山峡谷还是沙漠河流，人们都能亲眼观察到那些不断改变着地球面貌的缓慢的地质过程。希罗多德在尼罗河旅行时曾注意到河岸边堆积的大量黑色沉积物，并指出沉积物的不断堆积会使这一地区在数千年后形成三角洲。1000多年后，伊比利亚半岛等地的阿拉伯裔学者在沙漠中发现了海洋生物化石，这让他们同样思索着这片绵延不绝的干旱荒漠在很久以前曾经是浩瀚的海洋。

到了17世纪下半叶，对地质现象的观察让欧洲的博物学家开始怀疑《圣经》中有关“创世”过程的叙述。一位名叫詹姆斯·赫顿的苏格兰地质学家对苏格兰高地发生的缓慢地质变化进行了详细的观察研究，并认为地球远比想象的古老，从这些地质变化中找不到任何有关“创世”的遗迹。法国博物学家布丰根据太阳系形成过程的一个著名假设，通过简单的科学计算推测出了地球的年龄。他认为行星是通过大量微行星和陨石的相互碰撞形成的，这与现代天文学家们得出的结论如出一辙。如果我们的太阳系是由彗星不断撞击太阳形成的话，诞生不久的地球表面应该是十分炎热的。布丰认为，在这之后地球经历了一段相当漫长的冷却过程，而这一过程至今依然没有停止。他甚至天真地认为只要自己能够弄清岩石冷却需要的时间就能计算出地球年龄。为此，他设计了一个铁球加热和冷却的实验，并最终根据铁球冷却的时间计算出地球年龄约为74832年[1]。这一行为激怒了罗马教廷。为了找布丰的麻烦，教廷甚至威胁将他逐出教会。自知闯祸的布丰立即致歉并表示悔恨，但很快他就在接下来发表的著作中继续使用这一数字。

布丰的计算结果虽然依据的是严谨的科学实验，但尚不够精确。进入20世纪后，科学家推测地球的历史至少有数十亿年之久，这使布丰的结果与大主教厄谢尔推测的地球年龄更加接近，而与现代科学得到的结果相比还存在不小的差距。对地球真实年龄以及地球自诞生以来变化的重新认识将会在那些继承达尔文遗志、努力探索生命起源问题的科学家中产生巨大反响。

20世纪初，西方社会在自然科学方面的研究取得了长足的进步。在物理学领域，阿尔伯特·爱因斯坦发表的4篇重量级论文不仅为量子力学的发展奠定了基础，而且提出了震惊世界的相对论。在天文学领域，一位名叫乔治·勒梅特的比利时裔罗马天主教牧师首次提出了宇宙起源的大爆炸理论。在化学领域，德国化学家弗里茨·哈伯设计出了氮气的工业合成法，这一方法使化肥的生产成为了现实。化肥的大规模使用不仅推动了农业革命，而且使人口以前所未有的速度扩张。与此同时，人们用同样的化学方法还制造出了炸药，进而加速了两次世界大战的爆发。

虽然许多科学领域都取得了巨大的进步，但是有关生命起源问题的研究在西方国家并没有引起足够的重视。在巴斯蒂安的自然发生论遭到摒弃之后的10多年里，生命起源问题再没有引起顶级科学家们的关注。学校课本里讲述的通常是巴斯德有关生命起源的认识，其中还包括他证明生命绝不会从非生命物质中孕育的著名实验。至此，世界上大多数著名的进化论支持者都认可生命只可能在地球起源之初通过非生命物质形成，但是直到20世纪初科学家们都不清楚早期地球的模样，甚至连地球究竟诞生了多久都不十分清楚。

1933年，诺贝尔奖得主、英国皇家学会主席、生物化学家弗雷德里克·霍普金斯在英国科学促进会发表的一次讲演中总结了当时生命起源研究的混乱状态。他讲道：“尽管有关生命起源的推测让科学家十分着迷，但我们目前所知道的只是我们对生命起源的过程一无所知……绝大多数生物学家都认同生命的出现是宇宙历史中最不可能的也是最重要的事件，但他们也都认为目前应当暂时搁置这一问题。”

霍普金斯的评价并非完全正确，因为许多科学家其实一直都在心无旁骛地研究生命起源问题，其中最著名的两位当属墨西哥人阿方索·埃雷拉以及法国人史蒂芬·勒迪克。除了他们以外，20世纪20年代还有两位科学家各自提出了有关生命起源的开创性理论，他们二人的观点十分相似，其理论直到20世纪中后期依然具有广泛的影响。这两个理论在一开始都没有得到广泛关注，但在随后的几十年里，它们都为科学家再度探索生命起源问题奠定了基础。

与当年达尔文和华莱士独立提出进化论的情形一样，这两位科学家也都是在不清楚对方研究工作的情况下独立提出各自的理论的。其中一位是来自苏联的科学家，实际上他的工作并不被西方科学家熟知；另一位是个怪人，他在散文方面的成就帮助其赢得了英国最受欢迎的科学作家的称号。他们之间也有许多共同点，比如他们的理论都是在20世纪20年代对古老地球及远古生命全新认识的基础上得出的。不仅如此，这两位科学家还都有慷慨激昂的政治信仰，对于他们而言政治与科学同样重要。

最终，二人的观点融合为一个再现地球生命起源过程的宏大假说。这一理论被称为奥帕林-霍尔丹假说，由苏联学者亚历山大·奥帕林和苏格兰学者约翰·伯顿·桑德森·霍尔丹共同提出。

霍尔丹不仅喜欢将自己置身在众人之外，而且他的观点总是与大多数人背道而驰。朋友们喜欢称他杰克，而外人则叫他约翰·伯顿·桑德森。许多年后，奥帕林-霍尔丹假设得到了主流学术界的认可，这让暮年的霍尔丹开始思索自己曾经做错了什么。他几乎没时间在意社会礼节，喜欢让人们大吃一惊；他还公然鼓吹性征服，但那些熟识他的人很少相信性征服真的会出现。霍尔丹英俊潇洒，年轻时尤其帅气。尽管如此，在与女性接触时他从没有安全感。这很可能是由于他小时候曾受到知识分子欺凌，让他在心理上疏远了自己同龄的伙伴。霍尔丹总是陶醉在自己的特立独行之中，并不时有意夸大这些性格。这些怪癖的行为并非子虚乌有。

除了怪癖的性格以外，霍尔丹还有纵火癖。在服役期间，他因把炸药和火柴放在同一个口袋而声名狼藉。他的一位战友后来回忆道：“那些生活中与霍尔丹接触密切的士兵如果发现他出现在食堂和办公区，可能会感到一定程度的恐慌。”但无论如何，霍尔丹对炸药和军火一直情有独钟。这与英国民间传奇人物盖伊·福克斯不谋而合，就连他们的生日也是同一天。点燃烟斗时，霍尔丹通常会让火柴燃至自然熄灭。他简直就是被赫胥黎称为“丢失的螺钉”的人中的一员，通过其他人不具备的众多“螺钉”来弥补自身的这一缺陷。

霍尔丹异于常人的聪明才智在很小的时候就已表现出来。他4岁时前额受伤，就曾问医生自己的血液是“氧合血红蛋白还是碳氧血红蛋白”。这类术语在他成长的环境中经常使用。他的父亲罗德·霍尔丹不仅是苏格兰贵族，还是著名的牛津生理学家。罗德·霍尔丹在家中建立了一个私人实验室，只要有机会就会让孩子们参与到自己的科学研究中来，但这样有时也会把孩子们置于危险之中。他还总是把孩子们当作实验品以检测各种气体对人的影响。许多年后，当霍尔丹为英国政府调查第二次世界大战期间不同气体对潜水员的影响时，他继承了父亲的做法，也把自己当作测试的对象。

罗德·霍尔丹的许多研究是围绕英国煤矿工人接触的气体展开的，这项研究后来使他在第一次世界大战期间萌发了设计防毒面具的想法，据说这种防毒面具的效果还不错。他前往英国一些最危险的矿井中开展研究，有时也会带上霍尔丹。他把霍尔丹装入水桶下降到狭小的矿井中，那里的工作环境相当恶劣。在一次研究中，父子俩差点被一袋易燃的有毒沼气夺去生命。汉弗莱·戴维发明的安全灯最终救了他们，这种安全灯遇到沼气时会自动熄灭，这给父子二人发出了警示。这次矿井之行使年幼的霍尔丹第一次感受到了英国工人阶级的危险处境和悲惨命运，这使得他在后来的日子里一直在为工人阶级感到担忧。

霍尔丹在伊顿大学学习期间理科成绩十分突出，他的许多同学甚至认为是霍尔丹在给老师上课。然而他在完成一半本科课程之后转修了古典文学，这种非正规非专业化的学习与他接近科学的方式有很大关系。自16世纪科学革命以来，科学慢慢地向专业化的方向过渡，物理、化学、医学以及其他学科被划分得越来越细，不同的专业分别由不同的教师讲授。进入20世纪以后，不同学科之间的界线已十分明显，但霍尔丹几乎在任何学科领域都能大显身手。

霍尔丹，摄于1941年

随着第一次世界大战的爆发，霍尔丹加入了苏格兰高地警卫团并被任命为中尉，负责领导首批迫击炮分队中的一支。这些早期的实验迫击炮不过是装满炸药的火炉烟囱，通过不间断的轰炸骚扰敌人。警卫团的官方记录中曾记载这些迫击炮的落点根本无法预测，“对于敌方和己方造成的危险几乎无异”。霍尔丹对于这种危险感到兴奋，他甚至还鼓励下属在迫击炮附近吸烟。后来他回忆道：“我当时认为我们应当对自己以及手中的武器抱有绝对的信心，这一点很重要。”

在作战中霍尔丹表现得十分英勇，有时甚至近乎疯狂。夜间停火时，他会悄悄潜入双方军队战壕之间的无人区，希望偷听到敌军谈话的只言片语。在家书中，他把战争带来的刺激亲切地比作自己在同父亲下到矿井中做实验时所获得的兴奋感，因为在矿井中稍不留神就会造成极其严重的后果。道格拉斯·黑格先生是当时派驻法国作战的英国远征军总指挥，他把霍尔丹称为“我军最英勇也是最令人厌烦的军官”。

在一次炮击中受伤的霍尔丹随后被送往伊拉克，在那里他得到命令同德国的土耳其同盟军作战。在1919年第一次世界大战结束时，霍尔丹返回英国。虽然战争给数百万名参战士兵的内心留下了创伤，但霍尔丹的内心却一直平静。他实际上“热爱一战”，并把这一点归结为进化的原因——早期人类对杀戮的渴望可能就是一种进化优势。最终，当霍尔丹作为旁观者而非参战者见证了战争的恐怖时，他开始为自己对第一次世界大战的愉快回忆感到不安。晚年的霍尔丹甚至成为了甘地“非暴力不合作”运动的倡导者。

尽管霍尔丹从来没有被授予过任何科学学位，但在第一次世界大战结束后他得到了一个在牛津担任教师的邀请，讲授的学科可以由他任意挑选，最终他选择了生理学。后来他又接受了剑桥大学三一学院的职位，在那里他遇到了自己后来的妻子夏洛特·伯格斯——一位在《每日快报》工作的年轻的犹太裔女记者，同时也是社会主义人士及女权主义者。1926年是霍尔丹与伯格斯婚后的第一年，在苏联农业科学院院长、植物学家尼古拉·瓦维洛夫的邀请下，夫妇二人前往苏联访问。在那里，他发现自己迷恋上了这个年轻的国家，这使得他在随后的日子里，特别是在欧洲法西斯主义蔓延和西班牙内战爆发的情形下慢慢地向共产主义靠拢。

1936年西班牙内战爆发后，霍尔丹决定支持共和党。他乔装打扮，头戴鸭舌帽，身穿马裤和黑色皮衣飞往马德里，在那里他告诉政府弗朗西斯科·佛朗哥的法西斯叛军可能会发动化学战，并希望说服政府能够提供空中支援。有一次，霍尔丹的古怪装束一度让共和党人误把他当作法西斯间谍实施抓捕。

在西班牙时，霍尔丹开始把自己在《工人日报》上发表的有关自己经历的文章寄回英国。回到英国后他成为了该报科学版的通讯记者，并最终成为了编委会的主席。此时他已荣获杰出作家的称号，同时他还具备用简单的文字将复杂的科学问题普及给公众的能力，他撰写的文章很容易让普通公众理解和接受。霍尔丹的仰慕者阿瑟·C·克拉克（2001年出版的《太空冒险》一书的作者）把他称为“可能是那个时代最具才华的科普作家”。

霍尔丹的朋友中不乏科幻小说作家，其中最知名的一位当属赫胥黎的孙子阿道斯·赫胥黎。如果有机会阅读阿道斯·赫胥黎的《美丽新世界》，你就找到霍尔丹理论的影子。不仅如此，现在我们耳熟能详的“克隆”一词也是由霍尔丹最先使用的。他提出的有关体外受精、试管婴儿以及氢可以抑制能量等许多概念目前似乎已经过时，他的一些早期作品甚至被人们误以为是科幻小说。由于霍尔丹的科普作品经常受到人们的追捧，科学家们很容易低估霍尔丹作为严谨科学家和研究人员的影响力，特别是他在进化论和蓬勃发展的遗传学领域所做出的贡献。

在霍尔丹一生的工作中，影响最为深远的莫过于有关生命起源的研究。1929年，他发表了有关这一问题的第一篇也是最重要的一篇论文，题目为《生命的起源》。他撰写这篇论文的目的不过是要维护自己的唯物主义世界观，讽刺巴斯德证明生命体不会从非生命物质中孕育的流行观点——只有那些“深信超自然力量”的人才会坚持这一观点。霍尔丹认为，生命要么是在地球诞生之后不久由非生命物质产生的，要么就是由非生命物质与灵魂共同组成的（现代生物学几乎不认可后一种观点）。也许，这篇论文最重要的一点就是假设了数十亿年前生命诞生那一刻地球上的自然景象。这一假说一经发表就得到了学者们的广泛认同。总的来说，早期地球的自然环境与达尔文曾经推测的有所不同。达尔文曾经认为“温暖的小池塘”存在的地方，霍尔丹认为存在的是“原始汤”[2]，我们现在熟悉的任何生命形式都无法在这样的“原始汤”中生存下去。

霍尔丹提出的生命起源假说综合了地质学和生物化学的最新研究成果以及人们对生物进化过程的全新理解。这不仅是一个可以深入研究和不断发展的现代理论，而且其展示的生命起源过程与先知们所坚持的自然发生论相比要复杂得多。但是霍尔丹的论文发表之后并没有立刻引发人们的关注，很多年后他的理论才开始影响那些治学严谨的科学家。起初，很多科学家都认为他的模型只不过是一种假说，随后这一假说因为具有一定的可行性而逐渐得到了学者们的关注。当西方科学家意识到苏联学者提出了相似且更为详尽的假说时，霍尔丹的理论得到了更多有识之士的认可。

早在霍尔丹论文发表之前的5年，媒体就介绍了苏联学者出版的一本有关生命起源的小册子。由于大多数西方科学家并不精通俄语，这一信息并没有引起太多人的关注。这本小册子的作者名叫亚历山大·奥帕林，他提出的一个生命起源的假说与霍尔丹后来提出的假说惊人地相似。与霍尔丹相比，奥帕林对生命起源问题的认识更加详尽，在科学论证上也更加严谨。与转向其他课题研究的霍尔丹不同，奥帕林余生都在细化和发展自己的理论。1936年，奥帕林著作增订版的英译本开始出现在西方高校的图书馆中，演化生物学专业的学生们开始争先恐后地阅读这部20世纪生命起源领域里程碑式的著作。在这部著作出版75周年之际，英国《自然》杂志将奥帕林评价为“20世纪最伟大的科学家”。尽管如此，在演化生物学这个小领域以外，也很少有西方人知道奥帕林。

亚历山大·奥帕林出生在莫斯科以北伏尔加河沿岸一个名叫乌格里奇的小村庄。19世纪的一部俄国小说曾经描述过这个村庄：放眼望去，那里满是木质结构的房屋，偶尔还可以看见拉着农产品前往集市的马车。当奥帕林在科学界出名时，他几乎已经从苏联消失了。他极其简单的身世也经常让那些后来认识他的人感到惊讶。奥帕林喜欢穿做工考究的西装，配以名牌领结。这种装束在当时的苏联似乎显得有些古怪。他的奇装异服、特殊的雅罗斯拉夫尔口音以及他发音时重读的“O”，都让许多苏联人误以为他是外国人。

奥帕林年轻时就信仰马克思主义和进化自然史，这些知识都是他孩提时代的偶像、俄国植物学家克利门特·季米里亚泽夫介绍给他的。奥帕林在乌格里奇度过了童年，那时他就对植物学产生了兴趣，经常在乡下寻找并收集稀罕的植物。他读过无数遍季米里亚泽夫的《植物的生活》，甚至可以倒背如流。在沙皇时代即将结束时，奥帕林还是个居住在莫斯科的少年。他经常参观那里的莫斯科工艺技术博物馆，博物馆里有个由罗曼诺夫家族的著名建筑师、天资聪慧的伊波利特·蒙尼格提设计的圆形剧场，季米里亚泽夫定期在这个富丽堂皇的剧场举办讲座。

当时，季米里亚泽夫已经成为俄国最早开始接受达尔文进化论的人士之一。就在《物种起源》出版后不久，年轻的季米里亚泽夫就曾前往位于英国道恩郡的达尔文住所进行“朝圣”。当他得知达尔文因病拒绝会客时，便在当地客栈二层租下一个房间等待达尔文康复。这之后的一周，他每天都到达尔文家的门廊处坐上一阵儿，直到这位心目中的偶像最终同意与他午后一起愉快地散步交谈才肯罢休。季米里亚泽夫回国后即成为了达尔文进化论在俄国最有威望的倡导者，他在俄国学术界的地位与赫胥黎在英国的地位差不多。

对季米里亚泽夫而言，达尔文的进化论不仅是科学理论，还是一种革命力量。它融合了唯物主义和美学，其内涵甚至可以延伸到社会和政治领域。人们通常会在季米里亚泽夫引人入胜的科学讲座中感受到这些事物之间的联系，最终这些联系让他失去了自己在俄国最著名的高等学府莫斯科大学的职位。季米里亚泽夫在莫斯科工艺技术博物馆举办的讲座使奥帕林逐渐成为了前辈科学家激进政治和进化思想的支持者。

季米里亚泽夫讲述的达尔文的故事让奥帕林着迷。但一开始听他介绍达尔文进化论的时候，有一个细节让奥帕林感到困惑：达尔文对生命起源这个对于唯物主义进化论来说最重要的内容只字未提。成为教授的奥帕林后来这样告诉学生：“达尔文确实写过《物种起源》这本书，但他遗漏了最开始的一章。”这也正是他付出毕生心血试图填补的空白。

第一次世界大战爆发时，奥帕林还不到20岁。战争期间，他在莫斯科大学研究植物学。1918年毕业后，他师从著名的植物生物学家阿列克谢·尼古拉耶维奇·巴赫，后者不仅是俄国社会主义革命人士中的传奇人物，还是左翼民意组织的保守派成员，该组织曾经策划了对亚历山大二世的暗杀。在俄国社会主义革命期间，巴赫创作了其最具代表性的宣传品《饥饿的沙皇》。这部作品是对罗曼诺夫王朝和资本主义制度的强烈谴责。

结束了在瑞士的流亡生活后不久，巴赫返回俄国并最终在莫斯科与奥帕林相遇。此时距离欧洲最后一位专治君主、俄国沙皇尼古拉斯二世退位已有一年之久。俄国十月革命后，莫斯科街头上到处都是革命人士。回国后，巴赫发现自己慢慢成为了苏联科学界的重要领袖。他与奥帕林一同组建了今天的俄罗斯科学院生物化学研究所，并被任命为第一任所长。他死后这一职位由奥帕林接任。

奥帕林早期的研究成果大多与粮食生产有关，这是政权建立之初维持社会秩序面临的首要问题，也是奥帕林全心投入的事情。但在研究农业的同时，他也从未停止对生命起源问题的探索。自从听了季米里亚泽夫的讲座，这个问题就一直萦绕在他心头。1919年，奥帕林完成了有关生命起源问题的第一篇论文。

1922年，奥帕林把自己有关生命起源问题的新想法提交到俄国的学术机构，两年后他开始着手撰写一部有关这个宏伟理论的著作。包括赫胥黎和巴斯蒂安在内的一批科学家都曾认为亿万年前生命诞生时地球的自然环境与今天的差别不大，而且他们相信生命的出现是一个极其短暂的过程。而奥帕林则从一种有别于前人的角度解决这一问题，这与霍尔丹采取的方式不谋而合。

另外，奥帕林与霍尔丹正在为数十亿年来地球上已经发生的事件寻找答案。在他们看来，地球至少有数亿年的历史得不到确认，因此在现有的条件下他们只能凭借想象还原这段时期地球的自然环境。尽管在此之前的40年里有关生命起源的研究一直停滞不前，但科学家们对生命最早诞生时的自然环境的认识却发生了巨大的改变。比如，科学家们第一次认识到地球的真实年龄比以往任何想象的都要大得多，而且在地球的大部分历史时期都曾有过生命出现。

对达尔文来说，时间一直都是个不可思议的东西。他认为以自然选择为基础的进化过程事实上极为缓慢，物种一代一代缓慢变化的过程充满了进化的终结和漫长的停滞。因此，想要在人们可以接受的时间框架内阐明最简单的微生物是如何一步一步演化出像人类这样的复杂高等生物是十分困难的。

尽管布丰曾经猜测的地球年龄足以让达尔文时代的人们望而生畏，但这个问题始终是无法回避的。在《物种起源》第一版中，达尔文就表达了自己对地球年龄的想法。但达尔文估算的地球年龄没有比布丰和厄谢尔的结果好到哪儿去，他根据英格兰南部的地层计算出地球年龄为306662400年。

爱尔兰物理学家威廉·汤普森对达尔文估算的地球年龄进行了详细的核实。汤普森是当时学术水平最高也是最受公众尊敬的科学家之一，人们常用他晚年获得的勋爵头衔开尔文称呼他。开尔文第一次实现了跨大西洋的电报通讯，这不仅让他获得了高额的回报，而且使他一举成名并被册封为贵族。除此之外，他还提出了热力学第一定律和第二定律，并利用这两个定律独立计算出了地球年龄。与布丰的计算方式相似，开尔文对地球年龄的计算也是以地球冷却的时间为基础的。地球内部放射性元素的衰变会持续不断地释放出热量，但开尔文当时没有意识到这一点。他只是简单地认为地球是个实心球体，从诞生之日起就一直缓慢地冷却，因此他通过计算地球外部与内部的温度差就可以推测出地球的年龄。

在《物种起源》出版3年后，开尔文公布了自己的计算结果，认为地球的年龄应该在2000万年和4亿年之间。但没过多久，他就对这一结果进行了修订，主要为了使地球的年龄与估算的太阳年龄保持一致（现在看来开尔文参考的这个太阳年龄被严重低估）。到了1897年，开尔文又把地球的年龄确定在2000万年和4000万年之间，并且认为可能更接近2000万年这个结果。赫胥黎认为开尔文的计算方法有误。就连达尔文的亲生儿子天文学家乔治·达尔文也严重低估了地球的年龄，他根据天体自转减慢的时间计算出地球年龄大约为5600万年。总而言之，直到19世纪末地球的真实年龄都是个十分重要但充满争议的科学问题。

面对这一问题引发的诸多争论，达尔文删除了《物种起源》第二版及之后所有版本中涉及地球年龄的参考文献。实际上，达尔文一生都对地球年龄的问题感到困惑，因为它涉及公众对自然选择这个生物进化主要因素的接受程度。甚至连达尔文最坚定的支持者都承认自然选择很可能需要经历上亿年的时间才能完成，但这样长的时间难以与推测出的生物进化的时间相一致。

在此之后，法国人的一个发现引发了一系列事件，并推翻了之前有关地球年龄的所有假说。1896年，即开尔文公布地球年龄最终结果的前一年，一位名叫亨利·贝可勒尔的法国科学家偶然把一小包铀盐放在了还未使用的底片上，一段时间之后他发现底片上留下了铀盐的影像，就好像拍过照一样。贝可勒尔还发现，如果把物体放在铀与底片之间，底片上就可以留下物体的影像。他据此得出的唯一结论就是岩石可以发出肉眼不可见的能量射线。3年后，玛丽·居里发现了钋和镭两种元素，并创造了“放射性”一词来描述这些元素释放的神奇能量。

没过多久，物理学家就利用放射性元素的衰变原理发展出一套测量岩石年龄的方法。岩石由化学元素组成，其中一些元素由不同的同位素组成（同位素是指相同元素的原子核中具有不同数量的中子）。一些不稳定的同位素具有放射性，通过缓慢而连续不断的衰变形成质量更轻的新元素。放射性元素衰变掉一半质量形成新元素所花费的时间称为该元素的半衰期。在形成之初，岩石中各种元素的同位素丰度主要由地壳物质决定。但是随着时间的推移，其中的一些元素发生了放射性衰变形成新的元素，因此岩石中各种元素的比例一直是在缓慢地变化着的。通过测量岩石中放射性元素的衰变量，地质学家就可以计算出岩层的年龄，人们把这一方法称为“放射性年代测定法”。

1907年，化学家伯特伦·博尔特伍德发表了26块岩石的放射性测年结果，其中一块岩石的年龄有5.7亿年之久。这一结果令当时的人们感到震惊。随着放射性测年技术的发展，博尔特伍德的那块5.7亿年的石头最终被确定形成于距今13亿年前。与此同时，其他地质学家发现了年代更加久远的岩石，其中在今天印度和斯里兰卡一带发现的一块岩石有16亿年的历史。到了奥帕林返回莫斯科的时候，不少科学家已经相信地球的真实年龄比一个多世纪前任何人预想的都更加久远。然而直到20世纪中叶，绝大多数的科学家才接受地球形成于大约45亿年前这个结论。

虽然地球的真实年龄被科学家确认，但地球上的生命自何时诞生这个问题依然没有得到解决。赫胥黎曾认为无生源的生命起源过程十分罕见，这一过程需要在各种条件和机会全部满足的条件下才可能出现，因此在整个地球的历史中可能也只出现过一次，再次出现的可能性几乎为零。他认为绝大部分地史时期可能都是没有生命存在的，这一观点实际上能够与不完整的化石记录相吻合。

19世纪上半叶，地质学家们还只是研究那些随机发现的化石。这些化石只有在各种地质条件都存在的理想情况下才能形成，而且只有那些裸露在地表的化石才有可能被发现，比如达尔文在圣杰戈岛发现的化石。工业革命的开始改变了一切，英伦诸岛上开凿出的大大小小的运河将港口和煤矿与内陆工业中心紧密地相连，而留给地质学家们的则是一条条通往地球深部的裂缝以及裸露在地表的亿万年来沉积形成的岩层。这使地质学家们开始意识到特定的岩层只产出某些特定种类的化石。因为岩层形成的准确年代只有通过放射性测年的方法才能获得，所以19世纪的地质学家还不清楚这些岩层形成的年代，但他们的确认识到一些岩层形成的时间比另外的一些更加久远。

最终，地质学家们依据不同的岩层把地球的历史划分成两个阶段：延续时间较短、距离现在更近的称为显生宙，而延续时间较长、更加古老的阶段被叫作隐生宙。“显生宙”一词在希腊语中意为“可见生命的时代”，又可以被细分成延续时间更短的地质时期。其中第一个地质时期称为寒武纪，由于这一时代的地层最早是在英国的威尔士地区发现的，因此“寒武纪”这个名字是由亚当·塞奇威克根据“威尔士”的拉丁语地名创造出来的。出于同样的原因，显生宙之前的时代又被称为前寒武纪。与前寒武纪的名称相比，寒武纪这个名称更富有想象力。

达尔文撰写《物种起源》时，科学家获得的所有化石均来自显生宙。如今，我们知道显生宙延续的时间只不过相当于地球历史的15%，在显生宙之前漫长的地史时期化石记录十分稀少。在《物种起源》中，达尔文描述了自己面对的尴尬：“如果进化论是真的，那么生命应该出现在寒武纪之前漫长的地质时期……但是我们为什么没有在前寒武纪地层中发现任何化石？对于这个问题，我目前没有满意的答案，这一情况依然无法解释。”大约半个世纪之后，一位名叫查尔斯·杜利特尔·沃尔科特的美国青年地质学家最终找到了这个问题的答案。

由母亲抚养的沃尔科特在美国罗德岛州长大，高中肄业的他没读过大学。青年时期的沃尔科特是一位职业化石收藏者，并且很快成为小有名气的化石猎人。他把收集到的化石卖给大学换取生活费，这与当年华莱士靠收集和兜售现生动植物标本环球考察的做法颇有几分相似。26岁时，沃尔科特成为了纽约州著名地质学家詹姆斯·霍尔的助手。霍尔在古生物学方面的造诣颇深，当然其刚烈的性格也是出了名的。

霍尔邀请沃尔科特参与到自己最有意思的研究项目当中。这个项目是有关萨拉托加城附近河床中形状奇怪的生物礁化石的，这些生物礁每个单体的直径都在1米左右，在石灰岩上形成一个个美丽的圆形图案。这些生物礁都是由数百万个微小的藻类植物形成的，霍尔确信这些形状反映了礁体原始的形态。他把形成这些礁体的微小藻类称为“隐生藻”（Cryptozoon），意为“看不见的生命”。但是这项研究最致命的问题在于霍尔并没有找到“隐生藻”的化石，只不过发现了由这些生物创造出的生物礁。实际上，在21世纪的今天要想找到微生物化石也是一项十分困难的事情，因为微生物细胞的形状和体积与其他非生命的自然物质差别不大。而微生物也没有坚硬的骨骼结构，要想形成化石自然难上加难。因此，有关微生物化石的争议主要集中在形成化石的沉积环境以及岩石中碳和硫等元素的同位素丰度上，而后者往往是生命活动的产物。虽然现代微体古生物学家可以利用精密的仪器确定微体化石是否为生命活动的产物，但这些仪器和技术在沃尔科特生活的时代是根本不存在的。因此，当时几乎没有科学家认为霍尔发现的“隐生藻”是生命活动的产物。要想支持霍尔的观点，沃尔科特就必须找到更有力的证据。

在大峡谷中考察的查尔斯·杜利特尔·沃尔科特

3年后，沃尔科特在霍尔的推荐下到新成立不久的美国地质勘探局工作。很快，他就启程前往美国西部，对北美最著名的自然奇观——科罗拉多大峡谷进行了考察。在当时，大峡谷的壮美还鲜为人知。

1700多万年来，奔流不息的科罗拉多河在坚硬的土地上切割出一条440多千米长、1000多米深的巨大峡谷。如今，这里已经变成了古生物学家们魂牵梦萦的地方。尽管科罗拉多大峡谷的规模不及尼泊尔的卡利甘达基峡谷，但稀疏的植被使科罗拉多大峡谷成为了包括沃尔科特在内的众多古生物学家的研究圣地。这里裸露的岩层不仅超过了卡利甘达基峡谷，甚至比19世纪化石猎人们开辟的英格兰和苏格兰的小山丘还多。科罗拉多大峡谷的崖壁就像是平整分层的河面，唯一不同的是这个河面向地下切割了1600米，穿越了20亿年的时光。

美国地质勘探局考察队队长约翰·韦斯利·鲍威尔意识到大峡谷是潜在的化石发现地点，于是要求沃尔科特全力寻找化石。沃尔科特很快就发现了与霍尔“隐生藻”类似的化石，更重要的是他发现化石的层位几乎全部形成于前寒武纪。1891年，沃尔科特在一篇文章中这样写道：“毫无疑问，前寒武纪海洋中的确存在生命。”但直到1899年他才发现了自己一直苦苦寻觅的有关“隐生藻”的确凿证据，此时距离他受到霍尔“隐生藻”的感召已经过去了20年。沃尔科特在大峡谷中发现了微小的单细胞藻类化石，他依据化石产出的地层为其取名为“丘阿尔藻”（Chuaria）。尽管这一发现在20世纪颇具争议，但目前已知时代最早的“丘阿尔藻”化石距今大约有16亿年。沃尔科特的发现最终填补了达尔文化石记录中缺失的一环。后来，科学家们找到了更为古老的化石，这使学术界认识到在地球长达45亿年的历史中，简单的生命形式至少存在了35亿年之久。

当奥帕林和霍尔丹开始阐述生命起源理论时，他们已经意识到了地球的年龄比前人猜想的还要大。意识到这一点十分重要，因为这意味着生命最早出现时，地球的自然环境和今天的相比存在着天壤之别。奥帕林和霍尔丹完全可以抛出自然发生的旧理论，认为任何非生命物质在与现在相似的自然环境中都可以孕育出生命。而事实刚好相反，他们一直在思考的是生命形成需要怎样的自然环境。

奥帕林从20世纪20年代开始阐述自己有关生命起源的理论。他在自己的著作特别是1936年出版的《地球上生命的起源》一书中，依据当时已经发现的事实描绘出亿万年前地球刚刚诞生时的画面。那时的地球与现在迥然不同，大气成分与今天的相比差异更大，可以说完完全全是个陌生的星球。

要知道生命起源需要哪些元素并不是件十分困难的事情。当生命体被分解成最基本的化学元素时，组成所有生命形式的化学元素不仅惊人地相似，而且还十分简单。从最小的细菌到最高等生物的细胞，所有已知的生命形式主要都是由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）4种元素组成的。依据其元素符号，化学家通常把组成生命体的这4种基本元素称为“CHON”。除此之外，其他组成生命体的元素都属于微量元素，其中最重要的是硫（S）和磷（P）[3]。C、H、O、N四种元素[4]大约占到生命体总质量的98%。这4种元素在地球上广泛存在，几乎随处可见。事实上，它们是宇宙中最常见的7种元素中的4种。

要理解这4种基本元素如何形成生命所需的复杂分子其实并不容易，因为这些基本元素一直存在，但它们以何种形式存在于早期地球却是个谜。比如，那时的氧是否和现在一样既可以以化合态的形式存在于水中，又可以以分子的自由氧形式存在于大气中？要想认识生命起源的方式，首先就要弄清早期地球上都有哪些化合物存在。

一开始，奥帕林假设早期大气中并没有自由氧。通过对木星的观察，他推测早期地球的大气可能是由甲烷和氨组成的，并且经常受到太阳紫外线和其他宇宙射线的轰击，而现在地球大气中的臭氧层则可以抵御住这些射线的影响。当时地球表面的火山活动比现在剧烈得多，因此地表更容易受到火山活动持续性的破坏。受到太阳辐射和火山爆发的双重影响，大气可能分解成不同的组分，进而再形成新的化合物，不排除其中的一些溶解在辽阔的海洋中。这种连续的化学变化可能形成了最初的有机物，并最终成为一种介于非生命与生命之间的前细胞机体。霍尔丹有关早期地球自然环境的观点与奥帕林的观点惊人相似，二人理论中的相同点构成了奥帕林-霍尔丹假说的基础。

在随后的几十年里，随着科学家们对生命诞生之初地球和宇宙环境的了解越来越多，奥帕林-霍尔丹假设中的部分要素得到了有力证实。地球化学是一门通过基本化学定律研究行星演化过程的学科。在20世纪末，科学家们利用地球化学手段证实了早期地球大气中的含氧量确实很低。这种局面自地球诞生以来持续了大约20亿年，直到光合自养生物出现后大气的成分才发生了根本的改变。这里所谓的“含氧量低”指的是大气中几乎没有臭氧，无法抵御来自太阳的紫外线辐射。

高能是有机化合物自然形成的驱动力，这是奥帕林-霍尔丹假说强调的最后一个极为重要的因素。虽然早期有机物结合形成的简单聚集体比我们已知的任何单细胞生物还要简单，但它足以复杂到把其他有机物转化为更多和自己一样的聚集体。需要指出的是，这其中的一些化合物结构相当复杂。霍尔丹把它们称为“半生命体”，而奥帕林则把它们称为“团聚体”。

在接下来的几十年里，霍尔丹和奥帕林的观点出现了越来越明显的分歧。首先，二人在构成生命体的物质方面观点不一。奥帕林认为生命活动的关键是细胞代谢，即将食物转化为生命物质的化学反应的集合。他认为生命本身是个化学过程，蛋白质是这个过程的重要组成部分。这一学派又被称为著名的“代谢优先”学派。

与奥帕林不同，霍尔丹认为生命的关键存在于基因中。他有关生命体与非生命体中间阶段的概念来源于对病毒的研究。当时科学家们对病毒只有最基本的认识[5]。因为病毒比细菌小很多，所以科学家们直到1933年才通过显微镜看到病毒。对于病毒是否属于生命体的问题，学术界存在很大的争议。霍尔丹尤其被一种叫作噬菌体的病毒吸引，这种病毒能感染细菌。对霍尔丹而言，噬菌体具备的特征可能就是“半生命体”的特征。1915年，法裔加拿大微生物学家费利克斯·德海莱绞尽脑汁想弄清楚为什么印度的恒河和亚穆纳河河水不会使人们感染霍乱。虽然这两条河流都被生活污水污染，水中也滋生了大量细菌，但德海莱发现这两条河水中都含有大量的噬菌生物。很快，一些科学家发现这些噬菌生物具备胞内自我复制的功能。

霍尔丹与奥帕林对生命的不同见解源于二人完全不同的研究领域。在苏联，由于遗传学以“适者生存”这种与马克思主义背道而驰的原则为基础，更是被视作“资产阶级的科学”。而在西方国家，遗传学研究正掀起一场生物学革命，霍尔丹正是这一领域最重要的人物之一。

尽管方济会修士格里哥·孟德尔在19世纪中叶就发现了遗传学基本定律，但其著作直到1900年才开始受到关注。直到那时，不少科学家才意识到孟德尔发现的重要性，并使他的理论很快得到认可。1906年之后，科学家们开始使用“基因”一词描述所谓的“遗传因子”。

从一开始，霍尔丹就接触到了遗传学的前沿领域。1901年他9岁时，父亲带他去听有关孟德尔理论的前沿讲座，遗传学因此成为了霍尔丹一生中最热爱的学科。他一生中的绝大多数论文和实验也都与遗传学相关，这使得他后来在达尔文自然选择理论与孟德尔的遗传学理论融合方面做出了重要的贡献。

西方世界很快就接受了遗传学，因为其基本概念很容易解释和证明，甚至连9岁的霍尔丹都能够讲得明白。然而20世纪20年代中期，遗传学研究在苏联的发展却愈发受阻。

这一时期苏联科学界最丑陋的行为都集中在了一个名叫特罗菲姆·李森科的农学家身上，20年间他几乎一手阻碍了苏联遗传学的发展。李森科出生于乌克兰的一个农民家庭，父母都不识字。1927年，《真理报》以一篇题为《冬季农场》的文章讲述了李森科的故事，而那时的他还只是乌克兰一个名不见经传的科学家。文章这样写道：“要描述李森科给人的第一印象，他确实有种让人牙疼的感觉。他一贯阴郁的表情令人印象深刻，就好像准备加害某人一样。”李森科的地位不断攀升，足以见得他给人们留下的印象极富预见性。

李森科是当时为数不多的支持拉马克获得性遗传的学者之一。他以拉马克的理论作为指导思想，试图培育出冬季能够播种的耐寒作物。他甚至还声称已经找到了把春小麦培育为冬小麦的方法，但这使效率低下的苏联大规模集体化农业生产蒙受了灭顶之灾，随后的几年里有数百万苏联人死于饥饿。

然而一向精明的李森科凭借自己的农民出身获得了斯大林的赏识，并很快成为了苏联生物学界的重要人物之一。但是他在管理方面无比糟糕，他手下的不少科学家都陷入了恐慌的气氛中，不得不改变自己的结论以求与李森科等人倡导的理论相一致，而那些不这样做的科学家有时会付出生命的代价。

遗传学家尼古拉·瓦维洛夫就是深受李森科迫害的一位，霍尔丹第一次前往俄罗斯就是由他资助的。尽管瓦维洛夫竭尽全力赢得了乌克兰人民的支持，甚至还曾帮助过李森科成为乌克兰科学院的成员，但他却是孟德尔理论的坚定支持者和李森科理论的反对者。1940年，瓦维洛夫因被指控间谍罪而遭到当局逮捕。虽然由死刑减为20年有期徒刑，但他在入狱两年后就死于饥饿。截至1948年，几乎所有的苏联遗传学家都曾被召见，召见的目的主要是迫使他们公开认错。

奥帕林在李森科恐怖统治中发挥的作用至今仍是他事业中的污点。二人私交甚密，甚至共用一处夏季别墅。尽管如此，在斯大林时代的苏联，人们也很难知道他们二人之间的友谊到底是不是真的。从某些方面来说，奥帕林解决生命起源问题的广阔思路可以追溯到他对马克思主义历史辩证法的深刻理解当中。同西方科学家相比，苏联科学家似乎更多地是在一个多学科的框架下思考问题，而奥帕林很可能在这种环境中受益。他强调非生命物质通过缓慢而既定的演化步骤形成生命，并努力靠近弗雷德里希·恩格斯在《自然辩证法》一书中推测的生命起源过程。尽管他从未将李森科的理论写进自己的著作中，直到20世纪50年代也避而不谈遗传学的问题，但遗传学最终还是在20世纪末占据了生命起源研究的主导地位[6]。

许多对李森科持异议的科学家认为奥帕林最差不过是他的亲密同盟，而充其量只不过是对李森科的行径起到了推波助澜的作用。在许多同行眼中，和善热心的奥帕林似乎能够迷住所有见过他的人，但他们完全想象不到奥帕林与李森科勾结串通，将苏联的科学研究引入了历史上最黑暗的一段时期。

在霍尔丹看来，长期陷入疯狂的李森科主义让苏联承受了太多。1948年，李森科在苏联发动了一场遗传学战争，以至于连霍尔丹也不得不在英国共产主义大会上改变他个人在遗传学方面的论调。这一事件最终导致他在翌年退党。

然而，霍尔丹从未改变他的左翼思想。1956年，出于对苏伊士危机期间英国入侵埃及的厌恶，霍尔丹决定移民印度。他喜欢印度，更喜欢印度国大党奉行的温和社会主义。来到印度之后，他成为了一个素食主义者，身上的传统裙式腰布有时让人误以为他是一名古鲁。霍尔丹喜欢开玩笑说是自己不喜欢穿袜子的习惯最终迫使他移民印度，他曾写道：“穿了60年袜子也真是够了。”霍尔丹死后，位于印度加尔各答科学城附近通往南亚最大的科学中心的一条大道就是以他的名字命名的。

1963年，霍尔丹受邀在美国举办的一系列有关生命起源问题的学术会议上发表演讲，其中一次会议是在北卡罗来纳州生命科学研究所召开的。尽管在北卡罗来纳州的演讲出现了插曲，但霍尔丹成功出席了之后的所有会议，再没有出现波折，包括此行最后一站参加在佛罗里达塔拉哈西市郊外大沼泽公园举办的生命起源会议。这次会议的组织者名叫西德尼·福克斯，是位受美国国家航空航天局资助的化学家。尽管他同样邀请了数十年来一直与霍尔丹保持书信联系的奥帕林参加，但二人最终未能过多交谈。

奥帕林是大会的首位发言人，霍尔丹向大家引荐奥帕林时说道：“我想我们都有可能被视作这一学科的丰碑，但我们俩的确有很大的区别。比如奥帕林教授一生都致力于遗传学的研究，我对这一领域就一无所知。”在这次会议结束前，霍尔丹就因腹痛提前离开了。他在塔拉哈西市的一家医院被诊断出癌症，并于同年逝世。

奥帕林和霍尔丹的假说为理解生命起源的问题提出了全新的框架。在这一框架下，现代科学对可能孕育生命的环境条件做出了新的猜测，这种环境可能与大多数前人设想的截然不同。尽管到20世纪下半叶科学家们才全面阐述了细胞活动的机制，但奥帕林和霍尔丹很早就认识到了极其复杂的细胞工作原理。尽管他们提出的假说在生命起源理论方面是一个重要的突破，但他们却没有继续在实验方面将这一领域向前推进。霍尔丹本人未曾参与过任何有关这一课题的实验。虽然奥帕林曾经尝试过这方面的实验，不过最终没有得出什么结果，自然也未得到广泛的认可。但是他们的理论鼓舞了一代年轻人继续投身这一领域，没过多久，20世纪最有名的一个实验就支持了奥帕林与霍尔丹提出的假说。

[1].通过这一实验，布丰还推测出地球在93291年会寒冷到无法让生命延续。

[2].为了展现生命起源的过程，美国史密森尼国家航空航天博物馆在20世纪80年代根据霍尔丹的假说，邀请著名电视节目厨师茱莉亚·蔡尔德合作拍摄了一部介绍如何制作“原始汤”的电影短片。

[3].现代科学认为硫和磷也属于组成生命体的大量元素。——译注

[4].有时也会将硫和磷包括在内，写作SCHNOP或SPONCH。

[5].尽管巴斯德已经研制出病毒疫苗，但并未意识到病毒的真实存在。1892年，植物学家德米特里·伊凡诺夫斯基通过实验第一次证实了病毒的存在。他发现被感染的烟草浸出物过滤后依然可以感染其他的植物。

[6].1971年，奥帕林在与科学史学家洛伦·格雷厄姆会面时，为自己在李森特时期的行为进行辩护，称自己当时的做法是基于实际需要。他说：“如果你生活在那个年代，你会有勇气将事实大声讲出来，然后被囚禁在西伯利亚吗”？

第9章 地球实验室

如果自然界中真的存在前进的力量或永恒的动力，那么它肯定会被化学家发现，但事实是这种力量并不存在。

——威廉姆·詹宁斯·布赖恩，猿猴诉讼案中未提交的辩词，1925年

1953年春天，年轻的硕士生斯坦利·米勒步入芝加哥大学的肯特报告厅。米勒十分紧张，因为年仅23岁的他将要在美国一些最杰出的科学家面前进行演讲。芝加哥大学化学系是全世界顶级的化学研究机构之一，第二次世界大战时学校曾参与了美国核武器的研发，战争结束后许多世界顶级的科学家继续留在芝加哥大学从事科学研究。

许多参与过曼哈顿计划的重要人物旁听了米勒的演讲，其中还包括几位后来荣获诺贝尔奖的科学家。这些人当中最知名的当属“原子弹之父”恩里科·费米。1942年，费米在芝加哥大学斯塔格足球场的露天看台处建造了世界上第一个核反应堆。这是一个十分简单的装置，不过是把铀颗粒和石墨块放在一起。根据这一特点，费米把这个装置称为芝加哥1号反应堆。

在此之前，生命起源的问题一直是米勒博士论文研究内容的一部分。1952年秋在芝加哥1号反应堆建成的消息传遍学校的同时，米勒成功地完成了一项旨在证明生命可以在早期地球原始环境中出现的实验。他只用了一套玻璃仪器、一个特斯拉线圈和一些简单气体就制造出了组成蛋白质的氨基酸。当天有不少听众对米勒的实验结果心存怀疑。在等候米勒的时候，在场的一些科学家甚至认为米勒的实验过程可能存在错误，一些人猜测米勒的实验操作可能受到污染或者错误地解释了实验结果。演讲结束后，听众向米勒提出了不少问题，其中大部分是由米勒的博士生导师、诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里提出的。尤里也是美国原子弹计划的核心人物，在学术界享有极高的声望，他的出席为米勒的实验增色不少。

那些曾经持怀疑态度的听众开始理解米勒的实验确实具有十分重要的历史意义。最后一个问题是由费米提出的。和尤里一样，他也参与过曼哈顿计划，二人还因此结下友谊。费米问这个实验模拟的条件是否和当时生命在地球上诞生的方式一致，或者说生命是否只有这一种可能出现的方式。尤里回答道：“如果上帝没有按照这种方式创造生命，那他真的错过了一个不错的选择。”

就在这个让米勒一举成名的实验开始前的两年，他还是加州大学伯克利分校的一名本科生。如果不是因为缺钱，他可能不会选择离开学校。米勒出生在离伯克利只有几千米远的奥克兰。他的父母也都毕业于加州大学，父亲是地方的助理检察官，是最高法院法官、继任加州州长厄尔·沃伦的朋友。沃伦就住在米勒家附近，儿时的米勒经常与沃伦的孩子一起玩耍。但是由于父亲在1946年去世，米勒只有保住助教的职位才有可能继续攻读研究生。当时只有两所学校给他发来邀请函，米勒最终选择了芝加哥大学。

进入芝加哥大学后，米勒被物理学家爱德华·泰勒收入门下。泰勒是曼哈顿计划的核心人物之一，后来在芝加哥大学建立了自己的实验室。翌年，在泰勒的指导下，米勒转而研究元素的起源及元素在恒星内部形成的问题。1952年后，泰勒离开芝加哥去领导高度机密的美国氢弹项目。随着泰勒的离去，米勒觉得自己失去了指导，自己上一年才开始的博士题目似乎无法完成，于是他开始为自己的博士论文思考新的课题。他想起曾经听过有关地球早期元素组成的报告会，会上尤里教授曾认真思考过生命诞生时组成地球的化学成分。

尤里是位学识颇深的科学家，甚至在芝加哥大学众星云集的化学系里都赫赫有名，在同位素分离以及氢的重同位素氘的发现方面做出的成绩使他获得了1934年的诺贝尔化学奖。在第二次世界大战期间，尤里曾在哥伦比亚大学任特殊合金材料实验室主任。哥伦比亚大学曾参与了曼哈顿计划的一部分，负责为首批原子弹提供浓缩铀。

虽然是位化学家，但尤里从不过于在意自己的头衔或专业。他获得的第一个学位是动物学，而一开始希望从事的则是心理学研究。在与丹麦著名化学家尼尔斯·玻尔合作研究时，玻尔误以为尤里是物理学家。自从尤里来到芝加哥大学后，他发现自己对太阳系早期演化以及行星起源等问题愈发着迷。

在那次使米勒深受启发的报告会上，尤里讨论了奥帕林提出的有关生命起源的假说，并指出这一假说令人叹为观止，还没有人通过实验证实奥帕林的猜想。米勒把尤里的这一番话铭记在心，决定接受这一挑战并借此接近尤里。由于米勒对实验从来没什么兴趣，这个决定对他来说可谓是一次小小的飞跃。由于尤里喜欢分享他对理论的热爱，米勒十分愿意与他一工作。然而，对实验毫无兴趣的米勒却正是因为设计出了20世纪化学界最伟大的实验而被后人铭记的。

虽然尤里同意做米勒的博士导师，但他阻止米勒继续在自己认为不可能成功的实验上继续推进，并以此申请博士学位。19世纪末生命自然发生的实验被证伪之后，几乎没有人再去尝试通过实验的方式回答生命起源的问题，甚至许多能力非凡的科学家也都认为生命起源问题并不是能够通过实验或观察解决的，从某种角度上说这成为了生物学领域一个不太正常的现象。化学是一门实验科学，主要关注实际问题；生物学或地质学现象只要通过仔细观察就能发现，而物理学则是纯理论性的研究。从另外一个角度说，生命起源问题不仅相当晦涩，而且严重脱离实际。尤里试着把米勒的兴趣点转移到测量陨石中铊元素的含量等一般性研究项目中。

然而，尤里也的确欣赏米勒的雄心壮志，他常说有些科学家之所以伟大正是因为他们致力于解决重大的科学问题。他喜欢用核反应举例，认为这虽然比不上其他化学反应复杂，但却比其他任何化学反应都更加重要。他同米勒最终达成妥协，米勒有一年时间展示成果，否则他需要把米勒的研究课题转向更为可行的铊项目。

于是，师生二人开始思考解决问题的方法。他们在奥帕林假说的基础上适当调整，以符合尤里提出的早期大气成分理论，并依据这些假设探索生命诞生的可能方式。尤里指出氢是目前太阳系中最普遍的元素，所以氢应当是生命出现的关键。与此同时，还有另外一名科学家也在进行与生命起源有关的类似实验项目。他就是加州大学伯克利分校的生物化学家梅尔文·卡尔文。在极其复杂的光合作用领域，卡尔文全球最权威的科学家之一，他因阐述光合作用的机制而荣获了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文推断早期大气由二氧化碳和水组成，太阳辐射是主要的能量来源。他还用加州大学伯克利分校核物理学家欧内斯特·劳伦斯发明的早期粒子加速器模拟生命诞生时地球的自然条件，但实验结果令人失望，其得到的产物中只有痕量的甲酸和甲醛等有机物。这些有机物实在太少，并未引起学术界足够的重视。而且，甲酸和甲醛也都不是早期生命形成必须利用的有机物。

另外，尤里在这一问题上有独到的见解。他的专长就是天体化学，他基于自己的知识背景推测出地球早期大气成分与卡尔文想要模拟的大气成分有所不同。他们二人观点中分歧最大的就是原始大气中氧所占的比例。尤里认为除了云中可能有少量的氧以外，早期大气中氧所占的比例几乎为零。地球大气的成分可以由独特的环境决定，比如有不少现生物种都可以通过光合作用释放氧气。尤里认为早期地球大气应当是由氢、甲烷和氨组成的还原性大气[1]。甲烷的存在十分重要，因为甲烷的分子中包含所有生物细胞中都含有的碳。尽管如此，尤里推测的早期地球环境同样是一个电闪雷鸣的混乱世界。18世纪以来，化学家通过电火花点燃气体已经得到了许多重要的实验结果，而自然界的雷电风暴可能会使有机物的合成变得更加容易。

于是，米勒开始设计模拟早期地球自然环境的方法。他与加州大学伯克利分校的玻璃吹制工一道，利用一系列由耐火玻璃烧制的相互连接的烧瓶和试管搭建了一个模拟尤里设想的早期地球自然环境的装置。一个装水的烧瓶代表原始海洋，可以通过加热模拟海水的蒸发过程；另一个烧瓶中充满了甲烷、氨气和氮气，以模拟尤里设想的早期大气成分。当按下开关后，一个特斯拉线圈还能通过在正负电极间产生的微弱蓝色电弧模拟自然界的闪电。烧瓶由带有冷凝器的U形管相连，以便使模拟早期大气的烧瓶中产生的所有有机物进入模拟原始海洋的烧瓶中，而冷凝器在米勒实验中的作用主要是模拟降雨过程。在这个实验的基础上，米勒又发展出多个装置，其中一个甚至还能模拟火山喷发释放的热量。但他的第一个装置就已经成为了“前生命化学”领域的里程碑，并赢得了很高的声望。这套装置的绰号叫作“经典装置”。后来《科学美国人》杂志甚至配发了米勒实验的DIY方法，重复出米勒的这个实验甚至一度成为业余化学家的一个通行证[2]。

斯坦利·米勒和他的“经典装置”

米勒设计的这个实验似乎从一开始就非常成功。在第一天实验结束后，他就注意到模拟原始海洋的烧瓶内壁上附着了一些黄色的物质，使“原始海洋”变成了鲜艳的棕红色。两天的实验结束后，他已经可以检测到有甘氨酸形成，而甘氨酸正是组成蛋白质的常见氨基酸。米勒的实验一共持续了6天。在实验结束后，他对装置中的物质进行了充分的分析，希望知道模拟早期地球自然环境的装置中究竟发生了什么。

当加州大学圣地亚哥分校的科学家得知米勒的这个实验时，有人问尤里期待能从中发现什么。对此，尤里的回答只有一个词——“贝尔斯坦”。这个回答暗指贝尔斯坦有机化学手册，它在大学图书馆中随处可见，包含所有已知有机化合物的详细名录。换句话说，尤里希望在米勒的实验装置中找到所有物质，尽管合成的量可能不会太大。然而，当他和米勒看到大量的碳奇迹般地转化成了包括几种氨基酸在内的有机物时，两人都对眼前的景象感到震惊。这可能是他们曾经期待过的最好结果，因为氨基酸是组成蛋白质这种维持细胞新陈代谢的生物大分子的基本单位。最令人惊奇的是，米勒实验中形成的氨基酸特别是甘氨酸与丙氨酸在蛋白质中十分常见。奥帕林曾经推测过蛋白质一定是早期地球上出现的组成细胞的关键物质，米勒的实验结果似乎证实了奥帕林-霍尔丹生命起源假说的第一步。

过于完美的实验结果似乎令人难以置信。尤里坚持仔细地确认、再确认实验的每一个环节。20世纪50年代，对氨基酸含量的测定仍停留在相对原始的阶段。科学家们用吸水纸蘸取样本，通过不同的显色反应确定各种氨基酸的存在。最终尤里确认了米勒的实验结果，并着手撰写论文。

不管怎样，尤里有资格享有这项工作带来的大部分荣誉。大多数实验室中的教授都会享有研究成果带来的大部分荣誉，而研究生充其量也只是居次要位置。但事业如日中天的尤里却并不在乎自己的名望是否因此得到提升，相反他更希望看到自己的学生取得成功。尤里知道，如果他们共同署名发表这项研究成果，米勒的贡献就可能被低估，所以尤里坚持让米勒在发表时单独署名。考虑到尤里清楚这项研究将会产生的重要影响，他的这一决定可谓十分开明。

论文写好后，尤里帮助联系了美国著名的《科学》杂志的编辑并将稿件寄给他们，但尤里放弃署名的决定同时也削弱了这篇文章的分量。后来他自己承认这种里程碑式的发现如果只有一个研究生署名是很难得到认可的。几个月后，他们依然没有得到杂志社的任何消息，尤里写信向主编霍华德·梅尔霍夫抱怨，并要求将稿件撤回转投知名度略小一些的《美国化学学会杂志》。很快，梅尔霍夫就与米勒直接联系并保证其文章很快就会被刊出。

1953年5月15日是一个值得纪念的日子，因为米勒的重要论文在这一天发表了。几乎是在论文发表的同时，这项成果立即成为了全世界主流媒体报道的头条。《纽约时报》的评论干脆把米勒和尤里设计的装置称为“地球实验室……它丝毫不像20亿年或30亿年前早期地球的样子，这是因为这套实验装置是由玻璃制作的”。《纽约时报》还写道：“因在该领域迈出了第一步，这个实验必将在化学界名垂千史，它在创造成分上与牛排或鸡蛋清类似的物质方面领先了其他（国家）约一个世纪。”《纽约时报》称米勒与尤里已经证实了“生命体中复杂的有机物是完全有可能在自然界中形成的……如果这套实验装置与现实的海洋一样广阔，装置工作的时间不是一个星期而是100万年的话，或许能够形成一些类似于早期生命的分子”。身在莫斯科的奥帕林看到了这条新闻，但怀疑米勒实验的真实性。几乎在一夜之间，米勒成为了全球最著名的科学家之一，当然也成为了生命起源领域最有名的美国人。

1957年10月，两位中情局官员来到米勒的办公室，他们对奥帕林最近写给米勒的一封信感兴趣。这封信是邀请米勒出席在莫斯科举办的有关生命起源问题的研讨会，而且米勒已答应出席。在米勒实验成果发表之后的4年里，生命起源再度成为科学界关注的问题。许多青年物理学家和化学家都投入到米勒和尤里曾经提出的问题中。尽管米勒当时年仅27岁，他已经被其他人誉为“前生命化学之父”了。

几个月以来，奥帕林的邀请让米勒进退维谷。邀请函的发出恰逢冷战最紧张的时期和柏林危机爆发的前一年。由于多年酗酒，约瑟夫·麦卡锡在那一年的早些时候去世了，但麦卡锡主义引发的恐怖气氛还没有消退，这一点在学术界表现得尤为显著。前曼哈顿计划负责人罗伯特·奥本海默受到迫害，更警示人们如若越过某些界限可能产生的后果。米勒的前博士生导师泰勒的证词对奥本海默相当不利，这一事件也让泰勒本人在美国学术界遭到排斥。

米勒十分重视此次莫斯科之行，并曾写信征求尤里的意见。尤里是麦卡锡听证会期间遭到审查的众多核物理学家之一。朱利叶斯与埃塞尔因窃取了苏联原子能方面的机密而在1953年被判处死刑。在执行死刑前，尤里曾为他们进行辩护，后来非美活动调查委员会又因此传唤了尤里。尤里告诉米勒他需要自己做出谨慎的决定：“谁也不知道麦卡锡主义今后会做出什么事情来，至少目前的情况十分糟糕。”

米勒最终决定接受奥帕林的邀请，因此中情局的官员很快就找上门来。实际上他们找到了所有前往莫斯科参会的科学家。当时苏联政府对外宣布他们正在实验室中创造生命。一些美国政府的高层人士对苏联的说法感到担忧，因为一旦这个实验获得成功，苏联在宣传方面将获得巨大的胜利，而这恰恰是美国人无法接受的。1953年10月初，苏联刚刚发射了首颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”。全美国的业余无线电爱好者利用收音机收听“斯普特尼克1号”发出的可怕啁啾声，而且这颗人造卫星的轨道还经过了美国上空。这个声音很快就被录了下来并在商业波段进行播放，一时间美国舆论一片哗然。12月，美国发射了自己的第一颗人造卫星作为对苏联的回应，结果却是当着全国电视观众的面在空中爆炸了。第二天，美国各大报纸就报道了这次发射的失败。至此，越来越多的人开始认为冷战时期苏联的科学研究略占上风。

1956年12月31日《华盛顿邮报》配发的漫画

中情局要求米勒返回美国之后要向他们报告苏联生命起源研究的进展情况。米勒表示同意，但让他感到吃惊的是中情局的调查人员甚至无法理解他们正在调查的项目的基本事实。当米勒从莫斯科返回时，中情局的调查人员花了很多时间盘问苏联空调设备的短缺状况以及与会科学家们的性格特点。

在美国，生命起源依然是个敏感的政治话题。虽然发生在田纳西州的猿猴诉讼案过去了30年，但三届民主党总统候选人威廉姆·詹宁斯·布赖恩一直在痛斥科学界无法为生命起源问题找到答案。即使在米勒-尤里的实验成果成为头条新闻后，盖洛普在民意调查中询问民众是否相信在试管中可能创造生命时，只有9%的受访者认为有可能。这说明人们对美苏两个超级大国间冷战的关注的确超越了对国内所有政治问题的关注。美国也即将着手展开自曼哈顿计划以来最为雄心勃勃、影响最为深远的政府资助科学项目，生命起源领域的科学家将在这个项目中发挥主要作用。

乔舒亚·莱德伯格是一位来自威斯康星大学的荣获富布莱特奖学金的年轻学者。1957年的一个冬夜，他来到霍尔丹在加尔各答的寓所中顺访。莱德伯格时年32岁，他因发现遗传物质在细菌细胞间的交换而摘得了遗传学领域的一项荣誉。在此之前，人们认为细菌只是把遗传物质毫无改变地传给后代，因此代际之间只是简单地复制，但莱德伯格证明细菌的基因复制要比想象的复杂得多。1958年，莱德伯格凭借细菌遗传方面的工作获得了诺贝尔生理学或医学奖。

莱德伯格是受邀参加莫斯科研讨会的科学家中的一位，但最终他决定不去参会，而是留在澳大利亚病毒学家麦克法兰·伯内特位于墨尔本的实验室中继续工作。莱德伯格在返回威斯康星州的途中决定在印度逗留片刻，顺访令人尊敬的霍尔丹，而霍尔丹当时刚刚离开英国开始自我流放。那天晚上发生了月食，这在印度可是件大事。莱德伯格穿过挤满宗教狂欢者的街道才抵达了霍尔丹的寓所。见面后，两人交谈的话题自然转向了星空以及一个彼此心中都渴望涉及的话题——苏联发射了人造地球卫星。当年恰逢俄国十月革命胜利40周年，霍尔丹担心苏联会冒险尝试一些东西，比如为了展示更强大的军事实力在月球上引爆核武器，并借此证明在地球上是能看到爆炸的。莱德伯格和霍尔丹一整晚都在感叹美苏两个超级大国之间的博弈正在让太空探索计划付诸东流。

莱德伯格回到美国后，立即着手在新成立不久的美国空间项目中寻找立足点。不到一个月的时间，他就向美国科学院提交了两份备忘录，分别讨论了“宇宙微生物学”和“月球生物学”两个全新学科的发展前景。莱德伯格指出生命起源的研究应当延伸到包括寻找地外生命在内的太空项目，因为寻找地外生命对于研究地球生命起源的科学家来说意义重大。作为一名细菌微生物学家，莱德伯格把自己的建议视作一项关系国家安全的大事，因为他担心人类在宇宙中遇到的第一个生命一定是细菌，而且这种细菌还可能具有潜在的危险，其致病性可能与当年哥伦比亚航船从欧亚大陆带到美洲的细菌致病性不相上下，甚至会夺走数十万人的性命。莱德伯格把这一观点写成一篇题为《月球尘土》的文章提交给《科学》杂志发表。

莱德伯格的建议引起了美国太空计划的一位重要人物休·德莱顿的注意。1958年7月，艾森豪威尔总统签署了《美国国家航空暨太空法案》，成立了美国国家航空航天局，德莱登被任命为首任副局长。他的首要任务之一就是成立国家空间科学委员会，为这个新成立的机构出谋划策。莱德伯格被提名为地外生物研究团队的负责人，巨额的太空项目资金使他在新的岗位上能够招募到包括尤里、卡尔文和米勒在内的生命起源领域的重要人物。当时这些人已经开始思考其他地外天体可能存在生命的问题，而莱德伯格也开始寻找这一领域其他前途无量的青年科学家。

在莱德伯格招募的科学家中，有一位名叫卡尔·萨根的天体物理学家。当米勒在进行模拟地球早期环境的实验时，萨根还是尤里在芝加哥大学的学生。萨根很快成为了太空项目中最具活力的人物，他从芝加哥大学毕业时依然对生命起源的问题怀有极高的热情。他让科学通俗易懂的独特能力似乎从一开始就表露无疑，这使莱德伯格及研究小组的其他同事在随后几年中受益颇深。

从1959年开始，“外空生物学”这个名词开始出现在莱德伯格的私人邮件中，用来描述科学家以研究地球生命起源的方法来寻求地外生命的学科。这一术语很快流行起来，但从根本上讲，相关的研究最终还是集中在对地球生命起源的探索上。正如卡尔·萨根后来表示的一样，外空生物学只不过是“把米勒的研究成果应用到太空”。

20世纪50年代初，生命起源的研究在大学中很少得到重视，研究经费也十分匮乏。米勒-尤里的实验只能依靠其他项目的经费实现，后来米勒甚至把这笔经费称为“非法资金”，整个实验过程花费不到1000美元。但是到了20世纪60年代初，这一研究领域似乎开始吸引了美国太空项目的注意力，继而获得了巨额资助。从1959年开始，大笔的经费就开始流向地外生命探测仪器的研发领域。到了美国国家航空航天局成立20年时，它已经成为了全世界生命起源研究领域资金最雄厚的研究机构。

耶鲁大学医学院的微生物学家、外空生物学家沃尔夫·维希尼克是首位获得资助的科学家，他研究的是一种可以在其他行星的土壤中探测是否有微生物存在的仪器。他把自己设计的仪器称为“捕狼陷阱”。在随后的几十年里，参与外空生物学项目的科学家不仅在阿波罗登月任务中发挥了作用，还在“海盗号”火星探测器任务中起到了关键作用。这些科学家继续探索新的重要理论，包括提出盖娅假说以及阐述核战争可能引发的“核冬季”效应对气候的潜在不良影响。科学家们并没有因为探索地外生命而放慢研究地球上生命起源问题的脚步。

人们对生命的认识将发生前所未有的根本改变。因为就在米勒-尤里实验结果发表后的几周里，英国的一个研究小组解析了DNA的分子结构。在随后的日子里，这一发现颠覆了科学家此前对生物遗传机制的所有认识。生命起源的研究，甚至是人们对生命构建方式的最基本认识都将因此发生巨大的改变。这项研究的许多成果都是由参与美国国家航空航天局外空生物学项目的科学家完成的。

[1].2009年，美国国家航空航天局科学家迈克尔·穆马证实了火星大气层中的确存在甲烷。和尤里一样，穆马也是在联合教友会中长大的，该组织曾阻止他追求科学事业。

[2].作者H·詹姆斯·克利夫斯二世回忆了当时的情景：“我作为一名加州大学圣地亚哥分校的研究生，为米勒能够成为自己的博士生导师而由衷地感到荣幸。米勒对待同事非常友好，并且批评起他不喜欢的人时也毫无保留，在实验室中他也是无所畏惧。有人曾邀请我在米勒实验成功15周年的纪念大会上重新演示这个经典的实验。但当时米勒患有中风，无法解释实验操作的细节。我花了数周时间弄明白了其中的细节，米勒和自己的一些密友坚持来到现场重温那个激动人心的时刻。在触动开关的那一刻，我非常担心一些空气可能会进入到装置中，希望包括我自己在内的所有人都能站到走廊里，用长长的弹性绳索与特斯拉线圈相连，并在安全距离之外按动开关。但我知道，米勒当年根本没有在意可能发生的危险。在按动开关的一瞬间，我退缩了，害怕爆炸产生的玻璃碎片会向四处飞溅。然而在我按动开关的一刹那听到的却是电极间迸发出火花的微弱响声。然后我们都把脸凑近烧瓶，当看到一小团凝结物围着火花打转时，我们都被迷住了。那种景象就好像是接近傍晚时刻出现的大量雾霭沿着旧金山半岛的山坡倾泻而下。

第10章 核酸的垄断

今天地球上所有生物细胞里的DNA只不过是第一个分子的延伸与复杂化。

——李维斯·托马斯，《水母与蜗牛》，1969年

尼尔·阿姆斯特朗坐在“阿波罗11号”飞船的指挥舱中，透过舷窗注视着月球表面。此时距离飞船发射已经过去3天，阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林在距离月球表面96千米的轨道上等待着进入“鹰号”登月舱。这两位宇航员正准备第一次降落到地外天体的表面，同时这也是人类第一次踏上地外天体。

阿姆斯特朗和奥尔德林准备降落的区域是一片由远古火山喷出的玄武岩形成的淡蓝色盆地。17世纪，意大利耶稣会修士弗朗西斯科·格里马尔迪和乔瓦尼·里希奥利误以为深色的玄武岩盆地是月球上的海洋，而将这片区域命名为“静海”。1661年里希奥利出版的《新至大论》第一次展示了这一区域的图片。

“阿波罗11号”的宇航员也将这座盆地称为静海。返回时，他们计划为美国国家航空航天局外空生物学项目的地质学家和生物学家们带回一份这里的月壤样品进行研究。对于美国民众来说，单是这次登月任务本身就足以让他们兴奋；但对于美国国家航空航天局的科学家特别是外空生物学项目中的生物学家而言，能够研究月壤标本实在是一件诱人的事情。

“阿波罗11号”是美国太空计划项目中的第五个载人航天飞船。以前发射的“阿波罗10号”主要是为阿姆斯特朗及其同事即将开始的登月活动进行最后的演练。在上次任务中，“阿波罗10号”的月球探测器拍摄到了清晰的月面照片，为“阿波罗11号”提供了候选的着陆点。美国国家航空航天局的科学家们在分析了照片之后，进一步确定了这个理想的着陆点。“阿波罗11号”的绕月轨道与月球赤道基本平行，因此着陆点需要与绕月轨道保持足够近的距离才能保证登月舱有充足的燃料完成降落和返回任务。宇航员们也想选择月质现象丰富的地点着陆，但阿姆斯特朗和奥尔德林在月球上的时间十分宝贵，他们要完成历史上最重要的月质调查任务。即使一切顺利，这两位科学家也仅有两个多小时的时间在月球表面活动，这意味着他们需要尽可能多地采集不同的月壤样本。

除了科学家以外，月球过去的火山活动同样吸引着美国国家航空航天局登月计划的设计者们。熔岩能够保存普通岩石中无法保存的东西，但这些吸引科学家们的火山月貌同时也为宇航员们的登月带来了挑战。登月任务的最大困难就是建造一个能在月球表面安全着陆的纤巧登月舱，而以静海作为着陆点就是一个折衷的选择，除了静海的月质学研究意义以外，相对简单的月貌成为了登月舱降落的首选位置。

阿姆斯特朗在月球表面活动的大部分时间都在仔细观察月貌。当时处于“哥伦比亚号”与太阳之间的月球正沐浴在地球反射的蓝色光芒中。由于光线并不刺眼，阿姆斯特朗用肉眼就可以观察周围的环境。那里的火山口轮廓清晰，在地球反射的光芒下显得十分有立体感。奥尔德林首先辨识出标志着陆点的一座直径大约为5千米的火山口，那里崎岖不平，看上去并不适宜着陆。在这样的地方着陆就好像负责这次任务的地面控制人员为了追求不错的月质结构而专门设计的。但随着阳光照射的角度逐渐增加，“阿波罗11号”的宇航员们对着陆点的好感渐渐增强。

第二天，阿姆斯特朗和奥尔德林进入“鹰号”登月舱，而另一位成员迈克尔·柯林斯留在指挥舱中控制“哥伦比亚号”。登月舱着陆的过程出现了问题，由于硬件设备出现故障，计算机两次发出警报，因此阿姆斯特朗不得不手动控制着落。随着向预定的着陆点靠近，月面上大大小小的石块让宇航员们惊愕不已。毫无疑问，这种情形一定会让地质学家们兴奋，但阿姆斯特朗知道这会让着落变得愈加困难。尽管如此，阿姆斯特朗凭借娴熟的技术成功地把“鹰号”移动到一大片岩石上方大约100米的高度，准备在一块足球场大小的火山口附近着陆。这片区域足够“鹰号”降落，但要在“阿波罗 10号”拍摄的照片上显示又觉得太小。位于休斯顿地面控制中心的工作人员静静地等待着，他们知道宇航员正处在这次任务最危险的阶段。不久，他们听到了阿姆斯特朗在月球上传回的第一句话：“休斯顿，这里是静海基地，‘鹰号’登月舱已成功着陆。”

大约休息了2小时后，阿姆斯特朗和奥尔德林开始穿上为太空行走设计的笨重的宇航服。然后，阿姆斯特朗打开舱门，从舷梯上走了下来并向安放在登月舱外的一台摄像机挥手致意。当走到舷梯的最后一个台阶时，他开始观察月球表面。在训练过程中，阿姆斯特朗被要求严格描述一切对美国国家航空航天局科学家有用的事物。他说道：“当接近月球表面时，似乎感觉月壤的质地非常细腻，细得几乎就像是粉末。”

阿姆斯特朗跳到月球表面后走了几步，此处距离地球约有384000千米。许多美国民众和其他国家的人们都在电视机前或收音机旁屏住呼吸见证着人类这个伟大的时刻[1]。在离开“鹰号”登月舱之前，阿姆斯特朗就想好了自己将要在这个历史性时刻要说的话：“这是个人的一小步，却是人类的一大步。”

如果没有这身太空服，阿姆斯特朗可能几秒钟就会丧命。然而，眼前的寂静着实让他震惊。冉冉升起的太阳把光芒撒向月面，这与阿姆斯特朗之前从指挥舱中看到的景象有所不同。由于月球没有大气，所有的景物在日光的照射下都变得十分清晰，这种景象是阿姆斯特朗在地球上从未感受过的。如果说月球是荒凉的，那也是美丽的荒凉。奥尔德林把眼前的景象称为“壮丽的荒凉”。

阿姆斯特朗开始用太空服上的相机拍照，但地面控制中心催促他尽快开始工作。这两位宇航员正置身于人类历史上最重要的月质调查任务中。在氧气耗尽之前，他们大约有两个半小时的时间完成任务。

阿姆斯特朗从宇航服的口袋中拿出一根一端装有样品袋的折叠棒，开始收集月壤和岩石。他把黑灰色的样本装满样品袋，这样即使后面的月面行走任务因任何差错提前终止，他们至少也带回了一袋样品。地面控制中心的科学家将其称为“应急样本”。在进行了一系列其他实验之后，宇航员开始将注意力集中在收集所谓的“记录样本”上。与尼克松总统的通话推迟了他们的计划，因此他们不得不加快速度完成这次任务中最仔细、最紧张的工作。阿姆斯特朗开始将月球样品装满另外两个被科学家们称为“岩石标本盒”的铝制容器，而奥尔德林则在一旁钻取一段岩芯，希望能为科学家们了解月壤以下的岩石成分提供线索。这时，阿姆斯特朗看见了一块有趣的岩石，他立刻用一对样品钳夹取了这块岩石作为样本。

奥尔德林正在月面钻取岩芯（阿姆斯特朗摄）

3位宇航员返回地球时，一共为美国科学家带回了重达20.5千克的月壤样品。但在正式的研究开始前，这些样品暂时被隔离存放。自阿波罗项目开展以来，美国国家航空航天局官员对莱德伯格有关月球样品可能存在细菌污染的警告做了周密的准备。为此，休斯顿约翰逊空间中心建立了一流的隔离中心，在宇航员隔离室的下方就是一间专门用于存放月球样本的房间。对于这些珍贵的月球样品而言，科学家们考虑更多的不是月球微生物带来的危险，而是地球微生物对月球样品可能造成的污染：一旦这些样品被地球微生物污染，后期的分析结果就可能产生很大的误导性。

“鹰号”从月球返回3周后，带回的月球样品已准备分给美国国家航空航天局外空生物学项目的4个研究小组进行研究。这4个研究小组的负责人都曾经或即将成为生命起源研究领域的领军人物，其中两个小组的负责人是直接受雇于美国国家航空航天局的科学家：一位是地质学家大卫·麦凯，他曾亲自指导了阿姆斯特朗和奥尔德林月球科学实验的训练任务；另一位是斯里兰卡化学家西里尔·庞南佩鲁马，他是美国国家航空航天局外空生物学项目生命起源问题的重要权威。第三盒样品被送往加州大学圣地亚哥分校，由提出月球成分理论并享有“月球科学之父”头衔的尤里领导的研究小组进行研究。第四盒样品被送到迈阿密大学，由化学家西德尼·福克斯领导的研究小组负责研究。福克斯是个个性十足的家伙，喜欢打破旧习。他身高1.9米，因为经常在停车场里寻找自己的爱车，上课喜欢打盹的他常被学生们称为“心不在焉的教授”。

福克斯的生活故事同样丰富多彩。他的父亲是个假发制作工；母亲是个乌克兰裔犹太人，11岁时就偷偷藏进装入轮船的板条箱逃离了沙皇俄国。福克斯在洛杉矶长大，对音乐特别是班尼·古德曼风格的大型爵士乐和百老汇音乐剧情有独钟。20多岁时，他开始进行歌曲创作。在加州大学洛杉矶分校学习化学时，他甚至还曾为在部分学校里十分流行的年度音乐剧配乐。1935年，福克斯曾接到迪士尼打来的电话，询问他是否愿意为一部以格林童话为主题的电影配乐，这部影片就是后来大名鼎鼎的《白雪公主与七个小矮人》。虽然福克斯十分喜爱这部影片，但他首先想到了加州大学洛杉矶分校马克思·邓恩导师的建议：“你需要在音乐与化学之间做出选择，而你应该选择化学。”

在从加州大学洛杉矶分校毕业后，福克斯前往加州理工学院任职。始建于1891年的加州理工学院在当时还只是个职业学校，但仅仅过去几十年就成为了世界顶级的科研机构。尽管这所学校的规模不大，但截至2015年已经诞生了34位诺贝尔奖得主，最让学校引以为荣的一直是教师发表论文的引用率全球排名第一。20世纪30年代，福克斯来到加州理工学院时，学校已经吸引了美国一些最著名的科学家前来任教，其中两位在生物亚细胞领域做出了重要贡献：一位是化学家莱纳斯·鲍林，另一位就是生物学家托马斯·亨特·摩尔根。鲍林是量子化学领域的先驱，晚年的他还因详细阐述组成活细胞的分子结构而成为一名重要人物。摩尔根作为进化生物学家同样享有盛誉，他因发现了果蝇染色体在遗传中的作用而荣获了诺贝尔生理学或医学奖。鲍林和摩尔根的故事深深地影响着福克斯，成为他日后科研工作的强大动力。

出于对生命无生源论的好奇，福克斯在加州大学洛杉矶分校时就已经开始对生物演化特别是前生命世界表现出了浓厚的兴趣。雄心勃勃的福克斯想在一个能让他产生真正影响力的领域工作，他认为生命起源的问题是生物学的核心问题。这不仅是许多科学家回避的问题，而且一直没有人能找到这个问题的答案。这个问题也让福克斯尝试开辟新的研究领域，并挑战科学家们之前已有的假说。然而具有讽刺意味的是，在福克斯快要退休时，许多科学家却谴责他支持了与生命起源毫无关系的一些科学假说。

作为佛罗里达大学的一名教授[2]，福克斯已是美国生命起源领域十分知名的科学家，同时他还是美国国家航空航天局外空生物学项目的负责人之一。他曾受到美国国家航空航天局的邀请担任大沼泽公园会议的组织者，希望促成霍尔丹与奥帕林的会面。从那时起，福克斯就积极利用美国国家航空航天局提供的资金建立美国第一个外空生物学实验室，这便是后来家喻户晓的位于佛罗里达州的空间生命科学研究所。1964年福克斯前往迈阿密大学时，美国国家航空航天局资助他建立了一个分子进化研究所。在随后的20年里，这个研究所培养了生命起源领域的一批杰出科学家。

早在“阿波罗11号”登月之前，美国国家航空航天局的绝大多数科学家就曾预言能在月球上找到大量有机物，庞南佩鲁马对这一观点更是信心十足。结果“阿波罗11号”的宇航员们却只发现了一片没有大气保护的荒凉之地。从月球带回的样本最终只发现了痕量的氨基酸，但由于含量过少，无法将其视作重大的发现。正如福克斯后来写道的那样，月球表面的土壤就好像是被太阳烤成的“煤渣”。

福克斯并没有因此感到沮丧。实际上，他在外空生物学项目中的作用就是寻找宇宙中存在的痕量有机物，以证实这些前生命物质遍布太阳系的各个角落。但是他本人真正感兴趣的是这些来自宇宙的有机物将会对地球生命起源的研究提供何种信息，而不是太空究竟是否存在生命。福克斯希望回答生命究竟是如何诞生的，正如他曾经讲过的那样：“应当通过实验一步步验证那些生命起源的假说。”然而在“阿波罗11号”任务执行时，福克斯已经确信自己的实验室证实了自然界中氨基酸形成蛋白质的过程，而这正是奥帕林-霍尔丹假说预测的演化的下一个关键步骤。这项工作解开了霍尔丹提出的细胞进化过程中“半生命体”阶段的谜团。

自从福克斯着手进行蛋白质合成实验以来，他就一直在被人诋毁。在“阿波罗11号”任务期间，人们对他的批评有增无减。米勒-尤里实验发表之后的15年里，有关活细胞分子组成的科学研究呈几何级增长，而这些成果正在削弱福克斯有关早期生命形态的概念。

与这一领域的每一位科学家一样，福克斯也认为一个完整的活细胞并不会简单地一下子出现在早期地球上。一个合理的过程应该是先出现活细胞关键的组成成分，然后再经过漫长的演化过程形成我们今天熟知的细胞结构。但关键的成分是什么呢？从许多角度来说，这是参与美国国家航空航天局外空生物学项目的科学家共同面临的问题。究竟是什么赋予了细胞生命？

1944年，奥地利理论物理学家埃尔温·薛定谔出版了一本题为《生命是什么？》的小册子。生命是什么？这的确是个古老的问题。最古老的民族不仅能认识到动、植物之间的区别，还能认识到生命与非生命物质世界之间的界限。几百年前的活力论者被生命和非生命的区别以及为什么会产生这种区别的问题吸引，但几乎没人像薛定谔那样尝试把这个问题量化。薛定谔的这部著作在科学界引起了巨大的轰动。

薛定谔是位非常成功的物理学家，对量子力学的详细阐述使他最终荣获了诺贝尔奖。他按照人们期待的物理学家应有的方式解读了生命现象，并认为生命的本质是其能够避免物理世界中所有物质都无法避免的命运——熵增。薛定谔认为生命通过从环境中摄入“负熵”的方式减小熵增，即从环境中吸收物质和能量，再通过新陈代谢转化或调整它们。但他同时也指出了生命体存在的另一个因素，即自我复制过程中发生的变异，这也是现代进化论的核心。

薛定谔推断基因遗传的基础一定存在于他称为非周期性晶体的分子中，这一推测主要因为晶体分子的有序性和稳定性保证了它们能够世世代代遗传下去，而团聚体样的非晶体结构并不具备这一特点。晶体必须是非周期性的，因为薛定谔相信这样的分子能够存储变异和演化所需的无限的可变信息。换言之，晶体必须是单分子结构，因为只有这样原子才有可能储存信息。

由于最初生命体的复杂性必须通过细胞结构体现出来，因此细胞的某个部分先演化形成的观点是毫无疑问的。这就要求最早出现的半生命体（或前细胞）必须具备两个能力：利用环境物质进行新陈代谢和在自我复制过程中发生变异。奥帕林与霍尔丹在各自的生命起源假说中都提到了新陈代谢与自我复制这两个能力，而随之而来的问题就是这两个过程是如何被细胞内各不相同但相互依赖的分子系统协调处理的。

在随后的几年里，人们把这个问题形象地描绘成生命起源领域“先有鸡还是先有蛋”的问题。但是上世纪中叶，当米勒和尤里在芝加哥大学完成那个著名实验的时候，人们还没有意识到这一问题。酶是新陈代谢的主要执行者。尽管科学家们对酶的工作方式已经有了比较充分的认识，但对染色体在生命活动中发挥的作用还不十分清楚。虽然摩尔根的工作使染色体在基因遗传过程中发挥的作用变得一清二楚，但尚未有人揭示染色体真正的组成成分。有理由认为细胞的自我复制和新陈代谢是由同一套过程控制的，但现实情况是科学家还没有弄清细胞的全部。

细胞为地球上所有生命之间广泛的演化关系提供了最有力的证据。正如圣伊莱尔在鸟翅膀和人手臂这两种看上去完全不同的器官中找到相似点一样，不断发展的生命科学同样揭示了不同生物的细胞结构也惊人地相似。这种细胞结构、功能甚至是遗传密码的惊人相似暗示了所有的生命可能起源于同一个祖先。

现生生物的细胞有两种基本类型：原核细胞和真核细胞。原核生物为无核的单细胞，是最简单的有机体。包括动、植物和真菌在内的所有多细胞有机体都属于真核生物。每个多细胞物种就像是一个细胞群，每种细胞执行特定的任务并依赖于其他细胞维持功能。人体的细胞多得难以数清，有人估计有100万亿个，但大多数学者认为可能只有30万亿个左右。

尽管胡克常被人们誉为细胞的发现者，但实际上第一个观察到活细胞的人是与胡克同时代的列文虎克。列文虎克在自己的《显微图谱》一书中描述了软木块的显微结构，但他看到的结构实际上只是残留的植物细胞壁而非细胞本身。列文虎克最先用“细胞”一词描述这些结构，而“细胞”正是拉丁语“小室”的变体。因此，细胞是以显微学家用显微镜最早观察到的结构定义的，细胞中起保护作用的由磷脂分子组成的结构称为细胞膜。

简单地讲，细胞只不过是一些基本物质而已。但这些物质的组合方式极其复杂，它们聚集到一起形成一个由蛋白质“机器”组成的动态的“工厂”。一个细胞内可能有上万种蛋白质，每种蛋白质在细胞“装配线”上执行特定的任务。所有生命体包括呼吸、饮食、成长、繁殖在内的一切生命活动都是由蛋白质完成或者在蛋白质的协助下完成的。因此，科学家们一般称蛋白质为生命活动的载体。

从某种角度上讲，科学家一般将细胞膜、细胞质及核酸统称为原生质[3]。原生质是一切生命的结构基础，反映了生命体基本的生命属性。蛋白质对生命活动来说至关重要。20世纪上半叶，人们甚至认为蛋白质也携带着遗传因子。尽管一些科学家起初就怀疑蛋白质在遗传上可能并不发挥作用，但蛋白质在细胞新陈代谢过程中的重要性已经得到广泛的认可。

和当时大多数关注生命起源问题的科学家一样，福克斯也认为蛋白质是遗传物质的载体。在加州理工学院，现代遗传学之父摩尔根经常告诉他：“所有的生命问题归根结底都是有关蛋白质的问题。”从加州理工学院毕业后，福克斯来到化学家马克思·伯格曼领导的全球顶级的蛋白质实验室工作，这使得他对摩尔根观点的认识进一步加深。伯格曼是位德裔犹太人，逃离纳粹德国后在纽约的洛克菲勒大学建立了自己的实验室。

有一段时间，第二次世界大战的爆发转移了福克斯的视线，他回到一个位于加州的私人实验室，着手研发一种从鲨鱼肝脏中分离维生素A的方法。维生素A对缓解夜盲症有重要的作用，战争期间盟军飞行员需要服用维生素A来提高夜视能力。1953年米勒-尤里的实验在科学界引发轰动后，福克斯才重新回到他在加州理工学院曾经思考过的有关生命起源的“大问题”上。

米勒-尤里的实验引发了不少类似的研究报道。虽然许多实验对尤里推测的早期地球环境条件进行了调整，但这些实验无一例外都试图重复自然界中氨基酸的形成过程。一些实验使用了不同的混合气体模拟早期大气，还有的使用了其他方式代替米勒曾经使用的特斯拉线圈闪电装置。然而福克斯对重复米勒-尤里的经典实验兴趣不大。虽然科学家们还不清楚氨基酸是如何出现在地球上的，但似乎离这个答案越来越近了。有机分子的起源不再是无法解释的谜团，更不再是想象中无法逾越的困难。相反，福克斯希望了解生命演化的下一步：霍尔丹曾经预言的“半生命体”阶段的原始细胞是如何由氨基酸形成的。对于福克斯来说，氨基酸形成之后必须通过某种途径合成蛋白质或某种与蛋白质相似的生物大分子才能发挥生命活动载体的作用。

这一问题比米勒-尤里实验回答的问题还要复杂，因为即使是最小的蛋白质分子也都是由一系列氨基酸按照一定的顺序精确排列而成的。因此，科学家们在描述蛋白质时经常提到的“序列”一词指的就是组成蛋白质的氨基酸特定的排列顺序。后来，科学家们在描述基因在染色体上的位置以及组成基因的单核苷酸顺序时也都会用到“序列”一词。

要想把米勒-尤里实验中得到的氨基酸变成成熟的蛋白质是一个极其复杂的课题，然而没过多久福克斯似乎就在无意间发现了答案。就在米勒-尤里的实验激起学术界对生命起源研究的重视后，福克斯便投入到氨基酸合成蛋白质的研究当中。除了实验工作以外，他还举办了一系列讲座，并在此过程中思考了如果类似达尔文设想的温暖小池塘不断蒸发会导致氨基酸发生怎样的变化。

福克斯领导的研究团队发现，当加热到175摄氏度时，纯净的氨基酸会以一种接近有序的方式进行自组合，形成类似于多肽链的氨基酸链。同真正的蛋白质相比，虽然这些氨基酸链更短，但确实展现出了一些类似蛋白质的生物活性。他确定自己在生命起源的研究道路上又迈出了重要的一步，并把这些较短的氨基酸链称为类蛋白。1959年，他进一步发现当类蛋白干粉被再度放入热水中时，会自发地形成酷似原始细胞的微型小球。福克斯将自己的发现撰写成论文发表在1959年5月出版的《科学》杂志上，在文中他将自己的实验结果称为“适度加热条件下生命自发起源的综合理论”。

随着福克斯对类蛋白微球体的进一步研究，他更加确信自己发现了现代细胞的“前体”。这些微球具有类似细胞膜的外壳，并对特定的生物质具有选择透过性。不仅如此，它们还具有和某些蛋白质类似的催化作用，能提高一些化学反应的反应速度。这些微球还可以吞噬其他的微球，不仅能够生长、出芽，还能通过分裂形成新的微球。不久之后，福克斯在一次讨论中提出这些微球可能是某种原始的活的生命的假设。

许多科学家从一开始就对福克斯的实验结果表示怀疑，米勒就是这些人中反应最激烈的一位。在福克斯的论文发表之后，《科学》杂志又发表了米勒和尤里的一封来信，信中对福克斯假说所必需的地质条件的合理性提出了质疑，认为即使是在严格的实验条件下，类蛋白要完成加热、冷却、干燥以及再溶解等一系列精确的步骤都不是一件容易的事。福克斯以火山附近的潟湖作为类蛋白形成必不可少的地质条件，但米勒和尤里怀疑这些类蛋白形成的关键步骤是否真的在早期地球上出现过，并且认为火山可能并不是一个适合生命起源的地质环境。同时，他们认为福克斯的确发现了一个有趣的化学现象，但这一现象与生命起源毫无关系——类蛋白肯定不是活的生命，或者至少无法演化成活的生命。

这最后的负面评价以及快速发展的分子生物学严重地削弱了福克斯论文的重要性。在米勒-尤里实验发表后的几年里，科学家对细胞中复杂生物大分子的作用有了更深的认识，并且这些认识极大地削弱了蛋白质对所有生命过程都至关重要的想法。在接下来的一段时间里，科学家们不再将蛋白质视作对生命起源至关重要的生物大分子，对现代细胞前体研究的注意力也开始转向蛋白质以外的其他细胞组分。这时，长期被错误解读和低估的核酸开始吸引了绝大多数科学家的注意力。

1953年春天，一位浅棕色头发、背有些微驼的高个年轻人走进了位于英国剑桥的老鹰酒吧，十分兴奋地宣布自己和同事刚刚发现了生命的一个秘密。考虑到这个年轻人是一位尚未获得博士学位的学生，如此高调地宣布一项发现实在有些鲁莽，但当时这位名叫弗朗西斯·克里克的年轻人总是喜欢和别人大胆分享赞扬自己能力的话。与克里克一同在老鹰酒吧喝酒的还有一位名叫詹姆斯·沃森的年轻人，后来在斯德哥尔摩与克里克一起荣获诺贝尔奖的也是他。沃森后来撰写了一本讲述DNA结构发现过程的书，名叫《双螺旋》。这本书中的第一句话这样写道：“我从未见过克里克的心情有平静的时候。”

全世界的科学家花了10多年时间才认识到克里克与沃森发现的重要性。他们对DNA结构的解析最终的确成为了20世纪最重要的科学发现，而克里克也因此成为了20世纪著名的科学家。

克里克出生于英国的北安普敦，他的父亲是位鞋匠，后来他的家乡也成为了英国的制鞋中心。他的祖父沃尔特·卓尔布里治·克里克是位业余博物学家，不仅认识达尔文，还是达尔文发表在《自然》杂志上的最后一篇论文的共同作者。尽管如此，克里克并没有遗传祖父在生物学方面的造诣。他在英国伦敦大学学院完成了本科教育，格兰特也曾在这所大学指导过巴斯蒂安。和巴斯蒂安一样，虽然克里克也对意识和生命起源这两个重要但无法回答的生物学问题感兴趣，但他最终选择了自己并不十分喜欢的物理学专业。第二次世界大战爆发时，克里克一直在研究水在100~150摄氏度时的黏度问题，后来他把这项研究称为“自己能想象出来的最无聊的问题”。值得庆幸的是，德国飞机朝克里克实验室投掷的水雷炸毁了实验设备，这才改变了他的命运。

在此之后，克里克开始为英国皇家海军设计水雷。他设计了一种触发方式十分奇特的水雷，只有在德国扫雷舰使用极强磁铁的情况下才能引爆。

第二次世界大战结束时，克里克依然是位大龄博士生。和其他受薛定谔《生命是什么？》影响的年轻一代物理学家一样，克里克决定改行从事生物学研究。1949年，他在剑桥卡文迪许实验室谋得了一个研究职位。众所周知，卡文迪许实验室是英国最著名的物理学实验室，不少里程碑式的发现都是在这里完成的，其中就包括揭示细胞内部工作方式的重要实验。

1912年，就在X射线被发现后不久，一位名叫威廉姆·罗伦斯·布拉格的25岁剑桥学生无意中想到一个点子，用X光衍射方法获得晶体原子的排列图像。与此同时，科学家还掌握了对分离的活细胞组分进行结晶的方法。这不仅使科学家们能够了解细胞组分在原子水平的结构，还有助于研究细胞内部复杂的工作方式。这项发现在细胞生物化学领域引发了一场革命，并且使布拉格成为了史上最年轻的诺贝尔奖得主[4]。

克里克刚到卡文迪许实验室工作时，布拉格正领导这一实验室。在他的领导下，卡文迪许实验室很快成为了当时全世界最顶级的晶体学研究中心之一。实验室的主要工作集中在蛋白质方面，而克里克被分配的第一项工作就是批判实验室最著名的科学家之一、曾经尝试解析血红蛋白分子结构的奥地利微生物学家马克思·佩鲁茨。佩鲁茨希望通过蛋白质结构揭开基因遗传的秘密，但克里克发现自己并不相信佩鲁茨的假设，他认为基因遗传的奥秘应该是由细胞内其他的生物大分子完成的，而这个生物大分子很可能就是常被人们忽视的DNA。

1871年，一位名叫弗雷德里希·米歇尔的瑞士裔德国化学家从附近的一家医院得到的带有脓血细胞的绷带上分离出一种新的生化物质。这种物质虽然含有氮和磷，但没有蛋白质中常见的硫。米歇尔对此感到十分困惑。由于这种物质是从脓血细胞的细胞核中分离出来的，米歇尔最初把它称为“核素”。这就是人们后来熟知的“脱氧核糖核酸”，英文缩写为DNA[5]。但人们当时并不清楚DNA的作用，更不知道它与遗传理论中提到的遗传因子有何种关系。

半个多世纪之后，科学家们终于证明了DNA在遗传上起到的作用比之前任何人预想的都更加重要。1943年，洛克菲勒研究所的加拿大裔内科医生奥斯瓦尔德·艾弗里设计了一系列细菌学实验，希望证明DNA究竟是不是遗传物质。当时的化学分析手段已经十分先进，不仅在实验室中可以分离蛋白质和核酸，而且可以证明细菌和细胞一样都是由这两种物质组成的。艾弗里在研究肺炎双球菌时，发现只要致病毒株的DNA与非致病毒株接触就可以把非致病毒株转化为致病毒株。这个著名的肺炎双球菌转化实验证明了在没有蛋白质存在的情况下，DNA本身就具有遗传特性。

莱德伯格后来把艾弗里的这个实验称为“现代DNA研究的历史性平台”，但是这个实验的意义过了很长时间才被大多数科学家接受。事实上所有科学家都知道艾弗里的实验结果，但是大多数人都把自己的精力投入到了对蛋白质的研究当中。DNA是遗传信息载体的想法本身就是对生物化学和细胞工作机制思考方式的根本性改变。这一想法最初在科学界甚至在洛克菲勒研究所内部都受到了极大的阻力。著名的遗传学家赫尔曼·缪勒是发现基因变异的第一人。1951年，他在一篇纪念孟德尔定律被重新发现50周年的论文中这样写道：“我们还没有真正理解是何种机制赋予了基因遗传物质的属性，这是一种能够复制自己结构的能力。”

然而，越来越多的科学家意识到，艾弗里的实验结果清楚地证明了DNA的确是遗传物质的载体。克里克对这个实验结果表示谨慎的同意。他与沃森相识的时候，沃森对艾弗里的实验结果表示完全赞同。留着平头的沃森是个性格直率的美国人，他在卡文迪许实验室可谓是鹤立鸡群。从在芝加哥大学读本科开始，沃森就确信DNA在细胞中具有重要的作用。一些功成名就的科学家勉强承认DNA的重要性甚至会激起他的愤怒。他后来在《双螺旋》一书中怒斥自己曾经遭到一些人的阻碍，并这样写道：“这些刚愎自用的蠢货一直在支持错误的一方。”接下来，他又补充道：“许多科学家不仅心胸狭窄、迟钝呆滞，而且还十分愚蠢。”

1950年，沃森来到卡文迪许实验室工作后，和克里克一起为一位名叫莫里斯·威尔金斯的晶体学家绘图。威尔金斯完成了最早一批DNA的X射线衍射图像，并很快邀请这两位年轻人帮助自己整理实验的原始数据。

当时，不少世界顶级的实验室都在争先恐后地解析蛋白质结构，卡文迪许实验室也不例外。但就尝试解析DNA结构而言，沃森与克里克最直接的竞争来自加州理工学院莱纳斯·鲍林领导的研究小组，然而鲍林的劣势是无法获得与剑桥大学水平相当的X射线衍射数据。从1953年开始，沃森和克里克得到了一位研究人员获得的详细的DNA衍射数据，这位研究人员就是刚刚接任卡文迪许实验室DNA研究主管一职不久的化学家罗莎琳·富兰克林。除了科学家的身份以外，她还是英国前内政大臣赫伯特·塞缪尔的侄女。克里克与沃森根据富兰克林提供的精细的DNA晶体衍射图像进行绘图，并最终推断出了DNA结构[6]。

很快，沃森和克里克绘制的DNA结构成为了当时学术界看到的最清楚、最漂亮的图像：两条长长的核苷酸链相互缠绕在一起形成了双蛇神杖般的DNA双螺旋结构。这可能正是萨尔瓦多·达利曾经想象的结构。而最为关键的是，这样的结构具备科学家之前推测的基因载体应该具有的全部特征。早在1927年，苏联科学家尼古拉·科利佐夫就曾推测能够传递基因的遗传因子应该具有“能够复制的双链结构”[7]。1934年，霍丹利猜测基因可能是通过互补的模板实现自我复制的。当克里克和沃森开始证明DNA就是遗传信息的载体时，他们已经知道自己要找的是能够互为模板的双链大分子。而解析出的DNA双螺旋结构完全符合这些人的预期。

1953年5月，3篇相互印证DNA双螺旋结构发现的论文刊登在了《自然》杂志上，其中一篇论文由沃森和克里克撰写，一篇由威尔金斯撰写，还有一篇由富兰克林撰写。沃森和克里克这样写道：“这一结构表明DNA可能能够实现自我复制。”就在这篇文章刊登出来的几周后，米勒就在《科学》杂志上发表了自己的实验结果。在世界各大媒体大张旗鼓地宣传米勒实验结果的同时，DNA结构的发现几乎没有得到主流媒体的关注。《纽约时报》本打算刊登一篇题为《细胞内“生命单元”的结构被解析》的短文，可能是由于编辑觉得这项发现无足轻重，这篇报道最终还是在报纸付印前被拿掉了[8]。

尽管做出了20世纪最重要的一项发现，但洛克菲勒研究所还是把克里克安排到原来的工作岗位继续研究血红蛋白的结构。然而，蛋白质对遗传具有重要作用的想法依然盛行，许多科学家依旧坚信DNA和蛋白质在控制遗传信息的传递方面具有共生关系：DNA与蛋白质分享信息的同时，蛋白质也与DNA分享信息，这让它们成为基因遗传的共同载体。克里克最初颇具争议的生物学“中心法则”也渐渐获得了支持，这个法则认为：遗传信息可以通过核酸传递给蛋白质，但无法从蛋白质传递给核酸。在此之后，克里克又花了13年时间解读数十亿年来生命彼此交流使用的复杂的遗传密码。至此，人们才接受DNA是遗传信息的唯一载体的说法。

1953年沃森（左）和克里克在DNA双螺旋结构模型前拍摄的一张经典照片

遗传密码是我们所知的最古的老语言，其历史至少与生命本身的历史大致相当。亿万年来，所有的生命都在使用这种语言。它只由A、C、G、T四个字母组成，分别代表了腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶4种含氮碱基。这4种含氮碱基是核苷酸的重要组成部分，在DNA链上组成三位一组的遗传密码。

英国人首先破解遗传密码并不值得大惊小怪，因为这已经不是第一次了。在第二次世界大战时，阿兰·图灵和布莱切利园的同事成功破译了德国人的密码，并发明了世界上第一台计算机。在包括俄籍物理学家乔治·盖莫（因提出大爆炸理论而闻名）在内的一大批科学家的帮助下，克里克与同事成功揭开了生命遗传语言的面纱。1966年，DNA以三位核苷酸为一组翻译蛋白质前体的遗传密码被全部破译，而这一年距离克里克因解析DNA结构而荣获诺贝尔奖过去了三四年。这一发现使人类掌握了阅读生命体细胞语言的能力。

破译遗传密码的工作让克里克开始思考DNA如何与蛋白质交流的问题。无法理解的语言本身就是没有意义的，DNA上的遗传信息要通过氨基酸序列传递给蛋白质，在DNA与蛋白质之间就必定存在某种信使。自20世纪40年代以来，一些科学家曾怀疑过核糖核酸（即人们俗称的RNA）在胞内蛋白质合成方面具有一定的作用。1958年，克里克和其他科学家基本上弄清了RNA在遗传信息从DNA向蛋白质传递过程中发挥的作用。同时，克里克还注意到RNA在细胞内扮演了多种角色，一些RNA既可以像DNA一样携带遗传信息，又可以像蛋白质一样参与新陈代谢的过程。克里克写道：“尽管携带了遗传信息，但一些RNA之前一定能做‘蛋白质现在做的工作’。”他甚至推测最早出现的生命体的遗传物质可能“只有RNA”，许多生命起源领域的科学家最终把克里克的这番言论视为一种学说。

随着学术界逐步接受了核酸在遗传学中的核心地位，科学家们对生命起源方式的思考也在悄然发生改变。如果胞内的某种组分先于其他组分出现的话，那么与之相关的新陈代谢或遗传就肯定先出现。有一派学者认为蛋白质或蛋白质类似物质是早期生命的关键组分，这一学派又被称为“代谢优先”学派。与之相对的是包括米勒在内的一些科学家，他们认为试图通过研究蛋白质回答生命起源的问题就是摸错了门，DNA和遗传机制的出现很可能是生命诞生的第一步。一旦DNA进行复制，可变异的分子就会出现，而其他的一切就会通过演化随之出现。这些科学家们认为一旦失去基因，蛋白质将一事无成。

福克斯仍旧坚持留在“代谢优先”学派的阵营中。随着这一领域的大多数科学家开始倾向于DNA复制优先或两种学说的结合，他开始苦苦抱怨这个所谓的“核酸的垄断”。事实上，他面对的最大问题并不是对蛋白质优先模型的坚持，而是他固执地认为自己已经通过微球实验基本解决了生命起源的问题。20世纪70年代以后，福克斯开始关注在微球外膜上存在的差分电荷，在他看来微球表面存在的这种差分电荷与活细胞中存在的差分电荷简直一模一样。直到1988年，他在自己撰写的《生命的出现》一书中甚至还宣称这些微球表现出了“初步意识”的迹象。

福克斯的这些观点遭到了学者们的质疑，甚至在一度让他风光无限的生命起源领域也出现了一些嘲讽的声音。但美国国家航空航天局的工作人员对福克斯的尊敬并没有丝毫减退，继续把大量的资金投入到他没落的事业中。尽管福克斯是位无神论者，但他还是希望保住自己作为保罗二世教皇生命起源问题临时顾问的官职。1998年他离世时，生命起源领域的同事几乎忘记了他的存在。他促使权力机构支持自己工作的独特能力在同行间招致了相当大的嫉妒和怨恨。

福克斯真正流传下来的著作其实更为混杂，但是他作为机构建立者的能力推动了生命起源研究成为主流科学。当许多科学家认为生命起源只不过是一次独一无二的偶然事件时，奥帕林提出的生命起源是必然发生的演化历程的一部分的观点依然得到了福克斯的支持。尽管大多数科学家都认为微球实验已不再重要，但学术界并未完全否定一些蛋白质前体或氨基酸聚合物对生命起源至关重要的观点。后来，这一观点甚至还成为了许多生命演化理论的根基。

和福克斯一样，晚年的克里克也承受了许多名誉上的压力，一些来自他自己在争议性课题上的直率立场，另一些则来自他对各种问题提出的大胆假说。假说如果正确，这些做法则相当于强化了他作为天才的荣耀；但假说如果错误，就会让人感觉他像个疯子。福克斯认同20世纪60年代末的世俗，他留着连鬓胡，穿着彩色衬衫，用大号的显示器做实验。他还热衷于参加各种社会活动，一项活动甚至以他的名义要求英国政府将大麻合法化。除此之外，他还在支持安乐死及优生政策方面发表了一些不明智的评论，并对此感到后悔。

宗教是克里克从不回避的另一个争议性话题。他在解释了遗传学的本质后，被任命为丘吉尔学院的创始会员。这的确是一个久负盛名的任命，为了纪念温斯顿·丘吉尔，这个新成立的学院以丘吉尔的名字命名，并希望成为能与美国加州理工学院和麻省理工学院齐名的英国著名高等学府。然而没过多久克里克就辞职了，因为学校并没有按照克里克的意愿建造一所可供不同信仰的人使用的冥想室，而是建立了一座基督教教堂。克里克不太喜欢宗教，尤其不喜欢基督教。他曾这样揶揄基督教：“这种宗教私下里在成年人中传播没有问题，但不应传授给小孩子。”

随后，克里克前往位于加利福尼亚州的索尔克研究所，该研究所以脊髓灰质炎疫苗发现者索尔克的名字命名。在那里，克里克把精力更加集中在生命起源问题的研究上。一位来自剑桥的老朋友、生命起源领域的权威人士莱斯利·奥格尔的加入，使克里克开始思忖生命诞生的早期阶段，细胞仅通过一些原始的密码将氨基酸转化为蛋白质，而这种密码很可能演化成了后来所有现代生物都在使用的遗传密码。但自然界为什么没有出现其他遗传密码进而形成大量相互竞争的种系？克里克开始关注这个问题产生的原因。

由于无法在生命起源的研究上取得进展，垂头丧气的克里克开始思考是否存在其他地外生命的问题。1973年，克里克与奥格尔在行星科学期刊《伊卡洛斯》上发表了一篇题为《定向泛种论》的文章，抛出了一个地球上的生命是由另一个太阳系的智慧生命刻意播种的理论。奥格尔几乎把这一理论视作玩笑。虽然克里克知道这是胡乱猜测，但却十分认真地对待这个假说。克里克与奥格尔的大部分观点来自于细胞中大量的钼元素。由于地壳中钼的含量极为稀少，他们认为或许地球生命的祖先来自于富含钼的星球。很快，大多数科学家就指出从地外生命的角度思考地球生命起源的问题不仅没有什么意义，而且还使问题更加复杂化。

但地球生命可能来自宇宙的想法并未完全覆灭，克里克的假说至少在一段时间内似乎是有预见性的。在克里克假说发表20年之后，一块在南极发现的陨石重新点燃了他的想法：生命可能真的来自宇宙，或者说至少不是地球独有的。

[1].估计当时全世界1/5的人都在收听或收看阿姆斯特朗登月的直播。

[2].在到迈阿密大学之前，福克斯曾在佛罗里达大学担任教授。——译注

[3].原生质是指细胞内的生命物质。一般一个动物细胞可以看作是一团原生质，包括细胞膜、细胞质以及细胞核。——译注

[4].2014年，马拉拉·优素福·扎伊打破了布拉格保持的最年轻的诺贝尔奖得主记录。这一年，17岁的她荣获了诺贝尔和平奖。

[5].“核酸”一词表述得不甚恰当，它并不是表示遗传物质只存在于细胞核中。现在我们知道DNA和RNA也都存在于无细胞核的原核细胞中。

[6].沃森和克里克使用富兰克林DNA衍射图像的事一直是个备受争议的科学伦理问题。尽管他们在没有征得富兰克林同意的情况下按照其数据进行绘图，但富兰克林拒绝他们使用的做法也十分令人怀疑。在发现DNA结构后，富兰克林与克里克成为了好朋友。1958年富兰克林死于卵巢癌，这很可能与她长期在X射线辐射环境下工作有关，她在克里克家中度过了自己生命中最后的几个星期。1962年，克里克、沃森与威尔金斯因发现DNA结构而共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。由于诺贝尔奖不颁发给逝者，于是获奖名单中就没有出现富兰克林的名字。多年来，人们一直忽视了富兰克林对DNA结构解析所做出的巨大贡献。沃森在《双螺旋》中对富兰克林的描写也明显带有性别歧视的意味，这进一步加深了人们对富兰克林沦为科学界男权主义思想牺牲品的认识。沃森把富兰克林称为“一个过分强调职业生涯的从不知足的母亲，这种人简直可以拯救那些嫁给平庸男人的聪慧女性……不得不承认，另一个人的实验室就是女权主义者们最好的家”。这句话就是沃森在书中对富兰克林的经典描述。

[7].科利佐夫的遗传学理论曾受到李森科的斥责。1940年，苏联秘密警察毒死了科利佐夫，其妻也于科利佐夫逝世的同日自杀身亡。

[8].历史上有许多开创性的发现最初都被外行的媒体和大众忽视。阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出了相对论，然而他的名字直到1917年才出现在报纸上。

第11章 生命随处可见

我们是由星际物质组成的。我们是宇宙了解自身的一种方式。

——卡尔·萨根，《宇宙》，1980年

在45亿年前银河系中的大多数行星形成后不久，火星上的火山喷发了，喷出的熔岩覆盖在火星表面，不断冷却形成了坚硬的岩石。此后的5亿年里，这些岩石都不曾移动过，直到有一天，一颗小行星撞击了火星表面。这次撞击十分猛烈，冲击波裹挟着热量将撞击点附近的岩石压碎并熔化，一部分火星深部的岩石被溅射到了表面。

40亿年后，又一颗小行星猛烈地撞击了火星。这次撞击更加猛烈，飞溅起的岩石以极高的速度穿过火星大气层进入外层空间，最后在太阳和木星引力的共同作用下不断减速，进入了一个与火星完全不同的轨道开始围绕太阳旋转。这些岩石围绕太阳旋转了至少1600万年，直到有一天一块比垒球体积略大的岩石进入地球引力场中，并以极高的速度穿过大气层坠落在南极洲的一片冰原之中。而此时，人类已经在幼发拉底河沿岸永久定居。

又过了13000年，这块坠落在南极艾伦山的陨石被隆升的山脉推到了冰原表面。艾伦山所在的横贯南极山脉不仅是全球最大的山脉之一，而且也是人类了解最少的山脉。

1984年12月的一天，艾伦山风和日丽。一批来自休斯顿美国国家航空航天局约翰逊航天中心的陨石专家开始在艾伦山及其附近的西部冰原地带寻找陨石。那里极端的环境最大限度地减少了陨石的污染问题，广袤无垠的白色冰原也使陨石更容易被发现，因此长久以来被人们视为寻找陨石的圣地。自20世纪70年代以来，美国国家航空航天局一共派出了几十位陨石专家前往南极洲考察。

这块火星陨石的发现者是首次参加美国国家航空航天局南极科考任务的陨石搜寻新手罗伯特·斯科尔。当时正值南半球的盛夏，也是南极一年中最温暖的极昼时期，气温甚至一度超过了零摄氏度。斯科尔从很远处就看见了这块陨石。它比垒球略大一点儿，在阳光下呈蓝色，如果坠落在地球的其他地方，可能根本不会被人们发现。斯科尔把这块陨石收集起来，对它作了一些描述并给它一个永久的编号：艾伦山84001（ALH84001）。她注意到这块陨石表面具有熔融壳，而没有熔融壳覆盖的部分具有灰绿色的块状结构。数年后科学家们对这块陨石进行了详细的研究，斯科尔注意到的灰绿色块状结构一度成为了科学界最重要的发现之一。

考察队返回美国后，ALH84001陨石被送到约翰逊航天中心永久保存。陨石首先存放在曾经放置过“阿波罗11号”月球标本的隔离室中，与采自世界其他地方的陨石并排摆放。起初，约翰逊航天中心的工作人员认为ALH84001陨石只不过是太阳系形成过程中残留的一个碎片，可能来自某个小行星。后来，一小块陨石切片被送到了史密森尼自然历史博物馆展览。这之后的5年里，这片沉睡在博物馆中的陨石再没引起人们的注意。

1990年，史密森尼博物馆负责陨石成分研究的年轻馆长发现这块陨石切片含有丰富的碳酸盐矿物。尽管碳酸盐矿物可以通过非生物的方式形成，但地球上发现的碳酸盐矿物几乎都是在有水的环境中形成的。这一发现是证明ALH84001极其特殊的第一个确凿的线索。

1993年，人们通过矿物学、同位素及内部痕量气体分析等手段确定了ALH84001是一块来自火星的陨石。科学家们断定它一定不是唯一一块坠落到地球上的火星陨石。但当时鉴定陨石来源的技术还不够成熟，在检查了成千上万块陨石之后，科学家们只确认了其中的9块属于火星陨石。

ALH84001来自火星的消息迅速吸引了全世界陨石研究机构和实验室的目光。这块陨石的切片随即被分给世界各国的研究机构进行研究。德国科学家首先利用放射性测年手段计算了陨石的年龄，结论是这块陨石形成于距今45亿年前。这个结果无法使其成为已知最古老的陨石，因为人们发现的另一块火星陨石形成的年代还要更加久远。但由于放射性测年手段存在数千万年的误差，ALH84001是人类已知的最古老陨石的可能性也不能完全排除。无论如何，用一个观察员的话说，这块重达2千克的ALH84001必将成为之后一段时间里人类研究得最多的火星陨石。

ALH84001最大的一片保存在美国国家航空航天局，地质学家戴维·麦凯对这块标本进行了分析研究。麦凯是约翰逊航天中心的首席太空生物学家，也是太空生物学家中经验最丰富的一位。他曾在莱斯大学攻读博士学位。1962年，约翰·肯尼迪总统在该校礼堂中发表著名的“登月演讲”[1]时，他也在场。10多年后，麦凯领导了一个专门研究“阿波罗11号”月球样品的研究小组，后来又在美国国家航空航天局“水手号”和“海盗号”火星探测器发射任务中扮演过重要角色。

在“水手号”和“海盗号”任务中，麦凯曾协助寻找火星上液态水的痕迹。可能存在的液态水引起了麦凯的兴趣，而其他太空生物学家则分头寻找可能存在过的生命的迹象。液态水是生命不可或缺的东西，至少在人类的知识范围内，所有已知的生命都离不开水。现生生物质量的80%~90%几乎都是由水组成的，科学家们难以想象不依赖水的生命是怎样的。但是“水手号”和“海盗号”的任务也证实了火星表面可能并不适宜地球生命生存。数十亿年来，火星不断遭受陨石的猛烈撞击（以至于把诸如ALH84001等陨石抛入到外层空间中）和太阳风的持续破坏。不仅如此，火星的大气稀薄，较低的气压无法维持液态水在火星表面长时间存在。如果火星上曾经存在过液态水的话，也应该是在很久之前就蒸发或渗入了地下。

但ALH84001是在火星诞生的早期形成的，因此可能保存了我们未知的早期火星环境的信息。这块陨石中的碳酸盐矿物引起了麦凯的兴趣。地球上的碳酸盐矿物几乎都是在有水的环境中形成的。对麦凯来说，这种矿物的出现意味着早期火星具备能够渗入岩石中的液态水，而有液态水存在的地方就很可能存在过生命。

令麦凯不解的是陨石中的碳酸盐矿物主要集中在绿色的块状结构上，这一结构在斯科尔最初发现这块陨石时就曾注意到。100多年前沃尔科特在科罗拉多大峡谷中找到了前寒武纪的隐生藻化石，这种藻类化石与眼前这块陨石中的碳酸盐矿物十分相似。很快，美国国家航空航天局的科学家在陨石中还发现了更让他们感到好奇的东西：微小的磁铁矿晶体。这些晶体保存在陨石的细缝中，并且集中出现在斯科尔最早注意到的块状结构附近。它们的结构和那些由海洋中趋磁细菌形成的磁铁矿晶体惊人地相似。

1000多年前，人类才开始利用地球磁场辨别方向，但自然界中能够利用地球磁场进行导航的生物已经存在了数百万年之久。大量证据表明，鸟类、蝙蝠和细菌都可以利用体内天然的含铁矿物根据地球磁场的方向进行定位。细菌中被称为磁小体的矿物在微生物中广泛存在。如今，人们在20亿年前形成的岩石中发现了这些磁小体的化石，表明这些微生物体内的“指南针”有着很古老的历史。

地球上发现的微小磁铁矿晶体通常被认为是生命活动的产物。麦凯研究小组决定把ALH84001的样品送往斯坦福大学，那里一位名叫理查德·扎雷的化学家发明了激光质谱仪，能够在不破坏样品的前提下确定其中的物质成分。没过多久，扎雷就为研究小组带来了极好的消息：这块陨石样品中富含多环芳烃（PAH）类有机物。尽管现在地球上的多环芳烃是化石燃料燃烧的副产物，但自然界中的多环芳烃通常与远古时期腐烂的微生物有关。私下里，麦凯研究小组开始讨论他们手中可能掌握了地外生命曾经存在的证据。如果证据属实，这将成为人类史上最重要的发现之一。

要宣布这一惊人发现，美国国家航空航天局的科学家们还需要在ALH84001陨石中找到真正的火星细菌化石。但一年的工作并没有在陨石中找到与地球上微生物化石类似的结构，因此麦凯决定尝试一件任何人都不曾想过的事情：他决定寻找一种更小的东西。

1996年1月，麦凯使用工程师检查航天飞机零件缺陷时用到的当时世界上最强大的电子显微镜对ALH84001样品进行观察，这块样品也因此成为用如此高级设备观察的第一块陨石。在随后的几个月中，麦凯能辨别出类似地球上细菌的微小结构，其中最小的结构长度仅为10万分之一毫米。如果将50个尺寸最大的这种结构并排放置，恰好相当于人体的一个红细胞的大小。最有趣的结构形似一条蠕虫，这一结构后来成为该项研究配发的标志性图片，被全世界媒体转载。

1996年初，美国国家航空航天局的科学家相信他们从ALH84001陨石中找到了火星上曾经存在生命的有力证据。麦凯和美国国家航空航天局的新闻官计划在《科学》杂志发表这项研究结果的同一天召开新闻发布会公布他们的发现，但他们的计划差点被一位名叫雪莉·罗兰兹的高价聘请的女士打乱。罗兰兹从前总统克林顿的政治顾问迪克·莫里斯那里听说了这一发现，想把这则新闻卖给《星报》，但《星报》的记者认为这则新闻的可信度较差而未予发表。

罗兰兹并非莫里斯泄密的唯一对象。最终这个消息不胫而走，全球各大媒体争相报道发现地外生命的新闻。克林顿总统也不得不召开紧急记者会公布这一发现，他讲道：“今天，形成于数十亿年前的ALH84001陨石经历了数百万千米的飞行后告诉我们，火星上可能曾经存在过生命。如果这一发现属实，必将成为有关我们宇宙的最令人惊叹的科学成就之一。”

然而科学界对ALH84001陨石重要意义的最终定夺尚需时日。在随后的几年里，出现了一批唱反调的人。许多人更愿意相信这是150多年前轰动一时的奥盖尔陨石事件的翻版。

在ALH84001陨石中发现的疑似火星微生物化石

生命在宇宙中随处可见的想法并不新鲜。早在公元前5世纪，希腊哲学家阿那克萨哥拉就提出了生命之种洒落在宇宙各处的观点，他把这一想法称为“泛种论”，后来卢克莱修的诗歌让这个概念家喻户晓。最终，“泛种论”一词指代生命起初在地球以外太阳系的其他地方孕育，后来随陨石或太空孢子进入地球的假说。

“泛种论”[2]在19世纪十分流行，并得到瑞典化学家斯凡特·阿伦尼乌斯和劳德·开尔文的支持。二人都是当时备受尊敬的科学家，阿伦尼乌斯是瑞典诺贝尔研究所的首任负责人，而开尔文则因低估了地球的年龄给达尔文带来过困扰。开尔文对这个理论十分支持，他相信这些外来的生命是后来地球上一切生命的前身，为此他曾写道：“我们必须在最大程度上相信这些生命是存在的，有无数携带‘种子’的陨石在宇宙中移动。”

和许多支持泛种论的人一样，开尔文对泛种论的兴趣也源自历史上最著名的一次陨石炒作事件。1849年春天的一个晚上，一个明亮的火球划过法国西南部的天空，同时还发出了隆隆的声响。当它穿过浓密的地球大气层时炸裂成了20多块碎片，坠落在了一个名叫奥盖尔的小村庄附近。目睹这次陨石坠落的村民目瞪口呆，他们逐一找到了这些陨石碎片，收集到的陨石重达11千克。这些陨石质地十分柔软，不仅能用刀切开，还可像石墨铅笔一样书写。很快，法国的几位顶级化学家相继查看了这些陨石，以有机合成见长的化学家马塞兰·贝特洛也在其中。在检查完陨石后，贝特洛和其他科学家都认为这些陨石中包含了生命起源的物质，因此生命也一定在地球以外的宇宙空间中存在。

最终，人们请巴斯德评判奥盖尔陨石是否包含生命的物质。此时距离他证伪自然发生的存在仅仅过去了5年时间，已经注定成为法国杰出的实验生物学家。巴斯德怀疑陨石坠落后受到地球环境的污染可能是贝特洛和其他科学家得出上述结论的直接原因。因此，他决定用一个钻头把陨石钻开，看看陨石内部是否也有有机物。如果之前发现的有机物只存在于陨石的外层，那么很可能是陨石坠落后受到了污染。如果有机物也存在于陨石内部的话，那么可以认为这些有机物属于陨石本身。结果巴斯德并没有在陨石内部发现任何生物的踪迹，他最终认为奥盖尔陨石并没有生命的迹象。由这块陨石引发的热议很快就烟消云散了。

在随后的100多年里，奥盖尔陨石只不过是博物馆收藏的一个有意思的东西而已。后来，美国科学家巴塞洛缪·纳吉和乔治·克劳斯决定再去亲眼观察一下。他们惊讶地发现了一些酷似细胞的微小结构，并将其解释为来自地外的微生物化石。1962年，这两位科学家在《自然》杂志上发表了他们的研究结果，但却遭到了大多数主流科学家的质疑。此时，奥盖尔陨石尘封在博物馆落满灰尘的抽屉中已有百年之久，任何支持陨石保存了生命迹象的线索都打了折扣。然而，学术界对这项工作的争辩还是持续了两年多。

1963年，纽约科学院召开了一场座谈会，专门讨论奥盖尔陨石是否存在生命迹象的问题。尤里正是此次座谈会的主持人，他是当时外空生物学领域的著名学者。与会者中不乏微体古生物学、天体化学以及生命起源领域的杰出科学家，福克斯也在其中。随着会议的进行，奥盖尔陨石中发现的一些东西被揭开了真实面目，它们只不过是空气中常见的豚草花粉颗粒，并不是什么地外生命。然而其他的粒状结构否定了这一解释，它们不像在地球上见过的任何东西，但这就能说明它们是地外生命吗？

这场争论最终演变为生命体大小的问题，这与后来科学家们对ALH84001中是否存在火星生命的争论焦点完全一致。与会的一些科学家认为这些奇怪的颗粒结构看上去像是有生命的，而持否定观点的学者表示这些结构与福克斯看到的微球体都不是生命，这两种结构可能都是由同一种过程产生的。尤里曾是开明的怀疑论者，在会议结束时表示自己对奥盖尔陨石中发现的结构持不确定的态度，但会更加努力地在陨石中寻找生命迹象。他认为：“在碳质陨石中寻找生命的迹象是合理的做法，特别是联想到美国计划投入250亿美元实现登月计划时，这个做法就显得更加合理了。”

20世纪六七十年代，克里克和奥格尔在《伊卡洛斯》上发表的论文以及后来宇航员弗雷德·霍伊尔与钱德拉·维克拉马辛的故事都再次引起了人们对泛种论的兴趣。而对于其他科学家来说，这些想法都是近乎荒唐的。

克里克与奥格尔只是把他们的假说当作奇妙的幻想，然而霍伊尔与维克拉马辛却十分认真，他们认为陨石携带的病毒不断传播到地球上，可能就是引起1918年5000万人死亡的大流感的祸根。疯牛病、天花、非典型肺炎甚至艾滋病的出现可能与外空生物入侵有关。

霍伊尔是位人尽皆知的科学家，他在1949年英国广播公司的采访中创造性地使用了“大爆炸”一词描述宇宙起源的主流理论。后来大爆炸理论被无数观测结果证实，因而被誉为现代宇宙学的基石。然而当霍伊尔发表泛种论著作时，他已然成为了当时为数不多的坚定反对大爆炸理论的学者。私底下，霍伊尔还是一位受大众欢迎的科幻小说家，虽然科幻小说的写作对他的事业并没有多大帮助。因此，一些人把霍伊尔“地外病毒”的想法看作其1957年发表的小说《乌云》情节的延伸。鉴于大量相互矛盾似是而非的病毒起源假设，人们基本忽略了霍伊尔和维克拉马辛的观点。

1996年，就在美国国家航空航天局公布在ALH84001陨石中发现疑似火星生命的消息见报后的几天，进化生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德为《纽约时报》撰写了一篇题为《火星上的生命？那又怎样？》的社论。古尔德认为在火星上发现生命并不是一件奇怪的事，但他本人怀疑在ALH84001陨石中发现生命的说法。因为无论是地球还是火星出现生命的可能性都是有的，一旦环境条件允许，生命似乎就会出现。考虑到有利的条件和必不可少的无机成分，生命起源可能就是碳化学和自组织体系物理过程的必然结果。

如果将来有一天ALH84001陨石能够作为远古火星存在生命的证据的话，那么太阳系生命的起源有两种可能。第一种主张生命起源是个相对容易的过程，在太阳系上古历史很短的一段时间里，生命独立出现在太阳系内的两个行星上。而第二种则主张生命可能突然出现在地球或火星上（尽管可能性较小），再通过陨石传播到另一个行星上[3]。

不论其他行星上是否真的有生命，科学家完全相信有机物在宇宙中随处可见。以霍伊尔和维克拉马辛为代表的稀奇古怪的理论，以及那些关于陨石中发现生命的炒作，都倾向于模糊太空中的确存在大量有机分子这一事实。地球上的第一个有机分子可能来自宇宙，尽管大多数人认为这个说法十分离奇，但大多研究生命起源的科学家已经认可了这一观点。

从某些方面来说，“太空”一词误导了公众。浩瀚无垠的太空并不是空洞的，而是充满了由气体和尘埃组成的星际云。科学家们认为一些星际云的坍缩形成了太阳系。目前据我们所知，有机分子在星际云中随处可见，其中一些可能正要“动身”飞向某一颗行星的表面。

麦凯在转向ALH84001陨石研究之前，已经是美国国家航空航天局宇宙尘成分研究项目中的一员。美国国家航空航天局“阿波罗号”及“海盗号”的主要任务是在其他行星上寻找包括氨基酸在内的有机物。但是目前能够证明宇宙中存在有机物的很多证据却来自美国国家航空航天局采集的陨石样品。在“阿波罗11号”宇航员返回地球两个月后，一块陨石恰好坠落在了澳大利亚默奇森镇附近。这块陨石是人类迄今发现的最大的陨石之一，几百个陨石碎片大小各异，从几克到50多千克不等，其中一块还把一户农民的干草棚顶砸穿了。

1969年年末，美国国家航空航天局开始为研究默奇森陨石做准备。这一次，科学家们用各种手段将地球环境可能给默奇森陨石造成的污染降到了最低。研究表明，默奇森陨石富含与生物化学过程相关的重要有机物。迄今，科学家们总共从陨石中分离出了92种不同的氨基酸，而地球自然界仅能合成其中的19种。这一发现无疑支持了地球生命的基本有机组分来源于地外的说法。“阿波罗11号”登月任务未能在月球表面发现丰富的有机物，包括霍伊尔在内的一批科学家所持的疯狂的投机性观点掩盖了一个事实，即大多数严谨的外空生物学家依然相信在太阳系的其他地方有大量的有机物存在，其他行星上是完全有可能存在生命的。

和过去几百年里许多宣称发现了地外生命的消息一样，有关ALH84001陨石的轰动新闻一时间也遭到了学术界的怀疑和公众的热捧。为此，美国科学院成立了专门的调查委员会。经过两年多的调查，该委员会最终以刊登在《科学》杂志上的一篇题为《追忆火星生命？对微生物曾经出现的支持》的文章向世人传达了全新的科学共识：对ALH84001陨石中存在生命的推测远远多于事实。麦凯和其他参与这一项目的科学家们找到的所谓碳酸盐矿物、多环芳烃以及微小的磁铁矿晶体似乎都与生命活动无关。

还有一个问题没有回答，这就是如何解释麦凯与其他科学家曾经亲眼看到过的保存在ALH84001陨石中的疑似微生物化石。即使认为这些疑似微生物的结构是地球污染的结果，它们本身究竟是不是化石的问题还是没有得到很好的回答。从许多方面来说，这个问题也是那些研究地球早期微生物化石记录的科学家们同样面临的问题，长久以来确定这些结构究竟是不是微生物化石一直依靠直觉。在ALH84001陨石事件中，麦凯看到的结构也有可能是由比地球上已知的任何微生物还要小的生物形成的。这就引出了一个问题：生命所需的最小物理尺寸是多少。

在公布ALH84001陨石细节后的短短几个月，另一项研究就遇到了相同的问题。1996年，位于澳大利亚西海岸的一个石油钻井平台钻取到一些年代久远的砂岩岩芯，其中的一些形成于大约2.5亿年前。这些样品被送到了昆士兰大学进行研究。4年后，科学家菲利帕·尤文斯领导的研究团队宣布他们发现了由碳、氢、氧、氮等基本元素组成的微小生命体，并且似乎具有细胞膜结构，DNA染色呈阳性。尤文斯把这种生命体称为“纳米生命”，认为其属于在生物化学上比较常见的、之前未曾报道过的生命形式。然而在“纳米生命”发现以后，却没人能够确认它们到底属于有机体、有机体片段还是其他非生命物质。这与麦凯研究小组在ALH84001陨石事件中遇到的窘境一模一样。科学界要想确认早期地球微生物化石的真实性尚面临如此大的困难，要想证实地外细菌的真实性自然难上加难。

然而，更多的科学家开始认识到，化石并非研究地球早期生命历史的唯一途径。没过多久，一位科学家意识到了地球早期生命的印记其实就存在于现生生物的基因组中，这个发现或许可以帮助科学家们找到远古生命的蛛丝马迹。

[1].但有人会问为什么选择月球？为什么选择登月作为我们的目标？他们很可能还会问人们为什么要攀登世界上最高的山峰？35年前人类为什么飞越大西洋？莱斯大学为什么同得克萨斯大学竞争？我们选择登月，选择在这10年里登月并完成其他的事情并不是因为这些事情简单，而恰恰因为完成它们十分困难。由于登月能最好地分配和检验我们的能力和技能，这项挑战是我们最愿意接受的。我们不愿推迟接受这一挑战，因为这是我们要战胜的挑战。

[2].需要指出的是“泛种论”宣扬的概念是和“无生源论”相对立的，因此有时又被称作“有生源论”。——译注

[3].对地球和火星轨道及引力场相对强度的研究表明，从火星向地球的物质传递要比从地球向火星的物质传递容易得多。这就得出了一个十分惊人的结论：实际上我们都是火星人。这样的推断并非天方夜谭，有实验证据表明现代的陆生微生物可以在这样的旅行中生存下来。

第12章 一种最原始的生命形式

自然界最大程度地向我们呈现了一幅浩瀚无垠的画卷。在这幅画卷中，每个生物门类都由一个反映一系列物种连续演化关系的链条表示。这些连续演化的物种十分相似，以至于很难发现它们之间的区别。

——布丰，《鸟类史》，1770年

这里是35亿年前的澳洲大陆。在波光粼粼的浅水海湾中，陆地向外伸出一个海岬。不远处的一个热泉让这一带的水温接近沸腾，浅绿色的海面上弥漫着硫磺的恶臭味。彼时的地月距离只有现在的一半，因此月亮看上去有现在的两倍大。虽然彼时太阳的亮度只有现在的四分之三，但强烈的紫外线灼烧着没有臭氧层保护的地球表面。地球大气中不仅几乎没有氧，而且还充满了有毒气体。很久以后，当光合微生物开始在原始海洋中出现时，大气中才出现了氧。

然而，这些光合微生物的祖先已经出现了，它生活在海岸附近的浅水中。与其说它是单细胞微生物，不如说它就是一个由脂质薄膜包被的原始功能基因组而已。数十亿年后，科学家们给这种微生物起了个名字：所有地球生命最近的共同祖先（LUCA）。

这个最近的共同祖先开始二分裂，并最终产生了两个完全一样的子代，只有基因组中的微小变异才能将它们区分开来。这些子代进一步分裂，并且随异地交换彼此的遗传物质。随着遗传密码的共享，它们开始了漫长的演化过程。总的来说，它们看上去不太像是微生物群落，而更像是一群社会性微生物。

后来，这些微生物长满了潟湖，形成了凸出水面的小丘。乍一看，这些小丘似乎就是泥巴，但实际上它们是由大量共生的微生物群落和细胞壁上黏附的细小矿物颗粒一层一层地堆积形成的，这有点儿像现代池塘中由藻类形成的泡沫，因此它们又被称为微生物席。

在显微镜下，这些微生物椭圆形的细胞与丝状的细菌细胞混杂在一起。而由它们形成的小丘看上去的确很像叠层石。叠层石是由蓝藻等低等的原核生物形成的一种有机沉积结构，在前寒武纪的碳酸盐沉积中十分常见。在今天的澳大利亚、墨西哥的尤卡坦半岛、加拿大的不列颠哥伦比亚沿岸以及土耳其等地依然可以见到现代的叠层石，这些生机勃勃而富有韧性的微生物能够在大多数现代生物无法生存的环境中生长。不久之后，风和洋流将把它们带到地球的各个角落。它们不断演化，直至形成了人类以及地球上的万物。

自《物种起源》出版以来，科学家一直在苦苦寻找达尔文所谓的“最原始的生命形式”。虽然基于合理的证据，但“最原始的生命形式”只不过是纯粹的情景假设。科学家们对地球生命最近的共同祖先有种种猜测，但是没人知道它们的化学组成，更没人知道40亿年前的地球究竟是个什么样子。最早出现的生命形式可能并非生活在热泉中，而是生活在达尔文想象的“温暖的小池塘”中；它们可能具有独特的内部结构，但经历了几十亿年的演化和自然选择之后，许多结构已在后代中消失。

直到20世纪末，有关上述问题的研究才获得实质性进展。科学家们能够描绘这个最近共同祖先的样子在很大程度上要归功于从事演化生物学研究的美国生物物理学家卡尔·乌斯。乌斯不仅是20世纪最具创造性和革命性的生物学家之一，也是生物学领域最怀才不遇的思想家。他几乎推翻了生物学家早先对最早有机体的所有认识，并且为有机体存在和演化的全新认识奠定了基础。2012年乌斯去世后，他的一些忠实的支持者曾把他与爱因斯坦和达尔文相提并论。

尽管乌斯算得上是全世界生物学领域最重要的思想家之一，但他年轻时并未对生命科学有过多的关注。大萧条时期，年幼的乌斯生活在纽约州的雪城。学生时代的他喜欢钻研数学，而且十分害羞。数学既客观又有逻辑性，可以让乌斯在嘈杂的环境中获得放松。晚年时，害羞的性格让他远离大部分学术会议。可能正是这一点让公众低估了他著作的影响力，并且不大相信他的大部分革命性思想有朝一日会对生命科学产生巨大的影响。

在安默斯特学院攻读了数学和物理学本科学位后，乌斯继续留在那里做研究。与同时代的许多准物理学家一样，他也受到了薛定谔《生命是什么？》一书的感召，希望从事相对前沿的学科研究。因此，当他到耶鲁大学继续攻读博士学位时，研究方向转向了生物物理学。博士期间，乌斯主要研究用射线改变病毒分子结构的方法，为此他选择了曾给家禽养殖业带来灾难的新城疫病毒作为研究对象。毕业后，他希望再花两年时间获得一个医学学位，但最终没有成功。后来，他在位于斯克内克塔迪的通用电气实验室中谋到一个生物物理学的职位。

澳大利亚雅格鲁普国家公园中的叠层石

当时，沃森和克里克对DNA结构的解析让学术界开始重新理解遗传学的基本规律。因此，乌斯把刚到斯克内克塔迪的5年都用在了对遗传密码工作方式的研究上。核酸有4种碱基，而遗传密码是3个碱基为一组。遗传密码需要与20种氨基酸精确对应，才能保证氨基酸以精准的方式合成蛋白质前体。因此，他把遗传信息在DNA和蛋白质之间的转换理解为一个翻译过程，但科学家们一直不清楚遗传信息是如何被“翻译”成蛋白质的。

乌斯把注意力转向了遗传密码的翻译者——核糖体上。核糖体是一种以RNA为主要组成部分的生物大分子，负责将DNA上的遗传密码翻译为氨基酸序列。早在研究新城疫病毒时，乌斯就对鲜为人知的核糖体产生了兴趣，但到了斯克内克塔迪时他才有时间全身心地研究这种生物大分子。

尽管克里克及其同事早就破解了遗传密码，但乌斯将要以全新的角度解读遗传密码编码氨基酸序列的过程。克里克等人把乌斯的工作看作是用数学方法解决物理问题，但颇为讽刺的是，曾经因数学放弃生物学学习的乌斯却把遗传密码看作植根于演化的独特的生物学现象。在他眼里，遗传密码就是一部演化的时间机器，使科学家们能够通过连续的世代一直追溯到最遥远和模糊的演化初期。乌斯并没有像圣伊莱尔寻找人类手臂与鲸鳍之间的相似性那样，通过特征的差异来衡量物种之间的区别，因为他相信，通过研究蛋白质翻译机制的演化过程可以更清楚地了解物种之间的演化关系。

接下来的10年，乌斯将自己的全部精力投入到对这个问题的研究之中。最终，当他完整地重塑了生命之树这个长久以来被认为最不可能动摇的生物学基础时，他对生命的历史有了完整的理解。

瑞典内科医生卡尔·林奈是最早对自然界的生物进行系统分类的学者，他也因此成为了18世纪最具影响力的博物学家之一。1735年，在其开创性的著作《自然体系》中，林奈将有机体分为3个不同的“界”，即植物界、动物界和原生生物界。1758年出版的《自然体系》第十版中已经包括了对7700种植物和4400种动物的系统描述，并且所有记述的动、植物都按照林奈本人提出的分类学体系进行了系统分类。在当时，要对如此多的物种进行系统描述和分类整理，工作量无疑是十分巨大的。但在此后的250年里，人类发现的物种呈现出几何级增长。到了21世纪初，科学家们估计地球上生活着多达10亿种细菌、30万种植物以及1000万～3000万种动物（动物中绝大多数是人们还没有记述过的昆虫）。

林奈的生物分类体系基于简单的可观察的解剖学特征，比如一种生物是否可以运动或生长、是水生还是能够飞行、是否长有皮毛或脊椎等，然后再依据特征的相似度对物种进行分类。因为化石不仅能帮助科学家们了解不同物种间的演化方式，而且能够为达尔文的自然选择理论提供证据，所以对林奈的分类系具有十分重要的意义。

达尔文最先将可以反映物种演化过程的谱系图想象成一棵“生命之树”，并在《物种起源》中简单地画出了这棵树的样子。和真正的树一样，“生命之树”也具有树杈状的分支，其中最末端的分支节点代表了现生物种。按照达尔文的理解，从这些最末端的节点回溯到树干的过程就好像时光倒流，而细小分支和更粗的“枝丫”节点则代表了不同支系最近的共同祖先。例如，人和猩猩源于共同的祖先，那么代表人和猩猩的两个分支就会汇聚到同一个节点处；而如果顺着人和猩猩共同组成的分支继续回溯，最后会回到代表新大陆猴的节点上。当然，如果顺着这个分支继续回溯，则可以依次找到代表哺乳动物纲、脊椎动物亚门和动物界的节点。最终，随着分支的逐渐减少，树根处只代表一种有机体，那就是地球上所有生命的共同祖先。达尔文基于逻辑推断，认为地球上现存的所有生物一定都是从某个共同祖先繁衍来的，他把这个所有生命的共同祖先称为“一种最原始的生命形式”。

最近共同祖先的概念后来成为了现代进化理论的核心内容，并得到了分子手性（巴斯德在晶体研究中首次发现了分子的手性现象）、相似的细胞结构、相同的遗传密码等许多研究结论的支持。如今，这一概念几乎得到了所有科学家的认同。

后来，现代古生物学和放射性测年法的应用进一步改进和修订了达尔文的“生命之树”。放射性测年法能够确定骨骼化石的年代，这让物种的演化关系得以精确地重建出来。随着研究手段的提升，科学家们进一步区分出了单细胞和多细胞生物，进而又将其分成了具有细胞核的真核生物以及不具有细胞核的原核生物。最终，地球上所有的生物被分成了五界，即动物界、植物界、真菌界、原生动物界和原核生物界。但原生动物界和原核生物界尚缺乏足够证据的支持。这些数量庞大、结构简单、出现最早的微生物的化石记录极其稀少，因此微生物在“生命之树”上的位置并不稳定。乌斯决定继续寻找解决这一问题的办法。

1969年，乌斯给克里克写了一封不同寻常的信，这封信勾勒出了他未来20多年里希望达到且最终实现的愿景。在信中，乌斯表示他打算利用DNA揭示深藏在所有细胞里的所谓“内部化石记录”，建立起有机体之间真正的演化关系。他在信中写道：“通过对十分古老的祖先基因序列的推断，人们最终能够认识细胞的演化过程。”乌斯认识到了分子生物学的潜力，认为遗传密码最终能够填补化石无法记载的演化空白。为了实现这个想法，他决定对所有生物的基因组进行测序，并在此基础上追溯生命演化的过程。

20世纪60年代初，对氨基酸序列的测定已经成为分子生物学的常规研究手段。埃米尔·朱克坎德和鲍林从现代生物细胞中提取出蛋白质并分析其氨基酸序列，结果显示物种间氨基酸序列的差异主要取决于物种分化时间的长短。通过比较不同物种氨基酸序列的差异就可以计算出物种分化的时间，他们把这一手段称为“分子钟”。

需要指出的是，并非所有的物种都有一样的蛋白质组成。乌斯需要找到那些所有现生生物都在使用的蛋白质作为研究对象。由于这些蛋白质的合成十分精准，突变十分罕见，因此很容易将物种的演化关系追溯到数十亿年前。氨基酸序列的差异反映了遗传物质的载体——DNA序列的差异。因此，通过DNA和RNA序列的比对同样可以计算出物种分化的时间。乌斯着手研究一种叫作16SrRNA的核糖体序列，16S这个名字来源于这种核糖体离心时的沉降系数。把16Sr RNA作为研究对象是因为它们包含的信息足够反映物种之间的差异，同时它们的结构相对简单，很容易得到完整的核苷酸序列。

当乌斯决定开始这个研究项目时，他辞去了通用电气的职务，并接受了分子生物学家索尔·施皮格尔曼为其提供的伊利诺伊大学香槟分校的一个教职。施皮格尔曼曾听过乌斯在巴黎巴斯德研究所所做的演讲。后来，乌斯在伊利诺伊大学香槟分校建立了自己的研究团队，其中最有名的当属他的博士后福克斯，他继续享受着这一研究团队最重要的发现带来的荣誉。在那里，乌斯与福克斯一同研究16Sr RNA序列的复杂问题。

1961年手持RNA模型的乌斯

当时，所有的测序都是手工完成的，自动测序技术是在几十年后才问世的。乌斯研究团队使用了1965年英国生物化学家弗雷德·桑格尔（桑格尔是为数不多的一生荣获过两次诺贝尔奖的科学家）发明的一项技术，利用酶把RNA剪切成可供测序的小片段，然后对这些小片段进行测序，最后重新拼接出完整的核苷酸序列。由于这项技术的成本十分高昂，乌斯便向美国国家航空航天局外空生物学项目寻求资助。在起步阶段，研究进行得相当缓慢，仅测定一个16SrRNA的序列就要花费数月时间。对于大部分科学家而言，这种研究可能会极其乏味，但乌斯却享受这一过程。对他来说，这就像是一步步完成一幅巨大的拼图。

1976年春天，乌斯研究团队积累了大量细菌的16Sr RNA序列。此后他们把注意力转向了一种独特的微生物——甲烷细菌。甲烷细菌是一种不寻常的极端微生物，得以此名是因其具备在能量代谢过程中产生甲烷的独特能力。由于可以用肉眼观察到甲烷细菌，因此长久以来科学家们都认为甲烷细菌是一种细菌，但乌斯的研究结果表明它们根本不属于细菌。这让他立刻意识到自己和同事的发现颠覆了已有的生物分类体系，实际上在原有的真核生物和原核生物以外还存在着第三个支系，而且这个支系在生命诞生后不久就从“树干”上分离了出来。

乌斯把这一支系的生物命名为“古细菌”，后来称之为“古生菌”，意为“远古的细菌”。然后他开始重新绘制“生命之树”。在乌斯绘制的“生命之树”中，组成达尔文“生命之树”的所有支系都可以并入一个大的主干。当这棵“生命之树”最终绘制完成时，它看上去更像是一片由3根主干组成的、复杂且非对称的雪花。这3根主干各自朝着不同的方向延伸，乌斯把这3根主干称为“域”。这一发现就是微生物学领域著名的“乌斯革命”。

1977年，就在这篇有关古生菌的论文在《美国科学院院刊》上发表的同时，乌斯、福克斯以及美国国家航空航天局共同召开了一场新闻发布会，宣布发现了古生菌。祝贺的声音中夹杂着怀疑、奚落甚至愤怒，一些科学家认为乌斯只不过是个解决无解之题的奇怪隐士，这个发现并没有什么重大的意义；另一些科学家认为他的数据过于支离破碎，无法重绘“生命之树”；还有一些科学家认为他的行为古怪，无法相信他的研究结果。德裔美国人恩斯特·迈尔是20世纪最具影响力的演化生物学家之一，他对乌斯的批判最为猛烈，他甚至曾向《纽约时报》表示乌斯的研究纯属无稽之谈。乌斯的反击方式就是给《纽约时报》的编辑不断写信，但这对他的境遇于事无补。当以古生菌为主题的学术会议首次举办时，乌斯甚至没有得到参会邀请。他即使得到了邀请恐怕也不会参加会议。

然而到了20世纪80年代中期，乌斯的观点已经得到了一些认可。1992年，他荣获了微生物学的最高荣誉——荷兰皇家科学院颁发的列文虎克奖章，这一奖项每10年才会颁发一次。1996年，乌斯以及他在伊利诺伊大学的同事加里·奥尔森领导的研究团队在《科学》杂志上发表了詹氏甲烷球菌完整的基因组序列，这是世界上第一个古生菌的全基因组测序结果。这篇论文认为古生菌与人类（真核生物）的关系比和细菌的关系更近。在这篇论文发表后不久，乌斯在一次采访中说道：“古生菌与我们有关，也与真核生物有关，它们是几十亿年前演化出真核细胞的微小有机体的后裔。”

詹氏甲烷球菌的研究结果大大改变了学术界之前对古生菌的质疑，科学家们也逐渐接受了乌斯重新绘制的“生命之树”。《科学》杂志后来把乌斯充满戏剧性的斗争历程称为“微生物学领域伤痕累累的革命”，这个称呼后来伴随了他的后半生。

钱伯斯（左上图）、乌斯（右上图）和达尔文（下图）各自绘制的“生命之树”

乌斯的“革命”对生命起源的研究产生了深刻的影响。在此之前，以米勒和福克斯为代表的一些科学家曾试图通过模拟地球诞生之初生物大分子自然形成的过程一步一步回答生命是如何起源的，这种认识过程是自下而上的。

乌斯则试图从相反的方向回答这个问题。所有的现生生物都是由同一个祖先演化而来的，因此利用深藏在现生生物基因组中的演化痕迹就可以追溯生命演化的历史。组成“生命之树”基部的几个大类群共有的特征很可能就是所有生命最近共同祖先具有的特征，这些特征不仅可以帮助科学家还原最近共同祖先的“模样”，而且还有助于了解它们生活的自然环境。虽然用这种方法还原的最近共同祖先还十分模糊，但要比之前方法得到的结果更接近真实的情况。

然而，其中一个问题就是早期生命形式传递遗传物质的独特方式。早期生命并不是一个有机体，而是一个能够通过“基因水平转移”（基因水平转移就是发生在不同有机体之间的基因交换）方式在一个基因池中自由交换基因的有机体群落。正是这一不同寻常的方式让乌斯写出了他一生中最具有创造性也是最具争议的论文之一，而这一想法来自他对破解遗传密码的尝试。

过去数十亿年里遗传密码在所有演化分支中保持的稳定性引起了乌斯的兴趣。除了极少数特例外，所有现生的蓝鲸、红杉、人类甚至微生物都使用着同一套遗传密码。联想到人类的不同方言是在极短的时间内形成的，数十亿年来遗传密码几乎没有发生改变的确是件不可思议的事情。20世纪60年代，当科学家们第一次思考这个问题时，没有人能够给出答案。

西雅图的医生维克多·弗里曼1951年的一个发现为乌斯提供了重要线索。弗里曼发现不产毒的白喉杆菌经过温和噬菌体（一种病毒）感染后可以变成产毒的白喉杆菌。这一发现不仅解释了白喉杆菌感染者有时不会立即发病的原因，而且是基因水平转移现象的第一个实验证据。如今，这一现象被证实存在于绝大多数微生物中。乌斯认为，遗传密码数十亿年来未曾改变的原因正是这种基因交换的方式——生命需要一种稳定和统一的“语言”在基因层面上“交流”。如果遗传密码发生改变，不同生物之间交换遗传物质的优势特征就会消失。

基因水平转移的发现同时还解决了一个演化问题。达尔文的自然选择概念对有性繁殖的物种最为适用。子代的基因是亲代基因的融合，其中还包含着一定程度的基因突变。但大部分微生物是无性繁殖[1]，由于所有子代都是亲代的拷贝，代际之间的变异只能通过DNA错配或辐射等环境因素诱发。这些难以察觉的变异不仅毫无益处，而且绝大多数都能致死，但偶尔也会产生有利的变异，子代甚至会因此获得优势性状。但总的来说，如果只依靠突变的积累，生命的演化将会是一个极其缓慢的过程。

传统上，生物学研究只关注复杂的真核生物。有性生殖的出现让真核生物在演化的道路上一路狂奔，而演化上较为低等的原核生物则被甩在后面任由随机突变改造。基因水平转移解释了早期微生物的快速演化原因[2]。早期微生物之间用类似白喉杆菌的方式自由交换遗传物质，就可以利用更大的基因池加快其自身演化的速度。因此，乌斯把基因水平转移称为“托起所有小船的一波潮水”。

最终，生物学家们意识到遗传物质不仅可以在亲缘关系很远的微生物之间进行交换，甚至可以从死去的微生物转移到活体里面。有机体死后，其遗传物质能够在环境中保存很长时间；而微生物能够提取环境中的DNA，并把它整合到自己的基因组中。实际上遗传信息在环境中随处可见，地球就像个巨大的基因图书馆，微生物可以随时提取它们发现的遗传物质。

乌斯有关基因水平转移的实验结果最终表明，基因水平转移不仅使“生命之树”的基部变得更加复杂，而且完全颠覆了之前“生命之树”的样子。由于早期有机体共享遗传物质，“生命之树”的基部更像是一张网，各个物种不再由传统的线系相连，而是由基因水平转移建立起的十字形结构相连。乌斯重新绘制的树根结构打破了达尔文提出的所有生物起源于一个最近共同祖先的假设。在乌斯看来，通过“生命之树”追溯到所有生物的共同祖先的想法是不可能实现的，我们能够追溯到的最远处只不过是完全不同的有机体共同演化形成的一片混乱。

乌斯重新绘制的“生命之树”的一个最显著的特点就是组成其基部的微生物大多为极端微生物，它们能够在大多数现生生物无法生存的环境中繁殖。因为许多极端微生物能够在低于零摄氏度的环境中生存，人们有时也会称它们为“超级细菌”。还有一种叫作嗜酸细菌的微生物能够利用溶解在污水中的微量气体生存，它们分泌出的强酸足以腐蚀现代的排水管线。

组成乌斯“生命之树”基部的另一些极端微生物就是超嗜热菌，它们能够生活在温度极高的水中。1965年，美国微生物学家汤姆斯·布罗克在美国怀俄明州黄石公园的热泉中最早发现了这类细菌。到目前为止，科学家们已确认了大约70种超嗜热菌，其中一些甚至生活在温度比沸水还要高的深海热液喷口附近[3]。

几十年来，地质学家们一直在苦苦寻找奥帕林-霍尔丹“原始汤”模型的蛛丝马迹。他们通过研究玄武岩发展出一套推断原始地球大气组分的方法。虽然奥帕林猜测原始地球大气的主要成分是甲烷，但新的研究认为氮气和二氧化碳似乎在原始地球大气中占有很高的比例。20世纪70年代末，奥帕林模型的大部分细节都遭到了质疑，学术界急需一个生命起源的新模型。

许多科学家把组成乌斯“生命之树”基部的极端微生物看作研究早期生命形式的线索。这些极端微生物很可能是所有生物最近共同祖先的直接后裔，按道理讲它们至少对共同祖先曾经赖以生存的环境产生过影响。这个推测招致了一些激进的假说，其中一个较为合理的假说由一位名叫京特·瓦赫特绍泽的慕尼黑律师提出，这一假说认为金属硫化物的晶体表面或许是形成原始生命形式的理想之地。

瓦赫特绍泽是乌斯的朋友，转行做律师之前是位曾经涉足过生命起源问题的有机化学家。乌斯向瓦赫特绍泽透露自己愈发怀疑奥帕林提出的“原始汤”模型。一天，瓦赫特绍泽在哲学家卡尔·波珀家中向乌斯表达了生命起源于深海热液喷口的想法。乌斯对这个想法十分感兴趣，鼓励瓦赫特绍泽进一步完善这个模型。随后，瓦赫特绍泽想象了深海热液喷口附近可能发生的、与生命起源有关的一系列化学变化。他认为生命诞生于深海热液喷口附近丰富的金属硫化物晶体表面，并指出原始生命只有在这里才能避免遭受其他恶劣环境的侵扰，于是他给自己的模型起名为“硫化铁的世界”。1977年，“阿尔文号”水下探测器在加拉帕戈斯群岛沿岸第一次发现了这种深海热液喷口。

瓦赫特绍泽的理论在“代谢优先”学派中赢得了一席之地，这一派学者认为遗传物质的演化是在生命演化的晚期才出现的。不仅如此，乌斯重新绘制的“生命之树”无意中也为瓦赫特绍泽的理论提供了支持：组成树干基部的大部分有机体都是自养生物，它们利用二氧化碳和硫化氢等无机物完成自身的能量代谢。和大多数真核细胞不同，自养生物不需要丰富的有机分子就可以存活，这也是奥帕林模型的核心内容。最后，瓦赫特绍泽提出最原始的生命形式并没有细胞膜结构的设想。即使对生命起源领域最伟大的科学家而言这都是十分模棱两可的问题，他们相信可能是某种必需的化学反应分隔让早期的生命形式变得更加复杂。

包括地球化学家迈克·罗素在内的学者以瓦赫特绍泽提出的理论为基础，尝试解释细胞样保护性结构出现的过程。罗素和他的同事阿兰·霍尔都是金属硫化物专家，虽然他们认可深海热液喷口富含金属硫化物的观点，但推测还应该存在温度更低的深海热液喷口。2000年，随着“阿尔戈号”发现了“失乐城”，罗素的观点得到了证实。此后，罗素和霍尔还提出了细胞膜原始替代物的演化模型：这些深海热液喷口附近的碱性海水与酸性海水混合时会形成富含硫化物和其他矿物质的气泡，这些气泡可以发挥细胞膜的作用，对化学反应进行必要的分隔。

如今，依然有许多科学家对这些研究成果将信将疑，认为罗素提出的温度更低的深海热液喷口甚至都无法形成早期生命。在瓦赫特绍泽的“硫化铁世界”假说提出后的几年里，只有为数不多的实验证据支持这个理论。许多科学家认为生命起源的关键可能与乌斯在1967年就思考过的一种分子有关。在乌斯唯一的著作《遗传密码》中，他曾认为RNA在细胞中发挥的作用可能比许多科学家想象的更加重要、更加多样，也更为悠久。

[1].一些种类的植物、昆虫、鱼类、蜥蜴和鸟类偶尔会出现孤雌生殖，除此之外的高等生物几乎全是有性生殖。在实验室中，科学家们曾尝试利用人类和其他哺乳动物的受精卵进行无性繁殖，但后代要么会出现健康问题，要么过早地夭折。

[2].基因水平转移似乎也是细菌快速产生耐药性的一个原因。

[3].由于水压较高，海底水的沸点远远高于100摄氏度。

第13章 细胞诞生

一个拥有完整知识体系的诚实的人一定会说，虽然生命的起源是个奇迹，但这并不意味着生命不可能通过一个完全合理的普通化学反应链形成。但问题的关键在于生命起源的时间跨度太大，地球上的微环境各不相同，各种可能的化学反应不计其数；我们的知识与想象力又十分匮乏，特别是无法通过实验模拟亿万年前的自然环境，这些原因都阻碍了我们弄清地球诞生之初究竟发生过什么。

——克里克，《生命本身》，1981年

1986年，《自然》杂志的《新闻与观点》栏目发表了诺贝尔奖得主、物理学和生物化学家沃特·吉尔伯特撰写的一篇文章。8年前同样是在这一栏目，吉尔伯特提出了基因翻译过程中m RNA内含子被剪切掉的假说，解决了一个长期困扰生物学家的问题。这一次，他为DNA复制和代谢哪个先出现的问题提出了解决方案。这个问题曾困扰了生命起源领域的科学家数十年之久。

在最近的共同祖先出现之前，一定存在过某种更加原始的生命体，科学家们把它称为“最初的生命”。这种生命很可能只是个简单的化学反应体而已，或者只是现代细胞精细调控系统的某个组成部分。但究竟是哪个部分？在米勒和福克斯涉足生命起源问题时，他们的答案十分简单——蛋白质，因为在那个年代，许多科学家认为蛋白质既是新陈代谢的主要承担者又是遗传物质的载体。沃森、克里克等人对DNA结构的解析将许多科学家的注意力转移到了可能开启生命演化历程的遗传物质上。DNA本身只携带遗传信息，但无法独立完成其他生命活动。然而，这个“最初的生命”如果既包含DNA又包含蛋白质似乎又过于复杂，这两种生物大分子必定有一个是先出现的。

然而，在1986年《自然》杂志发表的文章中，吉尔伯特却回到乌斯提出的概念上，指出DNA和蛋白质都不是最早出现的生物大分子。在1967年出版的《遗传密码》一书中，乌斯曾提出在DNA与蛋白质之间充当翻译模板的RNA之前可能具有DNA和蛋白质的双重功能。在这一观点发表后的第二年，克里克与奥格尔就同时发表了各自的论文，提出了生命最初是由RNA形成的假说。尽管奥格尔有关“遗传装置演化”的论文在发表之初并没有受到什么关注，但后来被认为是有关这一假说的最早论述之一。到了1986年，科学家们对RNA有了更加深刻的认识。吉尔伯特能够再度复兴这一理论，主要是源于托马斯·切赫和西德尼·奥尔特曼两位微生物学家在几年前各自独立取得的一项突破。

1978年，科罗拉多大学年轻的助理教授切赫开始尝试一系列蛋白质分离实验，他试图分离的正是吉尔伯特发现的负责从mRNA中剪切掉内含子的一种蛋白质。切赫认为分离这种蛋白质十分容易，因此他只是简单纯化了细胞提取物，并希望找到内含子剪切的真正原因。但他的研究团队却遇到了麻烦，即使他们认为样品中的所有蛋白质已经完全除净，内含子还是能从RNA中被剪切掉。最终，切赫的实验反而证实了RNA本身具有自剪接功能。

奥尔特曼是剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的一名研究员，当时这个实验室由西德尼·布伦纳和克里克共同领导。就在切赫的实验开始后不久，奥尔特曼也开始研究一种名叫核糖核酸酶P的核酶。这种酶的不同之处在于其80%都是由RNA组成的，但科学家们总是忽视这一点，认为这其实并没有什么值得大惊小怪的。在前往耶鲁大学担任教授之后，他继续研究这种核酶，并最终发现RNA实际上是核糖核酸酶P的重要催化成分。这一研究成果证实了核糖核酸酶P的催化反应实际上是由RNA而不是蛋白质完成的。

切赫与奥尔特曼的发现彻底颠覆了人们对生物化学的认识。细胞内部的一些蛋白质在生化反应中起催化作用，而另一些则充当分子马达。镶嵌在细胞膜上的蛋白质可以形成离子通道，进而产生意识等复杂的生理活动。进食、消化、运动甚至是思考从本质上讲都是蛋白质在发挥作用。由蛋白质控制的化学过程承担了细胞层面上的一切生命活动，因此人们一直认为蛋白质是执行这些反应的唯一细胞组分。但切赫和奥尔特曼的实验证实了一些被称为核酶的RNA也起到类似蛋白质的作用。因为这一发现，他们共同摘得了1986年的诺贝尔生理学或医学奖。

在写给《自然》杂志的文章中，吉尔伯特指出了核酶的发现对生命起源研究的重要意义：这种生物大分子在细胞内既能复制又参与代谢活动。他认为在生命演化伊始，原始的细胞可能只包含RNA。他这样写道：“生命演化的第一个阶段应该是由能够催化其自身合成的RNA进行的……最终它们通过重组和变异演化出了适应新环境的能力。”吉尔伯特把这篇具有影响力的论文冠以“RNA世界”的醒目标题，这一理论后来也因此得名。

切赫和奥尔特曼在RNA催化方面的突破性成果都是使用一种名叫四膜虫的原生动物完成的。这是一种十分了不起的纤毛虫科原生动物，由列文虎克最早发现。四膜虫长有纤细的纤毛，看上去有点儿像凌乱的头发。它们具有7种不同的“性别”，并且很容易饲养。和其他的原生动物有所不同，四膜虫拥有高等动物的复杂代谢过程。比如，它具备一个用来进食的口状小孔和原始的消化系统。更重要的是，四膜虫有大约25000个基因，几乎与人类的基因数量相当。这些特点都让四膜虫成为了对现代生命科学有用的模式生物。

扫描电子显微镜下的四膜虫

如今，生命科学领域许多重要的发现都是通过四膜虫完成的，比如第一个细胞骨架马达蛋白的发现，以及溶酶体和过氧化物酶体的发现等。实际上在切赫和奥尔特曼利用四膜虫开展研究的同时，另一组科学家也在利用它回答一个完全不同的问题，并且其中一位名叫杰克·绍斯塔克的加拿大科学家后来还获得了诺贝尔奖。在核酶研究方面的贡献使绍斯塔克成为了21世纪生命起源领域的著名科学家，同时他也是“RNA世界”研究的领军人物。

绍斯塔克的父亲是一名加拿大皇家空军飞行员，因此他小时候就对阿波罗计划感兴趣。但是同枯燥的太空旅行相比，绍斯塔克更喜欢宇航员在月球上完成的实验。他对生物学有着独特的兴趣，在学校里是个天才。15岁那年，绍斯塔克就以优异的成绩考入了加拿大最著名的学府之一——麦吉尔大学。

1982年，年仅27岁的绍斯塔克成为了哈佛大学医学院的化学教授。此后，他先是利用酿酒酵母研究DNA修复的过程，后来因为参加了加州大学伯克利分校分子生物学家伊丽莎白·布莱克本有关四膜虫的讲座而转向研究这种原生动物。当时，绍斯塔克正在研究一个十分有趣的问题：由于参与DNA复制过程的酶从未到达过染色体的端部，因此科学家们认为每次细胞分裂后染色体都应该缩短一些。但这种现象并不是总出现，所以科学家们一直希望揭示其中蕴藏的玄机。绍斯塔克觉得布莱克本介绍的这种模式生物十分适合自己正在进行的课题，于是他开始将四膜虫作为自己实验室的模式生物。

绍斯塔克、布莱克本以及分子生物学家卡罗尔·格雷德共同设计了一组实验试图弄清DNA复制过程中究竟发生了什么。通过对酵母和四膜虫染色体的杂交，这3位科学家发现了一种被称为“端粒”的DNA序列可以阻止染色体在复制过程中缩短。这项发现不仅解释了科学家们之前的困惑，而且对认识细胞衰老和癌症发生的机制也具有深远的影响。1982年，绍斯塔克、布莱克本和格雷德共同发表了有关端粒的论文。2009年，这3位科学家因此获得了诺贝尔生理学或医学奖。

在发现端粒之后，绍斯塔克开始寻找新的科学挑战。在事业刚刚起步阶段，他曾幻想过自己能够涉猎所谓科学界的三大问题——宇宙起源、意识起源和生命起源，但他很快就意识到自己的数学水平无法达到解决宇宙起源问题的要求。与巴斯蒂安和克里克一样，尽管绍斯塔克也曾被意识问题所吸引，但他觉得自己在这一问题上的建树不足以产生重大的影响。在切赫和奥尔特曼发现RNA的催化属性后，绍斯塔克看到了自己在生命起源领域取得重大突破的机会。

早在1984年，绍斯塔克就开始全神贯注地研究核酶在原始细胞中发挥的作用。但没过多久，他就将注意力转向了研究RNA分子能否自我复制的问题。这个问题难度巨大，以至于被认为是研究“RNA世界”的学者们难以实现的梦想。就当时的情况看，没有人见过能够进行自我复制的RNA，也没人能够证明这样的RNA曾经存在过。但绍斯塔克想到了一个前辈们没有尝试过的新办法回答这个问题。

米勒-尤里的实验结果发表后，要想重新设计一套模拟生命诞生过程的化学实验变得愈发困难。尽管一些科学家做出了有益的尝试，但很少有人获得巨大的成功。绍斯塔克想到了一个可能解决这一问题的方法。20世纪90年代，对细胞认识的深入和现代细胞生物学技术的发展使科学家们有条件在实验室里“制作”一个人工细胞。这令绍斯塔克放弃了重新设计一套模拟生命诞生过程实验的想法，转而开始在实验室中创造生命。

2002年注定是人造生命的元年。这一年，一位科学家在位于长岛的实验室中向一只小鼠体内注入了（人工合成的）脊髓灰质炎病毒（基因组）。几分钟后，小鼠全身僵硬，提示体内的病毒滴度已经超过了小鼠的致死剂量。脊髓灰质炎病毒是一种RNA病毒。病毒感染小鼠细胞后，其遗传物质RNA会在胞内复制，直到细胞裂解将数以万计的病毒释放出来再感染更多的细胞。但这种独特的脊髓灰质炎病毒之所以毒性强大是因为它们是由纽约大学石溪分校的病毒学家埃卡德·威默在实验室中通过病毒DNA诱导出来的。1981年夏，脊髓灰质炎病毒的全基因组测序完成，威默的研究小组只需下载基因序列即可以获得这个大约有7500个核苷酸的基因组。

在过去的10多年里，DNA合成技术日趋成熟，合成一个这样大小的病毒基因组易如反掌。2000年前后，遗传学家克雷格·文特尔及其团队开始研究合成细菌全基因组的方法。细菌全基因组的合成要比病毒的复杂许多。哪怕是最小的细胞都包含数百种酶和其他生命活动必需的蛋白质。在10年的时间里，24个科学家总共花费了4000万美元，在实验室里通过一系列复杂的步骤合成了一套包含1077947个碱基对的细菌全基因组[1]。

为了制造这种细菌，文特尔及其团队把他们合成的人造“染色质”与培养的支原体混合，并通过电击方式将这些外源遗传物质转染到支原体细胞中，分裂后产生的子代细胞中仅含有外源的人造“染色质”。这些人造的遗传物质能够编码细胞运转所需的全部蛋白质，进而完成细胞的各项生命活动。至此，第一个完全人造的生命诞生了。文特尔及其团队把这种人造生命称为“辛西娅”，其包含的遗传信息相当于脊髓灰质炎病毒的8倍。

“辛西娅”的诞生对未来生物技术的发展影响深远。人造生命潜在的应用领域十分广泛，不仅能促进合成染料行业的发展，对生物医药行业也有重要的意义。但很快有科学家指出，“辛西娅”其实并没有回答细胞最初是怎样获得遗传物质的问题。因此从这个角度说，文特尔和威默的工作只不过是重复了40亿年来经过大自然修补过的生命演化历程。这在生物工程上虽然是个壮举，但并没有揭示生命起源的方式。

早在20世纪90年代中期，绍斯塔克就开始思考如何通过生物工程手段合成细胞。与文特尔和威默的思路不同，绍斯塔克希望揭示生命起源的过程，而不仅仅是重复自然界40多亿年的变化。对于他来说，一个关键的问题就是生命演化的蓝图是如何从无到有的。没过多久，他就从伊利诺伊大学生物化学家施皮格尔曼20世纪60年代进行的一系列实验中获得了灵感。

当时，施皮格尔曼和同事进行了一系列重要的实验，研究RNA分子是如何以类似有机体的方式在试管中演化的。起初，他们以一种名叫Qβ噬菌体的病毒作为研究对象，这种病毒能够感染大肠杆菌。施皮格尔曼及其同事首先对Qβ噬菌体的RNA基因组及与基因组复制有关的蛋白进行纯化，然后将纯化产物与病毒合成所需的原料混合，希望在试管中合成新的Qβ噬菌体RNA。反应片刻，他们从含有大量未成熟RNA的溶液中吸取几滴转移到另一个只含有病毒合成所需蛋白和原料的试管中，如此反复了74次。每一次都有大量尚未成熟或突变的RNA分子被转移到新的试管中，作为下一阶段“分子进化”的起点。

当实验做到第75根试管时，施皮格尔曼等人惊讶地发现原来拥有4500个核苷酸的RNA分子只剩下了218个核苷酸。试管中的RNA分子之间似乎存在一种竞争，而且较短的RNA的竞争优势似乎更明显。事实上，施皮格尔曼等人的实验对试管中的RNA形成了一种选择压力，较短的RNA分子能快速复制，因此比其他长度的分子更容易被选择下来。同事们把这些经过人工选择的RNA分子称为“施皮格尔曼的怪物”。

1975年，化学家曼弗雷德·艾根实验室的两位科学家以施皮格尔曼的研究为基础，完成了一项惊人的实验。这两位科学家只是把Qβ噬菌体合成所需的蛋白质和原料混合，并没有加入关键的RNA模板。令人惊奇的是，一段时间以后他们发现试管里出现了与施皮格尔曼实验中最短的RNA十分相似的RNA分子。这一结果说明在一定的条件下，像RNA这样的能够携带遗传信息的生物大分子可以自然形成。施皮格尔曼和同事的研究成果成为了生命起源领域RNA阵营科学家的试金石，但唯一尚未解决的问题就是这些生物大分子还无法实现自然状态下的自我复制。这些生物大分子只有在与复制相关的蛋白存在的情况下才能复制，而参与这一过程的蛋白质本身就是生命演化蓝图的复杂产物。因此，RNA分子如何实现自我复制成为了这一领域研究的核心问题[2]。

尽管许多研究团队都希望通过努力发现这种能够自我复制的RNA分子，但绍斯塔克创造真正RNA生物的研究思路比其他人都要更向前迈进一步。2003年，绍斯塔克与意大利生物化学家皮尔·路易吉·路易斯共同提出了RNA生物的概念。在此基础上，绍斯塔克想要创造出真正意义上的以RNA为基础的细胞。

根据绍斯塔克的模型，最初的生命体很可能只是一个裸露的RNA分子，而膜结构应当是细胞实现早期演化的必要条件。绍斯塔克认为有两个充足的理由支持这一假说，第一个就是生物大分子的协同演化。单链RNA不太可能实现细胞增殖所需的各项功能，因此可能还需要其他生物大分子的协助。而一些被膜结构包被的生物大分子可能实现了最初的协同演化，它们不仅能够互相复制，而且还可以以互利共生的方式影响着彼此的演化历程。

第二个更直接的原因就是外源遗传物质干扰的问题。细胞内RNA分子的主要功能是复制其他RNA分子，但这会受到外源RNA的侵扰。实际上在绝大多数情况下，外源RNA分子对胞内RNA分子都是不利的。因此，膜结构可以把核酶及必需的生物大分子包裹在细胞中，把外源的RNA分子挡在外面，这种方式可以让细胞更加高效地工作。

所有现代生物的细胞膜都由一种具有亲水性“头部”和疏水性“尾部”的生物大分子组成。这些生物大分子属于酯类，和动物脂肪以及用于制作香皂和洗发水的椰油属于同一类物质。它们遇水时会自发形成大小不一的泡沫，一些微小的泡沫要用显微镜才能看到，而这些泡沫恰恰就是原始细胞膜的基础。科学家们有充足的理由认为这种脂质泡沫在原始地球上大量存在，甚至是在生命演化出合成脂质分子的能力之前就已经存在于环境中了。类似的小分子在以默奇森陨石为代表的许多陨石中都有发现，而由黏性有机物形成的泡沫结构在这类陨石中也随处可见。这种有机物能够在地表水体中自发形成细胞样的独立“空间”，为生化反应的顺利进行创造条件。

为了早日实现人造生命的愿景，绍斯塔克设计了一个能够控制自然选择压力的新方法。他将随机合成的数以亿计的小RNA包裹在脂质中，然后通过产生“施皮格尔曼的怪物”的方法让这些小RNA在试管中自由竞争。由于试管中存在选择压力，能够快速进行自我复制的RNA在竞争中具有明显的优势。绍斯塔克希望看到反应进行了一段时间以后，一些RNA分子不仅能够实现自我复制，而且能够通过加入到试管中的“原料”自然产生生物膜结构。如果他的愿望实现，这将是一种能够演化的RNA生命，即第一个人造RNA生命。

位于美国波士顿查尔斯河畔的哈佛大学医学院实验大楼的七层有一个不大的房间，房间内的陈设十分简单，除了一把单人椅外，还有一张桌子和一台显微镜。墙上挂着一幅圣雄甘地的老照片。照片中，这位曾领导印度人民走向独立的政治领袖身穿传统服饰，正弯着腰用显微镜观察着什么。显微镜后面的墙上贴着一张从杂志上剪下的图片，展示的是绍斯塔克假说中的原始细胞。这些原始细胞色彩明亮，结构简单，除了单链的RNA以外并没有其他的细胞器。图片的旁边写有4个字：“细胞诞生”。

如果绍斯塔克领导的研究团队成功创造出人造生命的话，那么人类应该就是在这个小房间里见证了第一个RNA细胞的诞生。这个生命将比地球上所有现存的生物都要原始，这无疑具有里程碑式的意义。毫无疑问，蜂拥而至的媒体届时会争相报道这个鼓舞人心的研究成果。在许多人看来，生命起源的问题在很大程度上已经得到了解决。

然而历史告诉我们，有关生命起源的许多难题还有待破解。正如物理学家费米向老朋友尤里曾经提出的问题一样，科学家们还不清楚这是否就是生命起源的真正方式。生命起源究竟是如何发生的？

萨根喜欢回忆1960年他在一场公众讨论会上的经历。一名听众询问专家小组：科学家们何时才能在试管中创造出生命。第一位专家表示大约需要1000年，第二位表示需要300年。在后面的回答中，这个数字变得越来越短，直到有一位专家表示生命起源问题其实已经被人们解开了。

生命起源问题总是在那些寻求通过科学方式解释自然世界的公众中引发不切实际的期许。如同那些期待着不远处惊喜的早期基督教徒一样，相信科学的人们同样期待能够早日揭开这个自然界最大的迷案。为了这一天，他们已经等了数百年。

每个人的观点和知识背景都各不相同，因此在有些人眼里生命起源的问题已经得到了回答，而在另一些人看来这个问题永远也找不到答案。毫无疑问，在探索生命起源的过程中，科学已经取得了巨大的进步。这一科学问题已经吸引了一些全世界最著名的科学家的关注，而且也必将吸引越来越多的年轻人涉足这一领域。这个问题的答案很可能就在不远处，当然我们这一代人也有可能根本无法回答这个问题。我们确实不清楚从非生命物质产生生命究竟是需要一周还是需要5亿年的时间，但我们清楚的是完成这样一个过程可能的确需要漫长的等待，而这恰恰是实验无法模拟的。

我们知道人类不会停下探索生命起源的脚步。或许我们已经在一些方面取得了重要进展，或许这些发现只不过告诉了我们有关科学和我们自己的一些事情。

[1].文特尔及其团队还把一些名言译成了难以破译的遗传密码插入进了合成的基因组中，包括詹姆斯·乔伊斯《一个青年艺术家的自画像》中的话语“去生活、去犯错、去堕落、去胜利，去在生命中创造生命”，以及《普罗米修斯》中的“事物的真正本质不在于事物本身，而在于其可能的状态”。后者描写了奥本海默及其同事研制原子弹的故事。他们还翻译了据说是物理学家理查德·费曼临终之际在黑板上留下的最后话语：“我不能理解自己无法创造的东西。”不仅如此，他们还把一个网站链接译成了编码，密码爱好者们可以在这个网站上宣布他们成功破解了密码。当然，文特尔及其团队也有充足的理由将“这些密文见证了人工合成细菌全基因组的诞生”这句话放在里面。

[2].目前在人工合成RNA方面已经取得了一些进展。2011年，由飞利浦·贺利嘉领导的一个研究小组宣布由RNA而不是蛋白质合成的RNA聚合酶能够复制另一个95个核苷酸长的RNA分子。

后记

一代人就像一棵树上的叶子，可以被秋天的一场大风全部吹落，也可以在春天重新抽绿。同样地，一代人正朝气蓬勃，而另一代人已行将就木。

——荷马，《伊利亚特》，公元前1250年

巴斯德透过在巴黎大学发表的重要演讲观察到了科学的本质和科学家的作用，他认为科学是相对公正的，而真正的科学家注定会抛弃所有的想象来还原科学的本真。至于他正在进行的有关自然发生的课题，巴斯德表示科学只能告诉我们自然发生在生命起源过程中曾经的确扮演过重要的角色。

大约150年后，演化生物学家理查德·道金斯在全世界最具影响力的遗传学实验室中，几乎以相同口吻发表了自己的演讲，表示科学不会有失公允，而只会寻求客观的真理。作为虔诚的无神论者，道金斯与天主教活力论的支持者巴斯德对一些问题持有不同看法。在道金斯看来，能够得出的唯一结论就是生命的出现完全是自然法则的产物，世界上并不存在所谓超自然的作用。

这一刻，道金斯正站在文特尔的实验室里。这个实验室此前参与了人类基因组图谱的绘制，并且还利用逆向工程手段创造出了人造生命。当年巴斯德举办讲座时，核酸的概念还没有出现，而基因也不过是个概念而已。从那以后，世界发生了翻天覆地的变化，合成生物学的出现打开了生命内部结构的大门。利用这一技术，科学家们能够看到、研究和控制生命活动的“引擎”。在我们的有生之年，创造人造生命的费用和技术难度可能会变得微不足道，业余科学家在自家的车库里甚至都有可能完成。我们现在对世界及自然界的认识要比一个世纪以前的人们深刻得多。

从许多方面来说，人类可以用来理解世界的工具和技术一直都在对生命起源的探索发挥作用，比如显微镜的发明为17世纪的人们打开了全新的世界，印刷术的出现为19世纪的人们带来了新的启迪。放射性测年法、基因测序技术、太阳系探索等20世纪科学和技术的极大创新同样改变了我们对生物学和地球生命起源的认识。

但这里所说的科学和技术进步指的并不是巴斯德以来发生的全部变革。2004年，迈克尔·克里克在弗朗西斯·克里克的葬礼上曾说自己的父亲想通过颠覆活力论而让自己名垂青史，但当他注意到微软系统无法识别“活力论”一词时，半开玩笑地“给弗朗西斯加了一分”。

科学与神学在社会中的力量平衡已经发生了变化，而福克斯1964年的一次旅行最能反映这种变化。1964年，福克斯前往梵蒂冈向教皇保罗六世介绍了演化生物学及生命起源领域最新的科学概念。由于教皇的前任庇护七世已经宣布了生物演化与宗教教义水火不容，实际上这相当于使科学缓慢地退回到了奥古斯汀时代。两千年前，奥古斯汀曾说过教会不会因为对自然界的无知而消失。然而，人类迈向科学真理的步伐无法停止，对生命起源过程的探索还将持续。1996年，教皇保罗二世曾拐弯抹角地说道：“对生命演化的认识不仅仅是一种假设。”10多年之后，教皇弗朗西斯就告诫人们不要把上帝想象成具有魔法且能够做任何事情的魔术师。

从某种意义上讲，世界已经认可了生命演化的存在。在除美国以外的大多数发达国家中，科学在很大程度上已经取代了宗教，并承载着解释自然万物运转方式的责任：迫于宗教淫威匿名从事科学研究和发表论著的日子已经一去不复返了。即使在宗教依然兴盛的美国，不论知识将人类引向何方，科学家们也都可以自由地获取知识。

如今，全世界许多著名的实验室花费数千万美元研究生命起源的问题。而每一年，人们都会为新研究成果的发表感到兴奋和鼓舞，科学家们终将找到问题的答案。但也有许多媒体的报道有些言过其实，甚至把死灰复燃的泛种论视为激动人心的全新理论。我们愿意相信科学能够回答这个生物学的核心问题，然而现实的情况是连我们自己都不清楚离这个问题的答案还有多远。

然而，科学研究已经告诉了我们大量有关自然界以及自然界运转方式的信息。文艺复兴以来，正是一代代科学家的不懈努力改变了我们对生物学的既有认识。如今，科学家们已经在通往宇宙的道路上迈出了第一步，而这也必将激励我们更加努力地探索微观生命世界的奥妙。一路上，我们对宇宙及地球的认识彻底改变了。

探索生命起源过程的故事或许能够为我们提供一些微不足道的经验，它不仅会加深我们对科学本质的一些认识，而且还可以传达有关我们自身本质的某些认识。试图揭开生命起源奥秘的英雄们并不是在回答某个科学问题，他们中的许多人是在用科学证明或证伪一种世界观。

雷迪没有喝下蛇毒并不是为了证明蛇毒有毒，而是想要证明真理高于迷信；支持尼达姆的无神论者也不是为了将他的著作评为“出色的科学成果”，而是为了通过研究培养基的成分了解神明的旨意。宗教人士对尼达姆的培养基同样没什么好感，认为这对他们崇尚的生命存在的意义构成了威胁。即使遭到所有人的反对，当福克斯看到自己发现的蛋白质微球，看到自己一生的工作时，他选择了继续坚持。几乎所有尝试在岩石或陨石中发现微生物化石的科学家都看到了一些与众不同的东西。于是，这些微小的结构成为了科学领域的一个个罗夏测试。

科学家们在实验中可以得到相同的证据，也可以看到完全不同甚至完全相反的事物。这是因为科学与科学家并不是存在于真空中，而是存在于思想和信仰都不断变化的现实世界里。巴斯德以来的世界已经经历了翻天覆地的变化。社会和宗教不同于从前，我们知道的或我们自认为知道的世界不同于从前，我们看待自己与世界的关系不同于从前，最终我们在科学中看到的事物也不同于从前。

这种变化在生命起源领域表现得尤为突出。因为大多数人不会轻易忽视这些问题，更不会像被问及闪电成因或者暗物质属性时那样毫无心理负担地说出“我不知道”。人们可能不知道生命起源过程的每一个细节，但我们头脑中的答案是在综合了哲学、宗教、推测甚至是胡思乱想的基础上得出的。我们得出这些答案是因为我们需要这样做，因为生命起源直击生命存在的意义这个终极问题。当然，科学家们也不例外——在矛盾重重的证据面前，在福克斯和巴斯蒂安遭遇的困境中，尽管不妥协意味着丢饭碗，但他们通常还是会坚持自己的观点。

然而科学仍然是理解世界的最佳方法。在梅第奇家族西芒托学院精神的感召下，科学能够通过严格的检查和反复的实验获得真理或者接近真理。如今，几乎所有人都认可苍蝇是由蝇卵孵化出来的，而不是在腐肉中自然而生的。巴斯德有关微生物可以通过空气传播的认识是正确的，而巴斯蒂安的则是错误的。如果一个人的观点被广泛接受，另一人的观点最终就会被遗忘。因为从长远来看，科学的确像巴斯德和道金斯所说的那样不偏不倚地向着真理迈进。在科学发展的历程中不乏有将证据置于自己的信仰或习俗之上的学者。达尔文不仅对自己扮演的“魔鬼牧师”的角色没有丝毫兴趣，而且还反对教会以及虔诚的宗教人士，即使这些人是自己十分尊敬的。他极不情愿地与全世界分享他的科学，然而最终他分享了。此后我们对自然世界的认识就开始了几何级数的增长。

最终，科学会消除旧的谎言，揭示新的真理。但是通往真理的道路并不总是平坦和笔直的，赢家和输家也并非总能立即判断出来。1954年，生物学家乔治·瓦尔德在《科学美国人》杂志上评论了19世纪末巴斯德在批判自然发生论上取得的伟大“胜利”，他这样写道：

要批判如此根深蒂固的、常识般的自然发生论信仰不是件容易的事。在这种局面中要想取胜，遇到一个吵吵闹闹的对手比什么都重要，曾在法国科学院要求巴斯德进一步规范实验操作的博物学家波契特就是这样的人选。波契特去世后，自然发生的想法渐渐被人们淡忘。我们向刚入门的生物系学生讲这个故事，就好像是为了告诉他们真理最终会战胜谬误。但事实几乎完全相反，相信自然发生才是合理的观点，除此之外就是相信真的存在超自然的创生方式，别无其他。

在科学发展的历程中，“失败者”咬住某一结论不放的例子比比皆是，哪怕是遭到同行的反对也绝不妥协。对于某些人而言，固执的秉性会为他们的职业带来遗憾，但他们依然选择了在这条道路上继续前行。在面对激烈批评甚至充满矛盾的证据时，他们无法放弃自己的立场。

他们的坚持可能有他们的目的。博物学家亚历山大·冯·洪堡曾把科学发现分为3个阶段：首先是否定，之后是否定重要性，最后是提出一个新的理论。克服第一阶段需要一定的勇气。真正的新思想家一般都被视为狂想家，当结论被证明有误时，历史依然承认他们是狂想家；而当结论被证明正确时，历史又会称他们为富有远见的天才。因此，过去的狂想家可能就是未来具有远见卓识的人。

有关生命起源的科学研究不会停止，但同时我们也看到了科学如同历史一样循环往复。每个时代都会出现推动历史前进的先驱，每个时代也都会产生新的争论。一些科学家对错误的坚持是徒劳无益的，最终结果还是会回到原点。人们总会在显微镜下、在试管里、在化石或岩石中发现一些东西，只有反复检查和研究，最终才能重新解释一些问题。科学家在寻找答案的过程中时常回到自己曾经放弃的想法上。尼达姆和斯帕兰扎尼的争论、赫尔蒙特和雷迪之间的争论以及巴斯德和巴斯蒂安之间的争论从本质上讲没什么区别。每个时代都会造就一个“赢家”，而未来的发现又会推翻之前取得的成绩。

如今，“失败者”的故事几乎从科学教科书中消失了。但科学的记忆力十分短暂，过不了多久另一些人就会重蹈覆辙，这样的故事不知还会上演多少次。被遗忘的事情可能会再次发生，年轻一代的科学家会留在原地止步不前。但需要承认的是，我们依然可以从一个遭到抛弃的、目前看来与我们关注的问题毫不相关的想法或发现中找到我们想要的答案。

倘若找到了有关生命起源问题的解释，并且这一解释能够经受住严格的科学检验，我们可能还是会继续寻找下一个谜题的答案，因为生命起源的研究总是隐藏着更大的谜题。这就是有关这一主题的辩论总能引起人们强烈的情感和本能反应的原因，也是造成许多科学家置科学的谨慎性于不顾的原因。人类试图探索生命起源的过程，但他们更关注的似乎是生命的意义，这恐怕就是科学本身永远无法回答的问题。

附录：生命的“食谱”

赫尔蒙特的老鼠“食谱”

把脏衬衣或一些烂布头放入广口罐或桶中，再加入一些小麦或麦麸，21天之内就会产生老鼠。老鼠成年后，通过公鼠与母鼠的交配就会孕育出更多的老鼠。

巴斯蒂安的微生物“食谱”

1.把装有牛肉汤的烧瓶加热煮沸15分钟，然后在真空环境中密封。12天后牛肉汤中出现活细菌和一些单细胞生物。

2.把装有稀释后的牛肉、胡萝卜和芜菁混合液的烧瓶加热煮沸15分钟，然后在真空环境中密封。14天后混合液中出现酵母样细胞。

3.把装有白糖、酒石酸铵、碳酸铵和磷酸铵中性混合液的烧瓶加热煮沸20分钟，然后在真空环境中密封。9天后混合液中出现酵母、细菌和单细胞生物。

4.把装有草酸铵、磷酸钠溶液的烧瓶加热煮沸20分钟，然后在真空环境中密封。61天后溶液中出现真菌孢子以及极度活跃的单细胞生物。

福克斯的类蛋白微球“食谱”

将10克L-谷氨酸在175~180摄氏度下加热至熔化（大约需30分钟），然后加入10克DL-天冬氨酸和5克由16种基本氨基酸组成的混合物。在氮气环境中将溶液温度保持在（170±2）摄氏度数小时。当大量气体生成后，溶液会变成琥珀色。用75毫升的水冲洗混合物，直至混合物形成棕黄色的沉淀物。这种沉淀物可以形成原始细胞，能够进行分裂和自我复制。这些实验材料中的大部分可以在当地的食品店买到，成本大约为100美元。

文特尔的细胞“食谱”

你需要DNA合成设备和相当复杂的分子生物学实验室，以碱基互补配对的方式合成整个细菌的基因组。然后你需要把该分子转化至活细菌细胞内。以目前的价格计算，整套试验将花费100多万美元。如果你在自己合成的基因组中加入了一些标记，那么就能从后代中找到自己合成的细菌。

参考文献

Acton，H.The Last Medici.London: Thames & Hudson，1932.

Alexander，D.R.，and R.L.Numbers，eds.Biology and Ideology from Descartes to Dawkins. Chicago: University of Chicago Press，2010.

Alexander，R.，and C.F.Stevens.“Obituary: Francis Crick (1916–2004).” Nature， 430 (2004): 845–847.

Anderson，D.“Still Going Strong: Leeuwenhoek at Eighty.” Antonie van Leeuwenhoek 106 (2014): 3–26.

Angier，N.“Peering over the Fortress That Is the Mighty Cell.” New York Times，May 31，2010.

Appel，T.The Cuvier-Geoffroy Debate.Oxford: Oxford University Press，1987.

Augustine.City of God，vol.2.New York: Doubleday，1958.

Bada，J.L.，and A.Lazcano.Stanley L.Miller 1930–2007: A Biographical Memoir. National Academy of Sciences，2012.

Bada，J.L.，and A.Lazcano.“Stanley Miller’s 70th Birthday.” Origins of Life and Evolution of the Biosphere 30 (2000): 107–112.

Balme，D.M.“Development of Biology in Aristotle and Theophrastus: Theory of Spontaneous Generation.” Phronesis 7，no.1 (2009): 91–104.

Bastian，H.C.Evolution and the Origin of Life.London: Macmillan，1874.

Bastian，H.C.“Reply to Professor Huxley’s Inaugural Address at Liverpool on the Question of the Origins of Life.” Nature 2 (1870): 410–413.

Becker，L.C.，and C.B.Becker.Encyclopedia of Ethics，vol.3.New York: Taylor and Francis，1992.

Bradbury，S.The Evolution of the Microscope.Oxford: Pergamon，1967.

Brieger，G.Medical America in the Nineteenth Century. Baltimore: Johns Hopkins University Press，1972.

“The British Association—Leicester Meeting.” Current Science 2 (1933): 135–144.

Broman，T.H.“Matter，Force and the Christian Worldview in the Enlightenment.” In When Science and Christianity Meet，edited by D.C.Lindberg and R.L.Numbers，85–110.Chicago: University of Chicago Press，2003.

Brown，P.Augustine of Hippo.London: Faber and Faber，1967.

Browne，J.Darwin’s Origin of Species.New York: Grove Press，2006.

Bryan，W.J.William Jennings Bryan’s Last Message.New York: Fleming H.Revel，1925.

Bult，C.J.，O.White，G.J.Olsen，L.Zhou，R.D.Fleischmann，G.G.Sutton，J.A.Blake，et al.“Complete Genome Sequence of the Methanogenic Archaeon，Methanococcus jannaschii.” Science 273，no.5278 (1996): 1058–1073.

Burkhardt，F.H.“Darwin and the Copley Medal.” Proceedings of the American Philosophical Society 145，no.4 (2001): 510–515.

Campbell，N.，and S.Miller.“A Conversation with Stanley Miller.” American Biology Teacher 51，no.6 (1989): 349–353.

Chaikin，A.A Man on the Moon: The Voyages of the Apollo Astronauts.New York:Penguin，1994.

Chambers，R.Vestiges of the Natural History of Creation and Other Evolutionary Writings.Chicago: University of Chicago Press，1994.

Charles，R.H.，trans.The Chronicle of John，Bishop of Nikiu.Oxford: Oxford University Press，1916.

Clark，R.JBS: The Life and Work of JBS Haldane.New York: Coward-Mc Cann，1968.

Clarke，A.Foreword to What I Require from Life，by J.B.S.Haldane，ix–xii.Oxford: Oxford University Press，2009.

Cobb，M.Generation: The Seventeenth-Century Scientists Who Unraveled the Secrets of Sex，Life and Growth.New York: Bloomsbury，2006.

The Collected Letters of Antoni van Leeuwenhoek.Lisse，Netherlands: Swets &Zeitlinger，1996.

“The Consequences of Political Dictatorship for Russian Science.” Nature Reviews.Genetics 2 (2001): 723–729.

Colp，R.，Jr.“‘Confessing a Murder’: Darwin’s First Revelations about Transmutation.” Isis 77，no.1 (1986): 7.

Crick，F.，and L.E.Orgel.“Directed Panspermia.” Icarus 19 (1973): 341–346.

Crosse，A.，and C.A.H.Crosse.Memorials，Scientific and Literary，of Andrew Crosse，the Electrician.London: Longman，Brown，Green，Longmans，& Roberts，1857.

Cuvier，G.“Biographical Memoir of M.de Lamarck.” Edinburgh New Philosophical Journal 20，No.29 (1836): 1–22.

Darwin，C.The Annotated Origin，annotated by J.T.Costa.Cambridge，MA:Harvard University Press，2009.

Darwin，C.The Autobiography of Charles Darwin.New York: W.W.Norton，1958.

Darwin，C.Charles Darwin: His Life Told in an Autobiographical Chapter，and in a Seclected Series of His Published Letters，edited by F.Darwin.London: John Murray，1908.

Darwin，C.The Correspondence of Charles Darwin.Vol.7，1858–1859.Cambridge:Cambridge University Press，1991.

Darwin，C.“Darwin’s Ornithological Notes.” Bulletin of the British Museum (Natural History) 2，no.7 (1963): 201–278.

Darwin，C.The Voyage of the Beagle.New York: P.F.Collier & Son，1909.

Darwin，F.，ed.More Letters of Charles Darwin，vol.2.New York: Appleton，1903.

Davidson，I.Voltaire: A Life.London: Profile Books，2010.Kindle edition.

Dawson，V.P.Nature’s Enigma: The Problem of the Polyp in the Letters of Bonnet， Trembley and Réaumur.Philadelphia: American Philosophical Society，1987.

Dean，D.R.James Hutton and the History of Geology.Ithaca，NY: Cornell University Press，1992.

Debré，P.Louis Pasteur. Baltimore: Johns Hopkins University Press，1994.

De Kruif，P.Microbe Hunters.New York: Harcourt，1926.

Desmond，A.，and J.Moore.Darwin: The Life of a Tormented Evolutionist.New York: W.W.Norton，1991.

D’Holbach，Baron.The System of Nature: or，the Laws of the Moral and Physical World.New York: G.W.& A.J.Matsell，1835.

Dimension，T.V.“The Victorian Conflict between Science and Relgion: A Professional Dimension.” Isis 69，no.3 (1978): 356–376.

Dobell，C.Antony van Leeuwenhoek and His “Little Animals”: A Collection of Writings by the Father of Protozoology and Bacteriology.New York: Dover，1960.

Dronamraju，K.R.，ed.Haldane and Modern Biology.Baltimore: Johns Hopkins University Press，1968.

Duquette，D.A.Hegel’s History of Philosophy: New Interpretations. Albany: State University of New York Press，2003.

England，P.C.，P.Molnar，and F.M.Richter.“Kelvin，Perry and the Age of the Earth.” American Scientist 95 (2007): 342–349.

Espinasse，F.Life of Voltaire.London: Walter Scott，1892.

Falk，R.“Mendel’s Impact.” Science in Context 19 (2006): 215–236.

Fara，P.Science: A Four Thousand Year History.Oxford: Oxford University Press，2009.

Farley，J.The Spontaneous Generation Controversy from Descartes to Oparin.Baltimore: Johns Hopkins University Press，1977.

“Fox.” Mobile Register，August 13，1998.

Fox，R.The Savant and the State: Science and the Cultural Politics in Nineteenth Century France.Baltimore: Johns Hopkins University Press，2012.

Fox，S.W.“The Apollo Program and Amino Acids: On the Origin of Life.” Bulletin of the Atomic Scientists 29，no.10 (1973): 46–51.

Fox，S.W.The Emergence of Life.New York: Basic Books，1988.

Fox，S.W.，and K.Harada.“Thermal Copolymerization of Amino Acids to a Product Resembling Protein.” Science 128 (1958): 1214.

Fox，S.W.，K.Harada，and J.Kendrick.“Production of Spherules from Synthetic Proteinoid and Hot Water.” Science 129 (1959): 1221–1223.

Frangenberg，T.“A Private Homage to Galileo.Anton Domenico Gabbiani’s Frescoes in the Pitti Palace.” Journal of the Warburg and Courtauld Institutes 59 (1996): 245–273.

Friend，T.The Third Domain: The Untold Story of the Future of Biochemistry.Washington，DC: Joseph Henry Press，2007.

Fry，Iris.The Emergence of Life on Earth.New Brunswick，NJ: Rutgers University Press，2000.

Gay，P.The Enlightenment: An Interpretation.New York: Knopf，1967.

Geison，G.L.The Private Science of Louis Pasteur.Princeton，NJ: Princeton University Press，1995.

Gibson，D.G.，J.I.Glass，C.Lartigue，V.N.Noskov，R.-Y.Chuang，M.A.Algire， G.A.Benders，et al.“Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome.” Science 329，no.5987 (2010): 52–56.

Gilbert，W.“The RNAWorld.” Nature 319 (1986): 618.

Gould，S.“Life on Mars? So What?” New York Times，August 11，1996.

Haldane，J.B.S.On Being the Right Size and Other Essays.Oxford: Oxford University Press，1985.

Haldane，J.B.S.“The Origin of Life.” Rationalist Annual (1929): 3–10.

Hamel，F.An Eighteenth Century Marquise: A Study of Émilie du Châtelet and Her Times.London: Stanley Paul，1910.

Harris，D.F.“Antony van Leeuwenhoek the First Bacteriologist.” Scientific Monthly 12，no.2 (1921): 150–160.

Harris，H.Things Come to Life: Spontaneous Generation Revisited.Oxford: Oxford University Press，2002.

Hawgood，B.J.“Francesco Redi (1626–1697): Tuscan Philosopher，Physician and Poet.” Journal of Medical Biography 11 (2003): 23–34.

Henry，F.“Rue Cuvier，rue Geoffroy-Saint-Hilaire，rue Lamarck: Politics and Science in the Streets of Paris.” Nineteenth Century French Studies 35，no.3 (2007):513–525.

Henry，J.“Religion and the Scientific Revolution.” In The Cambridge Companion to Science and Religion，edited by P.Harrison，39–58.Cambridge: Cambridge University Press，2010.

Hibbert，C.The House of Medici: Its Rise and Fall.New York: Harper Collins，1974.

Hofstadter，D.The Earth Moves: Galileo and the Roman Inquisition.New York: W.W.Norton，2009.

Holmes，R.The Age of Wonder: How the Romantic Generation Discovered the Beauty and Terror of Science. New York: Pantheon，2008.

Hoover，R.B.“Fossils of Cyanobacteria in CI1 Carbonaceous Meteorites.” Journal of Cosmology 13 (2011).

Hyman，T.，and C.Brangwynne.“In Retrospect: The Origin of Life.” Nature 491 (2012): 524.

Israel，J.Enlightenment Contested.Oxford: Oxford University Press，2006.

Jacob，F.The Logic of Life.Princeton，NJ: Princeton University Press，1973.

Jensen，J.V.“The X Club: Fraternity of Victorian Scientists.” British Journal for the History of Science 5，no.1 (1970): 63–72.

John Paul II.“Truth Cannot Contradict Truth.” Message delivered to the Pontifical Academy of Sciences，October 22，1996.

Jonson，Ben.The Works of Ben Jonson，vol.3.London: Chatto & Windus，1910.

Joravsky，D.The Lysenko Affair.Cambridge，MA: Harvard University Press，1970.

Kamminga，H.Studies in the History of Ideas on the Origin of Life from 1960.London: Chelsea College，University of London，1980.

Kaufman，M.First Contact: Scientifc Breakthroughs in the Hunt for Life beyond Earth.New York: Simon & Schuster，2011.

Keenan，M.E.“St.Augustine and Biological Science.” Osiris 7 (1939): 588–608.

Kelvin，William Thomson，Baron.Mathematical and Physical Papers，vol.5.Cambridge:Cambridge University Press，1911.

Kelvin，William Thomson，Baron.“Presidential Address to the British Association， Edinburgh，1871.” In Popular Lectures and Addresses，132–205.London: Macmillan，1894.

Kerr，R.“Requiem for Life on Mars? Support for Microbes Fades.” Science 282，no.5393 (1998): 1398.

Knoll，A.H.Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth.Princeton，NJ: Princeton University Press，2003.

Kohler，R.E.，Jr.“The Enzyme Theory and the Origin of Biochemistry.” Isis 64，no.2 (1973): 181–196.

Kursanov，A.L.“Sketches to a Portrait of A.I.Oparin.” Lecture presented at the International Symposium “Biochemistry of the 21st Century: Problems and Frontiers，”Moscow，May 13–18，1995.

Lack，D.Darwin’s Finches.Cambridge: Cambridge University Press，1983.First published 1947.

Lane，N.Life Ascending.New York: W.W.Norton，2009.

Lazcano，A.，and J.L.Bada.“Stanley L.Miller (1930–2007): Reflections and Remembrances.” Origins of Life and the Evolution of the Biosphere 38 (2008): 373–381.

Lederberg，J.“Sputnik + 30.” Journal of Genetics 66，no.3 (1987): 217–220.

Lederberg，J.“The Transformation of Genetics by DNA.” Genetics 136，no.2 (1994): 423–426.

Lederberg，J.，and D.B.Cowie.“Moondust.” Science 127，no.3313 (1958): 1473–1475.

Leeming，D.L.，with M.A.Leeming.A Dictionary of Creation Myths.Oxford:Oxford University Press，1994.

“Life and a Glass Earth.” New York Times，May 17，1953.

Lindberg，D.“The Fate of Science in Patristic and Medieval Christendom.” In The Cambridge Companion to Science and Religion，edited by P.Harrison，21–38.

Cambridge: Cambridge University Press，2010.

Malebranche，N.De la recherche de la vérité，vol.2.Paris: Garnier Frères，1910.

Mc Collum，G.，and D.Bogard.Interview by N.H.Chaffee，June 18，2012，transcript， NASA Johnson Space Center Oral History Project.

Medvedev，Z.A.The Rise and Fall of T.D.Lysenko.New York: Columbia University Press，1969.

Middleton，W.E.K.The Experimenters: A Study of the Accademia del Cimento.Baltimore: Johns Hopkins University Press，1971.

Mitford，N.Voltaire in Love.New York: Carroll & Graf，1957.

Moland，L.，ed.Oeuvres complètes de Voltaire，vol.14 (Paris: Garnier，1878).

Morell，V.“Microbiology’s Scarred Revolutionary.” Science 276，no.5313 (1997):699–702.

Muller，H.J.“The Development of the Gene Theory.” In Genetics in the 20th Century: Essays on the Progress of Genetics during Its First 50 Years，edited by L.C.Dunn，77–99.New York: Macmillan，1951.

Nagy，B.，G.Claus，and D.J.Hennessy.“Organic Particles Embedded in Minerals in the Orgueil and Ivuna Carbonaceous Chondrites.” Nature 193 (1962): 1129–1133.

Nagy，B.，and J.J.Lynch，eds.“Life-like Forms in Meteorites and the Problems of Environmental Control on the Morphology of Fossil and Recent Protobionata.” Annals of the New York Academy of Sciences 108 (1963): 339–616.

Nair，P.“Woese and Fox: Life Rearranged.” Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (2012): 1019–1021.

Nichols，A.，ed.Romantic Natural Histories: Selected Texts with Introduction.Boston: Houghton Mifflin，2004.

Oren，A.，and G.M.Garrity.“Then and Now: A Systematic Review of the Systematics of Prokaryotes in the Last 80 Years.” Antonie van Leeuwenhoek 106 (2014):43–56.

Orgel，L.E.“Evolution of the Genetic Apparatus.” Journal of Molecular Biology 38， no.3 (1968): 381–393.

“The Origin of Life: Being an Account of Experiments with Certain Superheated Saline Solutions in Hermetically-Sealed Vessels.” Lancet 1，no.4675 (1913): 970.Osborn， H.F.From the Greeks to Darwin: An Outline of the Development of the Evolutionary Idea.London: Macmillan，1905.

Paley，W.Natural Theology.New York: American Tract Society，1881.

Park，D.The Grand Contraption: The World as Myth，Number，and Chance.Princeton， NJ: Princeton University Press，2005.

Parker，G.The Thirty Years War.New York: Routledge & Kegan Paul，1984.

Partington，J.R.A Short History of Chemistry.New York: Dover，1989.

Parton，J.Life of Voltaire，vol.2.Boston: Houghton，Mifflin，1881.

Pasteur，L.“On Spontaneous Generation: An Address Delivered by Louis Pasteur at the ‘Sorbonne Scientific Soiree’ of April 7，1864.” Revue des cours scientifiques，April 23， 1864，257–264.

Pearl，D.L.“Political Economy for Workers: A.N.Bakh’s Tsar-Golod.” Slavic Review 50，no.4 (2014): 768–778.

Peretó，J.，J.L.Bada，and A.Lazcano.“Charles Darwin and the Origin of Life.”Origins of Life and Evolution of Biospheres 39，no.5 (2009): 395–406.

Pinto-Correia，C.The Ovary of Eve: Egg and Sperm and Preformation.Chicago:University of Chicago Press，1997.

Plait，P.“2011 JREF Pigasus Awards.” Discover，April 1，2011.

Ponnamperuma，C.“The Origin of Life: From Oparin to the Present.” Lecture presented at the International Symposium “Biochemistry of the 21st Century: Problems and Frontiers，” Moscow，May 13–18，1995.

Ponnamperuma，C.The Origins of Life.London: Thames and Hudson，1972.

Poundstone，W.Carl Sagan: A Life in the Cosmos.New York: Henry Holt，1999.

Priestley，J.The History and Present State of Electricity，with Original Experiments， 3rd ed.London: C.Bathurst and T.Lowndes，1775.

Priestley，J.“Observations and Experiments Relating to Equivocal，or Spontaneous， Generation.” Transactions of the American Philosophical Society 6 (1809): 119–129.

Prum，M.“Charles Darwin’s First French Translations.” In The Literary and Cultural Reception of Darwin in Europe，edited by T.F.Glick and E.Shaffer.New York: Bloomsbury Academic，2014.

Redgrove，H.S.，and I.M.L.Redgrove.Joannes Baptista van Helmont: Alchemist， Physician and Philosopher.London: William Rider & Son，1922.

Redi，F.Esperienze intorno a diverse cose naturali，e particolarmente a quelle，che ci son portate dall’Indie.Naples: Giacomo Raillard，1687.

Redi，F.Experiments on the Generation of Insects.Chicago: Open Court，1909.

Ridley，M.“Crick and Darwin’s Shared Publication in Nature.” Nature (2004) 244.

Ridley，M.Francis Crick: Discoverer of the Genetic Code.New York:Harper Collins，2006.

Ridley，M.Genome.New York: Harper Perennial，2006.

Roe，S.“Biology，Atheism，and Politics in Eighteenth-Century France.” In Biology and Ideology from Descartes to Dawkins，edited by D.R.Alexander and R.L.Numbers， 36–60.Chicago: University of Chicago Press，2010.

Roe，S.“Voltaire versus Needham: Atheism，Materialism，and the Generation of Life.” Journal of the History of Ideas 46，no.1 (1985): 65–87.

Roger，J.The Life Sciences in Eighteenth-Century French Thought.Stanford，CA:Stanford University Press，1997.

Rovelli，C.The First Scientist: Anaximander and His Legacy.Yardley，PA:Westholme，2007.

Rupke，N.Richard Owen: Biology without Darwin.Chicago: University of Chicago Press，2009.

Sapp，J.The New Foundations of Life.Oxford: Oxford University Press，2009.

Sapp，J.，and G.E.Fox.“The Singular Quest for a Universal Tree of Life.”Microbiology and Molecular Biology Reviews 77，no.4 (2013): 541–550.

Sawyer，K.The Rock from Mars: A Detective Story on Two Planets.New York:Random House，2006.

Schopf，W.Cradle of Life: The Discovery of Earth’s Earliest Fossils.Princeton，NJ:Princeton University Press，1999.

“Science: Semi-Creation.” Time，May 25，1953.

Secord，J.A.“The Curious Case of the Acarus crossii.” Nature 345 (1990): 471–472.

Secord，J.A.Victorian Sensation: The Extraordinary Publication，Reception，and Secret Authorship of the Vestiges of the Natural History of Creation.Chicago: University of Chicago Press，2000.

Seymour，M.Mary Shelley. London: John Murray，2000.

Shapiro，R.Origins: A Skeptic’s Guide to the Creation of Life on Earth.New York:Summit，1986.

Shea，W.R.，and M.Artigas.Galileo in Rome: The Rise and Fall of a Troubled Genius.Oxford: Oxford University Press，2003.

Shelley，M.Frankenstein.New York: W.W.Norton，1996.

“Sidney W.Fox; Analyzed First Moon Rocks.” Los Angeles Times，August 18，1998.

Soloviev，Y.Y.“240th Anniversary of the Birth of Georges Cuvier (1769–1832).”Paeleontological Journal 44，no.6 (2010): 107–112.

Stott，R.Darwin’s Ghosts.New York: Spiegel and Grau，2012.

Strick，J.“Creating a Cosmic Discipline: The Crystallization and Consolidation of Exobiology，1957–1973.” Journal of the History of Biology 37 (2004): 131–180.

Strick，J.Sparks of Life: Darwinism and the Debates over Spontaneous Generation.Cambridge，MA: Harvard University Press，2000.

Thomas，S.Men of Space: Profiles of Scientists Who Probe for Life in Space. Philadelphia:Chilton，1963.

Tresch，J.The Romantic Machine.Chicago: University of Chicago Press，2012.

Vallery-Radot，R.Louis Pasteur—His Life and Labours.London: Longmans， Green，1885.

Venter，J.C.Life at the Speed of Light.New York: Viking，2013.

Voltaire.Oeuvres complètes de Voltaire，vol.10.Edited by L.Moland.Paris: Garnier， 1877.

Voltaire.The Works of Voltaire.Akron，OH: Werner，1904.

Voltaire.The Works of Voltaire，vol.33.Paris: A.Firmin Didot，1829.

Walcott，C.“Pre-Cambrian Rocks of North America.” Bulletin of the United States Geological Survey，no.81 (1891): 594.

Wald，G.“The Origin of Life.” Scientific American 191，no.2 (1954): 44–53.

Ward，P.Life as We Do Not Know It: The NASA Search for (and Synthesis of) Alien Life.New York: Penguin，2005.

Watson，J.D.The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA.New York: Simon & Schuster，1968.

Watson J.D.，and F.H.Crick.“Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid.” Nature 171 (1953): 737–738.

Wedgwood，C.V.The Thirty Years War.New York: New York Review of Books，2005.

Whitfield，J.“Origin of Life: Nascence Man.” Nature 459 (2009): 316–319.

Whittaker，E.T.A History of the Theories of Aether and Electricity from the Age of Descartes to the Close of the Nineteenth Century.London: Longman，Green，1910.

Wilson，E.O.From So Simple a Beginning: The Four Great Books of Charles Darwin.New York: W.W.Norton，2006.

Woese，C.“Evolving Biological Organization.” In Microbial Phylogeny and Evolution，edited by Jan Sapp，99–118.Oxford: Oxford University Press，2005.

Woese，C.R.The Genetic Code: The Molecular Basis for Genetic Expression. New York: Harper & Row，1967.

致谢

我们通过一个个生动的故事讲述了生命起源思想发展的点点滴滴，这与大家的帮助和鼓励是分不开的。在本书的写作过程中，数不清的学者、同行和朋友分享了他们的知识和见解。虽然我们不能一一致谢，但本书的出版得益于以下人员的帮助：杰克·绍斯塔克付出了宝贵的时间并慷慨地让我们参观他在哈佛大学的实验室；乔治·福克斯愉快地和我们分享了他对卡尔·乌斯的回忆（虽然这些故事在书中所占的篇幅有限）；奥斯纳布吕克大学的阿尔门·穆尔基德亚尼安提供了有关亚历山大·奥帕林的研究资料，虽然其中一些是俄语资料；让·福克斯介绍了他父亲西德尼·福克斯的个人情况；应用分子进化基金会的伊莱莎·比昂迪帮助我们翻译了有关弗朗西斯科·雷迪的资料，她的工作大大超出了我们的预期，因此我们对她付出的劳动表示衷心的感谢。

华盛顿卡内基研究所地球物理图书馆馆员马瑞·沃尔夫和肖恩·哈迪为我们提供了许多珍贵的研究资料，没有他们的帮助，我们根本不可能查阅到这些信息。我们还要感谢普林斯顿高等研究院的鼎立支持，没有他们的帮助，我们就无法使用普林斯顿高等研究院图书馆的资源。

盖尔·罗斯和霍华德·尹不愧是优秀的出版代理。在诺顿出版集团，我们很幸运地遇到了安吉拉·凡德利珀和阿兰·萨勒诺梅森两位编辑。凡德利珀被我们讲述的这些故事深深打动，而萨勒诺梅森个人的能力和毅力使本书出版成为了现实。此外，我们还要感谢菲力·托里斯普、斯蒂芬妮·希伯特和雷米·考利等人的无私帮助。同时，我们还要感谢我们的妻子安·提格勒以及特雷西·瓦尔，没有她们的支持就不会有这本书。提格勒对本书的手稿进行了校对，而瓦尔凭借她在全国广播公司多年的工作经验，为一些章节的写作提供了重要的思路。在这里，我们要对她们的支持以及付出的劳动表示感谢。

需要指出的是，作为作者，我们并不是历史学家。因此，这本书的大部分功劳应当归于那些不知疲倦地记述和保存科学发展历程的人们，他们工作的重要性常常被低估。同时，我们希望本书能够激励人们在努力理解我们所谓的社会信仰的同时，也能够思考我们为什么信仰它以及如何信仰它。

最后，我们还要向那些曾经在生命起源领域做出贡献和正在做出贡献的科学家表示感谢。

插图出处

镶嵌画《失乐城》，华盛顿大学凯莉与埃兰德馈赠。

古埃及人面临青蛙的困扰，美国CCPD。

“苍蝇的生命周期”，选自《昆虫繁殖实验》，英国伦敦维尔康姆图书馆。

胡克《显微制图》一书中有关跳蚤的插图，美国CCPD。

列文虎克的显微镜，杰伦·洛克马提供。

特朗布雷在1744年出版的《论一种具角状触手的淡水水螅》一书中绘制的水螅插图，琳达图书馆。

尼达姆和布丰在研究狗的睾丸，英国伦敦维尔康姆图书馆。

伽伐尼使蛙腿“起死回生”的实验，英国伦敦维尔康姆图书馆。

克罗斯手绘的螨虫插图，Chronicle/Alamy。

1882年的一幅漫画展现了达尔文主义的内涵，英国伦敦维尔康姆图书馆。

巴斯德的自然发生实验，国会图书馆，LC-USZ62-95258。

1832年曼彻斯特爆发霍乱时，人们为了祛除瘴气而在街道上燃烧整桶沥青的场景，英国伦敦维尔康姆图书馆。

在显微镜下看到的海克尔原肠虫手绘图，美国国家海洋与大气局中央图书馆典藏部。

霍尔丹，摄于1941年，生活图片集/格蒂图片。

在大峡谷中考察的查尔斯·杜利特尔·沃尔科特，史密森尼研究会档案#83-14116。

斯坦利·米勒和他的“经典装置”，贝特曼/考比斯。

1956年12月31日《华盛顿邮报》配发的漫画，赫布洛克卡通以及赫布洛克基金会。

奥尔德林正在月面钻取岩芯，阿姆斯特朗摄，美国国家航空航天局。

1953年沃森（左）和克里克在DNA双螺旋结构模型前拍摄的一张经典照片，巴林顿·布朗/《科学》杂志社。

在ALH84001陨石中发现的疑似火星微生物化石，美国国家航空航天局/约翰逊航天中心/斯坦福大学。

澳大利亚雅格鲁普国家公园中的叠层石，艾克霍特知识共享。

1961年手持RNA模型的乌斯，美国联合通讯社。

钱伯斯绘制的“生命之树”，美国CCDP。

乌斯绘制的“生命之树”，美国国家航空航天局。

达尔文绘制的“生命之树”，英国伦敦维尔康姆图书馆。

扫描电子显微镜下的四膜虫，亚伦·贝尔/《科学》杂志社。

1. 封面

2. 扉页

3. 版权信息

4. 目录

5. 版权声明

6. 内容提要

7. 其它

8. 推荐序

9. 中文版序

10. 引言

11. 第1章 太阳的作用

12. 第2章 不断地尝试

13. 第3章 昆虫之眼

14. 第4章 无神论者的实验室

15. 第5章 生命的力量

16. 第6章 造物主创造了最初的生命形式

17. 第7章 梦想虽遥不可及但令人愉悦

18. 第8章 找不到生命起源的痕迹

19. 第9章 地球实验室

20. 第10章 核酸的垄断

21. 第11章 生命随处可见

22. 第12章 一种最原始的生命形式

23. 第13章 细胞诞生

24. 后记

25. 附录：生命的“食谱”

26. 参考文献

27. 致谢

28. 插图出处

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2. 封面

3. 书名页

4. 版权页

5. 正文

科学新经典文丛

The Fabric of Reality:The Science of Parallel Universes-and Its Implications

真实世界的脉络：平行宇宙及其寓意（第2版）

[英]戴维·多伊奇(David Deutsch)/著

梁焰　黄雄/译

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

真实世界的脉络：平行宇宙及其寓意：第2版/（英）多伊奇(Deutsch,D.)著；梁焰，黄雄译.--北京：人民邮电出版社，2016.2

（科学新经典文丛）

ISBN　978-7-115-41144-0

Ⅰ.①真…　Ⅱ.①多…②梁…③黄…　Ⅲ.①科学哲学一研究　Ⅳ.①N02

中国版本图书馆CIP数据核字（2015）第310802号

版权声明

The Fabric of Reality:The Science of Parallel Universes-and Its Implications by David Deutsch

Copyright:© David Deutsch,1997

This Edition Arranged With Dinah Wiener Limited

Through Big Apple Agency,Inc.,Labuan,Malaysia.

Simplified Chinese Edition Copyright:

2016 POSTS & TELECOM PRESS

All Rights Reserved.

◆著　[英]戴维·多伊奇(David Deutsch)

译　梁焰　黄雄

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

责任编辑　刘朋

责任印制　彭志环

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptptress.com.cn

北京隆昌伟业印刷有限公司印刷

◆开本：880×1230　1/32

印张：12.5　　2016年2月第1版

字数：265千字　　2016年2月北京第1次印刷

著作权合同登记号　图字：01-2015-3961号

定价：49.00元

读者服务热线：(010)81055410　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京崇工商广字第0021号

目录

封面

扉页

版权信息

内容提要

其他

致谢

译者序

第2版译者序

前言

第1章 万有之理

第2章 影子

第3章 问题求解

第4章 真实性的判断标准

第5章 虚拟现实

第6章 计算的通用性和极限

第7章 关于证明的对话

第8章 生命的意义

第9章 量子计算机

第10章 数学的本质

第11章 时间：第一个量子概念

第12章 时间旅行

第13章 四大理论

第14章 宇宙的终结

参考文献

索引

推荐阅读

内容提要

宇宙、生命、时间……这些最基本而又最复杂的问题，如果用目前最深刻的理论——量子物理学、计算机科学、进化论和认识论——去解释，那将会编织成一幅什么样的图景呢？作者戴维·多伊奇在这里提出了一种思维模式，顺着这一思维模式，我们的新世界观将日趋明朗。

科学的目的是从问题出发寻求解释还是从观察出发寻求预言？令人匪夷所思的“影子”是否揭示了多重宇宙的存在？虚拟现实描绘的东西是不是真的？真实性的判断标准是什么？是不是只有我们的感觉、听觉或实验装置探测到的东西才是真实的？数学的本质是抽象的还是物理的？人类的知识是怎样产生发展的？时间是均匀流逝的还是量子的？人的活动是否能反作用于宇宙演化的进程？对这些“大”问题，本书将给您一些启迪。

其他

将本书献给卡尔·波普尔、休·埃弗里特、阿兰·图灵以及理查德·道金斯。本书认真地考虑了他们的思想。

致谢

在本书的创作过程中，很多灵感得益于与以下人士的讨论：布莱斯·德威特、阿图尔·艾科特、迈克尔·洛克伍德、恩里克·罗德里格、丹尼斯·西亚玛、弗兰克·梯普勒、约翰·维勒和科尔雅·沃尔夫。

感谢我的朋友和同事鲁斯·常、阿图尔·艾科特、戴维·约翰逊——戴维斯、迈克尔·洛克伍德、恩里克·罗德里格和科尔雅·沃尔夫；感谢我的母亲特瓦·多伊奇；感谢我的编辑卡洛琳·奈特、拉维·米尔查达尼（企鹅图书）以及约翰·伍德拉夫,尤其感谢莎拉·劳伦斯,他们从头至尾批评性地阅读了本书最初的几稿，提出了修改和改进的建议。我也非常感谢以下这些读过部分手稿并提出过意见的朋友，包括哈维·布朗、史蒂夫·格雷厄姆、罗塞拉·卢帕基尼、思维恩·奥拉夫·尼伯格、奥利弗、哈里特·斯特里姆佩尔, 尤其是理查德·道金斯和弗兰克·梯普勒。

译者序

阅读本书，会给你一种耳目一新的感觉。作者戴维·多伊奇是量子物理学和量子计算理论领域的顶尖科学家，他以独特的视角为我们描绘了一幅奇特的世界观。

多伊奇认为，目前人类有4个最好的理论，它们分别从不同侧面对现实世界进行了描绘。第一个当然是量子理论，第二个是达尔文的生物进化论，第三个是波普尔的认识论（关于知识是怎样产生和发展的理论），第四个是计算理论（关于计算机能做什么和不能做什么的理论）。多伊奇问，假设这些理论是对的，假如用这些理论去解释现实世界，那么我们能得出什么结论？

和爱因斯坦一样，多伊奇认为真实世界是和谐统一的，因此一定存在关于这个世界万事万物的理论——万有之理。多伊奇认为，上述四大理论一定有内在的本质的必然的联系，把它们结合起来就构成了第一个万有之理，而且根据波普尔的知识进化观点，将来一定会有第二个、第三个越来越好的万有之理。这个万有之理解释了真实世界是怎样组织起来的。

解释，是本书的主题。多伊奇认为，科学活动的目的是为了更好地理解世界，是从问题出发寻求解释，而不是如归纳主义和实用主义所认为的那样，从观察出发寻求预言。量子现象是20世纪最重大的发现之一，但怎样解释它，物理学家们经常莫衷一是。“哥本哈根学派”的解释并不能令作者满意。另外一种解释理论，也就是多伊奇支持的多重宇宙理论，认为宇宙不止一个，许许多多平行宇宙和我们的宇宙同在，它们一般不和我们的宇宙发生相互作用，只有在非常罕见的情形下才和我们的宇宙发生干涉。在第2章“影子”里，多伊奇描绘了一些朴素的光学投影实验，从而得出平行宇宙存在的结论。

虚拟现实，是我们很熟悉的话题。但多伊奇提出的问题是虚拟现实的最终极限是什么？物理定律对虚拟现实的全部本领施加了哪些限制？怎样定义虚拟现实描绘的准确度？而且更重要的是，虚拟现实描绘的环境是不是真实的？怎样判断一个事物是真实的？多伊奇指出，感觉并不能作为真实性的判断标准。在第4章中，多伊奇给出了真实性的判断标准——复杂性和自主性，把真实性和计算的复杂性联系起来。

喜爱科学思辨的朋友可以看出，多伊奇是一位辩论高手。在第7章“关于证明的对话”里，多伊奇就“归纳问题”——一个古老的哲学问题——展开了讨论。讨论的方法很奇特，他把自己分成两个人，一个持有归纳主义观点，另一个同意波普尔的问题求解观点，两个人展开激烈的辩论。站在反对派的角度，用反对派的语言，得出矛盾的结论，这是多伊奇的论证技巧。在第4章中，多伊奇反驳唯我主义观点时用的也是这种方法。

总之，这本书不仅对物理学、计算机科学等领域的专家会有多方位的启迪，而且对普通读者，对于想了解科学家和想了解科学家的世界观的人来说，也是一本很好的读物。但是，正如物理学家德威特说的，这本书需要慢慢地读，细细地品味，许多地方需要读两遍、三遍，才会有收获。因为毕竟它讨论的是现实世界的抽象的深层的结构，读懂它需要运用我们的理性推理，而不能依靠直觉，甚至不能轻信看似有理实则谬误的常识。

当然，翻译此书并不表示书中的每一个观点都是正确的，也不代表我们完全赞同作者的世界观。事实上，到目前为止，“万有之理”对于我们人类文明来说还是一个相当遥远的目标。但是，本书给我们展示了一位严谨的、训练有素的科学家是怎样通过思辨和逻辑不断求索真理的。书中所表现出来的严谨细致的科学思维方法是值得许多人学习的，尤其是在当今这个“浮躁”的时代。

在翻译本书过程中，多伊奇教授很耐心地为我们解答了所有疑问，在此深表感谢！

梁焰 黄雄

2002年3月3日于美国新泽西

第2版译者序

经过十多年，本书能出中文第二版，令人欣慰。时间将证明，这是一部非常重要的书，它将成为经典。

多伊奇是牛津大学物理学家，量子计算领域的领军科学家之一。他第一个形式化定义了通用量子计算机，详细说明了在量子计算机上运行的一个算法。他也是量子力学理论的多重宇宙解说的倡导者和推动者。然而在本书中，他的视野并不局限于量子理论，而是投射到整个宇宙，试图回答人类的基本问题：真实世界到底是怎样构造的？

他认为，量子理论、进化论、计算理论和波普尔的认识论从不同侧面为我们打开了认识宇宙真理的大门。但我们却由于各种原因拒绝承认，不愿接受，总是把这些理论仅仅当作各自专业领域里预言实验结果的工具，不把它们当作对真实结构的正确描述，不愿意直接了当地承认这些理论的隐含寓意，以至于我们迟迟不能登堂入室，窥见物理实在的真实面目。

例如，在光子的双缝干涉实验中，主流观点一直用波粒二象性和波函数坍缩来解释。然而多伊奇运用缜密的逻辑，毫不犹豫地指出：这是多重宇宙的存在证据！

相信很多读者在情感上都难以接受，除了我们的宇宙之外，平行存在着大量不可见宇宙，它们遵循着同样的物理规律。用他自己的话说：“我们这个宇宙的一切，包括你、我、每一个原子、每一个星系，都在其他宇宙中有一个对应的你、我、原子和星系。”这怎么可能？我一点儿没有感觉到啊？但是正如多重宇宙的发现者埃弗里特所指出的：“你感觉到地球在动吗？”

今天是互联网云计算时代，我们都知道在计算机上可以运行各种不同的程序，完成各种不同的任务。这一切都是因为有图灵原理作保障，即存在通用计算机，它能够模拟任何物理过程。多伊奇认为图灵原理是基本物理原理之一，它本质上保障了一小块物理实体可以模拟宇宙间的任何物理过程。这种自相似性恰恰解释了大脑为什么能够认识世界，正如多伊奇指出的：“物理定律成全了自己的可理解性。”

不仅如此，图灵原理还保证了宇宙间生命的出现。在多伊奇看来，生命其实是知识的物理化身，是大自然在图灵原理的作用下，天然形成的对宇宙的虚拟现实实现。因此，生命的出现不是偶然的，她是基本物理定律作用的结果，所以生命是宇宙的基本现象之一。这与我们在课堂上所学到的完全不同：主流观点认为生命过程可以还原为一系列化学过程，而化学过程又还原为一系列物理过程，所以生命只是物理规律派生出来的非基本现象。

不止于此，更离经叛道的是，他指出：生命不仅由宇宙孕育，而且会反作用于宇宙，最终可以控制宇宙的进程！这怎么可能？想想现在，我们人类连地球都控制不好，在太阳系里只能算沧海一粟，更遑论整个宇宙！但是多伊奇却认为，未来智慧生命不仅能控制太阳的进程，而且最终能驾驭整个宇宙，而这一切都是由图灵原理这一基本物理定律决定的！

为什么多伊奇教授会有这么多与众不同的思想呢？这是因为他在科学理论的认识上就与传统观念不同。传统的归纳主义认为：科学研究就是收集观察数据，总结出符合数据的规律，然后形成理论，因此，科学理论的目的就是预言未来的观察结果。这种观点容易导致对科学理论的实用主义态度：只要理论能正确预言实验结果即可，不管它的解释有多么荒谬。然而多伊奇认为归纳主义科学观是错误的！他坚持科学活动的目的是为了理解，预言只是其副产品，因此，科学研究的过程是寻求解释的过程，是问题求解过程。由此，他把上述四大理论认真地当作对宇宙的解释来看待，而不仅仅是工具。

那么，当我们真正地把四大理论当作对世界的解释时，为什么会导致这么多与直觉截然相反、与传统观念格格不入的结论呢？是理论本身有错，还是我们被传统观念束缚呢？

让我们跟着作者一起去漫游多伊奇仙境吧！

梁焰 黄雄

2015年12月于美国新泽西

前言

本书阐明了一种世界观。如果这样做存在一个动机的话，那么主要是由于一连串非凡的科学发现，我们现在对于真实世界结构拥有了一些非常深刻的理论。如果我们不满足于对世界的理解仅仅流于表面，那么就必须通过这些理论和推理来理解，而不是通过先入之见、标准看法，甚至轻信常识。我们最好的理论不仅比常识更加真实，而且远远比常识更有道理。我们必须认真对待它们，不仅把它们看作是各自领域的实用基础，而且把它们看作对世界的解释。我认为，如果把它们结合在一起看，而不是孤立地看，那么我们会得到最深刻的理解，因为它们本来就是难解难分的。

我们应该基于最好的、最基础的理论，形成合理的、有条理的世界观，如果这个建议会是新颖的或有争议的，那才奇怪呢。然而实际情况恰恰如此。原因之一是，如果我们认真地对待这些理论，那么它们中的每一个理论都有非常违背直觉的推断。结果是，人们想方设法回避这些推断，对这些理论做些特别修正或重新解释，或武断地缩小它们的应用领域，或者仅仅在实际中使用它们，而不从中引出更广泛的结论。我将批评其中的一些做法（我认为这些做法没有一个是可取的），但是只有当这种批评恰好便于解释这些理论本身时才这么做。因为本书主要不是为这些理论辩护，而是探讨如果这些理论是正确的话，那么真实世界的脉络应该是什么样。

第1章 万有之理

我记得在小时候，有人告诉我，一个博学之士能够知道已知的一切知识，这在古代还是可能的。我还被告知，现在人类的知识如此丰富，以至于不能想象有人能够学到全部知识的哪怕一小部分，即使他学了一辈子。这后一句话令我吃惊，也令我失望。实际上我拒绝相信它。我不知道怎样证明自己的怀疑。但是我知道，我不情愿事情如此不堪，我羡慕那些古代的学者。

并不是我想记住列在世界百科全书里的所有事实，恰恰相反，我讨厌记忆事实。我所说的知道已知一切的方式，不是指的这个意思。要是有人告诉我，现在每天的新出版物比一个人一辈子能读的还要多，或者有600000种已知的甲虫，这都不会令我失望。我压根不想跟踪每一只麻雀的踪迹，我也并不认为古代所谓“无所不知”的学者会连这种事情都知道。我的脑子里对什么才算是知道有更加清楚的概念。我所谓的“知道”是指理解。

一个人可能理解前人已经理解的一切，这看起来仍然难以置信，但比起一个人记住已知的所有事实，这已经好多了。例如，即使在行星运动这样狭窄的领域里，也没有人能背得下来所有已知的观测数据，但是很多天文学家能够在现代已知范围内充分理解行星的运动。这是因为理解并不依赖于知道大量事实，而是依赖于正确的概念、解释和理论。一个相对简单而可理解的理论可以覆盖无穷多的难以消化的事实。目前关于行星运动的最好理论是爱因斯坦的广义相对论，它于20世纪早期取代了牛顿的引力和运动理论。广义相对论不仅在理论上正确预言了所有行星运动，而且正确预言了引力的所有其他效应，经受住了最严格的测量精度的检验。一个理论“在理论上”可以预言某件事，意思是说该预言可以从这理论中按照逻辑导出，即使实际上推导出其中某些预言所需要的计算量太大，以至于技术上不可行，甚至像我们发现的，有的计算量太大，以至于在物理上都不可能在我们的宇宙中算出结果。

然而，能够预言或描述事物，不论多么精确，也和理解完全不是一回事。在物理学上，预言和描述常常表达为数学公式。假设我记住了一个公式，只要我有时间和兴趣，就可以据此算出所有记载于天文档案中的任一行星的位置。那跟直接记住那些档案数据相比，究竟有何不同？当然公式更容易记住，但从档案中查到一个数字可能比从公式中计算更容易呢！公式的真正好处是，它可以应用到档案数据以外的无穷无尽的情况中，例如预言未来的观测结果。公式也能更准确地导出行星在历史上的位置，因为档案数据含有观测误差。然而，即使公式比档案归纳了无穷无尽更多的事实，知道公式也并不等于理解行星运动。仅仅把事实总结为公式，并不能算是理解，这比把它们罗列在纸上或者记忆在脑子里强不了一星半点。只有通过解释才能理解事实。幸运的是，我们最好的理论同时包含了深刻的理解和准确的预言。例如，广义相对论通过全新的弯曲时空的四维几何语言解释了引力，它精确地解释了这种几何是如何与物质相互作用的。解释是它的全部内容，关于行星运动的预言仅仅是我们从这一解释导出的若干结果。

广义相对论的重要性并不在于它能比牛顿理论更准确一点儿预言行星运动，而在于它揭示并解释了过去不为人知的真实世界的某些侧面，例如空间和时间的弯曲。典型的科学解释就是这样。科学理论用不能被直接感觉到的深层的实在来解释我们感觉到的事物和现象。但是理论最宝贵的性质不是它能解释我们所感觉到的事物，而是它能够解释真实世界本身的构造。我们将看到，人类思想中最宝贵、最重要、也是最有用的属性之一是它有能力揭示并解释真实世界的脉络。

但是有些哲学家，甚至有些科学家蔑视解释在科学中的作用。对他们来讲，科学理论的基本目的不是解释任何事情，而是预言实验结果，即科学的全部内容就在于它的预言公式。他们认为只要理论的预言结果是对的，任何一致的解释都是一样的，没什么好坏之分，甚至有没有解释都无所谓。这种观点被称作工具主义（因为它认为理论只不过是进行预言的“工具”）。对工具主义者来说，“科学能使我们理解深层的真实世界，从而解释我们的观察结果”这种想法是谬误和自大。他们认为，除了预言实验结果以外，科学理论所说的其他一切都是空话。特别地，他们把解释仅仅看作是心理支柱，即我们加入理论中的某种虚构的东西，为的是让理论更易记、更有趣。诺贝尔奖得主、物理学家斯蒂文·温伯格曾以工具主义者的心态就爱因斯坦对引力的解释做过以下离奇的评述：

“重要的是能对天文学家的摄影底片上的图像、光谱频率等做出准确预言，至于这些预言是归因于引力场对行星和光子运动的物理效应（爱因斯坦之前的物理学解释）还是归因于时空的弯曲，那并不重要。”（见《引力和宇宙论》，147页）

温伯格和其他工具主义者的观点是错误的。天文学家的摄影底片上的图像到底是怎么造成的，这非常重要，且不仅仅是对像我这样的理论物理学家重要，我们研究并形成理论的真正动机恰恰是渴望更好地理解世界。（我确信这也是温伯格的动机：驱动他的并非真的仅是预言图像和光谱！）即使在纯粹的实际应用领域中，理论的解释能力也是首要的，其预言能力仅仅是附属的。如果你对此感到惊讶，假想有一个外星科学家光顾地球，带给我们一个超高技术“神谕”，它可以预言任何可能的实验结果，但不做任何解释。对工具主义者来讲，有了这个神谕就足够了，科学理论除了让人自娱自乐以外不再有用处。但真是这样吗？神谕在实际中怎么用呢？在某种意义上，神谕含有建造星际宇宙飞船所必需的知识。但这又怎样帮助我们造一艘飞船呢？或怎样造一个同样的神谕呢？或做一个更好的捕鼠器？神谕仅仅预言实验结果。所以，为了利用它，我们必须首先知道需要问它哪些实验。如果我们给出一个宇宙飞船的设计方案，以及试验飞行的详细设计，神谕可以告诉我们飞船在试飞中会如何表现。但是它首先不会为我们设计好飞船。即使它预言我们设计的飞船将会在起飞时爆炸，它也不会告诉我们如何避免这种爆炸，仍然需要我们自己想出办法。在我们找出解决办法之前，甚至在我们能够开始改进设计之前，先不说别的，我们首先必须理解宇宙飞船应该怎样正确工作。只有这时我们才有机会发现起飞时爆炸的原因。预言，即使最完美、普适的预言，也不能代替解释。

类似地，在科学研究中，神谕不能给我们提供任何新的理论。直到我们有了一个自己的理论，并构想出一个实验来验证这一理论，我们才可能向神谕发问：用这个实验检验这个理论会发生什么结果？因此，神谕完全不能代替理论本身，它可以代替实验，节省实验室开销和运转粒子加速器的费用。不需要建造原型太空飞船，无需让试飞员去冒生命危险，我们可以在地面上完成一切实验，让宇航员坐在飞行模拟器里，由神谕的预言来控制模拟器的行为。

神谕在许多情况下会非常有用，但是它的用场总是取决于人们解决科学问题的能力，与人们现在所做的毫无二致，即设计解释性理论。神谕甚至不能代替所有实验，因为在实践中，它预言一个具体实验结果的能力，取决于描述实验的难易程度，如果不能向它准确描述实验，它就不能给出有用的答案，还不如做一个真实的实验。毕竟，神谕必须得有某种“用户接口”，也许非得用某种标准语言输入实验描述。用那种语言，有些实验比另一些实验更难描述。在实践中，许多实验的详细说明太复杂，难以输入。因此，神谕像其他任何实验数据来源一样有其优缺点，只有当咨询神谕恰好比采用其他资源更方便的时候，它才有用。换个角度说，已经有了一个这样的神谕，叫作物理世界。只要我们用正确的语言问它（也就是做实验），它就会告诉我们任何可能的实验结果，尽管有时让我们用要求的形式（即制造并操纵实验仪器）来“输入实验描述”很不现实。但是这个神谕不会给出任何解释。

在某些应用场合，如天气预报，我们也许会觉得纯粹给出预言的神谕几乎如解释性理论一样令人满意了，但前提是神谕天气预报必须是完美无缺的。在实际中，天气预报是不会完美无缺的。为了弥补这一缺陷，天气预报包含了关于预报结果的解释。有了解释，我们就可以判断预报的可靠性，并推测出与我们的位置和需求相关的进一步的预报。例如，如果今天的天气预报预测明天有风，那么其依据是预测附近区域将出现高压还是预测更远处将出现飓风，这对我来说就很不一样，如果是后者，我就会更加小心。气象学家自己也需要关于天气的解释性理论，这样他们才可以估计，在天气的计算机模拟中，哪些近似是可以放心采纳的，还需要补充哪些观测使预报更加准确及时，等等。

我们用想象的神谕概括了工具主义者的理想，即剥除了解释内容的科学理论，证明它的用处是非常有限的。幸好真正的科学理论并不像工具主义者的理想，而且现实中的科学家也并不是以这种理想为目标而工作的。

工具主义的一种极端形式称为实证主义（或逻辑实证主义），它认为除了描述和预言观察结果的陈述以外，所有其他陈述都不仅是多余的，而且是毫无意义的。尽管按照它自己的判断标准，这一学说本身就是无意义的，但是这种观点竟然曾是20世纪前半叶风靡一时的关于科学知识的理论！即使在今天，工具主义和实证主义思想仍然有市场。这种思想貌似合理的原因之一在于，尽管预言不是科学的目的，却是科学的特征方法的一部分。科学方法包括构想一个新理论来解释某一类现象，然后完成一个决定性实验检验，对这一实验，旧理论预言一个可观测的结果，而新理论预言不同的结果，人们便抛弃那个与实验结果不符的理论。因此，用决定性实验检验的结果来判定如何取舍两个理论，的确取决于哪个理论的预言更准确，而不直接取决于理论的解释。“科学理论除了预言之外没有别的内容”这一错误观念就是这样形成的。但是实验检验绝不是科学知识增长的唯一方式，绝大多数理论被抛弃是因为它们包含的解释太拙劣，而并不是因为它们没能通过实验检验，它们甚至未经检验就被抛弃了。比如有这么个理论，说吃1千克草可以治感冒。这个理论的预言是可以用实验检验的：如果人们尝试了草疗法，发现无效，那么就证明理论是错的。但是从来没有人做过这个实验，可能永远不会有人做这种实验，因为这一理论不包含任何解释——既没有说明治疗的原理，也没有说任何别的。我们当然会认为这个理论是荒谬的。总会有无数多类似这样的理论，它们与现有观测结果相吻合，而且有新的预言，我们没有时间和资源将它们一一验证。只有那些看起来有希望比现在流行的理论解释得更好的新理论，我们才会做实验验证。

认为科学理论的目的是预言，这混淆了手段和目的，就好像说宇宙飞船的目的是烧掉燃料一样。实际上，烧掉燃料仅仅是宇宙飞船为了完成其真正目的而不得不做的许多事情之一，而真正目的是将载物从太空中的一个地方运送到另一个地方。通过实验的检验仅仅是一个理论不得不做的许多事情之一，其真正的科学目的是解释世界。

正如我曾经说过的，构造解释必然会借助于一些我们不能直接观察到的东西：原子和力、恒星的内部结构和星系的旋转、过去和未来、自然法则。解释越深，需要涉及的实体离我们的直接经验就越远。但这些实体并不是虚构的，相反，它们恰是真实世界结构的一部分。

解释经常会产生预言，至少在理论上如此。的确，如果某事物在理论上是可预言的，那么充分完整的解释在理论上就一定能给出完整的预言（以及其他东西）。但许多本质上不可预言的事情也可以被解释、被理解。例如，在公平的（即无偏倚的）轮盘赌上，你不可能预言下面将出现哪些数字。但如果你理解了在轮盘赌的设计和操作中什么因素导致公平，那么就能解释为什么预言数字是不可能的。当然，仅仅知道轮盘赌是公平的，这和理解是什么因素使之公平还不是一回事。

我在讨论的是理解，而不是仅仅知道（或描述，或预言）。因为理解来自解释性理论，而且因为这样的理论所能具有的一般性，所以记录在案的事实的数量增长不一定使得理解一切变得更加困难。但是大多数人会说——正如我回忆的小时候大人告诉我的那些话——不仅仅记录在案的事实在以惊人的速度增加，而且我们赖以理解世界的理论的数目和复杂性也在以惊人的速度增长。因此（他们说），不论以前是否可能有人理解过当时人类理解的一切，现在这一定是不可能的，而且随着知识的增加，可能性越来越小。似乎每当某个学科发现了新解释或新技术时，这一学科就加入了一个新理论，任何想了解该学科的人就必须学习这一理论。而当这个学科中这样的理论太多时，专业就开始细分。例如，从物理学分出来天体物理学、热动力学、粒子物理学、量子场论以及许多其他分支。每一分支的理论框架都至少如100年前的整个物理学内容一样丰富，而且许多分支已经分出子分支。似乎我们发现得越多，就越来越不可逆转地被迫向专业化方向推进，距离古代那种无所不知、无所不晓之士的境界就越来越遥远。

面对人类理论库存大幅度地迅速增长，人们有理由怀疑：一个人再也不能像过去那样一辈子尝遍人世间所有的美味佳肴了。然而解释是一道很奇怪的菜——它越大不一定越难吞咽。一个理论可以被新理论所取代，新理论解释面更宽、更准确，却更容易理解，这样旧理论就成为多余的了。我们得到更多的理解，但需要学的东西却比以前更少了。例如哥白尼的日心说取代复杂的把地球作为宇宙中心的托勒密体系就属于这样的情况。有时新理论可以是旧理论的简化，例如阿拉伯（十进制）计数法取代罗马数字（这时理论是隐含的。每一种计数法都提供了有关数字的一些运算、陈述和思想，比其他计数法简单，因此它反映了一种理论，认为数之间的哪些关系是有用和有意义的）。有时新理论可以是两个旧理论的统一，比同时使用两个旧理论给我们提供更多的理解。法拉第和麦克斯韦将电理论和磁理论统一为电磁理论就是这样。更加间接地，任何一个学科的更好的解释将会改进我们理解其他学科时所使用的技术、概念和语言，从而我们的知识体系作为一个整体，虽然在不断增加，结构上却更加容易理解了。

诚然，即使旧理论被纳入到新理论中去，旧理论也常常不会被完全遗忘。在今天的有些场合下，罗马数字仍然在使用。虽然XIX乘以XVII等于CCCXXIII这样笨拙的方法不会再认真使用了，但毫无疑问仍然会有人（例如数学史学家）知道并且理解它们。这是否意味着，不知道罗马数字及其神秘的算术，一个人就不能理解“人类理解的一切”？并不是这样。一个现代数学家，虽然出于某种原因从没听说过罗马数字，但仍然已经完全掌握了与罗马数字有关的那部分数学。通过学习罗马数字，他并没有获得任何新的认识，仅仅获知了新的事实——一些历史事实，以及一些人为定义的符号的性质，而不是关于数本身的新知识。这就像动物学家学习将物种的名称翻译成外语，或者天体物理学家学习不同文化如何将恒星集合成星座一样。

至于为了理解历史是否有必要知道罗马数字的算术，这是另一个问题。设想有个历史理论——某个解释——依赖于古罗马人的特定乘法技术。（而不是像人们猜测的那样，古罗马人特定的自来水管道技术使用含铅的管道，污染了饮用水，导致了罗马帝国的衰败。）这时我们必须懂得这些技术才可能理解历史，从而才有可能懂得前人懂得的一切。但是实际情况是，目前的历史解释都不需要涉及乘法技术。因此在我们的记录中，这些技术仅仅是事实的陈述，不需要记住这些事实就能理解一切。必要的时候，例如当我们需要解读涉及这些罗马数字的古文献时，总可以像查字典一样查到。

在强调要把理解和“纯粹”知道区分开时，我并不是想低估记录下来的非解释性信息的价值。这部分信息当然是非常关键的，无论是对微生物的繁殖（其DNA分子就含有这样的信息）还是对最抽象的人类思维来讲，都是非常关键的。那么理解和纯粹的知道到底有什么区别？跟纯粹的事实陈述（如正确的描述或预言）相比，解释到底有什么不同？在实际中，我们通常能很容易地把这两者区分开。我们知道自己并不理解某些事，即使能准确描述和预测它（例如，已知某病的发展过程，却不知道病因），我们知道解释能帮助我们更好地理解。但要为“解释”和“理解”给出一个准确定义却很难。粗浅地说，它们是回答“为什么”，而不是回答“是什么”；它们是关于事物的内在机理的；是关于事物到底是什么，而不是表面上看像什么；是关于一定是怎么回事，而不是碰巧是怎么回事；是关于自然规律而不是经验之谈的。它们还是关于内在一致性、优雅性和简单性的，与任意性和复杂性水火不容，虽然这些个“性”同样不容易定义，但有一点是肯定的，理解是人类心智和大脑的高级功能之一，而且是最独特的。许多其他物理系统，例如动物的大脑、计算机及其他机器，可以吸收事实并按照事实来行动，但到目前为止，无一能够“理解”解释或首先想要一个解释，只有人脑例外。每发现一个新解释，每掌握一个现有解释，都依赖于创造性思维这个人类独有的本领。

想一想罗马数字是如何从解释性理论“降格”为纯粹事实描述的过程。这种“降格”随着知识的增长不断在发生。起初，罗马数字体系的确形成了概念和理论框架，人们借助它理解世界。但是现在，用那种方式获得的理解，只是博大精深的现代数学理论的一个微不足道的侧面，并隐含在现代计数法中。

这说明了“理解”的另一个属性。可能有些事情人们还没有意识到自己已经理解了，甚至还没有听说过就已经理解了。这听起来似乎自相矛盾，但是全面深入的解释的全部精要，当然就在于它既能覆盖已知情形又能覆盖未知情形。如果你是一位现代数学家，首次遇到罗马数字，你可能不会马上意识到你已经理解了罗马数字。你首先必须学习有关罗马数字的事实，然后根据你现有的对数学的理解来思考这些事实。但做完这些之后，回顾一下你就会说：“在罗马数字体系里，对我来说并没有什么新鲜的，只是纯粹的事实罢了。”罗马数字作为解释性角色已经完全过时了，说的就是这个意思。

类似地，当我说我理解时空的弯曲是怎样影响行星运动的，甚至是我从没听说过的其他太阳系里的行星的运动时，我不是声称我能不假思索地回想出关于任何行星运动轨迹的每个环路、每个摇摆的细节的解释。我的意思其实是，我理解包含所有这些解释的理论。因此，只要给定某个行星的某些事实，我就能及时地给出解释。完成之后，回顾一下我就能说：“是的，我看不出那个星球的运动除了纯粹的事实以外，还有什么没有被包含在广义相对论的解释之中。”我们是通过理解解释世界的理论来理解真实世界的脉络的。因为理论解释的比我们知道的东西更多，所以我们实际理解的比我们知道自己理解的东西要多。

我并没有说，理解了一个理论，就必然理解了这个理论所能解释的一切。对一个很深奥的理论来讲，认识到它能解释某个现象，这本身就可以是一项重大发现，需要独立解释。例如，类星体是位于某些星系中心的强烈光源，长久以来是天体物理学中的一个神秘现象。人们曾经认为需要新的物理学理论才能解释这类现象，但是现在我们认为，用广义相对论和其他早在发现类星体现象之前就有的理论就能解释这一现象。现在认为类星体是由正在滑向黑洞的热物质构成的。（黑洞是坍缩的恒星，其引力之大以致任何东西都无法从中逃逸。）但是得出这一结论需要多年的观察和理论研究。现在我们相信对类星体已经有了一定程度的理解，但我们不认为以前就拥有这种理解。虽然是通过旧有理论来解释类星体，但是我们仍然得到了真正新颖的理解。正如很难定义什么是解释一样，很难定义什么时候辅助解释应该算作理解的独立成分，什么时候应该被看作包含在更深刻的理论之中。虽然很难下定义，但是并不难识别：正如一般的解释一样，实际中给我们一个解释，我们就能知道是不是新解释。这种差别和创造性有关。在已经理解了关于引力的一般解释的情况下，解释某个具体行星的运动轨迹就是一项机械活动了，虽然过程可能很复杂。但利用已知理论解释类星体现象，却需要创造性思维。因此，要理解今天天体物理学的一切，就必须明确地掌握类星体理论，但并不必须知道所有具体行星的运行轨迹。

虽然我们已知的理论像滚雪球一样越积越多，正如记录在案的事实一样，但理论整体架构并不一定比过去更难理解。虽然具体理论越来越多，越来越细致，但是它们也在不断地被“降格”，因为它们所包含的理解不断地被更深刻、更一般性的理论所取代，而后者变得更少。这里“更一般”的意思是说，相对于过去若干彼此无关的旧理论，每一个新理论的内容更多，适用范围更广。“更深刻”的意思是说，相对于那些旧理论的总和，每一个新理论解释得更多，体现出更多的理解。

几个世纪以前，如果你想盖一座大型建筑，如桥梁或者教堂，你就得雇一位总建筑师。他必须有这样的知识：怎样以最少的开销和工作量使建筑结构具有足够的强度和稳定性。他不需要像今天这样借助数学和物理语言来表达这些知识，而主要依赖于一连串直觉、习惯和经验的复杂组合。这是他在当徒弟时从师傅那里学来的，可能后来又补充以猜测和长期经验。即使这样，这些直觉、习惯和经验之谈，无论是明确表达的还是隐含的，在效果上和理论一样，包含有我们今天称为工程学和建筑学的真正知识。那位总建筑师因为拥有这些理论中的知识，你才愿意雇他，虽然和我们今天的知识相比，他的知识不准确，应用面也很窄。在赞美有几百年历史的建筑时，人们常常会忘记眼前所见的建筑仅仅是幸存下来的。绝大多数中世纪及更早期的建筑早就倒塌了，常常刚盖好不久就倒了，那些有创意的建筑更是如此。当然了，创新肯定会冒灾难性的风险，建筑师们很少会偏离行之有效的、久经考验的设计和技术路线。今天情况完全不同了，任何建筑很少因为设计上的失误而倒塌，即使是以前从未出现过的建筑。古代建筑师能盖的任何建筑，现代建筑师也能盖，而且盖得更好更省劲。现代建筑师还能盖古代建筑师做梦都没想过的建筑，如摩天大楼和太空站；所用材料也是古代建筑师从没听说过的，如玻璃纤维、钢筋混凝土。即使把这些材料给古代建筑师，他也不知道怎么用，因为他对材料功能的理解非常匮乏，很不准确。

要取得我们当前的知识体系的进步，靠积累更多的古建筑师所知的那种理论是不行的。现在人类的知识，不论是明确表达的还是隐含的，不仅比古人的更广博，而且结构也大不相同。正如我曾经说过的，现代理论更少、更一般、更深刻。古建筑师在建造他的能力范围以内的建筑时，对于所面临的每一种情况，比如在决定承重墙的厚度时，他都有相当具体的直觉或经验，但是如果应用于新的情况，则可能会给出完全错误的答案。而今天人们根据理论推导出解决方案，这个理论充分适用于任何材料砌的墙，适用于各种环境：不管是在月球上、在水下还是在任何其他地方。为什么现代理论这么一般化？那是因为它是基于材料和结构功能的深层次解释。要计算出用陌生材料砌成的墙的正确厚度，所采用的理论跟其他任何墙毫无二致，只是假设不同的事实开始计算，各个参数代入不同的数值。人们必须查出这些事实，如材料的张力强度和弹性系数，但不需要额外的理解。

因此，尽管现代建筑师比古建筑师懂得更多，但并不需要更加长期艰苦的训练。当代学生的课程表上的一个典型理论可能比任何古建筑师的经验之谈更难理解，但现代理论数量少得多，而且其解释能力使它们具有另外的性质，如美、内在逻辑以及它们和其他学科的联系，这使得它们更容易学习。古人的经验之谈在今天看来有些是错误的，有些是正确的或者接近于真理，而且我们知道为何如此。少数经验还在使用中，但人们已经不再根据这些经验来理解建筑物矗立起来的原因了。

我当然不否认许多学科知识正在膨胀，呈现不断专业化的趋势，包括建筑学。但这并非单向过程，因为专业同时也在消失：轮子不再由车匠设计制造，犁耙不再由犁匠设计制造，信也不再由书记员写了。但是很明显，我在前面描述的深化、统一的趋势并不是唯一的趋势：向宽度扩展的趋势同时也在发生，即新概念不仅仅代替、简化或统一了旧概念，同时也将人类理解延伸到以前从来没有涉足过的领域，或从没想到过其存在的领域。新概念可以开创新的机会，提出新的问题，产生新专业甚至新学科。这时为了理解全貌，我们发现自己必须要学更多的知识（至少是暂时地）。

医学也许是最经常举的例子。医学知识不断增长，新药和新疗法不断涌现，一个又一个的疾病被攻克，医学专业划分不可避免地越来越细。但即使在医学领域，相反的趋势，即统一的趋势仍然存在，而且与日俱增。诚然，对于很多人体机能、疾病机理，人类至今了解甚微。因此，医学知识的某些领域仍然主要由一大堆记录在案的事实组成，加上对某些疾病和疗法有经验的医生的技巧和直觉，这些技巧和直觉一代又一代地传下去。也就是说，医学领域的很多内容仍然停留在经验主义时代，当发现新的经验时，就有更强烈的专业化趋势。但随着医学和生物化学研究对人体疾病过程（以及健康过程）有了更深的解释，理解也在增加。随着人体不同部位的不同疾病被发现有同样的内在分子机理，更普遍的概念逐渐代替了更具体的概念。一旦对某种疾病的理解可以纳入更普遍的框架，专家的作用就消失了。医生遇到自己不熟悉的疾病或罕见的并发症时，可以越来越多地依赖于解释性理论。他们可以查阅已知事实，然后将一般性理论应用于具体问题，研究出治疗方案，尽管以前从没用过这一方案，但仍然可以预料方案的成效。

所以，理解前人已经理解的一切，这件事究竟是更容易还是更难了，这取决于知识增长的两个对立效果之间的总体平衡：理论的日益宽广和日益深入。广度使之更难，深度使之容易。本书的一个主题是深度最终能战胜广度，虽然缓慢，但是无疑的。换言之，我小时候不愿意接受的那个命题的确是错误的。而实际上，其反面才是正确的。我们正在向一个人可以理解前人理解的一切的方向挺进，而不是远离这个方向。

这并不是说我们很快就能理解一切，那完全是另一个问题。我不相信我们现在或将来就能逼近理解存在的一切。我现在讨论的是理解前人理解的一切的可能性问题。这更多地取决于知识的结构，而不是知识的内容。当然，我们的知识结构——不论能否用理论表达并组合成为一个可理解的整体——的确取决于真实世界结构作为一个整体是个什么样子。如果知识的增长永无止境，而我们仍然能够向着一人通晓前人理解的一切的境界趋近，那么我们的理论深度的增长就必须足够快，使之成为可能。只有当真实世界结构本身是高度统一的，从而随着知识的增加，我们对世界的理解越来越多时，这种情况才会发生。如果发生这种情况，那么最终我们的理论将会非常普遍，非常深入，彼此紧密结合，最终成为关于统一的真实世界结构的单一理论。这一理论仍然不能解释现实的所有方面，那是不可能的。但它可以包容所有已知解释，在其理解范围内，应用于现实的整体结构。过去的理论都是有关具体学科的，而这一新理论将是关于所有学科的，即万有之理。

当然这仅仅是第一个，而不是最后一个这样的理论。科学上认为即使最好的理论也注定在某些方面是不完美的，有毛病的，希望将来能被更深刻、更准确的理论所取代。这一进程不会因为我们发现了普适理论而停止。例如，牛顿给予我们第一个关于引力的普适理论，统一了天上力学和地上力学（及其他贡献）。但牛顿理论又被爱因斯坦的广义相对论所取代，后者还将几何学（过去被认为是数学的分支）纳入物理学，如此给出的解释就更深刻、更准确了。第一个完全统一的理论，我称之为万有之理，将和它前后的所有理论一样，既不会无懈可击，也不会深不可测，最终仍然会被取代。但它并不会通过和其他学科理论相结合而被取代，因为它已经是关于一切学科的理论了。历史上，一些伟大科学进步是通过理论的大统一而实现的，另一些则是通过理解某一学科的方式发生结构调整而实现的，例如我们不再认为地球是宇宙的中心。有了第一个“万有之理”之后，将不会再有大统一。随后的伟大发现都将导致我们对世界的整体看法的改变，即世界观的转变。成就“万有之理”将是最后的大统一，同时也是迈向新世界观的第一次全盘的转变。我认为这样的大统一和大转变正在进行中，与其相关的世界观就是本书的主题。

这里我必须强调，我所指的并不仅仅是某些粒子物理学家所希望很快发现的“大统一理论”。他们的“大统一理论”是指将物理学已知的所有基本力——引力、电磁力和核力——统一为一个理论，这一理论还将描述各种存在的亚原子粒子，它们的质量、自旋、电荷及其他性质，以及它们的相互作用方式。任何一个孤立物理系统，只要初始状态能够被充分准确地描述，原则上这一理论就能预期系统未来的状态。当系统的准确状态本质上不可预期时，它能描述所有可能的状态，并预期它们发生的概率。在实际中，所关注的系统的初始状态往往不能完全准确地确定，而且计算预言也太复杂，以至于除了几种最简单的情况之外，其他情况都不可能计算出结果。尽管如此，这样的粒子和力的统一理论，加上宇宙在大爆炸（宇宙起源那一瞬间的巨大爆炸）时初始状态的严格描述，原则上包含了所有必要的信息，足以预言一切可以预言的事物（见图1-1）。

图1-1 关于“万有之理”的不充分构想

但预言并不等于解释。物理学家所希望的“大统一理论”，即使加上了初始状态理论，也最多能给出真正的万有之理的一个很小的侧面。它也许（原则上）能预言一切，但不能指望它比现有理论解释得更多，除了由亚原子相互作用所支配的少数几个现象，如粒子加速器中的碰撞，以及宇宙大爆炸中稍纵即逝的粒子嬗变历史。是什么促成把“大统一理论”这个词用于这样狭隘的（虽然是迷人的）知识领域？我觉得原因在于对科学的本质存在另一个错误的观点，即科学本质上是还原主义，许多科学评论家对此持否定观点，而许多科学家却持赞成观点（不可思议）。就是说，科学被认为是通过将事物分解为部分而还原式地解释事物的。例如，穿透或者推倒一堵墙所遇到的阻力可以这样解释：把墙看成相互作用的分子的巨大聚积体。这些分子的性质又可以用更小的组成成分——原子及原子间相互作用来解释，这样一层层分解下去，直到最小粒子和最基本的力。还原论者认为，所有的科学解释，也许所有充分深刻的解释，都采用这种形式。

还原主义者的观念自然导致学科和理论按照层级划分，根据它们距离已知的“最底层”的预言性理论的远近来进行分类。在这一层次结构中，逻辑和数学形成一个稳固的基础，科学大厦构筑于其上。基石是还原的“大统一理论”，即关于粒子、力、空间和时间的普适理论，加上关于宇宙初始状态的理论。物理学的其他部分形成最低的几层，天体物理学和化学在其上一层，地质学处于更高层，等等。科学大厦分支出一节高出一节的塔，形成层级越来越高的学科，如生物化学、生物学、遗传学；在高耸如云的顶端摇摇晃晃的是进化论、经济学、心理学和计算机科学一类的学科。在这样的图景下，这些学科的诞生几乎不可思议。

目前，我们只有还原的“大统一理论”的近似理论，它们已经可以相当准确地预言个别亚原子粒子的运动规律。根据这些规律，只要给定初始状态，目前的计算机就能够比较详细地计算出由少量相互作用的粒子组成的孤立的粒子群的运动。但是肉眼可见的最小块物质也含有数万亿个原子，每个原子都由许多亚原子组成，而且还在不断和外部世界相互作用。因此，逐个地预言粒子的行为很不现实。通过用各种近似方案对准确的运动规律加以补充，我们可以预言某些相当大尺度物体的总体行为的某些方面，例如化合物的熔点和沸点。许多基础化学就这样被还原成为物理。但对更高层的科学来讲，还原主义者的纲领仅仅是一个理论而已。没有人真正想将生物学、心理学或政治学的原理从物理学原理中演绎出来。高层级学科之所以能够被研究，就是因为在特殊情况下，大量粒子的复杂行为本身会归结为一定程度的简单性和可理解性。这一性质称为凸现性（emergence）：高层级的简单性从低层级的复杂性中“凸现”出来。某些高层级现象的容易理解的事实不能简单地从低层级理论推导出来，这种高层级现象称为凸现现象。例如，一堵墙必须结实，因为修建者害怕敌人试图冲破这堵墙打进来。这是关于这堵墙强度的高层级解释，它不能从上文提到的低层级解释中推导出来（虽然和低层级解释是相容的）。“修建者”“敌人”“害怕”和“试图”全是凸现现象。高层级科学的目标是使我们理解凸现现象，其中最重要的是生命、思维以及计算，后面我们将逐个讨论到。

顺便指出，作为还原主义的对立面，整体主义——认为只有用高层级系统的概念陈述的解释才是合理的——是比还原主义还要错误的观点。整体主义者希望我们怎么样呢？停止在分子层面上研究病因吗？否认人类是由亚原子粒子组成的吗？如果存在还原主义解释，那么这种解释和其他解释一样值得期待；如果整个科学可以还原为低层级科学，那么我们作为科学家同样有义不容辞的责任去寻找那种还原，正如我们有责任发现其他任何知识一样。

还原主义者认为，科学就是把事物分解为组成部分。工具主义者认为，科学就是预言事物。对这两者来说，高层级科学的存在仅仅是为了方便性。我们无法根据基础物理学对高层级现象进行预言是因为其复杂性。跟对预言的瞎猜瞎撞相比，凸现性给了我们成功预言的机会——想必这就是高层级科学的作用。所以，对于忽视科学知识的真实结构和真实目的的还原主义者和工具主义者来说，预言性的物理学层次结构的基础部分，根据定义，就是“万有之理”。但对其他人来说，科学知识由解释组成，科学解释的结构并不反映还原主义的层级结构。每一层级都有自己的解释。许多解释都是自主的，仅仅引用本层级的概念（例如，熊把蜂蜜吃了，因为它饿了）。许多解释涉及的推导与还原论的解释方向恰恰相反，即不是将事物分解成更小、更简单的事物来解释，而是将它们看成某个更大、更复杂事物的组成部分。对后者我们却有解释性理论。例如，伦敦议会广场有一尊丘吉尔铜像，我们来考虑其鼻尖上的那一个铜原子，下面让我来试着解释为什么这个铜原子会在那儿。因为丘吉尔曾经是广场附近的英国国会下议院的首相，他的思想和领袖作用对第二次世界大战盟军的胜利有很大贡献；人们通常会用建造雕像的方式对这样的人物表示敬意；青铜是建造雕像的传统材料，而青铜是由铜原子组成的，等等。这样我们就用思想、领袖、战争和传统这样一些凸现现象语言陈述的高层级理论解释了一个低层级的物理现象——铜原子为什么出现在某个具体位置上。

对于那个铜原子的出现，即使在理论上也没有理由存在一种比我刚才给出的解释更低层级的解释。假设有一个还原论的“万有之理”，在给定（例如）太阳系某一早期的状态以后，能够从理论上对这尊铜像存在的概率做出低层级的预言，它也能够在理论上描述该铜像是怎样到达那里的。然而这样的描述和预测（当然是根本办不到的）什么也解释不了。它们仅仅描述了每一个铜原子从铜矿到熔炉，再到雕刻家的工作室等的轨迹，它们也能描述那些轨迹怎样受到周围原子（例如那些矿工和雕刻家躯体里的原子）施加的力的影响，从而预言该铜像的存在性和形状。实际上，这样的预言将不得不涉及遍布地球各处的原子，这些原子卷入巨复杂的运动，其中有我们的第二次世界大战。但是即使你拥有超人的能力，真的能弄明白关于铜原子为什么出现在那里的这个冗长的预言，你仍然不能说：“啊，是的，现在我理解了为什么这个原子会在那里了。”你仅仅知道，给定所有原子的初始状态和物理定律，它以那样的方式到达那里是必然的（或者可能的，或者什么别的）。如果你想要理解为什么，则你除了进一步探索以外，别无选择。你不得不搞清楚那些原子的分布和那些轨迹都是什么样，是什么使它们倾向于把一个铜原子放在这个位置上。进行这些调查将是一项创造性的任务，正如发现新的解释一样。你必须去发现，一定的原子分布导致某类凸现现象（如领袖和战争），它们的彼此关系通过高层级的理论来解释。只有当你知道那些理论之后，你才完全理解为什么那个铜原子偏偏在那里。

在还原主义者的世界观中，支配亚原子粒子之间相互作用的定律是最为重要的，因为它们是整个知识层次结构的基础。但是在科学知识的真实结构中，以及在我们的一般性知识的结构中，这种定律的地位谦卑得多。

那种地位是什么呢？在我看来，现在已经提出的作为“大统一理论”的候选理论中，没有一个是在解释方式上有重大创新的。也许从解释的角度最有希望创新的是超弦理论。在这一理论中，物质的最基本构件是“弦”，这是一种细长的东西，而不是圆点状的粒子。但没有一种方法给出完全新颖的解释，像爱因斯坦用弯曲的时空解释万有引力那样新颖的解释。实际上，“万有之理”的全部解释结构——它的物理概念、语言、数学公式以及解释形式——都是从现有的电磁理论、核力理论和引力理论中继承下来的。因此，我们可以从现有理论中已知的这个基础结构出发，去寻找基础物理学对我们总体理解的贡献。

物理学中有两个理论比其他理论深刻得多。一个是广义相对论，如前文中提到的，它是关于空间、时间和引力的最好的理论。另一个是量子理论，它甚至更为深刻。在这二者之间，这两个理论（而不是任何已有的或目前构想中的亚原子粒子理论）提供了细致的解释和形式化框架，所有其他现代物理理论都在这一框架中表达，而且这两个理论包含所有其他理论都必须遵循的贯穿一切的物理原则。是否能找到一个统一理论——量子引力理论——将这两个理论合而为一？几十年来理论物理学家们一直孜孜以求之。如果成功了，那么它必然会成为“万有之理”的组成部分，不论是狭义的还是广义的。在下一章我们将会看到，量子理论同相对论一样给出了关于物理实在的革命性的、新颖的解释。为什么量子理论在这二者中更为深刻？原因并不在物理学内部，而是在物理学外部。因为它的枝丫影响异常宽广，已经远远伸展到物理学以外，甚至伸展到通常意义下的自然科学以外。我们目前关于真实世界结构的理解是由四大理论组成的，量子理论就是其中之一。

在讲另外三大理论之前，我必须提到还原论者对科学知识结构的另一个错误描绘。还原论者不仅认为解释就是将系统分解成为更小、更简单的组成部分，而且还认为所有解释总是用前面发生的事件说明后面发生的事件，换言之，解释某事件的唯一方式是陈述它的原因。这意味着，我们在解释事物时利用的事件越早越好，因此最终最好的解释就是用宇宙的初始状态。

“万有之理”如果不包含对宇宙的初始状态的说明，那它就不是对物理实在的一个完备的描述，因为它只提供了运动定律，而仅靠运动定律只能做出有条件预言。也就是说，它们从不无条件地讲发生了什么，而只会说如果在某个时刻发生了什么，那么在另一时刻会发生什么。只有当给出初始状态的完整描述时，理论上才能推导出完备的物理实在描述。目前的宇宙论不能给出初始状态的完整描述，即使在理论上也不行，但是它的确告诉我们，宇宙最初非常小，非常热，结构非常均匀。我们也知道宇宙不可能是完全均匀的，因为根据理论，那会与我们今天观察到的天空中星系的分布状况不相容。初始的密度不均、“成团”会被引力簇生效应大为放大（即相对稠密的区域会吸引更多物质，变得更加稠密），因此仅需要非常小的初始密度差异。但尽管密度差异非常小，在还原主义者的现实描述中却是至关重要的，因为几乎我们周围发生的一切，从天空中恒星和星系的分布到地球上出现一尊铜像，从基础物理学角度看来，都是这些不均匀引起的。如果还原论者想要对已观察到的宇宙的面貌描述得不太粗略，那就需要一个理论指明这些至关重要的初始不均。

让我试着从非还原论者的角度重新陈述这一要求。任何物理系统的运动定律只能做有条件的预言，因此与该系统的许多可能的历史都相容。（这个问题和量子理论所揭示的关于可预言性的局限性无关，我将在下一章中讨论它。）例如，支配从炮管里发射的炮弹的运动规律与许多可能的弹道轨迹都相容，炮弹发射时，炮管指向的每一个可能的方向和仰角都会对应一个弹道轨迹（见图1-2）。数学上运动定律可以表达为一组方程，即运动方程组。这组方程有许多解，每一个解都描述一个可能轨迹。为了确定哪一个解描述了实际的弹道轨迹，我们必须给出补充数据——关于实际情况的数据。其中一个办法是给出初始状态，本例中就是给出炮管所指的方向，但也有其他方法。例如，我们也可以指明终结状态——炮弹落地时的落点和运动方向，或者也可以指定弹道最高点的位置。只要能让运动方程组的解唯一确定，给定什么补充数据是无关紧要的。这组补充数据和运动定律一起相当于一个理论，描述了炮弹从发射到落地间所发生的一切。

图1-2 炮弹射出后的一些可能的弹道轨迹。每一条轨迹都符合运动定律，但在具体情况下只有一条是真实的弹道轨迹

类似地，物理实在作为一个整体的运动定律也有许多解，每个解对应着一个不同的历史轨迹。为了完整地描述，我们必须给出充分的补充数据，从运动方程组的多个解中得出一个解，才能确定哪一个历史才是真正发生的历史。至少在简单的宇宙学模型中，给出这种数据的一个办法是指定宇宙的初始状态。但另一个办法是指定宇宙的终结状态，或者任一其他时刻的状态。或者也可以指定初始状态的一部分信息，加上终结状态的一部分信息，再加上中间状态的一部分信息。一般来讲，任一种充分的补充数据加上运动定律，在理论上就相当于对物理实在的完整描述。

就炮弹来讲，一旦给定了终结状态，就可以直接了当地算出初始状态了，反之亦然。因此，指定哪种补充数据实际上没有什么区别。但就宇宙来讲，大多数这样的计算是非常难解的。正如前面所说，我们是通过观察现在宇宙的“成团”状态推知宇宙初始时的“成团”状态的，但这只是例外。关于补充数据的绝大部分知识——关于真实情况的知识——都是以凸现现象的高层次理论形式描述的，因此按照定义，实际上不可表达成关于初始状态的陈述形式。例如，在运动方程的大多数解中，宇宙的初始状态并没有适合于生命演化的性质。因此，“生命已经进化出来”这一知识是一个重要的补充数据。我们也许永远不知道这一限制条件对宇宙大爆炸的详细结构到底意味着什么，但我们可以直接从中得出一些结论。例如，关于地球年龄的最早的准确估计是基于生物进化论的，与当时最好的物理学估计不符。只有还原主义者的偏见才会使我们认为这是不太有效的推理形式，或者认为关于初始状态的理论一般会比关于现实凸现特征的理论更为“基本”。

即使在基础物理学领域，那种认为初始状态理论才是最深刻的知识的想法也是一个严重的错误概念。原因之一，它从逻辑上排除了解释初始状态本身的可能性——为什么初始状态会是那个样子，但实际上，我们对初始状态的许多方面都有解释。更一般地，任何时间理论都不可能用“更早”发生的事情解释时间，然而按照广义相对论，甚至更多地依据量子理论，我们对时间的本质的确有深刻的解释。

因此，我们对真实世界的许多描述、预言以及解释，其特征与还原论者描绘的“初始状态加运动定律”的图景大相径庭。没有理由认为高层理论是“二等公民”。我们的亚原子物理理论甚至量子理论或相对论，相对于关于凸现性的理论，并不享有优越地位。这些知识领域中没有一个能吸纳所有其他领域，其中每一个领域都对其他领域有逻辑含义，但并不是所有含义都是可陈述的，因为它们是其他理论领域的凸现性。事实上，“高层级”和“低层级”本身就属用词不当。比如说，生物学定律是高层级的，是物理定律的凸现结果。但在逻辑上，一些物理定律也是生物学定律的“凸现”结果。甚至有可能在这二者之间，支配生物及其他凸现现象的规律会完全决定基本物理学定律。无论如何，当两套理论逻辑相关时，逻辑并不规定我们应该把哪一个看作整体地或部分地决定另一个，这取决于理论之间的解释关系。真正有特殊地位的理论与其讨论问题的尺度大小或复杂程度没有关系，也和该理论在预言性层次结构中处于哪一个层次无关。真正有特殊地位的理论是那个包含最深刻解释的理论。真实世界的结构中不仅包含还原主义的成分，如空间、时间、亚原子粒子等，而且包含生命、思维、计算以及那些解释所涉及的其他要素。使得一个理论更为基本而非派生的要素，不是它与假想的预言性物理学基础有多么接近，而是它与我们最深刻的解释性理论有多么接近。

如前所述，量子理论就是这样的理论。而我们借助来理解真实世界结构的另外三大解释，从量子物理角度看来都是“高层级”理论。它们是进化论（主要是生物有机体的进化）、认识论（关于知识的理论）和计算理论（关于计算机以及理论上什么可计算、什么不可计算的理论）。在本书中我将指出，这4个表面看来完全无关的学科，其基本原理之间却有着非常深刻多样的联系，以至于要想最充分地理解其中任何一个理论，都必须理解其他3个理论。这四大理论共同形成一个紧密一致的解释结构，其影响如此深远，如此广泛地涵盖我们对这个世界的理解，以至于在我看来，已经完全可以称之为第一个真正的“万有之理”了。这样，我们已经来到了思想史上一个意义重大的历史时刻——我们的理解范围开始充分达到普遍性的时刻。到现在为止，我们所有的理解都是仅仅关于现实世界的某一方面，不代表整体。未来，我们的理解将是关于现实世界的一个统一的概念：所有解释都将在普遍性的背景下得到理解，每一个新思想都不仅仅照亮某个具体学科，而是将自动地照亮所有学科（虽然程度不同）。从这最后的伟大统一中，我们最终将喜获理解大丰收，其收获将远远超过以前任何理论所给予的理解。因为我们将看到，这里不仅仅物理学得到统一的解释，也不仅仅限于科学，而且其潜在影响长驱直入到哲学、逻辑、数学、伦理学、政治学、美学，以及一切我们目前理解的，甚至还不理解的东西中去。

那么现在，面对小时候的我，那个拒绝承认知识的增长使得这个世界越来越难以理解的小孩，我能告诉他什么结论呢？我会同意他，尽管我现在认为，重要的其实不在于我们人类这一物种所理解的一切是否能被其中的一个成员所理解。重要的在于真实世界结构本身是否真的是统一的和可理解的。我们有很多理由相信确实是这样的。小时候的我仅仅知道这一点，而现在我可以解释这一点。

术语

认识论：研究知识的本质及其创造过程的学科。

解释：（粗略地）关于事物的本质和原因的陈述。

工具主义：认为科学理论的目的就是预言实验结果。

实证主义：工具主义的一种极端形式，认为除了描述和预言观察结果的陈述以外，所有其他陈述都是没有意义的。（按照其自身的标准，这种观点本身就是无意义的。）

还原：还原的解释方法是将事物分解成低层次的组成成分。

还原主义：认为科学解释本质上是还原的。

整体主义：还原主义的对立面，认为只有通过高层系统的解释才是合理的解释。

凸现：凸现现象（如生命、思维、计算）是这样一类现象，即它们有可理解的事实或解释，这些解释不能简单地从低层级理论中推导出来，但是可以由直接涉及这一现象的高层级理论来说明或预言。

小结

和一切人类知识一样，科学知识主要由解释组成。纯粹的事实可以像查字典一样查到，而预言仅仅当多个科学理论都有较好的解释，需要通过关键性实验一争高低时才是重要的。随着新理论不断取代旧理论，我们的知识逐渐广博（因为新学科的创立），更为深刻（因为基础理论解释得更多，变得更普遍化），深度终将战胜广度。因此，我们并没有偏离一人理解前人所知的一切的境界，而是正在趋近于这个境界。那些最深刻的理论之间的联系越来越紧密，以至于只能将它们联合起来，作为描述统一的真实世界结构的一个完整的理论来理解。这一“万有之理”比基本粒子物理学家所寻求的“大统一理论”的覆盖范围广泛得多，因为真实世界结构中不仅有还原论者的要素，如空间、时间、亚原子粒子等，而且还有诸如生命、思维、计算这些要素。以下就是可以构成第一个万有之理的四大理论。

量子物理学：第2章，第9章，第11章，第12章，第13章，第14章。

认识论：第3章，第4章，第7章，第10章，第13章，第14章。

计算理论：第5章，第6章，第9章，第10章，第13章，第14章。

进化论：第8章，第13章，第14章。

下一章是关于这四大理论的第一个和最重要的理论——量子物理学的。

第2章 影子

研究自然哲学最好、最宽敞的入口是考察蜡烛的物理现象。

——迈克尔·法拉第（关于蜡烛化学史的六次讲座）

迈克尔·法拉第在皇家研究所科学通俗讲座中经常鼓励听众通过考察蜡烛燃烧现象来了解世界，而我这里将考察手电筒。这非常相称，因为手电筒的许多技术都基于法拉第的发现。

我将描述一些实验，这些实验演示了量子物理的核心现象。这类实验经过许多演变和细化，多年来已经成为量子光学的看家本领。关于实验结果没有任何争议，然而直到现在某些结果仍然令人难以置信。基本实验非常朴素，既不需要专门的科学仪器，也不需要多少数学和物理知识，实际上只是在投射影子。但是普通手电筒所投射的光和影的图案是非常奇怪的，仔细观察会发现其中有奇特的分叉。解释它们不仅需要新的物理学定律，而且描述和解释需要达到新的层次，超出了过去所认为的科学范围。但首先，它揭示了平行宇宙的存在性。这怎么可能？什么样的影子图案可能蕴含这样的结论？

想象在一间漆黑的房间里拧亮手电筒，光从灯泡的灯丝中发射出来，形成一个锥形。为了不因反射光的影响而使实验复杂化，房间的墙壁应是完全吸光的，漆黑无光泽。或者，由于我们只是想象实验，可以设想房间非常非常大，以至于光在实验结束前不可能射到墙壁上并被反射回来。图2-1画出了这种情况。但这张图有点使人误解：如果我们从边上观察，就应该看不见手电筒，当然也看不见它射出的光。不可见性是光的许多显然特性之一。只有当光进入了眼睛，我们才能看见它（虽然我们平常说在视线内看见了物体，那是因该物体影响了光）。

图2-1 手电筒射出的光

我们看不见从眼前经过的光。假如在光束里有反射光的物体，甚至一点散光的尘埃或水滴，我们就能够看见光在哪了。但是图中的光束里什么也没有，我们又是在光束以外进行观察，因此没有光射向我们。我们所见景象的准确表示应当是全黑的一幅图。如果存在另一个光源，就有可能看见手电筒，但是仍然看不见它射出的光。光束，哪怕是我们能产生的最强烈的光束（激光）都能够彼此自由穿行，仿佛别的光束都不存在一样。

图2-1确实表示出光在靠近手电筒的地方最亮，随着光束扩散开，照亮更大的区域，光变暗。对于一个处在光束中的观察者来说，当他一步一步远离手电筒时，反光镜会显得越来越小，而且越来越暗，只要还能看见一个亮点。真会这样吗？光真的会无限制地越传越弱吗？答案是否定的。在距离手电筒大约1万千米的地方，光会非常微弱，人眼已经无法感知了，观察者什么也看不见，即人什么也看不见，但是视觉更加敏锐的动物会怎么样呢？青蛙的眼睛比人眼要敏锐好几倍，足以使实验结果产生显著的差异。如果观察者是一只青蛙，继续远离手电筒，那么它永远不会完全看不到手电筒。青蛙会发现手电筒开始忽隐忽现，而且闪烁的时间间隔没有规律。随着青蛙远离手电筒，闪烁的间隔会越来越长，但是每一次闪烁的亮度不会降低。在距离手电筒1亿千米的地方，青蛙平均每天只看见一次闪光，但是闪光的亮度与在其他位置上观察到的完全一样。

青蛙不能把它所看见的告诉我们。在真实实验中，我们使用光电倍增管（一种比青蛙的眼睛更加敏锐的光探测器），我们也不用站在1亿千米外观察，而是让光穿过黑色滤光器变弱，但原理是一样的。实验结果是：既没有出现完全漆黑一团，光也没有持续衰弱，而是出现闪光，不论使用多黑的滤光器，每次闪光的亮度都是相同的。闪光现象表明：光均匀传播时，其亮度的衰减是有一个底限的。借用金匠的话说，光不是无限“可延展的”。像金子一样，少量的光可以均匀传播到很大的区域中，但最后，如果还要它传播得更远，光就会变得不均匀了。即使能够设法让金原子不扎堆，也会存在一个极限，使得金原子不能再细分，否则金子就不成其为金子了。所以，让仅为一个原子那么厚的金片更薄的唯一办法是进一步把原子间隔开，让彼此间留有空隙。当原子充分间隔开以后，就不能认为它们仍是连续的一整片了。例如，如果平均每个金原子离它最毗邻的金原子的距离有几厘米，那么人手就可以穿过这一“金片”而不碰触任何一点金子。类似地，光也有基本的颗粒或称“原子”，即光子。青蛙看见的每一次闪光都是一个光子打在其视网膜上的结果。光束变暗的原因不是光子本身变暗，而是光子散开得更远，彼此间空隙更大（见图2-2）。当光束非常微弱时，就不能称为一“束”了，因为它已经不连续了。在青蛙没有看见光的时候，不是因为射入青蛙眼睛的光弱得不能影响其视网膜，而是因为根本没有光进入它的眼睛。

图2-2 青蛙能看见一个个的光子

这种仅以不连续的颗粒状出现的性质称为量子化。每一个颗粒（如光子）称为量子。量子理论即得名于这种性质，并且所有可测量的物理量都有这种性质，而不仅仅局限于光的量或黄金的质量等这些物理量。这些量的量子化是因为有关实体看起来连续，而实际上是由粒子组成的。即使像距离（比如两个原子之间的距离）这样的物理量，取值范围连续的概念也只是一种理想化。在物理学中不存在连续可测量的物理量。量子物理中有许多新的效应，我们将看到，表面上量子化是最驯服的一个，然而在某种意义上理解它是理解其他所有效应的关键。因为如果一切都是量子化的，那么物理量如何从一个值变到另一个值？在物体移动过程中，如果中间位置不连续，那么物体如何从一个地方移到另一个地方？我将在第9章解释这一切，现在暂时把这些问题搁置一边，回来看看我们的手电筒的邻近区域。那里光束看起来像是连续的，这是因为手电筒每秒钟向观察者眼睛里倾泻大约1014个光子。

那么明亮与阴暗区域的边缘究竟是有一个明显的界线还是有一片灰色区域？通常有一片相当宽的灰色区域，其原因之一表示在图2-3中。这张图上有灯丝发出的光不能射到的黑色区域（称为暗影），也有灯丝发出的所有光都能射到的明亮区域。而且因为灯丝几何上不是一个点，而是有一定长度的，所以，在明亮和黑暗区域之间还有一片半影区域：只有一部分灯丝发出的光可以射到那里，另一部分射不到那里。如果站在半影区域里观察，则只能看见一部分灯丝，亮度也不如完全明亮的区域。

图2-3 影子的暗影和半影

然而，灯丝的长度不是导致实际的手电光投射半影的唯一原因。光还受到其他各种因素的影响：灯泡后的反光镜、手电筒前部的玻璃片、各种接缝和缺陷，等等。可以预料实际的手电筒所投射的光和影子的图案是很复杂的，因为手电筒本身就是很复杂的。但是手电筒的偶然特性不是我们实验的主要意图。在手电光问题背后，存在一个一般性的关于光的更基本的问题：理论上影子边界的明晰程度是否存在一个极限？换句话说，半影区域最窄能有多窄？例如，如果手电筒由全黑（不反光）材料做成，如果采用越来越小的灯丝，那么能使半影区域无限制地越来越窄吗？

从图2-3看来这似乎是可能的：如果灯丝没有长度，那么就不会有半影区域。但是在画图2-3时，我对光做了一个假定，即光只能以直线传播。这是我们的日常经验知识，因为我们看不见拐角另一边的东西。但是精细的实验表明光并不总是以直线传播的，在某些情况下它会转弯。

只用手电筒很难证明这一点，因为很难把灯丝做得非常非常小，把表面做得非常非常黑。这些实际困难掩盖了这一事实：基本物理规律限制了影子边界的明晰程度。幸运的是，光线的弯曲行为还能以另一种方式得以证明。假设手电光连续穿过两个不透明屏幕上的两个小孔，泄漏的光落在第三块屏幕上，如图2-4所示。我们的问题是，如果反复实验让小孔越来越小、第一块和第二块屏幕的间距越来越远，会使得暗影（即全黑区域）无限地靠近连接两个小孔中心的直线吗？在第二和第三块屏幕之间，被照亮的锥形区域能够任意狭小吗？用金匠的术语，我们是在问光的“延展性”如何，即光能够被拉成一根多细的线。金子最细能够被拉成万分之一毫米粗的线。

图2-4 让光穿过两个连续的小孔得到狭窄的光束

结果表明，光不如金子那样容易延展！在小孔还远没有达到万分之一毫米那么小以前，实际上甚至当小孔直径大约为1毫米那么大时，光就明显开始不听话了。它不再以直线穿过小孔，不愿受约束，在经过每个小孔后就扩散开来。随着光的传播，它开始“逃逸”。孔越小，就有越多的光扩散到它的直线路径以外。出现了光和影的复杂图案。在第三块屏幕上看到的不再只是明亮区域和黑暗区域，其间夹着半影区域，而是看到不同宽度和亮度的同心圆。还出现了彩色光环，因为白光是由不同颜色的光子组成的混合物，每种颜色的光子传播和逃逸的方式略有不同。图2-5显示出白光穿过前两个屏幕的小孔后在第三块屏幕上可能形成的典型图案。提醒一句，这里没做别的，只是在投影。图2-5就是图2-4中的第二块屏幕所投射的影子。如果光只以直线传播，那么就只会有一个小白点儿（比图2-5中心的白亮点还要小许多），周围环绕着非常窄的半影区域。其他部分是完全的暗影——完全黑暗的区域。

图2-5 白光穿过小圆孔后形成的光和影的图案

光在经过小孔时发生了转弯，这一点可能会令人困惑，但我认为这不会那么令人不安。无论如何，重要的是我们达到了目标——证明光确实弯曲了。这意味着，一般情况下影子的形状和投射它的物体的轮廓不一定相像。而且，这不仅仅是半影造成的边界模糊不清的问题，事实证明带有复杂形状小孔的障碍物能够投射出图案全然不同的影子。

图2-6显示的是另一种投影图案的一部分，它大致符合实际尺寸，这是由一块不透光的屏障上两个直的平行裂缝在3米远的地方所投射出的影子图案。两条裂缝相距1/5毫米，在屏障另一侧激光器发出单纯红色平行光照亮裂缝。为什么采用激光而不是手电光呢？这只是因为影子的准确形状还依赖于投射影子的光的颜色。手电筒发出的白光包含了所有可见的颜色，从而产生彩色边缘的影子。所以，在研究影子的精确形状的实验中，采用单色光更好。可以在手电筒前面放一块有颜色的滤色镜（如一块有色玻璃），使得只有这种颜色的光才能透过。这会有一定效果，但是滤色镜的过滤能力不是特别好。更好的办法是用激光，因为激光器可以精确调谐，使得我们选什么颜色的光，它就发出什么颜色的光，几乎不掺杂任何别种颜色的光。

图2-6 光透过带有两个直的平行裂缝的屏障时所投射的影子

如果光以直线传播，那么图2-6中的图案就应该只是一对相距1/5毫米的亮条（相距这么近是区分不开的），其边缘清晰，屏幕的其余部分都是阴暗的。但是实际上光转弯了，产生许多亮条和暗条，根本没有清晰的边缘。如果裂缝移向一侧，只要还在激光束的照射下，那么图案也移动相同的距离。就这一点看，它与普通的大尺寸投影完全一样。现在，如果在屏障上再切两个相同的裂缝，与已有的两条裂缝交错放置，得到4条裂缝，间距为1/10毫米，那么投射的影子是什么样子呢？我们可能会猜想图案与图2-6所示的几乎相同。毕竟第一对裂缝独自投射出了图2-6中的影子，如我刚才所讲，第二对裂缝会独自投射相同的图案，只是向一边移动大约1/10毫米——几乎还在原地。我们知道，光通常能自由穿行，互不影响。所以，这两对裂缝加在一起，应该再次产生基本相同的图案，只是亮度提高1倍，边缘有点儿更模糊。

但是，实际情况并非如此。带有4条直的平行裂缝的屏障所产生的真实影子图案显示在图2-7(a)中。为了便于比较，我把两条裂缝产生的图案重新画在它的下面［见图2-7(b) ］。很清楚，4条裂缝产生的影子不是两个位置稍有不同的双缝产生的影子的结合，而是一个新的、更复杂的图案。在该图案中，有些区域，如以X标记的点，在4条裂缝产生的图案中是黑的，而在两条裂缝产生的图案中是亮的。当屏障上有两条裂缝时，这些区域是亮的，但是当我们切开第二对裂缝，让光通过时，这些区域变黑了。切开第二对裂缝使得原先抵达X处的光受到干涉。

图2-7 带有直的平行裂缝的屏障投射的影子

（a）有四条裂缝，（b）有两条裂缝

所以，增加两处光源使得X点变黑，取消它们又使得X点变亮了。这是怎么回事？可能有人会想象两个光子向X点飞去，然后像台球一样撞在一起，彼此弹开。任何一个光子本来都可以打到X上，但是两个在一起互相干扰，结果两个都射向别处。一会儿我将证明这种解释不成立。不过，基本的想法是不可避免的：一定有某种东西从第二对裂缝中泄漏出来，阻止了来自第一对裂缝的光抵达X。但究竟是什么东西呢？借助于进一步的实验，我们能够找到答案。

首先，图2-7(a)所示的4条裂缝产生的图案，只有在所有4条裂缝都被激光束照亮的情况下才能出现。如果只有两条裂缝被照亮，那么出现的是两条裂缝的图案。如果3条裂缝被照亮，那么出现的是3条裂缝的图案，而且与前两种图案都不同。所以，引起干涉的原因必定在光束中。如果其中两条裂缝被不透明的东西塞住，那么出现的又是两条裂缝的图案，但是如果是被透明的东西塞住，则就不然了。换句话讲，那个起干涉作用的东西能够被任何阻挡光的物质所阻挡，甚至像雾这样薄弱的物质，但是它又能够穿透任何允许光穿过的物质，甚至像钻石这样难以贯穿（相对物体而言）的物质。在这套装置的任何地方，如果放上由镜子和透镜组成的复杂系统，只要光能够从每一条裂缝射到屏幕上的某一点，那么在该点处所观察到的将是部分的4条裂缝的图案。如果只有来自两条裂缝的光能够到达某一点，那么在该点处所观察到的将是部分的两条裂缝的图案，等等。

所以，不论引起干涉的原因是什么，它的表现就像光一样。在光束中的每一处它都出现，而在光束以外它都不出现。它可以被任何反射、传播或阻挡光的物质所反射、传播或阻挡。您可能感到奇怪：为什么我如此费劲地阐明这一点？很显然，它就是光，即干涉每一条裂缝的光子的东西是来自其他裂缝的光子。但是下面的实验——这一系列实验的最后一幕结束以后，您可能会怀疑这看似明显的结论了。

如果一次只用一个光子来做这些实验，你猜会发生什么呢？例如，设想我们把手电筒移得很远，每天只有一个光子落在屏幕上，那么在屏幕处进行观察的青蛙会看见什么呢？如果干涉每一个光子的东西真的是其他光子，那么当光子非常稀疏时，干涉效应难道不会减弱吗？当每一次只有一个光子经过这些装置时，干涉难道不会完全停止吗？我们仍会预料出现半影，因为光子在经过裂缝时可能会改变路线（也许碰上了边缘的毛刺）。但是，我们肯定不会观察到这样的现象：在屏幕的任何地方，例如X处，当两条裂缝开放时，能够收到光子，而当打开另两条裂缝后却变黑了。

然而，这恰恰是我们所观察到的现象。不论光子有多么稀疏，影子图案都不变。即使每次用一个光子来做实验，当4条裂缝都开放时，也观察不到有哪个光子会抵达X处。而要恢复X处的闪光，只需关闭两条裂缝即可。

光子是否有可能分裂为碎片，在经过裂缝以后，改变路线，又重新结合在一起呢？我们也可以排除这种可能性。如果我们再次发射一个光子穿过这些装置，但是用4个探测器，每条裂缝处放一个，那么最多只有一个探测器有记录。因为在这种实验中，我们没有观察到两个探测器同时动作，所以可以下结论说，探测器所探测的实体没有分裂。

这样，如果光子没有分裂为碎片，也不是其他光子使它们偏转的，那么是什么使它们偏转的？当每次一个光子穿过这些装置时，什么东西能够穿过其他裂缝来干涉它？

让我们盘点一下。我们已经发现，当一个光子穿过这一装置时：

它穿过一条裂缝，然后有个东西干涉了它，依赖于其他哪些裂缝是开放的，这个东西以一定的方式使它偏转；

干涉它的东西已经穿过某些其他裂缝；

干涉它的东西的行为方式恰如光子一样……除了它们不可见以外。

现在，我开始把起干涉作用的东西称为“光子”了。它们也确实就是，但是在现阶段，光子似乎有两种，我将暂且称之为有形光子和影子光子。有形光子是我们能看见的，或者用仪器可以检测到的，而影子光子是无形的（不可见的）——只能通过和有形光子发生干涉效应间接检测到。（后面我们将看到，有形光子和影子光子没有本质的区别：在一个宇宙中是有形的，而在所有其他平行宇宙中是无形的——这是后话。）迄今我们所得到的结论仅仅是：每一个有形光子有一批相伴的扈从影子光子，当光子穿过4条裂缝之一时，一些影子光子穿过其他3条裂缝。当我们在屏幕的其他地方切开裂缝时，只要裂缝还在光束的照射下，那么会出现不同的干涉图案。正因为如此，凡是有形光子能够到达的、屏幕上被照亮的区域，影子光子都能到达。所以，影子光子个数比有形光子多许多。多了多少呢？实验不能告诉我们上限，但是的确告诉我们一个粗略的下限。在实验室中，能够比较方便地用一束激光照亮的最大区域大约是1平方米，可控制的最小孔径大约是千分之一毫米。这样，在屏幕上大约可以放1012个孔。所以，至少有1012个影子光子相伴于每一个有形光子。

我们已经推断出：存在一个沸腾着的、异常复杂的、隐秘的影子光子世界。它们以光速行进，遇到镜子就反射，遇到透镜就折射，能被不透明的障碍物或颜色不匹配的滤色镜阻挡，但是即使最敏感的探测器也不能被它们触发。能够观察到影子光子所影响的宇宙中唯一的事物就是它伴随的有形光子。那就是干涉现象。如果不是这种现象，影子光子就完全不会被发现，正是由于影子的奇怪图案，我们才观察到它的存在。

干涉不是光子独有的特殊性质。量子理论预言，实验也证实，每一种粒子都存在干涉现象。所以，一定存在许多影子中子伴随着每一个有形中子，许多影子电子伴随着每一个有形电子，等等。这些影子粒子只能通过观察它干扰对应的有形粒子的运动行为来间接探测到。

由此可见，真实世界要比它显现的大得多，而且大部分是隐形的。我们以及仪器所能直接观察到的物体和现象仅仅是冰山一角。

现在，有形粒子具有一种性质，使我们可以把它们总称为宇宙。这就是使它们成为有形的决定性质，即相互作用，从而能够被其他有形粒子组成的仪器和感觉器官直接探测到。因为存在干涉现象，所以它们不是完全地与真实世界的其余部分（即影子粒子）隔绝开。若不然，我们就不会发现真实世界中除了有形粒子外还有更多的东西。但是，在一定近似程度上，它们的确很类似于我们在日常生活中所看到的宇宙，以及经典物理（量子物理以前的物理）所指的宇宙。

基于类似的理由，可以考虑把影子粒子的全体称为平行宇宙，因为它们也只能通过干涉现象受到有形粒子的影响。但是我们还可以做得更好，因为实际上影子粒子彼此隔绝，其隔绝方式恰与有形粒子宇宙与它们相隔绝的方式完全一样。换句话讲，它们不是组成一个比有形粒子宇宙大许多的、同质的单个平行宇宙，而是形成许许多多平行宇宙，每一个都与有形宇宙有相似的组成成分，每一个都遵循同样的物理定律，除了一点不同：在每个宇宙中粒子的位置不同。

现在谈谈术语问题。“宇宙”这个词传统意义上是指“物理实在的全体”，在此意义上最多只能有一个宇宙。我们可以坚持这一定义，认为我们习惯上称为“宇宙”的东西，即在我们周围所有可直接感知到的物质和能量，以及周围的空间，并不是宇宙的全部，而只是宇宙的一小部分。这样我们就必须为这有形的一小部分再起一个新的名字。但是大多数物理学家喜欢延用“宇宙”这个词来表示它原来所指的实体，即使现在该实体被证明不过是物理实在的一小部分而已。为了表示物理实在的全体，已经发明了一个新词——多重宇宙（multiverse）。

前面所述的那样的单粒子干涉实验说明，多重宇宙是存在的，而且包含了有形宇宙中每一个粒子的许多副本粒子。为了得到更进一步的结论，即多重宇宙大致划分为若干平行宇宙，我们必须考察一个以上有形粒子的干涉现象。最简单的办法是用“思想实验”的方法，询问在微观上，当影子光子撞到不透明物体时，会发生什么现象？它们当然会停下来了，因为当不透明障碍物放在影子光子的前进道路上时，干涉现象消失了。但是为什么？是什么阻挡了它们？我们可以排除明显的回答，即它们被吸收了，就像有形光子被障碍物中的有形原子吸收了一样。理由之一，我们知道影子光子不与有形原子相互作用。理由之二，我们可以测量障碍物中的原子（或者更精确地用探测器代替障碍物），验证它们既没有吸收能量，也没有以任何方式改变状态，除非被有形光子撞上了，否则影子光子没有效应。

换一种方式说，影子光子和有形光子在撞上特定的障碍物时受影响的方式相同，但是障碍物本身受这两种光子的影响不同。实际上，就我们所知的来讲，它根本就不会受影子光子影响。这也确实是影子光子的决定性质，因为如果能够观察到有某种材料受到影子光子的影响，那么这种材料就会被用来做成影子光子探测器，整个影子和干涉现象就不会像我所描述的那样了。

因此，在有形障碍物所处的同一位置上，存在某种影子障碍物。不难想象影子障碍物由影子原子组成，我们已知，作为障碍物中有形原子的副本，影子原子必定存在。每个有形原子都有许许多多影子原子。实际上，假如影子原子能够影响光子，那么即使在最稀薄的雾中，影子原子的总密度对于挡住一辆坦克来说都绰绰有余，更不屑说一个光子了。既然我们发现不完全透明的障碍物对于影子光子和有形光子都有同样的透明度，那么在某个影子光子的行进道路上，不是所有的影子原子都能够阻挡它的传播。每一个影子光子与它对应的有形光子一样，碰上同一种障碍物，这种障碍物仅仅由在场的所有影子原子的一小部分组成。

基于同样的理由，障碍物中每一个影子原子只能与其周围的影子原子中的一小部分相互作用，与其相互作用的影子原子组成像有形障碍物一样的障碍物，等等。所有物质与物理过程都具有这一结构。如果有形障碍物是青蛙的视网膜，那么必定存在许多影子视网膜，每个影子视网膜只能阻挡每个光子对应的一个影子光子。每个影子视网膜只能与对应的影子光子、对应的影子青蛙等强烈作用。换句话说，粒子被分放在各个平行宇宙中。在每个宇宙中，粒子相互作用，正如它们在有形宇宙中相互作用一样。从这个意义上讲，它们是“平行”的。但是每个宇宙仅仅通过干涉现象微弱地影响其他宇宙。

这样，我们从形状奇特的影子开始，到平行宇宙为止，沿着推理的链条，得出了最后的结论。每一步骤的方式都是这样的：注意到只有当存在未被观察到物体，而且它们具有一定的性质的时候，我们所观察的物体的行为才能得到解释。推理的核心是：单粒子干涉现象毫不含糊地排除了这种可能，即我们周围的有形宇宙就是存在的所有一切。对于出现这种干涉现象的事实没有任何争论，但是承认存在平行宇宙仍然是物理学家中间的少数派观点。为什么？

很遗憾，答案于大多数人不利。对此我在第13章还有论述，但是现在我指出：本章所提供的论证只对那些希望寻求解释的人们有说服力。那些仅仅满足于预测或者不是太想理解预测的实验结果是如何产生的人们，只要愿意，可以干脆否认在我称为“有形”的实体以外还存在任何别的东西。某些人，如工具主义者和实证主义者，把这一点看成哲学原理。我已经讲过我怎样看待这种理论，为什么那样看，其他人只是不想认真考虑它。毕竟这是一个如此大的结论，首次听到时会如此令人不安。但我认为那些人的观点不对。我希望说服宽容我的读者们，理解平行宇宙是我们最好地理解真实世界的前提。这么说绝不是出于狠下决心，不论有多么乏味，都要寻求真理的精神（虽然我希望在需要时我能有这种态度）。相反，是因为所导致的世界观比以前的所有世界观都更完整得多，在许多方面都更有道理，当然比玩世不恭的实用主义更有意义，如今后者经常成为科学家们的世界观的代表。

某些实用主义物理学家会问：“为什么我们不能说光子表现得仿佛它们正在同隐形的实体相互作用一样？为什么我们不能就此打住？为什么非要进一步辩论清楚那些隐形的实体是否真的存在？”还有另一种形式更加奇特但本质上相同的论点如下：“有形光子是真实的；影子光子仅仅代表一种行为方式，真实光子本来可能以这种方式运动，而实际上却没有。所以，量子理论是关于真实世界与可能世界相互作用的理论。”这至少听起来蛮深刻的。但不幸的是，持这些观点的人，包括某些应该更明智的、显赫的科学家，在这一点上总是陷入胡言乱语。让我们保持清醒的头脑，关键的事实是：真实的有形光子的不同行为表现，取决于在仪器的其他地方有哪些路径是开放的，允许实物穿行其中并最终拦截了有形光子。的确有某些东西沿着那些路径传播，拒绝称其为“真实的”仅仅是在玩文字游戏。“可能的事物”不能与真实的事物相互作用：不存在的实体不能使真实的实体偏离轨迹。如果光子偏转了，它一定是受什么东西影响而偏转了，我把这种东西称为“影子光子”。给它起个名字并不会使它真实，但是，实际发生的事件，例如像有形光子的抵达和检测这一类的事件，会起因于虚构的事件，例如像该光子“本来可以怎样”而实际上又没有那样这一类的事件，这不可能是真的。只有真实发生的事件才能引起其他事件真实地发生。在干涉实验中，如果影子光子的复杂运动仅仅是可能而已，实际上并没有发生，那么我们所见的干涉现象实际上就不会出现了。

干涉效应通常非常微弱，难以探测到，其原因在于支配它的量子力学定律。这些定律有两个特殊的结论与我们有关。第一，每一个亚原子粒子在其他宇宙中都有自己的副本，而且只能与那些副本相互干涉。它不会受那些宇宙中其他粒子的直接影响。因此，干涉现象只有在特殊情况下才能观察到，即粒子及其影子副本的传播路径先分离，然后重新汇合（当光子和影子光子朝屏幕上的同一点前进时）。甚至定时都必须准确：如果两条路径之一有所延迟，那么干涉现象就会减弱或者消失。第二，要察觉任何两个宇宙之间的干涉效应，就要求这两个宇宙中位置和其他属性不完全相同的所有粒子之间发生相互作用。实际上，这意味着只有在非常相似的宇宙之间发生的干涉效应才足以被探测到。例如，在前述的所有实验中，发生干涉的两个宇宙只有一个光子的位置有所不同。如果一个光子在行进过程中影响了其他粒子，而且这种情况被某个观察者观察到了，那么这些粒子或这个观察者随后在不同的宇宙中就会变得不同，如果是这样，那么在实际上，该光子随后参与的干涉效应就不会被观测到了，因为在所有受影响的粒子之间都必须发生的相互作用会复杂得乱了套。这里我必须提醒，叙述这一事实的标准说法“观察破坏干涉”在3个方面易使人误解。首先，它使人联想起有意识的“观察者”对基本物理现象的某种意念作用，但是并没有这种作用。其次，干涉效应不是被“破坏”的：它仅仅是更加难以（困难得多！）观测到了，因为这需要精确控制大量粒子的运动。最后，不仅仅是“观测”，而是光子在它行进路线中对周围区域的任何影响都会导致这样的后果。

考虑到一些读者可能已经看过一些量子物理的其他报道，我必须简要地提一下本章的论证同该学科通常采取的论证方式的关系。也许因为争论是从理论物理学家中间开始的，传统的争论起点是量子理论本身。首先尽可能谨慎地陈述该理论，然后试图理解它所告诉我们的关于真实世界的情况。若想理解量子现象的细节，这是可能的唯一途径。但是就真实世界究竟是由一个还是多个宇宙组成这一问题来说，这是过于复杂的途径了。所以，本章没有遵从这条途径，甚至没有陈述量子理论的任何基本假设，而仅仅是描述了一些物理现象，然后导出不可避免的结论。但是如果真的从理论出发，那么每一个人都会赞同以下两点。首先是量子理论在预测实验结果方面表现卓越，甚至可以盲目地使用方程而无须太关心方程的含义。其次是量子理论告诉我们一些关于真实世界本质的新鲜的、奇异的性质。争论仅仅在于这些性质究竟说明了什么。物理学家休·埃弗里特是第一个清楚地理解量子理论描述了多重宇宙的人（于1957年，在量子理论成为亚原子物理学的基础大约30年后）。从那时起，关于量子理论是否可能有另外的解释（或重新解释、重新表述、修正等），使维持单一宇宙描述不变，而仍能正确预测实验结果，就这一问题人们爆发了激烈的争论。换言之，接受量子理论的预测结果就必须接受平行宇宙的存在性吗？

对我来说，这个问题，以及所有关于这个问题的辩论的流行论调，都似乎是冥顽不化的。诚然，对于像我这样的理论物理学家，应该把大量精力花在理解量子理论的形式结构方面，而不是花在理解真实世界方面以致忽略了自己的主要目标，那才是正当且合乎体统的。即使能够做出量子理论的预测而无须提及多个宇宙，单个的光子仍然会像我所描述的那样投影。即使对量子理论一无所知，您也能看出，这些影子不可能是光子从手电筒行进到观察者眼睛这一单一过程的结果。它们不相容于任何仅仅涉及我们所见的光子、我们所见的屏障或我们所见的宇宙的解释。因此，如果现有最好的物理学理论没有提及平行宇宙，那只能意味着我们需要一个更好的理论，一个确实提及了平行宇宙的理论，来解释所看见的现象。

那么，接受量子理论的预测结果就必须接受平行宇宙的存在性吗？本身并非如此。我们总可以按照工具主义者的思路重新解释任何理论，而不必接受真实世界的任何结论。但是那样就离题了。如刚才所述，无须深入的理论来告诉我们平行宇宙是存在的——单粒子干涉现象就告诉我们了。需要深入理论的地方是为了解释和预言这样的现象：告诉我们其他的宇宙是什么样的，它们遵从什么定律，它们怎样互相影响，以及这一切如何符合其他学科的理论基础。这才是量子理论的任务。平行宇宙的量子理论不是问题，而是解答。它不是出自神秘的理论思考而产生的令人生厌的、随意的说明，而是关于一个非凡的、违反直觉的真实世界的唯一站得住脚的解释。

迄今为止，我一直采用临时性的术语，它暗示了在众多平行宇宙中有一个因为是“有形的”而与众不同。现在是到了与经典的真实世界单一宇宙观彻底脱钩的时候了。回过头去考察那只青蛙。我们已经看到，青蛙一连几天凝视着远处的手电筒，等待着平均每天一次的闪光，这还不是全部，因为在影子宇宙中，与有形青蛙同在的必然还有影子青蛙，它们也在等待光子。假设青蛙受过训练，看见闪光时就跳一下。在实验的开始阶段，有形青蛙会有大批的影子副本，刚开始大家都雷同。但是不久后，它们就不再雷同了。它们每一个未必能马上看见光子。但是在任何一个宇宙中的稀有事件，在整个多重宇宙中就是常见事件了。在任何时刻，在多重宇宙中的某处，必然有几个宇宙，其中的青蛙的视网膜正在被光子撞击而使青蛙跳起来。

究竟为什么影子青蛙会跳？因为它在所处的宇宙中遵循与有形青蛙同样的物理定律，而且它的影子视网膜被那个宇宙中的影子光子撞击了。在它的影子视网膜上，一个光敏的影子分子起了复杂的化学变化，接着影子青蛙的视觉神经做出了响应，它传送一条讯息给影子青蛙的大脑，因此青蛙产生了看见闪光的感觉。

是否该说成“看见闪光的影子感觉”呢？当然不。如果“影子”观察者是真实的，不论是青蛙还是人，则他们的感觉必定也是真实的。当他们观察我们称为影子物体的对象时，他们看到的是有形的物体。之所以会这样，是因为正如同我们说我们所观察的宇宙是“有形的”一样，他们也用同样的方法，根据同样的定义进行观察。有形性是相对于给定的观察者而言的。所以客观地说，不存在两种光子，一种是有形的，另一种是影子的，也不存在两种青蛙或两种宇宙，一种是有形的，另一种是影子的。在我所给出的关于影子的构造或相关现象的描述中，没有任何东西来区分“有形”物体和“影子”物体，只不过是声明其中一份拷贝是“有形的”。当介绍有形光子和影子光子时，很明显，我是通过说我们能够看见前者而看不见后者来区分它们的。但是“我们”是谁？当我正在写作时，许许多多影子戴维[1]也在写作，他们也在区分有形光子和影子光子。但是，他们称为“影子”的光子包括了我称为“有形”的光子，而他们称为“有形”的光子则属于我称为“影子”的光子。

不仅在我所概述的对于影子的解释中，物体的任何副本都不具有特殊的地位，而且在量子理论所提供的全部数学解释中，它们也不具有特殊的地位。我可以主观地认为，自己作为“有形的”一员，在众多我的副本中是与众不同的，因为我能够直接感知自己，而感觉不到别人。但是我必须承认这一事实：所有其他的副本对于他们自己都会有同样的看法。

那些戴维们，许多此刻正在写这些文字，一些戴维在为它们润色，另一些戴维已经喝茶去了。

术语

光子：光的粒子。

有形/影子：仅仅为了在本章中解释方便，称本宇宙中的粒子为有形粒子，其他宇宙中的粒子为影子粒子。

多重宇宙：物理实在的全体，它包含许多平行宇宙。

平行宇宙：在每个宇宙内部，粒子就如同在有形宇宙中一样相互作用，但每个宇宙只能通过干涉现象微弱地影响其他宇宙。在此意义上，它们是“平行”的。

量子理论：多重宇宙的物理学理论。

量子化：拥有离散的（而非连续的）一组可取值的性质。量子理论断言所有可测量的物理量都是量子化的，因而得其名。但是，最重要的量子效应不是量子化，而是干涉效应。

干涉：一个宇宙中的粒子对另一个宇宙中的对应粒子的作用。光子干涉效应能够使投影图案比障碍物的简单轮廓复杂得多。

小结

在干涉实验中，当投影屏障打开新的缺口时，影子图案的某些区域会变黑。即使用单个粒子做该实验，结果依然如此。基于这一事实，一系列的推理排除这一可能性，即我们周围所见的宇宙就构成了物质实在的全体。实际上，物理实在的整体——多重宇宙——包含大量平行宇宙。

量子物理是四大主要理论之一。下一个是认识论，关于知识的理论。

[1].戴维是本书作者。——译注

第3章 问题求解

我不知道哪一个更加不可思议：是影子的奇特行为本身呢，还是仅靠观察几个光和影的图案就居然迫使我们彻底地改变了对真实世界结构的看法这一事实？前一章概述的论证是典型的科学推理，尽管它的结论充满争议。这种推理的特征很值得反思，它本身就是一个自然现象，至少同影子物理现象一样令人惊异、异彩纷呈。

对那些情愿看到现实结构更加平实的人来说，这么重要的结论居然会是根据屏幕上的小光点应该出现在这里而不是那里这样简单的事实得来的，这似乎显得有些比例失衡，甚至不太公平。但事实就是如此，而且科学史上不只一次出现过这种情况。在这方面多重宇宙的发现令人不禁回想起早年天文学家发现其他行星的故事。在我们将太空探测器送到月球和其他星球之前，关于行星的全部信息来自于观察到夜幕上的光点（或其他辐射点）在一个位置而不在另一个位置出现。想一想当初是怎么发现关于行星的那个决定性事实的，即证明它们不是恒星的。观察夜空几个小时，你会发现星星们似乎在围绕着天空中的一个固定点转动，这种转动非常刻板，保持彼此间的相对位置固定不变。传统的解释是，夜空是绕着静止的地球转动的巨大的“天球”，星星要么是天球上的洞口，要么是镶嵌在天球上的闪耀的晶体。然而，在天空中肉眼可见的成千上万的光点中，有少数几个特别亮，经过更长时间的观察，发现它们并非像固定在天球上那样运动，而是用一种更加复杂的运动形式漫步在夜空中。它们被称为“planet”（行星），这个词来源于希腊文，意思是“漫步者”。它们的漫步行为警示人们“天球”的解释是不充分的。

随后相继出现的关于行星运动的解释在科学史上扮演了重要角色。哥白尼的日心说将行星和地球放在以太阳为中心的圆形轨道上，开普勒发现轨道是椭圆形的而不是圆形的，牛顿用他的引力与距离平方成反比定律解释了椭圆形轨道，后人又用牛顿的理论预言行星间的相互引力会让它们稍微偏离椭圆形轨道，观测到这种偏离导致在1846年发现了一颗新行星——海王星。海王星的发现连同许多其他发现一起，将牛顿理论推上了王座。然而几十年后，爱因斯坦的广义相对论用弯曲的空间和时间对引力给出了根本不同的解释，从而又一次预言了略微不同的运动轨迹。例如，广义相对论正确地预言了每年水星会从牛顿理论预言的轨道上偏移万分之一度，它还推断在太阳附近穿行的星光会在引力作用下发生弯曲，偏转角度是牛顿理论预言的两倍。1919年亚瑟·爱丁顿观测到了这一偏转现象，这个发现通常被认为标志着牛顿世界观在理性上不再是站得住脚的了。（令人啼笑皆非的是，现代重新评估爱丁顿实验的精度时发现这可能并不成熟。）后来人们又以更高的精度重复了这个实验，实验涉及测量感光板上光点（日蚀期间靠近太阳边缘的恒星的像点）的位置。

随着天文预测越来越准确，后来的理论在预言夜空景象方面的差异越来越小，必须建造更强大的望远镜和测量仪才能探测出这种差异。然而这些预言背后的解释却莫衷一是，如前所述，这些解释却出现了一连串革命性的变化。于是观测到的物理效应越小，迫使我们的世界观改变得却越大，似乎我们正在从越来越微弱的证据中推断出越来越重大的结论。什么能够证明这些推断是正确的呢？我们能有把握说仅仅因为恒星在爱丁顿感光板上的位置偏移了一点点就能断定空间和时间一定是弯曲的？或者因为光子探测仪在某个位置上没能记录下微光的一次“撞击”，就断定一定存在平行宇宙？

的确，所有实验证据都有脆弱性和间接性，我刚才对这一点有些轻描淡写。我们不能直接感觉到星星、感光板上的亮点或任何其他外在实体和事件的存在。只有当物体的影像出现在我们的视网膜上时我们才能看见它，而且只有当这些影像引起了神经里的电脉冲且这些脉冲已经被大脑接收并解释时，我们才感觉到这些影像。所以，直接支配我们、使我们采纳一种理论或世界观而摒弃另一种的物理证据，其实是小之又小的：它的尺度在千分之几毫米（视觉神经纤维的间隔）和百分之几伏特（分辨事物的神经电位差）。

然而，我们并没有给所有感觉印象以同等重要的地位。在科学实验中，我们竭尽全力去感知外部世界的这些方面：它们要能有助于我们将正在考虑的彼此竞争的理论区分开。甚至在开始观察之间，我们就已经仔细决定了应该在哪里在何时开始观察，以及观察什么。我们经常使用复杂的、特别制造的仪器，例如望远镜和光电倍增管。然而无论使用的仪器多么复杂，无论造成这些实验读数的外部原因多么真实，我们只能通过自己的感觉器官来感知这些读数。我们无法逃避这一事实：人类是非常渺小的生物，只能通过有限的几个不准确的、不完美的渠道接收来自外部世界的全部信息。我们把这些信息解释为巨大的复杂的外部宇宙（或多重宇宙）的证据。但当权衡这些证据时，我们无非是在沉思流趟过大脑的弱电流的各种模式。

我们怎么知道从这些模式中得到的结论是正确的呢？这当然不是一个逻辑演绎的问题。根本没有办法根据这些观察或其他观察证明存在外部宇宙或多重宇宙，更别提大脑接收的电流会跟宇宙有什么特殊联系了。我们感知的一切都可能是幻觉或者梦境，幻觉和梦境毕竟是非常常见的。唯我主义认为只存在一个心智，看起来像是外部实在的东西其实仅仅是这个心智中出现的梦境。逻辑上并不能证明唯我主义是错的。现实世界可能仅由一个人组成，也许就是你，一辈子都在梦境中度过。或者现实世界仅仅由你和我组成，或仅仅由地球和它的居民组成。如果我们梦见其他人存在的迹象，或其他行星、其他宇宙存在的迹象，那完全不能证明这些东西有多少是真实存在的。

由于唯我主义，以及无数相关理论，逻辑上和所有可能的观察证据都不矛盾，因此在逻辑上也就不可能根据观察证据推导出任何关于真实世界的结论。那么，我怎么能说观察到的阴影的状态“排除”了认为只存在一个宇宙的理论呢？为什么日蚀的观察使得牛顿世界观“在理性上站不住脚”呢？怎么会是这样呢？如果“排除”并不意味着“证伪”，那它又是什么意思呢？为什么仅仅根据在这个意义下“排除”了某种可能性，我们就会被迫改变自己的世界观，或改变自己的意见？这一批评似乎对整个科学——以及所有求助于观察证据来论证外部世界的方法——提出了质疑。如果科学论证不等于从证据出发的逻辑演绎，那它等于什么呢？为什么我们应该接受科学的结论呢？

这就是有名的“归纳问题”。这个名字来源于在大部分科学史上流行的关于科学理论工作原理的理论。这个理论说，存在一种名叫归纳的推理形式，它虽然缺少数学证明，但仍然是有价值的推理形式。一方面，归纳法和演绎法恰成对照，后者被认为是完美的推理形式；另一方面，它和更弱的哲学或直觉的推理形式恰成对照，后者甚至无需观察事实作为支持。在关于科学知识的归纳主义理论中，观察扮演两个角色：第一是发现科学理论，第二是检验科学理论。首先，通过对观察结果的“外推法”或“一般化”发现一个理论，然后，如果大量观察都和这个理论相符，并且没有一个不符合这个理论，就认为这个理论通过了验证，从而更加可信、可能和可靠。图3-1展示了这一推理模式。

图3-1 归纳主义模式

因此，用归纳主义分析我的关于影子的讨论就会是这样的：“我们首先对影子现象作了一系列的观察，看到干涉现象（阶段1）。这些结果符合以下理论的预期，即存在以一定方式相互影响的平行宇宙。但开始没人注意到这一点。后来（阶段2）有人形成一般化结论：干涉现象在一定环境下总是发生，因此归纳出平行宇宙存在的理论。经过进一步观察干涉现象（阶段3），我们更加确信这个理论的正确性。经过充分多次观察，结果无一和这一理论发生矛盾，我们得出结论（阶段4）：这个理论是正确的。虽然我们永远不能完全确信，但就实用目的而言，我们是信服的。”

很难说从哪里开始批判归纳主义科学观——这个观念在很多方面都有致命的漏洞。依我之见，最大的漏洞是毫无根据地断定一般化的预言就等价于新理论。正如所有深浅不一的科学理论一样，平行宇宙理论并不是从观察结果中概括出来的。我们难道是先观察到一个宇宙，然后观察到第二个、第三个，最后归纳出存在万亿个宇宙的？对行星在天空中以一种特定轨迹“漫步”加以推广，难道就能够得到行星绕日运行、地球是其中之一的理论？难道反复观察就能使我们更加确信科学理论的真实性？这也不对。如前所述，理论是解释，并不仅是预言。如果某人不接受对一组观察的解释，那么一遍又一遍的重复观察也无济于事，如果我们压根就想不出一个解释，那么它就更不能帮助我们创造出令人满意的解释了。

而且，即使纯粹预言的正确性也不能靠观察证据得到证明，正如罗素在他的小鸡的故事里所阐明的。（为了避免任何可能的误解，我必须强调这是隐喻的、拟人化的小鸡，代表试图理解宇宙规律的人。）这只鸡发现农夫每天都来喂它，它便预言农夫将来会继续每天带吃的给它。归纳主义者认为这只鸡将它的观察“外推”成了一个理论，而每一次喂食都加强了这个理论的正确性。直到有一天农夫来了，拧断了鸡的脖子。罗素鸡的悲惨经历也被其他万亿只鸡经历过。这样我们就归纳地证明了：归纳法并不能证明任何结论！

然而，这样的批评太轻饶归纳主义了。它的确阐明了反复观察不能证明理论这一事实，但在这一过程中完全忽略了（甚至还接受了）一个更基本的错误观念，即通过对观测数据的归纳外推形成新的理论还是可能的。事实上，对一组观测数据是不可能进行外推的，除非事先已经把它们放在一个解释框架中了。例如，为了“归纳出”它的错误预言，罗素鸡的脑子里必须对农夫的行为首先有一个错误的解释，可能它猜农夫对自己抱有慈善之心。假如罗素鸡猜的是另外一种解释，如农夫是要把自己喂肥了吃，那么它就会对农夫的行为“外推”出不同的结果。假如有一天农夫开始给鸡喂比往日更多的食物，根据这一新观察，怎样预言农夫将来的行为呢？这完全取决于采用哪个解释理论。根据慈善农夫论，这是农夫对小鸡更加慈善的证据，因此鸡们就更不用担心自己的命运了。但根据养膘论，这个行为就是不祥之兆——它是末日临头的证据。

在上文所讲的例子中，对于相同的观察数据，由于采纳了不同的解释，可以“外推出”两个完全对立的预言，而且无法证实其中任何一个。这个事实并不偶然地局限于农家小院：在所有场合下的所有观察数据都是这样的。观察不可能承担归纳主义模式赋予的两个任务中的任何一个（即发现科学理论和检验科学理论）：连预言都不行，更不用说真正的解释理论了。诚然，归纳主义是基于常识的知识增长理论，即我们是从经验中学习的。在历史上它是与科学摆脱教义和专制的解放运动联系起来的。但是，如果我们想要理解知识的真正本质以及它在真实世界结构中的位置，就必须正视归纳主义是错误的这一事实，它彻头彻尾是错的。没有一个科学推理，实际上没有任何成功的推理，是符合归纳主义描述的。

那么，科学推理和发现的模式到底是什么呢？我们已经看到归纳主义以及所有其他以预言为中心的知识论都基于一个错误观念。我们需要的是一个以解释为中心的知识论：一个关于解释是怎样产生以及怎样验证的理论，一种我们应该如何、为什么以及何时允许自己的知觉改变世界观的理论。一旦我们有了这种理论，那就不需要另外的预言理论了，因为给定了关于某个观察现象的解释，很自然地就得到了预言。如果解释已经被验证过了，那么从该解释中推导出的任何预言也自动是验证过了。

幸运的是，目前流行的科学知识论的确可以在这个意义上被当作解释理论。这一理论的现代形式主要归功于哲学家卡尔·波普尔（而且它还是我的关于真实世界结构的“四大解释理论”之一）。这个理论把科学看作是问题求解过程。归纳主义把过去的观察记录看成理论的骨架，认为科学无非就是用内插或外推的办法填满这个骨架理论的所有缝隙。问题求解的确开始于一个不完备的理论，但不是那种由过去的观察数据构成的空想的“理论”。它开始于我们现有的最好的理论。当这些理论好像对我们不够用，需要新理论时，就形成了一个问题。因此，与图3-1所示归纳主义模式不同，科学发现不需要从观察证据开始，而总是从一个问题开始。这里“问题”的意思不是指实际中遇到的紧急情况，或使人烦恼的原因，而是指一套看起来不够完备、需要改进的想法。现有的解释可能显得太肤浅或者太笨拙，或者不必要地狭隘，或者不切实际地野心勃勃。人们可能窥见到有些概念可以统一起来，或一个领域内满意的解释与另一个领域同样满意的解释之间似乎显得不协调。也可能有一些令人奇怪的观察数据，例如行星的漫步，现有的理论既不能预言也不能解释。

最后这一类问题和归纳主义模式的阶段1有些类似，但只是表面类似。因为一个意外的观察结果不可能是科学发现的动因，除非问题的种子已经蕴含在现有理论中了。例如，云朵的漫步比行星更多，早在人们发现行星之前，云朵这一不可预测的漫步现象大概就已经为人所熟知。而且，天气预报对农民、海员和战士来讲都是非常有用的，所以对云层运动进行理论分析总是不缺乏刺激因素的。但不是气象学，而是天文学照亮了现代科学之路。气象学得到的观察证据比天文学多得多，但没人太注意，也没人从中归纳出关于冷锋面或反气旋的任何理论。科学史并没有充斥着关于云层及其运动本质的争论、教义、异端、猜测以及精巧的理论。为什么呢？因为在已经建立的天气的解释框架中，完全可以理解云层的运动是不可预言的。常识告诉我们，云随风动。当云飘向其他方向时，有理由推测风向随高度不同而变化，而且相当不可预测，所以很容易下结论说：没有什么可以解释的。毫无疑问，有些人对行星也采取这种看法，认为它们不过是天球上闪烁的物体，被高处的风吹来吹去，或者被天使推来推去，没什么可解释的。但也有人不满足于这种解释，猜想在那漫步的行星背后存在更深刻的解释。于是他们寻觅这一解释，最终找到了它们。在天文学史上，有好几次似乎存在大量不能解释的观察证据，其他时候则只有一丁点，或压根没有。但如果人们是根据积累的观测数据多少来选择对什么现象进行理论化，那么他们应该选择云层而不是行星。然而他们选择了行星，原因是多方面的。有些原因是出自关于宇宙学的偏见，或者是古代哲学家的论述，或者是神秘的算卦，有些是出自当时的物理学，另一些是出自数学或几何学。有些原因被证明具有客观价值，有些则没有。但是所有原因都归于一点，即人们认为现有解释是可以而且应该改进的。

人们解决问题的方法是寻找新理论或者修正旧理论，使它的解释摒弃旧解释的缺点而保留其优点（见图3-2）。这样，问题呈现出来之后（阶段1），下一阶段总是涉及猜想：提出新理论，或修正或重新解释旧理论，希望能够解决这个问题（阶段2）。然后这些猜想受到批评，如果批评是合理的，就开始检验和比较这些猜想，根据问题本身的判断标准，看看哪个猜想给出最好的解释（阶段3）。如果猜想理论不能经受住批评的考验，即它给出的解释看起来比其他的理论更糟糕时，它就被抛弃了。如果我们发现自己抛弃了过去持有的理论，转而支持新提出的理论（阶段4），我们就可以暂且认为自己的问题求解事业取得了进展。我说是“暂且”，是因为后续的问题求解活动有可能改变或替换这些新的、看来比较满意的理论，有时甚至可能重新复活了过去某些似乎不令人满意的理论。所以，不论解决方案有多好，它都不会是故事的终结，而是新一轮问题求解过程的开始（阶段5）。这些说明了归纳主义背后的另一个错误观念。科学活动的目的并不是要寻找一个（几乎）永远正确的理论，而是要寻找一个目前可能得到的最好的理论，而且如果可能的话，要改进所有现有理论。科学论证是要说服人们，这个解释是目前可得到的最好解释。科学论证没有说也不能说，将来如果这个解释遭到新的批评，以及拿来与现在还未知的解释相比较时，该怎么办。好的解释可以对未来做出好的预言，但是有一件事任何解释都无法预言，那就是未来人们会提出什么新的解释，它的内容和质量如何。

图3-2 问题求解过程

到此为止，我的描述适用于所有问题求解过程，不论所涉及的理性批评的主题和技术是什么。科学问题求解总是包括一个特别的理性批评方法，称为实验验证。当两个或多个竞争理论就某一实验结果做出相互矛盾的预测时，就进行这个实验，做出错误预言的理论被抛弃。构造科学猜想的焦点在于寻找解释，这些解释的预言是实验上可验证的。理想地，我们总是在寻找关键实验验证，其实验结果不论是什么，总是能够证明一个或多个竞争理论是错误的。图3-3说明了这一过程。不论在问题提出阶段（阶段1）是否涉及观察，也不论（阶段2）参加竞争的理论是否是被特别设计来通过实验检验的，正是在科学发现的这个关键阶段（阶段3），实验验证起着决定性的特有作用。这个作用就是：指出某些竞争理论的解释导致错误预言，因此这些理论不能令人满意。这里我必须提到一个非对称性，它在哲学和科学方法论中非常重要，即实验证伪和实验证实之间的非对称性。错误的预言自动说明了其背后的解释不能令人满意，然而正确的预言却压根说明不了其解释是否正确。拙劣的解释可能产生正确预言，这太常见了，毫无价值。UFO狂热者、阴谋论者以及形形色色的伪科学家应该记住这一点（但从未记住过）。

图3-3 科学发现过程

如果一个理论是关于可观察事件的，但是不可验证，即不存在可能的观察排除这一理论，那么这个理论自身就不能解释为什么那些事件以被观察到的那种方式发生，而不是以别的方式发生。例如行星运动的“天使理论”是不可验证的，因为不管行星怎么运动，这个理论都说是天使干的，所以天使理论不能解释我们观察到的具体运动，除非附加一个独立理论说明天使是怎样运动的。因此，科学上有一条方法论准则：一旦某个可实验验证的理论通过了适当的检验，则那些关于同一现象的可验证性较弱的竞争理论立刻就被抛弃了，因为它们的解释一定是低劣的。这个准则经常被用来区分科学和其他类型的知识创造。但如果我们接受科学是关于解释的观点，就可以看出这条准则其实是另一条更广泛准则的特例，后者适用于所有问题求解过程：那些能够给出更加详细解释的理论自动优先考虑。原因有二，第一，如果一个理论愿当“出头鸟”，对更多现象解释得更加详细，那么会使自己和其竞争者面对更多形式的批评，因此有更多机会使问题求解进程向前发展；第二，如果这样一个理论经受住了批评的考验，那么它留下的未被解释的问题会更少，而这正是我们的目的。

我说过，甚至在科学中大多数批评也不是由实验验证组成的。这是由于大多数科学批评不是针对理论的预言，而是针对其背后的解释。检验预言仅仅是检验解释的一个间接方法（当可行时当然是一个特别强大的方法）。在第1章中，我举过一个“草疗”的例子，那个理论说吃1千克草能治好感冒。无数这种类型的理论都是可以检验的，但无须做任何实验我们就可以批评并抛弃这类理论，完全就是因为它们并没有比与其矛盾的流行理论解释得更多，反而增加了新的未解释的断言。

图3-3所示科学发现的各个阶段在首次尝试时很少按顺序依次完成，通常需要反复回溯才能完成（或者叫作解决）每一个阶段，因为每个阶段都可能引起一个问题，解决它本身就需要另一个辅助的问题求解过程的全部5个阶段；甚至在阶段1也是如此，因为提出问题本身也不是永恒不变的。当我们想不出好的候选解法时，我们可能回到阶段1，试图对问题重新进行阐述，甚至选择一个不同的问题。的确，我们经常发现需要修改求解的问题，其原因有很多，原始问题明显无解仅是原因之一。一个问题的某些变种确实更有意义，或与其他问题关系更紧密；某些变种形式化得更好；某些看起来有更多潜在成果，或更急迫，或存在其他好处。在很多情况下，问题到底是什么？“好”的解释应该具有什么属性？关于这些问题的批评和猜想，一点儿不少于试验的解法本身。

类似地，如果在阶段3的批评没能将竞争的理论区分开，我们会发明新的批评方法。如果这样也不行，可以回到阶段2，试着加强所提出的解法（和现有理论），从中挖掘更多的解释和预言，从而较容易地找到它们的瑕疵。我们甚至可以回溯到阶段1，试着寻找解释必须满足的更好的判断标准，等等。

不仅回溯是需要经常不断进行的，而且许多子问题同时保持活跃状态，一有机会随时得到解决。只有当科学发现完成以后，如图3-3那样清楚的顺序模式才呈现出来。它起始于问题的最新最好的版本，接着展示出为什么有些理论没能经受住批评的考验而被遗弃，然后阐明最终取胜的理论，指出它为什么能经受住批评的考验，解释没有了那些被摒弃的理论时人们该怎么做，最后指出这一发现过程创造或者考虑到了哪些新问题。

当一个问题尚处在求解过程中时，我们要处理大量的形形色色的想法、理论和准则，以及它们的各种变体，所有这些都参与到竞争中来希望取胜。随着理论被新理论变革或替换，理论不断地推陈出新。因此，所有理论都在经受变异和选择，其所依的判别标准本身也在经受变异和选择。这整个过程酷似生物进化过程。一个问题就像一个生态位[1]，而一个理论就像在这个生态位中有待检验生存能力的一个基因或物种。理论的各种变种就像基因突变一样连续不断地创造出来，不太成功的变种逐渐灭绝，成功的变种取而代之。“成功”是指在这个生态位中经受住一次又一次选择压力，即批评下最终存活下来的能力，而批评的标准部分地取决于这个生态位的物理特性，部分地取决于业已存在的其他基因和物种（即其他思想）的属性。解决问题的理论中可能蕴含的新世界观，就是这个问题的凸现性；相应地，在生态位里取得了统治地位的新物种的独特属性是这个生态位的凸现性。换句话说，寻找解法的过程本质上就是复杂的。即使给出对天球理论的批评和一些附加的观察数据，也没有简单的方法发现行星的真正本质，正如即使知道了桉树的特性，也没有简单的方法设计考拉熊的DNA一样[2]。唯一的途径是进化，或试错法，尤其是那种目标明确的试错法，即科学发现。

正是由于以上原因，波普尔称自己的理论为进化认识论，即知识只有通过猜想和反驳才能成长，如图3-3所示。这是一个重要的统一的洞察，我们将看到生物进化论和认识论这两大理论在其他方面还有联系。但我不想夸大科学发现和生物进化二者的相似性，因为二者也有重要的区别。其中一个区别是生物变异（基因突变）是随机的，无方向无目的，而在人类问题求解过程中，新猜想的创生本身就是复杂的，是由关注它的人们的意图所驱动的知识密集型过程。更重要的区别可能是，在生物界里没有论证的对应物。所有猜想都必须经过实验检验，这就是为什么生物进化的效率要缓慢千万倍的原因之一。尽管如此，这两种过程的联系远远不只是类比：它们是我解释真实世界结构的密切关联的“主要四大理论”中的两个。

不论是科学进化还是生物进化，进化的成功取决于目标知识的创造和存活，在生物学中称为适应性。也就是说，理论或基因在一个生态位中的生存能力并不是其结构的任意函数，而是取决于是否有足够的真实且有用的生态位信息被隐性或显性地编码在结构中。我将在第8章继续讨论这个问题。

我们现在可以看看是什么证明了从观察中得到的推断是正确的。我们不是单单从观察数据中得到推论，但是当观察揭示了某些竞争解释的缺陷时，它们在论证过程中就变得非常重要了。我们之所以选择某个科学理论，是因为它的论证（只有少数依赖于观察）使我们（暂且）觉得满意，其他已知的竞争理论提供的解释都没有它那样真实、那样广博或那样深刻。

现在让我们花一点时间比较一下图3-1和图3-3，看看这两种科学进程观有哪些不同。归纳主义是基于观察和预言的，而实际上科学是基于问题和解释的。归纳主义认为理论是从观察中设法推断或者提炼出来的，或者是由观察证实的，而事实上理论开始于人们脑子里那些未经证实的猜想，通常早于那些排除竞争理论的观察。归纳主义寻求让自己的预言在未来仍然成立，而问题求解学派寻求让自己的解释比当下其他解释更好。归纳主义是危险的，是多种错误反复出现的根源，因为它在表面上看似有理，其实完全不对。

当我们成功地解决了一个问题时，不论是科学问题还是其他问题，我们最终会得到一组理论，这组理论虽然不是没有毛病的，但我们觉得比原先的理论更可取。因此，新理论有哪些优点取决于原来的理论有哪些缺点，即问题在哪里。科学有其独特的方法和问题。占星学家们解决了如何既能更诡秘地算命又无须冒被证伪的风险这一问题，但是他们不可能创造出值得称为科学知识的东西，即使他们使用了真正科学的方法（例如市场调查），而且对自己的解答非常满意。真正的科学问题总是通过寻找尽可能广泛深刻、尽可能真实确切的解释来达到对真实世界结构的某些方面的理解。

当我们认为自己解决了一个问题时，自然会采纳新的理论体系取代旧的理论体系。因此，科学——被看作寻求解释和问题求解的活动——不会产生“归纳问题”。所以，当一个解释是我们所能想到的最好的解释时，我们会感到必须暂时接受它，这毫不奇怪。

术语

唯我主义：认为只存在一个心智，所谓的外部实在其实仅仅是这个心智的梦境而已。

归纳问题：既然逻辑上科学理论不能用观察数据来证明，那什么才能证明它们的正确性呢？

归纳法：一种虚构的理论产生过程，认为一般理论应该从积累的观察数据中获得和证实。

问题：当某些理论，尤其是它含有的解释显得不充分，需要改进时，就出现了问题。

批评：理性批评是指将竞争理论进行比较，目的是根据问题内在的评判标准，寻找给出最好解释的理论。

科学：科学的目的是通过解释理解现实世界。科学使用的特有的（但不是唯一的）批评方法是实验验证。

实验验证：结果会证伪一个或多个竞争理论的实验。

小结

在基础科学领域，观察到的物理效应越来越微小，越来越精细，而我们对真实世界的本质得出的结论越来越重大。然而这些结论不能根据观察用纯逻辑推导出。这种结论怎么令人信服呢？这就是“归纳问题”。根据归纳主义，科学理论是通过对观察结果进行外推发现的，当得到更多巩固性观察结果时得以证实。事实上，归纳推理是不正确的，除非对观测数据已经有了一个解释框架，否则不可能对它们进行外推。但对归纳主义的反驳，同时也是归纳问题的真正解决，取决于承认科学并不是从观察中得到预言的过程，而是寻求解释的过程。每当我们遇到一个和现有解释相冲突的问题时，我们就寻求解释，然后我们开始问题求解过程。新的解释性理论开始于未经证实的猜想，这些猜想根据问题内在的评判标准被批评和比较。那些在批评下败下阵来的理论被抛弃，幸存者成为新的流行理论，其中有些本身也有毛病，致使我们再去寻求更好的解释。这整个过程酷似生物进化过程。

这样通过解决问题和寻求更好的解释，我们获得了越来越多关于现实世界的知识。但是毕竟问题和解释存于人的心里，其推理能力由容易出错的大脑负责，信息的供给由容易出错的感官负责。那么，人的心又怎么会有资格从自己纯粹主观的经验和推理中得到关于客观的外部真实世界的结论呢？

[1].生态位是指适合某物种生存繁衍的生态环境。——译注

[2].桉树是考拉熊的栖息地。——译注

第4章 真实性的判断标准

伽利略是伟大的物理学家，也是现代意义上的第一位物理学家（虽有争议），他不仅在物理学本身，而且在科学方法论上都有许多发现。他复兴了以数学形式表达自然界一般理论这一古代思想，通过系统的实验检验来改进理论。我们知道，这正是科学的特征。他把这种检验恰当地称为“考验”。他是第一批用望远镜研究天体的人之一，他收集、分析了日心说的证据，即地球沿着轨道围绕太阳运转，并且绕轴自转。他倡导这一理论，并为此与教会发生激烈冲突，因此而闻名于世。1633年，罗马天主教宗教法庭因其散布异端学说而审判他，用酷刑威胁他，强迫他跪着大声朗读卑下的长篇悔过书，表示自己“发誓诅咒、憎恨”日心说。（有传闻，也许并不准确，说他站起来时咕哝道：“eppur si muove...”意为“但是它确实在动……”）尽管他悔过了，但仍被定罪，被判软禁，在软禁中度过余生。虽然这一惩罚比较宽大，却堂而皇之地达到了目的。正如雅可布·布洛诺夫斯基所说：

结果是，从那时起，各地天主教科学家们都沉默了。……审判和关押的结果是使得地中海地区的科学传统完全停止了。（《人之上升》）

关于太阳系布局的争论怎么会导致如此影响深远的结果？为什么参与其中的人们都如此群情激昂？因为争论实际上不是关于太阳系的布局是怎样的，而是关于伽利略天才地提倡以一种崭新而危险的方式来思考真实世界；不是关于真实世界的存在性，因为伽利略和教会都信仰现实主义这一常识观点，即确实存在一个外部的物质宇宙影响我们的感觉，包括被望远镜这样的仪器延伸的感觉。伽利略的不同之处在于他对于这两方面关系的认识，即一方是物理实在，另一方是人类的思想、观察和推理。他相信，宇宙可以通过数学公式表达的普遍规律来认识，如果人们应用他的数学形式化和系统的实验测试方法，那就可以获得关于这些规律的可靠知识。正如他所说的：“自然之经书是用数学符号写成的。”这是故意与人们习惯依赖的那本《圣经》作对。

伽利略知道，如果他的方法确实可靠，那么无论把它用到哪里，其结论必定比用其他方法获得的结论更好。因此他坚持认为，科学推理不仅优越于直觉和常识，而且优越于宗教教义和启示。正是这一思想，而不是日心说本身，才被官方视为危险的。（他们没错，因为如果某种思想能够称得上发动了科学革命和启蒙运动，并且长期成为现代文明的基础，那么它就是危险的。）当局禁止把日心说作为夜空景象的解释而“支持或捍卫”它，但是使用、记述日心说，支持它“作为一种数学假定”，或者把它作为一种预测方法而为其辩护，这些都是允许的。这就是伽利略所写的比较日心说和官方的地心说的著作《关于两大世界体系的对话》之所以被教会审查员同意印刷的原因。罗马教皇甚至在伽利略写此书之前就已经默许了（虽然在审判时发表了一份令人误解的文件，宣称完全禁止伽利略讨论这一问题）。

其实，在伽利略那个年代，关于日心说是否比地心说的预测效果更好，这一点还不是无可争议的。这是历史上一个有趣的脚注。那时可获得的观测结果不是很准确，而且人们已经对地心说做了一些专门的修订，以改进其精度。很难衡量这两种对立理论的预测能力孰高孰低，而且在细节方面有几种日心说都不一样。伽利略认为行星以圆周运动，而实际上它们的轨道非常接近椭圆。所以，观测数据也不符合伽利略所捍卫的那种日心说。（当时，使他相信日心说所积累的观测数据也就这么多！）但是面对所有这些，教会丝毫没有介入这场争论。宗教裁判所不关心行星似乎在哪里，他们关心的是真实世界，关心行星实际在哪里，并且想要通过解释来理解行星，正像伽利略一样。工具主义者和实证主义者会说：既然教会完全愿意接受伽利略的观察预测，他们之间进一步的争论就没有意义了，他咕哝的“eppur si muove”也的确没有意义了。但是伽利略所知更多，宗教裁判所也一样。当他们否认科学知识的可靠性时，他们心里所指的恰恰是知识的解释性部分。

教会的世界观是错误的，但并非不合逻辑。诚然，他们相信启示和传统权威，视其为可靠知识的来源。但是他们也有自己的理由来批评伽利略的方法所获得的知识的可靠性。他们可以仅仅指出：没有足够量的观察和论据能够证明对物理现象的一种解释是对的，而另一种解释是错的。他们可以说，上帝能够以无穷多种不同的方式来产生同样的观测效果，所以，仅仅通过人类自己易错的观察和推理就宣称自己知道上帝采用了哪种方式，这纯粹是无意义而傲慢的。

在某种程度上，他们只是要求谦逊的态度，要求承认人类是易犯错误的。如果伽利略声称，日心说在某种归纳意义上，以某种方式得到了证明，或者几乎被证明了，那么他们的批评还算是有道理的。如果伽利略认为他的方法能够赋予任何理论以权威，其权威性可以和教会赋予其教义的权威性相比，那么他们批评他妄自尊大（或者如他们所说的，亵渎神明）是对的。当然了，尽管按照同一标准，他们自己更加妄自尊大。

那么我们怎样能捍卫伽利略，反对宗教裁判所呢？当他宣称科学理论包含真实世界的可靠知识的时候，面对说他过度宣传的指控，伽利略应该如何为自己辩解呢？波普尔主义者把科学作为解决问题和寻求解释的过程，仅靠这种辩护是不够的。因为教会也主要是对解释而非预测感兴趣，他们完全愿意让伽利略选用任何理论来解决问题。症结恰恰在于他们不承认伽利略的答案与外部实在有任何关系（他们说这只是“数学猜想”）。毕竟解决问题是一个完全发生在人心里的过程。伽利略可以把世界看成一本书，其中自然规律是用数学符号表达的，但那仅仅是一种比喻，对于行星的轨道没做任何解释。事实是我们所有的问题和解答都存在于我们心中，是我们自己创造的。在解决科学问题时，我们通过论证得到这样的理论，其解释对我们来说似乎是最好的。所以，宗教裁判所和当代怀疑论者不需要以任何方式否认科学的问题求解是正确和正当的，并且对我们解决问题是有益的，他们就可以合理地问它与真实世界有什么关系。我们可以找到心理上满意的“最好的解释”，发现它们有助于预测。我们当然会感到它们在技术创新的每一个领域都是必不可少的。所有这些确实证明，继续寻求它们，并且以那些方式利用它们，是正确的。但是为什么我们就必须把它们作为事实呢？宗教裁判所强迫伽利略接受的论点其实是这样的：地球实际上是静止的，太阳和行星围绕它运动；但是，这些天体运动的路径很复杂，如果从地球的优越地位来看，其路径也符合把太阳看作静止、地球和行星看作运动的情况。我把这一理论称为太阳系的“宗教裁判所理论”。如果宗教裁判所理论是对的，那么，即使日心说实际上是错的，我们仍会料想到，日心说能够精确地预测基于地球上的所有天文观测结果。所以，似乎是任何看来支持日心说的观测数据也都同样地支持宗教裁判所理论了。

可以扩充宗教裁判所理论，以解释更详细的支持日心说的观测数据，例如金星相位的观测数据，以及某些恒星相对于天球的微小的额外运动（称为“自行”）。为此，就必须假设更复杂的空间运动，其物理定律与我们认为静止的地球上的物理定律大相径庭。但是，这种差异恰好保证在观测效果上，与把地球看作运动的且天上和地上的物理定律相同时的观测效果相一致。许多这样的理论是可能的。的确，如果我们只想正确地进行预测，我们可以发明理论，对于空间中发生的事情想怎么说都行。例如，仅靠观测永远不能排除这样的理论：认为地球被封闭在一个巨大的天象仪里，它给我们描绘了一个以太阳为中心的太阳系，天象仪以外什么都有，或什么都没有。诚然，为了解释现代的观测，这个天象仪还必须使我们的雷达和激光脉冲改变方向，俘获我们的空间探测器甚至宇航员，让他们发回伪造的消息，让他们带着适当的月亮石标本返回地面，把宇航员的记忆也篡改了，等等。这也许是个荒谬的理论，但要点是它不能被实验排除掉。仅仅因为一个理论是“荒谬的”就把它排除掉是不正确的：宗教裁判所以及伽利略时代的大部分人把地球是运动的观点看作是荒谬的典型。毕竟我们不能感觉到地球在动，是吧？当它确实在动时，例如在地震中，我们能够确确实实地感觉到。据说，伽利略推迟了几年才公开倡导日心说，不是因为害怕宗教裁判所，而只是因为害怕被人嘲笑。

对我们来说，宗教裁判所理论显得不可救药地做作。我们为什么要接受这样一个对天空现象的复杂而别扭的解释？与此同时，朴素的日心说宇宙论同样能够解释而麻烦少得多。我们可以引用奥卡姆剃刀原则：“不要没必要地增加实体。”或者，如我喜欢说的，“不要没必要地使解释复杂化”，若不然，多余的复杂部分本身仍然没有解释。然而，一种解释是否“做作”或“没必要地复杂”依赖于组成人的世界观的所有其他思想和解释。宗教裁判所会辩解说，地球是运动的想法才是没必要地复杂的。它与常识相矛盾，与《圣经》相矛盾，而且（他们会说）存在完美的无需这一想法的解释。

但是有吗？宗教裁判所理论真的提供了另一种解释且无须引入违反直觉的日心系统的“复杂性”吗？让我们更进一步地看看宗教裁判所理论是如何解释事物的。它把地球表面上的平稳状态解释为是静止的。至此一切顺利。表面上，这一解释比伽利略的更好，因为伽利略必须想方设法违反某些力与惯性的常识观念，来解释为什么我们没有感觉到地球在动。但是宗教裁判所理论如何解释行星运动这一更困难的课题呢？

日心说的解释是，我们之所以看见行星沿着横跨天空的复杂环路运动，是因为它们实际上是沿着简单的圆（或椭圆）在空间中运动，但是地球也在运动。宗教裁判所的解释是，我们看见行星沿着复杂的环路运动，是因为它们真的就是沿着复杂的环路在空间中运动，但是（这里，根据宗教裁判所理论，是这一解释的精髓）这种复杂的运动恰好符合一个简单的潜在的法则，即行星的运动方式使得从地球上观察它们时，其轨迹就好像它们和地球都沿着围绕太阳的简单轨道运动一样。

为了依照宗教裁判所理论来理解行星运动，就必须理解这一法则，因为它所附加的约束条件是我们在该理论下所能做的每一个详细解释的基础。例如，如果问为什么在某某日期会发生行星会合，或者为什么某颗行星会沿着某个特定形状的环路由原路返回划过天空，答案总是“因为假如日心说是对的，那么它就会那样”。于是，这里有一种宇宙论——宗教裁判所宇宙论，要理解它只能通过另一种不同的宇宙论——日心宇宙论，前者与后者相矛盾，而又忠实地模拟后者。

如果宗教裁判所认真地按照他们强迫伽利略接受的那个理论来理解世界，他们也会理解其致命的弱点，即它没能解决其声称要解决的问题。它没能做到在“不必引入日心系统的复杂性”的前提下解释行星的运动。相反，为了解释行星运动，它不可避免地采纳日心系统作为它自身理论的一部分。如果不首先理解日心说，就不能通过宗教裁判所理论来理解世界。

因此，我们有理由认为宗教裁判所理论是一种精心炮制的扭曲的日心说，而反之则不成立。我们得到这一结论，并非因为宗教裁判所理论与现代宇宙论相对立，否则那样就是循环论证了；而是坚持认真采纳宗教裁判所理论，按它自己的观点，把它作为对世界的一种解释。我已经提过“草疗”理论，无需实验检验就可以把它排除掉，因为它不包含任何解释。这里也有一个理论，无需实验检验就可以把它排除掉，因为它包含坏的解释——按其自身的观点，这种解释还不如它的竞争对手。

如我已经说过的，宗教裁判所是现实主义者。但是他们的理论却与唯我主义有共同之处：二者都划了一个随意的边界，声称在边界以外是人类理智不可达的，或者至少在边界以外问题求解是无法达到理解的。对于唯我主义者，这一边界紧紧包围着他们自己的大脑，或可能仅仅包围着他们的抽象智慧或精神。对于宗教裁判所，这一边界包围着整个地球。一些现代的神创论者相信类似的边界，不是在空间上，而是在时间上，因为他们相信宇宙仅仅在6000年前才被创造，创造出来时就配备了误导人的更早期事件的证据。行为主义认为通过人的内在精神活动来解释人的行为是没有意义的。对于行为主义者来说，唯一合理的心理学是研究人对外部刺激的看得见的反应。因此，他们恰好划了一条与唯我主义者同样的边界，把人类精神与外部实在分离开。唯我主义者否认推断边界以外的事物是有意义的，而行为主义者否认推断边界以内的事物是有意义的。

这里有一大类相关理论，但是我们可以有效地把它们都看作唯我主义的变种。它们的不同之处在于把真实世界的边界（或者真实世界中可以通过问题求解来理解的那一部分的边界）划在哪里，在于是否以及怎样寻求边界以外的知识。但是他们都认为科学理性以及其他问题求解都是无法应用到边界以外的——那仅仅是游戏而已。他们可以退一步，承认这种游戏是令人满意且有用的，但是无论如何这仅仅是游戏，从中不能得到关于边界以外的真实世界的任何有效结论。

他们还有一点相似，即他们根本反对把问题求解作为一种创造知识的方法，认为它没有从任何最初的证明源头出发推出结论。在他们各自选定的边界以内，所有这些理论的信徒们确实依赖问题求解的方法，确信寻求最好的有用的解释也是找到最真实的有用的理论的方法。但是对于边界以外的事实真相，他们的眼光却看在别处，他们都去寻求一种最初的证明之源。对于宗教信徒，神的启示可以扮演这一角色。唯我主义者只相信他们自己思想的直接感受，正如笛卡儿的经典说法“cogito ergo sum”（我思故我在）。

尽管笛卡儿想要把他的哲学建立在这一假定坚实的基础上，但实际上他允许自己做了许多其他的假设，而他当然不是唯我主义者。实际上，在历史上真正的唯我主义者如果有的话，也是非常非常少的。唯我主义通常只是作为一种攻击科学论证的手段，或者作为一种通向它的许多变种之一的踏脚石。出于同样的原因，要捍卫科学，反对各种责难，理解理性与实在之间的真实关系，一个好方法就是考虑反对唯我主义的论点。

有一个标准的哲学笑话，讲的是一位教授为捍卫唯我主义作演讲。演讲很有说服力，以至于刚一结束，几个热心的学生就冲上前去握住教授的手，一个学生诚挚地说：“太精彩了，每句话我都同意。”另一个学生说：“我也一样。”教授说：“对此我非常高兴，很少有机会遇到唯我主义同伴了。”

这个笑话里隐含着一个真正的反驳唯我主义的论据，可以表述如下。故事中的学生所赞同的理论究竟是什么？是不是教授的理论，认为学生本身不存在，因为只有教授存在？为了相信它，学生必须首先设法绕开笛卡儿的“我思故我在”论点。如果他们做到了，那么他们就不是唯我主义者了，因为唯我主义的中心论点就是唯我主义者存在。或者，每一个学生都信服一个与教授的理论相矛盾的理论，这个理论说这个单独的学生是存在的，而教授和其他学生都不存在？这样一来他们倒真的都是唯我主义者了，但是没有一个学生同意教授所捍卫的理论。因此，这两种情况都不能证明学生们已经折服于教授为唯我主义所做的辩护。如果他们采纳了教授的观点，那么他们就不是唯我主义者，而如果他们变成唯我主义者，那么他们就相信教授是错误的。

这一推理试图证明唯我主义是根本站不住脚的，因为接受它的同时就隐含着反对它。而我们的唯我主义教授企图规避这一推理，说什么：“我能够始终如一地捍卫唯我主义。不是反对其他人，因为没有其他人存在，而是反对相对立的论点。这些论点引起我的注意乃是通过想象中的人，他们表现得好像是会思维的人一样，这些人的思想经常与我相对立。我的演讲及论点不是用来说服这些想象中的人，而是用来说服我自己——帮助我澄清自己的思想。”

然而，如果存在思想之源，其表现好像是独立于自我的，那么它就必定确实是独立于自我的。因为如果我把“自己”定义为有思想、有感情且其思想感情被我所知的有意识的实体，那么我与之对话的“想象中的人”，依定义，就是不同于这一狭窄定义的自我的某种别的东西。于是，我必须承认在自我以外还存在别的东西。如果我是一个忠实的唯我主义者，我的唯一选择就是把想象中的人看作我的心智的无意识产物，因此也就是在广泛意义上“自我”的一部分。但是这样一来，我就不得不承认“自我”具有十分丰富的结构，其中大部分是独立于有意识的自我的。在这一结构中有一种实体——想象中的人，尽管他们是假定的唯我主义者心智的组成部分，但他们仍然表现得好像是忠实的反唯我主义者一样。于是我就不能把自己全称为唯我主义者，因为只有我的狭窄定义的自我那一部分持唯我主义观点。在我的心智中，许多的、明显是大部分的观点从总体看是反对唯我主义的。我可以研究自我的“外部”区域，发现其似乎遵循一定的规律，并且与想象中的教科书上写的所谓物质宇宙的规律相同。我会发现，外部区域比内部区域的内容多得多，除了包含更多的思想外，其结构更复杂，变化更多样，具有更多可测量的变量，简直比内部区域丰富千万倍。

此外，这外部区域适于用伽利略的方法进行科学研究。因为我现在已经被迫把这一区域定义为自我的一部分，所以唯我主义不再有任何理由反对这种研究的合理性，而现在此种研究被定义为仅仅是一种自省。唯我主义允许（实际上是假定）关于自我的知识可以通过自省来获得。它不能宣称被研究的实体和过程是非真实的，因为自我的实在性是它的基本假定。

于是，我们看到，如果认真地坚持唯我主义——如果假定它是对的，并且全部有效的解释必须完完全全遵从它——它就自毁了。如果认真坚持唯我主义，那么它与其对手、朴素的现实主义究竟有何不同？差别仅仅在于命名方式。唯我主义坚持用同样的名称来指代客观上不同的事物（如外部实在和我的无意识心智，或者自省和科学观测）。但那样一来它就被迫通过引入诸如“自我的外面部分”这样的解释来重新阐明区别。但是如果不坚持这种令人费解的命名方式，那么就不必有这种额外的解释了。唯我主义还必须假定存在一类额外的过程——一种不可见的、令人费解的过程，它给心智一种生活在外部实在世界之中的幻象。唯我主义者相信除了心智以外什么都不存在，但还必须相信心智是比通常想见的要复杂得多的现象，它包括关于其他人的想法、关于行星的想法以及关于物理定律的想法。这些想法都是真实的，其发展方式复杂多样（或自称如此），而且它们有充分的自主权，能够让其他自称为“我”的思想感到惊讶、扫兴、启迪或挫折。于是，唯我主义者对于世界的解释是就相互作用的思想而说的，而不是就相互作用的客体而说的。但是那些思想是真实的，并且其相互作用的规律与现实主义者所说的客体之间相互作用的规律相同。于是，究其本质，唯我主义远非是一种世界观，它实际上就是一种伪装的现实主义，而且背负着不必要的额外假设——仅仅是为了辩解用的无意义的包袱。

通过以上论述，我们可以抛弃唯我主义及其所有相关理论，它们都是站不住脚的。我们也捎带着抛弃了以此为基础的另一种世界观，即实证主义（该理论称，除了描述和预言观察结果的论断以外，其他所有论断都是无意义的）。正如我在第1章中评论的那样，实证主义被它自己断定为无意义，因此不可能自圆其说。

所以，我们更有信心继续探讨朴素的现实主义，寻求用科学方法来解释世界。但是按照这一结论，对于那些使得唯我主义及其相关理论貌似有理的那些论点，即那些既不能被证伪也不能被实验剔除的论点，我们能作何评论？现在那些论点怎么样了？如果我们既不能证明唯我主义是错误的，也不能用实验把它剔除掉，那我们究竟做了什么？

在这个问题中包含有一个假设，即理论可以划分为这样几个层次：“数学的”→“科学的”→“哲学的”，其内在的可靠性依次递减。许多人认为这一层次的划分是理所当然的，全然不顾这一事实：这种相对可靠性的判断完全依赖于一个哲学论点，而这一论点把其自身划分到十分不可靠的那一类中！实际上，这种分层的思想同我在第1章中讨论过的还原主义者的错误是同一类的（该理论认为微观规律与现象比宏观的更基本）。同样的假设出现在归纳主义中，该理论认为：我们绝对可以肯定数学结论，因为它们是演绎的结果；可以适度地肯定科学结论，因为它们是“归纳”的结果；而永远不能肯定哲学结论，因为它们差不多仅仅是一种品味。

但是所有这些都是错误的。解释不是由其赖以导出的方法来决定其合理性的，其合理性是根据它与其他相对立的解释相比，拥有更强大的解决面临的问题的能力来决定的。这就是为什么一个理论是否自圆其说会如此重要的原因。预测或者断言即使不能自圆其说，也仍有可能是对的，但是解释如果不能自圆其说，就不成其为解释了。对于“纯粹”的解释，因为它没有得到某个终极解释的证明而排斥它，这只会驱使人去徒劳地寻求一个最初的证明之源。不存在这样的证明之源。

也不存在什么从数学到科学再到哲学论点的所谓可靠性层次。一些哲学论点，包括反驳唯我主义的论点，远远比任何科学论点都更加令人信服。的确，每一个科学论点都不仅假设唯我主义是错误的，而且假设许许多多可能与科学的某些具体部分相矛盾的唯我主义的各种变形哲学论点是错误的。我还将证明（在第10章中），即使纯粹数学，其论点的可靠性也来源于支撑它们的物理和哲学理论，因此，它们终究不可能是绝对肯定的。

即使接受了现实主义，我们仍然面对这样的抉择：在相对立的解释中所指的实体是否是真实的。判定它们不是真实的——就像我们对行星运动的“天使”理论所做的那样——就等于否定相应的解释。因此，在寻求解释、评价解释的过程中，仅仅反驳唯我主义是不够的。对于可能出现在相对立的理论中的实体，我们需要给出接受其存在性或拒绝其存在性的理由。换言之，我们需要一个准则来判定实在性。当然，不能指望找到一个最终的、无漏洞的准则。关于什么是真实的，什么不是真实的，我们的判断总是依赖于所获得的不同的解释，有时随着解释的改进而变化。在19世纪，几乎没有什么东西能够比重力更让人深信其真实性了。不仅因为它出现在当时无可匹敌的牛顿的定律体系中，而且每个人都能感觉到它，无时无刻，即使闭上眼睛——或者他们以为能感觉到。今天，我们通过爱因斯坦的理论而非牛顿的理论来理解重力，知道这种力并不存在。我们没有感觉到它！我们感觉到的是防止我们陷入脚下土地的抵抗力。没有东西把我们向下拽，当没有支撑时我们会下坠的唯一原因是我们所在的空间和时间的结构是弯曲的。

不仅解释变了，而且关于什么可以算作解释的标准和概念也在逐渐变化（改进）。所以，可接受的解释模式总是不固定的，从而可接受的真实性的判断标准也必定是不固定的。但是，假定关于某个解释，不论出于何种理由，我们认为它是可以接受的，那么是什么使我们把一些东西划分为真实的，而把另一些东西划分为虚假的或想象的？

詹姆斯·鲍斯韦尔在他的《约翰逊传》中叙述了他和约翰逊博士讨论伯克莱大主教的关于物质世界不存在的唯我主义理论。鲍斯韦尔说虽然没有人相信这一理论，但也没有人能够驳倒它。约翰逊博士踢了一块大石头，然后他的脚被弹了回来。他说道：“我就是这样反驳它的。”约翰逊博士的论点是，伯克莱否认石块的存在性，这是与他自己感觉到脚被弹回来的解释不相容的。唯我主义不能解释为什么一个实验或者任何实验会有这种结果而不是另一种结果。为了解释石块对他的作用，约翰逊博士不得不对石块的本质表明态度。它们是自主的外部实在的一部分还是他的想象虚构出来的？若是后者，那么他就被迫相信“他的想象”本身是一个巨大的、复杂的、自主的宇宙。那位唯我主义教授也面临同样的两难窘境，如果硬要他解释，他就不得不对听众的本质表明态度。宗教裁判所也不得不对行星运动的潜在规律表明态度，而这种规律只能通过引用日心说得到解释。对于所有这些人，认真地采纳他们的观点来解释世界，都会把他们径直引导到现实主义和伽利略的理性。

然而，约翰逊博士的思想不仅仅是对唯我主义的反驳，它还阐明了科学中使用的判断实在性的准则，即如果某样东西能够反冲，它就存在。这里“反冲”不一定指被判断的对象对“踢”作出反应——就像约翰逊博士的石头对物理作用作出反应那样，只需这样就够了：当我们“踢”它的时候，该对象影响我们的方式需要独立的解释。例如，伽利略没有办法影响行星，但是他能够影响它们射出的光线。与踢石块相等价的动作是把光线折射进入望远镜的镜片和眼睛。光线的反应是“反冲”他的视网膜，它反冲的方式允许他相信不仅光线是真实的，而且为了解释光线到达的方式，所必需的以太阳为中心的行星运动也是真实的。

顺便说一句，约翰逊博士并没有直接踢石头。人是心智，不是躯体。做实验的约翰逊博士是一个心智，该心智仅仅直接“踢”了一些神经，神经传达信号给肌肉，肌肉驱使脚朝石块踢去。少顷，约翰逊博士感觉到石块的“反冲”，但仍然仅仅是间接的，撞击对鞋产生压力，然后是对皮肤的压力，再然后产生神经上的电脉冲，等等。约翰逊博士的心智，就像伽利略和每个人的心智一样，“踢”神经且被神经“反冲”，仅仅通过那些相互作用推断出现实世界的存在性与性质。关于现实世界，约翰逊博士能够推断出什么，依赖于他怎样解释发生的现象。例如，如果这种感觉仅仅依赖于伸伸腿，而不依赖于外部因素，那么他就可能相信这是腿的性质，或仅仅是心智的性质。他可能得过某种疾病，每当他以某种方式伸腿时就会有被弹回来的感觉。但是实际上，被弹回的感觉依赖于石头的情况，如摆放在一定的地方，进一步又与石头的其他情况相关，如被看见，或者影响踢它的其他人。约翰逊博士察觉到这些效果是自主的（与他自己无关），而且十分复杂。因此，现实主义者对于石块产生弹回的感觉的解释涉及关于自主事物的复杂描述。但是唯我主义者的解释也是这样。实际上，任何对脚被弹回现象的解释都必然是“关于自主事物的复杂描述”。实际上它必须是对石块的描述。唯我主义者会称它为想象中的石块，但除此以外，唯我主义者的描述同现实主义者的描述是一样的。

我在第2章中关于影子和平行宇宙的讨论围绕着什么存在、什么不存在的问题，隐含地围绕着什么应该、什么不应该算作存在的证据。我用的是约翰逊博士的准则。再次考虑图2-7中屏幕上的点X，当只有两个裂缝打开时它是亮的，但是当再打开两个裂缝时它就变黑了。我说过，一个“不可避免”的结论就是：一定有什么东西穿过第二对裂缝，阻止了来自第一对裂缝的光到达点X。这个结论不是逻辑上不可避免的，因为如果我们不是寻求解释，那就可以说，我们所见的光子的行为就好像有什么东西穿过其他裂缝，使它们发生了偏转，而实际上并不存在这种东西。类似地，约翰逊博士可以说，他的脚被反弹就好像有石块在那里一样，而实际上并没有。宗教裁判所的确说行星的运动就好像是它们与地球在围绕太阳的轨道上运行一样，但实际上它们围绕着静止的地球在运动。但是如果我们的目的是解释行星的运动或者光子的运动，那么我们必须像约翰逊博士那样做。我们必须采用一条方法论规则，如果什么东西通过反冲，表现得好像是存在的一样，那么就应该把这作为它确实存在的证据。影子光子的反冲是通过干涉我们看得见的光子，因此影子光子是存在的。

类似地，我们能否从约翰逊博士的准则中得出结论说“行星的运动就好像是被天使推动一样，因此天使存在”？不能，不过仅仅因为我们有更好的解释。行星运动的天使理论并非完全没有优点，它的确解释了为什么行星的运动独立于天球，这的确使它比唯我主义技高一筹。但是，它没有解释为什么天使推动行星沿着这些轨道而不是那些轨道运行，或者特别地，为什么她们推动行星，其运动就好像被弯曲的空间和时间所决定那样，正如广义相对论的宇宙法则所详细描述的那样。这就是为什么作为一种解释，天使理论不能与当代物理学理论一较高下的原因。

类似地，假设天使穿过其他裂缝使我们的光子偏转，这也比什么都没有强。但是我们可以做得更好。我们准确地知道那些天使的行为：非常像光子。因此，我们面临两种选择：一种解释说存在假扮光子的不可见天使，另一种解释说存在不可见光子。因为没有一个独立的解释说明为什么天使要假扮光子，所以后一种解释更胜一筹。

我们没有感觉到在其他宇宙中存在我们的副本，宗教裁判所也没有感觉到地球在脚下运动。然而它确实在动！如果的确存在我们的多个副本，他们仅仅通过察觉不到的轻微的量子干涉效应相互作用，那么请想一下这是什么感觉。这就相当于伽利略当初所分析的那样，如果地球按照日心说运动，那么我们对地球的感觉会是什么样？他发现这种运动是感觉不到的。但是“感觉不到”用在这里可能不是很贴切，地球的运动和平行宇宙的存在都不是直接感觉得到的，但是没有什么东西是直接感觉得到的（可能除了仅仅你自己的存在以外，假如笛卡儿的论点成立的话）。但是，如果我们通过科学仪器考察它们，则它们对我们的“反冲”是可察觉的。在这个意义上，这两者是感觉得到的。我们可以看见傅科摆摇摆的平面在一点点转动，揭示了地球在下面自转。我们也可以探测到光子在其他宇宙中的副本的干涉下发生偏转。我们与生俱来的感官不能“直接”察觉到这些现象，这仿佛只是进化的意外事故。

关于某物存在的理论，其令人信服的程度并不取决于这个东西反冲的强度，重要的是它在理论解释中所扮演的角色。我已经给出过物理学中的例子，非常微小的“反冲”导出关于实在性的重要结论，因为没有别的解释。反之也是可能的：在相互对立的解释中间，如果没有明显的胜出者，那么即使非常强有力的“反冲”也不能使我们相信其独立实在性。例如，某天你可能看见一群可怕的妖怪来侵袭你，然后你就醒了。一种解释认为妖怪是你自己的心智造成的，如果这就足够的话，那么相信真实地存在这种妖怪就没道理了。如果你在喧嚣的大街上行走时突然感觉你的肩膀疼了一下，环顾左右，什么也没发现，你可能会奇怪，这疼痛究竟是由你自己的无意识的心智引起的，还是由你的身体引起的，还是由外在的什么东西引起的。你可能认为，有可能是某个躲在暗处的恶作剧者用气枪打了你一下，而这个人是否真实存在却不了了之。但是，如果你在人行道上看见滚落了一个气枪弹丸，那么你就会相信气枪解释是最好的，从而你就会采纳它。换句话说，你会暂时地推断一个你从没见过的且可能永远不会见面的人的存在性，其原因仅仅是那个人在你所知道的最好的解释中所扮演的角色。很明显，关于这个人存在性的理论并不是观察所得证据（恰好只包含一次观测）的逻辑结论，也不具有“归纳推广”的形式，正如再做一遍同样的实验会得到同样的结果一样，而且也不是实验可检验的，因为实验永远不能证明不存在一个隐藏的恶作剧者。尽管这样，如果它是最好的解释，则支持该理论的观点仍然是绝对令人信服的。

每当我用约翰逊博士的准则说某物存在时，特别地，有一个性质总是相关的，即复杂性。我们总是喜欢简单的解释，而不喜欢复杂的解释；喜欢能够说明细节和复杂性的解释，而不喜欢只能说明现象的简单表面的解释。约翰逊博士的准则告诉我们，应该把那样一些复杂实体看作真实的，即如果不把它们看作是真实的，将使我们的解释复杂化。例如，我们必须把行星看作是真实的，因为若不然，则我们将不得不给出复杂的解释，这种解释或者用宇宙天象仪，或者用变更的物理定律，或者用天使，或者用别的什么，在某个假设下，将给我们以天空中存在行星的错觉。

因此，实体在结构或者表现方面被观察到的复杂性是该实体真实性的证据之一，但还不是充分证据。例如，我们不认为自己在镜子里的映像是真实的人。当然，幻影本身是真实的物理过程，但是我们看见的幻影不是真实的，因为它们的复杂性来自别的地方。它们的复杂性不是自主的。为什么我们接受映像的“镜面”理论，却拒绝太阳系的“天象仪”理论？这是因为给定镜子作用的简单解释，我们就能够理解在镜子里所见的东西并不是真正在镜子后面。不需要进一步的解释，因为映像虽然复杂，却不是自主的——它们的复杂性仅仅来自处于镜子这一边的我们。对于行星则不是这样，认为宇宙天象仪是真实的、在它以外空无一物的理论只会使得问题更糟。因为如果接受它，那么在问太阳系是怎样运行之前，我们还必须问天象仪是怎样工作的，然后才是它描绘的太阳系是怎样运行的。我们不能回避后一个问题，而它实际上是我们正要回答的第一个问题的翻版。现在我们把约翰逊博士的准则改述如下：

如果按照最简单的解释，某实体是复杂且自主的，那么该实体就是真实的。

计算复杂性理论是计算机科学的一个分支，它是有关执行一定类的计算需要多少资源（如时间、存储量或者能量）的理论。一段信息的复杂性定义为：再生它时计算机需要的计算资源（如程序长度、计算步数或者存储量）。有几种不同的复杂性定义在使用，每种都有它自己的使用范围。我们不需要关心精确的定义，它们都基于一个思想，即复杂的过程实际上给我们提供的结果都是需要大量计算的。天象仪很好地阐明了行星运动“给我们提供的结果需要大量计算”的意思。考虑一台计算机控制的天象仪，计算机计算出投影仪应该显示的表示夜空的精确图像。为了真实地做到这一步，计算机必须利用天文学理论的公式。实际上，这种计算同它为了让天文台看见真实的行星和恒星，为其望远镜指示方向时所做的计算一样。我们说天象仪的外观与它描绘的夜空一样复杂，意思是指这两种计算（其中一种描绘夜空，另一种描绘天象仪）大部分是相同的。于是，按照假想的计算，我们可以再次把约翰逊博士的准则改述如下：

如果需要大量的计算才能给我们以某实体是真实的幻觉，则该实体就是真实的。

如果每当约翰逊博士伸腿时他的腿总是被弹回来，那么引起他的幻觉的源头（上帝、虚拟现实机器或者任何别的）只需要执行简单的计算，就能确定何时给他以腿被弹回的感觉（比如“如果腿伸出则被弹回……”）。但是，为了重现在实际的实验中约翰逊博士的感觉，就必须考虑到石头的位置，约翰逊博士的脚是否碰上了石头，石头有多重、多硬、放得稳不稳，以及是否有别人刚把石头踢开，等等——需要大量的计算。

坚持单一宇宙世界观的物理学家有时会这样解释量子干涉现象。“不存在影子光子。”他们说，“使得间隔开的裂缝影响我们所见的光子的东西是虚无。当远处的裂缝打开时，仅仅是某种遥距作用（就像牛顿的引力定律一样）使得光子改变了轨迹。”但是，这种假设的遥距作用一点儿也不“简单”。合理的物理定律将不得不认为，光子被远处的物体所影响，就好像有什么东西穿过这段距离间隙，又从远处的镜子被弹开，恰好在正确的时间和空间上拦截了那个光子。计算一个光子如何对这些远处的物体作出反应，所需要的计算量等同于计算出大量影子光子的历史的计算量。这种计算必须完成每一个影子光子的动作过程的计算：弹开这个光子，又被那个光子拦截，等等。因此，正像约翰逊博士的石头和伽利略的行星一样，关于影子光子的叙述不可避免地出现在对观测结果的所有解释中。这种不可简化的叙述使得否认影子光子的存在在哲学上是站不住脚的。

物理学家戴维·波姆构造了一个理论，其预言结果与量子理论相同，他认为每一个光子都带有一种波，越过整个障碍物，穿过裂缝，然后与我们所见的光子发生干涉。波姆的理论通常被作为单一宇宙版本的量子理论。但是根据约翰逊博士的准则，这是不对的。算出波姆的不可见波所需要的计算量，其实等同于算出万亿个影子光子的计算量。一些波描述作为观察者的我们探测到光子并对其做出反应；另一些波描述我们的其他副本在不同的位置上对光子做出反应。波姆的谦逊术语——把大部分实在称为“波”——没有改变这一事实，即在他的理论中，真实世界由大量复杂实体的集合组成，每一个实体能够感知自己所在集合中的其他实体，而只能间接感知其他集合中的实体。这些实体的集合，换个词，就是平行宇宙。

我已经说过，伽利略的关于我们与外部世界关系的新概念是一个伟大的方法论发现，它给我们一种全新而可靠的包含观察证据的推理形式，这的确是他的发现之一：科学推理是可信赖的，但不是说它可以证明某个具体的理论能够无需修改、常盛不衰，而是说我们信赖它是正确的选择，因为我们是给问题寻找解决办法，而不是寻找终极证明。观察证据的确是证据，但不是说理论可以从中演绎、归纳或者以其他方式推导出来，而是说它可以成为我们喜欢一个理论而不喜欢另一个的真正理由。

然而，伽利略的发现还有另一个方面很少被意识到。科学推理的可靠性不仅仅是我们——我们的知识和我们与真实世界的关系——的属性，它还是关于物理实在本身的一个新的事实，这一事实被伽利略表述为“自然之经书是用数学符号写成的”。如我所说，根本不可能“读取”自然界的任何一点理论：那是归纳主义者的错误。真实存在的东西是证据，或者更准确地说是实在，当我们与它适当地相互作用时，它会以证据的形式回应我们。给定一段理论或者几段对立的理论，存在证据以使我们能够区分这些理论。任何人只要愿意都可以寻求它们，找到它们，改进它们。他们不需要授权、倡议或者经文圣言，只需以正确的方式对待它们——心里带着众多问题和有希望的理论。这种开放的亲和性，不仅是证据，而且是整个获取知识的机制，才是伽利略的真实世界概念的关键属性。

伽利略可能认为这是显然的，但实际并非如此。这是关于物理实在是什么的本质断言。从逻辑上讲，现实存在并不需要有这种支持科学的性质，但是它的确有，而且很多。伽利略的宇宙充满了证据。哥白尼在波兰为他的日心说已经收集了证据，第谷在丹麦收集了自己的证据，开普勒在德国收集了证据。伽利略把望远镜指向意大利的天空，获得了更多的同样的证据。几十亿年来，在每一个晴朗的夜晚，地球表面的每一块土地上都倾泻了大量的有关天文学事实和定律的证据。对于许多其他科学，证据也是一样随处可见，在现代用显微镜和其他设备可以看得更加清楚。当证据还没有真正出现时，我们可以让它出现，利用激光和穿破的挡板这样的仪器——任何人在任何地方任何时候都可以建造这些仪器。不论是谁揭示的，证据都是一样的。理论越基础，有关它的证据就越容易得到（对于那些知道如何观察的人），不仅仅在地球上，而且遍布整个多重宇宙。

因此，物理实在是在几个层面上自相似的：在惊人复杂的宇宙和多重宇宙中，某些模式无穷无尽地重复着。地球和木星在许多方面是非常不同的行星，但是两者都沿椭圆轨道运行，都由约100种同样的化学元素组成（虽然比例不同），它们的平行宇宙副本也是一样的。那些极大地影响了伽利略及其同时代人的证据，也存在于其他行星和遥远的星系上。物理学家和天文学家此刻正在思考的证据在10亿年前就已存在，10亿年后还会存在。存在一般的解释性理论，这意味着截然不同的物体和事件在许多方面是物理相似的。从遥远的星系到达我们这里的光，毕竟仅仅是光而已，但对于我们它就像星系。因此，真实世界不仅包含证据，而且包含理解它的方法（如我们的心智和人造物品）。在物理实在中存在数学符号。虽然是我们把符号写下来的，但是这并不能说明它们不是物理实在。那些存在于我们的天象仪、书籍、电影、计算机存储器以及我们的脑子里的符号中，有大量物理实在的图像，不仅有物体外观的图像，而且有真实世界的结构的图像；有还原的规律和解释，也有凸现的规律和解释；有关于宇宙大爆炸以及亚核粒子和过程的描述和解释，也有数学抽象、小说、艺术、道德、影子光子、平行宇宙。就这些符号、图像和理论的正确性而言——即它们在一定方面相似于它们所指代的具体的或抽象的事物，它们的存在给真实世界以一种新的自相似性，这种自相似性我们称为知识。

术语

日心说：认为地球绕太阳运动并绕轴自转的理论。

地心说：认为地球不动，其他天体绕其运动的理论。

现实主义：认为外部物质宇宙客观存在并通过感官影响我们的理论。

奥卡姆剃刀（我的诠释）：不要没必要地使解释复杂化，因为若不然，没必要的复杂部分本身仍然得不到解释。

约翰逊博士的准则（我的诠释）：如果它能反冲，则它就存在。更精细的解释是：如果按照最简单的解释，某实体是复杂且自主的，那么该实体就是真实的。

自相似性：物理实在的某些部分（如符号、图片或者人类思维）相似于其他部分。这种相似可以是具体的，如天象仪的图像相似于夜空；更重要的是，它还可以是抽象的，如印在书里的量子理论的一条陈述正确地解释了多重宇宙结构的某个方面。（有些读者可能对分形几何比较了解，但这里定义的自相似概念比分形几何中使用的概念要宽广得多。）

复杂性理论：计算机科学的一个分支，是有关完成一定类的计算需要多少资源（如时间、存储量或者能量）的理论。

小结

虽然唯我主义及相关学说在逻辑上是自洽的，但是如果认真地把它们当作解释，就会导致全面否定它们。虽然它们都宣称自己是简化的世界观，上面的分析揭示出它们不过是站不住脚的过于造作的现实主义。真实实体的行为是复杂且自主的，这可以作为实在性的准则：若某物“反冲”，则它存在。科学推理不是把观察当作外推的基础，而是用观察把诸多同样好的解释辨别开，科学推理能够给我们关于真实世界的真正的知识。

因此，科学以及其他形式的知识正是由于物质世界的特殊的自相似性才成为可能。然而，并不是物理学家而是数学家和计算机理论家首先发现并研究这一性质的，他们称其为计算的通用性。计算理论是我们的第三大理论。

第5章 虚拟现实

传统上，计算理论差不多是被作为一个纯数学题目完全抽象地进行研究。这就失去了问题的要点。计算机是物理装置，计算是物理过程。计算机能做什么而不能做什么完全取决于物理定律，而不取决于纯数学。计算理论一个最重要的概念是计算的“通用性”。通用计算机通常被定义为一个抽象机，它能模仿定义清晰的所有其他抽象机的计算。然而，通用性的意义在于，通用计算机，或至少是对它的某种良好近似的计算机，可以被真正制造出来，并且不仅可以用来计算它们彼此的行为，而且能用来计算所关心的物理实体和抽象实体的行为。这是可行的这一事实就是在前一章中提到的物理实在的自相似性的一部分。

通用性的最有名的物理展示是一个已经讨论了几十年，但直到现在才开始起飞的技术领域，即虚拟现实。这个词用来指所有这样一类情景：人为制造出一个人感觉自己好像正在经历某个指定环境。例如，飞行模拟器就是一种虚拟现实生成器，它能给飞行员以无须离开地面就在驾驶飞机的感觉。这种机器（或更确切地说，控制这种机器的计算机）可以被编程为具有实际的或想象的飞机特性。飞机所处的环境，如天气和机场布局，也可以在程序中规定。当飞行员练习从一个机场飞到另一个机场时，模拟器控制适当的图景出现在窗口上，让飞行员感觉到适当的颠簸和加速，仪表上显示出相应的读数，等等。它还可以加入其他效果，例如湍流、机械故障以及对飞机的建议修改方案。这样飞行模拟器可以给用户[1]非常广泛的驾驶体验，包括在真实飞机上都不能体验到的：模拟飞机的性能特点可以违反物理定律，例如钻过山脉飞行、超光速飞行或无燃料飞行。

既然我们通过感官体验环境，那么任何虚拟现实生成器必须能够操纵我们的感官，取代它们的正常功能，让我们感觉到指定的环境，而不是实际的环境。这听起来像阿道斯·赫胥黎的《美妙新世界》里的描写，当然，对人类感觉体验进行控制的人工控制技术已经演变了几千年。所有具象艺术和远距离通信技术都可以被看作“取代正常的感觉功能”，甚至史前洞穴壁画都给人一种感觉，好像看见了并不真实存在的动物一样。今天我们能够更准确地做这件事，使用电影和录音，虽然模拟的环境还不够达到以假乱真的效果。

我使用印象生成器这个词，指代任何诸如天象仪、高保真音响系统或调味架这样的装置，它们能够给用户输入可指定的感觉，如图像、声音、味道等，这些都算作“印象”。例如，如果想生成香草的嗅觉印象（即气味），可以打开调味架上的香草瓶。如果要生成《莫扎特第20钢琴协奏曲》的听觉印象（即声音），可以打开高保真音响系统播放相应的激光唱片。所有印象生成器都是初级的虚拟现实生成器，但“虚拟现实”这个术语一般专用于这种情形：不仅覆盖了范围广泛的用户感觉，而且还包含了用户与被模拟实体间存在互动（“反冲”）这一实质要素。

今天的视频游戏的确允许玩家和游戏体之间互动，但通常只覆盖用户的一小部分感觉范围。所营造的“环境”包括一块小屏幕上的图像，配合着用户听见的声音。但已经有了更加名副其实的虚拟现实视频游戏，典型的装备是，用户带着一个头盔，头盔里内置耳机和两个电视屏幕，每个眼睛一个屏幕，也可能还有一双特殊手套、其他服装以及连接电动控制系统的效应器（压力产生设备），还有一些传感器用于探测用户身体的运动，尤其是头部的运动。用户的动作信息传给计算机，计算机算出用户应该看见什么、听见什么、感觉什么，并传出适当信号给印象生成器（见图5-1）。当用户左右看时，两个电视屏幕展示全景画面，正如真实视野一样，展示在虚拟世界中用户的左边和右边的情景。用户可以伸出手拿起一个虚拟物体，感觉很逼真，因为不论该物体被看见处于哪个位置和方向，手套上的效应器会产生合适的“触觉反馈”。

图5-1 现在实现的虚拟现实

目前玩游戏和模拟开汽车是虚拟现实的主要用途，但是人们正在为不远的将来构想大量新的用途。很快这一切都会成为司空见惯的事情：建筑师们创造出虚拟现实的建筑原型，客户可以漫步于其中，几乎可以毫不费力地试验尝试各种修改方案。顾客可以行走（甚至飞行）于虚拟现实超市而无须离开家，也不会遇到超市里拥挤的人群或听那些不喜欢的音乐。他们也不必单独一人逛模拟超市，任意多个人可以结伴在虚拟现实里购物，每个人都可以看见其他人以及超市的影像，大家都不必离开家。举行音乐会和讨论会可以不需要现场，不仅节省了大礼堂的费用以及住宿和旅行的费用，而且还有一个好处，即每个参加者都可以同时坐在最好的座位上。

如果伯克莱大主教或宗教裁判所知道了虚拟现实，他们可能会抓住机会把这作为感官欺骗性的完美示例，支持他们反对科学推理的论点。如果飞行模拟器的驾驶员试图采用约翰逊博士的实在性检验准则，那会是什么情况？尽管模拟飞机及其周边环境并不存在，但它们确实对飞行员“反冲”了，好像真的存在一样。驾驶员可以一打开油门就听到发动机的轰鸣声，感觉到座椅的推力，透过窗户看见发动机在振动并喷着热气，尽管事实上根本不存在发动机。驾驶员可以体验到飞机飞过暴风雨时的感觉，听见雷声，看见雨滴拍打在挡风玻璃上，尽管实际上这些东西都不存在。事实上在座舱外面只有一台计算机、几台液压千斤顶、电视屏幕、音箱，以及一间完全干燥、静止的屋子。

这是不是使得约翰逊博士对唯我主义的反驳失效？不是。他和博斯韦尔的对话在飞行模拟器里也一样可以进行。他可以说“我这样反驳它”，然后打开油门，感觉到模拟发动机的反冲。并不存在发动机，反冲的最终只是计算机，它运行的程序计算出如果发动机被“踢”，它会怎样反应。但这些外在于约翰逊博士心智的计算，对油门控制的反应方式与真发动机一样，是复杂的和自主性的。因此，它们通过了实在性检验，而且理所当然，因为事实上这些计算就是计算机内部的物理过程，而计算机是一个普通的物理实体——和发动机一样，是完全真实的。计算机虽然不是真的发动机，但并不影响反驳唯我主义的论点。毕竟，并非所有真实的东西都必须是容易识别的。在约翰逊博士的原始论证中，一个看起来像岩石的东西后来被证明是伪装成岩石形状的动物，或者一个花园土地神其实不过是全息投影。这都没有关系，只要它的反应是复杂的和自主的，约翰逊博士说它是由真实的、外在于他自己的东西引起的，因此真实世界并不仅仅由他一人组成这个结论就没有错。

然而，虚拟现实的可行性仍使我们那些以科学为世界观基础的人颇感不舒服。仅仅从物理学角度想一想虚拟现实生成器是个什么东西吧。它当然是一个物理实体，同其他所有物体一样遵从同样的物理定律。但是它会“假装”，假装是另外一个完全不同的东西，遵从错误的物理定律。更要命的是，它可以用复杂且自主的方式伪装自己。当用户踢它，检验它所假扮的东西的真实性时，它会反冲回来，好像它真的就是那个假扮的不存在的东西似的，好像错误的物理定律是真的一样。假如我们只能从这样的实体中学习物理，那么我们会学到错误的物理定律。（真的吗？奇怪的是，事情没有这么直接了当。我在下一章中将回到这个问题继续讨论，但首先我们必须更加仔细地思考虚拟现实这一现象。）

表面上看，伯克莱大主教似乎有一定道理，虚拟现实是人类能力粗劣性的标志，其可行性警示我们，人类理解物理世界的能力存在天生的局限。虚拟现实的描绘似乎与幻觉、迷惑、巧合属于同一哲学范畴，因为这些也是看起来像真的，但实际上误导我们的现象。我们已经看到，科学世界观能够容忍甚至是预料到极端误导现象的存在，这一出类拔萃的世界观既能容忍人类的错误，又能迁就外部的错误源头。尽管如此，误导现象基本上是不受欢迎的。除了能满足人们的好奇心，或者供我们研究为什么会受到误导以外，误导现象是我们竭力回避、不希望有的东西。但虚拟现实不属于这个范畴。我们将看到，虚拟现实的存在并不表示人类理解世界的能力是天生有局限的，恰好相反，它表示人类的理解力是天生无限的。它绝不是由人类感觉器官的某些偶然性质引起的异常现象，而是整个多重宇宙的基本性质。多重宇宙具有这个性质，远远不是现实主义和科学的小小尴尬，而是对二者都具有本质意义——恰恰是这种性质才使得科学成为可能。它不是“我们不希望有的东西”，而是我们简直不能没有的东西。

这些话像是代表飞行模拟器和视频游戏利益的高调宣传，但是处于事件中心地位的是一般意义上的虚拟现实现象，而不是具体的虚拟现实生成器。因此，我希望尽量一般地讨论虚拟现实。虚拟现实的最终极限是什么，如果有的话？哪种环境理论上可以人工营造，其精度如何？这里“理论上”的意思是指忽略技术上的暂时限制，但是考虑到所有由逻辑和物理原理所施加的限制。

按照我的定义，虚拟现实生成器是一种机器，它让用户体验到一些真实的或虚构的环境（如在飞机里），而这些环境处于或似乎处于用户心智的外部。我称这种体验为外部体验。外部体验截然不同于内部体验，例如一个人首次单独着陆时的紧张感，或者看见在万里晴空中突然出现雷雨时的惊讶。虚拟现实生成器在带给人外部体验的同时，间接地造成人的内部体验，但是它不能提供具体的内部体验。例如，一个飞行员在模拟器里做了两次大约同样的飞行，经历了两次大致相同的外部体验，但当第二次飞行中出现雷雨时，他就不会感到那么突然。当然，飞行员对雷雨的第二次反应会和第一次有所不同，因此导致随后的外部体验也会有所不同。但要点在于，虽然人们可以为机器编程，随时指挥它在飞行员的视野中产生雷雨，却不能编写程序控制飞行员对此作何反应。

你可以构想出一项超越虚拟现实的技术，它可以诱导出指定的内部体验。有些内部体验（例如由某些药品诱导出的情绪）已经能够人工控制，无疑未来其范围还可能扩大。但是对于一部能够生成指定的内部体验的生成器，一般来讲，它必须不仅能替换掉用户的正常感觉功能，而且能替换掉其正常心智功能。换句话说，这将把整个人替换掉。那么这部机器就与虚拟现实生成器不是同一类东西了。这需要完全不同的技术，产生完全不同的哲学问题，因此我把它排除在我的虚拟现实定义之外。

另一类肯定不能人工营造的体验是逻辑不可能的体验。我说过飞行模拟器可以创造物理上不可能的飞行体验，例如钻过一座高山，但不可能创造出将181分解成因数的体验，因为这是逻辑上不可能的：181是一个素数。（相信自己分解了181，这是一个逻辑上可能的体验，但却是内部体验，所以也不在虚拟现实范围内。）另一个逻辑不可能的体验是丧失知觉，因为按照定义，当一个人丧失知觉时，他什么也没有体验到。什么也没有体验到和体验到完全丧失感觉功能这二者完全不同，后者称为感觉隔离，当然这是物理上可能的环境。

排除了逻辑不可能的体验和内部体验，剩下的就是一大类逻辑可能的外部体验，也就是对逻辑上是可能的，但物理上也许可能也许不可能的环境的体验（见图5-2）。如果某事物不违背物理定律，那么它就是物理上可能的。在本书中，我将假设“物理定律”包括一条现在还未知的物理规则，它决定多重宇宙的初始状态，或者为了从理论上完整描述多重宇宙所必需的其他补充数据（否则这些数据将变成一组本质上无法说明的事实）。在这种情况下，一个环境是物理上可能的，当且仅当它实际存在于多重宇宙中（即在某个或某些宇宙中）。如果它不存在于多重宇宙中，它就是物理上不可能的。

图5-2 体验的一种分类，各附一个实例。虚拟现实关心的是生成逻辑可能的外部体验（表的左上角区域）

我把虚拟现实生成器的全部本领定义为生成器可以被编程提供给用户体验的所有真实的和想象的环境的集合。虚拟现实的最终极限问题可以这样表述：物理定律对虚拟现实生成器的全部本领施加了哪些限制？

虚拟现实总是涉及产生人造的感觉印象——印象生成，让我们就从这里开始。物理定律对印象生成器生成人造印象、表现细节以及覆盖各自的感觉范围方面施加了哪些限制？显然有许多方法可以改进目前的飞行模拟器的描绘细节，如采用高清晰度电视等。但是现实中的飞机及其周围景观的细节描绘在理论上能够达到最终的极限吗？即能详细到飞行员感觉器官的最小分辨率吗？在听觉方面，高保真音响系统已经几乎达到了这一最终极限，视觉离最终极限也只差咫尺之遥。但其他感觉呢？物理上有可能建造一个通用化工厂，可以从几百万种不同化学品中即刻生产出指定的香味，这是明显的吗？或者建造一台机器，将其插入美食家的嘴巴，就能表现出任何一道菜肴的味道和材质？更不用说制造饭前的饥渴感和饭后的满足感了。（饥饿、口渴、平衡感和肌肉紧张感等其他感觉被看作处于人体内部，但是外在于心智，因此可能落在虚拟现实范围内。）

实现这样的机器也许仅仅存在技术上的困难，但下面讲述的情景怎么办呢？设想飞行模拟器里的飞行员让模拟飞机快速垂直上升，然后关掉发动机。飞机会继续爬升直至耗尽上升动量，然后开始加速回落。尽管开始时飞机向上爬升，整个运动却被称为自由落体运动，因为飞机只受重力作用。当飞机自由降落时，里面的人就处于失重状态，能够飘浮在座舱里，就像轨道上的宇航员一样。要想恢复重力，只有当向上的力被重新作用到飞机上以后才行。很快就会出现这种情况了，要么是靠空气动力学的作用，要么是靠无情的地面撞击。（实际上，通常实现自由落体运动的方法就是让飞机在动力驱动下抵消空气阻力，沿着没有发动机动力和空气阻力时的抛物线轨迹飞行。）自由落体运动的飞机用于在宇航员升入太空以前进行失重训练。真正的飞机可以做持续几分钟的自由落体运动，因为有几千米的空间供它上升、下降。但是地面的飞行模拟器只能维持一瞬间的自由降落，因为它是靠模拟器的支架将它升至最高点，然后掉下来。失重训练不能用飞行模拟器（至少是目前的），而需要用真飞机。

能不能弥补飞机模拟器的这一缺陷，使它有能力在地面上模拟自由落体运动呢（这样它还可以用作太空飞行模拟器）？这并不容易，因为有物理定律从中作梗。在已知的物理学中，除了自由降落以外，甚至在理论上都没有别的办法去除物体的重量。唯一可以让飞行模拟器进入自由落体状态而又在地球表面上静止的办法，是在其上方悬挂一个巨大的物体，例如另一颗和地球质量差不多的行星，或者一个黑洞。即使这是可能的（别忘了，我们这里关心的不是现实的可行性，而是物理定律是否允许的问题），在真实的飞机中，飞行员操纵飞机或开关发动机，还可能造成飞机内部物体重量和方向的频繁复杂的变化。为了模拟这些变化，头上那个巨大的物体还必须同样频繁地来回移动，看起来似乎光速（如果没有别的东西）对这个运动的速度会有一个绝对的限制。

但是为了模拟自由落体运动，飞行模拟器不必造成真正的失重，只需要造成失重的感觉就行了。已经有多种技术模拟失重的感觉，而不涉及自由落体运动。例如，宇航员穿着太空服在水下训练，太空服的重量正好和浮力相等，达到悬浮状态。另一项技术是让宇航员套上安全带，在计算机控制下穿行于空中，模拟失重效果。但这些方法很粗糙，这样造成的感觉很难让人有身临其境的感觉，更不用说以假乱真了。人不可避免地会被自己的肌肤支撑着，这是无法避免的感觉，而且人通过内耳的感官体验到的自由降落的感觉特征完全没有被模拟出来。人们可以想象更好的改进办法：采用黏性很低的液体支撑人体，或用药物产生自由降落的感觉。但是能不能在地面上固定的飞行模拟器里完美地再现自由落体的体验？如果不能，那么人工制造的飞行体验的逼真度就存在一个绝对的极限。飞行员只需要沿着自由落体的轨迹飞一圈，看看是否真正发生了失重，就能感受到真实飞机和飞机模拟器的区别。

一般来说，这个问题是这样的。为了取代感觉器官的正常功能，我们所提供的图景必须类似于被模拟环境的图景，而且还必须截断并屏蔽掉用户的真实环境的图景。但这些对图景的操纵都是物理操作，只有真实物理世界中允许的操作才能进行。光和声音在物理上可以很容易地被屏蔽并替换掉，但是如我所述，重力无法这样处理：物理定律恰好不允许。失重的例子似乎启示我们，由不进行实际飞行的机器来精确模拟失重环境也许违背了物理定律。

但并不是这样。失重感觉和其他感觉一样，理论上是可以人工再现的。最终将有可能完全绕过感觉器官，直接刺激通向大脑的神经。

因此，我们并不需要通用化工厂或者不可能实现的人造重力模拟机。如果我们充分理解了嗅觉器官，能够破译它向大脑传送的气味信号的编码，那么连接相关神经的计算机就可以向大脑传送同样的信号，这样即使对应的化学品不曾存在，大脑也能感知到这个气味。类似地，在正常重力作用下，大脑也能体验真正的失重感觉，当然也不需要电视和耳机。

因此，物理定律并不对印象生成器的范围和精度设置任何限制。只要是人类能够体验的感觉或一连串感觉，理论上都能够人工营造。总有一天将出现一种广义电影，类似于赫胥黎在《美妙新世界》中所称的“多感知机”，所有感觉一应俱全的电影。你能感觉到小船在脚下摇晃，听见波涛声，嗅到海腥味，看见地平线上日落时分的五彩斑斓，感觉海风吹动你的头发（不管你有没有头发）。这一切都不需要离开干土地或者到户外去冒险。不仅如此，多感知机还能轻松绘制从未存在过的景色以及不可能存在的景色，而且它还能演奏音乐的等价物：愉悦感官的美妙且抽象的感觉组合。

虽然每一可能的感觉都能人工营造，但是有没有可能将来某一天一劳永逸地造一台机器，它能够营造任何可能的感觉呢？这需要一个额外的性质：通用性。有这种本领的多感知机叫作通用印象生成器。

通用印象生成器的可能性，迫使我们改变关于多感知机技术的最终极限这个问题的看法。目前，这种技术的进展全是关于如何发明更丰富、更精确的方式刺激感觉器官。但一旦我们破解了感觉器官所用的编码，开发出了足够精确灵敏的刺激神经的技术，这一类问题将不复存在。一旦我们人工产生的神经信号足够精确，以至于人脑无法区分这种信号和感觉器官传送来的信号，那么提高这种技术的精度就不再有意义了。那时这些技术就将到达成熟期，进一步改进的挑战不在于如何营造指定的感觉，而在于选择哪种感觉来营造了。在有限的领域，这已经是现今正在发生的事情。借助于CD和现代音响设备，最逼真地再现音响效果的问题已经接近完美解决，很快将不再有高保真发烧友。音响再现发烧友们将不再关心音响再现的精度如何——这个精度肯定能达到人的分辨力的极限，而是只关心首先录制哪些声音。

如果印象生成器正在播放生活实录，那么它的准确度可定义为营造的印象与亲身经历的印象的接近程度。更一般地说，如果生成器播放的是人工设计的印象，如卡通片或根据乐谱演奏的音乐，那么它的准确度则定义为实际营造的印象和我们想要的印象的接近程度。“接近程度”是指用户感知的接近程度。如果营造的印象与想要的印象如此接近，以至于用户无法区分，则称为完全准确。（所以对一个用户来说完全准确的营造，另一个感觉更敏锐或有特异感觉功能的用户也许就能察觉其中有不准确的地方。）

当然一个通用印象生成器不会包含所有可能印象的记录，使其具有通用性的是，只要给定任何可能印象的记录，它就能唤起用户相应的感觉。对于通用听觉生成器——终极高保真系统，这个记录可以CD唱片形式给出。为了迎合超过唱片存储容量的听觉需要，我们必须实现一种机制，能够连续不断地向机器灌入任意张唱片。所有其他通用印象生成器也都必须满足同样的条件，因为严格来讲，印象生成器必须包含某种机制，能够无休止地播放持续时间无限的记录，否则它就不是通用的。此外，机器长时间播放后需要维修，否则生成的印象的质量会逐渐退化，甚至完全停止。诸如此类的考虑都与这样一个事实有关：孤立地考察与宇宙其余部分相隔离的单个物理对象总是一种近似。通用印象生成器仅在一定外部环境下才是通用的：假设已经为它准备了诸如能量供应、冷却系统以及定期维护等。对外界有这样需求的机器仍可以称为“独立通用机器”，只要这些需求不违反物理定律，而且满足这些需求不需要修改机器的原有设计。

前面说过，印象生成只是虚拟现实的一部分，另外还有互动这一个至关重要的因素。虚拟现实生成器可以被看作这样的印象生成器：其印象并不是预先完全指定好的，而是部分地依赖用户的反应。与电影和多感知机不同，虚拟现实生成器并不按照预定的顺序播放印象给用户。它一边播放一边合成印象，将用户动作的一连串信息也考虑进去。例如，现在的虚拟现实生成器利用图5-1所示的运动传感器跟踪用户的头部姿态。最终它必须跟踪可能影响被模拟环境的主观印象的一切用户动作。环境可以包括用户自己的身体，因为身体是外在于心智的，在虚拟现实环境的说明规范里，可以合理地要求用户的身体由具有指定特性的新的身体所替换掉。

人类心智通过发射神经脉冲来影响身体和外部世界。因此，通过截获用户大脑传来的神经信号，虚拟现实生成器理论上可以获得所有关于用户反应的信息。这些本来应该抵达用户身体的信号可以改为传到计算机上进行解码，从而决定用户身体到底应该怎样动。计算机传送回大脑的信号可以跟用户果真亲临其境时身体传给大脑的信号一样。如果需要，被模拟身体的反应也可以与真实身体反应不一样。例如，在真实环境中会使人体致死，而在模拟环境中则可以让身体存活下来，或者模拟身体机能失常。

我得承认，认为人类心智仅仅通过发射和接收神经脉冲与外部世界相互作用，这种说法也许过于理想化了。此外，还有化学信息的双向流动。我所假设的是，理论上这些信息都可以在大脑与身体其他部分之间的某处被截获并替换。这样，用户只要躺着不动，脑袋连着计算机，就能充分体验与模拟世界相互作用的感觉——等于生活在虚拟世界中。图5-3说明了我的设想。顺便提到，虽然这种技术未来才可能实现，但其想法比计算理论本身早得多。17世纪早期，笛卡儿已经考虑了操纵感觉的“精灵”（demon）在哲学上的寓意，这个精灵本质上就是图5-3所示的那种虚拟现实生成器，只不过用超自然心智替代了计算机。

图5-3 未来也许能实现的虚拟现实

上述讨论似乎表明，任何虚拟现实生成器必须至少有3个主要组成部分：

一套传感器（可以是神经脉冲探测器），用于探测用户正在做什么；

一套印象生成器（可以是神经刺激设备），以及

一台计算机，用于进行控制。

迄今为止，我的讨论主要集中于前两个要素：传感器和印象生成器。这是因为目前技术尚处于原始阶段，虚拟现实研究仍主要关注印象生成技术。但是，如果我们把目光放长远，超越暂时的技术局限，就能认识到印象生成器仅仅是用户和真正的虚拟现实生成器（即计算机）之间的接口——“连接电缆”——而已。这是因为指定的环境完全是在计算机内部进行模拟，是计算机提供了复杂且自主的“反冲”，为“虚拟现实”中的“现实”一词提供了依据。连接电缆对于用户所感知的环境没有任何贡献，对用户是“透明”的，正如我们自然不会把自己的神经看作环境的一部分一样。因此，未来的虚拟现实生成器最好描述为只有一个主要部件——计算机，再加上一些不重要的外部设备而已。

我并不想低估截获进出人脑的神经信号以及破解其中各种编码的实际困难，但这类问题数目有限，我们只需解决它们一次。解决之后，虚拟现实技术的焦点将彻底地转向计算机，转向如何为它编程营造各种环境。我们能够营造什么环境将不再取决于我们能够制造什么样的传感器和印象生成器，而是取决于我们能够详细说明哪些环境。“详细说明”一个环境的意思就是为计算机编写一个程序，而计算机是虚拟现实生成器的心脏。

因为虚拟现实本质上是交互的，所以营造的准确度这一概念对于虚拟现实就不像对于印象生成那样直截了当。正如我说过的，印象生成器的准确度定义为绘制的印象与我们想要的印象的接近程度。但在虚拟现实中，通常并没有具体的想要的印象，想要的是给用户体验的某种环境。详细说明一个虚拟现实环境并不等于详细说明用户将经历什么，而是要说明环境对用户的每一个可能的动作会做出什么反应。例如，在模拟的网球赛中，可以预先指明球场的外观、天气、观众的行为，以及对手的水平如何，但无法指明比赛将怎样进行，因为那取决于比赛进行过程中用户采取一系列什么样的对策。每一组不同的对策将导致虚拟环境的不同反应，从而导致不同的网球赛。

单一环境（即由单一程序营造的环境）中可能发生的网球赛数目是非常大的。考虑从参赛者的角度绘制一场温布尔登中心球场的比赛。做一个非常保守的假设，在比赛的每一秒钟，参赛者只能做两种（对参赛者来讲）感觉上不同的动作之一，则2秒钟之后有4种可能的比赛，3秒钟之后有8种可能的比赛，等等。大约4分钟以后，感觉上彼此不同的比赛数目将超过宇宙中所有原子数目的总和，而且继续呈指数增长。一个程序若想准确绘制一个环境，它必须能够根据参赛者采取的行动，从无数种感觉上不同的方式中选择一种进行反应。如果两个程序对用户的所有可能动作都采取完全相同的反应，那么它们营造的环境就是相同的。只要对一个可能动作的反应在感觉上不同，那么它们营造的环境就是不同的。

即使用户从来不曾采取那个显示出这种差别的动作，结论也是这样。程序营造的环境（对于给定类型的用户和给定的连接电缆）是该程序的逻辑属性，与该程序是否运行无关。环境营造得是否准确，是就它对用户的每一个可能的动作是否会以我们想要的方式作出反应而言。因此，它的准确度不仅依赖于用户使用它的实际经历，而且依赖于用户虽未曾有过，但如果在运行过程中用户采取不同动作就会有的那些经历。这听起来有点儿荒谬，但正如我说过的，虚拟现实就像现实本身一样是交互的，这一事实直接导致这个结论。

这就引出印象生成和虚拟现实生成这二者之间的一个重要区别。印象生成器的准确度在理论上是可以由用户来体验、度量和认证的，但虚拟现实的准确度不可能这样。例如，假如你是音乐爱好者，对某一段音乐很熟悉，那么理论上通过聆听它的演奏，你就可以证实它的演奏效果，从头到尾，每一个音符、短句、抑扬顿挫等一切是否得到完美准确的再现。但如果你是网球迷，即使对温布尔登中心球场非常熟悉，那么你永远也不能证实对球场的再现是不是准确的。即使你可以随意在虚拟的中心球场里考察任意长时间，并可以用任何方式“踢”它，甚至可以自由地去到真实的中心球场里作比较，你仍然不能认证这一程序的确再现了真实的场所。因为你永远不可能知道，假如你多考察一会儿，或适时地回头多看了一眼，那将发生什么。也许当你坐在虚拟的裁判椅上大叫“出界”时，一艘核潜艇就会浮出草坪，用鱼雷击中记分牌。

另一方面，只要你发现营造的环境与我们想要的环境有一处不一样，就可以马上认定这一营造是不准确的。除非营造的环境故意有不可预测的特点。例如，赌轮被设计成不可预测的。如果我们拍电影表现赌场里玩轮盘赌的场面，那么影片放映时出现的数字如果和影片制作时实际出现的数字是一样的，我们就可以说电影表现是准确的。每次影片放映时都会显示同样的数字：这是完全可以预测的。因此，不可预测的环境的准确印象一定是可预测的。但是虚拟现实怎样再现轮盘赌才算准确呢？像以前一样，那是说用户应该感觉不出它与真实轮盘赌的区别，但这意味着虚拟的和真实的轮盘赌的行为不能完全一样，不然的话，这二者之一就可以用来预测另一个的行为，从而两个都不是不可预测的了；而且它每次运行的表现还必须有所不同。一个完美再现的赌轮应该与真实的赌轮一样能用来赌博，因此它必须一样不可预测。而且，它还必须同样是公正的，即所有数字必须完全随机地出现，出现概率相同。

我们怎样识别不可预测的环境呢？又怎样确定一个据称的随机数是否真的分布均匀呢？我们检查虚拟的赌轮是否满足要求的方法与检查真实的赌轮的方法一样：通过踢（转）它，看看它的反应是否像宣传的那样。我们做大量类似的观察，然后对结果进行统计检验。但无论做多少次实验，我们都不能确认虚拟赌轮是准确的，甚至不能确定它可能是准确的。因为无论出现的数字显得多么随机，它们仍然有可能包含某种秘密的模式，使得知道这个秘密的用户能够预言它，甚至有可能只要我们大叫滑铁卢战役发生的日期[2]，紧接着出现的两个数字就必然是18和15。另一方面，如果出现的数字序列看起来不够均匀，我们也不敢确定它确实不均匀，但是我们也许可以说这个虚拟赌轮可能是不准确的。例如，如果连续转动虚拟赌轮10次，每次都出现零，我们就可以断定这个虚拟赌轮可能是不准确的。

在讨论印象生成器时，我说过被营造印象的准确度取决于用户感觉的灵敏度和其他属性。对虚拟现实来说，这个问题是最轻的。当然，虚拟现实生成器对某个指定环境的营造，对人类来说可能相当完美，对海豚或外星人来说则不一定。为了给拥有一定类型感觉器官的用户营造指定的环境，虚拟现实生成器必须在物理上适应这类感觉器官，它的计算机程序必须反映它们的特点。然而，为了迎合特定种类的用户所必须做的修改是有限的，而且只需要修改一次就够了。这相当于我所说的构造新的“连接电缆”。随着我们考虑的环境变得更加复杂，为特定类型用户营造环境的任务就变成为主要是写程序来计算环境的未来表现的问题；与用户种类相关的那部分任务由于复杂性有限，相对而言可以忽略不计。我们现在讨论的是虚拟现实的最终局限问题，所以我们考虑的虚拟现实环境是任意准确、任意长、任意复杂的。这就是为什么我们可以只说“营造某一环境”而无需指明是为谁营造的。

我们已经看到，虚拟现实营造的准确度有一个良好的定义：被营造的环境和想要的环境之间的接近程度（就可感觉到的差别而言）。但是它必须对于用户所有可能的行为方式都接近，因此无论我们在体验营造的环境时有多么细致入微，我们始终不能确定营造是准确的（或可能是准确的），但是体验有时候却能证明营造是不准确的（或可能是不准确的）。

这里关于虚拟现实准确度的讨论反映了科学上理论和实验的关系。在这方面也是这样，实验有可能指出一个一般性理论是错误的，却不能证明它的正确性。同样，对待科学的目光短浅的观点认为科学无非就是预言我们的感觉印象。而正确的观点是：虽然感觉印象起着重要作用，但科学是关于如何理解整个现实世界的，我们体验到的仅仅是沧海一粟。

虚拟现实生成器的程序体现了一个关于虚拟环境行为的一般性、预言性理论，其他部件负责跟踪用户动作以及对感观数据进行编码和解码。前面讲过，这些是相对次要的功能。因此，如果某环境物理上是可能的，那么营造它本质上就相当于寻找规律，能够预言在这个环境里可能进行的所有实验的结果。由于科学知识产生的特有方式，只有通过发现更好的解释理论，才能发现更准确的预言规律。所以，准确营造一个物理上可能的环境依赖于理解它的物理性质。

反之亦然，发现环境的物理性质依赖于为它营造一个虚拟现实。通常人们说科学理论仅仅描述和解释物理实体和物理过程，但是并不营造它们。例如，日食现象的解释可以印在书里。我们可以根据天文数据和物理规律为计算机编写程序，预言日食，并打印出关于日食的描述，但是在虚拟现实中营造日食现象则需要进一步的程序设计和硬件技术。然而，这一切在我们的大脑里早已存在了！计算机打印的文字和数字只是因为我们知道这些符号的含义才成为对日食的“描述”，即这些符号在读者心中唤起某种预言的日食效果的图画，实际的日食效果图与之相印证，而且被唤起的“图画”是交互的。观察日食的方式有许多种：用肉眼，用摄影术，或用各种科学仪器；在地球的某些位置能看到日全食，在另一些位置能看到日偏食，其他位置完全看不见日食。观察者在不同地方会观察到不同的图像，每一个图像都能由理论来预言。计算机的描述在读者心中唤起的东西并不仅仅是一张图像或一组图像，而是一个普遍性的方法，根据读者打算观察日食的众多不同方式，相应地产生众多不同的图像。换句话说，是营造的虚拟现实。所以就充分广泛的意义来说，将科学家头脑中必然发生的心理过程也考虑进来的话，那么科学和对物理可能环境的虚拟现实营造这两个术语指的是同一件事。

那么，营造物理上不可能的环境又是怎么回事？表面上看，存在两种不同类型的虚拟现实营造：营造物理可能环境，这是少数；营造物理不可能环境，这是多数。但这样的区分能经受住更仔细的推敲吗？考虑一个正在营造物理不可能环境的虚拟现实生成器。假设是一个飞行模拟器，它运行的程序计算出以超光速飞行的飞机驾驶舱的前景。飞行模拟器正在营造这一环境。但除此之外，飞行模拟器本身也是用户正在体验的环境，因为它是用户周围的物理实体。我们来考虑这个环境。很明显飞行模拟器是一个物理可能的环境。它是可营造的环境吗？当然是，实际上它还是特别容易营造的环境，只需要采用同样设计的第二个飞行模拟器运行同样的程序即可。在这种情况下，第二个飞行模拟器可以被看作既营造了物理不可能的飞机，又营造了物理可能的环境，即第一个飞行模拟器。类似地，第一个飞行模拟器也可以被看作营造了物理可能的环境，即第二个飞行模拟器。如果我们认为任何理论上可以被制造的虚拟现实生成器都可以在理论上重新制造，那么就可以说运行其本领库内任何程序的任何虚拟现实生成器都在营造某一物理可能的环境。它也可以营造其他东西，包括物理不可能环境，但是特别地，它营造的总有一部分是物理可能的环境。

那么，虚拟现实能够营造哪些物理不可能环境呢？恰恰是那些和物理可能环境感觉不出有区别的物理不可能环境。所以，物理世界和虚拟现实可以营造的世界之间的关系，比表面看起来的要远远紧密得多。我们将某些虚拟现实看成是对事实的描写，另一些看成是对虚构的描写，但是虚构只是观看者内心的一种解释。不存在那种用户必须解释成物理不可能的虚拟现实环境。

我们可以选择营造一个由不同于真实物理定律的某些“物理定律”预言的环境。我们这么做也许是出于练习，或出于好玩，或由于真实的营造太困难或花费太大而只好采用它的近似。如果在给定的约束条件下采用的定律是与真正的定律尽可能地接近的，这种营造可以称为“应用数学”或者“计算”。如果营造的实体与物理可能的实体相差甚远，这种营造可以称为“纯数学”。如果出于好玩而营造了一个物理不可能的环境，我们则称之为“视频游戏”或者“计算机艺术”。所有这些不过是说明而已。这些说明也许是有用的，甚至对于解释营造某一特别环境的动机来说是关键的。但就营造本身而言，总会存在另一种说明，即它准确地表现了某个物理可能的环境。

一般不习惯把数学看成是虚拟现实的一种形式。我们通常认为数学是关于抽象实体的，例如数和集合，它们不会影响我们的感官，因而随意营造它们的效果似乎是没有问题的。但是，尽管数学实体并不影响感官，研究数学的体验却是一个外在体验，这和研究物理的体验一样。我们在纸上写下符号，然后端详它们，或想象自己端详它们——我们的确必须想象抽象的数学实体才能研究数学。但是这就意味着想象一个环境，其“物理性质”体现了这些数学实体的复杂性和自主性。例如，当想象一个没有宽度的线段这一抽象概念时，我们可以想象一条线，它可见但是宽度极其细微，几乎就像是被放在物理现实中一样。但是不论我们用多少倍的放大镜观察它，在数学上这条线段的宽度必须仍然是零。任何物理线段都没有这样的性质，但在我们想象的虚拟现实中这很容易做到。

想象是直截了当的虚拟现实形式。看起来不那么明显的是，通过感觉器官对外部世界的“直接”体验也是虚拟现实，原因是外部体验从来不是直接的，我们也不曾直接感受神经里的信号——我们不知道它们传导的那些劈里啪啦的电流是由什么组成的。我们所直接体验的是由我们的心智无意识地轻松营造的虚拟现实，所根据的是感官数据加上如何解释这些数据的先天和后天习得的复杂理论（即程序）。

我们现实主义者认为现实是独立存在的：客观的，实在的，与我们怎么想它无关。但我们不曾直接体验这一现实。我们的每一星点外部体验都是虚拟现实的。我们的每一星点知识（包括非物理世界的知识——逻辑、数学、哲学，以及想象、虚构、艺术、梦幻）都编码为程序的形式，用来在我们大脑自身的虚拟现实生成器上营造那些世界。

所以，不仅是科学——关于物理世界的推理——涉及虚拟现实，而且所有推理、所有思想以及所有外部体验都是虚拟现实的表现形式。迄今为止，这些事物仅仅是在宇宙的一个地方——一个叫地球的行星周围——才观察到的物理过程。我们将在第8章中看到所有生命过程都涉及虚拟现实，但是人类与虚拟现实有特殊的关系。从生物学上讲，人类对环境的虚拟现实营造是人类籍以生存的独特方式。换句话说，这是人类得以生存的原因。人类占据的生态位对虚拟现实的依赖，就像考拉熊占据的生态位对桉树叶的依赖那样直接、绝对。

术语

印象生成器：能够为用户生成可指定的感觉的一套装置。

通用印象生成器：一个能为其编程，产生用户能体验的任何感觉的印象生成器。

外部体验：外在于人心智的体验。

内部体验：内在于人心智的体验。

物理可能：不违背物理定律。一个环境是物理可能的，当且仅当在多重宇宙的某个地方存在这个环境（假设多重宇宙的初始条件和所有其他补充数据由某些尚不知道的物理定律决定）。

逻辑可能：自洽。

虚拟现实：使用户体验到某一指定环境的场所。

全部本领：虚拟现实生成器的全部本领就是可以给它编程供用户体验的所有环境的总和。

印象：产生感觉的东西。

准确度：只要印象产生的感觉接近想要的感觉，印象就是准确的。对用户的每一个可能的动作，只要被营造的环境的反应方式都如所要求的那样，则这个环境就是准确的。

完全准确：准确度非常高，以至于用户无法分辨印象或营造的环境与真实情况间的差别。

小结

虚拟现实不仅仅是计算机模拟物理环境行为的一种技术。真实世界中含有虚拟现实可能实现这一重要事实。它不仅是计算的基础，而且是人类的想象和外部体验、科学和数学、艺术和虚幻的基础。

虚拟现实（也就是计算、科学、想象及其他一切）的最终极限，即它的全部范围是什么？在下一章中我们将看到，一方面虚拟现实的范围是无限的，但另一方面它又是非常受约束的。

[1].在本章里，用户是指虚拟现实的使用者，即沉浸在虚拟现实中的人。——译注

[2].滑铁卢战役发生于1815年6月18日。——译注

第6章 计算的通用性和极限

虚拟现实生成器的核心是计算机，能够营造什么样的虚拟现实环境的问题最终必然归结为能够执行什么样的计算的问题。即使今天，虚拟现实生成器的全部本领也要受到计算机的限制，正像其受到印象生成器的限制一样。每当虚拟现实生成器采用了新的、更快的、带有更多存储量和更好的图像处理硬件的计算机时，它的全部本领就随之提高了。但情况是否会永远这样呢？或许我们最终会达到全通用性，正如我在讨论印象生成器时所说的那样。换句话说，是否存在这样一个虚拟现实生成器，它可以被一劳永逸地建好，能够被编程，营造人类心智所能体验到的所有环境？

正如印象生成器一样，这并不意味着存在这样一个虚拟现实生成器，它包含逻辑上可能的所有环境的详细说明。这仅仅意味着对于每一个逻辑上可能的环境，能够为生成器编写程序，使它营造那一环境。例如，我们可以设想把程序编码在磁盘上。环境越复杂，就需要越多的磁盘来存储相应的程序。所以，为了营造复杂的环境，机器必须有一种机制，正像我描述的通用印象生成器那样，能够读取无限多的磁盘。与印象生成器不同，虚拟现实生成器可能需要越来越多的“工作存储量”来存储计算的中间结果，这可以设想用空白盘的形式来提供。机器需要提供能量、空白盘和维护工作，这一事实并不妨碍我们把它看成“单一机器”，只要这些操作不等于改变机器的设计，不违反物理定律。

那么，在这个意义上，理论上就可以设想一台拥有无限存储量的计算机，但是拥有无限计算速度的计算机则不行。计算机设计已定，则最大速度也固定，只有改变设计才能增加最大计算速度。因此，给定的虚拟现实生成器不能在单位时间内完成无限多的计算。这不会限制它的全部本领吗？如果一个环境非常复杂，以至于用户在1秒内应该看到的情形，机器需要超过1秒才能算完，那么机器如何能够准确地营造这一环境呢？为了获得通用性，我们需要深一步的技术窍门。

为了扩展它的全部本领，到达其物理极限，虚拟现实生成器必须控制用户感觉系统的另一个属性，即用户大脑的处理速度。如果人类的大脑像一台电子计算机，那么这只需要改变它的“时钟”发射同步脉冲的速度即可。毫无疑问，大脑的“时钟”不是这么容易控制的。但是这在理论上不构成问题。大脑是有限的物理对象，它的所有功能都是物理过程，理论上都可以放慢或者停止。终极的虚拟现实生成器必须能够这么做。

为了能够完美地营造计算量很大的环境，虚拟现实生成器必须用下面这类方式操作。每一根感觉神经在物理上能够以一定的最大速率传导信号，因为被激发的神经细胞必须等待约1毫秒以后才能再次被激发。所以，在某一根神经刚被激发以后，计算机至少有1毫秒的时间来决定该神经是否以及何时再次被激发。比方说，如果它在0.5毫秒内完成了判定，那么就不必修改大脑的速度了，计算机只需要在正确的时刻激发那根神经即可；否则，计算机使大脑慢下来（或者，若有必要，则停下来），直到完成下一步的计算，然后再恢复大脑的正常速度。用户的感觉会是什么样呢？依定义，用户感觉不到任何不同。用户只会感受到程序营造的环境，没有任何减慢、停顿或者重新启动。幸运的是，虚拟现实生成器不需要使大脑比正常速度更快，否则它终将导致理论上的问题，因为先不说别的，信号不能传播得比光速还快。

这种方法允许我们预先指定任意复杂的环境，只要模拟它所需要的计算量是有限的即可，然后以我们的心智能够消化的任何个人的速度和细致程度来感受该环境。如果所需的计算量太大，计算机不能在主观感知的时间内算完，感觉也不会受到影响，但是用户会为这种复杂性付出更多的外部流逝的时间。当用户在虚拟现实生成器中经历了主观上好像是5分钟的体验后，走出来时可能会发现在物理现实世界中已经过了好几年。

用户的大脑不论关闭了多长时间，当再次打开时，用户对于环境的体验也不会感觉到中断。但是如果用户的大脑永远地关闭了，那么从那一刻起他就不会有任何感受了。这意味着，如果一个程序在某一点关闭了用户的大脑，再也不把它打开，那么它就不会生成环境供用户来感受，因此它也就不能算作合格的虚拟现实生成器的程序。但是，若程序最终总是打开用户的大脑，它就会使虚拟现实生成器营造某种环境。即使这个程序根本不发出任何神经信号，它也营造了一个全黑的、静寂的、完全感觉隔绝的环境。

在探索虚拟现实的极限功能的过程中，我们已经非常远离现在可行的技术，甚至远离可预见未来的技术限度。我再次强调，技术障碍与我们当前的目的没有关系。我们不研究什么样的虚拟现实生成器可以被造出来，甚至也不研究将来什么样的虚拟现实生成器可以被人类工程师造出来；我们研究的是，关于虚拟现实，物理定律的允许范围是什么。这一点至关重要的原因与能否制造更好的虚拟现实生成器无关。虚拟现实与“日常”现实之间的关系是高深莫测、出人意料的世界结构的一部分，正是这一点才是本书的主题。

通过考虑各种各样的技巧（如神经刺激、大脑开关等），我们已经想象出了一台物理上可能的虚拟现实生成器，它的全部本领覆盖整个感觉范围，是全交互的，而且不受它的计算机的速度和存储量的限制。还有什么东西落在这样一台虚拟现实生成器的全部本领以外呢？它的全部本领是否就是逻辑上可能的所有环境呢？不是的。即使这样前卫的机器，它的全部本领也极大地受到限制，因为它只不过是一个物理实体。它甚至还没能蹭到全部逻辑可能性的边缘，我下面就来证明。

证明的基本思想称为对角线论证，这一思想比虚拟现实思想出现得还早。19世纪数学家乔治·康托首先用它来证明存在比无穷自然数（1，2，3，…）更大的无穷量。同样形式的证明成为阿兰·图灵及其他人在20世纪30年代发展的当代计算理论的核心，它还被库尔特·哥德尔用来证明著名的“不完备性定理”。这在第10章中还有讲述。

我们机器的全部本领中的每一个环境都是由它的计算机的某个程序产生的。想象一下这台计算机的所有正确程序的集合。从物理的观点看，每一个程序在磁盘或其他媒介上指定了一组物理变量的值，代表计算机的程序。从量子理论得知，所有这些变量是量子化的，因此，不论计算机如何工作，所有可能的程序的集合是离散的。所以，每一个程序可以用离散代码或计算机语言表示为符号的有穷序列。有无穷多这样的程序，但是每一个只能包含有穷多符号。这是因为符号是物理对象，由物质组成，外形可以辨认，不可能制造无限多符号。正如我将在第10章中解释的那样，程序必须是量子化的，每一个必须由有穷个符号组成，可以按步骤顺序执行，这些直观上很明显的物理要求比它们表面上显示的更加实在。证明所需的输入就只是这些物理定律的结果就够了，但是它们已经足以极大地限制任何物理可能机器的全部本领。其他物理定律可能限制得更多，但是那不会影响本章的结论。

现在，我们想象所有可能的程序组成的无穷集，所有程序排成一个无限长的列表，编号为程序1、程序2，等等。例如，它们可以按照组成它们的符号的“字母”顺序排列。因为每一个程序产生一个环境，该列表也可以看作机器的全部本领中的所有环境列表，可以称之为环境1、环境2，等等。列表中的某些环境有可能重复，因为两个不同的程序可能实际上完成同样的计算，但是这不会影响论证。重要的是，我们的机器的全部本领中的每一个环境都应该在列表中至少出现一次。

一个模拟的环境在表面的物理规模和表面的持续时间方面可以是有限的或者无限的。例如，建筑师对房屋的模拟可以运行无限长时间，但可能只覆盖有限的空间。视频游戏可以只允许用户在游戏结束前玩有限的时间，或者可以营造无限规模的游戏宇宙，允许无限多次探险，只有当用户决定结束时才结束。为使证明简单，我们只考虑永不停止的程序。这不算是多大的限制，因为如果一个程序停止，我们总是可以把它的无响应看作为一个感觉隔绝环境的响应。

我来定义一类逻辑上可能的环境，称之为康哥图环境，部分原因是纪念康托、哥德尔和图灵，还有部分原因将很快解释。定义如下：在主观的第一分钟，康哥图环境的表现与环境1（由生成器的程序1产生）不同。至于它的表现是什么样无关紧要，只要对用户来讲，感觉到与环境1不同就行。在第二分钟，它的表现与环境2不同（虽然此时它允许与环境1相像）。在第三分钟，它的表现与环境3不同，等等。我把满足这些条件的环境称为康哥图环境。

既然康哥图环境的表现与环境1不完全相同，它就不可能是环境1；既然它的表现与环境2不完全相同，它就不可能是环境2；既然迟早它的表现肯定不同于环境3、环境4以及列表上的所有其他环境，它也不可能是其中任何一个。但是该列表包含该机器所有可能程序生成的全部环境，所以没有一个康哥图环境落在机器的全部本领中。康哥图环境是我们用这台虚拟现实生成器所不能到达的环境。

很明显，存在大量康哥图环境，因为该定义给选择它们的行为方式留有很大的自由度，唯一的限制是，在每一分钟它们不能以某一种特定的方式动作。可以证明，对于一台虚拟现实生成器的全部本领中的每一个环境，存在无穷多的它不能营造的康哥图环境。用一批不同的虚拟现实生成器来扩大全部本领也无济于事。假设我们有100个，各个的全部本领都不同（为了论证方便），那么整个集合，再结合一个可编程的控制系统来决定用哪一台机器来运行给定的程序，只不过是一个更大的虚拟现实生成器。该生成器也服从我所给出的论证，所以对于它能营造的每一个环境，存在无穷多的它不能营造的环境。进一步地，关于不同的虚拟现实生成器的全部本领也不相同的假设被证明是过于乐观了。正如很快将看到的，所有充分完善的虚拟现实生成器本质上拥有同样的全部本领。

于是，我们设想中的建造终极虚拟现实生成器的计划曾经一度进展顺利，现在突然撞上了砖墙。不论在遥远的将来做什么样的改进，虚拟现实的全部技术所能营造的全部本领永远不能超出一个固定的集合。诚然，这个集合有无限大，较之于虚拟现实技术之前的人类感觉经验，也更加丰富多彩。但是无论怎样，它也只占所有逻辑可能环境的无穷小的一部分。

康哥图环境感觉起来会是什么样？虽然物理定律禁止我们处在这样的环境中，但是逻辑上仍是可能的，所以有理由问感觉会是什么样。当然，它不会给我们新感觉，因为通用印象生成器是可能的，而且被认为是我们的高技术虚拟现实生成器的一部分。所以，只有在我们经历过一个康哥图环境并细细回味其结果以后，它才会显得有点儿神秘。结果会像这样：假设你是遥远的、超高技术未来世界的一个虚拟现实迷，你厌倦了生活，因为似乎你已经经历了所有有趣的事情。但是有一天，一个精灵出现了，声称它能够把你送到康哥图环境中去。你很怀疑，但是同意尝试一下。于是你被卷到了这个环境中。在经过几次试验之后，你觉得好像见过它——它很像你喜爱的一个环境，在你的家用虚拟现实系统上，其程序编号是X。你继续试验，终于在你的主观感觉的第X分钟，该环境的反应明显不同于环境X。于是你不再认为它就是环境X。你可能会注意到，到目前为止所发生的一切与另一个可营造的环境（如环境Y）相一致。但是，在主观感觉的第Y分钟，再次证明你猜错了。康哥图环境的特点就是这样：无论你怎么猜，无论你猜想营造这一环境的程序有多么复杂，你总是会被证明猜错了，因为在你的或者任何其他的虚拟现实生成器上根本没有程序能够营造这一环境。

你迟早不得不停止试验，此时就可以承认精灵的声明了。这并不是说你可以证明自己处于康哥图环境中，因为总是存在一个更复杂的程序，精灵可以运行它，并且吻合你迄今为止的所有感觉。这正是我已经讨论过的虚拟现实的一般特征，即体验不能证明你是否处于某个给定的环境中，不论是温布尔登中心球场还是康哥图环境。

无论怎样，并不存在这样的精灵和这样的环境。我们的结论只能是，物理上不允许虚拟现实生成器的全部本领达到或接近逻辑所允许的范围。那么它的全部本领的范围有多大？

既然不能指望营造所有逻辑上可能的环境，我们来考虑一种更弱的通用性（但是最终更有意思）。定义一种通用虚拟现实生成器，它的全部本领包括了所有其他的物理可能的虚拟现实生成器的全部本领。存在这样的机器吗？是的。考虑一下未来基于计算机控制的神经刺激的装置，这一点就清楚了，实际上已经几乎完全清楚了。可以为这种机器编程，让它具有任何一台别的机器的特点。它可以计算出在任一给定的程序和用户的任一动作下那台机器的反应是什么，然后高度准确地（从任一给定的用户的角度）营造这种反应。我说它是“几乎完全清楚”，因为它包含一个重要的假设，是关于这台设备——更具体说是它的计算机——能够被编程来做什么：给定合适的程序、足够的时间和存储介质，它能够计算出任何其他计算机完成的计算输出，包括别的虚拟现实生成器中的计算机。于是，通用虚拟现实生成器是否可行依赖于通用计算机——一台能够计算所有可计算的东西的机器——的存在性。

上文讲过，这种通用性不是首先由物理学家来研究的，而是由数学家研究的，他们想在数学中把直观的“计算”（或者“演算”、“证明”）精确化。他们没有关注这一事实，即数学演算是物理过程（特别地，如我所解释的，它是一个虚拟现实生成的过程），所以不可能用数学推理来确定哪些是可以用数学演算出来的，哪些则不能。这完全取决于物理定律。但是数学家们没有从物理定律出发来导出他们的结果，而是构想出抽象的“计算”模型，根据模型来定义“计算”和“证明”。（我将在第10章中讨论这个有趣的错误）事情就是这么发生了。在1936年的几个月里，数学家埃米尔·波斯特、阿伦佐·丘奇以及更重要的阿兰·图灵各自独立地创造了第一批通用计算机的抽象设计。每个人都猜想自己的“计算”模型正确地形式化了传统的、直观的数学“计算”概念，所以，每个人都猜想自己的模型等价于（拥有同样的全部本领的）任何其他合理的对同一直观概念的形式化。这一猜想现在称为丘奇——图灵假设。

图灵的计算模型以及他对于求解的问题本质的概念是最靠近物理的。他的抽象计算机（即图灵机）从这样的思想抽象而来：一条纸带，划分为方格，每一个方格上写有一个字符，字符取自有限几个容易辨认的符号。计算按如下方式执行：一次检查一个方格，纸带前移或者后移，按照简单、无歧义的规则擦除或者打印一个符号。图灵证明，一台特殊的这种类型的计算机（即通用图灵机）拥有所有其他图灵机合在一起的全部本领。他猜想，此全部本领恰好包含“所有能被自然地当作可计算的函数”。他用数学家指可计算。

但是数学家是非常不典型的物理实体。为什么要假定他们从事的演算就是计算的终极极限？事实并非如此。如我在第9章中要解释的，量子计算机能够完成的计算是（人类）数学家即使在理论上也不能完成的。图灵在他的著作中隐含地期望，“可被自然地当作可计算的”东西至少在理论上就是可以在自然界计算的东西。这一期望等价于丘奇——图灵假设的一个更强的物理版本。数学家罗杰·彭罗斯建议应该称它为图灵原理。

图灵原理

（对于模拟物理对象的抽象计算机）

存在一台抽象的通用计算机，其全部本领包括任何物理上可能的对象能够完成的任何计算。

图灵相信这里的“通用计算机”就是通用图灵机。为了把量子计算机更广泛的全部本领也考虑在内，我陈述这一原理时故意不指明是哪一台具体的“抽象计算机”。

我给出的关于康哥图环境的存在性的证明本来是由图灵给出的。如我所说，他不是明确地用虚拟现实的术语来考虑问题的，但是一个“可营造的环境”的确对应于一类可以演算出答案的数学问题，这些问题是可计算的。其他问题，即那些没有办法演算出答案的问题称为不可计算的。如果一个问题是不可计算的，这并不是说它没有答案，也不是说它的答案在某种意义上欠明了或模棱两可。相反，这意味着它肯定有答案，只不过甚至在理论上也没有办法物理地获得这个答案（或者更准确地说，证明某个东西就是答案，因为人总是有可能幸运地做出无法证实的猜想）。例如，素数对是一对差为2的素数，如3和5、11和13。数学家们还不能回答，究竟是有无限多这样的素数对还是只有有限多个，甚至不知道这个问题是不是可计算的。假定是不可计算的，那就是说没有人也没有计算机能够证明究竟是只有有限多个素数对还是有无限多个。即使这样，这个问题还是有一个答案：可以肯定地说，要么存在最大的素数对，要么有无限多素数对，没有第三种可能。即使我们可能永远不知道它的答案，这个问题仍然是定义明确的。

用虚拟现实的话来说：没有物理上可行的虚拟现实生成器能够营造一种环境，按照用户的要求回答不可计算的问题。这样的环境是康哥图环境。反之，每一个康哥图环境对应一类物理上不可能回答的数学问题（“在如此这般定义的环境中，下一步会发生什么？”）。

虽然不可计算的问题比可计算的问题多无数倍，但是它们更生僻些。这不是偶然的。这是因为我们感到不生僻的那部分数学就是我们在熟悉的环境中所看见的物理对象的行为所反映出来的数学。在这种情况下，我们通常能够利用那些物理对象来解答对应的数学关系的问题。例如，我们能够用手指计数，因为手指的物理性质自然地模拟了从0到10的算术。

由图灵、丘奇和波斯特定义的三种大不相同的抽象计算机的全部本领很快被证明是相同的。从那以后所提出的数学计算的所有抽象模型都有同样的全部本领。这被视为丘奇——图灵假设以及通用图灵机的通用性的支持证据。然而，抽象机器的计算能力与实际上哪些东西是可计算的没有关系。虚拟现实的范围以及它对于理解自然和真实世界结构的其他方面的广泛意义，依赖于相关计算机是不是物理上可实现的。特别地，任何名副其实的通用计算机本身必须是物理上可实现的。这引出一个更强版本的图灵原理。

图灵原理

（对于彼此模拟的物理计算机）

有可能建造一台通用计算机：能够为它编程，使它完成任何其他物理对象所能完成的计算。

因此，如果通用印象生成器由通用计算机控制，那么最后得到的机器就是通用虚拟现实生成器。换句话说，以下原理也成立。

图灵原理

（对于彼此营造的虚拟现实生成器）

有可能建造一台虚拟现实生成器，它的全部本领包括所有其他物理上可能的虚拟现实生成器的全部本领。

现在，任何环境都可以由某种虚拟现实生成器来营造（例如，总是可以把那个特别环境的副本当作一台虚拟现实生成器，尽管其全部本领可能太小了）。所以，从这一版本的图灵原理还可以得出，任何物理上可能的环境都可以由通用虚拟现实生成器营造。因此，为了表达真实世界结构中存在的非常强烈的自相似性（不仅包括计算，而且包括所有物理过程），图灵原理可以叙述为这种囊括一切的形式。

图灵原理

有可能建造一台虚拟现实生成器，其全部本领包括所有物理上可能的环境。

这是图灵原理的最强形式。它不仅告诉我们真实世界的各个部分能够彼此相似，而且告诉我们存在这样一个物理对象，它可以被一劳永逸地建造好（除了维护工作以及必要时添加存储量以外），能够以无限的精度营造或者模拟多重宇宙的任何其他部分。该对象的所有行为表现和反应恰好反映出所有其他物理上可能的对象和过程的所有行为表现和反应。

如果真实世界结构确实是统一的、可理解的，就像我在第1章中表达的希望那样，那么这恰恰就是所必需的那种自相似性。如果施于任何物理对象或过程上的物理定律是可理解的，那么它们必须能够被收录于另一个物理对象——认识者中。创造这些知识的过程也必须是物理上可能的。这种过程称为科学。科学依赖于实验检验，这意味着要实实在在地提供规律的预言，并拿它与现实（的表现）相比较。它还依赖于解释，这要求抽象定律本身（而不仅是它们预言的内容）能够在虚拟现实中营造出来。这是很苛刻的要求，但是现实世界的确满足它。这就是说物理定律满足它。遵照图灵原理，物理定律使得它们自己被物理对象所认识，在物理上成为可能。因此，可以说物理定律成全了自己的可理解性。

既然建造通用虚拟现实生成器是物理上可能的，那么在某些宇宙中它必定实际上被造好了。这里需要说明一下。如我在第3章中所解释的，我们通常可以把物理上可能的过程定义为在多重宇宙的某处实际发生的过程。但是严格来说，通用虚拟现实生成器是一个需要限制的情况，它的运行需要任意多的资源。我们说它是“物理上可能的”，其真实含义是指全部本领能够任意逼近所有物理可能环境的集合的那种虚拟现实生成器在多重宇宙中是存在的。类似地，既然物理定律能够被营造，那么它们在某处必定已被营造了。因此，由图灵原理（在我所论证的强形式下）可知，物理定律不仅仅是在某种抽象意义上成全了自身的可理解性——宛如被抽象科学家所理解那样。它们意味着在多重宇宙的某处物理地存在一些实体，这些实体能够无限准确地理解它们。在后续章节中将进一步讨论这一含义。

现在回到我在前一章中提出的问题，即如果我们只有基于错误的物理定律营造的虚拟现实供学习，是否我们将学到错误的定律？首先强调的一点是，我们的的确确只有基于错误定律的虚拟现实可以学习！我已经说过，所有外部体验是我们自己的大脑产生的虚拟现实。既然我们的概念和理论（不论是天生的还是学来的）不是完美的，那么我们所营造的所有东西就确实是不准确的。也就是说，我们所体验到的环境是与我们所在的真实环境很不相同的。海市蜃楼及其他视觉幻影就是例子。另一个例子是，尽管地球实际上在快速而复杂地运动着，但我们感觉它在脚下是静止的。再有一个例子是，我们只感觉到单一宇宙以及单一的有意识的自我，然而实际上存在许多。但是，这些不准确的、迷惑人的感觉并没有提供反对科学推理的论据。相反，这些缺陷恰恰是科学推理的起点。

现在我们开始解决关于物理实在的问题。如果说我们一直在研究的仅仅是宇宙天象仪的规划问题，那么这仅仅意味着我们研究的那部分真实世界比我们原先以为的要小。那又怎样？这样的事情在科学史上已经发生多次了，我们的视野扩展到地球以外，包括了太阳系、银河系、其他星系、星系群以及平行宇宙。明天也可能发生这样的扩展。的确，这种扩展可以根据无限多可能的理论中的任何一个来进行，或者还可能永远也不发生。从逻辑上讲，我们必须承认唯我主义及相关学说的这一论点，即认为我们所了解的那部分实在可能是一个更大的、不可达的或不可理解的结构中没有代表性的一部分。但是，我对这些学说所给出的一般性的反驳则说明指望这种可能性是不合理的。遵照奥卡姆剃刀原则，当且仅当这种理论提供的解释好于简单的对立理论时，我们才应该接受它。

然而，我们还可以问一个问题。假设某些人被关在真实世界中的一个狭小的、没有代表性的区域里，例如关在一个用错误的物理定律编好程序的通用虚拟现实生成器中。对于我们的外部真实世界，这些囚犯能够了解到什么呢？乍一看，似乎他们不可能发现任何东西。似乎是他们所能发现的大部分东西都是掌管囚室的计算机的操作规律，即程序的规律。

但是实际并非如此！我们必须记住，如果囚犯是科学家，他们就会寻求解释以及预言。换句话说，他们不会满足于仅仅知道掌管囚室的程序，他们想要解释在其居住的现实中所观察到的各种实体的起源和属性，包括他们自身。但是在大多数虚拟现实环境中不存在这样的解释，因为所营造的对象不是起源于那里，而是在外部真实世界中已经设计好了。设想你正在玩一个虚拟现实游戏。为简单起见，假设游戏本质上就是国际象棋（可能是一种第一人称版本，你在其中扮演国王）。你会采用通常的科学方法来发现该环境的“物理定律”及其导致的结果。你会发现将死与僵局是“物理上”可能的事件（即在你对该环境的运作方式的最好理解下它们是可能的），而有9个白卒的棋局是“物理上”不可能的。一旦充分理解了规律，你就会注意到棋盘过于简单，不会具有诸如思想这种东西，因此你自己的思维过程不可能仅仅受象棋规律支配。类似地，你可以知道，不论经过多少棋局，棋子永远不会进化为自我繁殖的形态。如果生命不能在棋盘上进化，那么智能进化就更甭提了。所以，你还会推断出，你自己的思维过程不会起源于你所发现的宇宙。这样，即使你终生都生活在营造的环境中，也没有关于外部世界的任何记忆，你的知识仍不会受限于该环境。你会晓得，虽然宇宙似乎有一定的布局，遵从一定的规律，但是在它外面一定有更大的宇宙遵循不同的物理定律，你甚至可以猜出那些更大的规律必定不同于棋盘规律的一些方面。

阿瑟·克拉克曾经评论道：“充分高级的技术与魔术是分不清楚的。”真是这样，但是有点使人误解。他是站在前科学时代思想家的角度来说的，其思路是错误的。事实是，对于任何理解虚拟现实的人来说，甚至真正的魔术与技术也是分不清楚的，因为在可理解的真实世界中没有魔术的位置。任何似乎不可思议的东西在科学看来都不过是证明还有尚未理解的东西，不论它是魔术窍门、高级技术还是新的物理定律。

以自我的存在为前提的推理称为“人择”推理。虽然它在宇宙学中有些应用，但是在产生明确的结论以前，通常必须给它补充大量关于“自我”本质的假设。然而人择推理并非我们假想的虚拟现实中囚室居民籍以获得外部世界知识的唯一途径。他们关于自己的狭窄世界的任何发展中的解释都会很快触及外部真实世界。例如，爱动脑筋的棋手会注意到，正是象棋规则中包含的一些“化石证据”反映了某些规则的演化历史：存在诸如王车易位和吃过路卒这样的“特殊”走步，增加了规则的复杂性，但是改良了游戏。在解释这种复杂性时，人们有足够的理由推断象棋规则并非从来都像现在这个样子。

在波普尔模式中，解释总是导致新的问题，又需要进一步的解释。如果过一阵子之后囚犯没能改进已有的解释，他们当然可能放弃，可能会错误地推断说不存在解释。但是如果他们不肯放弃，他们就会思考环境中那些似乎解释得不够充分的地方。所以，如果高技术的看守想要确保他们营造的环境永远都能欺骗囚犯，使其认为不存在外部世界，那么他们必须预先安排好自己的工作。他们想让错觉维持的时间越长，程序就必须编得越巧妙。不让囚犯观察外部世界是不够的。营造的环境还必须保证，对内部事物的解释都不会要求人们去假设一个外部世界的存在。换句话说，该环境对于解释必须是自给自足的。但是，我不相信，除了整个真实世界以外，它的任何一个局部具有这种性质。

术语

通用虚拟现实生成器：全部本领包含所有物理上可能的环境的虚拟现实生成器。

康哥图环境：逻辑上可能而又不能被任何物理上可能的虚拟现实生成器营造的环境。

对角线论证：一种证明形式，首先设想一组实体的列表，然后利用此列表构造一个不在列表中的相关实体。

图灵机：第一批抽象计算模型之一。

通用图灵机：包含所有其他图灵机的全部本领的图灵机。

图灵原理（最强形式）：在物理上有可能建造一台通用虚拟现实生成器。在我所做的假定下，这意味着在多重宇宙某处将被实际建造的虚拟现实生成器的通用性是没有上限的。

小结

对角线论证表明，绝大多数逻辑上可能的环境都不能在虚拟现实中营造出来。我称这些环境为康哥图环境。不过，在物理实在中存在广泛的自相似，它被图灵原理表达为：有可能建造一台虚拟现实生成器，其全部本领包含所有物理上可能的环境。于是，单独一个可建造的物理对象就可以模拟任何别的物理上可能的对象或过程的所有行为和反应。正是这一点才使得真实世界是可以理解的。

这也使得生命有机体的进化成为可能。然而，在讨论进化论这一真实世界结构的第四大解释以前，我必须简要地聊聊认识论。

第7章 关于证明的对话

（戴维和隐归纳主义者的对话）

我认为我已经解决了一个主要的哲学难题：归纳问题。

——卡尔·波普尔

在前言中我已经解释过，本书不是为四大主要基础理论辩护，而是探讨它们到底意味着什么，它们描述的真实世界是什么样。因此，我不想对它们的对立理论进行深入讨论。然而，除了一个对立理论——常识[1]。每当常识与我的判断似乎有矛盾时，我都会给出详细的反驳。因此在第2章，我彻底地反驳了认为只有一个宇宙的常识观点。在第11章中，我会同样地反驳认为时间“流逝”或者我们的意识在时间中“穿行”这一常识观点。在第3章中，我批判了归纳主义，这一常识观点认为我们关于物质世界的理论是通过推广观察结果得到的，并通过重复这些观察使理论得到证明。我解释过，从观察数据中归纳推广是不可能的，归纳证明是无效的。归纳主义建立在错误的科学观上，即认为科学是根据观察寻求预言，而不是针对问题寻求解释。我还解释过（遵从波普尔理论），科学是怎样依靠猜想新的解释，通过实验挑选最好的解释，从而取得进展的。所有这些观点都被科学家和科学哲学家所广泛接受。没有被大部分哲学家接受的是：这一过程是被证明了的。下面我来解释。

科学寻求更好的解释。科学解释通过猜想现实世界的真实面貌以及工作机理，以期解释我们的观察。如果一个解释留下的悬疑（例如其性质未被解释的实体）更少，需要的假定更少更简单，更有普遍性，与其他领域的好解释更容易紧密整合，我们就认为这个解释更好。但为什么我们总是认为一个更好的解释在实践中就应该代表更真的理论呢？就此而言，为什么一个彻头彻尾的坏解释（例如不具备以上任一属性的解释）就一定是假的呢？真实性和解释能力之间的确没有逻辑上的必然联系。坏的解释（例如唯我论）也可能是真的。即使最好的最真的现有理论在某些情形下也可能做出错误的预言，而恰恰在这些情形下我们要依赖这个理论。任何正确的推理形式都不能从逻辑上排除这种可能性，甚至不能证明它们的可能性很低。但是这样的话，怎么证明我们依赖最好的解释作为实际决策的指南是对的呢？更一般地说，不论我们以什么标准来评判科学理论，为什么一个今天符合这种标准的理论可能告诉我们明天会发生什么呢？

这是现代形式的“归纳问题”。大多数哲学家现在都同意波普尔的观点，即新理论不是从任何东西中推断出来的，而仅仅是假设。他们也承认，科学进步是通过猜想和反驳（如第3章中所描述的）而取得的，理论被接受是因为它的所有竞争理论都被驳倒了，而不是因为有大量支持它的实例。他们承认这样得到的知识实际上是比较可靠的。问题在于他们不知道为什么如此。传统的归纳主义者试图搞出一个“归纳原理”，认为正面实例会使理论更加可信，或者试图提出“未来类似过去”等诸如此类的说法。他们还试图形成一套归纳科学方法论，制定从“数据”中正确得出结论的推理规则。他们全失败了，其原因我已经阐明过了。但即使他们成功了，即成功地构造了一种模式，遵从它就能成功地创造新的科学知识，那也不能解决现在所理解的归纳问题。因为在这种情况下“归纳法”仅仅是选择理论的另一种可能的方法，为什么那些理论可以作为行动的可靠根据这个问题仍然存在。换句话说，担心这种“归纳问题”的哲学家已经不是传统意义上的归纳主义者。他们并不试图通过归纳得到或证明任何理论。他们并不认为天会塌下来，但是他们不知道如何证明。

今天的哲学家渴望找到这一缺失的证明。他们不再相信归纳法能提供这种证明，但是在他们的万物图纸上留下了一个归纳主义形状的缺口，正如信仰宗教的人一旦失去了自己的信念，会在他们的万物图纸上留下一个“上帝形状的缺口”一样。但是在我看来，在万物图纸上有 X 形状的缺口和信仰 X 没有什么区别。因此，为了适合于这种更深奥的归纳问题观念，我想将“归纳主义者”重新定义为那些人：他们以为归纳证明的无效性对于科学基础构成一个问题。换句话说，归纳主义者认为有一个缺口必须填补，如果不能被归纳原理填补，也要被其他东西填补。有些归纳主义者不介意自己被称为归纳主义者，有些人则介意，因此我称后者为隐归纳主义者。

大多数当代哲学家都是隐归纳主义者。更糟的是，他们（像许多科学家一样）非常轻视解释在科学进程中的作用。大多数支持波普尔的反归纳主义者也是这样，从而倾向否认存在证明这种东西（即使是暂时性的证明）。这样在他们的万物图纸上又开了一个新的解释缺口有待填补。哲学家约翰·沃勒尔从自己的观点把这个问题编成为剧本，假想波普尔和其他几个哲学家的一场对话，题目是“为什么波普尔和沃特金斯没有解决归纳问题”[2]。布景在埃菲尔铁塔顶端，其中一个人物是“飘浮者”，他决心翻过栏杆跳下铁塔，而不是正常地乘电梯下铁塔。其他人试图说服飘浮者：跳下去必死无疑。他们用上了已知最好的科学和哲学论证劝说他，但是情绪激动的飘浮者仍然预期飘下去是安全的，并不断指出根据过去的经验，逻辑上不能证明其他预期比他的预期更加准确。

我相信可以证明飘浮者会摔死。这样的证明（当然，总是暂时性的）来自于有关科学理论给出的解释。只要这些解释是好的，就有理由证明根据它们的理论得到的预言是值得信赖的。因此，我以同样的背景做一篇我自己的对话，作为对沃勒尔的答复。

戴维：读了波普尔关于归纳的论述，我认为确实如他所说，他解决了归纳问题。但是几乎没有哲学家认可，这是为什么？

隐归纳主义者：因为波普尔从来没有讨论那个我们所理解的归纳问题，他所做的仅仅是批评归纳主义。归纳主义认为，存在一种“归纳”推理形式，在给定过去所做的具体观察作为证据的情况下，推导出关于未来的一般性理论，并证明它的适用性。归纳主义认为存在一个自然原则——归纳原则，说的是“未来的观察很可能与过去类似条件下的观察相似”。人们做过许多尝试将这个原则形式化，使得它允许人们从具体观察实例中推导或证明出一般性理论，但均告失败。波普尔的批评（特别是与他阐明科学方法论的其他工作联在一起）虽然在科学家中颇有影响力，但并不是首创。归纳主义几乎从它诞生之日起就基础不牢，而自从戴维·休谟在18世纪早期对它的批评之后就更是板上钉钉。归纳问题并非如何证明或反驳归纳原则，而是在认为它不正确的情况下，如何证明从过去的证据中得出的关于未来的结论是正确的。对了，刚才你说不需要证明……

戴维：对，不需要。

隐归纳主义者：需要。这就是你们这些波普尔主义者气人的地方，你们否认明显的东西。显然你们至今不跳过栏杆的部分原因是，你们认为依赖于最好的重力理论才是正确的，而依赖于其他某些理论就是不正确的。（当然，这里“最好的重力理论”不仅仅指广义相对论，同时也指一整套有关空气阻力、生理学、混凝土弹性以及是否有空中救生设备等这类事情的复杂理论。）

戴维：是的，我认为依赖那样的理论是正确的。根据波普尔方法论，在这些情况下我们应该依赖经过最好确证的理论，即那些经受了最严格检验的、其竞争对手都被驳倒的理论。

隐归纳主义者：你说“应该”依赖最好确证的理论，但到底为什么呢？大概是因为根据波普尔所说，确证的过程已经证明了该理论，意即它的预言比其他理论的预言更有可能是真的？

戴维：不是比所有其他理论都更有可能为真，因为总有一天我们会有更好的重力理论……

隐归纳主义者：你看，咱们不要狡辩、互相使绊子好不好？那无益于我们讨论实质问题。当然总有一天会有更好的重力理论，但是你必须现在决定是否跳下去，现在！而且根据现有的证据，你已经选择了一个特定的理论来行动，你是按照波普尔的标准来选择的，因为你相信以这样的标准才最有可能选择出预言正确的理论。

戴维：是的。

隐归纳主义者：因此总结一下，你相信现有的证据证明了如果你跳过栏杆肯定会摔死这个预言是正确的。

戴维：不是。

隐归纳主义者：可他妈的，你自相矛盾！刚才你说过了这个预言是被证明了的。

戴维：它是被证明了的，但它不是被证据证明的，如果你说的“证据”是指其结果过去曾被这个理论正确预言过的那些实验。我们都知道，那些证据和无穷多理论都一致，包括预言我跳过栏杆后所有逻辑上可能的后果的理论。

隐归纳主义者：这么看来，我重复一下，整个问题就在于寻找到底是什么证明这个预言是对的。这就是归纳问题。

戴维：这个问题波普尔已经解决了。

隐归纳主义者：呵，这倒是新鲜事，我已经广泛地研究过波普尔。不过，解法是什么？我倒真的想听听。如果不是证据，那会是什么东西证明了预言？

戴维：论证。

隐归纳主义者：论证？

戴维：对，一切都只能通过论证得以证明——当然是暂时性的。所有理论都可能出错，无一例外。但是论证有时仍然能证明理论是正确的，这就是论证的目的所在。

隐归纳主义者：我觉得你又在狡辩了，你不能说理论是靠纯粹的论证得以证明的，就像数学定理[3]那样。证据当然要起一定作用。

戴维：当然了。这个理论是经验性的，因此，根据波普尔科学方法论，关键实验在众多理论的取舍中起决定性作用，其他竞争理论被驳倒，只有这个理论存活下来。

隐归纳主义者：理论有的被驳倒了，有的存活下来，这些都发生于过去，其结果证明了理论确实能用来预言未来。

戴维：我认为是这样，虽然在并非讨论逻辑演绎的场合说“其结果证明了”似乎有些误导。

隐归纳主义者：这又回到了全部问题所在，那是什么性质的结果？我们就讨论这一点。你承认，证明理论的既有论证过程又有实验结果。如果实验结果不同，那么论证将证明出一个不同的理论。你是否承认在这个意义上过去的实验结果确实证明了预言呢？对，当然是通过论证，但是我不想重复这个附带条件。

戴维：我承认。

隐归纳主义者：那么，那些实际做过的实验结果证明了预言，而其他那些可能的实验结果则会证明出相反的预言，这到底是怎么回事？

戴维：这是因为那些实际的实验结果反驳了所有竞争理论，巩固了现在流行的这个理论的地位。

隐归纳主义者：好，现在注意听。你刚才说的不仅可以证明是错的，而且你自己刚刚承认它是错的。你说那些实验结果“反驳了所有竞争理论”，但是你自己很清楚，没有任何一组实验结果能反驳掉一个普遍理论的所有可能的竞争理论。你自己说过，任何一组过去的实验结果都是（让我引述）“和无穷多理论都一致，包括预言我跳过栏杆后所有逻辑上可能的后果的理论”。因此，结论是无情的：你赞成的那个预言并没有被实验结果证明，因为你的理论有无穷多竞争对手，还没有被驳倒，而它们的预言与你相反。

戴维：很高兴我仔细听了，如你所愿，现在我明白了，我们的分歧至少有一部分来自于对术语的误解。当波普尔说到某一理论的“竞争理论”时，他并不是指全部逻辑可能的竞争理论：他仅仅指实际存在的竞争理论，那些在理性争论过程中提出来的竞争理论。（包括那些由一个人在内心自我“争论”过程中纯粹是在心里“提出来”的理论。）

隐归纳主义者：我明白了。我可以接受你的用词。但是，顺便说一句（虽然这目前没有什么紧要，我只是好奇），你归功于波普尔的这个断言难道不令人奇怪吗？一个理论的可靠性依赖于人们过去曾经提出过哪些其他理论——错误理论——这一偶然事件，而不是依赖于这个理论本身的内容以及它的实验证据？

戴维：并不奇怪。甚至你们归纳主义者也说过……

隐归纳主义者：我不是归纳主义者！

戴维：你是！

隐归纳主义者：哼！再说一遍，如果你坚持的话，我可以接受你的用词。但你还不如称我为豪猪呢！如果因为一个人的整个论点仅仅是“归纳推理的无效性给人们提出了一个未解决的哲学问题”就称他为“归纳主义者”，那就太不讲道理了。

戴维：我认为不是这样。我认为这个论点本身就判定了一个归纳主义者，而且判定得很准。但我看出波普尔至少有一项成就：“归纳主义者”已经成为一个滥用术语！不过，我刚才是在解释理论的可靠性应该取决于人们过去曾经提出过哪些错误理论，这一点为什么并不那么奇怪。甚至归纳主义者谈论在一定“证据”下一个理论是否可靠，而波普尔主义者则说，在一定的问题——情景下，这个理论是实际应用中现有最好的理论。问题——情景的最重要的特征是：参加争辩的有哪些理论和解释，提出了哪些论证，哪些理论已经被驳倒。“确证”并不仅仅是确认哪个理论赢得了胜利，它还需要对竞争理论进行实验反驳。正面实例本身没有意义。

隐归纳主义者：很有意思。我现在理解了一个理论的被驳倒的竞争对手在证明这个理论的预言方面起什么作用了。在归纳主义那里，观察被认为是首要的。人们想象从一大堆过去的观察结果中归纳出理论，观察同时还充当证明理论正确性的证据。而在波普尔的科学发展图画里，首要的不是观察，而是问题、争论、理论和批评。设计并进行实验的目的仅仅是为了解决争论。因此，只有那些确实驳倒了一个理论的实验结果才构成了“确证”——这个理论还不能是一个随意的理论，它必须是在理性论辩过程中的一个真正的竞争者。也只有那些实验才为优胜理论的可靠性提供了证据。

戴维：正确。即使这样，通过确证的“可靠性”也不是绝对的，仅仅是相对于其他竞争理论而言的。也就是说，我们认为依靠确证过的理论这一策略就是从提出的那些理论中挑出最好的理论。这足以成为行动的基础。至于提出的行动方案（甚至最好的方案）有多么好，我们不需要（也不能有效地获得）任何保证。而且，我们总会出错，可是那又怎么样？我们不可能采用还没有提出的理论，也不可能纠正还没有发现的错误。

隐归纳主义者：确实如此。我很高兴学到了一些科学方法论。但是现在——我希望你不会认为我失礼——我必须把你的注意力再次转移到我一直在问的问题上来。假设一个理论已经通过了这整个过程，它曾经有过竞争者。经过实验，所有竞争理论都被驳倒，唯独它自己没有被驳倒，因此它被确证了。什么叫一个理论被确证，证明我们未来可以依赖它？

戴维：因为它的所有竞争者都被驳倒，理性上再也不能站得住脚。被确证的理论是仅存的理性上站得住脚的理论。

隐归纳主义者：但是这仅仅把问题的焦点从过去的确证对未来的意义转移到过去的反驳对未来的意义上。问题仍然存在。究竟为什么被实验驳倒的理论是“理性上站不住脚的”？是不是只要有一个错误结果，就意味着它不可能是真的？

戴维：是的。

隐归纳主义者：但是肯定，就理论的未来可应用性而言，这在逻辑上不是一个成比例的批评。当然，被驳倒的理论不可能是普遍真理[4]——特别地，在过去检验它时，它就不应是对的。但是它仍然可能有许多正确的结果，特别地，在未来它还有可能普遍为真。

戴维：“过去为真”和“未来为真”这两个说法是误导。一个理论的每个具体预言要么是对的，要么是错的，这不可改变。你的意思实际上是说，尽管被驳倒的理论严格来讲是错的，因为它的某些预言是错的，但是它对未来的所有预言仍有可能都是对的。换句话说，对未来做相同的预言而对过去做不同的预言的另一个理论则可能是真的。

隐归纳主义者：你这么说也行。我现在不问为什么被驳倒的理论在理性上是站不住脚的，我换一个更严格的问法：为什么对一个理论的反驳会致使它的那些对未来的预言以及与它一致的理论变种——甚至从来没有被反驳过的变种——都变得站不住脚了呢？

戴维：并不是反驳致使这些理论站不住脚，而是有时候它们自己已经站不住脚了，由于它们的解释太糟糕。这就是科学取得进步的时候。一个理论要想赢得论证，必须使它的所有竞争理论都站不住脚，包括人们能够想到的它们的所有变种。但是请记住，只需要那些人们想到过的竞争理论站不住脚就行了。以重力为例，没人提出过经得起推敲的理论，在所有实验过的预言上，它能够和目前的理论相符合，而在对未来的实验预言上又与其不同。我相信这样的理论是完全有可能的，例如目前理论的后继者也许就是其中之一。但是如果还没人想到这个理论，人们怎么能遵照它呢？

隐归纳主义者：“还没人想到这个理论”是什么意思？我现在就能轻易地想出一个。

戴维：我很怀疑你行。

隐归纳主义者：我当然行啦！你听着。每当你，戴维，从高处跳下，凡是根据目前的理论会摔死的情况，你都不会死而是飘浮着。除此以外，目前的理论普遍成立。说白了吧，你的理论的每一个过去的验证也必然是我的理论的验证，因为就过去的实验而言，你的理论和我的理论的所有预言是完全一样的。因此，你的理论的被驳倒的竞争理论也是我的理论的被驳倒的竞争理论，我的新理论和你的理论完全同样地经过了确证。那么，我的理论怎么能是“站不住脚的”？我的理论会有哪些你的理论里没有的漏洞？

戴维：几乎每一个漏洞在波普尔的书里都提到了！你的理论是在目前理论的基础上附加一个未经解释的限制条件，即我会飘浮着。这个限制条件实际上是一个新理论，但是你完全没有给出论证来反对目前的关于重力性质的理论，或支持你的新理论。这样你的新理论就规避了所有批评（除了我现在所做的批评外）和所有实验检验。它没有解决也不想解决任何现有难题，你也没有指出它能解决什么新的、有意义的问题。最糟糕的是，你的限制条件不仅什么也没有解释，而且还糟蹋了作为目前理论基础的重力的解释，正是这种解释证明了依赖目前理论是正确的，而不是依赖你的理论。因此，根据任何理性标准，你提出的限制条件可以一概驳回。

隐归纳主义者：同样这些话不能用来说你的理论吗？你我理论之间的差别仅仅在于同一个不起眼的限制条件方面，只不过我的多一点，你的少一点。你认为我应该解释我的限制条件，但为什么我们俩的地位是不对称的？

戴维：因为你的理论没有对其预言进行解释，而我的进行了。

隐归纳主义者：但是如果我的理论是先提出的，就该是你的理论看起来包含一个未经解释的限制条件了，那么“一概驳回”的就该是你的理论了。

戴维：那完全不对。任何理性的人在比较了你的理论和目前的理论之后都会马上拒绝你的理论，而赞成目前的理论，即使你的理论提出在前。因为你的理论是对另一个理论的未经解释的修正，这一事实就体现在你的理论的陈述里。

隐归纳主义者：你的意思是我的理论中有“某某理论普遍成立，除了在某某情形下”这种形式，而我又没有解释这个例外为什么成立？

戴维：对了。

隐归纳主义者：啊，原来如此！那我知道怎么证明你是错的了（借助于哲学家纳尔逊·古德曼）。考虑一种英语的变种，它没有动词“落下”，而有一个动词“x-落下”，通常的意思就是“落下”，除了用于你时是指“飘浮”。类似地，它还有一个动词“x-飘浮”，通常的意思就是“飘浮”，除了用于你时是指“落下”。在这个新语言里，我的理论可以表达为不带限定的断言：所有物体在没有支撑的情况下都会 x-落下。但是目前的理论（用英语表达为“所有物体在没有支撑的情况下都会落下”）用这个新语言表达却必须附加限定条件：所有物体在没有支撑的情况下都会 x-落下，除了戴维会 x-飘浮。因此，这两个理论中哪一个是带限定条件的取决于用哪种语言来表述，对不对？

戴维：形式上是的，但是这无足轻重。你的理论本质上含有未经解释的断言，限定目前的理论，而目前的理论本质上是你的理论剥除了未经解释的限制条件。不管你怎么切它，这是客观事实，与语言无关。

隐归纳主义者：我看不出为什么。你自己用我的理论的形式发现了“不必要的限制条件”，你说了它在我的理论陈述里“体现为”一个附加从句——在英语里。但是当把这个理论翻译成我的语言时，就没有明显的限制条件了。相反地，一个明显的限制条件出现在目前理论的陈述里。

戴维：是这样的。但不是所有语言的地位都平等。语言也是理论。在语言的词汇和语法里，体现了关于世界的本质断言。每当我们陈述一个理论时，只有一小部分内容是明确的：其他内容由语言本身承载。正如所有理论一样，人们创造和选择语言是冲着它解决某些问题的能力去的。在我们这种情况下，问题就是为表达其他理论提供形式，以便于应用、比较和批评理论。语言解决这些问题的最重要方式之一就是隐含地体现那些无争议的理所当然的理论内容，并使那些需要陈述或争论的内容表达得简洁清晰。

隐归纳主义者：我承认这一点。

戴维：因此，一种语言选择用这一组概念而不用那一组概念来覆盖概念范围，这并不是偶然的，它反映了说话者当前的问题——情景状态。这就是为什么你的理论的形式——英语——是个很好的指标，反映了当前的问题——情景状况——指出理论究竟是解决了问题还是使问题恶化。但是我抱怨的不是你的理论的形式，而是它的内容。我的牢骚是，你的理论没有解决任何问题，反而使问题——情景恶化。这一缺陷当用英语表达时便暴露无遗，而用你的语言表达时就被掩盖起来了，但是缺陷丝毫不会因此减弱。我的抱怨可以用任何语言表述得同样好，不论是英语、科学术语还是你刚才提出的语言或者任何能够表达我们的讨论的语言。（波普尔有一句格言：一个人应该随时愿意用对手的语言进行讨论。）

隐归纳主义者：也许你有点儿道理。但你能详细说说吗？我的理论是如何使问题——情景恶化的？为什么这一点甚至对于以我的假想语言为母语的人也会是显然的？

戴维：你的理论断言存在一个物理怪物，根据目前理论它不存在。这个怪物就是声称我戴维能免受重力作用。当然你能杜撰一种语言把这个怪物隐藏起来，从而在你的重力理论的陈述中不需要明确提到它，但是它们仍然提及这个怪物。玫瑰不管叫什么名字闻起来都一样香。假设你甚至所有人都以你的语言为母语，并且相信你的重力理论是对的。假设我们都用“x-落下”这个词来描述你或者我跳过栏杆会发生什么，并且我们都认为这么描述是完全自然、天经地义的，所有这一切都丝毫不能改变一个明显的区别，即我对重力作用的反应和其他人都不一样。如果你翻过栏杆，那么你在坠落过程中就会嫉妒我。你会想：如果我对重力的反应不是像我现在这样，而是能像戴维那样截然不同，该多好啊！

隐归纳主义者：是这样。只是因为描述你我对重力的反应用的是同一个词“x-落下”，我不会就此认为实际的反应也是一样的。相反，作为这一假想语言的熟练掌握者，我深知“x-落下”对于你和对于我在物理上是不一样的，正如一个母语为英语的人知道“being drunk”用于人和用于一杯水时含义完全不同一样[5]。我不会认为：如果戴维发生了这种事，他会像我一样x-落下。我会想：如果戴维发生了这种事，他会x-落下而活下来，而我会x-落下摔死。

戴维：而且，尽管你确信我会飘浮着，你还是不理解为什么。知道不等于理解，你会好奇怎么解释这个“著名”的怪物，其他人也一样。世界各地的物理学家会云集来研究我对重力的异常反应。实际上，如果你的语言真的是流行的语言，你的理论真的被大家公认，那么科学界大概从我诞生之日起就会迫不及待地排长队等着把我扔出飞机去！但是当然了，所有这些前提——你的理论世所公认并具体体现在流行的语言里——都是荒诞的。不管有没有理论，有没有语言，事实上所有理性的人都不会接受这样一个醒目的物理怪物存在的可能性，除非有特别强有力的解释支持它。因此，正如你的理论会被一概驳回一样，你的语言也会被拒绝使用，因为它只不过是用另一种方式陈述你的理论罢了。

隐归纳主义者：那么有没有可能这背后潜伏着一个归纳问题的解决方案？让我想想，这个关于语言的洞察是如何使事情改变的？我的论证依赖于你我观点之间的明显对称。我们采纳的理论都与现有实验结果一致，其竞争理论(除了它们彼此之间)都已经被驳倒了。你说我是不理性的，因为我的理论含有一个未经解释的断言，但是我反驳说，用另一种语言表达，反而是你的理论包含这样的断言了，所以这种对称性仍然存在。但是现在你又指出语言也是理论，而且我提出的语言和理论二者组合在一起断言了一个客观的物理怪物的存在。与英语和目前理论的组合相比，后者没有这种断言。这就是你我观点之间的对称性破缺之处，也是我的论证不可救药地垮台之处。

戴维：的确如此。

隐归纳主义者：让我看看能否进一步阐明这一点。你是否认为在理性里存在这样一条原则，即一个断言存在客观的物理怪物的理论与不做这种断言的理论相比，如果其他条件相等，则前者的预言准确度就比后者低？

戴维：不完全这样。不加解释地断言怪物存在的理论比起它的竞争理论来说，做出准确预言的可能性要低。一般地讲，主张一个理论的目的是为了解决问题，这是一条理性原则。因此，不解决问题的任何假定都应该被抛弃。这是因为经过这个假定的限制，原本是好的解释变成了坏的解释。

隐归纳主义者：现在我明白了，有些理论存在未经解释的预言，而有些理论没有，这两者之间的确存在客观的区别。我得承认，这的确有希望成为归纳问题的解决方案。看来你已经发现了一个方法，只要给定过去的问题——情景（包括过去的观察证据）以及好坏解释之间的区别，就能证明你在未来依赖重力理论是正确的。你不需要做诸如“未来可能会相似于过去”这类假设。

戴维：发现这个方法的人不是我。

隐归纳主义者：那我也不认为是波普尔发现的。首先，波普尔从来不认为科学理论可以被证明。你仔细区分了理论被观察所证实（如归纳主义者所认为的）和被论证所证实这两种情况，但是波普尔没有做这种区分。关于归纳问题，他实际上说，虽然理论对未来的预言是不能被证明的，但是我们应该就当它们是被证明了一样！

戴维：他没这么说。如果他说了，他也不是这个意思。

隐归纳主义者：什么？

戴维：如果他的确是这个意思，那他就错了。你为什么难过呢？一个人完全有可能发现了新理论（这里是波普尔认识论），但是仍然继续坚持与之矛盾的信念。理论越深刻越容易这样。

隐归纳主义者：你是在说自己比波普尔本人更加理解波普尔理论吗？

戴维：我不知道，也不关心。你知道，哲学家对思想的历史源泉的尊重是非常过分的。科学上我们并不认为理论的发现者对该理论有任何特殊的洞见。相反，我们几乎不去参阅原始的资料。随着当初引起这些发现的问题——情景被发现本身所改变，这些原始资料不可避免地变得过时了。例如，今天的大多数相对论学家对爱因斯坦理论的理解比他本人更深刻。量子理论的奠基者们对他们自己理论的理解也是一团乱麻。这种开始阶段的摇摆不定是在预料之中的，而当我们站在巨人的肩膀上时，并不难看得比他们更远。但不论怎样，争论真理到底是什么肯定更加有意义，而不是争论某个具体的思想家（无论他多么伟大）是这么想的还是那么想的。

隐归纳主义者：好吧，我同意。但等会儿，我说过你没有假定任何归纳原则，我觉得这个说法下得太早了。你看，你已经证明了一个理论（目前的重力理论）比另一个理论（我提出的重力理论）对未来的预言更可靠，尽管这两个理论都符合目前已知的所有观察结果。既然目前的理论对未来和过去都同样适用，那么你就已经证明了：就重力而言，未来相似于过去。而且只要你在确证的基础上证明了一个理论是可靠的，上面的论证就成立。现在为了从“确证”走向“可靠”，你检查理论的解释能力。所以，你证明的是我们可称为“寻求更好解释的原则”，再加上观察。对了，还有论证——蕴涵着未来在许多方面相似于过去。而这就是归纳原则！如果你的“解释原则”蕴含着归纳原则，那么在逻辑上，它就是归纳原则。这样归纳主义仍然是对的，不论是明确的还是隐含的，都确实必须先假定归纳原则，然后才能预言未来。

戴维：哎呀，归纳主义真是毒害至深呀！才平息了几秒钟，现在又复发了，而且还愈演愈烈。

隐归纳主义者：波普尔理性主义是否还证明了带偏见的论证也是合理的？我只是问有没有这回事。

戴维：非常对不起，让我直说你刚才所谈问题的本质。不错，我的确证明了关于未来的断言。你说这意味着“未来相似于过去”，空洞地说，是的，因为任何关于未来的理论都会在某种意义上断定说未来和过去相似。但是这一关于未来和过去相似的推论并非我们寻求的归纳原理，因为我们从这一推论中既不能导出也不能证明任何关于未来的理论或者预言。例如，我们不能用它来区分你的重力理论和目前的重力理论，因为它们二者都以自己的方式说了未来和过去相似。

隐归纳主义者：难道我们不能从“解释原则”中推导出某种形式的归纳原则，能够用它来选择理论？比如，如果一个未经解释的怪物在过去没有出现过，那么在未来也不大可能出现。

戴维：不行，我们的证明并不依赖于某个具体的怪物是否在过去出现过，而是取决于对这一怪物的存在是否有一个解释。

隐归纳主义者：那好吧，让我更仔细地表达这一点。如果眼下没有解释理论预言某个具体的怪物将会出现在未来，那么这个怪物将不大可能出现在未来。

戴维：那倒差不多，至少我相信这是对的，然而它不具备“未来可能相似于过去”这种形式。而且，你为了使这句话尽量像上面那种形式，特意把它限定为“目前”、“未来”以及“怪物”这些情况。但是没有这些限定它也是成立的，它仅仅是关于论证功效的一般性陈述。简言之，就是如果没有论证支持一个假设，那么这个假设就是不可靠的，无论是过去、现在还是将来，无论怪物有无，都一样。

隐归纳主义者：我明白了。

戴维：在“理性论证”和“解释”这些概念里，没有将过去和未来联系起来的特殊方式，没有某物“相似于”某物的假设，即使假设出来，这类东西也没用。即使说“解释”这个概念蕴含未来“相似于过去”，那也是在空洞的意义上而言，绝不意味着关于未来的任何具体内容，所以它不是归纳原则。不存在归纳原则，也没有归纳过程。没有人曾经用过这样的原则或者类似的东西，因此也就不再有归纳问题。现在清楚了吗？

隐归纳主义者：是的，给我一点时间，我得调整一下我的整个世界观。

戴维：为了帮助你调整世界观，我觉得你应该更加仔细地考察你的另类“重力理论”。

隐归纳主义者：……

戴维：正如我们都同意的，你的理论客观上包含一个重力理论（目前的理论），以及一个关于我的未经解释的预言作为限定条件，认为我能无需支撑地飘浮着。“无需支撑”的意思是“没有任何向上的力作用”于我，因此这说明我会免受“重力”作用，否则重力就会把我拉下去。但是根据广义相对论，重力不是一种力，而是时空弯曲的表现。这种弯曲解释了为什么未受支撑的物体（如我自己和地球）会随着时间而逐渐靠拢。因此，按照现代物理学，你的理论大概是说存在一个向上的力作用于我，支撑着我和地球保持一个恒定距离。但是这个力来自何方？它的性质如何？例如，“恒定距离”是什么？如果地球向下运动，我会瞬时做出反应以保持同样高度吗（这将承认通信速度快于光速，与相对论的另一个原理相矛盾）？或者有关地球位置的信息必须首先以光速通知我？如果这样，那么谁是这个信息的载体？难道是地球发射的一种新型的波吗？——这种波又遵循什么方程式呢？它是否携带能量呢？它的量子力学行为是什么？或者是我对现有的波（例如光）做出的一种特殊方式的反应？那样的话，如果在我和地球之间放一个不透明的障碍物，那个怪物就会消失吗？难道地球不是基本上不透明的吗？“地球”从哪儿算起？从哪儿界定我“飘浮”于其上的那个表面？

隐归纳主义者：……

戴维：说到这一点,怎么确定我从哪儿开始？如果我抱着一个重物，它也会飘浮吗？如果是这样的话，那么我乘坐的飞机即使关掉发动机也不会失事。什么算作“抱着”？如果我伸开双臂，飞机会坠落吗？如果这一效应不适用于我抱着的物体，那我的衣服会怎么样？当我翻过栏杆时，这些衣服会把我拽下去导致坠落身亡？我最后吃的一顿饭又会怎么样呢？漂浮还是坠落？

隐归纳主义者：……

戴维：我可以像这样无休止地问下去。要点是，我们对你提出的怪物的推论考察得越多，我们发现没有解答的问题也就越多。这不仅仅是你的理论不完备的问题，这些问题都是两难问题，无论怎样回答它们，都会破坏对其他现象的满意的解释，产生出新的问题。

隐归纳主义者：……

戴维：所以你附加的假设不仅是多余的，而且确实是糟糕的。一般来讲，即兴提出的尚未驳倒的怪诞理论大致属于以下两类。一类理论假设存在不可观测的实体，例如不与其他任何物质相互作用的粒子。这类理论可以被否决，因为它不解决任何问题（“奥卡姆剃刀”，如果你愿意）。另一类理论（如你的理论）预言存在没有解释的可观测的怪物。这类理论可以被否决，因为它既不解决任何问题，又破坏了现有的解答。我得赶快补充，这不是因为它们与现有观察结果相矛盾，而是因为它们断言现有理论的预言存在例外，而又不加解释，从而削弱了现有理论的解释能力。你不能仅仅说：时空几何把没有支撑的物体拽在一起，除非其中一个是戴维，在这种情况下时空几何就不碰它们了。不论对重力现象的解释是否用时空弯曲，将你的理论和下面这个完全正统的断言比较一下：一片羽毛会飘浮着慢慢落下，因为空气中的确存在足够大的升力作用于它。这个断言是我们现有的关于空气性质的解释性理论的结果，所以它并没有产生任何新问题，而你的理论则产生了新问题。

隐归纳主义者：我知道了。那么你能帮助我调整世界观吗？

戴维：你读过我的书《真实世界的脉络》吗？

隐归纳主义者：我当然打算读，但现在我需要的帮助涉及的是一个非常具体的困难。

戴维：你接着说。

隐归纳主义者：困难在于当我回顾刚才的讨论时，我完全相信你的关于你或我跳下这塔的后果会怎样的预言并不是从任何诸如“未来相似于过去”这样的归纳假设中推导出来的。但是当我后退一步，考虑问题的整个逻辑时，我恐怕仍然不能理解为什么会是这样。考虑我们辩论的原始材料。一开始，我假设过去的观察结果和演绎逻辑是我们仅有的原始材料。后来我承认目前的问题——情景也有关系，因为需要证明我们的理论比现有的竞争理论更可靠。然后，我又必须考虑到仅靠论证就可以排除一大类理论，因为它们的解释很糟糕，于是理性原则也可以算作原始材料。我不明白的是，对未来预言正确性的证明是怎样从这些原始材料中得出的？过去的观察结果、目前的问题——情景、永恒的逻辑和理性原则无一能证明从过去到未来的推理是正确的。这里似乎存在一个逻辑漏洞。是不是在哪里藏着一个隐含的假设？

戴维：没有逻辑漏洞。你所谓的“原始材料”中的确包含关于未来的断言。最好的现有理论包含关于未来的预言，它们不能被轻易抛弃，因为它们是问题的解决方案。这些预言不能跟理论的其他内容割裂开来，如你想要做的那样，因为那将破坏理论的解释能力。所以，我们提出的任何新理论必须要么与现有理论一致，这就对新理论关于未来的预言有一定制约；要么与某些现有理论相矛盾，但是解决了因此产生的问题，给出了另一种解释，这同样就新理论关于未来的预言提出了制约。

隐归纳主义者：这样我们就没有推理原则说未来相似于过去，但是我们的确有实际的理论来这么说，那么我们的实际理论中是否隐含着一个受限形式的归纳原则呢？

戴维：没有，我们的理论仅仅给出关于未来的断言。空洞地说，任何关于未来的理论都暗示了未来在某些方面“相似于过去”。但是我们只有在有了理论之后才能认识到它在哪些方面认为未来相似于过去。你还可能会说，既然我们的理论认为真实世界的某些特性在整个空间都是一样的，这就蕴含着一个“空间的归纳原则”，大意为“近处相似于远处”。我必须指出，就“相似”这个词的任何实际含义而言，我们目前的理论说的是未来并不相似于过去。例如，宇宙论的“大坍缩”（即宇宙重新坍缩成一个小点）是有些宇宙学家预言的事件，但是在任何物理意义上，大坍缩都与我们目前这个时代完全不类似，连预言大坍缩的物理定律都不再适用于它。

隐归纳主义者：在这一点上我被说服了。那么让我试试最后一辩：我们已经看到，对未来的预言可以借助于理性原则得以证明。但是谁又来证明理性原则的正确性呢？它们毕竟不是纯逻辑真理。因此有两种可能：要么它们未经证明，那么它们得出的结论也未经证明；要么它们被某种未知的手段证明了。无论是哪种情况，都缺少了一个证明。我不再怀疑这是一个伪装的归纳问题。但是既然归纳问题已被推翻，是否还有另一个基本问题（也是关于缺失的证明的）还没有被揭示出来？

戴维：什么能证明理性原则？仍然是论证本身。例如，什么能证明演绎推理是可依赖的呢？事实上，任何想要逻辑地证明它的企图都势必会导致循环论证或者无限递归。它们之所以被证明，是因为替换演绎定律不能改进任何解释。

隐归纳主义者：对于纯粹逻辑，这不像是一个很牢靠的基础。

戴维：它不是完全牢靠的，我们也不应该指望它是。因为逻辑推理如科学推理一样，是一个物理过程，它在本质上是会出错的。逻辑定律本身并不是自明的。有一些人——数学“直觉主义者”——不同意传统的演绎定律（逻辑“推理规则”）。我在《真实世界的脉络》的第10章中讨论了他们的怪异的世界观。你无法证明（prove）他们是错的，但是我将论证（argue）他们是错的。我确信你会同意：我的论证证明了这一结论的正确性。

隐归纳主义者：那么你认为不存在“演绎问题”了？

戴维：是的，我认为证明科学、哲学或数学结论的所有通常方法都不存在问题。然而，物理宇宙竟然允许关于它自身以及其他事物的知识创造过程的存在，这个事实的确很有意思。我们可以用解释其他物理事实的同样的方法来合理地解释这一事实，即通过解释理论。你会在《真实世界的脉络》的第6章里看到，我认为在这种情形下图灵原理是合适的理论。它说的是有可能造出一台虚拟现实生成器，其全部本领包括所有物理可能的环境。如果正如我论证的那样，图灵原理是一个物理定律，那么我们能够形成关于真实世界的精确理论这一点就丝毫不令人惊奇了，因为那只不过是虚拟现实在发挥作用罢了。正如蒸汽机的实现是热力学原理的直接表达一样，人脑能够创造知识是图灵原理的直接表达。

隐归纳主义者：但是我们怎么知道图灵原理是正确的呢？

戴维：当然，我们不知道……你有点儿害怕了，是不是？害怕如果不能证明图灵原理的正确性，那么我们将再一次失去依靠科学预言的根据，是不是？

隐归纳主义者：嗯，是的。

戴维：但这是完全不同的问题！我们现在讨论的是关于物理实在的一个明显事实，即物理实在能够做出关于自身的可靠预言。我们正在试图解释这个事实，把它与我们知道的其他事实放在同一框架下。我觉得有可能涉及某一物理定律。但是如果我错了，甚至即使我们完全没有能力解释现实世界的这一不同寻常的性质，那也丝毫不会减损任何科学理论的正确性，因为它丝毫不会损害这种理论的解释。

隐归纳主义者：那么现在我没有什么好论辩的了，在理智上我被说服了。然而我必须承认，我还是感觉到某种“感情上的怀疑”。

戴维：也许我最后再说一点会有助于你释怀，不是针对你提出的某个具体论证，而是关于似乎作为许多论证基础的一个错误观念。你知道那是一个错误观念，但是你可能没有将其结果融入你的世界观中，也许这就是你的“感情上的怀疑”的源头。

隐归纳主义者：接着说。

戴维：这个错误观念是关于论证和解释的本质的。你似乎认为论证和解释，例如那些证明基于某个具体理论行事是正确的论证和解释，应该具有数学证明的形式，从假设到结论。你一直寻找“原始材料”（公理），从中推导出结论（定理）。每个成功的论证或解释的确都有这种形式的逻辑结构，但是论证过程并非以“公理”开始，以“结论”结束。相反，它从中间开始，初始阶段被矛盾、漏洞、歧义以及无关问题搞得千疮百孔。所有这些毛病都将被批评，错误的理论被尽量换掉。这些被批评和换掉的理论通常包含一些“公理”，因此，以理论作为论证最初的“公理”，认为论证起始于理论或者被理论证明，这是错误的看法。当论证过程表明相关解释看起来令人满意的时候，论证就结束了——暂时结束。这些被采纳的“公理”不是最终的、不容挑战的信念，它们只是暂时的解释性理论。

隐归纳主义者：我明白了，论证跟演绎推理以及不存在的归纳推理不是同一类东西。它并不是以任何东西为基础，也不能被任何东西证明，而且它也不必如此，因为论证的目的是解决问题，是为了说明某个问题可以被某个解释解决。

戴维：欢迎你加入我们的阵营。

前归纳主义者：这些年来，我一直在这个重大问题上感到非常自信。我感到自己比归纳主义老朽和波普尔主义新贵都高明得多，而且一直以来甚至都不知道我自己就是一个隐归纳主义者！归纳主义的确是一种病，使人眼瞎。

戴维：别对自己太苛求了，你现在已经治愈了。要是你的受害同伴们也这么容易地靠一场辩论就治愈，那该多好！

前归纳主义者：可是我怎么会这么盲目呢？想一想我曾经提名波普尔为德里达荒谬声明奖得主呢，而恰恰一直是波普尔解决了归纳问题！都是我的错！上帝饶恕我们吧，我们烧死了一个圣人！我真感到羞耻。我无地自容，只能翻过这栏杆了。

戴维：这可不值得提倡。我们波普尔主义者坚信自己的理论，绝不动摇。还是把归纳主义扔到海里去吧。

前归纳主义者：我一定，一定！

术语

隐归纳主义者（crypto-inductivist）：认为归纳推理的无效性提出了一个严重的哲学问题，即如何证明科学理论的可靠性的问题，持这种观点的人称为隐归纳主义者。

下一章介绍第四大理论——进化论，回答“生命是什么”。

[1].指普通人不假思索的判断。——译注

[2].出自《自由和理性：纪念约翰·沃特金斯》。

[3].事实上，数学定理也不是被“纯粹的”（与物理无关的）论证证明的，我将在第10章中进行解释。——作者

[4].事实上，如果关于实验设置的其他理论是错的，那么它仍有可能普遍为真。——作者

[5].“being drunk”用于人时意思是“喝醉了”，而用于一杯水时意思是“被喝掉了”。——译注

第8章 生命的意义

从古代一直到大约19世纪，人们想当然地认为需要某种特殊的生命力或要素使得生物体内的物质表现得和其他物质明显不同。这实际上意味着宇宙间存在两种类型的物质，即有生命物质和无生命物质，二者的物理性质截然不同。考虑一个生物体，比如熊，熊的照片在某些方面类似于一只活熊，其他无生命物体（如死熊）也是如此，甚至大熊星座在很有限的程度上也是如此。但是当你在树林里东躲西藏时，只有有生命物质才能追逐你，抓住你，将你撕碎。无生命的东西从来不会做这样有目的性的举动，古人是这么想的，他们当然从没见过导弹。

对亚里士多德和其他古代先哲来说，生命物质最显著的特征就是它能够发起动作。他们认为，当非生命物质（如岩石）停下来后，它再也不会动了，除非踢它一脚。但是有生命物质（如冬眠的熊）也会停下来，但不需要被踢就能重新开始活动。借助于现代科学，我们可以很容易看出这些总结的漏洞。现在看来，“发起动作”这个概念本身可能就是个误解：我们知道，熊醒过来是由于它体内的电化学过程。这些过程可以由气温升高这类外界“刺激”启动，也可以由体内生物钟启动，生物钟利用缓慢的化学反应来计时。化学反应无非就是原子运动，所以熊从来没有完全静止。另一方面，铀原子核当然是没有生命的，它可以几十亿年保持不变，然后在毫无刺激的情况下突然就猛烈地解体了。所以，亚里士多德的思想内容在今天名义上已经没有价值了，但是在一个重要问题上他的确是对的，而大多数当代思想家则是错的：在试图把生命与基本物理概念联系起来时（尽管他选择了一个错误的概念——运动），他认识到生命是自然界的一个基本现象。

如果对世界的充分深刻的理解依赖于对某个现象的理解，则称这一现象是“基本”现象。当然，世界的哪些方面值得去理解，因而什么堪称深刻或基本？人们的观点也不一致。有的人认为爱情是世界上最基本的现象，也有人认为只要把经书圣言背熟，他就理解了一切值得理解的东西。我所讲的理解是用物理定律表达的理解，是用逻辑和哲学原理表达的理解。“更深刻”的理解是指那个具有更广泛性、在表面上不同的事实之间建立起更多的联系、解释得更多而使用的未经解释的假设更少的理解。最基本的现象隐含在许多其他现象的解释中，而它们自己只能通过基本定律和基本原理得到解释。

并非所有基本现象都会有重大物理效应。重力现象有重大效应，而且的确是基本现象。但是量子干涉的直接效应，如第2章描述的影子图案，却不是重大效应，甚至明确地探测到这个现象都是很难的。尽管如此，我们已经看到量子干涉现象是一个基本现象，只有理解了这个现象，我们才能理解物理实在的基本事实，即平行宇宙的存在。

对亚里士多德来说，生命显然在理论上是基本现象，而且它有重大物理效应。我们将看到他是对的。但是他的理由却是完全错误的，他以为生命物质有独特的物理性质，生命过程在地球表面占据统治地位。亚里士多德认为，宇宙的主要组成部分包括我们现在所称的地球生物圈（包含生命的那部分区域），以及额外添加于其上的天球和其下的地球内部。如果地球生物圈是你的宇宙的主要组成部分，你会自然地认为在万物的大图纸中，树木和动物至少与岩石、星星同样重要，尤其是当你对物理学和生物学了解甚少时。现代科学的结论几乎与此相反。哥白尼学说的革命使地球从属于一个中心的、无生命的太阳。后来的物理学和天文学发现表明，不仅宇宙比地球大得多，而且以相当的精度描述宇宙的包罗万象的定律竟然一点不需要提及生命！查尔斯·达尔文的进化论解释了生命的起源，丝毫不需要任何特殊的物理性质。自那时起，我们已经发现了许多细节的生命机理，其中也没有发现任何特殊的物理性质。

科学上的这些惊人成功，尤其是牛顿时代及后来的物理学的巨大普适性，使还原主义大受欢迎。虽然人们发现对揭示的真理的信仰和理性是不相容的（后者需要对批评采取开放的态度），但仍然有许多人渴望一个他们可以信奉的万物的终极基础。如果现在还没有发现一个可以信奉的还原主义的“万有之理”，那么至少他们渴望有一个。人们认为把基于亚原子物理的还原主义的科学层次观纳入科学世界观是合情合理的，因而只有伪科学家以及其他反对科学的人才会对此提出批评。因此，直到我在学校里学生物学时，这门学科的状况已经变得和亚里士多德当年的思想截然相反了。生命压根不被认为是基本现象。“自然研究（nature study）”这个词——意思是生物学——已经变得不合时宜了。从根本上讲，自然就是物理。如果允许我稍微简化一点儿，我可以把目前流行的观点刻画如下：物理学有一个分支——化学，研究原子的相互作用；化学有一个分支——有机化学，研究碳元素化合物的性质；有机化学又长出一个分支——生物学，研究我们称为生命的化学过程。仅仅因为我们自身恰好就是这个过程，我们才对这个基础学科的遥远分支产生兴趣。相反，物理学本身就是重要的，不证自明，因为整个宇宙（包括生命）都遵循它的原理。

于是我和同学们不得不背诵大量的“生物特征”。这些特征仅仅是描述性的，几乎不涉及基本概念。诚然，运动（移动）是特征之一，反映了亚里士多德思想的一个模糊概念，但是呼吸和排泄也在其中，还有繁殖、生长以及难忘的名字——应激性，意思是如果你刺激它一下，它就会产生反应。这些假定的生命特征既缺乏优雅和深刻，精确度也不足。正如约翰逊博士告诉我们的，所有真实物体都有“应激性”。另一方面，病毒并不呼吸、生长、排泄或移动（除非受刺激），但病毒却是有生命的。患不育症的人不会繁殖，但也是有生命的。

亚里士多德的观点和我的学校课本都没能抓住区分生命和非生命的好的分类标准，更不用说更深刻的问题了，原因在于二者都没有抓住生命到底是什么这个关键问题（亚里士多德犯这种错误还情有可原，因为在那个时代这就算最好的理解了）。现代生物学并不是通过某种特有的物理属性或物质——只有生命物质才具有的某种生命“精华”——来定义生命的。我们不再指望存在这种精华，因为我们现在知道“生命物质”（以生物体形式存在的物质）并不是生命的基础，而仅仅是生命的多种效应之一，生命的基础是分子的。事实是存在分子能够使某些环境对分子自己进行复制。

这种分子称为复制子（replicator）。更一般地说，任何一个能引起某些环境复制自己的实体都是复制子。并非所有复制子都是生物的，也不是所有复制子都是分子。例如，能自我复制的计算机程序（如计算机病毒）就是复制子。一段有趣的笑话也是复制子，因为它能引诱听众将这段笑话转述给其他听众。理查得·道金斯给这种人类思想方面的复制子杜撰了一个新词：拟子[1]（ meme，与cream押韵，意为“精华之处”）。但是地球上的所有生命所依赖的复制子都是分子，称为基因。生物学就是研究基因的起源、结构和工作方式，以及基因对其他物质的作用。在大多数生物体中，基因由一串更小的分子组成，连接成一条链，这些分子有4种不同类型，叫作腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶，通常简写成A、C、G和T。任意个A、C、G、T分子以任意顺序排列成的长链有一个简短的化学名称，即DNA。

基因实际上是计算机程序，用一种称为基因码的标准语言表达成A、C、G、T符号序列。地球上所有生命的基因码大部分是相同的，仅有很小差异。（有些病毒的基础是另一种相关类型的分子RNA，而朊病毒在一定意义上是自复制的蛋白质分子。）每个生物体细胞内的特殊结构充当计算机的角色，执行这些基因程序。执行过程包括在一定外部条件下把较简单的分子（氨基酸）组装成某类大分子（蛋白质）。例如“A T G”序列指令将氨基酸和蛋氨酸整合进正在组装的蛋白质分子中去。

一般地，基因在一定身体细胞内首先用化学方式“打开”，然后指令这些细胞生产相应的蛋白质。例如荷尔蒙胰岛素就是这样一种蛋白质，它用于控制脊椎动物体内的血糖水平。生产这种蛋白质的基因几乎遍布身体的所有细胞，但是仅在胰腺的某些专门细胞中，并且只有在需要的时候才处于开启状态。在分子层面上，基因能够指令它的细胞计算机所做的一切就是：生产一定的化学物质。但是基因成功地成为复制子，因为这些低层的化学程序叠加起来，通过一层又一层的复杂控制和反馈，形成复杂的高层指令。胰岛素基因和掌管它开关的基因联合起来，组成一个完整程序，调节血液中的糖含量。

类似地，有些基因含有具体的指令，控制自己和其他基因如何复制，何时复制，如何制造本物种的下一代，包括指令分子计算机在下一代中重新执行所有这些命令。还有一些指令是指示有机体整体如何对刺激做出反应，例如何时以及怎样狩猎、吃食、性交、争斗和逃跑，等等。

基因仅仅在特定环境下才具有复制子的功能。类比于生态学里的“生态位”概念（指适合有机体生存繁衍的一组环境），我下面也用“生态位”这个词指代某复制子能在其中复制自己的所有可能环境的总和。胰岛素基因的生态位包括这样的环境：该基因处于细胞核中，周围还有其他基因相伴，而细胞本身恰当地位于功能齐全的生物体中，生物体生活在一个适合维持其生命和繁衍的栖息地。但是还有其他一些环境，例如生物技术实验室，在这里人们改变细菌的基因，以使它整合入胰岛素基因，同样实现该基因的复制。这些环境也是该基因生态位的一部分，像这样的与该基因的进化环境大相径庭的其他可能的环境还有无穷多。

并非所有能被复制的东西都是复制子。复制子必须能引起环境复制自己，即它是促成自己被复制的原因。（我的术语和道金斯的略有差别。任何被复制的东西，不论原因是什么，道金斯都叫复制子。而我说的复制子，道金斯称为主动复制子。）一般地说，什么叫某物是某事的原因？这个问题以后我再回过头来讲，但我现在的意思是，复制子的存在以及它的具体物理形态决定了复制是否发生。换句话说，如果复制子在场，那么它就被复制，但如果将它替换成任何其他物体，即使是非常相似的物体，那个物体也不会被复制。例如，在胰岛素基因的极其复杂的复制过程中（这个过程跨越了生物体的整个生命周期），它自己仅仅促成了一小步。但是胰岛素基因的绝大多数变种都不能指挥细胞制造跟胰岛素功能一样的化学物质。如果一个生物个体细胞里的胰岛素基因被稍微不同的分子替换，那个生物体就会死亡（除非用其他方式维持它存活），因而就不能产生后代，那些分子也就不会被复制。所以复制是否发生，对胰岛素基因的物理形态是极其敏感的。该基因是否以适当的形态出现在恰当的位置上，对于复制能否发生至关重要，正是这一点才使它成为复制子，尽管还有无数的其他因素也对复制有所贡献。

大多数生物体的DNA中除了有基因以外，还有A、C、G、T的随机序列，有时称为垃圾DNA序列，它们也被复制并传给生物体的后代。然而，这段序列可以由类似长度的几乎任何其他序列替换，仍然不影响复制。所以我们可以推断，这种序列的复制不依赖于具体的物理形态。垃圾DNA序列和基因不同，它们不是程序。如果它们有功能的话（现在还不知道有没有），那么这个功能也不可能是携带什么信息。虽然它们被复制，但是它们不是自己被复制的原因，所以它们不是复制子。

事实上，这话有点儿夸张。任何被复制的东西都必定对复制的原因做出了一点儿贡献。例如，垃圾DNA序列是由DNA组成的，它允许细胞计算机复制它，它只能复制DNA分子。如果某个东西对自己被复制的原因做出的贡献很小，那么把它看作复制子通常无助于说明问题。但是严格来讲，是不是复制子只是一个程度问题。我把复制子对指定环境的适应度定义为该复制子对自己在该环境中被复制的原因做出了多大程度的贡献。如果一个复制子对一个生态位的大多数环境都适应得很好，则我们就称之为良好适应于那个生态位。我们刚刚看到，胰岛素基因高度适应于它的生态位。垃圾DNA序列与胰岛素基因或其他名副其实的基因相比，其适应度弱得可以忽略不计；但比起大多数分子来，垃圾DNA对那个生态位的适应度仍然高得多。

注意，为了量化适应度，我们必须不仅考虑复制子本身，而且要考虑该复制子一定范围的变种。在给定环境下复制的发生对复制子的精确物理结构越敏感，则该复制子对那个环境就越适应。对于高度适应的复制子（只有这些才配称为复制子），我们只需要考虑它的相当少量的变种，因为大部分变化较大的变种不是复制子。因此，我们考虑用大体类似的物体替换复制子。为了量化相对于生态位的适应度，我们必须考虑该复制子对该生态位的每个环境的适应度。因此，除了考虑复制子的变种以外，还要考虑环境的变种。如果该复制子的大多数变种没有成功地让该生态位的大多数环境复制自己，那么就可以说该复制子的形态是它在该生态位被复制的重要原因，这就是我们所说的高度适应那个生态位的意思。另外，如果该复制子的大多数变种在该生态位的大多数环境下都能被复制，则该复制子的形态就无关紧要，因为不论如何复制都会发生。在这种情况下，我们的复制子对于被复制的原因几乎没有做出贡献，也就不是高度适应于那个生态位。

因此，复制子的适应度不仅依赖于那个复制子在实际环境下的表现，同时也依赖于大量其他物体（大多数并不存在）在大量非实际环境中的表现。我们在前面曾经遇到过这种奇异的性质。虚拟现实营造的准确度不仅取决于机器对用户的实际动作所做的实际反应，而且取决于机器对用户可以做而实际上没做的动作所可以做出的而实际上未做的反应。生命过程和虚拟现实之间的这种相似性并非巧合，我很快就会解释。

决定基因的生态位的最重要因素通常是基因的复制依赖于其他基因的存在。例如，熊的胰岛素基因的复制不仅依赖于熊体内所有其他基因的存在，而且依赖于熊的外部环境中其他生物体内的基因的存在。熊没有食物就不能活下来，而生产那些食物的基因仅存在于其他生物体内。

需要彼此合作完成复制的不同类型的基因通常连接起来共同生活在一条长DNA链中，即生物体的DNA。生物体就是诸如动物、植物或微生物这类东西，我们日常中把它们看作活的东西。但是根据我刚才所述，把“活的”这个词用于生物体的非DNA部分时，它最多只是一个名义上的称呼。生物体不是复制子：它只是复制子的整个环境的一部分，通常是位列其他基因之后的最重要的一部分。环境的其余部分就是这个生物体的栖息地类型（例如山顶或海底）以及在栖息地的特定生存方式（例如猎食或滤食），以使得生物体能存活足够长的时间，让自己的基因得以复制。

我们日常说生物体能够“自我繁殖”，这的确是设想的“生物特征”之一。换句话说，我们把生物体看作复制子。但这是不准确的。在繁殖过程中生物体并没有被复制，更不是造成自己被复制的原因。生物体是根据包含在其父母体内DNA中的设计图纸重新制造出来的。例如，如果一头熊的鼻子在一场事故中被改变了形状，这件事可能改变那只熊的生活方式，它能存活下来“繁殖自己”的机会就可能受到或好或坏的影响。但是鼻子的新模样并没有被复制的机会。如果那个熊真的有了后代，后代的鼻子形状会跟原来的样子相同。但是如果改变相应的基因（如果是在那只熊刚刚被怀上时进行改变，那么只需要改变一个分子），那么它的所有后代不仅拥有新的鼻子形状，而且拥有新的基因。这表明鼻子形状取决于基因，而不是取决于前一代鼻子的形状。所以，熊的鼻子形状不是造成后代鼻子形状的原因，而是熊的基因形态导致了基因本身的复制、熊的鼻子形状以及后代的鼻子形状。

因此，生物体是复制真正的复制子，即生物基因的直接环境。传统上，熊的鼻子和它的窝被分别划分为有生命实体和无生命实体两类。但这种划分并非来源于任何重大的差别。熊鼻子的作用和熊窝的作用并没有根本的不同，二者都不是复制子，尽管新鼻子和新窝不断地被制造出来。鼻子和窝都只不过是环境的一部分，熊的基因利用它来完成自己的复制过程。

这个对生命的基于基因的理解——把生物体看作基因的环境的一部分的看法——自达尔文时代以来就隐含在生物学基础中，但是至少到20世纪60年代以前仍然被人忽视，直到理查德·道金斯出版《自私的基因》（1976年）和《延伸的表现型》（1982年）两本书以后才被充分地理解。

现在回到开头的问题：生命是否是自然界的一个基本现象？还原主义者认为凸现现象（如生命）必定不如微观物理现象那样基本，我曾警告过这种观点是不对的。然而，刚才我所说的关于生命的所有论述，似乎表明生命仅仅是一长串派生效应的最后一个派生效应，因为不仅仅生物学的预言在理论上可以还原为物理学的预言，而且表面上生物学的解释也可以这样。如我所说，达尔文的伟大的解释理论（现代版本，如道金斯提议的版本）以及现代生物化学理论都是还原性的。有生命的分子——基因——仅仅是分子，和无生命分子一样遵从同样的物理和化学定律。它们不含有特殊物质，也没有任何特殊的物理属性。它们只不过在一定环境下恰好成为了复制子。复制子这一性质是与环境高度相关的，即取决于复制子环境的复杂细节：在一个环境下是复制子，而在另一个环境下就不是。而且复制子对生态位的适应性也不取决于该复制子当时所具有的任何简单、内在的物理属性，而是取决于它在未来以及在假想的环境（即环境的变种）下可能引起什么效应。环境的以及假想的性质本质上是派生的，所以很难看出仅以这样的性质为特征的现象怎么可能是自然界的一个基本现象。

至于生命的物理影响，结论是一样的：生命的影响几乎可以忽略不计。就我们现在所知，地球这个行星是宇宙中唯一存在生命的地方，我们没看见任何其他地方有生命存在的迹象，因此即使生命现象相当普遍，它的效应也小得我们无法察觉到。我们看到在地球以外是一个活跃的宇宙，奔腾着形形色色的强劲的但完全无生命的活动。星系旋转，恒星收缩、发光、闪耀、爆炸、坍塌，高能粒子和电磁波、引力波射向四面八方。在所有那些宏大的活动中，生命存在与否似乎不会有任何不同，即使生命存在，一切似乎都不会受到丝毫影响。如果地球被巨大的太阳耀斑吞噬，耀斑本身不过是一个不起眼的天体物理事件，但是地球生物圈会瞬间变成不毛之地，这个灾难对太阳的影响之微就像一滴雨珠落在喷发的火山上一样。我们的生物圈就其质量、能量或任何类似的重要天体物理学量度而言，甚至对于地球也是可以忽略不计的一小部分，而太阳系主要由太阳和木星组成，这不过是天文学常识，其他一切（包括地球）仅仅是“杂质”罢了。此外，太阳系不过是我们的银河系的一个微不足道的部分，而银河系本身又是已知宇宙中众多星系里的平凡一员。因此，就像斯蒂芬·霍金说的：“人类仅仅是一个中等大小行星上的化学渣滓，环绕着一颗非常普通的恒星旋转，而这个恒星坐落在上千亿个星系中的某一个星系的外层边缘。”

现在通行的观点是，生命非但没有中心地位，而且渺小得难以置信，无论在几何上、理论上还是实际上。在这种观点下，生物学的地位跟地理学一样。了解牛津城的布局对于住在这里的人来说很重要，但对于不来牛津城的人来说丝毫不重要。类似地，生命似乎是宇宙的某一个也许是某些个偏僻地区的属性，对于我们来说是基本的，因为我们是有生命的，但是在更大的万物图纸中，无论是在理论上还是在实践上丝毫不具有基础地位。

但是这一表面现象使人大大误入歧途。认为生命的物理效应微不足道，生命在理论上是派生的，这种看法完全不对。

为了解释这一点，我想首先解释一下前面的评论，即生命是一种形式的虚拟现实营造。我曾用“计算机”这个词指称生物细胞里的基因程序的执行机制，但这么说不是非常严格。与我们人造的通用计算机相比，细胞计算机在某些方面做得多些，而在另一些方面做得少些。人不容易为细胞计算机编程，让它做文字处理或大数分解[2]。另一方面，细胞计算机对它的复杂环境（生物体）如何对所有可能的情况做出反应进行相当精确的交互控制。这一控制目的是让环境以一种特殊方式反过来作用于基因自己（即对基因进行复制），使得对基因的净效果尽量独立于外界发生的事情。这就不仅仅是计算了，这是虚拟现实的营造。

拿细胞计算机和人类的虚拟现实技术作类比并不是特别贴切。首先，尽管基因像虚拟现实用户一样是被封闭在一个环境里的，该环境的构造和行为细节由程序规定（程序包含在基因里），但是基因并不体验这一环境，因为它们既没有感官也没有体验。因此，如果生物体是由基因规定的虚拟现实营造，那么这个营造将没有观众。其次，生物体不仅被营造，而且是被制造出来的。这并不是“骗”基因让它以为外面有一个生物体。生物体的确真实地存在着。

然而这些区别并不重要。我讲过，所有虚拟现实营造在物理上都制造了被营造的环境。任何正在运行的虚拟现实生成器内部恰恰是一个真实的物理环境，被制造出来具有程序规定的性质。仅仅是我们用户有时选择将它理解成另一个感觉相同的环境。至于没有用户在场的情况，让我们仔细考虑一下用户在虚拟现实中扮演什么角色。首先，用户要刺激被营造的环境，并接受环境的反作用。换句话说，用户以自主的方式与环境交互。在生物界的情况下，这个角色是由外部栖息地扮演的。其次，用户要给出营造背后的意向。就是说，如果对营造得准确与否毫无概念，那么说某个具体情景是营造的虚拟现实就是没有意义的。我说过，营造的准确度是用户感觉到的环境和想要的环境的接近程度。但是对于没有人提出意向也没有人感觉的营造，它的准确度是什么意思？它的意思是基因对它的生态位的适应度。根据达尔文进化论，我们可以推断基因的“意向”是想要营造一个能复制自己的环境。如果基因不能像其他竞争基因那样高效地、果断地将这一“意向”付诸行动，它就会灭绝。

因此，撇开表面差异之后，生命过程和虚拟现实营造是同一种过程，两者都涉及关于环境的一般理论的物理实现。在这两种情形下，这些理论都用来实现那一环境，不仅交互地控制它的瞬时外观，而且还有它对一般刺激的细节反应。

基因包含其生态位的知识。关于生命现象的一切基本重要意义都依赖于这一性质，而不是复制本身。因此，我们现在可以把讨论范围扩大到复制子以外。理论上我们可以想象这样一个物种，其基因是无法复制的，但能通过不断自我维护以及保护自己免受外部环境影响，从而保持自己的物理形态不变。这样的物种是不可能自然进化的，但也许可以人工构造。正如复制子的适应度定义为它对自己被复制的原因做了多大贡献，这些非复制基因的适应度可以定义为它对自己成功地以特定形态生存做出了多大贡献。假设有一个物种，它的基因就是蚀刻在钻石里的图案。一个任意形状的普通钻石能在各种多变的环境下永世存活，但是这一形状并非适应于生存，因为别的形状的钻石也能在类似的环境下生存。但是如果我们假想的这个物种的钻石编码的基因能使得它的生物体表现得（比如）能够保护钻石蚀刻表面在恶劣环境下不受侵蚀，或能够抵御其他生物体把不同的信息蚀刻在自己身上，或能够防止盗贼把自己切割打磨成宝石，那么它就具备了在那些环境下生存的真正的适应性。（巧合的是，宝石的确具有生存于当今地球环境的一定程度的适应性。人类寻找未经雕琢的钻石，把它们的形状变成宝石的形状，但人类找到宝石就保留它的形状。因此在这种环境下，宝石的形状就为它自己生存的原因做出了贡献。）

一旦人们停止生产这类人造生物体，每一种非复制基因数目就不再增加。但只要它包含的知识足够让它在自己所占据的生态位里施展生存本领，则它的数目也不会减少。最终，栖息地的巨变或意外造成的损耗会使该物种灭绝，但是它的生存时间仍可能与自然产生的物种一样长。这类物种的基因与真正的基因相比，除了不能复制以外，其他性质完全相同，尤其是这些基因里包含反映它们的生物体的必要知识，正如真正的基因一样。

复制基因和非复制基因的共同要素是知识的生存，而不一定是基因或其他物理实体的生存。因此严格说来，是否适应某个生态位的是一段知识而非物理实体。如果它适应了，那么它就拥有这样的性质，即一旦它包含在那个生态位里，它就倾向于保持这种状态。对复制子来说，包含知识的物理材料不断变化，每次复制发生时，新的复制子由非复制的成分组装而成。非复制的知识也可以成功地包含在各种不同的物理形态中。例如，酿酒声的录音从乙烯唱片转录到磁带，然后再转录到光盘。你可以想象另一种基于非复制子的人造生物，它也能做同类的事，抓住一切机会将自己基因里的知识复制到现有的最安全的介质上。也许将来有一天我们的后代就会这么做。

我认为把这些假想的物种称为“无生命”的是不恰当的，但是术语并不特别重要。要点是虽然所有已知生命都是基于复制子的，但是生命现象归根到底是关于知识的。我们可以直接用知识给出适应性的定义：如果实体包含的知识能够引起它的生态位保存那一知识，则称该实体适应于该生态位。现在我们快要找到生命是一个基本现象的原因了。生命是关于知识的物理体现的。在第6章中我们曾遇到一条物理定律——图灵原理，它也是关于知识的物理体现的。它说的是，虚拟现实生成器的程序是有可能体现物理定律的,正如它们应用于每个物理可能的环境那样。基因就是这样的程序。不仅如此，所有虚拟现实程序，不论是实际存在的还是将要存在的都是生命的直接或间接的效果。例如，运行在计算机中和我们大脑中的虚拟现实程序是人类生命的间接效果。因此，生命是一种手段，也许是必要的手段，籍此图灵原理所指的效果在自然界中得以实现。

这是令人鼓舞的，但这还不足以确立生命的基本现象地位，因为我还没有确立图灵原理本身的基本定律地位。怀疑论者可以争辩说，图灵原理不是基本定律，它是关于知识的物理体现的定律。怀疑论者可以认为知识是一个狭隘的、以人类为中心的概念，不是基本概念。就是说，只是因为我们人类是这样一种动物——我们的生态位依赖于知识的创造和运用，所以知识才对人类很重要，但知识的重要性并不具有绝对意义。对于考拉熊来说，它的生态位依赖于桉树叶，所以桉树很重要；对于掌握知识的猿猴——人类来说，知识很重要。

但是怀疑论者错了。知识并不仅仅对人类是重要的，也不仅仅在地球上是重要的。我说过，一个事物是否具有重大的物理效应，并不决定它在自然界中是否具有基本地位，但是二者是相关的。让我们考虑知识的天体物理效应。

恒星的演化理论——恒星的结构和发育——是科学的成功案例之一。（注意这里用语的冲突：“演化”在物理学中的意思是发展或运动，不是指变异和自然选择。）仅仅一个世纪以前，人们连太阳能量的来源都不知道。当时最好的物理学认为，不管太阳的能量来源是什么，太阳不可能照耀了1亿年以上，这是一个错误结论。有趣的是，地质学家和古生物学家已经从化石证据中得知生命的历程，知道太阳至少已经照耀了地球10亿年。后来出现了核物理学，并用来非常详尽地研究恒星内部的物理过程，自此恒星演化理论走向成熟。我们现在知道是什么使恒星发光。对大多数类型的恒星，我们能预言它在每个历史阶段的温度、颜色、发光度和直径，每个阶段持续多长时间，核嬗变后产生了哪些新元素，等等。这一理论通过对太阳和其他恒星的观察已经得到检验和证实。

我们可以用该理论来预言太阳的未来发展。根据这一理论，太阳在下一个50亿年左右会继续稳定发光；然后它会膨胀，直径大约是现在的100倍，变成红巨星；然后将有规律地脉动，突然爆发变成一颗新星，坍塌并冷却，最终变成一颗黑矮星。但是太阳最终会不会真的这样呢？是否每一个比太阳早几十亿年形成的具有同样质量和组成的恒星真的像这个理论所预言的那样变成了红巨星呢？在环绕某些恒星运动的小行星上进行的看起来不起眼的化学过程，有可能会改变这一质量和能量都大得多的核变和引力过程的轨迹吗？

如果太阳真的变成了一颗红巨星，它就会吞噬并毁灭地球。如果人类的后裔（不管是以物质的还是以智能的形式存在）那时还生活在地球上，他们可不想让这一切发生，他们会竭尽全力阻止这件事发生。

是否很明显他们没有这种能力呢？的确，靠我们目前的技术远远无能为力。但是我们的恒星演化理论和任何其他物理理论都不能证明这个任务不可能实现。相反，大致地说，我们已经知道需要做些什么了（即从太阳上移走一部分物质），我们有几十亿年的时间来完善我们的半生不熟的计划并付诸实施。如果我们的后代真的成功地用这种方法拯救了自己，那么目前的恒星演化理论当应用于太阳这一具体恒星时就给出了完全错误的预言。错误的原因是这个理论没有考虑到生命对恒星演化的作用，它考虑了核力、电磁力、引力、流体静压力以及辐射压力等这些基本物理效应，但是没有考虑生命效应。

看来也许以这种方式控制太阳所需要的知识不能仅靠自然选择进化出来，所以太阳的未来所依赖的必须是一种特别的智能生命。现在也许有人反对说，智能会在地球上存活长达几十亿年只是一个大胆而没有根据的假设，即使是真的，智能人将掌握控制太阳所需的知识又是进一步的假设。目前有一种观点认为，地球上的智能生命甚至现在正面临自我毁灭的危险，不是亡于核战争就是亡于科学研究或技术进步的灾难性副作用。许多人认为，如果智能生命想要在地球上继续存活，那么只能抑制自己的技术进步。因此，他们也许担心，开发控制恒星的技术与存活足够长时间从而利用那一技术是不可调和的，因此地球上的生命不论怎样都注定不会影响太阳的演化。

我敢肯定这种悲观论调是误入了歧途。在第14章中我将解释，有充分的理由推测我们的后代最终将控制太阳以及更多东西。诚然，我们无法预见他们的技术和愿望。他们可以选择迁出太阳系来拯救自己，或者冷却地球，或者采用我们无法想象的任何不损害太阳的方法。另一方面，他们也可能希望尽早地控制太阳，防止它进入红巨星阶段（例如，更有效地驾驭太阳能，或挖掘太阳原材料为自己修建更多生存空间）。但是这里讨论的关键不在于我们能否预言未来发生的事情，而仅仅在于我们认为未来会发生什么将取决于我们的后代有哪些知识，以及他们如何运用这些知识。因此，如果不确定地球上生命的未来，特别是知识的未来，那么就不能预言太阳的未来。100亿年后太阳的颜色取决于引力和辐射压力，取决于环流和核聚变，与金星的地质、木星的化学组成以及月球上环形山的形状等一点儿关系也没有，但是的确与地球这颗行星上的智能生命有关，与政治、经济和战争结局有关；取决于人类做什么，即他们的决策、解决的问题、采取的价值观以及对待自己后代的态度。

我们不能回避上述结论而对人类生存的前景采用悲观主义理论。这样的理论并不遵循物理定律或其他已知的基本原理，而且只能用高层次的人类语言来阐述（诸如“科学知识已经超出了道德知识的界限”等这类语言）。所以，如果从这样的理论出发进行论辩，就隐含地承认了，对于天体物理预言来说，人类事务理论是必需的。即使人类在其生存努力中最终失败，难道悲观主义理论适用于宇宙中所有外星智慧生命吗？否则，如果某个星系的某种智慧生命最终成功地存活了几十亿年，那么生命在宇宙的总体物理发展过程中就是有重大影响的。

纵观我们的银河系和多重宇宙，恒星的演化取决于是否以及哪里进化出了智慧生命，如果进化出来了，那么它的战争结局怎样，以及它怎样对待自己的子孙。例如，我们可以粗略地预言，银河系里不同颜色（更准确地说，不同光谱类型）的恒星各占有多大比例。为此，就必须假设存在多少智慧生命以及它们都做了什么（即它们是否关掉了太多的恒星）。根据目前的观察，太阳系外不存在智慧生命。当我们关于银河系结构的理论进一步细化时就能够做更精确的预言，但仍然要首先假定银河系里智慧生命的分布和行为。如果假设不准确，那么我们将会预言错误的光谱类型分布，正如我们搞错了星际气体的组成或氢原子质量时就会算出错误的结果一样。如果我们探测到光谱类型分布的某种异常现象，那就可能是外星智慧存在的证据。

宇宙学家约翰·巴罗和弗兰克·梯普勒曾经研究过，如果到了太阳该变成红巨星以后生命依然继续存在，那么生命将引起哪些天体物理效应？他们认为生命最终会对银河系的结构做出重大的、性质上的改变，继而对整个宇宙的结构做出这样的改变。（我将在第14章中接着讨论这个问题。）因此，任何关于宇宙在各个发展阶段（除了初期）的结构的理论都必然触及生命到那时为止做了什么和没有做什么这个问题。没有办法回避这个问题：宇宙的未来取决于知识的未来。占星家曾认为宇宙事件会影响人类事务，几个世纪以来科学认为二者互不影响，而现在我们看到人类事务将影响宇宙事件。

值得反思的是，我们从哪里误入了歧途,低估了生命的物理影响呢？是由于我们太偏狭。（讽刺的是，古代人更加偏狭，但恰好一致避免了我们的错误。）在我们所看见的宇宙范围内，生命的影响还不具有天体物理学效应，然而我们只看见了过去，而且只有空间上靠近我们的那一部分的过去，我们才能看见细节。我们观察宇宙的范围距离越远，我们看见的时间过去得就越遥远，看见的细节就越少。但即使是宇宙的整个过去，从大爆炸直至今天的全部历史，也仅仅是物理实在的一小部分。历史至少还有10倍于过去的路程要走，从现在算起到大坍缩[3]（如果发生的话），也许更多，更不用说其他宇宙了。我们无法观察到这一切，但当我们把最好的理论应用于恒星、星系和宇宙的未来时，我们发现生命还有很大的余地施展自己的影响。长远来讲，生命能够主宰一切，正如现在生命主宰了地球生物圈一样。

传统的关于生命不重要的看法，太多着眼于大小、质量和能量这样的“大宗”物理量。在偏狭的过去和现在，这些物理量过去是、现在仍然是天体物理效应的好的度量标准，但物理学里没有理由说将来仍然是这样。此外，生物圈本身已经给出足够多的反例，证明这样的度量并没有通用性。例如公元前3世纪，整个人类总质量约1000万吨，人们也许会说，发生在公元前3世纪、搬运的质量相当于人类总质量许多倍的物理过程不可能因为人类存在与否而受到显著影响。但中国的万里长城就是在那个时代修建的，它的总质量大约为3亿吨。搬运上百万吨石头就是人类一直以来在做的事情。现在只需要几十个人就能开山凿洞，移走上百万吨的石头。（如果做一个更公平的比较：被移走的岩石的质量，和造成岩石被移走的那个想法或拟子所在的工程师或皇帝的那一小部分大脑的质量，比较二者，这一点就更加明晰了。）人类作为一个整体（或所有拟子的库存）可能已经拥有足够的知识来毁灭全部行星了，假如它的生存需要这么做的话；甚至非智能生物也显著改变了许多倍于它自身质量的地球表面和大气层。比如大气层的所有氧气——大约1015吨——都是由植物创造的，因此是基因（即分子，单个分子的后代）复制的副效应。生命取得这样的成就并不是因为它比其他物理过程体积更大，质量更多，或更有活力，而是因为更有知识。就它对物理过程结果的总体效应来讲，知识与所有其他物理量至少同等重要。

但是，是否如古代人认为在有生命和无生命实体间存在本质不同那样，在有知识实体和无知识实体间存在基本的物理差别？这一差别既不依赖于实体的环境，也不依赖于实体对遥远的未来的影响，而仅仅依赖于实体本身的物理属性？非同寻常地，的确有。为了看清这种差别，必须采用多重宇宙观。

考虑一个生物体的DNA，比如熊的DNA，假设在它的某一段基因上存在序列TCGTCGTTTC。这个由10个分子组成的片段是一个复制子，它的特有生态位由这个基因的其余部分和这个基因的生态位组成。这个复制子体现了一条虽小但含量很多的知识。假设，为了论证方便，我们在熊的DNA中还发现了垃圾DNA（非基因）片段也有TCGTCGTTTC序列。然而这段序列不值得称为复制子，因为它对自己被复制几乎没有贡献，而且它也不含有知识,它是一段随机序列。这样，我们有两个物理实体，二者是同一条DNA链的不同片段，其中一段含有知识，另一段是随机序列。但是它们在物理上是相同的。那么，如果两个物理结构相同的实体中一个含有知识，另一个不含有知识，那么知识怎么可能是基本物理量呢？

可能的，因为这两段序列并非真的完全相同，它们只是从某些宇宙中看上去相同，例如从我们的宇宙中看。让我们从其他宇宙中再重新审视这两段序列。我们不能直接观察其他宇宙，我们得用理论。

我们知道，生物体内的DNA天然地会发生随机变异——基因突变，即A、C、G、T分子的排列发生变化。根据进化论，基因的适应性，从而基因的存在性都依赖于这种突变的发生。由于突变，任何基因种群都含有一定程度的变异，携带较强适应性基因的个体往往比其他个体留下更多的后代。基因的大多数变异使自己不能被复制，因为更改的序列不再能指令细胞制造任何有用的东西，另一些变异只是使得复制的可能性降低（即使基因的生态位更狭小）。但是有些变异恰好包含了新的指令，使得复制的可能性增加，于是就发生了自然选择。经过每一代变异和复制，生存下来的基因适应度倾向于增加。现在，一个随机的基因突变（例如是由宇宙射线的撞击引起的）不仅使得变异发生在一个宇宙内的生物种群里，而且跨越多个宇宙。宇宙“射线”是一个高能亚原子粒子，像手电筒发出的光子一样，它沿着不同的方向穿行于不同的宇宙。所以，当一个宇宙射线粒子撞击一条DNA链引起突变时，这条DNA链在其他一些宇宙中的对应副本就完全丢失了这段DNA，而在另一些宇宙中，撞击的部位不同，从而导致不同的突变。这样，一个宇宙射线对一个DNA分子的撞击通常会引起不同宇宙出现大范围不同的基因突变。

当考虑某一物体在其他宇宙中是什么样子时，我们千万不能在多重宇宙中走得太远，以致辨认不出它在其他宇宙中的副本。以一个DNA片段为例，在有些宇宙中根本没有DNA分子，而另一些宇宙虽包含有DNA，但和我们的宇宙非常不同，以至于无法辨认那个宇宙里哪个DNA片段对应于我们正在考虑的这个DNA片段。如果问我们这个DNA片段在那个宇宙里长什么样，那是没有意义的。因此，我们只能考虑和我们的宇宙充分相似的宇宙，以避免产生歧义。例如，我们可以仅考虑有熊存在的宇宙，而且在那些宇宙中，熊的DNA样品已经放在分析仪器上，仪器已经编好了程序打印出10个字母，代表相对于指定DNA链上一定标记处的指定位置的结构。只要我们选择合理的准则来识别邻近宇宙中相应的DNA片段，任何准则的不同都不会影响下面的讨论。

根据这样的准则，在几乎所有邻近宇宙中，熊的基因片段的序列都一定和我们的宇宙中的相同。这是因为基因片段被假设为具有高度适应性，意思是它的大部分变异在它们的大部分环境变种下将不会成功地使自己被复制，因此不会出现在活熊的DNA的那一位置。相反地，当不含有知识的DNA片段经受几乎所有变异时，变异版本仍然能够被复制。经过几代的复制，出现了许多突变，大多数突变对复制没有影响。因此，垃圾DNA片段与它在基因上的对应片段不同，在不同宇宙中完全是杂乱无章的。很有可能它的每一种可能的排列变种在多重宇宙中都有同等的出现机会（我们说它的排列是严格随机的就是这个意思）。

因此，多重宇宙观揭示了熊DNA的又一个物理结构。在我们这个宇宙中，它包含两段TCGTCGTTTC序列。其中一段是基因的一部分，另一段不是基因的一部分。在大多数邻近宇宙中，前一段都有相同的序列TCGTCGTTTC，和我们的宇宙一样。但是第二段在邻近的宇宙中则变化多端。这样，从多重宇宙的观点看，这两个片段没有一点儿相像之处（见图8-1）。

图8-1 用多重宇宙观看两个DNA片段，虽然在我们这个宇宙中恰好完全一样，但一个是随机片段，另一个是基因片段

仍然由于我们过去的局限性，我们错误地认为载有知识的实体和不载知识的实体可以是物理上完全相同的，这反过来使人对知识的基础性地位产生怀疑。但现在我们几乎走完了一个轮回。我们看到，古人认为生命物质具有特殊的物理性质的思想基本上是对的，只不过不是生命物质，而是载有知识的物质具有特殊的物理性质。在一个宇宙中看，它是不规则的，但跨越宇宙看，它有着规则的结构，就像多重宇宙中的一块水晶。

因此归根到底，知识是一个基本物理量，而生命现象仅仅略微次之。

假想我们透过电子显微镜观看熊细胞里的DNA分子，试图区分基因序列与非基因序列，估计每个基因的适应度如何。在任一宇宙中，这个任务都是不可能完成的。基因的特性——高度适应性——就算在一个宇宙中能检测到，也是非常复杂棘手的。适应性是一个凸现性质。你必须制造许多带有变异的DNA副本，利用基因工程技术对每个DNA变种制造许多熊胚胎，并让熊在代表熊生态位的环境变种里长大、生活，看看哪只熊能成功地产下后代。

但假设我们有一个魔术显微镜，它能看透其他宇宙（我强调一下，这是不可能的，我们在利用理论来想象或描绘一个我们认为肯定存在的事），这个任务就容易了。如图8-1所示，基因会从非基因中脱颖而出，正如航拍照片里杂乱的灌木丛衬托出整齐的耕地一样，或像溶液中凝结出的晶体一样。在大量邻近宇宙中，它们是规则的，而所有非基因、垃圾DNA片段是不规则的。至于基因的适应度，几乎同样容易估计。基因适应度越好，它的结构会出现在更多的宇宙中，它们会形成更大的“晶体”。

现在让我们登陆到一个陌生的行星上，试图寻找当地的生命形式是什么，如果有的话。这仍然是一个著名的难题。你不得不做异常复杂而精细的实验，其中无穷多的陷阱一直是许多科幻小说的主题。但如果你能用多重宇宙望远镜进行观察，生命及其影响就会一览无余。你只需寻找在任何一个宇宙里看起来似乎没有规则，但跨越多个相邻宇宙却是完全一样的复杂结构。如果你看到这样的结构，你就找到了某种知识的物理体现。哪里有知识，哪里就一定有生命，至少过去曾有过生命。

比较一下活熊和大熊星座。在许多邻近宇宙里，活熊在解剖学上非常相似。不仅基因相似，而且整个熊身体也很相似，虽然熊身体的其他属性（如体重）相对于基因会相差悬殊，这是因为（比如）在不同的宇宙中，那只熊最近在觅食方面成功的机会不同。但大熊星座就没有这样的跨宇宙的规律性。大熊星座的形状是孕育恒星的银河气体的初始状态导致的结果。这些状态是随机的（在微观层面上，在不同的宇宙中差别巨大），而从气体形成恒星的过程中包含有多种不稳定因素，进一步放大了差异规模。结果是，我们看到的星座里恒星的分布图案仅存在于非常小范围的宇宙里。在我们宇宙的大部分邻近宇宙中，天空中也会有星座，但是它们的形状是不同的。

最后，让我们以类似的方式环视这个宇宙，什么东西最吸引我们带着魔术眼镜的眼睛？在单一宇宙里，最显著的结构是星系和星系团，但这些东西在多重宇宙中看不出清晰的结构。当一个宇宙中有一个星系时，多重宇宙中就堆砌着无数个布局完全不同的星系。所以多重宇宙中到处都是星系。邻近宇宙仅有某些粗略的性质是相似的，这是由普遍适用于多重宇宙的物理定律所决定的。所以，多重宇宙中大多数恒星都呈相当精确的球形，大多数星系都呈螺旋形或椭圆形。但一旦观察延伸至其他宇宙，所有东西的详细结构都会变得面目全非，除了那些包含知识的个别地方。在这些地方，一些结构延伸横跨了很多个宇宙，仍然清晰可见。也许目前地球是我们这个宇宙中唯一一个这样的地方。不管怎样，这些地方在以上描述的意义上脱颖而出，成为生命和思想过程所在地，而这些过程产生出多重宇宙中最大的卓而不群的结构。

术语

复制子：能引起某些环境复制自己的实体。

基因：分子复制子。地球生命的基础是基因，即DNA链（对于有些病毒来说是RNA链）。

拟子（meme）：有复制子功能的思想，例如笑话或科学理论。

生态位（niche）：复制子的生态位是复制子能在其中引起自己被复制的所有可能的环境的总和。生物体的生态位是它生活、繁殖的所有可能的环境和生活方式的集合。

适应度：复制子对其生态位的适应程度，就是它为自己在该生态位里被复制所做的贡献大小。更一般地，一个实体对其生态位的适应程度就是这个实体含有多少能引起这个生态位保存自己的知识。

小结

自伽利略时代以来的科学发展似乎否定了古人认为生命是自然界的基本现象的思想。科学揭示了一个浩瀚的宇宙，它比地球生物圈大得多。现代生物学利用分子复制子——基因——来解释生命过程，似乎证实了这个结论，因为基因的行为与非生命物质一样，遵循同样的物理定律。然而，生命是与一个基本物理原理——图灵原理——相联系的，因为生命是大自然首次实现虚拟现实的手段。而且，虽然表面看不出来，生命是一个时空跨度最大的意义重大的过程。生命未来的行为将决定恒星和星系未来的行为。哪里演化出载有知识的物质，如大脑或DNA基因片段，哪里就存在横跨宇宙的最大尺度的规则性结构。

在我看来，进化论和量子理论的这一直接联系是四大理论之间的许多联系中最令人惊叹和最出乎预料的关联之一。另一个是在现有计算理论之下独立存在的量子计算理论，这个联系就是下一章的主题。

[1].又译为“谜米”。——译注。

[2].将一个大的整数分解成若干素数的乘积。——译注

[3].宇宙结局的一种观点。——译注

第9章 量子计算机

对于新接触这个题目的人来说，量子计算听起来像是一个新技术的名字——可能是卓越的技术发展链条的最新一环，它的前驱包括机械计算、晶体管电子计算、硅芯片计算等。的确，即使现在的计算机技术也依赖于微观量子力学过程。（当然，所有物理过程都是量子力学的，而我这里的量子力学过程是指经典物理——非量子物理——不能给出准确预测的过程。）如果计算机硬件沿着更快更小的趋势继续发展下去，那么技术必须在这种意义上变得更加“量子力学”化，因为量子力学效应在所有充分小的系统中起支配作用。假如仅仅就是这点差别的话，那么量子计算一点也不能算进真实世界的解释结构中，因为没有本质的新东西在里面。所有现在的计算机，不论它们利用了多少量子力学过程，都不过是同一个传统思想，即通用图灵机的不同技术实现。这就是为什么现在所有计算机的全部本领在本质上都是相同的原因：它们仅仅在速度、存储量和输入输出设备上有所不同。这就是说，即使现在最低档的家用计算机也可以通过编程来解决最强大的计算机能够解决的任何问题，或营造最强大的计算机能够营造的任何环境，条件仅仅是给它附加额外的存储，让它运行足够长的时间，给它适当的硬件来显示结果。

量子计算绝不仅仅是实现图灵机的更快更微缩的技术。量子计算机是独特地利用量子力学效应特别是干涉效应来完成全新类型的计算的机器，而这种计算甚至在理论上都不能在任何图灵机以及任何传统计算机上完成。因此，量子计算绝对是一种驾驭自然的独特的崭新方式。

请让我来解释。驾驭自然的最早发明是人力驱动的工具，它们彻底变革了我们祖先的生存境遇，但局限是使用时它们需要人的不断关注和操作。后来技术克服了这一局限，人们学会了驯养动物和种植植物，利用那些有机体的生物适应性来满足人的需要。于是，农作物得以生长，看家狗可以放哨，即使主人在睡觉。后来另一类新技术诞生了，人类不再仅仅会利用现有的生物适应性（和现有的非生物现象，如火），而是以陶器、砖块、车轮、金属制品和机器的形式在世界上首创了一种全新的适应性。为此，他们必须思考，并且理解支配世界的自然定律（如我解释的，不仅包括表面的东西，而且包括底层的物理世界的结构）。这种类型的技术发展——驾驭某些物理的物质、作用力和能量——持续了几千年。在20世纪，又增加了信息，此时计算机的发明允许复杂的信息处理工作在人脑以外完成。量子计算，现在还处于它的婴儿期，是这一发展历程中的独特一步，它是第一个允许有用的任务通过平行宇宙间的协作来完成的技术。量子计算机能够把复杂任务的各部分分配到大量平行宇宙中去，然后共享结果。

我已经提到计算通用性的意义，即给定足够的时间和存储空间，单个物理上可能的计算机能够完成任何其他物理上可能的计算机所能完成的任何计算。就我们目前所知，物理定律确实容许计算通用性。然而，为了在整个理论体系中有用或有意义，我到目前为止所定义的通用性是不够的，它仅仅意味着通用计算机最终能够做任何其他计算机能够做的事情。换句话说，只要给定足够时间，它就是通用的。但是如果没有给定足够时间会怎样？想象一台通用计算机，在宇宙的整个生命周期内只能完成一步计算，它的通用性还能算是真实世界的意义深远的性质吗？大概不算了吧。更一般地说，人们可以批评这一狭窄的通用性概念，因为它把某一个任务算进计算机的全部本领当中去，却不考虑计算机在完成这一任务时需要消耗的物质资源。例如，我们已经考虑过虚拟现实的用户，为了等待计算机计算下一步该显示什么，准备在暂停的动画中待上几十亿年。在讨论虚拟现实的终极限制时，采用这种看法是合理的。但是当考虑虚拟现实的有用性时，或者更重要的，当考虑虚拟现实在真实世界结构中扮演的基本角色时，我们必须区分得更加清楚。如果把容易得到的分子作为计算机，营造最早期最简单的栖息地性质的计算任务都不是易解的（易解的意思是在合理的时间内可以算完），那么进化就永远不可能发生。类似地，如果设计一个石头工具都需要思考一千年，那么科学技术就永远不会出现。而且，开始阶段的一切对以后每一步发展都是一个绝对的条件。如果基因描绘生物体的问题是难解的任务（比方说，如果一个复制周期需要几十亿年），那么无论基因里包含多少知识，计算的通用性对基因都没有什么用。

因此，复杂生物体的存在，持续地逐渐改进的发明和科学理论（如伽利略力学、牛顿力学、爱因斯坦力学、量子力学……）的已经出现，这些事实告诉我们更多关于现实中存在哪些种类的计算通用性的信息。它告诉我们，至少到目前为止，真实的物理规律能够被那些给出更好的解释和预言的理论逐次逼近，而且给定前一个理论，给定已知的定律和已经掌握的技术，得到下一个理论的问题是计算上易解的。现实世界的结构必定是分层的，这是为了方便自存取。同样，如果我们把进化本身视作计算，则它告诉我们，存在充分多的有生存能力的生物体，用DNA编了码，允许适应性更好的一代利用它的适应性较差的上一代提供的资源计算出来（即进化出来）。于是我们可以推断，物理定律除了通过图灵原理使自身具有可理解性以外，还保证相应的进化过程（如生命和思想）既不太消耗时间也不需要太多其他种类的资源就能够在现实中发生。

所以，物理定律不仅允许（或如我论证的，要求）生命和思想的存在，而且要求它们在某种合理的意义上是有效率的。为了表达真实世界的这一重要性质，现代通用性分析通常要求计算机的通用性比图灵原理表面上要求的通用性更强：不仅通用虚拟现实生成器是可能的，而且还有可能使它们仅需要合理的资源数量，就可以营造现实世界的一些简单侧面。从现在起，当我说通用性的时候，就是指这种意义上的通用性，除非特别声明。

那么营造现实世界的给定侧面能够达到多么有效率呢？换句话说，在给定时间和给定预算条件下，什么样的计算是实际可行的？这是计算复杂性理论的基本问题。我讲过，这是研究完成一定的计算任务需要多少资源的理论。复杂性理论还没有与物理学充分整合，没能给出许多定量的答案。然而，它已经取得了相当的进展，在易解与难解的计算问题之间定义了粗略但尚能有用的划分，其一般的方法通过以下例子最容易得到说明。考虑两个大数相乘的问题，比如4220851乘以2594209。许多人都记得儿童期间掌握的乘法规则，把一个数的每一位依次乘以另一个数的每一位，同时用标准的方法移位，把结果加在一起，得到最后的答案，本例的结果是10949769651859。许多人可能不愿意承认，这一令人厌烦的乘法过程，在任何通常的字面意义上会是“易解的”。（实际上，有更有效的方法实现大数相乘，但这一方法已经给出了足够好的说明。）但是从复杂性理论的角度，即让不厌其烦且几乎从不犯错的计算机来完成大量任务的角度来看，这一方法当然算是“易解的”。

根据标准的定义，算作“易解性”的标准不是把某两个数相乘所需要的实际时间，而是这一事实，即当同样的方法应用到更大的数上去时，时间不会增长得太快。可能有点儿使人惊讶的是，这个定义易解性的非常间接的方法在实际中对许多类（虽然不是全部）重要的计算任务都适用得很好。显而易见，例如对乘法来说，标准的方法能够用来把10倍大的数相乘，而额外工作量非常少。为了叙述方便，假设每一步基本的一位数相乘需要花费某台计算机1毫秒时间（包括每一基本乘法步后面的加法、移位及其他操作的时间）。当把两个7位数4220851和2594209相乘时，4220851的每一位必须乘以2594209的每一位，所以乘法所需的全部时间（如果操作是顺序完成的）是7乘以7，即49毫秒。对于约10倍大的输入，每个数有8位，把它们相乘所需要的时间是64毫秒，只增加了31%。

显然，对于很大范围内的两个数——当然包括测量得到的任何物理变量的取值，都能够在1秒钟的一小部分时间内算完它们的乘积。所以，对于物理学内部的所有目标来说（或者至少对于现在的物理学），乘法的确是易解的。诚然，在物理学以外，可能会出现把更大得多的两个数相乘的实际需要。例如，密码学家对125位素数的乘积之类的东西就很感兴趣。我们假想的机器能够仅仅在百分之一秒多一点的时间内把这样两个素数乘在一起，结果得到一个250位的数。在1秒钟内它能够把两个1000位数相乘，而现在实际的计算机能够轻易地超过这些时间。只有纯数学深奥分支的少数研究人员对这种莫名其妙的大数相乘感兴趣。而我们看到，即使他们也没有理由把乘法看作是难解的。

相反地，分解因子（实际上是乘法的逆过程）则显得困难得多。输入是单个数字，比如10949769651859，任务是找到两个因子（两个较小的数，它们相乘等于10949769651859）。因为我们刚刚乘过它们，所以知道此时的答案是4220851和2594209（而且因为这两个都是素数，所以这是唯一正确的答案）。但是假如没有内幕消息，我们怎样才能找出因子呢？你可以搜寻童年的记忆，看看有没有简便的办法，但那是徒劳的，因为没有简便的办法。

分解因子最明显的方法是用所有可能的因子去除输入的数字，从2开始，遍历每一个奇数，直到找到一个恰好整除输入的数。（假设输入不是素数）至少有一个因子不大于输入的平方根，这对于该方法需要的时间长短给出了一个估计。在我们考虑的情形下，我们的计算机会在1秒钟多一点的时间内找到两个因子中较小的那一个，即2594209。然而，如果输入大至10倍，则平方根大约大至3倍，于是用这种方法分解因子的时间会增至3倍。换句话说，输入增加一位，则运行时间增至3倍。再加一位输入会使时间再增至3倍，等等。这样，运行时间会随着待分解数字的位数的增加，以几何比率（即指数）增长。如果用这种方法分解一个包含25位长因子的数字，足够地球上所有的计算机运算好几个世纪。

方法可以进一步改进，但是目前使用的所有分解因子的方法都具有这种指数增长性。已经成功分解（可以说是“气冲冲”地成功分解）的最大数字（其因子是被数学家们秘密挑选的，是为了挑战其他数学家）具有129位数，在求助于因特网，在全球几千台计算机的共同努力下，分解因子才告成功。计算机科学家唐纳德·克努特估计，用已知的最有效的方法分解一个250位的数字，在由100万台计算机组成的网络上，也需要花费一百多万年。这种事是很难估计的，但即使克努特过于悲观，只需考虑一下，数字才增加几位，计算任务就变得困难许多倍。这就是我们所说的大数分解是难解的意思。这一切与乘法太不一样了。我们看到，一对250位的数字相乘在任何人的家用电脑上都是小事一桩，但是甚至没人能够想象如何能够分解千位数或百万位数。

至少直到最近为止，没人能够想象。

1982年，物理学家理查德·费曼考虑过量子力学对象的计算机模拟。他的出发点其实已经为人们知道了一些日子，只是没能意识到其意义，即预测量子力学系统的行为（或者如我们描述的那样，在虚拟现实中营造量子力学环境）通常是难解的。这个意义被忽略的一个原因是，没有人认为有意义的物理现象的计算机预测会是特别容易的。例如天气预报或地震预报，虽然有关方程是已知的，但是在实际中应用它们的困难是众人皆知的。在最近关于混沌和“蝴蝶效应”的通俗书籍和文章中，这已经引起了公众的注意。这些效应不是造成费曼心里想的难解性的罪魁，原因很简单，它们仅在经典物理中发生，即不在现实中，因为现实是量子力学的。无论怎样，我在这里想评论一下“混沌”经典运动，只是为了突出经典不可预测性和量子不可预测性的显著不同特点。

混沌理论是关于经典物理中可预测性的局限性的理论，它源于这一事实，即几乎所有经典系统都是本质上不稳定的。这里的“不稳定性”与疯狂行为或崩溃倾向无关，它是关于对初始条件的极端敏感性。假设我们知道某一物理系统的当前状态，如在台球桌上滚动的一组台球。如果系统遵循经典物理，在足够的近似条件下也确实如此，那么我们就应该能够根据相关的运动定律确定它的未来行为表现。比如说，某一个具体的球是否会掉进口袋，正如我们能够根据同样的定律预测天蚀或行星会合一样。但是在实际中，我们不能完全准确地测量初始位置和速度。于是提出了一个问题，如果我们对它们的了解在某一合理的精度之内，我们还能在合理的精度内预测它们未来的行为吗？答案通常是不能。从略微不精确的数据计算出来的预测轨迹与真实轨迹间的差距会随着时间呈指数且无规律（“混沌”）地增长，以至于过了一会儿，略微不精确的已知初始状态对于系统的行为就全没有导向作用。对于计算机预测的意义是，行星运动这一经典可预测性的范例是不典型的经典系统。为了预测典型的经典系统在经过仅仅适当的一段时间以后的行为，我们对它的初始状态的测量精度必须高得以至于不可能达到。于是，据说在理论上，在地球的一个半球上扇动的蝴蝶翅膀可以引起另一个半球的飓风。天气预报这类东西的不可行性于是就被归因于解释地球上每一个蝴蝶行为的不可能性。

然而，真实的飓风和真实的蝴蝶遵循量子理论，而不是经典力学。经典初始状态的微小偏差被迅速放大的不稳定性，并不是量子力学系统的特征。在量子力学中，指定初始状态的微小偏差只会导致预测的最终状态的微小偏差。取而代之的是一个非常不同的效应，它使得精确预测变得困难了。

量子力学定律要求，初始处在（所有宇宙中）给定位置上的对象必须在多重宇宙的意义上“展开”。例如，一个光子及其他宇宙中的副本都从发光灯丝上的同一点出发，但随后沿着万亿个不同方向运动。当我们随后对所发生的过程进行测量时，我们也变得分化了，因为我们的每一个副本都能看见自己这个宇宙中所发生的过程。如果这时讨论的对象是地球的大气，那么飓风会在（比方说）30%的宇宙中发生，而在另外70%的宇宙中不发生。我们主观上感觉这是一个单独的、不可预测的或“随机”的结果，而从多重宇宙的观点来看，所有的结果都已经实际上发生了。这一平行宇宙的多重性是天气不可预测性的真实原因，与我们不能精确度量初始条件完全无关。即使我们准确地知道初始条件，这一多重性以及导致的运动不可预测性仍然存在。另一方面，与经典情形相反，假使我们假想的多重宇宙的初始条件与真正的多重宇宙略有差异，其表现也不会与真正的多重宇宙相差太远：也许就是30.000001%的宇宙遭遇飓风，另外69.999999%的宇宙没有飓风。

实际上，蝴蝶翅膀的扇动不会导致飓风，因为经典混沌现象依赖于彻底的决定论，而决定论在任何单个宇宙中都是不成立的。考虑在某一时刻完全相同的一组宇宙，在这些宇宙中，此时此刻有一个蝴蝶的翅膀正在向上扇。考虑另一组宇宙，在同一时刻它们与第一组宇宙几乎完全相同，只是这个蝴蝶的翅膀正在向下扇。过了几个小时，量子力学预言，除非有特别的情况（例如，有人注视着蝴蝶，一看到它扇翅膀就按下按钮引爆核弹），这两组初始状态几乎相同的宇宙现在仍然几乎相同。但是在每一组内已经分化得很明显了，既包括有飓风的宇宙，也包括没有飓风的宇宙，甚至还包括非常少量的宇宙，其中的蝴蝶通过偶然地重组它的所有原子而自发地改变了自己的物种，或者太阳爆炸了，因为它的所有原子凑巧都冲向位于核心的核反应中去了。即使这样，这两组宇宙仍然非常相象。在那些蝴蝶翅膀向上扇起、飓风刮起的宇宙中，这些飓风的确是不可预测的；但是蝴蝶不是原因所在，因为在除了蝴蝶翅膀向上扇而其他一切完全相同的宇宙中也存在几乎一样的飓风。

可能需要强调一下不可预测性与难解性的区别。不可预测性与可获得多少计算资源无关。经典系统是不可预测的（或者说如果这样的系统存在的话，则必定是不可预测的），原因在于它们对初始条件的敏感性。量子系统没有这种敏感性，但仍然是不可预测的，因为它们在不同宇宙中的行为都不一样，从而在大多数宇宙中看起来像是随机的。在这两种情况下，不论进行多大的计算量都不能降低不可预测性。相反，难解性是有关计算资源的问题，它是指这样一种情况：只要能够完成所需的计算，我们就能轻易地做出预测，但是因为计算所需的资源多得不切实际，所以我们实际上做不出预测。为了在量子力学中把不可预测性问题与难解性问题区分开，我们必须考虑在理论上是可预言的量子系统。

通常介绍量子理论时都说它仅仅做概率预言。例如，在第2章描述的穿孔的屏障与屏幕成像类型的干涉实验中，可以观察到光子抵达影子图案的“明亮”区域的任何地方。但是重要的是需要理解，对于许多其他实验，量子理论预言出的是单个明确的结果。换句话说，它预言：尽管各个宇宙在实验中间阶段的表现各不相同，但是所有宇宙的最终实验结果是同一个，而且它还预言了结果是什么样的。在这种情况下，可以观察到非随机干涉现象。干涉仪可以演示这种现象，这是一种光学仪器，主要由镜子组成，既有普通镜子（见图9-1），也有半透半反镜（像魔术和警察局使用的那种，见图9-2）。如果光子撞上半透半反镜，那么在一半的宇宙中，它会被弹开，正如撞上普通镜子一样，而在另一半宇宙中，它会直直穿过，仿佛什么都没撞上一样。

图9-1 普通镜子的作用在所有宇宙中都是一样的

图9-2 半透半反镜使得起初状态完全相同的宇宙分化为两组数目均等的宇宙，差别仅仅是单个光子的路径不同

如图9-3所示，单个光子从左上角进入干涉仪。在做本实验的所有宇宙中，该光子及其副本沿着同一条路径射向干涉仪，因此这些宇宙是相同的。但是一旦光子撞上了半透半反镜，原先完全相同的宇宙就发生了分化。在其中一半宇宙中，光子径直穿过，沿着干涉仪的上部行进。在其余的宇宙中，它被弹离镜面，沿着干涉仪的左边向下行进。这两组宇宙中的光子分别撞击并被弹离位于右上角和左下角的普通镜面，同时到达位于右下角的半透半反镜，并且互相干涉。记住我们只允许一个光子进入仪器，在每个宇宙中也只有一个光子存在。在所有宇宙中，该光子撞上了右下角的镜面。在一半宇宙中它是从左边撞来的，在另一半宇宙中它是从上面撞来的。这两组宇宙的光子互相干涉得很强烈。最后的净效果依赖于精确的几何位置，但是图9-3显示的结果是，在所有宇宙中光子都穿过镜子向右行进，没有一个宇宙的光子向下传播或反射。于是所有宇宙在实验结束时是相同的，正如它们开始时相同一样。它们只是在实验中间阶段的一小段时间里区分开并互相干涉。

图9-3 单个光子穿过干涉仪。镜子（普通镜子用黑色表示，半透半反镜用灰色表示）的位置可以调整，使得光子（在不同的宇宙中）的两个副本之间的干涉效应导致两个副本经由同一个出口路径从下方的半透半反镜射出

这一明显的非随机干涉现象与投影现象一样都无可辩驳地证明了多重宇宙的存在性，因为我所描述的结果与单个宇宙中粒子可能行进的两条路线都不相容。例如，如果我们沿着干涉仪下面的路线向右投射光子，那么它可能像干涉实验中的光子一样穿过半透半反镜，但也可能不这样——有时它向下反射。类似地，沿着右边路线向下投射的光子可能向右反射，正如在干涉实验中那样，或者可以直直向下穿过。所以，在仪器内，不论你让单个光子处于哪条路径上，它都将随机地冒出来。只有在两条路径间发生干涉时，结果才是可预测的。所以，在干涉实验结束前，仪器内存在的东西不可能是在单个路径上的单个光子，例如不可能只有一个光子行进在下边的路线上，一定还存在别的东西使它不能向下反射。也不可能只有一个光子行进在右边的路线上，同样一定存在别的东西使它不能径直向下运动。如果只有它自己存在，则它有时会向下运动。正如投影的情况一样，我们可以构造进一步的实验，证明“别的东西”具有光子的一切性质，它沿着其他路线行进，与我们看得见的光子发生干涉，但不与我们宇宙中的其他东西干涉。

因为在本实验中只有两种不同的宇宙，如果粒子遵循经典定律的话，比如如果我们计算的是台球的路径，那么计算发生的情况只需要花费大约两倍的时间，几乎不会使计算变得难解。但是，我们已经看到很容易获得复杂得多的情况。在投影实验中，单个光子穿过凿有小孔的屏障，然后落在屏幕上。假设屏障上凿有1000个小孔，在屏幕上有些地方光子可以落上（在某些宇宙中也的确落上了），而有些地方光子不能落上。为了计算屏幕上某个具体的点能否落上光子，我们必须计算光子的1000个平行宇宙副本间的相互干涉效应。特别地，我们必须计算从屏障到屏幕上给定一点的1000条路径，计算那些光子彼此间的作用，从而确定它们是否都不能到达那个给定的点。所以，跟计算传统粒子能否撞击指定点的计算量相比，我们必须完成大约1000倍的计算量。

这种计算的复杂性告诉我们，在量子力学环境中，发生的情况比眼睛所真实见到的要多得多。我曾经用计算复杂性的术语来表述约翰逊博士的实在性准则，并论证说这种复杂性是承认平行宇宙存在性的核心理由。但是当干涉现象涉及两个或更多粒子相互作用时，情况可能要更复杂得多。假设两个相互作用的粒子中的每一个都有（比如）1000条路可走，那么在实验的中间阶段，这对粒子可以处于100万个不同的状态，所以这对粒子在多达100万个宇宙中的表现都不一样。如果有3个粒子正在相互作用，那么不同宇宙的数目会是10亿；4个粒子时，则是1012，等等。这样，如果想要预言在这种情况下将发生的现象，我们必须计算的不同历史的数目将随着相互作用的粒子数目的增加而呈指数增长。这就是为什么计算一个典型量子系统的行为是真真实实难解的。

这就是困扰费曼的难解性。可以看到，它与不可预言性毫无关系：相反，量子现象清楚地表明它是高度可预测的，因为在这种现象中，同一个确定的结果出现在所有宇宙中，不过该结果是实验过程中大量不同的宇宙间相互干涉的结果。根据量子理论，理论上所有这一切都是可以预言的，而且对初始条件不太敏感。之所以难以预言这类实验的结果总是同样的原因是，预言所需要的计算量实在太大了。

在理论上，对于通用性来说，难解性比不可预言性构成的障碍更大。我讲过，完全精确地描绘一个轮盘赌不需要也不应该给出与真实的轮盘赌同样的数字序列。类似地，我们不可能预先准备好营造明天天气的虚拟现实。但是，我们能够（或者总有一天能够）营造天气，虽然与历史上任何一天的真实天气情况不同，但是无论如何其行为是如此真实，以至于无论多么有经验的用户都不能区分它与真实天气的差别。对于任何不表现量子干涉效应的环境（也就是大多数环境）都是这样，在虚拟现实中营造这样的环境是易解的计算任务。但是，对于表现出量子干涉效应的环境，实际营造它们似乎是不可能的。不完成指数量的计算，怎么能保证在这些环境下，因为某种干涉现象，我们营造的环境不会做真实的环境肯定不做的事情？

似乎很自然地得出结论说，因为干涉现象不能被有效地营造，所以真实世界终究没有显示真正的计算通用性。但是费曼却正确地得出相反的结论！他不把描绘量子现象的难解性看作是一个障碍，而把它看作是一个机会。如果算出干涉实验中发生的现象需要那么大量的计算，那么搭起这样一个实验，测量它的结果，这本身就恰好相当于完成了一个复杂的计算。于是，费曼推断有效地营造量子环境终究是可能的，只要允许计算机在真实的量子力学对象上完成实验。计算机在运行过程中，可以选择对辅助量子硬件元件做何种测量，并把测量结果合并到计算中去。

辅助量子硬件实际上也是计算机。例如，干涉仪可以充当这种设备。如其他物理对象一样，可以把它看作计算机。现在可以称它为专用量子计算机，我们这样给它“编程”：在一定的位置放上镜子，然后向第一块镜子投射一个光子。在非随机干涉实验中，光子总是从一个方向冒出来，这由镜子的位置决定。我们可以把该方向解释为计算结果的表示。在更复杂的实验中，我解释过，用几个相互作用的粒子，可以轻易地使这种计算变得“难解”。然而，既然我们可以通过做实验轻易地获得结果，它就终究不是真正难解的。现在我们必须对我们的措辞多加注意。显然存在这样的计算任务，如果用现在的计算机去执行它，它是“难解的”，但是如果把量子力学对象用作专用计算机，它就是易解的。（注意，量子现象可以用这种方式来完成计算，这是由于它免受混沌的影响。如果计算结果对初始状态过于敏感，那么通过把它设置在合适的初始状态来为设备“编程”就会是一个不可能办到的困难任务。）

以这种方式利用量子辅助设备可能会被认为是欺骗，因为如果在营造某环境时有这个环境的备用副本可以测量，那么营造任何环境显然容易多了！但是，费曼猜想不必使用待营造环境的原模原样的副本：有可能找到构造起来容易得多的辅助设备，而其干涉性质类似于目标环境的干涉性质。那么普通计算机在利用了辅助设备与目标环境之间的相似性以后，可以完成剩余的营造任务。费曼期望这剩余的任务是易解的。进一步，他还猜想（后来证明是正确的），任何目标环境的所有量子力学性质都可以由他说明的一种特殊类型的辅助设备来模拟（即旋转原子的阵列，每一个原子与其相邻的原子相互作用）。他把这类设备的全体称为通用量子模拟器。

但是这不是单个一台机器，而为了成为合格的通用计算机，它必须得是单个一台机器。该模拟器的原子必须经历的相互作用不能像在通用计算机里那样一劳永逸地固定下来，而是必须为模拟每一个目标环境而重新设计。但是通用性的要点是应该能够为单个一台机器编程，一次编程永远受益，从而完成任何可能的计算，或营造任何物理上可能的环境。1985年我证明了在量子物理下存在通用量子计算机。证明非常简单，我做的只是模仿图灵的构造，但用的是量子理论来定义基础的物理过程，而不是用图灵隐含假设的经典力学。通用量子计算机能够完成任何其他量子计算机（或任何图灵形式的计算机）能够完成的任何计算，而且能够营造虚拟现实中任何有限的物理上可能的环境。此外，已经证明它做这些事情需要的时间和其他资源不会随着待营造环境的规模或细节呈指数增长，所以依据复杂性理论的标准，有关计算是易解的。

传统的计算理论，半个世纪以来是关于计算的毫无争议的基础理论，现在变得过时了，像经典物理学一样，只能作为一个近似的理论体系。计算理论现在是量子计算理论。我提过图灵在他的构造中隐含地使用了“经典力学”，但是借助于事后诸葛亮，我们现在能看到，即使传统计算理论也没有完全遵循经典物理，而且包含量子理论的强烈暗示。“比特”这个词，即计算机能够操纵的最小可能的信息量，本质上与量子（一个离散块）是同一个概念，这绝不是偶然的。离散变量（取值范围不连续的变量）是与经典物理不相容的。例如，如果一个变量只有两个可能值，比如0和1，它怎么能从0变到1？（我在第2章中问过这个问题。）在经典物理中，它必须不连续地跳变，这是与经典力学中力和运动的工作方式不相容的。在量子物理中，不必有连续的变化，即使所有可测量的量都是离散的。变化方式如下。

我们首先想象一些平行宇宙像一副扑克牌那样码放起来，这一整叠代表多重宇宙。（这种宇宙顺序排列的模型极大地简化了多重宇宙的复杂性，但它足以在这里阐明我的要点。）现在我们修改这一模型，考虑到这一事实，即多重宇宙不是离散的宇宙集合，而是一个连续的统一体，并非所有宇宙都不相同。事实上，对于每一个在场的宇宙都有一组连续的相同的宇宙也在场，构成多重宇宙的微小但非零的一部分。在我们的模型中，这一部分比例由一张纸牌的厚度表示，每张牌现在代表一定类型的所有宇宙。但是，与纸牌厚度不同的是，在量子力学运动定律支配下，每一类型宇宙的比例随时间而变化，结果是具有一定性质的宇宙的比例也在变化，而且是连续变化。在离散变量从0变到1的情形下，假设在变化开始前变量在所有宇宙中的值为0，变化以后在所有宇宙中的值为1。在变化过程中，变量值为0的宇宙比例从100%连续降到0，变量值为1的宇宙比例相应地从0升到100%。图9-4表示了这种变化的多重宇宙观点。

图9-4 一个比特如何从0连续变到1的多重宇宙观点

图9-4似乎显示出，虽然从多重宇宙的观点看，由0到1的转变是客观上连续的，但是从任一单独宇宙的观点看，它仍然是主观上不连续的，比如图9-4中间划一道水平线表示的情形。然而，这不过是图解的局限，并非真实情况的特征。虽然图解显示出似乎在每一时刻有一个具体的宇宙刚好从0“变到”1，因其刚好“跨过分界线”，但是实际情况不是这样。它不可能是这样的，因为这一宇宙与每一个在那时该比特值为1的其他宇宙都完全相同，所以，如果其中之一发生了不连续的变化，那么其他宇宙也会这样。因此它们都不会这样变化。还应注意，如我将在第11章中解释的那样，以为图9-4这样表示了时间（有一个时间轴）的图上有什么东西会移动的想法是不对的。在每一时刻该比特在一定比例的宇宙中取值为1，在其他宇宙中取值为0，所有这些宇宙在任何时刻都已经显示在图9-4中了。它们不会移动到别处！

传统计算理论中隐含量子物理的另一个方面是，图灵型计算机的所有实际的实现都依赖于固体或磁性材料这类东西。如果没有量子力学效应，这些东西是不能存在的。例如，任何固体都由原子阵列组成，而原子本身由带电粒子（电子和原子核中的质子）组成。但是由于经典的混沌效应，在经典运动定律支配下，带电粒子的阵列不可能是稳定的。正负带电粒子必定会离开位置对撞在一起，整个结构会崩溃。正是带电粒子在平行宇宙中行进的不同路径间强烈的量子干涉作用才防止了这种灾变，使得固体物质成为可能。

建造通用量子计算机已经远远超出了当前的技术能力。我说过，探测干涉现象总是涉及在对干涉现象起作用的宇宙中取值不同的所有变量间建立合适的相互作用。因此，涉及的相互作用的粒子越多，设计这种相互作用以显示干涉效应（即显示计算结果）的工作就越困难。在单个原子或单个电子水平上进行操作的许多技术困难中，最重要的一点是防止环境受到不同相干子计算的影响。因为如果一组原子正在经历干涉现象，而且它们程度不同地影响到环境中的其他原子，那么只测量原来这一组原子就不能探测到干涉效应了，而这一组原子也不再完成任何有用的量子计算了。这被称为脱散。我必须补充一点，这一问题经常以一种错误的方式被提出：人们经常说“量子干涉是非常脆弱的过程，必须保护起来，免受所有外界的影响”。这是不对的。外界的影响可能造成微小的缺陷，但是脱散是由量子计算对外部世界的影响造成的。

于是，竞赛在这些方面展开：要设计亚微观系统，其中携带信息的变量彼此相互作用，但对环境的影响越小越好。另一个量子计算理论所独有的新奇的简化策略部分地抵消了脱散造成的困难。事实证明，不像传统计算中人们需要设计具体的传统逻辑元件（如与门、或门、非门）那样，在量子情形下，相互作用的精确形式几乎无关紧要。事实上，任何原子尺度的相互作用的比特系统只要不脱散，都能用来完成有用的量子计算。

人们已经知道了涉及大量粒子的干涉现象，如超导性和超流性，但是似乎它们都不能用来完成有意义的计算。在本书写作的时候，只有单比特的量子计算可以在实验室中轻松完成。然而，实验科学家们有信心在未来几年里造出两个比特以及更多比特的量子门（传统逻辑元件的量子等价物），这是量子计算机的基本部件。有些物理学家，尤其是IBM研究所的罗尔夫·兰道尔对此后进一步的进展前景感到悲观。他们相信，脱散不会减少到可以连续完成好几步量子计算的程度。本领域的大多数研究人员要乐观得多。（也许是因为只有乐观的研究人员才选择研究量子计算吧！）已经造出了一些专用量子计算机（如下），我个人的观点是更复杂的机器会在几年内出现，而不需几十年。至于通用量子计算机，我认为建造它也只是个时间问题，虽然我不愿意预测时间是几十年还是几百年。

对于通用量子计算机的全部本领中包含的某些环境，用传统的方法营造它们是难解的，这一事实说明一些纯数学计算类也必定变得易解了。因为如伽利略所说，物理定律是用数学语言表达的，营造一个环境相当于计算一定的数学函数。的确，现在已经发现许多数学任务可以用量子计算高效地完成，而用所有已知的传统方法都是难解的。最引人注目的一个就是对大的自然数进行因数分解。该方法称为肖算法，由贝尔实验室的彼得·肖在1994年发现。（在本书英文原版校对期间，又发现了更加引人注目的量子算法，包括快速搜索长表的格罗佛算法。）

肖算法极其简单，对硬件的要求比通用量子计算机简单得多。因此，很可能量子因数分解引擎制造成功会远比量子计算技术全面可行化要早得多。这对于密码学（关于通信安全和信息认证的科学）具有重大意义。现实中的通信网络可以是全球化的，具有庞大的、持续变化的用户群，其通信模式不可预期。要求每一对用户事先物理地交换机密的密钥以备后来彼此通信而无需害怕窃听者，这是不切实际的。公钥密码学是一种在收发双方还没有约定任何机密信息时发送机密信息的方法。已知的最安全的公钥密码手段依赖于大数分解问题的难解性。该方法称为RSA密码体制，以纪念罗纳德·李维斯特、阿迪·沙米尔和伦纳德·阿德尔曼，他们于1978年首次提出这一方法。它依赖于一个数学过程，用一个大数（比如250位）作为密钥给消息编码。接收方可以随意把该密钥公开，因为任何用它编码的消息只能在知道了那个数的因子以后才可以解码。于是，我可以选择两个125位的素数并使它们保密，但是把它们相乘，让250位的乘积公开。任何人可以用这个数作为密钥给我发消息，但是只有我能够读消息，因为只有我知道秘密因子。

我讲过，用传统方法分解250位数是不实际的，但是运行肖算法的量子因数分解引擎可以在仅仅几千步算术运算内完成，这只需要几分钟。所以，任何能使用这种机器的人都能够轻易地阅读任何窃听到的用RSA体制加密的消息。

密码员选择再大的数字作为密钥也没有用，因为肖算法需要的资源只随着待分解数字的长度缓慢地增长。在量子计算理论中，因数分解是非常易解的。有人认为，由于存在一定程度的脱散，可以分解的数字的长度会有一个实际的限制，但是还不知道在技术上可达到的脱散率有没有下限。所以，我们只能认为未来的某一天，在现在还不能预测的某个时候，任何给定密钥长度的RSA密码体制都会变得不安全。在一定意义上，甚至现在也不安全了。因为任何人或任何组织现在可以记录下用RSA加密的消息，一直等到他们购买了脱散率足够低的量子因数分解引擎，就可以对消息解码了。这种事情可能几百年都不会发生，或者可能在仅仅几十年甚至更短时间内就发生了，谁知道呢。但是对于原先RSA体制完美的安全性，现在只能指望这种事情在相当长时期内不会发生了。

当量子因数分解引擎分解250位数字的时候，相干宇宙的数目会达到10500量级，即10的500次方。这一令人惊愕的巨大数目是肖算法把因数分解变得易解的原因。我讲过，该算法只需要几千步算术运算，我当然指的是对答案有贡献的每一个宇宙中有几千步运算。所有计算是在不同的宇宙中并行完成的，并通过相干分享结果。

你可能感到奇怪，我们怎么能说服我们在10500多个宇宙中的副本和我们一起开始干分解因数的工作呢？他们对自己的计算机没有别的使用安排吗？不，无需说服。初始时肖算法仅仅在一组彼此相同的宇宙中操作，仅仅在分解因数引擎范围内使它们分化。所以，在我们指定了待分解的数字、等待答案算出来的时候，在所有相干宇宙中是一样的。毫无疑问，存在许多其他宇宙，其中的我们编制了不同的数字，或者根本没有造出分解因数引擎，但是那些宇宙与我们的宇宙在太多的变量上不同，或更准确地说，在那些肖算法程序没有使它们以正确方式相互作用的变量上不同，所以不与我们的宇宙发生干涉。

第2章的论述应用到任何干涉现象上，摧毁了只有一个宇宙的传统思想。从逻辑上讲，复杂量子计算的可能性无助于解决不可回答的问题，但是它的确产生了心理影响。对于肖算法，论述已经写得很长。对那些仍然坚持单一宇宙世界观的人，我提出这一挑战：请解释肖算法的工作原理。我要求的不仅仅是预言它能够有效工作，这不过是求解几个没有争议的方程而已，我要求的是给出解释。当肖算法已经分解了一个数，使用的计算资源大约是可见存在的计算资源的10500倍的时候，这个数是在哪里被分解出来的？在整个可见的宇宙中只有大约1080个原子，与10500相比只是个零头。所以，如果可见的宇宙是物理实在的全部，那么物理实在所包含的资源将远远不足以分解这么大一个数。那么是谁分解了它？计算是如何以及在哪里完成的？

我一直在讨论的是量子计算机能够比现有的机器更快地求解传统类型的数学问题。但是存在另一类计算任务，传统计算机根本不能完成它，而量子计算机则是有希望的。由于不可思议的巧合，首批发现的这类问题之一也与公钥密码学有关。这一次不是破译现存的密码体制，而是实现一个新的、绝对安全的量子密码系统。1989年，在纽约约克镇高地IBM研究所，在理论家查尔斯·班尼特的办公室里，建成了第一台能够运转的量子计算机。这是一台专用量子计算机，由一对量子密码设备组成，由班尼特和蒙特利尔大学的吉勒斯·布拉萨德设计。它是第一台曾经完成过图灵机所不能完成的非平凡计算的机器。

在班尼特和布拉萨德的量子密码系统中，消息被编码在激光器发出的一个个光子的状态中。虽然传送一条消息需要许多光子（每比特一个光子，外加浪费在各种无效工作中的许多光子），但是可以用现有的技术造出这台机器，因为它一次只需在一个光子上执行量子计算。系统的安全性不是基于难解性（不论是传统的还是量子的难解性），而是直接基于量子干涉的性质：正是这才使它具有传统方法所不能获得的绝对安全性。无论是哪种计算机，无论做多少计算，无论算几百万年还是几万亿年，都无助于窃听者偷听到量子加密的消息，因为如果人们通过有干涉效应的媒介通信，那么他们就能够发觉窃听者。根据经典物理，没有办法能够防止已经接触到通信媒介（如电话线）的窃听者安装被动侦听装置。但是，我解释过，如果有人测量了一个量子系统，那么他就改变了以后的干涉性质。通信协议就依靠这一效应。通信双方有效地建立起反复的干涉实验，协调他们在公共信道上的行为。只有当干涉通过了检查，证明没有窃听者，他们才继续下一阶段的协议，这时才用一些传送的信息作为密钥。在最坏情况下，坚持不懈的窃听者可能会完全阻断通信（当然，切断电话线更容易达到目的）。但是对于阅读消息来说，只有指定的接收方才能读到，而且这是由物理定律保证的。

因为量子密码术依赖于操纵单个光子，所以它受到很大的局限。成功接收到的每一个光子负载1比特消息，必须设法完整地从发送方传送到接收方。但是所有传送方法都有损耗，如果损耗太大，消息就传达不到接受方了。建立中继站（在现有的通信系统中用来弥补损耗）会危及安全性，因为窃听者可以监听进入中继站的信息而不会被发觉。现有的最好的量子密码系统采用光纤，能传达大约10千米的范围。这足以给诸如城市的金融区这样的地方提供绝对安全的内部通信网。市场化的系统可能为期不远了，但是为了一般地解决公钥密码问题（如全球通信），还需要进一步发展量子密码学。

量子计算领域的实验和理论研究正在世界范围内加速进行，甚至更有希望的实现量子计算机的新技术已经提出，具有超过传统计算的各种优点的新型量子计算正在持续不断地被发现、被分析。我感到所有这些发展都很振奋人心，我相信它们中的某些发展会产生技术硕果。但就本书而言，那些是枝节问题了。从基础科学角度看，量子计算多么有用无关紧要，我们的第一台通用量子计算机是下星期建成还是几百年后建成，还是永远也建不成，这都无关紧要。无论怎样，对于那些寻求对真实世界的基本理解的人们来说，量子计算理论必定成为他们的世界观的不可或缺的组成部分。通过量子计算机的理论研究，我们可以发现而且正在发现关于物理定律、通用性以及真实世界结构的几个表面无关的解释之间的内在联系。

术语

量子计算：需要量子力学过程，尤其是干涉效应的计算。换句话说，是通过平行宇宙间的协作来完成的计算。

指数计算：输入每增加一位数字，所需资源（如时间）增加大约常数倍的计算。

易解/难解（粗略但管用的规则）：如果完成计算需要的资源不随着输入数的位数指数地增加，那么该计算任务被认为是易解的。

混沌：大多数经典系统运动的不稳定性。系统的两个初始状态的微小差异结果导致两条运动轨迹的差异呈指数增长。但是真实世界遵循量子物理，而不是经典物理。混沌造成的不可预期性一般都被相同宇宙变为不同宇宙的过程中所造成的量子不确定性所淹没。

通用量子计算机：能够完成任何其他量子计算机所能完成的计算，营造任何有限的、物理上可能的虚拟现实环境的计算机。

量子密码术：能够被量子计算机执行，而不能被传统计算机执行的任何形式的密码术。

专用量子计算机：非通用的量子计算机，如量子密码设备和量子因数分解引擎。

脱散：如果量子计算在不同宇宙中的不同分支对环境的影响不同，那么干涉作用会被削弱，计算可能失败。脱散是实际实现更强大量子计算机的主要障碍。

小结

物理定律允许计算机营造所有物理可能的环境，而无需使用多得不切实际的资源。所以，通用计算不仅是可能的（如图灵原理要求的那样），而且还是易解的。量子现象可能涉及大量平行宇宙，因此可能无法在一个宇宙中高效地模拟它。但是，这一强形式的通用性依然成立，因为量子计算机能高效地营造所有物理上可能的量子环境，即使在大量宇宙相互作用的情况下。量子计算机还能高效求解一定的数学问题，如因数分解，用传统方法这是难解的；它能够实现用传统方法不可能实现的密码术。量子计算是驾驭自然的全新方法。

下一章可能会激怒许多数学家。没办法，数学不是他们所认为的那个样子。

（对于数学知识可靠性的传统假设不熟悉的读者，可能认为这一章的主要结论是显然的，即我们关于数学真理的知识依赖于我们关于物理世界的知识，而且前者不比后者更加可靠。这些读者可以跳过这一章，直接进入第11章关于时间的讨论。）

第10章 数学的本质

迄今为止所描述的“真实世界的结构”是物理实在的结构，但是我还随意地谈到了物质世界中找不到的实体——抽象概念，如数字和计算机程序的无穷集合。物理定律本身也不是石头和行星那样的物理实体。如我说过的，伽利略的“自然之经书”只是一种比喻。接着我讲到存在虚构的虚拟现实环境，这种不存在的环境的定律与真实的物理定律不一样。除此以外，我还说过“康哥图”环境，它甚至不能在虚拟现实中营造。我说过，对于每一个可营造的环境都存在无穷多康哥图环境。但是，说这样的环境“存在”是什么意思？如果它们在现实中不存在，甚至在虚拟现实中不存在，那么它们在哪儿存在？

抽象的、非物理实体存在吗？它们是真实世界结构的组成部分吗？这里我对纯粹词语的用法不感兴趣。很显然，数字、物理定律等确实在某些意义上“存在”，而在另一些意义上不“存在”。本质问题是怎么理解这种实体？它们中哪些仅仅是为了语言形式的方便性，最终只是指代通常的物理实在？哪些仅仅是短暂的文化现象？哪些是随心所欲的，就像只需查寻的平凡的游戏规则？又有哪些（如果有的话）只能被解释为独立存在的？最后这一种类型的实体必定是本书所定义的真实世界结构的组成部分，因为为了理解一切已理解的事物，人们必须理解它们。

这就是说，我们应该再次启用约翰逊博士的准则。如果想要知道给定的抽象概念是否真实存在，就要问它是否以复杂的、自主的方式“反弹”。例如，数学家通过如下精确的定义刻画第一个例子中的“自然数”1，2，3，…。

1是一个自然数。

每一个自然数恰好有一个后继，后继也是一个自然数。

1不是任何自然数的后继。

后继相同的两个自然数是同一个数。

这一定义试图抽象地表达顺次离散量的直观物理概念。（更准确地说，如我在前一章解释的，这一概念实际上是量子力学的。）算术运算（如乘法、加法）以及更深入的概念（如素数）是根据“自然数”这一概念定义的。但是，在通过这一定义建立了抽象的“自然数”概念，并通过这一直观初步了解了自然数以后，我们发现关于它们仍有许多东西还不理解。素数的定义一劳永逸地规定了哪些是素数，哪些不是素数。但是对于哪些数是素数的理解（例如，素数在非常大的尺度上如何分布，如何成簇，“随机”程度有多高，以及为什么）涉及大量新的洞察和新的解释。的确，事实证明数论自成体系（经常这样说）。为了更充分地理解数字，我们不得不定义许多新类型的抽象实体，假设许多新的结构以及结构间的关联。我们发现，有些抽象结构与我们已知的其他直观概念有关系，但是表面上这些直观概念似乎与数无关，如对称、旋转、连续统、集合、无穷，等等。所以，我们以为自己很熟悉的抽象数学实体却可能出乎意料或令人失望。它们可能会意外地以新面目或伪装的面目突然出现，它们可能先是令人费解的，随后又符合新的解释。所以，它们是复杂且自主的，因而根据约翰逊博士的准则，我们只能承认它们是真实的。因为我们不能把它们理解为我们自身的一部分或我们已知的别的什么东西的一部分，但是能够把它们理解为独立的实体，所以结论必定是这些抽象实体是真实的、独立的。

不过，抽象实体是无形的。它们不像石头那样物理地反冲，所以实验和观察在数学中不能像在科学中那样扮演同样的角色。在数学中，扮演这一角色的是证明。约翰逊博士的石头通过让他的脚弹回表示反冲。素数的反冲体现在当我们证明了素数的意外性质时，尤其是当我们还能进一步解释它时。依传统观点，证明和实验之间的关键区别是，证明无需涉及物质世界。我们可以在自己心智内部完成证明，或者可以在营造错误物理现象的虚拟现实生成器内完成证明。只要遵循数学推理规则，我们应当得出与其他人一样的答案。流行的观点是，除了有可能疏忽犯错以外，如果我们证明了什么，那么我们就绝对肯定地知道它是对的。

数学家们为这种绝对肯定性感到十分自豪，而科学家们则有点儿忌妒，因为在科学中任何命题都不可能完全肯定。不论理论把现有的观测结果解释得多好，都有可能在某一时刻有人做出了新的、无法解释的观测结果，对当前的整个解释结构提出质疑。更糟的是，有人可能会提出更好的理论，不仅解释所有现有的观测结果，而且解释为什么前面的理论似乎解释得很好，但实际上是完全错误的。例如，自古以来人们观察到我们脚下的大地是静止的，伽利略对这一古老的观察结果找到了新的解释，其中含有大地实际上是运动的意思。虚拟现实——可以使一个环境逼真地相像于另一个环境——突出了这一事实，即如果把观察当成理论的最终仲裁者时，现有的解释无论多么显然，是否有丁点儿正确性都是不能完全肯定的；但如果把证明当成仲裁者，那人们就认为是可以肯定的了。

据说刚开始提出逻辑规则时，人们是希望它们能够提供一个公正可靠的解决所有争端的办法。这一愿望不可能实现。对逻辑本身的研究揭示出，逻辑演绎作为发现真理的手段，其能力是非常有限的。给定关于世界的实际假设，人们可以演绎出结论，但是结论并不比假设更可靠。逻辑能够无需借助于假设证明的公式只有重言式（如“所有行星都是行星”）这样的陈述句，什么也没断言。特别地，科学的所有实际问题都落在单靠逻辑就能解决争议的范围以外。但是人们认为，数学落在这一范围以内。所以，数学家寻求绝对而抽象的真理，而科学家聊以自慰的是他们能够获得物质世界的本质的且有用的知识。但是他们必须承认，这些知识的正确性是没有保证的。它们永远是暂时正确的，永远是可能出错的。有些人认为科学的特征是“归纳”，认为归纳法是一种类似于演绎法，只是稍微更易出错的证明方法。这一想法是为了尽量粉饰科学知识的二流地位。既然不能拥有演绎法证明的确定性，那么拥有归纳法证明的近似确定性也算凑合吧。

我说过，不存在“归纳”这样的证明方法。在科学中推导出“近似确定性”只是一个神话。我怎能“近似确定”地证明明天不会有人公开发表一个美妙新颖的物理理论，推翻了我的大部分关于真实世界的无异议的假设？或者“近似确定”地证明我没有处在虚拟现实生成器内？但是这些并不是说科学知识真的是“二等”公民，因为认为数学能产生确定性的想法也是一个神话。

自古以来人们就有认为数学知识具有特殊优越地位的想法，这一想法通常与下面这一想法相关联，即某些抽象实体不仅是真实世界结构的一部分，而且甚至比物质世界更真实。毕达哥拉斯认为，自然界的规律性就是自然数之间的数学关系表达式，口号是“万物皆数”。这话有点儿夸张。但是柏拉图更进一步，事实上彻底否认了物质世界是真实的。他认为我们对物质世界的表面体验是无意义的或误导的，认为我们感知的物理对象和现象仅仅是它们的理想本质（即“形式”或“思想”）的“影子”或不完美的仿制品，这些理想本质存在于一个独立的王国，它才是真正的实在。在这个王国中，存在着诸如1，2，3，…这样纯粹数的形式，以及加法和乘法这样的数学运算形式，当然还有其他东西。我们可以感知这些形式的影子，比如我们在桌子上放一个苹果，又放一个苹果，于是看见有两个苹果。但是苹果只能不完美地展示“1-性”和“2-性”（以及就此而言的“苹果性”）。两个苹果并不完全相同，所以在桌子上没有真正的2。可以反驳说数字2还可以由桌子上存在两个不同的东西来表示。但是这一表示仍然是不完美的，因为我们必须承认，在桌子上还存在从苹果上掉下来的细胞、灰尘以及空气。与毕达哥拉斯不同，柏拉图对于自然数没有特别的个人意见，他的真实世界包含所有概念的形式。例如，它包含完美的圆的形式。我们所感知的“圆”从来不是真正的圆，不是完全圆的，也不是完全平的，而是有一定厚度的，等等。所有这些都是不完美的。

那么柏拉图指出了一个问题。给定所有这些世俗的不完美性（他还可以加上“即使对于世俗的圆，我们的感知也是不完美的”），我们怎么可能知道关于真正的、完美的圆的知识？很显然，我们的确知道这些知识，但是怎么知道的？当欧几里得不能接触到真正的圆、点或直线时，他是从哪儿获得那些表达在他的著名公理中的几何知识的？如果没有人能感知证明所涉及的抽象实体，那么数学证明的确定性从哪里来？柏拉图的答案是，我们并非从这一影子和幻像世界中获得这些东西的知识。相反地，我们是直接从真实的形式世界本身获得这些知识的。他认为，我们天生具有那一世界的完整的知识，只是生下来时忘掉了，随后由于我们相信自己的感官而导致了层层错误，使它们模糊了。但是，通过孜孜不倦地运用“推理”，我们可以回忆起这一真实世界，从而产生经验无法提供的绝对确定性。

我怀疑是否有人相信这一漏洞百出的想入非非（包括柏拉图本人，他毕竟是非常能干的哲学家，并且信奉对公众说高尚的谎言）。但是，他提出的问题——我们怎么可能知道抽象实体的知识，先不论确定性——是足够实在的；而且他提出的解决办法里的某些要素已经成为今天流行的知识论的组成部分。特别地，认为数学知识和科学知识的来源不同，数学的“特殊”来源赋予它绝对确定性，这一核心思想直到今天实际上被所有数学家不加批判地接受。现在他们称这个来源为数学直觉，但是它恰恰扮演了柏拉图的形式王国中“回忆”的角色。

究竟我们能指望数学直觉揭示出哪种类型的完全可靠的知识吗？关于这一点有过许多激烈的争论。换句话说，数学家们相信数学直觉是绝对确定性的源泉，但他们在数学直觉产生的结果方面却不能取得一致意见！显然，这是一个无穷无尽、无法解决的争论。

不可避免地，大多数这样的争论集中在各种证明方法的正确性上。其中一个争论涉及所谓的“虚”数，虚数是负数的平方根。关于普通的“实”数的新定理的证明是通过在证明的中间阶段借助于虚数的性质而得以完成的。例如，关于素数分布的第一个定理就是用这种方法证明的。但是一些数学家反对虚数，理由是它们不实。（现在这个术语仍然反映了这一古老的争论，虽然现在我们认为虚数与“实”数是一样实的。）我猜他们的学校老师曾经不允许他们对－1取平方根，所以他们不明白为什么别人可以这么做。难怪他们称这一无情的冲动为“数学直觉”。但是其他数学家有不同的直觉，他们理解虚数是什么，虚数怎样与实数相适应。他们想，为什么不能定义新的抽象实体，让它们具有人们想要的性质呢？当然，禁止这么做的唯一合理的理由只能是所要求的性质在逻辑上有矛盾。（这实际上是现代的共识。数学家约翰·霍顿·康韦干脆称之为“数学家思想解放运动”。）诚然，没有人证明虚数体系是自洽的，但是也没有人证明通常的自然数算术是自洽的。

在无穷数、无穷集以及数学分析中无穷小量的用法的正确性上，也存在类似的争论。戴维·希尔伯特这位伟大的德国数学家为广义相对论和量子理论奠定了大量的数学基础，他评论道“数学文献中充斥着空洞和荒谬，归根溯源是无穷这个概念在作怪”。我们将看到，一些数学家根本否认涉及无穷实体的推理的合理性。19世纪纯数学的巨大成功对于解决这些争论几乎没有用，反而还强化了这些争论，并引发了新的争论。随着数学推理变得越来越复杂，它不可避免地离日常直观越来越远，这导致两个重要的、相对立的结果。一方面，数学家们对证明更加小心谨慎了，必须满足更高水平的严格性，证明才被承认。但是另一方面，发明出了一些更强有力的证明方法，这些方法的正确性并非总能由现有的方法来证实。这经常会让人怀疑一个具体的证明方法不论多么自明，是不是完全可靠的？

于是大约在1900年，数学出现了基础危机，即没有了基础的危机。但是纯逻辑定律怎么了？人们不是想用它来解决数学王国里的所有争议的吗？令人尴尬的是“纯逻辑定律”实际上正是现在数学争论的焦点。亚里士多德是第一个于公元前4世纪编撰这些定律的，从而创立了今天称为证明论的学科。他设想证明必须由一系列陈述句组成，由前提和定义开始，到所要的结论结束。一系列陈述句要想构成正确的证明，除了开始的前提以外，每个陈述句必须遵从所谓三段论的一组固定模式之一，从前面的陈述句导出。典型的三段论如下：

所有人终有一死。

苏格拉底是人。

[所以]苏格拉底终有一死。

换言之，该规则说，如果一个形如“所有A具有性质B”（如“所有人终有一死”）的陈述句出现在证明里，而且另一个形如“个体X是A”（如“苏格拉底是人”）也出现了，那么陈述句“X具有性质B”（如“苏格拉底终有一死”）可以正确地出现在后面的证明中，特别地，它是正确的结论。三段论表达了我们所称的推理规则，即定义证明中允许步骤的规则，使得前提的真理性传递给结论。由于同样原因，这些规则可以用来判定一个号称的证明是不是正确的。

亚里士多德宣称所有正确的证明都能用三段论形式表达，但是没有给出证明！证明论的问题是，现代数学证明几乎没有用纯粹三段论序列来表达的，许多证明甚至在理论上都不能变形为这种形式。而大多数数学家不能使自己完全坚持亚里士多德的法则，因为一些新的证明就像亚里士多德推理一样不证自明。数学已经进步了，像符号逻辑和集合论这样的新工具允许数学家们以新的方式把各种数学结构彼此联系起来。这创造出新的不证自明的真理，独立于传统的推理规则，所以那些传统的规则显然是不够充分的。但是新的证明方法中哪些是真正可靠不会出错的？应该怎样修改推理规则使它们具有亚里士多德错误声称的那种完备性？如果数学家们不能就什么是不证自明的、什么是胡说八道达成一致意见，那么怎样才能重新确立老规则的那种绝对权威？

与此同时，数学家们继续构建他们抽象的空中楼阁。就实际应用意义而言，许多这些构造似乎是足够坚固的了，有些已经成为科学技术必不可少的工具，大部分由美丽而成果丰富的解释结构联系起来。不过，没有人敢保证整个结构或者其中的任何实质部分没有逻辑矛盾，倘若果真如此，就会使它变成真正的胡说。1902年，波特兰·罗素证明一个为严格定义集合论而提出的理论体系是有矛盾的，这个理论体系是由德国逻辑学家弗雷格刚刚提出的。这并不是说在证明中使用集合就必然是错误的。的确，几乎没有数学家认真地想过通常使用集合、算术或数学的其他核心领域的方法可能会是不正确的。罗素的结果使人震惊的是，数学家们本来以为他们的学科是通过数学定理证明给出绝对确定性的最卓越的方法。对不同证明方法正确性的争论本身就削弱了该学科的整体意义（与人们原先所设想的相比）。

因此许多数学家感到，把证明论以及数学本身置于一个安全可靠的基础之上是一项紧迫任务。他们想要在大跃进之后对后方有所巩固：一劳永逸地定义哪种类型的证明是绝对安全可靠的，哪种不是。凡是落在可靠范围以外的证明都可以抛弃，而在可靠范围以内的证明将组成未来整个数学的唯一基础。

为此，荷兰数学家布劳威尔倡导一种证明论的极端保守方案，即直觉主义，直到今天还有其追随者。直觉主义者企图以能想到的最狭窄的方式解释“直觉”，只保留他们认为无异议的自明的方面。他们把这样定义的数学直觉抬高到甚至比柏拉图所认为的还要高的地位：认为它甚至比纯逻辑更为优先。于是他们认为逻辑本身是不可靠的，除非它被直接的数学直觉所证实。例如，直觉主义者否认任何无穷实体有直接直觉的可能性。因此，他们彻底地否认存在任何无穷集，如所有自然数的集合。命题“存在无穷多自然数”被他们认为明显是错误的，命题“康哥图环境比物理可能的环境更多”被他们认为完全没有意义。

历史上，直觉主义扮演了宝贵的思想解放的角色，正如归纳主义一样。它勇敢地质疑公认的确定性，这些确定性有些的确是错误的。但是作为实际的理论来判断哪些是正确的而哪些是不正确的数学证明，它没有任何价值。实际上，直觉主义恰恰是唯我主义在数学上的表达。二者都是对这一想法的过度反应：我们不能肯定自己对广袤世界的认识。二者提出的解决办法都是撤回到我们认为能够直接认识的内部世界中去，从而（？）才能确信所知为真。二者的解决办法都涉及要么否定外部世界的存在，要么至少放弃对外部世界的解释。在这两种情况下，这种放弃还使得人们不可能解释许多偏爱的领域内存在的内容。例如，假如像直觉主义者所坚持的那样，存在无穷多自然数的确是错误的，那么我们能够推断出只能存在有穷个自然数。多少呢？无论多少，那么为什么不能形成在这个数后面的下一个自然数的直觉呢？直觉主义者会为这一问题辩解，指出我刚才的论证中假设了日常逻辑的正确性。具体说，其中涉及根据不存在无穷多个自然数，推理出必定存在某个具体的有穷个数。有关推理规则称为排中律。它是说，对于任何命题X（如“存在无穷多自然数”），在X为真和它的反面（“存在有穷个自然数”）为真之间不存在第三种可能。直觉主义者很酷地否定了排中律。

既然在大多数人心目中排中律本身就有强有力的直觉作为后盾，否定它自然会引起非直觉主义者怀疑直觉主义者的直觉究竟是否有那么自明和可靠。或者，如果我们认为排中律来源于逻辑直觉，这使我们重新审视数学直觉是否真的能取代逻辑这一问题。无论怎样，数学直觉取代逻辑这一点可能是不证自明的吗？

但是所有这些仅仅是从外部批判直觉主义，不是反驳，直觉主义也不可能被反驳。如果有人坚持认为一个不证自明的命题对他是自明的，就好像他坚持认为只有他自己是存在的，那么他是不能被证伪的。然而，正如一般地对待唯我主义一样，直觉主义真正致命的缺陷不是在攻击它时暴露出来的，而是当认真地使用它自己的语言，把它作为被它随意裁剪过的世界的一种解释时暴露出来的。直觉主义者相信有穷自然数1，2，3，…甚至10949769651859是实在的，但是，因为这些数都有后继，所以它们形成无穷序列，这一直观论证在直觉主义者看来不过是自欺欺人或装模做样，是根本站不住脚的。但是，如果他们的抽象“自然数”概念与这些数原先用来形式化的直观之间切断了联系，那么直觉主义者也就否定了他们自己通常用来理解自然数的解释结构。这对于那些喜欢解释而不喜欢无解释的复杂结构的人来说又产生了一个新问题。直觉主义解决这一问题不是通过为自然数提供另一种或更深入的解释结构，而是如宗教裁判所和唯我主义的做法一样：进一步从解释后撤。它引进更多未经解释的复杂结构（在本例中是否定排中律），其唯一目的是允许直觉主义者表现得好像其对立面的解释是对的，而又不能由此得出关于实在的任何结论。

正如唯我主义的出发点是为了对一个多样化惊人、变化无常的世界进行简化，但是当认真采纳它时，证明它不过是现实主义加上一些不必要的复杂结构。与此类似，直觉主义最后不过是一种曾经被认真倡导过的最违反直觉的学说。

为了“一劳永逸地建立起数学方法的确信性”，戴维·希尔伯特提出了一个更合乎常理的计划，但最终仍然失败了。希尔伯特计划的基础是一致性（无矛盾）思想。他希望一劳永逸地制订好一套完整的、具有一定性质的现代数学证明的推理规则，这套规则在数目上是有限的，而且简明易用，能够毫无争议地确定任一个宣称的证明是否满足这套规则。这些规则最好还是直观和自明的，但这一点不是务实的希尔伯特所着重考虑的。如果这套规则差不多对应直观，只要他能确信它们是自洽的，他就感到满意了。也就是说，如果这套规则指出某个给定的证明是正确的，他想要确信它们不会再指出另一个结论相反的证明也是正确的。他怎样才能保证这一点呢？这一次，一致性是必须被证明的，所用的证明方法本身遵循这同一套推理规则。希尔伯特希望能够恢复亚里士多德的完备性和确定性。在这套规则下，每一条正确的数学命题在理论上都可以证明，而错误的命题都不能得到证明。1900年，为标志世纪之交，希尔伯特发表了一组问题，他希望数学家们在20世纪能够解决它们。其中第二个问题[1]是找到具有以上性质的一组推理规则，按照它们自己的标准证明它们是没有矛盾的。

希尔伯特肯定会失望。31年后，库尔特·哥德尔用彻底的反驳对证明论进行了一场革命，时至今日数学和哲学界仍然感到震颤：他证明希尔伯特第二问题是不可解的。哥德尔首先证明，任何一组能够正确检验普通算术证明正确性的推理规则都不能检验关于其自身一致性的证明是否正确，因此不可能找到希尔伯特设想的一致性可证的一组规则。然后，哥德尔证明，如果某一（充分丰富的）数学分支的一组推理规则是无矛盾的（不论是否可证），那么在该数学分支内部必定存在正确的证明方法，其正确性不能由这些规则证明。这被称为哥德尔不完备性定理。为了证明这一定理，哥德尔非凡地扩展了第6章中提到的康托的“对角线论证”。他从考虑任一组无矛盾的推理规则开始，然后说明怎样构造一个命题，在这组规则下它既不能被证实也不能被证伪。随后他证明该命题是对的。

假如希尔伯特方案成功了，那么这对于本书所宣扬的真实世界观念来说是一个坏消息，因为这会取消在判断数学思想时理解的必要性。任何人或任何无头脑的机器只要能记住希尔伯特所希望的那一组推理规则，就可以像最能干的数学家一样成为判断数学命题的法官，而不需要数学家的洞察力和理解力，甚至不需要知道该命题的含义是什么。理论上，完全不懂数学，只懂得希尔伯特规则，都有可能做出新的数学发现。这只需要按照字母顺序，依次检查所有可能的字母和数学符号串，直到其中一个通过检验，成为某个著名的未解决猜想的证明或反证。在理论上，人们可以无需理解就能解决任何数学争论，甚至无需知道符号的意义，更不用理解证明原理、证明结论、证明方法以及证明可靠的原因了。

看起来好像在数学中获得统一的证明标准至少会有助于我们向全面的大统一迈进，即我在第1章中所提到的知识的“加深”。但是实际情况恰好相反。正如物理学中预言性的“大统一理论”一样，希尔伯特规则关于真实世界的结构几乎什么也没有说。就数学而言，它们会实现还原主义者最终的幻想，（理论上）预言一切，但什么也不解释。此外，如果数学是还原主义的，那么我在第1章中讨论的所有那些人类知识结构中缺乏的、不受欢迎的特点就会出现在数学中：数学概念就会形成层次结构，希尔伯特规则处在根部。比起那些由规则立刻可以验证的数学真理，那些从这些规则出发、验证过程非常复杂的数学真理在客观上处在更不基本的地位。这样的基本真理只可能有有穷多个，随着时间的推移，数学关心的问题将不得不越来越远离基本问题。在这一凄凉的假设下，数学可能会走向终结。若不然，随着数学家被迫研究的“凸现”问题越来越复杂以及这些问题与学科基础之间的联系越来越弱，它会不可避免地分化为更神秘的专门领域。

感谢哥德尔，我们知道永远不会有一成不变的方法来判定数学命题的真伪，正如没有一成不变的方法来判定科学理论的真伪一样，也不会有一成不变的方法产生新的数学知识。所以，数学的进步总是依赖于创造性的发挥。数学家总是有可能也有必要发明新型证明。他们将通过新的论证和新的解释方式来证实这些证明，这依赖于他们不断改进对有关的抽象实体的理解。哥德尔本人的定理就是恰当的例子：为了证明它们，他必须发明新的证明方法。我讲过，该方法基于“对角线论证”，但是哥德尔以新的方式扩展了这一论证。以前没有人用这种方法证明过，没有见过哥德尔方法的人所制定的推理规则都不可能有足够的远见指出这种方法是正确的。但是它的正确性是不证自明的，这种自明性从何而来？它来自哥德尔对证明本质的理解。哥德尔证明像任何数学证明一样有说服力，但前提是人们必须首先理解与之相伴的解释。

所以，正如在科学中一样，在纯数学中解释终究还是扮演着同样首要的角色。在这两种情况下，寻求解释与理解世界——物质世界和数学抽象世界——是努力的目标，证明和观测仅仅是验证解释的手段。

根据哥德尔的结果，罗杰·彭罗斯得出一个进一步激进的且非常柏拉图式的教训。像柏拉图一样，彭罗斯痴迷于人类心智掌握抽象的数学确定性的能力；与柏拉图不同，彭罗斯不相信超自然的东西，认为大脑当然是自然界的一部分，而且只能接触到自然界。所以，问题对他比对柏拉图更加尖锐：模糊的、不可靠的物质世界怎么可能把数学确定性传递给它自己的模糊的、不可靠的一部分，如数学家的脑袋？具体说，彭罗斯想知道，我们怎么可能知道新的、正确的证明形式的绝对可靠性？哥德尔向我们证明这样的证明形式有无穷多种。

彭罗斯现在仍在寻找详细的答案，但是他的确宣称，这种无边无际的数学直觉的存在本身就是与现有的物质结构根本上不相容的，特别是它与图灵原理不相容。他的论证总结如下：如果图灵原理是对的，那么我们可以考虑把大脑（如其他物体一样）看作一台执行特殊程序的计算机，大脑与环境的相互作用构成程序的输入输出。现在考虑一位数学家，正在判定一种新提出的证明形式是否正确，做这样一种判定无异于在这位数学家脑袋里执行一段验证证明正确性的计算机程序。这样的程序包含了一组希尔伯特推理规则，根据哥德尔定理，它不可能是完备的。此外，我讲过，哥德尔给出了一种构造命题并证明其为真的方法，而那些规则不可能识别这种命题是被证明的。所以，数学家也永远不能识别该命题是被证明的，因为数学家的心智实际上是运用那些规则的一台计算机。然后，彭罗斯提出，把该命题以及哥德尔证明它成立的方法给这位数学家看。数学家理解这个证明，毕竟它的正确性是自明的。于是，这位数学家总能看出它是正确的吧。但这就与哥德尔定理相矛盾了。因此，在上面的论证中必定存在某个错误假设。彭罗斯认为错误假设就是图灵原理。

大部分计算机科学家不同意彭罗斯说图灵原理是其中最薄弱的一环。他们会说，叙述当中的那位数学家的确不能看出哥德尔的命题是被证明的。一位数学家突然变得不能理解一个自明的证明，这似乎很奇怪。但是请看下面的命题：

戴维·多伊奇不能始终如一地判断本陈述是对的。

我拼尽全力，但仍然不能始终如一地判断这个命题是不是对的。因为如果我说它对，我就是在说我不能说它是对的，自相矛盾。但是你可以看出它是对的，是吧？这说明至少有可能一个命题对某个人来说是深奥难懂的，而对其他人来说是自明正确的。

不管怎样，彭罗斯希望有一个新的基础物理理论代替量子理论和广义相对论，其预言是崭新的、可检验的，而对于所有现存的观测结果，它当然与量子论和相对论保持一致。（这些理论还没有实验反例。）但是，彭罗斯的世界与现在的物理学所描述的世界是完全不同的，其基本的现实结构是我们所称的数学抽象世界。在这方面，彭罗斯的现实包括所有数学抽象，但可能不是把所有抽象（如荣誉和公正）都包括在内，它介于柏拉图和毕达哥拉斯的现实之间。对他来说，我们所称的物质世界是完全真实的（这也与柏拉图不同），但是它是数学的一部分，或是从数学中凸现出来的。此外，不存在通用性，特别是不存在机器能够描绘所有可能的人类思维过程。不过，世界（当然，尤其是它的数学基础）仍然是可理解的。保证其可理解性的不是计算的通用性，而是物理学中一个全新的现象（虽然对柏拉图来说不新鲜）：数学实体直接作用于人脑，通过什么物理过程还有待于发现。这样，按照彭罗斯的说法，大脑进行数学思维时不仅仅参考我们现在所称的物质世界，它还直接接触到柏拉图的数学形式实在世界，而且可以（跌跌撞撞地）绝对确定地领悟那里的数学真理。

常有人说大脑可能就是一台量子计算机，它的直觉、意识和问题求解能力可能依赖于量子计算。这也许是对的，但是我没有看到任何证据以及任何令人信服的论证。我的赌注是，如果把大脑看作计算机，那么它应是传统计算机。但这些与彭罗斯的思想无关。他并不是说大脑是一种新型通用计算机，与通用量子计算机不同，崭新的后量子物理学使它能够拥有更大的计算本领。他所论证的是一种新的物理学，不支持计算通用性，在这个新理论下，大脑的某些行为根本不能看作为计算。

我得承认我想不出这样一个理论。然而，根本性的突破在发生前确实是难以设想的。很自然，在彭罗斯完成他的理论的形式化以前，很难评价它。如果一个理论具有他所期望的这些性质，而且的确最终取代了量子理论或广义相对论，或者同时取代二者，不论是通过实验检验还是给出更深层的解释，那么所有通情达理的人都会采纳它。那时我们就会开始尝试理解该理论的解释结构，迫使我们接受崭新的世界观了。有可能这是与本书阐述的世界观非常不同的世界观。但是，即使这一切都发生了，我仍然看不出该怎样满足该理论原来的出发点，即解释我们掌握新的数学证明的能力。现在以及整个历史，伟大的数学家们对于不同的证明方法的正确性一直存不同的、互相矛盾的直觉，这依然是个事实。所以，即使真的存在某个绝对的物理数学实在，将其真理直接灌入我们的大脑，从而产生数学直觉，数学家们也并非总能把这些直觉与其他错误的直觉和思想区别开来。不幸的是，当我们理解一个真正正确的证明时，没有铃响，也没有灯闪。有时在“啊哈，我知道了！”那一瞬间我们会感到灯光一闪[2]——不过是错觉。即使该理论预言，存在某个以前未注意到的物理的指示器伴随着真正的直觉（现在这已经变得非常难以置信了），当然我们会发现它很有用，但是这仍然不等于证明指示器管用。任何东西都不能证明一个更好的物理理论不会在某一天取代彭罗斯理论，揭示出设想中的指示器终究不可靠，而某个另外的指示器更好。所以，即使我们对彭罗斯的提议做出所有可能的让步，只要我们想象它是对的，并且完全用它的观点看待世界，这仍然无助于我们解释通过数学所获得的知识的所谓的确定性。

我只是概述了彭罗斯及其反对者的论证要点。读者可以推测出我实际上站在反对者一边。然而，即使承认彭罗斯的哥德尔式论证没能证明它想要证明的东西，而且他提出的新的物理理论似乎不能解释它想要解释的东西，彭罗斯也仍然在这一点上是对的，即任何基于现有的科学理性概念的世界观都会在公认的数学基础方面出问题（或者反之，如彭罗斯所说的）。这是一个由柏拉图提出的古老问题，正如彭罗斯所指出的，鉴于哥德尔定理和图灵原理，这个问题变得更加尖锐，它就是在一个由物质组成、由科学方法理解的现实中，数学确定性从何而来？虽然大部分数学家和计算机科学家认为数学直觉的确定性是当然成立的，但是他们没有认真地对待它与科学世界观相一致的问题。彭罗斯的确认真对待这个问题了，而且提出了解决方案。他的建议主张一个可理解的世界，拒绝超自然，承认创造性是数学的核心，把客观实在性归因于物质世界和抽象实体，而且包含数学基础和物理的整合。在所有这些方面我是站在他一边的。

因为布劳威尔、希尔伯特、彭罗斯以及所有其他人尝试应对柏拉图挑战的努力似乎都没有成功，所以值得再次审查柏拉图对下面这一思想的表面上的破坏性，即数学真理可以由科学方法获得。

首先，柏拉图告诉我们由于只能接触到（比如）不完美的圆，所以我们不能获得完美圆的任何知识。但究竟为什么不能呢？人们完全可以说我们不能发现行星运动的规律，因为无法接触到真正的行星，而只能接触到行星的图像。（宗教裁判所就是这么说的，我已经解释过为什么他们错了。）人们也完全可以说不可能制造精确的机器工具，因为必须用不精确的机器工具制造第一个精确工具。借助于事后诸葛亮，我们可以看到，这种非议是因为对科学工作方式的了解实在太粗略——有点儿像归纳主义。这并不令人奇怪，因为柏拉图生活的年代还没有我们能承认为科学的东西。假如，从经验中了解圆的唯一途径是检查成千上万的物理圆，然后从积累的数据中推测出它们的抽象欧几里得概念的知识，那么柏拉图是对的。但是如果我们形成一个假设，即现实的圆以一定方式类似于抽象的圆，而恰好假设是对的，那么我们通过观察现实圆一样可以获得抽象圆的知识。在欧几里得几何中，人们经常用图解来说明几何问题或解答。如果图解中圆的缺陷给人以错误的印象，例如两个圆好像相切而实际上并未相切，那么这种描述方法就可能产生错误。但是如果人们理解了现实圆和完美圆的关系，那么就可以小心地去除所有这样的错误。如果人们不理解这一关系，那么实际上就根本不可能理解欧几里得几何。

人们能够从圆的图解中获得的关于完美圆的知识的可靠性完全依赖于这个假设的准确性，即这二者以适当的方式彼此类似。这一假设涉及物理对象（图解）——实际上是物理理论——永远不能被确定地认识。但是，如柏拉图所说的那样，这并不能排除从经验中了解完美圆的可能性；它仅仅排除了获得确定性的可能。对于不是寻求确定性而只是寻求解释的人来说，这并不令人担忧。

欧几里得几何可以完全不用图解而抽象地形式化，但是数字、字母和数学符号在符号证明中使用的方式不可能比图解产生出更多的确定性，理由是一样的。符号也是物理对象（比如说墨水在纸上的图案），代表抽象的对象。我们再次完全依赖于这一假设，即符号的物理行为对应于所代表的抽象对象的行为。因此，通过操纵这些符号而获得的知识的可靠性完全依赖于描述这些符号的物理行为以及我们的手、眼等操纵、观察符号的行为的理论的准确性。弄虚作假的墨水可以让符号在我们不注意时偶然改变形状（可能是某个高科技的爱恶作剧的人的遥控），可以很快使我们在“确定”掌握的知识上误入歧途。

现在我们重新审视柏拉图的另一个假设：我们无法接触到完美的物质世界。我们不会找到完美的荣誉和正义，这一点他也许是对的；我们不会找到物理定律或所有自然数的集合，这一点他肯定是对的。但是我们可以找到桥牌里完美的一手牌，或给定的棋局中完美的一步棋。也就是说，我们可以找到完全具有指定的抽象性质的物理对象或过程。我们可以用真实的象棋学习下棋，效果就如用完美的象棋“形式”一样。马缺一角照样可以将死对方。

的确是，完美的欧几里得圆可以被我们感知。因为柏拉图不知道虚拟现实，所以他没有意识到这一点。不难按照欧几里得几何规则给第5章设想的虚拟现实生成器编程，使得用户能够感受到完美圆。没有厚度，圆是不可见的，除非我们改变了光学定律。在这种情况下，我们可以给它光亮，让用户知道它的位置。（完美主义者可能更喜欢没有这种装饰。）我们可以让圆刚硬、穿不透，用户可以用刚硬、穿不透的工具和测量仪器检验它的性质。虚拟现实测径器必须有完美的刃边，能够准确测量零厚度。用户可以根据欧几里得几何规则“画”其他圆或几何图形。工具的大小以及用户本人的大小都可以随意调节，使得几何定理的预言能够在任何尺寸上得到验证，不论精确度要求有多高。所描绘的圆在各方面的反应都恰好与欧几里得公理吻合。所以，根据今天的科学，我们的结论只能是柏拉图落伍了。我们能够在物理实在（即虚拟现实）中感知完美圆，但是我们不会在柏拉图“形式”王国中感知完美圆，因为即使能够称这个王国是存在的，我们也根本没有感觉到它。

顺便说一句，柏拉图认为物理实在由抽象概念的非完美模拟组成的思想在今天看来似乎是不必要的非对称态度。如柏拉图一样，我们仍然为抽象概念本身而研究抽象，但是在后伽利略时代的科学中，在虚拟现实理论中我们还把抽象概念看作为理解真实或人造物理实体的手段。在这一情形下，我们当然认为抽象概念几乎总是对真实物理情景的近似。所以，柏拉图把沙子中用小棍画的圆看作是对真实的、数学的圆的近似，而当代物理学家则把数学的圆看作是对真实的行星轨道、原子以及其他物质实体的形状的糟糕的近似。

既然虚拟现实生成器或其用户界面总是有可能出错，那么真的能说欧几里得圆的虚拟现实描绘符合数学确定性的标准，具有完美性吗？能。没有人宣称数学本身就没有这种不确定性。数学家可能算错，可能记错公理，可能在描述自己的工作时写错了，等等。宣称的是，除去愚蠢的错误以外，他们的结论是可靠的。类似地，虚拟现实生成器在按照设计要求正常工作时，能够精确地描绘一个完美的欧几里得圆。

一个类似的反对意见认为，我们永远不能确信虚拟现实生成器在给定的程序控制下会怎样运转，因为这依赖于机器的运行状况，最终依赖于物理定律。既然我们不能确切地知道物理定律，那我们就不能确切地知道机器是否真正描绘了欧氏几何。但是，没有人否认意料之外的物理现象——不论是由未知的物理定律造成的还是仅仅由大脑疾病或者墨水把戏造成的——可能会误导数学家。但是如果物理定律正如我们所料的那样，那么虚拟现实生成器就能完美地完成其功能，即使我们不能确信这一点。这里必须仔细区分两件事：我们能否知道虚拟现实生成器描绘了完美圆，以及它是否事实上描绘了完美圆。我们不能确切地知道这一点，但是这丝毫无损于机器实际上描绘的圆的完美性。很快我会再次讨论这一关键性的区别——关于实体的知识的完美性（确定性）和实体本身的“完美性”之间的区别。

假设我们故意修改欧氏几何程序，使得虚拟现实生成器仍然很好地描绘圆，但是不那么完美。那么感知这种不完美的描绘，我们就不能得到关于完美圆的任何知识吗？这完全依赖于我们是否知道程序在哪些方面被修改了。如果我们知道，那么就能确切地知道（除了愚蠢的错误等）我们在机器里的感觉的哪些方面忠实地反映了完美圆，而哪些方面则没有。在这种情况下，我们获得的知识是与利用正确的程序所获得的知识一样可靠的。

当我们想象圆时，我们就是在自己的脑子里做这种虚拟现实描绘。这并非一种无用的思考完美圆的方法，原因是我们能够形成精确的理论来描述我们想象的圆与完美圆有哪些性质相同，哪些性质不同。

利用完美的虚拟现实描绘，我们可以体验平面上6个相同的圆与另一个相同的圆相切，而没有互相重叠。在这种情况下，这种体验相当于严格证明了这种图案是可能的，因为所描绘的图形的几何性质与抽象图形的几何性质完全相同。但是这种与完美图形的“实践”交互不能导出欧氏几何的所有知识。大部分有趣的定理涉及不止一个几何图案，而是涉及无穷多类图案。例如，任何欧几里得三角形的角度之和等于180˚，在虚拟现实中我们可以完美地准确测量个别的三角形，但是即使在虚拟现实中我们也不可能测量所有三角形，所以无法验证定理。

我们怎样验证它呢？通过证明。传统上，证明定义为陈述句的序列，满足自明的推理规则。但是物理上“证明”过程相当于什么？为了即刻证明有关无穷多三角形的陈述句，我们考察一定的物理对象——在此种情况下是符号——与所有三角形具有共同的性质。例如，在适当情况下，当我们看到符号“∆ABC≌∆DEF”（即“三角形ABC全等于三角形DEF”）时，我们断定，以一定方式定义的一类三角形与以另一种方式定义的另一类相应的三角形总是具有相同的形状。给这一结论以证明地位的“适当情况”是，用物理学术语来说，符号在纸上出现在其他符号（其中一些代表欧几里得几何公理）之下，而且符号出现的模式遵循一定的规则，即推理规则。

但是我们应该用哪些推理规则呢？这就如同问我们应该怎样为虚拟现实生成器编程，以使它描绘欧几里得几何世界。答案是我们必须采用这样的推理规则：就我们所理解的程度，能够使符号的行为以恰当的方式如同所指代的抽象实体的行为一样。我们怎样能保证这一点？不能。设想有批评家反对我们的推理规则，因为他们认为我们的符号的行为将与抽象实体的行为不同。我们不可能求教于权威亚里士多德或柏拉图，也不可能证明我们的推理规则是可靠的（与哥德尔定理显著不同，这会导致无穷递归，因为我们必须首先证明所使用的证明方法本身是正确的）。我们也不能轻蔑地对批评者说，他们的直觉一定出错了，因为我们的直觉认为这些符号完美地模拟了抽象实体。我们能做的只有解释。我们必须解释为什么认为在这种情况下，这些符号在我们所给定的规则下，其行为就像所要求的那样。批评者可以解释为什么他们支持对立的理论。这两种理论的分歧部分地是关于物理对象的可观测行为的分歧。这种分歧可以用通常的科学方法解决。有时可以容易地解决，有时不行。产生这种分歧的另一个原因是关于抽象实体自身性质的观念冲突。这再次成为一个解释冲突的问题，这次是关于抽象对象而非物理对象。我们可能会与批评者达成共同的理解，或者可能同意说我们讨论的是两个不同的抽象对象，或者可能达不成一致。说不准。所以，与传统的信念相反，数学上的争论并非总是可以用纯粹程序性的手段得以解决的。

表面看起来，通常的符号证明似乎与那种虚拟现实的“实践”式的证明具有显著不同的特征，但是现在我们看到，它们之间的关系就如同计算与物理实验的关系一样。任何物理实验都可以看作计算，任何计算也都是物理实验。在这两种证明中，都是根据规则来操纵物理实体（不论是否在虚拟现实中）。在这两种情况下，物理实体代表涉及的抽象实体，而且证明的可靠性依赖于这一理论的正确性，即物理实体和抽象实体的确具有某些恰当的共同性质。

从以上的讨论还可以看出，证明是一个物理过程。实际上，证明是一种计算。“证明”一个命题意味着完成一个计算，如果正确地完成此计算，将确立命题成立。当我们用“证明”这个词指代一个对象时，如指代纸上墨水写的一段文字时，我们的意思是该对象可以用作为一个程序，重现相应种类的计算。

因此，数学定理、数学证明过程、数学直觉感受都不能产生任何确定性，任何东西都不能。我们的数学知识可以像科学知识一样渊博，它可以是精致美妙的解释，它可以是毫无异议得到公认的，但是它不可能是确信无疑的。没有人能保证一个以前认为是正确的证明某一天不会被证明隐含一个深藏的误解，这个误解之所以显得很自然是由于以前某个未被怀疑的关于物理世界、抽象世界或某些物理实体和抽象实体的关系的“自明”的假设。

正是这种错误的、自明的假设使得几何学两千多年来被错误地划分为数学分支，从公元前约300年欧几里得写他的《原本》起，直到19世纪（实际上直到今天大部分字典和教科书里都错了）。欧氏几何形成了每一位数学家的直觉的要素。终于有一部分数学家开始质疑欧氏公理中某一条是否自明（所谓的“平行公理”）。起初他们并没有质疑该公理的正确性。据说伟大的德国数学家高斯是第一个开始检验它的人。在证明三角形的角度之和等于180˚的证明中，平行公理是必需的。传说在极端保密的情况下（因为害怕受嘲笑），高斯让助手带上信号灯和经纬仪站在三个山顶上，这是他可以方便地测量的最大的三角形的顶点。他发现欧几里得的预言没有偏差。但是我们现在知道，这只是因为他的仪器不够敏感。（地球的附近区域在几何上恰巧是非常平整的。）爱因斯坦的广义相对论包含与欧几里得相矛盾的新的几何理论，而且已经得到实验证实。真实的三角形的角度之和真的不一定等于180˚，而是依赖于三角形内的引力场。

另一非常类似的错误划分的原因在于，数学家们自古以来在他们的学科性质认识上一直在犯一个根本性错误，即认为数学知识比任何其他形式的知识更确切。由于这一错误，人们只能把证明论划分为数学的一部分，因为如果证明数学的证明方法的理论本身都是不确定的，那么数学定理也不可能是确定的。但是我们已经看到，证明论不是数学的分支，它是一门科学。证明不是抽象的，不存在抽象地证明某个结论这样的事情，正如同不存在抽象的演算或计算某个结果这样的事情一样。人们当然可以定义一类抽象实体，称它们为“证明”，但是这些“证明”不能证实数学陈述，因为没人能看见它们。它们不能说服任何人相信命题是成立的，正如同物理上不存在的抽象虚拟现实生成器不能说服人们相信他们处在不同的环境中以及抽象计算机不能为我们分解因数一样。数学中的“证明论”与现实中哪些数学真理可证而哪些不可证无关，正如同抽象“计算”理论与现实中数学家或别的什么人能计算什么而不能计算什么无关一样，除非有一个另外的、经验主义的理由相信理论中的抽象“计算”与真实计算相似。计算（包括能作为证明的特殊计算）是物理过程。证明论是关于怎样确保这些过程正确地模拟了它们所想要模拟的抽象实体的。

哥德尔定理被赞美为“两千年来纯逻辑的第一个新定理”，但并非如此。哥德尔定理是关于什么可证什么不可证的，证明是物理过程。证明论中所有东西都不仅仅与逻辑有关。哥德尔用来证明关于证明的一般断言时所采用的新方法依赖于一定的假设，这些假设是关于哪些物理过程能够而哪些物理过程不能够以观察者可以察觉且信服的方式表示抽象事实。哥德尔把这些假设提炼出来融进对他的结果的明确且不言而喻的证明中。他的结果是自明的，不是因为它们是“纯逻辑的”，而是因为数学家们发现假设是自明的。

哥德尔的假设之一是传统的假设，即证明只能有有限步。这一假设的直观证明是，我们的生命是有限的，不可能掌握无穷多断言。顺便提一句，这一直观在1976年曾使许多数学家发愁。那时肯尼斯·阿佩尔和沃尔夫冈·哈肯用计算机证明了著名的“四色猜想”（只用4种不同的颜色就可以给平面上的任何地图着色，使得相邻区域的颜色都不相同）。这一程序需要计算机运算几百小时，这意味着如果把证明步骤写下来，一个人用几辈子也读不完，更不用说它是否自明了。“我们应该接受计算机对四色猜想的证明吗？”怀疑论者会问，虽然当他们接受相对“简单”的证明时，他们从来不会给自己大脑里的所有神经触发分门别类。

当应用到具有无穷步骤的假想的证明时，这一担忧就显得更加有理了。但是什么是“一步”，什么是“无穷”？在公元前5世纪，埃利亚的齐诺[3]基于类似的直观就断言，如果乌龟先行，那么阿基里斯[4]永远不会超过乌龟。在阿基里斯到达乌龟现在所处的位置时，乌龟又向前挪动了一点，而当他到达这一位置时，它又向前挪动了一点，依此类推以至无穷。所以这一“赶超”过程需要阿基里斯完成无限多赶超的步骤，作为有限的生命他是办不到的。但是阿基里斯能够做的事情不能靠纯逻辑来发现，它完全依赖于物理定律支配他能做什么。如果那些定律说他能赶超乌龟，那么他就能赶超它。根据经典物理，赶超需要无限多形如“移到乌龟现在的位置”这样的步骤，在这一意义下，这是一个计算上无穷的操作。等价地，把它看作是运用给定的一组操作使一个物理量变得比另一个物理量更大的证明，它是一个具有无限步骤的证明。但是有关的定律指明它是物理上有限的过程，这就是全部有意义的内容。

就我们所知，哥德尔关于步骤和有限的直观确实抓住了证明过程中真实的物理限制。量子理论需要离散步骤。在物理对象相互作用的已知方式中，没有一种允许在得出结论前经过无穷多步骤。（然而，宇宙的全部历史有可能完成无限多步骤，我将在第14章中解释这一点。）假如真是这样（这是不可能的），那么经典物理就会与这些直观不一致了。例如，传统系统的连续运动会允许存在“模拟”计算，它不是按步骤进行计算，而且与通用图灵机拥有完全不同的全部本领。已经知道有几个例子在设想的经典定律下能够用物理上有限的方法完成无限的计算（按照图灵机或量子计算机的标准衡量是无限的）。当然，经典物理与无数实验结果是不相容的，所以推究“实际的”经典物理定律“会是什么样”是非常不自然的；但是这些例子表明，不用任何物理知识是不可能证明一个证明是必须由有限步组成的。同样的道理也适用于这一直观，即只能有有限条推理规则，而且这些规则必须是“简单易用的”。这些要求在抽象概念中都是无意义的：它们是物理的要求。希尔伯特在其影响广泛的文章《论无穷》中很轻蔑地嘲笑了认为“有限步”要求是本质要求的观点。但是上面的论证表明他错了：它是本质的要求，而且它只能从他和其他数学家的物理直观中得出。

在哥德尔关于证明的直观中，至少有一个被证明是错的；幸运的是，它恰好没有影响到他的定理的证明。他的这一直观是原封不动地从希腊数学的史前历史中继承下来的，每一代数学家都没有质疑过，直到20世纪80年代量子计算理论的发现证明它是错误的。这一直观认为证明是一种类型的对象，即符合推理规则的一系列语句。我说过，证明最好不被看作对象，而是看作过程，看作一种计算。但是在传统的证明论和计算理论中，这二者没有本质的区别，原因如下。如果能够检查证明过程，我们只需要不太多的额外努力就能够记录下这一过程中发生的每件相关事件。作为物理对象，这一记录就形成了在语句序列意义上的证明。反之，如果有这样一个记录，我们就能通读它，检查它是否满足推理规则，在这一检查过程中我们就证明了结论。换句话说，在传统情况下，在证明过程和证明对象之间相互转换总是容易的。

现在考虑某一个数学演算，它在所有传统计算机上都是难解的。但是设想一台量子计算机能够利用（例如）10500个宇宙间的干涉轻易地完成计算。为了更清楚起见，假设演算的结果（与因数分解的结果不同）在得出时不能容易地得到验证。为完成这样一个计算，给量子计算机编程，运行程序，得到结果，这一过程就形成了关于该数学演算具有这一特定结果的一个证明。但是现在没法记录下证明过程中发生的每一个事件，因为大部分都发生在其他宇宙中，测量计算状态会改变干涉性质，从而使证明失效。所以，建立旧形式的证明对象是不可能的。此外，就我们所知，在这个宇宙中简直没有足够的材料来组成这样一个对象，因为证明的步数比已知的这个宇宙中的原子数还要多得多。这个例子表明，由于量子计算的可能性，这两个证明的概念是不等价的。认为证明是一个对象的直观概念没有抓住现实中数学陈述可以被证明的所有方式。

我们再一次看到，从直观中尽量剔除所有可能的模糊性和错误，只保留不证自明的真理，这一导出确定性的传统的数学方法是有缺陷的。哥德尔正是这么做的，丘奇、波斯特尤其是图灵在构想他们的通用计算模型时也是这么做的。图灵希望他的抽象纸带模型是简单、明了、定义明确的，使它不依赖于任何可能被证伪的物理假设，从而使它成为独立于基础物理的抽象计算理论的基础。正如费曼曾经评论的：“他以为自己理解纸。”但是他错了。真实的、量子力学的纸与图灵机所用的抽象材料是非常不一样的。图灵机完全是传统的，不允许在不同宇宙的纸上写有不同的符号，更不允许这些符号还互相干涉。当然，检测纸带的不同状态间的干涉是不实际的，但是要点是图灵的直观，由于包含来自经典物理的错误假设，他抽象掉了所设想的机器的某些计算性质，而且这些恰好是他想要保留的性质。这就是为什么最后的计算模型是不完备的原因。

各个年代的数学家在证明和确定性问题上犯下各种错误，这是很自然的。当前的讨论让我们认为目前的观点也不会永远不变。但是，数学家们跌跌撞撞犯下这些错误，而且甚至不能认识到在这些问题上有犯错误的可能，我认为他们的狂妄与一个古老的、流传甚广的混淆有关，即混淆了数学的方法和主题。容我解释。与物理实体间的关系不同，抽象实体间的关系与任何偶然事件和任何物理定律无关。它们是完全客观地由抽象实体自身的自主属性决定的。因此，作为研究这些关系和属性的学科，数学就是研究绝对必然真理的学科。换句话说，数学研究的真理是绝对确定的，但是这并不意味着我们关于这些必然真理的知识本身是确定的，也不意味着数学方法赋予其结论必然真理性。毕竟数学也研究谬误和悖论，这并不意味着这种研究的结论就必定是错误的或自相矛盾的。

必然真理仅仅是数学的主题，不是我们研究数学所得的奖赏。数学的目标不是也不可能是数学的确定性，甚至不是数学真理，不论是不是确定的。它是且只能是数学解释。

那么，为什么数学这么好用呢？为什么它得出的结论虽然不是确定的，但是可以被公认且毫无问题地至少运用几千年？原因最终在于我们关于物理世界的某些知识也是非常可靠无异议的。当对物理世界充分了解后，我们也就了解了哪些物理对象与哪些抽象对象具有共同性质。但是在理论上，数学知识的可靠性仍然是附属于物理现实知识的。每一个数学证明的正确性完全依赖于我们对于支配某些物理对象的行为的规律的认识是否正确，不论对象是虚拟现实生成器、墨水、纸张还是我们自己的大脑。

所以，数学直观是物理直观的一种。物理直观是一组有关物质世界变化方式的经验法则，有些可能是天生的，许多是在儿童时期建立的。例如，我们有这样的直观，即存在物理对象这样的东西，它们具有一定的属性，如形状、颜色、重量以及空间位置，某些属性当对象未被注意时依然存在。另一个例子是存在物理变量——时间，属性相对于它而变化，但是不论怎样，对象本体不随时间变化。再一个例子是对象之间有相互作用，相互作用可以改变对象的某些属性。数学直观关心的是物理世界怎样显示抽象实体的性质。这种直观之一是构成对象行为的基础是抽象定律或至少是解释。空间中允许有封闭的表面把“内”与“外”分开的直观可以提炼为数学上集合这个概念的直观，把所有东西划分为集合的成员和非成员。但是数学家们进一步的提炼（从罗素反驳弗雷格的集合论开始）表明，当涉及的集合包含“太多”成员时（成员无穷的程度太大），这一直观就不再准确了。

即使物理直观或数学直观是天生的，这也不证明它拥有特殊的权威性。天生的直观不能看作为柏拉图的形式世界的“回忆”，因为往往许多被进化的偶然事件植入人类的直观恰恰是错误的，这种现象屡见不鲜。例如，人眼及其控制软件隐含地包含了这一错误理论，即黄光是由红光和绿光组成的混合光（意思是黄光给我们的感觉恰好同红光和绿光的混合给我们的感觉一样）。实际上，所有三种光有不同的频率，不能通过混合其他频率的光得到。红光和绿光的混合对我们来说显得像是黄光，这一事实与光的性质毫无关系，而是我们眼睛的性质。这是我们遥远的祖先在进化过程中某个时候发生的折衷设计方案的结果。有可能（虽然我不相信）欧几里得几何或亚里士多德逻辑是被莫名其妙地植入我们的大脑结构中的，哲学家康德相信这一点，但是逻辑上这并不会蕴含它们是对的。即使假设另一个更难以置信的情形，我们天生具有本质上无法摒弃的直观，这样的直观仍然不一定是对的。

如果数学知识真的如传统上所认为的那样是可以被确定地证实的，因而是分层的，那么真实世界的脉络的确就不会像现在这样具有统一的结构了。数学实体是真实世界结构的组成部分，因为它们是复杂且自主的。它们形成的这种实在的某些方面类似于柏拉图或彭罗斯设想的抽象王国：虽然依定义它们是无形的，但是它们客观存在，具有独立于物理定律的性质。然而，正是物理过程才允许我们获得这一王国的知识，而且它还附加上严格的限制。物理实在中的一切都是可理解的，而可理解的数学真理恰恰是那些碰巧对应某个物理真理的无穷小的那一部分，例如这样的事实：如果以一定的方式处理纸上用墨水写的一些符号，那么会出现一些别的符号。也就是说，它们是那些可以在虚拟现实中描绘的真理。我们别无选择，只能假设不可理解的数学实体也是真实的，因为它们不可避免地出现在关于可理解实体的解释中。

存在这样的物理对象（如手指、计算机和大脑），其行为可以模仿一些抽象对象的行为。物理实在的结构以这种方式给我们提供了观察抽象世界的窗口。这个窗口非常狭窄，只给我们有限范围的景象。我们看到的某些结构（如自然数或经典逻辑推理规则）对抽象世界似乎是重要或“基本”的，正如同深刻的自然定律对物理世界是基本的一样。但是这可能是误导的假象，因为我们真正看到的仅仅是某些抽象结构对于我们关于抽象世界的理解是基本的。没有理由认为这些结构在抽象世界中客观上也是意义重大的，仅仅是某些抽象实体距离我们的窗口比其他实体更近、更容易被观察到。

术语

数学：研究绝对必然真理的学科。

证明：确立数学命题正确性的一种方法。传统定义上的证明是指一组有序的陈述句，由一些前提开始，到所要的结论为止，并且满足一定的“推理规则”。更好的定义是指模拟某些抽象实体性质的计算，其结果确立了该抽象实体具有给定的性质。

数学直观：传统意义上是指数学推理的终极的自明的确证之源。在实际上是指关于一定物理对象的行为的一组理论（有意识的或无意识的），这些物理对象的行为模拟了相关抽象实体的行为。

直觉主义：一种学说，认为所有关于抽象实体的推理都是不可靠的，除非基于直接的自明的直觉。这是唯我主义的数学版本。

希尔伯特第二问题：为了“一劳永逸地确立数学方法的确信性”，寻找一组对所有正确证明都充分的推理规则，然后根据它们自身的标准证明这些规则是无矛盾的。

哥德尔不完备性定理：证明希尔伯特第二问题是无解的。对于任何一组推理规则，存在正确的证明不能由这组规则推出为正确的。

小结

复杂且自主的抽象实体客观地存在，而且是真实世界结构的组成部分。逻辑上存在关于这些实体的必然真理，这些组成了数学的主题。但是，不能确信地知道这些真理。证明不能赋予其结论确定性。某一形式的证明的正确性依赖于我们对于完成证明所使用的对象的行为理论的正确性。因此，数学知识本来是派生的，完全依赖于我们的物理知识。可理解的数学真理恰好是可以在虚拟现实中描绘的无穷小的一部分真理。但是不可理解的数学实体（如康哥图环境）也存在，因为它们不可避免地出现在我们对于可理解实体的解释中。

我讲过，计算始终是一个量子概念，因为经典物理与组成经典计算理论基础的直观不相容。时间也是这样。在发现量子理论以前几千年，时间是第一个量子概念。

[1].原文为第十个问题，但是作者指出应为第二个问题。后续段落都作相应改动。——译注

[2].“euraka”，意思是“妙哉，正是它！”，“哈！没错！”。据说古希腊科学家阿基米德终于想出了国王向他提出的检验王冠含金量问题的解答时，从浴缸里跳出来，狂喜异常，在大街上边跑边喊，向世界大声宣告：“我知道了！我知道了！”——译注

[3].大约公元前5世纪古希腊埃利亚学派的哲学家。——译注

[4].希腊神话中的英雄。传说他在出生后被母亲倒提着在冥河水中浸过，所以除脚踵以外，浑身刀枪不入。——译注

第11章 时间：第一个量子概念

似波浪滔滔不息涌向沙石的海滩：

我们的光阴匆匆奔向终点；

后浪推前浪一个个交替不断，

前推后拥一浪浪奋勇争先。

——威廉·莎士比亚（十四行诗 60）

虽然时间是我们最熟知的物质世界的属性之一，但是它却因极其神秘而闻名。神秘一直是与我们一同成长的时间概念的要素。例如，圣奥古斯丁[1]说过：

时间是什么？如果没有人问我，我还知道；可当我想要向问我的人解释时，我却不知道了。（《忏悔录》）

很少有人认为距离是神秘的，但是所有人都知道时间是神秘的。时间的神秘性都来自于它的基本的、常识性的属性，即我们称为“现在”的当前时刻不是固定不变的，而是连续不断向未来行进。这种运动称为时间流。

我们将会看到，不存在时间流这类东西，这一概念不过是纯粹常识性的。我们把它视为当然，甚至认为它是语言的结构之一。在《英语语法大全》这本书里，伦道夫·夸克及其合著者借助于图11-1来解释常识的时间概念。直线上的每一点代表一个具体的、固定的时刻，三角形“▽”标示“连续的运动点，当前时刻”在直线上的位置，认为它从左向右运动。有一些人（如莎士比亚在上面引用的十四行诗中）认为具体的事件是“固定的”，而直线本身经过它们（在图11-1中从右向左），从而未来时刻掠过当前时刻变成过去时刻。

图11-1 英语中认为的常识的时间概念（基于夸克等所著的《英语语法大全》）

我们说“时间可以认为是一条线”是什么意思？我们的意思是，正如一条线可以看作不同位置上的一系列点一样，物体的运动变化可以看作它自身的一系列静止的“瞬像”，每一时刻有一幅。说线上的每一点代表一个具体的时刻，就是说我们可以想象所有瞬像沿着直线叠在一起，如图11-2所示。某些瞬像显示过去的翻转箭头，某些则表示未来的箭头，其中之一——运动的“▽”目前所指向的那一个——显示现在的箭头，虽然很快这一个箭头将变成过去，因为“▽”还在前进。物体在不同瞬间的影像集合起来就是运动的物体，正如一系列静态的图片依次投射到屏幕上集合起来就是运动图画一样。它们中的每一个单独都不变化。变化是通过移动“▽”（“电影放映机”）依次指明（“照亮”）它们而形成的，从而一个一个地，它们依次成为现在。

图11-2 运动物体作为一系列“瞬像”，一个接一个地变成当前时刻

现在的语法学家不想对语言的使用方式进行任何价值评判，他们只想记录、分析与理解它，所以不能因为夸克等人描述的时间理论的优劣而责备他们。他们并没有说它是一个好理论，他们只是说它是我们的理论，我认为这一点是对的。不幸的是，它不是一个好理论。坦率地说，常识的时间理论之所以内在神秘的原因是它本质上是荒谬的。不仅仅因为它实际上不准确，我们将会看到，甚至用它自己的术语，它也是毫无意义的。

也许这很令人吃惊。我们已经变得习惯于修改我们的常识，使之与科学发现保持一致。常识经常被证明是错误，甚至非常错。但是就日常经验而言，常识会变成胡扯，这还是不寻常的。然而这正是这里的实际情况。

再来考虑图11-2，它显示了两个实体的运动，其中之一是翻转的箭头，以一系列瞬像表示。另一个是运动的“当前时刻”，从左向右掠过图示。但是当前时刻的运动在图中没有表示为一系列瞬像。相反，一个特别的时刻用“▽”单挑出来，用黑线强调，唯一标示为“（现在）”。所以，虽然标题说“现在”穿过图示，但只有它的一个瞬像在一个具体的时刻被画出来了。

为什么？毕竟本图的全部要点就是要显示在一个持续阶段发生的变化，而不仅仅局限于一个时刻。如果我们只想要图示显示一个时刻，那么就不需要费神去画多个翻转箭头的瞬像了。本图是用来说明常识理论的，即任何运动变化的物体都是一系列瞬像，每个时刻一个瞬像。所以，如果“▽”在运动，那么为什么不也画出它的一系列瞬像呢？如果这是时间原理的真实描述，那么画出来的这一个瞬像必定只是可能存在的许多瞬像之一。实际上，照本图的原样，它确实是误导的：它显示的“▽”不是在运动，而是在某一个时刻存在，随后立刻不存在了。如果是这样，那么“现在”就会是固定的时刻。我加了一个标记“当前时刻的运动”以及一个虚线箭头表示“▽”向右运动，但是这无济于事。这张图本身所显示的以及夸克等人的图解（图11-1）所显示的都是除了强调突出的那一个时刻以外，“▽”没有到达任何别的时刻。

人们最多能说图11-2是一幅混合的图示，执拗地以两种不同的方式描绘运动。对于运动的箭头，它阐明了常识的时间理论，而仅仅声明当前时刻是运动的，描绘出来好像是不动的。我们应该怎样修改这幅图示，使它既能阐明对于当前时刻运动的常识时间理论又能阐明箭头运动的常识时间理论呢？通过引入更多“▽”的瞬像，每个时刻一个瞬像，为每个瞬像标明在那一时刻“现在”的位置。那应该是哪里呢？显然，在每一时刻，“现在”就是这一个时刻。例如，在午夜，“▽”必定指向午夜箭头的瞬像；在凌晨1点，它必定指向凌晨1点的瞬像，等等。因此，图示应该如图11-3所示。

图11-3 在每一时刻，“现在”就是该时刻

这一改进的图示令人满意地阐明了运动，但是现在我们的时间概念被严重地削减了。认为运动物体是其自身一系列瞬时副本的常识观点仍然存在，但是另一个常识观点——时间流——已经不存在了。在这幅图示中，没有“连续的运动点，当前时刻”一个接一个地掠过固定时刻。没有这样一个过程：一个固定时刻在未来开始启动，然后变成现在，最后变成过去。多个符号“▽”和“（现在）”不再用于区分一个时刻与其他时刻，因此是多余的。如果把它们删除，图示也一样阐明翻转箭头的运动。

所以，除去主观因素以外，不存在单个的“当前时刻”。从一个具体时刻的观察者的角度来看，这一时刻的确是特殊的，可以被观察者唯一地称为“现在”，正如同空间中的一个位置，从处于这个位置的观察者的角度来看，可以单挑出来作为“这里”。但是客观上，没有一个时刻比其他时刻更有特权成为“现在”，正如同没有一个位置比其他位置更有特权成为“这里”。主观的“这里”可以随着观察者的移动穿过空间，主观的“现在”也可以类似地穿过时间吗？图11-1和图11-2究竟是否正确地阐明了从一个具体时刻的观察者的角度所看到的时间？当然不是。甚至在主观上，“现在”也没有穿过时间。经常说现在好像沿着时间前进，因为现在仅仅相对于我们的意识才得以定义，而我们的意识向前掠过时间。但是我们的意识没有也不可能这么做。当我们说意识“似乎”从一个时刻走到下一个时刻时，我们仅仅是在解释常识的时间流理论。但是，认为“我们察觉的”某个时刻从一个时刻运动到另一个时刻与认为一个当前时刻或任何别的时刻从一个时刻运动到另一个时刻没有什么区别。任何事物都不能从一个时刻运动到另一个时刻。在某一个具体时刻存在就意味着永远在那里存在。我们的意识在所有（我们清醒的）时刻存在。

诚然，观察者的不同瞬像感觉到的“现在”时刻不同，但是那不意味着观察者的意识——或任何其他运动变化的实体——穿过时间，如当前时刻被人们所设想的那样。观察者的不同瞬像并不是依次处于现在之中，并不是依次感知他们的现在。他们都有知觉，主观上都处于现在之中。客观上，没有现在。

我们没有感觉到时间流逝或穿行，我们感觉到的是当前的感受同我们现在对过去的感受的记忆之间的差别。我们把这些差别解释为宇宙随时间变化的证据，这是正确的；我们也把它们解释为意识、现在或什么东西穿过时间的证据，这是错误的。

如果运动的现在有一两天奇怪地停止运动，然后又以10倍于以前的速度开始运动，我们会感觉到什么？没有什么特殊的感觉，或者说，这个问题毫无意义。这里没有任何东西可以运动、停止或者流逝，也没有任何东西可以有意义地被称为时间的“速度”。在时间上存在的所有东西的形式都被认为是沿着时间轴排列的不变的瞬像，这包括了所有观察者的感觉经验，其中有他们认为时间“流逝”的错误直觉。他们可以想象“运动的现在”沿着直线行进、停止和启动，甚至后退或者彻底消失，但是想象它并不会使它发生，所有东西都不能沿着时间轴运动，时间不能流动。

时间流的观点其实预先假定了在常识的时刻序列时间以外还存在第二种时间。如果“现在”真的从一个时刻运动到另一个时刻，那么它必定是相对于这个外部的时间。但是认真采纳这个观点将导致无穷递归下去，因为我们不得不认为外部时间本身是连续的时刻，其自身“当前时刻”的运动又是相对于另一个外部时间，等等。在每一个阶段，时间流都不会有意义，除非我们将其归因于一个外部时间流，这样无穷无尽下去。在每一个阶段，我们都会有一个无意义的概念；整个无穷体系也没有意义。

这种错误的根源在于，我们习惯于将时间想作外在于所考虑的物质实体以外的一个框架。我们习惯于认为物质实体是能够变化的，所以是以不同时刻存在的一系列自身的副本的形式存在的。但是时刻序列本身（如图11-1至图11-3所示）是一个例外的实体，它不存在于时间框架以内，它就是时间框架。既然在它以外不存在时间，那么认为它变化或者以连续多个自身的副本形式存在就是自相矛盾的了。这使得这样的图解难以理解。像任何其他物理对象一样，图解本身的确在一段时间内存在，的确由多个自身的副本组成。但是图示描绘的内容——事物的副本序列——只存在一个副本。没有一个准确的时间框架图示能够是运动变化的图示，它必定是静态的。但是在想象它时存在心理上的固有困难。虽然图示是静态的，但是我们不能静止地理解它。它在纸上同时描绘了一系列时刻，为了把它与我们的经验联系起来，我们关注的焦点必须沿着序列运动。例如，我们可能注视一个瞬像，认为它代表“现在”，稍后注视它右边的瞬像，认为它代表新的“现在”。那么我们就可能会把关注的焦点在纯粹图示上的真实运动与事物穿过真正时刻的不可能运动混淆起来。很容易这样。

但是除了用图解阐明常识的时间理论的困难以外，还存在更多的问题。该理论本身包含一个本质的、深刻的含糊之处：它不能决定在客观上现在是一个时刻还是多个时刻，例如图11-1描绘了一个时刻还是多个时刻。常识希望现在是一个时刻，从而可以允许时间的流动——允许现在从过去到未来掠过不同时刻。但是常识也希望时间是一系列时刻，所有运动变化由实体在不同时刻的副本间的差异组成。这意味着时刻本身是不变的。所以，具体的时刻不可能变成现在，或者变得不成为现在，因为这些都是变化。所以，在客观上现在不可能是一个单独的时刻。

我们坚持这两个不相容的概念——运动的现在和不变的时刻序列——的原因是我们两个都需要，或者说我们认为需要。在日常生活中我们不断引用这两个概念，尽管不是同时引用。在描述事件时，例如说事件何时发生，我们想的是不变的时刻序列；在解释事件之间的因果关系时，我们想的是运动的现在。

例如，说法拉第“于1831年”发现电磁感应时，我们把该事件划入时刻的一定范围，即我们指明了在世界历史的长长的瞬像序列中，在哪一组瞬像中可以找到这一发现。当我们说事件在何时发生时，不涉及时间流，正如同说它在哪里发生时不涉及“距离流”一样。但是只要说事件为什么发生，我们就引用了时间流这个概念。当我们说把电动机和发电机部分地归功于法拉第，其发现的影响直到今天仍然能感觉到时，在我们心里有一幅图画，它描绘了从1831年开始的影响，连续掠过19世纪剩余年代的所有时刻，直到20世纪发电站这一类事物的出现。如果不小心，我们会认为20世纪原先还没有受到1831年的重大事件的影响，随后当影响波及21世纪以及以后时才被它们“改变”了。但是一般情况下，我们是小心的，不同时使用常识时间理论的这两个部分，从而避免这个不一致的想法。只有当我们思考时间本身时，我们才同时涉及这两个部分，这时我们才惊讶于时间的神秘！也许“悖论”是比神秘更恰当的词，因为这里在两个显然自明的观点之间存在明显的冲突。它们不可能同时成立，我们会看到两个都不对。

与常识不同，我们的物理理论是内在一致的，而且它首次获得一致性是通过抛弃时间流概念。诚然，物理学家像其他人一样谈论时间流。例如，牛顿在其著作《原理》中建立了牛顿力学和引力原理，他写道：

绝对的、真实的、数学的时间本身，根据其自身的性质，均匀地流动，与任何外部事物无关。

但是牛顿很聪明，没有把他认为时间流动的断言翻译成数学形式，也没有从中导出任何结论。牛顿的物理理论没有一条引用时间流，后来的物理理论也没有引用时间流或者与时间流概念相容。

为什么牛顿认为有必要说时间“均匀地流动”？“均匀”并没有错，人们可以把它的意思解释为时间的度量对于不同位置和不同运动状态的观察者而言是同样的。这是一个本质的断言（从爱因斯坦以后，我们知道这是不准确的）。但是它本可以如我叙述的那样容易陈述，无需说时间流动。我想牛顿是有意使用熟悉的时间语言，而不是指其字面意思，正如他可以非形式地说太阳“升起”一样。他需要向研究这一革命性工作的读者传达，在牛顿的时间概念里没有创新的和复杂的东西。《原理》给许多词（如“力”和“质量”）指定了精确的技术含义，与它们的日常意义有所不同。但是作为“时间”所指的数字就是常识意义上的时间，就是我们在钟表和日历上看到的数字，在《原理》中的时间概念就是常识的时间概念。

可惜，时间不流动。在牛顿物理中，时间和运动很像图11-3所示的那样，只有一个小小不同：我画的连续时刻是彼此分开的，而在所有量子物理以前的物理学中这只是一种近似，因为时间是连续的。我们必须想象，有无穷多、无穷薄的瞬像连续地插在我画的瞬像之间。如果每个瞬像代表在一个具体时刻物理上存在的全部空间中的一切，那么可以认为瞬像面对面地粘在一起，形成单一的、不可改变的块，包含时空中发生的一切（见图11-4），即全部物理实在。这种图解的一个不可避免的缺点是，在每一时刻，空间的瞬像被画成两维的，而实际上它们是三维的，每一个瞬像是一个具体时刻的空间。这样我们把时间看成第四维，类似于经典几何空间的三个维度。空间和时间像这样作为四维实体被统一考虑，称之为时空。

图11-4 把时空看作连续时刻

在牛顿物理中，这一对时间的四维几何解释是可有可无的，但是在爱因斯坦相对论中，它变成这一理论不可或缺的部分。这是因为，根据相对论，以不同速度运动的观察者对于哪些事件是同时的看法不一，即对于哪些事件应该出现在同一瞬像，他们的看法不一。所以，对时空是如何被切成“时刻”的，他们每个人有不同的感觉。不论怎样，只要他们每个人把瞬像以图11-4的方式码放起来，那么得到的时空都是相同的。所以，根据相对论，图11-4所示的“时刻”不是时空的客观形态：它们仅仅代表一个观察者感知同时性的方式。另一个观察者会以不同的角度画代表“现在”的切片。所以，图11-4背后的客观现实（即时空及其物质内容）可以画成图11-5的样子。

图11-5 运动物体的时空观

时空有时称为“块宇宙”，因为在其中整个物理实在——它的过去、现在和未来——被一次成型地描绘出来，冻结为单一的四维块。相对于时空，所有东西都不动。我们称为“时刻”的东西是某一个穿过时空的切片，当这些切片的内容彼此不同时，我们称其为变化或穿过空间的运动。

我说过，我们所想的时间流是与原因和结果相关联的。我们认为原因在结果之前，运动的现在先抵达原因，然后才抵达结果，而且结果随现在时刻一起向前流动。哲学上，最重要的因果过程是我们的决心和随后的行动。常识的观点是我们具有自由意志，即有时我们能够以几种可能的方式影响未来事件（例如我们身体的运动），并且能够选择哪一个将发生；相反，我们根本不可能影响过去。（我将在第13章中讨论自由意志。）过去是固定的，而未来是未定的。对于许多哲学家来说，时间流就是这样一个过程：未定的未来，一个时刻接着一个时刻地变成固定的过去。另一些人说，未来每一个时刻的若干可选择的事件是可能性，时间流就是这样一个过程：一个时刻接着一个时刻，这些可能性之一变成现实性（从而，根据这些人的看法，未来本来根本不存在，直到时间流撞上它才把它变成过去）。但是如果未来真的是未定的（它的确是！），那么这也与时间流无关，因为不存在时间流。在时空物理学（实际上就是从牛顿开始的所有量子物理以前的物理学）中，未来不是未定的。它就在那儿，其内容明确、固定，就像过去和现在一样。如果时空中一个具体时刻是“未定的”（在任一种意义上），那么当它变成现在和过去时，它必定仍然是未定的，因为时刻不可能变化。

主观上，可以说一个给定的观察者的未来“从该观察者的角度来看是未定的”，因为人们不可能测量或观察自己的未来。但是这一主观意义上的未定性不容选择。如果你有一张上星期的彩票，还未得知是否中奖，那么从你的角度看，结果依然未定，虽然客观上它是确定的。但是，不论主观上还是客观上，你都不能改变它。还没有影响它的因素都不再能够影响它了。常识的自由意志理论说，上星期在你还可以选择是否买一张彩票的时候，未来还是客观上未定的，你的确可以有两个或者更多选择。但这是与时空不相容的。所以根据时空物理，未来的未定性是一种错觉，因而原因和自由意志也不过是错觉。我们需要也坚持这一信念，认为未来能够被现在的事件所影响，尤其能够被我们的选择所影响；但是这也许不过是我们的一种方式，以应付对未来无知这一事实。实际上，我们没进行选择。甚至当我们认为自己在考虑选择时，其结果也已经在那里了，在时空的某一适当的切片上，像时空中的其他东西一样不可更改，不受我们深思熟虑的影响。而且那些深思熟虑本身似乎就是不可更改的，甚至在我们知道它们之前就已经存在于给它们分配的时刻上了。

成为某一原因的“结果”意味着受这一原因的影响——被这一原因改变。所以，当时空物理否认时间流的真实性时，它在逻辑上也就不能容纳常识的因果概念。因为在块宇宙中一切都不可更改：时空的一部分不能改变另一部分，就如固定的三维物体的一部分不能改变另一部分一样。

于是，在时空物理时代，所有基础理论都具有这一性质：给定在某一时刻之前发生的一切，物理定律能够确定所有后来时刻发生的事情。瞬像由其他瞬像决定这一属性称为决定论。例如，在牛顿物理中，如果人们知道一个孤立系统（如太阳系）中所有物体在某一时刻的位置和速度，那么人们在理论上就能够计算（预言）那些物体在以后所有时刻的位置，也能在理论上计算（追溯）它们在以前所有时刻的位置。

由一个瞬像确定另一个瞬像的物理定律就是把不同瞬像“粘”在一起成为一个时空的“胶水”。虽然不可能，但请让我们想象自己不知怎么地处在时空以外（从而有我们自己的外部时间，独立于时空内的时间），沿着时空内的某一个具体的观察者所看到的每一个时刻把时空切成一个个空间的瞬像，然后把瞬像次序打乱，将它们重新以新的次序粘在一起。从外部，我们能说这不是一个真正的时空吗？几乎肯定可以这么说。原因之一是，在这个被打乱的时空中，物理过程是不连续的，物体可以在一点上突然消失，在另一点又重新出现。原因之二是，更重要的是，物理定律不再成立，至少真正的物理定律不再成立。会存在不同的一组定律，明确地或者隐含地考虑到次序打乱的情况，正确地描述被打乱的时空。

对于我们来说，被打乱的时空和真正的时空之间的差别是很严重的，但是对于那里的居民来说是怎么样呢？他们能发现这种差异吗？现在我们处于靠近胡说的危险之中——我们所熟悉的常识时间理论的胡说。但是请宽恕我，我们会避开胡说。那些居民当然不能发现这种差异。假如他们能，那么他们早就发现了。例如，他们会评论他们所在世界存在的不连续性，发表有关这方面的科学论文，假如他们能够在被打乱的时空中生存下来的话。但是从我们奇妙的局外人的角度看，他们的确生存着，他们的科学论文也存在着。我们可以阅读那些论文，看到它们仍然仅仅包含原来时空的观察结果。在物理事件时空中的所有记录（包括有意识的观察者的记忆和感觉中的记录）都与原来时空中的记录相同。我们仅仅打乱了瞬像的次序，并没有从内部改变它们，所以那些居民仍然以原来的次序感知它们。

所以，就真实的物理（即时空内的居民感知到的物理）而言，所有这些对时空的切片和重组都是无意义的。不仅是被打乱次序的时空，而且甚至是未粘在一起的瞬像集合，它们在物理上都是与原来的时空相同的。我们把所有的瞬像描写成粘在一起、次序正确，是因为这代表由物理定律确定的它们之间的相互关系。一幅关于以不同次序粘在一起的瞬像图画将代表同样的物理事件——同样的历史，只是多少会有些歪曲那些事件之间的关系。所以，瞬像有其内在次序，这决定于其内容和真正的物理定律。任一瞬像与物理定律一道不仅决定了所有其他瞬像，而且决定了它们的次序以及它自己在序列中的位置。换句话说，每一个瞬像有一个“时间戳”，编码在其物理内容里。

如果要使时间概念不含有错误，不再是一个处于物理实在以外的超越其上的时间框架，那么事情就必定是这样。瞬像的时间戳是存在于宇宙内部的某个自然钟上的读数。在某些瞬像中，例如包含人类文明的瞬像中存在实际的时钟。在其他瞬像中存在物理变量，如太阳或空间中所有物质的化学成分，这些变量可以认为是时钟，因为它们在不同瞬像中取确定的、不同的值，至少在时空的一定区域上是这样。在这两种时钟交叠的地方，我们可以校准、统一它们，使其相互一致。

我们可以用物理定律确定的内在顺序重构时空。从任一瞬像开始，然后计算紧邻的前后瞬像应该是什么样，从剩余的集合中找出这些瞬像，把它们粘在原先瞬像的两边。反复做这一过程，构建起整个时空。这些计算太复杂，在实际生活中不能完成，但是它们在思想实验中是合理的，在思想实验中我们想象自己超脱于真实的物质世界之外。（而且严格说来，在前量子物理学中存在连续的无穷多瞬像，所以刚才描述的过程必须替换为一个极限过程，其中时空用无穷多步拼装起来，但原理是一样的。）

从一个事件可以预测另一个事件并不意味着这些事件有因果关系。例如，电动力学说所有电子负载的电荷相同，所以，利用这一理论我们可以而且经常从一个电子的测量结果预言另一个电子的测量结果。但是任一结果都不是由另一个结果引起的。实际上，就我们所知，电子的电荷值不是由任何物理过程引起的，可能是由物理定律本身“引起”的（虽然就目前所知，物理定律没有预言电子的电荷，仅仅说所有电子有相同的电荷）。但无论怎样，这样一个事件的例子（电子的测量结果）表明即使事件彼此可以预测，但是彼此之间可以完全没有因果关系。

这里还有一个例子。如果我们看到一个完全组装好的拼板玩具中一片的位置，并且知道所有片的形状，而且知道它们都以正确的方式连接好，那么就能够预言所有其他片的位置了。但是，这并不是说其他片处在它们的位置上是由于我们看到的那个片处在它现在的位置上所导致的。这种因果关系是否成立，依赖于这个拼板玩具作为一个整体是怎样形成的。如果我们看到的那一片是第一个被摆放的，那么它的确就是其他片各处其位的原因之一了。如果另外一片是第一个被摆放的，那么我们看到的那个片的位置就是结果，而不是原因了。但是如果拼板玩具是由拼板玩具切割机一次成型造出来的，而且还从未被拆散过，那么这些片的位置就彼此不构成因果关系了。它们不是以某种顺序组装起来的，而是同时造出来的，所处的位置已经遵循了游戏规则，使得这些位置彼此可以预测。不论怎样，它们中任何一个都不是其他位置的原因。

物理定律对于时空中事件的确定就像一个正确连接的拼板玩具的可预测性一样。物理定律由一个时刻发生的事件决定另一个时刻发生的事件，就像拼板玩具规则由一些片的位置决定另一些片的位置一样。但是，如同拼板玩具一样，不同时刻的事件是否彼此有因果关系依赖于时刻是如何形成的。观察拼板玩具，我们不能看出它是不是由一次摆放一片的方式形成的。但是对于时空，我们知道说一个时刻在另一个时刻之后“摆放”是没有意义的，因为那是时间流概念。所以我们知道，虽然某些事件可以由其他事件预言，但是时空中没有一个事件是另一个事件的原因。我再次强调，这些全部是根据前量子物理学认为发生的一切都在时空中。我们所看到的是时空与因果关系的存在是不相容的。这并不是说人们讲某些物理事件彼此有因果关系是错误的，而只是说这一直观与时空物理定律是不相容的。但是这没什么，因为时空物理是错的。

在第8章中我说过，一个实体要成为它自身被复制的原因必须具备两个条件：首先，该实体事实上被复制了；其次，它的大部分变种在同样的情况下没有被复制。这一定义包含了这种观点，即原因是那个对结果的发生起决定性作用的因素，这个定义对于一般的因果关系也成立。X要成为Y的原因必须具备两个条件：首先，X和Y都发生了；其次，如果X没发生，则Y不会发生。例如，阳光是地球上有生命存在的原因，因为阳光和生命都在地球上实际出现了，而且生命在没有阳光的情况下不会进化出来。

所以，思考因果时不可避免地也要考虑因果的变种。人们经常说在其他情况相同的条件下如果这样那样的事件有所不同，那么什么什么就会发生。历史学家可能会断言“如果法拉第死于1830年，那么技术会延迟20年”。这种断言的意思似乎非常明确，既然事实上法拉第没有死于1830年，而且于1831年发现了电磁感应，它就显得似乎非常有道理。这相当于说实际发生的技术进步部分地是由于法拉第的发现，因而也由于他还活着。但是在时空物理背景下，推断不存在的事件的未来是什么意思？如果时空中没有法拉第死于1830年这样的事件，那么也就没有他死之后这样的事情。当然我们可以想象一个时空包含这样的事件，但是因为仅仅是想象它，我们也就能想象它包含我们想要的任何后果。例如，可以想象法拉第死后技术进步有了加速发展。我们可以设法规避这种不确定性，只想象这样的时空，其中虽然有关事件与实际时空中的不同，但是物理定律是相同的。以这样的方式限制我们的想象，这么做有何根据并不清楚，但不论怎样，如果物理定律相同，那么有关事件就不可能不同，因为定律由以前的历史唯一地决定了它。所以，前面的历史也必须想象成不同的。怎样不同？我们想象的历史变种的后果怎样，关键依赖于我们的“其他情况相同”是什么意思，而这是完全不可确定的，因为有无穷多种方式想象1830年以前的事物状态可以导致法拉第在那一年去世。某些状态毫无疑问会导致更快的技术进步，而某些则更慢。在上面的“如果……那么……”陈述句中，我们指的是哪一个状态？哪一个算作“其他情况相同”？想尽一切办法，我们也不会在时空物理中成功地解决这一不确定性。这是一个不可回避的事实：在时空中实际上只有一件事情发生，其他都是幻想。

我们的结论只能是，在时空物理中，前提不成立的条件语句（“如果法拉第死于1830年……”）是无意义的。逻辑学家把这种语句称为反事实条件句，是传统悖论。我们都知道这种语句的意思，但是一旦要把它们的意思说清楚，这意思却好像没了。这种悖论的根源不在于逻辑和语言学，而在于物理学——在错误的时空物理学中。物理实在不是时空，它是一个更庞大更多样的实体，即多重宇宙。作为初步近似，多重宇宙就像非常大量地同时存在的、轻微相互作用的时空。如果时空像一摞瞬像，每一个瞬像是一个时刻的全部空间，那么多重宇宙就像这种摞的庞大集合。即使这样（我们将看到）略微有点儿不准确的多重宇宙图像也已经能够容纳因果关系了。因为在多重宇宙中，几乎肯定有一些宇宙中的法拉第死于1830年，在这些宇宙中的技术发展相对于我们的宇宙是否被延迟了，这是一个事实（不是可观察到的事实，而是不折不扣的客观事实）。反事实语句“如果法拉第死于1830年……”所指的是我们宇宙的哪一个变种，这一点毫无随意性：它就指多重宇宙中实际发生这种事的变种。这就解决了不确定性。求助于想象的宇宙不行，因为我们可以以想要的任何比例来想象任何想要的宇宙。但是在多重宇宙中，各种宇宙的存在是有一定比例的，所以，说一定类型的事件在多重宇宙中“非常稀少”或“非常普遍”是有意义的，说某些事件在“大多数情况下”发生在另外一些事件之后也是有意义的。大部分逻辑上可能的宇宙根本不存在，例如不存在这样的宇宙，其电子的电荷与我们宇宙的电子电荷不同，或者量子物理定律不成立。在反事实语句中隐含地提到的物理定律是其他宇宙中实际遵循的定律，即量子理论定律。因此，可以把“如果……那么……”语句无歧义地理解为“在法拉第死于1830年的宇宙中，大部分宇宙的技术进展相对于我们的宇宙被延迟了”。一般地，在我们的宇宙中，如果X和Y都出现了，而在X没有出现的我们宇宙的大部分变种中Y也没有出现，那么就可以说在我们的宇宙中事件X是Y的原因。

如果多重宇宙确实是时空的集合，那么时间的量子概念就会与传统概念相同。如图11-6所示，时间仍然是一系列时刻，唯一的差别是在多重宇宙的一个具体时刻，存在多个宇宙而非一个。在一个具体时刻的物理实在实际上是由整个空间的许多不同版本的瞬像组成的“超瞬像”。整个时间的全部实在将是所有超瞬像的一摞，就像传统意义上是空间瞬像的一摞一样。因为存在量子干涉，每个瞬像不再完全由同一时空的前面的瞬像所决定（虽然近似意义上还是这样，因为经典物理经常是量子物理的良好近似）。但是，从一个具体时刻开始的超瞬像则恰好完全由前面的超瞬像所决定。这一彻底的决定论不会导致完全可预测性，即使理论上也不行，因为预测需要知道在所有宇宙中发生的事情，而我们的每个副本只能直接感知一个宇宙。无论怎样，就时间概念而言，情况就像时空中由决定性规律联系起来的一系列时刻一样，只是每一个时刻发生的事情更多而已，但是对于任何观察者的任何一个副本，大部分事情都是隐藏起来看不见的。

图11-6 如果多重宇宙是相互作用的时空的集合，那么时间仍然是一系列时刻

然而，这还不完全是多重宇宙的情况。一个可行的量子时间理论——也是量子引力理论——已经是几十年来理论物理学干着急却达不到的目标。但是我们已经充分了解到，虽然量子物理定律在多重宇宙层次上是完全决定论的，但是它们没有如图11-6所示的那样把多重宇宙划分为分离的时空或划分为超瞬像，其中每个超瞬像完全决定了其他超瞬像。所以，我们知道把时间看作一系列时刻的传统时间概念不可能是对的，虽然在许多场合，即在多重宇宙的许多区域，它的确给出了良好的近似。

为了阐明量子时间概念，我们想象把多重宇宙切成一堆单个的瞬像，就像对时空的处理那样。我们用什么把它们重新黏合起来？如以前一样，唯一可接受的胶水是物理定律和瞬像的内在物理性质。如果在多重宇宙中时间是一系列时刻，那么就必须有可能识别一个给定时刻的所有空间瞬像，从而把它们做成超瞬像。毫不奇怪，事实证明无法做到这一点。在多重宇宙中，瞬像没有“时间戳”。不存在另一个宇宙的某个瞬像与我们宇宙的某个瞬像“同时发生”这样的事情，因为这将再次意味着存在一个超越其上的时间框架，处于多重宇宙之外，多重宇宙内的事件都相对于它发生。这样的框架并不存在。

所以，在其他时间的瞬像和其他宇宙的瞬像之间没有根本的界限。这是量子时间概念与众不同的要点：

其他时间就是其他宇宙的特例。

这种理解首先发端于20世纪60年代对量子引力的早期研究中，尤其是源于布莱斯·德威特的工作，但就我所知，直到1983年才由唐·佩奇和威廉·伍特斯以一般的形式叙述出来。我们称为“我们宇宙中的其他时间”的瞬像仅仅是从我们的角度看与“其他宇宙”不同，而且仅仅在于依照物理定律它们与我们的关系特别紧密。因此，它们就是我们自己的瞬像掌握其存在的大部分证据的瞬像。所以，在发现它们之后几千年，我们才发现了多重宇宙的其余部分，后者通过干涉效应作用于我们，相比起来非常微弱。为了谈论它们，我们发展了特殊的语言结构（动词的过去时和将来时）。为了谈论其他类型的瞬像，我们还发展出了其他语言结构（如“如果……那么……”语句，动词的条件和虚拟态），甚至不意识到它们的存在。传统上我们把这两种瞬像——其他时间和其他宇宙——放在完全不同的概念范畴里。现在我们看到这种区分是不必要的。

现在我们继续从概念上重构多重宇宙。现在我们的堆中有更多的瞬像，但是让我们再次从一个时刻的一个宇宙的单个瞬像开始。如果我们现在在堆中寻找与原来这个瞬像非常类似的其他瞬像，那么我们会发现这个堆与拆散的时空非常不同，原因是我们发现有许多瞬像与原来的瞬像完全一样。实际上，任何存在的瞬像都有无穷多个副本，所以问具有这样那样性质的瞬像在数目上有多少是没有意义的，而只能问在无穷多个瞬像中具有这一性质的占多少比例。为简单起见，当我说宇宙的一定“数目”时，我总是指多重宇宙总数的一定比例。

除了我在其他宇宙中的变种以外，如果我还有若干完全相同的副本，那么哪一个是我？我当然是所有的副本。他们中的每一个都刚刚问过这一问题“哪一个是我？”，任何对这个问题的正确回答都必定给出同样的答案。认为在相同的副本中哪一个是我这样的问题有物理意义，就是认为在多重宇宙之外存在一个参照系，答案可以相对于它给出——“左起第三个是我……”。但是“左”是什么，“第三个”是指什么？只有当我们想象我的瞬像摆放在某一个外部空间的不同位置上时，这些术语才有意义。但是多重宇宙并非存在于一个外部空间之中，正如它并非存在于外部时间之中一样，它包括所有存在的时间和空间。它就是存在着，而且物理上它就是存在的一切。

量子理论不像时空物理那样，一般地它不决定一个具体瞬像中将发生什么；相反，它确定在多重宇宙的所有瞬像中具有给定性质的宇宙占多大比例。因此，作为多重宇宙的居民的我们有时只能对自己的经验做出概率预测，尽管多重宇宙中发生的事情是完全确定的。例如，假设我们掷一枚硬币。典型的量子理论预测是，如果在一定数目的瞬像中让硬币以一定方式旋转，时钟显示一定的读数，那么就会有那个数目的一半的宇宙，其中时钟显示更大的读数，硬币掉下以“正面”朝上，而另一半数目的宇宙中，时钟显示更大的读数，硬币掉下以“背面”朝上。

图11-7表示多重宇宙中发生这些事件的小区域。即使在这一小区域中也有大量瞬像要显示，所以我们只能用图上的一个点代表一个瞬像。我们关注的瞬像都包含某种标准形式的时钟，图示的安排使得具有同一时钟读数的所有瞬像出现在垂直的一列中，并使得时钟读数从左向右增大。当我们沿着图中任一垂直线看时，并非所有经过的瞬像都不同。我们经过一组一组相同的瞬像，以阴影显示。显示最早时钟读数的瞬像位于图示的最左边。我们看到所有这些瞬像都是相同的，硬币在旋转。在图示的右边，我们看到时钟显示最晚的读数，在一半的瞬像中硬币掉下以“正面”朝上，在另一半瞬像中硬币掉下以“背面”朝上。在时钟读数介于中间的宇宙中，有三种类型的宇宙，其比例随时钟读数变化。

图11-7 包含一个旋转硬币的多重宇宙的一个区域，图中每个点代表一个瞬像

如果你在显示的多重宇宙区域内存在，那么你的所有副本都会首先看见硬币旋转，稍后你的一半副本会看见“正面”朝上，另一半副本会看见“背面”朝上。在中间阶段，你会看见硬币仍处于运动状态，但是从中已经可以预测当它最终停止时哪一面将朝上。观察者的相同副本分化为略微不同的副本，这种分化导致了量子预测的主观概率特性。因为如果在开始你问你注定会看到掷硬币的哪种结果，答案为严格地说，这是不可预测的，原因是问这一问题的你的一半副本会看见“正面”，而另一半会看见“背面”。没有“哪一半”会看见“正面”这样的事情，正如对问题“哪一个是我”没有答案一样。从实用的角度，我们可以把它看作概率预测，硬币有50%的可能性“正面”朝上，50%的可能性“背面”朝上。

量子理论的决定性，就如经典物理一样，在时间上向前、向后都成立。从图11-7中后面时间的兼有“正面”和“背面”的瞬像集合状态，可以完全确定前面时间的“旋转”状态，反之亦然。无论怎样，从任一观察者的角度看，在掷硬币过程中损失了信息。因为观察者可以感受硬币的初始“旋转”状态，而最后的兼有“正面”和“背面”的状态却不对应于观察者的任何可能感受。所以，早期的观察者可以观察硬币，预言它未来的状态，以及必然的主观概率。但是后来的观察者的副本都不可能观察到必要的信息来倒推“旋转”状态，因为这一信息此时已经分散到两种不同类型的宇宙中去，这使得从硬币的最后状态倒推成为不可能的了。例如，如果我们知道的全部就是硬币“正面”朝上，那么几秒钟前的状态可能是我称为“旋转”的状态，或者是硬币以相反方向旋转，或者它一直就是“正面”朝上。这里不可能倒推，甚至概率倒推也不可能。硬币的早期状态就是不能由后来的“正面”瞬像状态确定，而只能由“正面”和“背面”瞬像的联合状态确定。

划过图11-7的任何水平线都沿着增大的时钟读数穿过一系列瞬像。我们可能会认为这样的直线（如图11-8所示的直线）是一个时空，整个图示是一摞时空，每一条横线代表一个。从图11-8中我们可以读出在水平线定义的“时空”中发生了哪些事件。在一段时间内它包含旋转的硬币，在下一段时间内它包含的硬币的运动方式可以预期将导致“正面”朝上，而以后与之相反，它包含的硬币的运动方式可以预期将导致“背面”朝上，最终它的确显示“背面”朝上。但是正如我在第9章（见图9-4）所指出的那样，这仅仅是图示的缺陷。在本例中，量子力学定律预言，所有记得看见硬币处于“可预期正面朝上”状态的观察者都不会看见它处于“背面朝上”状态，这就是首先称这一状态为“可预期正面朝上”状态的理由。所以，当事件发生在该直线定义的“时空”中时，多重宇宙的观察者都不会认识它们。所有这一切证实我们不能随意地把瞬像粘在一起，黏合方式必须反映它们之间由物理定律决定的相互关系。沿着图11-8中的直线的瞬像之间的相互联系并没有充分证明它们应归属于同一个宇宙。诚然，它们以时钟读数增大的顺序出现，在时空中这些读数是“时间戳”，足以让时空重组起来。但是在多重宇宙中有非常多的瞬像，仅靠时钟读数已经不能确定瞬像的相对位置。为此，我们需要考虑哪些瞬像决定其他哪些瞬像的复杂细节。

图11-8 时钟读数增大的一系列瞬像不一定是一个时空

在时空物理中，任一瞬像都可以决定任一其他瞬像。我说过，在多重宇宙中一般不是这样。典型地，一组相同瞬像（如硬币“旋转”的那些瞬像）的状态决定了一组等量的不同瞬像（如“正面”和“背面”瞬像）的状态。因为量子物理定律的时间可逆性，这后一组的多值状态的总体也决定了前一组的状态。然而，在多重宇宙的某些区域以及空间的某些位置，某些物理对象的瞬像的确在一段时间内分为链条，链条内每个成员近似地决定了所有其他成员。典型的例子是太阳系的连续瞬像。在这些区域，经典物理定律是对量子定律的良好近似。在这些区域和位置，多重宇宙的确如图11-6所示的那样像一组时空，在这一近似水平上，量子时间概念简化为传统时间概念。人们可以近似地区分“不同时间”与“不同宇宙”，时间近似地是一系列时刻。但是如果人们更细致地考察瞬像，或者在时间跨度上向前、向后看得更远，或者在多重宇宙中看得更远，那么这种近似就肯定被打破了。

我们现在可获得的所有实验结果都是与认为时间是时刻的序列这一近似相一致的。我们不指望在地球上可预见的未来的实验中会打破这一近似，但是理论告诉我们，在某些类型的物理过程中，它必定会被彻底打破。首先就是宇宙的起源——大爆炸。根据经典物理，在时间开始的时刻，空间无限稠密，只有一个点那么大小，在此之前没有时刻。根据量子物理（就我们所知），非常靠近大爆炸的瞬像没有排成一定的顺序。时间的顺序性没有开始于大爆炸，而是开始于稍后的时刻。当然，问是多久以后是没有意义的。但是我们可以说，在良好的近似程度以内，产生顺序的最早时刻大约出现在经典物理可以推论的大爆炸开始后的不到10－43秒内（普朗克时间）。

第二种类似的打破时间顺序性的情况，据认为发生在黑洞内部以及宇宙的最后坍缩阶段（大坍缩），假如存在的话。在这两种情况下，根据经典物理，物质被压缩到无限稠密状态，就像大爆炸时一样，导致的引力把时空结构撕裂开。

顺便说一句，如果你想知道在大爆炸以前发生了什么，在大坍缩以后又会发生什么，那么你现在不必探究下去了。为什么难以接受在大爆炸以前和大坍缩以后不存在时刻，从而什么也不会发生和存在这一观念呢？因为想象时间走向停止或开始是很难的。但是这时候，时间没有走向停止或开始，因为它根本没动。多重宇宙不会“开始存在”和“停止存在”。这些术语都预先假设了时间流概念。正是对时间流的想象才使得我们想探究在全部实在“之前”和“之后”发生了什么。

第三，据认为在亚微观尺度下，量子效应再次折弯、撕裂时空结构，在这一尺度上存在封闭的时间环——实际上是微小的时间机器。在下一章我们会看到，这种时间顺序的崩溃在大尺度上也是物理上可能的，如旋转的黑洞这类物体附近是否会出现这种现象，这个问题还悬而未决。

所以，虽然我们还不能探测到这些效应，但是最好的理论已经告诉我们，时空物理不是真实世界的准确描述。不论它的近似程度有多高，现实中的时间必定与常识所认为的线性序列完全不同。不论怎样，多重宇宙中的一切就像经典时空中那样完全是确定的。删除一个瞬像，其他瞬像能够完全确定它；删除大部分瞬像，剩下的少数瞬像仍然可以确定删除的所有内容，就像在时空中那样。差别仅仅在于，与时空不同，多重宇宙不是由充当多重宇宙“时刻”的、我称之为超瞬像的、相互决定的层次所组成的。多重宇宙是一个复杂的多维拼板玩具。

在这一多重宇宙的拼板玩具中，既没有时刻序列，也没有时间流，常识的因果概念倒具有完美的意义。我们发现的时空中因果关系的问题是，它是因果自身及其变种的性质。因为这些变种仅仅存在于想象中，而不在时空中，所以我们就撞上了这一物理上无意义的事情：从不存在的（“反事实”）物理过程的想象的性质中得出本质的结论。但是在多重宇宙中，变种确实以不同比例存在，而且遵循明确的决定性规律。给定这些规律，哪些事件影响了其他哪些事件的发生就是一个客观事实。假设有一组瞬像，它们不一定相同，但是都具有性质X。假设这一组是存在的，物理定律决定了存在另一组瞬像具有性质Y。那么X成为Y的原因的条件之一已经具备了。另一个条件必须与变种有关了。考虑第一组的不具有性质X的变种。如果这一组存在，而仍然能够决定存在一些具有性质Y的瞬像，那么X就不是Y的原因：因为即使没有X，Y也能发生。但是如果从非X变种的组中只能决定非Y变种存在，那么X就是Y的原因。

在这一因果关系的定义中，没有什么在逻辑上要求因在果之前，有可能在非常奇异的情况下，如非常接近大爆炸或在黑洞内部，因不在果之前。但是就日常经验而言，因总是在果之前，这是因为（至少在多重宇宙中我们的周围）不同类型的瞬像的数目往往随时间很快增加，几乎不会减少。这个性质与热力学第二定律有关，就是说有序的能量（如化学能和引力位能）可以完全转化为无序能量（即热能），但是反过来却不行。热能是微观的随机运动。用多重宇宙的术语，这意味着在不同的宇宙中有许多微观上不同的运动状态。例如，在通常放大倍率的硬币的连续瞬像中，似乎是下落过程把一组相同的“可预测正面朝上”的瞬像变成一组相同的“正面朝上”的瞬像。但是在这一过程中，硬币的动能变成了热能。所以，在足够看清个别分子的放大倍率下，后一组瞬像根本不是相同的，它们的硬币都处于“正面朝上”状态这一点是相同的，但是硬币的分子、周围空气的分子以及地面上的分子则处于许多不同的状态。诚然，最初的“可预测正面朝上”瞬像在微观上也不完全相同，因为那里也存在热能。但是在这一过程中产生了热能，说明这些瞬像比起后一组瞬像的差别要小得多。所以，每一组同类的“可预测正面朝上”瞬像决定了——因而也导致了——大量微观上不同的“正面朝上”瞬像的存在。但是单独一个“正面朝上”瞬像本身不能决定“可预测正面朝上”瞬像的存在，所以不是后者的原因。

相对于任一观察者，可能性到现实性的转化——未定的未来到确定的过去的转化——在这一框架下也有意义。再次考虑掷硬币的例子。在掷硬币之前，从观察者的角度来看，未来是不确定的，意思是“正面朝上”和“背面朝上”两种结果都有可能被该观察者看到。从观察者的角度，两种结果都是可能性，虽然客观上它们都是现实性。在硬币落下以后，观察者的副本分化为两组，每一个观察者只看到、记住掷硬币的一个结果。所以，一旦结果成为观察者的过去，对于观察者的每一个副本来说，这个结果就变成单值的、实际的了，虽然从多重宇宙的角度来看，它和过去一样仍是二值的。

让我们总结一下量子时间概念的要点。时间不是时刻的序列，它也不流动，但是我们关于时间性质的直觉大略是对的。某些事件的确是因果关系。相对于一个观察者，未来的确是不确定的，而过去是固定的，可能性的确变成现实性。我们传统的时间理论是错误的原因在于，它们企图在错误的经典物理框架中表达这些正确的直觉。在量子物理中它们是有意义的，因为时间一直是量子概念。我们在称为“时刻”的宇宙中以多个副本的形式存在，每个副本没有直接意识到其他副本的存在，但是有他们存在的证据，因为物理规律把不同宇宙的内容联系起来。有一种倾向认为我们知道的时刻是唯一真实的时刻，或者至少比其他时刻更真实一点儿。但是这不过是唯我主义。所有时刻在物理上都是真实的，整个多重宇宙在物理上是真实的，其他都不是真的。

术语

时间流：假定的当前时刻沿着未来方向的运动，或者假定的我们的意识从一个时刻到另一个时刻的运动。（这是胡说！）

时空：时间加空间，一起看作一个静态的四维实体。

时空物理学：如相对论这样的理论，认为真实世界是时空。因为真实世界是多重宇宙，所以这种理论最多是一种近似。

自由意志：能够以几种可能的方式之一影响未来事件并选择用哪一种的能力。

反事实条件句：前提是假的条件语句（如“如果法拉第死于1830年，那么会发生X”）。

瞬像（仅用于本章的术语）：一个具体时刻的宇宙。

小结

时间不流动。其他时间不过是其他宇宙的特例。

时间旅行可能行得通，也可能行不通。但是如果行得通，那么我们已经对它的面貌有了相当好的理论理解，这一理解涉及所有四大理论。

[1].公元354——430年，罗马帝国基督教思想家。——译注

第12章 时间旅行

假定认为时间在某些方面像附加于空间的第四维，那么就会有一个自然的想法：如果可能从一个地方旅行到另一个地方，那么也就可能从一个时间旅行到另一个时间。在前一章中我们看到，与空间运动同一意义上的时间“运动”是没有意义的。但是，当人们说旅行到25世纪或恐龙时代时，其意思似乎是清楚的。在科幻作品中，时间机器通常想象为奇异的飞行器，人们在控制器上设置好要去的日期，等待飞行器旅行到那个日期（有时还可以选择地点），然后就到那儿了。如果选择了遥远的未来，那么人们会在星际宇宙飞船中与有意识的机器人等奇妙的东西对话，或者（与作者的政治信仰有关）徘徊在烧焦的放射性废墟中。如果选择了遥远的过去，那么人们必须躲避霸王龙的攻击，同时翼龙在头顶上盘旋。

恐龙的出现将确凿地证明我们确已抵达远古时代。我们应该能够反复核对这一证据，通过观察一些自然界的长期“日历”，如夜空中星座的形状，或者石块中各种放射性元素的相对比例，更准确地确定日期。物理学提供了许多这种日历，物理定律保证它们在适当校准的情况下彼此一致。根据多重宇宙由一组平行时空组成、每一时空由一摞空间“瞬像”组成这一近似理论，以这种方式定义的日期是整个瞬像的性质，任意两个瞬像被一段时间间隔开，这段时间是这两个瞬像日期的差。一方面是两个瞬像之间的时间间隔，另一方面是我们自己处于这两个不同瞬像时所感觉到的流逝掉的时间间隔，时间旅行就是导致这二者不一致的过程。我们可以参照随身携带的时钟，或者可以估计我们有机会进行多少思索，或者可以根据生理标准测量我们的身体衰老了多少。如果我们观察到外界已经经过了很长时间，而根据所有主观测量，我们经历的时间短得多，那么我们就进入了未来。另外，如果我们观察到外部的时钟和日历显示一个具体时间，随后（主观上）我们观察到它们始终显示一个更早的时间，那么我们就进入了过去。

大部分科幻作者认识到，朝向未来和朝向过去的时间旅行是完全不同类型的过程。这里我不太关注朝向未来的时间旅行，因为到目前为止，这方面的问题较少。甚至在日常生活中，例如在睡眠和清醒时，我们主观感觉到的时间也可能比外界流逝的时间短。可以说，从持续几年的昏迷中苏醒过来的人就已经进入未来那些年了，如果不考虑其身体已经按照外部时间而非主观感觉的时间老化这一事实的话。所以在理论上，类似虚拟现实减慢用户大脑的技术（如第5章所设想的）可以用在整个身体上，从而可以用作成熟的朝向未来的时间旅行技术。爱因斯坦的狭义相对论给出一种较温和的办法，即一般说来加速运动或减速运动的观察者所经历的时间比静止或匀速运动的观察者所经历的时间要短。例如，宇航员在往返旅途中加速到接近光速，他经历的时间要比地球上的观察者所经历的时间短得多。这一效应被称为时间膨胀。通过充分加速，从宇航员的角度看，飞行时间可以任意缩短，而地球上度量的时间可以任意延长。所以在给定的、主观上很短的时间内，人们可以旅行到遥远的未来，任意远都行。但是这种未来旅行是不可逆的。回程需要朝向过去的时间旅行，无论多少时间膨胀都不能使飞船在起飞前就返航。

虚拟现实和时间旅行至少在这一点是相同的：它们都系统地改变了通常的外部现实和用户感觉之间的关系。所以，人们会问这个问题：如果通用虚拟现实生成器可以轻易地被编程实现朝向未来的时间旅行，那么有没有办法用它来实现朝向过去的时间旅行呢？例如，如果使我们慢下来可以把我们带到未来，那么使我们快起来是否就会把我们带到过去？不行，外部世界只会显得慢下来，即使大脑运行速度达到无穷快这样不可能的极限，外部世界也只会看起来像是停止在一个特定的时刻。根据上面的定义，这也是时间旅行，但不是朝向过去的，可以称之为“朝向现在”的时间旅行。我记得自己在考试中做最后一分钟检查时就希望有一个能够做朝向现在时间旅行的机器——哪个学生不希望如此呢？

在讨论朝向过去的时间旅行之前，让我们营造一个朝向过去的时间旅行会是怎样的情形？在多大程度上虚拟现实生成器能够被编程，给用户以朝向过去的时间旅行的体验？我们会看到，对这个问题的回答同所有关于虚拟现实范围的问题一样，还同时告诉我们有关物理实在的事情。

依定义，感受过去的环境最显著的特点是，感受到某些物理对象或过程——“时钟”和“日历”——处于只在过去（即过去的瞬像）才出现的状态。虚拟现实生成器当然可以营造处于这些状态的对象。例如，它可以给人以生活在恐龙时代的感受，或者第一次世界大战中战壕里的感觉，而且它可以使得星座、报纸上的日期等正确地显示那时的时间。有多么正确呢？在营造给定年代的精确程度方面，有没有根本的限制？图灵原理说，通用虚拟现实生成器可以造出来，能够被编程，营造任何物理上可能的环境，所以很清楚，它也能够被编程，营造任何曾经在物理上存在过的环境。

为了营造具有展示过去本领的时间机器（从而也为了营造过去本身），程序必须包括过去那些目的地的环境的历史记录。实际上，不仅仅需要记录，因为时间旅行的体验不仅仅包括看见过去的事件展现在周围。给用户展示过去的记录只是图像生成，不是虚拟现实。因为真正的时间旅行者会参与事件，对过去的环境做出反应，所以时间机器的精确虚拟现实营造如任何环境一样必须是交互的。对用户的每个动作，程序必须计算历史环境会怎样对这个动作做出反应。例如，为了让约翰逊博士相信，号称的时间机器真的把他带到了古罗马时代，我们必须允许他在尤利乌斯·凯撒[1]路过时，不仅是不露面地、被动地观看，而且他想要通过踢当地的石头来检验其体验的真实性。他可能会踢凯撒——或者至少用拉丁语招呼他，希望他能够同样地回答。时间机器的准确的虚拟现实营造的意思是，这种营造对这种交互检验的反应应该与真正的时间机器相同，正如旅行到真正的过去环境一样。在本例中，这应当包括正确地营造尤利乌斯·凯撒的动作和拉丁语讲话。

因为尤利乌斯·凯撒和古罗马是物理对象，所以在理论上它们可以任意精确地营造出来。这一任务仅仅在程度上不同于营造温布尔登中心球场（包括观众）。当然，必要的程序复杂性是巨大的。更复杂的，在理论上甚至是不太可能的任务是，收集为了编写出营造具体人物的程序所必需的信息。但是这里写程序不是我关心的问题。我不是问是否能够找出足够的有关过去环境的信息（或者关于现在或未来环境的信息）来写出程序具体营造该环境。我问的是，在虚拟现实生成器的所有可能的程序中是否包括一个能给出朝向过去的时间旅行的虚拟现实营造的程序，如果包括，这个营造能有多么准确。如果没有程序营造时间旅行，那么图灵原理就蕴含时间旅行是物理上不可能的（因为它说物理上可能的一切都能够被某个程序营造）。表面上看，这里的确有问题。即使存在程序准确地营造过去的环境，利用其来营造时间旅行也似乎会有根本的障碍。这些障碍与那些似乎妨碍时间旅行本身的障碍是一样的，即所谓的时间旅行“悖论”。

典型的悖论是这样的：我建好一台时间机器，并用它旅行到过去，在那里我阻止过去的我建造时间机器。但是如果时间机器没有造出来，那么我就不能用它来旅行到过去，从而也不能阻止建造出时间机器。那么我到底旅行了没有？如果旅行了，那么我就使自己没有时间机器，从而也就没有旅行；如果我没有旅行，那么我就允许自己造出时间机器，从而也就旅行了。有时这称为“祖父悖论”，叙述的形式是利用时间旅行在祖父有孩子之前杀死他。（于是，如果祖父没有孩子，他就不能有孙子，那么谁杀死了他？）这两个形式的悖论是最常提及的，恰巧都要求在时间旅行者和过去的人物之间发生暴力冲突，所以人们发现自己搞不清楚谁会赢。可能时间旅行者被打败，悖论得以避免。但是这里暴力不是问题的本质部分。如果我有时间机器，我可以决定如下：假如今天，我未来的自己从明天出发来拜访我，那么明天我将不用时间机器；假如今天我没有碰上这样的访客，那么明天我使用时间机器旅行到今天访问自己。从这一决定似乎可以得出结论说，如果我用时间机器，那么我就没有用它；如果我没有用它，那么我就用了它。矛盾。

矛盾表明假设是错误的，所以传统上把这种悖论看作是对时间旅行不可能性的证明。有时被质疑的另一个假设是自由意志——时间旅行者是否能够像通常那样选择行动方式。人们的结论是，如果时间机器确实存在，那么人们的自由意志会被削弱。他们会无法形成我描述的那种类型的意图，或者当他们在时间中旅行时，他们会不知怎么地全然忘记了出发前所做的决定。但事实证明，悖论背后的错误假设既不是时间机器的存在性，也不是人们以通常方式选择行动的能力。错误的是传统的时间理论，我前面已经从完全无关的角度证明过，传统的时间理论是站不住脚的。

如果时间旅行真的是逻辑上不可能的，那么它的虚拟现实营造也就是不可能的。如果它要求终止自由意志，那么它的虚拟现实营造也会有这样的要求。时间旅行悖论可以用虚拟现实术语表述如下：就感知能力而言，虚拟现实营造的准确性就是实际营造的环境对想要营造的环境的忠实程度。就时间旅行而言，想要营造的环境是历史上存在过的。但是一旦营造的环境按照要求对用户的刺激做出反应，那么它在历史上就变得不准确了，因为真正的环境没有对用户做出反应：用户没有刺激过它。例如，真正的尤利乌斯·凯撒没有见过约翰逊博士，所以当约翰逊博士通过与凯撒对话来检验营造的忠实程度时，其行为本身就破坏了忠实性，因为它制造了一个历史上不准确的凯撒。营造可以作为忠实的历史图像而表现得准确，或者也可以反应得准确，但二者不可得兼。所以似乎是，不论怎样，时间旅行的虚拟现实营造是本质上无法准确的——这等于说时间旅行不能在虚拟现实中营造。

但是这个结果真的是精确营造时间旅行的障碍吗？通常，模拟环境的实际行为不是虚拟现实的目标，重要的是它能够准确地反应。一旦你开始在虚拟现实营造的温布尔登中心球场打网球，你就使得它的行为不同于真实的行为表现了，但是这并没有使得营造不准确。相反，这正是准确营造所要求的。在虚拟现实中，精确性意味着营造的行为接近原来的环境在有用户在场时将表现出来的行为。只有在营造之初，营造的环境的状态才必须忠实于原来的状态。从这以后，必须忠实表现的不是状态，而是对用户行为的反应。为什么这对于时间旅行的营造是“自相矛盾的”，而对于其他营造（如对于一般旅行的营造）就不是自相矛盾？

之所以显得自相矛盾，是因为在朝向过去的时间旅行的营造中，用户扮演了独特的双重或多重角色。因为涉及这个循环，例如一个或多个用户的副本同时存在、相互作用，所以虚拟现实生成器实际上需要在营造用户的同时对用户的动作做出反应。例如，设想我是虚拟现实生成器的用户，这个生成器正在运行时间旅行营造程序。假设在启动程序时我看见的周围的环境是一间未来的实验室，在中间有一扇旋转门，像大楼入口处的那些门一样，只是这一扇是不透明的，几乎完全包裹在不透明的圆柱体内。进出圆柱体的唯一通道是在它边上开的一个入口。里面的门不停地转动。乍一看，对这个装置，人们能做的就只是进入它，随着旋转门走一圈或多圈，然后出来，别的什么也干不成。但是在入口上方有个招牌：“通向过去之路”。它是一台时间机器，一台幻想的虚拟现实机器。但是如果存在一台真正的朝向过去的时间机器的话，它就会像这样，不是一辆奇异的运输工具，而是一处奇妙的场所。人们不是驾驶它飞到过去，而是沿着穿过它的某一条道路（有可能利用通常的太空飞船），出现在早期年代。

在模拟实验室的墙上有一个时钟，初始显示的时间是正午（见图12-1）。在圆柱体入口处有一些说明文字，在我读完它们的时候，时间是正午过5分钟，不论是我自己感觉的时间还是墙上时钟的时间都是如此。说明文字说，如果我进入圆柱体，随着旋转门走一圈，然后出来，那么实验室的时间将提早5分钟。我走进旋转门的一个隔间。当我转圈时，隔间在我身后关上，稍后又到达了入口。我走出来，实验室看起来没变，除了——什么？如果这是朝向过去的时间旅行的精确营造，下一步我究竟能指望感受到什么？

图12-1 时间旅行者所走的时空道路

首先让我回溯一点。假设在入口处有一个开关，其两个位置分别标记着“开干涉”和“关干涉”。初始处于“关干涉”，这种设置不允许用户参与过去的事件，只能观察。换句话说，它没有提供完整的过去环境的虚拟现实营造，而仅仅提供图像生成。

至少以这种更简单的设置，当我从旋转门出来时，关于应该生成什么图像是没有不确定性和悖论的。它们应该是我在实验室中的图像，做着我在正午做的事情。没有不确定性的一个原因是我能够记住那些事件，所以我可以拿自己对于以前发生的事件的记忆来检验关于过去的图像。通过把我们的分析限制到一个小的、短时间内的封闭环境中，我们避免了类似于找出尤利乌斯·凯撒到底长什么样这样的问题。这种问题是关于考古学的最终极限的，而不是关于时间旅行的本质问题的。在本例中，通过记录下我做的每一件事，虚拟现实生成器可以轻易地获得所需信息来产生所需的图像，即不是记录下我在物理实验室中所做的一切（这不过是静静地躺在虚拟现实生成器中），而是记录下我在虚拟的实验室环境中所做的一切。所以，当我从时间机器中出来的时候，虚拟现实生成器停止营造正午过5分的实验室，倒卷它的记录，从正午发生的事情的图像开始，它给我演示这些记录，其场景为适应我现在的位置和观察点而适当调整，而且随着我的移动，它像通常那样不停地重新调整视角。于是，我看见时钟重新显示正午，我还看见自己早先的前身站在时间机器前面读着入口上方的招牌，研究说明文字，正像我5分钟前所做的那样。我能看见他，他却看不见我。无论我做什么，他（或者不如说它，我的移动图像）对我的存在不做任何反应，过了一会儿，它走向时间机器。

如果我恰好阻塞了入口，那么我的图像仍然会一直走进来，就像我做的那样，因为如果它不这样，那么它就不是准确的图像了。有许多方法给图像生成器编程，让它处理固体物体的图像必须穿过用户位置的情况。例如，图像可以像幽灵一样径直穿过，或者它强行把用户推开。后一种选择给出的营造更准确，因为图像不仅可见，而且在一定程度上可触摸。当我的图像把我撞到一边时，不论有多么粗鲁，我也不会有受伤的危险，因为我并没有物理地在那儿。如果没有足够的地方允许我让开道，那么虚拟现实生成器可以使我不费力地流过窄缝，或者甚至把我远距传物似的瞬间传过障碍物。

我不仅是不再能影响自己的图像。因为我们已经暂时地从虚拟现实切换到了图像生成，所以我不再能影响模拟环境中的任何东西。如果桌子上有一杯水，我不再能把它端起来喝掉，而在穿过旋转门走进模拟的过去以前，这是可以的。通过限制模拟为非交互的、朝向过去的时间旅行，实际上把它变成了5分钟具体事件的回放。我必须放弃对环境的控制，宛如把控制权交给了我的前身。

当我的图像进入了旋转门时，时钟的时间又一次到达了12点5分，虽然根据我自己的主观感觉，模拟进行了10分钟。下一步发生的事情依赖于我的动作。如果我待在实验室中，那么虚拟现实生成器的下一步任务必定是把我置于实验室时间12点5分后发生的事件中。这些事件还没有任何记录，我也没有关于它们的记忆。相对于我、模拟的实验室和物理实在，这些事件还没有发生，所以虚拟现实生成器可以恢复其完全交互式的营造。最终的结果是，我花了5分钟处于过去，无法影响它，然后返回我离开时的“现在”，即返回我能产生影响的正常的事件序列。

或者，我可以跟随自己的图像进入时间机器，随着我的图像绕着机器走，又出现在实验室的过去。会发生什么呢？时钟再次显示正午12点。现在我可以看见两个前身的图像。其中之一首次看见时间机器，既看不到我也看不到另一个图像。第二个图像似乎看得到第一个图像，但是看不到我。我则两个都能看见。只有第一个图像似乎能影响实验室的一切。这一次从虚拟现实生成器的角度看，在时间旅行的时候没有发生什么特殊的事情。开关仍然在“关干涉”位置，仅仅是继续回放5分钟前（从我的主观角度看）的事件图像，而且现在到了我开始看见自己的图像的时候。

又过了5分钟，我还可以选择是否重新进入时间机器，这次有我自己的两个图像作陪（见图12-2）。如果重复这一过程，那么每经过主观上的5分钟就会增加一个我的图像。每个图像都似乎能看见比它早出现（以我的感觉）的所有图像，但是看不见比它晚出现的图像。

图12-2 重复使用时间机器允许时间旅行者的多个副本同时存在

如果我尽可能长地持续这一体验，那么能够同时存在的我的副本的最大数目将只受限于图像生成器的冲突避免策略。假设它使得我实际上难以和所有我的图像挤进旋转门，那么最终我将被迫不能和它们一道返回过去。我可以等一会儿，进入后面一个隔间，在这种情况下我应该在它们之后到达实验室。但是这仅仅推后了时间机器中的拥塞问题。如果我继续这种循环，最终所有的进入午后5分钟阶段的时间旅行“槽”都会被填满，迫使我让自己到达的时间推后，从而再没有办法回到这一阶段。这也是时间机器具有的一个性质，假如它们在物理上存在的话。它们不仅仅是个场所，而且还是一个直达过去的交通容量有限的场所。

时间机器不是交通工具，而是场所或路径，这一事实的另一个结果是人们不能完全自由地选择旅行到什么时间。如本例，人们利用时间机器只能旅行到时间机器已经存在的时间和地点。特别地，人们不可能使用时间机器旅行到它还没有建好的时间。

现在对于从正午到正午过5分之间实验室中发生的事件，虚拟现实生成器已经有了许多不同版本的记录。哪一个描绘了真正的历史？这个问题如果没有答案，我们也不应该过于担心，因为它问的是在我们已经人为地抑制了交互性的情况下哪些是真的，这使得约翰逊博士的检验不能用在这儿。人们可以说，只有最后一个版本（即描绘的我的副本最多的那个版本）是真实的，因为以前的版本实际上显示的是这样一些人眼中的历史，他们由于受到人为的非交互性规则的约束而不能完全看见发生的一切；或者，人们可以说，第一个版本（即只包含我的一个副本的那个版本）是唯一真实的，因为它是唯一与我有交互体验的版本。非交互性的全部要点在于：我们临时限制自己不能改变过去。因为后面的版本都与第一个版本不同，所以它们不能描绘过去。它们描绘的只是某人通过通用图像生成器所看见的过去。

人们还可以说，所有版本都一样是真实的。毕竟当一切都结束时，我所记住的不仅仅有那5分钟时间内实验室的一个历史，而是好几个这种历史。我一个接一个地体验它们，但是从实验室的角度，它们都发生在同一段5分钟时间内。完全记录我的体验需要对时钟定义的每一个时刻记录实验室的多个瞬像，而不是通常那样每个时刻一个瞬像。换句话说，这是对平行宇宙的营造。事实证明，这最后一个解释最接近真实情况，通过再次做同样的实验，我们可以更清楚这一点。这一次实验把交互开关打开。

关于交互模式（即我可以随意影响环境的模式），我要说的第一件事是，我可以选择发生的事件之一就是我在非交互模式中描述过的事件的准确顺序，即我可以回去遇见我的一个或多个副本而表现得（假如我是一个好演员）就仿佛没看见他们一样。不论怎样，我必须仔细观察他们。如果我想要重建把交互开关关掉时实验中所发生的事件序列，那么我必须记住我的副本们的所作所为，从而使我在后来访问到这一时间时能够自己完成一切。

在这一局的开始，当我首次看见时间机器时，我马上看到它吐出我的一个或多个副本。为什么？因为交互开关开着。当我开始在正午过5分使用时间机器时，我有权利影响返回到的过去，而这一过去就是现在正午正在发生的一切。所以，未来的我或我们正在施展他们的权利，影响正午的实验室，影响我，特别是会被我看见。

我的副本干着他们自己的事。考虑虚拟现实生成器在营造这些副本时必须执行的计算任务，现在有一个新的因素使得这一任务比非交互模式下更困难得多。虚拟现实生成器怎样确定我的副本将要做什么？它还没有这一信息的记录，因为在物理时间中这一局才刚刚开始，但是它必须立刻营造未来的我给我看看。

只要我决心假装看不见这些营造，然后模拟我看见的他们的所作所为，那么他们就不难通过准确性检验。虚拟现实生成器只需要让他们做点什么——任何我能做的事情，或更准确地说是我有能力模拟的任何行为。考虑到我们假设的虚拟现实生成器所基于的技术水准，这一任务应该不会超出它的能力范围。它有我的身体的精确数学模型，一定程度地直接接触我的大脑。利用这些，它可以计算出我能够模拟的某些行为，然后让我的初始营造版本去执行这些行为。

于是我开始实验，看见我的一些副本从旋转门里出来，做着一些事情。我假装不去注意他们，过了5分钟，我自己绕着旋转门走一圈，模仿我刚才看见的第一个副本的动作。5分钟后，我又走一圈，模仿第二个副本，依此类推。同时，我注意到有一个副本总是重复我在第一个5分钟时间内所做的事情。在时间旅行结束时，虚拟现实生成器又会有几份午后5分钟内发生的事情的记录，但是这一次所有这些记录都是相同的。换句话说，只有一个历史发生了，即我碰见了未来的自己，但是假装没看见。后来我变成了那个未来的自己，向回旅行，碰见了过去的自己，显然未被注意。这一切都是有条不紊、没有矛盾的——也不现实。它能够被实现是由于虚拟现实生成器和我参与了一个复杂的、相互参照的游戏：我模仿它，同时它又模仿我。但是当正常的交互开关打开时，我可以选择不玩这个游戏。

如果我真的有机会接触虚拟现实时间旅行，那么我当然想要检验营造的真实性。在上面讨论的情况中，一旦我看见自己的副本，检验就开始了。我再也不是忽略他们，而是马上与他们交谈起来。检验他们的真实性，我有比约翰逊博士检验尤利乌斯·凯撒的真实性好得多的条件。即使为了通过初始检验，我的被营造的版本实际上也必须是人工智能生命。不仅如此，至少在对外界刺激的反应方面，它必须与我非常类似，使我能够相信，它就是对5分钟后的我的准确营造。虚拟现实生成器所运行的程序，其内容和复杂性必须与我的心智相类似。重申一下，这里关心的问题不是编写这样的程序的难度问题：我们探究的是虚拟现实时间旅行的原理，不是其可行性。我们设想的虚拟现实生成器从哪里得到程序无关紧要，因为我们问的是在所有可能的程序中是否包括准确营造时间旅行的程序。但是在理论上，虚拟现实生成器的确有办法发现我在不同情况下的所有可能的行为方式。这些信息在我的大脑的物理状态中，理论上充分精确的测量可以把它们读出来。一种方法（可能是难以接受的）是，虚拟现实生成器使我的大脑在虚拟现实中与测试环境相互作用，记录下它的行为，然后也许通过让它向回运行，恢复到初始状态。这种方法也许是难以接受的，原因是我总会感受这一测试环境，虽然事后我不应该回忆它，但是我想要虚拟现实生成器给我的是我指定的感觉，而不是别的感觉。

无论怎样，就目前需要而言，重要的是既然我的大脑是物理对象，图灵原理说它落在通用虚拟现实生成器的全部本领以内，所以理论上我的副本有可能通过检验，证明他与我足够相似。但是我想要检验的不只是这个，我主要想检验时间旅行本身是否被真正地营造了。为此，我不仅仅想要查明这个人是否是真正的我，而且还要知道他是否真正地来自未来。我可以通过向他提问来部分地检验这一点。他应该说他记得5分钟前处在我的位置上，然后他绕着旋转门走一圈，碰见我。我还会发现他正在检验我的真实性。为什么会这样呢？因为检验他与未来的我的相似度的最严格、最直接的方法就是一直等到我已经通过了时间机器，然后查两件事：第一，我发现的自己的副本的行为是否与我记得的自己的行为一样；第二，我的行为是否与我记得的副本的行为一样。

在这两方面，该营造肯定不能通过检验！我只要表现得与我记得的自己的副本的行为稍稍不太一样就成了。使得他的行为与我的行为不一样几乎同样容易：我需要做的仅仅是问他一个问题，这个问题是我在他的位置上没有被问过且答案很明显的问题。所以，不论他们在外表与个性方面有多么像我，从虚拟现实时间机器中走出来的人都不是我即将变成的那个人的真实营造。他们也不可能是——毕竟，我有强烈的意愿，当轮到我使用时间机器时，我故意表现得与他们不同。因为虚拟现实生成器现在允许我自由地与营造的环境交互，所以没有什么能阻止我完成这一意愿。

总结一下。在实验开始时，我碰见一个人，可以认出来是我，只是稍有点儿不同，这些不同一致地指向他来自未来的特点：他记得午后过5分钟的实验室，从我的角度看，这时候还没有出现呢。他记得从那时候出发，穿过旋转门，在正午出来。他记得，在这一切之前，在正午开始这一实验，首次看见旋转门，看见他自己的副本们走出来。他说根据他的主观感觉，这些发生在5分钟以前，但是根据我的感觉，整个实验还没有持续5分钟，等等。虽然他通过了所有检验，证明确系我来自未来的版本，但是可以证明它不是我的未来。当我检验他是否是我将要变成的那个具体的人时，他就不能通过检验了。类似地，他告诉我，我没有通过检验，证明是过去的他，因为我的行为不完全与他记得的自己的行为相符。

所以，当我旅行到过去的实验室时，我发现这与我刚刚离开的过去的实验室不同。我在那里碰到的我的副本的行为与我记得的自己的行为不完全一样，因为他与我之间存在的交互。所以，如果虚拟现实生成器要记录在这一时间旅行序列中发生的一切，那么它必须为实验室时钟定义的每一个时刻存储多个瞬像，而这一次它们都是不同的。换句话说，在5分钟的时间旅行期间会有多个不同的平行的实验室历史，我轮流经历了其中的每一个历史。但这一次，我是交互地感受它们的，所以没有借口说其中某一个不如其他历史那么真实，所以这里营造的有点儿像多重宇宙。如果这是物理的时间旅行，那么每个时刻的多个瞬像就是平行宇宙。因为有了量子时间概念，我们不会对此感到惊讶。我们知道，那些摞起来大致形成日常经验中的一个时间序列的瞬像实际上是平行宇宙。通常我们感觉不到同时存在的其他平行宇宙，但是有理由相信它们是存在的。所以，如果我们有某种还不知道的办法旅行到过去，那么为什么我们要求这种方法必须把我们的每一个副本都带到它们各自经历过的那个瞬像中去？为什么要求我们接待的来自未来的每一个来访者都必须来自我们最终将要进入的那个未来瞬像？我们的确不应该这么要求。要求允许与过去的环境交互意味着要求改变它，依定义，也就意味着要求处于与我们记忆中的瞬像不同的另一个瞬像中。只有在上面讨论的非常不自然的极端情况下，即在相遇的副本之间没有发生实际的交互，而且时间旅行者设法使所有平行历史相同的情况下，时间旅行者才能回到同一个瞬像中（或者相同的瞬像中，可能都一样）。

现在开始最终测试虚拟现实时间机器。请让我故意设计一个悖论。我形成如上所述的坚定决心：我决定，如果正午时有我的副本从时间机器中出来，那么正午过5分时或者整个实验期间，我不进入机器；但是如果没有人出来，那么正午过5分时我进入时间机器，正午时出来，然后不再使用时间机器。会出现什么结果？是否会有人从时间机器中出来？是，也不是！这取决于我们谈论的是哪个宇宙。记住正午时实验室中发生了不止一件事情。假设我没看见有人从时间机器中出来，如图12-3中右边标记为“开始”的点所示，那么按照我的坚定决心，我等到正午过5分，然后绕着熟门熟路的旋转门走一圈，正午时出来，我当然会看到另一个我站在图12-3左边标记为“开始”的点上。在我们交谈时，我们发现他与我有同样的决心。所以，因为我已经进入了他的宇宙，他的行为将与我的行为不同。按照与我同样的决心，他不再使用时间机器。从这时起，他与我在整个模拟期间可以持续交互，在这个宇宙中会有两个我。在我离开的那个宇宙，12点5分以后实验室仍然是空的，因为我不会再回去了。我们没有碰上悖论，两个我都成功地履行了我们共同的决心。因此，这一决心在逻辑上并非不能实现。

图12-3 想要“设计悖论”的时间旅行者的多重宇宙路径

在这个实验中，我和另一个我拥有不同的经历。他看见有人在正午时从时间机器中出来，而我没看见。如果我们的角色对换，我们的感受会同样地忠实于决心，同样地没有自相矛盾，即我会看见他在正午时从时间机器中出来，然后自己不再使用它。在这种情况下，我们两个最终都会处于我开始所在的宇宙。在他开始所在的宇宙中，实验室仍然空着。

对这两个自洽的可能性，虚拟现实生成器会给我营造哪一个呢？在营造这一本质上多重宇宙过程期间，我只扮演我的两个副本之一，程序营造另一个副本。在实验开始时，这两个副本看起来相同（虽然在物理实在中，他们是不同的，因为只有一个与虚拟环境以外的物理的大脑和身体相连）。但是在实验的物理版本中——如果物理上存在时间机器——包含我的两个即将相会的副本的两个宇宙初始时是完全相同的，两个副本同样真实。在我们相会（在一个宇宙中）或没有相会（在另一个宇宙中）的多重宇宙时刻，这两个副本变得不一样了。问我的哪个副本有哪一种感受是没有意义的：只要我们是相同的，就不存在“哪个”我们这种概念。平行宇宙没有隐藏的编号：它们仅仅依靠它们里面发生的事件来区分。因此，在为了我的一个副本营造这一切时，虚拟现实生成器必须为我创造出存在两个相同副本的效果，随后这两个副本变得不同，具有不同的感受。它通过等概率随机地选择扮演两个角色中的哪一个（因此，考虑到我的意愿，也选择我扮演的角色），能够使这一切确确实实发生。因为随机选择实际上意味着抛掷一个不偏不倚的电子硬币，而不偏不倚的硬币就是在抛掷它的宇宙中有一半宇宙显示“正面朝上”，另一半宇宙显示“背面朝上”，所以在一半宇宙中我扮演其中一个角色，在另一半宇宙中扮演另一个角色。这恰恰就是真正的时间机器中发生的事情。

我们已经看到，虚拟现实生成器准确营造时间旅行的能力依赖于它拥有用户心智状态的详细信息。这可能会使人有点儿疑惑悖论是否已经真的避免了。如果虚拟现实生成器预先知道我要做什么，我真的可以随意完成我选择的任何检验吗？这里我们不需要探讨关于自由意志本质的深入问题。在这个实验中，我的确可以随意做我想做的任何事情，这个意思是说，对于我选择的对模拟的过去的各种可能的反应方式（包括随机方式，如果我想要的话），虚拟现实生成器都允许我以这种方式反应。我与之相互作用的所有环境都受到我的行为的影响，而且反作用于我，其方式恰如没有发生时间旅行时的情况一样。

虚拟现实生成器需要我的大脑的信息，其原因不是为了预测我的行为，而是为了营造我在其他宇宙中的副本的行为。它的问题是，在这种情况的真实版本中会存在我的平行宇宙副本，他们初始是一样的，从而具有与我相同的嗜好，做出相同的决定。（在多重宇宙中更远的地方还存在其他副本，从实验一开始就已经与我不同，但是时间机器永远不会让我碰见那些副本。）如果有其他的方法营造这些人，那么虚拟现实生成器就不需要我的大脑的信息，也不需要我们一直面对的庞大的计算资源。例如，如果有人对我很了解，能够以一定的准确度模仿我（不算外表、口音这一类外部属性，这些是相对容易营造的），那么虚拟现实生成器可以利用这些人扮演我的平行宇宙副本的角色，从而能够以同样的准确度营造时间旅行。

真正的时间机器当然不会面临这些问题。它仅仅提供一些途径，使得已经存在的我和我的副本沿着这些途径能够相会，而且当我们相会时，它既不限制我们的行为，也不限制我们的交互。这些途径彼此联系的方式——时间机器将导向哪些瞬像——将受到我的物理状态的影响（包括我的心智状态）。这与通常情况没有不同。在通常情况下，我的物理状态反映在我对不同行为方式的嗜好中，影响发生的事件。这与日常经验之间的重大区别是，我的每一个副本都潜在地对其他宇宙具有重大影响（通过旅行到这些宇宙中去）。

我们能够旅行到其他宇宙的过去，而不是自己宇宙的过去，这真的等于时间旅行吗？是否应该称为宇宙间旅行而不是时间旅行呢？不是的。我描述的过程的确是时间旅行。首先，事实并非我们不能旅行到我们以前所在的瞬像。如果我们恰当地安排，那么我们就能去。当然，如果我们改变过去的事情，使它不同于我们所在的过去的样子，那么我们会发现自己处于不同的过去。完全成熟的时间旅行会允许我们改变过去。换句话说，它允许我们使过去变得不同于我们记得的样子（在本宇宙中）。意思就是，使它不同于它在我们没有去那里做任何改变的瞬像中的实际的样子。依定义，那些瞬像包括我们记得曾经待过的瞬像。

所以，想要改变我们曾经待过的过去的具体瞬像确实是没有意义的，但是这与时间旅行无关。这是一种直接起源于没道理的经典时间流理论的胡扯。改变过去意味着选择处于哪一个过去瞬像，不是把某个具体的过去瞬像变成另一个瞬像。在这方面，改变过去与改变未来没有不同，后者我们一直在做，每当我们做出选择时都在改变未来：我们改变了它本来要处于的状态，假如选择有所不同的话。这种思想在经典的时空物理中是无意义的，因为它认为唯一的未来是由现在决定的。但是在量子物理中这种思想的确是有意义的。当我们做出选择时，我们就改变了未来，在我们选择的不同的其他宇宙中，它会是另一个样子。但是不论怎样，未来的任何具体瞬像都没有改变。它不能变，因为不存在它改变时赖以参照的时间流。“改变”未来意味着选择我们将处于哪个瞬像，“改变”过去的意思完全一样。因为没有时间流，所以就不存在改变我们所记得的曾经待过的某个过去瞬像这样的事。无论怎样，如果我们能够设法物理地接触过去，那么我们就没有理由不能改变它，就像我们能改变未来一样，即通过不同的选择决定处于不同的瞬像。

关于虚拟现实的讨论，有助于理解时间旅行，因为虚拟现实概念需要人们认真对待“反事实事件”，因而时间的多重宇宙量子概念在虚拟现实中营造时显得较自然。看到朝向过去的时间旅行落在通用虚拟现实生成器的全部本领范围内，我们知道朝向过去的时间旅行的想法是完全有道理的。但是这不是说它必定在物理上是可实现的。毕竟，超光速旅行、永动机和许多其他物理上不可能的东西在虚拟现实中都是可能的。关于虚拟现实，不论做多少推理都不能证明给定的过程是物理定律允许的（虽然它能证明其是物理上不允许的：如果我们得到相反的结论，那么根据图灵原理，这蕴含着时间旅行在物理上是不可能发生的）。那么，关于虚拟现实时间旅行的正面结论在物理上告诉我们什么呢？

它告诉我们，如果时间旅行的确发生了，那么它会是什么样，它告诉我们朝向过去的时间旅行必定是在几个相互作用且彼此联通的宇宙中发生的过程。在这一过程中，每当参与者在时间中旅行时，他们通常是从一个宇宙旅行到另一个宇宙。宇宙相联的精确方式除了依赖于其他因素以外，还依赖于参与者的心智状态。

所以，要使时间旅行是物理上可能的，就必须存在多重宇宙，而且多重宇宙的物理规律必须保证，在存在时间机器和潜在的时间旅行者的情况下，宇宙以我描述的方式互联，而不是以其他方式互联。例如，不论发生什么事情，如果我不打算使用时间机器，那么我的时间旅行副本都不能出现在我的瞬像中，即我的使用时间机器的副本所在的宇宙都不能与我的宇宙相联。如果我确实打算使用时间机器，那么我的宇宙必须与我同样确实使用时间机器的另一个宇宙相联。如果我打算设计一个“悖论”，那么我们已经看到我的宇宙必须与另一个宇宙相联，在那个宇宙中我的副本与我有同样的意愿，但是履行这一意愿的结果是使其行为与我不同。奇怪的是，这些恰恰都是量子理论所预言的。一句话，结论是：如果的确存在通向过去之路，那么走在这条路上的旅行者可以随意与其环境相互作用，其方式恰如这条路不通向过去时的情况一样。无论怎样，时间旅行都是自洽的，也没有对时间旅行者的行为附加特别的限制。

这给我们提出一个问题：是否在物理上有可能存在通向过去之路？已经对这一问题开展了大量研究，仍然存在大量争议。通常的出发点是构成爱因斯坦广义相对论（预言性）基础的一组方程，这是目前关于时间和空间的最好的理论。这些方程被称为爱因斯坦方程，有许多解，每个解描述时间、空间和引力的一个可能的四维状态。爱因斯坦方程当然允许存在通向过去之路，已经发现许多解具有这一性质。直到最近公认的做法是忽略这些解，但是原因不是源于该理论内部，也不是源于物理学内的论证，而是因为物理学家认为时间旅行好像会“导致悖论”，因此爱因斯坦方程的这些解必定是“非物理的”。这一武断的事后修正使人回想起广义相对论早年发生过的事情，当时描述大爆炸和宇宙膨胀的解被爱因斯坦本人所拒绝。他想要改变方程，使其描述的宇宙是静态的。后来他称这是他一生中最大的错误。宇宙膨胀由美国天文学家埃德温·哈勃用实验证实了。由德国天文学家卡尔·史瓦西得到的首次描述黑洞的解，许多年来被认为是“非物理的”而被错误地拒绝。它们描述了违反直觉的现象，如理论上不可逃逸的区域以及黑洞中心引力变得无穷大。现在的流行观点是，黑洞确实存在，而且确实具有爱因斯坦方程预言的性质。

严格地说，爱因斯坦方程预言，在巨大的自旋的物体（如黑洞）周围，只要它们自旋得足够快的话，通向过去的时间旅行是有可能发生的，在某些其他情况下也有可能发生。但是许多物理学家怀疑这些预言是否实际。还没有发现自旋得足够快的黑洞，而且有争论（还没有定论）说似乎不可能人工地让它自旋得那么快，因为人们射入的任何快速旋转的物质可能被甩出来，不能进入黑洞。怀疑论者也许是对的，但是至于他们不愿意接受时间旅行的可能性，则源于他们认为这会导致悖论，还没有被证实。

即使更充分地理解了爱因斯坦方程，关于时间旅行问题，它们也没有提供最后的答案。广义相对论早于量子理论，也不与它完全相容。还没有人能够成功地给出令人满意的量子版的相对论——量子引力理论。但是，从我给出的论证中可以看出，在时间旅行中量子效应是主要的。典型的量子引力理论的候选版本不仅允许在多重宇宙中存在朝向过去的关联，而且预言这种关联处于自发地不断形成和破坏的过程中。这一过程在整个时空中发生着，但是仅仅在亚微观尺度上。由这种效应形成的典型通路大约有10－35米宽，开放时间为一个普朗克时间（约10－43秒），因此回溯到过去仅仅大约一个普朗克时间。

朝向未来的时间旅行，基本上只需要高效的火箭，离现在不算太遥远，在可预见的未来是有信心实现的技术。朝向过去的时间旅行，需要操纵黑洞，或者某种类似的对时空结构的强烈的引力破坏，即使可能也只有在遥远的未来才能实现。目前我们知道没有物理定律不允许朝向过去的时间旅行；相反，现在掌握的物理定律认为时间旅行是可能的。未来基础物理的新发现可能会改变这一点。有可能发现时间机器周围的时空量子波动变得太猛烈，实际上封住了时间机器的入口（比如，斯蒂芬·霍金论证，他的一些计算证明这是有可能的，但是其论证不是结论性的）。或者某种现在还不知道的现象可能会排除朝向过去的时间旅行的可能性，或提供新的更简便的方法实现它。人们无法预测未来的知识增长，但是如果基础物理的未来发展仍然在理论上允许时间旅行，那么实际实现它就肯定变成一个纯粹技术问题，最终会被解决。

因为没有一台时间机器能够提供途径通向在它存在之前的时间，也因为量子理论断定的宇宙互联的方式，所以对于我们利用时间机器能够获得的知识有一些限制。一旦我们建成一台时间机器，而以前没有建成过，我们会看到来自未来的访问者或者至少一些消息从机器中冒出来。它们会告诉我们什么呢？它们当然不会告诉我们关于我们自己的未来的消息。那种噩梦般的预言说无论我们怎样想方设法都无法逃避或必然导致命中注定的未来的大毁灭，这不过是神话和科幻作品的材料。来自未来的访问者不可能比我们更了解自己的未来，因为他们并非来自那里。但是他们可以告诉我们关于他们的宇宙的未来，而他们的过去是与我们相同的。他们可以带来记录新闻的磁带和当前事务的计划，以及从明天开始往后的报纸。如果他们的社会做过某个错误的决定导致了灾难，那么他们可以警告我们。我们可以听，也可以不听他们的建议。如果听从了，那么我们可能会避免这一灾难，或者——无法保证——我们可能会发现结果比他们碰到的还糟糕。

但是平均来看，我们应该从研究他们的未来历史中获益匪浅。虽然它不是我们的未来历史，虽然知道可能临近的灾难不等于知道怎样处置它，但是从这些详细的、从我们的角度看是可能发生的事件的记录中，我们也许会学到很多东西。

来访者可能会带来伟大的科学艺术成就的细节。如果这些成就是在另一个宇宙的不远的将来做出来的，那么有可能在我们的宇宙中存在创造它们的那些人的副本，而且他们可能已经为这些成就而努力了。他们突然看到自己的工作完整地呈现在眼前，会心存感激吗？这里又存在一个明显的时间旅行悖论。由于它似乎不会产生矛盾而仅仅引起好奇，所以在小说中对它的讨论比在反对时间旅行的科学论证中更多（虽然有些哲学家，如迈克尔·达米特认真地考虑过它）。我称之为时间旅行的知识悖论。这类故事典型地是这样讲的：一位未来的历史学家有兴趣研究莎士比亚，他利用一台时间机器拜访这位伟大的剧作家，当时莎翁正在撰写《哈姆雷特》。他们有一场对话，期间这位时间旅行者给莎士比亚看了哈姆雷特的那段“生存还是毁灭”的独白内容，这是他从未来带过来的。莎士比亚很喜欢，把它写进了剧本中。在故事的另一个版本中，莎士比亚死了，时间旅行者冒充他的身份，假装写剧本而获得成功，剧本是他悄悄从《莎士比亚全集》中抄下来的，而全集是他从未来带过来的。还有一个版本，时间旅行者因找不到莎士比亚而被困住，通过一些偶然的线索，他发现自己可以假冒莎士比亚剽窃其剧作。他很喜欢这种生活，几年以后他意识到他已经变成了那个莎士比亚：不会有另一个莎士比亚了。

顺便提一句，这些故事中的时间机器必须由某个地外文明提供，他们在莎士比亚时代以前已经掌握了时间旅行技术，而且允许我们的历史学家使用他们珍贵的、不可恢复的一个槽旅行回到那个时代；或者有可能（我猜可能性更小）在某个黑洞附近存在一个可用的、自然产生的时间机器。

所有这些故事都叙述了一串或不如说一圈完全无矛盾的事件。它们之所以令人费解，值得称为悖论，其原因在别的方面。原因是，在每一个故事中，没有任何人撰写就产生了伟大的文学作品：没有人最早写它，没有人创造过它。这一命题虽然在逻辑上是一致的，却与我们关于知识来源的理解之间产生深刻的抵触。根据我在第3章中阐述的认识论原理，知识并非与生俱来就是完备的，它只是作为创造性过程的结果而存在，是一步一步的演化过程，总是从问题出发，伴随着暂时性的新理论、批判和排错而前进，达到新的更好的问题——情景。这就是莎士比亚写他的剧本的方式，是爱因斯坦发现他的场方程组的方式，也是我们大家成功地解决生活中各种大小问题的方式，以及创造价值的方式。

这也是产生新物种的方式。在这种情况中，类比于“问题”的是生态位，“理论”是基因，暂时的新理论是变异的基因，“批判”和“排错”是自然选择。知识由人类有意识的行为所创造，生物适应性由盲目的、无意识的机制所创造。我们描述这两个过程所用的词语是不同的，这两个过程在物理上也不相似，但是支配它们的认识论的详细规律是相同的。在一种情况中它们被称为波普尔的科学知识增长理论，在另一种情况中称为达尔文的进化论。人们也可以形成物种方面的知识悖论。例如，在时间机器中我们把一些哺乳动物带到恐龙时代，那时候哺乳动物还没有进化出来。我们把哺乳动物放出来。恐龙死光了，哺乳动物接任，于是新的物种未经进化就已经存在。甚至更容易看出为什么这一版本在哲学上是不能接受的：它蕴含着非达尔文式的物种起源，尤其是创世说。诚然，这里并没有涉及传统意义上的造物主，但是这个故事中的物种起源显然是超自然的：关于物种对其生态位的具体而复杂的适应性是如何产生的，这个故事没有给出任何解释，并且排除了存在解释的可能性。

于是，知识——悖论情景违反了认识论原理，或者你也可以说它违反了进化论原理。它们是自相矛盾的，只是因为它们涉及无中生有地创造出复杂的人类知识或复杂的生物适应性。关于其他种类的物体或信息的类似的循环故事就不是自相矛盾的。看看海滩上的一颗卵石，然后你旅行到昨天，发现这颗卵石在另一个地方，然后把它移动到你将要发现它的地方。为什么你会发现它在那个位置？因为是你把它移动到那儿的。为什么你把它移动到那儿？因为你发现它在那儿。你已经使得某种信息（卵石的位置）在自洽的循环中存在。但那又怎样？卵石必须待在某个地方。只要这个故事不是为了知识或适应性而涉及无中生有，它就不是悖论。

以多重宇宙的观点看，拜访莎士比亚的时间旅行者并非来自这个莎士比亚副本的未来。他可以影响甚至代替他拜访的这个莎士比亚副本，但是他不能拜访他出发时所在的那个宇宙中存在的那个副本，而写剧本的正是这个副本。所以剧本有真正的作者，故事中不存在想象的那种循环悖论。即使存在通向过去的路径，知识和适应性也只是渐渐产生的，是人类创造性和生物进化作用的产物，而非其他方式产生的。

我希望我可以说这一要求也被支配多重宇宙的量子理论规律所严格贯彻了，我希望如此。但是这是难以证明的，因为难以用现在的理论物理语言表达要求的这一性质。什么样的数学公式能把“知识”或“适应性”与无价值的信息区分开？什么样的物理属性能把“创造性”过程与非创造性过程区分开？虽然我们还不能回答这些问题，但是我认为情况并非不可救药。还记得第8章的结论——关于多重宇宙中生命和知识的意义吗？在那里我指出（其原因与时间旅行毫无关系），知识创造和生物进化在物理上是意义重大的过程。原因之一是这些过程也只有这些过程对平行宇宙产生了特殊的效应，即通过使宇宙们变得相似创造出跨宇宙结构。当某一天我们理解了这一效应的细节，也许就能够通过宇宙的趋同性来定义知识、适应性、创造性和进化。

在我“设计悖论”时，最后在其中一个宇宙中有我的两个副本，在另一个宇宙中没有我的副本。一般规则是，在发生时间旅行以后，所有宇宙中我的副本总数是不变的。类似地，通常的有关物质、能量及其他物理量的守恒定律对于多重宇宙这一整体仍然成立，但是在任一宇宙中不一定成立。但是，不存在知识的守恒定律。拥有时间机器会允许我们接触到来自全新源头的知识，即来源于其他宇宙的心智的创造性。他们也可以从我们这里学到知识，所以人们可以不严格地称之为跨多个宇宙的知识“交易”——实际上是购进包含知识的人造物品的交易。但是人们不能太严格地对待这个类比。多重宇宙不会是自由贸易区，因为量子力学定律对于哪些瞬像可以关联到其他哪些瞬像附加了严格的限制。首先，只有在两个宇宙相同的时刻它们才首次相联：它们相联也就使它们开始分离。只有当差异积累起来，而且在一个宇宙中创造了新知识，并在时间上回溯送给另一个宇宙中时，我们才能接收到我们的宇宙还未产生的知识。

思考这一宇宙间知识“交易”的一个更准确的方式是，把所有知识产生过程、整个文化与文明以及每一个人心智中的全部思维过程，还有整个进化中的生物圈想象成一个巨大的计算，整体运行着一个自驱动、自生成的计算机程序。更具体地，如我已经提到的，这是一个正在营造着一切存在事物的虚拟现实程序，其精确度不断增长。在其他宇宙中，有其他版本的虚拟现实生成器，有些相同，有些很不一样。如果这种虚拟现实生成器接触到时间机器，它就能够收到它在其他宇宙中的副本完成的一些计算结果，只要物理定律允许必要的信息交换。从时间机器中获得的每一条知识都能在多重宇宙中的某个角落找到其原创者，但是可能有益于数不清的各种宇宙。所以，时间机器是一种计算资源，允许某些类型的计算以极高的效率运行，比在任何单个计算机上的效率高得多。它获得这种效率实际上是通过把计算任务分摊给自己在不同宇宙中的副本去完成的。

在没有时间机器的情况下，宇宙间几乎没有什么信息交换，因为在这种情况下物理定律预言它们之间没有什么因果联系。在良好的近似程度内，一组相同瞬像中创造的知识几乎不能到达其他瞬像，即那些组成前一组瞬像的未来时空的瞬像。但这只是一种近似。干涉现象是邻近宇宙间因果联系的结果。在第9章中已经看到，即使这种细微的联系也能用来在宇宙间交换有意义的、计算上有用的信息。

关于时间旅行的研究提供了一个舞台，虽然目前只是一个理论上的、思想实验的舞台，但从中可以明显地看出我所谓的“四大理论”之间的某些联系。所有四大理论在解释时间旅行时都扮演了重要角色。时间旅行可能在某一天实现，也可能无法实现。但是如果能实现，它应该不会要求根本改变世界观，至少对于那些与本书所阐述的世界观有广泛共识的人是这样。它可能建立的过去与未来之间的所有联系都是可理解的、无矛盾的。它所要求的、表面上无联系的知识领域之间的联系，无论怎样都是存在的。

术语

时间旅行：只有朝向过去的时间旅行才真正值得用此名。

朝向过去：在朝向过去的时间旅行中，对于外部时钟和日历定义的同一时刻，旅行者主观上相继多次感觉到。

朝向未来：在朝向未来的时间旅行中，旅行者到达后来的时刻，其主观感觉的时间要比外部时钟和日历定义的时间短。

时间机器：一种使用户能够旅行到过去的物理对象。最好把它想成场所或通路，而不是交通工具。

时间旅行悖论：如果时间旅行是可能的，则是由时间旅行者所带来的表面上不可能的情形。

祖父悖论：一个悖论，说一个人旅行到过去，然后阻止自己这么做。

知识悖论：一个悖论，说通过时间旅行，知识从无中诞生。

小结

时间旅行有可能在某一天实现，也可能无法实现，但是它并非悖论。如果某人旅行到过去，他仍然具有正常的行动自由，但是一般最后会处于另一个宇宙的过去。时间旅行研究是一个理论研究领域，所有四大主要理论在其中都很重要：量子力学，带来了平行宇宙和量子时间概念；计算理论，因为虚拟现实和时间旅行之间的联系，也因为时间旅行的显著特点，可以作为新的计算模式来分析；认识论和进化论，因为它们限制了知识产生的方式。

这四大理论不仅作为真实世界结构要素相互关联，而且在这四大知识领域之间还存在显著的相似性。所有四个基本理论都有不寻常的境遇，被这些领域中从事研究的大多数人同时既接受又拒绝，既依赖又怀疑。

[1].约公元前100——前44年，罗马将军，皇帝，政治家，历史学家。——译注

第13章 四大理论

人们普遍对科学历程持有这样一种成见：年轻的理想主义革新派和科学“当权派”的老顽固们进行着针锋相对的斗争。老顽固们墨守陈规，既是正统观念的捍卫者又是它的俘虏，对任何挑衅行为都勃然大怒。他们表现得很不理智，拒绝听取任何批评，忙于辩论或接受证据，总是试图压制革新派的思想。

托马斯·库恩写过一本很有影响的书《科学革命的结构》，将这种成见上升到哲学高度。库恩认为，科学当权派由其成员对所有主流理论的共同信念所定义，这些主流理论共同形成一个世界观，又称范式（paradigm）。一个范式是一个心理的和理论的框架，其信奉者通过这套框架来观察并解释自己感受的一切。（在任何合理的自成一体的知识领域，例如物理学内部，人们也可以讨论该领域的“范式”。）一旦任何观察结果似乎违背了有关范式，其信奉者就干脆视而不见，当面对证据时，他们被迫把这看成是“反常”、实验误差、舞弊——任何东西都行，只要允许他们保持范式不受侵犯。所以库恩认为，欢迎批评、不轻易接受理论、实验检验的科学方法以及一旦被驳倒时大胆抛弃主流理论的态度，这一切科学价值观基本上是神话，当处理重大科学问题时人是不可能做到的。

库恩承认，对非重大的科学问题，的确会发生某种意义上的科学历程（如我在第3章中所说的），他认为科学在“常规科学”和“革命性科学”两种时代中交替前进。在常规科学时代，几乎所有科学家都相信主流的基本理论，并竭尽全力将他们的观察结果和次要理论纳入这一范式。他们的研究包括对理论的边边角角进行修修补补、改进理论的实际应用、分类、重述、证实。在可行的情况下，他们也可以用一下波普尔意义上的科学方法，但是他们不会做出基本发现，因为他们从未质疑基本问题。这时来了几个年轻的捣乱分子，他们否认现有范式的一些基本信条。这并不是真正的科学批评，因为捣乱分子也经不起理性推敲，他们仅仅是通过一个新的不同的范式来看这个世界。他们是怎样获得这一范式的？由于积累的证据造成的压力，在旧范式下的解释非常生硬，终于使他们明白过来。（还算不错吧，虽然在假设一个人无视证据的情况下，很难看出他怎么会屈从于证据的压力。）但不管怎样，“革命性”科学时代从此开始。而大多数人仍在旧范式里从事常规科学研究，他们采用各种正当或不正当的手段进行反击：干预出版，从学术职位上排斥异己，等等。异见者设法寻找出版途径，他们嘲笑老顽固们并试图渗入有影响力的研究机构。新范式的解释能力，从它自己的角度来说（从旧范式的角度，它的解释显得荒诞，不令人信服），足以吸引来自无拘无束的年轻科学家阶层的新人。两方都可能有背叛者。一些老顽固死了。最终一方战胜了另一方。如果异见者赢了，他们就变成了新的科学当权派，像当年的老当权派一样，他们也会盲目地捍卫他们的新范式；如果异见者输了，他们就变成了科学史的一条脚注。不论怎样，“常规”科学又恢复了。

库恩的这一科学历程观点，对许多人来讲似乎很自然。它似乎用我们都熟悉的日常人类属性和冲动解释了为什么科学迫使现代思想不断接受刺激发生改变，如根深蒂固的歧视和偏见，对自己的错误视而不见，利用既得利益压制异见，渴望平静的生活，等等；相反，年轻人容易有叛逆精神，追求新奇，乐于犯禁，争夺权力。库恩思想的另一个吸引人之处是他揭穿了科学家的底细，他们不再是崇高的真理追求者，用猜想、批评和实验验证这些理性方法来解决问题，不断创造更好的对世界的解释。库恩揭露他们不过是两军对垒，为了争夺领土控制权而进行无休无止的明争暗斗。

范式思想本身是无懈可击的。我们的确是通过一组理论来观察并理解世界的，这组理论构成了一个范式。但是库恩的错误在于认为持有一种范式就会使人对另一种范式的优点视而不见，或者阻碍人们转换范式，或者使人不能同时理解两种范式。（关于这个错误的更广泛深入的讨论，参见波普尔的《框架的神话》。）诚然，如果在旧理论的概念框架中评估新的基础理论，我们有可能低估或完全漠视了新理论的解释能力，这个危险总是存在的。但这只是一个危险，只要我们足够小心，保持理性的正直，它是可以避免的。

的确，包括科学家在内的人，尤其是那些掌握权力的人容易对现行做法心存依恋，当自己对旧理论感觉良好时就会对新思想持怀疑态度，这是事实。没人能说所有科学家在评判思想时都表现出同样的严谨理性。盲目忠实于已有范式的确是科学争论的常见原因，正如其他领域一样。但是作为科学历程的描述或分析，库恩的理论存在致命的缺陷。它用社会学或心理学的语言解释了从一个范式到另一个范式的更替，而非主要关注于竞争性解释的客观优点。除非把科学理解为寻求解释的过程，否则无法理解为什么科学不断找到新的解释，而且每一个解释在客观上都比前一个更好这个事实。

因此，库恩被迫断然地否认了在连续的科学解释间存在客观上的进步，甚至否认这种进步在理论上的可能性。他写道：

许多科学哲学家希望走这一步，而我却反对。即他们希望把理论作为对自然的表示，作为关于“真实存在的事物”的陈述而加以比较。即使历史上两个理论都不是真理，他们仍然企图为后者比前者更接近真理寻求意义。我认为找不到这种东西。（拉卡托斯、马斯格雷夫编：《批判与知识增长》）

因此，在库恩的理论体系中，客观的科学知识的进步是不能解释的。在库恩看来，用自己的范式看自己的解释比前一个更好，这毫无益处。它们的客观区别是存在的。我们现在能够飞行，然而在大部分人类历史长河中，人们只能梦想飞行。古人不会无视我们飞行器的效力，只是因为在他们的范式里，他们无法想象出飞行器是怎么飞的。我们能飞行的原因在于我们充分理解了“真实存在的事物”，足以制造出飞行器。古人造不出来是因为他们的理解在客观上逊于我们的理解。

如果将科学进步的客观现实嫁接到库恩的理论上，那就意味着全部基本创新都归功于少数破旧立新的天才。科学界的其他人等虽有一定用处，但是在重大问题上，他们只是阻碍了知识的进步。这个浪漫的看法（经常独立于库恩的思想被单独提出来）也不符合实际。的确有单枪匹马使整个科学发生革命的天才，如本书中提到的几个人——伽利略、牛顿、法拉第、达尔文、爱因斯坦、哥德尔、图灵。但总的来讲，这些人仍然通过正常的工作、发表著作得到承认，尽管不可避免地面临墨守陈规和趋炎附势的人的反对。（伽利略被陷害了，但不是被反对的科学家所陷害。）虽然大多数的确遇到了非理性的反对，但是没有一个遵循了“反传统斗士大战科学当权派”的模式。大多数通过与坚持旧范式的科学家交流得到了有益的收获和支持。

有时候我会发现自己在基础科学争论中属于少数派，但是我从来没有遇到过库恩描述的那种情况。当然，就像我说过的，科学界的大多数人并不总是十分坦然地面对批评，离理想的境界还有距离。然而，在从事科学研究时，他们恪守着“正当的科学规范”，这一点还是极其显著的。你只要参加过“难”科学基础领域的讨论班，就可以看到研究员的表现和普通人的表现是很不一样的。假设在讨论班上我们看到一个博学的教授、整个领域公认的学术带头人在作报告，讨论班里坐满了来自学术研究各个阶层的人，从刚涉足这一领域仅几个星期的研究生到与主讲人声望匹敌的教授。学术等级是一个复杂的权力结构，与一个人的职业生涯、影响力和声望始终利害攸关，如同政府内阁或公司董事会一样，甚至有过之。但是只要讨论班继续进行，你会很难区分参加者的等级头衔。资历最浅的研究生提出一个问题：“你的第三个方程真的是从第二个方程导出的吗？你省略的那一项肯定是不能忽略的。”教授肯定那一项是可以忽略的，学生的判断是错的，有经验的人是不会犯这种错误的。那么下面会发生什么呢？

在类似的情形下，一个有权势的总经理在自己的商业决策受到狂妄的新人挑战时，他可能会说：“听着，我做的决策比你吃的饭还多，我说这个方案行，那就是行！”一位资深政治家面对来自一个野心勃勃的无名党员的批评时，他可能会说：“你的屁股到底坐在哪一边？”即使我们这些教授，在非研究场合（比如给本科生上课）也可能盛气凌人地说：“你最好先学会走，再学跑。好好读课本，不要浪费自己和我们大家的时间。”但是在学术讨论班里，这种对批评的回应会引起一阵尴尬窘迫的气氛，人们会转移目光，假装忙于研究笔记，也可能会假笑或斜瞟，所有人都会震惊于这种完全不合适的态度。在这种情形下，即使是在全领域最资深的人教训最资浅的人的时候，迎合权威（至少是公开的）也是完全不可接受的。

所以，这位教授会认真对待学生的问题，并以简洁而充分的论证来捍卫引起争议的方程。教授尽量不表现出对这种来自低级别人士的批评所感到的厌烦。下面人提出的大多数问题如果成立的话，会削弱甚至完全否定教授一生的工作价值。但是将公认的真理曝光于各种激烈的批评意见之下，恰恰是举办讨论班的目的之一。每个人都知道真理并非明显的，而明显的不一定是真理。思想是被接受还是抛弃，依据的是其内容而非来源。最伟大的头脑也可能犯轻率的错误，而看起来最不起眼的反对意见也许正是伟大的新发现的钥匙。

所以当讨论班的参加者沉浸在科学中时，他们的确在很大程度上表现出科学理性。但是一旦讨论班结束了，让我们跟随这群人走进餐厅，就会发现他们立刻恢复了人的社会行为常态。教授受到敬重，和地位相当的人坐在同一餐桌，挑选的几个低级别的人也被允许陪坐在同一餐桌。话题转向天气、闲谈或者（尤其是）学术政治。只要谈起这些话题，所有普通人在类似场合下常见的武断和偏见、傲慢和忠诚、威胁和谄媚都会重新抬头。但是如果话题碰巧转向讨论班的主题，科学家们会马上恢复成为科学家了。他们又开始寻求解释，证据和论证主导一切，级别变得与讨论过程无关。这至少是我在自己研究领域中的体会。

尽管量子理论发展史上出现过很多例科学家非理性地顽固坚持所谓的“范式”，但我们很难给库恩的范式更替理论找到更显著的反例了。量子理论的发现无疑是一次概念革命，也许是自伽利略以来最伟大的革命，的确也有一些“老顽固”永远不肯承认它。但是物理学界的主要人物，包括几乎所有那些被认为是物理学当权派的人物，全都马上准备放弃传统范式。大家很快就取得了共识，即新理论要求与关于真实世界结构的传统概念彻底分道扬镳，唯一的争论是关于新概念到底是什么。过了不久，物理学家尼尔斯·玻尔和他的“哥本哈根学派”确立了新的正统观念。这一新的正统观念虽然得到大多数物理学家的公开赞成（爱因斯坦是一个著名的例外），但是它从未被广泛地认同为真实世界的描述，不足以称为范式。引人注意的是，它的中心命题不是新的量子理论真实地反映了客观实在；相反，它的基础恰恰是量子理论，至少以它目前的形式，是错误的！根据“哥本哈根解释”，量子理论方程只适用于物理实在未观察到的那些方面。在观察的一刹那，马上换成了另一种物理过程，这个过程涉及人类意识和亚原子物理过程之间的直接相互作用。意识的某一具体状态变成为真实的，而其他状态仅仅是可能的。哥本哈根解释仅仅粗略地勾勒了这一宣称的过程，把更详尽描述的任务留给后人，要不然就是人类永远无法理解。至于穿插在有意识观察之间的没有观察到的事件，则是“不允许发问”的！处于实证主义和工具主义全盛时期的物理学家们怎能接受这样一种不实在的构造作为基础理论的正统呢？这个问题只能留给历史学家了。我们在这里不需要关心哥本哈根解释的神秘细节，因为它的动机本质上是在回避实在是多值的这一结论，单凭这一点，它就与任何量子现象的真正解释不相容。

20多年以后，休·埃弗里特（当时是普林斯顿大学的研究生，他的导师是杰出的物理学家约翰·维勒）首先提出量子理论蕴含了多重宇宙的存在。维勒并不接受这个看法，他当时（现在仍然）认为玻尔的观点是正确解释的基础，虽然还不完善。但是维勒是不是表现得像库恩描述的那样呢？他是不是设法压制学生的异端想法呢？没有！相反，他怕埃弗里特的新思想得不到充分重视，所以亲自写了一篇短文，与埃弗里特的论文共同发表在《现代物理学评论》上。维勒的论文解释并有力地捍卫了埃弗里特的想法，以至于许多读者以为这个观点是他俩共同提出的。因此，多重宇宙理论多年来被误写为“埃弗里特——维勒理论”，这使维勒非常苦恼。

维勒执着坚持科学理性的事例可能有点儿极端，但这决不是唯一的。在这点上我必须提及另一位杰出的物理学家布赖斯·德威特，他原先是反对埃弗里特观点的。德威特在与埃弗里特的有历史意义的通信中，对埃弗里特的理论提出了一连串详细的技术反驳，但都被埃弗里特一一驳回。德威特在辩论最后写了一篇非正式短信，指出每次他做决定的时候，感觉不到自己“分裂”成多个不同的副本。埃弗里特的回答颇似当年伽利略和宗教法庭的辩论。“你感觉到地球在动吗？”他问道。要点就是量子理论解释了为什么人感觉不到这样的分裂，正如伽利略的惯性理论解释了为什么人感觉不到地球的运动一样。德威特认输了。

尽管如此，埃弗里特的发现并没有得到广泛接受。不幸的是，在哥本哈根解释之后和埃弗里特解释之前的那一代人里，大多数物理学家放弃了寻找量子理论解释的想法。我说过，那是科学哲学上实证主义盛行的时期。典型的物理学家对有史以来最深刻的物理实在理论的态度变成为（现在仍然是）：拒绝接受（或不理解）哥本哈根解释，伴之以所谓的实用工具主义态度。如果工具主义是一种教义，认为理论仅仅是为了做出预言的“工具”，因而解释是无意义的，那么实用工具主义就是一种实践，它使用科学理论，却不知道也不关心理论的含义。就这点而言，库恩关于科学理性的悲观主义是被证实了。但是库恩所讲的关于新范式如何替代旧范式的过程却完全没有被证实。在某种意义上，实用工具主义本身变成为“范式”，物理学家采用它代替传统的客观实在思想。但是这不是那种人们用来理解世界的范式！总之，不管物理学家做什么，他们看待世界的方式再也不是通过经典物理范式了，即那种客观实在论和决定论的缩影。自从三百多年前，伽利略在与宗教裁判所的理性辩论中赢得了胜利以来，经典物理范式席卷了整个科学领域，从未遇到挑战。尽管如此，大多数物理学家几乎是在量子理论提出伊始就放弃了经典范式。

实用工具主义之所以可行，仅仅是因为在大多数物理学分支中，量子理论并没有应用它的解释能力。它只是被间接地应用于检验其他的理论，而且只用到它的预言能力。因此，一代代物理学家发现，只要将干涉过程（如两个基本粒子碰撞时千万亿分之一秒间发生的过程）看作一个“黑箱”就足够用了：给它一个输入，就观察到一个输出。物理学家们根据量子理论方程从输入预言输出，但是他们既不知道也不关心输出作为输入的结果是怎样得到的。然而，物理学里有两个分支不能采取这种态度，因为它们的整个目的就是研究量子力学实体的内在工作方式。这两个分支就是量子计算理论和量子宇宙学（将物理实在看作一个整体的量子理论）。毕竟，如果“计算理论”不研究输出是如何从输入得到这个问题的，那就必定是拙劣的！至于量子宇宙学，我们既不能在多重宇宙的开端提供输入，也不能在其终点测量输出，它的内在工作方式就是存在的一切。因此，这两个领域的绝大多数研究人员采用的是完整的多重宇宙形式的量子理论。

埃弗里特的故事的确是富于创新的年轻人挑战主流的一致观点，而且基本上被忽视的故事。几十年以后，他的观点才逐渐成为新的一致观点。但是埃弗里特创新的基础并不是说主流理论是错误的，而是说它是正确的！当权者只是把他们自己的理论当成工具来使用，远远不能只从这个理论的角度来思考问题，也拒绝这么思考。然而以前是一旦有了更好的理论，他们马上就放弃了旧的解释范式——经典物理学，一点儿不觉得难受。

在构成真实世界结构的解释的另外三个主要理论——计算理论、进化论和知识论中，也出现了同样的奇怪现象。在这些领域，现在主流的理论虽然已经取代了其前任和其他竞争理论，即它已经以实用的方式被常规地应用起来了，但是却没有被接受为新的“范式”，就是说这些领域的工作人员还没有把它们理解为真实世界的基本解释。

以图灵原理为例，几乎没有人怀疑过它是实用真理，至少没有怀疑其弱形式（例如通用计算机能够营造任何物理可能的环境）。彭罗斯的批评是罕见的例外，因为他明白与图灵原理相对抗需要在物理学和认识论两方面都构想全新的理论，还需要关于生物学的有趣的新假设。彭罗斯和其他所有人实际上都还没有对图灵原理提出任何可行的对立原理，因此图灵原理仍然是主流的计算理论基础。但是该主流理论的简单逻辑结论（即人工智能）在理论上是可能的这一命题却完全不是显而易见的。（人工智能是具有人类心智属性的计算机程序，它具有智能、意识、自由意志和感情等，但它运行在硬件上，而不是运行在人脑中。）人工智能的可能性在知名的哲学家（不幸，包括波普尔）、科学家、数学家以及至少一位杰出的计算机科学家中间爆发过激烈的争论。但是那些反对者中几乎没有人意识到自己正在和一门基础学科的公认的基本原理相对抗。他们没有像彭罗斯那样为这门学科想出另一个可替代的基础。这就好像是他们否认我们旅行到火星的可能性，却没注意到我们最好的工程学和物理学理论都在说我们能做到。这样他们就违反了一条基本的理性原则：好的解释切莫轻易丢掉。

但是不仅仅人工智能的反对者没有将图灵原理纳入自己的范式，其他人也是一样。图灵原理提出40多年后才有人研究它对物理学的寓意，又过了十几年才发现了量子计算，这个事实就足以说明这一点。人们在计算机科学中接受图灵原理并在实际中使用它，但却没有将它融入整个世界观。

在所有实用的意义上，波普尔的认识论已经成为关于科学知识的本质和增长的主流理论。当一个领域的实验要被该领域的理论家接受为“科学证据”，或者被有名望的期刊接受发表，或者被医生用来选择不同治疗方案时，它们的指导原则都采用现代的口号，也就是波普尔的格言：实验检验、接受批评、理论解释以及承认实验过程是易错的。在科学通俗报导中，科学理论更多地表现为大胆的猜想，而不是从积累的数据中推理出来，科学和（比如）占星术之间的区别也能够正确地用可检验性而不是确认的程度来解释。在学校实验室里，“形成假设并用实验验证”已经蔚然成风。学生们不再像我和我的同代人那样“通过实验学习新知”了。那时候，老师给我们提供仪器，告诉我们做什么，但是不告诉我们实验结果应该遵从什么理论，而是希望我们自己归纳出这样的理论。

尽管波普尔的认识论成为这个意义上的主流理论，但是几乎没有人把它当作世界观的一部分。库恩的范式更替理论的流行就表明了这一点。更严重的是，几乎没有哲学家同意波普尔的这一观点，即不存在“归纳问题”，因为我们事实上不是通过观察获得或证明理论的，而是通过解释性的猜想和反驳来推进的。这并不是因为许多哲学家是归纳主义者，或者非常不同意波普尔对科学方法的描述和规定，或者认为科学理论因其猜想的地位而是不可靠的，而是因为他们不接受波普尔对事物运行方式的解释。你看，埃弗里特的故事又重演了。尽管科学（不管在哪里成功）总是遵循波普尔方法论，大多数人的观点仍然认为波普尔方法论存在基本的哲学漏洞。波普尔异端学说总是声称它的方法论自始至终正确有效。

达尔文进化论在其领域也是主流理论。没有人认真地怀疑过，通过自然选择、利用随机变异作用于种群的进化，是“物种的起源”，通常也是生物适应性的起源。严肃的生物学家和哲学家都不会相信物种起源的神创论或拉马克进化论。（拉马克主义是一种被达尔文主义取代的进化论，是进化论中的归纳主义。它将生物适应性归因于生物体对生命过程中经过努力奋斗而后天获得的特征的继承性。）然而正如其他三大理论一样，反对将纯粹达尔文主义当作生物圈里各种现象的解释的声音屡见不鲜。一类反对意见围绕这个问题：仅仅通过自然选择，生物圈的历史是否有足够长的时间让如此庞大的复杂性演化出来？这种反对意见没有得到任何可靠的对立理论的支持，除了天文学家弗莱德·霍伊尔和钱德拉提出的一个假设的想法，即作为生命基础的复杂分子来源于外太空。但是这种意见与其说是反对达尔文模型，还不如说它认为在我们观察到的生物圈内的适应性的起源方面，还有些基本问题仍没得到解释。

达尔文主义曾被批评为自我循环，因为他引用“适者生存”作为解释，而“适者”又反过来被定义为那些生存下来的。另一方面，如果独立定义“适者”的话，那么进化“偏爱适者”的想法似乎并不符合事实。例如，生物适应性最直观的定义是“物种在特定生态位的生存适应性”，在这个意义下，老虎可以被认为是占据其生态位的最优机器。对这种“适者生存”的标准反例是一些适应性，如孔雀的尾巴，它似乎使孔雀更不适应于利用它的生态位。这些反对意见似乎削弱了达尔文理论实现初衷的能力，即解释生物体表面上的“设计”（即适应性）是如何由“盲目”的物理定律作用在无生命物质上而产生的，无需一个有目的的“设计者”干预。

理查德·道金斯的创新在于重申主流理论依然是正确的，这体现在他的两部书《自私的基因》和《盲人钟表匠》里。他认为目前对原汁原味的达尔文模型的反对意见没有一个经过仔细推敲有任何真材实料。换句话说，道金斯认为达尔文的进化论的确对生物适应性的起源给出了全面的解释。他以现代的复制子理论的形式详细阐述了达尔文理论。能够让自己在给定的环境下得到最好复制的复制子最终将取代所有的变种，因为根据定义，这些变种不能像它那样好地复制自己。存活下来的并不是最适应的物种变种（达尔文自己还没太明白这点），而是最适应的基因变种。这样导致的一个后果是，有时一个基因取代其他基因变种（例如较小尾巴的孔雀基因）的方式（例如生殖选择）不是特别有利于物种或生物个体，但是整个进化符合最佳复制基因的“利益”（即复制），所以有“自私的基因”之说。道金斯详细地反驳了每一条反对意见，证明达尔文理论在正确解释下并没有他们宣称的漏洞，的确解释了适应性的起源。

道金斯版的达尔文理论才是实际意义上的主流的进化理论，但是它远未成为主流的范式。许多生物学家和哲学家仍然疑神疑鬼地觉得这个解释中存在基本的缺陷。比如，就像库恩的“科学革命”论挑战波普尔的科学观一样，存在相应的演化理论挑战达尔文的进化观。这就是点断平衡理论（the theory of punctuated equilibrium），它认为进化发生在短促时间内，相邻两次之间相隔以长期无选择的变化。这一理论甚至有可能是符合事实的。实际上它和“自私的基因”理论并不矛盾，正如波普尔的认识论与认为“概念革命不是每天都发生”或者“科学家经常拒绝根本性创新”这样的观点并没有多大矛盾一样。但是正如库恩的理论一样，点断平衡理论以及其他各种演化模式的提出原本是为了解决主流进化论中所谓的被忽略的问题，结果却暴露出达尔文理论的解释能力还没有被充分理解。

作为主流理论，被普遍拒绝接受为解释，而目前又没有认真的对立解释存在，这对于所有四大理论来说有一个非常不幸的结果，那就是这些主流理论的提出者——波普尔、图灵、埃弗里特、道金斯以及他们的支持者——发现自己总是在和过时的理论进行辩论。波普尔和他的大多数批评者之间的争论其实就是关于归纳问题（在第3章和第7章中讨论过）。图灵在他生命的最后几年实际上是在捍卫这个主张，即人脑的运转方式并不是超自然的。埃弗里特在科研工作没有进展后离开了研究领域，多重宇宙理论几乎是由德威特单枪匹马地支持了几年，直到20世纪70年代，量子宇宙学的进展迫使它在本领域实际应用中被接受了。但是反对将多重宇宙理论作为解释的人们几乎没有发展出对立解释。（我在第4章提到的波姆的理论是一个例外。）相反，正如宇宙学家丹尼斯·夏默曾评论道：“每当谈到怎么解释量子力学时，辩论水平顿时降为零。”多重宇宙理论的倡导者经常面对一种对哥本哈根解释的执拗而又不合逻辑的向往，然而几乎没有人还继续相信它。最后，道金斯不知怎么变成了科学理性的知名捍卫者，他反对神创论，反对自伽利略以来早已过时的前科学世界观。最令人沮丧的是，我们关于真实世界结构的最好的理论的倡导者们不得不花大量的智力和精力于琐碎地反驳、再反驳那些早已证明是错误的理论，而无暇改进我们最深刻的理论；否则，图灵或者埃弗里特就可以轻易地发现量子计算理论了，波普尔可能已经详细阐明了科学解释理论。（公平地讲，我得承认波普尔的确理解并详细阐述了他的认识论和进化论之间的某些联系。）道金斯也可能早已发展出他自己的思想复制（拟子）进化理论了。

直截了当地说，作为本书主题的真实世界结构的统一理论仅仅是这4个各自领域的主流基本理论的结合。在这一意义上，它也是把那4个领域作为一个整体的“主流理论”。这4个理论之间的一些联系甚至已经得到广泛承认了。因此，我的论点也具有“主流理论终究是正确的”这种形式。我不仅主张把每个基本理论认真地看作各自主题的解释，而且认为把它们组合起来看，它们使我们对统一的真实世界结构的解释水平达到新的高度。

我还认为，这四大理论没有一个能独立于其他三个理论而得到正确的理解。这也许就是为什么这些主流理论至今没能说服人的原因。所有这四大解释有一个共同的不令人待见的性质，即“理想化和不切实际”，“狭隘”或“幼稚”,以及“冷血”、“机械”、“缺乏人性”。这招致了各种各样的诟病。我相信这些批评背后的情感中有一定的真实性。例如，有些人否认人工智能的可能性，结果发现自己实际上否认了大脑是一个物理实体，这些人中有一些其实只是要表达一种更加理性的批评：图灵关于计算的解释似乎（甚至在理论上）没有为将来用物理术语解释意识和自由意志这些精神属性留下余地。这样的话，人工智能热衷者就不太好唐突地反驳道：“图灵原理保证了计算机能做人脑能做的一切事！”当然这样反驳是对的，但是这个回答是就预言而言，而问题是关于解释的。这里存在一个解释缺陷。

我认为要想填补这个缺陷，非得引入其他三大理论不可。现在，如我说过的，我猜大脑是传统计算机，而不是量子计算机，所以我认为不应该把意识解释成某种量子计算现象。然而我认为，计算和量子物理的统一，或许是更广泛的所有四大理论的统一，是基础哲学的进展所必需的，这一进展最终将导致对意识的理解。为了避免读者觉得这太莫名其妙，让我拿“生命是什么”这个早年的问题进行类比。这个问题是被达尔文解决的。解决的要义在于理解：生物体表面上看来复杂和有目的的设计并不是一开始就创造于物理实在中的，而是物理定律作用的凸现结果。物理定律像造物主一样，并没有特别规定大象和孔雀的形状，没有提及输出尤其是凸现的结果是什么样。物理定律仅仅规定原子这类东西相互作用的规则。将自然法则看作一组运动定律的观念是近代才出现的事。我认为这特别要归功于伽利略，部分地归功于牛顿。以前的自然法则观念是法则规定发生的现象，例如开普勒的行星运动定律描述了行星怎样沿椭圆轨道运动。这与牛顿定律完全不同，后者是现代意义上的物理定律。它并没有提到椭圆轨道，但是在适当条件下，它能够重现（并校正）开普勒的预言。用开普勒的“物理定律”观念是不可能解释生命是什么的，因为那样一来，人们就必须寻找能规定大象的定律，正如开普勒定律规定椭圆轨道一样。但是达尔文却能够探究没有提及大象的自然法则怎么能够产生出大象，正如牛顿定律产生出椭圆轨道一样。虽然达尔文没有用到任何一条牛顿定律，但是没有牛顿定律背后的世界观，达尔文的发现会是不可思议的。我认为关于“意识是什么”这个问题的解决依赖于量子理论，其意义也在于此。它不会援引任何具体的量子力学过程，但是它会严重地依赖于量子力学世界观，尤其是多重宇宙世界观。

我的证据是什么？我已经在第8章中给出过一些证据，那里我讨论过多重宇宙的知识观。虽然还不知道意识是什么，但是我们知道它与大脑中知识的增长和表示有很明显的密切联系。在我们能用物理语言解释知识之前，似乎是不可能解释意识是什么物理过程的。这样的解释在传统计算理论中是令人困惑的，但是正如我解释过的，在量子理论中却有一个很好的基础：知识可以理解为绵延横跨大量宇宙的复杂现象。

另一个跟意识有关的精神属性是自由意志。众所周知，自由意志在传统世界观下是非常难以理解的。人们常常把自由意志和物理学难以调和的矛盾怪罪于决定论，但是错的不是决定论，而是传统的时空观（如我在第11章中已经解释的）。在时空中，我的未来的每个时刻总会有事情发生在我身上。尽管将来发生的事是不可预言的，它也已经存在于时空的某个截面了。谈论我改变了那个截面上的事是没有意义的。时空不会改变，因此在时空物理中，人们不能想象原因、结果、未来的不确定性和自由意志。

所以，只要仍使用传统定律，用不确定的（随机的）运动定律代替确定的运动定律，并无助于自由意志问题的解决。自由与随机无关。我们珍视自由意志，就在于它是我们用行动表达自己个性的能力。谁会珍视随机性呢？我们认为自由的行动并不是那些随机的或不确定的行动，而是在大体上早已被我们是谁、我们想什么以及争论什么所决定了的。（虽然它们大体上已经确定了，但由于复杂性，在实际中可能仍是高度不可预言的。）

考虑这个关于自由意志的典型陈述：“经过深思熟虑，我选择做X；我本来可以不这么选；这个决定是正确的；我擅长做这样的决定。”在传统世界观中，这样的话纯属胡言乱语。而在多重宇宙世界观下，这句话有直截了当的物理表示，如表13-1所示。（我并不是在建议用这样的表示定义道德或审美价值，我仅仅是指出，由于量子实在的多重宇宙特性，自由意志及其相关概念现在与物理能相容了。）

表13-1 关于自由意志的一些陈述的物理表示

这样看来，只要在多重宇宙的背景下理解图灵计算概念，这一概念似乎并没有和人类价值观念那么脱节，也不构成理解人类的自由意志这类属性的障碍。这一例子也为埃弗里特的理论洗清了不白之冤。表面上，理解干涉现象的代价是招致或恶化了许多哲学问题。但是在这里以及本书的许多其他例子里，我们看到的情形恰恰相反。多重宇宙理论对解决长期存在的哲学问题做出了卓有成效的贡献，以至于即使压根没有物理证据，也值得采纳它。确实，哲学家戴维·刘易斯在他的《论多个世界》一书中，仅仅出于哲学上的原因，已经提出了多重宇宙的存在性。

再回到进化论。我可以类似地认为那些批评达尔文进化论的人有一定道理，因为批评的根据是这样复杂的生物适应性似乎“不大可能”在给定时间内进化出来。道金斯的批评者之一说，想想看一大堆零件扔在一起恰好形成一架波音747飞机，这是多么不可思议，生物圈的形成和这同样不可思议！表面看，这个批评者在强行做这样的对比：一方面是整个地球几十亿年里不断地尝试和失败，另一

方面是“恰好落在一起”的瞬间巧合。这是故意回避进化解释的整个要点。然而，与道金斯恰恰相反的立场是不是足够作为解释呢？道金斯要我们不必对自发产生的复杂的适应性感到惊奇。换句话说，他宣称他的“自私基因”理论是全面的解释——当然不是解释具体的适应性，而是解释这样复杂的适应性是怎么可能产生出来的。

但是道金斯的解释不是一个全面的解释。它存在一个解释缺陷，而且这一次我们已经对另外三大理论如何填补这个缺陷明白了很多。我们已经看到这些事实：物理变量能够存储信息，它们可以相互作用来传递和复制信息，而且这些过程是稳定的，全都依赖于量子理论的细节。我们进一步看到，高度适应的复制子的存在性依赖于虚拟现实生成和通用性的物理可行性，进而又可以把它理解为一个深刻的原理——图灵原理——的结果，图灵原理把物理学和计算理论联系起来，而且完全没有明确地提及复制子、进化或生物。

在波普尔认识论中存在类似的缺陷。他的批评者感到奇怪，为什么科学方法能行，什么东西能证明我们依赖于最好的科学理论是可靠的。这使他们追求归纳原则或者类似的东西（虽然作为隐归纳主义者，他们通常认识到这样的原则什么也不能解释或者证明）。波普尔主义者如果回答没有证明这回事，或者依赖于理论永远是非理性的，那就等于什么也没解释。波普尔甚至说：“任何关于知识的理论都不应该试图解释为什么我们会在解释事物方面取得成功。”（《客观知识》）但是一旦我们认识到人类知识的增长是一个物理过程，我们就会看到试图解释知识出现的过程和原因就并非不合理了。认识论是一个（凸现）物理理论，是关于一定物理量（即知识）在什么条件下增长或不增长的实在理论。这一理论的原汁原味的断言已经被广泛接受。但是在知识论自身内部，我们不可能找到关于这些断言为什么是正确的解释。在这个狭隘意义上，波普尔是对的。这种解释必然涉及量子物理、图灵原理以及如波普尔本人所强调过的进化论。

在批评者对这些解释缺陷穷追不舍的攻击下，这四大主流理论的倡导者全都不得不长久地处于守势。这经常迫使他们撤退到自己理论的核心地带。用“我就是这个观点，我别无选择”作为最后的回答，这样他们显然非理性地放弃了各自领域内无可匹敌的基础理论。这只会使他们面对批评时显得更加狭隘，而且容易对进一步寻找基本解释的前景产生悲观情绪。

尽管我找到了大量理由原谅那些对核心理论的批评，这四大理论的历史表明，在20世纪的大部分时间里，基础科学和哲学的遭遇非常令人不快。当基础研究的声望、实用性以及经费都创了历史新高的时候，对寻求真正解释的冷漠、不自信以及悲观情绪导致了科学上的实证主义和工具主义思潮大行其道。当然有许多个别人例外，包括本章提到的4位英雄。但是他们的理论既被采纳同时又被忽视，这一前所未有的现象已经说明问题了。这并不是说我对这个现象有了全面的解释，但不管原因是什么，我们现在似乎正在走出这个阴影。

我已经指出一个可能的原因，即这四大理论中的每一个都有解释缺陷，这个缺陷使它们显得狭隘、无情和悲观。但我认为，当把它们综合起来作为真实世界结构的统一解释时，这个不幸的情况就会完全改观。新的世界观非但不否认自由意志，非但不把人的价值置于微不足道的地位，非但不悲观，相反地，它是完全乐观的世界观，把人类思维放在物理宇宙的中心，把解释和理解放在人类目的的中心。我希望我们不必花太长时间回望过去，捍卫这个统一的世界观，反对不存在的竞争者。当我们认真地考虑这个真实世界结构的统一理论，开始进一步发展它时，竞争理论是不会少的。现在是前进的时候了。

术语

范式：一套思想体系，人们通过它来观察和解释他们经历的一切。托马斯·库恩认为，接受一套范式会使人无视其他范式的优点，阻碍人们转换范式。一个人不能同时理解两套范式。

量子力学的哥本哈根解释：这是一种让人容易逃避量子理论对真实世界本质的寓意的思想。它认为，在观察的瞬间，一个宇宙的输出变为真实的，而所有其他宇宙甚至是为这个输出做出了贡献的那些宇宙注定永远不曾存在。在这个观点下，不允许问在两次有意识的观察之间实际中发生了什么事。

小结

四大基础理论的发展史有惊人的相似性。所有四大理论既被接受（在实践中使用）同时又被忽视（不被当作真实世界的解释）。原因之一是，这四大理论的每一个孤立地来看都存在解释缺陷，显得冷酷和悲观。如果把它们任一个单独作为世界观的基础，那么从广义上讲就是还原主义。但是当把它们综合起来作为真实世界结构的统一解释时，情况就完全不同了。

下一章讲什么？

第14章 宇宙的终结

尽管历史本身没有意义，我们可以赋给它一个意义。

——卡尔·波普尔《开放社会及其敌人》

在做量子理论基础研究的过程中，我首次认识到量子物理、计算和认识论之间存在的联系，当时我认为这些联系证明了物理学有吞并以前似乎与之无关的其他学科的历史倾向。比如天文学，牛顿定律把它和地球上的物理学联系起来，经过了几个世纪，天文学的大部分被吸收变成了天体物理学。化学，由于法拉第在电化学领域的发现而被归入物理学，而量子理论使得基础化学的相当大部分可以仅凭物理定律直接得到预言。爱因斯坦的广义相对论吞并了几何学，并把宇宙学和时间理论从先前的纯哲学状态中拯救出来，使它们充分整合进物理学。最近，如我讨论过的，时间旅行理论也被整合入物理学。

所以，量子物理不仅要吸收计算理论，而且还要首先吸收证明论（又名“元数学”），这一发展前景在我看来似乎证明了以下两个趋势。首先，人类知识作为一个整体继续呈现出统一的结构，如果它在我所希望的强式意义下是可理解的话，它就必须具有这种结构。其次，这个统一结构本身将由日益深刻普遍的基础物理理论组成。

读者将会知道，我现在对第二点已经不这么认为了。我现在提出的真实世界结构的特征不仅只有基础物理了。例如，发展量子计算理论并非仅从量子物理中导出计算原理，它还包括图灵原理（又名丘奇——图灵假设，早已是计算理论的基础）。它从未在物理学中使用过，但我已经指出，只有把它当作物理原理才能正确地理解它。它与能量守恒定律和其他热力学定律的地位同等重要：就我们所知，图灵原理是所有其他理论都必须遵循的约束条件。但是与现有物理定律不同，它具有凸现的特征，直接涉及复杂机器的性质，仅仅间接地涉及亚原子实体和过程。（可以说，热力学第二定律——熵增加定律——也是这样。）

类似地，如果把知识和适应性理解为跨越大量宇宙的结构，那么我们就可以把认识论和进化论原理直接表达为关于多重宇宙结构的定律。也就是说，它们是物理定律，但却是凸现层面的物理定律。诚然，量子复杂性理论还没有达到这种程度，以至于能用物理术语表达“知识增长只能遵循图3-3所示的波普尔模式”这样的命题。但是我恰恰希望这种命题出现在新生的万有之理中，出现在这个综合了四大理论的统一的解释和预言理论中。

所以，量子物理正在吞并其他三大理论的观点仅仅是狭隘的物理学家的观点，也许是受还原主义污染的缘故。其实，其他三大理论中的每一个的内容都相当丰富，足以形成一些人的世界观的全部基础，恰如基础物理学形成了还原论者世界观的基础一样。理查得·道金斯认为，如果来自太空的高级生物造访地球，为了评估我们的文明水平，他们问的第一个问题将是“人类发现进化了吗？”许多哲学家同意笛卡儿的观点，认为认识论是所有知识的基础，如笛卡儿的“我思故我在”这样的论点是我们最基本的解释。许多计算机科学家对最近发现的物理和计算的联系深有感触，甚至断言宇宙就是一台计算机，物理定律是运行在其上的程序。但在真实世界结构方面，这一切都失之偏颇，甚至是误导。客观地讲，新的综合有它自己的特点，本质上与它所统一的四大理论中的任何一个都完全不同。

例如，我曾提到这四大基础理论都曾经被批评为“幼稚”、“狭隘”、“冷酷”等，这是有一定道理的。所以，从还原主义物理学家（如斯蒂芬·霍金）的观点来看，人类仅仅是天体物理上可忽略不计的“化学渣滓”。温伯格认为“对宇宙了解得越多 ，它就显得越没有意义。如果研究成果中没有什么令人安慰的东西，那么研究本身至少有些安慰”。（《最初的三分钟》），但是没有从事基础物理研究的人一定对此很不理解。

至于计算，计算机科学家托马索·托夫圼曾坦言：“我们从未独立地进行过自己的计算，我们仅仅是搭乘了已经出发的伟大计算这趟便车而已。”对他来讲，这不是绝望的呐喊——恰恰相反。但是计算机科学世界观的批评者并不想看到自己仅仅是运行在别人计算机上的别人的程序。狭隘的进化论把我们看作仅仅是基因或拟子复制自己的“载体”，它拒绝回答这个问题：为什么进化倾向于创造出越来越复杂的适应性？或者这种复杂性在更广阔的万物格局中起到什么作用？类似地，（隐）归纳主义者对波普尔认识论的批评在于：尽管这个理论陈述了科学知识增长的条件，它似乎没有解释为什么科学知识会增长，即为什么它创造出有使用价值的理论。

我解释过，对每一种情况的捍卫都依赖于引用来自其他几大理论的解释。我们不仅仅是“化学渣滓”，因为我们的行星、恒星和星系的总体行为依赖于一个凸现的而基本的物理量：这堆渣滓里的知识。科学所创造出的有用的知识，进化所创造出的适应性，都必须理解为自相似性的凸现现象，这是由图灵原理这个物理原理所规定的，等等。

所以，把这些基本理论中的任何一个单独地作为世界观的基础，其毛病在于它们每一个从广义上讲都是还原主义的，即它们都有一个整体式的解释结构，所有结论都来自于少数几个特别深刻的思想。但是这就使得主题的某些方面完全得不到解释。相反，它们联合起来为真实世界结构提供的解释结构就不是层次的了：四大理论的每一个所包含的某些原理，从其他三大理论的角度看都是“凸现”的，但是却有助于解释这四大理论。

这四大理论中的三个似乎从基本解释层面排除了人类和人类价值。第四个理论——认识论——以知识为主要对象，但是没有解释为什么把认识论本身看成与我们人类的心理没有关系。如果不从多重宇宙的角度考虑的话，知识似乎是一个狭隘的概念。但是如果知识具有基本重要意义，那么我们就可以问：像人类这样创造知识的动物在统一的真实世界结构中扮演何种角色是最自然的？宇宙学家弗兰克·梯普勒研究过这个问题。他的回答是“欧米加点理论”[1]，在本书的意义上，这个理论是关于真实世界结构整体的一个杰出的理论范例。它不是构造在某一个大理论内，而是属于所有四大理论，缺一不可。遗憾的是，梯普勒本人在他的著作《不朽物理学》中对他的理论有些夸大其辞，使得大多数科学家和哲学家本能地拒绝它，从而错过了有价值的核心思想。下面我将解释。

依我之见，通向欧米加点理论的最简单的入口是图灵原理。通用虚拟现实生成器是物理上可能的。这样的机器能够以任意的精度营造任何物理可能的环境，以及一些假想的和抽象的实体。因此，它的计算机对附加内存有无限的潜在需求，可能需要运行无限多步。只要通用计算机被认为是纯抽象的，这在传统计算理论中是很容易安排的。图灵仅仅假定有一条无限长的存储带（具有他认为的自明的性质）和一个完美精确的处理器，既不需要电源也不需要维护，而且有无限的时间可以运行。使这个模型更现实些，允许定期维护，不会产生任何理论问题。而另外三个要求——无限存储量、无限运行时间和无限能量供应——从现有宇宙学观点来看却是成问题的。在当今有些宇宙模型里，宇宙在经过有限长时间后将进入大坍缩，而且空间上也是有限的。它的几何形状是“三维球面”，即类似于二维球面，但却是三维的面。表面上看，这样的宇宙学会认为，在宇宙终结之前，机器的存储量和所能完成的处理步数都是有限的，这会使得通用计算机在物理上成为不可能的，从而违背图灵原理。在另外一些宇宙模型中，宇宙将永远膨胀下去，空间上没有限制，这似乎允许有无限可用资源生产附加存储量。不幸的是，在大多数这样的宇宙模型里，随着宇宙的膨胀，驱动计算机的能量密度将会逐渐减小，必须从更远的地方才能收集。因为物理学对速度有一个绝对极限，即光速，所以计算机的存储访问速度不得不下降，最终的结果仍然是只能执行有限的计算步数。

欧米加点理论的关键是发现了这样一类宇宙模型：虽然宇宙在时间和空间上都是有限的，但是存储量、可能的计算步数和有效的能量供应都是无限的。这种表面上的不可能性能够实现，是由于宇宙在大坍缩的最后时刻极端猛烈的崩塌。像大爆炸和大坍缩这样的时空奇点很少是安静的地方，但是这一次比大多数情况更加猛烈得多。宇宙的形状将从三维球面变成三维的椭球面。变形的程度先是增加，然后减弱，然后沿着另一个轴再一次更快速地变形。随着最后奇点的接近，振荡的幅度和频率将无限增加，以至于尽管宇宙将在有限时间内终结，这种振荡的次数却是无限的。我们所知道的物质将不会存在：所有物质甚至原子本身都会被变形的时空产生的巨大剪力扭断。然而这剪力也提供了无限的能量源泉，理论上可以用作计算机的能源。计算机在这样的条件下怎么能存在呢？剩下可供建造计算机的“材料”只有基本粒子和引力本身了，大概它们正处于某种高度奇异的量子态，因为缺乏充分的量子引力理论，我们目前还不能肯定或否定它的存在。（实验中观察到这种量子态当然是不可能的。）如果存在粒子和引力场的合适的状态，那么它们还将提供无限的存储量，而且宇宙将会收缩得非常快，以至于在宇宙终结之前的有限时间内，无限多次的存储访问是可行的。引力坍缩的终点——本宇宙学说的大坍缩，就是梯普勒所说的欧米加点。

现在，图灵原理意味着物理上可能的计算步数不存在上限，所以，假定欧米加点宇宙学（在合理的假设下）是唯一一种允许发生无限步计算的宇宙学，那么我们可以推断实际的时空一定具有欧米加点形式[2]。由于一旦没有更多的变量能够携带信息，所有计算就会停止，所以我们可以推断必要的物理变量（可能是量子引力变量）的确一直存在，直到欧米加点。

怀疑者可能会说，这样的推理涉及一个巨大的未经证实的外推。我们见过的“通用”计算机仅仅处于最有利的环境中，与宇宙的最后阶段毫不一样；而且我们只见过通用计算机完成有限步计算，利用有限的存储量。从这些有限量外推到无限怎么可能是正确的？换句话说，我们怎么能知道强形式的图灵原理是绝对正确的？有什么证据能证明物理实在不仅仅支持近似通用性？

这些怀疑者当然是归纳主义者，而且这种思维方式（如我在前一章中讨论的）恰恰在阻碍我们理解并改进我们最好的理论。是不是“外推”，这取决于从哪个理论出发。如果有人从一个有关何为“正常”的计算的模糊而狭隘的概念出发，从一个并非由该学科中最好的解释中得到的概念出发，那么对于把理论应用于熟悉的环境以外的任何情况，他都会看作是“未经证实的外推”。但是如果一个人从最好的基础理论的解释出发，那么他会认为模糊的“常态”在极端情况下仍然成立这种想法才是未经证实的外推。要想理解我们最好的理论，我们必须认真地把它们看作真实世界的解释，而不是把它们看作现有观察结果的简单总结。图灵原理是我们最好的计算基础理论。当然我们只知道有限的实例证明它的正确性，但是科学中每个理论都是这样。通用性仅仅近似地成立，这种逻辑上的可能性总是存在，而且永远存在。但是目前没有任何对立的计算理论声称这一点。有理由认为，“近似通用性原理”不会有任何解释能力。比如，如果我们想理解为什么这个世界似乎是可理解的，那么其解释可能是世界就是可理解的。这样的解释能够而且实际上也确实与其他领域的其他解释相顺应。但是如果一个理论认为世界是半可理解的，那么它就什么也不能解释，也不可能与其他领域的解释相顺应，除非这些理论能解释它。它仅仅对问题作了重述，并引入了一个未经解释的常数——一半。简而言之，我们只能假设宇宙终结时完整的图灵原理是成立的，因为任何其他假设都会糟蹋我们关于此时此地所发生的一切的优良解释。

现在发现产生欧米加点的这种空间振荡是非常不稳定（在传统混沌的意义上）和异常猛烈的，而且随着欧米加点的迫近，变得越来越剧烈，没有极限。一个微小的形状偏差会迅速放大，破坏后续计算的条件，所以仅经过有限步的计算，大坍缩就会发生。因此，为了满足图灵原理，达到欧米加点状态，宇宙必须不断“调整”，回到正确的轨道。梯普勒通过操纵整个空间的引力场，已经在理论上表明如何做到这一点。大体上（这里又需要量子引力理论才有把握），随着密度和压力无限增高，机械稳定和信息存储的技术必须不断改进，实际上必须无限倍地改进。这就需要不断地创造新知识，波普尔认识论告诉我们，这需要有理性批评，因而需要智能实体的存在。因此，仅仅根据图灵原理和其他一些可独立验证的假设，我们就已经推断出智能将一直存活，知识将不断地被创造出来，直到宇宙终结。

稳定过程和相伴的知识创造过程都必须不断加快，直到在最后的疯狂中，在有限时间内，无限的平衡措施和无限的知识被创造出来。我们现在还没有理由证明物理资源不够做这件事。但有人会问，为什么人非要陷入这么大的麻烦之中呢？为什么他们在宇宙的最后一秒还要继续精心驾驭引力振荡呢？如果你只能再活一秒钟，那为什么不干脆安安稳稳坐好放松，死之泰然呢？但这是对当时情况的一个误解，而且没有比这更大的误解了。因为那些人的思维就像运行在计算机里的程序，而计算机的物理速度在无限增长。他们的思维也像我们的一样是这些计算机完成的虚拟现实营造。的确在最后一秒结束的时候，这整个复杂机器都将被摧毁。但是我们知道，在虚拟现实里的主观体验的时间并不取决于流逝的时间，而取决于在那段时间里能完成多少计算。如果计算步数无限多，那么就有足够时间做无限多思维——足够思想家把自己置于喜欢的虚拟现实环境中，要体验多久全凭自愿。如果他们感到厌倦了，他们可以换到另外的环境中，或者他们精心设计的任何数量的其他环境中去。主观上，他们并非处在生命的最后阶段，而是处在最初阶段。他们并不着急，因为主观上他们将永生。虽然只剩下1秒或1微秒时间，他们仍然拥有“全世界的所有时间”，可以做更多的事情，体验更多的感觉，创造更多的知识——比多重宇宙中任何人此前所做的一切都多无数倍。他们有充分的动力全神贯注地管理好他们的资源。他们这样做，仅仅是在为自己的未来做准备，一个崭新的无限的未来，他们能够完全掌握，任何时候他们都可以登陆上这个新的未来。

我们可以希望在欧米加点的智能生命由我们的后代组成，即我们的智能后代，因为我们现在的物质形态在欧米加点附近将不可能生存。在某个阶段，人类将不得不把代表他们心智的计算机程序转移到更坚固的硬件上去。实际上，这件事最终必须做无限多次。

“驾驭”宇宙驶向欧米加点的技巧需要整个空间各处都采取行动，因此智慧必须及时遍布整个宇宙，做好第一步必要的调整。这是梯普勒告诉我们必须恪守的一系列截止期限中的一个，而且他还证明，就我们目前所知，满足每一个截止期限在物理上都是可能的。第一个截止期限是（第8章中提到过的）距现在大约50亿年以后，如果对太阳不加干涉，它将变成一颗红巨星，把我们全部消灭。我们必须在那之前学会控制太阳或离开太阳系，随后我们必须殖民银河系，然后移居到附近的星系群，乃至整个宇宙。这里的每一步都必须足够快，不能错过相应的截止期限，但又不能前进得太快，以至于用尽了所有资源，无法开发下一阶段的技术。

我说“我们必须”完成这一切，但这只是因为假设我们才是在欧米加点存在的智慧生命的祖先。如果我们不愿意扮演这一角色，就可以不干。如果我们决定不干，而图灵原理是正确的，那么可以肯定另外有人将扮演这一角色（也许是某种外星智慧生命）。

同时，在平行宇宙中，我们的副本也面临同样的抉择。他们都能成功吗？换句话说，是否一定有人在我们的宇宙中成功地创建了欧米加点？这依赖于图灵原理的细节。图灵原理说通用计算机是物理上可能的，而“可能的”通常意味着“在本宇宙或某一其他宇宙中是现实的”。那么这个原理是要求通用计算机在所有宇宙中都实现，还是仅在一些或“大多数”宇宙中实现？我们现在还没有完全理解这一原理，无法决定。有些物理原理（例如能量守恒定律）仅在一些宇宙里成立，有可能在个别宇宙的某些情形下不成立。另一些物理原理（例如电荷守恒定律）在所有宇宙中都严格成立。图灵原理的两个最简单的形式是：

（I）所有宇宙都存在通用计算机；

（II）至少某些宇宙存在通用计算机。

“所有宇宙”的说法似乎太强，不能表达这种计算机是物理上可能的这种直观想法，而“至少某些宇宙”的说法又似乎太弱，因为从表面上看，如果通用性仅在很少的几个宇宙中成立，那么它就丧失了解释能力。但是“大多数宇宙”的说法则要求原理指明具体的比例，如85%，这又似乎非常难以置信。（格言道：物理上没有“自然的”常数，除了零、一、无穷。）因此，梯普勒实际上选择了“所有宇宙”的说法，就我们所知道的那么一点点而言，我同意这是最自然的选择。

这就是欧米加点理论——或更恰当地说是我所捍卫的科学部分——的全部内容。人们在四大理论中的三个中，从几个不同的出发点都可以得到同样的结论。其中一个是认识论原理“真实世界是可理解的”。这一原理奠定了波普尔认识论的基础，同样还是独立可验证的。但是它现有的表达形式都太含糊，无法从中得出明确的结论，如知识的物理表示的无界性这样的结论。所以，我宁愿不直接假定它，而是从图灵原理推导出它来。（这个例子又一次说明，如果将这四大理论联合起来看作基本原则，那么将获得更大的解释能力。）梯普勒本人要么依赖于生命将永远存在这个假定，要么依赖于信息处理将永远进行这个假定。从我们目前角度看，这些假定似乎都不是基本的。图灵原理的优势在于，它已经被看成自然界的基本原理，原因完全与宇宙学无关。诚然，这种强形式并不总是被当成基本原理的，但我已经论证过，如果要把图灵原理整合入物理学，则这种强形式就是必需的。

梯普勒指出，宇宙科学倾向于研究时空的过去（实际上主要是遥远的过去），但是大部分时空存在于从现在开始的未来。现有的宇宙学的确触及了宇宙将来是否重新坍缩的问题，但是除此之外，几乎没有关于那更大一部分时空的理论研究。特别是对于大坍缩起因的研究远远少于对大爆炸后果的研究。梯普勒把欧米加点理论看作填补这个空白。我认为欧米加点理论值得作为关于时空未来的主流理论，除非它在实验上（或者其他方面）被驳倒。（实验驳倒是可能的，因为欧米加点在未来的存在性对宇宙现在的状态施加了一定的约束条件。）

搭起了欧米加点理论框架后，梯普勒做了一些附加的假设，使他能对未来历史添加更多细节。这些假设有的似乎合理，有的不太合理。正是梯普勒对未来历史的类宗教解释，以及他未能把这种解释和基础科学理论区分开，才使得他的科学理论没有被认真对待。梯普勒注意到，在欧米加点时刻之前，无穷多的知识会被创造出来。于是他假设，在这个遥远未来存在的智慧生命会像我们一样，想要（或可能需要）发现除了满足生存的迫切需要以外的知识。的确，他们有潜力发现物理上可知的全部知识，梯普勒假设他们会这样做。

因此，在一定意义上，欧米加点是全知的。

但仅仅是在一定意义上。当梯普勒说欧米加点具有全知性或者具有物理存在性这类性质时，他利用了一些方便的语言技巧，这在数学物理中相当常见，但是如果太教条地理解它，则容易引起误解。这个技巧是把序列的极限点看作和这个序列本身一样。这样，当他说欧米加点“知道”X时，他的意思是欧米加点之前的某个有限实体知道X，而且从此永远不会忘记。他的意思不是在引力坍缩的终点真的存在一个精明的实体，因为那里根本没有物理实体存在。所以，在最较真的意义上，应当是欧米加点一无所知。我们能说它“存在”，仅仅是因为我们对真实世界结构的一些解释涉及物理事件在遥远未来的极限性质。

梯普勒用了一个神学术语“全知”，其用意很快就会明白；但我必须马上指出，这种用法并不包含全部的传统内涵。欧米加点不会知道一切，对于绝大多数抽象真理，如有关康哥图环境这类的真理，欧米加点和我们一样看不到。

既然整个空间都充满了这台智能计算机，它就是无所不在的（虽然只是在某个日子以后）。既然这台智能计算机将不断地重建自己并驾驭引力坍陷，那就可以说它控制了物质宇宙（或多重宇宙，如果所有宇宙都发生欧米加点现象的话）中发生的一切。因此，梯普勒说它是全能的。同样，这个全能也不是绝对的。相反，它严格受限于可用的物质和能量，并遵循物理定律。

既然这台计算机里的智能将能够进行创造性思维，那就必须将它们归类为“人”。梯普勒正确地论证道，任何其他归类都是种族主义。所以他宣称，在欧米加点极限处存在一个全知、全能、无所不在的人类社会。这个社会，梯普勒认为就是上帝。

我已经讲过，梯普勒的“上帝”与大多数宗教信徒信仰的上帝或者神在几个方面不一样，还有更多的不同。比如，欧米加点附近的人即使想要也不能与我们交谈，或者向我们表达他们的愿望，或者创造（今天的）神迹。他们没有创造宇宙，没有发明物理定律，也不能违背这些定律（即使他们想要）。他们可以倾听我们现在的祷告（也许通过探测非常微弱的信号），但是他们不能回应。他们反对宗教信仰（这可以从波普尔认识论推断出来），不希望自己被当作神崇拜，等等。但是梯普勒继续开拓，论证说犹太基督教信仰的上帝的大部分核心特征也是欧米加点的特征。我想，大多数宗教信徒在什么是他们的信仰的核心特征问题上会与梯普勒的看法不一致。

特别地，梯普勒指出足够先进的技术将能起死回生。可以用几种不同方法实现，下面所述的可能是最简单的一种。一旦我们有足够多的计算机能力（记住最后的能力想要多少就有多少），就可以在虚拟现实中营造整个宇宙——实际上是整个多重宇宙，从大爆炸开始，精度可以任意准确。如果对初始状态了解得不够精确，那么可以对所有可能的初始状态任意精细地采样，然后同时营造它们。当被营造的时期距离正在进行营造的实际时间太靠近时，营造可能会因为复杂度的原因不得不暂停。但是随着更多计算机能力源源不断而来，它很快就能恢复运行。对欧米加点计算机来讲，没有什么是难解的，只有“可计算”和“不可计算”之分，而营造真实物理环境绝对属于“可计算”范畴。在这个营造过程中会出现地球和它的很多变种，生命以及最后人类都会进化出来。所有在多重宇宙中生活过的人（即所有那些物理上可能存在的人）都将在这个巨大的营造中出现，所有可能存在过的外星的和人造的智慧生命也会粉墨登场。控制程序会留意这些智慧生命，如果需要的话，会把他们放在更好的虚拟环境中。在这里也许他们不会再死亡，所有愿望都得到满足（或至少是某个超乎想象的高级计算资源可以满足的所有愿望都能实现）。为什么要这样做呢？一个理由可能是道德方面的：按照遥远的未来的标准，我们今天的生存环境实在太恶劣了，简直是在遭罪。不拯救这些人，不给他们更好的生存机会，被认为是不道德的。但是如果让他们在复活的时候马上接触那时的文化，那将起反作用：他们会马上感到迷惑、羞辱以及措手不及。因此梯普勒说，我们可以希望自己在一种基本上很熟悉的环境中复活，只是去掉了所有令人不快的因素，加入了许多使人愉悦的因素。也就是说，天堂。

梯普勒以这种方式继续前进，重构了传统宗教的许多其他方面，把它们重新定义为可以合理地认为在欧米加点附近存在的物理实体或过程。现在暂不考虑这个重建的版本是否忠实于原本的宗教。关于这些遥远未来的智慧生命将做什么不做什么的整个故事，都是基于一连串的假设。即使我们承认这些假设单独地看似乎是合理的，整个结论最多也只是有见识的臆测。虽然值得做这样的臆测，但重要的是把它与对欧米加点本身存在性的论证区分开，把它与关于欧米加点的物理性质和认识论性质的理论区分开，因为这些论证仅仅假设真实世界结构的确与我们最好的理论相符合，这个假设是可以独立证实的。

甚至是有见识的臆测也是不可靠的，作为对此的警告，回顾一下第1章中提到的那位古代的熟练建筑师，他具有前科学时代的建筑和工程知识。我们和他之间的文化鸿沟如此巨大，以至于他很难想象我们的文明怎么可能建造起来。但是与我们和最早可能的梯普勒复活时代的巨大鸿沟相比，我们和这位建筑师几乎属于同代人。现在假设这位熟练建筑师正在臆测遥远未来的建筑工业，而且非常侥幸，他对我们当今的技术猜得异常准确。那么他会知道，我们能够建造比他那个时代最大的教堂更为宏大、更为壮观的大型建筑。如果愿意，我们可以建造高达1英里的大教堂，而且我们这样做所耗费的财力、时间和人力都远比他盖一座中等教堂要少得多。所以，他会很有信心地预言，到2000年会出现1英里高的大教堂。但他完全错了。虽然我们有技术建造这样大的建筑，但是我们决定不盖。实际上，现在看来人们不太可能盖这样大的教堂了。虽然他对我们的技术的猜想是对的，但是他对我们的喜好的猜想则完全错了。他没搞对的原因在于，仅仅经过几个世纪，他的大部分关于人类动机的毫无疑问的假设就已经过时了。

类似地，对我们来说似乎很自然的是，欧米加点的智能生命出于历史或考古研究的需要，或出于同情心，或出于道德责任感，或仅仅是异想天开，最终会创造关于我们的虚拟现实营造，而且当他们的实验结束后，他们会赏赐给我们微不足道的一点计算资源，足够让我们永远住在“天堂”里。（我自己很乐意逐渐融入他们的文化中。）但是我们不可能知道他们想要什么。实际上，对人类（或超人类）事务在未来的大范围发展的所有预测都不可靠。正如波普尔指出的，人类事务的未来发展进程取决于未来的知识增长，而我们无法预言将来会创造出什么样的新知识，因为如果能预言的话，那么根据定义，我们现在就应该拥有这个知识了。

不仅仅是科学知识影响人们的喜好，决定他们的行为方式，还有诸如道德准则这样的东西给可能的行动打上“正确”与“错误”的标签。这些价值观历来都是难以融入科学世界观的，它们自己似乎形成了一个封闭的解释结构，与物理世界格格不入。正如戴维·休姆指出的，逻辑上不可能从“是”推导出“应该”。然而这些价值观既被用来解释也被用来决定我们的物理行动。

道德有一个穷亲戚——有用性。由于理解事物客观上有用与否比起理解它客观上正确与否似乎要容易得多，所以许多人试图用各种形式的有用性来定义道德。例如，道德进化论注意到许多用道德语言解释的行为（例如不杀人、与人合作时不欺骗等）在动物中也有类似的行为。进化论有一个分支——社会生物学——在解释动物行为方面取得了一些成功。许多人因此认为：人类选择行为的道德解释仅仅是装点门面而已，道德完全没有客观基础，“对”和“错”仅仅是我们贴在自己本能上的标签，用来左右我们的行为。这个解释的另一种说法是用拟子代替基因，声称道德语言仅仅是表面词藻，社会调控才是本质。然而所有这些解释都不符合事实。一方面，我们并不想用道德选择解释天生的行为（如癫痫病发作），我们有自愿和非自愿行为的概念，只有自愿行为才有道德解释。另一方面，几乎所有人类的天生行为（如怕疼、性交、贪吃等）都会在某种情形下被人类出于道德的理由而选择放弃。社会调控的行为也是如此，甚至更常见。实际上，既克制本能又放弃社会调控的行为这本身就是典型的人类行为。用道德术语来解释这样的叛逆也是人类行为的特征。这些行为在动物界全然找不到，没有一种情况的道德解释可以用基因或拟子语言重新阐释。这是整个这类理论的致命漏洞。当人想要的时候，可能存在一个基因压制其他基因吗？可能存在促进叛逆的社会调控吗？也许有，但问题仍然存在：我们是如何选择做什么的呢？当我们解释自己的叛逆行为，宣称我们就是对的，基因或者社会规定的行为在这种情况下就是邪恶的时候，那又是什么意思呢？

上述这些基因理论可以看作一类更大的思潮的特例。这类思潮否认道德判断是有意义的，理由是我们其实没有真正地选择自己的行动——自由意志是和物理学不相容的幻觉。但事实上，如第13章所讲，自由意志是和物理学相容的，与我所描述的真实世界结构非常自然地吻合着。

功利主义是通过“有用性”把道德解释和科学世界观整合起来的早期尝试。这里“有用性”等同于人类快乐，进行道德选择等同于计算哪种行动能产生最大快乐，可以是一个人的快乐，也可以是“最大多数”人的快乐（该理论在这里变得模糊）。这个理论还有用“享乐”、“爱好”代替“快乐”的各种说法。作为对早期的道德独裁体制的叛逆，功利主义无懈可击。它提倡摒弃教条，提倡应按照成功地经受住理性批判的“择优的”理论采取行动，从这个意义上说，每一个理性的人都是功利主义者。但是要解决我们这里讨论的问题，解释道德判断的意义，它也有致命的缺陷：我们选择自己的偏爱。特别地，我们还改变自己的偏爱，而且我们还给出这么做的道德解释。这样的解释不能用功利主义语言来表达。难道还有一个潜在的主要偏爱来控制偏爱的变化吗？如果存在，那么这个主要偏爱不能变化，这样功利主义就退化成了上面谈到的基因道德论。

那么，道德价值观和本书所提倡的特定的科学世界观之间的关系到底是什么呢？至少我能论证系统阐述这种关系并不存在根本性的障碍。前面所有的“科学世界观”的毛病在于其层次型的解释结构。正如在这种结构中，不可能“证明”科学理论是正确的一样，人们也不可能证明一个行动过程是正确的（因为怎么能证明整个结构是正确的呢？）。我说过，四大理论的每一个都有层次型的解释结构，但整个真实世界结构并不是层次型的。所以，把道德价值解释为物理过程的客观属性时，并不需要把它们从什么东西中推导出来，甚至在理论上也没有这种需要。正如抽象数学实体一样，重要的是看它们能给解释贡献多少——要看不把物理实在归因于这些价值的话，物理实在是否不能被理解。

在这个关系上，我需要指出，标准意义的“凸现性”仅仅是四大理论的解释之间相互联系的方式之一。迄今为止，我其实只考虑了所谓的“预言”凸现性。例如，我们相信进化论的预言可以从物理定律逻辑导出，尽管证明这种联系可能在计算上是难解的，而进化论的解释完全不能从物理学导出。但是，非层次的解释结构能容纳解释的凸现性。为论证方便起见，假设某个道德判断在某种狭隘的功利主义意义上可以解释为正确的，例如“我想要它，这不伤害任何人，所以这是对的”。这个判断可能终究有一天会变成疑问句：“我真的应该要它吗？”或“这真的不会伤害任何人吗？”——因为我判断这个行为会“伤害”谁这个问题本身就取决于道德假设。我安静地坐在自己家里的椅子上，这个行为本身对地球上所有需要我这时走出家门提供帮助的人来说就是一种“伤害”，并且对那些想趁我走出家门之机盗走座椅的小偷来讲也是一种“伤害”，等等。为了解决这些问题，我需要引证进一步的道德理论，对我的道德处境加入新的解释。如果这样的解释看起来满意，我将会暂时用它来判断是非。但是这种解释虽然暂时令我满意，仍然没能高于功利主义层面。

现在假设有人形成了一套关于这类解释的一般性理论，假设他们引进了高层概念，例如“人权”，并且认为引入这个概念将对我刚才描述的那一类道德问题给出新的解释，并在功利主义意义上解决那个问题。进一步假设这个关于解释的理论本身是一个解释性理论。它用其他理论的语言解释了为什么用“人权”这个概念分析问题更“好”（在功利主义意义上）。例如，它可能根据认识论解释为什么尊重人权有利于知识的进步，而知识进步本身是解决道德问题的前提条件。

如果这一解释看来不错，那么也许就值得采纳这个理论。而且，由于功利主义计算操作起来非常困难，而用人权分析往往可行，所以，或许更值得用“人权”分析，而不是用某个理论来分析某个行动的快乐寓意。如果这一切都是对的，那么有可能“人权”这个概念甚至在理论上都是不能用“快乐”来表达的——它就完全不是功利主义的概念。我们可以称之为道德概念。这二者是通过凸现的解释而非凸现的预言联系起来的。

我并不是特别提倡这一方法，我只是想说明道德价值通过在凸现解释中扮演某个角色，从而可能客观存在的方式。如果这个方法果然奏效，那么就可以把道德解释成一种“凸现的有用性”。

与此类似，“艺术价值”及其他审美概念总是难以用客观术语解释的。它们常常被用文化的随意性或天生的偏好等说法敷衍解释过去。同样，我们看到真实情况并不一定是这样。正如道德与有用性的关系一样，艺术价值有一个地位较低但客观上更容易定义的伙伴——设计。只有给定了设计对象的目的，才可能理解设计特点的价值。但是我们会发现，通过把好的审美标准加入到设计标准中是有可能改进设计的。这样的美学标准是不可能从设计标准中计算出来的，它的用处之一就是改进设计标准本身。二者的关系同样是一种解释凸现性。而艺术价值，或美，是一种凸现的设计。

梯普勒在预言临近欧米加点处的人的动机时过分自信，从而低估了欧米加点理论对于智能在多重宇宙中所起作用的重要意义。智能的存在不仅控制大尺度的物理事件，而且还会选择让什么发生。如波普尔所说，宇宙的结局是由我们选择的。的确，在很大程度上，未来智慧思维的内容就是发生的一切，因为最终整个空间及其内容将是计算机。宇宙最终将完全由智能思维过程组成。这些物质化思维的发展尽头也许就是以物理模式表达的所有物理上可能的知识。

道德和美学的沉思也表达为这些模式，这些沉思的结果也是一样。实际上，无论是否存在欧米加点，只要是多重宇宙中存在知识的地方（横跨许多宇宙的复杂性），就一定存在道德或美学论证的物理痕迹，它决定了这些创造知识的智慧实体选择解决哪些问题。特别地，当事实性知识还没有来得及形成跨宇宙的相似性时，道德和美学方面的判断必定已经呈现出跨宇宙的相似性。所以，在物理的多重宇宙意义上，这种判断也含有客观知识。这证明了将“问题”、“解答”、“推理”和“知识”这些认识论术语应用于伦理学和美学的正确性。这样，如果伦理学和美学是与本书倡导的世界观兼容的话，那么美和正义就一定如科学或数学真理一样客观，而且必定采用类似的方法，通过猜想和理性批评创造出来。

因此，济慈[3]诗言“美即是真，真即是美”时，是很有见地的。美和真不是同一个东西，但却是同一类东西。它们是用同一种方式创造出来的，而且彼此不可分割地紧密联系着。（当然，下面济慈接着说“这就是你所知道的，和该知道的一切”，这就大错特错了。）

由于他的热情，梯普勒忽略了波普尔关于知识增长方式的部分告诫。如果欧米加点存在，如果欧米加点像梯普勒陈述的那样创造出来，那么宇宙晚期将确实由实体化的非凡思想、创造性和纯粹的数字组成。但是思想就是问题求解，而问题求解意味着相对立的猜想、错误、批评、反驳以及回溯。诚然，在宇宙终结的那一刹那的极限情况下（没人经历过），所有可理解的东西可能都已经被理解到了。但是在未来任何一个有限点处，我们后代的知识都不乏谬误。他们的知识会远比我们能想象的更加伟大、深刻、广博，但是他们所犯的错误也会相应地巨大无比。

他们和我们一样将永远不能掌握确定性或物理的把握性，因为他们的生存像我们一样将取决于他们能否持续不断地创造新知识。如果他们没能在无情的物理规律所规定的时间内发现新知识来提高计算速度，增加存储空间，那么即使只是失败一次，他们也将遭受灭顶之灾。虽然他们的文化可能是非常和平仁爱，远超我们的梦想之外，但却不会是完全平静的。他们将着手解决重大的问题，并且会被激烈的争论所分裂，因此不太可能将这种文化看成“一个人”。相反，将会有大批人在许多层面上以多种不同方式相互影响着，但是意见不一。他们不会异口同声，就像今天研讨会里的科学家们不会异口同声一样。即使当他们偶尔意见一致的时候，他们也通常是错的，而且许多错误在任意长时间（主观上的时间）内得不到纠正。基于同样的理由，他们的文化也不会在道德上变得统一。一切都不是神圣的（无疑，这又是一个和传统宗教不同之处！），人们将不断质疑其他人奉为基本道德信条的假设。当然，既然道德是真实的，那就能够用理性的方法来理解，所以每一条争论最终都能解决。但是取而代之的是更深入、更令人兴奋、更加根本的争论。这样吵吵嚷嚷而不断前进的一组相互重叠的社会，与宗教信徒信奉的上帝完全不同。但是，如果梯普勒是正确的话，那么这个文化或其子文化将是使我们复活的文化。

纵观本书讨论过的所有统一的思想，如量子计算、认识进化论、知识的多重宇宙观、自由意志及时间，我认为目前我们对真实世界的总体理解很明显地在向我小时候希望的那样发展。我们的知识日益广博深入，而且正如我在第1章中所说的，深度逐渐占上风。但是本书中我的主张不止于此，我倡导一个统一的世界观，它的基础是四大理论：多重宇宙量子物理学、波普尔认识论、达尔文——道金斯进化论以及加强版的图灵通用计算理论。我认为就科学知识目前状况来看，这似乎是一个很“自然”的世界观。这是一个保守的世界观，不需要对最好的基本解释做出惊人的变革。所以，它应该是主流的世界观，革新思想需要跟它对比得以评判。这是我所倡导的它应该扮演的角色。我并不希望创立一个新的正统世界观，恰恰相反，正如我说过的，我认为现在正是前进的时候。但是只有当我们认真对待现在最好的理论，把它们看成对世界的解释时，才有可能向更好的理论迈进。

[1].欧米加点（Omega Point） 指宇宙的终点。——译注

[2].自从本书在1997年写就以来，观测宇宙学的一些非凡的进展已经否定了梯普勒的具体的宇宙模型。与坍缩相反，现在人们认为宇宙正在加速膨胀，而且永不停歇。其物理原因还不得而知，暂时称它为“暗能量”。这就排除了这里描述的在宇宙的寿命内完成无限量计算的机制。幸运的是，暗能量本身似乎是一个取之不竭的能源，可以允许逐渐“减慢”的计算机完成无限量的计算，所以图灵原理以及本章的结论仍然是成立的。

[3].英国浪漫主义诗人（1795——1821）。——译注

参考文献

必读书目

RICHARD DAWKINS，The Selfish Gene，Oxford University Press，1976 [revised edition 1989]（中译本：理查得·道金斯.自私的基因，卢允中，张岱云译.长春：吉林人民出版社.）

RICHARD DAWKINS，The Blind Watchmaker, Longmans 1986；Norton， 1987；Penguin Books，1990.（中译本：理查得·道金斯.盲眼钟表匠.王道还译.北京：中信出版社，2014.）

DAVID DEUTSCH，Comment on “The Many Minds’ Interpretation of Quantum Mechanics” by Michael Lockwood, British Journal for the Philosophy of Science，1996，Vol. 47 No. 2,P.222

DAVID DEUTSCH AND MICHAEL LOCKWOOD，The Quantum Physics of Time Travel，Scientific American，March 1994，P68

DOUGLAS R. HOFSTADTER，Gödel，Escher，Bach，an Eternal Golden Braid，Harvester，1979；Vintage Books，1980（中译本：侯世达·哥德尔、艾舍尔、巴赫——集异壁之大成.郭维德等译.北京：商务印书馆，1997.）

JAMES P. HOGAN, The Proteus Operation，Baen Books，1986；Century Publishing，1986. [Fiction!]

BRYAN MAGEE，Popper，Fontana，1973；Viking Penguin，1995.（中译本：布赖恩·马吉.波普尔.郭昌辉，郭超译.北京：昆仑出版社，1999.）

KARL POPPER，Conjectures and Refutations，Routledge，1963；Harper Collins，1995.（中译本：卡尔·波普尔.科学：猜想和反驳.周煦良，周昌忠译.上海：上海译文出版社，2005.）

KARL POPPER，The Myth of the Framework，Mark Notturno(ed.)， Routledge，1994

深入读物

JOHN BARROW AND FRANK TIPLER，The Anthropic Cosmological Principle，Clarendon Press，Oxford，1986

CHARLES H. BENNETT，GILLES BRASSARD AND ARTUR K. EKERT Quantum Cryptography，Scientific American，October 1992

JACOB BRONOWSKI，The Ascent of Man, BBC Publications，1981；Little Brown，1976.（中译本：布洛诺夫斯基.人之上升.任远等译.成都:四川人民出版社，1988.）

JULIAN BROWN，A Quantum Revolution for Computing，New Scientist， 24 September 1994

PAUL C.W. DAVIES AND JULIAN R. BROWN，The Ghost in the Atom, Cambridge University Press，1986（中译本：戴维斯，布朗.原子中的幽灵.长沙：湖南科学技术出版社，1992.）

RICHARD DAWKINS，The Extended Phenotype，Oxford University Press，1982

DANIEL C. DENNETT，Darwin’s Dangerous Idea：Evolution and the Meanings of Life，Allen Lane，1995；Penguin Books，1996

BRYCE S. DEWITT AND NEILL GRAHAM，Eds.，The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics，Princeton University Press，1973

ARTUR K. EKERT，Quantum Keys for Keeping Secrets，New Scientist， 16 January 1993；Freedom and Rationality：Essays in Honour of John Watkins， Kluwer，1989

LUDOVICO GEYMONAT，Galileo Galilei：A Biography and Inquiry into his Philosophy of Science，Mc Graw-Hill，1965

THOMAS KUHN，The Structure of Scientific Revolutions，University of Chicago Press，1971（中译本：库恩.科学革命的结构.金吾伦，胡新和译.北京:北京大学出版社，2012.）

IMRE LAKATOS & ALAN MUSGRAVE，eds.，Criticism and the Growth of Knowledge，Cambridge University Press，1979

SETH LLOYD，Quantum-Mechanical Computers，Scientific American， October 1995

MICHAEL LOCKWOOD，Mind，Brain and the Quantum，Basil Blackwell，1989

MICHAEL LOCKWOOD，“Many Minds” Interpretation of Quantum Mechanics，British Journal for the Philosophy of Science，Vol.47 No.2，1996

DAVID MILLER，ed.，A Pocket Popper，Fontana 1983；released in USA as Popper Selections，Princeton University Press，1985

DAVID MILLER，Critical Rationalism：A Restatement and Defence， Open Court ，1994

ERNST NAGEL AND JAMES R NEWMAN，Gödel’s Proof Routledge， 1976

ANTHONY O’HEAR, Introduction to the Philosophy of Science，Oxford University Press，1991

ROGER PENROSE，The Emperor’s New Mind：Concerning Computers， Minds，and the Laws of Physics，Oxford University Press，1989（中译本：彭罗斯.皇帝新脑——有关电脑、人脑及物理定律.许明贤，吴忠超译.长沙：湖南科学技术出版社，2007.）

KARL POPPER，Objective Knowledge：An Evolutionary Approach， Clarendon Press，1972（中译本：卡尔·波普尔.客观知识：一个进化论的研究.舒炜光等译.上海：上海译文出版社，2015.）

RANDOLPH QUIRK，SIDNEY GREENBAUM，GEOFFREY LEECH AND JAN SVARTVIK，A Comprehensive Grammar of the English Language，7th EDN，Longman，1989

DENNIS SCIAMA，The Unity of the Universe，Faber & Faber，1967

IAN STEWART，Does God Play Dice?: The Mathematics of Chaos，Basil Blackwell，1989；Penguin Books，1990.（中译本：斯图尔特.上帝掷骰子.潘涛译.上海：上海远东出版社，1995.）

L.J. STOCKMEYER AND A.K. CHANDRA，Intrinsically Difficult Problems，Scientific American，May 1979

FRANK TIPLER，The Physics of Immortality，Doubleday，1995

ALAN TURING，Computing Machinery and Intelligence，Mind 1950[Reprinted in The Mind’s I，edited by Douglas Hofstadter and Daniel C. Dennett，Harvester，1981]

STEVEN WEINBERG，Gravitation and Cosmology，John Wiley and Sons，1972（中译本：温伯格.引力论和宇宙论：广义相对论的原理和应用.邹振隆，张历宁等译.北京:科学出版社，1980.）

STEVEN WEINBERG，The First Three Minutes，Basic Books，1977（中译本：温伯格.最初三分钟：宇宙起源的现代观点.冼鼎钧译.北京：科学出版社，1981.）

STEVEN WEINBERG，Dreams of a Final Theory，Vintage 1993；Random，1994.

JOHN ARCHIBALD WHEELER，A Journey into Gravity and Spacetime， Scientific American Library，1990

LOUIS WOLPERT，The Unnatural Nature of Science，Faber & Faber 1992；HUP，1993

BENJAMIN WOOLLEY，Virtual Worlds，Basil Blackwell，1992；Penguin Books，1993

索引

埃弗里特, 休328~330, 335, 339

爱因斯坦, 阿尔伯特17, 23, 267~268，311

奥卡姆剃刀原理96, 137, 161

波普尔, 卡尔141~154, 157~158, 165~166, 322~334

对波普尔认识论的批评341

新的解释产生新的问题138

和归纳法144, 146

层级结构

学术的层级结构325~327

推理形式的层级结构84~85

时间流动的层级结构264

知识的层级结构20~23, 84~85

数学里的层级结构235, 255

常识 62, 77, 141

常识和因果265~266

常识里的时间概念141, 258~267

和自由意志269

单一宇宙观141, 328~329

往往是错的74, 78

超弦理论23

DNA 172~177, 199

垃圾DNA序列174~175, 189~193

又见“基因”

大爆炸18~19, 26, 95, 188, 205, 284~286, 311, 348, 354~356

大脑

和计算238~239, 249

和计算机124~125, 238, 337

易错性71, 244

神经信号的截获111~113

和知识120, 164, 338

不是一台量子计算机239

和唯我主义79

和图灵原理165, 238, 303, 336

大坍缩163, 188,284, 347~354

达尔文, 查尔斯169, 176, 315, 325, 332, 334, 337, 340, 366

道金斯, 理查德171~172, 176, 334~336, 340, 346, 366

对角线论证126, 139~140, 235, 237

多重宇宙 46~48, 53, 58, 95, 185~187， 190~191, 206, 211~212, 275~287, 330~339, 366

和DNA 190~192

像一个拼板玩具285

和欧米加点352, 364

和平行时空289~290

和平行宇宙53

和量子理论50

和物理可能的过程105, 135

多重宇宙观下的自由意志339

和时间旅行306~312, 316, 318

和虚拟现实103, 357

范式321~334, 342

复制子172~194, 334

又见“基因”“拟子”

概率18, 22, 59, 116, 203~204, 280~281, 307

干涉

多粒子干涉46, 207

单一粒子干涉46~47, 51

和平行宇宙45, 51

量子计算机和干涉195

哥本哈根学派327

哥德尔 126, 128, 235~236, 245, 248~251

哥德尔不完备性定理126, 234, 237, 240, 256

光

光的弯曲37~40

光的可延展性37

归纳主义

是错误的59~61, 64, 69, 71, 84， 94，141，144~145，241

和证明60, 69

和观察59~61, 69, 149

和罗素的鸡59~60

工具主义3~6, 29, 47, 74

和哥本哈根解释327

和神谕4~6

实证主义是工具主义的极端形式6

和实用主义341

公钥密码学216~219

蝴蝶效应203~205

环境

康哥图环境128~133, 139~140, 223, 232, 257, 355

基因环境178

逻辑可能的环境123~129, 140

和生态位172

物理上不可能的环境105, 118~120

物理上可能的环境105, 118~120, 122, 134-6, 140, 181

模拟的环境111, 127, 298

又见“体验”

混沌203~205, 211~214, 221, 350

基因

是一个计算机程序172

是知识的体现180~182, 199

生态位173~183, 189~190

平行宇宙中的基因190~191

基因和拟子360

基因突变190, 315, 334

计算

作为一种凸现现象 21

传统计算131~132, 210~211

量子计算机的计算132, 209~219

进化作为一种计算197

计算和宇宙之间的知识“交易”317~318

难解问题198~200，205~211, 216,219, 221, 252, 356, 361

证明作为一种类型的计算246

量子计算213~221, 238, 331, 366

计算通用性 97, 195~197, 208, 221, 238~239, 252, 350

计算机

计算机和大脑124~125, 238, 335, 337

点格计算机173

全能计算机355~356

量子计算机132, 214, 218~221, 238, 250~251

计算机的全部本领132~134, 214

专用量子计算机210, 215, 221

图灵机131

通用量子计算机212, 214~216, 220~221

宇宙作为一个计算机345

解释

坏解释7, 62~63, 65, 80, 142, 150, 156, 161

奥卡姆剃刀原理78

解释和预言5, 6, 8, 30, 56~57, 62, 64~66, 76

证明和解释236

纯数学中的解释236

解释作为科学的目的4, 7, 51, 236

还原论21, 24, 30

解释和简单性原则11, 21, 24, 78~79, 90~91, 137, 142

唯我主义解释97, 142, 233

隐归纳主义者和解释143

康哥图环境 见“环境”

可理解性

和凸现性20~21, 30

和物理定律135~136, 197, 345

和唯我主义80, 136~139

块宇宙见“时空”

量子宇宙学330，335

量子密码学217~218

量子力学

和蝴蝶效应202~204

的哥本哈根解释327~329

逻辑

亚里士多德逻辑254

逻辑的局限性226

逻辑和数学直觉231~232

美学363, 364

必须客观364

拟子172, 188, 194, 335, 345, 359

牛顿, 艾萨克

牛顿关于时间的概念266~267

欧米加点理论347~359, 364~365

平行宇宙53, 57, 60, 89, 95, 136~137, 207, 221, 305, 308, 353

和约翰逊博士准则88~89

的存在怎样揭示出来的32~33

和基因187~191

和干涉59, 168, 213

量子计算机和平行宇宙195, 220

和随机性202~204

的描绘300, 357

一叠平行宇宙212

和时间278, 305

丘奇——图灵猜想131~132

又见“图灵原理”

确定性270, 273

与混沌202

与多重宇宙277, 285

量子理论中的确定性203~206, 281

时间旅行中的确定性313

人工智能289, 302, 331, 335~336, 356~357

神创论80, 315~316, 335

神谕

和做实验4~5

和工具主义者4, 6

物理世界作为一个神谕5~6

神谕和理论4~6

生态位67, 121, 172~175, 179~182, 187~188, 193, 315~316, 333

生命

生命的基础170

生命的“特征”170

生命和知识181, 187, 191

生命的意义178, 186~187, 191

生命和宇宙结构186, 190

生命和图灵原理181~182

生命作为一个虚拟现实175, 178~179

实证主义6, 29~30, 48, 75, 84, 341

实用工具主义48, 329

时空 267~268, 288, 355

作为“块宇宙” 268, 270

时空弯曲159, 161

和因果关系概念不相容274

欧米加点349~350

平行时空289~290

次序被打乱的时空271~272, 282~283

时间

时间和物理直觉253~254

时间的量子概念258, 278, 287, 305, 310

时间的“瞬像”262~309

时间机器289, 292~301,304~308, 310, 313~315, 317~319

时间旅行288~320, 344

适应性193, 315, 332~334, 340, 347

适应度173~174, 180, 188, 190~191

和“设计”333

和知识69, 181, 316~317, 345

多重宇宙观下的适应性 187~192， 317

数学

创造是数学的核心236, 240

和解释253

客观性253

和计算理论98

和虚拟现实120, 131

数学问题

可计算问题132~133

不可计算问题132~133

素数对132~133

梯普勒, 弗兰克187, 346, 348, 350, 353~358, 363~365

体验

外部体验103~104, 121, 136

内部体验103~105, 121

逻辑不可能的体验104~105

逻辑可能的体验104~105, 121

和虚拟现实120~122, 130, 136

凸现20~22, 26~29, 67, 137，178， 192, 237, 239, 337

图灵, 阿兰131~133, 325

和经典力学210~211

和现代计算理论126, 131~132, 252, 335~336, 339, 366

又见“丘奇图灵猜想”

图灵机131~132, 140, 194~195, 210, 213, 218, 250, 252

通用图灵机 132, 134, 140

图灵原理132~134, 140, 183, 199, 293, 340~341

外星智慧116, 186~187, 356

唯我主义57, 79~87

问题 62, 64~65, 70, 141

问题回溯67

问题——场景148, 153~154, 156~157, 161, 315

问题求解55~72, 80, 323

物理定律22~23, 105, 131, 164, 214, 221, 249, 275, 337, 356

和康哥图环境129

的可理解性135, 197

和计算98

和计算的通用性196

量子计算机和物理定律219

和数学实体255

和图灵原理135

和虚拟现实124~126, 243~244, 310

希尔伯特第二问题235~236, 257

肖算法216

心智11, 90, 352

作为一个计算机程序352~353

和问题求解71, 72, 76

和唯我主义57, 69, 81~83

和虚拟现实106, 111~112

虚拟现实

和通向未来的时间旅行290

和生命过程的相似性176

和数学真理255, 257

和证明224

和描绘逻辑可能的环境129

虚数229

隐归纳主义者143~166, 340

印象生成器99~134

预言48, 85

用神谕预言4~5

预言和归纳主义69

预言和牛顿物理学270

宇宙模型348

宇宙学24~26, 63, 78~79, 138, 344, 348, 354~355

欧米伽点348~349

量子宇宙学330, 335

约翰逊博士关于真实性的判断标准86~93, 96

真实性的判断标准72~95

知识

可理解性344

作为一个物理量30, 75, 160~161

基因是知识的体现180~181, 196

生命和知识181, 187, 191

多重宇宙观下的知识191, 317~318, 345

和自相似性96

自相似性95~96

自由意志269~270, 338~339

推荐阅读

《真实世界的脉络：平行宇宙及其寓意（第2版）》描述了我们当前知识中最深刻的4条支线——进化、量子物理学、知识和运算，以及它们带来的世界观。在此基础上，戴维·多伊奇在《无穷的开始：世界进步的本源》这本书中将这种世界观应用于许多不同的话题和未解问题，涉及自由意志、创造力与自然规律、人类的未来与起源、现实与表象、解释与无穷。这本书是一次大胆的、包罗万象的智力探险。

在《无穷的开始：世界进步的本源》这本书中，戴维·多伊奇秉持坚定的理性和乐观态度，对人类选择、科学解释和文化进化的性质得出了惊人的新结论。他的立场并非来自充满希望的格言，而来自关于现实世界怎样运转的事实。他的核心结论是，“解释”在宇宙中有着基础性的地位。解释的范围和造成改变的能力是无穷无尽的。它们唯一的创造者——诸如人类这样能够思考的生物——是宇宙万物中最重要的实体。一切事物都在理性的延伸范围内，不仅是科学和数字，还有道德哲学、政治哲学和美学。在通用物理规律允许的情况下，进步没有限制。

这是一本改变思维模式的书，必定会成为同类书籍之中的经典之作。

专业书评：

科学从未有过像多伊奇这样的支持者……他的论述是如此清晰，阅读他的作品是在体验地球上最高水平的讨论带来的兴奋……多伊奇是当代的伏尔泰，用极为清楚的思维撕碎了错误观念。

——华威写作奖得主彼得·福布斯，《独立报》

多伊奇是如此睿智，如此非同寻常，如此富有创造力，有着如此无穷无尽的求知欲，其思想如此活跃，以至于不管怎样，在他的头脑里花时间都是一种独特的优遇。

——物理学家、哥伦比亚大学哲学教授戴维·阿尔伯特，《纽约时报》

这本书确实能以一种难以媲美的方式给人带来强烈感受：它深入到了我们如何掌握宇宙真正奥秘这一问题的核心。

——PD. 史密斯，《卫报》

一种闪闪发光的乐观主义……（多伊奇）又一次写出一本非凡著作，其中充满伟大的思想，表达的清晰程度无与伦比。他论述说，解释的力量已经改变、能够改变并将继续改变我们的世界。这些宇宙级的思想非常了不起，带来的乐趣也是宇宙级的。

——记者蒂姆·拉福德，《卫报》

多伊奇讲述了一个条理清晰、引人注目的故事，谈及多种多样的话题。你一旦接触到他那非同寻常地新颖的世界观——或者也许是多重宇宙观，就无法再用原来的方式看待这些问题以及许多其他话题了。

——小说家、《走出围墙》和《编码宝典》的作者尼尔·史蒂芬森

多伊奇教我们怎样理解反直觉的东西可能是真实的，他教得如此成功，以至于这些反直觉的东西甚至可能变成直觉的。

——小说《大气干扰》的作者里夫卡·加尔亨，《纽约客》

1. 封面

2. 扉页

3. 版权信息

4. 目录

5. 内容提要

6. 其他

7. 致谢

8. 译者序

9. 第2版译者序

10. 前言

11. 第1章 万有之理

12. 第2章 影子

13. 第3章 问题求解

14. 第4章 真实性的判断标准

15. 第5章 虚拟现实

16. 第6章 计算的通用性和极限

17. 第7章 关于证明的对话

18. 第8章 生命的意义

19. 第9章 量子计算机

20. 第10章 数学的本质

21. 第11章 时间：第一个量子概念

22. 第12章 时间旅行

23. 第13章 四大理论

24. 第14章 宇宙的终结

25. 参考文献

26. 索引

27. 推荐阅读

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2. 封面

3. 书名页

4. 版权页

5. 正文

科学新经典文丛

Spooky Action at a Distance:The Phenomenon That Reimagines Space and Time--and What It Means for Black Holes,the Big Bang,and Theories of Everything

幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间

［美］乔治·马瑟（George Musser）/著

梁焰/译

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间/（美）乔治·马瑟（George Musser）著；梁焰译.--北京：人民邮电出版社，2017.3

（科学新经典文丛）

ISBN　978-7-115-44638-1

Ⅰ.①幽…　Ⅱ.①乔…②梁…　Ⅲ.①物理学—研究　Ⅳ.①04

中国版本图书馆CIP数据核字（2017）第030176号

◆著　［美］乔治·马瑟（George Musser）

译　梁焰

责任编辑　刘朋

责任印制　彭志环

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

北京隆昌伟业印刷有限公司印刷

◆开本：880×1230　1/32

印张：9.25　　2017年3月第1版

字数：199千字　　2017年3月河北第1次印刷

著作权合同登记号　图字：01-2016-4644号

定价：45.00元

读者服务热线：(010)81055410　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广字第8052号

目录

封面

扉页

版权信息

版权声明

内容提要

其他

关于本书的评论

引言：爱因斯坦的空中楼阁

第1章 形形色色的非定域性

闭嘴，好好算！

观天者与攀冰者

玩水泥的人和雕塑家的女儿

地下室里的粒子

第2章 非定域性的起源

机械的宇宙

机器里的魔法

引力论战

质疑牛顿爵士

定域性的新麻烦

第3章 爱因斯坦的定域性

定域性让物理学保持理性

量子力学的奇特横空出世

物质的波

1927年的大辩论

1930年的大辩论

EPR论文

第4章 大辩论

非定域性这个案子

分歧缘于动机

选择一：放弃自由意志？

选择二：粒子是占卜水晶球

选择三：平行宇宙

选择四：放弃现实主义

德累斯顿会议上的唇枪舌剑

让我们务实一些

超越量子思考

披着别名的非定域性

不管怎样，空间走向终结

第5章 非定域性和物理学的统一

量子场论

与粒子分道扬镳

永别了，场

超强纠缠

横跨规范

爱因斯坦的引力理论

量子引力

回到黑洞

第6章 时空的终结

现实的“胶水”

当空间不是那个“地方”时

互联成网生成空间

在矩阵内部

全息的现实

矩阵中的毛刺

结语：幅面体

更像青少年

参考文献

致谢

版权声明

Spooky Action at a Distance: The Phenomenon That Reimagines Space and Time-and What It Means for Black Holes,the Big Bang,and Theories of Everything

Copyright © 2015 by George Musser

Simplified Chinese translation copyright © 2017 by Posts & Telecom Press

Published by arrangement with Scientific American/Farrar,Straus and Giroux,New York

through Bardon-Chinese Media Agency

博达著作权代理有限公司

All rights reserved

内容提要

空间是什么？我们大多数人一般不会问这个问题。空间是物理学的“住所”，物理学只能在空间里“玩耍”；事物在空间中存在，在空间中运动和形成。然而在过去的几十年里，物理学家发现了一个奇特现象，它超越了空间和时间的管辖范围。这个现象称为“非定域性”，即两个粒子无论相距多么遥远却同步共舞，看起来像魔法。爱因斯坦看到这种现象时惊讶得找不出一个合适的词，便称之为“幽灵般的超距作用”。

最近这个现象显得更加神秘，因为其他形式的非定域现象相继被发现。在黑洞里、在粒子碰撞中甚至在引力的运作中，都发现了这种“幽灵般的超距作用”，潜在地它威胁了我们对物理现实的最基本的理解。如果空间不是我们以为的那个样子，那么空间到底是什么？

在本书中，著名科学作家乔治·马瑟试着回答这一问题。马瑟对非定域性问题进行了大胆探索，采访了试图解释这个问题的科学家。他带领我们踏上史诗般崎岖漫长之旅，走进观察粒子的实验物理学家的生活，走进观察星系各向均匀性的天文学家的生活，走进揭开大爆炸之谜的宇宙学家的生活。他考察了20世纪科学的重大发现和重大混乱，跟踪了非定域性这个非常有争议的话题，展示了尽管实验证据无可争议，但科学家们却提出了截然不同的解释。科学家们的结论不仅挑战我们对空间和时间的理解，而且也挑战宇宙起源的解释。那些卓有见识的物理学家提出了新的物理学大统一理论。

其他

献给塔利亚和埃利安娜。

关于本书的评论

宇宙两端的两个亚原子粒子真的有瞬间链接吗？是不是任何预言这种链接的理论必然是有缺陷的或不完整的？显示这种链接的实验结果是否被误解了？这样的问题挑战了我们最基本的空间距离和时间概念。在本书中，乔治·马瑟优雅地穿行于这些极其烧脑的难题之中，探讨它们的历史、科学和哲学，阐述了科学领域最前沿的思想。

——马里奥·利维奥，天体物理学家，畅销书《巨人铸成大错》《黃金比例》作者

这本书充满富有智慧的隐喻和冷面的幽默。广受赞誉的科学传播者乔治·马瑟是一位完美的导游，他带领我们通过虫洞和涌现的维度到物理学的最前沿做了一次神奇的旅行。空间的本质到底是什么？追问这个问题可能永远地改变你思考真实世界结构的方式。

——马克思·泰格马克，物理学家

现代物理学正在摧毁我们周围的空间，宇宙再也不是从前的那个宇宙了。在这本引人入胜的书中，乔治·马瑟带领我们穿越科学和哲学的丛林，走到世界的一个边缘地带，那里有截然不同的景象。

——肖恩·卡罗尔，加州理工学院理论物理学家，《寻找希格斯粒子》作者

定域性一直是富有成果的和可靠的原则，它指导20世纪物理学走向胜利。然而，定域性法则应用于量子理论时却显得如同幽灵一般，一些理论物理学家正在质疑定域性本身。这本书生动地介绍了这些迷人的困惑和猜测。

——弗兰克·维尔泽克，诺贝尔物理学奖获得者

不懈追问现代物理学遇到的众多难解之谜，而这些谜团的解决可能解释量子粒子和黑洞的怪异现象，揭示自然的内在统一性。

——《科克斯书评》

乔治·马瑟像一位出色的导游，他带领我们到物理学前沿领域做了一次迷人的旅行，直逼科学中最古老的问题之一，即什么是空间？绝妙之处在于，我们越是深入探讨这个问题，这个问题就变得越有魅力。

——李·施莫林，圆周理论物理研究所创始教员，《物理学的困惑》作者

乔治·马瑟巧妙地追踪了我们探索这个奇异现象的历史，书中涵盖了从弦论到多重宇宙以及物理学统一理论等诸多富有挑战性的话题。

——《科学》杂志

一次非常令人愉快的阅读体验……通过精湛的写作技巧将大量信息有机地组织起来，带你前往物理学前沿领域，去看看那些你应该了解的、引人注目的神秘现象。这本书将点亮你一年的阅读时光。

——戴维·艾克，《天文学》杂志

雄心勃勃的写作计划……将晦涩难懂的物理学理论转换成趣味盎然且为外行人所能轻松阅读的语言，作者在这方面做了里程碑式的工作。

——劳伦斯·A.马歇尔，《博物志》杂志

围绕着这个被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”的概念，科普作家乔治·马瑟进行了出色的研究，将曲折的历史故事和颠覆性的哲学猜想结合起来……证明这是科学领域中最引人注目的争议之一。

——《自然》杂志

平易近人，富于想象，思维清晰，语言幽默……马瑟的写作精彩纷呈，他巧妙地捕捉到了探索宇宙奥秘过程中的兴奋和沮丧。

——《出版人周刊》

一本非常重要的书，包含有人类理解空间、时间和宇宙本质的最新进展的深刻洞察。认真读读这本书很有好处，物超所值！

——约翰·格里宾，《华尔街日报》，《寻找薛定谔的猫：量子物理和真实性》作者

富有启发性，而且有很强的趣味性。这是一本难得的好书，它带领我们超越早期流行的物理学理论，进入当代物理学的荆棘丛林。

——吉姆·霍尔特，《纽约书评》，《世界为何存在》作者

一个优秀的科普作家必须向我们展示，那些构建了科学理论的科学家是有可能出错的，然后告诉我们为什么，以及去掉了人类的弱点或缺陷之后，该理论仍然是可靠的。《科学美国人》撰稿人及编辑乔治·马瑟的这本新书令人瞠目结舌，任何经过良好检验的科学概念都不会像超距作用这样令人匪夷所思。表面上看这本书讨论的是量子纠缠，实际上是探讨的是观察者之间的纠缠。马瑟提出了艰深难懂的“非定域性”物理学概念，而且他问的不是这件古怪事情的真假问题，而是既然科学家们已经对这件古怪的事情知道了那么长时间，但为什么很多人不愿意面对它。

——亚当·高普尼克，《纽约客》作家

马瑟探讨了人类博弈非定域性效应的历史，介绍了量子力学研究人员、天文学家、宇宙学家以及许许多多其他的人在如何思考宇宙到底是怎样运作的，同时揭示了研究人员在推进他们对物理世界的理解的过程中是多么混乱、非线性和惊心动魄。

——萨拉·勒温，space.com

马瑟是一位机敏的作家。他的这部新闻写作风格的图书文笔流畅，通过丰富的人物访谈，触及了科研人员的内心世界，其中穿插着他们的生活小插曲，读起来令人愉快。作为一个实验物理学家，我从中学到了很多，对这个曾经令我困惑的领域有了新的想象、新的理解和新的洞察。

——詹姆斯·米伦，《物理世界新闻》杂志

我同意其他许多人的看法，认为马瑟是最优秀的报道物理学前沿研究的科学作家之一……他的书有很多引人入胜、不拘一格的想法，读完之后连续好几天我一直在思考它。

——本·P.斯泰因，《科学探索》电视栏目

引言：爱因斯坦的空中楼阁

20世纪90年代初我读研究生，第一次听说非定域性[1]时，不是我的量子力学教授告诉我的，他不打算讲非定域性，连提都不想提。一次我在附近的书店闲逛，发现了一本新出版的书《有意识的宇宙》，书中声称“从来没有什么发现比非定域性更违反日常对物理实在的直觉”。这让我很吃惊，了解这个现象有一种品尝禁果[2]的感觉。

在日常用语中，“locality”（局域性、本地性）这个词指邻里、小区或其他地方，有点儿夸大其辞。但它的本意，远在17世纪就是“地方”的概念，意思是任何东西都有个地方。你总可以指着一个东西说：“它就在这儿。”如果你不能指出它在哪里，那它一定不是真的存在。如果老师问你作业在哪里，你说我的作业不在任何地方，那你可得解释清楚。

我们体验的世界拥有地方或位置的属性。我们有很强烈的地方的感觉，属于一个地方关系网的感觉。和所爱的人分离会让我们感觉痛苦，和想帮助的事物相距太远会让我们感到无能为力。可现在，量子力学和物理学其他分支暗示，在深层次也许不存在地方这个概念，也不存在距离这个概念。物理实验可能把两个粒子的命运绑定在一起，表现得就好像一对魔术硬币，总是和自己的伴侣同时同一面朝上或朝下。这一对难兄难弟步调如此一致，尽管没有任何“力”穿行于二者之间。这两个粒子可能会旋即分开到宇宙两端遥遥相对，而仍旧步调一致。它们违背了定域性原则，超越了空间的局限。

显然，大自然选择了一个很特别、很巧妙的平衡：在大部分情形下它遵守定域性原则，而且如果人类存在，它就必须遵守定域性，然而大自然悄悄在基础层面留了一个非定域注脚。这两个方向的张力就是本书要讨论的。对研究非定域性的人来说，所有物理学之谜，物理学家这些日子遇到的跨越物理学各分支的疑点，不仅包括量子粒子的古怪现象，而且还包括黑洞的命运、宇宙的起源以及自然的内在统一性。归根结底，非定域性是始作俑者。

对爱因斯坦来说，定域性是更大的哲学问题的一个侧面：为什么人能够做科学研究？为什么这个世界构造得让我们能够讲出道理？爱因斯坦于1936年写了一篇著名的文章，说最不可理解的是宇宙竟然是“可理解的”。乍一看，这句话本身就不可理解。宇宙不是那么显然有理性的，它任性狂野、变幻无常，充满了误区、妄为、不公和不幸。宇宙里发生的大部分事情都挑衅理性思维，尤其是浪漫的时候和开车的时候。然而在这个令人费解的背景下，世界又令人欣慰地呈现出规律性的光芒：太阳总是从东方升起，手里的东西一松手总会落下，雨后常常出现彩虹。人们研究物理学是基于这样的信念，即这些规律性并不是个别令人满意的现象，而隐约说明物理学底层是有秩序的，虽然从表面上看生活是杂乱无章的。

爱因斯坦的意思是，物理学家真的不应该指望有秩序。世界不一定非要有秩序，世界本来不一定要遵纪守法，在另一种情形下，它本来可以混乱无章到底。一个朋友写信问爱因斯坦，问他说的“可理解性”是什么意思。他回信道：“一种先验知识，就是说人应该期待的原本是混沌无序的世界，不可能被头脑理解的。”

尽管爱因斯坦说可理解性是一个我们永远不可能理解的“奇迹”，但他还是试图理解。他在整个职业生涯中都在试图明确说明是什么让宇宙有合理性，他的思想奠定了现代物理学课程的基调。比如他认识到，自然的内在运作是超对称的，即如果你换一个角度看世界，看起来是一样的。对称性将扑朔迷离的已发现的粒子动物园[3]组织起来，形成秩序；粒子的整个族群在一定意义下彼此非常相似，互为镜像。虽然很多属性为我们能够理解这个世界带来希望的曙光，但爱因斯坦总是提到“定域性”，认为定域性是最重要的属性。

对于定域性概念，不同人的用法存在微妙的差别。对爱因斯坦来说，它有两个侧面的含义。第一个他称为“可分性”，意思是你可以把任意两个物体分开，或把一个物体的两部分分开，而一个一个分别考虑，至少原则上可以。你可以把餐桌旁的一把椅子移走放在餐厅的一角，这把椅子的属性（大小、款式及舒适度）不会变化。整个餐厅的属性是所有餐桌餐椅的属性的总和。如果每把椅子可以坐一个人，那么4把椅子可以坐4个人。整体是部分之和。定域性的第二个侧面，爱因斯坦称之为“局部作用”，意思是两个物体之间的相互作用只能通过直接碰撞或雇佣中介将二者联系起来。和我相隔一定距离的人，我知道我不能影响他，除非跨越距离亲自来到他身边，能摸着他，跟他面对面谈，或能打他一拳。不管怎样，能和他直接接触，或选择一个中介代办。现代技术并没有逃避这一定域性原则，只是启用了新的中介。电话把声波转换成电子信号或无线电波，信号通过有线或无线方式传到另一端，然后信号被转换回声波。沿途每一步，必须直接接触一下另一个东西。要是电线中有头发丝那么大的裂痕，消息就走不了多远，好像在没有空气的月亮上尖叫。简而言之，可分性定义了什么是物体，局部作用规定了物体能做什么。

爱因斯坦在他的相对论中捕捉住了这些原则。具体地，相对论说任何物体的运动都不能超过光速，如果没有这个速度限制，物体的运动速度可能无限快，那么距离就失去了意义。物理学家们以为，所有自然之力必须慢慢地、迂回地、费力地穿过太空，而非如物理学家从前以为的那样，一下子跳越太空。这样相对论给出了一个测量办法来测量分开的物体之间的孤立程度，从而保证它们的鲜明个性。

对你来说，相对论和其他物理定律要么令人欣慰地说明了宇宙的深层秩序，要么是大煞风景的规矩，令人烦恼，好像严厉的父母剥夺了你全部的生活乐趣。这取决于你的心态。要是我挥挥胳膊就能飞起来，那该多好！可对不起，谁也不行。要是我们能凭空创造新能量，那么许多世界难题不就解决了？可对不起，物理定律不允许。物理定律只允许能量从一种形式转化成另一种形式。现在你瞧瞧，又来了一个苛刻限制——定域性，毁掉了人类超光速宇宙飞行和有心灵感应的梦想。球迷永恒的希望是他们可以通过在胸前划十字，或从座位上站起来大喊几声有见地的话，助自己心爱的球队一臂之力。不幸的是，定域性让他们的希望破灭。如果你的球队正在输球，而你又特别认真地想去帮忙，那对不起，你非得亲自跑到球场上去。

但定域性对我们是有好处的。它让我们有自我感觉，让我们相信我们的思想、我们的感觉是属于我们自己的。恕我直言，约翰·多恩[4]先生，每个人的确是一个孤岛，完全孑然独立的孤岛，人与人之间相隔大海一样宽广的空间，我们应该感恩这点。如果没有定域性，世界就会充满神奇魔幻，但不是那种快乐的、迪斯尼乐园似的神奇魔幻。如果球迷们希望从自己的客厅控制比赛，他们一定要小心自己到底想控制什么，因为对方球队的球迷也会有办法控制比赛。全国各地数百万赖在沙发上看电视的球迷会拼命给自己的球队一点好处，使得比赛本身失去意义，变成了球迷的意念比赛，而不是场地上运动员的比赛。不仅仅体育比赛，整个世界都会跟我们不友好。在没有了定域性的世界里，你身体外面的东西能伸到你的体内去而无须穿过皮肤，而你自己的身体对自己的体内状态将失去控制权，和环境融为一体。那么，根据定义，这就是死亡。

* * *

爱因斯坦将目光锁定于定域性原则，把定域性原则当作理解自然的关键先决条件，这凝结了两千年的哲学和科学思想之精华。对亚里士多德和德谟克利特等古希腊思想家来说，定域性使理性解释成为可能。如果物体之间能通过直接碰撞彼此影响，那么你就可以一个一个地按顺序解释事件：“这个撞击了那个，那个撞上了另一个，然后另一个又撞上了其他什么东西。”任何事情有果必有因，这个原因是由时空中一系列不间断事件顺序链接导致的。不可能有什么事令你不得不举起双手嘟囔着说：“然后奇迹发生了。”古希腊哲学家嘟囔的并不是奇迹——他们不是无神论者。即使上帝，他们觉得，也应该用清楚可解释的规则对这个世界施加影响。定域性不仅对哲学家和科学家寻求那种类型的解释很关键，而且对采纳的方法也很关键。定域性保证他们把一件事和另一件事分开，一个个分别理解，一步一步地建立起世界的整个图景。他们不会面对一次性全部解决——这是不可能完成的任务。

1948年，爱因斯坦在生命的最后阶段写了一篇短文总结了定域性的重要性：“物理学概念指向一个真实的外部世界……那些声称独立于主观的真实存在的东西……这些东西据称是彼此独立存在的，意思是存在于空间的不同地方……如果没有这一假设，没有这一空间中相互隔开的物体彼此独立存在这一源于常识的假设，那么我们熟悉的物理思想几乎是不可能的。而且如果没有这一分隔，就没人能看得出来物理定律是怎样构造出来和怎样得到检验的。”

定域性之所以有如此普遍的重要性，因为它是空间这个概念的精髓所在。我的意思不仅仅是指“外层空间”这一宇航员和小行星的领地，而且包括环绕在你我之间、我们的身体和其他一切东西占据的空间，比如我们挥舞棒球棒所需的空间，或者我们打开卷尺测量距离的空间。不管你是通过望远镜观察行星还是用望远镜偷看你家邻居，你都在通过空间窥视。对我来说，这美丽的景致来源于跨越空间的令人晕眩之感，一种当你意识到山谷另一边的那个小点点实际上就在那里，只要你的手臂伸得足够长就能够着的、水平晕眩之感。

油画家早就意识到，空间不是空的，而是有理由独立存在。在油画构图上，帆布上的物体之间放什么东西与物体本身同样重要。空间对物理学家来讲是物理实在的油画帆布。几乎我们身体的所有属性都是空间的。我们每个人占据一个空间，我们有形状，我们会运动。细胞和体液在我们体内的空间中舞蹈，舞蹈设计精妙复杂。我们的思想是在空间中穿行的冲动。我们和世界上其他物体的所有相互作用都通过一定的空间来实现。活的生命体也是物体，物体难道不就是凭借在宇宙中占据一块儿来空间，从而获得个体唯一标识的吗？

物理学根基于研究物体如何在空间中运动，而空间几乎事实上定义了所有物理量：距离、大小、形状、位置、速度及方向。其他物理量也许看起来与空间无关，但其实与空间有关，例如颜色对应于光波的长短。只有很少几个物理量还没有已知的空间解释，例如电荷，而这些物理量也通过在空间中运动发生折射而暴露自己的真实身份。但我们观察一个物体时，关于它的一切最终都是空间的，是从其粒子如何在空间上排列而产生出来的，而粒子本身则是光溜溜的小点。先有形式，后有功能。即使非空间概念到了物理学家头脑里也会变成空间的，时间变成了图上的一个轴，自然法则变成了在“可能性”的抽象空间中运行。对爱因斯坦有直接影响的、最具权威性的康德思想，认为不可能想象没有空间的世界。

* * *

成也萧何，败也萧何。定域性曾经辉煌到极点，但也成了自己的掘墓人。命运真能捉弄人。尽管爱因斯坦因相对论而为世人熟知，但事实上他因共同创建了量子力学而获得了诺贝尔奖。量子力学描绘了原子和亚原子的行为。事实上，物理学家们认为量子力学描绘了一切事物的行为，尽管量子效应在微观尺度下最为明显。爱因斯坦和他同时代的物理学家悟出这样一个理论：原子和粒子不可能仅仅是我们周围看到的东西的微缩。因为如果是这样的话，即如果原子和其他粒子的运动规律符合牛顿及其同时代人的经典物理定律，那么这个世界一定会自我毁灭。原子会坍塌；粒子会爆炸；灯泡会噼里啪啦作响，放出致命的辐射。我们现在仍旧活着，那意味着物质一定由一组新的物理定律支配。爱因斯坦欢迎了这一新奇现象。事实上，尽管他最后（不公平地）获得了经典物理学最后守护者的称号，其实他自始至终都欣赏这些量子世界的奇异特性，思想非常前卫。

这些奇异特征之一是非定域性。量子力学预言两个粒子可能变成孪生兄弟。为了将两个粒子耦合起来，需要一个机制，所以这两个粒子应该完全是自主的；可在量子力学里，碰了一个就等于碰了另一个，好像距离对这两个粒子毫无意义。分而治之[5]的科学方法对这两个粒子失效。两个粒子有联合属性，如果你只看一个粒子，那么你抓不住这些联合属性，你只能将这些粒子绑在一起观测。我们这个世界纵横交错着这些看起来非常神秘的关系之网。你身体里的原子保留了一个纽带，连接着每一个你曾经爱过的人。这话听起来很浪漫，但当你意识到你也连接着每一个走在大街上处处跟你作梗的古怪人时，可就不那么浪漫了。

宇宙两端遥遥相对的粒子不可能被连在一起，对不对？爱因斯坦认为这个想法很傻，历史好像回到了科学诞生以前的巫术时代。他论辩道，任何理论如果隐含“幽灵般的超距作用”之含义，那一定是有什么东西还没找到。他猜这个世界其实是定域的，只是给你一个非定域的假象。他想寻找一个更深的理论，将隐含的两个粒子协同作用的机制表达出来。他也许尝试过，但他永远也不可能找到这样的理论，他承认过也许他自己就是那个没有找到的东西。也许不存在暗中的发条装置。定域性原则以及我们想象出来的空间可能根本就不存在。在他去世之前几个月，爱因斯坦思索过如果空间这个概念解体，那么对于我们对这个世界的认知将意味着什么。他说：“我的整个空中楼阁都将化为乌有，不仅是万有引力理论，而且现代物理学的其余部分也将化为乌有。”

更鬼魅的是爱因斯坦同时代物理学家的乐观态度。对他们来说，非定域性不是问题。他们对此不屑一顾的理由非常复杂，物理学家们至今仍在争论，但也许最善意的解释是实用主义。让爱因斯坦烦恼的问题，似乎与量子理论的实际应用无关。但只有到了20世纪60年代新一代物理学家和哲学家才真正耐心听取了爱因斯坦的担心。他们的实验暗示非定域性在理论上并不奇怪，而是真实生活的写照。而且即使在那时，他们的大部分同事都不会多想这个问题。这就是为什么我在读研究生的时候对这个问题百思不得其解。

但是在过去的20年里，我看到学界的态度在慢慢但显著地改变。非定域性突然进入主流物理学里，席卷范围远远超过爱因斯坦发现的现象。作为科学撰稿人和编辑，我有幸采访了各行各业的科学家，他们有的是研究亚原子物理的，有的是研究黑洞的，有的是研究宇宙宏观结构的。我常常听到类似这样的说法：“可是很古怪，如果不是亲眼所见，我不可能相信，但的的确确看起来世界只可能是非定域的。”这些研究人员就像宇宙两端的粒子，彼此互不相识，不知道对方的存在，却意识到同样的结论。

如果爱因斯坦认为非定域性有巫术的味道，新的研究是否支持这个所谓的超自然现象？有些人认为是这样。在过去的10年里，一些科学家猜想粒子之间的非定域联系可能赋予你超自然的特异功能。例如，如果你大脑里的粒子和你朋友大脑里的粒子发生量子纠缠，也许你们俩之间就会有心灵感应。另一个极端，许多物理学家觉得非定域性研究有超自然暗示，是胡言乱语，因而完全不去理会这一学科的研究。事实上，粒子之间并不存在联系。没有任何证据站出来支持第六感官（ESP[6])，而且所讨论的那些非定域现象实在微不足道，不足以使思想转弯或控制远方的棒球比赛。

有些人对此很失望。其实，他们不应该失望。如果世界不是魔术般的那才叫奇怪呢。我前面讨论过，定域性是人类存在的一个前提。任何非定域性都要安全妥善地收藏起来，只有在特定条件下才显露出来，要不然我们的宇宙就会很不利于生命的产生和发展。非定域性现象如此惊心动魄，远远超越任何超自然现象，它给我们提供了一个窥探真实物理实在的窗口。如果影响力能够跨越空间，看起来就好像空间并不真的存在一样，那么自然的结论是，空间并不真的存在。哥伦比亚大学弦理论家布莱恩·格林在2003年出版的《宇宙的结构》中写道，非定域关联“告诉我们，在底层，空间并不是我们曾经认为的那样”。那么，空间到底是什么？研究非定域性可以为解答这个问题提供线索。许多物理学家现在认为空间和时间的概念将被颠覆，空间和时间不再是自然的基本元素，而是从一些原始的无空间状态生成的产物。空间就像一个大地毯，边缘毛毛糙糙，而且有磨损的痕迹。正如我们仔细观看地毯磨损的地方时能看出来地毯是怎么编织的，通过研究非定域现象，我们可以窥见空间是如何从没有空间属性的构件中编织出来的。

世界领先的物理哲学家之一、纽约大学教授蒂姆·莫德林说：“我一直认为，现在仍然认为，非定域性的发现和证明是20世纪物理学的一个最惊人的发现。”在20世纪90年代末的一篇论文中，他总结如下：“世界不是由一组分置的、定域的、只通过空间和时间外在建立联系的实体组成的。世界是由一些更深层次的、更神秘的东西编织出来的。物理学进展到这个时刻，该开始沉思到底是什么。”

与此同时，准确地说因为这个问题生死攸关，其他科学家告诉我，非定域性不可能是真的—— 一个或两个非定域现象到头来将被证明是误解，把这些现象混为一谈是不对的。物理学家们基于空间概念的逻辑推理取得了巨大的成功，他们不可能轻易放弃。其中一个物理学家、不列颠哥伦比亚大学物理学教授比尔·盎鲁与爱因斯坦有同感“：如果我必须知道宇宙的所有一切才算无所不知，如果我真的把‘非定域性’看成重要的事，如果地球上所发生的事情决定于遥远的星星，那么研究物理学就没有什么意义了。我们有可能研究物理学是因为世界是可划分的。如果我们真的需要看星星才能知道我们的未来，那么我看不出来我们怎么研究物理。”

除了其内在的魅力，非定域性是科学论辩法的理想例子。莫德林和盎鲁之间的分歧是纯精神的，没有任何经济利益让你怀疑其背后的动机，没有埃克森美孚说客咆哮公堂，争论没有个人感情因素，大部分人都是朋友。数学是非常简单的，实验结果毫无争议。而且争论还在进行，将历经几代物理学家。今天的学者们仍在排练着20世纪二三十年代爱因斯坦和对手的争论。为什么会是这样？如果专家们都意见不一，那么我们其他人怎么办？

想一想最近一段时间声名显赫的科学大辩论——气候变化。大多数气候学家认为人类活动造成全球气候变暖，但仍有许多人坚持不同意见。而对于那些读报纸或浏览网络的人来说，这种争论令人疑惑，因为大多数人没有时间变成大气环流模型专家或长波辐射测量专家。但我将看到的是，大争论将在实际意义下被解决，不论专家们是否还继续争论。在大气变化方面，公众总是知道需要做什么，不需要做什么。的确，气候变化所导致的灾难很可能发生，但规避这种风险只需要一点谨慎就行了。正如即使没有燃烧理论的博士头衔，你也应该知道为自己的房子买火灾保险一样。同样道理，对于非定域性这件事，即使最死硬的怀疑派现在也承认的确发生了很古怪的事，这些事迫使我们重新思考曾经深信不疑的时空概念。如果我们想知道宇宙是怎样诞生的，以及自然界是怎样完美地结合在一起的，那么我们需要理解这些古怪的事到底是怎么回事。

社会故事并不仅是科学的花边，它其实是与科学密切相关的，因为在不断变化的研究领域中，概念在碰撞，没有什么是完全清楚的。科学门外汉以为科学采用的传统方法，即运用事实、逻辑、方程和实验是不足以形成一个封闭体系的。科学家们必须找到他们的直觉、隐含的比喻，以及运用判断来确定他们的基本原则是否充分。我自己在决定研究非定域性后，曾开始了一段闲适的自然远足，但很快发现自己钻进了离奇的热带雨林，树影婆娑，光怪陆离，到处都是迷宫般的小路以及爬满火蚁的把手。有些物理学家一听说要反叛最古老最深刻的科学概念就兴奋起来，另一些物理学家则生气地直耸肩。如果定域性失效，是不是意味着我们的宇宙是不可理解的（正如爱因斯坦担心的），抑或物理学家能找到其他让宇宙可理解的方法？

[1].nonlocality，非定域性，也有人翻译成“非局域性”。——译注

[2].源自《圣经》，亚当和夏娃偷吃了禁果，从此被逐出伊甸园。——译注

[3].zoo of particles，科学家已经发现了几十种基本粒子，列出一个长长的粒子名单，称之为“粒子动物园”。——译注

[4].约翰·多恩（John Donne），是英国詹姆斯一世时期的玄学派诗人。他曾写道：“没有人是孤岛。”因此这里作者说：“对不起，每个人的确是个孤岛。”——译注

[5].分而治之，Divide and Conquer，一种对付复杂问题的有效计算方法。——译注

[6].ESP，Extrasensory Perception，超感官知觉，俗称第六感，某些人认为人存在一种超出视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉的能力。——译注

第1章 形形色色的非定域性

恩里克·加尔韦斯的实验室在科尔盖特大学，大约有可放两辆车的车库那么大。像大多数的车库一样，实验室里面塞满了东西。沿墙有个工作台，其上堆满了工具箱和各种失修的电子齿轮。一进车库，左边是最常用的装置——咖啡壶。房屋中间是一对光具座装置——两个达到工业强度的钢制平台，每个大小都像餐厅里的餐桌一样。桌子上钉着带有小孔的板子，为的是装镜子、棱镜、透镜和滤光片。加尔韦斯说：“感觉就像再玩一遍 Erector 玩具[1]。”加尔韦斯是一个敦厚的秘鲁人，长得特别像阿尔·弗兰肯[2]。

如果什么人愿意担当向世人展示量子纠缠的重任，那无疑非加尔韦斯莫属。量子纠缠是现代物理学家观察到的最著名的非定域现象之一，爱因斯坦觉得它很像幽灵，有不祥的预感。“纠缠”这个词取自爱情里的浪漫纠缠之意：一种特殊的、有潜在麻烦的关系。两个粒子纠缠在一起，意思并不是字面意义上的像线团那样互相缠绕，而是它俩之间有一种特殊的超越空间的暧昧关系。如果生成、偏转和测量的光束不是一般的手电光束，而是纠缠的光子形成的光束，你就能看见这种效应。这个实验的早年版本是20世纪70年代在伯克利和哈佛做出来的，里面有一些疯子科学家用的非常奇怪复杂的仪器：一个滚烫的炉子、一组玻璃窗格和一架哗啦作响的电子打字机。现在加尔韦斯利用了Blu-ray激光器和光学纤维，让这套装置最小化，以致它可以放在教室内的课桌上。

大多数我见过的实验物理学家内心深处都是喜欢捣鼓小器具的手艺人，容易被一些酷玩意儿迷住，正如容易被宇宙的神秘性迷住一样。新加坡量子技术中心的一个实验物理学家告诉我，进入他的实验室的学生必须经过一个小测验，小测验里没有一道物理题目，而是讲故事，故事里必须讲你怎么把自己家里的电器拆掉，然后在家里人发现之前怎么设法组装回原状。显然，很多人选的是洗衣机。对加尔韦斯来说，他的童年对玩化学——那些各种各样的爆炸玩意儿——最有激情。他生长在秘鲁首都利马的一个中产阶级社区，一次他和朋友尝试着做火药，最后做成的是一个冒烟的炸弹，效果差不多。“（这）比爆炸的东西更有意思。”加尔韦斯边回忆边说，“就是有点危险。”

加尔韦斯称自己几乎是很偶然地成为一名研究非定域性的物理学家的。和大部分物理学家一样，他当时对非定域现象没有想得太多。20世纪90年代末期，一个同事带着一个戏剧性的新闻来到他的办公室，告诉他说奥地利物理学家安东·塞林格和他的实验室用量子纠缠把粒子从一个地方瞬间传送到另一个地方。“瞬移？！”任何《星际迷航》 [3]影迷听了这个都会精神一振。尽管塞林格团队只是一个个地传送光子，而不是一次传送整个飞船空降师，这个消息仍然很“酷”，比得上冒烟的炸弹，而且这个过程非常直截了当。假设你想把一个光子从实验室左边瞬移到右边，首先你需要准备好瞬移传送器，也就是生成一对彼此纠缠的光子，并且把它们分别放在实验室两边。然后，把要传送的光子拿出来，让它和左边的粒子产生交互作用。由于这两个纠缠的粒子之间有特殊的关系纽带，右边的粒子立即感受到这种交互作用，允许光子在右边重构。（有人怀疑这个过程不算真正的“瞬移”，他们认为这个过程神似“身份盗用”。实验者剥夺了左边粒子的性质，将这些性质推到右边的粒子上。但一个粒子无非就是它的所有属性的总和，所以这两组性质等同于同一个东西。）

加尔韦斯及其同事已经有了全套仪器设备，不久他们就开始在实验室里输运粒子了。他说：“我们当时只是为了好玩，想看看瞬移是怎么回事。”另一个同事提出设计一个连“诗人学物理”班的学生都可以做的物理纠缠实验。实验并没有做瞬移，而是实现了纠缠实验过程的第一步也是最重要的一步，即生成纠缠的光子并将它们分开。对于这个现在看来非常简单的实验装置，他们当时在实验室里汗流浃背地干了两年。加尔韦斯开始在ALPhA工作室（一个物理教育小组）为老师们演示这个实验是怎么做的，他把实验过程做成手册放到网络上，让那些喜欢自己动手做实验的人也能在自家地下室里做粒子纠缠实验。ALPhA的前任主席戴维·凡·巴克欢呼道：“太棒了，纠缠实验不再只是研究所和大学的事了，它已经走到寻常百姓家中去了。”

在我访问加尔韦斯实验室的那天，他的一个光学平台（光具座）让给了量子纠缠实验，实验目的不仅是演示纠缠，而且也研究造成纠缠的原因。我认识到实验基本上是高技术版本的鲁宾·戈德堡投币装置，只不过用光子代替了硬币，是“正面朝上”还是“反面朝上”取决于光子是否穿过滤光镜。系统经过微调可使得光子穿过滤光镜的概率为50%，正如投掷骰子。该实验的基本思路是生成一对硬币，两个同时投掷，记录是正面朝上还是反面朝上；然后再生成一对，投掷、记录……重复几千次，将统计数据叠加起来。乍一看，要想得到一个可预测的结果需要费好大工夫，但如果你想到我们说的是量子硬币就不是这样了。显然将粒子想象为硬币只是一个比喻，但只要你不在字面意义上去理解它，就完全是合理合法的。物理学家利用比喻理解现象。

为了启动这套装置，加尔韦斯打开一台紫外激光器，让激光通过一组光学元件，以保证光束对齐。激光打到一块小小的硼酸钡晶体上，这是中国科学家20世纪80年代发现的一种材料，它可以把一束紫外光分解成两束红光。分解以粒子为最小单元，如果你放大仔细看，就会看到由一个个光子组成的光束，就会看到有些紫外光子打到晶体上，然后能量分解成一对双胞胎红色光子。瞧，一对硬币！晶体的上游是一个称为波片的光学元件，加尔韦斯用它来控制晶体的输出。红色光子是否纠缠取决于他怎样设置波片。

一旦两道红色光束分道扬镳，它们就不再相互作用了。加尔韦斯将两道红光分别对准两个偏振滤光镜（就像摄影师加在镜片上以消除不必要的强光的偏振滤光镜），如图1-1所示。滤光镜允许光子穿过或挡住光子，这取决于它们的振动方向——极化方向。加尔韦斯可以通过旋动滤光镜一侧的旋钮来控制让哪些光子穿过。在这个实验里，他把两个滤光镜设置得完全一样，随机地只允许一半数量的光子穿过，从而模拟硬币投掷实验。

图1-1 量子纠缠实验装置（图片由珍·克里斯滕森提供）

从滤光镜中穿过的光子被送至探测器，探测器将它们转换成电子脉冲。探测器是全套系统中最昂贵的（打破了得赔的那种）部件，非常敏感，能够探测到一个光子。探测器每件价值4000 美元，很容易被强光损坏。即使室内灯光全部关掉，探测器的读数也会疯狂跳动，因为即使只有一丝灯光也会让指针冲上去。看着这些探测器的指针，不禁让人想到，一个看上去漆黑的房间实际上是多么明亮。我们必须保证电话和笔记本电脑完全关掉，因为只要LED灯光闪一下，整个实验就会前功尽弃。“有一段时间我们不得不将实验室里所有闪光的东西都用黑色胶带封上。”加尔韦斯说，“要是你知道我这个实验室里有多少闪亮的东西，你会很吃惊的。”他把一块黑丝绒布铺到仪器上，然后在整个光学平台四周拉上一道厚厚的帘子。

最后，探测器连上有3个电子读数的仪表。该仪表安放在帘子外面，其中两个读数显示穿过左边和右边偏振滤光镜的光子的个数。加尔韦斯打开激光器，读数就像以微秒为单位的秒表一样往上跑。第三个读数显示“符合数（coincidences）”，就是一对纠缠的光子都通过了自己的滤光镜的对数。用投币实验比喻，一次“符合”意味着两个硬币的正面都朝上。这些符合数是加尔韦斯窥探量子非定域性的窗口。

带我转了一圈后，加尔韦斯准备采集一些数据了。为了检验一下是否一切工作正常，他先将波片设置成生成非纠缠光子，以模拟投掷普通硬币。仪器盘读数显示约每秒25对符合。为了比较说明，如果每一对的两个光子都成功地穿过滤光镜，每秒的符合数就将是100对，所以符合率大约是最大可能值的1/4。从概率论角度看，这是对的。如果投掷两枚硬币，每一个正面朝上的概率是1/2，所以两枚硬币同时正面朝上的概率是 1/4，如表1-1所示。

表1-1 投币实验结果

续表

注：在正常情况下投掷两枚硬币，平均只有1/2机会同时正面朝上或反面朝上。但如果你准备的是一对纠缠着的量子硬币，那么它们总是同时正面朝上或反面朝上。

现在加尔韦斯调整波片让它生成纠缠的光子，于是符合数跳到了每秒50对。在地下室的实验室里，电子读数从25上升到50，看起来不算很多，但那是你自己的事。要想通过表面现象窥视这个世界底层发生的事，在证据非常微弱不易察觉的情况下，是要付出很大努力的，但这丝毫不会影响它的戏剧性效果。为了这一时刻，这么多年的等待和准备都值得，因为我看见了50对。当我意识到自己看到的是什么的时候，我颤抖了一下。光子表现得像一对魔术硬币。加尔韦斯投掷了上千次硬币，每次这一对硬币总是同时正面朝上或反面朝上。这种事单凭运气是不可能的。

如果我的朋友在聚会上表演这个魔术——投掷一对硬币，使得它们同时正面朝上的概率比正常情况高出1倍，我会猜那是恶作剧。我的朋友很可能去过魔术商店，买了两面都是正面的硬币，这样实验结果是事先确定的。是不是加尔韦斯的实验结果也有类似的特技？为了进行检验，加尔韦斯采用了爱尔兰粒子物理学家约翰·斯图尔特·贝尔于20世纪60年代提出的策略。他将其中一个滤光镜翻转90°，像投掷硬币用左手而不是用右手，这样做并不会改变粒子穿过滤光镜的概率。如果结果真是事先确定的，那什么都不会影响。但这一看起来无害的变化的确对光子产生了效应。符合计数器的读数顿时降到几乎为零，意思是如果一个光子穿过去了，另一个就肯定过不去。换言之，一对魔术硬币从总是同一面朝上变到总是另一面朝上。这个搞恶作剧的人需要特殊的诡计。这样把实验进一步细化，加尔韦斯排除了阴谋诡计的猜想。

我又仔细查看了一遍光学平台，那些滤光片相隔手掌那么厚的距离。塞林格和其同事的实验曾把距离拉长到160千米，量子技术中心的研究人员正在研究基于空间的量子技术版本，准备把距离拉得更远。一个微小的粒子也可能出现在宇宙的另一个角落。光子跨越那个巨大的鸿沟协调它们之间的行为，它们没有互相接触，而且也没有已知的力连接它们，然而它们步调一致，就像一个人一样。当加尔韦斯旋转光具座左边的偏光镜滤光片，一个光子穿过去时，光子将向滤光镜的方向极化。和它纠缠的那个光子步调一致，紧随其后：它必须和它的伙伴采用同一个极化方向，同时还必须对自己这边的滤光片做出反应。这样，左边发生的事影响右边的事，尽管没有时间跨越空间施加影响。的确如此，这种影响力可能一下子就传到右边来——以无限快的速度，明显比光速快，明目张胆地挑衅相对论。这是非定域性的众多神秘之处之一。物理学家们评论说，从来没有见过这么逼真的魔术了。“学生们喜欢这个。”加尔韦斯说，“好学生会说‘让我自己想想这是怎么回事’。”

闭嘴，好好算！

非定域性现象是不是怪诞的狂欢节演出？欢呼热闹一阵就过去了，没有更广泛深远的意义？抑或它在物理学舞台上占据中心位置？在20世纪的绝大部分时间，物理学家把非定域性看作荒诞剧，我在学生时代也采取这种态度。直到几年以后，我仔细研究了莫德林的著作《量子非定域性和相对论》，才开始欣赏这一神秘现象的深层涵义。

莫德林坐在他的中岛乔治设计风格的客厅里告诉我，他永远不会忘记听说量子非定域性的那一刻。那是1979年秋天的一天，莫德林是耶鲁大学物理专业的学生，他翻开最新一期的《科学美国人》杂志。封面故事是屎壳郎，莫德林很快翻过去，目光直接落到一篇早期纠缠实验的文章上。粒子魔术一般的行为让莫德林目瞪口呆。他说：“我记得读了那篇文章后，我的室友也记得那一天，我在宿舍里走来走去，走了好多圈。这个世界不再像我以前以为的那样了，让人烦恼至极、惶恐不安。”

而且，他的物理教授也让他很烦恼。和我的物理教授一样，他的物理教授对这一现象只字不提。当莫德林向他们探讨这一问题时，他们总是不按约定时间来。莫德林回忆道，一次上课时他举手问，量子理论会不会让位于一个更深的理论，这个更深的理论能够解释这些看起来自相矛盾的现象实际上是完全可以理解的。那个教授连理也不理他，回过头去继续在黑板上写他的希腊字母。“他根本不作任何解释，”莫德林说，“因此，他以拒绝回答的方式完全关闭了问题的大门。”

为了让你体会到莫德林和我遇到的不明白之处，你必须回到爱因斯坦和另一位量子力学奠基人、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在20世纪二三十年代著名的争论上。爱因斯坦担心非定域性会和他的相对论发生矛盾，于是就争辩说，非定域性一定是某种幻觉，反映出我们对自然某些重要的侧面的无知。玻尔反驳说：“……嗯。”其实谁也不明白玻尔说的是什么。他的论辩只是重新解释了一下什么叫“纠缠”。他的长篇大论有时被解释为拥护非定域性，有时被解释为与非定域性竞争。但只有这一点所有人都明白，他其实在声称，现象怪异背后到底是怎么回事其实不重要，只要理论能对实验结果做出预言就行。

任何看过美国总统竞选辩论的人都知道，判断谁输谁赢其实经常不决定于参选人实际上说了什么。大部分物理学家希望玻尔-爱因斯坦之争告一段落，这样他们可以将量子力学应用到解决实际问题中去。仅仅因为玻尔说量子力学是完备的，他们就集结在玻尔周围，而摒弃爱因斯坦，说他过时了。一位物理学家曾写道：“如果爱因斯坦当时拿着鱼竿去钓鱼（不跟玻尔争辩），那么他的名望即使不会提升，最起码不会降低。”

在后来的几十年里，物理学家用量子理论进行了各种有用的计算。他们琢磨出晶体管、激光器和其他现代世界的支柱产品。于是，他们集体做出的决议似乎被证明是正确的，即暂时将量子理论更深意义问题的争议搁置一边。每当有人提出概念性的质疑时，物理学家就说这是“哲学问题”，意思是不欢迎这样的问题，说这种问题根本不应该提。英国物理学家保罗·狄拉克写道：“只有哲学家想要对自然的一个完全令人满意的描述，哲学家真烦人。”

莫德林的确曾经令别人烦恼过，所以他决定在研究生期间读哲学，而不是物理学。“我想对一切刨根究底，”莫德林说，“做哲学家才能这样。”哲学家和物理学家的区别不仅在于兴趣点不同，而且在于方法上的不同，哲学家培养逻辑思维，而不是数学或实验。莫德林在哲学家中赢得了声誉，被称为扳倒博士（Dr.Takedown），意思是他对几乎所有论证都能找到漏洞。莫德林说，在他做研究生期间和做教授的最初几年里，非定域性总是在脑海里嗡嗡作响，但他认识的人好像没一个对此感兴趣，而且哲学家似乎跟物理学家一样，被定域性的魔法控制住了。另外还有其他事情让莫德林不能对非定域性想得太多，直到1990年秋天约翰·斯图尔特·贝尔逝世。

贝尔把爱因斯坦和玻尔争论之门重新打开，在这一点上他比其他任何人做的工作都多。他在20世纪50年代初上大学时就开始怀疑玻尔的胜利，但后来意识到当时如果表示疑虑，于他自己的事业不利。到了60年代中叶，他因研究基本粒子和设计粒子加速器开始小有名气，包括领先研究大型强子对撞机。贝尔感觉足够安全了，可以回过头来重新想想他年轻时关心的问题了。他证明非定域性无需争辩了，任何人都可以在实验室里玩出非定域性。正如爱因斯坦一样，贝尔费了好大劲儿想让他的同事相信这一点。他的第一篇关于非定域性的论文发表后4年没有得到一次引用，而且1985年以前的教科书也只字不提。贝尓的工作即使得到了关注，也往往被误解。一则讣告称他为“那个证明爱因斯坦错误的人”。这完全失去了要点，贝尔的本意是“非定域性”已经超越了旧日的争议。他说：“爱因斯坦也许错了，因为他认为非定域性也许最终被证明只是表面看起来如此，但玻尔完全无视非定域性也是错的。”

也像爱因斯坦一样，贝尔对非定域性不遵从相对论原理感到沮丧。物理学家是不会放弃量子理论的，因为它经受住了所有实验的检验。说相对论是错误的同样不可思议。在1984年的一次演讲中，贝尔说：“我们遇到了深层次的明显的不相容，现代理论的两大基本支柱理论的不相容性。”即使那些同情贝尔的人也没有看见这一不相容性。在创建相对论时，爱因斯坦想到过我们怎样收集信息，例如光或声音这样的信号一定经过了一些物体才抵达我们的感觉器官。如果这些信号瞬间就传达到我们的感官，那可能就有冲突，随之而来产生悖论（佯谬），事情同时既发生了又没有发生，宇宙这个大机器突然不工作了。然而量子魔币安然无恙，不会构成风险，它们内在不能发出信号。它有时正面朝上，有时反面朝上，你不能命令它。你没有办法控制它让它传递消息或做任何其他事情。所以，你也不可能利用它制造悖论。危险避免了。

换句话说，如果量子纠缠是魔术，那并不像魔术师甩一甩魔棒就神奇般地让它发生了。而量子纠缠这个魔术是自发的，而且只有你小心翼翼地仔细看才能注意到。这种魔术非常脆弱，容易搞砸。表演这种魔术是不会让你赢得魔杯大奖的。绝大多数人因此得到些许安慰：量子力学和相对论可以“和平共处”。

为了纪念贝尔，罗格斯大学的几位哲学家就量子物理组织了一个座谈会，请莫德林讲话。他从自己的学生时代讲起，围绕着关于爱因斯坦和贝尔发现的传统说法进行反驳。在莫德林看来，通常认为理论上的和谐有点儿太和谐了。他说：“仅仅指出不可能发送信号，在我看来并不足以保证（量子力学）和相对论没有根本矛盾。”即使一对纠缠着的粒子并不传递信号，量子理论仍然在说，一个粒子的行为瞬间影响另一个粒子。因此，这个理论要求宇宙有一种主时钟，保证对一个粒子来说晚上7:30，对另一个粒子来说也是晚上7:30。而相对论否认这种事。之所以称之为“相对论”就是因为时间的流逝是相对的。两个事件对一个人来说同时发生，对另一个人来说则是相继发生的。

莫德林根据他的谈话出版了一本书，该书的出版刚好碰上量子纠缠兴趣高涨期。实验科学家意识到这个现象并不像以前认为的那样没有用，开始研究量子纠缠在密码学和计算机中的应用。例如，牛津大学物理学家阿特·埃克特（现在是量子技术中心主任）在1991年证明了纠缠的粒子可以创建一个隐蔽的通信频道，连最诡秘的政府监视系统都监听不到。一旦物理学家认定了纠缠的重要性，他们就开始看几乎到处都有纠缠，连每一个活的有机体里都有纠缠。在光合作用里，分子出奇高效地将光能转化成化学能，从而使地球上可能产生生命。现在认为这是量子纠缠的贡献。

到了千禧年转折时期，爱因斯坦的那篇关于这个问题的最早论文变成了物理学史上最广为引用的论文。与此同时，物理学家和哲学家之间的那堵墙轰然倒塌。作为实验物理学家先锋派，塞林格以前总是和莫德林意见相左，而现在他们开始交换意见。这在20年以前连想都不敢想。塞林格告诉我：“哲学家和物理学家的沟通是取得实质性进展的关键。”

量子非定域性显然不是拉斯维加斯的一场晚宴，而是真实世界的一个必不可缺的侧面，而且物理学家和哲学家至今仍不很清楚这背后是什么魔术。有没有这种可能：如果他们顺藤摸瓜寻找答案，其实那答案在其他科学领域？从世界上其他形式的非定域性中，他们能得到什么启示？

观天者与攀冰者

在20世纪的大部分时间里，唯一有人关注的非定域性现象是纠缠粒子的某种特定同步性，但后来物理学家逐渐意识到其他现象也很可疑，如同幽灵一般。研究黑洞的人认为在黑洞这类宇宙真空吸尘器里的一种非定域性（即物质可以从一个地方跳到另一个地方而无需跨越中间的距离）比爱因斯坦担心的情况更令人困惑。

黑洞长期以来被物理学家首选为宇宙间最古怪的事。拉梅什·纳拉扬曾看见过活动中的黑洞。正如加尔韦斯，纳拉扬说他很晚才发现自己对科学的激情，而且相当偶然。孩童时期，他对天文学没有一点儿兴趣。我遇见的大多数天体物理学家都回忆说他们自孩童时期起就着迷于黑洞了，但纳拉扬是少数几个例外之一，他着迷的是水晶。他的第一个工作是在印度南方著名的班加罗尔拉曼研究所搞研究，他发现自己混迹于一群探索宇宙奥秘的人之中。他很快被吸引住了，变成了宇宙气体流专家。这种流动的控制原理很简单：所有进去的势必出来。每当宇宙气体碰撞上恒星表面，恒星必然受热；恒星势必将能量返回太空，通常以红外辐射或可见光的形式进行。“所有进入的能量必须释放出来。”纳拉扬解释道，他现在是哈佛大学的教授。但20世纪90年代初期，天文学家注意到，在我们的银河系中心，这个规则有一个很奇特的例外。

银河系中心很容易寻找，你自己就可以找到。下次夜晚走到房外凝望夜空时，找一找人马座。在我的家乡，夏夜或早秋之夜最容易看见人马座，星空中它悬挂在南方的地平线之上。它看起来应该像射手，但大多数天文学家说他像一个巨大的茶壶，茶壶嘴就指向银河系的中心。由肉眼看来，银河系中心仅仅是天空中的一小块模糊区域，但20世纪40年代用望远镜观察时，发现那里是一大锅涡旋气体。在正中心处，气体向一块很小的区域汇集，称之为人马A*。这块区域黑暗得令人费解，流进去的气体带入的能量只有1%流出。“眼睁睁地看见能量进入银核中心后，‘噗’地一下，消失了。”纳拉扬说。

这就是黑洞的定义，意思是引力如此之大，以致进去的再也出不来了。艺术家有时把黑洞描绘成太空中巨大的坟墓，但从外表看起来它像一颗行星，一颗巨大的、疑似黑色的行星。可能有物质环绕它运动，而且通常有。但如果你试着用手指触摸一下你以为的行星表面，你的手指就会穿过去，这个物体是空的。这个表面又称“黑洞表面”或“事件视界”，其实是假想的临界表面，过了这个临界面，掉进去的气体或其他物质就回不来了，只有超过光速时才有可能返回。对于人马A*奇点，视界构成了一个直径为2500万千米的球面。想穿越它的物质不停地坠入其中，仿佛汽车闯入单行的死胡同，摇摇晃晃闯入某种未知命运，想必是厄运。“这就是黑洞的唯一特性。”纳拉扬说，“黑洞没有表面，这就是它与众不同之处，所有进去的气体和能量全都被吞掉了。”

那么，那些东西后来命运如何？这就是个谜。不幸的是，物理学的两大主要理论（引力理论和量子理论）关于物质被吞掉后的命运，得到了完全相反的结论。简而言之，引力理论说粒子掉到黑洞之后就再也不可逆转了，而量子理论说没有什么东西会不可逆转。前者说进去的东西再也出不来了，永远被黑洞吸了进去。后者说这些东西一定会出来，而且重新参与到宇宙的生命中去。这一矛盾警示，现代物理学里的某些关键原则一定是错的。

纳拉扬的观察不能搞清楚这个问题。解决关于黑洞的矛盾需要一个物理学的统一理论，一个将量子理论和引力理论融合起来的量子引力理论。许多一直在寻找这样的统一理论的人认为，定域性原则最可疑，最终将被证明。如果有物质可以超光速穿行，或从里向外拱出来，而无需穿越空间阻隔，那么它一定能从黑洞的阴森束缚下溜走。

这个想法的首要倡导者是史蒂夫·吉丁斯，加州大学圣塔芭芭拉分校的教授。他常穿着工装短裤和绒毛夹克，花格衬衫从不掖在裤子里，一点儿也不像教授，你可能误以为他是徒步登山指导。其实你猜得不错，他曾经同时出现在《科学美国人》和《登山》杂志上。吉丁斯在很多体育项目上都成绩斐然，如攀岩、攀冰、高山滑雪、越野滑雪、登山和皮划艇。科学和户外运动对他来说相得益彰。“我觉得科学和体育运动是我与自然亲密无间关系的两个侧面。”他说。少年时代外出野营时，他总是带着一本物理书。上大学后，他得到了国家自然科学基金的资助，研究引力，周末他就在偏远的地方滑雪。刚毕业的那个夏天，吉丁斯给自己建造了一艘皮划艇，乘它划过科罗拉多河，穿过大峡谷，然后搭车去了丹那利国家公园。那是他第一次去这个公园，他记得看见一大一小两只驯鹿跑过来，离自己很近。“然后，我回头一看，才知道它们为什么一点儿也不怕我。”他说，“这两只驯鹿刚刚逃离一只大灰熊的追赶。大灰熊看见我后决定放弃驯鹿，而来追赶我。”吉丁斯想起公园巡逻人员的叮嘱，他站稳脚跟，对着大灰熊大喊大叫，直到它拖着脚离开，去寻找更容易捕获的猎物。

后来，吉丁斯搬到了新泽西。新泽西有很多迷人的地方，只是没有高山和大峡谷。生活好像变了个样，白天、夜晚、平日、周末，他都围着考试连轴转。普林斯顿的物理研究生学习计划好像故意和他的皮划艇嗜好作对。“没有什么值得兴奋的事。”他说，“那里有一种让学生感到害怕的气氛。”吉丁斯想溜，但最终没动。1984年，他刚刚考完试，理论物理学界突然兴奋起来。全世界的物理学家突然丢掉手头的工作，研究起了弦论。这是一个新理论，旨在提出一个关于自然的统一理论。

弦论得名于一个猜想，有人猜想亚原子粒子其实是一些微小的橡皮筋或吉他琴弦。我们看到的不同类型的粒子，其实只是这些弦以不同方式振动，使得世界好像一支复杂得难以想象的交响乐。20世纪60年代后期弦论曾一度因晦涩难懂而萎靡，后来弦论的几个推动者设法让大多数人相信其内在一致性，从而引爆了大家的兴趣。“我应该干这个，就这样我被这股大浪推了上去。”吉丁斯回忆道。弦论的领军人物爱德华·威滕让他解一个关键方程式。他挣扎了几个月，试了好几种数学技巧，终于解出来了。与此同时，他结识了几个皮划艇同伴，发现新泽西州还不赖，无愧于花园之州[4]的称号。“我开始意识到，也许就这样干下去挺好。”他说。

为了解决上面提到过的黑洞矛盾，需要寻找一个统一理论。1990年吉丁斯决定重新走一遍导致上述悖论的步骤，该步骤是由剑桥大学著名的理论物理学家史蒂芬·霍金于20世纪70年代中叶提出的。霍金的出发点是，衰败是自然法则。这个世界几乎所有的东西最终都会衰败。要想让黑洞创造出来，黑洞不应该也不可能幸免于衰败。衰败是创造的逆过程。“如果你能从一堆杂乱无章的废墟瓦砾中创造出黑洞来，那你就能让黑洞衰败成一堆杂乱无章的废墟瓦砾。”吉丁斯说。

根据霍金的分析，衰败并不意味着黑洞内部的东西渗出来。内部的东西怎么可能渗出来？内部的东西本来应该快于光速渗出来才能逃逸到黑洞表面。反之，黑洞是从外向内衰败的。黑洞表面向外抛出电场、磁场和其他力场，使其失去平衡，导致其往外抛出粒子像脱落生锈的碎片一样。一个质量与我们的太阳一样的黑洞大概每秒钟抛出去一个粒子，这太微弱了，像纳拉扬这样的科学家用仪器是很难探测出来的，但过了几万亿年之后这足够使黑洞还原成一团混乱的、无形的粒子雾。一切都丢失了，掉进黑洞的物质结构、物体本来含有的信息、一切识别它的蛛丝马迹全都丢掉了。换句话说，不可逆转的意思不仅仅是掉进去的东西再也不能出来。那倒没什么关系，因为从上帝的角度，你可以往黑洞里细看，重构出那些东西进去时的结构。但黑洞是在这个意义下不可逆的，即它抹掉一切物质结构是如此彻底、如此无情，以致连上帝也不可能恢复其本来面目。

霍金的计算很难，正如他自己指出的：他可以算出黑洞如何影响向外逃出的粒子，但算不出向外逃出的粒子如何影响黑洞——而可以想像，这种交互式的效应可能在黑洞内部和外部之间开一个后门，允许掉进去的物质重新跑出来。如果是这样，掉进黑洞的过程就是可逆的，那悖论就消失了。于是，吉丁斯和几个同事做了一个新的分析，基于弦论，试图寻找霍金计算中可能忽略的逃逸通道和藏匿之处。他们什么也没找到，霍金是对的。“在这些简单数学模型中，你真的只是证明了霍金原来的想法是对的。”吉丁斯说。

看来，走出悖论没有捷径，更别说走出黑洞。论证中一定有些预设是错的，其实只有两个预设：可逆性和定域性。一开始，霍金以为是前者，他暗示说量子理论是错的，坠入黑洞是不可逆的。然而量子力学是一个整体，要么全盘接受，要么全盘否认（如果某处不成立，那么所有其他地方都不成立）。如果像霍金设想的可逆性不成立，那么量子力学的其他场景应该发现类似问题，可事实上，我们没发现。霍金最后承认，黑洞应该是可逆的。那一定是定域性出了问题。“我一直在问自己这个问题：信息到底是怎么出来的——看起来不得不是非定域的。”吉丁斯说。

其他还有一些人几乎得到了同样的结论，但一般态度很暧昧。黑洞里的非定域性比粒子实验里的非定域性更难以理解。尽管量子纠缠现象有点儿微妙，不敢公然与其他物理定律作对，但以快于光速的运动穿过黑洞表面却不那么微妙。它公然蔑视爱因斯坦的速度限制，就好像在高速公路上开车，公然以每小时150千米的速度超过州警车一样[5]。因为听说吉丁斯正在考虑非定域性，有同事拦住他与他争辩，以致他想走到大厅的另一边取一杯咖啡都不成。最终，他放弃了这个想法，长达近10年。“感觉是疯了，”他说，“我没有继续向这个方向努力。我太早向怀疑者屈服。”但他其实只是略微有点超前于时代而已。

玩水泥的人和雕塑家的女儿

想一想竟然可能有第二种非定域类型，这可是不得了的事。那说明，爱因斯坦指明的现象只是一个更大的马赛克拼图中的一个小碎片。那并不证明非定域性真的正在运转或这两个非定域类型之间有关联，而只是心理感觉上这很重要。在科学上，一般像生命中一样，引人注意的通常是后者而不是前者。如果再加上第三个非定域类型，那就开始形成潮流了。

我要说的下一个非定域类型不像量子纠缠或黑洞那样久经考验。但如果是真的，那也非常有戏剧性。那是观察的结果，看起来那么显然，你可能都未意识到那是观察。如果你在夜晚走出去看夜空，你的观察是——很黑。夜晚黑暗看起来没什么启示，然而这却是大爆炸理论的基础之一，因为那意味着宇宙在年龄或大小方面都是有限的。如果宇宙的年龄或大小是无限的，那么沿每一个方向，我们都能永远看下去，我们的视线早晚会被一颗星星拦截。星星的光会形成一堵没有空隙的墙。就好像住在森林里，森林无限大无限老，深不见底，无论你朝哪个方向望去，你一定能看见一棵树。下次你在夜晚出去看星星时，把星星想象成树，黑的地方是空隙。星空这片森林要么太小以致你能看穿它，要么太年轻以致来不及把空间填满。

星空不仅非常黑暗，而且看起来到处都差不多。1996年我参加了一场会议，会上天文学家们展开了一幅星空宣传画，异常壮观地展示出星空的这种均匀性。我从来没见到过这么壮观的星空。他们将哈勃望远镜对准北斗星附近的黑暗区域，将目光锁定在那个方向10天，收集所有的光，目的是拍到有史以来最难以捕捉的星空影像——哈勃深空。3年后，他们又将哈勃望远镜对准与北斗星正相反的方向——南半球做了同样的事。这些影像不再像哈勃望远镜收集到的某些油彩画，它们的美有点儿低调。这些影像显示出我们目力所及最远的物体微弱得望远镜每分钟只能收集到一个光子。影像中数以千计的小红点就是整个星系，包括最早形成的一些星系。北边的影像和南边的影像在统计意义上看起来完全一样，这提出了一个悖论。这个悖论是马里兰大学的查尔斯·米斯纳教授于1969年首先意识到的。

米斯纳是与霍金同时代的人，另一位20世纪六七十年代推动黑洞和宇宙未知领域研究发生根本变化的物理学家。正如大多数物理系学生一样，我首先知道他的名字源于“MTW”里的“M”，“MTW”是物理学引力理论教材《引力论》[6]的3个作者姓名英文的通用缩写。《引力论》这本教材中有漂亮的小插图和阵阵的沉思，是少有的几本读起来有意思的科学教程之一。米斯纳小时候的兴趣不是物理，而是化学，像加尔韦斯一样。他记得小时候做化学实验时把衣服烧了个洞，被妈妈所埋怨。他的反应是：再做一个实验，把酸洒在不同的织物上，看看反应有什么不同。他的妈妈可能并不高兴，但他家的一个朋友听说此事后，让他想个办法让水泥养护更有效一点儿。他开发出了一种减缓水分蒸发速度的密封材料。

米斯纳刚进大学时学化学专业，但大学里的化学一下把他对化学的所有兴趣都赶跑了。“实验室糟糕透了。”他回忆道，“你必须一板一眼、循规蹈矩地完全按照‘烹饪书’的指示做。”于是他在普林斯顿大学转向学习物理，继续读物理专业研究生。刚好那时传奇的物理学教授约翰·惠勒（就是“MTW”里的“W”）正在开始对引力研究煽风点火，令其起死回生。当时尽管物理学家们宣称对爱因斯坦的万有引力理论无限崇敬，但没几个人真正去研究它，他们觉得真正起作用的是量子物理。惠勒认为引力是自然界中最具创造性的力。引力电磁体（Geon[7]）、时空泡沫、虫洞、黑洞，你不需要搞清楚这些词的意思，也能理解惠勒说的绝对不仅仅是“苹果掉下来砸到人的头顶”的那个力。“他有一种几何和物理直觉，令人兴奋地感觉到在那组方程中一定蕴含了很多东西，远远超过我们的想象。”米斯纳评论惠勒道，“而且，他是对的。”

夜空的均匀性一直没让人们觉得神秘，直到20世纪60年代两个突破性的观测出现。首先，天文学家发现了类星体（一些小光点）初看起来像恒星，但有颜色，而真正的恒星不会有颜色。他们突然意识到类星体之所以看起来那么生动是因为原来宇宙正在膨胀，将光波像 Spandex 衬衫上的商标一样拉长，使蓝色变成红色。类星体的光那么红，它们一定传播了数十亿年才抵达我们这里，因此，当我们看到它们时，一定是人们所看到的最古老的东西了。1966年，米斯纳得到一笔剑桥奖学金，在剑桥大学做了一年的访问学者。他记得看见在一个球形物体上天文学家绘制了类星体的位置，并且注意到球的一边比另一边有更多的粉笔印记，好像古代宇宙是向一边倾斜的。后来发现倾斜只是偶然的巧合，但却让米斯纳开始思考星空为什么应该是或不应该是各向同性的？第二个发现——发现宇宙微波背景辐射——迫使这个问题浮出水面。

射电天文学家首先注意到这种辐射的存在，他们的耳机里总是响着微弱但持续不断的嘶嘶声。他们将天线上的鸽子粪便刮干净后，耳机里还是有嘶嘶声。只要将天线指向天空，就能听见嘶嘶声，它们布满天空，没有间隔。研究人员很快意识到嘶嘶声是光的一种形式，当光从蓝到红，到红外，到光谱的微波部分铺展开来，实际上历经了一个比类星体更具戏剧性的彻底转变过程，展示出了更古老（现在估计为138亿年前）的发光体。宇宙微波背景辐射提供了当时的宇宙（即138亿年前的宇宙）的一个快照，看起来就像是暴风雪里的白牛，一杯几乎看不出任何特征的、原始的纯氢气羹汤。那时氢气甚至比后来的星系和类星体铺开得更均匀。

两个人穿完全同样的衣服，那一定有一个缘由。如果两个朋友来访时刚好穿着完全一样的外套，你可能以为这纯属巧合，但如果你发现很多穿着一样的人，那么你就会猜想这里面一定有关联：或许有着装规定，或许有一个群发的电子邮件做了提示，或许本地商店有个促销活动。人的衣着搭配方式很多，刚好随机挑选中同样的衣服，实在令人难以置信。同样，宇宙初期的物质可能有很多种安排方式，但各处的密度和温度完全相同，那简直不可能，令人难以置信。然而，事实的确如此。

怎么可能解释这种各向同性呢？如果有引力的话，其作用是把物质聚拢在一起，使其更不均一。宇宙学家猜测过其他过程，但他们遇到了非常基本的难题。天空中遥遥相对的两个星系（也就是宇宙最初的两团原始气体）处于视野所及的最外围，相距太远，任何太空的内部过程都不可能将它们拉开。毕竟处于我们视野最外围的意思是：来自外围星系的光历经非常漫长的几十亿年才能抵达我们，它还来不及跨越其他星系。

宇宙学家为此用地球水平线进行模拟，如图1-2所示。我们的地球表面是弯曲的，如果站在大海中央的救生艇上，你能看见5千米以外的东西。如果两条船遥遥相对开过来，一个从北，一个从南，你首先看到的是桅杆的顶端，然后看到船体慢慢从海平面上升起。从船上看，水手先看到你的头顶，然后你的全身逐渐出现在他的视野范围内。但在水手看到你出现在地平线上的最初一刹那，还看不见另一条船。我们就好像失事船只上的人被困在救生艇上，两个遥遥相对的两个星系正如这两条船上的水手。我们现在看见两个星系，但它们彼此没有遇见，更不用说有机会进行能量和物质交换了，从而将它俩均一化。因此，背景辐射应该是织物的边角余料而不是弥漫的辉光。“很难解释为什么天空不是斑斑点点的……”米斯纳说，“观测结果显示事物完美地协调在一起，虽然事实上彼此没有可能交流过。”

这种情形似曾相识，本书前文曾经介绍过这种情形。宇宙中遥遥相对的两个星系如此协调一致，明显违背光速的限制条件。这看上去跟加尔韦斯实验室里发生的事同样鬼魅，除了当时我们说的是小小的粒子，而现在说的是整个星系。1970年，苏联理论物理学家雅可夫·泽尔多维奇大胆尝试提出用量子非定域性的一种类型也许能够解释宇宙的均一性。但一般的宇宙学家不愿意走那么远，大多数人认为这个谜说明爱因斯坦的引力理论失效了，答案也许非得等待物理学大统一理论的出现。正如米斯纳所说：“没人认为在这种极端情况下爱因斯坦方程组仍然成立。”

图1-2 宇宙视界问题（图片由珍·克里斯滕森提供）

在大海上，我们能看见遥遥相对的两条船，尽管它们彼此看不到对方（上图）。类似地，我们能看到宇宙边缘的两个星系，尽管它们彼此看不见对方（下图）。如果这两个星系从来没有接触过，为什么它们会那么相似？

20世纪70年代后期，苏联和美国的物理学家想出了一个解决视界问题[8]的方案，无需放弃定域性原则，也无需放弃爱因斯坦的理论。想法是星空中遥遥相对的两个星系（或其实是它们的祖先）实际上曾经是相邻的，后来宇宙早年经历过一段“窜个儿”时期，两个星系被拉得越来越远。如果是这样，那么某些过程可能导致它们均匀。正如一对双胞胎，刚出生就将他们分开，分别抚养大，他们不知道自己有过一个胞兄或胞弟。这些星系在孕育时曾经彼此相依，但后来独立长大，而且只到现在才逐渐重新团聚。

这个解释如果可行，在窜个儿期，这两个星系一定被以快于光速的速度迅速扯开，以致到现在二者也没有联系上。一般“快于光速”这个词让物理学家感到非常不快，就像听见在黑板上刮指甲[9]的声音一样。但宇宙的生长绕过了旅行的速度限制，因为根本就没有发生过“旅行”，而是在星系之间长出了一个新的空间，正如动物或植物长大是因为长出了很多新细胞。因为星系事实上并没有在空中运动，所以速度限制与它们无关。“如果你观察两个星系，发现它们是静止的，但它们之间的距离却在不断变化。”米斯纳解释道，“如果你把这个认为是相对速度，那么在宇宙早期，两块物质的相对速度就会非常快，远远超越光速，这样它们才可能彼此永不相见。”类似这种通过生长而不是旅行来突破光速局限的情形还有一些。比如，想象一下你在一个大舞会上，舞者逐渐组成一条康加线（conga line）[10]。如果每秒钟有几十个人加入康加线，那么康加线两端有可能以88千米/小时或更快的相对速度离去，尽管没有人能真的跑那么快。

即使宇宙以正常速度生长，星系之间的相对距离也可能以超光速增加。但在那种情形下，当生长率随时间放慢后，星系最终仍会相遇。因此，宇宙必须有一段时期突然长大，才能保证星系同时诞生，而且不再相遇。

这个概念在术语里被称为暴胀，大多数宇宙学家认为这个概念如此优雅、如此诱人，以致谈起来好像早为人所接受的事实。2014年一个观察团队宣称他们在微波辐射中发现了暴胀的秘密图案——驱动暴胀的机制产生的涟漪。评论家们小心翼翼地用标准语言提出怀疑（用“if true”这样的词汇），但明显认为结果是真实的，因为他们早就在期待了。但几个月后，这个发现又破灭了，对这个理论的怀疑又点燃了，甚至提出暴胀理论的几个鼻祖都对此表示怀疑。主要的担心是暴胀理论预先假定了一个条件，而这个条件恰恰是它想生成的结果：要想使宇宙开始暴胀，那么在暴胀之前它一定已经超自然地均匀了。于是有些物理学家正在探索暴胀理论之外的其他解释，包括不仅仅看起来的非定域性，而且是真正的非定域性。

* * *

弗蒂尼·马可波罗[11]是对“暴胀”理论持怀疑态度的人士之一。我第一次遇见她是在一次惠勒纪念会上，她在物理学家新秀竞赛中第一个发言。她有个想法让我很震撼，她认为物理学理论应该考虑到我们人类是宇宙的一部分，而不是局外人。她告诉我：“有一件事真的让我感到很有趣：你身处在宇宙内部，你想理解宇宙，并且你认为你能够理解宇宙。这里有个互动：你身处在所要研究的系统内部，而你还能假装你不在系统内部，科学就是这么个东西。”所有科学领域都能感受到这种外部和内部视角之间的分歧，但在宇宙学领域这个现象更严重，因为宇宙学研究的系统（整个宇宙）根本没有外部可言。

马可波罗说她从小就被这个大画面吸引住了。“小时候，我就喜欢一个人走进空无一人的教堂，坐下来，仰头看着天花板。”她回忆道，“希腊东正教教堂一般都有像天文馆一样的穹顶，穹顶上画着宇宙图像。那有一种不知为什么总是让我心驰神往的感觉。想一想有个人试图看到他置身于其中的那个东西的整个画面，是不是很神奇？”童年的好奇应该自然地有一条捷径通向她的物理学生涯，对吧？但马可波罗抗拒这么简单的故事。她还喜欢艺术，她的父母都是雕塑家，她还喜欢考古学和建筑学。在大学的申请表上，她不知道要填写什么专业。她的高中校长建议她填写理论物理专业，于是她写下理论物理。在大学期间，一个朋友异常兴奋和崇敬地谈论起量子力学系列讲座，上课地点刚好在她回家的途中，于是她就进去听。“在那之前我还没有读过一本爱因斯坦的书，也还没有决定沿着爱因斯坦走的路继续走下去。”她说，“就这样，生命走过好几个岔路口，最终我决定理论物理是最有意思的选择。”

同样，她走到最终的主攻方向也有些迟：将量子理论和引力理论合而为一，研究出一个量子引力理论[12]。在本科和研究生一年级期间，她研究粒子物理学，然而她对自己的课程并不满意。“很滑稽，当你接受教育想成为一名物理学家时，你并不是真的在按照基本的方式学习量子理论。”她回忆道。她的同学和教授放弃了统一理论的想法，认为这是白日做梦。起初她也这么觉得，可是过了一段时间，她开始思考，也许就这么做梦也挺好。尽管宇宙神秘的答案也许连物理学家都很难理解，但至少量子引力研究人员在试图理解。“当你问‘为什么会是这样’这样有趣的问题时……总是看起来你本不应该问。”她说，“致力于这个有趣问题的是量子引力科学家。”最终诱惑越来越大，难以抵御。当吉丁斯寻求通过弦论统一物理学的时候，马可波罗最终加入了另一群物理学家的行列，走向一条试图调和引力和量子理论的道路。和弦论学家不同，这群物理学家不是致力于严格统一物理学的所有方面，因为现在发现的粒子和力的种类实在太多了，而是集中精力于万有引力。

马可波罗因以下这项研究而出名：关于现已提出的各种量子引力理论是否遵从定域性原则，研究结果显示大多数不遵从。常规看法认为这一不正常应该被局限在很小的尺度，比原子更小的尺度，但马可波罗表示怀疑，这么深刻的东西怎么可能被局限得那么小。“我有一种直觉，从一开始研究量子引力就有，也许量子引力的影响面真的很广，因为它想改变的是那么基本层面的事。”她说。马可波罗怀疑相距很远的星系的同步性可能就是量子引力影响的结果。宇宙的统一性可能就是第三种类型的非定域在起作用。已经有些弦论学家正在沿着这条思路思考。“宇宙视界问题就是非定域性与我们的正面交锋。”马可波罗说。

地下室里的粒子

在我之前讲的非定域性例子里，空间的最基本功能，即把东西分开的功能正在开始失效。纠缠的粒子相距甚远，却步调一致，无需通过空间传递信号。物质掉进黑洞，又设法从空间的深渊里爬出来。遥遥相对的两个星系看起来完全一样，没有桥梁架起空间的深谷。这些现象至少表面看起来是非定域的，但第四个也是最后一个例子将扭转局面。我考虑一个现象，它给你定域性的表象，但也许最终证明是非定域性的。

物理学家通常认为世界是由粒子组成的：电子、质子以及所有其他亚原子粒子。粒子恰恰就是定域性的体现[13]。这些物质颗粒存在于某个地方。它们只有相互碰撞或发送一个中介粒子穿梭其中，才发生相互作用。量子纠缠可能让粒子以某种非定域方式协调起来，但定域性这个基本观念保持不变。然而这说明整个定域粒子概念很别扭，甚至自相矛盾。

为了避免你把粒子想成遥远的抽象概念，其实你能亲眼看见粒子，超级容易。一天晚上，我走到地下室里，带着一个晚会上用的那种透明塑料杯、烘焙蛋糕用的锡纸杯、一瓶外用酒精，还有一个小气囊——那种用来把计算机键盘上的饼干渣子吹掉的小气囊。加尔韦斯演示的纠缠实验如此简单，这让我灵机一动，也许因为看了太多电视剧《百战天龙马盖先》而受到启发，我决定用这些家中常见的瓶瓶罐罐做一个粒子探测器，一个灰尘喷雾罐，喷一两秒钟，喷出的气流会非常冷，冷得足以使倒扣着的杯子里的酒精蒸气沿着充电粒子的路径凝结，就像飞机尾部拖出的白烟一样。

好几个星期，我都在捣鼓这个笨拙的玩意儿，试了好几个设计都没有成功，最终把几个想法结合起来开发出了一套设备，简单得不能再简单了。科学就是这样：好几个小时的挫败，中间伴着短暂的狂喜。小装置最后做好时，我注视着这些在房间里飞来飞去的又短又细的白色条纹，它们暴露了不守规矩的亚原子粒子的行踪。偶尔，我看见它们的轨迹突然转向，也许表示有两个粒子碰撞上了。我妻子只是很庆幸我没有把洗衣机拆开。

我发明的透明塑料杯粒子实验装置是巨大的大型强子对撞机（LHC）[14]上的粒子探测仪的微缩版本。2007年夏天，LHC的建设接近尾声时，我去访问过这个对撞机。我乘电梯向下走了40层，来到了一个很大的地下室，像大教堂一样大，里面全是仪器设备。让我吃惊的不是仪器设备的大小，而是多得吓人的数据线。2900千米长的数据线像一条大河的百万条支流在这个“地下教堂”中流淌。正中央是一个金属管，其大小仅够插进去几个手指头。当对撞机工作时，一束束质子流从这个金属管中万马奔腾般地涌出来。有些质子流发生撞击，地下室中到处喷洒着碎片，一片狼藉。

从20世纪40年代起，物理学家开始用一套称为费曼图的简笔图体系来形象直观地表示粒子碰撞。费曼图的名称取自它的发明人、诺贝尔奖获得者理查德·费曼。他的计算技术极其强大、精确，但难度也相当大，难得近乎残酷。费曼图看起来简单，但就像一个数学战壕里故作勇敢的表情 [15]。伯尔尼是加州大学洛杉矶分校物理学教授、费曼图计算专家，他在做研究生时一下被费曼的技巧迷住了，但很快想起了现实的残酷。“我对第一次做粒子物理课作业的情形记得很清楚，”他说，“人竟然可以做这些费曼计算而不犯任何错误，我觉得太了不起了。按照那些喜欢计算的人的标准来说，这并不是特别复杂，但做了20页的代数计算之后还是不犯任何错误，这让我觉得很神秘。”

这种计算令人痛苦有以下两个原因。第一，粒子碰撞有很多可能的潜在结果。例如，当两个胶子（高速穿过LHC的质子的构件）碰撞时，从两个到无限多个胶子都有可能被撞击出来。第二，这些潜在的结果可以通过各种可能的中间过程实现，可能性多得不可胜数。举个例子，两个胶子碰撞可以生成4个胶子，产生方式有220种之多，这还不算过程中可能走的弯路。方程组里含有几万个代数项。这还算容易的，可怜的是有些人要考虑生成8个胶子的情况，他们必须考虑1000万种可能的中间步骤，即使计算机都很快达到了计算极限。

学粒子物理的人从没有指望粒子物理容易理解。正相反，很多学生恰恰是被这一点吸引来的。经过那么费劲的计算，你指望发现一些有价值的东西，值得花费那么多努力，但你没有。那几万个代数项最终被简约成4个，其他项都彼此抵销了。比如第2718个代数项，经仔细查看，发现它和第3142项完全一样，只不过后者有一个减号，于是这两项被一起划掉。不幸的是，你不能事先预言哪两个项会被同时删掉，而需要把所有代数项都写出来。这个过程感觉特别浪费时间，跟小学生被罚在课后留下来将一个简单句子抄写一百遍那种感觉差不多。计算出奇地难，而答案出奇地简单，两者相对照似乎提示物理学好像缺了点什么，就好像一个警官搜捕嫌犯，他搜遍了所有嫌疑人，却唯独忽略了那个站在那里手里有枪的家伙。

伯尔尼的同学们把这从“地狱”里带来的作业做完就忘在脑后，但伯尔尼从来没有。他猜想一定有更好的方法，于是他忘我地去寻找。对事业来说，这可不是聪明的选择。大多数物理学家把这些计算看成帮工的活儿，有用但缺乏想象力。潜在的雇主不来听他的讲座；一个期刊曾拒绝发表他的第一篇这方面的论文，说“没有什么意思”。有一次他在普林斯顿大学的一次演讲上遇见了威滕教授，威滕教授起身走上来赞扬了他一番，至此情况才有些突破。威滕教授就是那个把差点儿放弃物理学的吉丁斯拉回来的著名弦论学家。有了威滕教授的美言，伯尔尼总算找到了一份工作。伯尔尼说经历使自己幡然醒悟年轻时对科学的浪漫想法是多么幼稚可笑。“科学并不是我以为的那个样子。”他说，“我对科学的顿悟箴言是，你一定得是有福之人。”

经过伯尔尼及其同事的努力，物理学家现在不需要写下上万个代数项，就能直接得到最后的那个只剩4个项的代数表达式。但原来那个老的解题技巧到底是怎么回事？为什么会被误导？为什么新的解题技巧用起来那么顺手？另一个理论物理学家、普林斯顿高等研究院的尼玛·阿卡尼-哈米德认为应该归咎于非定域性。理论物理学家大都有鲜明的个性，但阿卡尼-哈米德本人就是自然之力。1972年他生于休斯顿。几年之后，他的父亲、著名的伊朗地球物理学家举家搬回德黑兰，去帮助重建自己的国家。

大多数物理学家会告诉你他们对某某发现感到“兴奋”，他们说的时候语气单调乏味，令你不禁怀疑：如果他们兴奋的时候是这个样儿，那么他们无聊的时候该是多么糟糕啊！但阿卡尼-哈米德则不然，他说起自己的发现时，总是用有感染力的语气说着最简单的事，让你感觉他好像刚刚打开了失踪的圣约柜[16]。一次，他向我展示如何将字符串“1，2，3”重写成“3，1，2”或“2，3，1”，以演示物理学在多大程度上能归结为认认真真地数数可能的安排。这真让我吃惊。我记得一次休息期间和他站在一起（无论何时只要他在场，咖啡消耗量就得加大），非正式讨论很快引起了激烈的争论。阿卡尼-哈米德提出自己对这个问题的回答，而其他人仍在惊叹这些问题：“我这么做过，我试过，可不成功，但，啊，等等，也许……如果我这样做……”

“我在一生中从未像现在这样对物理学感到如此兴奋。”我第一次问他新的计算方法时，他兴奋地说，“有一种感觉，正发生一件惊天动地的大事，最终将改变我们对时空和量子力学的看法……这件事正在以惊人的速度发展，一组大约15个人正在加班加点昼夜工作。”2013年，他们的工作达到了高潮，他们找到了一个全面替代费曼图的计算方法。

阿卡尼-哈米德认为费曼图的毛病是，它是用明确的定域性来表达的。它将粒子表示成位于空间和时间中某处和其他粒子相互作用。费曼图看起来特别像探测器里细细的粒子轨迹线，就是我做的那个透明塑料杯实验。的确，这就是为什么物理学家都趋之若鹜地使用费曼算法，但计算陷入泥沼又让费曼图计算受到坏评的原因。代数项的膨胀就是定域性在捣鬼。“如果你坚持认为理论是定域性的，”阿卡尼-哈米德说，“那你就必须忍受几万个代数项的折磨。”费曼图解法认为空间中的所有点都是严格与其他点独立的，过分描述了自然的复杂程度。大部分费曼图里出现的东西在真实世界里并不存在，例如“虚拟”粒子和“鬼”场。理论物理学家必须施加特殊规则，保证把这些不速之客及时扫地出门。

阿卡尼-哈米德、伯尔尼和他们的同事不把定域性当作出发点，而是假定粒子满足一定的对称性原则，因此得到的方程组简单得多。粒子仍然遵守定域性原则，不同的是从更深的考虑中推导出定域性，而不是事先假定定域性。这些理论物理学家并不打算开创一个宏伟的新粒子理论，而只是对现有理论进行精简。他们的方程组并不预言任何奇异的东西，而只是使得描述现在已知的东西更容易些。

历史上，这类数学公式的改写起过巨大作用。这揭示了关于物理学理论的一个异乎寻常的事实：物理学理论在形式上不是固定结构的，存在一种不可言说的东西，物理学家用一组方程组表示它们，但它们的存在超越了任何给定的方程组本身。这正如一个故事可以放在各种截然不同的时代背景中去一遍又一遍地讲，但仍可以辨认出是同一个故事；或者像一段音乐作品，可以通过改编而带来前所未有的质量和欣赏效果，或反过来带给人过于繁琐的感觉。也许最戏剧化的例子是，尼古拉·哥白尼把太阳放在宇宙中心，取代地球的宇宙中心地位。在当时，他的模型只是比旧的地心说体系改写后的数学公式前进了一点点，天文学家采用那个改写的公式作为一种精简的方式来绘制日历和行星图。但新的关于宇宙体系的构想导致了一些问题，这些问题在旧的体系里是没有意义的。到底是什么导致物体掉到地上的呢？行星轨道是不是一定是圆形的，或者会不会是椭圆形的？空间会不会无限大？哥白尼的工作也许不是革命性的，但它煽动了一场革命。

所以你看，懒惰有时有好处，人想少做点繁琐的苦工是创新的动力。阿卡尼-哈米德希望改写后的粒子理论公式会为寻找物理学大统一理论扫清障碍。一旦你不再假定世界围绕定域性原则，那么一切碎片都开始各就各位。

什么原则应该取代定域性原则？如果世界不是由定域的粒子组成的，那么世界是由什么组成的？现在还没有人知道，但现在物理学家有前进的路。尽管爱因斯坦会很痛苦，因为非定域性意味着现代物理大厦的倒塌，阿卡尼-哈米德却认为这是一个新的开始。“如果你是一个孩子，你会幻想，啊，这就是做理论物理学家的感觉，很刺激！”阿卡尼-哈米德说，他一直是个孩子。

* * *

我们已经看见非定域性比比皆是：在量子实验中，在黑洞悖论中，在宇宙宏观结构中，在粒子碰撞的漩涡中。在所有这些例子里，物理学到了一个模糊地带。物体可能超越光速穿行，因果关系可能颠倒，距离可能失去意义，两个物体可能是一个。这宇宙是怎么了，幽灵般地给人不祥的预感？

尽管这些形形色色的非定域性出现在不同的物理背景之下，但它们有惊人的共性，暗示物理学家们似乎像盲人摸象一样，在摸着同一只大象的不同部位。例如阿卡尼-哈米德认为他的理论中的非定域性类型可能包含量子纠缠。“不难设想，恰当理解这些事可能导致用一种新方法谈论量子力学，而不是用时空概念，”他告诉我，“也许在这幅新画面下，我们可以用新的语言来说量子纠缠是什么意思。”另一方面，吉丁斯等人认为量子纠缠也许就是把空间粘在一起的胶水。纠缠着的链接也许可能创建一条秘密通道，将黑洞内外打通。以后几章会讨论这一引人入胜的想法。

物理学家这一职业是有风险的，有时会遭遇震惊、错愕或意外。这一职业的全部目的就是透过表面现象去寻找一个更简单但又太遥远、无法亲身体验到的世界。然而有意思的是，这不是物理学家和哲学家第一次遭遇这种神秘感。在很多方面，定域性历史就是物理学本身的历史。

[1].Erector 玩具，一种拼装玩具，有很多孔，需要上螺丝。——译注

[2].阿尔·弗兰肯，“Al”Franken，即Alan Stuart“Al”Franken，美国喜剧家、演员、政治家和作家。——译注

[3].《星际迷航》，著名的科幻电影，里面有很多“瞬移”。——译注

[4].新泽西州有个昵称——Garden State，意为“花园之州”。——译注

[5].每小时150千米的车速非常快。美国高速公路一般限速在每小时100千米左右，高速公路两旁有限速标记，经常有州警巡逻车。——译注

[6].这本由C.W.麦思纳、K.S.索恩和J.A.惠勒联合编写的广义相对论教材被誉为引力理论中的“圣经”。——译注

[7].Geon，惠勒造的词，它由gravity和electromagnetism 两个词的首字母与“on”词根组合而成，有人译成“真子”“重力电磁体”，本文选用了“引力电磁体”的译法。——译注

[8].Horizon Problem，视界问题。可观测宇宙有一界限，相应边界称为宇宙视界。为什么宇宙会显得具有同质均匀性和各向同性？这是宇宙视界问题。——译注

[9].在黑板上刮指甲的声音非常刺耳，让人不快。如果你说出“快于光速”，那可要小心，物理学家会很不高兴。——译注

[10].conga line是一种新奇的舞蹈，从古巴狂欢节里的一个舞蹈得名，20世纪30年代和50年代在美国流行。跳舞的人组成一条长长的线，最终形成一个圈。——译注

[11].年轻的希腊女理论物理学家，以下称“马可波罗”。——译注

[12].quantum theory of gravity，量子引力理论，也可译为量子重力理论。——译注

[13].意思是当你说粒子时含有定域性概念。——译注

[14].欧洲大型强子对撞机（LHC）是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种对质子进行加速对撞的高能物理设备，坐落于日内瓦附近瑞士和法国交界处的侏罗山地下的隧道内。2008年9月10日，LHC初次启动进行测试。——译注

[15].意思是假装若无其事，其实很紧张。——译注

[16].圣约柜是《圣经》中提到的最神圣的器物，里面藏着一块石板，其上刻有先知摩西所聆听的上帝的训诫。然而，这个神秘的器物在耶稣降生前却神奇地失踪了。——译注

第2章 非定域性的起源

非定域性有什么大不了？为什么物理学家不愿意放弃定域性，就像放弃“燃素”，放弃“涡原子”[1]，以及放弃所有其他被丑陋的事实粉碎的美丽假设一样？为什么非定域性遭致了这么耸人听闻的贬低：“物理学理性的终结”“与从事科学的可能性不相容”“痴人说梦”？很明显，违背定域原则不仅仅是常见的想法纷争，那种你可以在工作之余一边喝酒一边嘲讽一番的东西。要想知道为什么，你需要跳到物理学历史长河中去，因为非定域性威胁的恰恰是我们假定的物理学最本质的地方。

物理学和其他学科不一样。如果你问地质学家、生物学家或天文学家他们研究什么，他们可以指着山上的岩石，指着扭动滑行的蛇，指着夜空中闪烁的星星告诉你他们研究什么。物理学家会指着周围所有的东西，他们并不研究某一特定的东西。你经常看见他们研究生物蛋白质折叠技术[2]，或通过研究金融市场的波动探究微小粒子的碰撞。他们的研究侧重的不是某个具体对象，而是意图或追求的目标。无论他们研究什么，他们追求的是复杂性里的简单性，多样性里的统一性。哲学家和物理学家是知识界的师兄弟，他们的原动力基于这个信念，即宇宙是在人的能力范围内可理解的，而且如果透过它多样复杂的表面现象往底下看，你会找到它的可理解的规则。

同哲学家一样，物理学家希望从历史中找到指导原则，找到应该有哪些规则以及隐含的约束条件。像其他领域的科学家一样，他们有最前瞻的美誉，远远超前于技术发展的曲线，以致正是他们创造了曲线。物理学家可以有理由地声称，在你的很多小机械装置和电子玩意儿里都有他们的一份功劳。然而我却发现他们也向后看，而且后瞻的时间并不比前瞻的时间短。他们经常引用百年以前的故事，或告诉我他们正在读某位杰出人物的传记，好像认为除非你知道你是如何走到今天这个地步的，否则你不可能往前走。

的确，物理学家关于简单性和可理解性的一般标准已经经历了几代人保持不变。他们的老前辈、古希腊的老一代知识分子，曾经想把宇宙描绘成一场巨大的台球游戏。台球就是世界的基石，到处乱飞，彼此撞击、反弹，形成一条永无休止的反应链。相互作用完全是定域性的：除非球与球接触，否则不可能彼此产生效应。尽管每个球是简单的，但球的个数和撞击的频率如此之多，产生出如此纷繁复杂的世界。这个图像的确抓住了现实的某个侧面，虽然它的创造者不可能想到它复杂多样的程度。在以后的1000年里，细节内容彻底地改变了，但核心价值观保留了下来，尤其是定域性原则。

当然，甚至古希腊人也完全意识到定域性原则有反例。当时他们还不知道量子粒子和黑洞，但他们的确知道一些看起来表现出非定域性的现象，特别是我们现在用地心引力解释的一些现象。但他们没有太重视这些反例。大多数人猜想那些看起来非定域性的例子其实仅仅是错觉，正等待着一些聪明人运用局域里运行的过程去解释。放弃定域性无异于放弃物理学本身。

但令人困惑的是，艾萨克·牛顿就是这么干的。为了解释引力现象，他放弃了物理学，至少是当时定义的物理学。正因为如此，他被称为17世纪那场科学革命中最伟大的人物，我们现在的科学就是从那场知识发酵中涌现出来的。牛顿的万有引力当时引起的反应和我现在听到的关于非定域性的沮丧情绪惊人地相似。

* * *

冯·林特伦是荷兰莱顿天文台（欧洲故事最多的科学研究所之一）的科学史学家，他回忆起当时他学了牛顿万有引力定律之后多么心神不安。他的高中老师解释说，苹果掉下来和行星绕着太阳转都是因为宇宙间所有物体对其他物体施加了吸引力。按照牛顿的设想，这个力是瞬间超距作用的。在地球上伸出一个手指头，宇宙中所有远方的行星顿时颤抖一下。引力从地球上一跃而起跳到苹果上，从指尖一跃而起跳到行星上，无需穿越中间的空间。

这让十几岁的冯·林特伦觉得很古怪，他解释道：“我感觉很怪，一大块物质，比如一块大石头，怎么会影响到空间深处的其他物质，尤其是中间的空间是真空。但只是猜自己不明白一定是自己的错。我听课经常错过要点，已经习以为常。”他坦白承认，到成年后他才听说引力的这个奇怪特性有一个名字叫非定域性。

高中时冯·林特伦还不关心历史。他不上历史课，以便重点学好数学和物理。但上大学后，物理课非常让他失望。物理课就是一组又一组的方程，至于那些x和y到底是什么意思，老师连一个词都不说。“大部分老师会从黑板左上方的一个偏微分方程开始写起，然后走到黑板的右下角，或算出一个可量度的量。至于物理学有意思的事，他们一句都不说。”他回忆说。他不去上课了，而是读法语或俄语小说，打打零工，搭车去了一趟伊斯坦布尔。他边东游西逛边思考时，听说了让爱因斯坦感到麻烦的奇怪的量子现象。他又振作起来回到大学，发现自己被历史吸引住了。他觉得学历史或许可以去探索物理学教授不愿或不屑去讲的伟大的哲学问题。像哲学家蒂姆·莫德林一样，冯·林特伦发现为了自己热爱的物理学，他不得不离开物理学。

为了寻找一个博士论文题目，他回到十几岁时对牛顿万有引力非定域性的疑惑上。他发现他的疑惑是有道理的，任何不加批评而接受万有引力理论的人都失去了这个问题的关键所在。非定域性曾让牛顿自己和他的同行感到很烦。这听起来像伪科学，像占星术或灵丹妙药。一个法国数学家哀怨道：“我们一夜回到古老的黑暗时代。”冯·林特伦说：“如果我的高中老师讲课时加一句说牛顿同时代的许多伟大人物觉得这个概念很难接受甚至不可思议，那就好了。”于是，他的论文就是介绍学者们如何绞尽脑汁尽量缓解牛顿超距作用的负面影响。

最终，学者们并没有坠入黑暗的深渊，而是绕着它转圈。随着牛顿万有引力一起长大的一代觉得这个理论完全是自然的。自然哲学家们面对非定域性时畏缩了1000年，到了18世纪，他们又拥抱非定域性。简而言之，他们曾赞成定域性，直到后来反对，然后还没等到学者们习惯牛顿的非定域性，又来了一个180度大转弯，新一代学者回过头来重新思考，认为这世界不得不（只是不得不）是定域性的。就这样走到了今天的困境。

机械的宇宙

这些历史的曲曲折折，开始于西方思想史上的一个著名事件。假设你有一台时间机器，能时间旅行到那个时期亲眼看一看，会感到这个事件特别伟大。公元前451年或450年，柏拉图正在讲这样一个故事。巴门尼德（当时最重要的哲学家）和他最有名的学生芝诺从家乡意大利南部的埃利亚城邦旅行到雅典，他们住在当时的一位主要政治家的家里，刚好在城墙外面。一天，瞧瞧谁来了？那不就是未来的雅典哲学家、年轻的苏格拉底走来了吗？

当时，哲学这个概念很年轻，仅几代人的时间（无论是在希腊还是在它的另一个诞生地——中国）。哲学是一种完全不同的探究自然奥秘的方法。在日常生活中，当我们问“为什么”时，我们通常想知道的是什么驱动一个人做某件事。传统的神话传说把这种思考习惯延伸至自然领域。为什么发生地震？因为波塞冬[3]被激怒了，有人玷污了他的庙宇。这种解释不需要区分定域性和非定域性。有时希腊诸神远程地（非定域地）施加影响（他们打打响指就能让事情发生），有时他们局域地（定域地）施加影响（比如派一个信使）。神话不关心这点细微差别。

哲学家是这样一些人，他们不满意这类人物性格驱动的故事，即使承认波塞冬存在，他又怎样让地震发生？有什么规则管辖他能做什么以及不能做什么？哲学家不关心动机，他们想知道机理是什么。于是，定域和非定域的划分开始显得很重要。自然主义者的解释倾向于定域。在我们的体验中，如果你想让什么东西动，你不能只说愿望，还需要亲自走上前去推它一下，或派个人去推。第一个我们知道名字的哲学家是泰勒斯，他说地震的原因可能是地下有一个巨大的海洋，大地像一艘大船漂浮于其上。这艘大船偶尔撞来撞去。这样原因直接产生结果。

但定域性让巴门尼德觉得不舒服，他不那么确信我们能相信自己的日常体验。我们可以把世界分成若干碎片，一片一片分别理解吗？芝诺就这个论题在雅典和苏格拉底展开了激烈的辩论，局域概念（如运动、变化和个性化）会导致逻辑悖论。历史上流传下来的这种悖论有9个，也许还有几十个悖论已经被时间埋没。最深和最有影响力的莫过于“无限可分性”悖论。如果一个东西可以一分为二，二分为四，四分为八……永无止境，最终将变成无大小的几何点，相距一英寸的零分之一大（无限大）的距离。如果你把它重新组装起来，麻烦就来了，因为不论多少个“无”加起来也不可能是“有”。因此，芝诺认为现实不可能是可分的。

苏格拉底抱怨说，这个太复杂了，我的脑袋理解不了。芝诺说：“你否认这么自显然的事。”后来，一位希腊哲学家把这件事记述下来，但这让他们很烦。声称任何事物不可能由更小的组成成分构成，这听起来像疯了，但推理起来无懈可击。在雅典的那座房子里，巴门尼德和芝诺开启了一个思想史的危机。几十年以后，人们会旅行穿越半个希腊，来亲耳聆听随后的辩论。

现代数学家认为芝诺基本上是对的，当你把一个连续体无限细分时，有些东西丢失了。连续统里几何点的个数是不可数的，真的不可数。如果不可能数出来，那么也不可能把它们加起来。我们通常的直觉“整体是部分之和”不成立。连续统没有固有标尺，点的集合的大小并不能根据每个点的大小导出，而是要另外定义。“对芝诺悖论的一个理解是，从连续体本身你并不能得到任何物理尺度。”伦敦皇家学院理论物理学家费伊·窦克尔说。

尽管物理学家关于连续统问题的争议已经平息，但仍然有些人觉得这个概念悬而未决。伟大的物理学家理查德·费曼写道：“我总是百思不得其解，为什么根据我们现在理解的定律，一个计算机需要用无穷多步逻辑运算来算出在一小块空间和时间区域内到底在发生什么事，无论多么小的空间或时间区域。那么小的空间里怎么会这样呢？究竟为什么需要无穷多步逻辑推理才能搞清楚一小块空间或时间要做什么？”

* * *

这种类似的担心使得许多希腊哲学家提出，物质不是无穷可分的，而是由离散的单元构成的。这些原子论者是有先见之明之人。如果读了这些幸存下来的希腊哲学家的作品，你会感觉它们就像用诗歌形式写成的大学一年级的物理课本。固执己见的人也许会不屑一顾地用鼻子哼着说，古人说的原子一点儿都不像现代的原子种类繁多。但公元前15世纪德谟克利特[4]等人关于自然的一般概念和现代物理学惊人地接近。这些原子论者称，自然发生的一切都是由最小的建筑单元的形状、运动以及它们在空间上如何安排导出的。关于我们的感觉器官感受到的味觉、颜色和嗅觉，他们相信是由于一束束原子从那个物体中喷出来，然后侵入到我们的身体里。物体的视觉真的戳入了你的眼睛，苦涩的味道真的敲打了你的舌头。

空间概念是这些原子论者创造出来的，他们是最早提出物质都需要一个地方放着和移动的哲学家。德谟克利特的一个继承者卢克莱修写道：“如果没有地方或空间，我们称之为虚空，那么粒子就根本没有个地方待着或移动。”空间定义了原子的位置、速度、大小和形状。空间向所有方向无限延伸，填满了无穷无尽、千姿百态的世界。这个宇宙观在当时很激进，后来被证明为原子学说最终取得决定性胜利的关键。

如果原子是运动员，空间是运动场，定域性就是游戏规则。正如现代物理学家一样，这些古代原子论者也说定域性有两个方面。首先，空间把诸多原子区分开，并赋予每个原子唯一的标识符。这就是可分性原则，爱因斯坦认为这对物理学非常关键，量子物理学看起来违背了这一原则。其次，空间规定了原子之间应该如何相互影响。原子论者认为原子只有通过直接接触才发生相互作用。两个原子沿直线在空间中各自滑行，浑然不知彼此的存在，直到和对方碰撞上。这是定域作用原则的一个早期版本，爱因斯坦在他的相对论理论中将其形式化。这让你能够将任一事件解释成前面一系列事件的结果。

原子论者并没有给出定域性的真正理由，他们甚至没有明确指出这只是一个试探性的假设，有待实验确认。当时他们还没有实证科学的概念。他们把定域性看作自显然的真理。任何超越距离的物体相互作用，都会使事件因果链断开，那么宇宙就是不可理解的。

* * *

原子论是第一个“万有理论”。不论是生命现象、天气还是天堂，原子论者们对所有现象几乎都给出了解释，尽管有一些盲区。他们是机械自然观的先驱，把宇宙看作钟表装置。现代术语，如“量子力学”就是历史遗留下来的产物[5]。当然，德谟克利特本人并不是以机械方式思考的，“宇宙时钟”的比喻直到几百年以后机器用得越来越普遍时才有。当哲学家和科学家说起机械装置时，他们的意思仅是一套纵横交错、环环相扣的部件组成的系统，而不是为某一目的而设计的小装置。原子的运动产生目的，而不是目的促使原子运动。每一个原子是无生命的，没有自由意志和优美的动画。如果一个原子在动，那只是因为另一个原子推着它动。这一无目的、无意义令德谟克利特同时代的大多数人非常沮丧。柏拉图甚至想烧掉德谟克利特的书。直至今日，物理学仍被很多人甚至物理学家自己看作冷漠、抽象、无人性。

也许的确如此，但它也解放了思想。原子论超越了人类体验。古老的神话将地震解释成感情——用另一个复杂现象解释前一个复杂现象，这叫什么解释。那只是把难题传给下家。真正的解释是将一个东西分解成一些更简单的东西，并解释这些简单的东西怎样通过相互作用生成原来的那个东西。谁愿意回到希腊神话电视肥皂剧中，在那里城市陷落或饥荒遍野是因为宙斯不能提上他的裤子[6]！正如文学批评家斯蒂芬·格林布拉特在他的普利策奖获奖著作《大转向》中写的，德谟克利特的继承人创建了一整套无神的、活在当下的哲学，在这个哲学里人创造自己的生活意义。卢克莱修写道：“自然，摆脱了粗野的工头，一下子自由了。于是所有她做的，全靠自己，以致上帝这个角色不需要了。”

古代最著名的哲学家将原子论者和他们的反对者分开。在亚里士多德看来，世界搏动着生命，生命是有目的的，因此有理由说，非生命物质也是有目的的。苹果向地心方向掉下，是因为在更大的构想下那里是它的归宿。它的运动是自发的，不需要外在的原因。亚里士多德回到了更早的想法，即恒星和行星遵从与苹果和箭不同的物理定律，而且他否认原子论者声称的物体由不可再分的小部分构成。芝诺悖论不成立。他认为物质是连续的，并且提出了一套关于连续介质的复杂理论，这成为现代数学的前身。物体的性质不能还原为原子的排列。

亚里士多德痛恨虚空。在他的构想中，物体像拼图游戏里的拼板一样环环相扣，不留一丝空隙，而且一个指定物体的位置定义为它和其邻居的关系，而不是由独立于物质而存在的抽象框架决定的。因为即使“空”的空间也塞满了东西，光不可能是从发光体出发跨越空间抵达我们眼睛的一束粒子。亚里士多德认为光是一种脉冲通过介质传过来的。一束强光激活其周围的介质，介质变形像波一样很快扫过空间，像受到扰动的涟漪横扫过池塘。没有粒子运动，而是每个连续介质的小碎片把脉冲传给下一个碎片，就像孩子们玩的“传话游戏”[7]。与亚里士多德同时代的中国人也将世界想象成连续介质：元气[8]。

亚里士多德的想法比原子论与观察更吻合。也就是说，亚里士多德的理论并不是试图做具体的预言，从而支持或反对他的理论。正如德谟克利特，他最关心的是让宇宙可理解。

尽管亚里士多德理论的特征是有机整体，但它仍然采用了许多原子论的本质特征，包括定域性。它把自然看作纯粹通过接触发生相互作用的物体系统。一个物体如果想偏离它的自然轨迹，则必须有东西推它。亚里士多德写道：“使物体移动的直接施事方必须要么直接接触，要么和被移动的物体形成一个不可分割的整体，正如我们所观察到的。”和原子论者一样，亚里士多德为发展一个关于空间的理论操碎了心。对他来说，物体占有个地方几乎就是它存在的定义，如果物体没有占有地方，那么它就不存在。他写道：“不存在就是不占有地方。例如，山羊、雄鹿或斯芬克斯[9]在哪里？”

尽管亚里士多德写到定域性是“普遍”真理，但他提到了几个反例。更早的泰勒斯也注意到这些异常，他提到地球上的一种奇怪的石头——磁石，磁石能够拉动一块铁。希腊北部有个地方叫Magnesia，盛产天然磁铁矿，磁石(magnets)因此得名。泰勒斯也曾对琥珀感到很惊异，如果用一块布快速摩擦一小块琥珀，这块琥珀就会让你的头发竖起来。在希腊语里，琥珀是elektron，它是英文词汇electric的前身。中国学者几乎同时发现了这些现象，尽管他们比西方同行更快地研究出磁效应的实际应用。

希腊学者对磁石和琥珀现象很疑惑，磁石和琥珀没有接触到物体怎么施加影响？更糟糕的是，它们施加的影响是拉。在通过接触作用的世界里，事物互相影响只有一种方式，它们相互碰撞，然后像台球一样弹开。它们之间是“推”的关系，而不是“拉”。为了解释“推”是怎么变成“拉”的，难倒了这些哲学家。原子论者说这些物质释放出一种烟雾替换掉了周围的空气，使局部生成低密度区域，于是四周空气向里挤压，把铁块卷起来或让头发竖起来。亚里士多德对这一问题采取了回避的态度，让时间说话。

磁性和静电效应不是唯一让古希腊哲学家百思不得其解的东西，还有一些我们今天归因于万有引力的现象，如自由落体、海洋潮汐和行星运动。亚里士多德认为这些现象没有关联。对他来说，自由落体只是物体的习惯，潮涨潮落是由风引起的，而风是日晒所致，行星搭乘上了一个巨大的、旋转着的、镶嵌着水晶的球体。原子论者把所有这些现象绑在一起，把它们全都归结于太阳系的结构。在原子主义的世界观中，粒子流像波涛汹涌的旋风一样穿过宇宙形成旋涡，行星像一堆树叶卷进湍急的旋涡，形成一个整体，即星系。如果一个物体跟不上旋转的流体一起运动，周围的粒子就会把它向里推。“向下掉”的意思就是往旋涡中心扫。简而言之，引力不是吸引力，正如科学家后来想到的，它实际上是一种直接推力，从上向下的推力。

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亚里士多德理论的分量很重，它真的很重，保存下来的英文版文字足足有6000页。希腊、罗马帝国和阿拉伯地区的许多学者基于这部巨著建立起自己的理论，但大多数都被丢失或遗忘在中世纪早期欧洲思想史的腐败堕落过程中。又过了两千年，下一个关于定域性的主要进展才降临人世。12世纪欧洲抄写吏开始重新发现亚里士多德，从阿拉伯语曲折绕道经由拉丁文翻译过来。他们发现亚里士多德的知识是如此优越于自己，好像来自更先进文明的外星人留在地球上的百科全书。他们转抄并翻译了这6000页著作，花了好几百年时间分析它们，批评它们，使它们与基督教信仰和谐。这套教条体系被称为经院哲学[10]。亚里士多德对什么感兴趣，他们就对什么感兴趣。亚里士多德认为空间重要，他们就说空间重要。亚里士多德严格遵守定域性原则，他们就严格遵守定域性原则。他们认为即使是上帝也不能逃避定域性原则，尽管这个原则对上帝来讲无实际意义，因为上帝无所不在，所以上帝天然地和所有东西直接接触。“无论多么强大，没有任何一种主动作用能够超越距离，除非通过媒介。”经院哲学领头哲学家托马斯·阿奎纳写道，“但唯有万能的上帝能直接作用于所有的一切，因此，对上帝来说没有什么是超越距离的。”

然而学者们越是仔细考虑亚里士多德的理论，越感到失望，他们开始拓展，从恢复亚里士多德的理论到改进他的理论。亚里士多德不解释磁性和静电是一个明显的弱点。16世纪末，英国物理学家威廉·吉尔伯特（他后来是伊丽莎白一世的私人医生）演示了，即使中间放了一层烟雾或媒介的屏障，磁石仍然能够吸引铁块。磁石吸引铁块是超距离的，不需要接触。吉尔伯特找不出自然的解释，于是求助于超自然解释：磁石就像一个活的生物体，吸引铁块就像“交配”一样。

亚里士多德学派的宇宙学也让许多人觉得可疑。宇宙的大小怎么可能是有限的，而且以一个巨大的自旋的水晶球面为边界？这样的球体应该没有外在的参考点来定义其自旋。16世纪初，正是这个不一致性启发了哥白尼将太阳而不是地球放在太阳系的中心。转换到了哥白尼宇宙观之后，整个亚里士多德学派体系开始解体。亚里士多德说东西总是往下掉因为它总是指向宇宙的中心，在日心说宇宙学中，这不再为真。于是承认哥白尼日心说意味着需要寻找引力的其他解释。因为宇宙的中心不再决定物体的运动，宇宙就可能没有中心。宇宙可能是无限的，这是原子主义的关键信条。许多学者由于同时发现了卢克莱修的作品，他们从宇宙联想到原子，宇宙结构成为推断原子结构的证据。这将不会是最后一次哲学家和物理学家通过观察大结构来认识小结构。

17世纪中叶，笛卡儿把原子论带入鼎盛时期。今天一提起笛卡儿，人们就想起了那句名言“我思故我在”和用于绘制图纸的笛卡儿坐标。但这仅仅是一个野心勃勃的计划的两个侧面，这个计划就是完全去掉亚里士多德。他给一个朋友写道：“我决定解释所有自然现象，亦即所有物理学。”而且他成功了，他的万有理论是2000年来第一个可以与亚里士多德媲美的新的万有理论。笛卡儿把哥白尼宇宙学和机械哲学完美结合起来，他的思想被当作科学革命宣言。

笛卡儿强调他的理论和古典原子论是有区别的，这也许是为了强调自己的独创性，但其间有很明显的联系。自然由粒子组成，粒子在空间中展开并相互作用。一个物体并没有高深莫测的先天属性或倾向性去寻找它在宇宙中的合适位置，正如亚里士多德猜想的。那纯粹是几何图形，它有大小和形状，但没有颜色，没有质地，也没有质量。有的只是一些数字（它的笛卡儿坐标）来详细说明物体的位置，所有你需要知道的信息都在笛卡儿坐标里，事情简单得不能再简单了。

笛卡儿的目的是可理解性，让自然的工作原理完全透明。为了这个目的，定域性是非常关键的。物体相互作用严格遵守定域性：它们在各自的直线上自由运动直到碰撞，只有碰撞后它们才改变运动轨迹。像德谟克利特和亚里士多德一样，笛卡儿并没有给出这一原则的真实证据。“这些事不需要证明，因为它们本身是自显然的。”他写道。在日常生活中，我们必须接触到物体才能让它们做点什么。笛卡儿假设接触作用也控制了宇宙间所有其他事情，但麻烦的是，这不是事实。笛卡儿如此彻底地应用了定域性原理，以致他无意中暴露了定域性失败的程度。

例如，笛卡尔拥护古典原子论者的“引力从上往下推”的说法。在他的理论里，行星位于宇宙旋涡的中央，它的自旋运动推动着粒子向内运动。这也解释了为什么行星有内聚力，他头脑的画面许多是对的。他基本上抓住了太阳系的总体情况，而且启发了现代行星的形成理论，但是笛卡儿理论在细节上摔了跟头。比如，它暗示说自由落体应该指向地球的自转轴，在自转轴上旋转运动应该消失，而不是指向其几何球心。如果这是真的，那么在北极附近，苹果应该横着（沿水平方向）“落体”，而不是向下。至于磁性和静电，笛卡儿解释说，粒子的形状应该像小螺丝或小钩子。关于这点，你唯一能夸笛卡儿的是，想象力真丰富！

是不是机械的宇宙观基本上还可以，只不过有几个螺丝需要拧紧？还是需要全盘抛弃另起炉灶？每当科学家遇到某个理论的反例，他们都会在这种进退两难的困境里挣扎。理性的人们会有不同意见，只能在事后回想起来，答案才变得明朗，而且往往事后仍不明朗。这次，不只是一个理论，而是事关很多理论的生死存亡问题。否认机械理论及其定域性的核心假设，那就等于否认科学本身。承认定域性失效是否意味着自然不可能被理性思维理解？从某一角度看，令人吃惊，答案是肯定的。为了修正机械理论的这个毛病，科学革命的参加者们需要突破科学本身的局限，走入魔幻王国。

机器里的魔法

关于学校里的科学课，有一件事你应该学过，那就是科学不是魔法，科学和魔法正相反。自古希腊以来，哲学家和科学家就承担起这样的重任：劝告人们所有那些他们相信的疯狂的事都不是真的，比如“同种疗法”“八字算卦”等。但是，历史上很多伟大的科学家花了很多时间玩魔法，对这个事实你怎么理解？牛顿在花园大棚里搭起了炼金术大熔炉，而且建起世界上最大的炼金术图书馆。

虽然没做过充分的调查，但我认识的很多科学家都曾在人生的某段时间痴迷过超自然现象。我自己在大学的一段时间里特别痴迷于灵魂出窍[11]，所有灵魂出窍的书我都找来读了一遍。后来听说，费曼也曾经痴迷于灵魂出窍。没错，正是大名鼎鼎的费曼。我曾参加过一个关于外星人绑架的研究小组，是由某著名研究机构（这里隐去其名）的一些博士后和研究生组织的。几个被绑架者来到校园告诉我们他们的故事。如果确有这事，我们真的愿意相信吗？最后，我们大多数没有相信。

唉，人无完人！科学家通常这样解释自己的这个嗜好。但20世纪中叶，科学史学家逐渐开始欣赏神奇魔幻的想法。这种神奇的想法无处不在，不能被当成青春狂想曲或职业生涯晚年痴呆一笔抹杀。有的科学史学家走得更远，说现代科学既是机械主义的产物，也是魔幻想象的产物。它们代表驱动研究人员的两个情绪化冲动：第一，喜欢滑稽可笑的东西；第二，喜欢事情直来直去，少啰嗦。

说起魔法，我们大多会联想到魔杖和欺负老师的魔药，但它实际上是一套完整的神秘信仰体系。在西方文化中，这类体系里最有影响力的有新柏拉图主义、赫姆提卡主义和诺斯替主义。它们崛起于公元后第二个和第三个世纪，作为对正统希腊罗马教派的强烈反弹而出现。正统教派常让人感到理智太多而感情不足。这些“主义”与早期基督教和卡巴拉犹太神秘主义混合起来，回到了古老的想法，如巴门尼德的万物合一想法以及柏拉图对机械解释的反感。这些想法一直影响至今。

曾经认为宇宙最终是简单和可理解的机械唯物主义的信奉者们，从这一核心信条退缩出来。他们不再把宇宙看成由无生命零件构成的机械钟表，而是看成一个我们无法用理性理解的有机整体。在我们可观察的现实底下有一个隐形的或“藏匿”的层面，既不简单也不可能理解。他们相信物体拥有某种能“偷听”这一更深层面的高深莫测的性质和能力，并且可以通过调制咒符和魔药利用这一层面。欧洲文艺复兴时期有一本重要的介绍如何做魔术的手册，书里哥内留斯·阿格里帕解释说：“这些性质被称为隐藏的性质，因为原因埋在地下，单靠人的智力是不可能理解到的，也找不到。”（哈利·波特迷应该熟悉阿格里帕这个名字，他曾出现在哈利·波特的巧克力蛙卡片上。）

相信魔法必然相信非定域性。翻绳游戏的绳子看起来毫不相关，其实绑定在一起。小事情可能影响大事情，这里发生的事可能影响到那里。这些非定域性影响的运作有点儿像人的情绪：宇宙间某些人的确喜欢或不喜欢另一些人，编织出的同情和厌恶之网络到处弥漫。最早的研究魔法信念的人类学家詹姆斯·弗拉泽尔在1911年描写了两个基本原则：“第一个原则，种瓜得瓜，种豆得豆，或有因必有果，因果相依；第二个原则，曾经相遇或在一起的分离后仍能继续超距发生相互作用。”这种影响听起来非常像超自然现象，但在阿格里帕看来，这完全是自然的——好像我们的眼神飞速瞥了一眼底层的貌离神合的物理世界。他和其他文艺复兴追随者提出了一些让机械主义哲学家很头疼的现象，包括磁性现象、海洋潮汐，以及其他当时几乎所有人（包括主流哲学家）都相信的炼金术、占星术和命理学等。

神奇魔力的想法在现代科学家听起来像白日做梦，但说实话，德谟克利特和笛卡儿这样的机械论者提出的许多模型听起来也像痴人说梦。重要的是，这两者长期形成了一般的思维框架。机械模型强调自然的透明性，神秘模型强调自然的神秘性。机械模型是还原主义的，而魔幻模型是整体主义的。在历史上，西方文化在这两个互补视角之间展开拉锯战。一开始魔幻视角让人感到快到禁区的兴奋和神往，但随着人们怀疑他们到底想说什么而逐渐失去魅力。随着理性主义者傲慢登场声称这个世界没什么神秘的，魔力的说法又活跃起来。就这样周而复始，直到今天。这种周期性往复一直是科学革命的驱动力。有些历史学家在著名的爱-玻之争（爱因斯坦和玻尔关于量子力学的争论）中找到了它的影子，爱因斯坦说宇宙是理性可理解的，而玻尔说宇宙终究是不可理解的。

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神秘主义思潮的一段复兴期是15世纪。学者们转抄和翻译了亚里士多德、卢克莱修及其他人的古典哲学作品之后，转而求教于古代的新柏拉图主义和赫耳墨斯主义作品。阿格里帕等人像找到救命稻草一样，终于从过分考究的陈腐学究气氛中解脱出来喘口新鲜空气。

特别地，神秘主义有两个特征补充了机械唯物主义哲学的盲区。首先，它是经验主义的。当时主流哲学里还没有实验检验的地位。传统学究式学者和像笛卡儿这样的改革者认为仅仅通过冥思苦想，他们就能够揭示宇宙的神秘，而相信神秘力量的人却认为自然本来就是违抗理性的。要想探索自然的神秘，你必须买几个试管，动手做一做实验。魔术师们寻求的不仅仅是研究自然，而且是“操纵”自然，让这个世界变得更美好一点儿。文艺复兴时期的理想主义大部分就是这股神秘思潮的产物。皮科·德拉·米兰多拉是一个20多岁的赫耳墨斯主义者和卡巴拉主义者，他在《论人的尊严》中论辩道：人类的地位不决定于其在宇宙整体构想中的位置，而是决定于我们决心做什么样的人。因为他的这个庄严高尚的态度，教皇曾经叫人把他逮捕。他的这个态度鼓舞了很多人，其中包括莎士比亚。哈姆雷特的独白“人是一件多么了不起的杰作”[12]所用的语言与其惊人地相似。莎翁作品《暴风雨》中的主角就是一个乌托邦魔术师。

这些渴望成为巫师的人们在他们自己设定的目标面前惨败。炼金术士根本不能把铅变成金子，占星术家甚至不能给国王占卜命运，做魔法秘药的人也不能用绿蜥蜴尿治病。但正如约翰·列侬唱的：“生命是什么？生命就是当我们忙着计划别的事的时候所发生的一切。”炼金术士和占星术家开发出了先进的实验技术（例如密封圈），收集了大量数据，为现代化学、医学和天文学打下了良好基础。基于经验倾向于理想主义的魔术方法，成为现代实验科学先行者们的楷模，他们与各个时代的科学家一样，喜欢戏称自己为“叛逆者”。英国人弗朗西斯·培根写道：“魔术方法的目的是，将自然哲学从空洞虚荣的猜测中唤醒，提醒他们实验的重要性。”

魔术方法的第二个好处是，轻轻暗示一下哲学家，让他们跳出自己机械的思维套路。它提示哲学家们，物体相互作用除了直接碰撞以外，可能还有其他方式，比如非局部的超距离方式。“重力”或“引力”这个概念就是从“同情”这个魔幻概念沿袭下来的，意思是物体坠落的目的在于试图寻找自己的同类。地球内在凝聚力是石头和石头相互吸引黏着在一起所致。这些前期的神秘主义思潮明显反应在天文学家开普勒早在15世纪初的工作中，他的书读起来就像是今天的博客小品文。小品文里有的因假线索而自我表白，有的突然信心满满，还有的自我怀疑引来危机。他从不是在学术上拘泥于礼节的那种人，更像“倒霉的我，今天愚蠢，犯了大错”这种风格。他很坦白地承认自己接受了神秘的灵感。开普勒靠给人做星座运势预测[13]挣口饭吃，尽管我很怀疑他和其他占星家真的能预言某件具体事情的发生，但开普勒想当然地认为天体运行能够指引地上发生的事情。他说，如果月亮上有很多水（正如当时人们普遍认为的那样），那么它自然会拖曳地球上的海洋让潮汐涨起来。而磁性也被认为是神秘力量，可以微调行星的轨道。

单纯机械主义者一点儿也不“同情”这个想法。伽利略认为开普勒走得太远，走到黑暗面去了，竟然“赞成月亮能控制海洋和赞成神秘的性质到这么幼稚的地步”。开普勒的想法一直围绕着主流哲学的边缘打转，长达半个世纪，直到牛顿承认他曾是多么正确。

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一个历史学家曾称牛顿为“最伟大的两栖动物”。他既是机械主义者，又是神秘主义者。正如他的同时代人（尤其在当时的英格兰），牛顿在很大程度上倒向笛卡儿的机械理论，然而在发现它很失败后幻想破灭。好像解释星体运动的笛卡儿理论遇到的麻烦还不够，笛卡儿的钟表装置离无神论只差一步之遥。如果自然的神奇可以还原成齿轮和弹簧的无脑运行，那还需要上帝做什么？尽管笛卡儿在他的模型里为上帝安排了一个角色，但那也是非常蹩脚的符号——分明只是一片放在家门口的无花果叶子，以防教皇的人来敲他家门。其他著名的原子论者，如著名的托马斯·霍布斯则完全放弃了伪装，直接了当地称自己为无神论者。对他的英格兰同胞来说，这太过分了。他们承诺自己仍信仰宗教，这既是理性的，又是一种自我保护。

为了把原子主义和宗教协调起来，牛顿和其他17世纪的英国哲学家将来自炼金术、新柏拉图主义和卡巴拉犹太神秘主义等的各种思潮融在一起。他们认为粒子可以（用牛顿的话说）用“某种活的原则”或“某种微妙的神灵”激活。用实际的语言说，物体可以非局域地施加力的作用或对力的作用进行响应。这些作用或力给宇宙点燃了某种神圣的火花；尽管不是字面意义的“灵魂”，但它们见证了上帝的设计。

因此，如果引力（重力）看起来很神秘，那是因为它就是神秘的。在牛顿发表于1687年的代表作《自然哲学之数学原理》里，理论大部分是机械论的，即世界由遵守严格规则的运动粒子组成。但它吸收了魔幻的想法，即这些粒子是由非定域的力编织成的网连起来的。牛顿的引力概念脱身于神秘主义，但又和它有区别，它是普适的：不局限于那些彼此有明显亲和性的物体之间（比如磁石吸引磁石，水吸引水），而是说任何有质量的物体之间都有吸引力。而且和正统机械模型不同，物质不是一个几何属性，而是某种还原主义不能解释的属性。

对历史学家来说，上面这一史诗般的英雄故事是很好的案例，说明在科学和非科学之间划一道分水岭多么有欺骗性。吉尔伯特、哥白尼、培根、开普勒和牛顿，像所有时代的科学家一样，他们是知识分子中的显赫人物。他们利用在身边能找到的任何边角余料来编织出他们的理论。边角余料越华丽，编织出的理论越有创意。你能看出有创意的学者都是视角宽广、不拘一格的。正如一位理论物理学家对我说的：“所有好的物理学家都是思想上不安分守己的。”如果你阅读了很多科学书籍和论文的话，你就会注意到这一点。正如十几岁的孩子发誓说全是自己做的，父母什么也没帮自己做，科学家也有办法从其他渠道中挑出个主意，然后否认他利用了这些渠道。魔术？什么魔术？谁说过魔术？但与牛顿同时代的人完全知道他的好主意是从哪里来的，这些笛卡儿的徒子徒孙们并不打算把它挑明，而是选择接受它。

引力论战

1693年3月7日，著名的德国哲学家莱布尼兹给牛顿写了一封信，祝贺他关于引力的新理论干净漂亮地解释了所有那些原子论者难以解释的现象，如自由落体、潮汐及星体运动。无疑这一理论在经验上很成功，但莱布尼兹想知道怎么解释引力。根据德谟克利特和笛卡儿的思想，莱布尼兹认为引力的非定域性一定是一个幻觉。如果你凑得很近来看，你应该看到一些局域的“小机械装置”使得物体落下，或使得行星绕着太阳转动。如若不然，怎么理解这个世界呢？莱布尼兹写信像我们现在写电子邮件一样，他一生共写了15000多封信，分别写给1100个人。到今天，这些信还没有被完全索引出来。这些信不是一行两行轻轻松松写成的信，许多是开拓科学和数学全新领域的文章。正如今天人们被过多的电子邮件搞得疲惫不堪，莱布尼兹曾抱怨过信件太多，信息过载。“我被过多的信件分散精力，烦死了。”他曾在写给一个朋友的信中说。

莱布尼兹从没见过牛顿，但他和他的朋友与牛顿和他的朋友进行过一场长达几十年的书信论战。莱布尼兹和英国哲学家克拉克之间的5轮书信论战为顶峰，二者之间的书信往来直到1716年莱布尼兹去世才告结束。到那时为止，起初真挚的友谊已经恶化成了燃烧着愤怒火焰的战争。书信内容非常丰富，当我仔细阅读这些书信时，意识到莱布尼兹和克拉克之间其实很少在共同兴趣爱好方面互相吸引，这让我很吃惊。他们只是不停地重申自己的立场，从来不留给对方怀疑的余地。公平地说，这类关于空间本质的基础性问题的论战不可能用相逢一笑或握手言和的方式解决问题，因为甚至关于什么可当成令人满意的解决方案这个问题都不可能取得一致意见。

对莱布尼兹和其他牛顿理论的批评者来说，矛盾的调和一定涉及一个机械解释。牛顿没有给出一个机械解释，他说引力不仅仅是尚未解释的，而且是不可能解释的——我们永远不可能搞明白的神秘魔术。莱布尼兹在给克拉克的信中写道：“那就是说，信息交流是不可见的、无形的、非机械的，那他（牛顿）也许应该加上信息交流是费解的（不可言喻的）、非理性的、不确定的（不安全的）、无根据的和异想天开的……这简直是天方夜谭，是学术上的超自然的神秘东西。”

牛顿公开承认他不知道引力是怎么工作的：“我没有能够根据现象发现是什么原因让引力有这些性质，而且我没有编出一个假说。”他基本上承认莱布尼兹的嘲讽是对的（引力是“超自然的”，是由某些隐藏的原因造成的），但他觉得这没关系。你也许不知道引力的原因，但如果你承认它存在，那么几乎宇宙间的所有事都能各就各位，这足够好了。

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以牛顿为首，现代物理学家认为任何理论都有两个功能。首先理论应该给出一个数学描述，就是说一个公式能够让你计算出苹果以多快的速度落下，月亮什么时候会挡住太阳。其次，理论应该对公式给出一个“解释”，比如就苹果或月亮到底发生了什么事给出一个有说服力的图像。对莱布尼兹和大多数牛顿以前的哲学家来说，后者是至关重要的。他们主要的目的是让宇宙可理解。但对牛顿来说，第一点更重要。如果描绘和解释二者只能选其一，那物理学家认为应该选择描绘。通过学会承认自己的无知并活下来，我们把命运掌控在自己手里，允许自己一点一点进步。今后我们可以再把这个解释缺憾补上。与此同时，有了些方便好用的公式，我们可以让妈妈相信自己现在的日子过得挺好，在做一些有用的东西。

现代物理学家把解释称为“哲学”问题，意思是那完全需要另一种思维框架或属于另一个学术领域。一个物理学家，他上班花了好几个小时做计算，如果你突然问他在现实世界里这到底是怎么回事？他可能会一时语塞，不知该怎样回答。有时他们认为寻求解释就是怀疑。坚持非要寻求解释的态度曾经迫使原子论者提出了一些想法，目的只是为了有一个简单可理解的世界观。因此，我们也许最好把注意力集中在已知的事情上：观察事实。“对于一个真正的哲学家，现在我们最需要他们做的是抑制自己想寻求原因的过度欲望。”这种态度的倡导者、18世纪的苏格兰哲学家大卫·休谟曾这样写道。

说到底，这种态度就是工具主义态度，它把理论仅仅当作数学工具或手段，目的是为事实做分类编目。工具主义者的口号是：“闭上嘴，算算就知晓！”这不是什么胡言乱语，只是科学圈里现在这种态度时髦，那种寻求解释的态度不时髦了。在牛顿之后的几十年里，这种态度广泛传播，19世纪中叶这种态度开始流行，后来在20世纪初期和中叶再一次流行。并非巧合的是，那刚好是科学革命时期。每当引入一个引起争议的理论时，物理学家经常像牛顿一样，对同事保证：那真的只是一个计算工具，不必认真。如果你理解不了这理论为什么是对的，没关系，你不需要相信也能用。加一勺工具主义调味品，有助于使你头脑发热的想法降温。

然而，工具主义最终只是一个战略撤退。毕竟大多数人仍然渴望得到宇宙的一个整体图像——宇宙到底长什么样，如果我们能够透过表面透视下去，那么底层到底是什么？如果物理理论没有抓住真相的某些要素，那么这个理论怎么可能工作得那么好？尤其是年轻人，如果教授告诉他们，你们的小脑袋瓜不要去担心到底是怎么回事，他们会感到沮丧。历史上相当多最有创意的科学家都说，他们自己的专业知识都是自学的，因为课堂上没人能告诉他们。

解释并不仅是方程组上的一层“漂亮的糖霜”，而恰恰是科学的创造性所在。物理学家一开始是怎样想起那些方程组的？几乎总是，他们的脑子里事先已有了一个物理图像。在牛顿的脑子里就是神奇的同情(magical sympathy)。一旦物理学家根据这些脑子里的图像想出了一套方程组，他们就可能踢开解释，让方程组自己说话，正如牛顿把自己和魔法拉开距离一样（至少在公开场合）。任何一组方程都可能有多个解释，于是物理学家不需要恪守起初让他们想起这套方程组的那个解释。他们是自由的，他们可以提出新的解释，有的解释可能启发人们提出新理论和新方程组，就这样循环往复。但他们不可能一点儿解释也没有。究竟哪些问题属于哲学问题，哪些是物理问题，并没有泾渭分明的界限。哲学和物理之间是一个多孔的边界，其间有很多信息交流。

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的确，尽管牛顿发誓他构想引力理论时没有任何假设，但他的确编造了几个假设，分别属于三大范畴，每一种解释都有追随者。第一，也许引力最终的确涉及局域的、机械的过程。从表面看来，这一选项看起来不可取。牛顿定律说引力的大小取决于物体的质量，因此，当然把它排除在外。如果粒子传达力的作用的唯一方法是碰撞，那么引力效应应该决定于表面积（被撞击的物体有多大），而不是决定于质量。然而牛顿仍然喜欢机械装置的想法，他的一位最好的朋友、瑞士数学家尼古拉·法蒂奥·丢勒对质量问题提出了一个绝妙的解决方案。如果我们的行星像一个巨大的扎了很多小孔的威浮球，外面的粒子可以进到里面和里面的物质相撞，那么力的确将决定于所有物质的总和，亦即质量。这一理论最终没有得到认可，并不是因为它失效，而是因为法蒂奥这个人最终走到牛顿和莱布尼兹的反面，站到了一群宗教狂热信徒的队列中。

第二，也许除了碰撞以外，有某种其他方式使物体发生局部相互作用，并产生一种引力场。牛顿和克拉克曾提到过一种“非物质的”、“灵性的”或“无形的”介质可以作为一种中介，将引力从一个物体传递给另一个物体。这类词语有各种内涵，如“上帝”或“神灵”，但最起码它不是由粒子组成的，不遵守一般的占据一定空间的原子论规则。物质粒子是不能穿透的，如果一个粒子占据了一定空间，那么其他粒子就不能占据这个空间。但非物质介质不能独享空间，它可能跟别的东西混在一起共享空间，因此可以穿透行星内部，从而解释了为什么引力的强度取决于物体的质量，而不是表面积。而莱布尼兹则搞出了一套理论，说我们观察到的物理实在底层存在称为“单子”(monads)的非物质实体。他从没能将这些单子和任何可观察到的东西联系起来，后来一些哲学家，如伊曼努尔·康德重新拾起了这一概念。通过这些哲学家，莱布尼兹的单子思想启迪了电学和磁学概念。

牛顿几乎快指出把引力传递出去的非物质介质——空间本身。对他来说，空间就是上帝无所不在的表现。他认为引力也是这样：力从一个地方跳到另一个地方是因为上帝在这两个地方已经存在。如果引力和空间都与上帝无所不在有关，那么引力和空间就彼此相关。莱布尼兹也是隐含地把引力与空间的本质联系起来，他认为他的单子能生成我们对空间和超距作用的感觉。的确，牛顿和莱布尼兹都没说过空间产生引力，他俩都没说空间有能力产生作用。是爱因斯坦促使了这一质的飞跃。

以上两个解释认为引力作用“好像”是非定域的。下面这第三种解释干脆把“好像”两个字去掉，说物体的的确确能超越空间拉着另一个东西走。这个说法最早是由罗杰·科茨提出的，科茨是一位英国数学家，1713年曾帮助牛顿做《自然哲学之数学原理》第二版的修订工作。也有些历史学家认为非定域性也许就是牛顿自己最喜欢的想法，很难讲。在一封经常被引用的信里，牛顿似乎称非定域性“不可思议……荒谬”，但如果你仔细读这个引用的上下文，他也许指的是无神论“不可思议……荒谬”。在其他文章里，他轻松愉快地用非定域性解释除引力以外的很多现象，包括光的反射和折射、蒸汽扩散、气压、材料的内聚力和热。牛顿从没大声说出引力是非定域的，也许是因为他不想过多地疏远他的纯机械唯物主义朋友，毕竟他已经疏远他们很多了。

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在牛顿的《自然哲学之数学原理》发表之后的几十年里，人们觉得引力的超距作用看起来合情合理，虽然有几个明显例外，但18世纪的学者们觉得没必要为此编造局域解释，或为工具主义编造理由。他们把引力原则延伸应用到其他曾让物理学蒙上阴影的非定域性实例中。例如富兰克林将电流解释成由于粒子吸引或排斥而形成的粒子流，让美国在科学领域有了一席之地。这里默认了非定域性。其他人提出磁性、化学反应等也是这类流动。

事实上，盛行的民间智慧进行了一个大反扑。定域性本身首先站不住脚，它不能解释引力、电和磁现象，连最简单的两个台球相撞都解释不了。球为什么反弹？连定域性的领军人物，如德谟克利特、笛卡儿和莱布尼兹都觉得奇怪。在两个球接触的那一瞬间，它们是两个球还是变成了一个球？球撞击的效应是怎么分别从球的一方传播到另一方？球是不是马上转向掉头，那就是说球的速度在一瞬间发生了无穷大的改变？

康德打台球有两下子。这个18世纪德国的“元哲学家”[14]台球玩得不错，他打台球赢得的奖金帮助他支付上大学所需的费用。在推动牛顿时代以前定域性概念迅速解体方面，康德是个关键人物，他有一个形而上的兴趣，即分析我们是怎么知道我们知道的，或我们是怎么以为自己知道的。定域性就是一个我们熟悉的例子，我们很自然地认为世界是定域性的，但经仔细观察，这一点却是可疑的。在日常生活中，我们观察到，我们需要摸一下物体才能让物体移动。但事实是，我们并没有摸到任何东西，我们只是对物体施加了力的作用，同时该物体也对我们施加了反作用力。这种力可以解释，当我们捏一个球或试图把胳膊伸到墙里面去时感觉有阻力。熟悉的物体事实上大多是空的空间。当我们说到“物质”的时候，我们的实际意思是连续的力的作用，而不是构成它的粒子，粒子总是无法摸得到的。

起初对定域性的诉求是存在一种相互作用模式（即直接接触），这种模式应该足够解释一切现象。当牛顿提出了第二种模式——非局域的力时，看起来他首先把事情复杂化了，但后来康德和其他哲学家把“接触”这个概念解释清楚后，它又恢复了起初的简单性。如果你仔细观察两个台球碰撞的慢放镜头，你就会看见台球不是马上反弹，而是有一个逐渐过渡的反转。随着两个球逐渐接近，它们之间施加相互排斥的力，使其速度减慢，然后停下来，然后它俩按原路返回去。它们之间实际上并没有接触。传统的机械主义哲学家曾试图用局域的相互作用解释非局域的力，而新一代的机械主义哲学家将局域的力还原成非局域的相互作用。

牛顿的万有引力理论降生在这个尘世上后，曾挣扎着寻求世人的接受，但后来变成了新的正统理论。1872年，奥地利物理哲学家恩斯特·马赫描述了这一系列的变故。他论辩道，科学家是用熟悉的现象去解释不熟悉的现象，用常见的事实解释不常见的事实。而那些“常见的”也许真的不如“不常见的”更容易理解。比如，如果你的5岁的孩子问你某个常见的家用电器是怎么工作的，你笨嘴拙舌地摸索着合适的词，觉得很难回答。但我们会很自然地接受它。毕竟，我们必须把有些东西当成物理实在的底层，而且那些东西应该是在我们周围看得见摸得着的。马赫写道：“我们总是把复杂的事简化成简单的事，而这些简单的事并不总是那么自显然地容易理解，那就是说无法进一步解决下去……人们总是把不常见的、不易理解的事简化成常见的、容易理解的事。”

但什么才算是“常见的”，可能随时代而变迁。在牛顿以前，直接碰撞算是“常见现象”，而在牛顿之后，非局域的力逐渐变得“常见”。马赫写道：“从表面上看，牛顿万有引力搅乱了几乎所有大自然的研究者，因为它是建立在不常见、不易理解的概念基础上的……人们本来把引力还原成压力和碰撞。现在人们再也不会受扰乱了，因为它已经变成了常见的、不易理解的东西。”多么讽刺呀！即使在马赫写这些话之前，钟摆就已经开始往回摆了，物理学家又快回到起初的那个想法上：“宇宙最终只能是定域性的。”

质疑牛顿爵士

定域性的复兴始于1786年，此时意大利物理学家路易吉·伽伐尼正在做实验。他正将几只死青蛙吊在一个铁栏杆上，演示静电如何让动物的肌肉收缩。一天，他看见青蛙的腿不由自主地抽搐，而他并没有用电击。他突然明白了动物组织不仅能对电产生反应，而且能产生电。金属和青蛙变成了我们今天说的电池。1800年，另一个意大利人亚历山德罗·伏打造了一个实用的电池，用一块湿木板替代青蛙。电池不仅给实验家带来了神奇好玩的新东西，而且这个东西的存在让具有牛顿思维框架的人震惊。这些人以为化学品和电是两种不同类型的非定域性流体，不应该能相互转换。

无独有偶，在哲学界，康德的质疑（我们理性的头脑能理解什么）引起了一场对机械思考方式的叛逆。这一思想运动被称为“德国浪漫主义”，其旗下有个学派称为“自然哲学”。“自然哲学”代表了神秘主义思潮的周期性复苏。信徒们被文艺复兴时期神秘的超自然人物和东方神秘主义迷住了。他们认为自然的多种多样的力（包括电和磁）是同一个有机整体的不同形式的表达。自然哲学的实践者们指望着通过实验来辨识这个整体，并为人类的需要服务。实践者的队伍里包括19世纪早期的几位最伟大的实验学家。

其中有一个丹麦实验学家名叫汉斯·克里斯蒂安·奥斯特，他虽不是医生，但很接近，他是一个药剂师，这在科学革命中很常见。他听说了伏打的发明之后不久就造了一个电池，并且很快改进了自己的设计。在当时，大多数实验数据都支持牛顿的看法：电和磁无关。静电不会引起磁效应，但奥斯特猜测，流动的电流可能产生磁。他猜对了！1820年，奥斯特发现一根连着电池的金属线引起了附近的指南针指针的偏转。然而温馨的共识又一次令人沮丧地受挫，大多数科学家认为这个主意是不科学的。

最后奥斯特不仅证明了电和磁最终是相关的，而且两者之间的关系是非常“非牛顿式的”。电流既不推也不拉指南针的针，而是让它旋转起来。这对非局域力构成了严重挑战。这种力表现得应该像受影响的两个物体之间的“私人热线”，好像宇宙的其他部分不在那里一样。理由是：这种力应该沿着连接两者的直线走，不应该有其他让它改变方向的物体或地方。奥斯特的扭动的指南针违背了这一直觉。为了让指针旋转，电流只能沿垂直于电线的方向发生作用，而不是直接指向或背向电线。进一步的迹象表明这里面有局域的而不是非局域的过程，旋转的指针不禁令人们想起德谟克利特和笛卡儿说过的，磁和引力的机械原理可能就是旋转运动。

当这一切进行时，物理学的另一个分支——光学正在激流勇进。当时大多数人接受牛顿关于光的原子解释：光是粒子流。但另一个医生、英国的托马斯·扬受到了水和其他流体流动的启发。像亚里士多德一样，他认为光是充满空间的一种介质传播的脉冲。这个解释在中世纪学者中曾经很流行。1803年，扬做了一个光学实验使它又流行起来。

想象阳光明媚的一天，窗户上拉着厚重黑暗的窗帘，窗户对面是一面白墙。如果你在窗帘上划一道小缝，墙上显示出一个小白点，如图2-1所示。如果在窗帘上划第二道小缝，你期待看到墙上会显示第二个小白点，正如牛顿的光粒子说所预言的那样。其实不然，墙上并不显示第二个小白点，墙上显示的是黑白相间的条纹，像斑马身上的条纹。事实上，尽管划开第二道小缝让更多的光线进来，但原来亮的地方一般会变暗。如果光是看不见的介质中的一种波，那么就容易理解了。从两个缝隙射进来的光彼此抵消，或彼此叠加。如果两股波的波峰相遇，则变得超强，形成最亮的条纹；如果一道光的波峰和另一道光的波谷相遇，则二者相互抵消，形成暗条纹。这称为波的干涉效应。扬氏干涉实验是物理学中的经典实验。你自己可以做这个实验（窍门是小孔要尽量小，而且用激光当光源，而不是太阳）。事实上，我在第1章中提到过的非定域性实验只不过是扬氏实验更复杂些的版本。

图2-1 双缝实验（图片由珍·克里滕森提供）

如果在黑窗帘上划开一道小缝，光波会在屏幕上照亮一个白色区域。如果划开两道小缝，则两个波会重合叠加，呈现黑白相间的条形图案，称之为干涉条纹。

尽管当时很引人瞩目，但扬的想法被冷落了十几年，转折点不是什么新的发现，而是拿破仑的倒台。在拿破仑统治下，法国学者只认牛顿的说法，竞争理论进不了国门。即使在英格兰，人们也经常误解扬的工作。只有当牛顿的政治和思想权威被削弱一些，潜在的对光的波的本质的兴趣才趁虚而入。到了1820年，一般看法倒向扬氏一边，时间刚好是奥斯特电磁学研究发生革命的时候。

* * *

牛顿理论受到这两大挑战的时候，刚好有一个人诞生了，他就是迈克尔·法拉第。法拉第是科学史上最迷人的人物之一，他的例子说明了学问如何从多样性中受益。法拉第出身于伦敦的一个穷困家庭，他几乎没有上过学，后来成为了一个书籍装订学徒。一个偶然的机会，他阅读了客户留下的一卷《大英百科全书》，开始对科学感兴趣。他向哥哥借了一个先令参加了一个科学讲座，然后在店铺后面的壁炉台上做了一个自己的电池。不久，他说服英国最著名的化学家戴维，在他的实验室里谋取了一个职位。戴维曾去过德国，和那里的浪漫主义者在一起，深受他们关于自然的和谐统一世界观的影响。

法拉第成为物理学的领军人物之时，正值物理学变成独立学科，不再是哲学的一个分支。“物理学”这个词是在1840年创造的。如果你问今天的科学家物理学和哲学有何不同，他们会说前者强调实验检验，而后者不强调这一点。但历史上物理学从哲学中分离出来是一种自我重塑策略，是19世纪学术研究领域通行的标准化和职业化的一部分。

法拉第从没学过数学，这对我们大家来说是件好事。牛顿理论数学公式的优雅对他来说没有意义，他可以丝毫不受牛顿的约束，完全自由地去摸索激进的概念。对他来说，对奥斯特的发现最直接的解释是，归根结底自然还是定域性的。尽管如此，法拉第意识到科学家不能走回头路，不能回到认为物体只有通过碰撞才互相影响的原子论上，而必须有其他形式的定域作用。

他认为光学理论家的想法有点儿道理，即存在一种无所不在的介质，影响力通过这种介质快速扫过来。尽管电磁性看来与光属于完全不同的现象，但也暗示存在一种介质。如果你撒一些碎铁屑在一块磁铁上，它们会自我组织起来形成一些优雅的弧线，称之为磁力线，神似拉紧任何弹性材料形成的应变模式。对法拉第来说，那些碎铁屑就像一个隐身人收集的黑烟灰让位给介质的存在。

但这是一种什么介质呢？法拉第起初想的是一种由微小粒子组成的普通物质，每个粒子都遵守牛顿运动定律，但他后来逐渐明白了电磁介质可能不是普通物质。比如，在任何给定空间和时间里，只有一个普通物体可以占据，但这种介质可以和其他物体共享时空。碎铁屑形成的弧线在磁铁的两极并没有停下来，而是沿着磁铁继续走下去形成一个封闭的回路。磁力线穿过物质，独立存在。于是法拉第和其他人认为介质是一类新东西——一种非物质的，或正如牛顿、莱布尼兹、康德等曾猜想的力的连续统。1845年，法拉第给这种东西起了一个名字“场”，至今仍在沿用。

我们周围充满了场，我们浸泡在场里面，我们在场里游泳，总是被场拖曳着。我们虽然从没看见过场，但它通过力暴露自己，让自己被感知。场是局域的，这有以下两层意思。第一，电磁铁不是神奇般地跳越空间拉住金属别针。别针只受本地场的影响。正如一个水虫平静地漂浮在池塘水面上，浑然不知孩子们正在池塘的另一边打水仗呢。第二，电磁铁需要些时间才能施加影响。当电磁铁刚接通电源时，别针还没有感知到力，效应必须扫过场抵达别针，将其拉到磁铁上，正如孩子们玩水时水花形成的涟漪穿过池塘，才能抵达可怜的水虫。对于电场来说也是同样的道理。如果你在袖子上摩擦橡胶气球，然后将它放在你的头边，那么它并不会马上弄乱你的头发。实际上，先是电场受到干扰，其效应跨越气球和头发之间的空间传播出去，最终改变了你头发附近的场的状态。

* * *

法拉第的场的概念开始并没有被接受。怀疑者一定要看数学公式，而法拉第是个数学盲，给不出公式。但他的想法启发了下一代年轻的数学奇才，特别是苏格兰物理学家麦克斯韦，他把法拉第的直觉变成了方程组。为了用数学表示场的概念，麦克斯韦用了一套类似天气预报的表达体系。熟悉天气预报的人知道，天气预报地图用很多数字和小箭头来表示各地的温度、风速、风向等。同样，麦克斯韦用小箭头表示电磁场在空间中每个点的强度和方向，如图2-2所示。数字网格告诉你场是如何推着通电的物体或指南针的磁性指针转动的，麦克斯韦著名的方程组预言了这些量如何随时间变化。

图2-2 磁场（图片由珍·克里滕森提供）

磁场充满一块磁铁的内部和周围的空间，它以一定的强度和方向在磁性物质（如铁屑）上施加力的作用。

今天你能买到印着物理方程组的T恤衫，这些方程组是所有物理学家渴望的优雅理论的缩影。除了磁场和电场，宇宙中还纵横交错着几十种其他的场，代表各种各样的自然之力。尽管麦克斯韦方程组很成功，但对方程组的解释却是朦胧的。这些方程组真的遵守定域性法则吗？看起来像，但看起来的可能有欺骗性。比如，尽管麦克斯韦设计方程组的时候用局域作用的力来描述，但他承认用这些方程组同样可以完美地描绘非局域作用的力。对这组方程组的解释，空间可以不必充满有形的介质；空间可以基本上是空的，只是在这一点那一点散落着一些物体，彼此相隔一定距离或拉或推。赋予空间中某个点的数字描绘了一个猜想：如果你把一个物体放在某某地点，那么宇宙里所有其他物体将怎样相应地与之作用？麦克斯韦理论于是点燃了关于200年前牛顿万有引力的解释的争论。

场有3个特征确立了自己的真实性地位。第一，场本身有生命。它不仅是中介负责将脉冲从一个物体传到另一个物体上，而且它可以唤醒自己主动采取行动，与物质无关。没有粒子的空间中仍然活跃着波的舞动。这一现象有悖于非定域性的看法。第二，电和磁电扰动需要一点儿时间延迟才有效应。时间的延迟看起来古怪，如果力直接从一个物体跳到另一个物体上，那么不会有延迟，但如果脉动必须通过介质才能传输出去，那就自然了。事实是这种效应传播的速度等于光速。明显地，光就是一种电磁波。第三，场含有能量，是真实物体的精髓所在（在当时是非常新的物理概念）。它们有能力存储能量，从而保证了在传播过程中没有能量损失。

这3个真实性的判断标准（波、时间延迟以及能量）使得大多数与麦克斯韦同时代的人相信场是电磁力的定域性解释。常识性的智慧打了又一个漂亮的翻身仗，非定域性的说法从正统地位下降到“非常古老的，但最有害的邪说”，而且“不可思议”。在历史长河中，这类评论不绝于耳。新一代物理学家又一次充满信心地发表宣言，而与老一辈物理学家信心百倍的宣言正好矛盾。事实上，这种虚张声势掩盖了一些不安。

定域性的新麻烦

19世纪末，物理学家们很烦恼，他们有两个理论，即电磁理论和力学理论。他们看到的物理世界有一个蜿蜒曲折的大裂缝，这不仅搞糟了他们追求简单性的美梦，而且让他们在解决各种实际问题的时候不知所措。如果需要算出棒球或行星的运动轨迹，他们应用牛顿定律；如果要建造发电机和电磁铁，则得用麦克斯韦方程组。但如果情况涉及机械运动和电磁效应的混合，他们应该怎么办？运动物体如何影响电磁场，电磁场又如何影响运动物体？

这两种理论看起来彻头彻尾地不相容。牛顿定律的核心概念——引力在麦克斯韦理论中没有位置。电磁力可推可拉，而引力总是拉；而且，引力场不满足任何电磁场展示出来的物理实在的判断条件。例如，观察者并没有看见引力传播出去的时间延迟。根据一个有影响力的估计（尽管事后证明是错的），引力瞬间起作用，没有时间延迟。19世纪开始时引力是其他力的优秀典范，而在19世纪末，引力变成了搅局的局外人。

一个更基本的问题是，麦克斯韦方程组说某些速度（例如光速）是特殊的，然而牛顿定律说不存在“那个”所有物体的速度。在那些定律中，速度总是相对的。相对于那个观察者，棒球可能以每小时30千米的速度飞行；但如果观察者坐在火车上观察，则棒球的速度可能是每小时160千米；而相对于空间站里的宇航员来说，棒球以每小时27000千米的速度飞行。但如果一个人不是扔棒球，而是打开手电筒，手电筒发出的光的速度相对于这3个观察者来说又如何呢？又过了几年，物理学家回想起自己16岁读电磁学理论时想到的奇怪的事：如果你以光速运动，那些波是不是会静止不动？有的物理学家说是，有的说不是。实验结果同样有矛盾。

理论物理学家亨德里克·安东·洛伦兹对力学和电磁学不相容这件事很着迷。他的女儿海特勒伊达后来成为一位受尊敬的物理学家，她回忆到和妹妹逗爸爸，说他像北极熊，他爸爸在地下室的书房里走来走去的样子像笼子里的北极熊。在这样像熊一样走来走去的过程中，洛伦兹想出来了一个调和力学和电磁学之间矛盾的办法。他说电磁学实际上是两个理论中更深一点儿的那个。他说用电磁学可以解释牛顿的运动定律，甚至也许可以解释引力。在洛伦兹的办法中，的确存在“那个”所有物体的速度，这由电磁介质决定。如果你以波的速度运动，波看起来就是静止不动的。

有些物理学家可能反驳说实验结果显示相反的结论，洛伦兹已经准备好怎么回答了。他说，物理学家被实验的设计弄糊涂了。要测量速度，他们需要一个标尺，而且他们需要“信任”这个标尺能够给出可靠的长度标准，而问题就出在这个“信任”上。洛伦兹推理说，当一个标尺在运动时，电磁场会阻碍它的运动，沿着长度方向挤压，像落下的雨滴被空气拉长。这一效应会让测量不准确，误导实验结果，以为光的速度相对于仪器从来不改变。简而言之，尽管你有真实的、绝对的速度，但电磁性会阻止你测量它。

在纯实际层面，洛伦兹理论取得了巨大成功，1902年他因此获得了新的奖章——诺贝尔奖。但自然对实验者玩这种小技巧，的确显得偷偷摸摸的，而且理论本身产生了一些新问题。物理学家和哲学家在离散的粒子和连续的介质之间已经摇摆了几千年，但洛伦兹把两者结合起来，形成了自己的理论，结果却有些别扭。例如，电场传递作用力时，不仅应从充电的粒子传给其他粒子，而且应传递给自身。这指向自己的回路会产生悖论。粒子在你施力之前就应该开始加速了，好像心灵感应。粒子能略微看见自己的未来的能力可以用于从一个地方向另一个地方以无限快的速度传递消息。

好像这还不够，这个理论预言粒子在压抑已久的自己电场的压力作用下会爆炸。为了解释宇宙中的粒子为什么不会像鞭炮一样爆裂，物理学家承认粒子必须真的是无大小的几何点，如果不这么小，粒子就会爆炸。但正如芝诺在2000多年以前就指出的那样，无大小的几何点会引起悖论。在任何时候，物理学看见的数字“0”后面不远之处就是无穷大。如果电场集中作用在无穷小的点，电场强度就会变得无穷大。为了进行类比，如果光的波长可以是任意无穷小的几乎为零的数，那么一个装满光波的盒子就会有无穷大的存储能量的能力。这个盒子就会像黑洞一样吸取能量，不是因为它的引力，而是因为它的无限大的存储能力。这正如电视剧《囤积癖》（Hoarders）里的人有无限能力收破烂，以致东西一进入他们的房子就消失，再也找不到它们的踪迹。

简而言之，每当物理学家试图描述局域作用的粒子时，要么直接碰撞，要么通过场传送涟漪，他们总是遇到“无穷大”这个词。有些物理学家开始质疑，他们不仅质疑洛伦兹理论，而且质疑“场”的概念和定域性原则。19世纪物理学家的研究遇到了不统一的麻烦，酷似我们今天遇到的情况，理论学家挣扎着调和引力和其他自然力之间的矛盾。不久，那个16岁就在思考光波问题的年轻人[15]的时代来了，他开始梳理这团乱麻。

[1].涡原子（vortex atoms），物理学家、发明家开尔文曾提出物理原子是打结的涡旋管。后来物理学家彼得·古里斯·泰特对此非常迷恋，承担了“纽结”的物理性质的研究，开创了“纽结理论”的数学研究领域。——译注

[2].蛋白质折叠技术是指蛋白质获得其功能性结构的过程。通过这一物理过程，蛋白质从无规则状态卷曲折叠成具有特定功能的三维结构。——译注

[3].波塞冬，希腊神话中的海神，三大神之一，宙斯的弟弟。

[4].德谟克利特，古希腊哲学家，“原子论”的创始人，他用原子在虚空中运动、组织和重组来解释自然现象。——译注

[5].力学是研究物质机械运动规律的科学，所以量子力学的概念也是关于机械运动的。——译注

[6].在希腊神话里，宙斯基本上是由性欲驱动的，他不喜欢妻子赫拉的唠叨和纠缠。他也是希腊诸神中最厉害的，没人能打过他，没人能对他说不。凡人大都认为怀上他的孩子是光荣的。——译注

[7].传话游戏，英文原文是“game of telephone”，几个小朋友站成一排，第一个人想好一句话，口耳相传给第二个人，第二个人传给第三个人，等等。这样一直传下去，最后一个人把听到的结果说出来，很可能和开始的那句话相差甚远。——译注

[8].原著中为chhi，译为“气”或“元气”。中国古代哲学中有元气学说，后来有人证明现代物理学中的场论与此有联系。——译注

[9].山羊、雄鹿和斯芬克斯都是传说中的动物，只存在于艺术作品中，如绘画或雕塑，所以不占有地方。——译注

[10].Scholasticism，经院哲学，中世纪欧洲大学里教的一整套神学和哲学，基于亚里士多德的逻辑和著作，强调传统和教条，其主要特征是烦琐哲学，墨守成规，循规蹈矩。——译注

[11].灵魂出窍，out-of-body experiences (OBE或OOBE) ，又称出体体验，这是一种体验，通常有灵魂离开自己的肉身飘游的感觉。——译注

[12].《哈姆雷特》中的主人公有这么一段独白：“人是一件多么了不起的杰作！多么高贵的理性！多么伟大的力量！多么优美的仪表！多么文雅的举动！在行为上多么像一个天使，在智慧上多么像一个天神！宇宙的精华！万物的灵长！”——译注

[13].一种算命方法。——译注

[14].原文为überphilosopher，元哲学家，跨学科的哲学家。——译注

[15].指爱因斯坦，见下一章。——译注

第3章 爱因斯坦的定域性

爱因斯坦上大学时，很多课不去听。他认为物理课教得真不怎么样，教授连一点儿有意思的事都不讲，连麦克斯韦电磁理论引起的轰动都不讲。爱因斯坦经常坐在苏黎世的一个咖啡馆里，钻研伟大的哲学著作，如休谟、康德和马赫的著作。要不是借用朋友课上记的笔记，他也许永远毕不了业。他的教授认为他太自恃清高，给他的评语对他找工作很不利。欧洲各地的实验室主任都希望忘记这个事实：他们曾拒绝过阿尔伯特·爱因斯坦的工作申请。

爱因斯坦在职业生涯早期并没太注意定域性的重要性。他是牛顿主义者，他在早期的科学论文里假定粒子之间是超越距离相互作用的。如果牛顿定律和麦克斯韦方程组有矛盾，那么一定是麦克斯韦方程组的问题。特别地，如果牛顿定律认为所有速度都是相对的，那么无论麦克斯韦方程组怎么暗示，光的速度也只能是相对的。于是爱因斯坦希望微调麦克斯韦方程组，使得光速相对于光源做相对运动，构造出一个非定域的电磁理论新版本。就在那时，他的想法发生了质的改变。这一修订版的电磁理论和起初的版本发生了剧烈冲突，实验结果看起来不支持。更有甚者，他的新版本预言有些人看见电磁场遵守原版麦克斯韦方程组，而另一些人看见电磁场遵守一种失真版的麦克斯韦方程组，这与爱因斯坦关于人人平等的直觉相抵触。

在一次典型的“啊哈”瞬间，爱因斯坦突然灵光一闪，意识到速度可以是相对的，同时光速可以设置成绝对的速度标准。二者并没有矛盾，不像许多人想的那样。你只是需要小心弄清楚“相对速度”是什么意思。牛顿定律体现的一般规则是，相对速度是通过做加法或减法计算而来的。棒球如果以30千米/小时的速度迎着一列以130千米/小时的速度开来的火车投过去，那么坐在火车里的乘客看到，棒球的速度是160千米/小时。但这一规则隐含一个默认的预设：信息传递是瞬间的，也就是说信息传递是非定域性的，这一假想是没有根据的。

当我们比较速度时，涉及哪些操作过程呢？爱因斯坦思考这个问题时意识到了这一点。他运用了现代物理学家最喜欢的一种推理风格，实际上他率先运用了这种推理风格，称之为可操作性推理，就是问自己是怎么知道自己以为知道的。通常你会发现你并不能证明你所相信的，而事实上那些信念是错的。顺便说一下，使用这一技巧对解决各类争议会有好处。为了将政治辩论提高一步，问某事是怎样运作、如何发生的。例如，如果就支持或反对医疗保险的单一付费者体系展开辩论，那么可以问这个问题：医疗保险是怎么运作的？那些特别坚持己见的人会被迫承认自己无知，或至少承认这个问题并不是那么显然。

具体到测量相对速度，爱因斯坦指出，为了让棒球投球手和火车上的乘客测量棒球的速度，每个人都需要一个时钟，而且不能想当然地认为他俩的时钟时间总保持一致。他们需要有办法比较时钟读数，这要求他们能交换某种信号。如果信号交换能瞬间完成，他们就可以肯定地说一个人的1小时对另一个人来说也是1小时。但如果信号传递需要时间，他们就不能肯定，因为信号在路上时他们可以交换位置，有一个时间差。同样，他们也不肯定对一个人来说的1千米对另一人来说也是1千米。长度的测量隐含了瞬间就能完成的想法，它假设一个信号可以瞬间从物体的一端传递到另一端。如果观察者被局限于只能观察以有限速度传输的信号，那么测量可能因观察者自己的运动或物体的运动而告吹。

爱因斯坦找到了一条与牛顿的速度叠加规则不同的规则，使得既要考虑传递信号的时间延迟，又能保证投球手的视角与火车上乘客的视角完全等价。根据这个规则，复合后的相对速度比简单叠加的速度要小。对火车上的旅客来说，棒球运动得比每小时160千米略慢。棒球扔出去的速度越快，相对速度越偏离牛顿的预期。如果（正如19世纪理论学家所好奇的）地面上的人打着手电筒而不是扔棒球，那么光将以10.8亿千米的时速相对他运动，也以10.8亿千米的时速相对火车上的乘客运动。乘客自己的运动将不再与之有关。因此，光的运动速度对所有观察者来说是一致的，尽管观察者自己的速度总是相对的。

爱因斯坦对相对速度的重新思考解释了曾让他的同辈人困惑的实验。细微差异不见了，人们不需要怀疑大自然不怀好意地跟实验者捣乱了。这些成功让爱因斯坦醒悟，他早年情愿支持非定域性是错的。

* * *

确认了所有速度都是相对的，于是爱因斯坦缓解了运动定律和电磁定律之间的紧张关系，甚至那些在大学期间觉得爱因斯坦很烦的教授们对此都印象深刻，其中一位教授指出了这个年轻傲慢的天才忽略的一个重要问题。当你仔细考虑像速度这么基本的概念时，触及的问题可不是一个小问题，而是很多问题。速度是用时间和空间定义的，因此，爱因斯坦对速度的重新定义也变革了物理学家对时间和空间的概念。因为以不同速度运动的人不能总是让他们的时钟保持同步，时间间隔取决于他们的速度；由于类似的原因，空间距离也是这样。但时间间隔和空间距离的结合——时空“距离”不依赖于速度，这是一个所有人都同意的客观事实。爱因斯坦的相对论就这样将时间和空间统一起来，形成了“时空”这个单一概念。对今天的物理学家来说，发现时间和空间的统一才是相对论的真正意义，火车和信号这些事只是发现这个理论的一个手段。

今天我们仍然将时空看成空间和时间，但没有人可以独断专行地把时空分成“空间”和“时间”。对一个观察者来说纯空间的事物，对另一个观察者来说则是时间和空间的结合。对一个火车乘客来说，他膝盖上的报纸“在这里”（纯粹空间符号），但对另一个站在地上的观察者来说，报纸是一个运动目标（空间和时间概念的混合）。这两个人有不同的“现在”这个概念，就哪些事件同时发生有不同意见。“同时发生”是相对论理论的四字短语，客观上不存在这类事。

我们的拼图游戏里还有一个小拼片没有找到它的位置，那就是引力。相对论的初始版本只应用于引力为零的特殊情况。1915年，爱因斯坦完成了他关于广义相对论的架构。根据广义相对论，引力是由一种场产生出来的，类似于电磁场的那种场。棒球飞行的弧线不像牛顿理论认为的那样——由地球超距作用于棒球的力引起，而是棒球对环绕它的引力场的反应。当地球内部物质发生变动（例如地质活动或洋流重新分布）时，引力场会发生微弱变化。这种扰动引起的涟漪通过引力场以光速向外传递，当它传过棒球场时，在那里重构引力场。于是下次你扔棒球时，棒球可能以略快或略慢一点儿的速度落下。

然而引力场跟其他场不一样，它在大自然里扮演着一个特殊角色。所有其他场都有选择性，例如电磁场只作用于通电物体，而且电流越强，加速越快。相比之下，引力场则平等地作用于所有物体。所有物体以同等的加速度落下。因此，在没有其他力作用的前提下，引力场把所有物体应该走的路径标注出来了。但那恰恰是空间的作用。因此，按照爱因斯坦的说法，引力场不是存在于空间，而是说引力场是空间的一个属性。如果时空就像用一块地毯织出来的，那么移动的物体就像这块地毯上滚动的弹子球，地球的引力场就好像地上的一个颠簸，让弹子球的滚动改变方向。

正如小说里的一个剧情转折，虽然那时还不能改变整个故事，但仍然促使你重新评价前面发生的一系列事情，一个你原以为很坏的人物实际上可能是个好人，广义相对论也是这样。广义相对论使得物理学家重新评价牛顿的引力理论。他的理论在严格意义下并不错，只是还不完备。他粗略地抓住了引力的效应，但未能解释引力是怎样传播的。相对论把牛顿的万有理论从虚空变得实在。牛顿和莱布尼兹模模糊糊地感觉引力和空间的本质有某种关联，相对论则对此进行了阐明和辩护。

定域性让物理学保持理性

爱因斯坦通过思考定域性对时间和长度测量的含义，搞出了一套相对论理论。反过来，相对论也支持了定域性的规定。首先，相对论暗示任何物体都不能以超光速运动。在技术上，这个理论并不禁止超光速运动本身，它只是说光对所有的观察者来说以同样的速度运动。但在大多数情形下，这个要求将翻版为普适的速度极限。如果你能追上光速飞行，正如爱因斯坦十几岁时冥想的那样，光会看起来静止不动，那么光就不再是看起来相对于你和相对于其他人来说运动速度都是一样的。不管你飞得多么快，不管你多么使劲，你也不可能追上光的速度。这跟追逐彩虹一样，不可能有结果。

在实践中，如果你试着让一个物体加速至光速，就会感觉到有一个控制者，好像他在踩着刹车，使得每次速度增加时你必须更加使劲。这就是为什么现代粒子加速器必须是巨型的。从光速的99.9999%（费米实验室的Tevatron粒子加速器的粒子速度）增加到光速的99.999999%（欧洲大型强子对撞机的粒子速度），为了如此细微的速度差异，需要花费的能量则达10倍之差。达到光速需要花费的能量是无限的。

* * *

这一普遍存在的速度极限排除了牛顿推测的存在无限快的非定域的力。而且，像开明的父母不仅明确说明了家里的规章制度，而且耐心解释了其理由，相对论并没有明令禁止快于光速的飞行，只是明确阐明为什么快于光速飞行会惹那么大的麻烦。

首先，也是最重要的，突破速度极限会搞乱因果顺序。大家对很多事情的看法会不一：不仅什么是“现在”，而且什么是“以前”，什么是“以后”。要问为什么，请回到前文提到的爱因斯坦的可操作性推理方式，问自己怎么知道事件发生的顺序。你需要能够通过光或其他需要花些时间穿过空间的方式，观察这一系列事件。如果事件连续以极快的速度相继发生，以致光都来不及及时掠过，对这些事件的观察则可能彼此矛盾，那么人们不仅对事件发生的快慢会有争议，而且对本质上到底发生了什么也会有争议。

例如，回到上文提到的场景。这次想象你对着一列正在离你而去的火车投掷了一个比光速还要快的球，球击中火车，从火车尾部打个洞钻进去，穿过整个车身从火车头钻出去，或至少从你的角度看是那种情况。火车上的一个乘客看到的情况可能不一样，对于球猛烈闯入后面的车厢以及飞出前面的车厢两个事件，光需要花一些时间才能让乘客看见，而且在此期间，火车继续向前行驶。火车尾部的光必须走长一点的距离，火车头部的光需要走短一点的距离。结果，或许乘客看见棒球首先打破火车头部，然后才打破火车尾部。事实上，整个事件的顺序可能倒过来，球先从火车头部飞入，向后飞，从火车尾部飞出，而你正伸着手等着接球，球回到你的手上。乘客意识到表面现象可能是假的，并考虑了光的传输时间，他可能认为事件顺序是相反的。因为乘客的观察和你本人的观察是完全平等的，所以你们俩都是对的。如果物体可以超光速飞行，客观上事件发生的顺序就是有歧义的。

这类因果顺序颠倒不仅让人晕了头，而且让理论破了产，它等于沿着时间轴向后走。如果许多超光速运动的观察者可以接力传递信号，也就是能够非定域地（超越空间）传话，你也许能对自己的过去传递一个信号。爱因斯坦早在1907年就意识到了这一点。“使用超光速，我们可以向过去发个电报。”他在一次会议上说。他似乎对前景乐观，但科幻小说作者早就知道了，他们已经为时间旅行这个潘多拉盒子编了许多故事。最早的也许是在1881年，美国作家爱德华·佩奇·米切尔讲了一个时间旅行者的故事。这个时间旅行者利用他知道的历史知识，解救了16世纪被围困的荷兰莱顿城，因此制造一个互为因果的回路。这个时间旅行者后来回忆起这件事，承认是他干的。后来还有故事提到时间旅行者回到过去，杀了自己的爷爷或其他直系祖先，防止自己出生。在模仿艺术的生活中，物理学家和哲学家把时间旅行看成纯属不可能。物理定律即使不能做其他事情，最起码也能预言逻辑矛盾。普适的速度限制恰恰能防止逻辑矛盾。

除了维护因果关系的方向感以外，速度限制还保证了物理定律本身的合理性。如果物体或力可以无穷快的速度运动，那么世界就会坠入无秩序无政府的深渊。一个戏剧性的例子是由保罗·潘勒韦发现的。他是法国在第一次世界大战中一段极其黑暗时期的战争部长和首相，他非常熟悉无政府状态。在19世纪90年代中期的一段太平宁静的日子里，潘勒韦曾是一个地位卑微的数学家。他做的一个项目是把牛顿引力定律应用到星团成簇的研究中。潘勒韦意识到，星星（如同蜂窝里嗡嗡乱叫飞来飞去的蜜蜂）可能让自己进入某种癫疯状态，以致物理学定律将无法预言下面发生的事——一个搅局者，通常称之为奇点。

对于任何地方或事件，如果物理量变得无穷大，而且自然机制突然失灵，那就是奇点。黑洞的中心是另一个例子，尽管原因不同。对于上面那个潘勒韦例子，其中某一颗星星可能以无穷大的速度突然飞走消失于深空。这已经够糟的了，而更糟的是事情还可能反过来。在任何时刻，一颗新星可能从无穷远处突然从天而降，正如一位哲学家说的，好像一个“太空入侵者”。如果是这样，那么物理定律不能有把握地预言星团会发生什么，也不能预言其他任何东西。太空入侵者可能飞快地掠过宇宙，从你的洗衣房里偷走一双袜子，然后还没等你知道袜子丢了就把袜子还给你。这比其他物理学里的随机性例子更糟糕，因为你甚至不可能对可能的输出结果赋予一个概率值。

这类看起来荒唐的事并不局限于牛顿定律，某些类型的场也允许涟漪以无限大的速度扫过它们。每当速度无限大时，空间距离将完全失去意义，而自然将变得不确定，由变幻莫测的事情控制，而不是由定律法律决定。物理学家从古希腊时代起营造的秩序将毁于一旦。如果强制实施速度限制，相对论将恢复法律和秩序，当然也可以保证洗衣房中篮子里的衣服不被掠走。正如史蒂夫·吉丁斯，即那个攀登冰岩的物理学家说的：“任何非定域性的东西潜在都可能堕落成垃圾。”相对论为古老的直觉做了辩白，即非定域性将描绘出一个不可理解的宇宙。

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在这个量子革命发生的前夜，让我们盘点一下我们所处的位置。古代哲学家们相信物体只有通过直接碰撞才发生相互作用。在牛顿时代，哲学家们又被说服，相信直接碰撞的相互作用实际上不合理，事情不得不超越距离相互作用。然后，从法拉第开始，到爱因斯坦达到高潮，他们的理念又变了，认为事情归根结底只能局域地相互作用。尼尔斯·玻尔即使在很多问题上不同意爱因斯坦的说法，也认为超距作用是“不理性的”，“完全不可理解”。

原子论者指出定域性有两个侧面：一个是局域作用原则，它保证了影响不会从一个地方跳到另一个地方，而是穿过所有中间点；另一个是可分性原则，它说每个独特的个体拥有独立的物理实在。世界是有结构的，事情不会溶化掉变成一碗分不出结构的浆糊。电磁场、引力场和其他场都蕴含有这些概念，虽然方式是古代原子学家永远不能想象的。物体之间的相互作用不仅通过接触发生，而且通过连续作用——场里的波发生。场里的每个点都是一个独特的个体，有独立存在权。这些实体的存在是客观事实，所有观察者都应该同意。

尽管希腊哲学家和后来的机械论哲学家认为定域性是自显然的，但爱因斯坦为它追加了论证。实质上，他很小心地承认那只是一个猜想，相对论理论框架是否成功必须通过经验检验，而定域性是这个框架的一部分。而这一理论框架无疑是成功的。场论吻合得那么好，为定域性的两个侧面进行了辩护。

于是物理学家们认为这回他们全明白了。然而，正当他们欢庆胜利的时候，定域性原则以及关于空间的整个古典构想不断受到新兴的量子力学理论的攻击。非定域性的想法，这个说物体之间可能挣脱空间的枷锁相互作用的想法，这个哲学家和物理学家为排除其可能性斗争了约2500年的想法，又循着一条路打回来了。由于爱因斯坦将定域性深深地嵌入了科学，它的新敌人比以往更猛烈地动摇了科学的基础，以致物理学家们现在仍在收拾残局。

量子力学的奇特横空出世

“量子力学怀胎于原罪。”华盛顿大学历史学家和哲学家亚瑟·法因说。尽管“大爆炸理论”电视片里的物理学家是些谈笑风生的极客人物，量子力学的始祖们却都是史诗般的，常常灵魂扭曲。有的受抑郁症折磨，一个自杀了，一个和妻子及情妇住在同一屋檐下，一个加入了纳粹的冲锋队。他们也是常常将对手的辩论篡改一下，变成自己的观点。他们承认自己一半时间不知道自己在干什么。如果开局就这样，那么后来乱哄哄、争吵不休就不奇怪了。

爱因斯坦是这场疯狂演出的中心人物。课本上一般把他对量子力学的贡献贬低为一个小小的发现——光电效应，他为此获得了1921年的诺贝尔奖。但公平地讲，他应该被称为量子力学之父。事实上，在长达10年的时间里，他是唯一相信量子力学的人。一开始，他的目标是理解光。从德谟克利特到亚里士多德，再到牛顿以及托马斯·扬，理论物理学家们在光是波还是粒子的问题上像打乒乓球一样跳来跳去。在1905年的一系列论文里，爱因斯坦把这个问题解决了，光既是波又是粒子。这跟素食主义者屠夫一样有道理。不然光怎么可能既可以像波一样均匀地传播出去，又可以装在局域的能量小包裹里？

撇开术语明显的矛盾不谈，光的这种二象性质引起一个问题：它与定域性原则有矛盾。如果光是粒子或波之一，则不会有麻烦。要么粒子跳来跳去，彼此通过直接碰撞或短距离相互作用；要么波通过介质或场像涟漪一样连续运动。原子论者倾心于粒子说，场论学者热衷于波，但双方都同意光是定域的。但当光表现得既像波又像粒子时，非定域性似乎不可避免，原因是要让这两种行为吻合起来要求很高的跨越空间的协调能力。爱因斯坦和其他理论学家开始并没有意识到这种非定域性，他们想当然地认为自然是定域的。确实如此，他们认为19世纪物理学的最大成就就是恢复定域性原则，并把这一原则镌刻在相对论里。但当他们想把这种光的二象性整合进同一个框架并失败时，非定域性偷偷溜进了他们的意识。

例如，假设光归根结底是波，只是给我们以粒子的印象，因为粒子吸收光波的能量是以离散的包的方式。爱因斯坦的大多数同辈人都采纳这种看法。但爱因斯坦早就看出了其中的冲突，华盛顿大学物理学家约翰·克雷默称之为“气泡佯谬”，如图3-1所示。波从源头传播出去像一个越来越大正在膨胀的气泡，到达一个原子时，气泡破裂，波坍缩并把所有的能量集中在一个地方，像大海里的波浪破碎在拱形的海湾。到那时，气泡会变得巨大，坍缩会突然大面积地发生。远处的气泡如何能知道它们应该马上停止向外传播？一定存在某些神秘的非定域效应在暗中运行。

或者另一种假设，即光归根结底是粒子的。光有时看起来像波，那只是因为粒子能协同合作像波一样运动，好像体育场看台上的观众形成的波。这是爱因斯坦最初的直觉，但他很快意识到这与一些观察不符。光的粒子独立运动可以解释光谱中的短波一边，但解释不了长波一边。在长波那边，粒子不可能互相独立，仍需要外在的影响使得它们协同扭动。

图3-1 爱因斯坦的气泡佯谬（图片由珍·克里滕森提供）

爱因斯坦于1909年设计了这个佯谬，论证了原子释放光是以离散的粒子形式，而不是连续的波。一个连续的波会从一个原子出发向外膨胀，像膨胀的肥皂泡一样越来越大。当波碰到另一个原子时，它会破裂。气泡外围的能量会集中在那个原子上，那将是非定域过程，爱因斯坦和他的同事觉得难以置信。如果这样说倒是更合理些：第一个原子向第二个原子的方向发射出一个光子。后来爱因斯坦把这一佯谬从光波引伸至量子波函数。

第三种可能，爱因斯坦设想过光有两个分开的部件，其中一个是粒子，另一个是波，每个部件只作用于局部区域。粒子携带辐射波，然而还有一个幽灵般的“指导场”，其本身没有能量，扫过这些粒子，就像大海的波涛携带着一个冲浪者。玻尔也曾构想过这个想法的另一个版本。然而这一“光分为波粒两部分”的理论并没有想象得那么好。为了让粒子的总能量保持为常量，指导场不应该像牧羊一样将粒子孤立起来分别喂养，如果它推着一个粒子快点儿运动，那么它必须让另一个粒子慢下来，从而补偿能量。因此，波必须在所有地方同时作用。那就是说，它必须是非定域的。

所有这些可能解释光的两面性本质都要求某种形式的非定域性。做一个不吃肉的屠夫已经够古怪的，现在物理学家又有了一个素食主义屠夫巫师。爱因斯坦和他的同事都不相信有非定域性在运行，但看来不可避免。玻尔曾写信给同事说，原子的心脏看来发生了可疑的事，出现了一种“很难用普通的自然的时空语言描述”的东西。为了让你体会一下爱因斯坦感觉光的行为多么古怪，想一想在苦苦思索光的行为期间，他抽空休息时干了什么？他发明了广义相对论。那就好像从艰难困苦的中东和平会谈中抽身出来休息时发明了一种癌症治疗方案。

物质的波

20世纪20年代初，爱因斯坦和年青一代的同行（如埃尔温·薛定谔）取得了关键的飞跃性进展。他们提出所有能量和物质形式（不仅仅是光）都表现得既像粒子又像波。这回对光的迷乱困惑传染给了物质。无论把波放在首位还是把粒子放在首位，你都会遭遇非定域性。

薛定谔偏爱波，他说：“万事万物的底层是辐射波，粒子无非是波峰上的一种‘浪花泡沫’。”他的想法是，如果分开很远的粒子行驶在同一个波上，它们自然会保持同步，不需要非定域的影响。借着这个想法，薛定谔想出了一个方程，现在简称为薛定谔方程。今天物理系学生学的量子力学的定义恰恰就是薛定谔方程。有了薛定谔方程，我们可以做任何事情，从跟踪粒子的运动，到计算一个原子释放或吸收的光的颜色。但令薛定谔沮丧的是，他意识到他的方程并不是描绘了一个波，而是描绘了一个“波函数”，一个奇特的数学抽象，将粒子和粒子群的特性编了码。这个波函数是非定域的。整个粒子族群只有一个波函数，波函数把所有粒子的命运绑在一起，无论它们被驱散得多么遥远，甚至一个粒子的波函数也跨越整个宇宙。

薛定谔的竞争者、德国物理学家海森堡是玻尔的学生，他倾向于考虑粒子，也搞出了一套他自己的方程组。后来证明这个方程组和薛定谔方程在数学上是等价的，他俩从不同的路径得到了同样的理论。但海森堡版本基本上没有阐明到底背后在发生什么，海森堡承认他不知道他的粒子方程组能够解释波的效应。后来，物理学家意识到海森堡方法中的粒子像波，因为它们除了能对其周围的粒子进行响应外，还能对空间的遥远区域进行响应。

简而言之，薛定谔和海森堡并没有解开非定域性的秘密，而是使它更鲜明突出。的确，这个理论有一种含有无秩序、不整齐或不完整的感觉。相比较而言，相对论从一个令人信服的原则（对称性原则）有机地流入，很快被人接受，而量子力学是从各种互不相干的直觉东拼西凑出来的，物理学家们不得不做逆向工程，把其中体现的关键原则提取出来。这种情况很像200年前牛顿的万有引力留下的谜团。为了使他们锻造出来的东西合理，物理学家们不得不绕到方程组后面寻找他们的直觉，他们关于世界究竟应该怎样工作的直觉。那就是真正开始准备战斗的时候了。

爱因斯坦和薛定谔采取的立场颇似牛顿的批评者，比如莱布尼兹。他们认为，这一理论预示了非定域性，所以它一定是临时的；不是说这个理论是错的，它只是还不完善。一定有更深的理论可以把非定域性解释清楚，使它不再是一个问题。但玻尔和海森堡辩解说，不，这个理论不是临时的，它是物理学的终极理论。请注意，爱因斯坦和薛定谔并不总是意见一致，玻尔和海森堡也并不总是对上眼。但如果把他们之间的辩论说成是双方的，仍然是合适的，只要科学家自己是这么看待这件事的。

玻尔和海森堡的观点演化成为所谓的“哥本哈根解释”，其中的一个核心信条是自然在本质上是随机的，其合理性的解释一部分是经验性的。量子过程看起来是随机的。例如，当原子释放一个光子时，并没有已知物理定律能够确切计算出释放的时间和方向。但哥本哈根学派走得更远，不仅说数据严格要求这一规定，而且说这样的定律根本不存在，没有商量的余地。波函数详尽说明了粒子在某一个位置或以某一个速度运动的可能性。那个粒子始终身处不确定状态，没有确切的位置或动量，只是孕育着可能性，直到有一天有人去寻找它。为了测量它的位置，实验者迫使波函数坍缩到一个狭窄的、随机位于可能的范围里的区域，粒子在指定地方跳出来。波函数坍缩是突然的和不可言喻的，位于薛定谔方程或海森堡方程的范围之外。正如一个哲学家写的：“这一坍缩简直是个神迹，真的。”

可以这样为他们辩解：生命本身就是随机和变幻莫测的，寻找其理由岂不是自寻烦恼？总有不幸的事发生。好人会有不幸，恶人倒可能飞黄腾达。对哥本哈根学派的人来说，不确定性思想是现代化的教训，是针对过分相信理性、误以为逻辑就是文明这种思潮的一剂良药。20世纪20年代的德国知识分子应该对第一次世界大战中德国的战败负责。若干历史学家已经认为当时的文化情绪可以追溯至“认为自然是不可被理性理解的”这种神秘浪漫主义思潮。

爱因斯坦和薛定谔厌恶对量子力学的这种解读。“上帝并不掷骰子”，这是爱因斯坦的一句名言。这句经常被引用的话听起来好像爱因斯坦在宗教般地回避不确定性，但真相总是复杂得多和有趣得多。爱因斯坦从未反对随机性，他事业生涯中的大部分时间都在研究随机过程。他关心的问题其实更务实。很多随机现象都是伪随机，是从更小尺度的机械运动中脱颖而出的。为什么量子随机特殊？为什么物理学家要放弃寻找自然的更深层面的解释？正如我在前面一章提到的，爱因斯坦有感于看到宇宙在很多方面是有规律可理解的，因此，如果基本粒子是个例外，那倒很奇怪。宇宙要么应该是理性可理解的，要么是高深莫测的，但它不应该是一半可理解，另一半不可理解。

更进一步，爱因斯坦发现不确定性意味着非定域性，理由是所谓随机事件在量子力学里是协调起来的。不仅我们观察到它们是协调起来的，而且它们必须协同一致，要不然能量或动量将减少或增加。例如，我在第1章中描述的一对魔术硬币要么随机地同时正面朝上，要么同时反面上，这一对硬币必须步调一致。它们是怎么做到的？如果投掷结果是由过程决定的，那么这对硬币必须有办法非局域地通信，以保证它俩同时正面朝上或朝下。反之，如果它们并没有交流，实验结果一定是前世定好的，而量子理论没有详细说明这个结果，所以，它一定是不完善的。在非定域的不确定性和定域的确定性之间，爱因斯坦花了好几年时间微调这一进退两难的困境。

1927年的大辩论

爱因斯坦首次提出这一两难困境是在1927年10月的一个会议上，那次会议无意间成为物理学史上最伟大的盛会。由当时比利时著名化学家欧内斯特·索尔维创立的基金会提供资金支持，28位衣冠楚楚的男士和一位优雅的女士，在布鲁塞尔的一家时尚酒店和一所学院花了一个星期时间，就量子理论举办了系列讲座（后来出版了）以及非正式谈天（没有正式记录，以便让大家保持宽松心情）。爱因斯坦没有给出自己的谈话，但他在一个问题与解答阶段对哥本哈根解释提出了反驳，并给出了论证。

他的论证是“气泡悖论”的升级版。一个量子波函数将在空间中展开，像膨胀的气泡，然而它代表的粒子只有在你去寻找它时才出现在那个地方，是什么让气泡爆裂？什么让粒子不可能同时出现在多个地方？一定有个“乐队指挥”协调统一了这个坍缩，从而保证粒子在且仅在一个地方显现。然而这一场景中并没有任何力在运作，既没有电也没有磁，也没有引力在起作用，而且也不可能有任何力在运作，因为其效应瞬间可能跨越无穷大距离。这个效应必须是非定域的，它一定会冲击相对论。爱因斯坦在索尔维会议上这样说：“这个粒子在给定的位置被发现的概率假定了存在一种很特别的超越距离的作用机制，这种机制防止由于波在空间中连续展开而在两个地方发生作用。”他告诉自己的同僚：“在我的脑子里，（这种超距作用）意味着与相对论的公设有矛盾。”

对爱因斯坦来说，自然的结论是没有气泡爆裂、身后留下一个粒子这回事，而是粒子早就坐在那里等着呢，在那个观察到的地方。这里不需要非定域的“乐队指挥”。这一可能性称为“实在论”，因为那个粒子实实在在有个位置，独自一人，即使量子理论不能告诉你它在哪里。粒子的位置就是物理学家所称的“隐变量”，“隐”的意思是它在薛定谔方程组或海森堡方程组中没有出现。更完善的理论应该包含这个变量。基于他早期的关于“指导场”的想法，爱因斯坦曾经试图构造这样的理论。法国物理学家路易·德布罗意在这次索尔维会议上提出了这样的模型。“我认为德布罗意先生的研究方向是正确的。”爱因斯坦说。

玻尔隐含地接受了要么非定域要么不完善的两难困境。他同意方程组预言了非定域性，并告诉爱因斯坦：“整个有因果关系的时空描绘体系的基础被量子理论抽走了。”但玻尔用“测不准”这样的语言来回应，而不直接回答什么样的物理过程能够跨越那么大的距离协调粒子的行为，以及这样的过程会有什么问题。他认为只要量子力学提供了“某种数学方法恰当描述我们的实验数据”就足够了。除此之外，还要什么呢？

这两人（爱因斯坦和玻尔）花了好几天时间深谈，早餐时谈，晚餐时也谈。我们永远不可能确切地知道他们谈了些什么，但从所有的报道来看，他们之间的谈话偏离了非定域性，而是围绕着随机性。确切地说，海森堡的不确定性原理认为随机性是粒子行为的内在属性，随机程度可以定量计算出来。爱因斯坦一次又一次试图摆脱随机性，而玻尔一次又一次阻击他。这给人一种印象，他击败了这个头发卷曲的天才（爱因斯坦）。奥地利-荷兰理论物理学家保罗·埃伦费斯特亲眼目睹了这一幕，他在回忆录里写道：“像国际象棋对弈，爱因斯坦总是举出新例子来破除这一‘不确定性关系’，玻尔则好像从哲学云雾中找到了新武器，把这些例子一个又一个打回去。爱因斯坦每天早晨鼓足精神冲回来，好像从玩具盒子里弹跳出来的玩偶。”同时，玻尔总是还没等爱因斯坦说出他关切的核心问题就把它踢走，这个问题就是：空间中远距离的点是怎么联系起来的。他们两人沟通错位，误解加深，最终使物理学界未能接受非定域性概念长达半个世纪。

1930年的大辩论

下一次索尔维会议在3年以后举行，到那时爱因斯坦已设计好了另一个电影脚本阐述自己的理由。这就是后来大辩论中强调的论据的草稿版。假设你有一个盒子，盒子里装满了光子，光子在里面嘀嘀嗒嗒作响，就像塑料盒里的嘀嗒糖。一个光子从一个小洞里逃逸出来飞到宇宙中，带着其他光子的盒子后退向相反方向。由于整个粒子体系是由同一个波函数描绘的，这个盒子和那个逃逸的光子的命运仍有联系。过了一段时间，如果你经测量得知盒子的位置，你就可以计算得到光子的位置。

这意味着对盒子的测量影响或不影响逃逸的光子，二者必居其一。哥本哈根解释学派选择第一个选项，他们认为，在你测量盒子之前，盒子和光子都处于不确定状态，没有确切的位置。在你测量之后，波函数坍缩，光子从一个地方跳出来。无论你用什么仪器测量，那个盒子起的作用一定像遥控器。按一下按钮，然后，轰的一下，粒子立即从潜在模糊的一团雾霾中凝结出一个真的光脉冲。光子以光的速度运动，盒子遥控器信号必须跑得更快才能追上光。“如果有一种物理效应能从‘B’那一点作用到正在逃逸的光量子上，那是什么类型的物理效应？”爱因斯坦后来写道，“那应该是能够以超光速传播出去的超距作用。”这样的假设当然在逻辑上是可能的，但我的物理直觉十分厌恶这样的想法。如果是第二个选项，即对盒子的测量不会影响逃逸的光子——粒子在你去找它之前已经存在了，即使波函数对这一事实视而不见。哥本哈根学派误导了你，让你以为你有一个遥控器，而其实你并没有。

简而言之，这一新脚本像前面一样让你进退两难：量子理论要么是非定域的，要么是不完善的。不幸的是，爱因斯坦1930年的演讲播下了多年混乱的种子，即使同情爱因斯坦的人也感觉到了。爱因斯坦注意到，虽然我们不能测量盒子的位置，但可以测量盒子的动量。好像你的遥控器有两个按钮，一个使光子在一个确切位置物化，另一个使它以确切的动量物化。但遥控器这个多余的功能是次要的，问题的焦点在于你竟然有一个遥控器。

又过了几年，爱因斯坦试着说明这个要点：“在B点真实存在的东西，不应该决定于空间中A点正在进行哪种类型的测量；它也应该与在A点是否在测量完全无关。”我的一位《科学美国人》前同事曾与爱因斯坦合作过一篇文章，他告诉我这个伟大的人不太把编辑当回事。但如果一个编辑成功地劝说他把上面句子中分号前面的部分删掉，只留下分号后面的部分，这世界就会更聪慧一点儿。

部分是由于这个混乱不清的结果，爱因斯坦和玻尔的谈话在第二次索尔维会议上又一次偏离了重要的问题。玻尔把目光锁定在枝节、使人误导的问题上。他认定爱因斯坦声称应该同时测出光子的准确位置和准确动量，而这正是海森堡的不确定性原则明确排除的。如果纠缠的粒子违背了这一原则，那么量子力学将不仅是不完善的，而且是错误的。据说这个伟大的丹麦人分析测量步骤直到半夜，第二天早晨凯旋而归宣布不确定性原则成立，量子力学得到了拯救。但其他参与讨论的人说，爱因斯坦不再对不确定性原则有争议。他接受这一看法，即不可能同时准确测量粒子的位置和动量，并且他认为量子力学是逻辑上一致的理论。他的论点是，哥本哈根学派的解说者没能坦白承认他们的观点暗示了非定域性。

EPR论文

再也不会有索尔维大辩论了。1933年纳粹袭击了爱因斯坦的湖边小屋，一伙学生暴徒烧毁了他的书，几乎没有德国物理学家站出来为他说话。他宣布放弃德国国籍离开了欧洲，再也没有回来。两年后，他藏匿在普林斯顿高等研究院，最终将他对非定域性的担心写下来发表。这篇论文就是举世闻名的EPR，由爱因斯坦和另外两个年轻作者鲍里斯·波尔多斯基和内森·罗森合写。EPR论文在物理学家中引起了激烈的争论，邮局每天寄来寄去3封这样的信。也逃离德国的薛定谔对这篇论文如此感动，也写了几篇论文跟上。他的一篇论文为爱因斯坦指出的现象杜撰了一个词：纠缠。另一篇论文提出了著名的场景：一只同时又死又活的病态猫，说明量子的状态不确定，不会局限于小小的粒子，而会传染给所有其他大尺寸的东西，甚至猫这种带毛的东西。

爱因斯坦从来不喜欢EPR论文引起的反响，他怪罪于他的合作者，主要的麻烦来自文章的最后部分，这是波尔多斯基加进去的，试图否定海森堡的不确定性原则。这不是爱因斯坦的本意，因此延续了1930年索尔维大辩论方向出轨所造成的思想混乱。第二年，爱因斯坦自己写了一篇论文，重新把焦点集中在非定域性和不完善性的困境上。

然而恶劣影响已经发生了。玻尔抓住波尔多斯基的前途可疑的画蛇添足进行了反驳，被普遍认为把纷争解决了。但当物理学家们想解释玻尔到底反驳了什么时，他们听起来好像在模仿英国蒙提派森的电视游戏节目参赛者，嘟嘟囔囔不知在说什么。一个物理学家写道：“大多数物理学家（包括我本人）认为玻尔赢得了辩论胜利，但和大多数物理学家一样，很难找到合适的话说清楚玻尔是怎么赢的。”

到现在为止，哥本哈根学派的解说仍是量子力学占统治地位的解说版本。玻尔的胜利与社会因素有很大关系。而爱因斯坦，用他自己的话说，是个孤独的人。玻尔教父般的人格魅力强烈地鼓舞了忠实的信徒。几乎所有早期评论都是他和他的助手写的，他们自然强调玻尔的贡献，而把爱因斯坦的贡献贬低，结果由于非定域性是爱因斯坦关注的问题焦点，他们把非定域性也贬低了。他们反复讲着这样的故事：非定域性被抬高到重要地位，是因为爱因斯坦的一个“误解”。玻尔研究院的一个人嘲笑道：“如果一个低年级学生提出这样的反对意见，那么我一定给他大大奖赏，我会认为他相当聪明和有前途。”这样居高临下的语气成了20世纪大部分时间的主旋律。只有在过去的20多年中，像法因这样的物理学史学家深挖了那一段历史时期的书信，显露出爱因斯坦思想的大胆，才恢复了他的名誉。

在物理学历史中，通常物理学家们的工作不能取得进展是因为他们没有足够的技术手段或足够的背景知识。比如法拉第，如果电池还没有发明，法拉第几乎不可能造出发动机和电磁铁。但量子物理学家没有理由这样，他们在20世纪30年代完全可以和60年代同样轻松地掌握非定域性概念。事实上，他们几乎已经掌握了。历史学家们透过一层薄雾似乎已经看见完全可能发生的另一种情形，那就是如果事件序列略微转弯，爱因斯坦本来可以在同行中赢得胜利。一种奇怪的人物个性冲突以及自我加强的误解阻碍了通往胜利之路，以致需要新一代物理学家在约翰·贝尔的领导下反叛这种肆意蔓延的、盲目顽固的否认主义。

第4章 大辩论

2011年年初的一天，我和哲学家蒂姆·莫德林在吃意大利面，他告诉我德国德累斯顿将有一个研讨会，估计这次会议将对量子非定域性问题有一场大辩论。莫德林认为量子王国是非定域的，其他应邀者则认为非定域性是歪理邪说。我的感觉是组织者本想把物理学各路明星人物召集在一起，后来才意识到这就像把民主党和共和党拉进一个选举夜总会。“也许会有非常血腥激烈的争论，”莫德林说，“组织者有点儿怕了，他们提醒我们注意客气。”自然，我希望与会者不客气。回家后，我马上订了机票。

倒不是我喜欢恶性争吵，但如果研究人员不能解决量子理论基本问题上的争议，我会感到很沮丧。从20世纪20年代开始，玻尔和爱因斯坦就争吵非定域影响是否存在的问题，按理说这事应该已经解决了。当时我开始涉足这个问题：大自然到底是不是非定域的，还是仅仅上演了一出看起来非定域的好戏，也就是说是不是我们常规的关于空间的概念的确像看起来的一样有很大问题。因此，我想我应该参加一两次这类会议，和几个人在喝咖啡的时候聊聊，把这事搞搞清楚。我的计划开始进行得还不错。和第一个人聊了之后感觉他言之有理，和第二个人聊了之后也觉得他言之有理，第三个也是。不幸的是，他们在说着完全矛盾的事。很明显，我的计划不可能有结果。我不会天真地认为那一屋子教授会有一致意见，但我想至少我应该能够指出他们到底在哪里意见不同，把争议集中在少数几个可以平等论辩的预设上。通常我是可以的，但每当我试着去抓争议要点时，我发现自己抓住的是蒸汽。

甚至那些参加辩论的与会者也说很困惑。他们之间很多人有几十年的交情了，仍觉得在这个问题上意见不一。我问他们为什么他们的反对者会那样认为，他们凝视着远方一会儿后，双手一摊。有时他们烦躁得言辞粗俗不堪。一个怀疑者指责主张非定域性的人是“懒虫”，把他们的辩论称为理性的“泥沼”。另一个抱怨道：“这些人总是自以为是。”第三个人说：“他就像一个破坏者，打压异见者。”他们似乎认为“非定域性推动者认为怀疑者犯了愚蠢的错误，因此有罪”。一个呻吟道：“他绝对地、无疑地、彻底地错了。”为了寻找一个中立地带，我闯过物理学的激流险滩，找到了哲学家和历史学家阿瑟·法因。他的第一句话就是：“欢迎来到物理学底层的霍布斯世界，一个所有人都在和其他人打架的世界。”

也许你以为，当科学家讨论像非定域性这么深刻的问题时，他们应该坐下来齐心协力把这事情理出头绪。然而，在这场辩论中实际上基本没有真正的辩论。我在与别人交谈的过程中常感觉到人们是想通过我与他人交流看法，好像一对关系很僵的夫妻通过孩子传递小道消息。在德累斯顿会议上，我本来希望把私下的交流变成公开坦诚的交流。令人惊异的是，根本不是这样。与会者根本没有达成任何一致，他们各自发表谈话，各说各的，然后一起去高级餐馆吃饭，饭间闲聊着政治和其他比较客气的话题。当然，这次飞到德累斯顿参加会议并不是空手而归。我开始意识到，这一系列不能达成一致意见的失败的努力本身就说明非定域性引人入胜，这是人对量子力学的神秘感的本能反应。尽管对立双方从来没有握手言和，大辩论却可能以其他方式收场。我们将会看到，相互对立的立场最终引导我们走向相似的结论：关于在底层“空间”实在性的质疑。

对量子物理学的两种不同态度反映了科学的两种相互矛盾的情绪化冲动：一个是揭示神秘的自然规律，一个是惩罚愚蠢的见识。法因说：“有的人简直不能忍受这样的想法，即基础物理（量子力学）也许不可能和常识调和，而另一些人则不能忍受量子力学可以和常识调和的想法。这些情绪（性格）的分歧不可能仅靠咖啡小憩解决。它们有的时候看起来像哲学分歧，但如果你仔细看，尽管你找到了那种表情，那种像是哲学偏见的表情，但哲学里几乎从来没有这么严重的争论。事实是，哲学语言被当成一种表达情绪分歧的代码。”科学家从来不是无偏见的观察者，他们也不应该是，因为如果没有动力，谁能忍受做研究工作的苦行僧般的日子？如果诗歌是在宁静中回忆起来的情绪冲动，那么科学就是在情绪冲动中回忆起来的宁静：一种在激情燃烧的好奇心旋窝中挣扎着对清晰思维的苦苦追求。

非定域性这个案子

根据物理学标准，关于量子非定域性的争论来得十分简单而自然。1935年爱因斯坦与鲍里斯·波尔多斯基和内森·罗森最初合写的那篇论文(EPR论文)仅有4页，30年后约翰·贝尔追加的那篇有6页。两篇论文都没有涉及很多数学知识。如果有方程组，那往往反而碍事。爱因斯坦后来曾经抱怨道，EPR论文中的要点被“形式化窒息了”。这两篇论文代表逻辑上的两个不同步骤。爱因斯坦提出一个两难困境：量子力学要么是非定域的，要么是不完善的。而贝尔则关闭掉第二种可能性，他指出甚至承认量子力学是不完善的也不能避免非定域性。

让我们回到第1章描述的量子实验，就能明白这是什么意思了。在实验中，粒子表现得像魔术硬币，你可以用它表演各种投币魔术小品。有时像普通硬币一样，投掷后魔术硬币随机地正面朝上或反面朝上。但又和普通硬币不一样，魔术硬币表现出一种奇特的规律性。最简单的情形是，你有一对这样的硬币，把其中一个给你的朋友，你们俩同时投掷各自的硬币，每次结果都完全一样：要么都正面朝上，要么都反面朝上。按照爱因斯坦的推理，这种同步有两个可能的解释，一个是硬币作假，结果事先就规定好了，比如你和你的朋友投掷的是双面都是头像或都是文字的硬币。这是那个两难困境（要么非定域要么不完善）的不完善那一支，“不完善”的意思是观众对信息了解得不全面，以为这个魔术是公正的，其实是作假。另一个解释是非定域那一支，它们真的是魔术硬币，被某种神秘的联系连接起来。

爱因斯坦倾向于不完善那一选择。他和德布罗意提出，因为有一个看不见的指导场像牧羊犬一样看管这些粒子，粒子运动才显得协调一致。粒子总是存在于某个位置，测量只是揭示出在某个给定瞬间粒子在哪里，正如投掷一个双面完全一样的硬币揭示出命中注定的结果。如果以这种机制运行，爱因斯坦想，可能产生出看起来非定域的假象。但这个看起来不错的抽象解释，当爱因斯坦试着为它找到一个数学模型时，从来行不通。爱因斯坦曾写了一篇论文并送交给杂志社发表，但当他意识到理论是非定域的时候已经太迟了，论文已经送去印刷了，爱因斯坦不得不打电话给编辑要求不要出版。（如果你是爱因斯坦，你也可能这么做。）正如贝尔后来证明的，爱因斯坦想回避非定域性必定遇上麻烦，原因很简单：非定域性是回避不了的。

贝尔用了一个战术，社交场合中让人扫兴的人都熟悉这个战术，即挑战那些自称魔术师的人表演一个需要真功夫的魔术。其中的一个实验是，让你和你的朋友各自投掷硬币，要么用左手要么用右手。贝尔要求那一对硬币有时同一面朝上，有时相反面朝上。你和你的朋友投掷硬币时一共有4种排列方式：都用右手，都用左手，你用右手而你的朋友用左手，你用左手而你的朋友用右手，如表4-1所示。对于这4种情形中的3种，贝尔要求硬币同一面朝上，但对于第4种情形，贝尔坚持说你和你的朋友的硬币必须相反面朝上。哪一次投掷是相反面朝上无关紧要，但为了论证方便起见，假设刚好你用左手而你的朋友用右手时，一对硬币的相反面朝上。实验的最终格局取决于你们俩在干什么，所以这个测试与非定域性有千丝万缕的联系。无论多么诡计多端也不能事先确定好实验结果。

作弊者最多能做的是事先安排好硬币每次落下时一定是同一面朝上。例如，你和你的朋友可以投掷两面完全一样的硬币，这样结果总是一样的，只有75%的实验结果满足贝尔的期望。但当硬币本应相反面朝上的时候，你不能完全达到贝尔的要求，这暴露了你在吹牛。我和我的同事曾经制作了一段录像，说明这个实验怎么做。[1]

贝尔实验的设计并不是随意的，它与实验装置中偏振片的某一特定设置有关。量子硬币在85%的情况下能够满足贝尔的预期，附加的10%是非定域性的影响。魔术不完美，只是85%完美，而不是100%完美。这个有趣的事实暗示了量子非定域性的本质，关于这个以下会有更多说明，而且这种情况不是局外特例。物理学家已经发现了几十种这类“投币”式的量子系统，由两个、三个、四个、几十亿个或任意多数目的粒子组成，用任何可想象的花招都是不能解释的。

表4-1 区分真的定域性和假的非定域性实验

注：你和你的朋友要么用左手要么用右手投掷硬币，随机挑选。如果结果是事先确定好的（例如使用作弊硬币），那么选择左手或右手应该没有区别。但如果硬币真的是非定域的，那么选择左手或右手可能有效应。在这个例子里，非定域硬币投掷实验结果一栏中第二行和倒数第三行（粗体）显示了非定域性作祟的迹象。

爱因斯坦争辩说，要想保住定域性原则，唯一的希望是揭开更深一层的物理实在。但贝尔把这一希望彻底粉碎。建立了自然的非定域性原则后，贝尔对非定域性可能会怎样运作感到好奇。他推理说，“幽灵”作用需要一个幽灵——一个能把影响从一个地方传到另一个地方的非物质的实体。这种非物质实体已经有个现成的候选者：指导场。爱因斯坦和德布罗意当初提出“指导场”是为了回避非定域性，而美国理论物理学家戴维·玻姆于20世纪50年代早期重新构想把“指导场”这一概念当成“生成”非定域性的机制。他的这个场大致上像牛顿构想的引力场，或者像《星球大战》里的“原力”[2]。在一个地方撞击一下“指导场”，宇宙间所有其他地方都会因此咯吱作响。原则上，这个场不仅能够创造出极光里的精致图案，而且能半路杀出来给你的敌人以致命打击，尽管实践中这需要你以很高的精度跟踪和操纵单个粒子，而这几乎是不可能的。（有的理论学家想象在一些特殊情形下这也许有可能，比如在大爆炸的某些极端条件下。）几乎没有物理学家接受玻姆的建议，时至今日大多数人都躲着它，抱怨说“指导场”是非定域性的。但非定域性正是要害所在。正如爱因斯坦和贝尔所说的，如果你认为量子力学是非定域的，那么玻姆的提议的好处是，干脆把非定域性公开化而不是试图掩盖它。

分歧缘于动机

爱因斯坦和贝尔的论证几乎严丝合缝、无可争议，那为什么如此多的人还在为它争吵？我想他们的疑虑来源于以下3个方面。

首先，有些研究人员就是不喜欢非定域性（它与科学的许多方面有冲突），直觉告诉他们那是错的，虽然理性不能解释。非定域性怀疑论者绕过这一直觉，直接寻找逻辑论证支持自己的直觉。心理学家为这一常见倾向性起了一个名字“动机性推理”。这种判断方式在意见接收方看来往往觉得疑惑不解或武断，但直觉判断对从事科学工作来说非常重要。社会学家发现最有创造性的科学家往往是最固执己见的。通常人们以为科学家应该是思想最开放的，其实那只是神话。如果他们是最开放的，那么每当新思想之风吹来时他们都会像风向标一样倒来倒去。科学家的工作难道不就是为了建立起一个关于世界如何运转的稳定的、内在一致的世界观吗？因此，研究人员判断任何一个思想时，要看它是否以及如何适配于更大的知识体系。对于任何不能适配的思想，他们都会觉得可疑，不管起初那个思想看起来多么有吸引力。他们见过太多本应是严谨的论证却被证明有漏洞。

第二类怀疑的理由是，量子硬币实验听起来有变戏法的感觉。当你创造（一对纠缠的）硬币时，例如加尔韦斯的纠缠实验，激光束打到光学晶体上发出一对光子，生成的是一对完全匹配的光子。这听起来特别像把一对作弊硬币分置开来。贝尔令人不快的挑战听起来像是把变戏法的可能性排除了（任何作弊硬币都不可能像量子硬币那样在如此广泛的条件下仍然匹配），但怀疑论者并没有完全被说服。那不可思议的作弊硬币怎么办？硬币的比喻是否有些误导？粒子有没有可能无需交流而仍保持同步？

另一种怀疑发生在比较实验结果的那一瞬间。你问你的朋友：“你的硬币哪一面朝上？”他告诉你正面或反面朝上，然后你说：“这么巧，我的也是这一面朝上！”如果没有这样的交谈过程，你不可能就非定域性得出任何结论。于是你可能想，这个交谈本身就是一场大戏的一部分。毕竟交谈过程是量子过程，怀疑论者设想，量子过程嘛，无论多么小心谨慎也不过分。贝尔的论证有点儿像iPhone：开始看起来简单，只是一个按钮，但一旦打开iPhone，谁知就打开了异常复杂的世界。

第三种疑虑也许是最重要的，非定域性的假想让很多人伤感泄气。实验结果在揭晓的瞬间完全不可琢磨，和期待相反。投掷一个量子硬币，你看见一个随机序列，如正、反、反、正、正、反，这和投掷普通硬币没啥两样。那里掩盖了一个规律，但要想看见它，你需要比较你手里的序列和你的朋友观察到的序列。序列就像加密了的消息，你不能读，直到你的朋友送给你一个解码的密钥。他唯一能做的是通过某种普通的通信系统（例如电子邮件、电话或马拉松信使）传递信息。这一附加的需要比较的需求使得纠缠的粒子对于传输信号来说毫无用处。

物理学家为寻找一条回避这一需求的出路，已经拼尽浑身解数，但大自然一次又一次地挫败了他们的企图。物理学家尼克·赫伯特于20世纪80年代早期几乎已经找到了这条出路。从效果上讲，他的计划是做一系列重复性的实验。假设你和你的朋友秘密确定了一个密码：左手陆运，右手海运。你的朋友用他的左手或右手投掷了硬币，然后让硬币躺在那里。你投你的硬币，然后再投，再投。有时用左手，有时用右手，注意寻找规律。如果你用左手投出的结果遵循完全偶然的规律，而（比方说）你用右手投出的结果倾向于正面朝上，你则可以猜测，如果你的朋友用右手投币，结果应该是正面朝上。你的朋友应该已经成功地发送给你了一个消息：“红夹克走海运。”

把这个过程自动化，再加上一些现代化的包装，就能得到“子空间无线电波”或“超波中继站”这些科幻小说作者想象过的实时的星际通信手段。消息从发送方旋即传到接收方，速度比光速还快。赫伯特给他的构想起了一个合适的超凡脱俗的缩略语FLASH（First Laser-Amplified Superluminal Hookup），意思是“首例激光增强型超光速通信系统”。一开始，甚至伟大的理查德·费曼也找不出这个计划的任何破绽，但几乎所有人都知道这个计划一定有破绽，因为快于光速传送消息允许你向过去送一个信号，报历史的一箭之仇，比如派人杀了你的爷爷，等等。很快，理论物理学家找到了症结所在：量子力学明令禁止重来一遍。每对硬币只能用一次，一旦投掷了一对硬币，它们的联系就断掉了，所以你不可能进行这种重复实验。量子力学一点儿也不允许有任何秘密通道向后传递消息。

怀疑论者会想，不可能快于光速传递消息？这很值得怀疑。如果你在沙漠里看到一汪泉水，但怎么都喝不着，那一定是海市蜃楼。同样，如果你看见粒子相互之间有链接，但却不能利用这种链接传递消息，那也许这所谓的链接是一场幻觉。即使对非定域性有些同情的物理学家，比如史蒂夫·吉丁斯，尽管他做了很多工作让弦理论学家相信黑洞里存在非定域性，但他说过他不认为量子非定域性是实在的：“EPR不是真的非定域。你不可能用它传递信号。”那些真的认为纠缠是非定域性的人承认，他们至少有一个公共关系麻烦。莫德林承认：“标准量子力学模型里不能传送信号，这个事实似乎提示了什么。”

被这些一般动机所驱使，非定域性的怀疑论者提出过几个逃离爱因斯坦和贝尔推理的提议。尽管其中有些提议可能看起来可疑，但如果你要质疑定域性这么基本的问题，那也许要重新审视一下所有其他信仰，对不？

选择一：放弃自由意志？

一个选择是，纠缠实验是受宇宙大爆炸操纵的。回想一下为什么非定域性看起来有必要：如果没有非定域性，那么对每一个可能降临到粒子头上的可能性都不得不事先编好代码，而经典量子力学一点儿也不允许那样做。比如那个用硬币做比喻的实验，硬币实验必须事先设置好，用右手投币实验结果是一种，用左手投币实验结果是另一种，哪种硬币有那样的能力呢？如果硬币不能事先准备好每一种可能的结果，那么一定有非定域的联系才能保持它们同步。

但如果粒子事先知道你将对它做什么，那么上面的结论就不成立了。它们事先准备好那个实验结果就行了。如果你选择的测量是命里注定的，比如说那就是可能的。想一想，为什么你选择用右手投币？也许那只手正在发痒，或者你曾经的女朋友名字首字母是“R”，或者你已经选择左手好几次了，估摸着该轮到右手了。人类做决策的原因任意多，不是所有决策都有理由。那些理由是前面一系列事件的自然延伸，最终因果关系链可能追溯到宇宙的起源。像来自宇宙的不速之客，宇宙的粒子沿着各自的轨迹，在适宜的时间以适宜的方式走到一起，促使你的脑细胞准备选择右手。

也许那个促使你选择右手的神秘因素，恰好就是保证你的朋友选择右手的因素，也就是让两枚硬币同一面朝上的因素。在你不知情的情况下，宇宙可能在一个大阴谋的掌控之中，在你的选择和硬币的投掷之间进行协调，让你感觉是非局域的，而实际上是局域的。这个想法有个名字叫“超决定论”。古怪的是，按理说，现象之间的连接应该是完全无关的。空中翻转的硬币和你头盖骨内的复杂过程有什么关系？

说起超决定论，人们常说它剥夺了我们的自由意志。事实上比那还糟糕，（没有“超”的）普通决定论已经让许多人怀疑我们有自由意志了。通过物理定律，你可以把自己的每一个选择归因于物质的某一种预先安排。那并不意味着你的意志是不自由的：自由可以是一种涌现的性质。粒子并不具有这种性质，但粒子的编排有这种性质。至于你本人而言，所有选择对你都是打开的，直到你做了选择。尽管如此，哲学家们、科学家们和学生们仍在激烈争论这一问题直至深夜。超决定论在已经很疼痛的伤口上又撒了一把盐。不仅你做的一切早已事先决定好了，而且宇宙进入了你的大脑，阻止你做那个解释宇宙实质的实验。宇宙不仅事先设置好了，而且事先设置好欺骗你。

至于这个阴谋论，我本不准备考虑它，不准备把它加进我的候选名单中，因为它听起来太像丹·布朗[3]小说里编的故事，直到后来我有机会和物理学家、诺贝尔奖获得者杰拉德·特·胡夫特交谈。他是粒子物理标准模型的创始人之一。他认为定域性是如此关键，以致物理学家需要竭尽全力去保护它，即使是听起来疯狂的想法。“我倾向于尽量遵守传统的空间和时间观念，因为我觉得定域性非常重要。”他告诉我说，“如果没有定域性，我认为物理学基本定律将非常难，也许根本不可能构造出来。”特·胡夫特指出，对一个人来说是阴谋，对另一个人来说是物理定律。世界上很多事第一眼看起来像阴谋诡计，但结果是物体之间协调行为的既定原则。月亮的自转率和它绕地球旋转的速率刚好一样（因此总是用同一面朝向地球，或几乎差不多），这不是秘密警察干的，而是由类似角动量守恒这样的物理定律决定的。同样地，有的新物理定律看起来好像是用人选择的测量手段，密谋调和粒子的性质。“看起来的阴谋也许是一个还没有被发现的守恒定律。”他解释道。

法因也为超决定论说话。他觉得，纠缠粒子的同步化非常细微，难以察觉，这说明超决定论有点儿道理。再现它，不需要多么宏大的宇宙阴谋像操纵木偶一样操纵你，它只要轻轻地推着你。如果在宇宙间，你有1000个测量标准可以选择，但宇宙只允许你选择950个，微微地约束了你的自由，那么这足以给你存在“幽灵作用”的幻觉。“在物理学里约束是常见的，而且即使很少量的约束也是足够的。”法因说。

选择二：粒子是占卜水晶球

第二种选择是，粒子让你做某件事，可能是因为它们能预见未来。它们可能像根据马丁·艾米斯小说改编的《时间之箭》中的那个男主角纳粹医生，他能时间倒流地体会他的一生，从死到生。粒子的过去，可能是你的未来。粒子的形成也许是被事件驱动的，那些对我们来说将要发生的事件。它们来到这个世界上也许带着将要发生的事的“记忆”（具体说，它们也许记着那个后来要发生反应的偏振片的设置），并准备好进行反应。

这个想法的支持者并不否定纠缠是魔术，他们只是认为这种魔术是一种未卜先知而不是远距离意念控制。这算不算改进方案决定于你怎么看。但如果像费曼和约翰·惠勒这样的大物理学家也暗示粒子可能是未卜先知的，那么你一定要认真对待这个想法。即使莫德林也承认在逻辑上这是可能的：“允许因果逆转，在原则上可以解释这些现象。”爱因斯坦相对论将时间和空间合而为一，从而非常自然地将时间瞬间看成等同于空间中的点。一切是同等真实的，即使我们弱小的大脑每次也只是看见一个瞬间。未来应该可能影响现在，正如过去能影响现在一样，当然真正的谜是，为什么我们在日常中并没有察觉到这一点？

你可以把因果倒置想成一种时间旅行。物理学家通常对时间旅行畏缩不前，怕的是因果悖论。在这种情形下不会产生悖论，因为粒子不能传递信号，更不用说允许人类时间旅行。时间旅行仅限于从一个粒子的诞生到对它的测量之间的区间，这仅足够粒子们瞥一眼自己的未来，但不够打开一个通向过去的秘密通道。你不能利用纠缠去重写历史，或偷看一下明天的股票价格。

无论因果倒置多么可能，如果有人说时间旅行可能是两个秘密里较不神秘的那个，你就知道麻烦来了。从上面这两个非定域性选择，你已经能看见事情正走向何方。爱因斯坦和贝尔的论证可能不是严谨的“幽灵般的超距作用”的证明，但确实证明了我们所处的这个世界非常古怪。

选择三：平行宇宙

第三个选择是，非定域性是由不可见的平行宇宙的存在所造成的一种幻觉。这听起来是个很大的突破。实验室里的数字读数如何能让你相信我们共同居住在与无穷多其他世界共同存在的空间中？

事实上，理由很直接了当。首先将爱因斯坦的论证稍微变一个方式说。纠缠的意思是两个或多个粒子设置成互相匹配，它们被命令匹配。该定理说，汝必匹配！但没办法，这样的命令方式多么模糊，不确切！它没有告诉粒子怎么匹配。如果它们表现得像硬币，则必须有人告诉它哪一面朝上，没有这个消息，它们就处在不确定状态，同时既是正面朝上又是反面朝上。这种情形像老的军事电视喜剧片F Troop里的一幕。一个军官向部队发出指令：“所有人，向着同一个方向，冲！”但他忘了说哪个方向，结果有的人向右冲，有的人向左冲，混乱由此产生。在没有进一步的具体指令时，唯一让硬币或部队不至于既向左又向右而保持方向一致的办法是通过心灵感应彼此交流。

但这个论证有个漏洞。量子硬币会不会从来没有离开过它的两可状态？会不会每枚硬币的确真实地落到了两面？那样的话，不需要任何局域影响在运行。当然，这样展望和我们的感觉有冲突。每当你翻转硬币时，你看见它要么正面朝上，要么反面朝上（或者如果刚好侧面朝上，那就是非正非反了），但你从没看见它正反同时朝上。但也许你不应该相信自己的眼睛；也许从你的角度看，你只能看见一个结果，而两个结果可能都发生了。如果你自己也处于潜伏态，那么这是可能发生的，这个潜伏期看见了硬币正面朝上，并且反面朝上同时发生。毕竟人类观察者也是量子的，正如粒子是量子的一样。如果一个粒子有潜伏期，那么为什么你不能有潜伏期？这种情形类似于薛定谔的那只著名的同时既活又死的猫，除了我们现在想象当那个猫有什么体会。

但重要的是，你从来没有察觉到过这种模棱两可的状态发生在自己身上，而只是发生在他人身上。在效果上，你有多个自己，每个有不同的个性，彼此浑然不觉。一个你看见硬币正面朝上，另一个看见硬币反面朝上。回到那个F Troop的比喻，尽管军官让人糊涂的命令引起了混乱，但他永远不会发现他患有脑部功能紊乱值得请奥利弗·塞克斯医生[4]看看。他的左脑看见士兵们正向右冲，他的右脑看见士兵们正向左冲，左脑和右脑都满意地认为士兵们遵守了自己的命令。

这给了我们一个新方法来解释当你和你的朋友投掷一对量子硬币时到底发生了什么，是正面朝上还是反面朝上。当你问你的朋友他看见了什么，是正面朝上还是反面朝上？不同的你听见了不同的回答，有的说是正面朝上，有的说是反面朝上。说正面朝上的你和同样说正面朝上的你的朋友产生了共鸣，交流起来；说反面朝上的你和同样说反面朝上的你的朋友产生了共鸣，交流起来。这一对你和你的朋友都同意说硬币是协调的。以这样奇异的方式，他们得到的结论是，即使投掷结果仍模棱两可，但结论总是一致的。

这种观点的支持者认为，用意识分裂能自然地解释量子力学。这与我们的头脑本身无关，这是我们的宇宙是如何组织起来的自然结果。最有名的说法是多重宇宙解释，假设那些其他可能的你代表你的近似复制，他们存在于许多平行宇宙中。在我们这个宇宙中，你也许看见硬币正面朝上。在另一个宇宙中，“你”（那个不是由同一组粒子组成的你，但跟你长得一摸一样，而且令人完全相信那就是你）看见是反面朝上。任何可能发生的事在多重宇宙中的某处的确发生了，尽管我们只能接触到我们这个世界中发生的事。我们认为某个给定事件有唯一结果，是因为我们看不见其他世界中其他结果的发生。

多重宇宙不是解释意识分裂的唯一方法，其他物理学家提出另外的解释方案，相当于同样的解释，但减掉了多重宇宙。不同的观察者可能得到关于物理实在的看起来不可调和的结论，那没有关系，因为他们的结论只应用于他们看见的那部分物理实在。不必要引入非定域的影响来强制执行一致性。无论这个逻辑多么无懈可击，结论听起来仍旧很荒唐。如果完全质疑我们对自我的感觉（更不用说质疑宇宙的本质），那么会让很多人感到对物理学的某些怪诞实验寻求解释需要付出太大的代价。但物理学家感到，要想回避幽灵般的超距作用，到现在为止我们最多能做到这点。

选择四：放弃现实主义

以上那些选择的超现实属性使得有人呼吁第四种也是最后一种选择：以上这一切都完全错了，爱因斯坦和贝尔的论证被误解了，如果你仔细看，爱因斯坦和贝尔的论证并不暗示非定域性或任何重大现象。这是我所参加的德累斯顿会议的争论焦点。那次会议是德国物理学会的年会，是世界上最大的物理学家专业协会举办的活动，而且是名副其实的物理学家盛会。在大学校园中搭起的帐篷村里，你可以手举啤酒杯四处漫步，购买功率放大器和低温桶。在会议大厅里，物理学家们在轮番演讲，有的题目为“亲爱的，我把激光缩短了”。还有甚至像“爱因斯坦脱口秀”这样的题目，相对论和露天麦克风晚会相遇。然而最抢眼的是下午专注于量子实在本质的讨论。人们挤在千人大礼堂里，坐在走廊上，站在门厅间，伸长脖子看着演讲者。

为第四个选择辩护的是维也纳实验物理学家安东·塞林格，他做了很多工作，将量子纠缠从理论上的好奇变成实际应用。他跟我提起过，在他长大的阿尔卑斯山脚下的奥地利小村庄，他因好奇而誉满全村。他怎么那么好奇？大家都很好奇。“直到现在，村里的人都说他们当时以为我疯了。”他说，“我曾坐在自家厨房窗台上发呆好几个小时。”塞林格和莫德林在很多方面志趣相投，两个人都反对当下盛行的不理会爱因斯坦提出的问题的态度。“我从20世纪60年代开始学物理，当时普遍的态度是不要去理会基本问题。”塞林格回忆道。他自学量子力学，而不是从课堂上学的，他从来没有上一辈人已经回答了那些深层次基本问题的那种感觉。他说：“我意识到那些家伙其实并不知道那到底是什么意思，有些东西缺失了，还没找到。”除了物理学，他广泛阅读了康德、马赫、波普尔、维特根斯坦等人的哲学著作。

不同于莫德林的是，塞林格不觉得需要反叛哥本哈根学派的解释，他反而很喜欢哥本哈根解释。作为一个实验学家，塞林格自然认同玻尔和海森堡把测量放到有尊严的地位的态度，特别是哥本哈根论文里所说的，测量主动地帮助构造了现实。他不同意爱因斯坦的实在论观点认为测量是被动的操作，记录一下早已等在那里的事情。

塞林格这样看贝尔的论证：贝尔的论证不是认为定域性本身不存在，而是说“定域实在论”不存在，定域实在论是爱因斯坦的一对孪生直觉，即物理学是局域的（粒子是彼此独立的），同时也是实在的（粒子拥有的那些具体性质在被测量之前就有了）。如果贝尔的论证是关于定域实在，而不仅仅是定域性，那么爱因斯坦的两个直觉中只有一个可能是错的。打个比方，如果我们被告知一个人不是女权主义者银行出纳，我们需要进一步的信息才能搞清这个人不是女权主义者、不是银行出纳，还是两者都不是。那样的话，也许我们应该放弃实在论，而不是放弃定域性。塞林格和他的团队做的实验诅咒了实在论。

首先，粒子之间保持接触，所以定域性从来没有问题。这是一个纯粹测试实在性的实验，粒子测试不及格。如果你假设粒子一直有某些性质，而试着解释测量结果，你会得到矛盾。用硬币做比喻，想象5个人围坐在一张桌子旁，每个人投掷一枚硬币并和自己右边的人比较结果。因为5是一个奇数，所以，至少有一个人会和他的邻座有相同的结果。这是用普通硬币实验的结果。但若用量子硬币做实验，你就可能发现没有两个人得到相同的结果。如果投掷结果在比较之前就是确定的，则这是不可能的。

无疑，这样的实验并不能完全排除实在论。有些现实主义理论（例如玻姆的指导场概念）仍然可行，但实验结果仍然有暗示。只有当你对粒子进行测量之前试着想象粒子可能长什么样时，你才不得不调用非定域的影响。如果你不那样想象，也许定域性可以保留。“在我的眼里，定域性不是问题的关键所在。”塞林格对德累斯顿会议的听众说，“在我的眼里，罪魁祸首是实在论的想法。”

德累斯顿会议上的唇枪舌剑

塞林格刚一坐下来，莫德林就站起来。“下面你们会听到，我对这些问题的别具一格的表述。”他说。塞林格没有抓住贝尔的要点。贝尔的确是把局域实在性拉下了神坛，但那只是他对非定域性论证的后半部分。前半部分是爱因斯坦原版的两难困境[5]。用他的逻辑，面对这个两难困境，如果你想回避非定域性，那么你被迫采用实在论。“爱因斯坦并没有先验地假设实在论，”莫德林说，“实在论是爱因斯坦推导出来的。”简而言之，爱因斯坦排除了定域非实在论，贝尔排除了定域实在论，因此，无论物理学是不是实在的，它一定是非定域的。

莫德林说，这种推理之美在于它使得有争议的实在论问题变成误导。莫德林引用贝尔作为权威，贝尔悲哀地感到自己的工作变成了对实在性的判决书，最终被迫重新推导自己的理论，只字不提“实在论”或其同义词。不管实验创造了现实还是只是捕捉了现实，不管量子力学是物理学的最终判词还是更深理论的前奏曲，不管现实世界是由粒子组成的还是完全由其他什么东西组成的，不管这一切，只管做你的实验，记下模式来，然后问自己有没有办法用局域性解释它？只要情况恰当，我们发现没有办法用局域性解释。莫德林说，经验告诉我们，非定域性是事实。

唯一回避推出非定域性的办法是怀疑实验本身的合法性，前面3个选择就是这个意思，即不可能设计一个真正的受控实验[6]（因为超决定论或因果倒置）或完整地记录下实验结果（因为我们没有能力看见其他宇宙）。但那些选择对塞林格这样的实验物理学家来说简直是诅咒。

很明显，第四个对非定域性问题的选择和前面3个选择属于完全不同的类型。大多数人承认缘分（命里注定）、预卜先知和平行宇宙是逻辑上可能的，但关于是否应该“否认现实性”，争论仍在激烈进行中。而且即使这是真的，然后呢？那些相隔很远的粒子怎么同步共舞？那神奇的魔术背后到底是什么？塞林格和其他主张反实在论的人从来没有具体提出到底是怎么回事。相反，他们否认需要做进一步解释。这样，彼此深深不理解的巨大鸿沟就在这里打开了。

* * *

莫德林讲完，塞林格举起手。关键时刻到了，这就是我为什么绕半个地球飞到德累斯顿的目的。塞林格会不会指出莫德林论证的漏洞？他会不会同意莫德林的要点？回想起来，我本不应该惊讶于塞林格只是重申了他的结论：“这一非定域性的推论看来是基于对信息的相当现实主义的解释。如果你没有这个假设，你就不需要非定域性。”会议组织者担心的可怕的冲突发生了。

大辩论再一次没有得出任何结论。后来莫德林的好朋友、哥伦比亚大学哲学家戴维·阿尔伯特对此做了一番评论：“学生们应该记下这个惊人的事实：贝尔的论文已经发表45年了，关于论文里论证的问题，时至今日我们仍然听到很深的分歧。蒂姆（莫德林）和我认为是非定域性的，其他人说应该在实在性或定域性两者之间选择。我会鼓励其他人记录下这一分歧，自己去刨根问底求得解答。”塞林格和阿尔伯特曾分别私下跟我说，他们对彼此不能取得沟通不满意。塞林格说，他感觉很烦，专门雇了一个人就量子力学的各种不同解释及其假设进行编目整理。阿尔伯特提议由我出面组织一场公开辩论。他说，公众有兴趣把这件事理清楚。“花这么多钱不值得。”他沉思道。我的确试着让塞林格和阿尔伯特坐在一起谈谈，但没有成功。

也许我不应该奇怪，这一次又一次的失败也许是有理由的。爱因斯坦和贝尔的论证可能很引人瞩目，但定域性也非常引人瞩目。另一个我曾寻求帮助的哲学家、芝加哥伊利诺伊大学的乔恩·贾瑞特对我说：“贝尔的实验结果对世界观的挑战取得了惊人的成功，在这种情况下，我们应该允许有足够大的空间，让许多理性的、有聪明头脑的人去争论。”

让我们务实一些

这一切把我们带向何方？我以为莫德林关于非定域性的论证是对的，爱因斯坦和贝尔的逻辑只是太咄咄逼人。但我也有健康心态，尊重故事发展的技术细节，放弃了自己以前认为逻辑本身可以解决争端的信心。不管怎样，科学里在争议中寻求道理很少是件容易的事。比较两种观点是减法，是寻找分歧所在的过程，减法是将误差放大的过程。像《大卫·科波菲尔》里的独白：“年收入20镑，年支出19镑19先令6便士，结果很幸福。年收入20磅，年支出20镑零6便士，结果很悲惨。”支出仅差百分之一，命运完全相反。同样，当权衡辩论双方哪边正确时，对某一方的略微误解会完全误导你。

但这并不意味我们只能原地打转没有进展，塞林格告诉我一个有用的故事。上大学时，他和一个表弟背着背包骑着小型摩托车环绕法国旅行。一天晚上，他们按照导游的介绍来到一个青年旅舍借宿，却发现它已经关门被弃。他们决定钻进去，仍在那里过夜。晚上睡觉时，塞林格打开了一扇窗想透透气。过了一会儿，他的表弟起来又把窗关上。过了一阵儿，塞林格又起来打开窗。整个晚上就是这样。“我觉得屋里很闷热，他觉得屋里通风良好。”塞林格说。第二天清晨，他俩发现窗户上并没有玻璃。他们夜晚的暗中互相拆台完全没有根据。塞林格的意思是说，这个故事说明你总是需要质疑自己的预设。

我不想走得太远，以致说非定域性的争吵就像窗框一样是空的，但不停的争吵说明到了后退一步、寻找更深远见识的时候了。有3种方法：第一，提议的解决方案可能在实际应用中得到接受，因为它比其他方案更有用；第二，有争议的概念也许因为它适应更大的画面而不是出于孤立的好奇心，所以受到信任；第三，不同的选择可能有共同特征指导我们向前走，无论哪个被证明是对的。让我们来一个一个地讨论。

怀疑非定域性的人大部分是因为他们觉得很伤感，不能传递消息。然而有这种情绪的往往是理论物理学家。我花了很多时间和实验学家一起待在实验室里，没有一次听到他们瞧不起非定域性。相反，他们兴奋地谈论着非定域性有什么用。

例如，尽管纠缠粒子自己不能传递信号，但可以和普通光或无线电信号结合起来，把多余信息塞到一条消息中。在一个实验中，塞林格和他的同事利用一束光子传送了一条消息。一般情况，每个光子可以携带一个计算机比特。但利用一叠纠缠的光子和一种称为“密集编码”的技术，物理学家现在有能力把两个比特装进每个传送的光子中。从效果上看，某些信息通过非定域连接的方式传过去了。

纠缠的粒子还有能力阻断政府黑衣人窃听你们谈话的企图，理由是每对纠缠的粒子严格只能用一次。利用一串这种粒子，你可以给你的朋友传送一个密码。你的朋友读了这个密码后，纠缠断开，正如电影《碟中谍》里能自毁的磁带。然后，你的朋友可以给你发送一条加密的消息，完全保证隐私。如果窃听者先得到粒子，他别无选择只能破坏纠缠，那么你就知道正在被监听。

当然，如果你情愿把自己的私人信息录入网站，那么保护你的个人信息也没什么好处。幸运的是，纠缠的粒子也可以给予帮助。在一段“安全”或“盲目”计算的过程中，你可以与网络服务器共享数据，同时保证内容严格私有。例如，假设你想开一个信用额度，服务器问你的工资是多少，从而决定你是否够格。你可以加密的形式把工资数传送出去，证明你挣的比要求的阈值多，但无需透露工资的具体金额。

所有与我交谈过的实验物理学家都把这些现象称为非定域。连塞林格都是，尽管他理论上怀疑。在技术上，对实验物理学家来说，“非定域性”只是说任何区别于经典原子的量子粒子的东西。那也许不是真的非定域，而是一种幻觉，比如由于平行宇宙的存在而产生的幻觉。但大多数实验物理学家仍然在想象超越空间的幽灵的影响，只是因为那样想更容易些。

简而言之，非定域性正在赢得实际认可，正如牛顿的引力定律曾经获得首肯一样。牛顿曾谨慎表示，他的定律里暗示的非定域性可能只是幻觉。但随着牛顿引力定律成长起来的新一代物理学家知道这个定律多么强大，感觉没有必要用别的东西解释它。他们认可了牛顿的引力就是一种超越距离产生的力。19世纪心理学家威廉·詹姆斯说：“有一条规则：我们不相信所有对我们没有用处的事实和理论。”但如果你秀给科学家看某个事实有什么用处，他会很快接受，而不管这个事实多么稀奇古怪。量子实验物理学先驱、日内瓦大学的尼古拉斯·吉辛评论说，他的学生正伴随着非定域性成长，并认为它很自然。“年轻人觉得它很有趣，但并不完全害怕。”吉辛说，“这里的孩子们说，事情本来就是这样的呀！”

超越量子思考

除了它的有用性，非定域性优于其他解释还因为它被放在更大的背景环境下看起来更合适。在下一章中，我将讲到基础物理学中的其他非定域性例子，但即使不离开量子力学，想一想纠缠的粒子刚刚好85%达到想要的模式，而不是100%，这个事实是不是很异乎寻常？这个看起来不经意的数字不禁令许多人想：量子力学或许只不过是一类可捕捉的非定域性理论中的一个。非定域性不是要么全盘接受要么全盘否认的现象，而是一系列的可能性组成的“谱”。

某些类型的非定域性比爱因斯坦和贝尔的要弱。在薛定谔杜撰“纠缠”这个词的那篇论文里，描述了一个被纠缠着的粒子如何“操纵”它的合作伙伴——一种特别纤细微弱的遥控，微弱得甚至在投币实验中都无法再现出模式。从那以后，物理学家已经找到了其他非定域性可能保持沉默的方式。即使这样“娇贵”的非定域性也已经足以完成诸如躲避监控这么有用的任务。

在“谱”的另一端，物理学家想象出了几种非常强大的非定域性。在20世纪90年代一篇有影响力的论文中，英国布里斯托尔大学的桑杜·波佩斯库和以色列本·古里安大学的丹尼尔·罗力希预见到存在一种“超量子”硬币，在超过85%的情况下它能够达到想要的模式。到现在为止，人们没有发现超量子粒子的存在，但它们是有用的假设情景，工程师们可能利用这种粒子建造一些没有这种粒子就不可能实现的仪器设备。例如，想一想日常生活中常见的一个小小烦恼：找一个大家都能来的时间开会。这是一个令人迷惑的难解问题，计算机（即使是那些能力强大到能驾驭量子粒子的计算机）都把这个任务还原成遍历与会者的日程、一天一天比较的步骤。但是使用了超量子粒子，计算机能在一步之中就找到所有人共同可以参加会议的时间段。

会议组织者和快速约会者当然喜欢超量子粒子，但计算机的强大能力是需要付出代价的。允许这种粒子存在的世界需要忍受深度逻辑矛盾的痛苦，要不然复杂结构就有解构的倾向。由于某些高深莫测的原因，如果预约开会的时间如此容易，那么人类生活将不可能。波佩斯库和罗力希想搞清楚到底多少非定域性才算太多，他们想也许这样就能知道为什么量子力学是这样运行的。用这样的办法，非定域性概念证明了物理学家非常珍视的理性的丰硕成果。

披着别名的非定域性

关于非定域性的大辩论，也许最异乎寻常的事实是非定域性的各种选择并不像它们的提出者期望的那样独树一帜。幽灵作用、激进宿命论、预卜先知、平行宇宙、非实在性，看看这个名单！不管哪个是正确的，物理学家已经获大奖了。所有这些选择，甚至那些想保留定域性的选择都揭示了真实世界存在一个层面，一层和我们日常习惯的空间概念迥然不同的物理实在。在实验室工作台的另一边，在地球的另一边，或在已知宇宙的另一边，所有粒子和观察者都相互联系着。这4个选择的唯一不同是它们是如何相互联系着的。

让我们回过头去看看上面那些选择，最直接的是玻姆的指导场。发表了第一篇指导场论文之后，玻姆写道，指导场应该被想象为到处弥漫的场。波浪可以扫过，像池塘里的涟漪一样，将影响从一个粒子传给另一个粒子。事实上，这种想法几乎和放个暂缺占位符标志、宣告此处尚未知差不多。波在这个场里和普通水波完全是两回事，数学上它们在更高维度的抽象空间中，以无穷大速度扫过涟漪。无穷大速度不是理想化，而是这一数学模型的关键元素。如果这个假定的波是以很高但有限的速度传播，粒子群之间的相互作用将以快于光速的速度传递信号，但从来没有观察到过这样的事。

一旦你说出“无穷大的速度”这个词，你就知道有些地方不对头。无穷快速度的运动一般就不能称作“运动”了；那个“运动着”的东西已经在目的地了，怎么能说它是“运动”到那里的呢？指导场并不真的是让波通过其传播的介质，而是重复的数学陈述说每一个粒子都依赖于其他所有粒子。玻姆自己后来想指导场并不是一个实在的东西，而是一个闪电式的警告：空间概念在这里失效。他建议，不应该把空间看作由指导场填充或由某种流体填充。他说，你根本不应该想起空间。

下一个选择是超决定论，据说是为了消除非定域性。但仔细审视它，一点儿没有。它只是将非定域性从现在转移到大爆炸发生时的那一刹那。必有某些自然定律决定了宇宙在诞生时的那一刹那像什么样。这一定律就好像独断专行的母亲在女儿的婚礼上强制要求一切必须这样。粒子1618034和粒子137035999被设置为匹配，然后开始运动。138亿年后，经过无数次碰撞和相互作用，它们必来到地球上的一个实验室，那个地方在大爆炸时还不存在呢。从效果上看，那一定律包含了宇宙整个的进化（包括粒子之间的相互连接）早已事先建好。这个想法跟让宇宙自己运行并在运行中表现出非定域性有什么不同？即使超决定论的主张者胡夫特也不肯定这是否真的能让定域性起死回生。他说：“那的确是我一直在问自己的很难的问题……我仍然觉得EPR/贝尔实验有问题。”

第三个选择是因果倒置，粒子之间的联系逆时间轴向后传递信号。这个构想有一种优雅的吸引力，它不需要有毛病的指导场将影响力从一个粒子传到另一个粒子，粒子通过“记住”自己未来发生的事，沿时间轴携带影响。由于影响由粒子带来，它永远不会快于光速，更不会无限快。因此，这个实验遵守爱因斯坦的相对论，保证了对相对论理论的友好。因果倒置也不要求特别精细地微调大爆炸的初始状态。

尽管具有所有这些好处，但这里有一个讽刺。物理学家不喜欢非定域性的其中一个原因是，它可能允许时间旅行。为了回避非定域性问题，因果倒置的提倡者建议……时间旅行。那我们捞到了什么好处？也许接受非定域性可能暗示的时间旅行不是更简单些吗？

的确，也许有人说因果倒置并不真的能取代非定域性作用，而是它本身就是一种类型的非定域性。位于宇宙遥遥相对两边的两个粒子仍然可能相互影响，新奇之处是：它们偷偷摸摸向过去传递了一个消息。爱因斯坦不会喜欢这个的，正如他不喜欢幽灵作用一样。他反对非定域性的主要理由是它威胁了宇宙的可理解性。他问，如果一个事件的原因可能藏在宇宙中很远的地方，根本看不见，那么你怎么找到它？如果你不能将实验装置与远方的影响分隔开、孤立出来，你又如何能做一个受控实验？这些反对意见对因果倒置同样有效。如果一个事件的原因可能在未来，那么你怎样找到它呢？如果系统行为受未来的某个事件影响，你不能孤立出这个系统，那么你怎么做这个受控实验？

第四个选择是平行宇宙及其他意识分裂形式认为纠缠粒子的同步性是一种幻觉，是由于我们对物理实在的观察视角有很大的选择性的人为结果，即宇宙实际上有许多个，我们只住在其中的一个中。凡人看来，宇宙看起来是非定域的，但对能勘察全景的神来说，宇宙是严格定域的。正如解释纠缠的其他选择，平行宇宙在效果上是非定域的。每个宇宙一定是有内在凝聚力的，某位观察者里正确的那一个一定正在与另一位观察者里正确的那一个说话。这个内聚力是非定域性的一种。除此之外，平行宇宙将实验科学的基础抽走了，正如其他非定域性一样。如果定域性只有在拼装好以后的整个多重宇宙中才成立，那么实验永远不能抓到整个多重宇宙交响乐的全景。

平行宇宙还有一个非常恼人的隐含意思。爱因斯坦的定域性的一个关键角色是定义了什么是个体，没有了定域性，事情分开了就会失去它们的个性。平行宇宙的各种情景也是这样。在多个宇宙里，物质的每种可能的安排会在每个宇宙中重复一下自己。如果有人喊你的名字，多个东西会回答你的名字，跟你有共同的记忆，而且都让你相信那就是你。这是不是会让你有不详的预感。到底哪一个是你？你分辨不清。你可能在这里、那里或远处某个地方，在任意多地方出现。所以，如果平行宇宙保持了定域性的概念，则它并不是在履行定域性的功能。

第五个也就是最后一个选择，否认实在性。这个更难批评。它的批评者认为它完全错误，它的支持者花费了大量心思把对手打倒，而不给出自己的解释，不解释为什么纠缠的粒子会纠缠着。但这个选择的怀疑态度是值得称道的。在效果上，反对实在论的人说也可能没有解释，或不需要做解释。亚瑟·法因（他的观点不能简单地归类为实在论或非实在论）有一个很好的说法。实在论缺失的意思是，在你看一眼量子硬币之前，它所处的状态是尚不确定的，观察本身促使它随机确定下来是正面朝上还是反面朝上。至于确定下来哪一面朝上没有道理，它只是确定下来了。法因建议把这个想法再进一步。一旦你同意一个事件没有原因，很自然就可以假设某对事件没有原因。如果没有原因使得硬币选择正面或反面朝上，那么纠缠的一对也没有原因选择同时正面朝上或同时反面朝上。法因问：如果单个事件是非确定的，那什么会让我们认为一定有东西促成了这个关联？除了相信以外。”

换句话说，困扰爱因斯坦和贝尔的关联并不比随机事件显示出来的图案更神秘。重复投掷硬币，实验显示正面或反面朝上。按照概率定律，正面和反面朝上的比例几乎相等。法因建议量子力学把这一原则引申下去。这里投一枚硬币，那里再投一枚硬币，它们可能展示出关于概率定律的更广阔的、更富想象力的图案，法因称这一关联为“和谐的随机性”。我也曾听瑞士实验物理学家吉辛说过类似的话：“我们有随机性，但这一随机性可能在不同地方揭示自己。”

* * *

然而，回避了粒子相互连接的机制，法因暗中就那些粒子的性质做了一个戏剧化的陈述。如果两个人投掷量子硬币，实际上他们在投掷同一枚硬币，结果显示在两个地方，正如一个开关可以同时控制两盏电灯，所以那些看起来分别独立的粒子和其他理解纠缠的选项一样，已经丧失了独立自主权。摆脱了实在性并没有消除非定域性，而只是对它做了一些改变。

将法因的和谐随机性和玻姆的指导场相比较，法因的解释蔑视了可分性：两个看起来可分的事件其实并不真的是两个事件。玻姆的解释则把局部作用原则串起来：两个粒子可以无限快的速度传递消息。因此，两种可能性都遵守了定域性的一个侧面，而违背了定域性的另一侧面[7]。爱因斯坦认为任一个侧面的失效都是“完全不可接受的”。在经验上也是如此，这两个选项都是僵局，两个都禁止你使用非定域性传递信号，原因是同一个，即你不能控制粒子。

本书自始至终遵循爱因斯坦的定域性原则，将可分性和局部作用绑定在一起。一个理由是，尽管你可以抽象地把它俩分开，但现实中它们几乎总是绑定在一起。例如，假设玻姆是对的，则定域性原则不成立，这意味着物体即使没有彼此接触也可以相互作用。这些物体已经失去了它们的独立性，因此，违背局部作用也就剥夺了可分性的重要性。相反地，假设法因是对的，则可分性原则不成立，这意味着单个物体不存在。但如果没有单个物体，那么你怎么说物体彼此互相碰撞？那么，局部作用就是一句空话。

不管怎样，空间走向终结

总之，我们不需要解决非定域性问题就知道人们总是假定空间执行某些功能，但其实空间并不执行这些功能。如果一个粒子瞬间就可以影响其他粒子，那么位置就变得毫无意义了。在任何地方存在等同于在所有地方同时存在？如果一个事件可以在空间中的两个地方同时现身，那么这两个地方彼此并没有连接，好像坍缩为一个地方。空间是一个周围全是镜子的大厅。那么，空间有什么意义？

爱因斯坦将量子非定域性称为“幽灵般的超距作用”而不仅仅是“超距作用”是有道理的。这种超距作用与我在第2章中提到的早期非定域性类型有深刻的不同。牛顿的万有引力作用是瞬间发生的，但至少你离物体的距离越远，万有引力则越弱，因此它仍然有空间属性。但量子纠缠不仅作用是瞬间的，而且并不因距离的增加而减弱。就像一对恋人之间的纽带，这种关系只依赖于他俩之间曾经发生过什么，而丝毫不因距离而减弱其强度，不论分开多远。多么浪漫！但粒子并不应该浪漫。它们不是像空间里运转的钟表的齿轮吗？

我认为，不应该把量子的非定域性看成在空间中运行的一种效应，而应该把它看成空间这个概念本身在劫难逃的征兆。亚利桑那大学哲学家伊斯梅尔说：“我们真的应该试着换一种思路理解这些关联，不把它们想作定律或者影响，而应该把它们看作是从理解底层有哪些自由度开始，以一种有机的方式涌现出来的。”爱因斯坦的一位老师说过，单个物体本身逐渐淡出视野变成影子，只有它们之间的某种联合保留下来成为独立的物理实在。宇宙不能切割成空间分开的区域，而必须作为一个整体考虑。

对于“整体论”这个词，用的时候可要小心。不仅这个词一开始就是一个比较滑头的概念，而且它已经成为一面旗帜，旗下集结了各种对科学和其他现代生活不满的势力。很多科学家和哲学家为了自我保护故意回避使用这个词。我曾看见研究人员“作茧自缚”似的努力回避用“整体论”这个词描绘量子现象。我自己没有这个不自在。非定域性的确暗示我们住在一个整体的宇宙中，一个不可能还原成宇宙按空间划分的子部分。如果我们割裂地看、零星地看，世界的某些性质我们不可能知道，只有把它们作为一个整体来看时，才显露真容。最终这才是为什么我们不能利用量子非定域性发送消息。为了测量纠缠粒子的整体性质，必须把这些粒子绑定在一起测量。这种性质不可能是明显的，如果你只测量一个粒子本身，则这种整体性质是看不出来的。所以，你不能利用操纵其中一个粒子而期望正在观察另一个粒子的人会注意到什么不同。

我们这里说的整体论运行在比较深的层面上，比瑜伽老师或“替代医学[8]”行医者所说的整体疗法更深。整体主义信徒有这样的情绪，他们认为自己和大自然有内在联系，或感到现代医学不能把人作为一个整体来医治，但颇具讽刺意味的是，这种情绪决定于非整体主义物理学。如果没有“你”，则你不可能感到内在联系。你是一个独立个体，你是一个完整的人，这需要自然为你构建独立部件。因此，大自然也许内在是统一的，但大自然如果不把自己分区，不可能变得有能力承载生命。应该唤醒我们好奇心的是世界的划分，而不是世界的内在联系。

吉辛最后说：“量子关联只不过发生了超越时空概念之外发生的。”要解释这些关联，物理学家和哲学家必须走到时空以外，也必须超越量子力学的范畴。这种理论摆出了几种选择，但没有给出确切的解决方案，而且标准电子仪表实验能告诉你的就这么一点儿。莫德林写道：“整体论不禁令人想到恰恰是我们的时间和空间概念在基础层面可能失效了。”他说：“毕竟，如果粒子1和粒子2在底层如此紧密联系着，那么也许我们认为它们是不同的粒子或“占据”时空中的不同区域是错误的。也许对于时间和空间的观念，我们可以做一个基本修订。但量子力学不能进一步还原，并不强制我们做这一修订。”

当研究人员将目光横向扫过，移至物理学里的其他领域时，情况发生了变化。非定域性并没有像人们期望的那样隐退。相反，它显得更加根深蒂固，新类型的非定域性加强了爱因斯坦研究过的粒子的同步性。这些新现象并不只是叽叽喳喳地悄悄暗示空间概念的失效，它们在大声歌唱。吉辛说：“我确信故事不在时空里，但一定有一个故事。”

[1].这段录像可在以下网页上找到： spookyactionbook.com。

[2].原力（the Force），是《星球大战》系列作品中的核心力量。原力是一种作品中虚构的、超自然的而又无所不在的神秘力量，是所有生物创造的一个能量场，同时也是绝地和西斯两方追求和依靠的关键所在。——译注

[3].丹·布朗，美国作家，《达·芬奇密码》的作者。

[4].英国神经学家、博物学家和作家，他的职业生涯在美国度过。他认为大脑是“宇宙中最难以置信的东西”，因此非常重要。——译注

[5].两难困境，即量子理论要么是非定域性的，要么是不完善的。——译注

[6].受控实验，原文是controlled experiment。——译注

[7].爱因斯坦的定域性原则有两方面的含义：一个是物体的可分性，另一个是物体的局部作用。见本书引言。——译注

[8].替代医学，alternative-medicine，指任何非正统医疗方案，如中草药、针灸等。——译注

第5章 非定域性和物理学的统一

2003年，吉丁斯决定去爬丹那利雪山，他自然选择了最惊险和难度最大的上坡路——卡森山脊。这条路经过死亡谷——雪崩和冰隙频发地带，死亡谷的名字并不只是比喻。有时救援队来不及收拾遗体，有时他们甚至找不到遗体。卡森那条路对登山者的登山技术是一个全面的考验：技术攀岩、冰岩攀登、冰隙穿越、露营，还有耐心，等等。吉丁斯在圣塔芭芭拉附近的雪道上锻炼他的耐力。他背着45千克重的背包爬上陡峭的山脊，然后回到底下，这样重复几次。丹那利登山探险起初还不错，但他的登山伙伴的跟腱起了水泡，非常严重，几乎刺穿跟腱。后来，他们到达海拔4270米的基地时，一场暴风雪席卷而来，让他们前进不得，甚至连正常路线都被封住了。“我们看见许多登山者沿着那条路向海拔5180米的更高营地攀登，但他们一次次被恶劣天气打回来，垂头丧气地下了山。”吉丁斯回忆道。

吉丁斯研究黑洞，感觉就像丹那利雪山探险，是智力上的探险。神秘的宇宙天体对现代物理学是全方位的考验。黑洞里的引力极大，因此需要考虑引力理论，就是爱因斯坦的广义相对论。黑洞里的量子效应很强，因此也需要考虑量子理论，所以不可能丢掉一个而只顾另一个。这项工作太不容易。而当把两个理论同时应用于黑洞时，这两个理论都不能吻合。为了打破这种理论僵局，吉丁斯在20世纪90年代早期提出黑洞里运行着一种非定域性机制。

这一想法煽起了一场风暴。在物理学界，正如登山探险，很难知道什么时候应该坚持，什么时候应该撤退。物理学领域只在一定程度上奖励顽固不化的人。吉丁斯决定放弃研究黑洞，去研究别的问题。他猜想：“也许物理学界还没准备好（接受非定域性这种想法）。”他的绝大多数同事认为，放弃定域性并不能调和广义相对论和量子力学的矛盾，还不如罢休。爱因斯坦和这些理论的其他创建者这样做的初衷是要把非定域性驱除出物理学。牛顿的引力作用像变魔术一样能瞬间超距完成，广义相对论“啪”的一声把魔棒掰成两段。同样，量子力学原始雏型描绘了粒子如何对力进行响应，但没有说这些力如何传递；它隐含假设力能够跳跃空间。物理学家不得不搞出了一个量子力学高级版本——量子场论来补充说明这个传递机制。一直到现在，物理学家将广义相对论和量子场论共同介绍给学生和公众，成为定域性的缩影。

然而正如连绵的雪山一样，物理学理论常常不可思议得令人惊讶。在创建任何理论时，物理学家凑齐了实验和直觉收集到的各种想法，结果都超越了原有语境，无一例外。19世纪协助设计了电磁理论的海因里希·赫兹曾有这样一番评论：“研究这一美妙的理论让你情不自禁地有一种感觉，好像数学方程组本身有独立的生命、独立的思想，好像它比它的发现者更深邃更有智慧，好像它对它的发现者付出的努力给予了更多回报。”广义相对论和量子场论已经100年了，不论理论的提出者最初的意图是什么，每当物理学家把理论付诸应用时，理论总是开始揭开自己另一面的面纱。自然之力的运作方式变得像星空，闪烁着非定域现象。

本章的主题就是这些非定域现象例子，这些例子与令爱因斯坦寝食不安的量子力学非定域现象完全不同，它们表明我们在日常生活中观察到的局域现象也许不是事物运行的真正方式。尽管力是局域作用的，力的影响向空间以有限速度传播开，但局域性看起来不像是大自然的本来结构，并不存在传递和接收这些力的独立实体。世界不能按空间被划分为更小的世界。因此，空间一定不是物理学的真正管辖之地。

大多数物理学家花了几十年时间处理他们理论的奇异特性。转折点出现在20世纪90年代，那时理论物理学家致力于整合物理学，但分裂成两大阵营，这两大阵营正在就非定域性趋于相似的结论。一派采用称为“圈量子引力”（Loop Quantum Gravity）的方法，认为力场像一团巨大的乱麻，这团乱麻把空间中相距甚远的位置绑定在一起。另一派与之竞争的理论是弦论，弦论现在已经走得很远，远离起初的概念（亚原子是由振动的弦或能量线圈组成的，物理学家把它称为“从前那个称为弦论的理论”）。弦论学家胡安·马尔达西那当时在哈佛大学，现在普林斯顿高等研究院。他提出了一个称为“AdS/CFT对偶”的概念，看起来相距遥远的两个位置可以上下紧紧地贴在一起。看起来空间的距离实际上只是能量的差异。

唐·马罗夫，吉丁斯在加州大学圣塔芭芭拉分校的同事，也是很少的几个同时行走于圈量子引力和弦论这两个圈子的人之一，他回忆起非定域性是如何从朦胧状态变得越来越突出的：“在20世纪80和90年代初，圈量子引力的提出和发展使得关于非定域性的讨论明显越来越多，这使得越来越多的人感觉这个问题变得紧迫和切中要害。然后，马尔达西那在1997年发现的AdS/CFT对偶使得这个问题在更大的人群中引起更大的兴趣。”

结果，吉丁斯回过头来重新开始论说黑洞里的非定域性问题。2001年和以往不同，他终于享受到了收获的喜悦。非定域性的想法不再看起来那么疯狂。相反，理论物理学家现在看非定域性完全是自然的。如果量子场论和引力理论都表现出非定域性，那么看来黑洞里很可能的确运行着某种非定域机制。专业上得到了平反昭雪，吉丁斯两年后做了他那次丹那利雪山探险。由于天气不好，他和他的登山伙伴在基地大本营待了10天。等到天气终于放晴后，吉丁斯和另一队的登山者出发，并到达了山顶。“这次旅行最辉煌的部分是滑雪，是第二天晚上滑下卡希尔特纳冰川的感觉。虽然天色很晚，但阿拉斯加仍是拂晓时分，光影和色彩交织飞舞在阿拉斯加的崇山峻岭之间。那种美，我永远忘不了。”吉丁斯说。

量子场论

我在第3章中讲过，爱因斯坦和其他人提出量子力学是为了解决关于光的古典概念的一个悖论。但有点儿让人失望，这一理论的第一个数学公式并不能解释光。这个公式巧妙地描绘了物质粒子如何以适当的速度运动，但并没有像相对论那样对速度作限制。所以，它们不能合宜地处理以光速或接近光速运动的物体。考虑到光以光速运动，这一理论仍有很大的局限。

量子场论是量子力学的续集，它对相对论友好，因此对光友好。物理学家于20世纪20和30年代用两种技术分别研究发展出量子场论，这取决于他们认为光最终是粒子还是波。有的人，如英国的保罗·狄拉克和后来美国的理查德·费曼喜欢把光看成粒子，他们采用光像小小台球碰撞和反弹的粒子观。只不过对于这一粒子观，你必须做些复杂化处理，假设允许小球在运动中突然产生或突然消亡。这样，在生成光子时原子可以发出光，回收光子时可以吸收光。经典电磁波建立在巨大的、沸腾的大量光子泡沫上。其他电磁现象（例如静电和磁力）也可以想象成光子台球。尽管这个理论起初只描绘了光子和电子，但后来延伸应用于中子、夸克、希格斯粒子和粒子动物园里的其他粒子。

其他理论物理学家，如奥地利出生的泡利主要考虑光是波。对他们来说，世界就像暴风雨中的池塘，到处颤抖着涟漪，涟漪形成、传播、合并。“池塘”就是电磁场，充满了我们周围的空间。各种波的路径穿行于其中，有的长，有的短，有的高，有的矮。理论物理学家把量子力学理论应用于每一种波型，并整合为辉煌的整体。在这一视角下，我们看起来像“粒子”的并不是物质的微尘，而是波的能量单元。

不可思议的事发生了，光的粒子观和波动观逐渐演变收敛于同一方程组。你可能想到光，但不仅是光，所有能量和物质形式都要么是粒子的要么是波动的，你可以把这一学科称作理论粒子物理学或量子场论（甚至到现在，物理学家都把这两个术语混起来用）。

在取得这个成就的大部分时间是在思考如何让相对论适应于量子理论。量子场论奠基人并没有把相对论的一切囊括进来，他们把爱因斯坦对引力的解释搁置在一边以后再说，而集中火力保证粒子或波不会跑得比光快。这好像特别难，难得出乎意料。正如泡利指出的，运动中的粒子或波可能会在任何瞬间突然消失不复存在，并把自己的能量遗赠给新的粒子或波，搅乱你跟踪它的企图，更不用说检查它是否快得突破极限。所以，泡利把重点放在超速的后果上，而不是试图强加速度限制，正如警察给你开超速罚单不是因为看到雷达读数记录你超速行驶，而是看到你到家的时间太早，而按正常速度你不可能这么早到家。

想象空间被划分为两个区域：一个区域，信号在一定时间内能够抵达；另一个区域，信号不能抵达。如果你发送了一个信号，接收者位于第一个区域，他应该能收到这个信号；如果接收者位于第二个区域，他就得不到这个信号。物理学家将这一规则称为“微观因果性”。“因果性”指的是，发信号是因果关系的一个典范。究竟是谁在传递信号？是粒子还是波，还是完全不同的东西，微观因果性不可知。微观因果性是不是从相对论吸取的关键教训？目前对此尚有争议，但相对论的替代理论也将空间划分为光能抵达和不能抵达两种区域。

量子场论的所有这些特征反应了物理学家的定域性直觉。不论是粒子观还是波动观，这两个导致量子场论诞生的互相竞争的世界观都是定域的。粒子——定域的物质碎片——仅通过直接接触或利用其他粒子作为中介彼此相互作用，而波则连续扫过场，把力从一个地方传递到另一个地方，不需要奇迹般的非定域跳跃。的确，我在第2章中讲到过的法拉第和麦克斯韦在19世纪引入电磁场，其全部理由正是为了保证定域性。微观因果性或其某个等价规则保证了粒子或波以有限速度运动，保证空间中分隔开的区域有一个隔离程度的度量。

如果我们说物理学家“发展了”量子场论，那意思好像是他们知道自己在做什么。然而实际上，他们一路上磕磕绊绊，常常深深怀疑自己会闯进什么之中？将量子力学和相对论强行结合，物理学家进行了一场“奉子成婚”，结局难以预料。直至今日，物理学家仍在苦苦挣扎着问：关于这个世界，量子场论到底告诉了我们什么？正如在前一章中读到的，常规量子力学也不是透明模型，但至少在数学上它相当简单，不需要用计算器就能做有用的计算。量子场论是另一回事，它真的“不愧”于理科课程里数学最糟糕的坏名声，连专家也不能松懈，稍有不慎，可能不及格。圣塔芭芭拉卡弗里理论物理研究所的乔·波尔钦斯基对我说，这门量子场论课他上了两次，虽然拿到了物理学博士学位，仍然觉得很不自在。

哲学家的工作是让物理学更有道理，但可怕的量子场论把大多数哲学家都吓跑了。只有少数几个不害怕，其中之一是普林斯顿大学的汉斯·霍尔沃森。恰好他最喜欢像黑客一样穿越数学灌木丛。他是那种每年自己报税，还抱怨太简单的人。“在研究生期间做量子场论时，问题供应源源不断，永无止境，这让我特别高兴。”他说。量子场论这门课正好需要他这样酷爱钻研代数公式的人。如果他有什么毛病的话，那就是和其他哲学家正相反，他在概念思维上有困难，而概念思维是哲学的标志。但哲学思维不那么自然这个事实，在霍尔沃森看来挺吸引人的，这意味着需要爬高山。“我太倾向于数学了，”他说，“这里的一位数学家对我说：‘你能不能花一分钟时间从那些数学方程组向后退一步？’一个数学家！……解释那些数学的意义才是最难的地方。”

与粒子分道扬镳

显然，我们的世界既不由粒子组成也不由场组成，至少不是日常理解的那种体现局域性原则的粒子或场。物理学家仍然会说“量子粒子”和“量子场”，但那好像在说“公开的秘密”或“带薪志愿者”，形容词“量子”的含义是“有点儿像粒子，但又不是”或“无疑有些非场的特性”。

让我们先来看看粒子观。根据量子力学理论的更早版本，一个粒子的位置和速度是不确定的。你不知道粒子会在哪里出现或它会以多的快速度运动，但至少它会在某处出现。但如果你掺入相对论元素，这不再是真的，因为你需要考虑其中涉及的速度是光速的真分数。原因在于量子不确定性的一个关键事实：一个粒子的速度和位置不是相互独立的量。已知可能的速度范围，根据海森堡不确定性原理，你就能计算出可能的位置范围，反之亦然。相对论要求这一不确定性原则独立于观察者，因此弄糟了这一转换。当你把速度“翻译”成位置时，你发现不同的位置不再是彼此排斥的。你可能发现同一个粒子同时出现在两个不同的地方，或粒子在一个地方而它的能量在另一个地方。量子力学和相对论的结合违背了原有的定域性，对爱因斯坦来说，违背了他最基本的直觉，即所有东西都有一个位置。

相对论里牵涉到非定域性，这可是惊人的倒行逆施。爱因斯坦的宇宙速度限制本意是想禁止非定域性，而不是保护它。“当我们看见非定域性发生时，我们说：‘啊哦，我们以为已经禁止这事发生了。’”霍尔沃森评论道，“人们以为相对论和非定域性是相反的，但这里相对论引起了非定域性的发生。”

在1949年的一篇有影响力的分析中，量子理论先驱尤金·维格纳和他的学生特德·牛顿指出，只有当测量位置不考虑相对性时，粒子才可能有一个明确的地方。但那样的话，观察者就不可能就宇宙究竟长什么样有一致意见了，引入了一个令人担忧的主观因素。这代价不小，而且甚至不能解决问题。现在观察者不仅争吵着粒子的位置在哪儿，而且甚至为粒子到底有没有一个位置都会争吵。有的会把粒子的位置限制在一个小范围内，而其他人会看到它在宇宙中的任何地方显形。那些在某个定义良好的地方的确找到了粒子的观察者，可能看到它突然跳跃到宇宙的另一边。这种效应如果是真的，工程师就能建造一个超光速通信系统了。你也许会说，好吧，咱们放弃指出一个个粒子，只数数个数总行了吧？连这么卑微的期望也可能落空，因为不同的观察者会说出不同的答案。

总之，量子场论说寻找粒子就好像玩一场骗局。你不能让它们固定下来，你看见它们在一个地方消失，在另一个地方出现，甚至不知道总共有多少个粒子。这该死的事开始看起来像一个骗局了。大多数物理学家和哲学家开始下结论说，小台球（粒子）不可能存在于我们的宇宙中。“并没有什么是真正定域性的。”霍尔沃森说。

出现在量子场论方程组中的“粒子”实际上是一种波。这样的“粒子”并不存在于一个地方，而是存在于整个场中，正如吉他琴弦上弹出的音符并不存在于琴弦上的某个地方，而是分布于整个琴弦上。用“粒子”这个词来称呼它仅仅因为它代表离散的能量动量块儿。即使这样裸用“粒子”这个词，那也只有当能量和动量可以分割成自治的块儿时才行。当场和场之间强烈相互作用时，波和波之间挤在一起，以致不可能有粒子存在，即使采用宽松的定义。

物理学家常常谈论粒子，几乎所有关于物理学的文章，从课本到浴室涂鸦都在谈论粒子。对于很多目的，现在谈论粒子还行。每当你看见粒子时，你需要凑近一点儿再仔细看看。例如，最广泛使用的量子场论的表达方式（如第1章中提到过的费曼设计的简笔图体系）显示粒子在空间和时间中的某个地方相互作用。这种图通常用来研究两个粒子碰撞的情形。但任何给定情形都需设计无穷多个费曼图，尽管你也许只能对付几百个或几百万个。单个费曼图并不代表真实世界中发生的任何事，只有许许多多的费曼图的聚合体才有物理意义。所以，费曼图只是有用的数学工具，一种把大问题分解成可以对付的小块的方法，正如说平均每个美国家庭有1.9个孩子和2.3辆车一样。费曼图里的粒子，包括物理学讨论中经常画的“可视粒子”，都是我们的心智建构。“其实谁也没说物理实在就是这样的。”霍尔沃森说。

实验物理学家建造粒子探测仪，正如我在自家地下室中做的马盖先云室，按理说粒子探测仪探测到了粒子。而事实上记录的是一个个波能量的小爆破，像阳光下波涛汹涌的池塘表面闪闪发光的瞬态干扰。这些发光的小点让人不禁联想到物质的碎片在仪器里飞。我们应该抵制住这种诱惑。

永别了，场

如果世界不是由粒子组成的，那么根据默认，它一定是由场组成的，对不对？麦克斯韦把电磁场想象成工业革命时期钢厂中的那种传送带和滚筒的组合。我们这些在信息时代长大的孩子也许更愿意把场比作平面电视或计算机显示器：一个由小小像素组成的马赛克。顺着这个比喻继续下去，每个“像素”是小小的、定域的装饰物，像粒子，只是固定在一个地方。它有类似于亮度和颜色的属性，它可以向物体施加力的作用，可以对别的物体施加的力进行反应，并与和它直接相邻的物体相互作用。如果（例如）你在磁场里放一个指南针，则附近的像素会一下子抓住指针，强行将它扭向与自己的方向对齐。相反，如果你挥动磁铁，附近的像素会对此产生反应，与它们紧挨着的像素也因此产生反应，屏幕上横扫过一阵涟漪。这个比喻很恰当，只要你把屏幕想象成有无限分辨率，每个小元素不是光的小方块，而是几何大小为零的光点。这些光点形成一个无缝无孔的连续统。

想法就是这样。然而量子场论颠覆了传统场的概念。量子场论里的“场”不是由东西组成的阵列，而是由操作组成的阵列。在某个地点，场可以操作，也可以被操作。它可以使指南针的指针转动，它可以吸收你注入的能量。但是什么导致这样的效果？量子场论并没有说。它患有像量子力学早期版本一样的解释上的含混不清之苦。量子场论详细说明了一个“场”能做什么，但没有说“场”到底是什么。而且不管场是什么，它绝对不是像素的阵列。早期反对粒子的争论也排除了像素位于空间中某个位置的可能。场也不可能是任何其他类型的局域结构，因为它有非局域性质。场在空间的某个部分做什么，决定于它在其他地方做什么。关于场的这个概念，霍尔沃森说：“看起来违背了量子场论的初衷。你可以把空间切成小方块，但小方块是高度互联的。我们威胁了自己理论的进展。”

超强纠缠

量子场论有两种完全不同的非定域类型，其中一种是量子纠缠的加强型，它的端倪最早出现在费曼的工作里。费曼发现，粒子可以打破爱因斯坦速度限制，只要它们不被抓住，也就是说，只要它们不携带信息或因此引起什么事发生。后来，物理学家们承认费曼的快于光速传播是纠缠粒子的鬼魅同步的一种。只不过纠缠的不是粒子，而是场里的点。如果你在一个场里的两个位置放了两台测量仪器，则它们的读数也会匹配，尽管没有任何东西穿行于分隔它们的空间中。

相对论效应使场纠缠远远超过普通粒子纠缠的加温版。回忆一下，任何给定的观察者把空间看成分开的两部分，一部分是充分封闭的，在给定时间内能收到信号，另一部分太遥远而收不到信号。为了这种划分，那个像涟漪扫过场的波必须以恰当的方式叠加起来。它们之间的高度协调隐含相距很远的位置之间存在强大纽带的意思。“事物受动量约束……意思是事物在位置空间中相互连接。”霍尔沃森说。

最终结果就是他和同事提出来并命名为“超纠缠”的概念。常规纠缠链接两个或多个粒子的某些侧面，例如它们的极化，而超纠缠链接所有东西的所有侧面。不仅这里的一个粒子链接着那里的一个粒子，空间中的每个点和所有其他点都有纠缠，甚至包括可观察宇宙之外的那些点。正如幼儿园小朋友的鞋带，这种纠缠缠结得很紧。你可以打断粒子纠缠的纽带，但场纠缠的纽结永远不可能解开。

这一错综复杂的非定域链接之网有极其深刻的后果。它允许你无需经过生成并交换纠缠粒子的繁琐程序，就能做第1章中所说的魔术硬币实验。你只需要凭空采摘硬币，即从周围现成的场里取几枚硬币投掷即可。它们会随机地正面朝上或反面朝上，而且总是彼此协调着。为了看到戏剧化的效果，你甚至可能在完全真空的情况下做这个实验，没有看见一个粒子，仅仅带上几台仪器到“场”里，这些仪器会自动采摘“场”里零星的随机抖动，会看到读数是匹配的。“也许你忘了摆好这些仪器，”霍尔沃森说，“宇宙应该已经为你安排好了。”

难道有这么好的事？但这么慈善的事是有限的。这实验实在太难做了，尽管已有几个提议，但没人真的试过。一个原因是，为了让场满足微观因果性规则等条件，对于关联，一定要具体指明某个特定地点。这个情形让我想起了我家里断断续续的手机信号。厨房里手机信号最强，但一走进饭厅手机信号的强度就衰减为零。如果切换电信服务商，则可能饭厅里有信号，但厨房里没有信号。类比之下，物理学家的测量仪器可能先探测到了鬼魅关联，但如果把仪器移开一点儿，关联就不见了。在新地方，虽然场仍然纠缠着，但实验者不得不切换到另一台测量仪器才能继续探测到这种关联。场“在所有距离上都有这种非定域性，但任一给定的非定域类型都会在短时间内相继死去。”霍尔沃森说。尽管如此，如果物理学家能解决这个技术问题，也许量子密码学和量子计算应该优先选择“场”为纠缠来源。

场的纠缠使得一类全新的现象成为可能。可以让一个原子和一个场纠缠，然后让第二个原子纠缠这个场。那时这两个原子就会彼此纠缠起来，尽管它俩从来没有直接相互作用。纠缠也编排出其他物质形态，非固非液非气态。固态、液态、气态这些常见的形态皆因原子和分子排列不同所致，如晶格纵横排列整齐有序就是固态，分子杂乱无章就是气态。物质的新形态是更精心策划的、更宏大的，值得设计出一部宝莱坞大片的舞蹈编排。在这些情形下，非定域效应不会随距离加大而被抹掉，并且这些效应赋予了材料某种曾经被认为像魔法的属性，例如超导（电流流动无阻力的情形）。

直至最近，大多数理论物理学家认为这些现象只是客厅里的把戏。“传统上，我的同事和我并不特别有兴趣纠缠这件事。”尼玛·阿卡尼-哈米德回忆说。他就是在第1章中提到的那个从伊朗逃回来的理论物理学家。他说：“外行人喜欢它，但是，嗨，所有作用都从别处来。关注纠缠可能会有不同凡响的回报，这个事实令人惊讶。”事实上，他现在认为场的纠缠有可能是量子场论的决定性特征。“琢磨量子场论的正确思路，也许是把它看作不同区域的彼此缠结。”

回到我们前面说过的平面电视比喻，你也许把场的纠缠想象成电视屏幕后面纵横交错地连接着每个像素的线形成的一团乱麻。对大部分目的来说，这不是太坏的想象，你也可以像法拉第和麦克斯韦想象电磁场那样想象这种场。但再深一步就不对了。纠缠的意思不是某像素的亮度和颜色可以逐渐与另一个像素的亮度和颜色协调起来，它的意思是单个像素并没有亮度或颜色属性，只有一组纠缠着的像素群才有这种属性。单个场没有的性质，纠缠的场作为一个整体可能有，只是它跨越了整个空间。

横跨规范

量子场论里非定域性的第二种类型不是一种量子效应，而是一种潜在的电、磁和其他力场的内在结构。其实你也许注意到，有一天你往窗外看，吃惊地发现小鸟栖息在高压线上竟然安然无恙。小鸟没有被烧焦，不是因为高压本身没有效应，不幸的小鸟的确触电了，但只有当它的两只脚同时跨越两根电线形成电流回路、让电流流过它小小的身体时，小鸟才触电。让它们触电的是电压的差，或用词更准确的话，是电势差。

电的这一特性被称为规范不变性，之所以这么称呼是因为如果你升高或降低电势，只要电势差保持不变，那么电效应就不变。两根电线中可能一根的电压为0伏而另一根的电压为120伏，或一根的电压为120伏而另一根的电压为240伏，或一根的电压为1000000伏而另一根的电压为1000120伏，但到底是哪一组配置，你永远猜不着。这个原则最引人瞩目的演示是法拉第在1836年做的一个实验，今天科技馆做这个实验时都少不了观众欷歔不已。他当时造了一个3.6米高的木头盒子，外面缠绕着铜线和锡箔纸，然后他爬了进去。他的助手用一个巨大的静电发电机给盒子外面通电，让盒子内外的电压相对于室内的其他东西高很多。这时劈里啪啦开始火花四射，仿佛地狱之门被打开了。木盒里的法拉第正仿佛在安静的海边小屋里做着他心爱的电学实验，高压对他没有一点儿影响。他写道：“我走进木盒子，住在里面，做点燃的蜡烛、静电计和其他电流状态的测试。我完全找不到一点儿对它们的影响，也找不到任何特别迹象由它们引起，尽管木盒外面一直充斥着强大的电流，大火花和刷子在木盒外表面疾驶而过。”

磁效应也有类似情况，虽然舞台效果稍差些。像电势一样，还有一个磁势，而且可以用提高或降低电势的方法换取磁势，或反之，这使得电压的定义更容易变化。除了电磁力以外，还有其他的力也是规范不变的。事实上，“规范”（gauge）也许是物理学家最喜欢的仅次于“咖啡”的词，规范不变性在他们关于各种力怎样运作的概念体系中处于中流砥柱地位。这是什么意思？为什么只有（电/磁）势差才最重要？

理论物理学家通常认为规范不变性是不辩自明的，正如一个圆给你一种对称、赏心悦目的和谐感。转动一个圆圈，表面看不出任何变化。你可以升高或降低势，却不会引起任何可测的量的变化。用这样的方式思考，规范不变性是自然优雅性的一种表达，而物理学家对“优雅性”总是很钟情的。但越来越多的理论物理学家觉得这个解释不令人满意。升高或降低电势/磁势不同于转动圆圈，并不属于对物理世界的一种实际操作，只有“势差”是我们能够控制的。而且所谓的“优雅”导致了这么多数学上的麻烦，也看起来相当可疑。“课本对规范对称性狂热吹捧，”阿卡尼-哈米德说，“规范对称性完全是虚构的，它存在于我们的脑子里。”他认为规范不变性其实是非定域性的迹象：“很多迹象表明我们需要抛弃定域性，可以把规范场的存在看成这许许多多暗示中的第一个。”

定域性认为空间中的每个点有独立于其他点的性质，这就好像暗示电线有一个绝对意义上的势，也许是1000000伏。如果小鸟站在这根电线上，它的另一只脚站在1000120伏的电线上，电势差就是120伏。这听起来很在理。当然，你必须有两个数才能做减法。但如果你问来家里修电器的电工某根电线的“电势”是多少（不是相对于另一根电线的电势差，即电压，而是这根电线本身的电势），这位电工会对你皱皱眉头，然后向你多要140块钱，因为你浪费了人家的时间。如果你问他电势是如何随时间变化的，理论物理学家也会无言以对。尽管麦克斯韦方程组允许你计算出电势的值，但它也允许你往那个值上加任何什么敷衍因子。定域性的假设令人以为存在某些不可能测量或计算出来的量，这没有好处。

麦克斯韦认为某一特定情形——以某一特定布局卷在一起的电池、铜线和磁铁——能把空间中每个点的势的值固定下来。但他发现自己预言了势里的扰动能瞬间从宇宙的一边“嗖”的一下蹿到宇宙的另一边。他的直接继承人，如海因里希·赫兹，对这一公然的非定域性畏缩，认为“势”这个概念是一种潜在的“空虚”，并且有点儿情绪化地发誓要“谋杀”它。他们重新写了麦克斯韦方程组，把电势从自然的基本元素中去掉。我们现在声称的“麦克斯韦方程组”实际上不是由麦克斯韦写的。

不管这些方程组应该如何称呼，它们说所有电磁现象都是由电场和磁场产生的，这些场在空间各处都有确定的（可测量的）强度。这与定域性原则相吻合。“势”是一个导出的量，它代表一个力场可以把多少能量发放给带电粒子。在数学上，“势”是一个有用但“可有可无”的概念。如果你真的想让上面提到的那个电工对你发脾气，则你可以讲“电”而不提“伏特”这个词。如果“势”并不真的存在，那么你就不能测量或计算它。你可以肆无忌惮地提高或降低它的值，事实上这没有更深的意义，瞬间传播出去的扰动纯粹是虚构的。

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这样，维多利亚时代的物理学家想，他们对理论的修补已经把规范不变性和定域性调和起来了。但到了20世纪中期，理论学家（如狄拉克）意识到把首要地位给力场并未消灭这种神秘。力场可能看起来是定域的，但如果仔细看，它本身自带一些非定域性质。场在任何地点的强度并不是自由地可取任一过去的值，而是仅允许选用规定范围内空间中其他点的值。这些值是相互依存的，或用隐语来讲，它们是互相“约束”的。如果“场”像一个平面电视机，那么它是一个破损的平面电视机，像素线路是短路的，要想打开某个像素，只有先打开其他像素的某种结合才有可能。这样的屏幕只能显示图像的有限部分，正如转播超级碗棒球赛（只能部分转播），而不是电视剧《唐顿庄园》。

这些约束的一个例子涉及光波的取向或光的偏振性质。光可以向两个不同方向极化。这就是为什么现代3D电影采用偏振光的原因：电影投影仪向屏幕上投射两个图像，每个方向一个图像，3D眼镜保证了每只眼睛只看见它应该看见的那个方向。但这里有点儿古怪，为什么没有3个方向的极化？毕竟，空间有三维，也就是有3个可能的运动方向。有些波（如地球上的地震波）在3个方向上振动。为什么光波不在3个方向上振动？原因在于这一约束，它把场中的不同点用铰链绑定在一起，这样就约束了它们的运动范围，有点儿像坎坎舞的舞蹈演员手臂锁在一起形成一条直线，只能向前踢腿，而不能向两侧踢腿。在数学上，约束是用空间中单个点的性质定义的，然而约束剥夺了这些点自治的权力。定域性的部分意思是从这些约束来的自由。场里的不同点应该是独立的——能够通过向空间发送涟漪而彼此影响，但并不是由于逻辑需要而锁定在一起。

1959年，理论物理学家戴维·玻姆和他当时的学生亚基尔·阿哈罗诺夫提出了一个量子版本的法拉第笼实验，加深了对乐观的经典规范不变性的挑战。他们用电子代替点燃的蜡烛作为测试探针。但这个实验很难做，物理学家到1985年还做不出来。该实验的磁版本比较容易，玻姆和阿哈罗诺夫提出后一年就做出来了。实验结果表明，粒子在高压笼子里面的确表现得不同，它们产生的波条纹发生了变化；甚至尽管笼内部电场强度为零，而且根据电磁标准规则，粒子产生的波纹也发生了变化，但任何事情也不应发生。

大多数物理学家觉得这个事实令人震惊，刚开始很少有人相信实验结果，但他们逐渐承认局域结构与电磁物理实在不相配。“电势”这个概念太过分了：给定电势差可能由任意多对可能电势的绝对值导出，这无中生有地创造出太多让自然感到意外的可能性。电场太弱，不足以捕捉到电子波纹的变化，正如计算机屏幕不能充分展示夏加尔油画的饱和颜色一样。理论物理学家需要一种刚刚好的结构。因为穷尽了所有局域可能性，这第三碗粥想必只能是非局域性的。

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哲学家们花了更长时间才想明白这些进展，最早想明白的哲学家之一是亚利桑那大学的理查德·希利。希利跟大多数人不一样，大多数人说他们对科学的热爱源于青少年时期所受的影响，是家长或老师打开了他们对神奇宇宙的好奇心。但希利说，他被科学吸引恰恰是因为周围是科学沙漠。“我周围的人什么都懂，唯独不懂科学。”他回忆道，“那是我在市场里占据的角落。”学校让他这一逆反情绪更加坚定。“学习高中物理让我感觉是在受罪。”他说，“我很厌恶，我知道这些人没有跟我讲什么。我想知道更多，当然我不是在高中学到这些的。”他的事业是通过观察别人都在干什么，而自己干点儿别人不干的建立起来的。20世纪90年代，物理学家往往忽略规范不变性，于是他自然被它吸引。“那时我感到非常孤独。”一次他对他的同事坦白。

让希利感到兴奋的是规范不变性可能揭示了一种新型的非定域性，一种与令爱因斯坦和贝尔痛苦不堪的纠缠现象完全不同的非定域性。阿哈罗诺夫-玻姆实验中的电子不需要纠缠着，否则就需要专门准备。它们更多作为观察者，而不是主动行动者。这种电子波纹有个好处，对普通物体容易健忘的那些特征比较敏感，它们为力场带来了一种“休眠”的非定域性。

规范不变性和非定域性尽管与纠缠不一样，但的确有可比效应。“人们发现阿哈罗诺夫-玻姆效应和贝尔不等式的不同，但这两者也有惊人相似的地方。”希利说。纠缠将粒子绑定在一起成为一个整体，带有单个粒子所没有的整体性质。规范不变性同样赋予给了“场”，一种单个粒子没有的而只存在于更大空间的性质。两种情形都是，系统不是仅仅其按空间划分的子部分之和，这与爱因斯坦说的定域性的可分性正好相反。根据定义，场几乎是可分的，于是这一原则的失效对场的概念来说是一个坏消息。同时，纠缠和规范不变性的确遵守爱因斯坦规定的定域性的另一个侧面——局部作用。因为两个原则都不允许传递信号、遥控驾驶无人机，或对你远方的爱人传递愉快的想法。

那么，如果力不能由场传递，也不由粒子传递，则力是由什么传递的？希利主张一个想法，这个想法可以追溯到狄拉克，并且在阿哈罗诺夫-玻姆实验后的几年里越来越受到物理学家的注意。这个想法的关键点是：单个点的势可能是有歧义的，但如果你把一个封闭回路上多个点上的所有势加起来，那个值就是没有歧义的。例如，从你家后门绕着后院走一圈，然后回到起点，测量沿途每一个点的电势。每一点的读数将决定于你怎样定义“0”伏，但所有读数的总和与这种选择无关。不知为什么这一系列读数让人感觉存在一个自然结构，而单个点的读数是不能读出来的。无论是什么促使电流流动或磁体被吸附在冰箱上，都不可能是像计算机屏幕那样排列好的阵列，而是钩织出来的相当复杂的围巾花边。“环[1]是电磁性的天然家园，而点则不是。”希利说。

环是分散开来的（可分性不满足），但电磁力的传递是通过环环相扣的作用（满足局部作用）。在通常情况下，环和经典场之间区分不开。在效果上，环与环之间扣得很紧，以致看起来像普通晶格上的点，但当用指甲扯出其中的一根丝时，这种“布料”的真正面目便暴露出来了。在阿哈罗诺夫-玻姆实验中，充电的笼子扮演指甲的角色，让其中的一个环充分放大，制造出一种麦克斯韦连做梦也没有想过的效应。如果你试图用定域性的概念（例如势）抓住这些效应，那么你就得到了一些有歧义的解释。

这个故事的启示是，量子场论被“空间”这个概念搞乱了。量子场论不是由局域的粒子或像素搭建起来的，正如用砖瓦搭建起建筑物一样。事实上，看来不可能这样。相反，量子场论是关于“离域结构”的理论，这种离域结构要么是“环”，要么是其他什么结构。在技术上，这个事实并不要求我们放弃自己的空间概念。我们仍然可以想象这些环或其他什么东西存在于空间中。“我们并没有失去要点，”希利说，“是定义在这些环上的结构不是定域性的。”但让环处于空间里，就好像在交响乐音乐厅里举办摇滚乐音乐会。我们可以这么干，但如果这么干，一切会看起来就很别扭。物理学家和哲学家总是根据物质的行为推测出空间的属性。古希腊原子论者发明空间概念的目的是让粒子有一个地方玩。对现代理论学家来说，空间坐在场的底层。如果粒子和场不是实在的，空间就失去了存在的理由。

爱因斯坦的引力理论

量子场论真是跟物理学家玩了一个恶作剧，有些情况下是定域的，有些情况下是非定域的。它不禁令我们想到空间这个概念是否有些夸大其辞。另一个现代物理学支柱——广义相对论也有类似的传奇故事。可以论证，在广义相对论里，空间概念的失败更为突出。

一个秋天的一天，马罗夫和我正在加州大学圣塔芭芭拉分校校园的学生中心。我们一边吃着沙拉，一边向外眺望着礁湖，谈论着引力。但等一下，我如何知道我是在一个秋天坐在这个学校的学生中心？定域性原则告诉我，我有一个位置，学生中心有一个位置，当这两个位置刚好在一起时，我就在学生中心里，我手机里的GPS坐标刚好和学生中心的坐标匹配。但这看起来直接了当的过程却经受不住仔细考察。“要问‘在这里’的问题，我们先要知道什么叫‘在这里’，那可不是那么容易。”马罗夫说。

一个明显的枝节问题是，加利福尼亚的地质构造是活跃的。相对于北美其他地区，甚至相对于全美经纬度网，圣塔芭芭拉坐落的地壳板块每年向西北移动几英寸。因此，学生中心并没有固定位置。如果我几年后回来，回到同一个经纬度坐标，我会发现自己坐在礁湖里。绘制地图的公司必须经常重新测量地质地貌，将这一地壳运动效应考虑进来。

你也许以为，学生中心本身仍然有一个用空间概念定义的绝对意义下的位置。然而空间并不比地质板块更固定，它可能滑动、隆起或挠曲。当一大块空间发生平移时，它会通过时空连续体送出震颤，重新塑造时空。因此，餐厅的位置可能改变。根据爱因斯坦的理论，通过这一过程而不是牛顿的神秘超距作用，引力从一个地方传送到另一个地方。这一切正如地震一样，引力波以一个有限速度（即光速）传播。

为了掌握重塑时空的技巧，我们的头脑必须克服一大障碍——抽象。时空不像地质地貌那样肉眼可见，我们无法看见时空，更不用说分辨它的形状，然而我们可以间接瞥一眼它的影子。在空间中自由运动的物体，由于不受其他物体的羁绊，其运动的轨迹沿着弯曲的空间走，正如雨滴从汽车前窗流下的痕迹揭示出透明的汽车玻璃的弯曲。例如，天文学家经常观察到星光射出时是平行的，但星光穿过像太阳这样的巨大星体后会发生偏转进而相交。课本和文章把这个效应描写为“太阳的引力使光弯曲”，但这不一定完全准确，光仍走直线。太阳其实是把几何规则改变了，亦即使空间弯曲了，从而让光线弯曲而相交。

空间和时间的变形不仅属于怪诞的物理学，它也管辖所有自由落体。棒球、酒杯、昂贵的手机以及那些从你手里溜走向地面加速运动的东西，都是由于地球巨大的质量使时间发生了弯曲。（这里空间的弯曲仅起微小作用。）“向下”定义为“向时间推移更慢的方向”。海平面上的钟表比丹那利山峰上的钟表走得更慢，绑在你脚踝的手表比绑在你手腕上的手表走得更慢。用人类的话来说，偏差是微小的——最多相差一万亿分之几，但足以解释降落物体加速的速率。当看见苹果从树上落下时，你看见的是苹果在沿弯曲的时间滚动。

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尽管时空变形可以解释牛顿提到过的非定域性，但它又创造出了几个新的非定域性变种。初学者请注意，广义相对论允许时空向自己弯曲创造一个隧道（即虫洞），将宇宙中相距甚远的两个部分连接起来。虫洞的入口像一个门道，门道并不通向下一个房间，而是通向宇宙的任何其他地方。比如穿行半人马座阿尔法星需要花4年时间才能完成，而通过虫洞只需一步就能完成。当然天文学家仍未发现虫洞，撬开虫洞大门的那种物质也许并不存在，但广义相对论允许虫洞存在，而且爱因斯坦的任何预言都必须看作是可能的。

严格地讲，虫洞最终将遵守定域性原则。如果你钻入一个虫洞，你将穿行于时空连续隧道，没有神秘的跳跃，而且旅程中的每一点都比光速慢，所变化的是旅程的长度。但请注意我的言辞“严格地讲”，如果不严格地讲，虫洞满足非定域性名单里的每一条。首先，虫洞是内在的非定域结构。根据定义，虫洞横跨几个地方，并不局限于一个地方。说时空有虫洞，就像说椒盐卷饼有个结：一个关于时空总体形状的陈述，而不是其中任何一个部分的结构。两个宇宙，一个有虫洞，一个没有虫洞，这两个宇宙里的所有地方看起来都是一样的，仅当你比较分开的两个地方看看是否有联通的路径时，才知道某个宇宙是否有虫洞。

同样，虫洞的效应也是非定域的。通过虫洞，两个看起来相距甚远的东西是事实上是相邻的，或甚至从某个角度看就是同一个东西。许多理论物理学家猜想纠缠的粒子可能有“微型虫洞”将它们连接起来，这可以解释为什么测量这些粒子时它们会匹配（下一章我会回到这个概念）。的确，虫洞效应的非定域性看起来并不那么明显。例如，如果有东西穿过虫洞，撞到你身体里的一个粒子，引起它偏离原来的轨道，那么你只能注意到发生了一些古怪的事情，但不能区分它与任何日常随机降临到头上的无法解释的事情有什么区别。有些理论物理学家提出这也许能够解释为什么量子过程有不可预期的结果，以及为什么自然的基本参数（例如各种力）有这样莫名其妙的值。

虫洞也通过创造一个环（回路）限制宇宙里物质的行为。波可能像涟漪波动着穿过空间，进入一个虫洞，回到其起点，和自己重叠，就像蛇吃掉自己的尾巴一样。结果虫洞会改变一大片区域里的波浪起伏，也许甚至会防止形成稳定的波。如果虫洞不仅连接空间中分开的点，而且连接时间中分开的点，这一古怪的程度则越发严重。换句话说，虫洞可能是时间隧道。现在虫洞形成了一个时间回路，因而潜在的科幻小说迷喜闻乐见的逻辑悖论成为可能。为了挫败这样的悖论，时间旅行者必然缺少一般人拥有的一些行动自由。例如，假设你想通过时间旅行回到过去，图谋杀死自己的爷爷，那么一定要有什么东西阻止你。你知道必须这样，否则不可能让你开始时间旅行回到过去。你也许笨手笨脚摸不着枪，也许枪走火，天上可能掉下一块陨石把枪从手里砸掉，等等。不管你多么想杀死爷爷，宇宙一定要想尽办法保全爷爷的性命。对你来说，感觉像发生了一系列不可思议的巧合。

为了解释这一系列巧合，仅仅仔细考虑和你紧密相邻的周围环境是不够的，你必须看宇宙的整体结构。逻辑一致性的要求对通过虫洞的物质加了一个约束（而且在某些情况下，对宇宙其他部分的物质也加了限制），这类约束是非定域形式的一种。一个地方发生的事决定于另一个地方发生的事。

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广义相对论的非定域性的第二种类型更基本，它来自这个理论的核心革新思想：不存在“时空之外的某处”这回事，不存在用来判断时空外部的绝对标准。这个命题看起来自显然，实则有显著后果。它的意思是，时空不仅是弯曲的，而且并没有我们以为它有的很多性质，包括定义地点的能力。

马罗夫否认上帝视角，他说：“这事非常微妙，而且坦白地说，爱因斯坦很长时间也搞不明白。”这之前关于空间的概念（包括牛顿的和爱因斯坦自己早年的）认为空间有一个固定的几何形状，它允许高高在上俯视空间的想象。事实上，爱因斯坦曾经论证说，必须存在一个绝对的参考视角，否则空间的形状将变得模棱两可。为了感觉一下为什么会有歧义产生，考虑一下在日常生活中我们怎样体验地形地貌全景图。我们也许假想客观存在一个唯一的且“实在的”景观——“谷歌地球”显示出来的那种，但实际上这一景观是由把自己嵌入在这一景观里的用户体验定义的，而那种体验是因人而异的。假想在校园里，一个学生考试快迟到了，他正跑过来，一个脚踝扭伤的运动员正一瘸一拐地走过来，一个教授正边走边和一个同事深谈着一个问题，一个骑自行车的人正一边喊着让沿途的行人躲开不要挡路一边冲过来。这些人眼里看到的校园景观会完全不同。在一个人看来很短的距离，另一个人看来曲折漫长。当我们回避景观从高处俯视时，我们将不再能明确地说什么是那里。

在1915年的一次顿悟中，爱因斯坦意识到这一歧义不是一个错误，而是一个功能。他写道，其实我们从来没有看到绝对地理位置，相反，我们是根据物体之间的相对安排来赋予物体一个位置，而且很关键的是这些相对位置是客观的。任何漫步于大学校园的人应该承认校园的基本布局。他们都应该知道加州大学圣塔芭芭拉分校的学生中心和礁湖是并列的，而不是在校园的两边。如果发生山体滑动或翘曲而这些场所的相对位置关系保持不变，居民则永远不能知道。时空也是这样。同一个地方不同的人会认为有不同的位置，但对于这些地方的相对位置关系大家会有一致的看法。决定事件发生的是这些关系。“如果乔治和唐（唐·马罗夫）在第一时空的中午在某个餐厅见面，”马罗夫对我说，“在重组以后的时空中，他们也会这样做。只是在第一种情形下此事件发生在点‘B’，而在第二种情形下发生在点‘A’。”

因此，餐厅的位置可能在点A、B、C、D或E，有无限多种可能性。当我们说某物在某某位置时，我们实际上是用一种速记的办法说明某物相对于其他路标的关系。缺少绝对坐标，餐厅必须由它内部和它周围的东西所界定。为了给它定位，你需要穿越整个世界寻找这样的一个地方，它的餐桌、餐椅和沙拉吧刚好这样摆放，它刚好有一个阳台远眺着一个礁湖，礁湖沐浴在南加州的金色阳光下。学生中心的位置是一个属性，但不是学生中心的属性，而学生中心是它隶属于的整个系统的属性。“你问的问题原则上是指整个时空。”马罗夫说。

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这种位置的模糊性与我们前面看到的电磁性的那种相似，但又不是简单传递相似性。它是规范不变性的引力版本。无法区分点A、B和C，类似于区分不出电势是0伏、120伏还是1000120伏。对引力来说，正如电磁场一样，局域测量的模糊性是非定域性的一种形式。这里它的发生不是因为粒子和场的性质，而是因为空间本身不能支持任何局域结构。空间中的点是无法区分的，而且是可替代的。因为它们缺乏任何用于区分的属性，无论这个世界由什么组成，一定不是固定在点上。如能量这种量不可能坐落在某个具体地方，则原因很简单，那就是没有具体地方这回事。正如你不可能在大海上插一面红旗，你更不可能用针固定住一个位置。这些性质一定是整体的——是时空作为一个整体的属性。

而且，引力场的不同格局描绘了空间的多个等价形状。在其中的一个格局中，也许场在一个地方能施加的力的强度比在另一个格局中要更强，其他地方做些变化加以补偿，从而保证物体之间相对的位置保持不变。引力场里的点一定是彼此环环相扣的，从而可以集体跳跃舞蹈，仍旧保证物体之间的内部组织结构不变。这些联动违背了“空间中的每个位置都自主存在”的原则。马罗夫这样说：“任何引力理论都不是局域场论。即使在经典意义下也有重要的约束方程组，时空中此时此刻的场与时空中彼时彼刻的场不是彼此独立的。”

这并不是说空间是虚构的。空间仍有独立存在的意义，空间既可以扩张也可以收缩，波可以传播于其中，甚至抽成真空的空间也存在，所以，空间不能完全被还原为物体之间的一组关系。在大部分情形下，你有权思考空间里的位置。你可以指定某些可用的物质块作为参考点，并用它来锚定一个坐标网格。你也可以让圣塔芭芭拉人懊恼，把加州当成宇宙的中心，并参照它来定义宇宙的其他地方。在这个框架结构中，你可以尽情地发展你的事业，幸福地享受着自己的无知，即不知道空间本质上没有能力标定位置。“你这么干了之后，物理学看起来是定域的。”唐·马罗夫说，“引力的动态变化完全是定域的。事物连续运动变化，并且速度不能超过光速。”但引力的性质仍然只是“伪定域的”。非定域性一直在那里，潜伏于水面之下，等待时机涌现出来。

简而言之，爱因斯坦理论的非定域性比牛顿引力理论更微妙、更隐蔽。牛顿引力直接产生超距作用，但至少在一个绝对空间的框架下运行。爱因斯坦的引力没有这种魔力，它把影响像涟漪一样以光速传过宇宙。然而，它却破坏了绝对时空框架，搞乱了我们对空间的直觉，即空间作为容器让物体居住在里面的直觉。广义相对论迫使我们去寻找全新的关于空间的概念。

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黑洞这个“地方”，是引力非定域性从藏匿状态变成公开的首要例子。我说“地方”，但对于黑洞来说，这个词有毛病。黑洞不是一个固体，它的边界或“视界”只是空间的一条假想的分隔线，标志着掉进黑洞的物体从此走上不归路，但那条线到底在哪里？很难讲。假设，上帝保佑，我们的太阳坍缩形成一个黑洞，一组太空旅行者跑去看个仔细。旅行公司的广告说，只要他们待在离黑洞中心3千米以外，他们就是安全的。3千米是根据太阳质量算出来的黑洞半径。但这个广告是错的，如果那个黑洞吸入更多物质，它就会变大，旅行者会发现自己身处黑洞内部，再也回不了家。视界不仅决定于黑洞的引力有多强，而且决定于黑洞的引力将变得有多强。黑洞有自己的时间，自由从不保证。

一次我去听盖瑞·吉本斯的讲座，吉本斯是剑桥大学史蒂芬·霍金的同事。在这个讲座里，吉本斯讨论到黑洞的这一奇怪特性。“为了定义这一视界，你需要知道所有时间发生了什么。”他说。这反过来的意思是你需要知道空间的所有地方发生了什么。“（视界）是高度非定域的，”吉本斯接着说，“视界在那方面很棘手，你无法明确指出视界在哪里。此时此刻，我们可能发现自己在视界里，但我们从不知道。”黑洞可能正慢慢地、不知不觉地环绕着地球打开，像采矿小镇下面的天坑。

更令人费解的是，所有掉进黑洞的东西都紧紧地堆挤在黑洞中心，即所谓的奇点。广义相对论说奇点处的物质密度为无穷大，时空就像塞得满满的粮食口袋被撑破了。那么奇点到底在哪里？定义奇点的时空不再存在，那里根本没有地点。在一种很奇怪的语义下，一个奇点既无处存在又同时到处存在。奇点不是一个定域物体，而是时空的整体特征。

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另一个引力非定域性的生动范例发生在假设空间有一个边界时。说空间有个边界，听起来像倒退到亚里士多德时代。亚里士多德想象宇宙像一个巨大的雪球，它被放进一个透明的水晶球里。这个想法逐渐长出褶皱花边。现代天文学家的最新研究成果表明，空间向任意方向无限伸展，无边无际。但这是一个偶然的事实，而不是硬性的规定。没有物理定律禁止宇宙有一个边界。物理学家们曾考虑过空间在一个或多个维度上大小有限的假想模型。

即使无限宇宙仍可能有边界——边界在无穷大那个位置，无穷大对于理论物理学家来说是实在的地方，正如其他实在的地方一样。考虑一下什么叫作没有边界。地球的表面就是一例：你可以买一张环球飞机票，一直向西飞，就能回到起点，无需在路程上增加一倍距离。宇宙原则上也可以有个球形形状，所以你可以进入太空冒险，绕着宇宙航行环视。如果你不能绕着宇宙转一圈返回，那么宇宙一定有边界。即使你从来没有遇到过一堵墙或魔域深渊，浩瀚无边的无穷大起着天然屏障的作用不可征服。无穷大那个地方可能和空间中的其他地区一样有相同的结构。在无穷大那个地方，可能有物体居住，可能有事件发生。无穷遥远的边界很明显给空间旅行者带来了很多实际困难，只有想象的星际飞船才能抵达那里。然而在概念上，那只是像一个大雪球。

无论是有限还是无限，宇宙边界处是最终边境的最终边境，正如所有边境一样，这是一个分离的地方。宇宙的绝大部分地方由引力军令状管辖控制，但在宇宙边界处引力管不了。在宇宙边界处，引力场被固定住，因为边界将空间形状固定住，正如模子规定了一个黏土罐的形状。“时空在边界处不波动，”马罗夫说，“在效果上，时空被钉在边界上，因此没有动态引力。”因为引力在边界上并不运行，非定域性也不运行（至少不是引力那种类型的）。边界给出了一个绝对的参考点，于是任何刚好存在的餐厅和学生中心都有了客观定义的地点。物理量（如能量）将完全明确定义，无歧义。在边界上，你可以搭起测量装置取得读数。

尽管时空在边界上被钉得死死的，在其他地方却像往常一样松松垮垮。因此，宇宙有一个奇特的双重性格：一部分（边缘处）表现是定域的，另一部分（体内）是非定域的。于是宇宙的整体性——这个听起来几乎神秘的说法——变得很实在。边界上的定域性让你能在那里进行测量，“体”内的非定域性将边界上的测量与其他地方的测量连接起来。“那些人们先验地以为互相独立的物理量，其实是互相锁定的。”马罗夫解释道，“这样边界上可以有与体内类似的可观察的物理量。边界跟整个宇宙正在发生的一切一样，它是整个宇宙的一个镜像，一个非常完美的镜像，没有一点儿失真。边界上的观察者只需查看这一镜像就知道你在做什么（见图5-1）。”

图5-1 （宇宙的）边界和体（图片由珍·克里滕森提供）

宇宙可能有一个边界，如果真的有，那么边界上发生的物理过程可以再现空间体内发生的一切。

这一启示巩固了早年的教训，就是事情从来没有真正定域过。为空间强行安上一个边界把这件含混不清的事公开了。同一个东西可能一式两份，一份在体内，另一份在边界上。无论如何，它俩是同一个东西，待在两个地方，好像在海边你看到一个(鲸鱼)尾鳍和一个(鲸鱼)喷嘴同时冒出海平面，意识到它俩属于同一条鲸鱼。边界是体内的镜子，尽管它比体内占有较小的空间维度。如果维度那么好替代，如果空间维度可能来去自由而没有不良影响，那么空间不可能像人们以为的那么基本。

如果想一想这些奇特的暗示是从多么不起眼的起点发展而来的，你就会觉得特别惊讶。首先，物理学家简单地观察到小鸟能够安全地站在高压电线上，然后把它引申到引力，然后顺着这个逻辑继续往下走。存在于电磁场的规范不变性同样存在于引力场，暗示在我们对自然的描述中存在冗余：给定一种情形，可以用多对电势的值等价地描绘；引力场里多值对应同样的物体的相对安排。现在我们发现整个空间维度可能是冗余的。当空间有个边界时，整个宇宙可能坍缩于那个边界，好像整个宇宙体都是多余的。我们眼睁睁地看见空间正在土崩瓦解。

量子引力

让我们来盘点一下。为了解释自然之力如何在空间这个游乐场里运作，物理学家们设计了量子场论和广义相对论，但到头来发现对这个游乐场来说这些力过于调皮捣蛋。论证方法可以被称为逻辑学家所说的反证法[2]：给定一个假设，推导出它可能的效果或结论，指出结论荒谬，从而得出假设一定是错误的。当物理学家试着思考这些力在空间中（他们假设宇宙满足爱因斯坦的可分性原则，即空间中的单个地点有能力自主存在）时，他们发现自己赋予世界某些结构，而实际上这样的结构并不存在。粒子、像素、绝对电压、客观位置，这些是（非定域性）可分性暗示的事物，但在现实中并不存在[3]。理论和现实的冲突揭示可分性是不正确的，暗示物理学家需要跳出空间概念来思考。

这些非定域性暗示在大多数有实际意义的情形下是静音的，但当构造量子引力理论这样的物理学统一理论时不能被忽略。物理学家在20世纪早期就意识到，这类统一理论几乎肯定会伴随着空间的解体。粗略地讲，当你把关于原子的理论和关于空间的理论混合起来时，你希望得到的是空间的原子理论。“原子”在这个语境下的意思是尽可能小的空间块，理论物理学家起先把它想象成国际象棋棋盘上的小方格。这些占有一定空间的细胞满足“原子”这个词的原始含义。它们真的是不可分的。不存在什么比这样的原子更小的东西，不能在原子内部定义位置，正如你把一个棋子放在方格里的什么位置不加区别，棋子可以被放在方格9或方格10中，但没有方格。空间中的原子标志了还原程序的逻辑极限，而还原主义自古希腊以来一直是物理学的指导原则。

这样原子的最初提议与引力没一点儿关系，而是从长达1000年的世界到底是离散还是连续的争吵中发展而来的。正如芝诺很早以前认识到的，连续的世界有很多很多空间。如果你试着往这个空间中填满小点点一样的粒子，一个一个地数，则可能就没完没了，填进去无穷多个粒子之后，仍然发现连续统是空的。这样的结构看起来矫枉过正了。它允许物质的过多可能安排本来是不可能实现的。“连续统描述事情太充分了，有点儿不必要。”爱因斯坦在1916年写给朋友的信上说。这一不和谐在经典场论里表现得太糟糕，如我在第2章中提到的，然而正因为如此，物理学家转向量子力学。颇具讽刺意味的是，量子场论让事情变得更糟。量子场论预言，场会不由自主地在所有尺度上颤动，向连续统填满无限多的波，使得力完全失去控制。

为了恢复秩序，许多物理学家在20世纪30年代提出，场在低于某个阈值的尺度以下不振动。特别是海森堡，早在量子力学诞生的最早期，他就感觉到连续统到了亚原子尺度一定要崩溃。他提出空间像棋盘，他称之为“Gitterwelt”，即“格子世界”。然而，这个概念本身崩溃了。格子世界给予某些方向优于其他方向的特权。于是，移动的观察者看起来的场与静止的观察者所看到的不同，破坏了相对论所说的对称性。40年代末期，物理学家重新拥抱连续统，他们推理到，无限的量仅是一个指示迄今为止还没注意到的场在小尺度上登场的信号。通过对场的选择做些加工处理，他们可以绘制出关于电、磁和核力的内在一致的图像。

但引力是另一回事，小尺度上引力变得失控。20世纪70年代早期，理论物理学家认识到任何加工处理都不能把引力控制住。于是，连续统最终摔得粉碎。这件事在多小的尺度上开始失控。一般的估计被称为普朗克尺度，这个尺度不是一般地小，而是小得简直是在开玩笑。这个尺度相对于普通原子的尺度，就相当于你的身体的尺度相对于已知宇宙的尺度。任何人造仪器，比如显微镜或粒子加速器都不可能看见普朗克的精细的作品。然而，根据我们的确看见的事情可以推出，如果在这个尺度上空间不崩溃，经验验证过的理论将坍塌于一个不一致的堆。

那么小的尺度底下到底在发生什么？这仍然是个谜。也许空间不像棋盘，更像水彩画，一笔一画的水彩交融在一起，物体模模糊糊若隐若现，没有明显的网格线。这种结构在字面意义下违背定域性，因为它的意思就是你不能精确确定物体的位置。更重要的是，这是要么不做要么一气呵成的情形，你想为了保持它的行为一致，只改变空间的一个侧面，把它切成小块，而不改变其他？那是不可能的！未来的物理学大统一理论将描绘出一个神奇的亚原子世界，这个亚原子世界几乎不可能在人的有限能力范围内被理解。

在提议的几个量子引力理论中，所有你听到的关于量子粒子发生的古怪事在空间里都为真的。例如，粒子可以同时存在于两个或多个地方，就像薛定谔的又死又活的猫，空间可能同时有多个形状。如果空间可能改变形状，那么标定位置将是件相当难的事。现在空间根本没有形状，只是一团模模糊糊的可能性，位置变得不能确定，因果网络眼看着要土崩瓦解。弦论理论家根据亚微观空间内的能量圈的行为来推测亚微观空间的性质，认为尺寸和维度这样的概念在那里变得容易改变。当弦收缩变短时，它达到最小尺度后开始长大，就像一个气球，如果挤压一个地方，另一个地方开始膨胀起来，除了另一个地方在这里是空间的全新维度。“通常意义下的时空概念在弦理论中不再有效。”波尔钦斯基说。

简而言之，定域性这个词的每个意义全面失效。当然，这些鬼把戏在普朗克尺度或接近普朗克尺度的尺度下才会发生。如果你在大尺度上看，空间概念还凑合能用。数以万亿计占有一定空间的原子混杂在一起形成一个完整的广阔区域。这些原子彼此独立，所以定域性应该成立；空间中的每个部分应该能独立存在，或至少传统上那是一种智慧。

20世纪90年代新的一代理论物理学家，如弗提尼·马可波罗，认为上面的理由没有说服力。难道这一科学理论界最宏伟的冒险——物理学统一理论真的对整个世界是微不足道的？她和其他人不得不想我们关于时间的传统观念不仅在粒子深处被打破，而且在宏观、在跨越百万千米的广大空间中也被打破，甚至在可观察到的宇宙尺度上也被打破。“如果量子引力真的如我们想的那么基本，如果它关心的是时空结构本身，则说那种东西的独特性不得不被限制得非常小，这种说法对我来说并不那么显然。”马可波罗说。

她的观点有一定的道理。物质的原子也很小，但我们不得不正视它的存在：石墨可能变成钻石，更不用说和其他物种结合起来变成完全不同的化学物质。如果空间是由原子组成的，那么推理说这些原子可以重新安排自己构成什么非空间的东西，这样的推理是站得住脚的。这样的转换效应可能是极其重大的。

尽管物理学家常常把量子力学描绘成微观世界的理论，他们承认那是善意的谎言。也许量子力学理论初创期的先驱者是从微观世界思考的，但那可不代表他们现在也这么想。现在的人们可以看出，量子力学是关于世界的理论，就是这么回事。实验物理学家还没看出在哪个尺度范围内大自然不再表现为量子力学的。人体和电子一样，每个比特都是量子的。你虽然没有看见周围的人表演着危险的特技（比如同时存在又不存在），但那不是因为量子效应本身不够大，而是因为人体是一个开放系统，和周围环境发生着剧烈的相互作用，驱散了量子效应，正如微风吹散了蒲公英。如果条件成熟，你完全可能亲眼看见这种效应，无需任何辅助设备。［实验物理学家尚未能看出整个人体上的量子效应，但的确亲眼目睹了（例如）微型音叉同时振动和不振动。］对时空来说，同样如此。

回到黑洞

因为黑洞里搅动着的是不仅有量子效应，而且有强引力效应，它们是量子引力的范例。这里说的可不是微不足道的原子，而是可能吞噬整个太阳系的庞然大物。量子引力效应最明显的地方在黑洞中心，那里物质的密度非常非常大，以致紧紧压迫着维持原子空间结构的密度极限。但黑洞的边缘也表现出自己的问题，例如霍金发现的自相矛盾的行为，警示了定域性在大尺度上同在小尺度上一样正在全面崩溃。“在引力的故事里面，奇点真是个让人担忧的东西。”吉丁斯说，“但现在，因为信息有矛盾，在视界上一定得冒出什么有趣的事情。如果把注意力都放在奇点和短程问题上，那就有些聚焦错位了。存在长程问题。”

以上我所提到的各种类型的非定域性收敛于黑洞。例如，霍金悖论与物理学家最近才开始研究的量子纠缠有联系。广义相对论说黑洞不是一个像恒星或行星那样的物质实体。它的绝大部分是真空——一个什么都没有的坑。如果不幸的灵魂落入其中，则会发现那里空空如也。然而荒凉的外表掩盖了一种疯狂的活动。量子场论说真空中可能没有粒子，但并不是什么也没有，场仍在那里，只是被叫停。空间所有区域里的超纠缠保证了场的振动刚好互相抵消，仅仅留下令人不安的寂静无声，正如你戴着消噪声型耳机听到的那种安静——更多的是主动抑制出的安静而不是声音的缺失。

如果这个平衡中有什么东西被扔出来，真空里的潜在活动就会突然迸发出来公开化。的确，如果聪明人拼命挣扎不想掉进黑洞中，那将会发生这种事。相对于正掉进黑洞中的人，外面的人加快向黑洞外飞。比如，他得让他的火箭发动机减速，以抵抗黑洞的引力。根据相对论的逻辑，火箭里的人对时间流逝的感觉和不幸掉进黑洞里的人不一样，他对场的振动的感觉也会不一样，因为振动是时间的内部过程。事实上他（火箭里的人）不认为场的振动被抵消了。场没有被抑制住，粒子向各个方向飞舞，有的逃逸出去进入深空，让黑洞的能量流失，直到黑洞死亡殆尽。那个观察者已经摘下了他的消声耳机，听到了寂静另一边的喧嚣。

这还不是悖论，仅仅是霍金关于黑洞衰减论证的新的化身。问题是，那些掉进黑洞的物体命运到底如何？黑洞的“禅让”应该把它们解放出来了，但是怎么解放出来呢？也许它们藏身于那些向外逃逸的粒子上逃了出来。如果你收集好粒子，把它们拼在一起，你也许可以重组出黑洞吞噬的所有物体。那样的话，粒子们不得不彼此纠缠着，整体地保留坠入黑洞时的所有性质。但这就不妙了，我们坚持纠缠承担双重责任：维持真空为空，从坠入黑洞中的观察者的角度看真空为空，同时保留黑洞受难者的记忆。那么，对它的要求有点儿过多了。纠缠是有限资源，正如能量是有限资源一样，看起来不足够用来承担双重任务。要么黑洞其实不是真空，那么广义相对论就大错特错了；要么黑洞坠入过程是不可逆的，那么量子场论就完蛋了。理论物理学家想了很多办法挣脱这一困境，比如纠缠可以构造成刚好能够满足这两种需求。但如果不行，这一僵局要求新物理学（某种非定域效应存在）使得黑洞变成双向街道（可进可出）或抹掉黑洞内部和外部的分别。“意思是暴力摧毁定域性。”波尔钦斯基说。

另一个谜团是，黑洞怎么保存那些掉进去的物体，或保存那些它扯碎了的物体碎片，直到最后释放它们？黑洞一定要变大才放得下这些物体。你以为定域性使得黑洞应该变大到一定程度，但它并没有变大。想象你有一个老式行李箱，里面有10个小格子，每个格子中有一双袜子，然后你买了一个新行李袋，长宽高尺寸是原来的2倍，所以容积是原来的8倍。你希望新袋子有80个小格子，能装80双袜子。这里定域性的意思是每个小格子有相同的尺寸，新的大袋子只是给了你更多的小格子。大箱子的好处不仅是你可以装更多衣服，而且你可以容纳更加多样化的衣服。物理学家说箱子越大，熵越大。熵一般被称为描述“混乱程度”的物理量，但它也可以被认为描述潜在多样性的量，在本例中就是指你有多少种不同的打包方式，而不怕超重、拱出来或以别的方式改变箱子的外在形状。

照这么推理，黑洞半径增加1倍，其体积应该是原来的8倍，它的容积也应该按比例增加。但事实并非如此。当黑洞半径增加到原来的2倍时，它的质量也增加到原来的2倍，而它的熵增加到原来的4倍。黑洞的容积并不像根据定域性理论计算出来的那么大。就好像打开你的新的大箱子一看，只发现了40个小格子，每个小格子中只能装一只袜子而不是一双袜子，总共只能装20双袜子而不是80双，不像从商店里买来时承诺的那样。你感觉受骗了。

熵增加到4倍，意思是黑洞内部的复杂性并不是随其体积增加而增加，而是随其视界表面积的增加而增加。在效果上，增加黑洞的宽度和长度使其内部容积增加，但增加高度对增加容积没有贡献，似乎高度维度是幻觉，那东西“看起来”是三维的，但表现得是二维的。黑洞的这个怪事对其他任何东西来说同样如此，因为如果用足够大的力气捏，任何东西都可能变成黑洞。空间像鱼儿正拉动系着诱饵的绳，等待我们决定何时提竿。它看起来那么大，能承载很多东西。的确，难道空间不应该承载很多东西吗？但当你试着往空间里填满东西时，你发现很奇怪，你做不到。你开始感到奇怪，空间到底是不是在那里，还是什么人在开玩笑？就像一面镜子墙，把曼哈顿狭窄拥挤的工作室变得好像顶楼的豪华套房。

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黑洞的欺骗性是有边界宇宙中发生的事情的小尺度缩影。的确，空间的体可能坍塌于外在边界。这一洞察不仅把空间概念彻底打垮，而且告诉我们什么可能代替空间。

在技术上，边界和体是等价的，谁也不比谁优越。但许多物理学家认为这两者并不完全相同——边界更基本，而体是从边界导出的。这一论说被称为“全息原理”，因为边界的作用好像是一卷平面电影胶片，能够唤起三维景象，比如像信用卡后面闪光的银色小照片。全息照片有用，因为它是抓住景色深度信息精心绘制的照片。同样，空间边界上的景色设计得如此精心，以致它可以再现整个宇宙内发生的事情。

如果设一个大奖，奖给最容易让人迷惑的物理学隐喻，全息原理将是强劲的竞争者。公平地讲，它抓住了空间的维度看来将“噗”的一下幻灭的可能。而且全息图有一种神秘感，让你惊叹“哇”！那恰恰是物理学家们希望你看见空间维度消失时的感觉。不利的方面是，全息原理到底是什么意思？我们周围的宇宙怎么可能是全息投影出来的？投影仪是什么东西？关键是，我认为，不要纠缠于这个隐喻的细枝末节。问题的关键是我们观察到的空间可能仅仅是从某些底层结构生成出来的。当我们走过房间时，我们不是被动地滑过预先存在的展开。有些事情正在发生。大自然深处有机械设备在运转，有嘎吱作响的齿轮在工作，为我们生成出“在这里”或“在那里”的体验。当你伸出胳膊想抓住一支铅笔，但太远够不着，那么一定有东西在阻挠你，营造出一种看起来像距离的东西。如果我们问那个机械装置是什么，我们就来到了现代物理学前沿的最外层。“这一切是怎么发生的，第一眼看时非常模糊。”纽约雷曼学院理论物理学家丹尼尔·卡巴特说，“再看一眼，仍然十分模糊……物理学是定域的。我们在这个房间里说的是有意义的，或者物体在虽然不同但定义良好的位置。但很难理解那是如何从这个框架中涌现出来的。”

正如其他人一样，物理学家通过具体例子理解抽象概念。只有当胡安·马尔达西那把他的“AdS/CFT对偶”想法充实化后，全息原理才从仅仅的好奇中脱颖而出。“AdS”代表高维球的内部，有界宇宙的一种简单类型。“CFT”代表球的表面。“对偶”的意思是这两个王国是等价的。对边界进行测量，你就能搞清楚内部在发生什么事情。

想一想这什么意思。一个王国由引力统治（用爱因斯坦的广义相对论和他的量子阐述来描述），另一个王国仅仅由非引力的力统治（用量子场论加上规范不变性来描述），这两个王国是等价的。马尔达西那的分析因此达到了人们一直渴求的、将这两大物理学分支统一起来的愿望，至少对这种理想化的球形宇宙模型来说是这样。在历史上，物理学家曾企图通过进一步放大，走到更小的尺度，寻找结构的最基本的砖瓦，如原子和粒子，从而找到统一理论。用马尔达西那的方法，他们不需要去寻找更小尺度的东西，而是去另一个空间寻找那一东西。

我几乎不曾见过对马尔达西那和他的成就不恭敬的理论物理学家，尽管他们也许并不同意马尔达西那的理论结构和现实世界有什么关系。一个物理学家告诉我，他曾经让马尔达西那搭乘自己的车，现在想起感到很后怕。如果他开车出了事，那么没人会知道马尔达西那后来所做的成就。历史会把他记载为谋杀了马尔达西那的人。

应用全息原理，如果空间并没有早就等在那里，理论物理学家可能研究究竟哪一个物理过程可能生成空间。尽管平时谨慎的科学免责声明称更多研究仍需进行，但是一个探索神秘的非定域性的解决方案已经开始初见端倪。透过层层薄雾，这座大山的轮廓已隐约可见。

[1].原文是 loop，这里翻译为“环”，还可以译为“圈”或“回路”。——译注

[2].反证法，也译为归谬法，一种通过证明逻辑结论荒谬或矛盾，从而证明前提为虚假的证明方法。——译注

[3].作者在引论中谈到，爱因斯坦的定域性原则有两层含义，其中一个是“可分性”，另一个是“局域作用”。

第6章 时空的终结

哲学家杰娜恩·伊斯梅尔10岁的时候，她的父亲，一个在伊拉克出生的卡尔加里大学教授，从拍卖会上买来了一个大木柜。伊斯梅尔仔细翻看里面的东西，她发现了一个老式万花筒，被它迷住了。她花了好几个小时琢磨这个万花筒，弄明白了它是怎么工作的。她一边回忆一边说：“发现万花筒时我没告诉我的姐姐，因为怕她也想要它。”如果你往万花筒里仔细看，微微转动它，多姿多彩的形状开始“盛开”、旋转、合并，变幻莫测，看起来蔑视理性解释，几乎好像它们在彼此施加“幽灵般的超距作用”。但你越惊叹它的神奇，越觉得它们的运动是有规律的。你视野对面的形状变化总是步调一致，这种对称性给了你线索，到底发生了什么事？那些形状不是真实的物理实体，而是物理实体的影像——镜像管内摇动的玻璃碎片的影像。伊斯梅尔说：“有一个玻璃珠子，它在空间的不同部位反复出现，如果你注意看更大的镶嵌在内的空间，也就是三维万花筒的物理描述，你将得到更简单的因果规律。那里有一块玻璃，那块玻璃被镜子反射，等等，等等。”看懂了它到底是什么，这个万花筒就不再神秘了，虽然仍然很了不起。

几十年后，伊斯梅尔在准备一个量子物理的谈话时回想起了万花筒，于是就出去买了一个崭新的万花筒，那种装在天鹅绒盒子中、有闪闪发亮的铜管的万花筒。她意识到，那恰恰是物理学非定域性的一个比喻。也许纠缠实验，或已知空间中最遥远星系的粒子的奇怪行为，是因为它们其实只是属于完全不同的王国中物体的投影，或某种其他方式的再创造。伊斯梅尔说：“回到万花筒那个例子，我们知道必须看整体，必须看出影像空间是如何创造出来的，我们应该如何为量子效应构造一个类似于万花筒的比喻？意思是，把我们看到的空间，即我们在空间不同部位观察到的事件的日常空间，看作是一种涌现结构。也许当我们看两个部分时，我们看见的是同一个事件。我们在与位于空间不同部位的同一个物理实在发生交互作用。”

从德谟克利特起，几乎每一个物理学家和哲学家都认为空间是最深层的物理实在，但伊斯梅尔和其他人质疑这个假设。舞台剧的剧本描述了演员在台上应该做什么，但前提是舞台已经存在，而物理定律传统上都是假定空间已经存在。今天我们知道宇宙有比空间中的东西更多的东西。非定域现象腾空而起，不受地方局限，暗示存在一个比空间更深层的物理现实。在那里，距离概念不再可用，东西看起来相距甚远，但其实近在眼前，或者可能就是同一个东西在不同地方表现出来，像万花筒中同一个碎片有多个影像。当我们这样思考时，那些分别位于实验室工作台两侧的亚原子粒子，那些分别位于黑洞内外的亚原子粒子，以及处在宇宙两端遥遥相对的亚原子粒子，它们之间的鬼魅链接就显得不那么鬼魅了。波兰克拉科夫神学院的物理学家、哲学家和牧师迈克尔·海勒尔说：“如果你同意，在最基本的层面上物理学不是定域的，那么一切都是自然的，因为那两个粒子虽然彼此相距甚远，但却在同一个基本层面里游戏。对它们来说，时间和空间并不重要。”只有当你试图用“空间”这种概念想象这些现象时才不可思议，而你那样想是可以原谅的，因为人很难用别的方式思考。

往更深一层探索的想法看来是自然的，因为毕竟这是物理学家一直向往的。每当他们觉得我们世界的某些方面深不可测时，他们就假定自己一定还没有来到它的底层，于是他们继续钻下去，去寻找这些基本的构造单元。例如，液态水可以煮沸成水蒸气或冻结成冰，这是多么神秘！然而，如果液体、气体和固体不是基本物质，而是某一种更基本物质的不同形式，那么这种形态转化就完全有道理。亚里士多德把水的多种形态当成所谓的原始物质的多种化身，而有先见之明的原子论者认为它们（水的3种形态）是原子重新排列成更紧或更松结构的结果。物质的基本单元可以集体获得某种单个单元缺乏的性质。一个水分子不是湿的，一个碳原子不是活的，但很多水分子、很多碳原子共同以正确的方式组织起来后可以是湿的或活的。同理，空间可能是由某些构件构造出来，而单一构件本身并没有空间属性。这些构件也可能拆散和重新组装成非空间结构，如黑洞，或大爆炸暗示的那种非空间结构。理论物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德说：“时空概念不可能是最基本的，时空应该出自某些更基本的东西。”

这种思想完全逆转了物理学。非定域性不再是神秘的，事情本来就是这样，而定域性则变成了一个谜。当我们不再能把空间当成理所当然的时，我们就得解释空间到底是什么，它是如何生成的，不管是它自己还是它与时间合作。显然，构建空间不会像把分子融化成流体那样简单。空间的基本构件可能是什么呢？通常我们假定建筑的基本单元一定比建筑本身小。我的一个朋友和他的女儿曾用棒棒糖棍搭起了一个埃菲尔铁塔的详细模型，几乎不需要解释糖棍比铁塔小。但对一个空间来说，可能没有什么“更小”的概念，因为“大小”本身是一个空间概念。构建基本单元不能预先假定空间概念，如果要用构建单元解释空间的话，则它们必须既没有大小也没有位置属性，它们应该无所不在，跨越整个宇宙，而且没办法指出它们到底在哪儿。东西没有位置，那是什么意思？那它们到底在哪里？尼玛·阿卡尼-哈米德说：“当我们谈到涌现时空时，它一定来自某些我们远不熟悉的框架结构。”

在西方哲学里，超越空间的王国历来被认为是在物理学研究范围之外——在基督教神学层面里，那是上帝存在的平面。18世纪早期，莱布尼兹的“单子”（他想象的宇宙原始元素）像上帝一样，在空间和时间之外存在着。他的理论是朝向涌现时空迈出的一步，但它仍是形而上学的，与具体的现实世界只有非常模糊的联系。物理学家要想成功地解释空间如何涌现出来，他们必须将无空间概念引入自己的研究范围。

爱因斯坦预见了这些困难，他写道：“也许……我们也必须原则上放弃这个空间-时间连续统，人类凭自己的聪明才智总有一天会找到沿着这条路前进的办法，这并不是不可想象的。然而，目前这样的计划看起来就像试图在空的空间中呼吸一样。”著名引力学家约翰·惠勒猜测时空是建构在“前几何学”（pregeometry）大厦上的，但承认这只不过是个“关于一个想法的想法”。即使像阿卡尼-哈米德这样抑制不住冲动的年轻人也有疑虑：“这类问题很难，不能用我们的日常语言来谈论它们。”

让阿卡尼-哈米德保持前行的动力是，他和他的同事已经恰好找到了爱因斯坦说过的不得不用的方法——在空间缺失的前提下描述物理学，在真空中学会呼吸的方法。他已经把这些工作放到历史角度：“2000多年来，人们一直在问空间和时间的深刻本质，但都为时过早。今天我们终于来到了可以提出这个问题，并且可以希望能得到有意义解答的时代。”

现实的“胶水”

让我们试着不把空间存在当成理所当然，重新思考这是什么意思，以及没有空间的话我们怎么办。根据今天在高中阶段仍然在教的经典牛顿物理定律，物体的位置和速度完全表征了世界。这些物理量在某个瞬间的值反映了一切物体是怎样到达现在的状态的，以及决定了未来将做什么。你可以把世界看成一种巨大的鲁布·戈德堡机械装置。有人在废弃的仓库里搭建好这种装置，然后做成录像放在YouTube上分享：任何东西一旦设置好，你让它运动起来，其他的一切就确定了。如果你把原子安排成青蛙的形状，给它一个正确的速度，青蛙就活起来了，不需要电火花激发它。

经典物理说，由于事情彼此施加力的作用，如电磁力和引力，所以它们会要么慢下来，要么加速，要么偏离原来的轨道。力的强度决定于事情的相对位置，尤其是它们之间相距多远。这些事情之间过去曾经有或没有什么关系，那没有不同。它们也许曾经彼此有过摩擦，但一旦分开，它们之间的引力或斥力不会比相距同等距离的物体之间的力更强或更弱。空间是冷酷的平等主义者。当你和恋人分离时，你俩之间的物理联系并不比两块煤更紧密。

用这样的办法，空间的作用是自然世界的组织者——把宇宙粘接起来的胶水，正如英国物理学家朱利安·巴伯曾说的。物体并不是随便、胡乱地相互作用的，它们的行为是根据其相互关系规定的，而这些相互关系决定于给定时刻它们坐落在哪里。这种结构的角色在经典的力学运动定律中最容易看出来，在场论中也出现。场在空间中不同点的值和变化率完全决定了场做什么，而且场里的点只与它紧密相邻的点相互作用。

我不想给读者留下这样一个印象，即这些根据空间构造出的理论总是能够捕捉住现实世界，很显然它没有这个能力。在前面几章中，我曾提到过它们的局限性。例如，当离散的物体和连续的场相互混合起来时，不一致性就会出现，牛顿和爱因斯坦的运动定律都在所谓的奇点处失效，奇点处的速度或密度这样的物理量变成无穷大。然而尽管有这些例外，物理学家们总是把理论的基本元素放在空间中。即使在量子力学中，如果你把纠缠的神秘性放在一边，系统内部的相互作用仍然受空间安排的局限。

但我们可以把这个推理反过来。物理学家和哲学家可以根据自然界有某种特定结构这一事实定义空间。所以，你不应该说空间为这个世界带来了秩序，而应该说世界是有秩序的，引入空间概念便于我们描述这个有秩序的世界。我们观察到事情以某种方式相互影响，我们由此为它们赋予空间的位置。这个结构有两个重要侧面，首先它们对我们施加的影响是分层次的。有些东西对我们的影响比其他东西更强烈些，这一微妙变化可使我们推知它们的距离，影响弱意味着遥远、影响强意味着邻近。哲学家戴维·阿尔伯特将这种距离定义称为“交互式距离”。“意思是狮子离我近就是它可能伤害我。”他说。这与我们通常的思维方式相反。通常我们会大叫：“啊哦，狮子可能扑过来，我猜它一定很近了。”而不是喊着：“当心，狮子很近，可能会扑过来！”

空间结构的第二个侧面是，各个方向的影响是一致的。如果犀牛也能伤害我，那么它一定也很近。如果狮子和犀牛可能伤害我，那么狮子和犀牛可能彼此伤害。（的确，我能活下来多亏这个原因。）从这些影响的规律性中，我们抽取出空间。如果捕食者构成的威胁不能用空间距离来表达，空间就不再有意义。另一个不那么可怕的例子是三角测量。你手机信号的条形图代表手机与手机信号发射塔的连接强度，因此表示你相对于那个塔的距离。在紧急情况下，通信公司可以通过测量你的手机相对于几个发射塔的信号，然后用三角测量法或有关的三边测量技术来定位你的手机。这种测量收敛于一个位置，这一事实的意思就是你有一个位置。

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这样用结构的术语定义空间的好处是，它回避了长期存在的关于空间本质的争议。古代原子论者想象空间有其自身存在的道理，而亚里士多德认为空间是一种抽象，它描绘了宇宙里的东西如何组织在一起。但不管怎样，空间反映了自然界拥有一个结构。如果原子论者是对的，空间有独立存在的意义，那么空间一定是高度有序的，正如一块编织得很好的布料，这样它才有能力满足物理学家提出的多种要求，实现那些功能。如果空间仅是一个抽象，那么宇宙里的东西一定要恰好吻合在一起，才能让这个抽象有意义。

表面看起来，我们优先考虑秩序并没有得到任何好处；我们只是把神秘的东西交换掉，而换来另一个神秘的东西，因为现在我们不得不解释秩序。圆周理论物理研究所的理论物理学家李·施莫林把这个称作“逆问题”。但对一个人是问题，对另一个人是机会，因为我们现在可以想象，如果宇宙不是有秩序的，那么宇宙到底长什么样？那也许就不需要空间了。我们就不需要把空间想成必不可少的，我们可以认为空间是宇宙的一种可能的状态，正如冰是水的一种可能的状态。事实上，冰是个不坏的类比。因为固态水可能的条件区间要比气态水狭窄些。同样，空间可能是例外，而不是常态。大多数提议的物理学统一理论暗示，绝大多数宇宙的可能状态是非空间的。不列颠哥伦比亚大学的弦论理论家摩西·罗扎利说：“时空存在的地方是非常不普遍的，它需要某些特殊条件。”透过有序和无序、有空间和无空间的朦胧暮色，也许我们能够为非定域现象这个物理学家百思不得其解的现象，找到一个易于理解的解释。

时间也是这样。我一直集中讨论空间，因为大多数研究者讨论空间；而非定域性对时间的影响更不明朗。施莫林和哲学家莫德林最近写了一本书，说明时间不是涌现出来的。对于这个问题，我将回过来讨论。无论时间的基础地位是什么，它在宇宙中起到一个强有力的组织者的角色，而且空间也是如此。这个结构有两个侧面，首先它是层级结构的。事件可能近距离相关，远距离相关，或无关。它们遵循物理定律，按照逻辑顺序依次发生，一个事件紧跟着另一个事件。例如，一个经典心理学测试让你看一系列图片，你必须把它们组织起来讲个故事。那些图片里有：一条狗正甩干自己，这条狗掉进水坑，狗踩到皮带上滑倒。如果将顺序打乱，这些场景将编成一个超现实故事；但如果重新排列顺序，那么任何曾经养过宠物狗的人都知道这一幕场景。即使非线性小说《第五号屠宰场》或根据这篇小说改编的电影《云图》也有时间上的逻辑。

莱布尼兹临终之前写的最后几篇文章中的一篇把这一思想颠倒过来。他说，时间并不是事件有结构的原因，而是事件有结构的结果。你可以从因果顺序导出时间。如果事件A引起事件B发生，那么事件A一定发生在事件B之前，中间有多少步骤决定了事件A和事件B之间的时间长短。爱因斯坦的相对论暗示莱布尼兹找到了一些有价值的东西，因为他把因果关系放到物理学的中心地位。仅当光有足够时间从事件A旅行到事件B时，事件A可以引起事件B发生。事实上，你可以为整个世界标记出因果关系网，只要你知道什么事件一定会引起什么事件发生，你就可以使一切各就各位。

几个物理学家根据这个想法开发出了一个称为“因果集”的时空模型。在技术上，关系的网络的确留下了一些歧义：它只是告诉你某个事件发生在另一个事件之前，但没有告诉你发生在多早以前；它并没有给出尺度。但因果集理论家争辩说，如果空间和时间建造于离散单元，正如前一章中谈到的空间的原子，那么它们就已经有了一个天然的尺度。于是，距离就可以根据这些原子的个数决定。

对我们来说，重要的是要想用因果关系网重构空间和时间，那么它必须高度有序。因果集的一位先驱人物费伊·窦克尔说：“几乎所有的因果集都长得一点儿也不像时空。”打一个比方，在上面提到的心理学测试中，不能随便找出一些图片给你，指望你编排出故事；它们必须是衔接在一起的场景图片。当那些场景的确有一个顺序的时候，时间就是每个场景顺序出场的标签。

时序结构除了能创造事件顺序或层级结构以外，还能保证不同过程的相互一致性。具体来讲，假设你忘了曾经听说过时间。环顾四周，你发现了一些有用的东西，比如钟表，它在烤面包和锻炼时很好用。如果你将家里所有的钟表调成一致，你可以指望它们保持同步，至少近似保持同步，因为所有钟表显示同样的数字。你把那些数字称为“时间”。我们很少停下来想一想这个规律是多么了不起。为什么厨房定时器能告诉你面包何时发酵好了？为什么大本钟[1]和地球自转是同步的？它们是完全不同的系统啊！一个是电子振荡器，另一个是酵母发酵；一个是钟表摆动，另一个是巨大的转动的球体。然而，它们按照同样的鼓点向前行进。

巴伯说这些系统因为是互相交错连锁的，所以可以跟踪彼此的运动，好像它们是更大的钟表系统的齿轮一样。按照这个推理，时间并非在宇宙诞生之前就存在从而保证它内部的一致性，而是从内部产生的。莱布尼兹观点的提倡者马赫曾写道：“世界上的所有事情都存在普遍联系，并相互依存……时间是一个抽象概念，我们通过事物发生变化而得到时间这个抽象概念；我们并不局限于用一种确定的办法测量时间，万事万物普遍联系……通过观察到事物的相互依存，我们得到时间概念。通过这些概念，事物之间最深刻、最普遍的联系得以表达。”正如空间一样，时间是从自然的一种和谐中抽取出它的意义的。

当空间不是那个“地方”时

你完全能够意识到时间的强大组织能力，而无需看见部件转动、环环紧扣的复杂系统。考虑一下国家地理。你可以把城市想成躺在地图上的东西，或可以用一个里程图来表示城市之间的空间关系，就像写在纸上的路线图和地图集（那种标出每对城市之间距离的方形或三角形网格的图）。有趣的是那种图含有隐含的重复模式，正如拼图游戏里的小片片，倒出盒子时看起来毫不相关，但可以严丝合缝地拼起来。

假设有20个城市，路线图就含有400个数。为了填充数，制图公司（例如AAA）需要雇佣驾驶员从一个城市开车到另一个城市，记下里程数，或读取GPS读数。就含有的真正信息量而言，这个图中有很多冗余信息。距离遵守数学家称为“距离公理”的特别规则。首先，20个数沿对角线都是“0”，城市与自己的距离为零；其他数中一半是多余的，因为距离是对称的：从达拉斯开车到盐湖城的距离与从盐湖城开到达拉斯基本上是一样的。的确，大多数制图公司不印出冗余信息，而只印出一个三角形数表，如图6-1所示。

即使上面三角形数表中的190个数字也不完全是彼此独立的，因为你可以把它们归结为60个数，分别代表每个城市的坐标（纬度、经度和海拔）以及附加值地球半径。当城市间距离足够远，需要考虑地球表面的弯曲时，需要知道地球半径的值。最后，你可以再省略掉几个数，因为坐标系的一些约定（例如将本初子午线当成经度为零的经线）对于行驶距离来讲没有关系。这又省掉6个数，现在我们只剩下55个数了。刚开始的那400个数只是这55个数的数学表达式的各种组合。仅仅看那张图，这点还不那么明显，但你知道这一定是真的，因为你可以把这个过程逆过来。你可以从城市坐标开始，在地图上标出它们的位置，然后用三角学来算出城市之间的距离。

图6-1 城市之间的里程数和旅行时间图（AAA公司授权使用）

因此，这个图是高度有序的。这就是“城市坐落在空间中”的意思。空间坐标的方法高效经济地捕捉住了事物间可能的相互关系。在上面的例子中，我们有20个城市、400个城市间的距离，最后简约成为55个唯一的数字。事物越多，省略程度越大，令人震惊。对于100个城市，这个图中将有10 000个距离，可简化成295个数字。可以将全世界所有城市或所有具有地理特征的地方简明地标注在一张地图上，而原始距离数据将消耗掉整个硬盘空间。巴伯说：“这就是空间，超大规模数据压缩。”看看图6-2吧。

数据压缩得那么厉害，原因就是定域性。定域性的意思是整体是空间划分的部分之和，在地图那个语境下，意思是每一次长途跋涉可以划分为一系列更小的步骤。长途距离可以由略短的中等距离构造出来，所以你不需要说明每对以及所有对的方向。例如，如果上面的旅行图告诉你从达拉斯到丹佛1450千米，从丹佛到盐湖城为800千米，那么你自然能推出从达拉斯到盐湖城大约为2250千米。

假设不是这样的，即假设图中的数据不是高度有序的，如果我在图中填充400个随机数，然后请你在地图上标示出它们的地点，你几乎肯定会失败。例如，旅行图告诉你从达拉斯到丹佛的距离是1450千米，从丹佛到盐湖城为800千米，而从达拉斯到盐湖城为1290千米。那可不太对头，对不？这些数字将盐湖城放在两个地方，取决于你是从达拉斯直接去盐湖城还是途径丹佛去盐湖城。这情形就像4月1日的愚人节，朋友把本来属于不同盒子的拼图游戏混起来交给你，让你去拼。你忙了半天想把它拼起来，最后恍然大悟，你那所谓的朋友在跟你玩恶作剧。

在这样的情形下，位置变得毫无意义，空间变得毫无意义。那么，这就不是什么描述地方之间的关系的有用方法。但这意思并不是说城市之间的相对安排是不可理解的。即使你没办法把城市标注在地图上，你也完全可以退回到全里程表。换句话说，你可以使用哲学家称为“无中间距离”的距离，那些直接连接每对城市、不能进一步简化成一系列更短距离的距离。这并不全是假想情形。第一次在波士顿开车的时候，我必须学会不相信自己的空间感，因为它总是让我迷路。那里有像迷宫一样的单行线和像变形虫一样的“广场”，你经常不得不为了向东走而先向西，或为了向右转而保持在左行车道上。这让你没办法对那些地方有俯瞰视角，你只能像个机器人一样跟着指示去哪里及从哪里转向。对一个开车的人来讲，波士顿是一个非空间城市。

图6-2 1939年美国城市里程图（AAA公司授权使用）

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真的一点儿也不奇怪，这种关系网可能冲破空间，毕竟人际关系就是这样。我们的社交生活太错综复杂，简直没办法画到空间图上。并不是人们没有尝试过，家谱将遗传和夫妻关系翻译成空间的紧密程度，社交网络也做了类似尝试。比如，Wolfram Alpha网站将你脸书（Facebook）上的朋友网络画成图谱，用小点代表你的朋友，用线表示彼此有过朋友关系，如图6-3所示。图上的距离代表亲密程度，亲密程度用人们共享朋友的个数来定义。一般来说，你所有的朋友会聚集成一群一群的小圈子：家庭群、同学群、同事群、终极飞盘队友群、Radiohead摇滚乐队迷群，等等。如果这些人去同一个晚会，他们可能一组一组地簇拥在不同角落里，人与人之间的模拟距离被翻译成了真的实际距离。

我刚开始生成自己的脸书社交图谱时，注意到在物理朋友圈和音乐朋友圈之外游离着一个链接。那是一位曾经跟我共过事的理论物理学家，他与我一样对古巴音乐和舞蹈有着共同的激情。玩这种图谱的乐趣一半是意外地找到故交，但的确也暴露了用空间进行类比的局限性。没有始终如一的办法为那个理论物理学家在我的脸书图谱上找到合适的位置。正如上面盐湖城的例子，盐湖城占据了两个位置，对应于两个社交圈。当你考虑所有被这些图遗弃的社交联系时，不禁会觉得脸书图谱有时很失败。两个脸书“朋友”也许从来没有见过面或交谈过，然而脸书图谱却把他们联系起来，好像他俩是一辈子的好朋友。一个人可能对另一个有过暗恋，他们俩之间仍旧有一条线。为了捕捉这种其他维度的人际关系，你可以把家谱装饰成五彩的符号：粗线条代表有紧密的联系，锯齿形线条代表关系不是很好，等等。这种图被称为家系图，很受心理学家和社会工作者的欢迎。这些符号补偿了空间比拟的缺欠。

图6-3 脸书朋友网络（Wolfram Alpha公司授权使用，2014）

在有些情况下，人们会把自己组织成让自己的社交网络变得非常精简，这种情形让我们看到空间也可能是如何从无空间状态涌现出来的。一个以前从没存在过的结构可能形成，有两种办法：一个是通过逐渐添加构造出来的，另一个是通过逐渐简化削减出来的。人们也许是从完全独立的个体开始相互作用，正如你的奶奶终于上了脸书，把自己所有的朋友都登记上。他们也可能从现在乱七八糟的关系网开始逐渐修剪厘清这些关系，就像交际花把所有见过的人当成她的朋友，但发现自己有一半的人都不认识，需要做一次朋友剔除。

再比如在军队里是限制跨级别社交的，认为过分熟悉的人之间可能滋生互不服气。结果，级别之间的不同类比在空间上隔开距离，如一个陆军二等兵与陆军上校之间有距离，这和达拉斯与盐湖城之间有距离是一样的。信息沿着指挥链流上流下，正如一个人开车从达拉斯到盐湖城必经过中间的点。因为这种结构，军队级别的层级图是军队社交关系网络相当好的表示。

军队的结构是由军队纪律规定的，但在其他情形下，这些秩序是从内部自发产生的。经典的例子是市场经济。说起“那个经济”，我们总是好像在说一个有意识的、独立存在的东西，而不是在说好几百万人在用他们的钱做草率决定。某种程度上的确是这样的，因为集体的组织结果超越了创造这些组织的个人。孤独的一个人不需要往东西上贴标签，因为没有人买或卖他的东西。当许多人在一起开始交易时，价格才变得重要。由于讨价还价技巧不同，价格因人而异，因地方而异。一些有勇气的企业家利用这些价格变化低价买入，高价卖出。其结果是，那些人帮助市场均衡了供应，因此调节了物价。

这类自组织在物理学里一直在发生。例如，一个水分子没有温度，但当很多水分子相互碰撞交换能量时，温度才变得有意义。如果你将冷水和热水混合，冷水变热，热水变冷，温度趋同。在抵达平衡点之前，水有两个温度；而抵达平衡点之后，水只有一个温度。从复杂变成简单，当然复杂性潜伏了起来。每当温度上下波动或水面翻滚（例如茶壶里的水沸腾）时，你可以看出复杂性冒出来了。物理学经常把这种标准行为的偏差当成一个窗口，窥视物质的微观组成。

空间也是这样，自然的基本构造单元也许能对付一团纠结复杂的关系，足以填满名人八卦的小报。通过某种组织机制，或简单均衡一下，这些关系被固化，于是可以被放在空间的网格里，或规定它只能用严格的规定好的方式相互作用。一组复杂得令人难以置信的互动关系网络可以大大简化成我们称为“位置”和“时间”的几个数，然而底层的复杂性一直在那里。对于黑洞情形，系统可能变得非常无序，以致事件变得不再有位置或时间。即使整个系统是空间的，它仍然潜在非常巨大的复杂性。我们眼睛能看到的在空间中玩耍的宇宙也许仅在表层，我们在大海的一叶扁舟上飘荡，而海底搅动着庞然大物。

互联成网生成空间

将空间看作网络，这个概念可以上溯到20世纪60年代，是富于创新的理论家约翰·惠勒、戴维·玻姆、罗杰·彭罗斯和大卫·芬克尔斯坦等集体智慧的结晶。比如，惠勒曾想象存在一种最原始的物质颗粒（“灰尘”或“环”），它们不存在于空间而只是存在，然后把它们串联起来，形成空间。物理学家们一直努力让这个想法能够工作，已经想了几十年。今天最强劲的竞争者是弗蒂尼·马可波罗，她把串联在一起的过程画成一幅图，类似脸书社交图谱。她和她的同事把这种方法戏称为“量子重力图论”（Quantum Graphity）[2]。这太娇媚了，是不是？但为物理学术语注入一点儿幽默感一定是件好事情。

量子重力图论并没有明确指出“惠勒颗粒”到底是什么，那是“圈量子引力”或“弦论”那种完整版量子引力理论应该做的事。量子重力图论是一个微缩理论，它将自己的侧重点局限于研究有了这些“颗粒”后能构建什么。的确，马可波罗及其同事的“哲学”是，具体的组成应该没有关系；组织原则应该是普适的。毕竟，物理学家发现复杂系统虽然多种多样，却是由相似的规则控制的，从地震到经济生态系统都是如此。量子重力图论的缺点是，它只有一个骨架子，面临如何与已有物理学吻合的问题。德国科隆大学的克劳斯·基弗说：“弗蒂尼想直接跳进去，但这太野心勃勃和危险了，因为你和现有理论没有联系。”

基本颗粒之间的联系再简单不过了。两个颗粒要么彼此有联系要么没有，正如两个脸书用户要么是朋友要么不是——关系只有“开”和“关”两种。网络连接的结果像一个手工钉子绕线画，就是把钉子钉进一块木板中，然后用线缠绕在其中的某些钉子上。尽管结构很简单，但结果却有无穷多种变化。

为了把生命注入网络——给它转换和进化的能力，马可波罗和她的同事提议链接的开关决定于可用的能量。这个过程是为了某个目的而特设的，而且重申一下，目标不是构建严谨的理论，而是要侦察一下如何构建空间。每个链接代表一定量的能量。链接起来的联系比孤立的联系要少一些，于是网络的总能量不仅决定于链接的绝对个数，而且决定于它们如何组织在一起工作。这个图案越复杂，内含的能量越多。

完全互联的网络能量最大，每个能量颗粒与其他能量颗粒互联，如图6-4所示。在这种网络中，定域性原则不再成立；从任一颗粒到另一颗粒都是一个跳跃就能抵达，无需路经任何中间点。网络没有层级的关系（近和远，小和大），也没有区别，层级关系是空间的特征。不能进一步划分成更小的部分，它是不可分割的整体。“这种东西没有定域性的概念……”马可波罗解释过，“只要你伸出手，就能够着宇宙里所有的人。”

图6-4 空间的量子重力图论模型（图片由弗提尼·马克波罗提供）

在高能网络（左）中，每个点都与其他点互联。在低能网络（右）里，每个点仅与少数几个点互联，那就是空间结构里它的近邻。

如果你问高能网络为什么不是空间的，试试为某个颗粒赋予一个位置？每一个颗粒必须是彼此等距的（只有跳跃一次的距离）。对于前3个颗粒，没有问题，把它们安排成一个等边三角形。4个颗粒可以排列成一个金字塔。但第五个怎么办？没有地方让第五个颗粒和前4个等距离，至少在普通的三维空间中没有。你需要一个四维空间中的金字塔。事实上，每增加一个颗粒需要一个全新维度的空间。不久，你就进入了可视范围之外的超高维王国，那里绝大多数地方都是浪费的。网络从任何角度看都只是一个跳跃，并给人一种揉成一团的蜘蛛网的印象。于是，尽管你也许还在说网络存在于空间，但那不再是我们想要的那个三维的、从任何方向看都望不到边、为物体之间的相对关系提供了一个经济实惠的描绘的空间。

低能网络模式是另一回事，这正是我们想要的。每个颗粒只与少数几个其他颗粒相连，形成一个有规则的蜂窝状或针织布料那样的网格。距离的概念重新获得了意义：有的颗粒相距近一些，其他相距甚远。网络很美好，有很多空间。这时定域性成立：为了让影响从一个地方传到另一个地方，不能直接跳过去，必须设法循着一条路绕过网络空间。信号的传递需要时间，这就解释了为什么物体穿过空间的速度不能超过光速。

简而言之，无空间状态和有空间状态只是同一颗粒网络的两个不同的阶段。从一个状态可以变成另一个状态，一个皱巴巴的纸团可以展开成一张扁平的纸。理论物理学家曾提出几个可能的方案。空间的重塑可能是一个时间过程。网络一开始烧得滚烫滚烫，咝咝作响——高度互联，含有大量能量。然后它冷却下来开始结晶，像一盘子水冻成冰，随着链接冰消瓦解形成一个整齐的排列。关键是要解释冷却过程。事物并不能自己冷却下来，必须有什么东西把热量释放出去。“能量都到哪儿去了？”马可波罗很奇怪，“你需要一个冰箱，需要让宇宙冷却下来。”她和她的同事猜想，能量可能跑去创造物质了。原始颗粒可能结合起来变成基本粒子，这样物质才能同空间一起涌现出来。

另一种可能，转移也许不是一个在时间上展开的过程，而是一个从量子层面上形成的结构化过程。网络可能同时存在于多个状态，一种称为“叠加态”的不稳定状态，尽管这种状态大多数是非空间的，但它们可以融合在一起变成空间的。最好的空间叠加的解释称为“因果动力三角论”（Causal Dynamical Triangulations，CDT）。这个名字有点儿笨拙，是不是？它的发明者证明非空间几何彼此中和，只要事件是高度有序的，就能明确区别出从外向内构建出的因果。效应可以用群体智慧来类比，没有人有正确的答案，然而将所有人的猜测汇总在一起，的确能得到正确答案。经典例子是果冻豆实验：如果你问一组人果冻罐里有多少果冻，所有人估计出来的数的平均值应该比任何一个人估计的要好。这组人的集体智慧超过每个人的智慧。

为了钻研一下叠加怎么工作，让我们来重新看看薛定谔的那只臭名昭著的猫的场景，并向前走一步。在原始场景下，实验学家把毛茸茸的猫放进同时既死又活的未定状态。两个熟悉状态（生和死）的聚合导致了一个不熟悉的状态（这只猫的存在模棱两可）。对大多数人来说，这够古怪了，但这好多了，因为反之亦然，两个不熟悉的状态的聚合也可以导致熟悉的状态。这里的意思是一只毫无疑问活着的猫也处于叠加态——一种类似“有点儿像活着又有点儿像死”的奇异状态叠加起来的状态。那“有点儿像死的状态”被抵消掉了，剩下的就是一个完全活着的哺乳动物。正如在果冻豆实验里各个人的错误彼此抵消。换句话说，即使是一只普通的猫，也是一包矛盾统一体（有宠物猫的主人不应该奇怪）。

尽管这听起来有些古怪，但这就是量子力学的真实力量所在。正常生活大多是一些稀奇古怪的过程叠加的结果，它们的古怪侧面相互抵消。例如，为什么光以直线传播？如果你处在量子层面，光实际上同时在所有可能方向上传播，但曲折的路径彼此抵消了，只剩下直线。空间也许也是这样。我们居住的普通空间也许是许多非空间网络叠加的结果，一个非空间性抵消了另一个非空间性。

在矩阵内部

弦论学家找到了一个类似于马可波罗量子重力图论的想法。20世纪90年代，他们率先提出“矩阵模型”，这样命名是因为方程组是基于类似里程图表里的数字的网格或矩阵的。数学意义下的“矩阵”与电影《黑客帝国》里的“矩阵”没有关系，然而它们基于一种出奇相似的预设：我们所体验的世界是更深层面的现实生成出来的一种模拟，著名的矩阵模型是由4位理论家汤姆·班克斯、威利·菲施勒、史提夫·申科和伦纳德·斯坎德提出的。像量子重力图论一样，他们的模型假设宇宙是一个原始物质颗粒互联的摇篮。在恰当的条件下，多余的联系破裂，原始颗粒卡入一种有规则的空间网络。斯坦福大学物理教授斯坎德说：“从一盒还没有组装起来的补锅匠玩具零件开始，摇晃玩具盒子，涌现出来一种格子或某种结构。”

弦论早已不再是“弦”论了。它的假定早已不是一维的“弦”，而且是二维的“膜”和高维的类似膜的东西，理论物理学家称它们为1-膜、2-膜、3-膜、4-膜，等等。有些膜用D表示，其作用是弦的端点。在这个啄食顺序的底部，是卑微的D0-膜。D0-膜是一种粒子，一种真正的几何点，没有大小或任何其他空间属性。D0-膜是理想的空间基本构造单元。有了这个直觉，理论物理学家计算出D0-膜有合适的性质，可以用来当成引力子。引力子是几十年来人们假定存在的，可以传递万有引力的粒子。

矩阵模型把这种D0-膜当成最基本的粒子，宇宙完全是由许许多多这种D0-膜构造出来的。每个粒子都可以和其他粒子相互作用，而且它们的相互作用不是简单的开和关，而且在强度和质量上可变。注入的能量越多，一对粒子之间的纽带就会变得越紧密。以同样名字命名的数字矩阵为这一相互作用的网络定量化。例如，如果你读出第8行、第12列的数字，那个数字会告诉你第8个粒子和第12个粒子之间的纽带有多强。如果你除了需要原强度，而且需要链接质量，则你需要其他类似的矩阵。

每个矩阵是一个方阵，从左上角到右下角的对角线上的数字是一组特殊数字，例如第8行和第8列、第12行和第12列交叉处的那个数字，这个数字告诉你每个粒子与自身作用的强度。粒子是亚原子层面的“自恋狂”，就像某些脸书用户总是“like”自己的帖子。这种相互作用有一种无忧无虑、毫无拘束的性质，它们可以自由跳上跳下调整强度而无需注入能量。

量子重力图论的工作过程有一点儿为了目的而特别设计，而控制D0-膜的物理定律是由于考虑到对称性。这种模型的组织原则是方程组的数学平衡。对称性保证了矩阵非对角线的值被直接映射到对角线上的值。换句话说，膜与膜的相互作用取决于它们的自我相互作用。那些自我相互作用达到相当高程度的粒子铸造了一个纽带，而拥有不同级别的自我相互作用的粒子彼此拉开距离。简而言之，同类相吸，物以类聚。其后果是，膜聚集成一个一个的群，正如脸书网络社交圈里的群一样。这些群构成了物理学里通常的亚原子粒子。每个群可以用几个数字简约地描述，也就是说明它们的成员自相互作用的强度和质量。

就这样空间从矩阵模型中逐渐出现。D0-膜并不“住”在空间内，也不在空间内移动。在数学上，它们彼此紧贴在一个点上。但因为它们对自己的相互作用有高度选择性，于是产生出我们住在空间中的体验。我们所说的“位置”其实只是给定群的唯一标识的一组数。正如把你的朋友归档分类入“物理爱好者群”“Radiohead摇滚乐迷群”或“古巴舞蹈群”。

这只是开始。你可以把我们所有熟悉的空间概念——运动、大小、定域性——用膜动力学术语来解释。运动：由于D0-膜的自我相互作用的不同而产生的事物位置变化。正如说古巴舞蹈者忽然全体都对多米尼加音乐感起兴趣来。他们全体出动，激情“运动”到新的兴趣。这种运动听起来是隐喻的，但在矩阵模型中它是物理运动的起源。

大小（尺寸）：一个物体的膜的自相互作用并不完全相等，而是有略微的扩展，于是物体展开成一个位置区间。

定域性：不同位置的群是彼此独立的，由于它们自相互作用的强度不同，这样根据对称性的逻辑抑制了不同群的相互作用。这就如同说古巴舞蹈群和Radiohead摇滚乐迷群彼此之间永远没有什么好说的。

斯坎德解释道：“分开”的东西并不真的分开，只是那些连接它们的东西被抵消了。

如果“膜”做的一切就是再生空间，那么我们会感谢不已，但会觉得无趣。我们的目标是超越空间。膜可以超越空间。它们可以表现的方式非常复杂，其复杂性不可能用一组空间坐标表达出来。例如，群之间的相互作用从来没有被完全抑制掉，因为量子效应总是能把它们拉回来重新激活。因此，空间中相互隔开的群并不完全彼此独立，它们总是不时地感觉到其他群的轻微拖拉。矩阵模型就是这样解释引力的。在一定意义下，这一模型唤起了牛顿对引力的想象，认为引力是从一个事物跳到另一个事物的非定域的力。产生它的相互作用并不通过空间传递下去，而是直接的、无中间过程的、非定域的连接。

另一种远离空间概念发生在群的内部。群内部发生着剧烈的动态相互作用，每个膜和其他膜都有相互作用。那些膜的自相互作用彼此搅和在一起，代表这些相互作用的矩阵值失去了空间坐标的性质。通常坐标是彼此互相独立的数，一个城市的纬度和经度可以独立地测量。但你不可能为群里的膜做独立测量。如果你先测量膜的纬度，然后测经度，那么可能与先测量经度而后测纬度得到不同的测量结果。这种顺序效应在数学上称为“不可交换性”。在效果上，粒子看来位于两个不同的地方，正如前面提到过的盐湖城的例子。芝加哥大学弦论物理学家伊梅尔·马蒂尼克说：“比如说‘x’方向的位置和‘y’方向的位置不能同时被测量，一组离散的粒子的行为一定不是这样的，我们期望粒子应该能在所有空间维度中准确定位。”多义性的程度可以当作系统非定域和非空间程度的度量。

的确，群并不真的有一个“内部”，D0-膜并不真的占有一块空间从而有地方活动。而且可以说甚至D0-膜都没有了，因为它们把自己的个性特征缴械投降给集体了，变成集体的一部分了。如果从外部去看群，你看见的并不是一个有形的东西的外表面，而是空间的终点。如果你伸手戳进群，那么你不会进入群内部，因为群没有内部。相反，你的手也会被群吸收（这可不好）。如果你很明智，不去摸那个群，而是将粒子投掷进群，那么你会发现群的容量取决于它的面积而不是内部的体积。再说一遍，原因很简单，它其实并没有“内部体积”。空间在这个层面上没有意义。

全息的现实

矩阵模型的确有些奇特，但它们建立起一个明显的原则：一群遵守量子物理学定律的粒子可以将自己组织起来，它们发誓将住在空间中并在空间中移动，即使系统的原始设计中并没有空间。看来这个原则是非常普遍的。并不只存在于一群D0-膜，而且几乎所有量子系统都含有折叠在内部的空间维度，正如立体书里的小人一样。这种系统大多数并不是如矩阵模型那样从十足的无空间状态引导生成出空间，而是从一种低维空间开始启动生成出更高维的空间。

前一章提到过的AdS/CFT对偶就是这样的系统，它从三维空间开始生成一个九维空间。弦论理论家之所以这么喜欢这个AdS/CFT对偶是因为它简洁地解释了全息原理，全息原理的想法是定域性原则使你不禁想宇宙一定非常复杂，其实宇宙完全不必要这么复杂，完全可以大大简化。如果你想象空间中的一个维度仅仅是幻觉，那么复杂度将大大减少。在AdS/CFT对偶情形下，那是因为所涉及的维度是幻觉。它可以像手风琴一样“收起来”，因为它从来没有真的在那里。（“幻觉”也许不是一个合适的词，“导出”或“构造出”这样的词也许更好，虽然略微欠缺诗意。维度也许在最底层并不存在，但它对任何大于膜的事物来讲仍然非常真实。）

维度用后即可抛弃的想法反映了底层量子系统的秩序的某个特定侧面。事实上，这种必要的秩序在日常生活中很常见。具体地讲，大大小小的事物好像生活在两个世界里，这是常见事实。我们的行星沿着它的轨道滚动，完全不理会人间事物，正如我们几乎不去理会居住在自己皮肤里的细菌。反之，我们只模糊地意识到自己正乘坐在一个巨大的、滚动的石头球（地球）上，而细菌完全不知道我们每天的痛苦。自然界是以尺度分层的。

声波是特别简单的说明这种分层结构的例子。长短声波彼此视而不见，如果你发出深沉的低音，同时发出尖厉的高音，这两个声音传播过房间就好像自己是房子里唯一的声音似的。两个声音的独立类比于空间中分离的物体的独立。假设你在钢琴上弹奏两个音，比如中央C和邻接的D。C键产生的声波波长为1.32米，D键产生的声波波长比它短14厘米。两个声波传过三维空间时有重叠，然而却彼此独立，好像它们处在不同地点一样。在一定意义下，你可以把这两个声波想象为分别居住在四维空间中相距14厘米的两个地方。

钢琴上相距越远的琴键在这一想象的四维空间中相距得越远，键盘上的给定距离被翻译成四维空间的给定距离。你看不见这样的思维空间，对你来说，这是一种抽象，它能抓住声学里的声波独立性，但却是一个特别合适的抽象。乐师将音调之间的距离称为“音程”，有距离的含义，好像我们的大脑的确把音调之间的距离想成空间中分离的东西。AdS/CFT对偶把这种抽象变成字面的，并提议我们占据的空间中的一个维度代表能量，或等价地代表底层系统的波的长度。

马里兰大学弦论学家拉曼·桑德鲁姆用一个戏剧性的方式来解释。假设你是一个正在画华盛顿特区国家广场的艺术家，前景中有一个冰激淋零售亭，背景是华盛顿纪念碑。为了在平面帆布上画出深度的距离之感，你用不同的尺度（大小）画这两个东西。这类事情在AdS/CFT场景下真的正在发生。宇宙看起来像三维立体的，但其实只是二维帆布，我们看着好像沿着第三维的距离排列的东西其实只是尺度不同。“深度的维度可以重塑，仿佛艺术家所用的技巧；把华盛顿纪念碑画得非常小，把处于前景的东西画得非常大。”桑德鲁姆说。一个看起来很遥远的东西其实就坐在你身旁，它看着很小是因为它真的就是很小。你够不着它不是因为它太遥远而是因为它太小，你的手指不够精细而无法摆弄它。当事物变大或变小时，看到的是东西向你运动或离你而去。

不同尺度的事物并不是严格互相独立的，它们和尺度相当的事物发生相互作用，效果可能从一个尺度级联到下一个尺度。考虑一下“少了一个钉子，失去了一个王国”的谚语：因少了一个钉子，而丢了一个马蹄铁；因丢了一个马蹄铁，而少了一匹战马；因而少了一个骑兵，因而输掉了一场战役，于是亡了国。铁匠铺子少了钉子并不马上引起亡国，它间接地通过一系列中间过程施加影响。不同调子的声波也可能这样。锣从低音开始，然后逐渐一级一级向更高音振动。这一必须沿着逐渐增大的尺度传递而来的需要解释了为什么空间的定域性在涌现的维度中成立。在一个地方出现的事物必须一个一个地穿过中间点才能抵达，不能跳跃。

底层的量子系统并不是自动地拥有这样的层次秩序的。正如绘画必须用恰当的方法才能产生深度之感，系统也需要有相当程度的内在和谐一致性才能生成空间。保证这种内在一致性的是系统粒子或场内部的纠缠。为了生成我们知道的空间，那些粒子或场必须逐级纠缠，每个粒子和邻近的粒子纠缠，一对粒子和另一对粒子纠缠，一群粒子和另一群粒子纠缠。其他导致不同的几何或系统模式，完全不能认为是空间的。如果系统不是那么完全纠缠的，那么涌现出的空间就会是脱节的，住在宇宙里的居民就会被困在一个区域里，不能到别的地方去探险。不列颠哥伦比亚大学理论物理学家马克·凡·拉姆斯东克说：“量子纠缠就是那个把时空连接起来变成完整的一块的东西。”当我们开始遭遇纠缠时，它看起来超越了空间。今天物理学家则认为也许就是它创造了空间。图6-5描述了空间的联通程度。

图6-5 空间的联通程度（图片由马克·凡·拉姆斯东克提供）

随着宇宙的两个部分越来越互相纠缠，它们就彼此吸引成为一体。

矩阵中的毛刺

简要概述一下，上面我们看到，从无空间状态涌现出空间有几种办法，它们都是基于这样的想法中的一种，即原始的扭结成网状的基本构造单元可能把自己拉伸变成整洁的晶体格子。现在让我们试着把这些暂时的想法应用到第1章中提到的非定域现象中，包括纠缠粒子的关联、宇宙的大尺度均一性以及落入黑洞的物质的命运问题。这些现象可能是矩阵里的毛刺：不规则性，暴露出了物理实在的深层本质。

涌现出的空间格子并不完美。自然界中没有什么东西是完美的，正如缝纫疵点从你的衬衫领子到袖口留下了一条凌乱的线。网络里相邻并不隐含空间中相邻，网络中的一小步可能意味着空间中的一大步。马可波罗和施莫林把这种现象称为“无序的定域性”，弦论理论家、斯坦福大学的布莱恩·施温格使用“长程链接”这个词。这些链接本质上是微型虫洞，正如广义相对论容许的时空隧道一样。《星际迷航》和《星际穿越》将虫洞描绘成时空通道，但虫洞概念实际上起源于爱因斯坦试图解释粒子。这样的链接可能将纠缠的粒子连起来。如果两枚量子硬币是同一个虫洞的两个开口，那么这两枚量子硬币投下时同一面朝上就没什么神秘的了。胡安·马尔达西那解释道：“两枚硬币相关是因为它俩在空间中的紧密程度——通过虫洞链接起来的亲密程度。”

尽管这个想法引人注目，但它本身有潜在缺陷。其一，它有循环推理的危险。理论家创立他们的涌现的时空模型时就已经预设了量子力学，那么他们如何能利用涌现的时空来解释量子力学？另外，虫洞看来有些杀伤力过度。任何进入虫洞的东西都应该从另一边出来，然而纠缠的粒子连传递信号都不能，更不用说传递宇宙飞船了。纠缠粒子之间的任何隧道都必须是一个“倒塌的矿井”，仅能提供刚好足够让粒子得到实验室匹配效果的链接，但不足以开启通用的旅行通道。为了达到这一平衡，支持者提出了几个办法。马尔达西那说引力将虫洞掐断，使得信号来不及传递过去。施温格提出实验物理学家会发现很难让这一信号穿过这么狭窄的链接，要求计算机的编码解码能力高得令人难以置信，以致在实际应用中不可能。马可波罗想象虫洞可以传递信号，但信号毫无意义，因为粒子运动是随机的，正如一只猫踩到你的计算机键盘，可能发送了一封电子邮件，但却是一封胡言乱语的电子邮件。

其他人认为纠缠需要更激进的想法。赫勒主张一种称为“非交换几何”（Noncommutative Geometry）的概念，这名字有点儿讽刺意味，它的目标实际上是取消掉几何学，把宇宙描述为一个巨大的代数方程。方程用矩阵表示，正如矩阵模型里的矩阵，只是给出了一个新的解释。矩阵的数值阵列不再表示类似D0-膜构造块之间的关联，而是表示每个实体自己决定的关联，所有其他东西都由这些实体构造出来。

赫勒和其他人具体地尝试了这一想法，他们采用了物理学里自上而下的观点，即全局尺度（跨越整个宇宙的尺度）才是基本的，局域几何概念（如“点”和“事物”）都是从这些全局尺度导出的，而不是通常采用的自下而上的视角，即宇宙是从几十亿定域的事物中搭建出来的。赫勒说：“没有点，没有时间常数，一切都是全局的。于是定域性被全球性吞没掉了。”打个比方，想象一下，如果我们不把社会定义为由上百万个个体组成，个体构成各种各样的群组，而是把社会定义为由几百万个群组组成，而个体用一捆小组的会员来唯一识别。［这并不是遥不可及，哲学家和社会学家（如黑格尔）曾论证，个体的唯一标识是从社会标识中构建出来的。］你可以画出一组巨大的文氏图（Venn Diagram，也称维恩图或韦恩图），每个人就是一组圆圈的交点。要让这种自上而下的定义有用，组和组必须用合适的方法彼此重叠。如果没有重叠，个体就失去了自己与众不同的标识，一组群组ID就会得到多个人，无法把他们分开。

对于这种全局结构为非交换几何的结构，这种事是可能发生的。条件合宜时，这些结构彼此衔接生成一个有空间的、由常规物理定律控制的宇宙。条件不合宜时，不会生成这样的宇宙——不完美的啮合将生成非定域现象。如果两个独特的物体仅仅是同一个全局实体的不同混合物，那么有理由推知，它们能够维持一个超越空间的链接。一个地方发生的事敏感于另一个地方发生的事，即使没有任何普通意义下的沟通交流。

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涌现时空模型也给我们一个新的理解大爆炸的思路。宇宙的起源总是表现出某种悖论。在宇宙起源之前应该什么也没有，然而在起源之前一定得有什么东西，从而让宇宙动起来。但是，如果我们不是把大爆炸想成突然的创造瞬间，而是一个逐渐过渡的过程，那么悖论就烟消云散了。如果空间从无空间的基本单元中涌现出来的过程就像生命从无生命的原子中涌现出来的过程一样，那么宇宙的诞生就并不比生命的诞生更让人费解。世界初期无形状且虚空，逐渐自发形成有空间的结构。这个故事令人回想起古代创世记神话，原始状态浑沌虚空，逐渐演化变成稳定的分化出来的结构，地与天分开，夜晚与白天分开，大海与陆地分开。

玩这个想法的理论学家提出了几个可能的初始状态。一方面，根据量子重力图论，宇宙是喧嚣的能量构成的网络，在效果上，虫洞把空间中的每个点都联通。随着系统冷却，虫洞被掐断，宇宙的不同部分获得了某种程度上的自治，空间开始形成我们认识的形式。另一方面，矩阵模型提出另一个场景。在宇宙初期，在最深层构成宇宙的D0-膜完全互联，但那并不直接翻译成空间中点的互联。事实上，空间被分裂成无数的分离的小碎片，一个许许多多的小小宇宙组成的群岛。物理学家称这种情况为“超定域性”。称之为“超”是因为那些“岛屿”不仅是自治的，而且完全是孤立的。然后有些D0-膜变得纠缠起来，开始表现得像一个整体——由空间小碎片形成。新近形成的空间小碎片反过来进一步彼此纠缠，形成更大一些的空间碎片。随着区域彼此纠缠，空间变得越来越大，于是空间逐渐像地毯一样展开。从某个住在空间里的人的角度来看，好像虫洞突然产生，岛屿之间形成桥梁，鸿沟得以沟通。

两种场景都能解释为什么宇宙现在看起来是那么均匀。在大爆炸之前的时代，物质和能量应该已经在网络周围徘徊，并在空间孕育和生长之前均匀分布。空中遥遥相对的两个星系，你目力所及的最远处，被一个空间海沟隔开，现在还不能彼此交流消息。但在时间出现的黎明，还没有空间，而且也没有出现海沟。因为那时那些星系都直接彼此相连，它们如此相像绝不是偶然的，只有当空间涌现出来时，它们才断绝彼此的联系。马可波罗回忆道：“当我开始玩这个全联通图作为宇宙初期的一种可能时，这个想法冒出来特别自然。你只需要看着它，然后‘嗒’的一下，想法就出来了，这里没有‘视界’或‘黑洞表面’问题。”

涌现过程也可以解释宇宙的其他一般特性。例如，天文学家观察到原始宇宙并非完全均匀，而是略有斑点。这一完全均一的略微偏离为后来的星系和其他宇宙结构围绕这些斑点合并埋下了种子。有趣的是，那些斑点无论大小多么不一样，看起来都是一样的，这类与尺度无关的性质是存在某种类型的“相变”的共同特征，如高压水蒸气变成液态水。物质的两种状态之间的精细平衡，在所有尺度上以一种协调的方式，在两个条件下上下波动。从无空间状态到有空间状态的相变可能产生同样的模式。

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黑洞好似大爆炸的逆过程，从有空间状态逆回到无空间状态。在涌现时空图像中，它们是苔原上的水坑，是宇宙中的孤立点，那里空间实际上融化了，它的有序的、晶体类型的结构蜕化为流体乱流。我们几乎不能想象那究竟是一种什么样的流体。“无论那是什么流体，它都没有一个集合解释。”马蒂尼克说，“时空的传统几何概念已经终结了。”

对于这种流体，我们最多能够想象它的可视图像是一种高度互联的网络——不是宇宙迷宫里的重力真空吸尘器。它在效果上是无限维的。落进去的东西再也出不来，不是因为重力牢牢地抓住了它们，而是因为它们很难找到出口。它们也许有一天会成功地出来，但短期内它们一去不复返。它们受难的经历正如一个人给保险公司打电话时，他花了整整一个夜晚去查找那个像迷宫一样的电话簿。马可波罗说：“那是一个高度互联的区域，充当了陷阱。”

根据量子重力图论，那个迷宫事实上是一组复杂的通道，但在矩阵模型里，它更抽象——一个复杂性的迷宫。组成黑洞的D0-膜在不断地运动，总是改变自己的模样，好像在所有可能的网络里漫游。偶尔，一个膜很幸运，它与它的伙伴的链接瞬间松开，飞走了。于是正如霍金预言的那样，黑洞一个粒子一个粒子地散开。马蒂尼克说：“经过长时间被强引力场捕获之后，落入黑洞中的东西才重新以霍金辐射方式出现，这在很大程度上与粒子在这个巨多的空间状态中迷失有关。”图6-6为黑洞的量子重力图论模型。

图6-6 黑洞的量子重力图论模型（图片由阿里奥斯卡·哈玛提供）

黑洞是一个宇宙迷宫，任何落入黑洞中的东西只能非常艰难地重新出现。

涌现的空间不仅可以解释物理学家观察到的或推断出的非定域现象，而且它还可以预言他们还没有看到的现象。其中一个现象得到了这样一个名字“虚无的泡沫”，有点儿存在主义的味道。正如黑洞一样，一个虚无的泡沫是一个相变，但更神似沸腾而不是融化。炉子上烧着一壶水，当蒸汽形成泡沫成核、膨胀并开始互联时，水沸腾起来，直到水全部烧干。同样，一个无空间的小窝可能成核并开始长大。“在时间上的某个点，量子力学上的一个小洞在时空中发展长大，“罗扎利说，”那个洞的边界以光速传播出去。”幸运的是，一个“虚无的泡沫”不会像黑洞一样将你吸入厄运之中。事实上，你永远不能直接看到它，因为它在空间之外。尽管名字为“虚无的泡沫”，其实泡沫里并不是什么也没有。量子系统还在那里，就像沸腾时水还在那里一样，只是变得太无序，以致不再能被认为是有空间的。

尽管理论仍未得到证实，但至少涌现时空的概念已经显示出其实际价值。某些类型的真实世界系统表现得好像其中空间的额外维度是潜在的。例如，接近绝对零度的材料可以意想不到的方式流过或传导电流，表明它们已经实现了额外的组织程度。构成它们的粒子居住在三维空间中并在其中移动，但自我安排组织得好像是在四维空间中居住和移动一样。如果你看这些材料，你不会直接看到更高的维度。它存在于另一个描述层次，其中原始物体是粒子群而不是粒子本身。AdS/CFT对偶的数学简化了对这类系统的分析。

在温度极高的一端，类似的事情同样在发生。在过去10年中，原子对撞机（例如大型强子对撞机）已经将原子核熔化，物质达到难以置信的高温状态。这些翻腾的、滚动的等离子体有一种不祥的混乱，夸克和胶子的相互作用如此强烈，即使是地球上最厉害的数学狂人也难以预测它们会做什么。然而，等离子体却表现出内在的简单性，如果做个脑筋急转弯，来一个精神上的飞跃，想象它们存在于四维空间中，这种简单性就会变得明显起来。例如，等离子体中的摩擦力可以被重新想象为在更高维空间中引出一个黑洞引力波。这样即使对于物理学家来说，这也不是突然跳入脑海的一种类比。在某种意义上，大型强子对撞机不仅创造了新的物质形式，它也创造了空间。

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想想这点令人震惊，空间这个长久以来被认为是物理现实的磐石地基居然可能栖息在更深的层面之上。非定域现象是发现这个底层结构的线索。原则上，你通过注意某个事物在哪个地方分开，了解它是如何组装起来的。颇具讽刺意味的是，我听说过的对量子重力图论、矩阵模型和AdS/CFT对偶的主要批评不是它们太离奇，而是它们还不够离奇。所有这些模型仍然在量子物理和广义相对论的基本框架内工作，并且大部分本应自发生成的结构实际上被预先编程为规则。

值得注意的是，这些模型预先假设时间存在，没有采纳莱布尼茨和马赫的建议，时间应该像空间一样涌现出来。一些研究人员不认为这是一个失败，而是关于大自然的事实真相——时间必须是基本的，即使空间不是。毕竟，物理学确实需要“某些”基本结构，一切都构建于其上，时间是一个很好的候选者。事实上，如果不假定时间，你怎么能谈论涌现是一个时间过程？马蒂尼克说：“一旦你说出时间是涌现出的，你就出轨了，有没有规则？我该怎么办？”加州理工大学的宇宙学家肖恩·卡罗尔简明地说：“空间完全被高估了，而时间却被低估了……我认为时间将持续存在下去……另一方面，空间是完全虚假的。空间只是一种近似，在某些情况下是有用的。”

然而，把时间和空间分开与爱因斯坦的伟大洞察正相反，爱因斯坦认为时间和空间本质上是不可分割的。如果一个是涌现的，当然另一个也必然是涌现的。许多物理学家的确认为时间是涌现的，并一直在寻找办法在不假定时间的前提下考虑时间的涌现性。一条线索来自全息原理。到目前为止，我已经描述了全息原理作为生成空间的一种方法，但它也可以生成时间。这两种情况的关键是存在一个边界。如果宇宙有一个位于深空的边界，则涌现的维度是空间的，但是，如果它的边界在过去或未来，则涌现的维度是时间的。事实上，就天文学家而言，我们的宇宙具有时间边界而不是空间边界。过去，有大爆炸；未来，永恒加速膨胀。这也是边界的一种类型。一个处于遥远过去的边界的观察者和一个处于遥远未来的边界的观察者将知道所有中间瞬间发生的事。昨天、今天和明天会坍塌合并为一。

根据这个逻辑，预先假定时间存在的理论仍然是不完整的，离找到一个完整的解释空间和时间是如何从更深层的物理学中涌现出来还差得很远，万里长征仅踩到了一个小石子。理论学家需要一种更加激进的方法来解释非定域性，而不是他们迄今为止尝试过的。的确，他们正在步履蹒跚地向一个方法走着。

[1].Big Ben，伦敦国会大厦上的大钟表。——译注

[2].Graphity，应该源自graphic和gravity，将数学中的图论思想引入理论物理。创意灵感来自视觉的吸引力。——译注

结语：幅面体[1]

第二次世界大战快开始时，维尔纳·海森堡对哥本哈根进行了一场著名的、在历史上有争议的访问，在此期间他和尼尔斯·玻尔讨论了为纳粹制造原子弹的事。战争快结束时，海森堡有一场虽不太知名但同样具有戏剧性的旅行。1944年12月，他从德国进入瑞士，在苏黎世大学进行了一次演讲。在观众席里，和他的一些物理学老朋友坐在一起的有一位他不认识的人士，海森堡猜他可能是本地物理学爱好者，也可能是纳粹特工，听听自己是不是在说希特勒的坏话。事实上，这人就是莫伊·贝格，他曾是一名棒球运动员，是在普林斯顿受过教育的语言学家和美国间谍。贝格的使命是查明海森堡是否接近原子弹的后期工作，如果是，则杀了他。当看到海森堡对原子弹闭口不谈，而是讲一个枝节兴趣、一个称为S矩阵[2]的新的量子概念时，贝格放了他一条命。

S矩阵是无空间和时间预设的物理学的革命性方法，这种方法甚至比我在上一章中谈到的图形方法和矩阵方法更进一步去除了日常的空间概念。总是想批评空间概念的海森堡很想为量子场论在解释电磁力方面的困难（也就是量子场论预测这些力的作用强度应该是无穷大）做些辩解。关于这个理论是否正确，以及什么理论可能取代它的问题，他认为应该搁置一旁，有些事情虽然你不知道，但却无妨。为此，他设计了一个数学版本说明这个原则。

海森堡提出把杂乱无章的粒子碰撞当作一个黑箱。你知道输入，你也知道输出，但没有人看得清从输入到输出之间的混乱过程。S矩阵列出了各种可能结果的概率。为了计算输入，海森堡认为理论学家不需要知道黑箱里面发生了什么。他们可以忽略粒子在哪里，如何运动，甚至它们到底是真的粒子还是场中的涟漪，或其他物理学家无法想象的什么古怪东西。简而言之，理论学家无需提及空间概念就能描述物理学。他们根据广泛规则就可以推断他们将观察到什么，这就像投掷骰子。你可以使用超级计算机来解小立方体滚动通过气流的运动方程，你也可以巧妙地利用一条捷径：由于对称性，6个面的骰子落于任何一面的概率相同。

谢天谢地，海森堡的数学总是玩得比他的炸弹更好。S矩阵成为每个理论物理学家工具包中的一部分，但不是出于海森堡最初设想的理由：它被认为是一种方便的会计系统，而不是去掉空间和时间的方式。战争结束后不久，物理学家琢磨出来如何使用量子场论进行全方位的计算（打开黑箱，看看内部），抛开空间和时间是否最终瓦解的问题。然而，在20世纪50和60年代，由于物理学家们探索到了原子核的深度，黑箱再次被关闭。量子场论似乎不能胜任描述核力的任务，S矩阵重新受到了青睐。这次，加州大学伯克利分校的理论物理学家杰弗里·丘向前迈了一步。海森堡认为黑箱内部存在一些物理学基本规律在运行，而丘认为没有，也许S矩阵就是全部。

这个想法很激进，激进主义在20世纪60年代的伯克利盛行一时。杰弗里·丘的部分目标是摆脱空间和时间，他认为空间和时间是量子场论失败的罪魁祸首。“为了取得重大进展，我们必须停止思考和谈论这样一个不可测的连续体。”他在1963年的一次演讲中告诉同事。与其逐步描述粒子或波在空间中的传播，杰弗里·丘提出，物理定律是事物或过程如何关联的一整套原则。黑箱内部不是钟表内部的机械零件在不停运转，而是一种以某种方式适配在一起的拼图游戏。不仅零件并不运动，而且它们不是真的“零件”。在原子核内部，没有什么比其他东西更基本；一切东西在整体结构中都有它们的位置。S矩阵用数学语言描述了这个结构，物理学家可以像解数独谜题一样接近这个结构：基于简单规则填充数字网格。我们在宏观尺度上感知的空间和时间其实是从亚原子秩序导出的。

然而，计划泡汤了，它预言基本原则将完全确定S矩阵。丘写道：“大自然之所以像现在这样是因为这是唯一可能的与自身取得一致的大自然。”但事实上，丘研究的粒子并不存在唯一的S矩阵。通用规则并不告诉你所有数字应该放在哪里，正如设计拙劣的数独游戏并不给你足够的信息让你完全解开它。到20世纪70年代初，量子场论证明自己能够用古老的时空方式来解释核力了，大多数物理学家再一次离开S矩阵，S矩阵阵亡。

* * *

当S矩阵理论的命运像过山车一样忽上忽下时，牛津数学家罗杰·彭罗斯正在摸索一个办法把时空想象为涌现的。他最初设想空间是一个网络，正如我在前面一章中谈到的，但是他发现他只能解释空间的某些侧面，所以在20世纪60年代，他将框架扩展为所谓的“扭量理论”。受到量子的非定域性启发，彭罗斯认为非定域结构必须比定域结构更基本。所以，他不是把自己的新理论建立在粒子或其他定域单元上，而是建立在光线上。彭罗斯对光本身作为照明的手段并不感兴趣，而是对光线代表的因果关系感兴趣。光线在空间中无限延伸，它们是可以得到的最非定域性的东西了。从光线中，你可以构造出所有的常规物理结构。光线的交叉之处给你一个点。自旋的光线图案——“扭量”（twistor）这个词的起源——产生出旋转的粒子。“时空中的定域结构是用非定域代码写的。”梅森说。他是彭罗斯早年的学生之一，现在是他在牛津的同事。

把光线作为基本单元看来很奇怪，然而同样奇怪的是，这个想法与我们感知这个世界的方式竟如此接近。我们从没见过时空中的点和距离，我们观察到的是光线。彭罗斯的另一个同事安德鲁·霍奇斯说：“扭量的想象更接近我们思考的方式……视线的想法是非常本质的东西。我们没有对时空事件的直接直觉。”下一次你出去看夜空时，想一想你是通过光线连接到那些星星的。在某种意义上，此时此刻你比坐在旁边的那位更靠近那些星星，因为光从星星先到达你，然后从你到达身旁的那个人，这之间有一点儿滞后。拉斐尔·苏尔钦有过类似的想法，他说：“一颗星星今天比昨天离我更近。”

可惜这种方法像许多其他方法一样也淡出了，一个主要的困难是彭罗斯所谓的“googly”问题（从板球借用来的术语），《吸血鬼猎人巴菲》的粉丝们称之为吸血鬼问题，即这个理论的粒子没有在镜子里投射影子。“他很坚持，但不知怎么它就是不工作。”梅森说。大多数物理学家认为彭罗斯在浪费时间。“扭量理论是理论物理学的丑小鸭。”阿卡尼-哈米德回忆说。彭罗斯直言不讳地怀疑其他竞争理论特别是弦论，这对他自己的事业并没有帮助，弦论已经经历了繁荣和破产的循环。虽然他的批评也许有一定的道理，但他的同事不会喜欢他。

于是你看，同样的模式一遍又一遍地重复着，一个又一个关于空间的绝妙想法像流星升起然后坠落。有些人认为，时机尚不成熟，还没到得到答案的时候，这个问题既有魅力又可能遭遇挫折，他们必须在两者之间权衡。例如汉斯·哈尔沃森放弃思考非定域性，去钻研其他哲学领域。他说：“任何思考过这个问题的人都经历过兴奋和抑郁阶段。”马可波罗多年来一直忽而激动忽而恼怒。“我现在感到有点儿郁闷。我有点儿泄气，不太受鼓舞。”在2011年的一次早午餐上她告诉我，“我在想我是否应该一辈子干这个，这项工作常常让你感到看不到成果。”一年后，当我再次访问她时，她已经离开了科研领域去搞工业设计了。她说：“我绝对认为量子引力问题需要得到解答，但真的你不可能凭空弄出一个答案吧？……这关系到我的下半辈子。真的想有一点儿时间去做一点儿动手的事情。”

* * *

2003年秋天，彭罗斯访问了普林斯顿大学，举办了一个系列讲座，他认为弦论是一种“时髦”。他回忆起对即将与首席弦论理论家爱德华·威滕会面感到有些担心害怕。但威滕甚至没有去听讲座，他更感兴趣的是看看彭罗斯脑子里有什么新想法。彭罗斯回忆道：“他开始向我解释一些东西，看起来非常像扭量那种东西。”威滕让彭罗斯看他写的一篇关于彭罗斯以前的一个老想法的短文。“短”文其实是70页的长篇大论，将弦论和扭量理论绑在一起的统一理论。“我感到它非常迷人和令人兴奋。”彭罗斯说。

威滕长期以来一直是活跃在交叉领域的人物，他不仅是弦论的领军人物，而且是与其他研究领域特别是纯数学的联系点。他甚至在25年前的鼎盛时期写过一篇关于扭量的文章。“自从第一次听说扭量理论之后，我一直特别感兴趣，”他说，“我做了很多尝试，想利用扭量理论做些有用的东西，但并没有真正得到我想得到的。那些年我感觉自己基本上是在断断续续地思考利用扭量理论的可能途径。”

威滕的论文成为一个范例，说明物理学如何突破旧有藩篱，不断重新塑造自己。它刺激了一些深层次的内心探索。扭量理论学家惊讶地发现，弦论理论家那里有一直困扰他们的googly问题的答案。梅森开始意识到他们错过了多少次交流想法的机会。例如，1987年梅森访问雪城大学期间，他和彭罗斯在纽约市立大学粒子理论家帕拉梅斯瓦兰·奈尔的讲话中争吵起来，奈尔的工作预示了威滕的工作，事后看来可能填补了扭量理论的空白。“我们从没有一起合作过，”梅森说，“所以，这个美妙的想法被耽误了16年或17年。”

弦论理论家也兴奋起来，跃跃欲试。威滕的论文不仅把弦论理论家与扭量理论家调和起来，而且也调和了自己研究领域里的一个被忽略的问题：为什么粒子碰撞的结果那么难以计算，有容易点儿的方法吗？正如我在第1章中提到的，大多数物理学家把这样的计算看作从“地狱”里带来的家庭作业，只是做完后他们很快忘了。只有几个人，如伯尔尼做了很多那种作业。到2003年，他们也不再做了。威滕的论文发表之后，圆周理论物理研究所的卡察佐和几个同事提出了一种无需时空坐标的计算方法：撇开粒子碰撞机制不管，集中注意它们的输入和输出。这个想法听起来很像古老的S矩阵程序死里复活一样。伯尔尼最亲密的合作者之一、SLAC国家加速器实验室的兰斯·狄克逊说：“这段历史故事可以命名为‘解析S矩阵的复仇’。”

威滕把弦论学者和扭量理论学者拉在一起的时候，由于这两个领域的学者各自孤独地在自己的领域里工作了那么久，他们几乎不会说彼此的语言。阿卡尼-哈米德描述了2005年牛津的一次会议上的奇特交谈。卡察佐做了一个关于这种新的计算技术的发言，在问答阶段，安德鲁·霍奇斯说了一句没人真正能懂的评论，他好像是说卡察佐的S矩阵看起来有点儿怪诞，像极了扭量图。阿卡尼-哈米德回忆说：“只是我当时一点儿也不懂这是什么意思。我当时认为这家伙要么是一个十足的疯子要么是个天才。”尽管如此，阿卡尼-哈米德对此很感兴趣，开始做起了自己的计算并用图形表达。“那图像模模糊糊地开始看起来像霍奇斯的图片。”他说。他不知道这图像到底是什么意思，但很像霍奇斯的图片，这一定是有价值的发现。

霍奇斯看到的是一种可视化方法，几何地利用扭量做S矩阵的计算。2013年，阿卡尼-哈米德和他的研究生雅罗斯拉夫·特恩卡（现在在加州理工学院)发布了一种用于计算粒子过程概率（术语中称为“振幅”）的几何技术。他们给这种技术起了一个有趣的、合适的名字——幅面体。给定过程，根据涉及的粒子，你可以绘制一个多面体，每个粒子用一个顶点代表。例如，如果两个粒子驶入，撞击出4个粒子飞离，你总共需要6个顶点，一个六边形或相对应的高维几何形状。一个粒子的动量决定了它代表的侧面的面积大小。有了这个形状，你就能够计算其内部体积。根据计算规则，该体积的值就等于想要的振幅。

多面体并不是位于普通空间里的真实物体，而是捕捉了粒子相互作用的抽象数学结构。它包含了物理学家用来计算振幅的以前所有的计算技术，包括费曼的巴洛克式图以及伯尔尼和他的同事的简化形式。这些不同的技术对应于为了计算多面体体积而切割多面体的不同方式。多面体也展现出自然拥有的对称性属性，但理论学家以前从来没见过那些属性。

这一计算过程并不预先假定在时空中进行。“没有场，没有粒子，没有相互作用。”特恩卡说。我们日常生活中观察到的定域性是说，这些多面体的面总是粘在一起，特别地，它们总是形成闭合形状，而不是离散的、分离的平面。这6个顶点连接成六边形而不是（比如）星形。一般来说，平面不会那么好地吻合在一起，因此定域性是一种特殊情况。“幅面体简单的几何性质将定域性编成代码。”阿卡尼-哈米德解释道。图7-1展示了幅面体的一部分。

正如其他涌现时空方法，这里得到的主要教训是空间代表了世界的一种秩序，也许你不应该先验地认为空间存在。可以肯定的是，到目前为止，这项技术只适用于关于核力的高度理想化的理论，研究人员仍然必须将它扩展到我们所生活的更杂乱的物理现实。此外，物理学家和哲学家仍然需要补上这一结构的物理解释。现在，他们更擅长描述自然界不是什么，而不是自然是什么。“这些建筑单元没有时空解释，”阿卡尼-哈米德说，“这些构件单元来自于一个与粒子物理学想法截然不同的世界。”它们实际上属于另一个问题。未来的历史可能会矫正故事中的所有扭结，只给出答案。只有我们这些在这个时代生活过的人才知道求索过程多么有趣。

图7-1 幅面体的一部分，对应于7个相互作用的粒子（图片由雅罗斯拉夫·透恩卡提供）

更像青少年

以上我们看到，当代关于非定域性有两大争论。扭量和弦论的扯皮已经解开，而我在第4章中讨论过的关于量子纠缠的争论仍在持续（虽然正如我在那里所说的，关于量子纠缠的争论正变得毫无意义，因为所有立场都表明空间概念必须让路）。两种情况都不是以一方对另一方取得彻底的胜利而解决分歧的。这在科学史上是罕见的。

如果科学像一棵树，大多数非科学家专注于树干——知识积累的高度，但那是树的死的那部分。对于科学家来说，真正的树是树皮下一层薄薄的活性组织，那个地方才是树生长的地方。我们总是希望科学给我们答案，但科学家是由问题驱动的，对他们来说一个问题的答案只是另一个由问题的前奏曲。我们总是期望科学家们异口同声给出同样的回答，但那种期望与科学格格不入。

科学家往往不去讨论他们职业的这一侧面，他们经常把他们之间的分歧描述为肮脏的，最好不要暴露在公开场合下（如果记者报道了，他们会抱怨）。但是如果你不公开争议，那剩下报道什么呢？科学就是争议。一旦科学家达成共识，他们就继续下一轮争论。这就像纽约人举行晚宴一样，如果他们设法就某个问题达成了一致，那么安静下来的间隙仅够喝一小口精酿啤酒。科学研究领域的人物性格既要重视最终结果也要重视过程。“当你亲自发现了一个新想法的时候，你就和这个新想法有了更加亲密的关系。”阿卡尼-哈米德告诉我，“四周都是死胡同，从不爽的角落里你发现了它，你更容易爱上它，也更容易知道什么时候讨厌它。”[3]

和一般学者一样，评判科学家好坏是根据他的原创性而不是他的外交手腕。科学家的职业生涯与青少年的社交生活没有什么两样，往往没有安全感。他们总是不得不提出自己的想法和想方设法让自己的声音被听到。往往必经之路是声称老一辈科学家做了错事，而自己可以做得更好。他们就同行认为的重要话题提出自己独特的立场，从而为自己扬名。如果受到挑战，他们加倍反击，而不是打退堂鼓。组内组外差异很大，组内形成一种舒适的氛围，小组成员各抒己见分享奇思妙想，或彼此问着潜在的愚蠢问题，代价是使得与其他小组的分歧越来越大。

让每个研究人员去应付固执己见的同事是一件令人沮丧的事，科学作为整体是为了避免过早取得一致性意见。每个新想法都值得强有力的倡导者去推动。有时不管初始证据表明什么，一个理论会盛行起来，有时一个理论即使是完全错误的，它也是富有成果的。许多最伟大的进步都源于最初的错误想法。这里有一个讽刺。积极参与辩论的科学家需要坚信自己是对的，而且任何反对的人都一定错过了某些东西。我们这些旁观者看得更清楚，但我们仍然希望参与辩论的所有主角都认为自己是对的，不要有人过早放弃。我们需要对不宽容的态度有所宽容。

给想法赋予生命的，至少在短期内，不是这个想法正确与否，而是它们是否引起别人思考。任何科学艺术创作的成功更多地是由它所引发的后效，而不是它本身决定的。是否为真理由子孙后代评判，而现在“生育能力”才更重要。“好的想法有一种达尔文生存价值，坏想法没有，”伦纳德·苏斯金德写道，“好想法往往产生更多的好想法，而坏想法往往无法继续走下去。”而且一个想法，当它帮助别人产生了人家自己的想法时，更有可能传播下去。学者们之间流传着这样的笑话：一个学者在作报告，这时一只手举起来（有人想提问），提问者提出类似这样的问题：“您讲得很有趣，但它与我的工作有什么关系？”革新思想需要一段时间才能被接受，一个重要原因是根据革新思想本身的属性，它与别人的工作没有一点儿关系，不搭界。

随着旧的问题失去了苏斯金德提到的生育能力，由新的问题接管这个生态系统的共识涌现出来。昨天拖出来的纠纷变成了今天需要解决的家庭作业，但这需要一定的时间。有时科学家的确也想加快进程，但通常只是忙着应付外部请求。资助机构来了，询问专家应该支持哪些项目；国会来了，就当前的紧迫问题咨询专家意见；科学撰稿人来了，向量子物理学家提出关于非定域性问题。这些请求就像量子波函数坍缩一样，一个接着一个。当一个粒子尚存在于某种不确定状态时，观察它的行为可能迫使结果出来，代价是产生了悖论。同样，要求科学家一定要有共识也可能产生不良后果。考虑一下关于吃什么才健康，或关于该做哪些癌症筛查，我们得到了多少这样那样的建议！当我们强迫科学家们在时机不成熟时必须给出确切答案时，可想而知什么事情会发生。

* * *

物理学可能是空灵缥缈的，但它的概念却循着一条滑稽的路线进入寻常百姓的生活，同时反过来受到更广泛的文化趋势影响。“我们的文明形成了一个有机整体，”薛定谔在1932年的一次演讲中说，“那些能够将自己的生命献给科学研究事业的幸运个人，不仅仅是植物学家、物理学家或化学家。他们是普通人，也受到时代文化的影响。”

尽管物理学家们经常预言社会发展趋势，但在某种意义上，在空间这个概念上，他们落后了。对他们来说，空间距离也许是一种错觉的想法似乎太激进了。但我们现在已经生活在“距离死亡”时代，正如《经济学人》杂志专栏作家弗朗西丝·凯尔恩克罗斯所说的那样。现代通信技术在技术上也许不是非定域的，但它肯定给人一种非定域的感觉。电报电话技术在19世纪的人看起来太神奇了，以致他们不得不重新思考自我的边界，那赞叹的口气与任何新的一款苹果产品上市时听到的类似。信息时代只是人类从印刷术和远洋货轮开始的历史征程的最新一段。卡特里娜飓风是一个令人痛苦的例子，它如何彻底地、永久地改变了我们的距离观念？许多撤离者说，这是他们第一次离开新奥尔良。这种话在一个世纪前不会有人说，那时人们平均住在离出生地几十千米之内，根本不会离开自己熟悉的土地。今天受过大学教育的人至少一生中生活在几个不同的地方。商业运输（飞机）可以24小时内带你去地球上几乎任何一个人类聚居区。

我们的命运不再决定于地理。虽然我们的身份仍然由古老的，以地理为基础的民族、种族和族裔塑造，但现在我们可以自由创建小组，从而自己决定自己的身份。我们的朋友圈和同事圈可以根据共同兴趣爱好和情感亲密程度来构建，而不是根据出生在同一个小村庄。这些关系网创造了每个人自己的社交距离概念，不同于空间距离。

我注意到，现代生活甚至永远地改变了我们对实际物理距离的直接感觉。每天8个小时盯着屏幕并领受虚拟深度，当我们看到真实深度时，反而更难以估计。当年我还是研究生院天文学助教时，学生们通过望远镜的目镜观看土星。他们拉过来拉过去，好像不知道是怎么回事，再看一遍，问这真的是土星？这不是一张图片或投影？有的学生甚至一定要从望远镜的另一端从上往下看，以说服自己他们真的在窥视14.5亿千米深度的开放空间。

然而讽刺的是，虽然距离越来越无关紧要了，它也似乎也更重要了。人们抱怨道，我们之间的阻隔比以往任何时候都严重，人与人之间的沟通越来越困难。关于邻居，我们能说的只是他们看起来不错。远在天边的人，我们感觉离我们更近，而对于那些近在咫尺的人却感觉更远。然而，尽管我们对这种趋势感到担忧，关键是人与人之间需要保持一定间距才能换来现代生活质量。因为我们是独立个体，我们之间的爱情才是有意义的；如果爱侣融入彼此生命的愿望成了现实，那剩下的是什么呢？当距离归零，那在更大尺度上，邪恶即将兴起，我们将变成一伙乌合之众。

这种矛盾心理成为现在物理学的一个主要基调。一方面，距离在基本层面可能无关紧要。当两个人相隔很远时，在更深的层面下他们可能实际上是比邻的。另一方面，我们的存在仍然需要距离概念涌现出来。对爱因斯坦来说，一个东西你必须摸得着才可能影响它。这是常识，但我们已经逐渐意识到这个事实实际上是多么不得了和脆弱。20世纪初，德国哲学家莫里茨·施利克写道：“空间和时间是伟大的统一者，也是伟大的分裂者。”他们使我们成为独立的个人，也把我们关联起来。我们彼此相依，不可能要这个而不要那个。

如果最终证明空间和时间的确是一些更深层次的物理现实的产物，谁知道还有什么新的现象等待我们去发现？宇宙的神秘（如暗物质和暗能量）有没有可能意味着空间的崩溃？有没有可能存在超光速旅行的条件（可能预示某种悖论）？对我来说，上面那些猜测不免过于着急了，但如果意识到以下这个简单问题，会更让人不寒而栗。如果最终宇宙的组成成分不是空间的，组成成分没有大小，并且也不能通过将物质撞击成越来越小的碎片的方法来探测到，它们将无处不在，它们也许就在我们眼前，而且一直被人视而不见。我们也许能在最平淡无奇的地方看到最荒诞离奇的现象。

[1].幅［多］面体，Amplituhedron，一种计算散射振幅的新计算工具，旨在简化粒子相互作用的计算，其他数几何结构类似于凸多面体。阿卡尼-哈米德将amplitude和polyhedron相结合杜撰出了这个词。网络上有人将其译为“幅面体”，本书暂取“幅面体”这个译法。详见http://en.wikipedia.org/wiki/Amplituhedron。——译注

[2].S矩阵，又称散射矩阵，是物理学中描述散射过程的一个主要观测量。——译注

[3].作者的意思是，物理学家对自己的新想法就像母亲对待自己的宝宝一样，有一种特殊关系，很爱它，但也知道它的局限，知道给它“换尿布”的艰辛。——译注

参考文献

Abiko, Seiya.“Einstein’s Kyoto Address:‘How I Created the Theory of Relativity.’”Historical Studies in the Physical and Biological Sciences 31,no.1 (2000): 1-35.

Ade,P.A.R.,R.W.Aikin,D.Barkats,S.J.Benton,C.A.Bischoff,J.J.Bock,J.A.Brevik,et al.“Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2.”Physical Review Letters 112 (June 20,2014).

Agrippa von Nettesheim,Heinrich Cornelius.Three Books of Occult Philosophy.Edited by Donald Tyson.Translated by James Freake.St.Paul,MN:Llewellyn Worldwide,1993.

Aharonov,Yakir,and David Bohm.“Signifi cance of Electromagnetic Potentials in the Quantum Theory.”Physical Review 115,no.3 (August 1,1959):485-91.

Aharonov,Yakir,and Daniel Rohrlich.Quantum Paradoxes.Berlin:Wiley-VCH,2005.

Albert,David Z.“Elementary Quantum Metaphysics.”In Bohmian Mechanics and Quantum Theory:An Appraisal,edited by James T.Cushing,Arthur Fine,and Sheldon Goldstein,277-84.Boston:Kluwer Academic Publishers,1996.

——.“Physics and Narrative.”Intersectional Symposium:The Concept of Reality in Physics,Dresden,Germany,March 16,2011.

Allori,Valia,Sheldon Goldstein,Roderich Tumulka,and Nino Zanghì.“Many Worlds and Schrödingers First Quantum Theory.”The British Journal for the Philosophy of Science 62,no.1(March 2011):1-27.

Almheiri,Ahmed,Donald Marolf,Joseph Polchinski,and James Sully.“Black Holes:Complementarity or Firewalls?”Journal of High Energy Physics,no.2 (February 11,2013):1-20.

Aoki,Hajime,Satoshi Iso,Hikaru Kawai,Yoshihisa Kitazawa,and Tsukasa Tada.“Space-Time Structures from IIB Matrix Model.”Progress of Theoretical Physics 99,no.5(May 1998):713-45.

Aristotle.Physics.Edited by David Bostock.Translated by Robin Waterfi eld.New York:Oxford University Press,1996.

Arkani-Hamed, Nima.“Space-Time, Quantum Mechanics and Scattering Amplitudes.”Columbia University Department of Physics Colloquium, New York, March 28,2011.

——.“Space-Time, Quantum Mechanics, and the Large Hadron Collider.”Institute for Advanced Study Public Lecture, Prince ton, NJ, February 23, 2011.

Arkani-Hamed, Nima, Jacob Bourjaily, Freddy Cachazo, and Jaroslav Trnka.“Local Spacetime Physics from the Grassmannian.”Journal of High Energy Physics, no.1 (January 24, 2011).

Arkani-Hamed, Nima, Jacob Bourjaily, Freddy Cachazo, Andrew Hodges, and Jaroslav Trnka.“A Note on Polytopes for Scattering Amplitudes.”Journal of High Energy Physics, no.4 (April 16, 2012).

Arkani-Hamed, Nima, Freddy Cachazo, and Jared Kaplan.“What Is the Simplest Quantum Field Theory?”Journal of High Energy Physics, no.9 (September 6,2010).

Arkani-Hamed, Nima, and Jaroslav Trnka.“The Amplituhedron.”Journal of High Energy Physics, no.10 (October 6, 2014).

Arntzenius, Frank, and Tim Maudlin.“Time Travel and Modern Physics.”In Time, Reality and Experience, edited by Craig Callender, 169-200.Royal Institute of Philosophy Supplements.Cambridge: Cambridge University Press, 2002.

Ashtekar, Abhay, and Carlo Rovelli.“A Loop Repre sen ta tion for the Quantum Maxwell Field.”Classical and Quantum Gravity 9, no.5 (May 1992): 1121-50.

Auyang, Sunny Y.How Is Quantum Field Theory Possible? New York: Oxford University Press, 1995.

Bacciagaluppi, Guido.“Remarks on Space-Time and Locality in Everett’s Interpretation.”In Non-Locality and Modality, edited by Tomasz Placek and Jeremy Butterfield, 105-22.New York: Springer, 2002.

Bacciagaluppi, Guido, and Antony Valentini.Quantum Theory at the Crossroads:Reconsidering the 1927 Solvay Conference.New York: Cambridge University Press, 2009.

Baez, John C., and Jamie Vicary.“Wormholes and Entanglement.”arXiv.org, January 14,2014.

Baker, David John.“Against Field Interpretations of Quantum Field Theory.”The British Journal for the Philosophy of Science 60, no.3 (August 11, 2009): 585-609.

Balasubramanian, Vijay.“What We Don’t Know About Time.”Foundations of Physics 43, no.1 (January 2013): 101-14.

Balasubramanian, Vijay, and Per Kraus.“Spacetime and the Holographic Renormalization Group.”Physical Review Letters 83, no.18 (November 1, 1999).

Balasubramanian, Vijay, Per Kraus, Albion Lawrence, and Sandip P.Trivedi.“Holographic Probes of Anti-de Sitter Spacetimes.”Physical Review D 59, no.10 (April 26, 1999).

Bancal, Jean-Daniel, Stefano Pironio, Antonio Acin, Yeong-Cherng Liang, Valerio Scarani, and Nicolas Gisin.“Quantum Non-Locality Based on Finite-Speed Causal Influences Leads to Superluminal Signalling.”Nature Physics 8, no.12 (December 2012):867-70.

Banks, Tom.“The State of Matrix Theory.”Nuclear Physics B——Proceedings Supplements 62, nos.1-3 (March 1998): 341-47.

Banks, Tom, Willy Fischler, Igor R.Klebanov, and Leonard Susskind.“Schwarzschild Black Holes from Matrix Theory.”Physical Review Letters 80, no.2 (January 12, 1998):226-29.

Banks, Tom, Willy Fischler, Stephen H.Shenker, and Leonard Susskind.“M Theory as a Matrix Model: A Conjecture.”Physical Review D 55, no.8 (April 15, 1997): 5112-28.

Banks, Tom, Leonard Susskind, and Michael E.Peskin.“Diffi culties for the Evolution of Pure States into Mixed States.”Nuclear Physics B 244, no.1 (September 24, 1984):125-34.

Barbour, Julian B.Absolute or Relative Motion? Vol.1, The Discovery of Dynamics.New York: Cambridge University Press, 1989.

——.The End of Time: The Next Revolution in Physics.New York: Oxford University Press, 1999.Reprint, 2001.

——.“The Nature of Time.”Essay written for the Foundational Questions Institute Essay Contest, The Nature of Time, December 1, 2008.

Barrett, Jonathan, and Nicolas Gisin.“How Much Mea sure ment Independence Is Needed to Demonstrate Nonlocality?”Physical Review Letters 106, no.10 (March 10, 2011).

Barz, Stefanie, Elham Kashefi , Anne Broadbent, Joseph F.Fitzsimons, Anton Zeilinger, and Philip Walther.“Demonstration of Blind Quantum Computing.”Science 335, no.6066 (January 20, 2012): 303-308.

Bauer, Henry H.Scientific Literacy and the Myth of the Scientifi c Method.Champaign, IL: University of Illinois Press, 1994.

Baum, Dan.“Deluged.”The New Yorker, January 9, 2006.

Bekenstein, Jacob D.“Black Holes and Entropy.”Physical Review D 7, no.8 (April 15, 1973): 2333-46.

Bell, John S.“On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox.”Physics 1, no.3 (1964):195-200.

——.Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics.2nd ed.New York:Cambridge University Press, 2004.

Beller, Mara.Quantum Dialogue: The Making of a Revolution.Chicago: University of Chicago Press, 1999.

Beller, Mara, and Arthur Fine.“Bohr’s Response to EPR.”In Niels Bohr and Contemporary Philosophy, edited by Jan Faye and Henry J.Folse, 1-31.Boston Studies in the Philosophy of Science 153.Dordrecht: Springer Netherlands, 1994.

Belot, Gordon.“Understanding Electromagnetism.”The British Journal for the Philosophy of Science 49, no.4 (December 1998): 531-55.

Belousek, Darrin W.“Einstein’s 1927 Unpublished Hidden-Variable Theory: Its Background, Context and Significance.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 27, no.4 (December 1996): 437-61.

Berkson, William.Fields of Force: The Development of a World View from Faraday to Einstein.New York: Halsted Press/John Wiley and Sons, 1974.

Bern, Zvi, Lance J.Dixon, David C.Dunbar, and David A.Kosower.“Fusing Gauge Theory Tree Amplitudes into Loop Amplitudes.”Nuclear Physics B 435, nos.1-2 (February 6, 1995): 59-101.

Berryman, Sylvia.The Mechanical Hypothesis in Ancient Greek Natu ral Philosophy.New York: Cambridge University Press, 2009.

Black, Max.“Why Cannot an Effect Precede Its Cause?”Analysis 16, no.3 (January 1956): 49-58.

Blum, Alexander.“From the Necessary to the Possi ble: The Genesis of the SpinStatistics Theorem.”The European Physical Journal H 39, no.5（December 2014）:543-74.

Bohm, David.“A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of‘Hidden’Variables.I.”Physical Review 85, no.2（January 1952）: 166-79.

——.“A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of‘Hidden’Variables.Ⅱ.”Physical Review 85, no.2 (January 1952): 180-93.

Bohm, David, and Basil J.Hiley.The Undivided Universe: An Ontological Interpretation of Quantum Theory.London: Routledge, 1993.

Bohm, David, and J.P.Vigier.“Model of the Causal Interpretation of Quantum Theory in Terms of a Fluid with Irregular Fluctuations.”Physical Review 96, no.1 (October 1954):208-16.

Bohr, Niels.“Discussion with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics.”In Albert Einstein, Philosopher-Scientist, edited by Paul Arthur Schilpp, 199-241.Chicago: Northwestern University Press, 1949.

——.The Emergence of Quantum Mechanics (Mainly 1924-1926).Edited by Klaus Stolzenburg.Vol.5.New York: Elsevier, 1984.

——.Foundations of Quantum Physics Ⅰ(1926-1932).Edited by Jørgen Kalckar.Vol.6 of Niels Bohr: Collected Works, edited by Erik Rüdinger.New York: Elsevier, 1985.

——.Foundations of Quantum Physics Ⅱ (1933-1958).Edited by Jørgen Kalckar.Vol.7 of Niels Bohr: Collected Works, edited by Erik Rüdinger.New York: Elsevier, 1996.

——.“Space and Time in Nuclear Physics.”In Niels Bohr: Essays and Papers, edited by John T.Sanders, translated by Else Mogensen.1:205-20.Rochester, NY: Self-published, 1987.

Bombelli, Luca, Joohan Lee, David Meyer, and Rafael D.Sorkin.“Space-Time as a Causal Set.”Physical Review Letters 59, no.5 (August 3, 1987): 521-24.

Borisov, Alexey V., and Nikolay A.Kudryashov.“Paul Painlevé and His Contribution to Science.”Regular and Chaotic Dynamics 19, no.1 (February 9, 2014): 1-19.

Bork, Alfred M.“Maxwell and the Vector Potential.”Isis 58, no.2 (Summer 1967):210-22.

Born, Max, and Albert Einstein.The Born-Einstein Letters 1916-1955: Friendship, Politics and Physics in Uncertain Times.Translated by Irene Born.New York: Palgrave Macmillan, 2005.

Bousso, Raphael.“The Holographic Principle.”Reviews of Modern Physics 74, no.3(July-September 2002): 825-74.

Bouwmeester, Dik, Jian-Wei Pan, Klaus Mattle, Manfred Eibl, Harald Weinfurter, and Anton Zeilinger.“Experimental Quantum Teleportation.”Nature 390 (December 11, 1997):575-79.

Branciard, Cyril, Eric G.Cavalcanti, Stephen P.Walborn, Valerio Scarani, and Howard M.Wiseman.“One-Sided Device-Independent Quantum Key Distribution: Security, Feasibility, and the Connection with Steering.”Physical Review A 85, no.1 (January 3, 2012).

Brassard, Gilles.“Quantum Communication Complexity (A Survey).”arXiv .org, January 1, 2001.

Brassard, Gilles, Harry Buhrman, Noah Linden, André Allan Méthot, Alain Tapp, and Falk Unger.“Limit on Nonlocality in Any World in Which Communication Complexity Is Not Trivial.”Physical Review Letters 96, no.25 (June 27, 2006).

Britto, Ruth, Freddy Cachazo, Bo Feng, and Edward Witten.“Direct Proof of the Tree-Level Scattering Amplitude Recursion Relation in Yang-Mills Theory.”Physical Review Letters 94, no.18 (May 10, 2005).

Broderick, Avery E., Abraham Loeb, and Ramesh Narayan.“The Event Horizon of Sagittarius A*.”The Astrophysical Journal 701, no.2 (July 31, 2009): 1357-66.

Brush, Stephen G.“The Chimerical Cat: Philosophy of Quantum Mechanics in Historical Perspective.”Social Studies of Science 10, no.4 (November 1980): 393-447.

Cairncross, Frances.The Death of Distance: How the Communications Revolution Will Change Our Lives.Boston: Harvard Business School Press, 1997.

Caldiero, Frank M.“The Source of Hamlet’s‘What a Piece of Work Is a Man!’”Notes and Queries 196 (September 29, 1951): 421-24.

Callan, Curtis G., Jr., Steven B.Giddings, Jeffrey A.Harvey, and Andrew Strominger.“Evanescent Black Holes.”Physical Review D 45, no.4 (February 15, 1992): 1005-1009.

Cantor, Geoffrey N.Optics After Newton: Theories of Light in Britain and Ireland, 1704 - 1840.Dover, NH: Manchester University Press, 1983.

Capra, Fritjof.The Tao of Physics: An Exploration of the Parallels Between Modern Physics and Eastern Mysticism.3rd ed.Boston: Shambhala, 1991.

Carazza, Bruno, and Helge Kragh.“Heisenberg’s Lattice World: The 1930 Theory Sketch.”American Journal of Physics 63, no.7 (July 1995): 595-605.

Carlip, Steven.“Spontaneous Dimensional Reduction?”In The Sixth International School on Field Theory and Gravitation, edited by Waldyr Alves Rodrigues Jr., Richard Kerner, Gentil O.Pires, and Carlos Pinheiro, 63-72.AIP Conference Proceedings 1483.Melville, NY: American Institute of Physics, 2012.

Carroll, Sean M.“In What Sense Is the Early Universe Fine-Tuned?”arXiv .org, June 11, 2014.

——.Opening talk at Setting Time Aright, conference of the Foundational Questions Institute, Bergen, Norway, and Copenhagen, Denmark, August 27- September 1, 2011.

——.Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity.San Francisco: Addison-Wesley, 2004.

Casey, Edward S.The Fate of Place: A Philosophical History.Berkeley: University of California Press, 1997.

Castellani, Elena.“Dirac on Gauges and Constraints.”International Journal of Theoretical Physics 43, no.6 (June 2004): 1503-14.

Chambers, R.G.“Shift of an Electron Interference Pattern by Enclosed Magnetic Flux.”Physical Review Letters 5, no.1 (July 1, 1960): 3-5.

Chew, Geoffrey F.“The Dubious Role of the Space-Time Continuum in Subatomic Physics.”Science Progress 51, no.204 (October 1963): 529-39.

——.“‘Bootstrap’: A Scientifi c Idea?”Science 161, no.3843 (August 23, 1968):762-65.

Clifton, Robert K., and Hans P.Halvorson.“Entanglement and Open Systems in Algebraic Quantum Field Theory.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 32, no.1 (March 2001): 1-31.

Clifton, Robert K., D.V.Feldman, Hans P.Halvorson, Michael Redhead, and Alexander Wilce.“Superentangled States.”Physical Review A 58, no.1 (July 1, 1998):135-45.

Coleman, Sidney.“Why There Is Nothing Rather Than Something: A Theory of the Cosmological Constant.”Nuclear Physics B 310, nos.3-4 (December 12, 1988): 643-68.

Collins, Harry M., and Trevor J.Pinch.Frames of Meaning: The Social Construction of Extraordinary Science.London: Routledge and Kegan Paul, 1982.

Copenhaver, Brian P.“Natu ral Magic, Hermetism, and Occultism in Early Modern Science.”In Reappraisals of the Scientific Revolution, edited by David C.Lindberg and Robert S.Westman, 261-301.New York: Cambridge University Press, 1990.

Cornford, F.M.“The Invention of Space.”In The Concepts of Space and Time: Their Structure and Their Development, edited by Milič Čapek, 3-16.Boston Studies in the Philosophy of Science 22.New York: Springer, 1976.

Cramer, John G.“The Quantum Handshake.”The Alternate View, Analog Science Fiction and Fact, November 1986.

Craps, Ben, Savdeep Sethi, and Erik P.Verlinde.“A Matrix Big Bang.”Journal of High Energy Physics 10, no.1 (October 2005).

Cushing, James T.“Locality/Separability: Is This Necessarily a Useful Distinction?”PSA: Proceedings of the Biennial Meeting of the Philosophy of Science Association 1994.Vol.1, Contributed Papers, 107-16.Chicago: University of Chicago Press, 1994.

——.Quantum Mechanics: Historical Contingency and the Copenhagen Hegemony.Chicago: University of Chicago Press, 1994.

——.Theory Construction and Selection in Modern Physics: The S Matrix.New York: Cambridge University Press, 1990.

Cushing, James T., and Ernan McMullin, eds.Philosophical Consequences of Quantum Theory: Reflections on Bell’s Theorem.Notre Dame, IN: University of Notre Dame Press, 1989.

Davies, Paul C.W., and J.R.Brown.The Ghost in the Atom: A Discussion of the Mysteries of Quantum Physics.New York: Cambridge University Press, 1986.Reprint, 1993.

Davis, Tamara M., and Charles H.Lineweaver.“Expanding Confusion: Common Misconceptions of Cosmological Horizons and the Superluminal Expansion of the Universe.”Publications of the Astronomical Society of Australia 21, no.1 (2004): 97-109.

de Haas-Lorentz, Geertruida Luberta.H.A.Lorentz: Impressions of His Life and Work.Amsterdam: North Holland Publishing, 1957.

de Muynck, Willem M.“Can We Escape From Bell’s Conclusion That Quantum Mechanics Describes a Non-Local Reality?”Studies in History and Philosophy of Science Part B 27, no.3 (September 1996): 315-30.

Descartes, René.Principles of Philosophy.Translated by Valentine Rodger Miller and Reese P.Miller.New York: Springer, 1984.

——.The Philosophical Writings of Descartes.Vol.3, The Correspondence.Translated by John Cottingham, Robert Stoothoff, and Dugald Murdoch.New York:Cambridge University Press, 1991.

d’Espagnat, Bernard.“The Quantum Theory and Reality.”Scientific American, November 1979.

DeWitt, Bryce S.“Quantum Mechanics and Reality.”Physics Today 23, no.9 (September 1970): 155-65.

Dickens, Charles.The Personal History of David Copperfield.Edited by Trevor Blount, New York: Penguin Classics, 1966.

Dickson, Michael.Quantum Chance and Non-Locality: Probability and Non-Locality in the Interpretations of Quantum Mechanics.Cambridge: Cambridge University Press, 1998.

Dijksterhuis, E.J.The Mechanization of the World Picture: Pythagoras to Newton.Translated by C.Dikshoorn.Prince ton, NJ: Princeton University Press, 1986.

Dirac, Paul Adrien Maurice.“Classical Theory of Radiating Electrons.”Proceedings of the Royal Society A: Mathematical and Physical Sciences 167, no.929 (August 5, 1938):148-69.

——.“Quantised Singularities in the Electromagnetic Field.”Proceedings of the Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences 133, no.821 (September 1, 1931): 60-72.

——.“The Evolution of the Physicist’s Picture of Nature.”Scientific American, May 1963, 45-53.

Dobbs, B.J.T.“Newton’s Alchemy and His Theory of Matter.”Isis 73, no.4 (December 1982): 511-28.

Doran, Barbara Giusti.“Origins and Consolidation of Field Theory in Nineteenth-Century Britain: From the Mechanical to the Electromagnetic View of Nature.”Historical Studies in the Physical Sciences 6 (1975): 133-260.

Dowker, Fay.“Causal Sets and the Deep Structure of Spacetime.”In One Hundred Years of Relativity: Space-Time Structure; Einstein and Beyond, edited by Abhay Ashtekar, 445-64.Hackensack, NJ: World Scientific, 2005.

Dreyer, Olaf.“The World Is Discrete.”arXiv .org, July 23, 2013.

Duff, Michael J.“The Theory Formerly Known as Strings.”Scientific American, February 1998.

Duncan, Anthony.The Conceptual Framework of Quantum Field Theory.New York:Oxford University Press, 2012.

Earman, John.“Locality, Nonlocality, and Action at a Distance: A Skeptical Review of Some Philosophical Dogmas.”In Kelvin’s Baltimore Lectures and Modern Theoretical Physics: Historical and Philosophical Perspectives, edited by Robert Kargon and Peter Achinstein, 449-90.Cambridge, MA: The MIT Press, 1987.

——.A Primer on Determinism.Boston: Kluwer Academic Publishers, 1986.

——.“Recent Work on Time Travel.”In Time’s Arrows Today: Recent Physical and Philosophical Work on the Direction of Time, edited by Steven F.Savitt, 268-310.New York: Cambridge University Press, 1995.

——.World Enough and Space-Time: Absolute Versus Rational Theories of Space and Time.Cambridge, MA: The MIT Press, 1989.

Easther, Richard, Raphael Flauger, Paul McFadden, and Kostas Skenderis.“Constraining Holographic Infl ation with WMAP.”Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, no.9 (September 2011).

Ehlers, Jürgen.“The Nature and Structure of Spacetime.”In The Physicist’s Conception of Nature, edited by Jagdish Mehra, 71-91.Boston: D.Reidel Publishing Company, 1973.

Einstein, Albert.“Autobiographical Notes.”In Albert Einstein, Philosopher-Scientist, edited by Paul Arthur Schilpp.New York: MJF Books, 1949.

——.Einstein’s Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face of Physics.Edited by John Stachel.Prince ton, NJ: Princeton University Press, 1998.

——.Letter to Erwin Schrödinger, June 19, 1935, Old Lyme, CT.Einstein Archives Online, EA 22——47.

——.Letter to Paul Epstein, November 10, 1945, Prince ton, NJ, EA 10-583.

——.Letters to Solovine: 1906-1955. New York: Philosophical Library, 1987.Reprint, New York: Open Road, 2011.

——.The Meaning of Relativity. Translated by Edwin Plimpton Adams.5th ed.Prince ton, NJ: Prince ton University Press, 2005.First published 1922.

——.“On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transformation of Light.”In Stachel, Einstein’s Miraculous Year, 177-98.

——.“On the Electrodynamics of Moving Bodies.”In Stachel, Einstein’s Miraculous Year, 121-60.

——.“On the Quantum Theory of Radiation.”In Sources of Quantum Mechanics, edited by B.L.van der Waerden, 63-77.Mineola, NY: Dover Publications, 2007.First published 1967.

——.“Physics and Reality.”Journal of the Franklin Institute 221, no.3 (March 1936): 349-82.

——.“Quanten-Mechanik Und Wirklichkeit.”Dialectica 2, nos.3-4 (November 1948): 320-24.

——.“Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung.”Physikalische Zeitschrift 10, no.22 (1909): 817-25.

——.“Über die vom Relativitätsprinzip geforderte Trägheit der Energie.”Annalen Der Physik 328, no.7 (1907): 371-84.

Einstein, Albert, and Nathan Rosen.“The Particle Prob lem in the General Theory of Relativity.”Physical Review 48, no.1 (July 1935): 73-77.

Einstein, Albert, Boris Podolsky, and Nathan Rosen.“Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”Physical Review 47, no.10 (May 15, 1935): 777-80.

Ekert, Artur K.“Quantum Cryptography Based on Bell’s Theorem.”Physical Review Letters 67, no.6 (August 5, 1991): 661-63.

Erler, Theodore G., and David J.Gross.“Locality, Causality, and an Initial Value Formulation for Open String Field Theory.”arXiv .org, June 22, 2004.

Faraday, Michael.Experimental Researches in Chemistry and Physics.London, 1859.

——.Experimental Researches in Electricity.Vol.1.London, 1839.

——.Experimental Researches in Electricity.Vol.2.London, 1844.

——.Experimental Researches in Electricity.Vol.3.London, 1855.

Fernbach, Philip M., Todd Rogers, Craig R.Fox, and Steven A.Sloman.“Political Extremism Is Supported by an Illusion of Understanding.”Psychological Science 24, no.6 (June 7, 2013): 939-46.

Feynman, Richard P.QED: The Strange Theory of Light and Matter.Princeton, NJ:Prince ton University Press, 1986.

——.The Character of Physical Law.Cambridge, MA: The MIT Press, 1967.

——.“Surely You’re Joking, Mr.Feynman!”: Adventures of a Curious Character.New York: W.W.Norton, 1985.Reprint, 1997.

Fine, Arthur.“Do Correlations Need to Be Explained?”In Cushing and McMullin, Philosophical Consequences of Quantum Theory, 175-94.

——.The Shaky Game: Einstein, Realism, and the Quantum Theory.2nd ed.Chicago: University of Chicago Press, 1996.

Finkelstein, David Ritz.“Space-Time Code.”Physical Review 184, no.5 (August 25, 1969): 1261-71.

Fletcher, Neville H.“Nonlinear Dynamics and Chaos in Musical Instruments.”In Complex Systems: From Biology to Computation, edited by David G.Green and Terry Bossomaier, 106-17.Amsterdam: IOS Press, 1993.

Forman, Paul.“Weimar Culture, Causality, and Quantum Theory, 1918-1927:Adaptation by German Physicists and Mathematicians to a Hostile Intellectual Environment.”Historical Studies in the Physical Sciences 3 (1971): 1-115.

Franson, J.D.“Generation of Entanglement Outside of the Light Cone.”Journal of Modern Optics 55, no.13 (July 20, 2008): 2117-40.

Fraser, Doreen.“The Fate of‘Particles’in Quantum Field Theories with Interactions.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 39, no.4 (November 2008): 841-59.

Frazer, James George.The Golden Bough: A Study in Magic and Religion.Part Ⅰ: The Magic Art and the Evolution of Kings.3rd ed.Vol.1.New York: Macmillan, 1913.

Freire, Olival, Jr.The Quantum Dissidents: Rebuilding the Foundations of Quantum Mechanics (1950-1990).New York: Springer, 2015.

Friedman, John, Michael S.Morris, Igor Dmitrievich Novikov, Fernando Echeverria, Gunnar Klinkhammer, Kip S.Thorne, and Ulvi Yurtsever.“Cauchy Prob lem in Spacetimes with Closed Timelike Curves.”Physical Review D 42, no.6 (September 15, 1990): 1915-30.

Friedman, Michael.Introduction to Metaphysical Foundations of Natu ral Science, by Immanuel Kant, vii-xxx.Translated by Michael Friedman.New York: Cambridge University Press, 2004.

Frisch, Mathias.“Inconsistency in Classical Electrodynamics.”Philosophy of Science 71, no.4 (October 2004): 525-49.

——.“Non-Locality in Classical Electrodynamics.”The British Journal for the Philosophy of Science 53 (2002): 1-19.

Gale, George.“Leibniz and Some Aspects of Field Dynamics.”Studia Leibnitiana 6, no.1 (1974): 28-48.

Galilei, Galileo.Dialogue Concerning the Two Chief World Systems, Ptolemaic and Copernican.Translated by Stillman Drake.Berkeley: University of California Press, 1953.Reprint, New York: Modern Library, 2001.

Galvez, Enrique.Correlated-Photon Experiments for Undergraduate Labs.Unpublished handbook, Colgate University, March 31, 2010.

Garber, Daniel.Descartes’Metaphysical Physics.Chicago: University of Chicago Press, 1992.

Gell-Mann, Murray.The Quark and the Jaguar: Adventures in the Simple and the Complex.New York: W.H.Freeman and Com pany, 1994.Reprint, New York: Henry Holt and Company, 1995.

Gell-Mann, Murray, and James B.Hartle.“Quantum Mechanics in the Light of Quantum Cosmology.”In Proceedings of the Third International Symposium Foundations of Quantum Mechanics in the Light of New Technology, Tokyo, August 28- 31, 1989, edited by Shun’ichi Kobayashi and Nihon Butsuri Gakkai, 321-43.Tokyo: Physical Society of Japan, 1990.

Gibbons, Gary W.“Black Holes and Information.”Bits, Branes, Black Holes, Santa Barbara, CA, March 26, 2012.

Giddings, Steven B.“Black Holes, Quantum Information, and Unitary Evolution.”Physical Review D 85, no.12 (June 27, 2012).

Giddings, Steven B., Donald Marolf, and James B.Hartle.“Observables in Effective Gravity.”Physical Review D 74, no.6 (September 18, 2006).

Gilbert, William.On the Magnet.Translated by Silvanus P.Thompson.London:Chiswick Press, 1900.

Gilder, Louisa.The Age of Entanglement: When Quantum Physics Was Reborn.New York: Alfred A.Knopf, 2008.

Gisin, Nicolas.“Can Relativity Be Considered Complete? From Newtonian Nonlocality to Quantum Nonlocality and Beyond.”arXiv .org, December 20, 2005.

Goodrick-Clarke, Nicholas.The Western Esoteric Traditions: A Historical Introduction.New York: Oxford University Press, 2008.

Gorelik, Gennadiĭ E.“Matvei Bronstein and Quantum Gravity: 70th Anniversary of the Unsolved Prob lem.”Physics-Uspekhi 48, no.10 (2005): 1039-53.

Goss, W.M., and R.X.McGee.“The Discovery of the Radio Source Sagittarius A (Sgr A).”In The Galactic Center, edited by Roland Gredel, 369-79.Astronomical Society of the Pacific Conference Series 102.San Francisco: Astronomical Society of the Pacific, 1996.

Gödel, Kurt.“A Remark About the Relationship Between Relativity Theory and Idealistic Philosophy.”In Schilpp, Albert Einstein, Philosopher-Scientist, 555-62.

Greenberger, Daniel M., Michael A.Horne, Abner Shimony, and Anton Zeilinger.“Bell’s Theorem Without Inequalities.”American Journal of Physics 58, no.12 (December 1990): 1131-43.

Greenblatt, Stephen.“The Answer Man.”The New Yorker, August 11, 2011.

Greene, Brian.The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality.New York: Vintage Books, 2005.

Gribbin, John.“The Man Who Proved Einstein Was Wrong.”New Scientist, no.1744, November 24, 1990.

Griffi ths, Robert B.“EPR, Bell, and Quantum Locality.”American Journal of Physics 79, no.9 (September 2011): 954-65.

——.“Quantum Locality.”Foundations of Physics 41, no.4 (April 2011): 705-33.

Grim, Patrick.“Free Will in Context: A Contemporary Philosophical Perspective.”Behavioral Sciences and the Law 25, no.2 (March/April 2007): 183-201.

Gross, David J.“Einstein and the Search for Unifi cation.”Current Science 89, no.12 (December 25, 2005): 2035-40.

——.“Twenty Five Years of Asymptotic Freedom.”Nuclear Physics B——Proceedings Supplements 74, no.1 (March 1999): 426-46.

Grünbaum, Adolf.Modern Science and Zeno’s Paradoxes.Middletown, CT: Wesleyan University Press, 1967.

Guth, Alan H., and Paul J.Steinhardt.“The Inflationary Universe.”Scientific American, May 1984.

Guthrie, W.K.C.A History of Greek Philosophy.Vol.1, The Earlier Presocratics and the Pythagoreans.Cambridge: Cambridge University Press, 1962.Reprint, 1979.

——.A History of Greek Philosophy.Vol.2, The Presocratic Tradition From Parmenides to Democritus.Cambridge: Cambridge University Press, 1965.Reprint, 1979.

Hall, Michael J.W.“Relaxed Bell Inequalities and Kochen-Specker Theorems.”Physical Review A 84 (August 2, 2011).

Halvorson, Hans P.“Algebraic Quantum Field Theory.”In Philosophy of Physics, edited by Jeremy Butterfi eld and John Earman, Part A, 731-864.Amsterdam: North Holland, 2007.

——.“Locality, Localization, and the Particle Concept: Topics in the Foundations of Quantum Field Theory,”PhD diss., University of Pittsburgh, 2001.

Halvorson, Hans P., and Robert K.Clifton.“No Place for Particles in Relativistic Quantum Theories?”Philosophy of Science 69, no.1 (March 2002): 1-28.

Hamma, Alioscia, and Fotini Markopoulou.“Background-Independent Condensed Matter Models for Quantum Gravity.”New Journal of Physics 13, no.9 (September 2011).

Hanegraaff, Wouter J.“The New Age Movement and the Esoteric Tradition.”In Gnosis and Hermeticism from Antiquity to Modern Times, edited by Roelof van den Broek and Wouter J.Hanegraaff, 359-82.Albany: State University of New York Press, 1998.

Haroche, Serge, and Jean-Michel Raimond.Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons.New York: Oxford University Press, 2006.

Harrison, Edward.Cosmology: The Science of the Universe.2nd ed.New York:Cambridge University Press, 2000.

Hashimoto, Akikazu, and N.Itzhaki.“Traveling Faster Than the Speed of Light in Noncommutative Geometry.”Physical Review D 63, no.12 (May 21, 2001).

Hatfield, Brian.Quantum Field Theory of Point Particles and Strings.Boulder, CO:Westview Press, 1992.

Hawking, Stephen W.“Black Holes and Thermodynamics.”Physical Review D 13, no.2 (January 15, 1976): 191-97.

——.“Information Loss in Black Holes.”Physical Review D 72, no.8 (October 18, 2005).

He, Guang Ping.“Simple Quantum Protocols for the Millionaire Prob lem with a Semi-Honest Third Party.”International Journal of Quantum Information 11, no.2 (March 2013).

Healey, Richard A.Gauging What’s Real: The Conceptual Foundations of Contemporary Gauge Theories.New York: Oxford University Press, 2007.

——.“Holism and Nonseparability.”The Journal of Philosophy 88, no.8 (August 1991): 393-421.

——.“New Thoughts on Yang-Mills Theories.”Workshop on the Foundations of Gauge Theories, University of California, Irvine, March 21-23, 2014.

Heemskerk, Idse, Joao Penedones, Joseph Polchinski, and James Sully.“Holography from Conformal Field Theory.”Journal of High Energy Physics 2009, no.10 (October 2009).

Hegerfeldt, Gerard C.“Violation of Causality in Relativistic Quantum Theory?”Physical Review Letters 54, no.22 (June 3, 1985): 2395-98.

Heller, Michael.“Where Physics Meets Metaphysics.”In On Space and Time, edited by Shahn Majid, 238-77.New York: Cambridge University Press, 2008.

Heller, Michael, and Wieslaw Sasin.“Einstein-Podolski-Rosen Experiment from Noncommutative Quantum Gravity.”In Particles, Fields, and Gravitation, edited by Jakub Remblienski, 234-41.AIP Conference Proceedings 453.Woodbury, NY: American Institute of Physics, 1998.

——.“Emergence of Time.”Physics Letters A 250, no.1 (1998): 48-54.

——.“Nonlocal Phenomena From Noncommutative Pre-Planckian Regime.”arXiv.org, June 17, 1999.

Henry, John.“Gravity and De Gravitatione: The Development of Newton’s Ideas on Action at a Distance.”Studies in History and Philosophy of Science Part A 42, no.1 (2011):11-27.

——.“Occult Qualities and the Experimental Philosophy: Active Principles in Pre-Newtonian Matter Theory.”History of Science 24 (1986): 335-81.

——.“‘Pray Do Not Ascribe That Notion to Me’: God and Newton’s Gravity.”In The Books of Nature and Scripture: Recent Essays on Natural Philosophy, Theology, and Biblical Criticism in the Netherlands of Spinoza’s Time and the British Isles of Newton’s Time, edited by James E.Force and Richard Henry Popkin, 123-47.International Archives of the History of Ideas 139.Boston: Kluwer Academic Publishers, 1994.

——.The Scientific Revolution and the Origins of Modern Science.2nd ed.New York: Palgrave Macmillan, 2002.

Henson, Joe.“The Causal Set Approach to Quantum Gravity.”In Oriti, Approaches to Quantum Gravity, 393-413.

Hertz, Heinrich.Miscellaneous Papers.Edited by Philipp Lenard.Translated by Daniel Evan Jones and G.A.Schott.New York: Macmillan, 1896.

Hesse, Mary B.Forces and Fields: The Concept of Action at a Distance in the History of Physics.New York: Thomas Nelson, 1961.Reprint, Mineola, NY: Dover Publications, 2005.

Holbrow, C.H., Enrique Galvez, and M.E.Parks.“Photon Quantum Mechanics and Beam Splitters.”American Journal of Physics 70, no.3 (March 2002): 260-65.

Horowitz, Gary T., and Joseph Polchinski.“Gauge/Gravity Duality.”In Oriti, Approaches to Quantum Gravity, 169-86.

Horowitz, Gary T., Albion Lawrence, and Eva Silverstein.“Insightful D-Branes.”Journal of High Energy Physics, no.7 (July 2009).

Horwich, Paul.Asymmetries in Time: Problems in the Philosophy of Science.Cambridge, MA: The MIT Press, 1987.

Howard, Don.“Albert Einstein as a Philosopher of Science.”Physics Today 58, no.12 (December 2005): 34-40.

——.“Einstein on Locality and Separability.”Studies in History and Philosophy of Science Part A 16, no.3 (September 1985): 171-201.

——.“Holism, Separability, and the Metaphysical Implications of the Bell Experiments.”In Cushing and McMullin, Philosophical Consequences of Quantum Theory, 224-53.

——.“‘Nicht Sein Kann Was Nicht Sein Darf,’or the Prehistory of EPR, 1909-1935: Einstein’s Early Worries About the Quantum Mechanics of Composite Systems.”In Sixty-Two Years of Uncertainty: Historical, Philosophical, and Physical Inquiries Into the Foundations of Quantum Mechanics, edited by Arthur I.Miller, 61-111.New York: Plenum Press, 1990.

——.“A Peek Behind the Veil of Maya.”In The Cosmos of Science: Essays of Exploration, edited by John Earman and John D.Norton, 87-150.Pittsburgh: University of Pittsburgh Press, 1997.

——.“Revisiting the Einstein-Bohr Dialogue.”Iyyun: The Jerusalem Philosophical Quarterly 56 (January 2007): 57-90.

——.“The Shaky Game: Einstein, Realism, and the Quantum Theory by Arthur Fine.”Synthese 86, no.1 (January 1991): 123-41.

Huggett, Nick.“Zeno’s Paradoxes.”Stanford Encyclopedia of Philosophy, October 15, 2010.

Hume, David.Of the Understanding.Book 1 of A Treatise of Human Nature.Edited by L.A.Selby-Bigge.Oxford: Clarendon Press, 1888.

Hunt, Bruce J.The Maxwellians.Ithaca, NY: Cornell University Press, 1991.Reprint, 2005.

Hutchison, Keith.“What Happened to Occult Qualities in the Scientifi c Revolution?”Isis 73, no.2 (June 1, 1982): 233-53.

Isaacson, Walter.Einstein: His Life and Universe.New York: Simon and Schuster, 2007.

Ismael, Jenann.“Decision and the Open Future.”In The Future of the Philosophy of Time, edited by Adrian Bardon, 149-68.London: Routledge, 2011.

——.“What Entanglement Might Be Telling Us.”Paper presented at the 46th Chapel Hill Colloquium in Philosophy, Chapel Hill, NC, November 2-4, 2012.

Jackson, John David.Classical Electrodynamics.2nd ed.New York: John Wiley and Sons, 1975.

Jacobson, Ted.“Introduction to Quantum Fields in Curved Spacetime and the Hawking Effect.”In Lectures on Quantum Gravity, edited by Andrés Gomber off and Donald Marolf, 39-89.Series of the Centro De Estudios Científi cos.New York: Springer, 2005.

James, William.The Will to Believe: And Other Essays in Popular Philosophy.New York, 1897.

Jammer, Max.Concepts of Force: A Study in the Foundations of Dynamics.Cambridge, MA: Harvard University Press, 1957.Reprint, Mineola, NY: Dover Publications, 1999.

——.Concepts of Space: The History of Theories of Space in Physics.Foreword by Albert Einstein.3rd, enlarged ed.Mineola, NY: Dover Publications, 1993.First published 1954.

——.The Philosophy of Quantum Mechanics: The Interpretations of Quantum Mechanics in Historical Perspective.New York: John Wiley and Sons, 1974.

Janiak, Andrew.Newton as Philosopher.New York: Cambridge University Press, 2008.

Jennewein, Thomas, Christoph Simon, Gregor Weihs, Harald Weinfurter, and Anton Zeilinger.“Quantum Cryptography with Entangled Photons.”Physical Review Letters 84, no.20 (May 15, 2000).

Jensen, Kristan, and Andreas Karch.“Holographic Dual of an Einstein-Podolsky-Rosen Pair Has a Wormhole.”Physical Review Letters 111, no.21 (November 21, 2013).

Johnson, George.“A Passion for Physical Realms, Minute and Massive.”The New York Times, February 20, 2001.

Johnson, Steven.Where Good Ideas Come From: The Natural History of Innovation.New York: Riverhead Books, 2010.

Jones, Martin R., and Robert K.Clifton.“Against Experimental Metaphysics.”Midwest Studies in Philosophy 18, no.1 (September 1993): 295-316.

Kafatos, Menas, and Robert Nadeau.The Conscious Universe: Part and Whole in Modern Physical Theory.New York: Springer, 1990.

Kahneman, Daniel.Thinking, Fast and Slow.New York: Farrar, Straus and Giroux, 2011.

Kaiser, David.Drawing Theories Apart: The Dispersion of Feynman Diagrams in Postwar Physics.Chicago: University of Chicago Press, 2005.

——.How the Hippies Saved Physics: Science, Counterculture, and the Quantum Revival.New York: W.W.Norton, 2011.

Kant, Immanuel.Critique of Pure Reason.Edited by Vasilis Politis.London: J.M.Dent, 1993.

——.Metaphysical Foundations of Natu ral Science.Translated by Michael Friedman.New York: Cambridge University Press, 2004.

Kaplan, Marc.“Winners of the Young Researchers Competition in Physics Announced.”Press release, Science and Ultimate Reality, meeting in honor of John Wheeler, Prince ton, NJ, March 21, 2002.

Kaplunovsky, Vadim, and Marvin Weinstein.“Space-Time: Arena or Illusion?”Physical Review D 31, no.8 (April 15, 1985): 1879-98.

Kavli Institute of Theoretical Physics.Bits, Branes, Black Holes, program, Santa Barbara, CA, March 19- May 25, 2012.

Kearney, Hugh.Science and Change, 1500- 1700.New York: McGraw-Hill, 1971.

Kepler, Johannes.New Astronomy.Translated by William H.Donahue.New York:Cambridge University Press, 1992.

Kipnis, Naum.“Luigi Galvani and the Debate on Animal Electricity, 1791-1800.”Annals of Science 44, no.2 (March 1987): 107-42.

Klein, Martin J.“Einstein and the Wave-Particle Duality.”The Natural Philosopher 3 (1964): 3-49.

Kochiras, Hylarie.“Gravity and Newton’s Substance Counting Prob lem.”Studies in History and Philosophy of Science Part A 40 (September 2009): 267-80.

Koestler, Arthur.The Watershed: A Biography of Johannes Kepler.New York: Anchor Books, 1960.

Konopka, Tomasz, Fotini Markopoulou, and Simone Severini.“Quantum Graphity: A Model of Emergent Locality.”Physical Review D 77, no.10 (May 27, 2008).

Kucha, Karel V.“Time and Interpretations of Quantum Gravity.”In General Relativity and Relativistic Astrophysics: The 4th Canadian Conference, Winnipeg, Manitoba, Canada, 16- 18 May 1991, edited by Gabor Kunstatter, Dwight E.Vincent, and Jeff G.Williams.Hackensack, NJ: World Scientific, 1992.

Kuehn, Manfred.Kant: A Biography.New York: Cambridge University Press, 2001.

Kuhlmann, Meinard.“What Is Real?”Scientific American, August 2013, 40-47.

Kuhn, Thomas S.The Copernican Revolution: Planetary Astronomy in the Development of Western Thought.Cambridge, MA: Harvard University Press, 1957.

——.The Structure of Scientific Revolutions.Chicago: University of Chicago Press, 1962.

Lam, Vincent.“Structural Aspects of Space-Time Singularities.”In The Ontology of Spacetime Ⅱ, edited by Dennis Dieks, 111-31.Philosophy and Foundations of Physics 4.New York: Elsevier, 2008.

Landsman, N.P.“When Champions Meet: Rethinking the Bohr-Einstein Debate.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 37, no.1 (March 2006): 212-42.

Lange, Marc.An Introduction to the Philosophy of Physics: Locality, Fields, Energy, and Mass.Malden, MA: Blackwell Publishing, 2002.

Langevin, Paul.“L’évolution de l’espace et du temps.”Scientia 10 (1911): 31-54.

Lapkiewicz, Radek, Peizhe Li, Christoph Schaeff, Nathan K.Langford, Sven Ramelow, Marcin Wieśniak, and Anton Zeilinger.“Experimental Non-Classicality of an Indivisible Quantum System.”Nature 474, no.7352 (June 23, 2011): 490-93.

Laudisa, Federico.“Non-Local Realistic Theories and the Scope of the Bell Theorem.”Foundations of Physics 38, no.12 (December 2008): 1110-32.

Lefschetz, Solomon.Introduction to Topology.Prince ton, NJ: Princeton University Press, 1949.

Leibniz, Gottfried Wilhelm.New Essays on Human Understanding.Abridged ed.Translated and edited by Peter Remnant and Jonathan Bennett.New York: Cambridge University Press, 1982.

——.Philosophical Papers and Letters: A Selection.Edited and translated by Leroy E.Loemker.Vol.1.Chicago: University of Chicago Press, 1956.

——.Philosophical Papers and Letters: A Selection.Edited and translated by Leroy E.Loemker.2nd ed.Vol.2.Boston: Kluwer Academic Publishers, 1989.

Leucippus and Democritus.The Atomists: Leucippus and Democritus; Fragments.Translated by Christopher C.W.Taylor.Toronto: University of Toronto Press, 1999.

Liberati, Stefano, Sebastiano Sonego, and Matt Visser.“Faster-Than-C Signals, Special Relativity, and Causality.”Annals of Physics 298, no.1 (May 25, 2002): 167-85.

Lieb, Elliott H., and Derek W.Robinson.“The Finite Group Velocity of Quantum Spin Systems.”Communications in Mathematical Physics 28, no.3 (September 1972): 251-57.

Lightman, Alan P.“Magic on the Mind: Physicists’Use of Metaphor.”The American Scholar 58, no.1 (Winter 1989): 97-101.

Lightman, Alan P., and Roberta Brawer.Origins: The Lives and Worlds of Modern Cosmologists.Cambridge, MA: Harvard University Press, 1990.

Lincoln, Don.“Proving Special Relativity: Episode 2.”Physics in a Nutshell, Fermilab Today, April 4, 2014.

List, Christian.“Free Will, Determinism, and the Possibility of Doing Otherwise.” 48, no.1 (March 2014): 156-78.

Lloyd, Geoffrey Ernest Richard.Early Greek Science: Thales to Aristotle.London:Chatto and Windus, 1970.Reprint, New York: W.W.Norton, 1974.

Lodge, Oliver.Modern Views of Electricity.London, 1889.

Loll, Renate, Jan Ambjørn, and Jerzy Jurkiewicz.“The Universe from Scratch.”Contemporary Physics 47, no.2 (March 2006): 103-17.

Lowe, David A., Joseph Polchinski, Leonard Susskind, Lárus Thorlacius, and John Uglum.“Black Hole Complementarity Versus Locality.”Physical Review D 52, no.12 (December 15, 1995): 6997-7012.

Lucretius.The Nature of Things.Translated by A.E.Stallings, New York: Penguin Classics, 2007.

Lyre, Holger.“Holism and Structuralism in U(1) Gauge Theory.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 35, no.4 (December 2004): 643-70.

Macchetto, F.Duccio, and Mark Dickinson.“Galaxies in the Young Universe.”Scientific American (May 1997): 92-99.

Mach, Ernst.History and Root of the Principle of the Conservation of Energy.Translated by Philip E.B.Jourdain.Chicago: Open Court Publishing, 1911.

——.The Science of Mechanics: A Critical and Historical Account of Its Development.Translated by Thomas J.McCormack.4th ed.Chicago: Open Court Publishing, 1919.First published 1893.

Malament, David B.“In Defense of Dogma: Why There Cannot Be a Relativistic Quantum Mechanics of (Localizable) Particles.”In Perspectives on Quantum Reality: Non-Relativistic, Relativistic, and Field-Theoretic, edited by Rob Clifton, 1-10.Boston: Kluwer Academic Publishers, 1996.

Maldacena, Juan, and Leonard Susskind.“Cool Horizons for Entangled Black Holes.”Fortschritte Der Physik 61, no.9 (September 2013): 781-811.

Mandelstam, Stanley.“Quantum Electrodynamics Without Potentials.”Annals of Physics 19, no.1 (July 1962): 1-24.

Mangano, Michelangelo L., and Stephen J.Parke.“Multi-Parton Amplitudes in Gauge Theories.”Physics Reports 200, no.6 (February 1991): 301-67.

Markopoulou, Fotini.“Space Does Not Exist, So Time Can.”arXiv .org, September 10, 2009.

Markopoulou, Fotini, and Robert Lawrence Kuhn.“Why Is the Universe So Breathtaking?”Webcast, Closer to Truth, produced by the Kuhn Foundation, August 15, 2013.

Markopoulou, Fotini, and Lee Smolin.“Causal Evolution of Spin Networks.”Nuclear Physics B 508, nos.1-2 (December 22, 1997): 409-30.

——.“Disordered Locality in Loop Quantum Gravity States.”Classical and Quantum Gravity 24, no.15 (August 7, 2007): 3813-23.

——.“Quantum Theory from Quantum Gravity.”Physical Review D 70, no.12 (December 23, 2004): 124029.

Marolf, Donald.“Discussion: Holography and Unitarity in Black Hole Evaporation,”Bits, Branes, Black Holes, Santa Barbara, CA, April 27, 2012.

——.“Holographic Thought Experiments.”Physical Review D 79, no.2 (January 29, 2009).

——.“Holography Without Strings?”Classical and Quantum Gravity 31, no.1 (January 2014).

——.“Unitarity and Holography in Gravitational Physics.”Physical Review D 79, no.4 (February 9, 2009).

Martinec, Emil J.“Evolving Notions of Geometry in String Theory.”Foundations of Physics 43, no.1 (January 2013): 156-73.

Martinec, Emil J., Daniel Robbins, and Savdeep Sethi.“Toward the End of Time.”Journal of High Energy Physics, no.8 (August 1, 2006).

Mates, Benson.The Philosophy of Leibniz: Metaphysics and Language.New York:Oxford University Press, 1986.

Mathur, Samir D.“The Information Paradox: A Pedagogical Introduction.”Classical and Quantum Gravity 26, no.22 (November 21, 2009).

Matteucci, Giorgio, and Giulio Pozzi.“New Diffraction Experiment on the Electrostatic Aharonov-Bohm Effect.”Physical Review Letters 54, no.23 (June 10, 1985):2469-72.

Mattle, Klaus, Harald Weinfurter, Paul G.Kwiat, and Anton Zeilinger.“Dense Coding in Experimental Quantum Communication.”Physical Review Letters 76, no.25 (June 17, 1996): 4656-59.

Maudlin, Tim.“Buckets of Water and Waves of Space: Why Spacetime Is Probably a Substance.”Philosophy of Science 60, no.2 (June 1993): 183-203.

——.New Foundations for Physical Geometry: The Theory of Linear Structures.New York: Oxford University Press, 2014.

——.“Part and Whole in Quantum Mechanics.”In Interpreting Bodies: Classical and Quantum Objects in Modern Physics, edited by Elena Castellani, 46-60.Prince ton, NJ: Prince ton University Press, 1998.

——.Quantum Non-Locality and Relativity: Metaphysical Intimations of Modern Physics.2nd ed.Malden, MA: Blackwell Publishers, 2002.

——.“Special Relativity and Quantum Entanglement: How Compatible Are They?”Intersectional Symposium: The Concept of Reality in Physics, Dresden, Germany, March 16, 2011.

Maxwell, James Clerk.A Treatise on Electricity and Magnetism.Vol.1.Oxford, 1873.

——.The Scientific Papers of James Clerk Maxwell.Edited by W.D.Niven.Vol.1.New York: Dover Publications, 1965.

——.The Scientific Papers of James Clerk Maxwell.Edited by W.D.Niven.Vol.2.New York: Dover Publications, 1965.

McCormmach, Russell.“Einstein, Lorentz, and the Electron Theory.”Historical Studies in the Physical Sciences 2 (1970): 41-87.

——.“H.A.Lorentz and the Electromagnetic View of Nature.”Isis 61, no.4 (Winter 1970): 459-97.

McFadden, Paul, and Kostas Skenderis.“Observational Signatures of Holographic Models of Inflation.”In The Twelfth Marcel Grossmann Meeting on Recent Developments in Theoretical and Experimental General Relativity, Astrophysics and Relativistic Field Theories, edited by Thibault Damour, Robert T.Jantzen, and Remo Ruffini, 2315-23.Hackensack, NJ: World Scientifi c, 2012.

McGoldrick, Monica, Randy Gerson, and Sueli S.Petry.Genograms: Assessment and Intervention.New York: W.W.Norton, 2008.

McMullin, Ernan.“The Explanation of Distant Action: Historical Notes.”In Cushing and McMullin, Philosophical Consequences of Quantum Theory, 272-302.

——.“The Origins of the Field Concept in Physics.”Physics in Perspective 4, no.1 (February 2002): 13-39.

Mehlberg, Henry.Time, Causality, and the Quantum Theory.Vol.1, Essay on the Causal Theory of Time.Vol.2, Time in a Quantized Universe.Edited by Robert Sonné Cohen.Studies in the Philosophy of Science 19.Boston: Kluwer Academic Publishers, 1980.

Melfos, Vasilios, Bruno Helly, and Panagiotis Voudouris.“The Ancient Greek Names‘Magnesia’and‘Magnetes’and Their Origin from the Magnetite Occurrences at the Mavrovouni Mountain of Thessaly, Central Greece.A Mineralogical- Geochemical Approach.”Archaeological and Anthropological Sciences 3 (2011): 165-72.

Mermin, N.David.“Is the Moon There When Nobody Looks? Reality and the Quantum Theory.”Physics Today 38, no.4 (April 1985): 38-47.

Meschini, Diego, Markku Lehto, and Johanna Piilonen.“Geometry, Pregeometry and Beyond.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 36, no.3 (September 2005): 435-64.

Mielczarek, Jakub.“Asymptotic Silence in Loop Quantum Cosmology.”In Multiverse and Fundamental Cosmology, edited by Mariusz P.Dąbrowski, Adam Balcerzak, and Tomasz Denkiewicz, 81-84.AIP Conference Proceedings 1514.Melville, NY: American Institute of Physics, 2013.

Milburn, Gerard J.The Feynman Processor: Quantum Entanglement and the Computing Revolution.New York: Basic Books, 1998.

Miller, Arthur I.Albert Einstein’s Special Theory of Relativity: Emergence (1905) and Early Interpretation (1905- 1911).New York: Springer, 1997.First published 1981 by Addison-Wesley.

Minkowski, Hermann, with notes by Arnold Sommerfeld.“Raum Und Zeit.”In Das Relativitätsprinzip: Eine Sammlung von Abhandlungen, edited by H.A.Lorentz, Albert Einstein, and Hermann Minkowski, 54-71.Fortschritte Der Mathematischen Wissenschaften in Monographien.Leipzig: Vieweg+Teubner Verlag, 1923.

Mischel, Theodore.“Pragmatic Aspects of Explanation.”Philosophy of Science 33, nos.1-2 (January 1966): 40-80.

Misner, Charles W.“Feynman Quantization of General Relativity.”Reviews of Modern Physics 29, no.3 (July 1957): 497-509.

——.“Mixmaster Universe.”Physical Review Letters 22, no.20 (May 19, 1969):1071-74.

Misner, Charles W., and John Archibald Wheeler.“Classical Physics as Geometry.”Annals of Physics 2, no.6 (December 1957): 525-603.

Misner, Charles W., Kip S.Thorne, and John Archibald Wheeler.Gravitation.San Francisco: W.H.Freeman, 1973.

Mitchell, Edward Page.“The Clock That Went Backward.”In The Time Traveler’s Almanac, edited by Ann Vander Meer and Jeff Vander Meer, 450-59.New York: Tor, 2014.

Mitroff, Ian I.“Norms and Counter-Norms in a Select Group of the Apollo Moon Scientists: A Case Study of the Ambivalence of Scientists.”American Sociological Review 39, no.4 (August 1973): 579-95.

Morong, William, Alexander Ling, and Daniel Oi.“Quantum Optics for Space Platforms.”Optics and Photonics News 23, no.10 (2012): 42-49.

Morus, Iwan Rhys.When Physics Became King.Chicago: University of Chicago Press, 2005.

Musser, George.The Complete Idiot’s Guide to String Theory.New York: Alpha Books, 2008.

——.“Could Time End?”Scientific American, September 2010.

——.“Forces of the World, Unite!”Scientific American, September 2004.

——.“George and John’s Excellent Adventures in Quantum Entanglement.”Observations, Scientific American blog, January 30, 2012.

——.“How to Build the World’s Simplest Particle Detector.”Critical Opalescence, Scientific American blog, October 15, 2012.

——.“How to Build Your Own Quantum Entanglement Experiment, Part 2 (of 2).”Critical Opalescence, February 14, 2013.

——.“What Happens to Google Maps When Tectonic Plates Move?”Critical Opalescence, November 11, 2013.

Nastase, Horatiu.“The RHIC Fireball as a Dual Black Hole.”arXiv .org, January 10, 2005.

Needham, Joseph, and Wang Ling.Science and Civilisation in China.Vol.4, Part 1.Cambridge: Cambridge University Press, 1962.

Nerlich, Graham.The Shape of Space.New York: Cambridge University Press, 1976.

Newstead, Anne G.J.“Aristotle and Modern Mathematical Theories of the Continuum.”In Aristotle and Contemporary Science, edited by Demetra Sfendoni-Mentzou, J.Hattiangadi, and David M.Johnson, 2:113-29.Frankfurt: Peter Lang, 2001.

Newton, Isaac.Isaac Newton: Philosophical Writings.Edited by Andrew Janiak.New York: Cambridge University Press, 2004.

——.The Mathematical Principles of Natu ral Philosophy.2 vols.Translated by Andrew Motte.London, 1803.

Newton, T.D., and Eugene Paul Wigner.“Localized States for Elementary Systems.”Reviews of Modern Physics 21, no.3 (1949): 400-406.

Nikogosyan, D.N.“Beta Barium Borate (BBO).”Applied Physics A: Solids and Surfaces 52, no.6 (1991): 359-68.

Nishioka, Tatsuma, Shinsei Ryu, and Tadashi Takayanagi.“Holographic Entanglement Entropy: An Overview.”Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 42, no.50 (December 2, 2009).

Norton, John D.“Einstein’s Investigations of Galilean Covariant Electrodynamics Prior to 1905.”Archive for History of Exact Sciences 59, no.1 (November 2004): 45-105.

Nozick, Robert.Invariances: The Structure of the Objective World.Cambridge, MA: Belknap Press, 2001.

O’Connell, A.D., M.Hofheinz, M.Ansmann, Radoslaw C.Bialczak, M.Lenander, Erik Lucero, M.Neeley, D.Sank.H.Wang, M.Weides, J.Wenner, John M.Martinis, and A.N.Cleland.“Quantum Ground State and Single-Phonon Control of a Mechanical Resonator.”Nature 464, no.7289 (March 17, 2010): 697-703.

OK Go.“This Too Shall Pass.”YouTube, March 1, 2010.

Oriti, Daniele, ed.Approaches to Quantum Gravity: Toward a New Understanding of Space, Time and Matter.New York: Cambridge University Press, 2009.

Pais, Abraham.Einstein Lived Here.New York: Oxford University Press, 1994.

Pauli, Wolfgang.“The Connection Between Spin and Statistics.”Physical Review 58, no.8 (October 15, 1940): 716-22.

Penrose, Roger.The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe.New York: Alfred A.Knopf, 2005.

Perkins, Ceri, and Sergei Malyukov.“Cables: The‘Blood Vessels’of ATLAS.”ATLAS Experiment,“ATLAS News,”January 2008.

Peskin, Michael E., and Daniel V.Schroeder.An Introduction to Quantum Field Theory.Boulder, CO: Westview Press, 1995.

Pettit, Philip.The Common Mind: An Essay on Psychology, Society, and Politics.New York: Oxford University Press, 1993.

Planck Collaboration.“Planck 2013 Results.XVI.Cosmological Parameters.”Astronomy and Astrophysics 571 (October 29, 2014).

——.“Planck Intermediate Results.XXX.The Angular Power Spectrum of Polarized Dust Emission at Intermediate and High Galactic Latitudes.”Astronomy and Astrophysics (forthcoming).Published electronically September 22, 2014.

Popescu, Sandu.“Bell’s Inequalities and Density Matrices: Revealing‘Hidden’Nonlocality.”Physical Review Letters 74, no.14 (April 3, 1995): 2619-22.

Popper, Karl R.“Bell’s Theorem: A Note on Locality.”In Vol.1 of Microphysical Reality and Quantum Formalism, edited by Alwyn van der Merwe, Franco Selleri, and Gino Tarozzi, 413-17.Proceedings of the Eponymous Conference, Urbino, Italy, September 25- October 3, 1985.Boston: Kluwer Academic Publishers, 1988.

——.Quantum Theory and the Schism in Physics.Vol.3 of The Postscript to the Logic of Scientifi c Discovery, edited by W.W.Bartley Ⅲ.London: Routledge, 1992.

——.“Three Views Concerning Human Knowledge.”Chap.3 in Conjectures and Refutations: The Growth of Scientific Knowledge, 97-119.London: Routledge, 1965.

Powers, Thomas.Heisenberg’s War: The Secret History of the German Bomb.New York: Alfred A.Knopf, 1993.

Prescod-Weinstein, Chanda, and Lee Smolin.“Disordered Locality as an Explanation for the Dark Energy.”Physical Review D 80, no.6 (September 3, 2009).

Price, Huw.Time’s Arrow and Archimedes’Point: New Directions for the Physics of Time.New York: Oxford University Press, 1996.

Prutchi, David, and Shanni R.Prutchi.Exploring Quantum Physics Through Hands-On Projects.Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2012.

Ramsey, Norman F.Spectroscopy with Coherent Radiation: Selected Papers of Norman F.Ramsey.Hackensack, NJ: World Scientific, 1998.

Randall, Lisa, and Raman Sundrum.“A Large Mass Hierarchy from a Small Extra Dimension.”arXiv .org, May 4, 1999.

Rayleigh, Lord.“The Dynamical Theory of Gases and of Radiation.”Nature 72, no.1855 (May 18, 1905): 54-55.

Redhead, Michael.Incompleteness, Nonlocality, and Realism: A Prolegomenon to the Philosophy of Quantum Mechanics.New York: Oxford University Press, 1987.

——.“More Ado About Nothing.”Foundations of Physics 25, no.1 (January 1995): 123-37.

Redner, S.“Citation Statistics from More Than a Century of Physical Review.”arXiv.org, July 27, 2004.

Retzker, Alex, J.I.Cirac, and Benni Reznik.“Detecting Vacuum Entanglement in a Linear Ion Trap.”Physical Review Letters 94, no.5 (February 2005).

Reznik, Benni.“Distillation of Vacuum Entanglement to EPR Pairs.”arXiv.org, August 1, 2000.

Rickles, Dean.“AdS/CFT Duality and the Emergence of Spacetime.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 44, no.3 (2013): 312-20.

——.Symmetry, Structure, and Spacetime.New York: Elsevier, 2008.

Riemann, Bernhard Georg.“On the Hypotheses Which Lie at the Bases of Geometry.”Nature 8, nos.183-84 (May 8, 1873): 14-17, 36-37.

Ritz, Walther.“Recherches critiques sur l’électrodynamique générale.”Annales de chimie et de physique 13 (1908): 145-275.

Rohrlich, Daniel, and Sandu Popescu.“Nonlocality as an Axiom for Quantum Theory.”arXiv .org, August 9, 1995.

Rosenfeld, Léon.“Niels Bohr in the Thirties: Consolidation and Extension of the Conception of Complementarity.”In Niels Bohr: His Life and Work as Seen by His Friends and Colleagues, edited by Stefan Rozental, 114-36.Amsterdam: North Holland, 1967.

Rossi, Paolo.Francis Bacon: From Magic to Science.Translated by Sacha Rabinovitch.Chicago: University of Chicago Press, 1978.

Rovelli, Carlo.“‘Forget Time.’”Essay written for the Foundational Questions Institute Essay Contest, The Nature of Time, August 24, 2008.

——.“Aristotle’s Physics: A Physicist’s Look.”arXiv .org, December 14, 2013.

——.Quantum Gravity.New York: Cambridge University Press, 2004.

Rowling, J.K.Harry Potter and the Sorcerer’s Stone.New York: Scholastic, 1998.

Rozali, Moshe.“Comments on Background Independence and Gauge Redundancies.”arXiv .org, September 23, 2008.

Ruijsenaars, S.N.M.“On Newton-Wigner Localization and Superluminal Propagation Speeds.”Annals of Physics 137, no.1 (November 1981): 33-43.

Saari, Donald G., and Zhihong Xia.“Off to Infi nity in Finite Time.”Notices of the AMS 42, no.5 (May 1995): 538-46.

Sabín, C., J.J.García-Ripoll, E.Solano, and J.León.“Dynamics of Entanglement via Propagating Micro wave Photons.”Physical Review B 81, no.18 (May 2010).

Sachdev, Subir.“Strange and Stringy.”Scientific American, January 2013, 44-51.

Sack, Robert David.“Magic and Space.”Annals of the Association of American Geographers 66, no.2 (1976): 309-21.

Safranski, Rüdiger.Schopenhauer and the Wild Years of Philosophy.Translated by Ewald Osers.London: Weidenfeld and Nicolson, 1989.Reprint, Cambridge, MA: Harvard University Press, 1991.

Saint Thomas Aquinas.The Summa Theologica of Saint Thomas Aquinas.Vol.1.Translated by Fathers of the En glish Dominican Province.Revised by Daniel J.Sullivan.Great Books of the Western World 19.Chicago: Encyclopaedia Britannica, 1952.

Salmon, Wesley C.Causality and Explanation.New York: Oxford University Press, 1998.

Sarovar, Mohan, Akihito Ishizaki, Graham R.Fleming, and K.Birgitta Whaley.“Quantum Entanglement in Photosynthetic Light-Harvesting Complexes.”Nature Physics 6 (April 25, 2010): 462-67.

Schachner, Nat.“Ancestral Voices.”Astounding Stories, December 1933.

Schilpp, Paul Arthur, ed.Albert Einstein: Philosopher-Scientist.The Library of Living Philosophers, Vol.7.Chicago: Northwestern University Press, 1949.Reprint, New York: MJF Books, 2001.

Schlick, Moritz.General Theory of Knowledge.Edited by Herbert Feigl.Translated by Albert E.Blumberg.Chicago: Open Court Publishing Com pany, 2002.

Schlosshauer, Maximilian, Johannes Kofler, and Anton Zeilinger.“A Snapshot of Foundational Attitudes Toward Quantum Mechanics.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 44, no.3 (August 2013): 222-30.

Schmidt, Maarten.“3C 273: A Star-Like Object with Large Red-Shift.”Nature 197, no.4872 (March 16, 1963): 1040.

Schrödinger, Erwin.“Discussion of Probability Relations Between Separated Systems.”Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 31, no.4 (October 1935): 555-63.

——.“On Einstein’s Gas Theory.”Physikalische Zeitschrift 27 (1926): 95-101.

——.“Quantisation as a Problem of Proper Values (Part IV).”In Collected Papers on Wave Mechanics, 3rd (augmented) ed., 102-23.AMS Chelsea Publishing.Providence, RI: American Mathematical Society, 2003.

——.Science and the Human Temperament.Translated by James Murphy.London: George Allen and Unwin, 1935.

Schutz, Bernard.Gravity from the Ground Up: An Introductory Guide to Gravity and General Relativity.New York: Cambridge University Press, 2003.

Schwartz, H.M.“Einstein’s Comprehensive 1907 Essay on Relativity, Part 1.”American Journal of Physics 45, no.6 (June 1977): 512-17.

Schweber, Silvan S.QED and the Men Who Made It: Dyson, Feynman, Schwinger, and Tomonaga.Prince ton, NJ: Prince ton University Press, 1994.

Seiberg, Nathan.“Emergent Spacetime.”In The Quantum Structure of Space and Time: Proceedings of the 23rd Solvay Conference on Physics, Brussels, Belgium, 1-3 December, 2005, edited by David J.Gross, Marc Henneaux, and Alexander Sevrin, 163-78.Hackensack, NJ: World Scientific, 2007.

Sekino, Yasuhiro, and Leonard Susskind.“Fast Scramblers.”Journal of High Energy Physics 2008, no.10 (October 15, 2008).

Shimony, Abner.“Aspects of Nonlocality in Quantum Mechanics.”In Quantum Mechanics at the Crossroads: New Perspectives from History, Philosophy and Physics, edited by James Evans and Alan S.Thorndike, 107-23.New York: Springer, 2007.

——.“Conceptual Foundations of Quantum Mechanics.”In The New Physics, edited by Paul Davies, 373-95.New York: Cambridge University Press, 1989.Reprint, 1992.

Simplicius.On Aristotle’s Physics 6.Ancient Commentators on Aristotle, edited by David Konstan.Ithaca, NY: Cornell University Press, 1989.

Sivers, Derek.“How to Start a Movement.”TED Conference, Long Beach, CA, February 2010.

Slowik, Edward.“The Deep Metaphysics of Quantum Gravity: The Seventeenth Century Legacy and an Alternative Ontology Beyond Substantivalism and Relationism.”Studies in History and Philosophy of Science Part B 44, no.4 (November 2013): 490-99.

——.“The‘Properties’of Leibnizian Space: Whither Relationism?”Intellectual History Review 22, no.1 (March 2012): 107-29.

Smerlak, Matteo, and Carlo Rovelli.“Relational EPR.”Foundations of Physics 37, no.3 (March 2007): 427-45.

Smith, D.Eric, and Duncan K.Foley.“Classical Thermodynamics and Economic General Equilibrium Theory.”Journal of Economic Dynamics and Control 32, no.1 (January 2008): 7-65.

Smolin, Lee.The Life of the Cosmos.New York: Oxford University Press, 1997.

——.“The Case for Background Independence.”In The Structural Foundations of Quantum Gravity, edited by Dean Rickles, Steven French, and Juha T.Saatsi, 196-239.New York: Oxford University Press, 2006.

——.Time Reborn: From the Crisis in Physics to the Future of the Universe.New York: Houghton Miffl in Harcourt, 2013.

Sorkin, Rafael D.“Does Locality Fail at Intermediate Length-Scales?”In Oriti, Approaches to Quantum Gravity, 26-43.

Spekkens, Robert W.“The Paradigm of Kinematics and Dynamics Must Yield to Causal Structure.”arXiv .org, August 31, 2012.

Stachel, John.Einstein from‘B’to‘Z.’ Einstein Studies 9.The Center for Einstein Studies, Boston University.Boston: Birkhäuser, 2002.

Stamatellos, Giannis.Plotinus and the Presocratics: A Philosophical Study of Presocratic Influences in Plotinus’Enneads.Albany: State University of New York Press, 2007.

Stanley, H.E., L.A.N.Amaral, P.Gopikrishnan, P.Ch.Ivanov, T.H.Keitt, and V.Plerou.“Scale Invariance and Universality: Organizing Principles in Complex Systems.”Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications 281, nos.1-4 (June 15, 2000):60-68.

Stapp, Henry.“Space and Time in S-Matrix Theory.”Physical Review 139, no.1 (July 12, 1965): B257-70.

Stauffer, Robert C.“Speculation and Experiment in the Background of Oersted’s Discovery of Electromagnetism.”Isis 48, no.1 (March 1957): 33-50.

Steinhardt, Paul J.“The Inflation Debate.”Scientific American, April 2011.

Stone, A.Douglas.Einstein and the Quantum: The Quest of the Valiant Swabian.Princeton, NJ: Prince ton University Press, 2013.

Strocchi, F.“Gauss’Law in Local Quantum Field Theory.”In Field Theory, Quantization and Statistical Physics: In Memory of Bernard Jouvet, edited by E.Tirapegui, 227-36.Boston: Kluwer Academic Publishers, 1981.

——.“Relativistic Quantum Mechanics and Field Theory.”Foundations of Physics 34, no.3 (March 2004): 501-27.

Strominger, Andrew.“Infl ation and the dS/CFT Correspondence.”Journal of High Energy Physics 2001, no.11 (November 2001).

Stuewer, Roger H.“The Experimental Challenge of Light Quanta.”In The Cambridge Companion to Einstein, edited by Michel Janssen and Christoph Lehner, 143-66.New York: Cambridge University Press, 2014.

Stump, Eleonore, and Norman Kretzmann.“Eternity.”The Journal of Philosophy 78, no.8 (August 1981): 429-58.

Summers, Stephen J., and Reinhard Werner.“The Vacuum Violates Bell’s Inequalities.”Physics Letters A 110, no.5 (July 29, 1985): 257-59.

Sundrum, Raman.“From Fixed Points to the Fifth Dimension.”Physical Review D 86, no.8 (October 2012).

Suppes, Patrick.“Descartes and the Problem of Action at a Distance.”Journal of the History of Ideas 15, no.1 (January 1954): 146-52.

Surowiecki, James.The Wisdom of Crowds: Why the Many Are Smarter Than the Few and How Collective Wisdom Shapes Business, Economies, Societies, and Nations.New York: Doubleday, 2004.

Susskind, Leonard.The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design.New York: Little, Brown, 2005.

Susskind, Leonard, and Edward Witten.“The Holographic Bound in Anti-de Sitter Space.”arXiv .org, May 19, 1998.

Swingle, Brian.“Constructing Holographic Spacetimes Using Entanglement Renormalization.”arXiv .org, September 14, 2012.

Tait, Peter Guthrie.Properties of Matter.Edinburgh, 1885.

Taylor, A.E.“Parmenides, Zeno, and Socrates.”Proceedings of the Aristotelian Society 16 (1915): 234-89.

Taylor, Paul, Rich Morin, D’Vera Cohn, and Wendy Wang.“American Mobility: Who Moves? Who Stays Put? Where’s Home?”Pew Research Center, December 29, 2008.

Tegmark, Max.“Parallel Universes.”Scientific American, May 2003.

Teller, Paul.An Interpretive Introduction to Quantum Field Theory.Prince ton, NJ:Prince ton University Press, 1994.

’t Hooft, Gerard.“Dimensional Reduction in Quantum Gravity.”In Salamfestschrift:A Collection of Talks From the Conference on Highlights of Particle and Condensed Matter Physics, ICTP, Trieste, Italy, 8-12 March 1993, edited by Ahmed Ali, John Ellis, and S.Randjbar-Daemi, 284-96.Hackensack, NJ: World Scientific, 1994.

——.“Discreteness and Determinism in Superstrings.”arXiv .org, July 16, 2012.

——.“The Future of Quantum Mechanics.”Opening event, Emergent Quantum Mechanics 2013, 2nd International Symposium About Quantum Mechanics Based on a“Deeper Level Theory,”Vienna, Austria, October 3-6, 2013.

Thucydides.History of the Peloponnesian War.Translated by Rex Warner.London:Penguin Books, 1954.

Thurschwell, Pamela.Literature, Technology and Magical Thinking, 1880- 1920.New York: Cambridge University Press, 2001.

Tollaksen, Jeff, Yakir Aharonov, Aharon Casher, Tirzah Kaufherr, and Shmuel Nussinov.“Quantum Interference Experiments, Modular Variables and Weak Measure ments.”New Journal of Physics 12, no.1 (January 2010).

Traweek, Sharon.Beamtimes and Lifetimes: The World of High Energy Physicists.Cambridge, MA: Harvard University Press, 1988.Reprint, 1992.

Trimmer, John D.“The Pre sent Situation in Quantum Mechanics: A Translation of Schrödinger’s‘Cat Paradox’Paper.”Proceedings of the American Philosophical Society 124, no.5 (October 10, 1980): 323-38.

Unruh, William G.“Minkowski Space-Time and Quantum Mechanics.”In Minkowski Spacetime: A Hundred Years Later, edited by Vesselin Petkov, 133-48.New York:Springer, 2010.

——.“Time, Gravity, and Quantum Mechanics.”In Savitt, Time’s Arrows Today, 23-65.

Ursin, Rupert, F.Tiefenbacher, T.Schmitt-Manderbach, H.Weier, Thomas Scheidl, M.Lindenthal, B.Blauensteiner, et al.“Entanglement-Based Quantum Communication Over 144 Km.”Nature Physics 3 (July 2007): 481-86.

Vachaspati, Tanmay, and Mark Trodden.“Causality and Cosmic Inflation.”Physical Review D 61, no.2 (December 16, 1999).

Valentini, Antony.“Beyond the Quantum.”Physics World 22, no.11 (November 2009): 32-37.

van Fraassen, Bas C.Quantum Mechanics: An Empiricist View.New York: Oxford University Press, 1991.

van Lunteren, Frans H.“Framing Hypotheses: Conceptions of Gravity in the 18th and 19th Centuries.”PhD diss., Utrecht University, 1991.

——.“Gravitational and Nineteenth-Century Physical Worldviews.”In Newton’s Scientific and Philosophical Legacy, edited by Paul B.Scheurer and G.Debrock.New York: Springer, 1988.

——.“Nicolas Fatio de Duillier on the Mechanical Cause of Universal Gravitation.”In Pushing Gravity: New Perspectives on Le Sage’s Theory of Gravitation, edited by Matthew R.Edwards, 41-59.Montréal: Apeiron, 2002.

Van Raamsdonk, Mark.“Building Up Spacetime with Quantum Entanglement.”General Relativity and Gravitation 42, no.10 (June 19, 2010): 2323-29.

Vedral, Vlatko.“High-Temperature Macroscopic Entanglement.”New Journal of Physics 6 (August 9, 2004).

Verlinde, Erik P.“The Dark Phase Space of de Sitter,”Bits, Branes, Black Holes, Santa Barbara, CA, April 3, 2012.

Von Plato, Jan.Creating Modern Probability: Its Mathematics, Physics and Philosophy in Historical Perspective.New York: Cambridge University Press, 1994.

Wald, Robert M.“Correlations and Causality in Quantum Field Theory.”In Quantum Concepts in Space and Time, edited by Roger Penrose and C.J.Isham, 293-301.New York: Oxford University Press, 1986.

Wallace, David.The Emergent Multiverse: Quantum Theory According to the Everett Interpretation.New York: Oxford University Press, 2012.

Weatherall, James Owen.“The Scope and Generality of Bell’s Theorem.”Foundations of Physics 43, no.9 (September 2013): 1153-69.

Weinberg, Steven.Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity.New York: John Wiley and Sons, 1972.

——.“The Search for Unity: Notes for a History of Quantum Field Theory.”Daedalus 106, no.4 (Autumn 1977): 17-35.

Wen, Xiao-Gang.“Topological Order: From Long-Range Entangled Quantum Matter to a Unified Origin of Light and Electrons.”ISRN Condensed Matter Physics 2013 (2013).

Westfall, Richard Samuel.“Newton and Alchemy.”In Occult and Scientific Mentalities in the Re nais sance, edited by Brian Vickers, 315-35.New York: Cambridge University Press, 1984.

——.“Newton and the Hermetic Tradition.”In Science, Medicine, and Society in the Renaissance: Essays to Honor Walter Pagel, edited by Allen G.Debus, 2:183-98.New York: Science History Publications, 1972.

——.The Construction of Modern Science: Mechanisms and Mechanics.New York: Cambridge University Press, 1971.

——.The Life of Isaac Newton.New York: Cambridge University Press, 1993.Wheeler, John Archibald, and Richard P.Feynman.“Classical Electrodynamics in Terms of Direct Interparticle Action.”Reviews of Modern Physics 21, no.3 (July- September 1949):425-33.

Whitaker, Andrew.“John Bell in Belfast: Early Years and Education.”In Quantum (Un)Speakables: From Bell to Quantum Information, edited by R.A.Bertlmann and A.Zeilinger, 7-20.New York: Springer, 2002.

Wijsman, Ellen M., and Luigi Luca Cavalli-Sforza.“Migration and Genetic Population Structure with Special Reference to Humans.”Annual Review of Ecology and Systematics 15 (November 1984): 279-301.

Wilczek, Frank.“Quantum Field Theory.”Reviews of Modern Physics 71, no.2 (March 1999): S85- S95.

Williams, Leslie Pearce.Michael Faraday: A Biography.New York: Da Capo Press, 1971.

——.The Origins of Field Theory.Lanham, MD: University Press of Ame rica,1980.

Wilson, Robert Woodrow.“The Cosmic Microwave Background Radiation.”Nobel Lecture, Stockholm, December 8, 1978.

Wiseman, Howard M., S.J.Jones, and A.C.Doherty.“Steering, Entanglement, Nonlocality, and the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox.”Physical Review Letters 98, no.14 (April 6, 2007).

Witten, Edward.“Anti-de Sitter Space, Thermal Phase Transition, and Confinement in Gauge Theories.”Advances in Theoretical and Mathematical Physics 2, no.3 (1998):505-32.

——.“An Interpretation of Classical Yang-Mills Theory.”Physics Letters B 77, nos.4-5 (August 28, 1978): 394-98.

——.“Perturbative Gauge Theory as a String Theory in Twistor Space.”Communications in Mathematical Physics 252, nos.1-3 (December 2004): 189-258.

————.“Reflections on the Fate of Spacetime.”Physics Today 49, no.4 (April 1996): 24-30.

Wright, Jessey.“Quantum Field Theory: Motivating the Axiom of Microcausality.”Master’s thesis, University of Waterloo, 2012.

Wu, Tai Tsun, and Chen Ning Yang.“Concept of Nonintegrable Phase Factors and Global Formulation of Gauge Fields.”Physical Review D 12, no.12 (December 15, 1975):3845-57.

Yates, Frances A.Giordano Bruno and the Hermetic Tradition.Chicago: University of Chicago Press, 1964.Reprint, 1991.

Zahar, Elie.“Why did Einstein’s Programme Supersede Lorentz’s? (Ⅱ).”British Journal for the Philosophy of Science 24, no.3 (September 1973): 223-62.

Zee, Anthony.Quantum Field Theory in a Nutshell.Prince ton, NJ: Princeton University Press, 2010.

Zeilinger, Anton.“On the Interpretation and Philosophical Foundation of Quantum Mechanics.”In Vastakohtien Todellisuus: Festschrift for Professor K.V.Laurikainen, edited by Urho Ketvel et al., 167-78.Helsinski: Helsinki University Press, 1996.

——.“Testing Concepts of Reality with Entangled Photons in the Laboratory and Outside.”Intersectional Symposium: The Concept of Reality in Physics, Dresden, Germany, March 16, 2011.

Zel’dovich, Yakov B.“Particle Production in Cosmology.”Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters 12, no.9 (November 10, 1970): 307-11.

Zimbardo, Philip.The Lucifer Effect: Understanding How Good People Turn Evil.New York: Random House, 2008.

致谢

我喜欢写关于物理学的书，其中一个原因是物理学家和物理哲学家总是非常慷慨，乐意花时间接受我的访谈，而且对我无穷无尽的问题总是非常宽容。很多人读过我的手稿，我非常感谢他们，其中有：尼玛·阿卡尼-哈米德、约翰·贝兹、朱利安·巴伯、拉斐尔·布索、肖恩·卡罗尔、阿特·埃克特、恩里克·加尔韦斯、阿兰·古斯、汉斯·霍尔沃森、阿里奥夏·哈马、约翰·亨利、萨宾·霍森菲尔德、唐·霍华德、尼克·赫盖特、杰娜恩·伊斯梅尔、戴维·恺撒、梅纳尔·库尔曼、弗蒂尼·马可波罗、唐·马罗夫、埃米尔·马丁内茨、莱昂内尔·梅森、蒂姆·莫德林、查德·奥泽尔、乔·波尔钦斯基、胡·普莱斯、戴安·格尔斯、卡洛·罗维利、摩西·罗查理、卡斯达·斯肯德利斯、布莱恩·斯温格尔、杰夫·托拉克森、戴维·东、雅罗斯拉夫·特恩卡、马克·范·莱姆斯东科和戴维·华莱士。

特别幸运，我在新加坡大学量子技术中心度过了2011年的秋天，感谢中心主任阿特·埃克特和对外经理詹妮·霍根的盛情款待。基础问题研究所为我提供了一小笔赠款，用以支付我在那里的费用，泰斯·瑞瑟奇处理了后勤琐事。2012年春季，卡弗里理论物理研究所接待了我，要是没有当时的主任戴维·格罗斯，这次访问不可能成行。我永远感谢我的《科学美国人》老板马丽特·迪·克里斯蒂娜、弗瑞德·古泰尔和里基·儒斯汀，当我提出去这些地方休假时，他们不但没有阻拦，反而为我高兴，虽然我不在办公室给他们的工作增添了些麻烦。

我还要感谢其他几个组织机构为我提供了旅费支持：北欧理论物理研究所和基础问题研究所资助了我前往斯德哥尔摩参加2012年6月举行的“非定域性：各个侧面和意义”研讨会，费泽·富兰克林基金会资助了我参加2013年10月在维也纳举行的“涌现量子力学”研讨会，加州大学欧文分校逻辑与哲学系资助了我参加2014年3月在那里举行的“规范场论基础”会议。

感谢戴维·比埃洛、李·比林斯、斯蒂夫·科利尔、阿曼达·盖福特、戴维·格林斯潘、莱斯利·穆林和鲁巴·奥斯塔舍夫斯基，如果没有他们的鼓励，我永远不会走出本写作项目中间的那段艰难时期。他们不仅支持了我，而且他们自己的作品一直在不停地激励着我，鼓舞着我。

我在《科学美国人》的同事和朋友珍·克里斯蒂安森以特有的天赋和效率为这本书准备了许多插图。阿德里安娜·马修威兹在麻省理工学院校园考察了多个拍摄地点，才拍摄了我的那张作者照片。

阿曼达·摩恩是本书原著的编辑，她是每个作家都希望有的那种编辑：注重细节、全力支持、热情洋溢，总是有很多美妙的想法。她的助手莱尔德·加拉格尔和斯科特·博尔歇特以及制作团队的伊丽莎白·戈登、尼娜·弗里曼和黛布拉·埃尔方让后勤工作像钟表一样和谐顺利。啊，我有幸拥有最好的封面设计师珍妮弗·卡罗。校对安妮·戈特利布一定有某种穿透文字的X射线特异功能。布莱恩·吉蒂斯曾经为本书组织了“书之旅”活动。还要感谢本书的设计师乔纳森·利平科特。我也非常幸运，刚好宇宙大爆炸让我的轨迹和我的代理苏珊·拉比纳的轨迹巧遇。

特别感谢新泽西州蒙特克莱尔市的两家咖啡馆Le Petit Parisien和Trend Coffee and Tea House，在那里我花了大量时间将咖啡因和杏仁巧克力牛角面包消化成为物理学。

每当我不得不留在家里写作而不是去攀岩或滑冰时，我的女儿埃利安娜的理解和支持必不可少。每当我感到失望时，她总是知道用僵尸启示之类的典故帮我恢复信心。还有我的妻子塔利亚，除了她，没人能给我内在的空间和时间的感觉，我感觉到我们之间每一英里、每一分钟的距离。啊，她是世界上最伟大的人！我把这本书献给我的妻子塔利亚和我的女儿埃利安娜。

1. 封面

2. 扉页

3. 版权信息

4. 目录

5. 版权声明

6. 内容提要

7. 其他

8. 关于本书的评论

9. 引言：爱因斯坦的空中楼阁

10. 第1章 形形色色的非定域性

1. 闭嘴，好好算！

2. 观天者与攀冰者

3. 玩水泥的人和雕塑家的女儿

4. 地下室里的粒子

11. 第2章 非定域性的起源

1. 机械的宇宙

2. 机器里的魔法

3. 引力论战

4. 质疑牛顿爵士

5. 定域性的新麻烦

12. 第3章 爱因斯坦的定域性

1. 定域性让物理学保持理性

2. 量子力学的奇特横空出世

3. 物质的波

4. 1927年的大辩论

5. 1930年的大辩论

6. EPR论文

13. 第4章 大辩论

1. 非定域性这个案子

2. 分歧缘于动机

3. 选择一：放弃自由意志？

4. 选择二：粒子是占卜水晶球

5. 选择三：平行宇宙

6. 选择四：放弃现实主义

7. 德累斯顿会议上的唇枪舌剑

8. 让我们务实一些

9. 超越量子思考

10. 披着别名的非定域性

11. 不管怎样，空间走向终结

14. 第5章 非定域性和物理学的统一

1. 量子场论

2. 与粒子分道扬镳

3. 永别了，场

4. 超强纠缠

5. 横跨规范

6. 爱因斯坦的引力理论

7. 量子引力

8. 回到黑洞

15. 第6章 时空的终结

1. 现实的“胶水”

2. 当空间不是那个“地方”时

3. 互联成网生成空间

4. 在矩阵内部

5. 全息的现实

6. 矩阵中的毛刺

16. 结语：幅面体

1. 更像青少年

17. 参考文献

18. 致谢

1. 开始阅读

2. 封面

3. 书名页

4. 版权页

5. 正文

科学新经典文丛

The Quantum Moment:How Planck,Bohr,Einstein,and Heisenberg Taught Us to Love Uncertainty

量子时刻：奇妙的不确定性

[美]罗伯特·P.克里斯(Robert P.Crease)　[美]阿尔弗雷德·沙夫·戈德哈伯(Alfred Scharff Goldhaber)/著

刘朝峰/译

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

量子时刻：奇妙的不确定性/（美）罗伯特·P.克里斯（Robert P.Crease），（美）阿尔弗雷德·沙夫·戈德哈伯（Alfred Scharff Goldhaber）著；刘朝峰译.--北京：人民邮电出版社，2016.7

（科学新经典文丛）

ISBN　978-7-115-42419-8

Ⅰ.①量…　Ⅱ.①罗…②阿…③刘…　Ⅲ.①量子论　Ⅳ.①0413

中国版本图书馆CIP数据核字（2016）第132235号

◆著　[美]罗们特·P.壳里斯（Robert P.Crease）　[美]阿尔弗雷德·沙夫·戈德哈伯（Alfred Scharff CJoldhaber）

译　刘朝峰

责任编辑　刘朋

责任印制　彭志环

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

北京隆昌伟业印刷有限公司印刷

◆开本：880×1230　1/32

印张：10.875　　2016年7月第1版

字数：216千字　　2016年7月北京第1次印刷

著作权合同登记号　图字：01-2015-1710号

定价：45.00元

读者服务热线：(010)81055410　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广字第8052号

目录

封面

扉页

版权信息

版权声明

内容提要

其它

作者介绍

译者序

引言

第1章 牛顿时刻

插节 大设计

第2章 一个像素化的世界

插节 普朗克引入量子

第3章 量子跃迁

插节 玻尔用量子跃迁让原子运转起来

第4章 随机性

插节 爱因斯坦演示上帝怎样掷骰子

第5章 全同性的问题：还没有掉的量子鞋

插节 泡利与不相容原理，玻色与玻色子

第6章 鲨鱼和老虎：矛盾体

插节 薛定谔的地图与海森堡的地图

第7章 不确定性

插节 不确定性原理

第8章 实在性破碎了：立体主义和互补性

插节 互补性、客观性以及双缝实验

第9章 不行

插节 约翰·贝尔和他的定理

第10章 薛定谔猫

插节 边界战争

第11章 兔子洞：对平行世界的渴望

插节 多重宇宙

第12章 拯救物理

结语 现在时刻

注释

参考文献

图片及引文出处

致谢

版权声明

The Quantum Moment:How Planck,Bohr,Einstein,and Heisenberg Taught Us to Love Uncertainty

Copyright◎2014 by Robert P.Crease and Alfred Scharff Goldhaber

Simplified Chinese edition copyright◎2016 by POSTS & TELECOM PRESS

Published by arrangement with W.W.Norton & Company,Inc.

Through Bardon-Chinese Media Agency

内容提要

量子这个想法于20世纪早期诞生在物理学的一个偏远角落里，它说能量是一份一份具有有限大小的而不是无限可分的。这在大众的想象中植入了丰富的比喻和象征。量子意象和语言现在就像一连串无穷无尽的光子一样轰击着我们。诸如平行宇宙、量子跃迁、不确定性原理以及薛定谔猫这样的说法不断出现在漫画、电影、小说、哲学、艺术以及日常生活中，被每一代新的艺术家和作家重新解释。

量子跃迁是大还是小？不确定性原理有多不确定？这种量子词汇的密集轰击是做作古怪的，抑或是我们思考方式的一个根本改变？在这本开创性的图书中，哲学家罗伯特·P.克里斯和物理学家阿尔弗雷德·沙夫·戈德哈伯把量子从科学理论到公众理解的艰难之路生动地展现在我们面前。他们追溯了量子理论的发展历程，对比分析了量子领域和传统领域的不同之处，探讨了量子在每件事物中的表现形式，揭示了量子世界的奇异之处及其对科学和当代世界的影响。科学和人文领域的读者都可以从中受到启发。

其它

献给学习科学的人们，无论年龄大小，愿你们能享受不计其数的安全旅程与科学发现的无穷喜悦。

作者介绍

罗伯特·P.克里斯（Robert P.Crease）：美国石溪大学哲学系教授；《物理观察》期刊的联席主编，并为《物理世界》杂志撰写每月专栏《临界点》；英国物理学会（位于伦敦）会员，美国物理学会会员。他撰写、合著、翻译、编辑过10多本图书，包括《权衡中的世界：对绝对测量系统的历史性追寻》《伟大的方程：科学中的突破，从毕达哥拉斯到海森堡》《棱镜和摆：科学中10个最精彩的实验》。他的文章和评论刊登于《大西洋月刊》《纽约时报》《华尔街日报》《科学》《新科学家》《美国科学家》以及其他学术和大众出版物。在纪念哲学家和趣味数学家马丁·加德纳的聚会中，他喜欢和儿子扮演“矩阵博士”。

阿尔弗雷德·沙夫·戈德哈伯（Alfred Scharff Goldhaber）：美国石溪大学杨振宁理论物理研究所教授，美国物理学会会员，是他们家三代物理学家中的第二代。他与母亲合写了也许是物理学史上的首篇母子合著论文，内容有关原子核的振动；他与百岁高龄的父亲在《今日物理》上合写了一篇关于中微子性质的文章。戈德哈伯研究磁单极子、基本粒子、原子核、凝聚态物理学、天体物理学和宇宙学，写过很多物理学专题研究综述文章。除了和罗伯特·P.克里斯合写了《量子时刻：奇妙的不确定性》之外，他还开设了一门面向本科生的课程“量子力学的物理和数学基础”。他的大众讲座包括《安培、法拉第与基础物理学的方式方法》和《激进的爱因斯坦与保守的爱因斯坦》。

译者序

量子力学是20世纪物理学的重大成就之一，其对物理学以及科学技术的发展产生了巨大的影响。例如量子力学与狭义相对论结合产生的量子场论，用于描述自然界中的3种基本相互作用：强、弱和电磁相互作用。量子力学是半导体技术革命的基础，没有量子力学，计算机、手机等现代生活中习以为常的东西都不会存在。尽管现在距离量子力学的诞生已过去了大约一个世纪的时间，但量子力学和量子技术仍处于蓬勃发展阶段，量子通信、量子计算机等有可能在将来影响每一个人的生活。

日常生活中人们熟悉的宏观低速世界可以非常好地由牛顿力学来描述，而微观世界物理现象（如原子）的描述则需要量子力学。量子力学中的不确定性原理告诉我们，不能同时精确地测量微观粒子的一对共轭变量，例如位置和动量。对其中一个变量的测量越精确，对它的共轭变量的测量就越不精确。而在牛顿力学中，物体的位置和速度（动量）是可以同时被知晓的。量子力学的这个以及其他不同于我们日常经验的性质引发了对实在性等哲学问题的讨论。

正因为量子力学具有不同寻常的性质，并且对现代社会和生活具有非常大的影响，对牛顿学说时代以来的哲学观念提出了挑战，所以一点都不奇怪它的一些专业用语甚至方程式会出现在文学、艺术和日常语言中，受到大家的广泛讨论。比如量子力学除了有玻尔、海森堡等物理学家主张的、“标准的”哥本哈根诠释外，还有其他诠释，其中的平行世界或多世界诠释为小说和电影提供了丰富的题材和巨大的想象空间。

本书以量子力学中的物理学术语如何出现在日常语言、文学以及艺术作品中为线索，讲述了量子力学的历史以及它对哲学、文学以及艺术的影响。中间穿插着与量子力学发展相关的物理学家的故事，例如普朗克、玻尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔、泡利、玻色等。本书从不同的视角审视量子力学的发展以及它对社会科学、人文精神的影响，适合所有类型的读者阅读。生活在现代社会的人不一定需要理解量子力学，但应该了解量子力学的历史及其对人类的影响。本书的两位作者分别为美国石溪大学哲学系和杨振宁理论物理研究所的教授，这本书源于他们合作开设的一门本科生课程“量子时刻（The Quantum Moment）”，书中有不少生动的教学实例、幽默活泼的语言以及对物理概念和图像通俗易懂的解释。希望读者阅读本书时能有所收获，享受到阅读的乐趣。

感谢我的妻子暑业，她是译文的第一位读者，给我提了很多修改意见。感谢我们的孩子，他们给我的生活带来了很多乐趣，尽管有时候也让人抓狂。

限于水平，加上时间有限，译者对一些语句的理解和把握肯定有不到之处，书中可能存在错误和不妥的地方，敬请读者批评指正。译者电子邮箱：liuzf@ihep.ac.cn。

刘朝峰

2016年6月

引言

不久前，我们俩在教室里听学生作期末报告，报告内容必须有原创性工作。有两个学生朗读了简短的剧本，一个学生表演了一首嘻哈歌曲，其他学生通过各种各样的媒介展现他们的艺术作品。有一个正在接受精神分裂症治疗的学生欲说还休，但最后还是勇敢地用量子力学里的叠加态语言解释了这种病带来的痛苦，使得通常喧闹的教室变得寂静无声。接下来是两个理科生作报告，他们戴着安全护目镜，将液氮倒在一种特殊的第二类超导体磁铁上，给大家演示了“量子悬浮”，解释了这个现象背后的阿布里科索夫-迈斯纳效应。在报告期间，学生们拿能找到的各种有关量子的话题开玩笑，包括网页上“量子啤酒”和“量子爵士乐”等诸如此类的东西。最后是一个学机械工程的学生作报告。他拿出一堆零碎东西，包括百事可乐瓶、眼镜、透明胶带以及一个乒乓球等。他将这堆东西一起摆到教室前面，从一个特定的角度投出一束光到这堆杂物上。结果让所有人都大吃一惊：墙上出现了一只猫的清晰影像。

这些报告是“量子时刻”这门课布置的最后作业，这门课我俩已经一起教了6年。这是一门面向物理和哲学专业的选修课，吸引了不同专业方向的学生。文科学生选修这门课是被“量子”这个词到底是什么意思所吸引，而选课的理科学生想知道一个科学术语能否以及为什么能真正应用于人类行为。其他学生则被抓人眼球的课程名称所吸引，或者是这门课满足了某些课程要求，同时也和他们排满的课表不冲突。

猫的影像（胡安·梅萨摄）

这门课是关于量子的文化影响的。“量子”这个词描写了这样一个事实：能量的传递是以一份一份有限大小的方式进行的，它不是无限可分的。量子于1900年被引入用来解释光是如何被发射和吸收的，当时这些现象属于物理学的一个偏远分支，让人感到困惑不解。随后发生了两次量子革命。第一次发生在1900年到1925年之间，当时科学家们探讨和发展了这个理论，但没有引起公众的广泛关注。随后从1925年到1927年，这个理论经过第二次革命发展成了量子力学。量子力学不同寻常的推论激发了公众的好奇心和讨论。直到80多年后的今天，对于如何理解第二次量子革命，人们仍然感到茫然，很多人觉得它令人困惑，有些虚无缥缈，甚至骇人听闻。几乎每个月都有关于量子的新书籍出版。“量子”这个词被用到了日常生活中，出现在戏剧、诗歌、电影、绘画、小说、音乐、哲学、无数的公司名称以及以“大众科学”方式出现的心理学和神经科学中。海森堡的不确定性原理、薛定谔猫、平行宇宙以及其他量子力学的概念和图像出现在T恤衫、咖啡杯、漫画、小说、诗歌以及电影中。在一个美国电视系列剧《绝命毒师》里，海森堡是主人公的化名，他是一位高中化学老师，制造和贩卖非法的药物——冰毒。2012年3月，《纽约时报》的一篇评论文章说量子术语恰当地描述了总统候选人米特·罗姆尼的竞选活动以及个性：“因为我们已经进入量子政治时代，米特·罗姆尼是第一个量子政治家。”1在2012年11月的竞选中击败米特·罗姆尼的奥巴马总统在采访中引用了海森堡的不确定性原理来解释他是怎样从顾问那里寻求指导和意见的。我们问上课的学生，在21世纪，为什么量子这个概念在人类世界里仍然作为一种隐喻出现：狂野而神秘，充满创造力？

我们给的阅读书籍和文章每个学期都有变化，但涵盖历史、哲学和社会学，甚至还有一些戏剧（包括迈克尔·弗莱恩的《哥本哈根》）和小说（比如尼尔·斯蒂芬森的《飞越修道院》）。我们给学生们提供一些背景知识，帮助他们理解各种各样的概念和图像（如不确定性原理、互补性、薛定谔猫、平行宇宙等）是如何从量子这个想法中发展出来的。我们要求学生们仔细思考量子语言和图像是如何被使用和滥用的。比如，在《另一个地球》和《兔子洞》这样的电影中，平行宇宙的使用是一个半科学性的深刻剧情转折还是一个转移注意力的噱头？

学生们的期末作业涉及由量子启发而来的创造性作品，可单独完成或者小组合作完成。除了前面已经提到的那些学生，其他学生也谱写过歌曲，制作过多媒体展示，装饰过衣物，创作过抨击或揶揄滥用量子的表演艺术。有一年，学生们制作了一段关于一个物理专业大二学生的视频（演员是一个物理专业的大二学生），他正在努力学习量子力学。有一天，这个学生走进了石溪大学的物理答疑室（一个真实存在的地方），期待着那天有一个好的答疑老师在那里。一个英语专业的学生（由一个英语专业的学生扮演）跑到他跟前：

英语专业学生：感谢上帝，你在这儿真是太好了！我一定得找个人说说。我刚读了篇讲量子力学的文章，我说了你绝对不会相信。根据牛顿定律，所有事情都是确定的，但现在量子力学说没有什么是确定的。这里有个海森堡不确定性原理，我是说，我能到外面去，但可能根本就没有什么所谓的外面……我从宿舍里出来，天气晴朗，但现在（指着她的伞）有可能正在下雨。

物理专业学生（恼怒地）：外面的天气很好，我发誓。

英语专业学生：现在所有的事情都不确定了。根据牛顿定律，所有事情都没问题，今天天气好，但现在不再是这样了……我是一个粒子还是波？甚至你真的存在吗？

物理专业学生（生气地）：你没问题，我没问题，你的仓鼠没问题，你的宿舍也没问题。

英语专业学生（突然睁大了眼睛）：我的仓鼠！我的宿舍！……我不知道我的仓鼠现在在干什么……什么都是一团糟……

物理专业学生在他的笔记本上写下“为什么是我？”，然后站起来离开了教室。

我们俩一个是物理学家，另一个是哲学家。物理学家戈德哈伯教一门关于量子力学基础的入门课程。量子力学现在是一个已经很完整并被充分理解的有关物质和能量的理论，它基于这样一个发现：在亚原子大小的尺度上，能量具有有限大小，不可无限细分。这一非凡的理论尚未做出过被证明是错误的预言。哲学家克里斯开设的课程探讨这一理论对空间、时间、因果律和客观性等这样一些概念的影响。我俩一起开设的这门课，源于我们经常一起讨论对于学术语言和大众语言中常常点缀着“量子这”和“量子那”这一现象的不解。这些词有些确实是眼光独到，用得恰到好处，有些却只是一些毫无意义的时髦用语，就为了给人留下深刻印象或博得出彩。

开始我们以为量子对文化的影响不会很重要，我们将会找到的相关词汇和图像只不过是江湖骗子迷惑轻信者的小伎俩，或者是一些略知科学知识的艺术家在借用科学的文化权威和影响力。后来我们发现量子语言和图像确实经常以一些滑稽、做作、古怪和滥用的方式被使用，但我们也注意到量子为思考人类和整个世界提供了一些重要的新的字眼和方法，这已经成为了第二自然。量子语言和图像对整个世界的渗透范围之广让我们吃惊。“quantum”（拉丁语中的“多少”）以及它的复数形式“quanta”仍然按照它的词源以常规的方式继续出现。一个例子是出现在一条还经常被引用为“Quanta Cura”的教皇教谕的标题中。这是一条于1864年，远在量子力学出现之前，由教皇庇护九世写的教谕。这个标题来自于文件开头的几个拉丁词语，意为“何等关心”。但在量子力学出现之后，许多作家和诗人以独出心裁的方式使用着量子语言和图像。2006年的畅销书之一《欢乐家庭：一个家庭的悲喜剧》是艾丽森·贝须朵的漫画传记，描写了她和父亲的关系以及后来的结果。书中有一个惊人的场景：在著名的纽约石墙事件（被认为是同性恋解放运动的开始）发生几个星期之后，她的父亲带她去了纽约。贝须朵以形象再现的语句写道：“我承认宣称和这个被神化的爆发地点有联系是荒谬的，但难道没有一个持续的振动、一个反抗的量子粒子仍然在这湿润的空气中飘荡吗？”2

来自艾丽森·贝须朵的《欢乐家庭：一个家庭的悲喜剧》

什么样碎裂的历史-语言学之路可能联系着庇护九世和艾丽森·贝须朵想表达的意思呢？物理术语对艺术、文学和哲学的渗透和影响究竟是怎样成为可能的？它对社会领域产生了影响吗？改变了我们的习惯和看法吗？反过来，文化的方方面面影响过量子力学的发展吗？艺术及一般文化的发展和量子物理的发展这两者之间有一种相互共鸣吗？为什么量子力学这个科学家一个世纪以前的发现、一个现在已经被认为是理所当然的发现，在每一代作家和艺术家看来仍像是一个新发现？我们发现，解读量子力学是一种解释学的罗夏测试。通过探究为什么有些人把量子力学和东方神秘主义联系在一起，而另外一些人则把它的产生归结于当时盛行的社会焦虑，我们学到了很多东西。

弄清楚量子力学的含义（怎么把它和我们熟悉的世界以及问题联系起来）是20世纪早期的智力大挑战之一。也许在没有经过长期培训的情况下，不可能指导不做科学研究的人学好量子力学中的物理和数学，但展示和说明它的概念问题或者让人迷惑的地方，追寻艺术家和作家在这些方面制造的联系还是有可能的。在接下来的内容中，我们简要介绍量子力学的发展，从而一个一个地解释它的术语和图像是怎样以各自的方式开始出现在艺术、文学和日常语言中的。本书整体以一个很长的故事展开，它又由一系列相互关联的短故事构成。在每一章结束之后和下一章开始之前，我们提供一段插述来解释一些技术细节或提及在正文中没有提到的相关话题。有些读者可能想跳过这些讨论，这不会影响阅读节奏，可以这样做。

专家提醒：你可以放心地忽略任何包含短语“按照量子力学”的话。

第1章 牛顿时刻

“我在某种程度上绝对地喜欢也许死了的猫。”我说。

“他们不差，是的。有点假装知识分子，但我们不都这样吗？”

“我想他们的乐队名字是引用，比如这个物理学家。”我说。实际上，我知道。我刚刚在维基百科上查过这个乐队。

“是的，”她说。“薛定谔。但是乐队名很失败，因为薛定谔以指出量子物理的这个悖论而出名：在某些情况下，一只没被看到的猫可以既是活的也是死的。不是也许是死的。”

——《两个威尔》

奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在1935年评论他的同行们想不明白量子力学时，半开玩笑地提出了他这只现如今很出名的猫。他不会想到这只猫将会牢牢地植入流行文化中，出现在小说和漫画中，纹饰在咖啡杯和T恤衫上。一个最近的例子出现在《两个威尔》中。这是一本由约翰·格林和戴维·利维坦著于2010年的青少年小说。在书里面，威尔向简（他对这个女孩有着复杂和难以表达的情感）问起薛定谔猫。简描述了这个奥地利物理学家著名的思想实验，然后接着说：“薛定谔不是在支持杀猫或别的什么事……只是说一只猫可以同时既是活的又是死的，这看起来有点不可思议。”

威尔沉思了一会，思索着他自己复杂的情感。他真的被简迷住了，但又委婉地拒绝了她的第一次索吻。他不认为一个东西可以同时既真实存在又不真实存在这样的想法是根本不可能的。“在打开盒子之前，所有我们放在密封盒子里的东西都既是活的又是死的，”他对自己说，“没有观察到的东西既在那也不在那。”1

薛定谔猫的另一个不同用法出现在《来世蓝图》中，这是瑞安·布迪诺特的一本描述世界末日的科幻小说（2012年出版）。在小说里面，名为艾比·福格的主人公在她不知情的情况下，被人编程渗透到另一个现实中，她总是以既死亡又活着的形式出现。有一天在停尸房里，她毛骨悚然地看到两个裸死的相同的自己。“艾比，你的自我已经进入叠加状态，”法医主任告诉她，“这就像你同时既是活的又是死的。这种同时性是一种自我复制系统，在系统里存在着你的死亡自我的各种快照。我告诉你，这让尸检非常困难。”2

薛定谔猫是流行文化中出现的众多来自于量子力学的图像和词语之一。有时候，它们是玩笑性质和讽刺性的，但有时候，它们是严肃的，为人类怎样看待彼此和这个世界提供了一种新的视角。

为理解这些来源于有关光如何被发射和吸收这一物理学偏远角落的图像和术语怎么会发挥出这么大的文化影响力，我们必须先理解量子出现时所处的科学框架背景，这个框架由300多年前艾萨克·牛顿的工作所设定。我们也必须先理解牛顿的工作产生的文化影响。

艾萨克·牛顿

2004年，纽约公共图书馆举办了一个无论是范围、内容还是地点都不同凡响的展览。展览名为“牛顿学说时刻：艾萨克·牛顿和现代文化的建立”，在图书馆位于曼哈顿第五大道和第四十二街交叉处的主馆举行。参观者进入这座学院派（或称布杂）风格的建筑，要经过两座著名的狮子雕像（绰号为“耐心”的在你左边，绰号为“坚韧”的在你右边），走上大理石台阶，穿过巨大的柱子进入大厅。指示牌引导你到达宏伟的主展览厅，这里不见通常的图书馆展览中出现的单调图画和文件，而是一系列让人惊叹的物品，展示了艾萨克·牛顿爵士（1642—1747）的工作对文化的巨大影响。

这些物品包括地球仪、太阳系仪（太阳系的模型）和望远镜，牛顿及其追随者的雕塑和半身雕像，关于牛顿生活片断和所做实验的画作，荷加斯、威廉·布莱克和其他人关于牛顿及其工作的肖像画。一个说明援引了诗人亚历山大·波普的著名对句：

自然和自然定律隐藏在黑夜里；

上帝说“让牛顿来吧”，然后一切变为光明。

其他展品反映了对牛顿及其工作不那么颂扬的、更加矛盾的看法。威廉·布莱克的牛顿素描画和之后的油画描绘的是，科学家被仪器和他正在画卷上描绘的图画所吸引，以一个不好看甚至是扭曲的姿势，背对着他所处的漂亮的自然之海。布莱克敬重牛顿的成就，但是谴责他的机械世界观和由此衍生出的机器的统制。布莱克对此的厌恶程度在他的座右铭中显而易见：“艺术是生命之树，科学是死亡之树。”

牛顿（威廉·布莱克作，1795—1805）

展览包括一份牛顿大作《自然哲学的数学原理》的第一版，这是它第一次在美国展出，上面有牛顿本人为下一版所做的手写订正。同时展出的还有《自然哲学的数学原理》的外国版本、针对女性读者的文摘版本，和关于牛顿科学学说的少儿系列读物《汤姆望远镜》。附近摆有由光、引力、轨道、光谱、测量规则和秩序，以及其他由牛顿学说主题所启发的画作。

展览展示了由牛顿的工作引起的世界观革命。加州理工学院历史学家莫迪凯·法因戈尔德在展览的目录上写道：“启蒙和革命的时代可被看作牛顿学说的时刻，这可被理解为表示着这样一个时代和样貌：牛顿学说思想渗透到了欧洲文化的方方面面。”3在日常用语中，“时刻（moment）”意为一段时间。在英语中，物理学家赋予了它专业性质的含义，和转动相关，即一个扭曲力或扭矩，或者是一个物体对这个扭矩的抵抗。历史学家，比如法因戈尔德使用“moment”有两重涵义：一个是指一个根本性的变化发生的特定时间段，另一个是指这个根本性变化的效果发挥出来的更长的一段时间。

牛顿的科学成就对艺术、文学、哲学、政治和宗教的影响就像同时代的任一艺术家、作者、哲学家、政治家或者神学家对这些方面的影响一样深刻，原因是牛顿的发现给一个混乱和焦虑的时代带来了明确和事物的可理解性。

17世纪的欧洲充满着恐怖和动荡，这个世纪里几乎每年都在某个地方爆发有战争。1642年到1651年之间英格兰爆发了3次内战。当时人们相信这个世界以神秘的方式运行着，由超自然的力量和高深莫测的事情驱动着。《圣经》中说时间有一个开端，也将会有一个结束。但经文对解释当前的事情基本上没有帮助。大多数人只能理解世界上很少的一部分事情，整个世界看起来像一个由好几个部分组成的超自然的体系。最明显的差别在于天地之间，两者的行为不一样。天上的事物是永恒不变的；地上的事物是变化的，有生有死，变大或变小，变成其他东西或者到处运动。它们为什么变化？因为一些神秘的力量，某种内部潜能被激发，或者是某人的计划。国王和神职人员宣称他们知道上帝的旨意，但是对几乎所有其他人来说，这个世界是不可控、无法预测和使人畏惧的。王权对政治事务拥有绝对的权力，封建领主和神职人员控制着人们生活的大多数方面。

牛顿出生于第一次英国内战爆发的1642年，他是改变那个世界最多的人。他是上帝给予人类的一个礼物，他的母亲在圣诞节生了他，他的父亲（一个农民）在几个月前就去世了。年轻的牛顿不喜欢他的同龄人玩的运动和娱乐活动，他把时间花在制造诸如风车、水钟和风筝等这些机械上，花在当地药剂师书房里的书籍上。他在剑桥大学三一学院时（1661—1665年），自己独立掌握了欧洲学者们正在探索的新哲学、物理以及数学。

1665年，伦敦发生大瘟疫，受到了重创，每5个居民中就有一个死于疾病。牛顿回到他母亲在林肯郡的农场。这段被迫的闲暇时间让他能不被打搅地自由作研究，物理学、天文学、光学和数学中许多重要发现的萌芽开始在他脑中形成。同时，他也研究了很多今天的科学家所不屑的事情，比如炼金术、贤者之石、启示录和其他圣经书籍。他的最大发现之一是微积分，或者叫作关于变化的数学，这是关于下列情形的精确描写：增加或者减少一点点某个量x，不管多大还是多小，都会导致另一个量增加或者减少一点点。牛顿用微积分建立了他的运动三定律，这些定律构成了他所描述的世界的基石：这个世界是统一的、开放的、可理解的并由完全可预测的力量控制。他帮助引领了这样一种观点：整个世界是一台大机器，一台不需要上帝来保持运转的机器，它的运转可以被任何人理解，而不仅仅是国王和神职人员。

牛顿曾经过于谦虚地说过，他站在巨人的肩膀上。但这些巨人的肩膀部分是人的，部分是工业的。他的前进之路由其所处时代的技术进步所铺就：随着机械学知识的增长，数学可以应用这样一种认识在兴起，在采矿业和工业中机器得到了不断发展和使用。另外，归功于伽利略和其他人，有迹象表明天上的次序是机械的而不是超自然的，比如彗星的运动。

牛顿的巨作《自然哲学的数学原理》一般被叫作《原理》，改变了世界。这是有史以来最有影响力的单篇科学成果，它第一次描写了运动定律和万有引力。牛顿描写的世界我们现在习以为常，但对于他同时代的很多人来说不是这样的。他们觉得这个世界很难被描述，甚至是疯狂而无法理解的。地上和天上显然是不同的地方！太阳怎么能移动上百万千米外的行星？是什么在推和拉？为什么牛顿不研究控制宇宙的内在原因和机械弹簧？牛顿说他不打算去构造关于这些事情的假设，他将只考虑数学——但这是不科学的！就像法因戈尔德在展览的目录中评论的，“在转变为牛顿主义者”之前，“需要一段长时间的消化吸收和同化过程”。4而一旦人类成为牛顿领地上的土著之后，牛顿的研究成果就影响了人类生活和文化的每一个角落，其影响持续的年代远远超出了牛顿的有生之年。［1］

它导致了一个历史“时刻”的诞生，重塑过去的冲突，为将来打开了新的可能性。［2］这些转折点是文化模式的变迁，改变了人类所知和所做的事情，以及他们怎样解释他们的经验。

牛顿学说世界的简洁性、优雅性和可理解性使它让人觉得安心和美丽。地上和天上不是由不同的事物组成的截然不同的地方，而都是宇宙的一部分。这个宇宙的空间、时间和规律是单一并一致的，在所有尺度上都是相同的。这个宇宙也是均匀的，它不是由无法预测、突然出现和消失的鬼魂或者幽灵统治的。每一样事物有其与众不同的身份，处于一个特定的空间和一个特定的时间。事物不是通过取得、实现或者加强它们的存在而改变。世界像一个宇宙的舞台或者台球桌，这儿的事物是由力来推动和拉动的。所有的空间是相似和连续的，所有的方向是类似的，所有的事情是有原因的。理解事物如何以及为什么变化，就是去理解它们或者它们的各部分是如何以及为什么运动。历史上第一次，人类看待世界是一个真正的统一体，是自洽的，甚至是有逻辑性的。

牛顿学说的世界是确定和可预见的，对其特征最著名的清楚表述来自法国数学家和天文学家拉普拉斯（1749—1827）：

我们应该把宇宙的当前状态视为它的先前状态的结果，和它随后状态的原因。比如有一个智力，它可以理解所有驱动自然的力以及组成自然的万物的各自状态，它大到足够分析所有这些数据。那么，它将把宇宙中最大的物体以及最小的原子的运动包含在同一个公式中。对于它来说，没有什么是不确定的。未来，和过去一样，在它眼里都是现在。5

在牛顿学说的时刻，这样的一种才智代表了科学家拥有的理想知识，不需要什么神秘的知识和至高无上的权威来理解这个世界。人类可以想象出宇宙中任何地方任何尺度上发生的事情，就像在我们平常所处的尺度上所做的。你可以用球和杆来做出太阳系中物体运动的模型；在牛顿死后几百年原子理论诞生后，你可以用原子和分子做同样的事情。机械模型都可以用数学的方式表达出来。“我从来不觉得满意，直到我能做出一个事物的机械模型。”英国科学家开尔文男爵说，“如果我能构造出一个机械模型，那么我就能理解它。只要我不能将整个过程构造出一个机械模型，那么我就不能理解它。”6运动定律也可以用数学的方式表达。比如，两个物体之间的万有引力由一个简单的式子给出：一个常数乘上两个物体质量的乘积，再除以它们之间距离的平方。不管这两个物体是什么、在哪里以及相隔多远，这个数学表达式都成立。理解了这样一些定律让我们能将人类送上月亮，将宇宙飞船送到太阳系的边缘。

最后，牛顿学说中的世界不用涉及人的行为就可以被理解。对亚里士多德来说，解释运动需要知道机械学的推拉，还需要知道“为什么”事情正在发生，即人的意图和目标。为什么那辆马车在路上运动？部分原因是马在拉它和道路有阻力，但同时也是因为商人需要在集市上卖掉货物来养活家人，所以把车套在马上，等等。但是对于牛顿来说，解释马车的运动只需要知道力和质量，不涉及人的动作，或者说，即使涉及人的动作，这些最终也是用机械学的推拉来解释的。牛顿学说的世界是一个舞台，在这上面唯一运动的东西就是质量，唯一移动这些质量的是力。我们可以像研究玻璃鱼缸中的东西一样研究它：从外部研究它而不扰动其中的东西，就像我们这些观察者和被观察对象是分开的。测量也许会扰动我们测量的东西，但这个扰动是可预期的，并且原则上可以被降低到我们需要的任意小的程度。科学家们可以将自己从他们的测量中“拿出来”，从他们获取的知识中迁移出来。牛顿学说的时刻标记着这样一个时代：科学家们可以愉快地用机械和数学的方法研究自然规律，而不用管什么超自然的目的、计划和设计。

历史学家贝蒂·多布斯和玛格丽特·雅各布写道，牛顿学说时刻提供了“现在大多数西方人和部分非西方人生活的物质和精神世界（工业的和科学的），这被贴切地描述为现代”。7它减少了迷信（相信特别的、万物有灵的力量和权力），它暗示着上帝扮演一个新的角色。牛顿，一个信仰上帝的人，认为他的像机器一样的宇宙需要一个至高无上的规则制定者，他对宇宙的统一、设计以及理性的描写将促进和培养对上帝的更强的信仰。但事与愿违，在牛顿的描述中，宇宙是有规律的，在机械地运转着。这种描述将注意力吸引到了宇宙的规律上，而不是它的创造者上。上帝似乎被他自己的规律约束住了，在他创造完宇宙后，他这个机器制造者的存在显得多余了。所有“为什么”的问题都有机械和数学上的答案，这样一个事实将宗教信仰者置于防守的地位。

不管怎样，在文化的几乎所有方面，从文学和音乐到政治理论、哲学以及神学，牛顿的影响都是强大的和决定性的。［3］

牛顿的成就影响了政治理论，因为牛顿学说支持稳定的政治次序和民主的现代观念，削弱专制主义的论据。政治思想家被促使像牛顿寻找支配物理世界的规律一样寻找统治人类世界的法规。［4］牛顿的助手之一，约翰·德札古利埃写过一首诗，“牛顿世界的系统，最好的政府模型”，赞美整齐有序的太阳系就像政府的典范。美国的开国元勋读过牛顿的著作，他们关于人类事务的著作基于牛顿学说之上。托马斯·杰斐逊在《独立宣言》的第一行提到“自然法规”时，显然是想到了牛顿的研究。牛顿学说给了政治学家灵感和启迪，就像美国哲学家理查德·波逖描述这些政治学家的特征时所说的，他们进行的社会变革围绕着“人类相似和共通的地方”。8

牛顿的工作也给了哲学家一个新的任务。许多哲学家注意到，牛顿的工作依赖于某些理念，比如无限可扩展和分割的空间与时间、普适的因果性。这些一方面既不像数学真理一样不证自明，另一方面也不是实验上的发现。为什么这些理念看起来是如此天生固有的？德国哲学家伊曼努尔·康德说明了这些理念是经验本身可能性的前提条件，没有它们，人类的意识和观念将成为不可能。它们是我们心智软件的一部分，将知觉获取的数据以一种使我们的经验变得有序和一致的形式组织起来，使得牛顿定律能发挥效用。正如牛顿说过自己不会冒险做关于引力等事物内部原因的假设，康德说自己不会冒险去做关于什么事物和我们怎么去感受它们是相分离的这样的假设。相对于现象，他称其为本体。

艾萨克·牛顿爵士酒吧，位于英格兰剑桥市城堡街84号

诗人、画家以及其他艺术家要么从牛顿的工作中受到启迪，要么被他的工作激怒。浪漫派诗人分成两派。一派，比如英国诗人约翰·济慈认为用光的折射来解释彩虹“剥夺了彩虹的神秘感”。另一派，如他的同胞诗人詹姆斯·汤姆逊认为人们可以学会用“牛顿学说的眼睛”去看彩虹和日落，并“宣布折射定律多么合理，多么美丽”。

最后，牛顿的成就在公众中发挥出一种近乎宗教狂热的迷恋。它提供了对宇宙运行的、以前保留给宗教权威和神秘主义者的洞察力。他的工作不只是在布道中被讨论，而且也被世俗的学者和普通大众所讨论。［5］

牛顿的影响在现代生活的各个方面显而易见，既有科学上的也有文化上的。这些影响在速度计、重力计、高度计以及其他测量连续变量的仪器中很显然。在英格兰剑桥市的市郊，城堡街上林赛·麦克德莫特发廊的隔壁，有一个叫作艾萨克·牛顿爵士的酒吧。这个酒吧位于一个普通的道路交叉处，卖一些普通的啤酒，它也供应一些普通的食物。为什么取这个名字？顾客们多半会茫然地看着你，嘴里嘟哝些什么英国的伟大之处、历史或者牛顿曾经在路那头的大学里受教育等。但是酒吧的名字提醒我们，牛顿依然是一个流行偶像。牛顿的名字用于命名了剑桥大学图书馆的在线课程目录，也是力的一个单位和一种温标的名字，还用来命名了一个计算机操作系统和一个在轨的X射线天文台。

牛顿工作持久不衰的影响和这样一个事实联系在一起：它为我们的感性器官的演化发展方式提供了科学的框架。我们适应了一个世界，这里连续性假设被回报给我们；我们实际上看不到它，但自己把它安装进去。魔术家们知道这一点，把它叫作好连续性定律。9这就是他们欺骗我们的方法，他们搭起一些场景让我们感觉到一些实际上并没有发生的行为或者事情。换句话说，魔术家们巧妙地操控着一些次序，我们基于牛顿学说的基础之上，认为这些次序在我们的环境中存在。牛顿时刻并没有建立这个原则，它早已经在那里，但牛顿时刻为它提供了一个科学的依据。魔术家们在量子世界里将遇到艰难的时刻。英国生物学家理查德·道金斯写道：“我们的大脑已经演化到能帮助我们在我们的身体能运作的大小和速度的同量级环境中生存下去。”这些是我们的直觉感到舒适的地带，他把它们叫作“中间世界”，并说：“这是现实世界的一个狭窄范围，我们判断为正常的世界，和非常小、非常大以及非常快的世界中的奇异相对应。”10

在把统治自然世界中令我们的直觉感到舒适的地带的规则编纂起来时，牛顿的工作也提高了人类世界的期望，期望人类世界也是由具有因果性、一致性和连续性的法则来管理的，这种期望对艺术、文学和哲学产生了强烈的影响。比如，这些期望塑造了作者和读者关于小说人物展现的互动的直觉，这种文学形式的小说在牛顿的有生之年开始出现。的确，大多数人的真实生活是平缓的、连续的和受法律支配的，但牛顿学说为人们看世界的视角提供了一个模型，这个模型鼓励人们实际上像他们已经做的那样去看待他们的生活。

简而言之，牛顿的工作几乎影响了人类生活的每一个方面，帮助提供给了人类如康德所说的3个基本哲学问题的答案：我们能知道什么，我们应该怎么做，我们可以希望什么？牛顿时刻甚至具有一个无法触摸的、精神上的维度，我们发现出生于德国的哲学家鲁道夫·卡尔纳普以及他的同事们在他们题为《世界的科学概念》的逻辑实证主义宣言中对此说得很清楚。这个宣言写在量子革命之后不久（1929年），当时还不清楚量子革命的文化冲击将对宣言中体现的牛顿学说思想的削弱有多彻底，这份文件的精神毫无疑问是遵循牛顿学说的。实证主义哲学家们写道，科学的世界概念不更多地在于一套论文，而在于一种态度和一个方向。“前面的目标是统一的科学，”他们写道，“从这个目标发源出对公式中性系统的搜寻，对一个没有历史语言残渣的象征主义的搜寻，和对概念总系统的搜寻。”这不只是一个科学目标，他们接着说，这意味着一个完全理性的人应该具有一种特别的态度和行为：

追求简洁和明晰，摒弃神秘的距离和高深莫测的深度。在科学里没有“深奥”，到处都有表面：所有的经验形成一个复杂的网络，这个网络不总是可以被测量，经常只能部分被了解。所有的事情都可以被人理解，人是所有事物的测度……科学世界的概念里没有不能解开的谜。11

这个实证主义宣言的精神也许是牛顿时刻的最高峰。

量子的伏击

牛顿学说持续了大概250年，然后在1900年，它被伏击了。在研究光学中一个看起来偏僻的角落时，物理学家发现他们只有在引入一个奇怪的、完全新奇的想法——量子时才能解释所发生的现象。这个想法看起来简单，但结果却击碎了牛顿世界的根基。

进攻在两个阶段展开。从1900年到1925年，科学家们渐渐发现量子不能融洽地融入牛顿世界，和关于空间、时间以及因果律的假设相冲突。但是很多科学家希望找到一个驯服他们这个任性小孩的方法，在优雅的牛顿学说世界里给它找到一个位置，就像在《原理》发表后他们给许多其他“小孩”找到位置一样。在这个时期里，社会公众把量子理论看成和相对论是相似的：非常重要，但除了最聪明的科学家，其他人都难以理解，这些科学家因为一些复杂得不能理解的原因而为量子理论感到激动和兴奋。

然后，所有的事情都变了。在一段令人惊讶的短时间内，从1925年到1927年，驯服量子的希望被一个新理论破灭了。这个新理论的根基完全不同于经典物理学的根基，这个理论的顶点是不确定性原理。这个第二次革命被称为量子力学，它解释了牛顿力学不能解释的现象，回答了很大的一批问题，比如太阳是怎么发光的以及原子的动力学问题。它代替牛顿物理学说，成了微观世界的理论。在量子历史的第二个阶段，人们可以讨论相对于牛顿世界的量子“世界”，就好像这两者指的是由不同的定律统治的不同领域。这个新的领域和牛顿世界比起来是奇异的，甚至是不可思议的，但是它因为几个令人不安的特点而缺少简单性和优雅性。第一个是穿越尺度时带来的不同，尺度很重要，因为不同的定律分别适用于微观世界或宏观世界。第二个是非均匀性，有些事物在这个世界里与其他事物相比有不同的表现。第三个是不连续性，和牛顿学说不同，一些性质的取值（比如空间和时间）不是平滑地相互连接在一起的。第四个是不确定性，牛顿世界里的一些性质（比如位置和动量）不能同时被确定，或者甚至说不是实在的。第五个是不可预知性。第六个是不能将测量者自己从某些测量里分离出来，微观世界现象的某些性质看起来依赖于测量而存在，从而摧毁了客观性的经典概念：所有性质都有固定的值，不依赖于它们的测量。也就是说，科学家们发现他们不能将自己从知识图像的某些部分中分离出来。

1927年不确定性原理的发现摧毁了残存的回到一个确定性的

牛顿世界的希望。这个原理是量子力学的一个基础性构成，它意味着同时知道一个粒子的位置和动量是不可能的事情，它意味着布莱克的牛顿不能像他觉得可能的那样知道关于他背对着的、自然的美丽之海的所有东西，它意味着拉普拉斯的知悉全部、完美的才智在一开始就不可能。这个原理也帮助改变了很多词语的意思，包括不确定性、随机性、可能性、原因和概率。12几个科学家（其中最出名的是爱因斯坦）希望站稳脚跟恢复牛顿学说的世界。有些科学家试图用公众可以理解的语言来解释发生了什么，而公众则发现这些普及工作很吸引人。这把战斗扩散到了远远超出物理学（它开始的地方）的地方，到了愈发扩展的文化领域。哲学家、艺术家、小说家以及诗人很快接受了量子的术语和概念，这些东西甚至开始出现在日常用语里。被牛顿时刻培育的文化形式受到了威胁，新形式发展之门被打开了。

量子世界意味着什么？它像是一片处于某个未被探索的山脉里、没被发现过的地域吗？它因为其中的迷人风景和奇特生物而很值得研究，但是对我们自己的世界却没有多少含义吗？它是不是像是在与一个处于某个遥远星系的外星文明取得联系？注定要改变我们人类怎么思考自己和我们在宇宙中的位置？或者量子世界（它毕竟处于世界的根基）对我们认为的理性和非理性、实在和非实在有更深的含义？

即使在这么多年后，量子时刻还是比被它胜出的牛顿时刻更含糊不清和纷乱，人们仍在寻找它的模型。人类还没有变成“量子世界的土著”。一个世纪以来，我们仍然是量子世界的移民，仍然在试图熟悉这个离奇古怪、令人费解的世界，试图理解它的含义。我们发现量子力学是迷人的，因为它似乎是在与我们在描述自己的经历时经常会遇到的困难说话。量子力学是奇怪的，我们也是这样。

“没有人懂得量子力学。”大物理学家理查德·费曼说过一句著名的话。说这话的时候，他和平常一样具有挑衅性，但是他的评论强调了这个学科恶名昭著的困难性和彻底的反直觉性。为什么这么困难呢？

一个可能的回答是：我们不能变成量子世界的土著。进化已经让我们适应在一个维度和时间尺度都符合牛顿学说的世界里思考和行动，量子效应不是可以直接察觉的。我们作为一个物种已经适应了这个世界，作为个体在这个世界里成长，通过我们的头脑怎样处理体验而在概念上停泊在这个世界里。在这种看法里，一道无法跨越的峡谷将经典世界和量子世界分割开来，因此我们总是会觉得后者是奇特的和难以理解的。学习量子世界带来的快乐就像是学习一个魔术表演时的快乐，在这里我们对自己预期的事情和发生的事情之间的不匹配感到快乐。这种激动永远都不会消失。

但是还有一个另外的回答，那就是古怪不是来自量子世界而是来自我们自己。事物只是在和熟悉的东西比较时才显得古怪。如果我们认为熟悉的东西结果却是幻想和包含错误的假设（如果我们的世界比我们想象的更奇怪），那么我们比较的量子世界将不会显得那么异想天开。如果布莱克的牛顿曾经站起来，离开他的画卷，偶尔思考一下他自己的体验，也许他就不会对新的进展感到那么惊讶。我们为了解量子世界而进行的探寻也许结果将是某种上下颠倒的《绿野仙踪》结局，我们突然意识到自己认为是家的东西其实只是一个梦，而我们的世界总是有点儿像奥兹（《绿野仙踪》中的一个人物角色），那么此时我们就会成为量子世界的土著居民了。

插节 大设计

“牛顿是我们的哥伦布，”伏尔泰写道，“（因为）他带领我们到了一个新世界。”13这是一种特别的世界，是我们自己世界的一种骨架版本。这里仅有的东西是质量，这些质量所做的唯一事情是运动，而唯一让这些运动开始或者停止的东西是力。牛顿还向我们演示了这些最基本的假设导致了关于宇宙的一种观察，这种观察是如此简单、优美和能被理解，它被称为“大设计”14。

牛顿在他的《原理》中给我们展示了大设计，它的基本概念是力、质量和速度。每一个质点在一个特定的时刻有一个特定的位置，如果它运动，它的位置对时间的变化率称为它的速度。如果它的速度变化，速度对时间的变化率被称为它的加速度。如果质点加速，那是因为它们受到了力的影响。这些力来自于物体之间的相互作用：要么来自于接触，要么来自于吸引或者排斥。《原理》详尽地解释了运动三定律。在大设计里，3个定律在整个宇宙的所有尺度上和所有领域里都是成立的。

第一定律：不受力作用的质点保持静止或者做匀速直线运动。如果一个质点开始运动或者改变它的匀速直线运动状态，则是因为它受到了力的作用。

第二定律：质点加速度的大小正比于作用于它的力，其方向与力的方向相同。在《原理》中，牛顿用语句把这个写了出来。只是在100年以后，这个定律才用符号作了精简，成为现在大家熟悉的方程形式：。

第三定律：适用于物体之间的相互作用，它说每一个力都有一个反作用力。如牛顿所说：“对于每一个作用，总有一个大小相等的反作用；或者说两个物体对彼此的相互作用总是大小相等，方向相反。”牛顿继续写道，当一匹马用力拉拴在绳子上的石头时，马被拉向石头的力和石头被拉向马的力大小一样。

为了预测一个质点未来的运动或推断它过去的位置，需要制定出从这3个定律出发，计算任意时刻质点速度（它的位置变化率）的法则。给定了速度，我们可以计算在任意时间间隔里物体运动的距离。这个距离就是时间间隔的大小乘上这个时间间隔里的平均速度。为了确定速度，牛顿力学引入了另外一个量——动量，它由质量（也叫惯性）乘以速度给出。质量越大，物体在力的作用下越不容易改变它的速度。一段时间间隔里的平均力乘以时间间隔的大小，就给出了那段时间间隔里动量的变化。因此，为了预测所有的运动，我们只需要知道一个给定时刻所有物体的位置和速度，并知道所有时刻作用在物体上的力（只是位置和速度的函数）。

牛顿提出了第四运动定律，即万有引力定律，用于物体之间的吸引力。这个力由一个简单的表达式给出，即一个常数乘以两个物体质量的乘积，再除以物体间距离的平方：

不管物体是什么、在哪儿以及相隔多远，这个式子都是成立的。

在牛顿力学（或称为经典力学）中，这些假定以不同的形式得以详细阐述，被运用于很多不同的情况下：固体、液体以及气体，做环行运动、转动或振动的物体，抛射运动、摆动以及波动；许多质点构成的复杂系统。它们被运用于原子和星系。牛顿力学提供了一个方法，可以用数学的手段体现相关的运动，而不管其是多么简单还是多么复杂。

牛顿学说时代强调自然的连续性，尽管时不时有几个反叛的科学家提出不连续性和混乱处于自然的中心等观点。牛顿和他的主要竞争对手莱布尼兹（他在差不多同时期提出了同样的想法）创立了微积分。微积分是关于无穷小量概念的学说，是牛顿世界的主要数学工具。牛顿假设适用于这个工具的自然的行为表现也是这样的。使用一条古老的谚语，牛顿宣称：“Natura non facit saltus。”意思是“自然不是跳跃的”。如果它真的跳跃，尺度就会有关系，微积分的应用（和经典力学适用的范围一起）就会受到限制。

牛顿学说的世界是一个朴素的、抽象的世界，没有人类的利益和癖好。在这个世界里，所有的枝形吊灯、吊架和秋千都是摆，所有的运动和舞蹈都是的实例，所有的球都是弹性的，所有的平面都是无限大的。不管你移动到这个世界的哪个地方，甚至你变得更大或更小，物理定律总是保持一样。如果想发现过去发生了什么或者将来要发生什么，你可以这样做：量化位置、速度、质量和力，然后运用合适的定律进行计算。这里的计算依赖一种特别的、叫作微积分方程的工具。微积分方程是表述连续变化的性质之间关系的一种直接方法，比如（在牛顿世界里）速度与位置之间的关系，或者力与动量之间的关系。在那种语言里，x或位置的小改变用符号dx来表示，t或时间的小改变用dt表示，这些小改变趋近于零。速度是位置关于时间的变化率，其可表述为v=dx / dt。类似地，力产生加速度这样一种效果由式子给出，这里动量。一个特别简单但是重要的理想例子是一个由一根轻的弹簧和一个连在弹簧上的质点组成的系统。这样所有的惯性都归结于质点的质量：。这里k是弹性系数，它给出质点相对于平衡点的位移与弹簧的反作用力之间的比例关系。

该系统被称为理想弹簧（或者胡克定律弹簧，以牛顿的主要对手罗伯特·胡克的名字命名），原因是任何一根真实的弹簧在恢复拉力变弱、不再正比于位移的大小之前，只能离开平衡点拉伸一定的距离。另外，任何真实的弹簧都有一定大小的摩擦力。但是，理想弹簧常常是一个很好的近似，它的解（它的运动和一个绕圆周的匀速运动在一个运动轴上的投影是一样的）特别简单：位移随时间的改变是一个三角函数，如果开始的状态是位移为零的话，它就是一个正比于时间的角度的正弦函数。

胡克定律弹簧：演示一个连接在理想（无质量）弹簧上的物体随时间的正弦曲线运动

在《原理》出版之后的几个世纪里，科学家们发现了许多新的现象，它们都可以被纳入大设计的框架。电是其中之一。法国科学家查尔斯·库仑和其他人以仿效牛顿万有引力定律的方式研究了电荷的吸引和排斥作用。他们发现两个电荷之间或者两个磁极之间的作用力正比于电荷大小的乘积，反比于它们之间距离的平方。所有质量都是正的，但电荷或者极性可以是正或者负。这意味着所有引力质量之间都是相互吸引的，但同性电荷和磁极之间是相互排斥的，异性之间相互吸引。场的概念（一个在每一个时空位置上都有一个特定值的量）现在极大地扩展了牛顿力学的威力。其他科学家说明了电流如何产生环形磁场，而变化的磁场产生环形电场，从而建立了电和磁之间的一个联系。英国科学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦意识到变化的电场也能产生环形磁场。当把所有关于名叫电磁学的新现象的已知知识总结到一起的时候，他得到了一个惊人的结果：光恰好是电磁波！所有这些进展都可以被容易地纳入牛顿力学公式中，力决定质量能被多快地加速，或者说改变它们的速度。所有的新现象被舒适地安置在大设计里，由微分方程来描述。

这不是一个完全像钟表机械一样的宇宙，科学家们认识到了这个世界包含着看起来随机的行为。研究地质学、热力学和气体行为等领域的科学家发展了处理不可逆行为的方法和处理不确定性的统计工具。15但这牵涉到哲学家所称的认识论的不确定性（我们对所研究物体的了解的不确定性），而不是本体论的不确定性，或者说自然本身的不确定性。这就如拉普拉斯所展示的牛顿学说信仰者的信心：“词语‘可能性’只是表示我们对我们所观察的现象的无知，不了解它发生的原因和一个接一个以不明显的次序出现的原因。”16

当量子于1900年首次出现时，它在牛顿学说的领域里也是这样的。它只是在解释光在特殊环境下的行为对牛顿学说预期的偏离时被发现的，量子世界只能是被发现处在一个牛顿世界里。一段时间里，科学家们完全预期量子也能被安置到大设计里的某个位置，就像到那时为止他们发现的每一个其他现象一样。他们将大为震惊。

第2章 一个像素化的世界

1967年，评论家和小说家约翰·厄普代克针对1963年11月22日在美国得克萨斯州达拉斯迪利广场拍摄的照片和非专业录像资料写了一篇简短的评论。这些素材拍摄于约翰·肯尼迪总统的车队经过广场时，总统被刺客的子弹击中这样罕见的重大时刻。厄普代克注意到，越凑近仔细察看照片或者录像的每一帧画面，它们就越没有意义。谁是那个在阳光明媚的天气却打着伞的“伞人”？或者谁是那个“黄褐色皮肤的人”？他首先跑开了，然后又被看到坐在“一辆由一个黑人驾驶的灰色漫步者汽车上”。发生枪击的窗户旁边的那个窗户里的模糊身影是谁？他们是无辜的局外人还是阴谋的参与者？厄普代克写道：

“我们想知道，是否真的有一个秘密被隐藏在这里面，是否任何类似的对时间和空间片段的仔细察看都会导致类似的怪异：情节表面存在漏洞、矛盾、反常以及妄想。也许，就像物质的基本组成一样，调查超过了常识的阈值，进入了一个亚原子领域，这里定律不被遵循，这里人类具有β粒子的寿命，具有中微子的透明特性，这里必须用某种粗略的平均代替绝对的真理。”1

多年以后，许多画面最终被发现是有合理解释的。“伞人”被确定了（除了顽固的阴谋论者不满意以外）。他在一个国会委员会前作证说，他仅仅是在抗议第二次世界大战期间肯尼迪家族对待希特勒德国的方式。一把黑伞（英国首相内维尔·张伯伦的招牌配饰）象征着纳粹绥靖者。伞人只是一个抗议者，远不是预示着这个世界理性的破缺。

但是厄普代克的描写听上去是真的。他知道当科学家们一个画面一个画面地察看亚原子世界时，这么说吧，他们看到的是不连续和怪异，事情的发生是随机的，除非把它们作为一个整体来考虑。他也知道普通大众往往会发现我们的生活遵循着一个相似的疯狂怪异的逻辑，虽然这是比喻性的。我们的世界不总是平稳的、连续的和受定律支配的。凑近了看，它常常让人感觉到是紧张不安、不连续和不理性的。今天的世界不具有牛顿学说世界的温和的几何结构，而更像一锅开水的表面。把这个叫作一个量子情形也许在科学上是不对的，但是对厄普代克和数不清的其他作家以及诗人而言，从比喻上来说这是合适的。

两个多世纪以来，牛顿学说世界温和的几何结构一直是稳定的和不可抗拒的,那么它是怎么被漏洞、矛盾、反常以及妄想刺破的呢？

马克斯·普朗克

要回答这个问题，需要绕个小弯来看看马克斯·普朗克的一生，是他将量子这个概念引入了科学。

从气质上来说，普朗克是一个非常保守的人，他没有做一个革命者的意愿。他来自于一个牧师和律师家庭，是一位有责任心、严格和诚实的人。他学会了保持低调来度过骚乱的时代。当他6岁的时候，在他的家乡基尔（那时属于石勒苏益格-荷尔斯泰因，现在属于德国），他看见过外来入侵者的部队。当他50岁住在柏林时，他看到德国在第一次世界大战中战败。74岁时，纳粹上台，那时他也在柏林。他经历了许多人生悲剧。他的大儿子在第一次世界大战中丧生，二儿子在第二次世界大战中被纳粹杀害，他的房子毁于盟军的一次轰炸。虽然不是犹太人，但在纳粹恐怖中，他被攻击为“白犹太人”，原因是他传授犹太人（比如爱因斯坦）的异端邪说。但是普朗克通过保持低调2，设法在德国度过了战争时期。

马克斯·普朗克（1858—1947）

从科学上来说，普朗克也是保守的。年少时，他被科学深深地吸引，因为这让他能研究一个绝对的、独立于人类行为的世界。相对于他周围险恶的世界，科学为他提供了一个非凡的庇护所。“在我看来，探索适用于这种绝对性的定律是人生最崇高的科学追求。”在生命的尽头，普朗克回忆说。当他在慕尼黑做学生时，他的一位教授劝他放弃这个崇高的追求，告诉他物理学中“差不多所有事情都被发现了，剩下的全部事情就是填补几个空缺”。不要紧，年轻的普朗克满足于填补这些空缺和清理布满灰尘的角落。在柏林做研究生时，他的兴趣集中在热力学上。这是物理学的一个分支，有关热、光以及能量之间的关系。又一次，他的教授们劝告他这个领域的研究差不多都做完了。同样，他也不理睬这个劝告。普朗克没有发现的渴望，只想把基础建得更坚固。“普朗克是一个本质意义上的保守者，”他的传记作者写道，“他特有的效率在于他适应甚至直接面对当前现实的能力，同时他又保持和践行着传统的价值观念。”3

多么令人啼笑皆非，这个打算将科学的边边角角都整理好的人将提出一个打击科学最深根基的想法。普朗克在德国标准局夏洛滕堡物理技术研究所工作的时候提出了这个想法。夏洛滕堡物理技术研究所建立于1887年，是世界上第一个关于计量的国家实验室。新的电子工业产生的需求迅猛发展，德国政府要求夏洛滕堡物理技术研究所制作一个灯泡评估系统。为此，科学家们需要分析以下发生的现象：材料吸收所有落到它们上面的光，然后又以物理定律允许的最均匀的颜色分布重新发射出光。这种情况下的材料（入射光的最佳吸收体）被普朗克的老师古斯塔夫·基尔霍夫（1824—1887）称为“黑体”。德国政府因此要求夏洛滕堡的科学家研究黑体辐射，找到一个公式描述它的标准能量分布，或者辐射的强度和频率怎么随温度变化。

普朗克1892年在柏林继基尔霍夫之后担任教授职务，他喜欢这个研究课题。一个原因是，他是在完成作为国家公务员的义务，研究一个合乎国家利益的题目。另一个原因是，他有准备，因为这个课题和他之前的研究有紧密的联系。最后，这个辐射只依赖于材料的温度而不依赖于它的化学组成这样一个事实表明，问题的答案将会是非常重要和具有根本性的（类似于引力的根本性由这样一个事实预兆：它只依赖于物体的质量而不是它的化学组成）。普朗克写道：“因为我总是认为搜寻绝对的事物是所有科学活动中最高的目标，我急切地开始了工作。”4

在一个经常讲的故事中（我们将在插节里精简叙述），普朗克发现，如果他假设材料具有选择性，只以一定大小能量的整数倍吸收和发射光，那么他就可以给出一个解释夏洛滕堡数据的公式。他把这一定大小的能量叫作hv，这里的常数h现在用普朗克的名字命名（普朗克常数），v 是辐射的频率。如果E是能量，n是一个整数，那么普朗克的辐射公式即是E=nhv 。普朗克后来说，他做这个假设是出于“完全的绝望”。他认为这不是一个解释，而是一个数学上的技巧。他想，最终这个想法会被抛弃。但是暂时而言，他很高兴，这个公式有用。

没几个人注意普朗克的想法。但仅仅5年之后，有一个26岁、名叫阿尔伯特·爱因斯坦的专利办公室雇员在一篇著名的、最终获得了诺贝尔奖的、关于光电效应的论文里，提出一个根本性的建议：光的能量本身就是h的整数倍，解释了普朗克的公式。（一份一份的）光的能量的大小后来被称为光子。简而言之，量子不是普朗克所想的一个数学上的技巧，而是一个物理实在。爱因斯坦自豪地在给一个朋友的信中写道：这是“非常革命性的”。5

术语“黑体辐射（Blackbody Radiation）”被赋予了新的使用功能，被涂在一艘由富兰克林欧林工程学院的学生制造的自动帆船的船体上

当时没几个人严肃地看待爱因斯坦的想法。但是到1910年，物理学家对量子的兴趣上了一个台阶。一个原因是，所有消除对它的需求的努力，或者把它和经典物理学调和到一起的努力都失败了。量子突然出现在所有地方，比如在分子理论中、在固体的热传导中以及其他地方。不管科学家们看亚原子世界的哪个地方，它都出现在每一个角落里，能量都是hv的整数倍，也只是hv的整数倍。它就像一个你必须邀请至某个活动的客人，尽管你知道这会让人尴尬。

1911年在布鲁塞尔召开了第一次索尔维会议，其主题是量子理论。坐者（从左至右）：沃尔特·能斯特、马塞尔·布里渊、欧内斯特·索尔维、亨德里克·洛伦兹、埃米尔·沃伯格、让·佩兰、威廉·维恩、玛丽·居里、亨利·庞加莱。站者（从左至右）：罗伯特·古德施密特、马克斯·普朗克、海因里希·鲁本斯、阿诺·索末菲、弗雷德里克·林德曼、莫里斯·德布罗意、马丁·努森、弗里德里希·哈泽内尔、豪斯特莱、爱德华·赫尔岑、詹姆士·金斯、欧内斯特·卢瑟福、海克·卡末林·昂内斯、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万。

1911年，21位欧洲重要的科学家在布鲁塞尔聚集，召开一个关于量子的峰会。［1］这次会议由比利时工业家欧内斯特·索尔维出资，由德国物理化学家沃尔特·能斯特组织。能斯特最初拒绝量子这个想法，认为它“荒诞不经”，但后来承认它不可缺少。能斯特在挑选参会者时写道：量子理论被证明是如此有用，“科学有义务严肃地对待它并仔细地研究它”。6普朗克尤其热心，他曾担心没有足够的人认真对待这个想法。对他自己而言，普朗克回信道：“在过去的10年里，物理学中没有其他事物如此连续不断地激励我，让我感到兴奋和刺激。”7量子给我们的教训是，经典物理学“显然太有限，不能说明所有那些不能直接被我们的粗糙感官感觉到的物理现象”。［2］至少在世界的一个领域里，与通常牛顿学说不同的法则才适用。

首次国际关注

1911年的索尔维会议（一次量子峰会）是量子声望的一个转折点，将这个消息从德国传到了欧洲的其他地方。英国科学家欧内斯特·卢瑟福将消息带回了英国，将他的激动之情分享给了一个对此着迷的年轻的丹麦访问者尼尔斯·玻尔。法国科学家亨利·庞加莱是如此热情，他在去世之前（1912年）发表了一篇6页纸的相关论文，并开设了有关量子的课程。在《量子假说》里，他指出：第一个观察一个简单碰撞（即使是一个苹果落到地上）的人肯定认为这是一个不连续的过程，但是科学展示出这是一个假象，看起来不连续的过程只不过是快速但却是连续改变的相互对抗的力导致的结果。类似的事情会发生在量子身上吗？我们只不过是观察得还不够仔细吗？“当前任何试图对这些问题给出一个判断的努力都是在浪费纸墨。”8

美国人是持怀疑态度的。当时的美国在物理上是一个不容易受新思想影响的地方，美国的物理学家大多是小心翼翼地看待理论的实验物理学家。他们曾经反对相对论，而对量子则持更大的怀疑态度。9这些怀疑不只是固执，科学家们有理由不接受。物理史学家凯瑟琳·索普卡写道：“经典物理学对每一个国家的物理学家都产生了很强的吸引力，因为它本身具有优美的内部结构，它能解释很宽范围内的物理现象。作为对比，那时的量子理论显得有些茫然，并且只在相对少数的几种情形下有用。”10甚至德国量子物理学家沃尔夫冈·泡利也在10年以后对他的同行维尔纳·海森堡说：“如果一个人对经典物理学的完美统一性不是那么熟悉的话，他反而更容易找到一条路（理解量子力学）。”11被经典物理学的优雅、美丽、可预言性以及普适性所吸引的美国物理学家们努力地去理解一个突然冒出来的理论，而相比之下，这个理论当时看起来丑陋、奇怪、无法预言，并且似乎适用范围非常狭窄。这样一段大约从1915年开始的经历（可以明显地从一个学生的报告中看出）恰切地表达了美国人对这个事物的典型态度：

我相信我们大家都同意量子论很让人讨厌。在使用这个理论时，我们既没有明确的机械图像来指引我们，也没有明确清晰的原理来作为运算的基础。每个地方的物理学家都在努力寻找一个规避这个理论的方法。如果这样一个方法被找到了，我想我们都会放心地长吁一口气，然后睡个好觉。［3］

芝加哥大学的罗伯特·安德鲁·密立根决心帮助他的同事们睡个好觉。他也是一个科学上保守的人，在爱因斯坦的相对论发表10年以后，他还是不相信；他仍然表示相信以太，尽管以太的存在已经完全被迈克耳逊-莫雷实验推翻了。1912年密立根在欧洲待了6个月，他遇到了普朗克，参加了普朗克的讲座，但他仍然对量子理论保持全然的怀疑态度。密立根雄心勃勃，他认为他可以将这个假骑士摔下马来，用传统的方法——实验推翻量子这个观点。他用最先进的仪器重新装备了他的实验室来检验爱因斯坦1905年论文的预言。这些预言中的一些已经被检验过了，看起来是对的，但是密立根相信更精确的测量将给出不一样的结果。

罗伯特·安德鲁·密立根（1868-1953）

密立根被震惊了，他的实验证实了爱因斯坦的每一条预言。他的震惊和沮丧在他公布结果的论文中表露无遗。他安慰他的读者说，他听说即使是爱因斯坦自己也不相信他自己的理论。但是在结尾，他不得不承认爱因斯坦的量子理论“确实非常精确地描述了”光电效应。12

与此同时，在解释亚原子领域的现象时，量子不停地冒出来。因在博士论文中论证了经典物理学没法解释金属的电磁性质，年轻的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔对量子产生了兴趣。从1913年到1914年，他在原子物理的一个重大突破中将量子应用于原子（见第3章）。经典理论预言，在轨道上运行的电子将辐射能量，最后坍塌到原子核里。玻尔演示了，如果你假定电子的轨道只能具有以一个新的自然单位h/2π为倍数的角动量，那么电子就不会有无穷多数目的围绕原子核的可能轨道（就像行星围绕太阳），而只有少数几个选择。这是一个和实验证据显著吻合的结果。另外一个差不多在同一时间发现的现象叫斯塔克效应，或者说谱线在外电场作用下发生分裂的现象。这个效应于1913年被发现，于1916年在一篇论文中由量子理论予以解释，论文总结道：“看起来量子论的效力范围与奇迹毗邻，它的用处一点也没有被用尽。”13一位科学家评述说，量子已经变成了一个“健壮的婴儿”。14

密立根的实验成为量子论受到欢迎的一个转折点。关于它的后续影响，科学史学者马克斯·伽莫写道：“量子行为成为了一种物理实在，实验可直接验证，爱因斯坦的光量子猜想被赋予了物理重要性和实验基础。”15不过，又过了差不多10年，光量子才被广泛接受。

量子危机

所有这些讨论都发生在物理学界里，基本上不为公众所知。日常的语言仍然继续使用“量子”的传统含义“数量”，可以是多或者少，甚至可以忽略。它被使用在人类生活的每一个方面，出现在诸如这样的词句中：贸易的数量、海军力量的大小、为过上好日子而需要的财富的多少等。有时这个词语出现在拉丁短语“quantum meruit”（一个人应获得的数量）或者“quantum sufficit”（足够多的数量）中。

1959年，伊恩·弗莱明在《时尚》杂志上发表了一篇题为《量子危机》的短故事，这后来被收录在他的短篇故事集《只为你的眼睛》中。这个故事是这个英国作家和前海军情报官员最好最动人的故事之一。它不是一个关于间谍的惊悚故事，而是一个严肃的故事，由弗莱明在他的婚姻走向终结的时候所写。在一个深夜，故事的主角、拿骚（巴哈马）的行政长官告诉邦德一个关于某位熟人的痛心故事。这个故事说，如果两个同伴都保留有至少一定数量的仁慈，那么人和人之间的关系就可以战胜最严重的灾难。当同伴之间不再关心，“快乐的量子变成零”时，痛苦将不仅仅结束两者的关系，而且会导致同伴之间相互毁灭。

弗莱明对“量子”这个词的用法与普朗克相近，它表示某个有限大小的数量，但足够产生重要的、结构性的差别。（2008年的詹姆士·邦德电影只是和原故事有一样的标题。）这种意思大概在1916年开始在公众中出现，当时物理学家们开始有信心相信量子不是一个数学上的把戏，而是物理实在的东西，他们开始更经常地谈论它。［4］当更多有关量子的消息传播到公众中时，关于量子的报告以及听众人数很快多了起来。普朗克被授予1918年的诺贝尔奖“以表彰他发现能量量子而对物理学的进步做出的贡献”。1919年，爱因斯坦的名字变得家喻户晓，因为他的广义相对论做出的预言被证实了。关于爱因斯坦及其理论的大众舆论经常提到这个天才也在从事量子理论的研究工作，这进一步提高了量子的地位。而1922年公众宣传变得更多，当时爱因斯坦“因为对理论物理所做出的贡献，尤其是他发现了光电效应的定律”（也就是说他对量子理论的贡献）而获得了诺贝尔奖（1921年度）。1923年，密立根“因为对基本电荷和光电效应的研究”而获得诺贝尔奖。

面向受教育人士的报刊越来越多地提到普朗克的思想，用来描述一个非牛顿学说意义上连续的世界。1929年《曼彻斯特卫报》写道：“这个世界上什么都不会发生，除非它按照h的倍数行事。比如，你咬一块牛排所消耗的能量一定是用h的确切倍数来计量的。这一口下去似乎不可能正好是这么多h，因为看起来应该是随机地咬了一口。”16

如果普朗克的名字在20世纪二三十年代偶尔会被严肃的新闻记者提及的话，那么在我们这个时代，他已经变成了一个流行文化明星，成为了这个像素化世界的代表人物，是发现牛顿学说世界的基石上裂纹的那些人中最早的那个。他的方程E=hv是少数几个能被大众认出的方程之一。［5］它甚至是一则幽默笑话的主题，这个笑话因为简洁的优点而获得了一项物理幽默奖。要理解这个笑话需要一点简单的数学，以及知道v是希腊字母，发“niu”音。这个笑话是这样的：

问：What’s new？（有什么新鲜事吗？）(直译可为“什么是new？”，new的发音也是“nu”，和v相近。——译者注）

答：E/h。

普朗克的方程也变得很有名，出现在T恤衫、咖啡杯以及其他经常显示知名人士图像的地方。很多普通大众能认出这个方程并认为它很重要，尽管他们并非真的知道为什么重要。也如同名人一样，它的公众形象和影响被社会演化过程增强了。在这里是指被大众科普书籍和文章增强的，这些书籍和文章宣扬这个方程是科学史上具有变革性的角色。

然而，有些新闻记者和作者确信，普朗克的工作不仅仅开启了科学的一个新时代，而且还开启了一个文化上的新时代。比如，在1930年年底，《纽约时报》刊登了一篇文章《科学需要诗人》。作者写道：牛顿学说的世界有严格的“工程概念”，除了“歌颂机械”以外，没给艺术家留下什么空间。终于，“这个他们崇拜的机器被科学抛弃了”，因为“具有数学物理形式的科学随着每一次新发现都变得更具理想主义色彩”。曾经，希腊和拉丁诗人们了解他们那个时候的科学。《纽约时报》说，我们的诗人也会做得一样好：

奇迹？诗人将在普朗克的量子理论里发现它们。量子理论解释辐射，说它似乎是由弹丸组成的，而不是波。光量子和电子到处飞翔，不理睬那些老旧冷酷的关于原因和结果的定律，它们就像被赋予了自由意志一样行事。仙女、精灵不再是异想天开，阿拉丁神灯不再那么神奇。物质只不过是一个幽灵。原子就像幽灵一样，辐射就从它那里发射出来。宇宙不再是一个以可预言的方式运行的机器。17

《纽约时报》接着说，这个世界对艺术家、诗人以及哲学家而言充满着新的可能性。“我们需要的是一个卢克莱修（古罗马诗人、哲学家），他将吸收爱因斯坦、普朗克、薛定谔以及海森堡的泉水，创作一篇现代版的《物性论》，解释位于并超越电子和弯曲有限的空间中的神秘与美丽。”

在我们这个时代，量子变得更加有名，为艺术家和哲学家开辟了新的富有表现力的可能性，而不仅仅是使现代版的《物性论》成为可能。

当然，普朗克没有想那么多。关于他的科学概念对艺术和文学的影响的思考也许会让这个相当保守的人感到茫然和尴尬。1947年，在他生命的最后一年，普朗克受到伦敦皇家学会的邀请去参加一个关于牛顿的庆典。这个活动在一个大厅里举行，重要的客人被一个一个地隆重介绍，他们的名字和国家被大声地从名单中宣读。普朗克是被特别邀请去的，他的名字不在名单之中。介绍人被弄糊涂了，不得不临时发挥，嗑巴了一下：“马克斯·普朗克教授——不来自哪个国家！”在场人士善意地笑了，站起来热烈鼓掌欢迎普朗克，这位差不多90岁的老人慢慢地站起来接受大家的欢迎。皇家学会第二天尴尬地将普朗克加入到名单中去，但普朗克坚持要求他被标识为“来自科学世界”18。

插节 普朗克引入量子

在物理学史上，从来没有这样一个不起眼的数学上的内插对物理学和哲学具有如此深远的影响。

——马克斯·伽莫，《量子力学概念上的发展》

牛顿学说时代在研究光的行为时开始瓦解。

在19世纪末，电气工业快速繁荣发展。电报已经存在几十年了，而许多新的电学应用指日可待。1882年，美国发明家托马斯·爱迪生建造了一个电力网络，可以给曼哈顿的数十人提供110伏的电力，从原则上示范了可以怎样广泛地配送电力。两年后，英裔爱尔兰工程师查尔斯·帕森斯制造了第一台蒸汽轮机并将其和一个发电机连在一起，示范了原则上可以怎样廉价产生大量电力来供应电网。

电灯是可以在电网上工作的多种设备之一。电灯背后的原理是所有的物体都在一个频率范围内辐射热和光，这个频率范围可在可见光谱范围以内以及以外。夜视镜和热成像就是通过采集这些光来工作的。这个频率范围有一个特定的能量密度分布。温度越高，发出的辐射在一个特定频率上的能量密度峰值就越高，在高频处很快下降，在低频处下降得慢一些。一根铁制烧火棍之所以发红光是因为在那个温度下，它发出的辐射大部分集中在红光附近。当它的温度上升时，这个峰变得越来越窄，而且移动到更高的频率上，烧火棍发白光而不是红光。每一种材料在同样的温度下辐射同样颜色的光谱。在同样的温度下，圆木、陶瓷片和烧火棍发出同样颜色的光。电灯制造商们力图制造出消耗最少能量而发出最多白光的灯泡。

在19世纪80年代，很多国家采取措施来稳固和培育其电气工业，组建实验室来建立和监督执行电灯以及其他产品的标准。在德国夏洛滕堡的科学家制造了特别的烤炉来测量黑体辐射，收集高频区有关温度和光辐射的数据。夏洛滕堡的理论家威廉·维恩（1864—1928）给出了一个公式来描写不同温度下的电磁辐射能谱。它表明发光强度随着温度升高而增大，但是这个增大不是均匀地分布在所有的频率上，而是朝短波长方向移动。

普朗克不满足于维恩的定律，不是因为它没用，而是因为它看起来只是一个有灵感的猜测。为什么频率、强度和温度这样联系在一起？为什么一些常数具有它们特定的值？答案应该是绝对的，可以从电磁学以及热力学的基本定律中推导出来。普朗克用传统的办法构造了一个模型来描述材料吸收和发出辐射的方式，他将它们的图像视为一系列“谐振子”：电荷来回振荡，就像和服从胡克定律的、不同弹性的弹簧连在一起似的。它们的振荡速率（频率）依赖于弹簧的刚性。当这些材料吸收能量后，谐振子振动得更加起劲，而当它们释放出能量后，谐振子则振动得没那么起劲。当一种材料吸收和发射不同频率的能量时，它可被视为具有无穷多套这种不同刚性的弹簧。1899年，普朗克发现他能够用这个模型推导出维恩的定律，他感到非常激动。

他的喜悦之情没有持续多久。1900年年初，夏洛滕堡的实验学家们建造了更灵敏的烤炉来测量更长的波长（红外）。10月7日，实验学家海因里希·鲁宾斯告诉普朗克，在这个范围里，他们得到的结果和维恩的公式有点不一样，谱函数与温度更成比例，结果与经典公式的匹配比与维恩公式的匹配更一致（后来此经典公式被称为瑞利-琼斯公式）。

有些科学家可以忍受这个差异。普朗克已经演示了维恩定律是基本定律，这个差异肯定是实验误差。该误差确实可能会出现，尤其是在新的仪器和精细测量中！但普朗克了解鲁宾斯和其他夏洛滕堡的研究人员，他相信他们的结果，不认为可能是什么未知的因素逃脱了他们的视线。普朗克回头工作，提出了一个新的公式，并在1900年10月19日的柏林物理学会上作了介绍。他告诉他的同行们：“就我目前所能看到的，这个公式与已提出的最好的频谱公式一样，能令人满意地和到目前为止发表的观测数据吻合。”他总结说：“因此，应该能允许我提醒大家注意这个新的公式，我认为这个式子是最简单的可能。”19

在普朗克提出他的公式的那个晚上，鲁宾斯也在柏林物理学会。他激动地回到他的实验室去对比这个式子及他自己的测量，发现它们吻合。第二天上午，鲁宾斯拜访了普朗克，告诉他这个消息。其他两个实验学家曾经报告过看起来与普朗克的公式有偏离的结果，但他们很快发现是自己犯了一个错误，他们的结果和公式也是一致的。

普朗克仍然不满足。在他的眼里，他的公式有一个和维恩公式相同的缺陷。它仍然是一个“经验公式”，是一个没有“真正物理含义”20的猜测。他又一次开始了研究。1900年11月，他运用他广博的热力学知识，计算了他的模型里能量在共振子之间的分布，希望能找到一些线索，可让他从基本物理定律推导出他的公式。普朗克后来在他的诺贝尔奖演讲中说：“在我人生当中最紧张的几个星期的工作之后，黑幕掀开了，一片未曾预料到的远景开始展现出来。”21为了导出他的方程式，普朗克做出了他后来所称的“绝望的举动”，因为“无论付出什么代价，都必须找到一个理论解释”。22他发现他不得不假设分布在N个共振子中的总能量E是由一系列“能量元”ε组成的。ε的值和一个新的自然界的基本常数联系在一起，他把这个基本常数简单地称为h。这是临时性的，只是用来解释物质和它辐射的光之间的相互作用机制。

描述黑体的辐射率（或强度）和频率之间关系的3个定律。维恩定律（图中下部的虚线）和辐射的实验数据在高频部分吻合，描述了（图中右边）辐射在某个特定频率处有一个峰值，温度越高，此频率越高。经典公式（图中上部的虚线）不能描述这些数据，但能描述左边更低频率处的数据。普朗克公式（连接上述两者的实线）就像金发姑娘般完美，既不太大也不太小。普朗克起初假定它只是一个数学上的“把戏”，需要更多的研究。这个“把戏”指示了一个办法，将低频处的经典定律和高频处的维恩定律连接在一起。

对于足够高的频率，分母中的1和那个大的指数项相比可以忽略。去掉1这项后，分母中的指数项变成分子上的指数项，但为负的指数，正好得到维恩公式。对于低频，分母中的指数项趋近于1，只有两项之间的差别才是重要的，而这个差别可以用hv / k T来近似。这样在整个表达式中v的幂次减少1，同时一个因子k T出现在分子上。这不多不少恰好是经典理论（没有量子效应）意味着的结果，尽管在1900年普朗克也许并没有意识到这个。至少在事后看来，普朗克的公式在低频的经典物理学和高频的维恩公式之间做了光滑的内插。历史学家马克斯·伽莫写道：“这个内插尽管在数学上只是小事一桩，却是物理学史上曾经做出的最重要和最重大的贡献之一。”23

普朗克于1900年12月14日向柏林科学院提交了上述这些结果。在一个重要的段落中，“普朗克常数”在史上第一次出现在印刷品中：

然而，我们认为（这是整个计算中最本质的一点），E由有确定定义的一定数量的等份组成，并且使用了相关的自然常数h=6.55×10-27尔格·秒。用这个常数乘以共振子的共同频率v，可以得到以尔格为单位的能量元ε。用E除以ε，我们就得到了能量元的数目P，它们必须分配到N个共振子中。24

上面最后一句话用语句的形式将现在所谓的普朗克能量公式ε=hv（或是nhv，某个整数乘上这个基本数量）说了出来。这是构成这个世界的最基本的方程之一。

不管是在那一段还是在文章的其他地方，普朗克都没有提到量子的概念。他在文章中使用过这个词，指的是“电荷e的大小”，也即基本电荷，但没有将这个词用到他的数学技巧上。他还不确定它是不是基本的东西。无论是他还是任何其他人都没有猜到即将开始的物理革命会有多大的规模。这一段话等于是在说（尽管普朗克没有明确地说出来），具有某个频率的共振子不能如经典物理学所说的那样具有任意能量值，而是只允许具有由hv的整数倍分隔开的分立值。伽莫写道：“在当时，显然普朗克不是很确定他引入的h是否只是一个数学上的工具，还是它表达了一个具有深刻物理涵义的基础性革新。”25普朗克的确发现了一个根本性的东西，但却不是他所预料的。他以极为保守的方式行事，试图尽可能多地拯救现有的理论，尽可能少地引入新的东西来解释他所相信的实验结果。［6］

5年后，阿尔伯特·爱因斯坦将数学技巧变成了物理思想。1905年，他在苏黎世大学完成了哲学博士学位的学习，发表了4篇非同一般的科学论文。其中一篇是关于光电效应的，这是光照射在金属上，使得电子从金属表面飞逸出来的一种现象。经典理论预言，电子的能量应该依赖于光的强度。但实际上不是，这个能量依赖于光的频率，如果你用更强的光照射一个金属表面，那么更多的电子就会逃逸出来，但它们具有相同的能量。普朗克曾小心翼翼地说，你必须将这个古怪的h项引入黑体辐射公式，因为那些共振子只能吸收和发射具有hv整数倍能量的光。而爱因斯坦现在说，h是光本身的一个特性。光是颗粒状的，局域在空间中，具有hv整数倍的能量，hv是光的“量子”，后来被称为“光子”。爱因斯坦写道：“在一束光的传播中，能量不是连续地分布在稳定增大的空间中，而是由有限数量的、局域在空间点上的能量量子组成，量子不能被分割，只可以作为整体被吸收或者产生。”［7］如果是这样的话，你照射在一块金属表面上的光子的能量必须至少是它导致的逃逸电子的最终能量之和，再加上让电子从金属中逃逸出来所需要的能量（功函数或者W：Emax=hv-W）。这就像一颗子弹在来复枪的枪口处所具有的能量要比它最初爆发时所具有的能量少，因为它穿越枪筒时会有能量损失。

普朗克努力了好一阵子，以一种（他有一次写道）他的很多同事发现几乎是悲剧的方式，试图将h这个想法放入传统物理学的框架中。他白费力气。如果牵涉高温和长周期，那么h的存在可以忽略。但是每当碰到高频或者低温情形时，就需要h出现在计算中。你必须要由量子来得到黑体辐射高频部分的维恩公式，经典物理学只能给你后来很快被称为瑞利-琼斯公式的结果。这个公式能描述黑体辐射的低频部分，但在高频端导致一个不可能的无穷大辐射的预言，这被称为“紫外灾难”。

在1911年布鲁塞尔的索尔维会议上，普朗克揭示了另一个奇特的奥秘。他的常数不是一定数量的能量，而是陈述两个量之间的正比关系。比如，他的方程E=nhv将能量和频率联系在一起，如果一个变大，那么另一个就也变大。物理学家们称能量和频率之间的正比例常数为“作用量常数”。在这次会议上，普朗克讨论了h背后的一些惊人含义。从相空间的观点来看，h是作用量的一个单元，或者是一个系统能够具有的所有可能重要取值的抽象表示。例如，一个移动物体的相空间能用一个图来表示，比如一个桌面的大小，一根轴表示位置，另一根轴表示动量。在经典牛顿力学中，桌子上的每一个点（桌上有无穷多个点）是物体的一个可能位置。当物体改变它的位置和动量时，它就像是从一个点移动到另一个点——留下一条线，牛顿定律可以用来预测它的路径。普朗克注意到，在量子王国中，这样一个物体没有无穷多个位置。桌面由一小块一小块组成（今天我们会说像素），每一块的面积是h，代表这个物体的一个可能状态（位置和动量取值的范围）。它的可能性现在被极大地限制了，物体不能连续地从一个点移动到另一个点，而是被卡在至少一个量子大小的区域里。每一格这样的像素是作用量一个可能的空间，当物体从一格跳到下一格时，它的运动是不连续的。事后看来，很多后来的量子理论的原理（包括不确定性原理）都隐含在这一认识里，即相空间是像素化的或“量子化的”。

量子将反常和妄想注入到个世界越来越多的地方，开启了科学的一个新时代。

第3章 量子跃迁

《量子跃迁》是20世纪90年代早期美国的一部喜剧、冒险剧和科幻电视连续剧。剧中的主人公是一位时间旅行者，他拥有6个博士学位，其“特殊天赋是量子物理”。在每一集里，时间旅行者都在时空中做不同的跳跃。在20世纪80年代，英国辛克莱计算机公司开始着手制造一台意在改变游戏规则的计算机（他们后来不久放弃了），机器名为辛克莱QL（QL为量子跃迁的英文首字母大写）。2000年，一个名为“量子跃迁农场”的营地在美国佛罗里达州建立，旨在帮助伤残的骑手通过和马建立新的关系来改变他们的生活。2013年，博世公司推出“阳光灿烂的量子跃进”，这是一种洗碗机用的清洁剂（注册商标Finish Quantum）。2014年，皇家加勒比公司启用了一艘大型游轮，其名叫“海洋量子号”。该公司称这艘船在游轮中是一个“量子大跃进”，船有348米长，总吨位达17万吨。相比之下，“玛丽皇后二号”只有345米长，总吨位仅为15万吨。

“量子跃迁”是怎样从一个应用于亚原子态跃迁的科学术语变成一个意为“大跳跃”的习语的呢？答案可以在很大程度上帮助我们解释本书后文将讨论的其他词汇和短语。它展示了科学技术语言和意象怎样变成比喻说法，这些比喻说法以新的方式引申发展，然后这些引申说法在艺术和文学论述中作为有意义的一部分而占据一席之地。

尼尔斯·玻尔

“量子跃迁”这个概念在很大程度上是由尼尔斯·玻尔在将量子思想应用于原子理论时引入物理学的。

尼尔斯·玻尔是物理学上的传奇人物，20世纪最有影响的科学家之一。他有一张长长的、椭圆形的脸，两颊粗大，一头浓密的卷发从前额开始直直地梳向脑后。从体格上来说，玻尔气势逼人，看起来冷漠严厉，但他的同事知道他是一个和蔼和惯于深思的人。玻尔具有一种不懈的甚至大胆的好奇心，就像他的学生、俄罗斯裔美国物理学家乔治·伽莫夫讲述的故事那样。玻尔和他的学生们一样喜欢看好莱坞西部片。玻尔注意到，尽管这些电影中的反面人物总是先拔枪，但好人仍然总是能做到先射击并干掉坏蛋。玻尔很好奇这背后的原因，他提出一个理论说这有心理上的因素：先拔枪的反面人物需要思索，这会让他的行动变慢，而正面人物是在不自觉地、反射式地行动，因此动作更快。伽莫夫和他的同学们半信半疑。第二天，伽莫夫到玩具店买了两支西部风格的玩具手枪和两副枪套，坚持要玻尔用实验来验证他的理论。伽莫夫说：“我们和玻尔互相射击，他演英雄，他把所有的学生都‘干掉’了。”1

科学史书通常援引玻尔对物理学的主要贡献为“玻尔原子”。他在1912年到1914年间使用当时新近出现的量子思想来解答卢瑟福的发现所提出的问题：一个原子中的正电荷居于一个非常小的、有质量的“核心”中。［1］但是玻尔的传奇地位来自于他和别人一对一交谈时的热烈程度。玻尔习惯通过大声说话来思考。他会吸引一位学生、朋友或者同事一起做漫长的散步，然后不是开始一段对话，而是开始无休止地阐述他的想法，陈述，再次思辨，然后又从头开始陈述。如果同行者反对，他会反复迫使他们重新思考他们的原理。如果玻尔感觉到他们不同意，他的声音会变得越来越大，而且在没有确定他们投降之前一直不会停下来。他曾逼迫埃尔温·薛定谔暂时撤回他的想法，而维尔纳·海森堡有一次在玻尔无休止的发问下被整哭了。对玻尔最有挑战性的、令其沮丧的对话者是阿尔伯特·爱因斯坦。这两个人进行了一场关于量子理论基础的长时间辩论，一直持续到爱因斯坦于1955年去世。我们在后面的章节中会提到。

尼尔斯·玻尔（1885—1962）

仅仅在博士论文答辩两年之后，玻尔就提出了他那革命性的原子模型。他的博士论文于1911年在哥本哈根大学完成，主题与电子有关。借助于嘉士伯酿酒公司提供的一项资助（资助丹麦的优秀学生），玻尔来到英国剑桥的卡文迪许实验室。当时实验室的负责人是帮助发现了电子的实验学家约瑟夫·约翰·汤姆逊，但是汤姆逊没觉得玻尔的研究让人感兴趣，他对这个固执的丹麦人兴趣不大。1911年年底，玻尔在一次访问曼彻斯特时碰到了欧内斯特·卢瑟福。卢瑟福当时是世界上研究放射现象的第一流实验学家，他们俩发现彼此可以更好地合作。几个星期后，玻尔决定离开卡文迪许实验室，加入卢瑟福的实验室。1912年3月，玻尔搬到了曼彻斯特。在这里，玻尔为物理学的一次革命打下了基础，他将量子与原子结构结合到一起。历史学家约翰·海尔布伦写道：“玻尔的这次搬迁象征着一个时代的结束和另一个时代的开始。”2

在那个时候，物理学家们仍然只能猜测原子是如何构成的。汤姆逊的工作表明原子里有称为电子的、带负电荷的粒子。质子（一种带正电荷的粒子）的存在已经被人提出，但还没有被广泛接受。卢瑟福提出原子里所有的正电荷都处于中心的核里，他认为电子绕着核旋转，有点像行星绕太阳运行的方式。但是这个想法没有引起多少注意，甚至连卢瑟福自己也没有大力推广这个想法。31911年索尔维会议（卢瑟福参加了这个会议）的论文集里没有提到这个想法，而当时的科学期刊和通讯也只是简单提及。

科学家们有充足的理由对此持怀疑态度。电荷和行星不一样，当电荷在另一个电荷的影响下旋转时，它们会辐射能量。卢瑟福原子模型里的电子将很快降低它们的轨道，然后螺旋似的掉进核中。按照传统的运动定律和相互吸引作用，卢瑟福的想法行不通。

但是玻尔感觉到，量子在使原子稳定下来的过程中扮演了某个奇特的角色。他不是第一个这么想的人。玻尔有一次回忆道4：“试图将普朗克的想法和这些事情联系起来的尝试正流传开来。”但是玻尔处境独特，从而发现了解决这个问题的正确途径。他非常了解卢瑟福的模型，知道关于量子的最新信息。1912年，在迈出了勇敢的几步后，玻尔找到了答案。

为什么电子不能绕核做任意它们喜欢的轨道运动，就像行星绕太阳运行一样？为什么它们没有辐射能量？玻尔感觉到，答案也许不得不与作用量的量子联系起来，即与相空间是一小块一小块的这个事实联系起来。作用量与能量乘以时间有关。在牛顿学说的世界里，作用量是连续变化的，说它有原子性的暗示是异乎寻常和难以构想的。当时一位著名的科学家写道：“设想一个世界中的作用量是有原子性的这种尝试会将心智引入一种无望的混乱状态。”5玻尔的直觉正好相反，作用量的量子化也许能解释原子的稳定性。为了证明这一点，他必须找到在原子里旋绕的电子的动能和它的频率之间的联系。玻尔很激动，给卢瑟福发了一个有关这个想法的备忘录，尽管他承认要给这个想法找到一个“机械学的基础”（即一个模型）是“无望”的。玻尔在写给他的兄弟哈拉尔德的信中写道：“也许我已经发现了一点有关原子结构的东西，但不要向任何人说起这件事情。”

玻尔被难住了几个月，后来发生了一件和光谱线有关的意外事情。光谱线是原子中的电子在轨道之间来回跃迁时发出的光，在跃迁过程中，电子以具有特定频率的光的形式吸收和发射能量。这些光谱线已经被称为光谱学家的科学家研究了半个世纪。[有一个古老的光谱学家笑话是这样说的：“我不是一个很风趣的人，我只知道几条好的光谱线（good lines[1]）。”]1885年，一个名叫约翰·巴尔末的瑞士教师得到了一个惊人的发现，那种在科学中像童话一样的事情。巴尔末的研究背景与数学有关，他用一个公式拟合了氢原子光谱线的频率。这个公式不仅仅符合已有的数据，还预言了其他他所不知道的光谱线。在现代语言中，描述这一系列光谱线的公式是。这里R是一个常数，称为里德堡常数，n1是一个大于零的整数，而n2是一个大于n1的整数。

玻尔后来说：“我一看到巴尔末的公式，整个事情在我面前马上就清晰了。”6这个公式表明，一个经典物理学中连续的量（即波长）只取值为一个基本单元的整数倍。玻尔意识到这是量子化的迹象，这个公式给了他一个研究原子结构量子本性的指路牌。当电子从光子吸收能量时，它们以移动到一个更高轨道的方式“储存”能量，并在回到原来轨道时以放出特定频率光子的方式释放能量。简单的数学计算表明，第二条轨道上的束缚能是第一条上的1/4，第三条轨道的是第一条的1/9，然后是1/16，等等。从一条高轨道跃迁到一条低轨道时损失的能量以特定频率的光的形式发射出来，这就是一条光谱线。作用量的量子意味着只存在某些允许的原子轨道。这就好像在太阳周围只有某些允许的轨道，一颗行星不能平滑地从一条轨道变换到另一条轨道，而是突然出现在被允许的地方。玻尔意识到，巴尔末线系让他可以将作用量的量子和光谱线联系起来。它是原子的量子结构留下的指纹。

玻尔狂热地工作了几个星期。1913年3月，他寄出了一篇分成三部分的文章的第一部分《关于原子和分子的构成》7。这部分文章演示了电子为何不具有无数条围绕原子核的可能轨道（与行星围绕太阳运行有无数条可能的轨道不同），而只有少数选择。玻尔遇到了一个巨大的困难，他不能解释为什么电子不会从它们的基态掉回到原子核里。物理历史学家亚伯拉罕·佩斯写道：“玻尔做了一个物理学上从没见过的最大胆的假设之一来绕过这个大困难。他宣称基态是稳定的，这因而和所有当时已知的有关辐射的知识相抵触！”8

科学家现在重新思考卢瑟福的奇怪的原子图像以及量子。1914年，英国科学家詹姆士·金斯在伦敦出版了小册子《关于辐射和量子理论的报告》。这是对玻尔工作最早和最有影响的介绍之一。这本书以最近的发现作为开头：牛顿学说的定律“不够精密，不能提供描述小尺度现象的全部真理”。最后这本书以玻尔的工作作为结尾。金斯得出结论：“量子理论……代表着与旧的牛顿学说机械体系的完全分离。”9

玻尔的解释对氢原子来说非常合适，非常漂亮，而对其他元素来说，这个解释不是很适用。当一个原子不止有一个电子时，电子之间的相互作用会屏蔽原子核的正电荷，从而影响外层电子被原子核束缚的紧密程度，这带来了不容易用玻尔的方法来处理的复杂性。但是没关系，其他物理学家很快就会加入进来帮忙处理。

跃迁、跳跃和颤动

玻尔在他早期的论文中没有使用词语“跃迁”和“跳跃”，他简单地提到了电子轨道和定态。然而，他的模型表明电子只能具有特定的能量值，这意味着轨道和轨道之间的轨迹这样的语言描述不能令人满意。与卫星改变轨道不同，电子不能平滑地从原子里的一个位置变迁到另一个位置，而是以某种方式瞬间完成这个变迁。数年之内，科学教课书和普及读物开始使用更加精确的语言，其中提到了能态之间的“跳跃”“跃迁”甚至“颤动”（使用了一段时间）10。《纽约时报》的科学记者沃尔德马·肯普弗特评论说：“能量因此是不连续的和原子性的。它以颤动的形式出现，就像电影一样，这些颤动一个接一个地出现，非常快，这样我们看到的就是连贯的。”11将之比作放电影时发生的情形是一个非常好的形象化描绘，人们开始将量子跳跃视为我们这个世界的一种固有特征。

“量子”这个词很快变成了不连续的象征。1929年，美国的《太阳报》指出现代生活已经被发出喀哒声的东西给统治了。它说：“钟表显然是的，还有打字机、累加器、收银机、速度计、流速计、股票价格收报机、电话机以及电报装置等，这一大帮以一跳一跳方式运转的仪器已经成为操作者的主人。这是工业领域量子理论的统治范围。”12不连续不一定就是随机的或无原因的，所有这些装置的跳动都是连续作用的牛顿力学的产物。但《太阳报》的暗喻还是捕捉到了现代生活的一个可识别的特征。

另一家美国报纸《观察者》引述了一名驾驶执照颁发委员会官员的评论，评论说没有什么所谓的醉酒程度。这位官员显然认为，醉酒有其特有的状态，一个人要么醉了，要么没有。“关于自然不连续性的新原理也是这样填满人的头脑的，人类扬言要像量子一样表现。”13“量子”现在是指那些处于开或者关的状态（是或者不是的状态）的事物，而不是指处在某一程度的事物。

语言有它自己的“矩”（在自然科学中，“矩”是一个技术上的术语，指的是一种扭动事物的趋势），经常以不曾预料到的方式改变词语的意思。这个现象也发生在短语“量子跃迁”身上。在20世纪初，当人们的生活变得越来越机械化，遇到越来越大的非连续性变迁（比如人口和军事力量等）时，“量子跃迁”这个短语充满了活力和魅力。它很快被应用到任何大的、发生质的增加的事物上，而不管是工作成就、金钱或军事力量，也不管是否有可能的中间步骤。在《牛津英语词典》中，有关“quantum leap（量子跃迁）”的第一个条目是让读者参考物理定义；第二个条目是针对非科学工作者的，“quantum leap”的定义是“一个突然的、重要的或非常显著的（通常是大的）增加或进展”。

你认为一个量子跃迁是大还是小取决于你的尺度。改述一下首位登月宇航员尼尔·阿姆斯特朗的话，一个量子跃迁对于人来说是能量上的一小步，但对于一个电子来说却是不连续的一大步（参看本章插节）。然而引人注目的是，“量子跃迁”已经被用于描写人类尺度上的改变，这些改变不仅仅可以是巨大的，而且也不一定必然是非连续的（比如新的洗碗液和游轮）。

来自网络漫画《星期六的谷物早餐》，扎克利·亚历山大·韦纳史密斯作

象征增加

词语是混杂的，它们的意思不是固定不变的。它们的变动性是有限制的，它们可能被利用也可能被滥用，虽然如此，但是它们能产生新的意思。“量子跃迁”意思的改变不是独有的现象。日常语言中的一些词汇（包括矩、力、重力和很多其他的词汇）已经成为了学术上的科学术语，而一些科学术语（包括互补性、不确定性原理、熵和催化剂）也经常被应用到日常生活中。

词语经常通过隐喻的方式来产生新的意思。隐喻包含两项：主要的和从属的。在“爱是一枝玫瑰”中，爱是主要项，它的含义在被探究，而玫瑰是从属的那一项，被用来阐明主要项的含义。这是一个“过滤性的”隐喻，它要求我们用从属项的一些众所周知的特点来过滤我们对主要项的观念（爱，像玫瑰一样，是美丽的，但又是多刺的）。这两项没有被混淆。玫瑰不是爱，它仍然在花园里，它的身份不受影响。然而，一个新的意思出现了（爱和玫瑰有相似性），它让我们能更好地理解和领会自己的体验。

暗喻的价值特别体现在当我们的经历中有某些部分让人感到困惑时。当所谓“正确的”词汇不足以表达我们的感受时，我们就需要新的词汇，即使从技术上来讲它们不正确。使用隐喻或者比喻的冲动（我们称之为隐喻性冲动）源自不满意：我们感觉到需要词汇来描写自己的经历，但已有的词汇不合适，因此，我们搜寻其他任何有帮助的词汇。隐喻在很多方面像罗夏测试。隐喻是有意义的，不是因为主要项确实和从属项有联系，而是因为从属项对我们观念的一种转换。隐喻是一个过程，这一过程在某些事物促进了我们的理解时使我们认识到某些新的东西出现了。

比如在约翰·厄普代克写于1976年的一则短故事《枫树》中，主人公理查德·梅普反思着他那段正走向死亡的婚姻，他的思绪顷刻之间被偶然读到的一段有关亚原子世界的新发现给打断了（黑体字是厄普代克的原话）：

他……读到，强相互作用力在夸克之间被拉开时变得更强这样一个理论是带些推测性的；但是与它互补的另一面，作用力在夸克之间靠得更近时变得越来越弱这样一个观点是已被更好地确立了的。是的，他想，这个已经发生了。生活中有4种力：爱情、习惯、时间和厌倦。爱情和习惯在短距离上非常强大，但是时间，缺少一个负电荷，却能无情地累积，和它的兄弟厌倦一起将所有一切都拉平。

梅普正试图填写他直觉到的感受，但却说不出来。他并不认为他的婚姻是亚原子物理，但在这一段中，他发现在理解他的婚姻的变化时物理术语是有用的。他感到困惑，想要理解，他使用当时他能拥有的最好的工具——一篇他碰巧塞进口袋的文章中的词汇。这篇文章可以是关于几乎任何事情的，如经济、运动、戏剧等，而他则会抓住这些东西而不是物理。隐喻就是指针，重要的是隐喻所指向的事物（这里即梅普的婚姻），而不是那个被用来指向的事物。

但是，当我们忘掉词句原来的本意，不再把它们和其出处联系起来时，这些词句就不是隐喻了。比如，美国人所说的一辆车的引擎盖（hood，本意为“风帽”）以及英国人所说的引擎盖（bonnet，本意为“软帽”），它们都不再让这两个国家的人们想起服装。就是说，指针可以变成失去它们本意的名称。语言中有很多这样的现象，语言学家们知道很多有趣的例子。我们喜欢的例子包括“peculiar”（专有财产），它来自于一个古老的希腊词语，指的是牲畜。另一个例子是“bistro”（小酒馆、小餐馆），它来自于俄罗斯语，意为“快速地”。这源自拿破仑被打败后驻扎在巴黎的俄罗斯士兵，他们大声地叫唤法国厨师们快点把食物做好送上来。

这是实验室词汇能被有意义地应用于人类社会的途径之一。仅仅某些词汇完成了这种不连续的跳跃，变成了指针和名称。它倾向于发生在——科学家阿瑟·爱丁顿尖锐地提到——那些“简单到足够被误解”的科学概念上。我们更宽厚地把它改为“简单到足够让人起联想”。有关量子的概念经常满足这个标准。

不过在过滤性隐喻以外，科学词汇还可以用其他的方式来完成这个转变。在创意性隐喻中，前后两项的优先权被交换了。在一种特别的语言反转下，第二项的意思变得更加深入，通过隐喻将它原来的含义以及第一项的含义都包含进来。指针变成了被指向的东西。

比如在物理中，“波”的原意是指发生在媒介中的一种现象。而它通过隐喻扩展到光（光不需要媒介来传播），然后扩展到量子现象（它们牵涉到概率），从而改变了它原来的意思。“波”现在不只是一个隐喻，而是描述光的正确术语，也是描述概率波动等现象的正确术语。这些都是“波”最初所不曾指称的东西。

短语“量子跃迁”和“量子跳跃”代表了最早的、最持久的、最流行的关于量子的调用吗？那些咬文嚼字的人也许会说，这些短语往最好了说也是没有被正确地使用，往最坏了说它们是在被无意义地和人为操纵地使用着。但是这不一定就比当一个人提到一辆车的“hood”或者“bonnet”时更不对。“量子跃迁”和“量子跳跃”从亚原子领域传播到日常用语的方式为本书中所讨论的其他语言和意象所遵循的路径提供了一个典范。这一过程使得科学语言和意象有机会可以有意义地出现在艺术、文学和哲学中。

插节 玻尔用量子跃迁让原子运转起来

也许我已经发现了一点有关原子结构的东西，但不要向任何人说起这件事情。

——尼尔斯·玻尔写给哈拉尔德·玻尔的信，1912年

当玻尔将量子引入原子结构时，他的想法非常简单。他发表于1913年7月的第一篇论文将量子应用到最简单的情形：氢原子，它由一个电子环绕一个质子构成。为了简单，玻尔还做了几个其他的假设，比如与原子核比，电子的质量非常微小；电子的运行速度比光速低很多，这样相对论效应不起作用。他假定电子的轨道是圆形的，他还假设电子不像经典麦克斯韦定律要求的那样辐射能量。这样一条轨道的力学描述，用经典的语言来说，就是将电子运行在圆形轨道上所需要的向心力（L2 / 2mr3）和电子与原子核之间相互吸引的电磁力（e2/ r2）设成相等：

这个式子给出了类似于描述行星运动的开普勒定律的东西。在这样的原子图像下，原子核就像太阳，而电子就像一颗行星。如果这是完全正确的，那么电子可以在无数多可能的轨道上绕原子核运行，但会一直损失能量，直到它跌入原子核。

玻尔然后又做了另一个假设：只有某些轨道是可能的。他想到用量子这个想法来挑出那些可以存在的轨道。他说，允许存在的轨道是那样一些轨道，在这些轨道上，电子的角动量等于一个常数的整数倍。这个常数和普朗克常数有关：h/2π，叫作“h-bar”，用h来表示。或者说，2π乘以角动量等于nh，n是一个整数。然后可以得到允许轨道的半径：

当电子从一条这样的轨道跳跃到另一条允许轨道时，它的能量之间的差为：

这直接导出下面的波长公式（通过普朗克关系E=hv）：

对于n1=2，这个式子对应于氢原子最初的“巴尔末”线系，它的绝大多数谱线处于可见光谱范围内。

玻尔的原子是一个混血儿。它采用一个经典模型，再加上一个量子的限制。这个模型差不多马上就失效了，因为它不能用到除氢原子以外的任何其他原子身上。这还需要等待玻尔和其他人的进一步研究。但这是非常重要的一步，因为它表明量子是镌刻在组成物质的基本单元里的。物质能稳定存在就是因为h，尽管h非常微小。如果它是零的话，原子将在几分之一秒的时间内垮塌。h强迫电子做的量子跃迁和跳跃使原子能稳定存在，从而微观世界能稳定存在。为什么所有的氢原子（或其他原子）都一样？量子化提供了答案，因为它们都有一样的结构！从根本上来说，你只有一种方式可以将一个电子和一个质子放到一起组成一个稳定的氢原子。对于其他原子来说也是这样。

我们说，对于一个人来讲，一次量子跃迁只是一小步，但对于一个电子来讲却是一大步。多大呢？我们来看看这里牵涉到的能量和距离。如果我们能在空中跳起6米高，那么这就是一个极大的距离。不是吗？现在我们来看看将之与一个氢原子中的电子从第一个态跃迁到第二个态时能量变化对应的距离比一比是什么样子。如果一个放在地球表面上的电子被同样大的能量“踢”了一下，它会在地球的引力场中向上射出去多远呢？答案是大约1.6亿千米，这意味着可以和从地球到太阳的距离比较了！这个比较表明，电子做了一个的确巨大的跃迁，而不是一个微小的。

相对于任何宏观物体（比如一个跳高运动员）涉及的能量,电子的跃迁能量都非常小。但是因为电子的质量如此之小，这个能量对电子的速度会有一个超级大的影响，涉及的加速度非常大，可以压碎一个人。对电子能量的改变是大还是小的看法依赖于你把它和什么相比较。

[1].good lines 同时也有好的开场白或格言的意思。——译注

第4章 随机性

《量子云》，安东尼·高姆尼创作于2000年，所用材料为镀锌钢铁，尺寸为29米×16米×10米，安装在英国伦敦格林威治半岛泰晤士河河畔

这是高出泰晤士河岸边一个平台30米的一座雕塑，它的名字叫量子云。从远处看，它像一大堆钢质羊毛。在伦敦灰色天空的映衬下，它看起来确实像一朵云。到伦敦南部的游客在参观千禧年公园或者坐船游览泰晤士河的时候不可能漏掉它。当靠得更近的时候，你能辨认出它的中间有一个模糊的人的形态。和这个系列中的其他雕塑一样，该雕塑由英国艺术家安东尼·高姆尼用铁棍创作而成。这个系列被称为《量子云和领域》，它探索如何从看似随机的行为中产生出形态。

在《量子绵羊》中，随机性扮演着不同的角色。《量子绵羊》是一位住在英格兰北部的作家瓦莱丽·劳斯的创意。2002年，劳斯将单词喷涂在附近一个农场的绵羊身上。当这群数量大约为12只的绵羊到处走动时，这些单词就重新排列。每当羊群停下来时，一首新“诗”就产生了。北方艺术（为这个项目提供了2000英镑资助的一个机构）的一位发言人称此为“一种令人兴奋的诗歌和量子物理的融合”1。下面是一首由此产生的“haik-ewe”[1]：

云牧天空

之下，羊轻飘

地上柔镜

温暖白雪

劳斯向英国广播公司解释过她为什么觉得这个项目值得去做。她说：“随机性和不确定性处于宇宙组成方式的中心，这对于依赖次序的我们人类来说是不容易理解的。因此，我决定通过诗歌和绵羊这个载体来探索一下随机性和量子力学的一些原理。”

她的这些“俳句”中的一些已经被收录在诗歌选集中。还可能有更多，劳斯算了一下，她的这个方法可以产生870亿种组合。如果以大约5秒钟一首的速度连续往下读，则需要差不多10万年才能把全部结果读一遍。

量子随机性的不同视角出现在图书《量子混沌：学会和宇宙的混乱一起生活》中。这本书的作者是托尼·祖罗，他是一个儿童图书作者。祖罗的一首诗包含下面两段：

亚原子物质的

舞动可能是

即兴的吗？

现实能

被一条概率曲线

确定吗？

在经典牛顿力学世界里，这些问题的答案是否定的！物质不会随意舞动，它从头到尾都是受定律支配的，一直到它的最小组成部分。物质的大尺度行为是由它的小尺度行为决定的。一个拉普拉斯型的学者（具有完美的智力并知道所有相关信息，这是拉普拉斯侯爵想象的学者）能知道所有的结构，可以预言每一个事件，这些东西的总和就组成了现实。

《量子混沌：学会和宇宙的混乱一起生活》的封面，托尼·祖罗的诗作

但是，我们人类并非处于这么完美的状况中。我们不知道这个世界的大部分是如何运作的。棋牌游戏、掷硬币、彩票以及掷骰子看起来都是随机的，我们用粗糙的仪器所做的测量具有不确定性。为了应对这些情况，科学家创造了关于概率和测量误差的理论。和牛顿同时代的两位法国数学家布莱士·帕斯卡和皮埃尔·费马为博弈、彩票以及其他涉及无生命事物的情况发展了概率论。19世纪比利时数学家阿道夫·凯特勒将统计学和概率论应用到犯罪率和其他由社会学家研究的问题上。法国数学家和哲学家勒内·笛卡儿与其他一些人研究了测量误差和变分。

一些重要的区别是：随机事件缺乏特定的原因、理由或者目的。统计学分析已发生事件出现的频率以及这些事件的模式，概率论则使用统计学来预测将来的事件。不确定度是指一个结果相对于特定期望值的可能偏离量。所有这些概念在牛顿力学世界里都有，用于描述和处理涉及信息了解不完全的情况。这些工具在这样一些情况下是必需的，即科学史学家大卫·林德利写到的“当你知道事物整体的蓝图，但不知道每一块砖头的形状和颜色的时候”。2

现在，随机性、不确定性以及无法预言性通常和量子行为联系在一起，并被认为是我们这个世界的永恒特性。由随机的杆子构成的人物形象、随意走动的绵羊编排成的诗句以及从概率中诞生的现实都是这样一些例子，从随机性中产生的形状被称为“量子”。这是怎么发生的呢？

颠覆性的要素

从经典物理到量子物理的转变是渐变的而不是突然的过程，原因是统计学和概率论越来越多的科学应用使科学家们适应了这样一个由统计支配的世界。这种转变开始于19世纪，当时在牛顿力学世界里出现的几个看起来无害的现象却最终变成了颠覆性的事情。

第一个现象出现在热力学中。“热力学”这个词语产生于19世纪中叶，指的是研究热的科学。热不是指一种单一的物质（像它曾经的那样），而是指一个从无穷多的微粒的运动中产生的现象。和通常从物理学科到另一门学科的方法借用流向相反，物理学必须借用社会科学的工具来解释这些运动。因为凯特勒的工作，统计学已经成为一种发展得非常好的方法，可用来分析出生率、死亡率、疾病、犯罪和其他事物。在这些事物中，追踪每一个个体是不可能的事情。研究热力学和其他涉及许许多多运动的情形的科学家意识到统计学同样可以帮助他们［1］，比如研究气体和研究社会现象类似。而且，这种统计学信息也正是那些研究复杂系统的科学家所想要的。比如，研究社会现象的社会学家和研究气体的科学家都对整体行为感兴趣，而不是对每一个个体的行为感兴趣。让我们举一个科学实例：假如你在研究水是怎么烧开的，你是真的关心一个具有特定大小的气泡在什么时候出现在某个特定位置，还是只想知道气泡是在什么时候形成的？［2］

第二个颠覆性的现象是布朗运动。它指的是这一神秘之事：在显微镜下，花粉颗粒看起来是在随机地抖动和跳动。在当时，这种无法预测的无生命物体的运动无法得到解释。第三个是放射性现象，即某些种类的原子有时候会变成其他种类的原子，在此过程中辐射出能量。这种现象于1896年在铀元素中首次被发现，然后很快在其他元素中也探测到了。辐射看起来是自发的，没有特别的原因。1900年，在研究钍的氧化物的辐射时，欧内斯特·卢瑟福提出了一个定量的规律。他说，辐射的强度随着时间的衰减（我们现在称之为半衰期）服从一个规律，这个规律和每个原子在单位时间里以一个固定的概率发生转变是相一致的。这种规律被证明也适用于所有其他的放射性元素。至少在当时卢瑟福和其他人认为这个定量的辐射定律只是另一个用概率来抄近路的例子，它应该有一个更深层次的、因果性的解释。卢瑟福的定量规律像一个死亡率表，它是原子的一个死亡率表。卢瑟福和其他人觉得，更多的信息将会帮助科学家们找到一个机制，这个机制可以给出每一个原子死亡的因果论解释。

这些例子的积累让物理学家们感到不安，某个神秘的东西潜伏在小距离尺度上。那个“东西”就将要突然公开显现。

在19世纪末，美国哲学家和科学家查尔斯·皮尔斯提出随机性处于自然的核心。他感觉到这将阻碍科学家们想出一套适用于所有尺度和学科的终极定律，并要求他们一直寻找新的定律。不过在20世纪初，这仍然只是无根据的形而上学的推测，并且看起来像哲学上的搅和。即使是刚才提到的那些颠覆性的例子也只是迫使科学家们使用概率论和统计学作为能找到的最好工具来理解自然界中那些无法够着的要素。

那个将统计学和概率论从一个方便的、越来越不可缺少的工具转变为自然界的一个构成元素的人是阿尔伯特·爱因斯坦，这个转变是通过他在1916—1917年写的3篇论文完成的。这些论文将光的波动性、热力学问题以及卢瑟福的定量的辐射定律联系在一起，将概率安置在了原子行为的核心位置。爱因斯坦刚一完成这个联系就后悔了。

普朗克于1900年提出的最初的量子概念和概率无关，爱因斯坦在1905年解释光电效应的论文也和概率无关［3］。1905年以后，爱因斯坦密切关注着量子理论的发展，尽管他全神贯注于其他问题，尤其是他的广义相对论。他离开专利局，成为了柏林的一位教授。玻尔写于1913—1914年的3篇论文给爱因斯坦留下了深刻的印像。这些论文描述了原子将电子从低能态移动到高能态，从而储存通过辐射吸收到的能量，然后又通过将电子从高能态移回低能态而释放出那些辐射能。在此过程中，它们发射出对应于那两个能态的能量差的、具有特定频率的光。这就是产生元素光谱（它的量子结构的“指纹”）的过程。但是，即使是玻尔的工作在讨论电子在能态之间跃迁的时机时也没有使用概率。直到在1915年年末，当爱因斯坦完成他的广义相对论后，他才回头再研究光量子以及它们是如何被物质发射和吸收的。

他的努力很快就有了结果。1916年8月，爱因斯坦写信给他的密友米歇尔·贝索：“我有一个关于辐射吸收和发射的绝妙想法，你会感兴趣的。一个不可思议的简单推导，我应该说，是普朗克公式的推导。”3几个星期后，他向贝索解释了原因：普朗克只是简单地要求他的那些谐振子按特定的方式行事，并给出那个特定的关系；“普朗克的论文没有提供h和ε之间的关联”。4爱因斯坦采用了他用于发展狭义和广义相对论的策略，忽略了由哪种材料发射和吸收光的问题，而专注于一个一般的推导，但是为此他需要引入一个概率因子来作为一个基本部分。

爱因斯坦1916年和1917年的论文只是关于物理的一个小角落——原子跃迁。但是，这些论文是科学发展史上的里程碑，因为它们第一次将概率写进了自然的基础之中，而不是只是将其作为一条近道。这种方式在接下来的10年中将被随后的物理学家们极大地扩展。即使到那时候，概率在科学中不断增强的角色仍然只是一个技术上的特征，只被物理学家们知晓。

所有这些在1925—1927年的量子力学革命中，有了薛定谔波函数和不确定性原理后发生了改变。1927年以后，对量子随机性和概率的引用急剧增加。那一年，英国天文学家阿瑟·爱丁顿在《物理世界的本质》一书中，让普通大众注意到了量子理论中随机性的一般作用以及不确定性原理的特别作用。他说，物理学以前走在预定论的一边，现在量子理论把这给去除了。“量子理论是概率的决定论，一个铁定的准则，但是一个有限的决定论是可能的。原子的队列像免除责任的精神病人，每一个都遵循精神病院里确定的一般规则。”由于爱丁顿和他的通俗读本，公众开始熟悉这样一个观念：量子力学意味着决定论作为一种哲学的终结，以及随机性在宇宙中扮演的角色。

在20世纪30年代前夕，《纽约时报》发表社论：“由于我们将不会那么害羞和不自在，30年代将会比20年代更加平静是诸多可能性中的一个。但鉴于20年代后期相对论和量子科学已对自然中概率和可能性所做的事情，预言是特别危险的。”5

福曼论题

福曼富有影响和争议的研究成果认为，量子时刻完全就不是一个名副其实的时刻，而只是受危机烦扰的、罗曼蒂克的和反理性的思潮的副产品，这些思潮在第一次世界大战后风行于魏玛共和国时期的德国。魏玛共和国以地方命名，在这里的一次会议为这个新近战败的国家写出和采纳了一部新的宪法。福曼的研究工作采取一种特别的方式来回答我们在第2章末尾谈到的问题：科学活动和它出现时所处的文化氛围之间的关系是什么？在那一章里，我们只是指出小说家们发现量子语言和意象特别适合于描写当代人的经历和体验。福曼的方式很不一样，他宣称实际上是文化氛围导致当时的科学活动采纳了某些它的最与众不同的特征。

在20世纪60年代初，福曼是一个学习科学史的研究生，他参加了一个称为“量子物理历史归档”的研究项目。这是一次系统性的尝试，试图通过收集文件、汇编手稿和口头采访来创建一个关于量子理论早期历史的数据库。这个雄心勃勃的项目获得了超过预期的成功，成为了“实际上自那以后，每一位工作在那个领域的历史学家的主要工作基础”。6和20世纪60年代的其他很多历史学者一样，福曼从当时社会和政治事件的狂热中受到启发，对社会和政治因素在他研究的领域中所起的作用提出了新型问题。他完成于1967年的博士论文标题为《魏玛共和国时期德国原子物理学所处的环境和实践：科学史中的一个研究》。这篇论文调查了第一次世界大战后不久影响德国物理学家的经济和政治因素。7他的同事约翰·海尔布伦也是一位历史学者，认为福曼的论文是对“真相的揭露”。［4］

两年后，福曼发表了一篇引起争议的文章，这篇文章与X射线晶体学的发现有关。在文章中，他批评过多地依赖科学文献和科学家自述其工作经历这样的历史。福曼写作这篇文章受到了保罗·彼得·埃瓦尔德主编的回忆录《X射线衍射50年》（1962）的启发。这本书的出版是为了纪念X射线发现50周年，埃瓦尔德是和这个发现有关的人。福曼1969年关于这个发现的文章发表在一本科学史期刊上，文章认为过多依赖论文和参与者回忆录所编写的历史倾向于强化基于意识形态的神话故事，而忽略发现过程中的混乱状况，并把科学在观念和实施方面描绘得比真实情况更为纯正。8埃瓦尔德随后炮轰福曼的文章：“（这篇文章）没有价值，除了作为一个例子来说明带有偏见的文献研究会导致什么样的结论以外。”这次交火转而激发期刊的编辑评论说：“物理学家和黑暗时期的任何一个僧侣一样顽固和迷信。”这次争吵是一个经典的例子，一方倾向于从参与者的记事录和回忆录中寻找指引，而另一方倾向于把科学史视为职业历史学家用他们自己的一套工具进行研究的范畴。这个冲突围绕着谁（参与者还是受过训练的外部观察者）说的话更具权威这一问题，并不容易解决。

自那之后又过了两年，福曼发表了他最具争议性的论文《魏玛文化、因果性和量子理论（1918—1927）：德国物理学家和数学家对一个敌视知识的环境的适应》9。文章认为（现在以福曼论题而被大家所知），非因果性、概率性量子力学的产生和采用在很大程度上不是源于科学的发展，而是来自于魏玛共和国时期德国文化中盛行的“思潮”特征。福曼宣称，这些思潮影响了物理学家对量子理论的评论并被这个理论所吸引，但更重要的是影响了理论本身的内容。

福曼开头嘲笑了那些在讨论文化如何影响智力活动时使用“模糊和模棱两可措辞”的历史学家，比如文化为这个或者那个的发展“准备好了智力环境”。福曼写道，历史学家必须坚持一个“具有因果关系的分析，展示科学家们在什么环境下以及通过什么样的相互作用而被知识潮流所裹挟”。应用于量子物理中，这样一个分析显露，德国科学家对一个敌对的魏玛知识环境做出的反应是不仅仅试图去提升他们的形象，而且试图“重新构建其科学的基础”，方式就是“摒弃因果性，摒弃严格的决定论”。

福曼的论文分阶段论述。在最开始，他概述了1918年德国令人吃惊和未曾料到的战败怎样戏剧性地改变了主流知识环境。其结果就是“一种新浪漫主义、存在主义者的‘生活哲学’，在危机中着迷于狂欢，其特征为总体上敌视分析和理性，特别是敌视精确的科学以及它们的技术应用”。按照福曼的说法，最强调这一思潮的作者是德国历史学家奥斯瓦尔德·斯宾格勒，他在1918年出版了臭名昭著的《西方的没落》。此书主张，文明就像生物体一样，遵循一个成长、成熟和衰亡的发展模式。斯宾格勒论据的一个关键部分是，所有的文化活动（包括科学、数学、艺术、哲学以及宗教）都由其发展所处的文明的特征所塑造，在那个文明之外则没有什么意义。斯宾格勒写道，甚至因果性这个想法也只是一个人为的文化构造，是一个最终无望的试图避开命运无理性力量的努力。在一篇1919年广为传阅的文章中，福曼引用一位著名的文化和教育部长的话说：“我们必须再次学会对非理性的敬畏。”

物理学家们在那之前一直享有巨大的文化威望，而此时突然发现他们自己受到了攻击。“或暗示或明确地，科学家成了被持续不断地敦促进行的精神变革的替罪羊，而‘因果性’这个概念甚至只是这个词则象征着科学事业中所有让人憎恶的东西。”福曼引用普朗克的话来表达当时科学家们的普遍观点，“魏玛共和国的知识环境是根本性地和明确地敌视科学。”物理学家对这种环境气氛带来的压力的适应是感受到他们理论中因果性的存在不受人欢迎，然后就完全抛弃了它。

福曼接下来描述他所谓的从1919年到1925年物理学家“向非因果性的准宗教皈依”。“就像被一个重大的觉悟扫过，物理学家们一个接一个地大踏步走到一大帮学者听众面前，宣布抛弃邪恶的因果性教条，称颂物理学家们将把世界从因果性的奴役中解脱出来。”福曼写道，“（我们看到的是）德国学术界对那些敌视知识的潮流的投降。”他在论文的第一部分对此作了概述。这种投降带来了“一个想法的兴起，就是在发明出非因果性的量子力学之前，相信在原子层次没有因果性”。福曼强调“物理学家已意识到这样一个事实，他们是在一群敌视因果性（=机械主义=理性主义）的听众面前演出，很多物理学家非常渴望在这些听众面前卖力地表演”。

福曼认为这不是巧合，“在它被根本上具有非因果性的量子力学的出现‘证明有道理’之前”，许多德国物理学家在1918年就突然开始“摈弃因果性”。一个“无法逃避的”结论就是“原子物理中的大量问题在这个非因果性信仰的产生中只扮演了一个次要的角色，而最重要的因素是作用在作为德国学术界一员的物理学家身上的社会思想压力”。一本有关福曼论题的图书的编辑写道：

作为一个方法论的模型，福曼的研究可以说是科学史研究中发表的最有影响的论文，可能的例外是1931年鲍里斯·黑森同样著名和引起争议的关于经典力学的分析文章《牛顿〈原理〉的社会经济根源》……两者都以各自的方式颠覆了本质上是柏拉图式的科学观：科学是一种纯粹智力活动，是对抽象真理的崇高探索，被认为能掌控它自己内在的科学方法以及真理的评判标准。取而代之的是，两者都视科学为实质上是人类的，因而也是世俗的、社会的和文化的活动，并接受这个假设会导致的必然的知识论的结果。10

福曼论题意味着科学与文化之间的影响与我们以前认为的方式相反。我们应该审视一个更深奥的过程：文化活动怎样影响和改变科学，而不是思考科学怎样给文化活动提供新的语言和意象这个过程。

但是福曼的方法有严重的瑕疵。一些学者注意到福曼歪曲了他的几个重要的例子，另一些指出量子理论中引入概率的最早时间（爱因斯坦于1916—1917年）比福曼所说的关键时间1918年要早。还有一些抨击福曼的论据，他们指出福曼对科学家相关资料的引用大部分不是来自论文，而是来自面对一般大众的演说，而且他忽略了物理学家内在的发展以及他们面对专业同行的演讲。

对我们来说更重要的是，在上一章中我们看到，短语“量子跃迁”和“量子跳跃”的隐喻性转换表明，如果像福曼一样，试图把科学与文化之间的联系理解为一种因果相互作用，那么出发点就不对。出发点是我们自己对世界的体验。这不是中立的，它具有某种特质，这种特质会促使我们以某种方式来谈论这个世界，阻止我们用另外的方式来谈论它。我们看到，这个过程驱动着大多数艺术、文学和哲学对科学语言和意象的挪用。这就是那个促使安东尼·高姆尼把他那泰晤士河上的雕塑称为“量子云”以及瓦莱丽·劳斯把她的诗歌产生过程称为“量子绵羊”的东西，它启迪了托尼·祖罗把他的诗集取名为《量子混沌：学会和宇宙的混乱一起生活》。

插节 爱因斯坦演示上帝怎样掷骰子

爱因斯坦对量子物理的每一份贡献都表明他是20世纪热力学和统计力学领域的顶尖科学家。这两者都是牛顿学说的研究领域，由概率、随机性和统计理论管辖。这样才恰好由他来把这些东西引入量子理论的核心并把它们写进自然本身的基础中，尽管后来爱因斯坦声明他不认为上帝会“掷骰子”。

在1916年至1917年的论文中，爱因斯坦把光当作粒子对待（这是1905年他在光电效应论文中引入的想法）并进一步提出了这样的问题：“在给定温度下，在一个处于热平衡的、由分子和光子（如同我们现在这样称呼它们）组成的系统中，光粒子的分布状况是什么？”那时已经有了广为接受的原理来确定每一个分子受不同能量激发的概率分布。从这个以及其他关于光子行为的一般信息出发，爱因斯坦精确地推导出了光的能量分布，这个分布由普朗克在1900年用或许更有问题的方法得出。

爱因斯坦想象有一小片物质（他把它叫作一个“分子”，尽管它也可以是一个谐振子或原子）沐浴在光辐射中。它必须怎样吸收和发出辐射呢？假设它处于平衡状态，意思是它以相同的比率吸收和释放出能量。在有这个辐射池存在的情况下，和没有其他光子存在的情形相比，它的发射率被提高了。爱因斯坦使用热力学平衡的想法推断出在有外场存在的情况下，一个原子发射光子的比率比它处于真空中时要大。这个场的存在就像一群在草坪里玩的孩子跑过来说：“来吧！加入我们！”光子就更容易跑出来。爱因斯坦计算出了这是怎样工作的，发射和吸收过程怎样相互关联在一起。这里有一个自发的部分（只和原子以及电子相关），还有另一个和其他光子（那些“孩子”）关联的部分。那么原子什么时候会发射光子，以及这个光子会朝哪边去呢？这两者都是不可预言的。爱因斯坦在他的第一篇论文中研究了这个“什么时候”的随机性。在发表于1917年的第二篇和第三篇论文中，他解释了朝向“哪个方向”的随机性11。为了提到轨迹这个想法，他不得不假定有一个概率因子。“这个假定的辐射统计规律不是别的，而正是卢瑟福的放射性衰变规律。”爱因斯坦在他那三篇论文中的一篇里写道。爱因斯坦提出，“概率本身也许需要被当作原子系统根本的、基础性的物理性质”，这样可以“以一种令人惊奇的、简单的、一般的方式”12得到普朗克定律的推导。

但是就在这时，爱因斯坦第一次后悔了。“这是这个理论的缺点，”他在论文中写道，“它把基本过程的时间和方向都留给了偶然性。”没有什么办法能知道光子会在什么时候和朝哪个方向飞出。“但是仍然，”他总结道，“我对采用的这一途径充满信心。”

很难知道他对待这句话有多么严肃，当时爱因斯坦的物理和他的直觉如此直接地产生了冲突。很明显，他希望他的方法能把他带到另一个地方，而不是它正在引向的显然的那个方向。爱因斯坦在给贝索的信中写道：“我感觉，谜的永恒创造者（就是说上帝）给我们开的真正玩笑绝对还没有被我们理解。”13从这以后，这个明显的对因果性的放弃一直折磨着他。他在1920年写给马克斯·玻恩的信中说：

因果性的事情也让我很痛苦。光的量子性吸收和发射究竟能不能从完全因果性条件的意义上想象出来？抑或会留下一个统计学的残留物？我必须承认，这里我缺少确信的勇气。但是我只是非常不情愿地放弃完全因果性。14

几年后，爱因斯坦又写信给玻恩，说他不相信上帝会掷骰子。但是在对普朗克的大胆的公式的简单推导中，爱因斯坦是第一个暗指这就是神或者上帝怎么操作的人。［5］

在他生命的后期，1950年在克里夫兰向一群外科医生讲演时，爱因斯坦略述了量子物理中有关随机性的最简单的例子之一。假设你有一束波打到两种折射介质的边界上，麦克斯韦的理论保证了会出现一束透射波和一束反射波。如果让入射波变得很弱，每一个月只有一个光子到达边界，那么它会透射过去还是反射回来呢？没有办法知道答案！我们可以给出两者的概率，但是不知道两者中的哪一个会发生。这是量子物理中关于随机性的最清楚的例子。在他的报告的结尾，爱因斯坦问它会怎样进一步演化。他神秘但又坦诚地说，也许最好的回答方式是笑一笑。15

[1].“haik”意为“徘句”，日本的一种传统诗体；“ewe”意为“羊”。——译注

第5章 全同性的问题：还没有掉的量子鞋

山边的小盒子，

粗制滥造的小盒子，

山边的小盒子，

一模一样的小盒子。

一个绿色，一个品红色，

一个蓝色，一个黄色，

它们都粗制滥造……

男孩们开始工作，

结婚生子，养家糊口。

在粗制滥造的盒子里，

它们看起来都一样。

一个绿色，一个品红色，

一个蓝色，一个黄色，

它们都粗制滥造，

它们看起来都一样。

——玛尔维娜·雷诺兹，《小小盒子》

半个世纪前，在抗议遵从一致的年代，词曲作家玛尔维娜·雷诺兹在20世纪60年代一首名为《小小盒子》的歌曲里表达了她对那些说来奇怪的，只是因为颜色不同而不一样，但却“完全相同”的房子的不屑。

身份同一是一个引起焦虑的事情，是一根社会避雷针。身份认同政治是专注于推进群体利益的政治活动，性别认同和个体怎样表达他们或她们的男子气概或女性气质相关，社会认同指人的自我人格中从各种社会团体成员身份里衍生出来的部分，自我认同指个体获得一个与众不同的个性的方式，身份盗用是指一个人冒充成另一个人的犯罪行为，诸如此类。

身份与个性有重叠，但它与个性不是同一个事情。个性是让我们每一个人与他人不同的东西，而身份指的是我们的持续相同性。同一性和同等也不是同一个东西（除了在数学中），就如同美国《独立宣言》的第一个“不言自明的真理”说“所有人生而平等”时所展示的那样。［1］那个声明不是说所有人都一样，而是说每一个人都有一种相同的内在价值[库尔特·冯内古特的反乌托邦短篇小说《哈里森·伯格朗》探讨了将同等和同一性完全等同起来（绝对平等）所带来的结果。故事发生在2081年的美国，一个严格执行宪法的“缺陷裁定将军”坚决认为那些超出别人的有天赋的人必须被强加不利条件]。在美国，当然词语人（men）最初至少含蓄地是指“白人”，不过最终被宪法修正案扩充到了包括所有男人（无论人种），后来又包括了女人。在不同的环境下，我们会采纳完全不同的对待身份的态度。有时候，我们坚持自己必须被像对待其他人一样地对待，但在另外的时候，我们坚持自己必须被认为是特别的和独一的，不屑于被当成可替换的。

因此，在本质和所有细节上都一样的实体概念会使人觉得危险和不安。这是微观世界的一个特点，怪异且在我们的直观经验里没有对应的东西。它提出了一个在量子力学里一次又一次出现的问题：微观世界里严格的全同性怎么能让位于甚至产生出我们在人类尺度上看到的不同呢？

在一本精美的小册子《看到两个》里，物理学家和历史学家彼得·佩希奇写道，量子理论的核心在于它对身份同一性和个性问题的“根本革新”。1变革身份同一性和个性这些概念不是一件容易的事情。佩希奇注意到，西方文学和哲学传统很久以来就探索了身份同一性和个性的含义、细微差别和困境（一个独一无二的人、一个身份可被替换的人、一个身份隐藏的人的含义分别是什么），时间早到荷马史诗《伊里亚特与奥德赛》里赫克特和奥德修斯的伪装，方式上体现在神在帮助人的时候有时会隐藏他们的身份，就如雅典娜以化身出现在奥德赛的儿子忒勒玛科斯面前，引导他帮助他的父亲返回故乡。对于这些古老的希腊人，佩希奇写道：

身份不可磨灭地铭刻在人类主导范围之外。神居住在更广袤的疆域里，这里个性是编造的，他们可以透露它的迹象，但它的神秘隐匿在昏暗不清的天命里。这里个性是一个神圣的东西：一些可见的、可感觉的东西（一个名字，一张脸）和一些不可见的、神秘的东西的合二为一，比如那些隐藏的、擦不掉的将奥德修斯和所有其他人分开的记号，而无论伪装还是时间和年代的变化。它远远超出可见的、可区别的符号，到达一个如后来的哲学家所称的“原初的现实性”，意为没有独特的品质（这可能会被改变或消失），而是一个总体的不同观念，即这个人或者事物不是那个人或者事物。这样深刻的个性甚至能挨过冥王哈帝斯的阴暗王国。永恒的东西必须是众神的。

佩希奇接着写道，希腊人意识到身份同一性和个性是如此深奥的概念，它们也许远远超出了人类的理解力：

身份同一性的印记具有神圣的无法消除性，只能被见证，而无法被理解。忒勒玛科斯知道，搞不清为什么他必须小心地跟随他的朋友（那个女神的化身）。如果神是仁慈的，忒勒玛科斯将会找到他的父亲，同时还有他自己。个性的神秘性也许是一个追寻心灵交流的神圣誓言。2

然而这个希腊人对身份同一性和个性的理解只是西方对这个复杂和引起争论的话题的思考的开始。佩希奇的例子包括16世纪马丹·盖赫的故事（这是一个著名的冒名顶替案例），莎士比亚那数不清的涉及两面派和模仿的喜剧，陀思妥耶夫斯基、康莱德和卡夫卡的小说，还有由莱布尼兹、牛顿、戴维、道尔顿、麦克斯韦以及其他人提出的哲学与科学上的论点。

在量子王国的所有特征里，粒子的全同性（它们能占据的形式）无疑是最奇特的特征之一。只有两个可能性：能混在一起的全同物体（玻色子）和不能待在一起的全同物体（费米子）。玻色子遵循数学上的玻色-爱因斯坦统计规律，而费米子则遵循费米-狄拉克统计规律。这两个可能性分别被独立地发现于1924—1925年，萨特延德拉·纳特·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦发现了玻色子的性质，而沃尔夫冈·泡利的不相容原理则阐明了费米子的基本行为。如我们已经展示并将继续在本书中展示的那样，大众文化经常利用量子的古怪，发现它的术语和意象充满创造力。如果量子理论像佩希奇说的那样，向我们对同一性和个性的理解中注入了这样根本性的革新，那为什么它没有再次激起我们对这些话题的讨论呢？代表着同一性奇特形式的泡利不相容原理和玻色-爱因斯坦凝聚还完全未出现在大众文化（大众文化对这个话题原本可是非常着迷的）中。我们没有发现它出现在任何T恤衫和咖啡杯上，社会名人在他们的回忆录里不写它，没有哪一个我们知道的诗人说它对他们的诗作来说必不可少，它也不以任何电视剧名字的形式出现。我们只发现了一个有关它的漫画，来自不断创新的漫画网站XKCD。

泡利不相容原理

全同性是那只还没有掉下来的量子鞋。为什么奇异世界里这个最奇异的一面没有被大众文化更多地引用呢？大众文化应该喜欢这个奇异的东西并发掘它更多的含义。为了弄明白为什么这个概念还没有被注意到，我们必须更仔细地看看和全同性相关的两个概念。

沃尔夫冈·泡利和不相容原理

沃尔夫冈·泡利是20世纪20和30年代最具影响力的物理学家之一，但他的影响往往更多是批评性的而不是创造性的。“泡利什么都阅读，什么人都认识，他给所有他认识的人写去了上千封词句优美、慷慨激昂和尖酸刻薄的信。他的批评经常是残忍的，就像一阵冷风，偶尔会冰冻好的想法，但更多地是干掉了许多不好的想法。”3他的一个特别著名的（和毁灭性的）侮辱是批评一个人的想法是如此糟糕，以致“连错都算不上”。我们认为泡利（一个充满个人悖论的人）是量子王国本身的一个象征：他同时既是顽童似的又是严肃的，既是古怪的又是老套的。他对科学是一个不可或缺的人，但又具有不可靠的一面（他和卡尔·荣格通信，聊他对通灵学和共时性的兴趣）。

泡利出生于1900年，与量子的诞生同年。他生在一个由犹太教徒和天主教徒组成的奥地利人家庭。1918年，上完高中后的两个月，他提出了他的第一篇专业物理学术论文，内容是关于相对论的一个方面。1921年，获得博士学位后的两个月，他为一本重要的科学百科全书完成了一篇237页的关于相对论的权威性陈述，直到现在来看，仍然是全面和深刻的。

当泡利清楚地阐述不相容原理的时候，他仍然是一个年轻人，只有25岁。因为这个原理，他获得了1945年的诺贝尔奖。4作为量子物理的一条基本原理，它是确定原子里电子排布的关键。由于这个排布决定着一种元素的化学性质，泡利的原理是化学的根基，在物质结构上扮演着一个重要的角色。这个原理也意味着电子以及其他服从这个原理的原初物质构成单元是完全等同的（意即不可分辨的），这是量子世界里最奇异的方面之一。

我俩中的一个（戈德哈伯）还记得见到泡利时的情形。1958年夏天，我正好18岁，刚刚完成大学一年级的学习。我上了一学期的物理课，和我的父母一起去意大利瓦伦纳参加一个物理暑期学习班。泡利是参加者之一，他当时心情低落。他把原因归之于一项和海森堡合作的进展糟糕的研究。泡利确信这个项目已经没有什么意义，他为自己花了这么长时间才意识到这一点而感到痛苦，并且认为这是自己因为年龄增大而事业快要到头的迹象。“我已经58岁了，和这个世纪一样老！”他不停地嘟哝。他的坏情绪或许也和他当时还没有发现的胰腺癌有关，几个月后他死于癌症。

物质的基本组成单元是不可分辨的，在经典力学里没有这样的概念，而且也依赖于它的不出现。在经典力学里，你必须能在物体上贴上标签并追踪它们的运动。每一个标记了的物体都必须有它自己过去的历史以及未来的运动轨迹，否则拉普拉斯的理想智者将不能完全追踪它。也就是说，牛顿时刻具有一个“可标记性的原则”。是的，同一种类的原子和分子被认为是一样的（为了让物质稳定，这是必要的），但原则上你可以追踪它们中的每一个和全部。有些科学家（如麦克斯韦）不去思索所有给定的同类原子看起来都一样这样一个不可思议的事实，他们没有找到答案。必须有某种工厂生产完全不可分辨的原子复制品，而他能想到的只能是上帝以某种方式在这么做。

有一条线索似乎说明某件事有点不对，它以谜一样的形式出现在19世纪晚期，最终被美国科学家约西亚·威拉德·吉布斯所发现。吉布斯想象有两个相邻的盒子，每个都装有相同数量的同样温度的同种气体。吉布斯说，我们来想一想，当两个盒子之间的分隔被去掉之后，会发生什么现象。两个盒子里的分子将很快混到一起。如果你用不同的数字标记每个分子（比如说，第一个盒子里的分子用偶数标记，第二个盒子里的分子用奇数标记），标记为偶数和奇数的分子开始是分开的，但最后均匀地混合在一起。这是一个不可逆的过程，因此你会预期熵将增加，对应于次序的减少。然而并没有出现这样的熵增加的现象，这表明分子相互之间无法区分。它们没有单独的身份！这个惊人的性质使它们区别于我们所知道的任何宏观物体，如一样的棒球、同卵双胞胎等）。但直到量子（以及少数几种“基本粒子”的观念）出现之前，没有人知道怎样去理解这件事情。

泡利的不相容原理说，没有两个相同的费米子（具有半整数自旋的粒子，比如电子）能占据相同的量子态。这条原则理所当然地认为费米子具有不可分辨性。［2］“我们不能为这条规则给出一个更精确的解释。”泡利在他最初的论文里写道。但这是一条多么了不起的规则！作为一条基本的构造原理，它支配着物质的所有已知形式，从原子到晶体、金属以及化学相互作用。他把它称为Aufbauprinzip（构造原理或马德隆规则）：决定怎么装配原子的原理。为什么这意味着不可分辨性？假设两个电子是可以分辨的（如它们具有颜色等某个额外的标签），那么它们就没有什么理由不能一起待在一个由同样4个量子数标记的态里了。

然而不相容原理远远不只是支配着原子的结构，或为什么电子如它们所做的那样占据原子里的位置。它和夏尔·库仑研究的电磁力，如我们在第1章的插节里所看到的，（以及不让每一单个电子完全局域在一个点上的波动性）支配着物质的形状，解释为什么原子和分子互相之间间隔一定距离，抵抗被碾压到一起。由于有这些力，电子不容易被推挤到很近的距离。

我们想象一下，比如试图将两个氦原子压迫到一起。每一个原子的原子核与另一个原子的原子核不可分辨。每个原子有两个电子（自旋相反），占据着以原子核为中心的可能的能量最低态。如果两个原子核相互靠近，4个电子中的一半必须升高能量，因为它们4个不能都占据以那两个重叠的原子核为中心的能量最低态。这个要求和两个带正电荷的原子核相互排斥这样一个事实一起意味着需要巨大的力量才能将原子核推挤到一起，但即使这件事情能做到，电子也仍然必须分散开。因此，不能将两个人挤到同一个地方（除非是将他们挤压得不成人样）的根本原因是他们身体里的原子中的电子只能被十分巨大的、具有内在破坏性的压力推挤到一起。

因此，不相容原理对同一性和个体性的言外之意是非常奇特的。一方面，不相容原理暗示着电子没有各自的身份特性，两个处于不同态的电子是完全可以交换的。另一方面，我们这个世界中事物（我们所知道的任何一块物质）的个体性的建立又得归功于这种身份特性的缺失。微观世界个体性的缺失以某种方式使得宏观世界的个体性成为可能。

玻色、爱因斯坦和玻色-爱因斯坦统计

如果不相容原理的奇特性主要是因为与之关联的电子的不可分辨性这个观念的话，玻色发现的一个可能性则给出了一个初看起来完全没有经典类比的情形。这个可能性是任意数目的不可分辨粒子可以处于相同态，唯一影响这个构形的标签是处在那个态里的粒子的数目。现在任意数目（不仅仅是两个）的粒子可以处于同一个“地方”了！例如，两个、50个甚至10亿个光子可以全处于一个波长范围之内。那些还记得20世纪50年代的人可以回忆起一个当时流行的校园特技：打开一辆大众甲壳虫的车门，一个接一个，从里面走出来数量令人难以置信的学生。观众也许觉得难以想象，这么多人是如何挤进那么小的一个地方的，但他们仍然能肯定，那些人是靠柔术而不是两个或更多人将身体重叠在一起来待在完全相同的空间里。光子也许看起来违背了这种经典的直觉。可是，当你将10亿个或者更多的光子弄到一个波长范围内的时候，有另外一种方式来理解它：经典的电磁波。换句话说，所有这些全同粒子“融合”到了一起，以至于它们的粒子性差不多不见了，取而代之的是它们形成了具有振荡电场的波。这个电场可以通过它作用在带电粒子上的力而被探测到，也就是说这是一个经典的电磁波。

这个想法来自于一个名叫萨特延德拉·纳特·玻色的物理学家。玻色生于1894年的元旦，出生地离加尔各答不远。玻色有6个姐妹，没有兄弟，他是一个非常特别的人物。如果说泡利受益于当时最前沿的理论物理训练，那么玻色则是从20世纪新科学甚至是大学体系的闭塞之地中开辟出他的道路的。让人更加惊讶的是，他只是加尔各答几个特别突出的学生中的一个。这些人后来被称为“1909班级”，其中包括玻色一生的挚友和同事梅格纳德·萨哈。在几乎每一次考试中，玻色都是第一名，而萨哈则是第二名。1914年，玻色与一名11岁的女孩成婚，他们俩最终一共生了9个孩子。

当玻色和萨哈在加尔各答完成他们的本科和硕士学业后，看起来没有地方能学到欧洲出现的新思想了。在那个时候，印度处于反殖民主义运动的早期，而孟加拉地区是这个运动的一个重要中心。反殖民主义运动对玻色和他的同事来说很重要，但他们得小心翼翼地保护自己的职业，特别是他们能教书的地方基本上没有了。通过某种办法，他们俩都争取到了资助者。这些资助者实际上为他俩设置了新的职位。

萨特延德拉·纳特·玻色（1894-1974）在观看阿尔伯特·爱因斯坦的照片

同时，他们从能找到的外国书籍和文献期刊里学习东西。在印度，甚至是在像孟加拉这样相对发达的地区也没有合适的物理教师。作为克服这个困难的一个方法，玻色和萨哈研读了一系列关于相对论的论文集，并把它们翻译成英语。玻色还接着翻译和出版了爱因斯坦的一本关于广义相对论的书。他和萨哈学习的方式和学音乐的学生有时候做的一样：抄写艺术大家的作品。

1924年，玻色在30岁的时候做了一个讲座，试图解释给定温度下处于热平衡的电磁辐射的普朗克定律，他假定这个辐射是由粒子（或“量子”，如果使用最初的词汇的话）组成的，正如爱因斯坦1905年所提出的那样。在这个过程中，他犯了一个“错误”：他假设许多光子占据同一个态的这样一个构形是唯一的，而不需要将每一个光子都加上某个额外的“标签”。

他得到了普朗克的答案。现在，学物理的学生在开始接触普朗克定律时用的是玻色的推导。如我们已经看到的，这至少是第三种推导，开始是1900年普朗克最初的论证，然后是爱因斯坦1916—1917年从光与分子相互作用的热力学出发的论证。当玻色意识到他做了什么后，他判定这完全不是一个错误，而是量子世界里的一个正确计数方法。

每个人（甚至包括爱因斯坦）都想当然地认为计数一群处于某个态的粒子时，需要包括一个来自于这些粒子标签的可能的重新排列的额外因子。玻色说没有什么额外的标签，处于那个态的粒子的数目就是我们能有的所有信息。依靠这一点（尽管他没有明说），玻色解决了吉布斯佯谬（就如泡利在他计数电子的态时很快将做的那样，也是悄悄地）。泡利认为电子的不可分辨性是当然的，而玻色在他计数态时则认为光子的不可分辨性是当然的。这样玻色和泡利都假定了他们考虑的粒子的不可分辨性，就如麦克斯韦和吉布斯在19世纪对分子所做的那样，他们考虑的情形是能被经典力学很好地描述的气体的可能构形。不可分辨性适用于粒子的量子甚或经典运动，比如小的分子，只要这些粒子的内部结构是由量子力学支配的。

玻色用英语写好了他的论文并投递到英国的一家顶级物理学期刊《哲学杂志》。不清楚这篇论文是被拒绝了还是被遗忘了，他没有收到任何回音。但玻色相当自信和大胆，他给爱因斯坦本人发了一份他的论文。这篇论文给爱因斯坦留下了深刻的印象，他将玻色的论文从英语翻译成了德语并把它投递给德国的顶尖物理学期刊《物理学杂志》，同时还附了一个便笺说这是一个很重要的进展，而且他（爱因斯坦本人）计划提交关于这个领域的进一步研究成果。爱因斯坦当时已经声名鼎盛，是第一个并仍然是最伟大的物理学摇滚巨星。这个期刊很快发表了这篇论文，并且很快又发表了玻色的另一篇论文。这篇论文也是由爱因斯坦翻译和提交的，同样也附了一个评论，进一步说明了玻色的某些论点，但也批评了一些其他的论点。

为什么是一只还没掉下来的鞋

在宏观和微观世界里，全同性是完全不同的。我们来看一看这两个领域跳跃的大小。人类从站立开始平均能跳大约60厘米高，跳蚤平均能跳大概30厘米高。考虑到涉及自身质量的巨大不同，这两个高度是差不多一样大的。为什么呢？决定跳跃高度的能量是由肌肉收缩产生的。如果肌肉纤维收缩的长度与它们自身的长度成正比，而且肌肉的力量和肌肉纤维的数目及横截面积成正比，那么能量就正比于动物的体积，因此也和动物的质量成正比（所有动物身体的密度基本上一样）。跳跃的高度乘上动物的质量正比于跳跃所需要的能量。这就意味着质量抵消了，因此所有动物能跳起的高度差不多一样。所以，动物之间存在某种共同性，体现在我们都是由同样的东西组成的，但我们每一个身上这些东西的排列不一样。

所有的电子在同样的环境下回应于同样的能量，也“跳跃”同样远，但这是由于一个完全不同的原因。电子没有肌肉，实际上除了自旋以外它没有任何内部结构，它不是由任何东西“做成的”。这就是两个电子能全同的原因，而两只跳蚤身上有很多不同的分子，所以不能一样。这也是为什么一个电子实际上不能真的跳跃的原因，它必须被“踹”一下！

量子世界里的全同没有经典类比。从日常生活来看，费米子和玻色子都是非常奇特的。在宏观层面上，费米子全同性就像一对异卵双生而不是同卵双生的双胞胎能出现在同一空间位置。玻色子全同性就像那种古老的歌舞杂技表演一样，很多人从一个小地方（比如一个公用电话亭或一辆小车里）钻出来，只不过这里是无数多的人能这样做。对费米子和玻色子而言，量子全同性完全就如一句谚语所说的：“如果你已经见过一个，你就见过它们所有了。”微观尺度上的粒子，甚至大到原子和中等大小的分子，都完美地符合这个描述。如果你已经见过一个自旋朝上的电子，你就知道其他每一个自旋朝上的电子不只是看起来像，而是完全和第一个一模一样，除了它们俩必须待在不同的地方。这里的“地方”指的是一个具有一套标签的态。

“个体性的彻底丧失揭露了事物后面的新奥妙。”佩希奇在《看到两个》中写道。这很不平常，他强调区别个体性，即那些使单个个体之所以成为一个个体的东西；他强调身份（identity），即某一事物的持续相同性，它与个体性不是同一个东西；他也强调全同性（identicality），即某一事物种类的成员，比如电子，“只以那个种类的实例而具有身份，但没有任何特征可以将一个个体与另一个区分开来”。那些具有全同性的东西没有个体性，没有原初现实性，没有什么能让它们说“我就是我”。

如佩希奇所说，这样一个事实也许太怪诞而让人无法忍受。“人类的个体性栖息于千篇一律的量子身上”，尽管这“有一种奇异的美丽”。我们热爱平等，但不喜欢全同。

插节 泡利与不相容原理，玻色与玻色子

当泡利在1946年年底接受诺贝尔奖的时候，他提到了当他得知玻尔量子理论时的“震惊”。他说有两个方法来应对这个震惊。一个是外部的，从已经有的经典语言出发，把量子世界当成一个人在讲的一门外语，“寻找一条线索来将经典力学和电动力学翻译成量子语言”。这是玻尔的途径。另一个方法是泡利的老师索末菲采用的，是内部的，在数字中寻找某些可以从内部提供线索的提示，就像破译密码。5

泡利希望找到一条途径，可以让他一举两得。他决定去搜寻的地方是元素周期表。这个表按性质排布化学元素，以2、8、18、32个元素为一组，好像电子以神秘的2n2形式按壳层分布。这里的n取整数值。为什么是这样的呢？1922年，泡利听了玻尔所做的一个报告，在此过程中他问玻尔为什么所有的电子不都占据被称为K壳层的能量最低壳层。2这个数字有什么特别的地方？还有8这个数字。

泡利然后思索了德裔美国物理学家阿尔佛雷德·朗德的一个观点。朗德正在寻求解释一个被称为反常塞曼效应的现象，他提出一个法则，对于一个只有一个最外层电子的原子，它的一个被称为R的量只能有两个取值。这个法则被物理学家称为朗德定律，尽管它能处理“范围广泛和复杂”的现象，但大家不知道它从哪里来，觉得它“完全不可思议”。物理学家和历史学家亚伯拉罕·派斯把它称为“科学研究中那些奇妙的时刻之一”，“逻辑教给我们的东西和实验给出的东西相互冲突”。派斯说：“朗德公式实际上非常好地展示了在量子理论发展的早期富有才华的物理学家怎样取得重要的进展，即使他们并不是十分清楚自己在做什么。”6

1924年12月，泡利写了一篇关于塞曼效应的论文。在论文里，他说这个二元取值不是“核”的性质，而是外层电子自身的性质。泡利写道，塞曼效应来自于“价电子的一个奇特的、无法用经典理论描述的、属于量子理论的二元取值性质”。泡利1925年的论文推广了这个思想，将它应用于所有电子身上。其中关键的句子是：“在一个原子里绝不会存在两个或更多的等价的电子，在强场中，这些电子所有的量子数都一样……如果在原子里存在一个所有这些量子数（在外场中）都具有确定值的电子，那么这个态就被‘占据’了。”7

少数几个人认为量子全同性或不可分辨性应该会引起更多人的兴趣，而不仅仅是物理学家。出生于德国的美国物理学家和哲学家亨利·马吉诺是这少数几个人中的一个。1944年，泡利获得诺贝尔奖的前一年，马吉诺在期刊《科学哲学》上写了一篇文章。文章的开头是：“在哲学文献里只有这么少的关于不相容原理的讨论，这一点很奇怪。”8马吉诺认定，这肯定是因为当时新闻太多。相对论被发现时，“没有什么其他的事情也正在发生”，而不相容原理则出现在“一大堆确凿的发现之中”，处于一场最终产生出量子力学的革命的早期。另一个原因是相对论的哲学涵义显而易见，因为它们意味着我们时空概念的深刻变革。如果说相对论粉碎了以前的观念，那么不相容原理的影响则是建设性的。元素周期表是在元素化学性质的基础上整理和组织起来的，不相容原理则从电子的排布结构这个基础上解释了元素周期表的这种组织结构。

沃尔夫冈·泡利（1900—1958）。这张照片由罗伊·格劳伯拍摄，当时他在苏黎世做博士后研究工作，后来成为哈佛大学的教授并于2005年获得诺贝尔物理学奖。这张照片的拍摄场景非常有意思。1950年夏，泡利、格劳伯以及一些老师和学生在苏黎世附近的山上集体远足。格劳伯费劲地带着一个笨重的、使用胶卷的相机，当时里面只剩下一张胶片没照了，他不愿意把它用掉。“泡利整个时间都在取笑我一张照片也没照。”格劳伯回忆道。最终这群人下到了琉森湖岸边一个平坦的地方，开始踢足球玩。因为发福而体态臃肿的泡利设法把球踢进了水里，一个学生不得不脱掉衣服游进水里把球取回来。这让泡利觉得很好笑，招致他一次又一次地把球踢进湖中，而且每一次都尽情大笑。“他的这种哈哈大笑的场面让我觉得这个场景值得我用掉最后的那张胶片。”格劳伯说，“我示意其他人把球再次踢到泡利附近。”格劳伯小心地把相机对准泡利并按下了快门，刚好那么及时，此后的那一瞬间足球就打中了格劳伯的脸。

但非物理学家对不相容原理缺乏注意也有部分原因在于它的复杂性，你需要了解某些新物理知识才能理解它。因此，马吉诺开始着手尝试为他的同事们做这件事情。你们知道物质是由被称为“基本粒子”的基础单元组成的，是吧？马吉诺提醒他们，这些基本粒子包括（到那时为止）电子、质子和中子，它们是稳定的粒子（至少在物质里）。但也包括正电子、缪介子（历史上的称呼，其实不是一种介子，而是轻子的一种——译者注）和中微子，这些在我们日常生活里很少见。所有这些粒子（我们熟悉或不熟悉的）有一套共同的属性，其中之一是它们都遵循不相容原理，意即没有两个相同的粒子能待在同一个态里。

“那又怎么样呢？”马吉诺猜想他的读者会这样问。它们怎么可能做到呢？牛顿世界里也没有什么东西能这样：两颗行星在它们的轨道上不可能占据同样的空间，台球桌上的两个台球也不能待在同一个地方，很新鲜吗？

好吧，马吉诺承认这是一个“有些混乱的术语”。量子世界里没有轨道这样的东西，取而代之的是“态”。态是奇怪的东西，对于一个束缚在原子里的电子而言，这些态由一套数字来确定，这些数字被称为“量子数”。4个量子数确定一个态，就这样，没有其他什么了。除了这4个数以外，电子不能还有什么，比如说品红色、绿色或蓝色。泡利把这个作为一种事实，只有在量子力学完全建立以后才被理解为一个推论：4个标签给出一个完备的计数。而且，一个态甚至还不是说它和一个轨道只是远远地有点儿像，而是说它是“一个在空间各点发现这个粒子的概率分布”。马吉诺继续写道，当不相容原理说两个电子不能占据同样的态时，它是说两个电子不能具有完全相同的一套量子数。

态的概念而不是轨道减少了可能性。用某种不同于马吉诺的方式，可以这么想：在一个轮盘赌的轮盘上，你有一些狭槽，球珠可以掉到轮盘上。假设轮盘是均匀的，可以转动，那么球珠会等概率地掉到任何一个地方。现在想象这些球珠是一样的，这样如果你交换不同狭槽里的两个球珠，则结果不会受到影响。这是“相同”的态。泡利的原理就像是说，只有一个球珠（或两个吧，每个的自旋相反）能待在这样的一个地方。这极大地减少了轮盘上球珠可能的构形的数目。例如，你不可能有5个球珠待在一个狭槽里。

马吉诺说容易让人迷惑的是，物理学家仍然在挣扎着抵抗“他们珍爱的经典理论里可形象化这个特性的消失”，他们在一种“感情用事的反抗中”挣扎着沉溺于使用轨道这样的东西带来的“无害快感”中，也许甚至还想象着这样的轨道。这把哲学家们给抛弃了：“哲学家怎么知道，当一个物理学家在两个世界的论述里来回摇摆时他在说什么呢？”

但泡利原理的底线是“电子必须要么具有不同的自旋方向，要么占据不同的态”。马吉诺接着说，泡利他自己没有使用自旋这个术语，自旋在几年之后才被发现并被放置到一个与泡利使用的概念相关的地方。马吉诺继续给了几个附加说明。首先，泡利的原理只适用于某些类型的粒子，现在被称为费米子。玻色子（包括光子）对于挤在同一个态里并没有问题。

马吉诺想象着他的读者的思维：不过，这又有什么大不了的呢？不相容原理听起来就像一个住宿要求，亚原子世界的一条建造准则，是某种被强加的东西或者大自然的一个无理性特征。可是它的影响是深远的！原子的壳层结构一下子就变得清晰了，它不是来自于研究原子的性质，而是源自于量子力学的第一性原理。玻尔的谱学观察被解释了，固体材料的很多磁学性质也被解释了。

马吉诺在上面的定性解释之后又加上了一段定量的、数学上的解释。在牛顿学说世界里，你可以用6个变量给出一个物体的位置和速度。这个状态由6个数确定，每个数是一个连续函数，函数的行为可以被微分方程所描述。但在量子世界里，这是不成立的。由于有海森堡不确定性原理，一个粒子只能待在象空间的一“块”里。而不相容原理则说，一组不可分辨的粒子里每次只能有一个待在这样的一“块”里。

为什么？马吉诺最后问。这没有答案。简单地说，这就是一条法则，是一条根深蒂固的法则。“它不只是大自然的另一条法则或量子物理的另一条定理，它是指导所有有关原子实体推理的监管要素。”试图用牛顿学说中的轨道来图像化粒子行为这种根深蒂固的努力使得它看起来缺少了因果性；我们的粒子行为的图像缺少因果性这样一个事实来自于我们有瑕疵的想象，而不是来自于大自然。事情仍然是确定性的，因为态是可以精确预言的；但态不再是可观测的，取而代之的是它确定了可能事件的整体概率分布。“（可观测的结果）不再陷在一张确定性的网中。”马吉诺写道，“就像蘑菇一样，它们可能会从任何地方冒出来。”

玻色的关于光粒子的计数法则导出同样的黑体辐射公式，即普朗克在他的早期推导中找到的那个公式。玻色找到了一个方法，可以使光的粒子描述与光的波动描述和谐一致。爱因斯坦意识到了它的涵义：如果给定频率和波长的光子的数目变得非常大，这样在一个边长为波长的盒子里的光子数目将变得很大，那么就可能将这个系统描述为一个经典的麦克斯韦电磁波。这些光子已经“凝聚”成一种能被很好地描绘成波的东西，而这个波的电场和磁场能从与波相互作用的电子的行为中探测到。

爱因斯坦的额外工作将玻色的计数概念应用到有质量的粒子上，比如原子。爱因斯坦演示了如果我们能忽略原子之间的作用力，那么包含在一个盒子里的庞大数量的原子就将有一个最低能量构形。在这个构形里，所有的原子处于相同的态。一个直接的推论就是在零温下，所有的粒子将处于可能的最低能量态，因而这就是一个由德国化学家和物理学家沃尔特·能斯特给出的未被证明的“定理”的例子：在零温下，熵为零，也就是说，粒子被发现所处的态没有任何不确定性。这个猜想很久以来就吸引着爱因斯坦的注意，但同时也困惑着他。他现在觉得满意了，玻色的量子观念解释了能斯特定理。

爱因斯坦往前再进一步，考虑在有限温度下可能发生的现象。他的结论是，在一个固定的粒子数密度下存在一个临界温度，在此温度下，气体将凝聚成这样一个构形，越来越多的粒子将处于能量最低态。这样一个形态现在被称为爱因斯坦凝聚，或者玻色－爱因斯坦凝聚。人们花了很长时间才意识到有这样一个实例，第一个例子是氦超流体，它在宏观可见的大量氦中展现出了很多奇特的性质。如果这个超流体被倒入一个烧杯中，它会沿着烧杯的壁慢慢往上爬，到了顶部后又沿着壁滑到烧杯的外面。没有任何通常的液体能这样。这个现象（亲眼甚或是在You Tube上观看这个现象都会让人印象深刻）被称为量子虹吸效应或者自发虹吸效应。它是这样一个事实的结果：整团氦可由单个量子力学波函数来描述（它是一个“宏观的”波函数）。

超导是另一个例子。这个例子更加复杂，因为在金属里跑动的电子是费米子，遵循的是泡利不相容原理。不过，当电子结成对以后，它们可以产生爱因斯坦所发现的凝聚现象，产生无限持续的“超电流”，即使没有施加电压来驱动时也能存在。这也是源自于大范围爱因斯坦凝聚的宏观效应。

1926年，英国理论物理学家保罗·狄拉克把泡利的杰出工作、意大利物理学家恩里科·费米对泡利想法的扩展以及玻色与爱因斯坦的结果整合到一起，用新的量子力学的语言表达出来。狄拉克的论文将构成物质的基本粒子分成两类：第一类是受不相容原理支配的粒子，被狄拉克称为费米子；第二类粒子则能以任意数量“堆进”同一个态，叫玻色子。如果你交换两个全同粒子，波函数的相因子（后面马上会更多地谈到）保持不变（它是对称的），这些粒子能占据同样的空间（有凝聚的可能性），它们是玻色子。如果这个因子是负一（反对称的），这些粒子不能占据同样的地方，它们就是费米子。狄拉克写道：“大自然里没有发现其他种类的（不可分辨粒子）。”［3］玻色子充当携带力的粒子，比如光子是对应于电磁力的粒子。至于费米子，泡利不相容原理和不确定性原理控制着原子的能级，而这又决定了元素的化学性质和物质的结构。从我们日常世界的视角来看，比那些遵循不相容原理的粒子更奇怪的东西是那些不遵循此原理的粒子！尽管两种类型的粒子都具有量子世界里原则上不可分辨的性质，都是一些没有经典对应的东西。

爱因斯坦的这些关于有质量粒子（比如氦原子）的凝聚的预言于不到15年后在实验室里被证实了，但他不认为这是对他的凝聚理论的证实，原因也许是他当时考虑的是相互之间不受力的粒子。事实上，由于泡利原理，氦原子之间相互排斥，泡利原理不想让多于两个的电子（一个自旋朝上，一个自旋朝下）待在一个地方。尽管如此，凝聚开始的温度和爱因斯坦的计算结果相当地接近。现在这被认为是他所预言的现象。

和光一样，氦的凝聚可以展现出长距离上波的相干性，但有一个差别：波的绝对相位不能被观测，而一束激光光波的电场的方向是可以观测的。换句话说，爱因斯坦凝聚没有完全经典的波的极限。

最后，马吉诺的这一猜测（公众对量子力学中粒子的全同性没有表现出什么兴趣的原因也许是当时“很多其他的进展也正在进行当中”）在我们看来是没有说服力的。60年后，即使有了像他的以及彼得·佩希奇的这些解释，量子全同性仍然没有在应用量子力学的专业领域以外引起反响。我们怀疑，正确的解释可能是这个概念就是不合大众的口味，人们（至少那些不用量子力学的人）不喜欢这个概念隐含的彻底一致性——同一种类的两个实体之间没有任何区别。

第6章 鲨鱼和老虎：矛盾体

《量子人》是朱利安·沃斯-安德里亚的雕塑作品，安放在华盛顿州的摩西湖市。与第4章中提到的安东尼·高姆尼的钢羊毛似的作品《量子云》完全不同，《量子人》由2.5米高的平行钢片做成，当你绕着它走动时，它会改变外形。从某个视角看，它展现出一个人的轮廓，而从另一个视角看，人的轮廓则完全消失。沃斯-安德里亚把他的雕塑称为波粒二象性的一个象征。波粒二象性是指这样一种情况：一个量子现象既可以展现出粒子的行为，也可以展现出波的行为，这取决于我们怎么去观察它。［1］

哈佛大学英文教授丹尼尔·奥尔布赖特的《量子诗学》这本书旨在理解现代派诗人的诗歌艺术，它将诗人对应到波或者粒子的模型上，尽管他们的诗作里并没有提到过物理。现代派诗人专指那些在第二次世界大战之前大约半个世纪里写作的诗人，他们努力地想和自己的前辈彻底摆脱关系。艾兹拉·庞德是“诗人里的德谟克利特、卢瑟福和玻尔”，一个诗歌艺术里基本粒子的研究者。而戴维·赫伯特·劳伦斯则是“凭借腹腔神经丛与腰神经节的复杂电磁吸引与排斥而使男人、女人、蛇、奶牛、月亮以及太阳相互联系的情绪波和辐射”的支持者。不过，奥尔布赖特接着说，这两位诗人（以及所有现代派诗人）都认可诗歌的行为并不清晰地分成粒子模型和波动模型。他的结论是现代派诗人力图同时保持这两个矛盾的模型：“现代派诗人教会了他们自己怎么同时按照波动模型和粒子模型去构思诗歌。”1

沃斯-安德里亚的雕塑和奥尔布赖特的现代派诗人是有创意的，因为它们同时是两个事物。这两个人将此种创造性的矛盾体视为量子物理给我们上的生动一课。但有时候人们只是简单地拿量子二象性开玩笑。例如，我们有一次看到过一幅漫画，画的是“宇宙公司研发部门”的办公室，里面一个年轻聪明的工程师穿着洁净的白衬衫，打着领带，手里端着一个咖啡杯。他带着自己最新的创意走近上帝说：“……如果您能让它既是一个波也是一个粒子的话，那就太好了！”上帝以他惯有的关切耐心地听着，不过气泡框里显示他心里想的却是：“天哪，真是个白痴！”

朱利安·沃斯-安德里亚的雕塑作品《量子人》

牛顿学说的世界绝对不是左右矛盾的，它里面所有的事情都只属于两个“箱子”中的一个。一个“箱子”里是粒子/微粒，它们的质量处于一个特定的地方，被力推动或者拉动，总是有确定的动量和位置。在另一个“箱子”里是波，它们由使用连续函数的麦克斯韦理论描述，遵循微分方程，用来描绘在空间和时间上平滑演化的过程。这两种理论都包含可观测和可预言的现象。你输入初始状态的信息，让方程运算起来，然后未来行为的预言就出来了。

量子属于哪个“箱子”呢？

不清楚。从20世纪20年代的早期到中期，在第一次量子科学革命的后期，物理学家们倾向于要么支持这方，要么支持另一方，他们试图发展粒子的理论或者波的理论，想用其中一个就解释所有的现象。这么说吧，他们想搞清楚量子现象到底是什么东西，他们观察到的这些现象看起来像完全不同的东西，肯定有什么地方出了错。随后，在1925—1927年的第二次量子科学革命中，物理学家弄明白了怎么样把波和粒子结合到一起。这个比矛盾更奇怪的结论就是量子现象实际上是所有这两种不同的东西，这取决于你的处理方式。

艺术家、作家和各种各样的学者把这个结论视为揭露了事物的真相，事物必然有不相容的不同方面。他们认为这个结论表明对一个问题有互相矛盾的看法是合理的。宗教作者抓住了这个想法，说它是基督教徒思维方式的科学类比。比如，物理学家约翰·波金霍尔写道，当玻尔说任何宣称自己完全理解了量子物理的人其实因此显露了他们还没有开始领会它的时候，玻尔无意识地再现了英格兰国教会威廉·坦普尔主教的一个评论。他说：“如果一个人说他理解了耶稣基督神性和人性的关系，那么这只是清楚地说明了他还完全不明白道成肉身的意思。”2

彬彬有礼但坚定的狂人

在领会第二次量子革命的壮丽之前，我们必须先体会到第一次量子革命把事情搞得有多么扭曲。

在20世纪20年代早期，相对论和量子力学经常作为科学的两项伟大胜利而被大家同时提到，但是也有很多科学家很难理解这些重大突破。1921年，在一篇文章《噢，量子！》里，美国著名物理学家、克拉克大学的亚瑟·戈登·韦伯斯特（美国职业物理学家组织机构美国物理学会的创建者）写到了前一年普朗克获得诺贝尔奖（普朗克获奖是在1918年，但因为第一次世界大战，颁奖典礼被推迟了）。韦伯斯特把他的职业生涯都奉献给了经典物理学，他尽自己所能地总结了量子理论的发展历史，然后说：

“理解量子理论需要具有数学物理学中所有最难部分的知识，我对它一知半解。你呢？不过，和相对论一样，它是一个伟大的思想，值得获诺贝尔奖。”3

此后不久，韦伯斯特因为个人问题自杀了，个中缘由包括他的物理系可能会被关闭以及他对自己在物理学中所做的贡献感到绝望。

如果像韦伯斯特这样的主流物理学家理解量子都有困难，那么公众就更困难了。几个非物理学家对量子的意义做了一些好笑的、戏虐性的或无知的推断。一个名叫G.E.萨克利夫的印度通灵师和天文学者告诉《印度时报》，相对论和量子力学预示了西方科学的没落和东方教义的优越性。“西方对斯芬克斯之谜的回答摧毁了牛顿定律，而东方的回答则让它们完好无缺。”他神秘兮兮地写道4。一年以后，《洛杉矶时报》打趣道，如果量子这个新事物真的是能量的一种强大的新形式，那么它也许最终能提供足够大的力量来把民主党团结在一起。5（若是现在，《洛杉矶时报》肯定会说是共和党人。）

其他领域那些确信牛顿学说的类比的学者现在开始重新进行审视了。哲学家和心理学家费迪南德·席勒发现原子的行为像某些心理反应，原子的跃迁必须由最低跃迁能量才能触发，他的意思是“心理学也许甚至能为物理学提供线索”。6几年后，哈佛大学历史学家威廉·芒罗告诉他的同事们，沃尔特·白芝浩假定有“一系列终极和不变的同样性”，试图把民主建立在牛顿力学的基础上，这需要修正。但这些都是孤立和随机的推断，是学者们的随意猜想。学者们和其他人的一般反应是，量子力学和相对论一样都是只有少数几个科学家才明白的东西。

1922年，查尔斯·达尔文（著名博物学家达尔文的孙子，一个物理学家）在伊贝尔俱乐部讲演量子理论。该俱乐部是洛杉矶的一个女子团体，主持接待重要的客人，举办的活动对公众开放。来自英格兰剑桥大学的达尔文将在帕萨迪纳的加州理工学院待一年的时间。在他报告的第二天，《洛杉矶时报》的一篇报道以一段无意中听到的对话开头：

“他说的东西我一个字都不明白。”

“不要紧，你在明天的《时报》上可以读到有关它的一切。”

记者玛拉·奈承认她没法帮助她的读者，而且（俱乐部）午餐上的客人谁都没有明白这个理论。“当查尔斯·达尔文（指那个博物学家——译者注）很久以前第一次提出他的进化理论时，他引起的困惑也没有比他孙子昨天引起的大。”但是奈意识到了量子理论确实很奇特。她说，达尔文设想了一个1895年的杰出科学家，他陷入神思恍惚之中，然后现在清醒了，并学习最新的物理学。这个瑞普·凡·温克（美国作家华盛顿·欧文于1819年写的一个故事中的主人公，他在山中一觉睡了20年，醒来后发现一切都面目全非——译者注）会被相对论的怪异搞得有些“郁闷”，奈报道达尔文说：“但作为一个理性和有知识的人，他还是会接受它。”然而，如果某个人试图告诉他量子理论，“他就会非常确定地认为那个人在说胡话”。7

几年后，《纽约时报》的王牌科学栏目记者沃尔德马·肯普弗特报道了海森堡在英国科学促进协会一次会议上的报告。海森堡当时还不是一位名人，那是他第一次公开作报告介绍他那个很快就要出名且很难解释的原理。肯普弗特写道，海森堡的理论“将使我们有必要修改我们满意地称之为‘常识’和‘实在’的信念”。但是记者弄不明白海森堡要提供的替代品是什么：

听海森堡博士以及那些讨论他结论的人讲话，没有高等数学知识的门外汉将认定，英国协会的这一特定部分是由安静有礼但坚定的疯子组成的，他们创造了一个属于他们自己的、完全虚幻的数学世界，给人的印象就是他们和他们的同类独自具有关于“实在”的正确观念，而剩下的我们则生活在一个充满着不明确词汇的梦幻世界里。

解释量子理论和海森堡博士以及其他人对它的修改甚至比解释相对论更困难。这和不说法语却要向一个因纽特人解释法语像什么非常相似。换句话说，这个理论不能用图片化的方式来表达，而只用文字又表达不了什么意思。你面对的是一个只能用数学来表达的东西……

整个力学必须被重写。当它被重写时，除了数学家以外没有人能理解它。8

然而，理解量子理论的困难不只是复杂的数学，还包括困惑科学家他们自己的一些因素。人们最后发现物理学家一开始着手研究的方式有点儿不对。他们从经典的方法出发，比如作用量和相空间，然后试图找到正确的法则去把它们适用于量子领域。在20世纪20年代，量子理论的概念很混乱。伽莫把它称为“一锅让人不爽的假设、原理、定理和计算方案的大杂烩，而不是一个逻辑上前后一致的理论”。9很多科学家仍然在希望量子会消失。

量子最让人不安的含义是亚原子世界是彻底分裂的。量子像波一样，从它们的源点球状地向外传播，没有特定的位置或方向，在空间和时间上不停地扩展并变得稀薄。但是它们也像粒子（那时候叫微粒）一样，每一个有它自己确定的位置和动量，在时空中总是遵循一条特定的路线。波或者粒子本身并不让人困惑，而在量子世界中事物的行为既像波又像粒子，这件事情让人困惑。牛顿注意到了光的波动性，尽管他说光是由粒子组成的，但他做梦也没想到这两者属于同一个整体。在量子世界里，它们却是这样的。就像普朗克在他1920年的诺贝尔奖获奖演讲里说的，光量子发射出来以后发生了什么是一个谜，它是像波一样分散开了还是像一个抛射体一样向前飞行？如果是前者，那它怎么能够做诸如把电子从原子里撞出来这样的事情？如果是后者，那么它的行为怎么能像服从麦克斯韦方程组的电磁波一样？

在1921年的一场公开演讲里，物理学家威廉·布拉格爵士用一个非常好的图像道出了这种矛盾和分裂：

我从某个高度，比如100英尺的地方把一段原木丢进海里。从它掉落水面的地方往外辐射出水波，这是产生一个波的微粒性的辐射。波往外传播，它的能量分布得越来越广，泛起的涟漪越来越低。在相距不远的地方，也许是几百码处，波的影响看来要消失了。如果这些水完全没有黏度，而且没有任何其他因素损耗波的能量，那么它们将传播比方说1000英里。我们很容易想象，到那个时候，涟漪的高度将会非常小。然后在波纹圆周的某一点上，细浪遇到了一艘木船。也许在那之前，它已经遇到过了数千艘船，什么也没发生，但是这一次，意想不到的事情发生了。这艘木船的某根木料突然飞到了空中，不多不少正好100英尺高，也就是说，假设这根木料飞离木船时，没有和船上的什么装置或其他什么东西发生碰撞。问题是，将这根木料射到空中的能量是从哪里来的呢？为什么它的速度和1000英里外投入水中的那根原木如此精确地联系在一起？10

布拉格研究了固态晶体里的X射线衍射。某个源（掉下来的“原木”）发射出来的X射线投射到晶体上，这些射线将被目标晶体的结构衍射（就像那些波一样），然后当它们在感光乳剂上产生一个黑斑点时就会被探测到（那根“木料”）。

爱因斯坦是粒子理论的支持者。1916年，他扩展了他那个关于光量子的想法：光是由作为物理实在的量子组成的，每一个都有特定的方向和动量。这个过程遵守能量守恒，因为释放的能量等于吸收的能量。把事情稍微说得夸大一点，他宣称“球面波形式的辐射不存在”。但是爱因斯坦不得不把统计包含到他的理论里，这样才能使这个理论有效，以“概率系数”的形式描述量子的发射和吸收。他发现这让人讨厌，但他希望这很快就会被一个更深入的理解所替代。爱因斯坦的盟友包括亚瑟·霍利·康普顿，他在1923年发现了康普顿效应，即当光子从电子上弹射开时，它们来自于并反弹到确定的方向。这绝对是粒子的行为！［2］

达尔文，那个在伊贝尔俱乐部作演说的物理学家，是波动理论的支持者。他不安地发现，要将波动理论更新到能包含量子，他必须付出不小的代价。达尔文写道，疯狂的想法是必需的。他还讽刺般地建议说，物理学家也许不得不“赋予电子以自由意志”。11他最后断定说，最不疯狂的事是放弃单个事件中的能量守恒（而从前一世纪的中期开始，能量守恒就是物理学的基本原则），从而保住波动理论。［3］

许多其他的科学家也都试着去寻找一个令人满意的方式，用通常的语言来表达波动和粒子理论的必要性，以及不可调和性。英国物理学家C.D.埃利斯把波和粒子与工程制图中的平面图和立视图作了比较，说这“显示我们是试图在两维空间里描述一个三维的物体”。12J.J.戴维森提到兔子和猫之间行为的不同，而约瑟夫·约翰·汤姆逊则说“老虎和鲨鱼之间的”争斗，“它们中的每一个都是自己领域中的最高统治者，但在对方的领域中却无能为力”。13H.S.艾伦形容说这是两栋不相连接的建筑物，而物理学家被迫现在既在这栋楼中又立刻在那栋楼里。14这种情形和隐喻相抵触，因为日常生活的世界里没有东西和它相似。爱因斯坦绝望地写道：“因此，现在有关于光的两种理论，两者都必不可少，但又没有任何逻辑联系（今天我们必须承认这一点，尽管20年来理论物理学家付出了巨大的努力来进行研究）。”15

量子正在破坏最好和最出色的工作。詹姆士·金斯在一系列受欢迎的讲座的结尾说道：“在整个物理学领域里，我不知道还有哪个现象对帮助我们理解起作用的物理过程起这么少的作用。有这个事实摆在我们面前，不需要怎么沉思，我们就能明白，我们离理解原子怎么运作或原子性与量子的真正含义还很远。”16

在1921年的公众演讲中，布拉格直言不讳地说：

没有什么已知的理论能被改变一下去提供哪怕是近似的解释。一定有某些东西我们现在完全不知道，而发现这些东西可能会彻底变革我们对波与以太以及物质之间关系的理解。就目前而言，我们只能在两种理论上都努力推进。周一、周三、周五我们使用波动理论，周二、周四、周六我们又思索鱼贯而行的能量、量子或微粒。这毕竟也是一个非常适当的态度。我们说不清整个事情的真相，因为我们只有不完全的陈述，每一段适用于这个领域的一部分。当我们想在此领域的任何这一部分或那一部分里工作时，我们必须拿出那张正确的地图。某一天我们将能把所有这些地图都拼起来。

海森堡、薛定谔和第二次量子科学革命

从1925年到1927年，在科学史上最非凡和意义深远的进展之一中，全貌地图（实际上是两张全貌地图）被找到了。这两个制图人（维尔纳·海森堡和埃尔温·薛定谔）没有试图去改写经典的地图，而是从头开始。麻烦的是，这两张地图完全不同，它们绘制的版图（原子性和量子的真正本质）比任何人预期的都要奇特。

如果第一次量子革命涉及的是令人吃惊地发现牛顿学说领域里出现了一个外来生物（而且冒出越来越多的关于这个外来生物的例子），那么1925年到1927年的第二次量子革命则包含一个更加惊人的发现：我们自始至终就生活在这个奇特的版图里！发现这个新世界的第二次量子革命的故事本身就已经变成了一个神奇的、经常被提起的传说。

1925年，海森堡放弃了任何用图像化方式来描述亚原子世界的企图。他决定尝试单纯用量子已被观测到的性质的数学语言来描述它，使用一张被称为矩阵力学的“地图”。这张地图包括一个被观测粒子的位置和动量能被我们所知的一个特定极限（不确定性原理）。随后的一年里，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔把量子描述成一种奇特的波，它随着时间按大家熟悉的微分方程连续且可预测地演化。但是最后发现，这个波给你的不是空间坐标，而是关于粒子出现概率的信息。他们的这些研究成果大大改变了量子理论，导致了第二次量子科学革命，被人们称为“量子力学”以和早期的量子论区别开来。

在这场革命之后，量子力学包含两部分。一部分是一种特别的场，它不告诉你一个粒子在下一时刻会在哪里，而只是一些以概率的形式出现的信息，关于这个粒子下一时刻可能会出现在哪里的信息。这种场告诉你的关于这个世界的信息不是唯一的，而是有不止一种可能，这个理论能给你的所有东西是各种可能性的清单。它不能告诉你“实在”将会是什么样子，而只是告诉你关于“实在”的可能形式的信息。第二个特征，这是任何基于概率的理论都无法避免的，是某个完全区分于那个场的东西介入之后，导致这些可能性中的一个成为现实。

维尔纳·海森堡生于1901年，当完成那个带给他名声和诺贝尔奖的工作时，他还是一个年轻人。他的父亲是慕尼黑大学的希腊语教授。“海森堡具有那种经常被人和诗人联系在一起的性格特征：时髦漂亮的外表，体格虚弱，包括严重的过敏体质，有很好的音乐家细胞，以及对周围的世界有敏感的、经常是易动感情的反应”。17他满怀雄心壮志，1923年在慕尼黑获得博士学位后，海森堡开始着手探索怎么样让新的量子物理合理化。

海森堡感觉到量子不适合于牛顿学说的假设，即物理事件发生发展在一个四维时空的舞台上。在这样一个舞台上，所有事件在一个特定的时刻总是处于一个特定的位置。当东西运动时，它们被特定大小的力推或者拉动，它们在时空中留下确定的路径。使用哲学的语言来说，这个实体论是可图像化的。试图用这种方式将量子现象图像化难倒了当时最好的物理学家，包括普朗克、玻尔、爱因斯坦、索末菲（海森堡在慕尼黑时的导师，1923年）以及马克斯·玻恩（他在哥廷根时的博士后导师）。海森堡想，可能试图去构造一个可以图像化的解答正是问题的来源。扔掉那些什么位置、路径和轨道！可图像化（Anschaulichkeit是它的德语词汇）必须被抛弃！这样在1925年的前几个月，海森堡停止了试图寻找能将原子事例图像化的理论的努力。他尝试不把频率、振幅、动量（p）和位置（q）描述成具有特定取值的经典属性，而是以作用于函数上的纯数学术语（如“算符”）来描述它们。

1925年5月，海森堡得了一场严重的枯草热，导致他的研究停顿下来。他来到黑尔戈兰岛，这是北海中一个远离过敏原产生体的岩石岛屿。在这个岛屿的庇护下，他的身体慢慢康复，他又开始工作。一天晚上，他感觉到会有所突破。他一直工作到很晚，最终在大约次日凌晨3点的时候把他的想法拼合到了一起：

最开始，我胆战心惊。我有一种感觉，透过原子现象的表面，我正在查看一个异常美丽的内部世界。当想到我现在必须探索大自然慷慨地展现在我面前的这个丰富多彩的数学结构时，我不禁感到有点头晕目眩。我非常激动，无法入睡。我如此兴奋，当新的一天破晓时，我前往岛屿的最南端。在这个地方有我一直渴望攀爬的一块伸向海中的岩石。没费太多的事儿，我就爬上去了，然后等着太阳升起。18

6月份回到哥廷根后，海森堡很快写了一篇论文。他说，我们的实验说明我们不能“把一个电子和空间中的一个点联系在一起”，这意味着需要“丢弃所有那些企图观测迄今为止无法观测的量的希望，比如电子的位置和周期”。这不是很正确，但抓住了他想法的精髓。他演示了怎么样去编制表格，表的行和列是与态之间的跃迁相关的振幅与频率。他把它们称为“量子理论量”。他将这些量用一种新的演算联系在一起：“量子力学的关系”。用新的算法对这些表格进行处理后，他得到了和经典力学中类似的公式（这是一个奇怪的数学技巧，极大地增强了计算和预言量子行为的能力）。唯一的困难是一个被称为对易的东西。交换率是一条大家熟悉的数学原则，将两个数乘在一起时，次序不影响结果，即ab=ba。但在海森堡的古怪算法里，这不成立。当他将一个量子理论表格（我们称其为A）与另一个（B）乘起来时，次序是重要的：AB与BA不一样。海森堡把论文的草稿交给玻恩后，玻恩发现海森堡重新发明了“轮子”，这些奇怪的表格是数学家称为矩阵的东西，而这个奇怪的演算则是数学家们将矩阵相乘的方式。矩阵是不对易的。这是一个了不起的例子：一个纯数学的新发展结果被发现能描述真实世界里的粒子运动。

玻恩意识到，埋藏在海森堡工作里的东西是一个非凡的发现：量子理论量组成的表格之间不对易的那个具体数量。当与动量联系在一起的矩阵p和与位置联系在一起的矩阵q以两种不同的次序相乘时（物理学家经常用粗体来表示矩阵，以区别于通常的变量），两者之间的差别正比于普朗克常数。更明确地说，玻恩和他的另外一个助手帕斯库尔·约当发现pq-qp=Ih/2πi（I是单位矩阵，一个对角元都是“1”、其他全为零的矩阵。而i是虚数单位，一个平方后等于-1的数）。玻恩后来写道，“我永远都不会忘记我感受到的激动，我终于成功地将海森堡的关于量子条件的想法凝聚为这个神秘的方程pq-qp=Ih/2πi，这是新力学的核心，后来发现它暗示着不确定性关系。”191926年2月，玻恩、海森堡和约当发表了一篇物理学中里程碑式的论文，该论文探讨了这个方程的含义，这是描述量子领域的第一幅完整地图。

不管是海森堡还是他的早期读者都没有意识到正在发生的事情的重要性。“用到的数学让人感到陌生，在物理上晦涩难懂。”历史学家佩斯写道。20许多怀疑的人想，等等看吧。当泡利将海森堡的规则应用到氢原子上，导出了巴尔末公式后，犹豫和不情愿都被驱散了，但佩斯仍然称它是一门“高度数学化的技术”。

很快，物理学家们被量子领域的第二幅完整地图震惊了。奥地利物理学家埃尔温·薛定谔制作了一幅可读性强很多的地图，它不是基于复杂的矩阵数学，而是波动力学。波的数学更容易使用，而且波是可以形象化的。它们的性质（频率、振幅和波长）平滑而又连续地变动。这个方法看起来恢复了时空这个舞台和亚原子事物的直观性。薛定谔的波动力学有一个令人困惑的特征，称之为ψ函数，它是那个“波动”的东西。玻恩很快把它诠释为与事件发生的概率相关，而和事件本身无关（因为这个诠释，他获得了1954年的诺贝尔奖）。令人惊奇的是，这两幅地图结果被发现是等同的。两者以不同的方式使用了经典力学的工具，包括在其他事情以外为分子运动论而引入的一些理念。21

海森堡坚持量子领域是不能形象化的。在1926年9月的一篇论文中，他说在亚原子领域，我们“通常的直觉”行不通。亚原子领域有一种不同的物理实在。“由于电子和原子不具有任何程度的、和我们日常经验里的物体一样的物理实在，探究这种适用于电子和原子的物理实在正是量子力学的范畴”。22显然，量子力学将要颠覆我们关于实在本身的观念。

随之而来，在海森堡和泡利之间发生了一场激烈的讨论，在差不多一个世纪以后仍然能吸引我们来看一看。23“但是现在来看一个晦涩难懂的地方，”泡利在1926年10月说，“这些p必须假设为是受到掌控的，而那些q则是不受控制的。这意味着一个人总是只能计算在确定的初值下p的特定变化的概率，（并且只能是当它们）对所有q的可能取值作平均后。”泡利然后用了一页半纸来演示，当你对它们中的一个知道得越多时，那么你对另一个能说的东西就越少。“数学就说这么多吧，”他仍旧困惑地接着写道，“这东西的物理对我来说从头到尾都不清楚。第一个问题是，为什么只有p（而不是同时p和q）能被以任意高的精度来描述？”泡利恼怒地做了如下总结：“你能用p-眼或者q-眼来观察这个世界，但同时睁开两只眼，你就会出错。”这能意味着什么呢？

讨论、信件和论文不停地蜂拥而出，从数学到物理学到哲学，然后又回过去。海森堡回信说，也许像空间和时间这样的性质只是统计上的概念，就像气体的温度和压强。“我的观点是，当说起单个粒子的时候，空间和时间的概念是没有意义的。”他接着说，“我们不再知道词语‘波’或者‘微粒’意味着什么。”

在这个时刻，物理学家们所完成的工作的最根本性质第一次变得清晰起来。突然间，他们意识到这个理论有哲学上的含义，因为很清楚，他们关于实在的假设（物质的基本特征，通常不会有人审查）被质疑了，并且看起来需要批判性地重新审视。24现在，量子看起来不只是对哲学家有话说，而且对感兴趣的社会大众也有话说。普通民众将认识和了解量子、波以及粒子，了解随机性和不确定性，甚至了解像E=hv和pq-qp=h/2πi这样的方程。不管喜欢还是不喜欢，公众会被告知，这些东西是组成现代世界的玩意儿。量子时刻即将出现。

无理量

1935年的情人节，英国编剧和作家约翰·贝雷斯福德（美国演员詹姆士·纽曼的曾外祖父）在《曼彻斯特卫报》上发表了《无理量》（它的副标题是）。25这是一个富于幻想的短篇故事（标题里有一个被篡改的方程）。在故事中，贝雷斯福德描写了他的一个梦，关于量子理论古怪之处的梦。他描述自己坐在浴缸里，这时应该从薰衣草浴盐产生的芳香蒸汽里现形的东西却是-1的平方根，“一个畸形的、消瘦的小家伙，瞎了一只眼，习惯把一只胳膊弯到脑袋后。他有一个小而细的声音，会突然含混不清地升高或降低声调，能发出金属般的嗡嗡声，让我觉得他用一个音符覆盖了整个音阶。毫无疑问这是一个非常古怪的小家伙。”当贝雷斯福德问这个生物从哪里来时，他的回答是“来自人类的心灵”。这个生物开始哀叹他被指责通过不确定性原理和量子物理的其他方面，将不确定性和无理性引入了科学和现代世界。-1的平方根说，牛顿和其他人在他们的数学之外保留了神秘主义。现在，“在近代数学里有某一个洞，各种各样稀奇古怪、无理的东西不停地从这个洞里穿过”。-1的平方根然后突然宣布（降低了他的声音）他正在和“h”谈恋爱。这个低声起到了吸引贝雷斯福德注意力的效果，让他注意到这是不确定性原理中的“h”，而不是（比如说）特洛伊的海伦。“我已经注意到你们总是在一起，从某种意义上说。”贝雷斯福德说。确实是的，这个小生物回答道。他激动地说，毫无疑问，她对他有相互的爱：“他们叫她普朗克常数，你是知道的。”

贝雷斯福德的这个由h和-1的平方根产生的洞并让“稀奇古怪、无理的东西”进入其中的生动图像体现了这样一个认识：量子力学不仅仅是一个复杂的理论，而且意味着这个世界充满了特别的非牛顿学说类的物体。如果我们有某种机制能让h变大或者变小，如果我们能让h变成零，那么这个洞将会关闭，这个世界将是经典的，只有服从牛顿学说的物体。但是我们不能把这个洞关上，这意味着不只是那些奇怪的、无理的东西会待在这，而且这个世界本身就充满了厄普代克所说的漏洞、矛盾、反常以及妄想。

“显然的事实，”戴维·福斯特·华莱士写道：“在这个世界看起来是什么样子和科学家告诉我们它是什么样子之间，以前从来没有出现过这么多巨大的鸿沟。‘我们’指的是门外汉。这就像100万次哥白尼式的革命全在同一时间发生了。”他引用了一些例子，包括空间的弯曲，以及同时在又不在那里的量子粒子。他说：“我们‘知道’有几乎无穷多的事实，它们与我们对这个世界的直观常识经验相矛盾。”26

当然，华莱士是错的。在它的领域和适用范围里，科学精密地描述了这个世界上发生的事情（这就是它的工作）。但即使在它的领域和适用范围之外，通过我们在第3章里讨论过的隐喻性机制，它也能帮助我们去表达我们作为人类的一种体验。量子语言和意象特别具有比喻上的吸引力，因为它们反映出了我们在描述自己的体验时所遇到的困难；量子力学是奇怪的，我们同样也是。

在另一篇文章中，厄普代克说：

不从事科学研究的人对待现代科学基本上是怯懦的：我们依靠现代科学的发现和技术来治疗我们的疾病，来让我们能更快地旅行，使我们的生活变得更容易，但同时，我们又躲开它告诉我们的其他东西：我们处在宇宙中一个危险和无足轻重的地方。不是说那些针对我们安全和重要性的威胁在科学出现前的世界里不存在，或者在达尔文之前没有反对上帝赋予人类尊贵性的论点。但是我们这个世纪发现了难以置信的巨大和无法想象的微小，发现了当我们还不存在时地质时间宽不可测的延续，发现了超多的星系和不确定的亚原子行为，发现了物质本质中一种有几分疯狂的激烈数学结构。这些发现比我们所察觉的还要更深程度地炙烤着我们。贾科梅蒂那线一样瘦的、受侵蚀的人物形象象征着新的人文主义，贝克特极小的独白者提供它虚弱的、无望的声音。27

如果所有人的表达都像贝克特和贾科梅蒂一样清晰就好了！太频繁看到的是，量子语言和概念在大众文化中的使用等同于物理学家约翰·波金霍尔说的“量子宣传”，或者把量子力学当成“充分地授权去懒散地沉溺于摆弄其他学科里的悖论”。28这就是它在诸如电视节目、漫画、T恤衫和咖啡杯等东西上出现的主要方式。然而，厄普代克说，尽管我们不停地询问量子从技术层面上将给我们带来的物质上的东西，它已经在精神上改变了我们。它提供了一系列新奇和有益的概念来理解我们的经历，也因此在和牛顿力学可比的级别上给了我们一个对世界更好的理解。通过提高我们对自己体验中的漏洞、矛盾、反常和妄想的敏感性，量子语言和意象已经让世界本身不一样了。在这个已经改变的世界里创作的文学作品可能会反映出量子语言和意象的影响，即使这个作品没有明确地使用它们。

比如，考虑忒究·科尔的小说《开放都市》。它的主人公朱利叶斯是一个德－尼日尼亚混血儿，住在纽约市的精神病医生。朱利叶斯倾向于在他适应的环境里随机散步，在这当中，他的思想不连续地从一个主题换到另一个：这个城市在一群鹅看起来是什么样子的，纽约市的奴隶贸易史，“9·11”的原因和影响，各种各样的音乐和文学作品。他的声音充满自信，是不露情感和超然的，即使它在某种量子化的精神相空间里四处跳跃，没有任何沉思或默想去把这些跳跃编织成光滑连续的结构，也没有因为缺少这样一种光滑结构而感到不安。“我们把生活体验成连续的，”他想，“只有当它离开后，成为过去以后，我们才看到它的不连续性。过去，如果存在这样一个东西的话，基本上是空虚的空间，是虚无的扩展，在里面飘浮着重要的人物和事件。”29

虽然这像科尔的主人公一样接近于使用量子语言和意象，但是它表达了对反常和妄想的感受性。当我们仔细地观察这个世界时，我们会注意到这些反常和妄想。我们的牛顿学说直觉通常促使我们掩饰、填补这些反常和妄想，或假定它们无足轻重。很多学者论证说，片段化、不连续性、漏洞以及矛盾明显是现代生活当代性的一部分。比如，在《图灵的大教堂：数字宇宙的起源》里，乔治·戴森说，数字化反映了连续性的缺失，这是我们在现代世界里的生活方式所特有的。很多现代小说也反映了这一点，尽管是以不同的方式。比如科拉姆·麦卡恩的《让伟大的世界旋转》里面的人物在一个中心焦点周围被折射，这些东西慢慢地、点彩派似的构建起一幅图画。科尔的书（赢得了2013年德国国际文学奖、海明威基金会/笔会首本小说奖，并且是全美书评家协会奖的最后入围者）是另外一个类型，我们也许可称其为反常和妄想的文学。在这一类型里，漏洞和矛盾被集成在整个故事里。其他例子包括W.G.西博尔德和巴恩斯·朱利安的作品。

我们的感受与体验中的矛盾与漏洞一直就存在。量子意象和术语给了我们一种语言来描写我们一直就知道的东西。这里，我们有了以一种特定方式反映它的时间的艺术形式。不是说量子导致了这种文学，也不是说量子是由产生这种文学的文化力量产生的。不过，它发生在合适的时间，提供了生动的意象来捕捉我们的现代体验。

说科尔或者上面提到的其他作者在写他们的小说时明确地想到了量子理论是不可信的；相反，量子理论的物理概念已经在很大程度上成为了一个理解和描写当代世界的智力工具，使用它的人甚至不一定意识到他们正在这样做。它简单地就是任何一个深思熟虑的作者工具箱里的一部分，帮助他获得对生活体验的更好理解和更加清晰的表达。但是，正如任何一个木匠所知道的，新工具的获得不仅仅给已经存在的工作带来更高的精度，而且会带来制作新东西的能力。

在下一章里，我们将提供使用特定种类的语言和图像的例子。

插节 薛定谔的地图与海森堡的地图

在课堂上，我们会详细对比薛定谔和海森堡采取的不同方式，详尽提供在讨论中反复出现的关键词汇。我们所采取的方式对于非理科专业的学生来说也能理解，如果他们能有点耐心的话。在这一节里，我们把它浓缩到一起。如果你在课堂上喜欢打瞌睡的话，你可以略过本部分。

对于光我们有两个假设。第一个假设是爱因斯坦在他关于光电效应的论文里提出的，一个光量子或者光子的能量被局域在一个小的范围里，就像它是一个粒子一样，而不是像波一样伸展开来，尽管它的能量以某种方式通过普朗克公式和波联系在一起（E=hv，这里E是能量，h是普朗克常数，v是波的频率）。第二个假设是这些光子的强度，即单位时间穿过单位面积的光子数目和光的强度有关。单位时间内穿过单位面积的能量称为能流密度。麦克斯韦的电磁理论用一个称为“坡印廷矢量”的东西，一个涉及电场和磁场强度的表达式，给出了一个经典电磁波的能流密度。对于一个固定的频率，可用能流密度除以单个光子的能量或hv，来得到光子的强度。

现在想象一束光波被衍射，非常少的能量到达一个屏幕的某一部分，大部分能量到达其他地方。也就是说，光子到达后者比到达前者要更加频繁。我们也可以写出一个光波瞬时能量密度的表达式，也是依赖于电场和磁场。能量密度就是单位体积里的能量，因此光子的数密度是能量密度除以每个光子的能量hv。在这个密度大的地方，我们应该探测到许多光子，而在密度小的地方，光子数就很少。我们甚至可以想象单个光子的情形，假定它被限制在一个洞腔里，比如在一个微波炉里。储存在电磁场里的总能量应该正好是hv，但是这个光子也被假定为局域在一个地方。那么这样一种有趣的情形是怎么回事呢？

在量子力学里，可以为这个单光子写出一个波函数，而不管它是自由的还是被限制在一个腔里。这个光子处于某个位置的概率密度正比于这个波函数的模的平方。也就是说，如果我们反复去找这个光子，就会发现它一会儿在腔里的这个地方，一会儿又在另一个地方。概率密度则会告诉我们，它会有多么经常地出现在哪里。

一个经典电磁波的示意图，E标示电场的方向，H标示磁场的方向，P （指向波运动的方向）标示能流密度或单位时间内单位面积里波携带的能量。用波的能流密度除以hv，可以得出单位时间内单位面积里的光子数。在量子力学的应用中，当一个波长大小的盒子里的光子数目较少的时候，我们可以从波的能量密度推导出在某个位置附近的单位体积内找到一个光子的概率。

以这种方式描述发生的事情称为一个物理诠释。这个例子说明了两件事情：首先，电磁场是完全可以被计算的，它随时间的演化是可以精确预言的；但第二件事情是，在一个给定时刻，光子的位置是不能预言的，因为我们只知道一个它可能出现的概率分布。我们可以把电磁场称为这个光子的波函数，它的平方给出在一个给定位置附近发现这个光子的概率密度。

但是在光子和电子的量子力学描述上有一个重要的差别。经典物理学通过麦克斯韦方程组给出光波的运动定律，它要求光子以光速运动，但是经典物理学没有为电子的波动提供运动定律，它甚至都没有包含电子波这个概念。电子这样的粒子不是必须以光速运动的，它可以缓慢地运动甚至静止。正如爱因斯坦发明了光粒子的概念，薛定谔需要去发现描述电子这种粒子的概率密度的波函数。

薛定谔的方法

1925年至1926年的冬天，薛定谔开始寻找像电子这样的粒子的、类似于电磁波函数的对应物（至少为缓慢运动的、非相对论的粒子），类比于光子的经典电磁波函数。薛定谔的波动方程（众所周知，他在几个星期里把它想了出来，当时他和一个情妇躲在阿尔卑斯山区的某个地方）完全是确定性的，就像它的经典电磁对应物。他从几个关键的要素中把它构建了出来：第一个是能量与频率之间的普朗克关系，E=hv；第二个是爱因斯坦讨论过的动量和波长之间的关系p=h/λ，但这个关系在原子物理学里由路易·德布罗意首次用到电子身上；第三个关键要素是微分方程，就像麦克斯韦方程组一样用来联系波函数随时间和位置变化的变化率。因为这些变化率是受频率与波长支配的，这就给出了规律来从能量确定对时间的微商，从动量确定对空间的微商。

波动方程里的“东西”，那个据说会“波动”的东西，被称为希腊字母“psi”（ψ）。对于这个ψ，薛定谔没有一个物理上的诠释。他也没有办法使用这个波函数来给出确定的、关于粒子观测量的预言，尽管他认为这个办法最后终究会出现。但是他的同行们指出，在一个特定的地方，波的模方给出了在那里找到一个粒子的概率密度。也就是说，当被用来计算可观测量（比如位置x或者动量p）时，薛定谔的波函数给出了概率分布，在一个特定位置找到一个粒子的概率密度正比于在那个点的波函数的模方。

有一个自然的、定性的方法来讨论波函数：一个具有确定波长和方向的纯波按其定义在广度上就是无限的，它以同样的方式振荡，而不管我们往前还是往后看多远。要得到一个局域的波，一个当我们离开它的中心时其振幅大小会迅速减少的波，我们需要把纯波叠加起来。也就是说，我们需要把不同波长和方向的波以合适的系数加起来，这样它们在位置空间的中心处对振幅大小的贡献是互相加强的，而在离那个中心更远的地方它们是相互削弱的。这样一个阵列称为一个波包。

我们可以选择与不同纯波对应的系数，它们对某个给定的波长和方向有一个最大值，而对其他不同的纯波则减小。这些系数就在“波长空间”中构成了一个波函数。当我们把动量和波长之间的德布罗意关系p=h/λ加进来后，它就给出了“动量空间”的波函数。

一个高斯波包，或一个具有一系列波长的波。它局域在空间的某个范围内，而不是在两个方向上延伸到无穷远处，像一个只有单一波长的波必然的那样。图中的虚线是波的包络线，它非常平滑地变化，在波包的中心处达到最大值。这个波包可被理解成平面波的一个叠加，它们在波包大的地方相互加强，但在离波包远的地方相互抵消。

薛定谔的方法非常令人满意，因为它正确地给出了不同电子波的能量。这些电子被束缚在一个原子核周围，从而形成一个原子。同时，它又是令人不安的，因为一开始电子是被接受为一个粒子的。它们怎么能够也被描述成波呢？而且，尽管薛定谔自己从来没有完全接受概率诠释，但很多其他人则完全予以接受，这看起来又一次确认了在这个世界的结构中概率扮演了根本性的角色：波函数的模方确定了在任意一个点上找到一个电子的概率密度。

薛定谔使用了大家熟悉的关于波动的数学知识来推导当一个原子退激发时放出的光子可以具有的频率。很自然地，他的公式化体系被称为“波动力学”。

海森堡的方法

海森堡比薛定谔早几个月开始工作，为达到同样的目的，他使用了一套完全不同的数学方法，这套方法后来以“矩阵力学”被大家所知。他出发时的想法是，我们甚至都不应该试图去描述原子里电子的经典轨道，去为发生的现象给出一个物理诠释。相反，他觉得我们应该专注于可观测量，尤其是电子的位置和动量，寻找那些控制它们怎么随时间演化的规则。海森堡和薛定谔一样使用了微分方程，但不是为了构造波函数，而是为了把观测量x和p联系起来。而且，那些方程正好就和差不多3个世纪以前牛顿发现的方程一样。那么是什么东西发生了变化？是什么让其成为量子的版本呢？答案是现在这些观测量不仅仅是数，遵循算术中交换律的数（pq-qp=0），而是矩阵或者算符，遵循pq-qp=h/i这个关系。这里i是虚数单位，满足条件i2=-1。符号h的定义为h=h/2π。作为这个看起来很小的变化的结果，原子里的电子允许具有的能量不再是连续的，而是一系列分立的“量子”能级。而且，从一个给定时刻知道位置和动量的初值（这是最好的可能了）出发，也不再可能预言将来位置和动量的确切值。

统一

薛定谔和其他人很快证明了这两种公式体系在数学上是等价的（尽管两者的方法看起来很不一样）。

理解海森堡和薛定谔的方法之间怎么能有一个直接简单的关系的关键是前面提到的对易关系：pq-qp=h/i。薛定谔为波函数ψ找到了一个微分方程，类似于光的麦克斯韦方程组。这样一个方程把函数对时间和位置的导数联系了起来。函数在x点处对x的微商df /dx，就给出了那个函数对应于x的单位变化的变化率。例如，在薛定谔方程里，关于x方向对位置的微商的一个自然解释就是把它描述为x方向上粒子的动量：dψ/dx=ipψ/h。然后，关于微商的标准法则就给出了海森堡对易关系。

这些方法（分开看或合在一起看）彻底变革了关于辐射的理论。假定一个原子处于一个特定的态，然后通过放出一个光子跃迁到另一个能量更低的态。根据能量守恒原理，这两个态之间的能量差必然等于那个光子的能量，而光子的能量又通过最初的普朗克关系E=hv和光子的频率联系在一起。使用薛定谔或海森堡的自洽规则，我们能系统地计算出氢原子两个态之间的能量差，而无需玻尔和索末菲的许多天才般的猜想。

此外，量子力学现在可被用到更加复杂的系统上了，比如不止有一个电子的原子。尽管计算变得更加复杂，结果仍然是唯一和有明确定义的。对于这些系统，老的理论束手无策。因此，海森堡和薛定谔的工作开始了一种关于量子力学适用能力、自洽性和完备性证据的积累，而且这种积累一直延续到现在。

第7章 不确定性

“大约在1927年9月，”哲学家雷·蒙克写道，“物理学世界变了。”蒙克有意地改写了弗吉尼亚·伍尔夫的一个著名声明，他是完全正确的。1几百年来，自然和研究它的人类之间是清晰可分的，它的每一个部分都有不同的特性和位置，在所有尺度上都遵循同样的规律，其行为是可预测的。在1925年之前，量子已经引导一些物理学家不情愿地去质疑这些假设中的某些部分。但是1927年不确定性原理的出现（由海森堡于5月在德国发表，玻尔于9月在意大利科莫的一次会议上提出。在10月布鲁塞尔第五次索尔维会议上爱因斯坦和玻尔开始了一场持续其一生的辩论）却是耸人听闻和咄咄逼人的证明：这些假设是错的。在牛顿世界和量子世界之间不能搭起一座联系的桥梁这场“诉讼”中，它是“证据甲”（指重要的证据——译者注）。大自然显然比任何人想到的都要奇怪得多。

物理学家和哲学家仍然在争论怎样给由不确定性原理宣告来临的、关于大自然的新图景画上最后一笔，而大众文化则在1927年不确定性原理出现后不久就开始去发掘和利用它的含义。在那之前，量子物理在大众文化中还很少被提及。新闻报纸和杂志把它看作为某种有意思的事情，因为它让物理学家们很激动，但认为它太复杂了而无法解释清楚。即使职业上就对那些改变我们世界观的科学进展感兴趣的哲学家也没有看到量子物理会引出特别有意思和重大的哲学问题。21927年后不久，不确定性原理成了量子力学产生的所有术语中最出名和最被广泛使用的词语。

它甚至引发了一整类的玩笑话，其中一个是这样说的。一位警官因为海森堡超速把他拦了下来，他满腹怀疑地问：“你知道你的速度有多快吗？”海森堡肯定地回答：“不知道，但是我确切地知道我在什么地方！”在另一个版本里，警官拦住海森堡说：“你知道你的速度是90英里/小时吗？”海森堡说：“谢谢。不过现在我迷路了。”还有一个版本这样说，海森堡的情侣抱怨道：“你的速度是很快了，但你的位置不对了！”

所有人都读懂了这些笑话，因为每个人都知道海森堡的原理涉及一个关于一个东西在哪里和它怎么运动的信息的折衷：你对其中一个知道得越多，对另一个的了解就越少。这些笑话有一点点马虎，因为它们只说速度，而不说学术上严格正确的术语“动量”。动量是一个包含速度和方向的矢量。

女喜剧演员艾米莉·莱文有一次在一场表演中尝试了一个更准确的改版：“为什么这个物理学家不得不坐公交车去上班？因为他知道自己车钥匙的准确动量！”在试演中，她发现除了物理学家外没有人理解这个笑话（如果他知道了钥匙的动量，那他就不知道钥匙在什么地方），因而不得不去掉了这个段子。“动量”这个词让大多数人需要仔细想，然后就不好笑了。

其他和不确定性原理有关的笑话瞄准的是那些了解行业术语的人。

问：为什么海森堡的算符不住在郊区？

答：它们不对易！（commute除了有对易的意思外还有通勤来往之意。这个回答也可译为：他们不愿意通勤上下班！——译者注）

这个笑话基于这么一个事实：在量子理论里，位置和动量不是严格意义上的变量（代替一个量的特定值），而是算符（作用在态上的函数），而且如上一章所说，这些算符是不对易的。

不确定性原理也出现在连环漫画中。

它甚至跑到了葡萄酒的标签上。

不确定性原理也被运用于（严肃地，不是开玩笑或嘲讽地）表演、人类学、新闻业、哲学、政治学、心理学、宗教、社会行为以及其他更多的地方。一些哲学家认为不确定性原理拥抱的是哲学上的唯心主义情形，而一些宗教作家宣称它打开了自由意志科学认识的大门。在《人之上升》里，波兰裔英国科学家布洛诺夫斯基把不确定性原理称为容忍原理，而在《牛顿的橄榄球：美式运动背后的科学》中，艾伦·圣约翰和阿妮萨·G.拉米雷斯用它来解释区域闪电战（美式橄榄球运动中的一种突然而激烈的防御性进攻方法——译者注）。对另外一些人来说，它看起来具有精神上的重要性。下面是一段发表在《美国戏剧》上的对话，发生在戏剧导演安妮·博加特和著名的声乐教练克莉丝汀·林克莱特之间。

林克莱特：某位思想家说过，最高的精神层次是无把握。

博加特：海森堡从数学上证明了那个。

林克莱特：你说得对。

看起来博加特和林克莱特认为不确定性意味着无把握。它是这样吗？海森堡的原理在物理之外有任何意义吗？很多人认为没有。加州大学圣地亚哥分校的哲学家克雷格·卡伦德在《纽约时报》上发表了一篇文章《这里没什么好看的：放低不确定性原理》。他说：“让我们停止用量子物理来证明一些稀奇古怪和超自然的断言这种不当行为。”3下面的文字是约翰·厄普代克的小说《罗杰的版本》中的一段对话：

“按照海森堡的不确定性原理，一直到观测之前，它都是一个幽灵。”

我怒火中烧……我告诉戴尔：“如果在这里有一件事让我从认知上感到激愤的话，它就是那些牛犊眼学生不停地唠叨说量子力学和海森堡原理是那个古老陈旧的哲学巨兽唯心主义的证明。”4

可是不确定性原理怎么会以及为什么会变得如此无处不在和形态多样呢？

亚瑟·爱丁顿

为什么不确定性原理在发现后不久就被如此广泛地讨论？这和英国天文学家亚瑟·爱丁顿有关。作为一个杰出和善于表达的天文学家，爱丁顿是两次世界大战之间英国物理学与天文学之间的主要交流者。他具有贵格会（基督教新教的一个派别——译者注）的背景，是一个意见调解人，经常寻求调停交战的派系。例如，在第一次世界大战后，他声援了德国科学家的事业，其中包括爱因斯坦，当时爱因斯坦被英国科学家公开蔑视。1926年，爱丁顿被邀请去做第二年在爱丁堡举行的吉福德演讲，这是全世界最出名的关于宗教、科学和哲学的系列演讲，他决定演讲的内容是“最近出现的科学思想大变化对哲学的影响。”5

亚瑟·爱丁顿（1882－1944）

爱丁顿在1926年年中开始写他的演讲材料，这在海森堡发展出矩阵力学一年之后，而此时薛定谔正在发表关于波动力学的论文。爱丁顿于1927年1月21日做了第一次演讲《经典物理学的失效》。他告诉那些挤在爱丁堡大学自然历史教室里的听众，我们关于物理世界的全部概念一直到核心都被量子力学动摇了。在爱丁顿于当年3月做完最后一次演讲后不久，海森堡完成了量子革命的压顶石，宣布了不确定性原理。爱丁顿在1927年余下的时间里修改他的演讲稿以备公开发表，这其中包括第一个针对外行的关于不确定性原理的清晰解读。这些演讲（受到了公众的热情追捧）于1928年发表，题为《物理世界的本质》。

这就是不确定性原理的要点，爱丁顿写道：“一个粒子可以有位置或速度，但它不能同时精确地拥有两者。”6他详细地描述了测量其中一个性质怎么会意味着另一个变得不精确。这个问题不是偶然的，而是“一个巧妙安排的设计，一个阻止你看见不存在的事物的设计，即原子里面电子的位置……我们永远都不会发现精确的位置和精确的动量联系在一起，因为在大自然里就没有这样的东西”。不确定性原理意味着我们需要一个“新的认识论”，“它再一次提醒我们，物理世界是一个被从内部仔细思考的世界，它被属于它的一部分并服从它的定律的器具所测量。我们不会自诩知道，这个世界如果以某种超自然的方式、被它本身不提供的器具探测，它会被视为什么样子”。量子告诉我们，科学一直在瞄准一个“假造的目标，一个关于世界的完整描述”。

爱丁顿说，这有两个非凡的哲学涵义。第一个与自由意志相关。牛顿学说的世界已经解决了这个冲突，至少从科学的视角上解决了，它支持的是决定论：简单来说，人类就是机器，就像小钟表，它的运行完全被力和运动定律所决定，正如宇宙中的其他任何事物一样。但是不确定性原理的发现摧毁了这一切，打开了通往更加传统的宗教观念的大门。爱丁顿说，一个狭隘而又理性的人也许甚至会得出结论：“对于一个理性的讲科学的人来说，宗教第一次成为可能大约是在1927年。”7

第二个涵义是科学世界只是这个世界的一部分，“我们认识到一个与物理世界并排的精神世界”。作为一个结果，“和若干年前盛行的方式相比，物理学家现在以一种我只能描述为更神秘的方式注视着自己的外部世界，尽管不是少了精确性和实用性”。8爱丁顿说，通过对科学能知道的东西设置界限，量子力学暗示着其他各种知识（包括神秘主义）的有效性。他把量子力学视为诞生了某种文化公社、一个人类彩虹联盟，在这里平常人、宗教信仰者以及量子物理学家可以手挽手站在一起，有一种共同的精神追求。

布里奇曼

有些科学家赞同爱丁顿的想法，另外一些人则不同意。后一类人里的大多数科学家有礼貌地忽略了他，视他为又一次在扮演调解员的角色，利用吉福德演讲这个受尊敬的讲坛提出一个科学与宗教之间实现深度和谐的可能性。

珀西·布里奇曼（1882－1961）

哈佛大学物理学家珀西·布里奇曼无法忽视爱丁顿。几年后，他写道：“一想到他的书《物理世界的本质》……我仍然会对它的好些地方瞧不上眼。我认为爱丁顿是一个最好的例子，他对像泥浆一样混浊的想法进行了清楚解说。”爱丁顿的书出版后的几个月里，这位未来的诺贝尔奖得主猛烈地批评着。然后，就在1928年的感恩节前，布里奇曼做了件鲁莽的事情。他放下他的科研仪器，把科学文献扫到一边，开始写一篇庸俗的杂志文章。他给《哈泼斯》写了一封信，这是一本偶尔会刊登最新科学进展的杂志。

布里奇曼以前从没有写过杂志文章，对这个他没有什么准备。他出生于马萨诸塞州剑桥市，一生的大部分时间都待在哈佛大学， 1900年作为一个大学生进入哈佛大学，然后留在那里做研究生、讲师，后来做了教授。他是一个害羞、勤奋和小心谨慎的人，严格地规范着自己的行为和思想。布里奇曼既不抽烟也不喝酒，他定期参加健身课、爬山，看重准确性。他以自己为豪，过着一种平静、有序的生活，每天校正标准和清扫仪器。他不在意权力和财富并蔑视那些追逐它们的人，对他来说，唯一值得追求的事情是增加人类知识这个缓慢而又有条不紊的过程。多年以后，1946年秋天的一天，一个兴奋的学生（杰拉尔德·霍尔顿，现在是哈佛大学的一个知名科学史学家）违背规章，匆匆忙忙闯进布里奇曼的实验室。他带来一个消息说有人在电话里说布里奇曼获得了诺贝尔奖，这时布里奇曼甚至连头都没抬，他目不转睛地盯着自己的仪器，平静地说：“告诉他们，当我看见它的时候，我会相信的。”9

1927年，布里奇曼出版了《近代物理学逻辑》，这本书对于一个科学家来说有点不寻常。这本书不是要普及科学，也不是要去消除科学的一些奇异特征来安慰读者。相反，布里奇曼坦率地承认了相对论和它关于时空的奇怪含义在他的同事中引起的“不安”。他和读者一起分享了这种不安，认为只有理解了这种不安，你才能理解科学。他在关于被称为操作主义的哲学立场的首次表述中写道，我们所能做的最好的事就是把某些科学概念当成“只不过是一系列操作”，例如对于长度，规定其操作步骤。

布里奇曼在《近代物理学逻辑》这本书里基本上没有提到量子理论。但是，当他得悉不确定性原理后，他的关注增加了。新的量子力学是高度理性的，但不符合牛顿力学。它粉碎了大多数他成长时大家公认的假定。这些包括开尔文勋爵的言论：“如果我能构造一个机械模型，我就能理解它。只要我不能从头到尾构造出一个机械模型，我就不能理解它。”布里奇曼意识到，这曾经是科学内涵的精神。现在那种精神不复存在了。现在有什么？爱丁顿的那些过于情感化的、现实无处不在的东西？这件事情把布里奇曼扔进了“一场认知和道德危机”中，他感觉无论是从智力上还是从感情上都没有准备好去应对这场危机。10他觉得公众会有一段更困难的时间。

他给一个朋友写信说，如果海森堡的原理是成立的，那么它将意味着“一场从至少是牛顿时代以来精神观念上的最大变革，譬如比爱因斯坦引起的变革还要大很多”。在越来越小的尺度上，世界的结构瓦解成了没有意义的东西。在大众文化风闻这个之前，他沉思着结果将是灾难性的。那些自由意志者、“纯机会”无神论者以及生物学中生命力论的粉丝们都将宣称他们胜利了。11

接着就出现了爱丁顿的书，这本书看起来验证了他最大的梦魇：有人会说量子力学证明了上帝的存在，展示了神秘体验和新实在性的真实性。不，不，不，不，不！这本书的言外之意不是让人舒服和令人振奋的，它们深深地让人感到不安，因为它们损坏了我们原来所想的实在性。他强烈地感到社会公众需要理解这一点。

“尊敬的编辑，”他向《哈泼斯》写道，“我附上一份手稿，讨论的是物理学里的最近发现所包含的一些一般含义以及演化出来的含义。”他概述了他的专业知识，然后继续说道：“我特别想让《哈泼斯》的大众读者读到这篇文稿，因为我相信这些新发现带来的结果对每个人都如此重要，我们所有人迟早都得做出相当大的重新调整来应对这个情况。”在手稿里，布里奇曼说量子理论很快将施展出文化上的影响，这个影响比进化论以及相对论的影响大，甚至比牛顿以及他的工作的影响还要大。由于有不确定性原理（仅仅几个月前发现的），量子理论似乎对能被我们了解的东西设置了一个界限。布里奇曼预言说，这将“释放出一次名副其实的、有关各种疯狂和堕落思想的智力狂欢”。他继续说：

这个设想的远处（科学家证明他们是无法进入的）将成为每一个神秘主义者和梦想家幻想的游乐场。这样一个领域的存在将被弄成无节制地为各种东西找借口的根据。它将被弄成灵魂的实质，死人的鬼魂将居住于此，上帝将潜伏在它的阴影里，生命力论过程的原理将在这里找到它的位置，它还会成为心灵感应沟通术的媒介。某个团体将从因果关系物理定律的失效中找到长久以来自由意志问题的答案；而另一方面，无神论者将为他的论点——偶然性统治着整个宇宙——找到辩护的理由。

布里奇曼向编辑写道：“我希望我不是在无可挽回地毁坏这份杂志。”但他真的管不了那么多，他想把事情纠正过来。那些胡言乱语宣传量子的人不知道他们在说什么。新物理学的含义比他到目前为止听过的任何事情都要奇特和令人不安得多。

《哈泼斯》的一位副编辑回了他的信，并接受了布里奇曼的文章。《哈泼斯》于1929年3月刊登了《科学的新视野》。

布里奇曼在他的引言中写道：“这篇文章的论点是，牛顿的时代现在要结束了，最近的科学发现正准备着一场我们整个世界观中的大革命，它比牛顿发现万有引力带来的革命还要更加重大。”这些量子物理领域中的发现表明，我们错误地以为大自然从根本上是可理解和受定律支配的。布里奇曼说：“（不确定性原理）充满着在精神观念上导致重大改变的可能性，这种改变比任何曾经包含在同样多词汇里的东西导致的改变都要大。”他解释说，不可能同时精确测量一个电子的位置和动量意味着电子不具有位置和动量。与他的操作主义者哲学相一致，他写道：“一个物理概念如果最终不能被某种测量所描述，那么它根本就不能被赋予任何意义。”他更加直截了当地说：

把这个悖论往前再推一步，通过选择我是要测量电子的位置还是速度，我从而决定了这个电子是具有位置还是速度。电子的物理性质不是绝对内在于它自己，而是也和观测者的选择有关。

布里奇曼继续往下写：“（这个原理）很可能统治着我们这个物理世界不同部分之间的每一种已知的作用类型。”这是“非常令人不安的”，因为它损坏了我们有关因果关系的理念。原子物理学家在原子或电子层次无论观察什么地方，“他都发现事情以一种他无法归属原因的方式发生着，对于这种方式，他一点也给不出原因，而且原因这个概念对它来说也没有意义”。布里奇曼说，原因“不在于将来不能根据现在的一个完整刻画来确定，而是在事物的本质上，现在就不能够被完整地刻画出来”。一些德国物理学家得出结论说这个世界是由偶然性支配的，但那是不正确的；量子力学为亚原子世界给出了确定性和必然性，但不是那种传统意义上的。

“物理学家在这里把他的领域结束了”。迄今为止，物理学家们已经探索了大自然越来越深奥的地方，发现了更加精细的结构。现在他们碰到了一个到目前为止从未设想过的可能性：

物理学家因此发现他自己处在一个完全掉了底的世界里，当他了解得越来越深时，它就以变成没有意义这样一种非常不光明磊落、没有气度的方式避开了他并消失了……于是一个界限被永远地设在了物理学家的好奇心上……这个世界不是一个理性的世界，不能被人类的智力所理解，而是当我们探索得越来越深入时，我们曾经认为可以强迫上帝他自己都得赞同的准则（因果律）变得不再有意义。这个世界不是内在就有理性的或可理解的，当我们从几乎没什么东西的领域攀登到日常事物的领域时，它以日益增长的程度获得前述这些性质。这里为了所有实用的目的，我们也许最终可以希望获得一个足够好的理解，但不能再多了。这就是这个世界的结构，这个命题不是通过坐在扶手椅里沉思得到的，而是对直接的实验的诠释。

有些人肯定会得出轻率的假定，布里奇曼继续说。他不点名地抨击爱丁顿：

这将来自于拒绝接受下面这个陈述（即比电子层次更深入的探索是没有意义的）的真正含义，而且还会得出这样一个命题：真的存在一个更远的领域，具有其当前局限性的人类是不适于进入这个领域的……街上的人因此会将科学家已经到达意义的终点这样一个申明曲解成：科学家手握他所有的工具，已经尽其所能地进行了探索，在科学家的理解能力以外还存在着某些东西。

那么，这就是那个设想的远处，它将成为神秘主义者和梦想家的游乐场，导致“一场无节制地为各种谬误寻找理由的狂欢”，并让无神论者和宗教信仰者都感到很宽慰。但布里奇曼看到了一线希望，他希望最终人类能发展出“新的教育方法”来反复教导大家所需要的“思维习惯”，我们需要这些习惯来重塑我们在“日常生活等有限情形”中使用的想法。最终的结果将是积极的：

因为思想将顺从事实，理解和征服我们周围的世界将以越来越快的速度往前推进。我冒险猜想一下，最终对人类的性格也将会有一个有利的影响；平常人的反应将是悲观的，但是需要一些勇敢的绅士来直面像现在这样的情形。最终，当人类完全享用了知识之树的果实后，在最初的伊甸园与最后的伊甸园之间将会有这样一种区别：人类不会变得像神一样，而是会保持永远的谦卑。

布里奇曼是有先知的。人类仍然还在努力学会谦卑，但关于空想和为谬误找理由，他是对的。

他的传记作者写道，布里奇曼是一个“科学上的纯粹主义者”。他给自己设定了高要求的标准，并一直延伸到他生活的最远角落。真是这样的。作为赞同协助绝症患者自杀的一个坚定信仰者，他认为人类不应该过那种没有能力保持自己尊严的生活。在他得了癌症后，他尽其所能地延长了自己的生命，然后在1961年，他试图找到一个医生来帮自己结束生命。在没能找到后，他自己独自行动了。“社会让一个人自己做这样的事情是不体面的，大概现在就是我能自己做这件事情的最后一天。”他写道。几分钟后，他拿起一把手枪对准了自己的脑袋。

爱丁顿和布里奇曼以非常不同的方式看待量子力学的言外之意。爱丁顿是一个调解人，愿意承认每一个事物里的真理，布里奇曼则更仔细一些，不愿意冒险超越他所知的东西。爱丁顿把量子力学视为指向比传统观念更宽广的、有关实在的观念，而布里奇曼则视其为指向一个更狭窄的观念。爱丁顿发现量子力学的言外之意是让人舒适的，而布里奇曼则觉得是让人不安的。他俩中的每一个拥有的都是真理的不同部分。

知识界的其他重要人物，例如哲学家约翰·杜威和伯特兰·罗素，以及科学家亚瑟·康普顿和詹姆士·金斯（《神秘的宇宙》， 1930），很快也发表了自己的看法。受到爱丁顿和布里奇曼之间争论的启发，肯普弗特（那个《纽约时报》的记者，他听了海森堡关于不确定性原理的第一次公开演讲）现在看到了其中隐含的意思。12在一篇发表于1931年的《纽约时报》整版报道中，他援引了爱丁顿和布里奇曼的话，试图来理解不确定性原理中隐含的意思。在版面的上方有爱因斯坦、爱丁顿、德布罗意、薛定谔以及海森堡的照片，更下方一点有两张来自金斯的《神秘的宇宙》中的两张图片。头条的大字标题和副标题为：

怎么样解释这个宇宙？科学左右为难

一个接着一个，科学家们提出的理论已被推翻了。现在处于不确定中的科学已被迫变得有点唯心论，并抛弃一个机械论宇宙的观念。

肯普弗特写到，我们以为自己知道的关于实在的东西是建立在无知的基础上的，我们的牛顿学说的思维习惯是不好的习惯。“(测量依赖于观测者的选择这样一个事实)远远不只是单纯哲学上的诡辩，”他继续说，“我们试图去解释实在、宇宙以及我们看到和感觉到的事物。我们不可避免地需要用电子来解释它们，电子是组成它们的基本成分。我们发现自己被难住了……因此我们永远不能知道确定的、关于一个原子的任何东西以及因此关于由原子组成的世界的任何东西。纯粹的偶然性占主导。在原子里，原因这个概念没有意义。”但肯普弗特的文章是布里奇曼所害怕的“像泥浆一样浑浊”的东西在新闻业的表达。

多形态隐喻

短语“量子跃迁”在20世纪20年代早期成为了一个流行的隐喻，原因有以下几个：现有的词汇感觉不足胜任的地方（在涉及不连续性的语境中）需要一个单词，有创意的演讲者希望能更加清晰准确，以及科学术语的文化威望使然。在20年代末，不确定性原理跟随了同样的路线，但是它更快并具有更多形态的应用。作为一个专门的物理学原理，它只适用于某些测量情形中，就是那些涉及共轭变量的情形，但仍然只要有一个那样的情形就足够它变成一个隐喻或者拥有超出科学的言外之意。4个最通常和最重要的这类例子包括无法确定性、观测者效应、艺术和人文学科的解放以及上帝的存在性。

无法确定性

不确定性原理提供了一个意象，这个意象似乎认可我们对这个世界的体验：随机、缺乏控制甚至不合理。1929年10月29日股票市场暴跌的几天后，《纽约时报》开玩笑地援引海森堡来部分解释股票价格与利润两者之间通常关联的突然破裂：“海森堡已经证明因果定律不再有效。”131936年，《纽约时报》的体育新闻记者约翰·基兰顽皮地使用不确定性原理(如布里奇曼所论述的)来解释为什么表现不稳定、最近处于第五名位置的纽约巨人队仍然还有希望：“他（布里奇曼）的关于台球反弹角度的说法以它自己的方式来说是正确的，但是在过去六周里，棒球从巨人队球棒上的反弹是一个更让人信服的、关于海森堡不确定性原理的示例。”14（巨人队打入了那一年的世界大赛，但输给了纽约洋基队。）从那以后，体育新闻记者就开始使用不确定性原理的意象。

其他人认为不确定性原理暗示的无法确定性对报道社会问题具有更深远的重要性，特别是宗教思想家抓住了爱丁顿的阐述。在牛顿学说时代里，几个世纪以来科学家们坚决认为自由意志是一个幻想，把宗教思想家们置于防守的位置。现在有一个杰出的科学家说，别忘了科学允许有自由意志，从而将人类从无神论者决定论的统治下解放了出来。“我们拥有自己的‘回合（显身手的机会）’了。”一个宗教评论员写道。他使用棒球的另一幅图像：“贝比·鲁斯，以爱丁顿的形式，正拿着球棒要打几个本垒打。”15时间更近点，宗教诗人克里斯蒂安·威曼在他感人的抗癌记述中说，在“意外的大浩劫”中“感受到如同一缕纯正好运一样的持久的爱”使上帝成为“终极的不确定性原理”。16

观测者效应

观测会改变人的行为这一事实自古以来就被细心的人类非正式地知悉，现在又被现代的心理学家正式地了解，他们把它叫作“反应性”或“观测者效应”。牛顿学说的世界也了解测量事物会干扰事物，但假定这个干扰原则上可以被弄得无限小，从而测量可以变得越来越精确；这个干扰也是可以预先考虑到的，因而也是可以补偿的。科学家们因此可以从他们的测量中“将自己拿出来”。

在量子的世界里，事情更加复杂。你有多精确地测量一对共轭变量（比如位置和动量）中的一个，影响着你测量另一个时能获得的精度。对它的一个粗略的表述方式是说，一个实验者在观察或测量一个粒子时会“干扰”它。这是错误的，因为这暗示着一个粒子事先就已经具备了位置和动量，它们只是被测量给弄乱了。但是在量子力学里，位置和动量在测量前是未定义的，不管它是什么（把一个没有位置和动量的东西叫作一个“粒子”，这有些奇怪），都是在和实验仪器接触时才获得了它们。尽管如此，那个通俗的、简单的描述使得不确定性原理在人类世界的一系列新比喻中变得是可理解的和可用的。

这个想法已经激发了很多关于相互作用的漫画：我们的经验是观测或调查会改变你观测的事物。如果你按住一个东西，那么就松开了另一个。如果你知道了x，你就不能知道y。幽默可以朝很多方向发展。比如，它看起来就像一个对我们已知的一些事情的科学确认，或一个对我们已知事物的一些荒谬扩展的科学确认。

但我们发现，在这些关于不确定性原理对观测的言外之意的戏虐和新奇使用的同时，还有涉及新闻业、文学和戏剧的本质的严肃运用。在《你怎么看这个故事：海森堡的不确定性原理和越南战争文学》中，剧作家和英文教授乔恩·塔特尔注意到不确定性原理已经被剧作家和新闻记者广泛地讨论，其原因是这个原理的“社会推论”：“观测一个事件这个行为本身会改变那个事件的本性。”这有两个原因，塔特尔说，首先，“那个事件立刻就变得和观测者相关了”；其次，“观察那些知道自己在被观察的人的行为会改变他们的行为”。别忘了，新闻工作者是职业的推挤手。塔特尔接着说：

亚瑟·米勒的《大主教之屋》和汤姆·斯托帕德的《哈普古德》实际上把它（不确定性原理）戏剧化了，它们向剧场观众展示他们自己易受不准确观念的影响，并从而暗示他们无意中成了他们以为自己在看的戏剧的参与者。在一篇社论中，乔治·威尔引用不确定性原理来作为一个反对实况播送陪审团诉讼案的理由，而安娜·昆德伦和其他人已经把它运用到电视“真人秀”上。当然从摄像机一开始转动的瞬间，这些节目就不再是真实的了。

还要更严肃的。知名文学评论家乔治·斯坦纳曾使用不确定性原理来描写文学评论的过程，文学评论转换被诠释的对象并把它有所不同地传递给接下来的那一代。“不确定性和互补性这两个原理，如粒子物理学所说的，”他写道，“在文学和艺术言语中处于所有解释性的和批评性的过程和行为的正中心。”［1］

艺术和人文学科的解放

正如许多宗教思想家所感觉到的，在牛顿学说的世界里他们处于防守的位置，很多艺术和人文学科的从业者也这样觉得。对他们来说，不确定性原理对测量和理解的极限的确立看起来是解放性的。约翰·威廉·纳温·沙利文在评论爱丁顿的著作《科学中的新路径》（《物理世界的本篇》续篇）时，表达出了一种普遍感触到的轻松心情：

除了少数几个顽固分子，每个人都对科学发展出来的新的谦虚态度感到高兴。神秘主义者和艺术家仅仅为了自卫而忽视科学观点不再是必要的。科学已经意识到它的知识是一种特别受到限制的知识。同时，它对真理没有排他的主张。也许存在一些知识，它们是有效的，尽管它们还没有被、不能够被科学的方法所触及，这一点是被承认的。17

不确定性原理传递出的信息看起来是，科学对真理没有格外的、享有特权的洞察力。这扩展了艺术和人文学科的创造力价值。［2］看看奥地利裔墨西哥艺术家沃尔夫冈·帕伦的激动劲儿：

此刻科学正在经历的资本危机也许将证明一个关于新秩序的预言。在这个秩序里，科学将不再自命为比诗歌更绝对的真理，科学将懂得和她自己相互补充的艺术的价值……换句话说，如果在观测的最高可能的精度下，仪器和实验对象之间的完全区别变得不明确了，那么我们就可以得出结论：物理学即将放弃假装能给我们提供一个纯粹定量的但令人满意的理解。难道不是吗？18

然而，德国哲学家马丁·海德格尔发现这样的情绪是不合理的甚至是危险的。对于他以及其他人来说，艺术和人文学科不需要特别的辩护。“今天我们十分认真地在原子物理的结果以及观点中辨别展示人类自由以及建立一个新的价值理论的可能性，”他写道，“这样一个事实是一个有害控制的迹象和对自由本质的完全误解”。这个有害的控制是指“技术理念”对人类自我理解的控制。19

上帝的存在性

有些人甚至走得更远，宣称不确定性原理对上帝的存在具有言外之意。这些人里面包括科学家。亚瑟·霍利·康普顿（康普顿效应的发现者）说不确定性原理暗示着“精神作用于物质的可能性”，以及宇宙中人类思想的新角色。20不确定性原理是暗示着必然有一个非人类的认知者吗？是的，康普顿回答。量子力学指向“一个至高无上的、引领宇宙万物的上帝的存在，在这个宇宙中，人类很可能代表了最高层次的智力”。他说：“我相信，正是这个奇妙的原子世界的存在指向一个目的明确的创世记，指向一个想法，即存在着一个上帝以及每一样事物背后有一个有智慧的目的。”21

宗教作家们欣喜若狂。《卫理公会评论》写道：“科学，如同被新物理学所转变的那样，如同被诺贝尔奖得主康普顿以及量子理论大师海森堡这样的物理学家所教导的那样，已经把进化论从一个纯偶然的过程转变成了一个看不见的人物的创造性方法，他在这个发展过程中有一个确定的、他正朝其前进的目标。”22在一篇题为《宇宙新理论说自然背后有智慧目的》的头版文章中，《基督科学箴言报》宣称：“根据诺贝尔物理学奖获得者亚瑟·霍利·康普顿的意见，宇宙中新的‘不确定性原理’的发现已经使人类只不过是机器人这个理论站不住脚了，这个发现提供了强有力的证据证明‘一个指令性的智慧’的存在。”23

1929年，《卫理公会评论》刊出了好几篇文章谈论量子物理对宗教信仰的影响。该杂志宣称，爱丁顿“揭示了新科学的到来”。在他的新认识论里，“永远不允许有科学与宗教之间的冲突”。量子的观点“正在使掌握它的人和任何精神上的神秘主义者一样富于想象力”。“现在科学显然确实具有它分离的无懈可击的思想空间，但宗教更必须填满思想、感觉和意志的全部世界。实际上，今天的量子物理正在导致一个对大自然的看法，这个看法是如此不确定，所以它可以名副其实地被称为超自然的事物”。它宣称，海森堡很可能是影响玄学和宗教的最伟大的在世科学家。“我们正在进入这样一个关于物理世界的视野，这个视野把物理世界带入与上帝的王国更紧密的和谐中，这是基督教徒生活的更大的、具有完美自由的王国”。24

另外的人震惊于这些他们认为是宗教当权者以及其他社会进步敌对势力对量子力学的滥用。激进的非洲裔美国人工会组织者欧内斯特·赖斯·麦金尼说到爱丁顿：“当他利用海森堡的不确定性原理羞辱因果性和决定论，给了这些宗教主义者一个修复自由意志的机会的时候，他给牧师们带来了巨大的安慰。”麦金尼是一个无神论者，他更喜欢金斯的说法。金斯说上帝是一个设计师，但至少也说他是一个数学家。金斯说：“我更喜欢一个纯数学家的上帝，而不是一个将军，一个公司总裁，一个大法师，一个工程师或神学家。”25

海森堡没有将不确定性引入人类世界，人类也不需要他的原理来领会人类生活中的不确定性，然而这个原理的确揭示了牛顿学说中一些关于实在的假设是不正确的。从某种程度上说，量子对艺术家、作家以及哲学家的影响是它帮助他们从这些牛顿学说激发出的错误观念中解放了出来。比如，在1927年发现不确定性原理的一两年后，作家兼诗人戴维·赫伯特·劳伦斯写下了下面的一段诗：

我喜欢相对论和量子理论，

因为我不理解它们。

它们让我感觉空间似乎像一只不能停歇的天鹅一样到处漂移，

不愿意安静地待着被测量；

似乎原子是个任性的家伙

总是改变它的想法。26

不确定性原理，如我们已经看到的，只是说某些成对的变量不能被同时测量，并且远远不是使原子变得“任性”，它是原子坚固存在的原因。但这段诗仍然给人以启发，它表达了这样一个事实：量子理论比牛顿学说的理论更好地捕捉到了劳伦斯关于世界的直觉。他感觉到更加自在，更加自由，他从被告知一切都已注定中解放了出来，可以做一个不安分的人。对他来说，量子世界看起来不奇怪，因为他的直觉告诉他我们的世界比牛顿所说的要更奇怪。

劳伦斯戏谑性的否定评论也许暗示他被吸引是表面的：他喜欢相对论和量子理论，因为它们更好地与他对世界的体验联系在一起，世界是堂吉诃德式的和无法估量的。量子世界看起来给那些在牛顿世界里被压抑住的感觉留出了一片“空间”。帕伦在1942年表达了一种类似的情感，他激动地写道，量子力学预示着“一个新的秩序，其中科学将不再自命为比诗歌更绝对的真理”，其结果将给予人文学科的价值一个合法地位，而且“科学将懂得和她自己相互补充的艺术的价值”。27

1958年，纽约大学哲学家威廉·巴雷特（1913—1992）说：“（不确定性原理）表明我们认识和预言事物物理状态的能力存在着基本的界限，并给我们打开了一扇门，让我们瞥见了一个归根结底也许是非理性和混沌的大自然，至少我们关于它的知识是有限的，以至于我们不能认识到它不是非理性和混沌的。这个发现标志着物理学家古老梦想的一个终结，他们受到一个彻底理性偏见的驱动，曾认为实在必定是从头到尾都是可被预言的。”28在援引了近代科学中更多的几个例子后，巴雷特继续说：“从这些独立的历史部分中浮现出的是一幅关于人类自身的图像，它展现出一副新的、荒凉的、更近于赤裸的和更有疑问的面貌。”29不只是存在主义者哲学，甚至科学本身都已经在迫使人类去面对他那孤立和无根据的环境。“人类被剥去了衣服，赤身裸体，现在不得不在自己全部视野的正当中去面对他自己”。

这些评论表明，人文主义者拥抱量子力学的原因是他们感受到牛顿学说的世界是一个冰冷的和压迫人的地方，在那里他们觉得自己处于辩护的位置并被边缘化了。因此，有关量子领域奇异之处的消息的出现是一个宽慰。但如果这是人文主义者发现量子世界的进展让人觉得释然的唯一原因的话，那么这无疑是他们自己的事情，因为他们在理解自己的体验时，一开始就过于严重地依赖于科学。巴雷特的话显示不确定性原理甚至具有一种悲剧的气氛。在《俄狄浦斯王》里，寻找命运的主人公因为他对控制的欲望，不可避免地造成了相反的结果；在亚原子世界里，当人类凭借越来越精确的测量来设法了解更多信息时，他们不可避免地引入了不精确。这是一个哲学上令人震惊的事情。

斯洛文尼亚哲学家斯拉沃热·齐泽克在提取不确定性原理的哲学内涵这方面做了很多工作。齐泽克认识到这和观测者或测量仪器内在的局限性无关。相反，它表明一种不确定性“铭刻在事物本身里面”，因此，比如一个电子的存在就是要么以粒子要么以波的形式来展现它自己，但决不会同时。齐泽克把这个叫作“本体论欺骗”（就是不知道可能会遵循什么定律的某个事物）并说它展现了“纯粹潜在性的模糊伪存在”。他接着比较了从量子相互作用中产生出来的具有确定性的经典物理定律与从人类活动中产生出来的象征性的秩序。30

但是从科学上来说，不确定性原理就像一个新的黎明。它解释了很多东西，包括第4章里讨论过的量子理论中的随机性的根源。在波包的时间演化中完全没有不确定性。它有一个展宽是因为在那个波包里有位置和动量之间的不确定性，所以有一系列动量和一系列速度，从而有一个展宽。但波包本身仍然是完全定义好的，它随时间的传播没有不确定性。随机性的产生不是因为波本身，而是因为它只描述找到一个粒子的概率。如果没有不确定性，就不会有随机性。

虽然不确定性原理这个名字暗示着某种脆弱，但正好反过来才是真的，量子物理中有经典物理学中决不会获得的坚固和确定性。按照经典物理学，一个在氢原子里环绕质子运行的电子将通过辐射不停地损失能量，最终掉进质子中。但是在量子力学里，一个电子必须要有巨大的动能才能掉进这么一个狭窄的空间里，这意味着它不能长时间待在那里。这解释了为什么原子不会坍塌。对于更大的、原子核里有更多电荷、有更多电子绕核运行的原子，不确定性原理的能量受到泡利不相容原理的增强。这样，这些原子也不会坍塌，并反而具有非常明确的能量，且对于一个给定的原子数，这些能量的大小总是一样的。如果我们把很多这样的原子堆在一起，降低温度，外加足够的压力，那么它们将呈现一种非常坚硬的固体形态。因此，一件事情中的不确定性（即位置和动量之间的关系）导致了另一件事情中的确定性（即原子的结构），它对一个给定的原子核和保持电荷中性的相应数量的电子而言总是一样的。这样不确定性原理解释了物质的“硬性”。

1933年颁布了之前两年的诺贝尔物理学奖。1932年的奖项得主是海森堡，他那时还没到32岁。薛定谔和狄拉克分享1933年的奖项。1933年12月，由于海森堡的获奖被推迟了，他们3个人一同站在了瑞典学院的同一领奖台上——缔造新物理世界的三人组。

插节 不确定性原理

不确定性原理本身最初出现在海森堡和泡利之间的书信往来中。1926年秋天，海森堡向泡利强调，他坚持认为经典的概念（比如位置和动量）在量子世界里是不适用的。他们的同事帕斯库尔·约当加入了讨论。约当设计了几个精巧的思想实验（如果你把一个显微镜冷却到绝对零度会怎么样？），看起来似乎可以测量一些海森堡和泡利说不能被测量的性质。约当的质疑难住了海森堡。和玻尔讨论通常能有助于海森堡理清他的思路，于是1927年2月，海森堡访问哥本哈根。但是这一次讨论没有什么结果，他们俩闹翻了。玻尔跑去滑雪了，把海森堡一个人留在哥本哈根冥思苦想。一天晚上，海森堡在玻尔的研究所后面的公园里独自散步时想到了一个答案的梗概。他坐下来给泡利写了一封信：

我们总能发现所有的思想实验都有这么一个性质：当一个量p被确定到某个由平均误差p1所描述的精度时，那么……q只能被同时确定到一个由平均误差q1≈h/2πp1所描述的精度。31

这就是不确定性原理。像许多方程（包括E=mc2和麦克斯韦方程组）一样，它的首次亮相不是以它现在著名的形式出现的。今天我们知道它一般写为ΔpΔq≥h/2（右边的那个符号h由狄拉克在第二年引入，表示h/2π，它被发现在许多应用里用起来更简洁）。海森堡被这个领悟弄得很激动，他送出了一篇论文《关于量子理论运动学和力学的可视化内容》，该论文发表于同年5月。这篇论文在如下一些方面是不同寻常的：它基于经典的概念和术语来导出其结论；如果不确定性在物理中不扮演重要的角色，那么这篇论文将是不可思议的；它使用相对论作为一个模型，仔细地对它那违反直觉的结论做出了解释。32玻尔回来后对这篇论文表示了不悦并指出了一些错误，但海森堡继续往前推进并发表了一个仅做了轻微改动的版本。

回顾历史，不确定性原理隐含在那个“神秘的方程”pq-qp=Ih/2πi里，甚至是以某种方式内含在普朗克对相空间的量子化里（普朗克对新物理做出的至少3个主要贡献中的第二个）。但它仍然是概念上的一个突破。直到那一刻之前，玻恩、泡利、海森堡和约当一直还在讨论这样的情形：一个变量被精确地确定，另一个变量不能被精确地确定。现在海森堡指出（部分和他以前强调的经典语言不适用相矛盾）那些是极限情形，在中间还有很多可能性。

另外，不确定性原理并不适用于微观世界的所有性质，比如质量和电荷具有完全可定义的值和精确的值。它只适用于某些成对的变量（称之为共轭变量），并以不确定度为代价换回这些量的直观性（在一定程度上）；它给出一个精确的数学公式控制着这些变量的值的不确定度的大小。不过海森堡知道，不只是原子物理的领域，还有更多的东西都成了问题；不确定性原理甚至对实在本身的性质都产生了“外来的”影响。“你也许会被引到这么一个猜想上：在可理解的统计上的世界之下藏着一个‘真实的’世界，这里面因果律是成立的。”海森堡写道，“但是对我们来说，我们明确地强调，这样的推断看起来是无益的和没有意义的。物理学应该只在形式上描述感知之间的关系。”33

这个原理中的不确定性，使用哲学家的话来说，不仅仅是认识论的，与关于大自然我们知道什么有关，还是实体论的，与大自然本身有关。如佩斯所说，“不确定性原理”这个术语因此是一个不当的名称。“问题不是什么东西我不知道，而是什么东西我不能知道。”佩斯接着说，“要改变这个名称现在太迟了。”34

在送出他的论文后，海森堡给约当写了封信，说他兴奋地感觉到“我脚下不连续的地面”，而泡利则回忆起他说了一些类似“Morganröte einer Neuzeit”的话——一个新时代的黎明。35

第8章 实在性破碎了：立体主义和互补性

“水果圈式（fruitloopery）”被《新科学家》杂志用来指对科学词汇的做作和错误使用。这个词有一个奇怪的比喻性起源。“水果圈圈（Fruit Loops）”是一种早餐麦片的名字（水果味的小圆环形麦片，有明亮的颜色），由家乐氏公司在1966年推出。“水果圈（fruit loop）”曾一度作为美国的一个俚语，意指男同性恋者或他们经常光顾的一片地区，但它和性相关的内涵后来基本上消失了，这个词开始意指一些不重要的、古怪的和做作的东西。

2005年，向《新科学家》供稿的自由作家迈克·霍尔德尼斯写到了“职业异议者”，他们由一些新闻记者提供氧气般的公众关注，这些新闻记者“把所有故事都精确地分成两部分，分别占据相同的空间：太多的时候都是基于现实的社会团体对阵水果圈和/或特殊利益集团”。语言需要一个那样的字眼，霍尔德尼斯的选择是有启示性的。水果圈式变成了《新科学家》的一个一般性词汇，用来指登广告的人以无法验证的方式或完全脱离上下文的方式使用科学词汇。广告中出现的水果圈式指示物包括词语量子、快子、振动能以及重组水，尤其是在混合使用中。在课堂上，我们把水果圈式的意思进一步扩展了，把这个词用到任何有关科学术语的做作和错误使用上，不仅仅是在广告中，也包括在自助文学、业余哲学和伪科学中。

由于它的文化声誉，物理学比其他学科激发出更多的水果圈式。如果你是一个江湖骗子，你把某个想推销的东西和物理联系起来，你暗示这个东西既深奥又安全，那么这对销售很有帮助！这不是什么弄错了，不是一个需要更正的错误。江湖骗子不出差错，只是搞水果圈式。还有，他们挣钱。

在物理学中，量子力学比其他分支产生出更多的水果圈式。但你怎么去区分水果圈式和有意义的使用呢？这比它看起来要难得多。到目前为止，在我们提到过的量子比喻中，有一些（比如厄普代克的）严格说来是无根据的，但显然是有意义的。

对量子概念有意识的幽默使用不是水果圈式：

下面这些笨拙的语言使用可称为被找到的量子幽默。

各种建筑物和路边的指示牌，被找到的量子幽默的例子。

谁把麦片端上来的？我们能通过说那话的人的证件来辨别水果圈式吗？不见得。下面是女演员雪莉·麦克雷恩说的一些看起来有点白痴的关于物理学的话：

新物理学正在告诉我们：我们自己无法摆脱地牵涉在其中。我们不仅仅是牵扯在里面，而且那些原子结构之所以能存在也许是因为我们的意识……宇宙……也许只是一个巨大的集体“思维”。1

我们可以奚落这些谈论，更确切地说，是在我们把它们和詹姆士·金斯的著作《神秘的宇宙》中的一段话进行比较之前：

知识的河流正在流向一个非机械的实在，宇宙开始看起来更像一个宏大的思维而不是一个巨大的机器。心智不再以一个偶然闯入物质王国的侵入者出现……相反，我们应该称颂它是物质王国的创造者和统治者。2

女演员的话和科学家的话是如此类似，有可能是麦克雷恩读过詹姆士·金斯的书，或者她读过某人改述过的金斯的话。

水果圈式不是主观的或随意的，而是与夸大有关系。当相关的语言或者图像被看作具有特别的权力（像魔法）时，这个东西就是水果圈式。水果圈式依赖于借来的权威，一种内在于语言和图像自身里的假定的权威。那些宣称利用量子的功效来起作用的保健品、生活方式改善品或智力提高药物的广告都是水果圈式的实例。在数字占卜术中，将特别的能力归因于数字也是一个例子。占星术是另一个例子，它宣称从星象（散布在相互之间以及和地球之间相隔十分遥远的距离上）的主观分组中，从那个人从其母亲的子宫里出来的时候哪些星象被看到位于地球位置的另一面，你可以知道一个人的性格。

但一点小小的戏法又有什么危险呢？危险很大。设想一下下面的差别：某人（比如一个朋友或精神病学家）给出一份关于你性格的描述并问你这是否有助于你更好地了解你自己，另一个人（比如一个占星家）给出一份同样的描述并告诉你说你应该相信它，因为那些星象对你施加了力量并注定这就是你的性格。第一种情形是帮助性的和提供能力的，第二种情形是专制的，而且通过利用你的脆弱性来起作用。

描绘二象性

最难发现的水果圈式情形涉及“互补性”，这是1927年尼尔斯·玻尔为亚原子世界的一个现象创造的新词。对于这个现象，他在人类世界里找不到任何好的比喻，然后这个词被比喻性地用到了人类世界。

玻尔的动机如下：在20世纪20年代，如我们在第6章里看到的，科学家们意识到，至少从经典世界的视角来看，量子世界是二象性的。布拉格试图在他的原木、波和船的图像中表达这一点，以及在他的关于他的同事周一、周三、周五使用波动理论而周二、周四、周六使用粒子理论的谈论中表达这一点。而约瑟夫·约翰·汤姆逊则提到了老虎和鲨鱼。1925年至1927年的量子革命略让人感到好像一个答案就在手中了。海森堡的矩阵力学方法说：“不用费劲去找一个比喻！寻找比喻恰恰就是那个给你带来麻烦的东西！”薛定谔的波动力学方法说：“波终究还是一个相当好的比喻！”3但是当不确定性原理于1927年出现时，显然这两个方法都不是真的让人满意。二象性待在这里了。某个“事物”（在这个字眼的一种泛泛的、很难描述的意义上）可以具有完全不相容的性质。这是牛顿学说观点里一个哲学上的难题。在牛顿学说里，这样说吧，事物把它们的性质背在背上。实在和客观性以后还意指什么呢？

玻尔做物理研究就像他在搜寻什么东西。他的理想是用通常语言和经典概念把量子世界完全表达出来，如迈克尔·弗雷恩让玻尔这个角色在戏剧《哥本哈根》里说的：“最终，我们必须能把它的所有东西都解释给玛格丽特听。”玛格丽特是玻尔的妻子，她是一位抄写员，在舞台上充当平常人（即传统思维的人）的代表。你怎么样把波和粒子解释给你的配偶和你自己听呢？

物理学家和历史学家亚瑟·米勒说，当玻尔仔细思考这个问题的时候，他从被称为立体派的画作中找到了灵感。立体派首先由巴勃罗·毕加索和乔治·布拉克在大约1907年开始倡导并在1909年得到迅速发展。4立体派艺术家希望逃避透视法画作的写实主义，透视法画作如“摄影”般地复制观察者看到的景象。立体派艺术家试图在一块画布上画下从不同角度看到的多重景象，并将它们以一种拼贴的形式相互堆积在一起。从某种意义上来说，这使得“立体派艺术家的视觉”比通常的视觉更加全面。每一幅画中同时展现出许多不相容的景象，就像不从任何角度看，又像从所有角度看。这些画也同时展现了所有这些不相容的景象作为同一个东西的不同看法是怎么组合在一起的，观察者的每一个位置和一个特定的视角联系在一起。玻尔自己在家中保留了一幅由吉恩·梅辛格创作的立体派画作，并喜欢用它来作为互补性的一个说明。

因此，玻尔真的看到了一个他正在思考的问题的形象化类比：某些量子现象怎么能同时以不同的方式（既是波又是粒子）展现它自己，尽管从任何一个给定的“角度”（实验），我们主要看到的是它的一方面或另一方面。米勒写道：

立体主义直接帮助了尼尔斯·玻尔发现量子理论中的互补性原理。该原理说某些东西可以同时既是粒子也是波，但它被测量时却总是要么是前者要么是后者。在解析的立体主义中，艺术家试图在一块画布上从所有可能的视角表现出一幅场景，每个观看者挑选出一个特定的视角。你怎么看这幅画，这就是它表现的方式。玻尔读了吉恩·梅辛格和阿尔伯特·格莱兹写的关于立体主义理论的著作《立体主义》。它启发玻尔去假设电子作为一个整体既是一个粒子也是波，但是当你观测它时，你挑出了一个特定的视角。5

1927年5月，在得悉不确定性原理后的几个星期，玻尔开始写一篇论文《量子理论的哲学基础》。6他努力把论文整理成可发表的形式，但是另一件事情临近了，在9月的一个会议上，他要做一个报告。这个会议是为了纪念意大利物理学家亚历山德罗·伏打去世100周年，将在伏打的故乡科莫举行。玻尔的哲学论文稿件改了几遍，从来没有发表，但是他把他的思想包含进了在科莫的演讲中。1927年9月16日，玻尔做了他的演讲《量子假设与原子理论的最新进展》。这个演讲将把一个新的量子比喻——互补性引入平常的语言。

《马背上的女人》，吉恩·梅辛格作， 1911—1912，丹麦国家美术馆，哥本哈根

玻尔的开头慢条斯理，他从听众以前已经听过的东西开始讲。我们的科学仪器（物理学家在实验室里摆弄的东西）属于经典世界，我们没有选择，只能用经典物理来理解它。通常，我们研究的东西“可以被我们观测而不受到明显的扰动”，但是量子力学使我们感到意外。玻尔说：“任何有关原子现象的观测都将涉及与观测手段的一个相互作用。”而海森堡刚给我们演示了这个相互作用不能被消除，不可忽略，具有某个可量化的大小。

然后，玻尔给了一句现在很著名的评论：“于是一个独立的、通常物理意义上的实在既不能被归之于那个现象，也不能被归之于那个观测手段。”这个评论仅仅展示了一个逻辑结果。

因为普朗克常数很小，通常的实验不受这些问题的影响，就如同通常的实验不受相对论的影响一样，因为相对论效应要能被注意到需要很高的速度。但玻尔仍旧指出，对知识的本质而言，“这种情况具有意义深远的影响”。在经典力学里，一个系统的状态的定义要求“消除所有外部的干扰”。它要求我们待在鱼缸外往里看而不扰动任何东西。但是在量子力学里，“每一次观测都引入一个新的不可控的因素”，意味着“系统状态的一个明确定义自然就变得不再可能，并且就没有了通常意义上的因果性”。我们只能在不观测系统的时候定义它的状态，因而我们就不是真的知道其状态（如果我们观测它，我们就破坏了定义的可能性）。因此，量子理论的本质迫使我们把一个粒子在时空中的位置以及它受因果律的支配（因果律是经典力学的一个特征）“视为这个描述的互补的但是独有的特征，分别象征理想的观测和定义”。量子力学“向我们提出了一个任务去发展出一个关于知识的‘互补性’理论”。

互补性因此是玻尔对这个实体论困扰的命名，对量子现象改变它们自己是某种“事物”的方式的命名。这些现象依赖于我们怎样观察它们。经典客体只是在我们以不同的方式去观察它时看起来不一样，而量子客体则是实际上变成不一样了。这就像那个著名的盲人摸象寓言所说的，盲人们摸到大象的不同部位，互相比较他们的记录，结果意见完全不一致，根本就没有大象。“量子大象”实际上变成了一条绳子、一根柱子、一把扇子、一堵墙壁以及其他东西，这依赖于它是怎么被摸到的。

但是在结尾，玻尔说到了更深刻的一点：“我希望互补性这个理念适合于描述当前这个状况，它承担着一个深奥的、与人类观念形成中的一般性困难的类比，内在于主观和客观的区别之中。”

1927年9月玻尔在科莫的演讲于第二年4月发表在《自然》杂志上。7编辑们警觉到玻尔和他的伙伴们视量子现象为抽象的东西，只有在被测量时才变得具体、明确和可被观测。他们采取了非常不同寻常的一步措施，写了一个序言。他们说：“（这篇文章中的内容）远远不能满足门外汉的要求，门外汉寻求将他的观念用比喻性的语言表达出来。”他们还说：“我们热切地希望这不是他们（指量子物理学家）关于这个学科的最后话语，他们最后将成功地用生动的形式来表达量子的基本原理。”8

泡利读到这个时笑了，他嘲讽地将编辑们令人不自在的语调改述成下面的话：“如果在将来，接下来的这篇文章中所提倡的观点被发现最终是不对的，我们英国的物理学家将会感到非常高兴。但是，因为玻尔先生是一个好人，这样的高兴是不够友善的。而且，因为他是一位著名的物理学家，并且常常是正确的而不是错误的，我们的希望能被实现的机会只有一丁点儿大。”9

接受度

玻尔的许多同事对他这个想法的反应也不好。对他们来说，这看起来像是哲学（物理学家之间一个带羞辱的字眼），往好了说是不必要，往坏了说是引起混乱和阻碍发展。伽莫把科莫会议的听众对玻尔演讲的一般反应总结为：“（它）不会导致我们中的任何一个人改变他对量子力学的观点。”10薛定谔认为玻尔是试图把困难的哲学问题扫进地毯下藏起来，他说“玻尔想‘互补走’所有的困难”。11哲学家卡尔·波普尔写道：“我不怀疑在玻尔的互补性原理后有一个有趣的、凭直觉感知到的想法。但是不管是他还是这次会议的其他任何人都没能把它解释出来。”12只有少数几个其他的科学家极感兴趣。罗伯特·奥本海默评论说，互补性是原子物理教给我们的东西之一，它“给我们提供了有效的、相关的以及非常需要的与科学当前领域之外的人类问题的类比。”13另一方面，奥本海默又说，在人类世界中，与量子力学相比，我们有更好的以及更传统的洞察力来源来帮助我们理解无定论的东西，“哈姆雷特曾说过它比普朗克常数更好一些”。14

这些据称是相关的和需要的类比是什么？玻尔是第一个也是最勤奋的一个试图找出它们的人。他对哲学和心理学有很深的理解力，但沮丧于这些领域的专业人士不能领会新物理发现中他认为具有严肃重要性的东西。他计划写一本书，他的一些同事称之为“那本书”。这本书本来将是一个关于在人类生活的所有方面“互补性和它的含义的全面表述”。15历史学家们曾努力弄清楚那本书的内容可能是关于什么的。佩斯在他关于玻尔的传记中被难倒在他试图描写出互补性的重要性上。他通过一问一答的方式往下写，记录当他试图把互补性教给物理学家的时候通常会发生的事情。它包括下面的问答：

问：所有这些有关互补性的东西都非常有意思，但它对我有什么用呢？

答：它既不会帮助你做量子力学的计算，也不会帮你准备好实验。但是，为了做物理，你不应该仅仅是消化理解和发现事实。在两者之间，你应该思考你在做的事情的意义。在那一方面，玻尔的考虑是非常重要的。你不同意这应该对你来说很重要吗？比如，当一个现代的科学家谈论“一个现象”时，他的意思是或者应该是什么？而且注意，像这样的一些认识也许可以向感兴趣的外行作解释并提醒科学家你的职业是怎么回事。16

在他发表在《自然》杂志上的论文的最后一行，玻尔说互补性在设法了解并处理人类理念中的一个“一般性困难”，暗示它在其他领域有更宽广的运用。在这些领域里，人类既是演员又是观众。注意到这种既演出又观看的双重角色也是人类学、生物学和心理学的一个特点，玻尔试图依据互补性去理解它们的问题。在生物学里，互补性也许能描述机械论（认为生命是机器般的因果关系的产物）支持者和活力论（认为生命是一种特别的、具有个性的活力的产物）支持者之间的分歧。在心理学中，玻尔认为它可能被运用到第一视角和第三视角之间的冲突中。他也探索了它向其他领域的扩展，包括政府、公平正义和爱情。如果玻尔成功了的话，那它将会是一个激动人心的例子，亚原子物理学中发展出来的概念被真正地（不是比喻性地）应用到了人类范围里。但他的努力没有得到很好的承认。17

很多物理学家对玻尔试图将互补性扩展到物理以外的领域感到尴尬。1998年，纽约大学的物理学家艾伦·索卡嘲弄了一些人文学科的学者，他们用物理学里的一些东西来支持他们的观点。这种方式往好了说是无知，往坏了说是荒唐。索卡捏造了一篇论文，内容主要由一些人文学科里的学者做出的有关物理学的糊涂和无意义的评论（很多和互补性有关）组成。索卡成功地把论文发表在《社会文本》上，这是人文学科里的一份顶级刊物。这件事情现在被称为索卡恶作剧。作为回应，科学史学者玛拉·贝勒在《今日物理》杂志上发表了一篇文章，题为《索卡恶作剧：我们在嘲笑谁？》。她引用了玻尔，但也包括玻恩、海森堡、约当以及泡利的言论来显示，在这一方面，物理学家有时会和人文学者一样糊涂。一个例子是：

论点“光由粒子组成”和它的对立面“光由波组成”相互争吵，直到它们在量子力学的综合推理中被统一起来……可为什么不把它应用到论点自由主义及其对立面上，并预期一个综合结果，而不是对立面的一个完全和永久的胜利呢？看起来好像有一些不一致的地方，但互补性的想法可以更加深入。事实上，这个论点和它的对立面代表了两种心理动机和经济力量，两者本身都是有道理的，但在它们的极端情形下是相互排斥的……在自由的范围d f与管控的范围dr之间必定存在一个关系，它具有类型dfdr=p……可这个“政治常数”p是什么呢？我必须把这留给人类事务将来的一个量子理论。18

贝勒然后透露，这看似荒谬的一段话不是别人，正是马克斯·玻恩写下来的。玻恩是量子力学的创立者之一和1954年的诺贝尔奖得主，获奖理由是他对量子力学的统计诠释。贝勒的文章是冷静的，它展示了要区分玻尔的尝试与那些不那么严密的人的尝试有多么困难，要描述量子语言及意象在人类文化中的相关性有多么困难。

而当这个术语变得人尽皆知的时候，要找出区别就变得更加困难。1933年，玻尔访问美国，因为他要第二次在美国科学促进会于那年6月在芝加哥举行的会议上发表演讲。他做了一个公开演讲，概述了他关于互补性的想法。这次演讲传达出来的信息让科学家感到失望，但迷住了其他人。19记者们找出他们自己的生动比喻来表达玻尔的话。《纽约时报》刊发了《杰奇-海德心理被归因于人》。20这篇文章解释说玻尔把不确定性原理的应用扩展到原子物理学以外的领域，“去囊括人类与他周围世界的全部关系，人类与获知及思维的所有过程的全部关系”。玻尔已经发现“事物本质中一个内在的、基本的二象性，事物和人获知它们的能力联系在一起。这个二象性佯谬就在于这样一个事实：所有事物的杰奇-海德本质从根本上来说是相互矛盾的，事物的两个方面在不同的时刻都是真实的，但在任意一个给定的时刻只有一个方面是真实的”。在1886年罗伯特·路易斯·史蒂文森的小说里，从杰奇博士到海德先生的变换大部分是受杰奇自己控制的（他喝下一剂药变形成没有道德原则的海德），而玻尔的想法是，一个不相容的原子态和另一个态之间的变换依赖于观测者。文章接着说：

换句话说，正是去获知自然本质的一个方面的这个过程使得我们不能获知它的另一方面。在任意一个时刻，我们只能知道其本质的一个方面。在所有与存在以及理解相关的事物中有一个明确的不连续性，这样当一件事情是真实的时候，正是这个真实必然会使得另一件事情不存在，只要是涉及了任何我们获知的可能性。这个矛盾的二象性是无法避免的，因为它存在于事物的本质中。按照这个理论，说要么是自由意志要么是宿命论，要么是因果关系要么是偶然这样的话是错误的。两者都是一个且同一个实在的必要部分，是同一个球形的凸面和凹面……当你在球形的里面时，球面是凹的，而且你永远不可能去体验它凸的那一方面。

文章然后说，玻尔和其他量子物理学家已经尝试过去消灭这个“‘不确定性’怪物”，但他们总能找到它，“像恶魔似的以另一种形式出现，嘲笑着他们”。互补性的概念是对这种无法削减的现实情况的一个让步。

《纽约时报》喜欢这个意象，第二天就开始了比喻性的即兴反复。一篇题为《对立面的婚礼》的社论揶揄地评论到，玻尔关于学识的新理论看起来是“特意为适应和明确政治家的行事方式和工作而设计的”，这里“调解对立的两方看起来好像就是每天的日程”。《纽约时报》写道：“以现代原子物理学为依据，互补性理论是我们看到过的、离正在国内外政治领域发生的运动的科学陈述最近的东西……互补性很大程度上在我们的市政政治中占据着支配地位。没有什么东西是它看起来的样子。所有的东西都处在观察者眼皮下的每日流量中。”提到坦慕尼协会的一次政治活动：“如果那次操控成功了的话，如果海兰先生突然变成了共和党人和反坦慕尼的话，海森堡他自己将承认他的科学上的不确定性已被现实中的政治远远地超越了。”21

我们在第3章中说过，“量子跃迁”从亚原子领域传播到日常用语的方式是这本书里其他语句和图像追随的典型途径。由于几个因素组合在一起，它们被“召集”来作比喻性使用：现有的词汇不太适用的地方需要一个词语，希望能使表述更加精准，树立科学术语的文化威信。因为需要描写一个越来越机械化的时代里的不连续间隔，短语“量子跃迁”被召来用在一些比喻性的应用中。“互补性”被应用在从艺术到宗教里处理同一主题的不相容方法中。22

可是我们不是已经有这些东西了吗？自古以来，东西方文明就都已经熟悉了这样的符号，比如太极符号，它们刻画了人类生活和/或大自然中对立面的并存。这些对立面可能是好/坏、天/地、生/死、精神/物质等，而那个整体则包含这两个部分。玻尔现在创造了一个新词来描述当他试图解释量子物理里发生的事情时相互矛盾的观念并存的现象，它被新闻工作者、作者以及许多不同领域的学者欣然接受。当玻尔选择一个太极符号来作为他的家族徽章时，他是在支持这种与古代图像的联系。由于几个因素，这个词语特别有吸引力。首先，它有科学术语的威信。其次，它说产生对立面的这个过程不是与人无关的或客观的，而是由人的介入引起的。人类看起来对宇宙而言又很重要了。伦纳德·斯兰恩是一个外科医生和作者，他著写充满热情的、有关艺术和科学意义的书。他宣称“玻尔的互补性理论……看起来似乎和神灵接界”。23其他人把互补性应用到政治以及其他领域，宣称它以多种不同的形式出现，比如“水平的”或者“垂直的”。24有时候，一些作者写一个事物不同方面的互补性，而在其他时候，他们则声称完全不同的领域（科学与宗教，物理和艺术）是互补的。25

还有些时候，互补性比喻只是半开玩笑性的。以量子啤酒理论网站（可惜现在早就不存在了）为例，该网站由凯尔·沃尔穆特创办。沃尔穆特是一个住在荷兰的翻译员和专注的啤酒迷，他最后一次学习物理是在高中的时候。沃尔穆特向我们解释说，在他的理论下有这样一个事实：“啤酒味道的基本体验”是以一种互补的方式“产生于冲突中”。他宣称，在每一种啤酒中，味道的两个因素（啤酒花和麦芽）相互竞争优势地位。“这两个因素进行一场战争来控制你的味觉，”他说，“当这两个方面变得势均力敌，都处于牢固的防御位置，把战争拖入宏大的均衡状态时，最好的啤酒就出现了。”他使用了量子这个词来强调他感觉应该被关联到啤酒分析中去的“严肃水准”。另外一个原因是，尽管他做了最好的努力，他还是发现要让家酿的啤酒在味道和质量上保持一致几乎是不可能的。这迫使他得出一个结论：在啤酒的生产制作中某些神秘的、未知的因素一定是在量子的尺度上起作用。

其他的使用则更加难懂。想想心理治疗师劳伦斯·洛杉在他的书《通灵师、神秘主义者和物理学家》中对神秘主义的辩护。洛杉写道，神秘主义者寻求去领悟关于实在的一种不同的看法。他说：“这里我使用‘领悟’这个词来表明对这种看法的一种充满感情的和智力上的理解并参与到这种看法中去……在物理学中，这被称为互补性原理。它说要最完全地理解一些现象，我们必须从两个不同的视角去探讨它们。每一个视角本身只告诉我们真相的一半。”26

哲学家齐泽克再一次在提取互补性这个想法的哲学价值方面做了最多的工作。他将其与德国哲学家黑格尔的论证特征线作比较：“它们都拒绝下面这个立场，就是先假定在获取知识的主体与被了解的客体之间有一个间隙，然后再处理这个（自己造出来的）怎样在间隙上架起一座桥梁的问题。”解决的办法（按齐泽克所说，对黑格尔以及量子物理这两者都是）最后是把人这个主体的位置和角色吸收进那个它正在寻求去了解的关系中。27

但是最终，最终，记住，我们必须能把它的一切解释给玛格丽特听！

——迈克尔·弗雷恩所著《哥本哈根》中玻尔的角色

玛格丽特·玻尔（1890—1984）出生于哥本哈根南部的一个小镇。当1910年遇到尼尔斯·玻尔时，她正打算做一名法语教师。两年后她嫁给了玻尔。她不仅仅是玻尔的常年伴侣，也同时是他智力上的合作者，一个帮助他修改信件和文章的宣传者，向他自己解释他的想法。玻尔完全用经典的语言向玛格丽特（因而他自己）解释量子世界里发生的事情是不可能的。我们不确定他是否试着这么做过，但我们仍然能够想象这样一种解释看起来将会是什么样的。向她解释这个需要很有策略和创造力，以及认识到玛格丽特很聪明。

玻尔将不得不开头说，由于很多历史的原因，今天的人继承了一个关于世界的图像，即牛顿学说的框架，它假定事物要么是波要么是粒子。然后，玻尔将不得不指出实验结果已经迫使我们改变这个图像，以及这么做的原因。他将解释量子力学揭示了另外一种现象的存在，这种现象可以或者是波或者是粒子，这依赖于我们设置用来研究它的实验，而且所有想把量子现象约简到两者中的一个的努力都失败了。基于这些新的和未曾料到的信息，正如我们有时候不得不改变我们对自认为非常了解的至交密友的看法一样（尽管因为相识了很长时间，我们感到自己不情愿这么做），我们现在不得不对大自然做同样的事情。玻尔可以详细地阐述，说这有点儿像在通常的观念里某个事物显现的方式什么时候改变依赖于我们怎么观测它（区别是我们观测一个量子现象的方式实际上确实改变了物体是哪种东西，而不仅仅是它的性质）。他可以总结说这也有点像对人类发生的事情，当他们做出的某些决定（他们和谁结婚，他们从事什么职业）以不可逆转的方式改变他们的时候。互补性不是世界的一个性质，而是我们以非数学术语来描述这个世界的方式的性质。

假定玻尔的想象力足够丰富（这一点我们不怀疑），我们猜想最后玛格丽特会点头同意。

插节 互补性、客观性以及双缝实验

玻尔在他向同事们提出互补性这个概念的文章中写道：“通常物理意义上的独立实在既不能被归之于现象也不能被归之于观测作用。”这个评论使得他的很多同事大为恼火（今天它还是被广泛地误解）。我们能从其中理解到什么呢？28玻尔既不是一个神秘主义者也不是一个唯心论者。他不是在说实在不存在，也不是说意识产生实在。他只是简单地在说量子现象不能被从物理学家研究它的方式中分离开来。他一直是一个头脑清晰的、以实验为依据的科学家。

让我们来把它和通常的关于仪器设备如何工作的假设做个比较。一个牛顿学说中的天文学家充满自信地使用望远镜，假定它能提高我们观察行星和恒星的能力，但不会从根本上改变我们的视觉。除了操作技能和周围环境导致的误差，一个天文学家从某个望远镜里看到的东西与另一个天文学家从另一个望远镜里看到的东西是一样的。仪器只是简单地扩展了我们的感觉官能。望远镜可以被从我们关于天体的图像中“拿出去”。望远镜展示给我们看的东西只影响天体的认识论——关于它们我们知道什么。

现代天文学家使用不同种类的望远镜去覆盖电磁频谱的不同频带和不同的天区面积。没有哪一单个仪器能满足所有的目的，给予我们此天体。一个天文学家收集的数据依赖于使用的望远镜，数据是仪器及其与目标物体相互作用的一个函数。哲学家知道这是知觉过程中的一个基本点：一个客观物体。比如一个杯子，怎样显示它自己依赖于我们站在哪里以及我们怎么接近它：不存在单个的位置或“超越特定地点的视角”，从那里我们能感知到整个杯子的所有方面。我们只能通过持续变化但系统地关联在一起的各个方面来感知它。哲学家和科学家一样倾向于用专业术语来描述那些用日常用语只能粗略刻画的东西。在哲学术语中，这个基本的知觉事实被称为能思-所思相应，即一个物体将它自己展现给我们的东西（所思）依赖于它是怎么样正在被观察的（能思）。当其中一个改变时，另一个也改变。然而对大多数意图而言，我们的立场可以被拿出去，我们可以说这个杯子是一个独立的实在，我们的不同立场只影响认识论。

玻尔指出，至少在量子现象这种情形中，量子破坏了这个图像。他在发表于《自然》杂志上的论文中写道，量子将“一个本质的非连续性”、一个内在的不确定引入了与原子相关的过程，“对经典理论而言完全是外来的”。我们怎样观察与原子相关的现象会从根本上改变它们怎样展现给我们看。我们是先观测位置还是先观测动量，这是有关系的。这就好像与原子相关的现象是抽象的，如果我们设置自己的仪器去观测类粒子的行为，我们就会发现类粒子的行为；而如果我们设置它们去观测类波动的行为，我们就发现类波动的行为。因此，我们仪器的设置（玻尔称之为“观测作用”）不仅仅影响认识论，而且影响实体论。它就像是天文学家可以通过一个行星望远镜去观察一个天体，然后他看到一个行星，但通过一个彗星望远镜去观察，他就看到了彗星。那么，你就不能把望远镜从观测中拿“出去”，或从你正在用这些仪器收集的“证据”中拿出去。仪器不仅仅只是扩展你的感觉官能。为了以一种能和其他人交流的方式理解这些数据并将它们与其他有关这个天体的数据综合到一起，你将不得不描述这个由望远镜和天体组成的全体系统，而不是分别说。

正如玻尔10年后总结他的科莫推论时所认为的，原子物理学告诉我们，“目标物体和测量仪器之间无法避免的相互作用对讨论原子物体独立于观测手段的行为的可能性设置了一个绝对的界限”。不存在什么“躲在”仪器“后面”去观察那里“真的”有什么的方法。这产生了“一个在自然哲学里非常新的认识论的问题”，到目前为止，自然哲学一直假设“在目标物体的行为与观测手段之间可以有一个清晰的区分”。这个假设根植于语言中，被通常的经验所证实，并“构成经典物理的整个基石”。就是说，它的基础包括这样一个假设，你可以站在“超越特定地点”的地方说话，并观察大自然，就好像它是在一个鱼缸里，而你则在鱼缸外面。一个具有纯粹旁观行为的位置看起来正是客观性的定义。玻尔的直觉是，量子力学表明这是不对的。在量子世界里，“没有什么实验的结果……能被理解为是在给出关于目标物体的独立性质”，任何结果“都固有地和一个明确的环境联系在一起，在对此环境的描述中，测量仪器和目标物体的相互作用也必须出现”。29甚至科学家也必须站在实验者的立场来说话，站在某个使用设备和对其他人讲话的人的立场。因此，客观性意味着每一个实验者从原则上来说能看到的东西。

在我们的讨论中以及戈德哈伯关于量子力学基础的课程中，我们找到了一个新的关于玻尔的互补性观念的表述方式。这个问题是在经典物理学中，粒子和波动现象两者都能提供完整的、精确的描述，我们可以做无限精度的观测，并使用这些观测去预言后来的观测，后来的观测原则上也能具有无限精度。在一次考虑一个粒子的量子力学中，我们能以无限精度预言一个波的演化，但是那个波是无法观测的。那个波是一个复数，复数按照定义就不是实的，因此是无法观测的。（如果我们不能观测它，我们怎么知道波在那里呢？我们从对许多粒子的探测留下的图案中推断它的存在，这些粒子是那些告诉我们有森林的“树”。）另一方面，粒子是可观测的（例如，一个光子打在感光片的一个给定点上），但它们的运动是不能直接预言的。反倒是波函数的平方给出在任意给定的空间小区域里找到这个粒子的概率。因此，粒子和波这两方面的互补性就被简单地表述为量子力学确实是结合这两种描述，但只包括波的可预言性和粒子的可观测性。

关于这一点，最著名和给人以最强烈感受的示范是双缝实验。在克里斯于2002年在《物理世界》上组织的一次调查中，这个实验被评选为“科学中最漂亮的实验”。在这个实验里，电子被一个一个地发送到一个有着两条细缝的屏上，然后在另一边被探测到。尽管它们是单个地穿过这个屏，它们在另一边被探测到时产生的图案却显示它们穿过细缝时是以波的形式，相互干涉，只有在到达探测器时才变成粒子。理查德·费曼宣称，这个实验展示了量子力学的“唯一神秘之处”。一个回应克里斯的调查的人写道：

我在爱丁堡大学的一次光学课里看到这个实验。上课的教授没有告诉我们将会发生什么现象，结果给我们带来的冲击非常大。我已经记不起这个实验的细节了，只记得我突然看到点的分布正好排列成了一个干涉图案。它绝对引人注目，其吸引人的方式和一个杰出的艺术作品或雕塑吸引人的方式是一样的。观看一次双缝实验就像是第一次观看日全食：一种原始的战栗感穿过你的身体，手臂上的汗毛竖了起来。你心里想，天哪，这个波粒二象性的事情确实是真的，然后你的知识基础开始移动和摇摆。30

我们也许可以用一句话来表达上述所有东西：约翰·惠勒总结爱因斯坦的广义相对论（关于引力和粒子运动的理论）时说，“物质告诉空间怎么样弯曲，而空间告诉物质怎么样运动”。在这里我们也许可以说：“粒子（亦即粒子的观测）告诉波什么时候从什么地方开始（或结束），而波告诉粒子出现在什么地方。”

第9章 不行

不，不，不，不，不！！！！！！！！！！ 这不可能！！！！！！！！！！

这就是一些知名科学家对量子理论一个接一个显现的特性所做出的反应。这些特性包括：不连续性、跃迁、随机性、全同性、波粒二象性、不确定性、概率波以及互补性。这些科学家觉得，那些想法不是真的正确，正在发生的一切不过是我们对亚原子世界了解得还不够多。一旦我们知道得更多，这些古怪的东西就会消失，而牛顿学说的世界将会回归。爱因斯坦是持反对立场的人中最重要的一个，他在量子物理的概念发展中扮演了一个重要的角色。

我们必须停下来聊聊这种坚定的反对，有两个原因。第一，这个反对运动在一些尚未聊到的量子概念的发展中扮演了一个角色，这些概念包括薛定谔猫和平行世界。第二是因为这个运动也产生了文化上的影响。但是注意了！讨论爱因斯坦的那些绝妙的反对需要深入探究一些技术细节。

不可能

很多物理原理具有这样一种形式：“如果你做这个，将会发生的事情是那个。”例如，牛顿第二运动定律说，具有某个质量的东西，它的加速度将正比于施加在它身上的力。这样的原理也暗示着实际上的不可能性。你不能做这，除非你有那。

少数原理属于另一种类型。在效力上，它们说，“那个不能发生。”这样的原理意味着物理上的不可能性。你完全就不能做那个。

这种原理的著名例子包括热力学三定律。第一定律说能量不能凭空产生也不能被凭空消灭（有效使用能源，“你不可能赢，最多也只能保本”）。第二定律能以几种方式来表述，比如热量不能自发地从一个温度低的物体传递到一个温度高的物体，或者孤立系统的熵总是增加的（“你不能保本，除非是在绝对零度”）。第三定律把它完全给终结了（“你不能达到绝对零度”）。其他例子包括与不可能识别出绝对速度有关的相对性原理、不能以超光速运动以及海森堡的不确定性原理。

这样的原理不总是代表着“新物理”，而可能只是其他原理的推论。海森堡的不确定性原理是一个例子，因为它隐含在“神秘方程”pq-qp=Ih/2πi中。这个原理不同的地方在于它的形式，它的形式有刺激性。说某个东西在物理上是不可能的往往会让物理学家想反抗，刺激他们去寻找漏洞。

50年前，数学家和科学史学家埃德蒙·惠特克谈到“关于不能的公设”，它们断言“不可能实现某个事情，尽管可能会有无数多的方法试图去实现它”。惠特克写道：“一个关于不能的公设不是一个实验的直接结果，或者任何有限多个实验的结果；它不提及任何测量结果，或任何数值关系，或解析的方程；它是对一个信念的明确声明，不管怎么努力，所有想做某件事情的尝试都注定要失败。”1

关于不能的公设既不像实验事实，也不像数学命题那样按照定义就是真的。但是它们对科学而言是非常根本的。惠特克说，热力学可以被认为是从它的关于不能的公设出发的一系列推理：能量守恒和熵守恒。他认为，在遥远的将来，科学的每一个分支都将仿照欧几里得《几何原本》的风格，以基于其合适的不能公设的形式来呈现。

关于不可能性的物理有好几个名字。“算了吧”物理是一个，“不可能”物理是另一个。“不可能”物理很重要，因为它吸引持反对立场的人。我们不是在讨论那些骗子和傻孩子们无休止的努力，他们想绕过热力学定律制造永动机。相反，我们意指那些严肃的物理学家，他们把“不可能”物理当作对想出漏洞的一个挑战。在寻找这些漏洞的过程中，他们最终弄清楚这个领域的基础。

持相反立场者的物理的一个著名例子是詹姆士·克拉克·麦克斯韦的思想实验。在一个密封的盒子里，一个微小的生物操纵着一块隔板上的一个小门。通过打开和关上这扇门，“麦克斯韦妖”（如它后来被称为的）让所有运动较快的分子进入隔板的一边，使热量传到那一边，从而违反热力学第二定律。对这个思想实验的讨论帮助人们澄清了当时还难以理解的热力学概念。

持相反立场的物理学家在不确定性原理的发现和诠释中也扮演了一个角色。1926年，维尔纳·海森堡正在提倡他的新矩阵力学（原子物理学的一个纯粹形式上的方法），他宣称物理学家只能放弃所有观测经典性质（如空间和时间）的希望。德国物理学家帕斯库尔·约当是持相反立场的人，他设计了一个思想实验来绕开那样的断言。约当说，假设某人可以将一个显微镜冷却到绝对零度，那么他就可以测量（比如说）一个电子的准确位置或者一次量子跃迁的时间。这启发海森堡去思考观测仪器与被观测状态的相互作用，使他走上了通向不确定性原理的道路。持相反立场的约当迫使海森堡进行操作上的思考，而不是哲学上的思考，并去阐明目前状况下的物理是什么。

量子力学刚一出现时，怎么样把它和展现出牛顿学说行为的熟悉世界联系起来就是20世纪早期的巨大智力挑战之一。由玻尔、海森堡、玻恩以及其他人建立的一般策略（后来经常被称为哥本哈根诠释），将世界分成两个截然不同的领域，其中一个是量子的，另一个是经典的。量子的领域受一个被薛定谔方程描述的场或波（其本身是不可触及或观测的）来支配，这个场或波告诉我们某个真实状态具体实现的概率。当这个量子波碰到经典领域的某个东西时，如通过一次测量或其他相互作用，这种相遇会蒸发或“塌缩”波函数，消除所有其他状态，只剩下一个真实态。按照哥本哈根诠释，在观测或测量之前，关于这个世界我们最终所能知道的全部东西就是一系列概率。

这个诠释本身就足够奇怪了，所以，它从一开始就招来了很多反对者。第一个也是最出名的和智力上最强的挑战者是阿尔伯特·爱因斯坦。爱因斯坦的反对经常被错误地塑造为“一个顽固老头子对经典决定论的怀旧依恋”，但是他的反对远比这个具有更深厚的意义。爱因斯坦代表了对于实在论的整个哲学态度和一个这样的立场，就是在世界上存在着不由我们自己创造的、独立于人类知觉和思想的东西，而科学理论如果能以某种方式如实地和这些东西对应起来，那么这些理论就是真实和正确的。2爱因斯坦为这个实在论感到不安，因而扮演了持反对立场的角色（玻尔是他的主要对手），并构思了聪明的办法来试图同时确定一个粒子的位置和动量，假定这些性质是独立于我们怎么样去测量它们而存在的。尽管他所有的努力都失败了，但这些努力引发的讨论在很大程度上帮助了物理学家去理解量子力学的本质和含义。

持反对立场的爱因斯坦

爱因斯坦很早并经常表达过他的怀疑。在1916年的量子论文中，他写到他的理论的一个弱点是“将基本过程发生的时间和方向留给了偶然性”。不过，在他的论证中，他表达了“完全的信心”。这个信心最多也只是半认真的。8年后，在回应不成功的玻尔–克拉默斯–斯莱特（BKS）尝试（通过放弃能量守恒来保留波动说）时，爱因斯坦向玻恩写道：“在没有比我到目前为止已经做过的更强烈地为它辩护之前，我不想被迫放弃严格的因果性。我发现下面这个想法相当地难以忍受，就是一个暴露在辐射中的电子能够选择它自己的自由意愿，不只是它跃迁的时刻，还包括它的方向。如果是那样的话，我宁愿做一个修鞋匠，甚至是赌场里的一个雇员，也不做一个物理学家。”3两年后，在海森堡和薛定谔提出他们关于量子领域的两幅蓝图后，爱因斯坦写信给玻恩说，这给他留下了深刻印象，但又说“内心的一个声音告诉我，它还不是真正的东西”，而且这个新理论没有把我们带到“离老理论的秘密”更接近的地方。爱因斯坦然后做了一个现在很著名的并经常被复述的评论：“我无论如何都确信，上帝不会掷骰子。”这句话经常会被和附加的短语“对天地万物”（这个爱因斯坦并没有说）一起引用。两年后，他写信给索末菲说，海森堡–狄拉克理论“没有真实性的味道”。4

第二年，即1927年，既是牛顿去世200周年，也是不确定性原理出现的那一年。这使得大家无法否认量子力学引起了一场认识论上的危机，并带来了对新次序的哲学内涵的第一次严肃探讨。然而，爱因斯坦还在希望能恢复旧次序。在一篇3月份发表在《自然》杂志上的文章中，他写道：

只是在量子理论里牛顿的微分方法才变得不能适用，严格的因果性确实也让我们失望了。但是最后的话还没有说，牛顿方法的精神会给我们力量去恢复物理实在与牛顿学说中意义最深远的特征——严格因果性之间的和谐。5

在接下来的几年里，爱因斯坦将运用他所有的力量来试图恢复那个和谐。

回到实在

爱因斯坦的努力分几个阶段展开。在整个过程中，他都是一个“诚实的”量子力学反对者，他看重量子力学的结构并尊重它所基于的实验事实。他不是一个“否认者”，没有对科学证据视而不见。他意识到，要想获胜，他必须找到一个更加完整的、完全具有因果关系的方法来审视事物，并相应地阐述他的论证。在每一个阶段，他的思考都明确到一个思想实验中。尽管爱因斯坦不是发明思想实验的人（比如伽利略也是一个富有想象力的思想实验家），但他是个第一流的使用它们的人。他在青少年时就提出了那个最早的也是最著名的思想实验：他想象自己是一个“光波冲浪者”，乘在一个光波的波峰上。那将意味着他看到光波是静止的，但是麦克斯韦方程组保证了真空中的光总是以光速c运动，而不管它是怎么样被观测的。爱因斯坦塑造了他的狭义相对论来解决这个矛盾。他用于抨击量子力学的思想实验也一样富有想象力。

系综诠释

第一个阶段开始于1927年，在海森堡阐明不确定性原理后。那年的5月，爱因斯坦向普鲁士科学院提交了一篇题为《薛定谔的波动力学是完全抑或只是在统计的意义上确定了一个系统的运动？》的论文。在保留下来的手稿里，他坚持认为，就如同在经典力学里一样，“赋予薛定谔微分方程的解以完全确定的运动”的确是可能的。6爱因斯坦似乎曾打算在即将于1927年10月在布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议上介绍一些类似于这个想法的东西，但是他撤回了这篇论文（可能是因为海森堡的批评）并宣布他在布鲁塞尔不会报告任何东西。

爱因斯坦没有参加那年9月的科莫会议，在这次会议上玻尔概述了自己关于互补性的观点。但爱因斯坦确实参加了一个月后的第五届索尔维会议（1927年）。这次会议被称为“也许是量子理论历史上最重要的一次会议”。在这次会议上，“一系列尖锐冲突的观点被报告和广泛讨论，包括德布罗意的导航波理论、玻恩和海森堡的量子力学以及薛定谔的波动力学”。7路易·德布罗意赞同爱因斯坦，他的正式报告提出了一个另外的关于量子力学的诠释。这个诠释可以恢复决定论，它假设薛定谔方程意味着一个给粒子引路的或“导航的波”，粒子的确切轨迹根据更进一步的信息是可以被确定的。8爱因斯坦没有做正式的报告，但是在全体讨论中他表达了对量子力学的反对意见。“尽管我知道自己没有足够深入到量子力学的本质和精华中去，”他谦虚地开了个头，“但我仍然想在这里提出一些一般性的评论。”9他画了一个图，一块屏的中间被穿了一个小洞，在屏的后面有一个半球形的摄影胶片。电子打到屏上，其中一些穿过小洞并被衍射，均匀分散到所有方向上，它的波函数是ψ。

爱因斯坦接着说，我们可以两种方式来考虑正在发生的事情。在量子力学里，如玻尔、海森堡以及其他大多数人所设想的，ψ是关于个体过程的一个完整描述，比如正在对一个电子发生的事情。表达式|ψ|2代表在一个给定时刻在屏上的一个给定位置发现这个电子的概率。爱因斯坦说，我们有可能在屏上的好几个地方发现这个电子，但如果它出现在一个地方，那么这就会阻止这个电子出现在另一个地方。这个过程“假定了一个非常奇特的、超距离的作用机制”，因为它“阻止连续分布在空间上的波在屏上的两个地方产生作用”。10出现在这里的一个作用使得一个作用出现在那里成为不可能。

但我们可以去掉这种令人不快的机制，爱因斯坦接着说。假定ψ不是代表正在对单个粒子发生的事情，而是代表正在对一个系综、一团系统或粒子发生的事情，那么这个理论就是不完备的，类似于热力学是不完备的。因为它处理的是很多个过程的平均行为，而不是单个过程。一个更详细的理论也许能描述粒子的特定轨迹，而不只是总体行为。

玻尔，也许是想宽厚点，表达了对爱因斯坦评论的困惑：“我不明白，精确地说，爱因斯坦想要指出的重点是什么。”11他的困惑也许是可理解的，因为爱因斯坦不是提出一个类似于导航波理论的观点，而是在做一件不同的事情：指出玻尔所持立场（说量子力学是完备的）的代价是承认超距作用，或后来被称为“不可分离性”或“纠缠”的东西（就是说，这里的一个作用可以瞬时地影响那里的一个作用）。换一种方式来说就是，这个作用不是局域的，而是可以同时出现在甚至相隔很遥远的地方。

玻尔很快就将详尽地知道爱因斯坦的立场。1927年索尔维会议上的这次交锋开启了爱因斯坦与玻尔之间的一场漫长的、现在已经很著名的辩论。一开始是通过私人通信的方式，然后很快变得更加公开，这两个人在他们此后的人生当中一直保持着这场争论。

玻尔仔细思考着这个可以被称为爱因斯坦系综诠释的东西。它经常被称为一个统计诠释，但令人混淆的是这也是玻恩关于量子力学的、完全不同的诠释的名字，因此我们将把它叫作系综诠释。爱因斯坦的重点也不真的是如玻尔说的有关统计，而是有关不可分离性。在玻尔的理论里，两个空间上分隔开的物体或物体的性质可以被认为是联系在一起的。爱因斯坦确信这是这个理论一个不受欢迎的特征，一旦这个理论完备了，它将被消除掉。在接下来的几年里，玻尔提供了几个针对爱因斯坦的观念的回答。

光子盒实验

爱因斯坦努力的第二个阶段出现在1930年的第六届索尔维会议上。这次会议名义上是关于磁学的，但这并没有阻止与会者讨论他们想讨论的东西。吃早餐时，爱因斯坦会提出某个针对量子力学的反对意见，玻尔则思考，然后吃晚餐时给出一个回答。

爱因斯坦提出一个思想实验，看起来似乎能哄骗一个光子既显示出它确切的能量又显示出这个能量被测量的时刻。按照不确定性原理，这是不可能的。不确定性原理也能应用到能量和这个能量被测量的时刻之间的关系上。这个实验牵涉到制作一个能被精确称重的盒子，并能让一个光子经一个快门（非常短暂地开一下）逃离盒子。光子逃离的确切时间可以被一个控制快门的时钟确定下来，而光子的确切能量则可以通过前后测量盒子的重量而被精确地确定。爱因斯坦想，这个装置将可以让实验者既测量到光子的能量，也测量到它逃离的时间，从而与能量-时间不确定关系矛盾。12一位在场的物理学家后来记述：

这对玻尔是一个很大的震惊……他没能马上找到答案。整个晚上，他都非常不高兴，从一个人身边走到另一个人身边，试图劝说他们这不可能正确，如果爱因斯坦是对的，那么这将是物理学的终结；但是他找不出任何反驳的理由。我永远都不会忘记这两个对手离开俱乐部时的场景：爱因斯坦一副庄重的样子，安静地走着，脸上带着少许讽刺的微笑，而玻尔则在他附近小步快走，非常激动……第二天早晨玻尔的胜利到来了。13

玻尔把爱因斯坦的思想实验解释为试图打败不确定性原理，并哄骗大自然同时泄露光子的能量和这个能量被测量的时间。他的反驳则指出给盒子称重需要使用一个弹簧来平衡引力，并精确地确定这个盒子在竖直位置上的改变，这意味着盒子竖直方向上动量的一个相应的不确定性。那又相应地导致钟表在时钟速率上的一个变化（依据是爱因斯坦著名的“引力红移”，这是他的广义相对论的一个基本特征）。当所有这些效应都总到一起时，我们就得到所需要的关于光子能量和光子发射时间的不确定性乘积。

EPR论文

爱因斯坦仍然没有放弃。1931年2月，他向《物理评论》的编辑提交了一篇短文章，题目是《量子力学中对过去和未来的了解》，合作者为理查德·托尔曼和鲍里斯·波多尔斯基。它是对不确定性原理的另外一击，使用的是另外一个思想实验。它指出，保留不确定性原理需要丢弃局域性和可分离性可能的基本品质。“众所周知，量子力学的原理限制了对一个粒子的未来路径做精确预言的可能性。尽管如此，大家有时候认为，量子力学可以允许对一个粒子的过去路径做精确描述。”作者们继续说，但是“一个简单的思想实验”将展示“描述一个粒子过去路径的可能性将导致我们能预言第二个同类粒子未来的行为，而这在量子力学里是不允许的”。这篇文章没有说量子力学是错的，只是说保留不确定性原理会带来一个作者们感觉到是不可接受的包袱（它意味着你对过去也不能有准确性）。14

在提交了这篇文章之后，爱因斯坦在公众面前更加直言不讳。“我知道，我要说的东西将被解读为‘衰老的一个迹象’，”他告诉《纽约时报》的一个记者，“但是因果性将会归来，有一天科学家们将再一次承认它是‘事物本质中不可避免的一部分’。”爱因斯坦说：“目前数学方程的仅仅‘可能的’正确性只是标示了这样一个事实：这些新的概念还没有被找到。”他接着说，他感觉量子力学“本质上的统计学特征最终将消失，因为它导致不自然的描述，它不描述大自然，而只是描述来自大自然的预期。而科学的目的是描述事物的本身，不仅仅是它们发生的概率”。15

啊，事物本身！爱因斯坦和玻尔在对“事物”的本质做哲学上的辩论。事物在空间和时间上总是局域的吗？或者存在不能被局部化的“事物”吗？假如有的话，那么它会是一个什么样的东西？

第二天，《纽约时报》就爱因斯坦的“保守主义”发表编者意见。编辑写道，他对量子理论的反对意见纯粹是基于“一种自然的反感”。科学家们通常不会把反感作为动机，爱因斯坦害怕被贴上衰老的标签是可以理解的。但他对量子力学的反应是“正常的”，《纽约时报》承认，“某个事情显然不对”。16

1932年，在一本叫作《量子力学的数学基础》的书中，数学家约翰·冯·诺伊曼提供了一个定理的证明，看起来排除了任何基于隐变量的量子力学理论的可能性。“隐变量”这里指的是一些我们还不知道的量，它们的发现可能会允许我们对量子力学在其中起中心作用的实验结果能有精确的预言，而不只是关于概率的推演。看起来量子力学不是一个还在等待更多工作的暂时的理论，而是已经说明了所有我们能知道的东西。

爱因斯坦和其他几个持相反态度的人视这个证明为一个挑战。1933年，在纳粹分子掌握他的祖国的政权后，爱因斯坦离开德国来到美国。他在普林斯顿高等研究院安顿下来，以新的热情重新开始去论证量子力学是不完备的。他和另外两个普林斯顿的物理学家（波多尔斯基和纳森·罗森）一起工作，他们俩已经成为爱因斯坦的助手。记者们周期性地采访爱因斯坦关于他对量子力学的看法，他们知道可以依赖这个来得到对他们报道的不错的引用。比如在1934年，爱因斯坦告诉一群集会的记者说，在他看来，把不确定性原理拓展到大范围的人类生活中去是“个人品位问题”。《纽约时报》一篇关于这次集会的报道接着说：“就他来说，他更愿意相信自然界以及生活中的每件事情都是由原因和结果来支配的。”并进一步说他希望未来的科学将证实他的说法。17

爱因斯坦很快开始了一篇论文的写作工作，他希望这篇文章将开始让事情重回正轨。1935年5月4日，《纽约时报》刊发了一篇文章，标题是《爱因斯坦抨击量子理论：科学家和两个同事发现它不是“完备的”，尽管它是“对的”》。像爱因斯坦以前的努力一样，这篇文章出于这样一个观点：一个系统存在真实的状态，它独立于它是否被测量或被观测而存在。因为量子力学不能描述这样一个真实的态，所以它必定是不完备的。

爱因斯坦在暗示量子力学有点儿像一张地图。一张地图同样是正确但不完备的。它不会给你风景看，而是某个地区的一张抽象图画，省略了很多关于潜在特征的信息，比如海拔高度或土壤的质地。如果你能看到这些潜在的特征，你就能获得一幅关于这个地区的更好的图画而不会和地图矛盾。正是如此，爱因斯坦似乎认为，如果你能看到亚原子世界表面下的特征，你将会得到一幅和牛顿学说的直觉更加一致的图像，同时和量子力学也不矛盾。

这些思考的结果是《物理实在的量子力学描述能被认为是完备的吗？》。这篇论文由爱因斯坦和波多尔斯基以及罗森一起执笔。大家一般把它称为EPR论文，它于1935年5月发表。18它已经成为有史以来最著名的科学论文之一。在论文的第一句话里，它就援引实在性：

任何有关一个物理理论的严肃思考都必须考虑客观实在（它独立于任何理论）和物理概念（理论依靠它们来运作）之间的区别。这些概念是用来对应于客观实在的，依靠这些概念，我们向自己描绘这个实在。

理论描绘实在，一个完全分离于这个描绘而存在的实在。作者们接着说，一个令人满意的理论回答两个问题：（1）“这个理论对吗？”以及（2）“这个理论给出的描述完备吗？”作者们不费心问题（1）；他们，以及其他每个人，都知道量子力学的每一个预言都已被实验所证实，这一方面多半不会有什么变化。关于问题（2），他们以如下方式定义他们所称的“完备性条件”：“物理实在的每一个元素必须在物理理论里有一个对应物。”比如，在一座房子的完整描述里，这个描述的每一个组分都必须是房子本身里面的某个东西。作者们提供了如下一个充分但不必要的关于实在的定义：

如果我们不以任何方式干扰一个系统，并能确定地预言（也就是说，概率等于1）一个物理量的值，那么就存在对应于这个物理量的物理实在的一个元素。

如果我们能从一座房子的完备描述中辨认出（比如）对应于这个描述某一组分的、房子的某个特定部分在哪里，那么它就是这个房子的一个“真实”部分。这是合乎情理的。现在，在量子力学里，波函数ψ完全刻画了一个粒子的态，它是用来描述这个粒子的变量的一个函数。这篇论文然后接着指出，当一个粒子的动量是已知的时候，它的位置没有物理实在性。这个就是简单地重述海森堡的不确定性原理。

但是，他们继续说，他们能设置一些实验情形，在这些情形下他们能比上述情况获知更多的东西。假定我们产生两个电子，它们的动量和位置联系在一起，我们可以通过退激发某个静止的原子来实现这一点。我们能测量第一个电子的动量，从而知道第二个电子的动量，但我们也能测量第二个电子的位置，从而知道第一个电子的位置。这样每个粒子的这两个被认为是不相容的量可以都被知道，尽管按照不确定性原理，这两者就EPR论文所定义的意义而言不可能同时是“真实的”。通过创造这个论据，他们力图恢复常识性的观点，就是两个粒子从它们被产生的那一刻开始就相互独立地具有位置和动量。爱因斯坦和他的合著者们赞同，事实上我们关于实在的定义就依赖于在这样分离的系统里存在一些元素，它们的存在不依赖于观测和测量。这与玻尔、海森堡以及他们的同伴们说的相反！因此，对标题中反问句的回答是“不”。

作者们写道：“我们因此被迫得出结论，由波函数给出的关于物理实在的量子力学描述是不完备的。”位置和动量不可能依赖于测量。波函数因此“没有提供一个关于物理实在的完备描述”。有一个确实能提供的其他理论吗？他们认为是的，爱因斯坦和他的伙伴们说。

当刊有EPR论文的这期《物理评论》到达哥本哈根时，玻尔的反应很不快，觉得它是一个令人讨厌的晴天霹雳。玻尔认为它对量子力学的基础是一个威胁，他马上放下他的其他研究，紧张地工作了6个星期来给出一个回答。这激发爱因斯坦接着去思考这样一个想法，量子力学的波函数只是描述一个系综，而并没有描述亚原子世界的基础特征。爱因斯坦直到他去世都一直在发展这个观点，他支持因果关系，反对非定域性。在1948年，他把非定域性称为“幽灵般的超距作用”（德语原文是spukhafte Fernwirkung——拗口的词）。1949年爱因斯坦写道：“事实上我完全确信，当代量子理论本质上的统计特征完全可被归因于这样一个事实：这个理论是对物理系统的一个不完备描述。”19玻尔的回答延续之前20年来他所持的思路：“在量子力学里，我们不是在随意地放弃一个对原子现象的更详细的分析，而是认识到这样的一个分析从原则上来讲就被排除了可能性。”爱因斯坦继续主张我们关于实在的观念必然会导出量子力学是不完备的，而玻尔则继续说爱因斯坦关于实在的观念是错误的。

静夜思

有关因抵制改变和坚持传统而被毁了的人物的故事和戏剧古已有之，现在也到处都是，比如尼日利亚小说家奇努阿·阿切贝的书《瓦解》以及百老汇音乐剧《屋顶上的小提琴手》。我们已经提到过几个科学家（包括密立根），他们坚持了一段时间的牛顿力学，然后转而反对自己更好的判断，相信量子理论。我们甚至已经看到一个物理学家、克拉克大学的亚瑟·戈登·韦伯斯特的自杀也许部分是因为他对物理学中由量子造成的知识以及学术机构的变化感到绝望。

至少有一篇小说的中心话题说的正是这个问题，那就是物理史学者拉塞尔·麦科马克写的《一个经典物理学家的静夜思》。小说的主人公维克托·雅各布是德国一个小型大学里一个小型研究所中的经典物理学家。雅各布出生于19世纪中叶，他在年轻的时候受到“经典物理学的训练，受到古老语言与文献的仔细思辨的训练”。他被物理学吸引是因为它通过少数几个精确的、基本的概念和定律就把物理事实联系在一起的这种方式。现在，每样事物都破碎了。物理学家们关于光的图像，以及从它开始，就像共振了一样，其他每样事物都破碎了。雅各布想到了一个主意，他称之为“世界的以太”。他希望这将能恢复物理学的可理解性。他访问普朗克以继续研究这个想法；这位大师对他表示了“审慎的同情”，但是最后设法浇灭了他的希望。雅各布觉得他个人生活的破碎与德国学术生活的破碎绑定在一起，甚至以某种方式和量子的出现绑定在一起。在故事的末尾，在德国第一次世界大战战败的前夕，雅各布显然是自杀了。20

牺牲

海森堡曾经写道：“科学中几乎每一个进步都是牺牲换来的，对几乎每一样新的知识和智力成就，先前的立场和概念都不得不被放弃。因此，在某种程度上，知识和洞察力的增加一再地削弱了科学家们关于‘理解’大自然的宣言。”海森堡说得有些夸张。科学的进步确实涉及发展出更微妙和更复杂的概念，它们会包含那些已经存在的、更为简单的概念，但是这些更微妙和复杂的概念经常是由这么一些人提出的，他们对不得不要做海森堡提到的那种牺牲的前景感到不满。

实际上，不满是科学中的一个强大推动力，它能以很多种方式出现。有时候，它源自一个科学家的觉察，一大堆令人困惑的实验数据可以被更好地组织起来。也有时候，它来自一种感觉，一个理论太复杂了，可以被简化，或者它的各个部分没有适当地组合在一起。还有一些不满是来自于理论预言与实验结果不一致。“不可能”物理产生一种特别的不满，涉及科学与我们的希望以及梦想之间的冲突。我们希望有无限的能源、超光速的旅行，以及在特定的时间把事物固定在特定的地方。人类看起来天生就固有这些希望，天生就回避那些浇灭他们希望的科学。不足为奇，“不可能”物理让他们感到不满，但是最终科学会赢。

插节 约翰·贝尔和他的定理

当爱因斯坦于1955年去世时，他和玻尔之间的辩论仍然还没有解决。但是这两个强有力的、富有想象力和洞察力的人之间的争斗非常有助于澄清量子力学的真正含义。这种辩论很快就被新一代物理学家接了过来，它的一个主要参与者是约翰·贝尔。他一开始是量子的不同意见者，但很快就改变了主意，并且让他困惑和不安的是，他最后成为了某种非物理学家小集团里的一个量子权威。

我们中的一个（克里斯）在贝尔于1990年去世前不久和他谈论过他那不寻常的职业生涯。在交谈之前，贝尔告诫说自己是一个“不耐烦的、易怒的人”，不能忍受废话。当面交谈证明他是一个耐心的和说话温和的人，不时会表达出强烈的激情。

约翰·贝尔

1960年的一天，在欧洲核子研究中心，一场开幕庆典后，贝尔意外地发现自己和尼尔斯·玻尔正搭乘同一架电梯。欧洲核子研究中心当时还是一个新的国际科学实验室，位于日内瓦郊外。这个年轻的爱尔兰人刚刚30多岁，准备鼓起勇气告诉这个杰出的、75岁年纪的量子力学创立者：“我认为你的哥本哈根诠释是蹩脚的！”在这个短暂的时间里，他们俩单独待在一起。但贝尔失去了勇气，这是他一生里出现的少数几次这种情况中的一次。贝尔回忆道：“如果电梯卡在楼层间了，那它将会是我的一天！”21

贝尔说他1928年出生于北爱尔兰的贝尔法斯特，父母是两个比较贫穷的新教徒。他于1944年高中毕业，此时正值第二次世界大战期间，但他没有被征兵入伍。在北爱尔兰大约60%的人口是新教徒，40%的人口是天主教徒。贝尔解释说，征兵没法实行，因为“他们不能说，‘我们只征新教徒入伍’”。1945年，他进入贝尔法斯特女王大学学习。在这里有一段时间，哲学转移了他对科学的兴趣。但是他后来泄气了，因为“每一代哲学家看起来都是简单地推翻他们的上一代”。他认为，物理与哲学离得不远，至少它的知识是累积的。贝尔回归到学习物理，但仍然喜欢批评哲学家。

当贝尔在女王大学刚学到量子力学和不确定性原理时，它们就让他感到费解。他对在教科书里找到的混乱解释感到愤怒，对他的教授们不能清楚地解释一些事情感到愤怒。当贝尔问他的老师们：“波函数是实在的吗？还是只是一种簿记体系？”他们不能回答到令他满意的程度，他触怒了他们，导致了一些不愉快的交谈。当他指责一个老师不诚实时，这个老师（和他一样激动）愤怒地回击说贝尔“太过分了”。

约翰·贝尔（1928—1990）

贝尔说他学习量子力学的方式不是你学会下棋的方式（通过学习规则），而是你学着骑自行车的方式，“不知道你正在做什么”。忽略掉他正在做的事情的意义让他感到不安，但他很聪明，还是了解到如果他想从事物理学研究这个职业，他必须让自己表现得像一个传统的物理学家，并解决传统的物理学问题。贝尔勉强接受了将他对量子力学意义的思考当成“一个兴趣爱好”。

但贝尔严肃认真地对待他的爱好，即使在他1949年从女王大学获得博士学位以后。他仔细地阅读了EPR论文，但对玻尔的回复感到非常不满意，他称它“气喘吁吁，不是一个答复”。他同样仔细地阅读了冯·诺伊曼关于“不存在隐变量”的证明，但感到很生气。贝尔说：“文献中充满了对这个证明的恭敬引用，对这个‘冯·诺伊曼的才华横溢的证明’的引用。但我不相信它在那个时候能已经被超过两或三个人读懂。”

为什么不？

“物理学家们不想被这个想法烦扰：也许量子理论只是临时的。一大堆物理现象涌现在他们面前，每一个物理学家都能找到一些事情来应用量子力学。他们高兴地想，这个伟大的数学家已经证明了量子力学是这样的。可是如果你真的去理解冯·诺伊曼的证明，它在你手里就崩溃了！”

贝尔明显地开始恼怒了。

“这个证明里啥都没有。它不只是有缺陷，它就是糊涂的。如果你看看它做的假设，它一刻也不能成立。它是一个数学家的工作，他做的假设具有一个数学上的对称性。当你把这些假设翻译成物理学上的措辞时，它们都是胡说。你可以引述我的话：冯·诺伊曼的证明不只是错的，而是愚蠢的！”（所以就这样引述了。）

贝尔被指责夸大了冯·诺伊曼关于“不存在隐变量”的证明里的缺陷，这个证明最终发现只是排除了某些类型的隐变量理论。22然而重要的是，冯·诺伊曼的证明唤起了贝尔作为反对者的天分并使其集中到一起。当1952年贝尔读到《物理评论》上的一篇论文《一个依据‘隐变量’的量子理论诠释的提议》时，这些天分被进一步激发了。在这篇文章中，作者戴维·玻姆扩展了德布罗意在1927年索尔维会议上的某些提议。23贝尔说：“它对我来说是件大事情。这篇论文告诉我，冯·诺伊曼是错的，因为玻姆已经做了冯·诺伊曼说是不可能的事情。”但是玻姆为引入隐变量付出了一个代价，他不得不将非定域性引入理论中。“这意味着你在这里做的事情，”贝尔指着他面前的桌子，“会马上在遥远的地方产生结果。”贝尔又指向窗外的勃朗峰说道：“这个非常非常古怪。”这是爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”。贝尔开始去思索我们是否能构造一个隐变量理论但又不需要鬼魅似的超距作用。

1960年，贝尔加入欧洲核子研究中心，他的工作是从事在这里进行的物理实验的理论方面的研究。1963年年初，他听了一个访问欧洲核子研究中心的物理学家做的报告，该报告称改进了冯·诺伊曼的证明。这个健谈的物理学家又被激怒了。贝尔说：“我非常愤愤不平。”那年的晚些时候，他被邀请访问斯坦福直线加速器中心（SLAC），这是一个靠近旧金山的实验室。他到达的时间是肯尼迪总统被刺杀后的那一天。“我发现每个人都被击垮了，这是一段非常怪异的经历。”贝尔说。在斯坦福直线加速器中心，贝尔只有一点点额外的时间。他决定把时间花在他的兴趣爱好上，写了两篇非常有影响的论文。他说这两篇论文让他变得“臭名昭著”。

第一篇论文《关于量子力学里的隐变量问题》列出了冯·诺伊曼的证明中的瑕疵。24他写道，这是值得做的事情，因为即使是30年后，我们也找不到“文献中有任何关于什么地方出了差错的恰当分析”。但是在陈述理由时，贝尔发现很难避免一个结论，就是隐变量理论不得不是非定域的。他在论文的末尾给出了这个提议。

贝尔在他的第二篇论文《关于爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬》里开始去往好的方面解决这个问题。25他说：“我试图去设想会有什么样的隐变量能避免玻姆的非定域性……我发现我找不出来。”然后一件非凡的事情发生了。不是去反驳保持定域性的隐变量理论不可能存在，他开始去寻找它的反面。“我的心里产生了一个相变。我开始去搜寻不可能性的证明，而我找到了它。”

当他回忆起这段经历时，贝尔轻声地笑了：“我想要的是一个清楚的论据，而不是去辩护这个世界里任何特定的概念。我想理清楚这些问题的逻辑……我经常更关注辩论的实施和逻辑，而不是实际的真相。”

这是贝尔最有影响的论文。它演示了在任何量子力学理论里，“设置一个测量装置会影响另一个仪器的读数，不管有多远”——并且是瞬时完成的，也就是说，快过光速。几年之内，这个原理被其他人发展和扩充了，他们指出了一些贝尔定理能被实验验证的方式。26

大体上（有很多好的和相当容易理解的解释，但需要的篇幅比我们这里的大［1］）贝尔定理从爱因斯坦-波多尔斯基-罗森思想实验开始，涉及两个粒子，比如朝相反方向发射的电子。但不是考虑位置和动量，它考虑这些粒子的另外一个性质，叫自旋。不是考虑精确的关联，它考虑的是中间的设置。当两个粒子中的一个的性质被测量实现后，另一个粒子的性质在测量时将被发现是关联的（有联系的），而不管这两个粒子已经离开有多远。这个关联是一个不等式的形式，对经典物理学是一个形式，对量子物理是另一个形式。对于量子的情形，看起来这两个粒子进行了瞬时通信——要么是那样，要么它们已经形成了一个大的、扩展的物体，这样当你拧其一端时，另一端会“感觉到”它。

贝尔说：“这个定理无疑暗示爱因斯坦的、被光速简洁地分成不同区域的时空概念不是无懈可击的。”几年之内，贝尔发现他自己成为了一个奇怪小圈子里的名人。他从未想到过他会和这些人联系到一起，他们认为物理学和东方神秘主义教给我们的是同样的东西。贝尔轻声地笑了，回应说：

我本质上是一个宗教和心灵问题的不可知论者。当人们给出这些问题的回答时，我认为它是单凭主观愿望的想法。我没感到这些人有敌意，但是我就是没有他们那样的热情去寻找在我看来没法回答的问题的答案。我承认这些是科学不能回答的问题，甚至科学都不能问这些问题。但我自己没有这些问题的答案。当我听到有人说我们终于回答了这些问题，而答案就是佛教、道教或别的什么东西时，我只好说当我看着这些东西时我没有发现答案。即使这样，如果其他人在那里找到了答案，我也不会去和他们论战。那是他们自己的事情，他们并没有做什么大坏事。有一些意识形态比佛教要有毛病得多。

对那个没有什么好暴躁的。

第10章 薛定谔猫

“你能向我解释一下薛定谔猫吗？”

“来吧。”她一边说，一边伸出手抓住了我的外套并把我拉下人行道。我走在她旁边，啥也没说。她嘟嘟囔囔着：“天哪天哪天哪天哪天哪天哪天哪……”我说：“发生什么事了？”她说：“你，你，格雷森。你就是那个事。”我说：“啥？”她说：“你知道的。”我说：“不，我不知道。”她仍然在走，没有看我，说：“很可能有一些女孩子不希望小伙子带着一些有关埃尔温·薛定谔的问题在周二的晚上随意到她们的家里来。我确信存在这样的女孩子。但她们不住我家。”

——《两个威尔》

威尔和简是《两个威尔》中的两个书呆子青少年，我们在第1章里碰到过。他们轻松地谈论着薛定谔猫。为了跟上他们，我们需要一个简要的回顾和一些技术细节，并探究薛定谔引入这个想法的最初那篇论文。

量子力学，如我们已经看到的，用两个要素来描述这个世界。第一个是一个信息函数，是由薛定谔方程描述的函数ψ。它是一个经典的波，向外扩展并重叠，或说“叠加”很多可能性。第二个要素是某个降临到这个函数上的东西，导致这个函数消失，而它的可能性之一则显现出来。

这个奇怪的图像怎么和我们熟悉的日常世界连接起来呢？回答这个问题（“诠释”量子力学）是人类最大的智力挑战之一。量子力学的先驱者们被它所困惑，当用非技术性的方式来表达自己时，他们都感到无助，并通常求助于比喻或就那么说一说。爱丁顿说，电子“从薛定谔的薄雾中具体成形，就像一个精灵从他的瓶子中出现一样”。布里奇曼写道，物理学家居住在“一个完全掉了底的世界里”。而布拉格则制作了一幅波的图像，这个波散开到数千千米之外，但当它击中一艘船的时候，它能够神秘地召唤它现在已分散在一大块面积里的所有能量来将一根木头从船体中轰出来。难以理解！

更准确地说，那个时候的物理学家有很多不同的方式来诠释正在发生的事情。1最广为人知的诠释（爱因斯坦、薛定谔和其他怀疑者称它是“教条量子力学”，后来称为“哥本哈根诠释”）主要是由玻尔以及海森堡在20世纪20年代末至30年代初精心打造的。它认为世界被分成两个分离的领域：量子的和经典的。量子的领域受一个由薛定谔方程描述的、不可观测和无法触及的ψ场来支配，这个场告诉我们某些真实状态具体实现的概率。当这个量子波碰到经典领域的某个东西，如通过测量或其他相互作用时，这种相遇会使波函数蒸发或“塌缩”，一个到目前为止还只是可能的态现在变成“真实的”了，而所有其他可能性则都被消除了。按照这个诠释，在观测或测量之前，关于这个世界我们最终所能知道的全部东西就是一系列态可能会被实现的概率。

这个想法我们在前一章里见到过，它足够奇怪了，从一开始就引起了反对。爱因斯坦是一个主要的参战者，他最大的火力齐射是在那篇EPR论文里，即发表于1935年5月的《物理实在的量子力学描述能被认为是完备的吗？》。

1935年，薛定谔是一个在英格兰的流亡者。他出生在奥地利， 1927年成为柏林的一位教授，在腓特烈威廉大学（现称为柏林洪堡大学——译者注）继任马克斯·普朗克的职位。然而在1933年，他被新的纳粹政府采取的一系列措施激怒了，然后又被吓坏了。这些措施包括种族立法和焚烧书籍。薛定谔离开了德国，最终在牛津停留下来。当刊登EPR论文的那期《物理评论》到达牛津时，他极为兴奋。1935年6月7日，他给爱因斯坦写信表达了自己的欣喜：“你显然已经抓住了教条量子力学的衣服后摆。”他使用了他们的贬义词来称呼玻尔-海森堡观点。玻尔-海森堡观点否认某些性质的实在性，比如脱离测量环境的位置和动量。2现在我们正在通往薛定谔猫这个想法的途中。爱因斯坦热情地回复了薛定谔，并详尽说明了他的想法：物理描述实在，但不是所有的描述都是完备的。设想两个有盖子的盒子，你可以打开盖子看里面有什么。在其中一个盒子里有一个球。在你通过看里面来“做一个观测”之前，我怎样描述这个状态呢？我们说，这个球在第一个盒子里的概率是1/2或50%，这是正确的。它是一个完备的描述吗？当然不是，爱因斯坦说。它只是刻画了我们对这个状态的了解，而不是实在本身。真实情况是，这个球要么在第一个盒子里，要么不在。但是按照教条量子力学，说球在那个盒子里的概率是50%从原则上来说就可以是一个完备的描述。教条量子力学看起来是在说，这个球不在第一个盒子里，也不在另一个盒子里，而是只有当你朝里面看时，它才首次存在于一个盒子里。这是荒谬的，爱因斯坦接着说。这违反了“分离”原理，按照这个原理，第二个盒子里有什么东西不会依赖于第一个盒子里有什么东西。这个观念对我们把什么接受为是实在这样一个概念而言是必不可少的。它是如此必要，爱因斯坦把它称为“定域实在”。他怀疑地写道，在玻尔-海森堡的教条量子力学解释里，“在盒子被打开之前，态完全被一个数1/2所描写”。3

两个月后，爱因斯坦寄给薛定谔另一个类比。他思忖，假设一堆火药有一个在一年里发生爆炸的概率。这样它的函数ψ就是爆炸了的和没爆炸的火药的一个叠加？胡说八道！爱因斯坦宣称，量子力学和它的函数ψ是不完备和不充分的。他说：“没有一个诠释能说这样的一个函数能被看作是关于实在的一个充分描述。”4

同时，这篇EPR论文也到了苏黎世的泡利那里。泡利满腔愤慨地和薛定谔之间发生了一些激烈的书信往来。泡利说，爱因斯坦以及他的同伴们是在倒退，处于把函数ψ想象为某个像统计性的气体理论的东西的危险中。统计性的气体理论是概率性的，是的，但这是因为它处理的是数量庞大的组分。泡利坚持说，量子力学决定性地排除了EPR论文背后隐藏的决定论和实在论。

EPR论文以及之后和他的智力同盟者爱因斯坦、反对者泡利之间的通信，激发薛定谔写下了他自己观点的一个非正式记述。他把它称为“一般性的自白”，并于1935年10月发表，题为《量子力学的当前状态》。5这篇论文现在以薛定谔猫的首次出现而出名。薛定谔猫在今天经常出现在关于量子力学奇怪实在性的通俗讨论中。

“薛定谔是在做一个思想实验。好吧，这样这篇论文的出现是要说明，如果（比如）一个电子可能会处于4个不同地方中的任何一个，那么它就可以说是同时处于所有这4个地方，直到某人确定它待在这4个位置中的哪一个的那个时刻为止。这能理解吗？”

“不，”我说。她穿着一双小小的白袜子，当她抬高她的腿来保持秋千摆动时，我能看到她的脚踝。

“是的，这完全讲不通。它怪异得不可思议。所以，薛定谔想指出这一点。他说，将一只猫放到一个密封的盒子里，里面有一点放射性物质，它可能会也可能不会（依赖于它的亚原子粒子的位置）触发一个辐射探测器绊倒一个锤子来释放毒药到这个盒子里，从而杀死那只猫。跟上了吗？”

“我想是的。”我说。

“那么，按照那个理论，电子处于所有可能的位置上，直到它们被测量时为止。这只猫既是活的也是死的，直到我们打开盒子来查看它是活的还是死的为止。他不是在支持杀猫或者任何什么事情。他只是在说这看起来不大可能，一只猫可以同时既是活的也是死的。”

——《两个威尔》

简在给出一个解释，对于一个同类型的伙伴来说这不难理解。对一个有决心的读者来说，要理解薛定谔最初的论文也不会比这难很多。薛定谔在论文开头说，经典世界给了我们一个观念，就是大自然能被精确地描述。确实，实验数据也许不会允许这个描述在实际操作中能被完全详细地执行，但这些数据的确能让我们用模型来描述现象，然后我们可以把它们和实际情况进行比较。如果有必要的话，再做一些改进，这样我们的模型能更好地符合现象。一些模型是静态的，而另一些是动态的，描述随时间从一个态转变为另一个态的现象。通过改善我们的模型，思想适应于经验。

这些态由一些被薛定谔称为决定性部分或变量的东西来明确。比如，一个（静态的）三角形的决定性部分包括它的角和边：一个三角形的所有性质可以被一个角和两条边完全确定，或是两条边和一个角，或三条边。这些决定性部分中的一个小集合唯一地确定了一个态中的所有其他部分，但不同的集合可以被用来决定所有其他的部分。

然而在量子力学里这是不可能的。不是所有的决定性部分或变量都能被共同确定。障碍不在于任何实际的限制，而在于海森堡的不确定性原理，或这样一个事实：当你测量某些量时，另外一些量变得无法测量。关于态的经典观念现在变得没有意义了。薛定谔现在问，其他那些变量怎么样了？“那么它们没有真实性了吗？或者（请恕我这样说）有一个模糊的真实性，或它们统统一直是真实的，只是……不可能同时知道它们？”

在哲学的语言里，薛定谔是在问概率是否影响这些变量的实体论（即它们指的这些量是存在还是不存在）或只是影响它们的认识论。换句话说，就是我们知道这些变量是什么的能力。读了我们前一章的细心读者已经知道量子力学的回答：前者。

薛定谔继续说，在热力学里概率只影响认识论。科学家们建立包含数以亿计分子的系统的模型，方便但难以置信地把这些分子处理成像是它们是从包含许多可能态的系综里任意选取的一些单一态。在热力学里，你不关心一个系统的精确行为是怎样的（确实，你对每一个原子的精确描述甚至都没有兴趣），只关心系统对大部分而言其行为是什么样的。但在量子领域“这行不通”，因为有些变量在其他变量被精确地知道后必然是不明确的或模糊的。薛定谔说，也许如果我们能对深层的情况知道得更多的话，我们会发现它比我们设想的要更复杂，而因果性也许会重新出现。但是，只要函数ψ仍然被限制在亚原子领域里，这个不明确就是无害的。“在原子核里，模糊性不会让我们不安。”薛定谔继续说，“（但是）如果我们注意到不确定性影响宏观可感觉和可见的东西，对它们而言，‘模糊’这个字眼看起来就是错的，那么严重的担忧就产生了。”然后薛定谔变戏法似的提出了他那著名的图像，他聪明地将微观领域的不确定扩展到了宏观领域，比爱因斯坦的例子更加直截了当：

我们甚至可以设置出非常荒唐可笑的情形。一只猫被关在一个钢制腔室里，同时还有一个盖革计数器。计数器必须被保护好，不会受到猫的直接干扰。这个盖革计数器里有一点点放射性物质，非常少，少到也许在一个小时里，其中的一个原子会衰变，但以相同的概率，也许没有原子会衰变。如果一个原子确实发生衰变，计数器的盖革管放电并（通过一个继电器）释放一个锤子砸破一个装有氢氰酸的小烧瓶。但如果一个小时后还是没有原子衰变，则这只猫就还是活着的。整个系统的函数ψ表示这个情形时是通过包含活着的猫和死了的猫（请恕我这样说）的一个混合或相等的两部分的一个模糊化。

这里的关键问题牵涉到玻尔观点的含义：你必须考虑到整个实验环境（仪器和量子事物之间的相互作用）。当测量一个量子物体时，你不能以一种就像研究一个天体时可以把望远镜拿出去一样的方式，将仪器“拿出去”。这个量子物体可以“处在”很多种状态中，在你的实验室里它“处于”何种状态依赖于你怎样设置你的仪器。在论文那一节的结尾，薛定谔评论说，关于被弄模糊的真实性没有什么不清楚和矛盾，注意“在一张抖动或没准确对焦的照片与一张云和大雾的照片之间是有区别的”。量子力学给了我们一个与后者的类比。微观世界里的模糊性只有在被观测时才会被消除（也就是说，被弄成宏观的了）。在论文的后面部分，薛定谔阐述了那些让爱因斯坦感到担忧的话中的含义：即使在相互作用以后，先前相互作用的量子态之间的不可分离性，或对被EPR论文作者们称为“定域实在性”原理的违背。

薛定谔现在为对这个原理的量子违背发明了一个新词语：纠缠。6他指出，在经典世界里，当两个物体相互作用并分离后，我们关于这两个物体的知识分裂成两部分，我们关于这两者的知识是我们关于它们中每一个的知识的总和，这样就恢复了爱因斯坦称之为局域实在性的东西。然而在量子世界里，当两个物体相互作用时，它们形成一个由函数ψ支配的系统，它们不会分离，直到一个测量发生为止。薛定谔说，在测量之前，我们关于它们的知识的“纠缠”会持续存在。

但是对我来说，它看起来并不是那么不大可能。对我而言，看起来好像我们放在密封盒子里的所有东西都既是活着的也是死了的，直到我们打开盒子为止。没被观测的东西既在那儿也不在那儿。也许那就是为什么我禁不住想起弗恩齐眼中另一个威尔·格雷森的大眼睛的原因：他刚刚已经让那只既死了又活着的猫死去了。我意识到那就是为什么我从来都不让自己处于一种真的需要泰尼的处境中的原因，以及为什么我遵守了规则而不是在有机会时吻她的原因——我选择了那个密封着的盒子。“好吧。”我说。我不看她。“我想我明白了。”

——《两个威尔》

薛定谔是想用他的猫来说俏皮话，它继承了他和爱因斯坦一直在发挥的一个玩笑话。他实际上是在说：“设想某个像猫一样的东西的存在性可能是不定的，它的实在性依赖于我们是否观测它！这很愚蠢。”

科学史学者史蒂芬·布拉什曾经评论说猫的这个例子“比那篇已发表的EPR论文更好地抓住了爱因斯坦本人所做的批评的精髓”。7然而当薛定谔的论文出来后，这只猫并没有激起多少讨论。为什么它应该？这是一个冒傻气的图像，针对一个大家都认为没有问题的东西。对玻尔、海森堡以及他们的伙伴而言，猫太复杂了，不会有函数ψ。猫居住在经典的领域里，实在性没有被弄模糊。猫要么是死的，要么是活的。薛定谔的图像在经典－量子分界线的一边非法地假定了一个物体，其行为却遵循统治分界线另一边的定律。这个例子，使用《两个威尔》中青少年的俚语来说，是一个失败。

另一方面，对爱因斯坦和薛定谔而言，这个图像只是表明，正如我们在宏观世界里不会满足于接受一个“模糊的模型”来代表实在，在微观世界里我们也不应该。教条量子力学是一个失败。在分界线的另一边，事物是不同的，但也不是那么地不同。在界线的两边，这只猫都象征着荒谬。

由于这个原因，在接下来的小几十年里，没有出现多少对这只猫的引用。一段时间里，这只猫只出现在薛定谔和爱因斯坦之间的书信往来中，作为对量子力学的玻尔－海森堡诠释里他们认为是错误的东西的一个方便的象征。8例如，在1950年，爱因斯坦给薛定谔写了一封信，再次说在关于这只猫的完备描述里，这个生物是“真实的”（意即要么是死的要么是活的）。爱因斯坦的立场还是哲学家们称为常识实在论的东西；这只猫具有生或死的属性，不依赖于我们是否查看它。玻尔和他的哥本哈根支持者主张，这样的实在论在微观世界里是不可能保持的，而那只猫不能跨越分界线进入微观领域。在这件事情的两边，这只猫都象征着一个问题，这个问题是一个只有在你犯误解经典-量子分界线的错误时才会有的问题。如同笑话说的，“薛定谔的猫是一条红色的鲱鱼”。

然而，分界线的争论并没有消失，它变得更厉害了。让爱因斯坦和薛定谔感到惊愕的是，没有什么方法能被找到用于重新阐述量子领域的规则，从而所有的“决定性部分”都能同时共存。他们本来希望，在波函数的下面能发现额外的自由度，对于它们的理解有可能恢复几分因果性，但波函数的极端决定论没有给它留下什么回旋的余地。纠缠没有消失，它依然是一个实体论，而不仅仅是认识论的困扰。

而让玻尔和海森堡感到惊愕的是，也没有什么方法能被找到用于确定经典－量子的分界线。只是说一旦确定了这条经典－量子的分界线，问题就会迎刃而解是容易的。但没有出现任何一个理论来说分界线是位于这里而不是那里，而且也没有实验成功地观测到了这样一条分界线。使得这个观测困难的东西是：你观察的现象越复杂，越随机的效应就会出现来抹掉你正在寻找的量子效应。关于这条边界线的争论一直存在，使得这只猫越来越成为一个活跃问题的象征。9今天，大家已知这条分界线的过渡有时是不连贯的，有时是渐进的，牵涉到很多不同事物的发生和扩散。它们导致叠加的量子系统丧失相干性并转变为一个不可能回到它先前状态的经典物体。这样的一个渐变过程被称为退相干。量子计算机的主要挑战之一就是尽可能长时间地保持量子系统并阻止退相干。

到20世纪70年代科普读物开始盛行的时候，薛定谔的猫不再是一个玩笑话。它已经变成一个生动和易于接近的图像，用来捕捉纠缠、叠加、测量问题和函数ψ等的怪异之处（实际上，成为了量子力学向传统实在论提出的挑战的那个象征）。它还有一个额外的吸引力，就是使用一个温暖的、毛茸茸的和大家熟悉的东西来指出一个相当困难的认识论要点。受人欢迎的作家欢欣鼓舞地抓住了这个图像，宣称它代表了所有实在的量子力学图像，而不仅仅是说明了某一些变量的性质。在《跳舞的物理大师》（1979）这本荣登畅销书榜首、有关声称量子力学与东方神秘主义之间联系的书中，盖瑞·祖卡夫写道：“按照经典物理学，我们通过观测一个事物来认识它。按照量子力学，这个事物直到我们确实观测它时它才在那！因此，这只猫的命运在我们打开盒子查看之前是不确定的。”10祖卡夫继续说，量子力学说明这个世界“不是通常意义上真实的”，并说“量子物理比科幻小说更奇怪。”祖卡夫在书的结尾说：“很长时间以来，量子力学迷幻性的一面就已经被展现给学习物理的学生了。”祖卡夫的书广受欢迎并赢得了一个美国国家图书奖。它的大获成功帮助传播了这只猫的图像，让大家在于20世纪80年代达到顶峰的科普物理写作的爆发中熟悉了这只猫。这只猫不仅仅在科幻小说中更多地出现，它也在边缘和神秘小说、业余哲学以及自助文学中更多地出现。［1］

为什么？首先，这个图像可用来代表我们也许能称为实体论不确定性的日常实际情况的某种特征（当你可能有几个选项时，一旦你选了其中一个，其他的就没有了）。当你选择了一个配偶结婚后，你就失去了和另外的人一起过日子的可能性。当你选择从事一门职业后，其他职业就成为了不可能，至少在没有相当多的再就业培训时是不太可能了。其次，这个图像和一只猫有关。薛定谔的猫不仅仅是一个便利的、具有科学特征的比喻，它还可以用图片以一种诱人的、可爱的方式来展示。再次，它涉及一种有乐趣的荒谬行为，就像禅宗公案里的只手之声。我们喜欢悖论。它们本应该使我们思考，但实际上它们告诉我们不需要操心。

物理学家们看起来对薛定谔猫不再那么关心，除了用作一个标签：“猫态”有时候被用来指大的相干量子系统，尽管没有什么东西能接近于像猫一样复杂。然而，世界上的其他人看起来很关心。一些科学家试图制作关于这只猫的精心的通俗解释，这包括海兹·帕各斯在《宇宙密码》中的解释、马丁·加德纳在一篇题为《量子怪异》的文章中的解释以及约翰·格里宾在《寻找薛定谔的猫》中的解释。说实话，这些严肃的解释只比那些更使人喘不过气来的解释不那么古怪一丁点儿。而且，如我们已经看到的，普通大众的讨论不一定尊重学术上的解释，并且经常为了自己的目的而采用和改变科学术语。“量子跃迁”被用于描述各种不连续的变迁，甚至并尤其是用于大的变迁上。以和这差不多同样的方式，“薛定谔猫”以及和它相关的方程被用于象征任何一个涉及不确定性的过程，这个不确定性是通过观测或与这个世界相互作用而被消除、澄清或改变的。它也已经成了一个比喻，用于描述一个实在与另一个实在之间的实体论距离。

3/4个世纪以后，薛定谔猫已经差不多和苏斯博士的《戴帽子的猫》一样成为了一个流行偶像。我们的学生总是能找到新的和独出心裁的引用。有一些是荒唐好笑和粗糙的，处于一知半解的状态，涉及虐待动物或者这只猫设想的报仇幻想。另一些是诙谐的漫画，出乎读者的意料。

猫佯谬背后的物理已经产生了它自己风格的玩笑话。让我们笑得最大声的一个笑话从在一个烟雾弥漫的酒吧里调情的两个人（让我们称他们为爱丽丝和鲍勃）开始。他们变得越来越亲热，最后（因为我们这本书是面向广大读者的，你得自己补充明确的内容）他们看起来似乎同时在进行两种矛盾的性行为。这让酒吧招待员很困惑，他在烟雾中弄不清楚他们俩到底在做什么。“怎么回事？”他问屋子里这两个醉醺醺的人。“我看不太清楚，这看起来很妙，但它不合理啊！”“是的，”醉汉沮丧地叹了口气，“这是一个超级方位［super position和量子力学里的superposition（叠加）很相近——译者注］。”［2］

回到那只猫，下面这个幽默以一种很难解释的方式让人觉得滑稽：

其他有关这只猫的提及是严肃的，暗指与现实有关的比较阴郁的问题。在莉莉·塔克的小说《为了幸福，我嫁给了你》中，丈夫菲利普是一个数学家，妻子尼娜是一个画家。薛定谔方程以及他的猫以隐喻的形式反复出现，象征这对配偶之间的差别：抽象和具体，理智和易动感情，逻辑思维和富于想象，精确和艺术，善于思维和注重实际，永恒和短暂。菲利普了解一个理想的世界，尼娜希望她能分享那个世界，她对那个世界依稀有点儿羡慕。她发现她的丈夫平静且超然，尽管她认为自己和现实世界的联系更多，但她发现自己的生活是不系统和不连续的，她的思想和记忆经常跳来跳去，被琐碎的事情分心。薛定谔的波函数以及它的塌缩、那只幽灵似的而又实在的猫经常被用来反映这两个人之间的距离，非常近但又无可救药地离得很远：

我们的大脑（菲利普已经试图解释这个多少次了？）不能在量子不确定性的世界里工作。量子力学是一个数学构造，包含两个不相容的备选物，并给每一个都分配了一个概率。

他继续说，只有当我们接受量子力学的一个诠释……但她已经没有在听了，而是在想别的事情：怎么样混合她的颜料去得到合适的胭脂红？把红酒焖牛肉在烤箱里放多久？11

这只猫的图像在通俗文化里出现得如此频繁，以至于会不可避免地出现反作用。下面是一个例子：

薛定谔的猫：icanbarelydraw CC BY-NC-ND 3.0

在YouTube上一段题为《薛定谔猫——世界上最烂的比喻》的视频里，可以找到另一个抗议者。这段视频是由一个取名为Sillysparrowness（似乎意指没头脑的小个子——译者注）的德国教师发布的。12虽然Sillysparrowness宣称她是一个“人文主义者”和“文人学者”，但她信奉严格拘泥于字义的含义诠释。薛定谔猫这个图像是一个“错误的例子，垃圾比喻”，因为“你就是不能在一个宏观的尺度上去解释一个原子尺度的事情——这完全行不通”。这不是一个你想和她一起研读法国象征主义诗歌的人。

这只猫的图像继续令人着迷，因为我们发现这个世界充满了多元的、混杂的和不完整的特性（抽象和具体，东方和西方，基督教徒和非基督教徒，男人和女人，等等）。如果把它们和这个世界分离，它们就会以一种迷乱的方式持续存在，但在特定的情况下，它们会演变为明确和具体的形式。我们知道把自己和世界隔离开会是什么样子，当我们和世界进行接触后，则会有不可取消的变化发生。我们知道同时兼顾多个身份是什么样子，然后又被迫要做出选择。这些体验很难描述，大多数通常的表达形式感觉不合适。

青少年们了解这个。这就是为什么《两个威尔》里的主人公（有两个取同样名字但不同的人）不认为薛定谔猫是一个玩笑的原因，他们急切地讨论它。他们体验到复杂矛盾的身份认同，然后又每时每刻地突然定型成其中一个。比如，一个威尔发现他的生活被一个在成人音像店里碰到的成年人弗恩齐改变了，而另一个威尔意识到他对他的两个朋友都在采取观望的态度。环绕在猫周围的“纠缠”问题是一个很好的比喻，用于表达他们的现实情况：复杂矛盾的感觉、冲突的身份认同以及没有表达出来的激情。

这本小说不只是向我们展示了青少年在理解他们的生活体验。我们看到了更重要的东西——他们怎样去理解自己的体验。为什么这些青少年（不是理科学生）谈论猫这个图像？因为他们不能理解他们的生活，他们向一些理念寻求帮助，传统的没找到，他们感到不知所措，而猫的这个图像看起来有所帮助。这只猫给了他们一个例子，关于他们感觉正发生在自己身上的那些事情的例子。他们使用这个图像去理解相互之间的关系，尽管他们知道自己不是亚原子粒子。他们的兴趣不是量子物理和亚原子领域，而是他们自己和他们自己的世界。他们是迷茫的青少年，生活在一个具有二元性、充满混合与未经表达的想法的世界里：聪明的和不聪明的，迷人的和不迷人的，渴望和畏惧。这只猫的图像（以及它的科学和理性特征）让他们可以安全地认为，以某种方式来深思问题是很酷的一件事，这种方式也能让他们去理解发生在自己身上的事情，理解他们自己的感觉。《两个威尔》里的主人公以一种老练的方式使用这个图像，将他们和自己保持距离，抽象地看待他们自己，但是以一种可以让他们更好地掌握自己的方式。那只猫的图像是一个让人舒适的替代品，通过它可以谈论他们自己，一旦安全的时候他们又可以放弃那个图像。

再一次（如同我们在这本书里讨论的所有量子图像），这是一个老问题的新图像。替代言语不只是青少年的。文学作品中另一个著名的例子是在托尔斯泰的《安娜·卡列尼娜》里，列文凝视着吉蒂这个他热爱但曾拒绝过他的女人的“友善而又害怕的眼眸”，和她一起玩了一个用粉笔画字母的填字游戏。这让他俩都能安全地谈论一个变化不定的话题，即先前的那次拒绝。他们解决了这件事情并达成了一个圆满的结局。

《两个威尔》中猫的图像是一个工具，很像那个填字游戏。它让参加者消除敌意，但是每一种情况有不同的原因：因为对青少年来说，它显得酷和有科学性，而对于俄罗斯贵族来说，它活泼有趣。我们看得到，像薛定谔猫这样的构思不是呆板和严格的，而是能在其他情况下当工具使用，处理我们体验中难以理解的部分。

“好吧，实际上那不是全部。结果是它有点儿比这更复杂。”

“我认为我没有聪明到能处理更复杂事物的程度。”我说。

“不要低估你自己。”她说。

在我努力仔细思考所有事情时，门廊的秋千发出吱吱嘎嘎的响声。我看过去，望着她。

“最终，他们弄明白了，让盒子保持封闭实际上不会让猫既是活的又是死的。即使你不去观测那只猫处于什么状态，盒子里的空气也会这么做。因此，让盒子保持封闭只是让你处在黑暗中，而不是让这个世界。”

“明白了，”我说，“但是未能打开盒子不会杀死这只猫。”我们不再是讨论物理。

“不会，”她说，“这只猫已经是死的或是活的，根据实际情况而定。”

“嗯，这只猫有个男朋友。”我说。

“也许这个物理学家喜欢这只猫有个男朋友。”

“有可能。”我说。

“朋友。”她说。

“朋友。”我说。我们达成一致。

——《两个威尔》

在科幻小说，比如《来世蓝图》里，这只猫的故事构成貌似可信的怪诞情节，要不就是不可思议的情节——看到真实的众多分身的体验。对科普作家来说，它简洁地表达了常识实在论的问题。对那些探究量子力学是如何与日常世界联系在一起的人来说，它抓住了“中间层次的实在”这个观念，海森堡说这是我们不得不为量子力学所付出的代价。对于书呆子青少年来说，谈论薛定谔猫是专注于它和理解它——只是碰巧可以让他们分享加深友谊的感觉。只有当它的隐喻起源被忘记、它的意思被认为是来自于它的根源而不是来自于它是怎么样被使用的时候，好像它的科学根源赋予了它特别的、神奇的力量的时候，它才变成了水果圈式——古怪和做作。

插节 边界战争

曾经发生过的最长和最难以解决的边界战争之一是经典物理学与量子领域之间的分界线之争。

刻画分界线的第一个尝试是玻尔的“对应原理”。按照这个原理，当具有作用量量纲（普朗克常数h的单位）的量和h相比变得很大时，关于这个运动的经典描述会变得越来越精确。这有点儿像在刻画美国与加拿大之间的边界时说，你往北走得越远，事物就变得越来越加拿大化。它没有确定一个精确的分界线——它暗示着你不能这样做，但确实说了这个分界线涉及从一个地方到另一个地方的一个平滑过渡。

玻尔首先把这个原理（当时还没有取这个名字）应用在他关于玻尔原子的工作中。他提出，对于非常大的轨道，我们应该能用经典物理学推导出来自于一个原子的光辐射，然后将经典的物理量与量子物理里和它们相对应的量匹配起来。这让他能够推导出（而不仅仅靠假设）一个别人已经提出过的想法，即角动量应该以h=h/2π为单位来量子化。如他也许已经说过的那样，在大量子数极限下，量子的处理方式应该转化为一个经典的方式。当你转动曲柄把h变得越来越小时，你变得越来越加拿大化，直到h变成零，你就完全到了加拿大！因为原子的能级变得越来越近，玻尔发明的那些不连贯的跳跃或跃迁变得越来越小，并开始模糊成一片。重要的一点是量子与经典描述之间的过渡完全是平滑的。

尽管这些轨道大，有关的能级之间的能量差非常小，但这个由一个电子环绕一个原子核运行的系统仍然只有少数几个组成部分。当系统组成部分的数量变得非常大时会发生什么情况呢？你能得到的最大的物体是什么？这个话题当然会引发玩笑。“袜子，”一个《新科学家》杂志的读者权威式地说，“以我的经验来说，它至少可以像一只袜子那么大，因为它们看起来似乎是随机冒出来的（检查一下袜子抽屉里落单的袜子的数目）。”这个读者补充说：“我已经发现，在把它们置于一个水生环境的高温中之前，可以通过纠缠来防止它们消失。”13

从科学上来说，这是个复杂的问题，因为我们必须不仅仅考虑物质里组成部分的数目，还需要考虑这些组成部分是否能独立地运动。例如，在一块大的理想晶体里，在温度很低的时候，不可能有很多的激发存在，原则上我们可以想象把这个晶体处理成单个遵循量子规律的物体。在具体实践中，我们还没有能这样做的技术，但将富勒烯（球状分子，60或70个碳原子组成一个笼状结构）通过一个适当设计的光栅，我们已经观察到了特征波衍射图样。经典粒子物理学也会给出振荡的强度图案，尽管是非常不同的图案，简单来说原因就是来自于光栅的周期性，但结果看起来和那些由量子波所预期的相似。

那么大得多的物体的衍射会是什么样子呢？在这种情况下，衍射光栅的间距需要相应地变大吗？这里碰到的第一个问题将是热激发，它会使束流变得不相干，不能正确地进行干涉。举一个荒唐的例子，如果想让人进行衍射，你首先得把他们冷却到如此低的一个温度，以至于他们都不能复活了！

大晶体的这个例子表明，我们也许能在大到足够能在显微镜下看到的物体里探测到量子干涉。有几个实验已经成功地进行了这种探测，其中一个实验是由我们在石溪的同事完成的。14在那个实验里，一个超导圈中有外磁场通量穿过，大小正好处于两个超导体通量量子的半中间。因此，这个超导体得提供一个电流，将通量降低或升高半个量子。这两种位形的能量非常接近，因而我们可以寻找它们之间的量子振荡。这些量子振荡确实被探测到了，这意味着两个态之间的量子干涉，它们的磁矩相差大约为一个氢原子磁矩的100亿倍！这开始变得相当宏观了。

做这类实验的早期支持者之一有诺贝尔奖金获得者托尼·莱格特（获奖理由是有关氦3超流体的理论工作），他对是否真的能做这些实验持怀疑态度。如一场辩论所戏剧性显示的，他对进一步将量子干涉扩展到宏观世界也持续保留怀疑。这场辩论是关于量子力学以它现有的形式是否能说明我们关于明确结果的观念（例如，那些像盒子里的猫一样复杂的事物被观察到要么是活的要么是死的，而不是这两个状态的叠加）。这场辩论发生在2005年的一次学术报告会上，会议议题为“令人惊奇的光”，是为了庆祝查尔斯·汤斯的90岁生日。莱格特在这场辩论中的对手是诺曼·拉姆齐，他因为有关干涉系统的工作而获得诺贝尔奖。这些干涉系统能被用于制造原子钟以及其他东西。拉姆齐的年纪大一些，我们也许会因此认为他会更倾向于支持经典物理学而不是量子，但是他的立场是，对能展示出量子干涉的物体而言，不存在什么尺寸或复杂度上的内在极限。

在实际情况中，当系统变大时，是什么让干涉消失了呢？多数人的观点是，当尺寸增大时，将会有越来越多的“松散”自由度耦合到不管具体是什么的主要系统上。如果对应于主要系统的某些态，这些自由度处于不同的状态，那么这些态想要干涉就会变得极端困难，因为不仅仅它们需要处于单个频道中，那些额外的状态也需要。因此，这些“量子模糊”的出现会导致退相干，意味着不同的宏观态之间不能相互干涉。

薛定谔的猫是一个很好的例子。“活”和“死”这两个态是很多不同变量的极其复杂的组合，这些变量对这两个态而言自动就具有非常不同的值。仅仅举一个例子，要完全干涉携带二氧化碳的血红蛋白细胞数和携带氧气的血红蛋白细胞数，对这两个态而言应该完全一样，但这是高度不可能的。

除了其他可能性，莱格特也在探索一个最初由别人提出来的想法，就是也许存在着新类型的（目前尚未探测到的）涨落，它们越来越容易和大系统耦合到一起，并因此使得可观测的干涉变得越来越困难，而不管实验者对那些已知自由度的控制能有多好。寻找那样的一个现象肯定是值得的，因为它将会为我们对物理世界的了解增加一个重要的新特征。幸运的是，这种搜寻可以简单地通过努力制造越来越大的、确实呈现干涉的系统来完成。如果莱格特是对的，这将会像是发现了关于增加呈现出相干性的系统的尺寸和复杂度的一个“自然的障碍”，等同于美国与加拿大之间的一个自然的分界线。

同时，实验学家和理论家继续努力将物体置于越来越大的量子叠加态中。最近，杜伊斯堡–埃森大学的两个物理学家试图去量化有关这些物体的实验的尺寸或“宏观度”。他们把自己新定义的参数称为μ，当然是发音为“缪”的希腊字母。μ值越大，物体就越宏观。这些研究者计算了到目前为止所获得的最宏观的叠加态的μ值，结果为12。这个叠加态是在一个他们帮助实施的2010年的实验中获得的，有356个原子。他们认为有可能最终实施一些实验，把μ值提升到23。但是一只猫（他们用一个4千克的水球做模型，同时还做了一系列其他的大量简化）的μ值为57，看起来没有希望能达到。或者说这等价于将一个电子置于一个叠加态，并保持1039乘以宇宙年龄那么长的时间。“我们永远不应该说永远不，”两个研究者之一说，“但我们很可能永远都不能把一只猫置于一个量子叠加态中。”理论家指向其他的困难，有认真的和不认真的，包括放养思索的猫的问题。“所有的事情都变得有点没头没脑了。”报道这个故事的《物理世界》杂志的编辑们评论说。15

量子领域与众不同的特征，那个最终造成它所有怪异性的特征涉及为粒子做预言的波的性质。纠缠、叠加、极化以及干涉是经典的波中熟悉的事物，但对经典的粒子而言则是荒诞的。当量子与经典领域之间的分界线最终被找到后，我们就能确信一件事情：在分界点，波和粒子各走各路。

第11章 兔子洞：对平行世界的渴望

在戴维·林赛·阿贝尔的获奖舞台剧《出口》（2005）里，高中生杰森正开车行驶在一个安静的城郊住宅街区，突然一条狗冲出来跑到了他的车前。杰森猛然转向躲避这条狗，但却撞到了一个追赶狗的小男孩并导致其死亡。杰森对这个本可避免的悲惨事故感到悲伤和懊悔，他为自己学校的文学杂志写了一个故事。故事是关于一个科学家的，这个科学家发现了一个通向平行世界的通道网络，在那些平行世界里有这个世界里的人的不同版本。在这个科学家死后，他的儿子研究这些不同的世界，搜寻那个在其中他父亲还活着的世界。杰森把这个故事给了贝卡一份，那个因车祸去世的小男孩的母亲。

《出口》被改编成了一部由妮可·基德曼主演的电影（2010）。《出口》中杰森关于旅行到平行世界的想象在一部拥有类似主题的电影《另一个地球》中变成了现实。这次的主人公是罗达（布里特·马灵饰），一个高中毕业班学生。她被麻省理工学院录取，在那里她能继续追逐她对天体物理学的热爱，她的人生将充满各种可能性。在一次和朋友的庆祝聚会后，她开车撞毁了另一辆车，使得那辆车的驾驶员约翰陷入昏迷状态，并导致约翰怀孕的妻子以及胎儿死亡。

接下来看到罗达是在她服刑4年刑满释放后搬回父母家。与此同时，另一个地球出现在天空中，和我们的地球一模一样，除了它上面的居民的人生事件在那个地球被发现的时候和我们的分了岔以外。而它被发现的那个时刻正好就在罗达的交通事故之前。一个叫联合太空事业的公司开始预订去这个被称为地球-2的星球的旅程。仍然受到刑期创伤的罗达赢得了一张票，她盼望去拜访那个不同的自己，那个拥有没被毁坏的、无疑是充实的和富有创造性的生活的自己。在最后一刻她改变了主意，把票给了约翰，那个在车祸中失去了家庭的男人，让他可以再次见到他的家人，看到一个完整的家庭。

在《出口》和《另一个地球》里传播的关于另外世界的想法不是新东西。自古以来它就已经存在（尽管不一定作为一个纯科学的想法）并提供了很多富于想象力的用途。在公元前5世纪，古希腊哲学家菲洛劳斯提出存在一个“反地球”或autichtbon（反地球的希腊语，原著误写为autochtbon——译者注），它对生活在我们这个半球的人来说是看不见的。这里它的用途是宇宙学的，没有反地球，菲洛劳斯的宇宙将会是不平衡的。另一个不同之处是菲洛劳斯没有想象反地球上有和我们对应的事物。同时，在古典希腊神话里，有关俄耳甫斯的神话想象有能通过爱和奉献让人复活的可能性——这样可以反转一次不幸的死亡。

跳到19世纪，路易斯·卡罗心爱的故事《爱丽丝梦游仙境》使用一个神秘的、幻想的世界来达到娱乐消遣和讽刺的目的。《神仙一样的人》，1922年由郝伯特·乔治·威尔斯写的一个故事，使用一个替代的世界来做社会批判。在故事里，一个新闻记者被偶然运送到了乌托邦。这是一个平行世界，曾经很像地球，但现在是20世纪30年代英国的一个非常发达的版本。这个世界没有了很多弊端，包括没有政府。（如小说里的英雄巴恩斯特布先生被告知的，在乌托邦中“我们的教育就是我们的政府”。）

阿根廷作家豪尔赫·路易斯·博尔赫斯是一个对涉及时间和本体的哲学悖论不懈探索的人。他在1941年发表于同名文集里的短篇故事《分岔小径的花园》中想象了一个“多重宇宙”，在这里所有来自于全部可能抉择的可能性同时共存。这本书里的另一个故事《巴别塔的图书馆》是一个文学上的对应物。在这个故事里，博尔赫斯描绘了一个巨大的图书馆，馆里包含了字母、空隔以及具有某种格式的410页书本中的标点符号的每一种可能的排列组合，目的是探究包含意图和信息的谜题。

其他现实存在的这种想法，或如果我们做了不同的选择，我们的生活或世界将会不一样这么一个事实，也不是什么新东西。罗伯特·弗罗斯特的诗作《未走过的路》思索着一个骑马人在两条回家的路之间的选择。弗罗斯特写道，“两条路在一片黄树林里分岔”，让他感到遗憾的是不能两条路一起走。《亲密交易》是英国剧作家阿兰·艾克伯恩写的一系列戏剧，它的开场依赖于主人公们所做的微小选择而分支成16个不同的结局，每晚呈现其中的两个版本，总共是8场演出。这是一部戏剧杰作，如艾克伯恩有一次写的，它举例说明了“我们每个人在自己的生活中都会做出的细小决定，那些导致较大后果的细小决定”。1

《出口》和《另一个地球》的不同之处是它们利用了其他现实的一个非常具体的形式，由多个几乎完全同样并同时于我们这个世界的平行世界组成。它们因为一些不一定是有意识地做出的、瞬间发生的决定而相互分岔。这个想法诞生于一个最不可能的地方：一个高度有争议的量子力学诠释。为了让事情简单明了，我们区分平行世界（即很多同样实在的世界共存这么一个想法）和其他世界（即这个存在的世界是那个唯一实在的世界，但如果我们追随了不同的道路，它就可能会是别的样子这么一个想法）。平行世界的想法是量子力学为古老的梦想和渴望增添新的聚焦点的又一方式。

艾弗雷特的荒唐事

我们在上一章的开头说过，量子力学将亚原子世界描述成按照两个要素的相互交叉来进行演变：包含很多叠加在一起的可能性的薛定谔方程，以及某个使得这些可能性中的一个显现的东西。为了把这个奇怪的图像和我们熟悉的日常世界联系起来，物理学家采纳3个总体策略中的某一个。

第一个也是最普遍的一个叫哥本哈根诠释，以尼尔斯·玻尔工作所在的城市命名。它把这个世界分成两个非常不同的领域：量子的和经典的。量子领域由一个场来支配，场本身不是可触及的或可观测的，它由薛定谔方程来描述。薛定谔方程是一个给出某些真实状态具体发生的概率的处方。当这个量子场通过一次测量或别的什么相互作用遇到经典领域的某个东西后，这个函数在这次相遇中蒸发或“塌缩”，消除所有的真实态，只留下其中一个。关于这个世界会发生的事情所有我们最终能知道的东西是概率。

哥本哈根诠释本身就相当奇怪，它激起了两种持否定意见的人。一种人，我们在第9章里讨论过，否认第一个要素。这些否认者说，没有真正的叠加或信息波函数，我们有关量子场的知识是不完备的。存在着比我们已经发现的还要更多的因素，一旦我们发现这些“隐变量”，因果性和可预测性将被恢复。另一种否认者拒绝第二个要素。他们主张，我们没有也不能消除那些其他的可能性，它们都存在。

这是量子力学的平行世界或多世界诠释，是人类思想史上最符合逻辑、最离奇和最可笑的想法之一，并且是很多科幻故事的灵感来源。多世界这个想法是由休·艾弗雷特三世（1930—1982）提出的。艾弗雷特度过了一个不长和碎裂的人生。2他出生于华盛顿哥伦比亚特区，是一个痴迷于模型构造的人。他“急于想减少世界的复杂性，把它整理成一个合理的公式”。3然而，尽管他试图用模型来把握生活，他却一直不了解自己的生活。

艾弗雷特的个人生活和他的职业一样飘忽不定。他是一个倔强的人，身体超重，一根接一根地抽烟，并且酗酒。他不关心自己的孩子并虐待妻子。他和妻子于1956年结婚，是一个不折不扣的花心男人。在他和女人的风流韵事里，一个朋友说：“他的目标函数不包含情感价值。”另一个朋友说：“他视人生为一场游戏，而他的目标则是最大限度地寻找乐趣。他认为物理有意思，他认为核战争有意思。”不管怎样，建模吧。

艾弗雷特太着迷于模型了，以至于都不能有效地和真实世界发生关联。在他人生的最后阶段，当时接近破产了，他努力为一个叫“赢按揭”的软件程序写代码，用于计算不同情况下的抵押贷款还款额。他的女儿是一个狂躁抑郁症患者，嫁给了一个吸毒成瘾的人，并且自己也成了瘾君子，最后死于自杀。艾弗雷特死于醉酒时的心脏病发作。当急救人员把遗体拉走时，他儿子意识到自己从来都不记得生命中曾碰过自己的父亲。按照艾弗雷特的愿望，他的遗孀把他火化后的骨灰扔进了垃圾堆。

艾弗雷特1953年进入普林斯顿学习物理，并被量子力学以及它的“测量问题”激起了好奇心。“测量问题”是当一个测量事件发生时，波动方程所描写的叠加“塌缩”或蒸发方式的一个通俗名称。艾弗雷特对哥本哈根诠释以一种宇宙隔离制度的方式来描写世界感到不满意。哥本哈根诠释把世界分成一个确定的、真实的领域（这里住着做测量的人并是测量发生的地方）和一个不确定的、不真实的量子领域。他发现令人费解的一件事就是支配量子领域的波函数是连续演化的，而从经典领域这边闯入的测量行为却是突然和不连续的，并魔法般地消除了一个可能性之外的所有其他可能性。

艾弗雷特的博士学位论文（1957）是在物理学家约翰·惠勒的指导下完成的。在论文中，他发现了一个消除这种令人费解的情况的方法。这个方法既简单又奇异。当一个量子系统被测量时，或者说与经典世界相互作用时，那些叠加的概率不消失，这个系统劈裂成平行世界，这些平行世界里居住着差不多和我们自己一模一样的双胞胎。这些世界中的每一个本身又保持分裂，像灌木一样，那些分叉点就是每一处量子领域和经典世界接触的地方。用艾弗雷特的话说是：

随着之后的每一次观测（或相互作用），观测者的态“分叉”成一些不同的态。每一分支代表一个不同的测量结果以及测量对象系统的相应本征态。对于任何给定的观测顺序，叠加中的所有分支同时存在。

看起来，观测者的态不仅仅是经过弗罗斯特的那两条路，而是同时经过所有其他可能的路。

艾弗雷特把他论文的简写版提交给《现代物理评论》的一个特刊。那份特刊的编辑是布莱斯·德维特，他发现艾弗雷特的工作“完美地连贯一致”但难以置信。他说：“我就简单地不分叉。”德维特写信给艾弗雷特说他没有探讨量子力学里令人困惑的关键问题，也就是由波函数描述的概率和由测量得到的实际情况之间的转变。作为答复，艾弗雷特在他的论文里加了一个补充说明，说他的理论以“一个非常简单的方式”处理这个问题，即在这个理论里“不存在这样的转变”。他接着补充说：

从这个理论的观点来说，一个叠加态里的所有要素（所有“分支”）都是“真实的”，没有哪个比其他的更“实在”。没有必要假定除了一个之外其他的都以某种方式被消灭了，原因是一个叠加态里所有分离的要素各自遵循波动方程而不在乎任何其他要素是不是在场（“真实”与否）。这种一个分支对另一个分支完全没有影响的情况也暗示着没有观测者会觉察到任何“劈裂”过程。

持怀疑态度的人问，我们真的永远不会觉察到这种劈裂吗？是的！艾弗雷特在补充说明中强调：

那些质疑说这个理论所展现的世界的图像与经验相矛盾，因为我们没有觉察到任何分叉过程，就像那些对哥白尼学说的批评说地球的运动作为一个真实的物理事实和关于自然的常识理解是不相容的，因为我们感觉没有这样的运动。在这两种情形下，当我们证明理论本身预言了我们的经验将会是它事实上就是的东西时，质疑都不会成立。4

德维特后来变成了艾弗雷特理论的一个拥护者。他和他的学生尼尔·格雷厄姆共同编辑了一本关于艾弗雷特理论的论文集。他们指出：“艾弗雷特的诠释呼唤一个对简单实在论的回归和对老式想法的回归，这个老式想法即是在形式主义与实在之间可以存在一个直接的对应。”5这不完全是对的。唯一可想到的、能“看到”这些其他世界的方式（以便波函数这种形式能和它们对应起来），是具有一个神的视角和凭直觉感知这些世界而不“观测”它们中的任何一个。如果一个人观测其中的任何一个，那个人就成了那个特定世界的一部分，并且不能观测其他的世界。在薛定谔猫的图像里，能有两个共存可能性的唯一方式是对某个处在盒子外的人而言的。然而在宇宙中，我们都处在这只猫的位置。从猫的观点来看，只存在一个实在。

而且，波函数是一个用于预言的工具。但是这个函数只是陈述从这一点开始我所拥有的、关于系统下一步将会发生什么事的最好信息。薛定谔方程是对将来的一个预测；要有叠加态，你必须处于外面或处于最开始。作为一个计算工具，薛定谔方程不表示系统真的就处于所有这些态中，而只给出这些态中的每一个会成为现实的可能性。它不告诉你这只猫是死还是活，它被创造出来时就不是做这事的。比如，在第8章插节中提到的双缝实验里，波动方程不告诉你那个电子将会在这里还是在那里，而是告诉你电子将会在这里或那里出现的概率。概率的消失并不比下面这种情形下概率的消失更奇怪，就是一旦一个赢家被选出来后，我或者任何其他人能赢得彩票的概率就消失了。另一方面，艾弗雷特的想法把实在性给予了所有叠加在一起的概率。这个想法是一种欺骗，但能生存下来，因为它也假定了不可见这么一个掩盖——没有哪个态能看到另一个态。

艾弗雷特的观点的另一个古怪特征是，因为其他备选世界是振幅，它们不出现在不同的几何位置，而是所有世界都位于相同的时空处。这些平行世界在空间上没有分开；在一次测量里，所有的可能性一起在同一个地方发生。装猫的盒子里很拥挤，它们同时既是死的也是活的。但那怎么可能？因为死的猫大概该是躺着的，而活着的猫则是坐着的。

爱因斯坦的处理方法是说量子力学不适合我们关于实在的最简单的看法。艾弗雷特的方法是以一种花哨的方式重新定义实在——定义为可能会发生的每件事物。艾弗雷特的诠释恢复了因果性并通过弄乱有关实在本身的观念而消除了波函数的塌缩；它假定有无数多数目的无限分叉的“真实”世界，这些世界只对神的直觉而言才是“真实的”。

“没有人能批评他的逻辑，即使他们不能容忍他的结论，”查尔斯·米斯纳，一个普林斯顿同辈研究生写道，“对这个困境最常见的反应就是忽视休的工作。”6艾弗雷特离开了这个领域，此后再也没有发表有关量子力学的研究成果。

幸运的是，冷战为博弈玩家和模型爱好者创造了一个巨大的市场，用于军事研究来跟踪核战争实施策略的结果。艾弗雷特在这里得到了更多的尊重，发明了一个“艾弗雷特算法”来改进传统的拉格朗日乘子法，用于计算后勤问题中的结果。在20世纪50和60年代，他为五角大楼的最高机密武器系统评估小组工作，为实行核战争设计策略和预估放射性尘埃沉降物的破坏效果。他也为另一个军事智库——兰达公司工作。

“严重的精神分裂症”

德维特，艾弗雷特的第一个编辑以及最初的一个怀疑者，很快就改变了他的主意。1970年，德维特想吸引大家注意艾弗雷特关于量子力学的看法，他写了一个他后来称为“故意耸人听闻的”有关它的描述并发表在《今日物理》上，把它重新取了个名字叫“多世界”诠释。德维特的生动行文无疑引起了人们的注意：“发生在每一个星球上的、每一个星系里的、宇宙每一个遥远角落里的每一个量子跃迁都把地球上我们的本地世界分裂成无数多它自己的复制品……这是一种严重的精神分裂症。”7但是，大多数物理学家仍然发现艾弗雷特的想法（对于整个宇宙存在一个宏观的波函数，对每一个粒子有一个不同的坐标变量，不停地分叉成具有不同概率的版本）符合逻辑，但没有什么帮助。

《自然》杂志在它2007年7月5日的封面上很好地捕捉到了大多数科学家的态度。它被做得有点俗艳，模仿一份蹩脚的20世纪50年代的科幻小说报。《自然：有关超科学的惊人故事》描画了一个正要尖叫的女人，她越过肩头瞥见一个没有尽头的队伍，里面全是差不多和她一模一样的双胞胎——尽管艾弗雷特的观点里有一个不可缺少的部分是说这个女人不能和她的孪生姐妹通信或不能知晓她们。专题报道的标题是《多世界：终极量子怪异的50年》。

《自然》杂志，2007年7月5日

对于大多数科学家而言，艾弗雷特理论的问题是它不产生新的预言，它假设这些分叉保留全部的世界，它消除了一个问题，付出的代价是假定无数多我们不能探测到的世界的存在。它以一种刺眼的方式违反了奥卡姆剃刀原则（一个说最经济的解释是最好的解释的法则），它使得“实在”这个观念没有了意义。为什么要假设不可数的无穷多不可知的、分叉的宇宙来处理一个问题？对这个问题存在着删除这些分叉的解决办法。换句话说，它是某个站在世界外面的人的观点，这个世界开始继续前行，那个人不能看到正在发生什么事情。过了某一段时间后，那个人问：“我可能会看到什么？”波动方程说：“这是你可能会看到的东西！”但它仅仅是一系列概率，不是真实情况——而且不存在这么一个人。

艾弗雷特的想法只不过是一个诠释，它不能够做预言且不能被证伪。和薛定谔的猫一样，它几乎被许多物理学家所忽略（尽管科学家倾向于站在一定距离外把宇宙视为一个整体来考虑，比如宇宙学家往往喜欢这样），但在大众文化里它是一个大家熟悉的故事。

杜撰的诱惑

在《第五号屠宰场》里，库尔特·冯内古特把一种类似的、位于盒子外的直觉力赋予了生活在特拉法马铎星球上的生物。

我在特拉法马铎星球上学到的最重要的事情是，当一个人死了的时候，他只是看起来是死了。他在过去仍然是活得很好的，所以人们在他的葬礼上哭是很傻的事情。所有的时刻，过去、现在和未来，一直就已经存在，将来也会永远存在。特拉法马铎人能够看到所有不同的时刻，正如我们能看到（比如）落基山脉的绵延伸展。他们能看到所有的时刻是多么永恒，而且他们能查看任何让他们感兴趣的时刻。在地球上，一个时刻接着另一个时刻，就像一根绳子上的小珠子，一旦一个时刻过去了，它就永远过去了。这只是我们拥有的一个假象。

当特拉法马铎人看见一具尸首的时候，所有他想的只是这个死去的人在这个特定的时刻处于一个不好的状况，但同样是这个人他在许许多多的其他时刻都是挺好的。现在，当我自己听到某个人去世时，我只是耸耸肩说一句特拉法马铎人关于亡故的人的话：“事情就是这样。”8

英国的一个电视节目《神秘博士》是世界上最长的科幻电视系列剧，它里面有一些叫时间管理者的角色。他们不仅能站在盒子外面，而且还能移动到盒子里的任何地方。

米基：我在漫画书里看到过这个。人们从一个世界突然出现到另一个世界，这很容易。

博士：在现实世界里不行。以前是容易的。当时间管理者照看事物的时候，你能在现实之间忽来忽去，回到家里还能赶得上喝茶。然后他们死了，把所有这个都带走了。现实的墙关上了，世界被封上了，所有事物都变得不那么友善了。9

艾弗雷特以及之后德维特提供的科学上的关注推动了另外世界的流行，并给了它新的可能性。这个想法对小说家、电影制作人以及所有类型的故事作者而言无异于天赐之物。如果你在艾弗雷特的想法上作点弊，想象在另外世界或平行世界之间能有信息交换或旅行，这会打开巨大的“情节空间”。关于另外世界的传统想法通常涉及两个世界，这两者中的事物因为一个决定或一个被改变的转折点而不同。它有点儿像传统科幻小说里的时间旅行。平行世界的想法，加上（在艾弗雷特的理论里，科学上是不允许的）能在这些世界之间横向或水平（可以这么说）穿越这个想法，而不是在线性的时间上往后和往前穿越，提供了一个新的叙事自由度，让作者、电影制作人以及其他讲故事的好手能发展出新的关于时间之谜、本体和史实性的探究。

第一个基于这个想法的故事《世界商店》于1959年出现在《花花公子》杂志中。它由科幻小说作者罗伯特·谢克里执笔，故事是关于一个非法商店的，店主使用注射剂和小机器把顾客送到另外的世界去，摆脱开我们自己的世界，在那里他们能实现秘密的愿望。很令人失望，对于那份杂志的典型读者来说，故事里没有关于性的东西，只有某个来自毁坏了的世界的人在搜寻一个普通的、正常的世界。

与后来有关平行世界的处理相比较，谢克里的情节构思是粗糙的。很快就出现了更精巧的情节探索更复杂的可能性。拉瑞·尼文的短篇故事《所有无数多的路》（1971）表达了这样一个信息，旅行到其他宇宙会导致道德上的虚无主义。在发现旅行到平行世界的可能后，犯罪浪潮随之而来。一个警探对此感到很困惑，他发觉这个可能性的发现已经破坏掉了道德选择的所有意义。这个发现助长了这么一个观念，就是任何行为甚至是一个犯罪行为都和其他行为一样是好的。在下页的连环漫画里也包含了一则虚无主义的信息。

李连杰领衔主演的电影《宇宙通缉令》（2001）采用的是一个更加以动作为导向的方式，它的情节涉及变成全能主宰的能力。电影里存在有限多个宇宙，因而每一个人也存在有限多个版本。当其中一个版本死亡后，其他宇宙中的这个人会得到更多的力量。意识到这一点后，人们建立了一支多重宇宙警察力量来防止有人杀害他们自己的其他版本，以及跨宇宙监测人的行踪。然而，警察中的一个叛徒通过杀害（差不多）所有他自己的版本而接近了全能主宰。

“戴维相信多重宇宙——所有宇宙都很糟糕。”

尼尔·斯蒂芬森的小说《飞越修道院》（2008）是描写平行世界的科幻小说中的一个精巧例子。它的情节关乎平行世界居民之间的冲突，这些平行世界里的居民甚至在生物形式上都可能有点不一样，比如他们能消化的食物不同。

艾弗雷特的想法也被几个电视节目所运用，包括喜剧动画电视连续剧《恶搞之家》——关于一个被称为格里芬的不正常家庭。在几年前题为《通向多重宇宙之路》的这样一集故事中，格里芬家的宝贝儿子史杜伊和宠物狗布赖恩使用一个遥控器在平行世界里旅行，他们到了一个狗统治而人则服从的世界。布赖恩不愿意离开这个世界。

平行世界这个想法甚至还启发了一些雕塑家，例如伦敦漫溢工作室的乔恩·阿登和阿纳布·杰因。他们创造了一个作品叫作《第五维照相机》（2010）。它是2011年在纽约现代艺术博物馆举办的一个叫“和我聊聊”的展览的一部分，展览的特色主题是那些将技术和通信紧密结合在一起的东西。他们的展览品像一个照相机，装于一个三脚架上，附在一个红色的像牛角的圆锥体上。这个圆锥体指向墙上排成行和列的一个照片阵列。这些照片是在同一个地方拍的，每一张上打有同样的日期和时间（2012年11月25日，15:09:38），但每一张上的某个东西会稍微有点不一样：骑自行车的人、吸烟者、吵架的夫妻、无家可归的人或什么人都没有。

标签上写着：

按照1957年物理学家休·艾弗雷特三世假定的多世界理论，尽管个人观察到的时间是线性的，但却存在着弄不清数目的宇宙，它们中的每一个都支持平行的时间轴，每一根时间轴都有可能倒转和影响其他轴上的结果。

艺术自由许可：艾弗雷特想法的基本原则是每一个世界都不能被其他世界观察到，并且也不能影响其他世界。不过没关系。标签上继续写道：

第五维的照相机，一个隐喻性的多透镜物体，探索我们怎样有可能同时看到所有那些不同的世界。在所有从我们的线性时间轴分叉出来的世界里，任何决定、行为或日期的所有那些可能的分叉从理论上来讲都可能被看见。

《第五维照相机》比《世界商店》里的间接乐趣、《飞越修道院》里令人眼花的复杂性以及《恶搞之家》的滑稽喜剧片段多重宇宙要更理性。它更多地瞄准智力带来的快乐，即推测如果有技术能让我们看到不是自己所在世界的演化世界，那将会是什么样子。

吸引力

平行世界利用了人类关于选择右边还是左边道路的焦虑。这个想法允许我们至少在想象中抱有同时选择两条道路的希望，或持有改写我们过去的能力。一个精神病专家同僚喜欢谈论他持有的（以及他的病人持有的）强烈冲动，他说：“我本来应该做那件另外的事！”他指的是说这句话以及思考当我本来应该做了另外的事后将会怎样的冲动。我们发现甚至想到我们本来能做一个不同的决定也是令人欣慰的。平行世界以一种可以想象的方式（不像费米子和玻色子）给我们的本体和身份带来了一个变数。它暗示着对实在而言，比简单地就是那样还有更多的形式；它触摸到并利用我们对这是唯一可能的实在的恐惧。它允许我们觉得我们本来能做得更好——我们本来能是有力的竞争者，而且在有些世界里我们仍然是。

平行世界的水果圈式忽悠许诺有真实的能力来联系其他的世界，你很容易在网上找到这样的许诺。这些许诺说，实际上真的存在平行世界，而在其中的一个里，你非常地成功，你可以从那个人身上学到东西。在这个世界里，你仍然可以成为一个有力的竞争者，只要你简单地付钱购买一个教学视频。

相比之下，平行世界想法的虚构使用是有帮助的，它允许我们去思量其他的可能性，而不是欺骗性地坚称它真的存在。这是唯一的实在——我们不得不做了不好的决定，确实是恐惧的一个来源。我们本来能做得不一样（我们是优秀的但没做好）这样一种渴望是更给人以希望的。消极的一面是，这是一种逃避现实的幻想——遇到另一个你的这种想法。它是对伊甸园的向往的一种变化形式，渴望一个完整的、满足的现实，那个我们已经丧失了的现实—是对我们的有限性的一种压制。积极的一面是，这个想法能帮助我们接受自己的有限性。在《出口》里，这个想法让杰森能清楚地自我表达—因此也让我们这些旁观者能表达出—一种否则他无法表达的自责与悔恨。他的空想不是为了处理亚原子领域的事情，而是为了应对他自己的生活。它也帮助了蓓卡，那个因车祸去世的小孩的母亲。她默默地想：“在某个世界里，我正过着愉快的生活。”

《另一个地球》里的平行世界从科学上来讲是不太合情理的：一个完全一样的地球能形成，它到目前为止一直没被探测到，人们能在不同的世界之间旅行，等等。然而对人而言，太空天外救星的使用是完全令人心悦诚服的，因为它有助于呈现和聚焦罗达的悔恨和悔悟。罗达最后赢得了一趟去往另一个地球的旅行。但是，在听从了一个年长的、为了“正视自己的内心”而把自己弄瞎的印度看门人的建议后，罗达确定遇见她自己不会让她学到什么东西。自知之明的获得是非常困难的，而诱惑反倒压倒性地让人心烦意乱并寻求欲望的满足。我们的一个学生在看了这部电影后如是说：“你能拥有的最不寻常的相遇就是碰到你自己。”在这部电影里，我们看到罗达受到一个渴望的吸引，就是去遇见那个没有犯她的错误的另一个自己，但是我们也看到她意识到这没有什么帮助。我们看到，遇到另一个不同自己的这个期望增大了罗达对她自己的处境、对她自己的历史真实性的敏感度。它让她更专注于这个世界而不是另一个世界。她对拜访另外的自己（想来应该是成功的那个自己）这样一个愿望的满足失去了兴趣。她把自己的票给了约翰，那个被她摧毁了生活的男人，因为这张票对他以及他的家庭来说具有更大的价值。这张票推动她重新聚焦她所悔恨的东西，焦点从她移动到了事情的处境。现在对她来说重要的东西不是让她自己往前走，而是让整个情况往前走，其中包括对约翰以及他的家庭所发生的事情。这部拥有一个不可能的情节设计的电影向我们展示了一个事实：罗达想法的一个转变，从“我想看看我曾经会是个什么样子”到“我将让他去看看他的家庭曾经会是个什么样子”。

这个不可能的情节手法使愈合成为可能，并因此向我们这些观众展示了有关愈合的一些东西。布里特·马灵饰演罗达并合写了电影剧本，如《纽约时报》引用她的话所说的：“在科幻小说里，相比于遵循所有的科学规律，有时候你不那样做反而可以更靠近真理。”10

我们生活在易碎的幻想中，打开和关闭各种可能性的幻想中。这个不可能的情节设计能让我们意识到这个人类真相，这一和我们自己的有限性相关的真相。尽管平行世界是科学史上最难以置信和最不现实的想法之一，但这个想法能帮助我们更加了解人性。

插节 多重宇宙

我们在课堂里讨论平行世界的时候，有些学生感到困惑不解，因为他们混淆了平行世界和另外一个想法——多重宇宙。多重宇宙涉及其他可能的宇宙，最近在科学期刊上多次出现。多重宇宙想法的产生如下所示：在我们当前的物理图像中有很多自由参数，对这些参数的取值我们还没有找到解释。这个想法是说，这些参数中的每一个本来也可以在很大一个范围里取值，但对这些取值的绝大部分而言，人类生命不可能出现。因此，我们确实存在的这么一个事实保证了这些参数具有合适的取值。这样的参数的一个例子是氢原子核（即质子）的质量与电子质量的比值。电子被和原子核束缚在一起来组成那个氢原子。很显然还有很多其他这样的参数。“多重宇宙”的主张是，在我们的观测范围之外，必然存在很多其他的宇宙，它们具有非常不同的、随机确定的性质。

它的工作方式是这样的。在称为弦的这么一些东西中，其行为的量子涨落可以导致泡沫宇宙的形成，这些泡沫宇宙一开始是微小的，然后会膨胀。依赖于弦碰巧所处的方式，最终物理参数的取值完全取决于一种运气。这产生出一个所谓的地景图像：已被物理学家确定为基本常数的量（比如一个电子的电荷与质量）在其他宇宙里可能会很不一样，那些宇宙离我们可见的宇宙无法企及地遥远。实际上，另一个宇宙里也许甚至连类似于电子的粒子都没有。因而，我们所知道的生命在绝大多数这些猜测的宇宙里也许都不可能存在。这导致一个想法，就是之所以我们发现我们的宇宙具有它所具有的模式，是因为如果有任何事物非常地不一样，那就会使得我们的生命不可能存在，然后我们就不会在这里去发现任何事情！这个想法的名字叫作“人择原理”，就是说唯一能被人类理解的宇宙是那些人类存在于其中的宇宙。

这个想法没有像艾弗雷特的想法那样被奚落，但是有人找到了反对的理由。最主要的反对理由是，它暗示着我们将永远无法解释我们的宇宙所具有的这些性质。这意味着在科学探索中放弃越来越深入地理解这个世界。在某个地方我们会到达一个尽头。

这不是第一次有人提出此类意见。在19世纪末，有人觉得所有能被发现的重要的东西都已经被发现了。结果发现这是远远不对的！考虑到我们这本书里的话题，我们应该说在那个时候量子力学是一个不出现在当时任何人的雷达屏幕上的发现。科学作家约翰·霍尔根出版了《科学的终结》（1996），书的标题不解自明。这本书差不多和约翰·巴罗与弗兰克·迪普勒出版的一本关于人择原理的书同时但早于人择原理这样的想法出现在弦论中。很多科学家已经以不同的方式使用这个原理去预言某些实验的结果，他们基于这样一个观念，就是这些结果是必然的才能解释我们当前的宇宙（以及其中的人类）是怎么样变成它现在的样子的。这种方式里不一定就有这么一个暗示，就是这些结果将永远不能以更基本的概念来解释。弦论地景以及它那数量庞大的可能参数值（据推测应该是在一个宇宙的演化过程中被随机地确定）出现在2003年的一篇论文中，论文作者是理论物理学家迈克尔·道格拉斯（那时候他在罗格斯，近年来是我们在石溪的同事）。11这个在不同地方的宇宙多重性与艾弗雷特关于（单个）宇宙的波函数有很大的不同。在艾弗雷特的想法中，波函数的不同组成部分对应于这个宇宙的不同可能性，这些不同可能性共存于同一时间和同一地点。

回到与弦论有关的多重宇宙这个想法，有人也许会问，怎么会有确定所有宇宙的量子振荡？这个问题的答案由弦论图像给出。在这个图像里，最初非常定域的量子涨落迅速膨胀，形成所有（而且仍然在膨胀）的宇宙。艾弗雷特的提议要求在一个非常大的宇宙尺度上的相干涨落，和那个不一样，在这里的情形中，你只在非常小的范围里发现有涨落。它们为一些参数设置了持续成立的初始条件，这些参数则描述每一个不断膨胀的宇宙中的物理定律。

第12章 拯救物理

有一天我们这门课的客座演讲人是戴维·凯泽，他是麻省理工学院的一个科学史学家。凯泽的书《嬉皮士怎样拯救了物理：科学、反主流文化和量子复兴》刚刚出版，而我们布置了章节阅读。凯泽不能从剑桥到石溪来在课堂上作演讲，但他爽快地答应了在他喂饱他的两个年幼的孩子并把他们送上床后，在家里通过网络电话参与我们的问答环节。在花了一个小时讨论他的书并准备了一些问题后，我们通过教室里的计算机拨通了他的网络电话。

凯泽的脑袋突然出现在教室前面的大投影屏幕上。他坐在书房中的桌子前，在他旁边是一摞书和论文，后面是一个黄色的坐卧两用沙发和几个白色的枕头。凯泽是一个有魅力的年轻教授，并一直是一个受欢迎的演讲者。他有动听的嗓音和活泼的演讲风格；他的肢体总是在动，点头、扶正他的眼镜、用手势来强调。他是一个富有魅力的很会讲故事的人，会让你觉得科学史是有史以来最酷的研究领域。他简洁地描述了一下他的书，提到了20世纪70年代将量子力学的含义与古老的东方神秘主义以及新纪元运动的关注点联系起来的这种尝试的起源，然后表示愿意回答问题。

要问问题，学生们必须离开他们的座位坐到课堂计算机前，朝向一边，因此凯泽不能看见或听见其他的学生和教室本身，而只能看到和听到直接坐在计算机前的那个学生。第一个学生问凯泽关于他的研究方法和保罗·福曼的方法的关系。福曼是一个历史学家，他主张（如我们在第4章里看到的）20世纪20年代德国的文化焦虑是量子力学的创始人为什么将随机性置于他们理论核心的最终原因。凯泽是在做同样的事情吗？

凯泽笑容满面地说：“谢谢你的提问！我的研究关注某些主题和研究题目怎样以及为什么迁入和迁出物理学的主流。我发现20世纪70年代特别令人感兴趣，因为它是一段命运快速变化的时期。”他用力点着头：“第二次世界大战后，注册上物理学课程的人数急增，投入到物理学中的钱和资源很多并以越来越快的速度流入，更确切地说是直到20世纪60年代末期。那是抗议越南战争的时候，人们怀疑物理学家参与了国防研究，出现了一个向着应用科学的转变。注册上物理学课程的人数下降，用于物理学的资源骤然减少。在这样一段快速变化的时期里发生了什么事情？嗯，当我是一个研究生的时候，我已经读过福曼的论著……”

戴维·凯泽

突然，在屏幕上高于凯泽肩膀的位置，在他的背后出现了一只很小的、棕色的爪子，从坐卧两用沙发上一个枕头的下面冒了出来。教室里的每个人都能看到这个，但凯泽本人看不到。没人说一句话。但我们这些看屏幕的人不可能不在凯泽和爪子之间来回转移注意力，在前景和背景之间轮流交替。

“……我发现福曼的工作既是有启发的又是令人困惑的。福曼的工作是一个雄心勃勃的努力，试图将想法与机构联系起来……”

第二只棕色的爪子现在出现了，在第一只的旁边并平行于它。轻声的窃笑扫过整个课堂，尽管凯泽听不到。60秒过去了，凯泽还在继续说。一只猫突然从沙发上的枕头后跳了出来，很显然这只猫开始是在睡觉。它甩了甩身子，盯着凯泽看了一会，然后开始环顾整个房间。课堂上大部分人开始咯咯地笑。

“……但是福曼没有联系这两者的真正机制。在他的模型里他没有真正的‘工具’，想法和机构在什么地方遇上了，什么地方有牵连，除了那些报告，那些科学家主要在正式场合给的报告以外。在福曼的方法里，他的工具只是‘某个飘浮在空中的东西’，一种气氛……”

那只猫现在发现了它的尾巴并开始拼命地追逐尾巴，急得团团转，就像沙发上的一阵小旋风。现在整个课堂充满了喧闹的笑声，学生们歇斯底里般地相互对视，有些高兴地用手敲打着他们的桌子。但是，凯泽仍旧既看不到也听不到他身后的猫以及教室里的混乱场面。

“……我，在另一方面，想审视那个时代的特定机构体系并找出那些工具。我想看看人们是怎样受到训练的，他们读什么东西，他们坐在哪里，他们和谁谈论。这么说吧，我想找到他们的沙龙，搞清楚谁和谁在一起闲逛，谁为什么东西买了单。以这种方式，我想我能将特定的想法与特定的地方以及机构关联起来。这回答了你的问题吗？”

他确实回答了！第二个提问的人问凯泽怎么样对待他的猫，提示了他正在发生的事情。凯泽转过身，那只猫注意到了，从沙发床上跳了下去并从屏幕上消失了。“它的名字叫Quizzie！”凯泽一边善意地笑着，一边说，“‘Inquisitive（好询问的人）’的简称。”

量子神秘主义

《嬉皮士怎样拯救了物理：科学、反主流文化和量子复兴》涉及了一群被称为基础物理团体的加利福尼亚怪人。这个团体在20世纪70年代探索了一个可能性，就是量子力学可能指向一些深奥的、神秘的真理，只有在东方宗教里才能找到与这些真理相似的东西，这引起了一个与新纪元运动相关的、可被称为量子神秘主义的运动。如果福曼的工作提出了一个可能性说量子时刻根本就不是一个真正的时刻，而是西方历史中一个特定时刻的文化副产品的话，那么量子神秘主义则意味着我们真正在谈论的东西应该被叫作东方时刻。

这本书的标题很调皮，有着对科学家和哲学家而言的寓意。让我们回顾一下它的故事背景。1925—1927年量子力学的创立（如我们在第7章和第8章中看到的）是一个惊人的科学成就，它同时也触发了一场真正的哲学危机。这个理论推翻了关于空间和时间、因果律和实在的基本信念，并揭示了关于科学的很多基本的文化与哲学假设是错误的。如布里奇曼1929年在《哈泼斯》里说的，“底已经完全掉出了”这个世界。顶尖的物理学家们试图去修复那个底部基础，在信件、论文以及教科书中为量子力学的含义展开搏斗。一致同意的看法没有出现。玻尔提出互补性，另外有人提出实在的统计性概念。薛定谔确实制造了波，但他试图将量子力学变成一个具有因果关系的理论，而爱因斯坦则完全反对，把他的希望放在牛顿时刻的完全恢复上。但是没有人逃避处理这么一个事实，即量子力学提出了具有哲学内涵的大问题。

凯泽的故事就从这里开始。他在书的开头指出，不管是在欧洲还是在美国，不讲情面的科学家都坚决要求他们的学生理解量子力学在认识论上离奇的一面并“磨炼出他们自己的哲学回答”。凯泽告诉我们的班级，对于20世纪30年代的一个物理学家而言，拥有一个关于量子力学的哲学立场是受过教育这个词所代表的含义的一部分。

战争改变了每件事情。“第二次世界大战将哲学从美国物理中清除掉了，”凯泽告诉我们的学生，“不是从美国人的性格中，而是从美国的物理学中。曼哈顿计划制造原子弹的巨大压力将哲学推出了视线之外。在课堂上，它也被抛在了后面。物理课堂曾经是研讨班规模的，而现在它们在讲演厅里进行，很多时间都是面对很多学生，并且全部课程都集中于解决问题。在研讨班上课和在讲演厅里上课，你必须教得不一样。物理学家学会了埋下他们的头，忽视哲学上相切的话题，从他们的方程出发尽可能快地写下数字结果。”

他继续说，职业物理学家的生活在冷战期间进一步发生了改变，当时他们越来越多地被招聘去做工业领域和国家实验室里要求较高的工作。增多的注册数量继续改变着课堂上的物理，现在它在教科书和标准化考试中着重强调计算和问题集。凯泽称之为“高产出教学法”。突然间物理变成了一个职业而不是一个强烈的愿望，它的从业者被训练得更像职员而不是学者。

那么当被问到怎样诠释量子力学时，说什么呢？答案是1955年海森堡所起绰号的哥本哈根诠释。在最近的一篇文章里，诺特丹的科学史学家唐·霍华德追溯了这个说法的起源是来自战后的一段时期。1“简单地说，”霍华德写道，“一个统一的哥本哈根诠释这个形象是战后的一个神话，是由海森堡创造的。”海森堡在第二次世界大战前曾经被尊崇为量子力学的奠基人之一，并且他在把量子力学应用于核物理中发挥了重要的作用。然而，如霍华德写的：“这个在20世纪20年代受玻尔喜爱的人在战后时期，在哥本哈根的核心集团里已经变成了一个道德上的放逐者，主要的原因是1941年9月海森堡与玻尔关系的痛苦决裂，当时海森堡在接过德国原子弹计划的领导角色后对哥本哈根做了一次失败的访问。”战争结束10年后，海森堡试图去恢复一些他在战前的荣光。他重新讲述有关20世纪20和30年代哲学讨论的故事，其讲述方式是掩盖他自己、玻尔以及其他人之间的不同，并把自己描绘成一个杰出人物。“还有比这更好的方法吗？”霍华德说，“一个自豪的、曾经雄心勃勃的海森堡想要拿回哥本哈根大家庭的成员资格，他把自己弄成哥本哈根诠释的发言人。”

这个时机来自于一卷出版于1955年、向玻尔表示敬意的文集。海森堡提交的文章将一个单一的诠释归之于他自己、玻尔以及其他人。海森堡写道：“1927年在哥本哈根所诞生的东西不仅是一个清楚明白的解释实验的解决方案，而且是一种语言，我们用它来谈论原子尺度的大自然，并且迄今为止是哲学的一部分。”2

一旦被创造和被命名了，霍华德说，“这个神话就扎下根来，因为其他作者用它来推进自己的工作事项”。哥本哈根诠释要么成为了一个方便的、假定为正统立场的名称，并被认为几乎是无懈可击的，要么对少数持不同意见的人而言，成为了他们反对的立场的名称。这些持不同意见的人包括：戴维·玻姆，一个隐变量的支持者；保罗·费耶阿本德，一个方法论的无政府主义者；以及卡尔·波普尔，他拥护客观主义来反对量子力学被认为具有的主观主义。

然而在物理学家他们自己当中，哥本哈根诠释变成了任何能解释量子力学的哲学立场的某种占位符，变成了一个物理学家自己不需要研究的东西。问大问题被抑制住了，被认为是不必要的，甚至是碍事的。“量子实在的根本奇异性已经被吸走了。”凯泽写道。对诠释问题的适当回答是“安静，做计算”。我们已经听到过以其他方式表达的与这个相同的想法，比如“算了吧”以及“就这样吧”。

哲学家知道你不能就这样过去了。如果你没有正面处理哲学问题，它们就不会消失，它们会绕过来咬你的屁股。

1975年年中，在物理泡沫破灭后，经费骤然减少，工作职位消失，加利福尼亚州一个职业发展处于困境的物理学家小团体对不要问大问题、转动曲柄埋头工作的处理量子力学的方式进行了反抗，在伯克利创立了基础物理团体。凯泽说，它的目的是“重温那些最开始吸引他们研究物理学的兴奋、惊奇以及神秘的感觉，正如它们曾经激励了量子力学的创立者那样”。

他们注意到量子力学描绘的亚原子领域的奇异图像不能以一种令人满意的方式与我们熟悉的日常世界连接起来。看起来就没有任何合适的词语或概念能澄清所发生的事情。这个基础物理团体开始在神秘主义的概念和那些与量子物理有关的概念之间抽取联系。几个物理学家加入了这个对话，不一定是因为基础物理团体这些人是对的，而是因为看起来周围只有这个对话是关于量子力学的含义的。

这个团体的一个成员是杰克·萨尔法季，他是一个出生于布鲁克林的理论物理学家，1969年从加州大学河滨分校取得博士学位。他教过一段时间的书，但不再待在学术界里。另一个成员是弗雷德·阿兰·沃尔夫，他于1963年从加州大学洛杉矶分校获得博士学位。这两个人热衷于以尽管是疯狂的但富有想象力的方式来解释经典力学与量子力学之间的差别。其中之一涉及一个有创意的对甲壳虫乐队歌曲《为了凯特先生的利益！》的解释。在这里“K先生”（他“将挑战世界”）代表玻尔兹曼的常数（k，和熵相关），而“H先生”（他表演翻筋斗）则代表普朗克常数（h）。3

约翰·克劳泽，一个于1969年从哥伦比亚大学获得博士学位的理论物理学家，在来到劳伦斯伯克利国家实验室几年后也加入了这个团体。克劳泽认为团体里的其他成员是“一群疯子”，但他被吸引住了，因为他们提供了“唯一的一个场合，在这里物理学家能够谈论量子非定域性的最新进展”。4还有一个团体成员是物理学家福瑞特乔夫·卡普拉，他于1966年从维也纳大学取得博士学位。20世纪60年代，当他在加州的几个不同地方做物理研究时，卡普拉听过阿兰·瓦茨的无线广播电台讲座。阿兰·瓦茨是那个时候将东方哲学解释给西方听众的最重要的传译员，当时也住在加州。凯泽告诉我们的学生：“那就是我说文化工具时意指的东西。为什么这个运动在那个特定的时间诞生在那个特定的地方？因为它的机构除了包括科研第一线的物理实验室，也包括那些推广东方哲学的机构。”卡普拉在1975年来到劳伦斯伯克利国家实验室后加入了基础物理团体。

这个团体受到一个自助大师的部分资助，这个自助大师出生时的名字叫杰克·罗森堡，但他给自己重新取名为维尔纳·埃哈德，其名来自于维尔纳·海森堡。埃哈德不久前因“埃哈德研讨会培训班”（或EST）而成为了一个非常有名和富有的人。EST是在新纪元运动初期最成功的个人成长倡议行动之一。在埃哈德和EST之外，这个团体还受到迈克尔·墨菲的支持。墨菲是伊莎兰学院的共同创办人之一，这个学院是位于加州大苏尔的一个度假胜地和静居处，它以极其绚丽的风景、精美的食物、温泉浴缸以及按摩推拿而出名。这些伊莎兰讨论会中的许多针对的是新纪元听众，尽管它们也吸引一些从欧洲来的物理学家。这些物理学家和基础物理团体的会员一样，对他们的同事回避讨论量子理论中的基本论题感到愤懑郁积。这里面包括像伯纳德·迪斯班尼特和海因茨·迪特尔·泽这样的科学家，凯泽在他的书中提到了他们对伊莎兰的访问。同时，埃哈德也联系了杰出的物理学家并提议在他位于圣弗朗西斯科的豪宅里由他赞助举办严肃的物理学聚会。哈佛大学物理学家西德尼·科尔曼接受了埃哈德的提议，并在20世纪70年代后期在埃哈德的住所组织了几场由埃哈德赞助的、关于量子力学各个方面的会议。我们中的一位、戈德哈伯参加过，并有机会和这位自助大师聊过几分钟。埃哈德尽量做到了举止得体，因为科尔曼言语激烈地坚持只能讨论严肃的物理学。科尔曼已经公开指责过将量子力学和东方哲学联系起来的这种风尚是“愚蠢行为的黄金时代”。至少在那次会议上没有出现什么愚蠢的行为。

量子神秘主义运动甚至在基础物理团体于1979年解散之后还在发展。一个里程碑是卡普拉的书《物理学之道》的出版，该书出版于1975年，虽然一开始被25家出版商拒绝了，但它还是卖出了几百万册。在书中卡普拉写道，物理学与佛教禅宗之间的联系具有极重要的意义，因为它展示了我们目前的世界观是不适当的，并指出需要一个剧烈转变。这个转变是如此剧烈，它意味着一场文化上的革命，“我们整个文明的生存也许都依赖于我们是否能实现这样一个转变”。5卡普拉的书走进了课堂，结果是一本能吸引非理科学生选修物理的书。6然后一个非科学家盖瑞·祖卡夫写了一本书《跳舞的物理大师》，他做了一个轻松愉快的声明：“从哲学上来说……（量子力学的）含义是迷幻的。”这本书赢得了美国国家图书奖。7在数不清的其他拥护量子神秘主义的作者中有亚历克斯·康福特（他以《性的乐趣》这本书闻名），他写了本书《实在与共鸣：21世纪的物理、心灵与科学》。8量子神秘主义已经出现在电影中，苏珊·萨兰登在《百万金臂》中扮演的棒球迷是一个量子神秘主义者。量子神秘主义最过火的例子之一是电影《我们到底知道什么？》（2004），这部电影依靠大量有关量子的胡诌赚钱。

基础物理团体的很多更古怪的关注（比如将量子物理与意识联系起来）没有成功。如科学家说的，大脑“既潮湿又暖和”，这排除了量子效应的可能性。但是，凯泽仍然认为基础物理团体的反文化活动，通过促进量子理论某些更奇异的方面的发展和对它的一些更怪异的实验预言的检验，对主流科学施加了一个影响。在“不可能”物理的一个例子中，团体成员们想，他们可能用量子力学设计一个方法来反驳爱因斯坦的理论（超过光速的通信是不可能的）。凯泽说，这些努力失败了，但它们导致了一个积极的结果，引导他们发现了“不可克隆原理”，即证明了不可能完全复制一个量子态。这将成为量子密码学的一个关键要素。基础物理团体在使贝尔定理免于晦涩难懂上也做了很多工作，并因此“埋下了最终开出今天的量子信息科学领域这朵花的种子”［1］。在那个时候，贝尔定理已经被一本物理教科书简略地提及，但没有被广泛采纳。尽管克劳泽第一次实验检验贝尔定理是在1972年，早于1975年这个团体的成立，但他是这个团体的一个发起人，在团体成员开始聚会以前就频繁地和他们联系，并在团体的存续期间里一直是一个关键的参与者。

然而，凯泽要讲的大故事是这些诠释性的问题是怎样重新露面成为大问题的。在当时加州的文化氛围里，充满着对东方哲学、超感官知觉以及通灵与心灵研究的讨论，充斥着温泉浴缸、兴奋剂以及性，这个由不遵循主流思想的人（标题中的“嬉皮士”）组成的五花八门的团体在主流之外创造了一个空间，重新恢复了提出大问题这种行为的正当性（“拯救了”这种行为）。但是，他们这个时代所处的大气候也鼓动人们在量子力学与东方神秘主义之间抽取联系，这一点仍然使物理学家感到厌烦。

几个物理学家和哲学家试图反击量子神秘主义，但是他们的解释差不多和他们反对的东西一样奇怪。9那么，我们怎么将水果圈式的胡搞从不是胡搞的东西中清除出去呢？这个问题的回答要求我们采用凯泽提供的线索来分析它们的用法。

量子神秘主义的产生来自于这样一种意识：量子力学迫使我们抛弃关于客观性的传统理解。它看起来证明神秘事物是有理的，看起来在歌颂不可知性，这就是它经常在大众文化里出现的方式。考虑一个来自小说《布莱达》的例子，该书的作者是葡萄牙小说家保罗·柯艾略。与书同名的主人公战胜了自己的恐惧，但仍感到害怕。她刚刚向男朋友劳伦斯解释了一段她最近的、神秘和魔幻的经历。这段经历在面对她称为暗夜的不可知性时需要某种信仰形式。她颤抖着告诉他，她确定他一句也不会相信她故事里的话。她的男朋友平静地在一张纸上弄了两个洞，然后从厨房里拿来一个软木塞。“让我们假装这个软木塞是一个电子，组成原子的小粒子之一。你理解吗？”

布莱达点点头。“好，那么听好了。”劳伦斯说，“如果我有某个高度复杂的仪器能让我将一个电子射向那张纸的方向，电子将同时穿过这两个洞，但它这样做时不用分成两个。”这个男朋友当然是在指第8章中讨论过的双缝实验。布莱达说她不相信，因为那是不可能的。劳伦斯向她保证这是真的。布莱达然后问：“那么科学家们碰到这些神秘事物时怎么办？”劳伦斯回答：

使用你告诉我的字眼，他们进入暗夜。我们知道这个谜不会消失，所以我们学会去接受它，忍受它。我想同样的事情会发生在生活中的很多情形下。一个抚养孩子的母亲也一定会觉得她正在跳入暗夜中。或者一个去到遥远的国度寻找工作和财富的移民也会这样觉得。他们相信他们的努力会得到回报，有一天他们会明白一路走来所发生的事情，那些当时看起来令人很害怕的事情。推动我们前行的不是解释和说明，而是我们向前行的渴望。10

把故事背景中魔法的伪科学放在一边，这个男朋友的核心要点是，如果科学家们能接受神秘事物（暗夜），那我们所有人也能。如一个石溪的研究生向我们指出的，量子力学以这种方式培育着“启蒙性的科学项目和对终极神秘罗曼蒂克式的坚持这两者之间的一个奇特的交叉点”。11

大惊小怪啥

到这里，一个哲学家会感到好奇，这样大惊小怪是为了什么？它真的是量子力学呼唤的“新认识论”——一个东方认识论吗？或西方传统里拥有可以解释所发生的事情的方法而不需要歌颂非理性和神秘性吗？它无疑有。量子力学动摇了客观性基于19世纪牛顿学说的一个观念，但也仅仅是那个观念。在量子力学于20世纪出现的同时，客观性的一个适合于描述量子物体的观念也出现了。“客观性”这个字眼指的是关于知识的一个理想目标，它经常被刻画为一个“超越特定地点的视角”，就是一个观测者完全分离地站在被观测物体之外，和它没有任何关系时，可能以某种方式所获得的视角。如科学史学家罗琳·达斯顿和彼得·格里森在图书《客观性》中所展示的，科学家们关于怎样在实践中接近这个理想目标的思考，随着时间在含义和象征上都发生了演变。但是这个理想目标在牛顿时刻引导了科学的追求和抱负。玻尔在他的科莫报告中对这个追求进行了质疑，至少是在某些领域中。在科莫报告中，他引入了互补性这个观念。他说，实现量子现象与观测手段（你观测量子现象时所处的仪器环境）之间的“清晰的分离”是不可能的。

玻尔就是一个顽固的经验主义者。每一个知识的探求者（不管是在通常领域还是在科学领域）都和一个特定的地点绑定在一起，使用特定的理解方式，并被一系列特定的问题所推动。观测用的方式，不管它们是我们通常的感官还是拓展我们知觉的仪器，都是能组成世界的一部分。这些方式让我们能感受用别的方式无法感受的物体，并帮助我们构造这些物体。如果你不谈论探究本身这个过程，你对这些你正在探究的物体不能给出一个完整的描述。但是这个世界仍然是独立于人类而被体验的：我们不能让世界做我们想做的事情，这个世界会有反作用，它可能会表现出出人意料的行为。

客观性的新观念是在20世纪初由德国哲学家埃德蒙德·胡塞尔引入的，他是被称为现象学（尽管黑格尔差不多一个世纪前已经描述过这个观念的某些方面）的哲学运动的创始人。现象学的出发点是认为所有的探究（包括哲学的和科学的）首要的就是一个观察和发现的问题，而不是假设和推断。在观察和发现中，一个物体不是被从超越特定地点的视角观察着，而是显现给某人看，不管是个人还是社会团体。而且，这个物体显现其特定现象的方式与它是怎么样被观察的相关，如我们在第8章的插节里看到的。感知一个物体的这种行为包含其他行为的预期，在其他行为下，这同一个物体将以另外的方式被体验。这就是让我们对世界的体验有深度和密度的东西。去感知某个东西存在于世界上，是“客观的”，意味着将它当作从未完全被给出似的去理解它，将它当作具有无数多的没有被理解的现象似的去理解它。也许我们最初的理解是误导的，我们的预期也仅仅是假设，但是我们只能通过观察和发现（通过探索其他现象）来发现这个。在这种观点下，客观性不是意味着站在一个物体的外面并通过某种方式超越特定地点来理解这个物体，而是意味着能理解这个物体，以便我们知道从其他角度来看它将会怎样被理解。客观的观点不是指没人将怎样看到某个事情，或一个人怎样超越特定地点地看到它，而是指原则上每个人能怎样看到它。

在科学中，感知一个像电子或星球这样的物体涉及仪器的中介作用。当研究人员提出（比如）一个新粒子或星球的存在时，这样的一个提议涉及对那个物体的一个预期范围，即它在其他环境下以其他方式显现的预期。这些预期只能通过某种合适的宽泛意义下的观察来被证实或证伪。这个预期范围对科学物体也意味着总是会出现更多的东西。科学家们知道这个：对他们来说，这很显然，当用不同的仪器去观察时，现象会显现得不一样。因此，他们对现象的概念上的理解涉及仪器的中介作用和预期。不仅是没有对这些现象的“超越特定地点的视角”，而且也没有谷歌地球或方位（从这个方位我们能摆弄这些仪器来放大每一个能得到的轮廓）。原因是不存在一个享有特权的方位，而且我们所站的由仪器影响着的“方位”是在不停变化的。事件可能只发生在特别的实验室环境下这么一个事实不意味着它们是抽象的和超凡的，恰好相反，它意味着那些特别的实验室环境使得这些事件成为世界的一部分，并因此使得它们成为我们迫切关注的问题。

这个关于客观性的观念怎样解释量子力学让人困惑的特性（如波粒二象性和叠加态）呢？首先，现象学不受那些与通常的物体（如桌子和椅子等）不相似的现象的打扰，现象学的描述不预先假定某事物“是”怎么样的，而是着手于描述它是怎么样的。我们平常的体验里充满了其行为不像通常事物的现象，如情感、对亲密的体验、风。我们平常的体验里甚至包括多元的、混合的、不完整的或半抽象的实在的例子，其中一个例子是能在很多哲学与心理学教科书里找到的著名的鸭兔错觉。下面是它的一个版本：

放在一个池塘的背景中，有泛起涟漪的水波和睡莲的浮叶，它毫无疑问是一只鸭子。置于一片草地上，有青草和蒲公英，它同样毫无疑问是一只兔子。在每种情况下，图形的一部分是没有意义的或是有意义的。比如，在草地背景下右边的凸块是一张嘴巴，而在池塘背景下它只是一个凹痕。“态”是不同的。那幅图“本身”“是”什么呢？脱离了环境，它具有某种模棱两可的——你甚至可以说是“模糊的”——实在。如果你一定要求知道它真的是什么，那么回答要么是无意义的，要么是矛盾的。你不能通过把图像拆开，考虑它的一部分或它是用什么墨水画的而得到一个更好的答案。它是一个整体。

鸭兔错觉是薛定谔猫所说明的情形的一个类比。在盒子打开之前猫的ψ函数叠加了两个可能性——活着的猫和死了的猫，其方式就像那个鸭兔图形和背景分离开了。提供一个背景，把它带“入”这个世界，就像做一个观测或者做一个测量。那个图形变成一个对人类的知觉而言清楚明白的物体，就像波函数的“塌缩”。在这个过程中没有多少神秘的东西。神秘只是在一个人询问最初的图形“是什么”时才产生，并要求回答同类型于对一个能感知的物体提出这样的问题时所得到的回答。哲学家们知道某些类型的问题（“上帝能创造出一个比他所能举起的重量还要重的石头吗？”）是没有意义的，因为这些问题就预期一个没法给出的答案。科学是一个预言机器。当没有足够的信息来给出一个预言的时候，它能做的所有事情就是带着它拥有的信息停下来。薛定谔猫描述的就是那样的情形。

我们举另外一个例子。剧本或者乐谱具有一种有趣的、多形态的实在性。它也是不完备的和半抽象的，它是关于不相容表演的潜在不同类型（例如《哈姆雷特》或《恺撒大帝》的不同版本）的一个描述，并且是一个产生更多这种表演的工具。为了将一个剧本或乐谱变成一个真实的世间的表演，我们必须加入背景和创作这个表演，这意味着要做出一系列有关地点、演员和道具的决定。一组决定的结果，例如将哈姆雷特演成疯狂的，可能看起来会完全不同于另一组决定的结果，如让他神志清楚并老于世故。在一场表演中很关键的对白在另一场中则没那么有意义。但这并不意味着戏剧的制片人和导演从头开始“创作了”哈姆雷特。远非如此，他们被紧紧地约束住了。一个剧本或乐谱具有某种半抽象的实在性，因为它既限制我们也让我们能以新的方式来表演它。但是这不是一场明确的表演所具有的那种实在性。

薛定谔方程的ψ函数是另一种半抽象的东西，依赖于环境，它能以不同的方式被实现；它可能但不一定涉及人的目的和决定在其中起作用的测量情形。薛定谔的玩笑为一个经典问题准备了一个量子回答。它用一个ψ函数想象了一只猫，并问它是否真实。这就像在问那个鸭兔图形是一只鸭子还是一只兔子。

但我们知道不可能有这样的一个ψ函数。一只猫总是在和世界相互作用，它所处的盒子里充满了观测或“测量”这只猫的事物，提供着它存在的信息。例如，氧气与二氧化碳分子的比率测量着它呼吸的次数。在它活着的每一分钟里，它身体的热量会辐射到环境中。这个盒子里布满了等同于猫探测器的东西。

阿尔伯特·爱因斯坦曾经问亚伯拉罕·佩斯，他是否相信月亮只有在被观看时才存在。12这个世界当然充满了和人类无关的月亮探测器：潮汐、卫星、月光、阴影以及诸如此类的东西。如哲学家马歇尔·斯佩克特说的那样：

当没有什么客观的物理事件，不管是啥，比如摄影图像、潮汐或任何这样的东西，能被解释为可以让我们得出一个结论，就是这个据说是巨大的、反光的、相对而言靠近地球的物体存在的时候，月亮存在吗？不，在这样的情况下它不存在！这确实多么让人震惊！但注意这远远不同于一个貌似如此的断言，即如果我们人类都选择转移目光避开月亮，那么月亮将不复存在，它将被我们（我们中的每一个）重建出来，在我们选择再次抬头看的那一瞬间。精神没有创造物质。13

世界密切关联在一个稠密的因果网络中。我们可以说在这张网中的事物是存在的，但对处于这个网络外的事物而言，并非如此。量子力学让人震惊的事情是，它让我们能对处于网络外的事物说点什么，就是说，它们能以这种或那种方式实现，但这两种方式相互之间有某种联系。某些可能性具有特定范围的真实性。

鸭兔错觉就像概率波以及量子现象的其他特征，它有一个形状，是真实的，但又与鸭子以及兔子的方式不一样。量子现象也是如此。［2］客观性的新观念不是一个不为任何人的观点，而是一个为每个人的观点。客观是这样一个东西，至少在原则上，它必须对其他每一个做研究的人有意义。

结语 现在时刻

在科学史上从来没有过一个理论像量子力学一样对人类的思想具有这样意义深远的影响，也从来没有过一个理论在预言这么多不同种类的现象上取得了这样引人注目的成功。

——马克斯·伽莫，《量子力学的哲学》

在完成这本书之前不久，我们在石溪大学的人文学院做了一个报告。在这里我们碰到了一个不满的提问者，这个提问者表示他不相信科学能为文化贡献任何东西。他愤愤不平地问道，量子力学给文化上的对话真的增加了些什么？也许它给了我们一些别致的、关于一些老问题的新比喻，但是，如果这些东西被拿掉的话，真的会失去什么呢？艺术家和哲学家不会找到另外的方式来表达他们自己吗？科学家们需要不确定性原理，而诗人们需要吗？

最直接的回答方式是用一个思想实验：设想牛顿学说的时刻从来就没有结束。假设在普朗克提出量子这个想法的几年之后，他和其他人想办法不用量子也解释了科学家们发现的大多数东西。在这之后，普朗克把量子给放弃了。比如他们发展了一个相当合理的方法来解释原子是由小块的物质组成的，它们相互之间通过微小的弹簧（我们在第1章里称这些弹簧为胡克定律弹簧）连在一起，它们的伸缩性是作用力的一个函数（我们喜欢这样的讽刺，就是用一个由牛顿的死对头胡克创造的东西来挽救牛顿时刻）。让我们设想胡克定律弹簧的理论加上其他牛顿学说的原理和热力学，以某种方式成功地证实了普朗克最初的信念，即量子只是一个数学上的技巧。量子很快从科学里消失了，只被历史学家们记得。也就是说，量子论和燃素论有同样的命运。燃素论是一个久已不再使用的猜测，它宣称一种称为燃素的物质引起燃烧。在我们的设想里，科学家认定微观世界和宏观世界一样遵循相同的基本定律，经典的微分方程仍然是每个物理学家主要的计算工具。

因此在20世纪初期，物理学家没有体验到什么特别的不安和危机感。几个未解之谜还在，尤其是关于光的本质，以及为什么物质的同类型基本组分都是全同的，但物理学家认为令人满意的答案最终是会出现的。他们的研究领域继续是有秩序的、可预言的和统一的，它的定律和性质在所有范围内和所有尺度上都是一样的。他们属于一个成长中的、适意的社会团体，并依然有信心能最终“把他们自己拿出”测量之外，找到一个关于自然和它的每个性质的客观描述。在20世纪第二个10年的开头，欧内斯特·索尔维因赞助发起一系列关于国际贸易方法和实践的会议（而不是关于物理学的会议）而出了名。

由于没有第一次量子革命，所以也没有第二次量子革命。物理学家们把1925年到1927年主要花在担忧宇宙射线的起源与本质上。大众文化从来就没有听说过什么量子跃迁、波粒二象性、不确定性原理、互补性、叠加、薛定谔猫、幽灵般的超距作用和平行世界。没有什么双缝实验，也没有贝尔定理。拉普拉斯侯爵被称颂为一个超级明星。爱因斯坦因为勇敢地站起来保卫因果性，反对一群目光短浅、没什么想象力的物理学家而著名。这群物理学家里包括玻尔、海森堡和狄拉克，他们在某一瞬间受到了诱惑要放弃因果性。因为这个，他们在职业生涯的剩余时间里得面对同事的嘲笑。

到20世纪60年代，注册学习物理的人骤然减少，物理学因为其在国防研究中的角色而导致声誉降低，以及很多人认为它过度向应用科学倾斜，所有这些导致一小群不满的加州物理学家去探索一个可能性，即物理学在纳米尺度上的实践也许能揭示深奥和神奇的真理。一个称自己为无穷小物理兄弟会的团体开始在伯克利聚会。它的成员们指出，物理学从来就没能想办法成功地解释为什么任意一个特定的原子会全同于另一个同类的原子。他们喜欢改述阿尔弗雷德·丁尼生男爵的话：

小小的原子，如果我能理解

你是什么，电子和一切，以及一切的一切，

我应该知道上帝和人是什么。

另外有成员探索了微观世界，把它与东方宗教的真理相类比。当公元前6世纪（原文笔误为公元前60世纪——译者注）中国的哲学家老子、道教的创始人宣称“天下难事，必做于易，天下大事，必做于细”时，他不是已经预言了纳米物理学吗？无穷小物理兄弟会的一个成员写了一本书《跳舞的纳米忍者》。科学家们批评它有些过头和意象松散，但它让很多普通大众认识了物理研究，卖了100万册并赢得了一个美国国家图书奖。

那么这个与事实相反的世界和我们的世界比起来怎么样呢？

不是很好。

从一个纯科学的角度来看，物理学家仍然会发现这个世界的很大部分（它的蓝图）不可能被理解。光肯定仍然是一个谜，物质的同类型组分完全相同也是一个谜。另一个谜是物质的稳定性，如果事物是由胡克定律弹簧建造出来的，那么它们为什么是坚固的而不摇晃呢？如我们已经看到的，不确定性在量子理论中是一种财富而不是一个瑕疵，因为在经典物理学中不松软的东西在量子力学里可以是坚硬的，其方式可以完全解释物质的硬度。简而言之，量子力学解释了世界的基础。很多更大范围内的问题也仍然是谜，包括生命和它的发展。量子力学解释了DNA分子的两个基本特性：它的极端稳定性和它偶尔变异的能力。量子力学说DNA分子在实际的生活环境中是强健的，因为它解释了为什么需要很大的能量才能重新排布这个分子的某一部分。然而量子力学也确保改变分子所需要的有限大小的能量时不时也会出现，然后那个改变或变异将保持一段时间的稳定。作为结果，从物种的一个成员到另一个之间的变化性产生了生命在应对外部环境变化时的足智多谋。因此，DNA分子本质上是一个量子的东西这一事实对它的成功来说至关重要。没有什么牛顿力学能解释这个。

从一个技术的角度来看，这个与事实相反的世界与我们的世界相比也将是非常贫瘠无力的。量子力学已经极大地拓展了我们操作这个世界的能力，因为知道了世界的蓝图，这让我们可以去制造新的事物。我们已经看到有过两次量子科学革命，但也已经有过两次量子技术革命。在第一次技术革命中，量子理论通过它和固体物理学的相关性找到了实际应用，极大地拓展了我们制造和操作材料的能力，让我们能制作像晶体管、半导体以及对移动电话、平板电脑和其他现代信息技术设备而言必不可少的材料。1量子力学加上大规模计算能力已经让联系量子微观结构和牛顿学说里的宏观结构成为可能，而设计和发现所谓的量子材料和量子器件持续成为一个不断成长的领域。第一次量子技术革命开发利用了量子力学“不奇怪的”一面。现在刚刚开始的第二次量子技术革命在诸如量子计算机这样的设备和加密技术中开发利用量子力学“怪异的”一面，比如叠加和纠缠。这些东西也许正走在有望商业化的道路上。

不过，我们在人文学院碰到的对手不是在质疑量子已经给了我们一个对物质世界的更好的理解这一事实，而是在问它怎么可能带给我们一个对我们自己的更好的理解。在这个与事实相反的世界里，人文学科不会是一样地进展顺利吗？

我们的回答是不会。没错，在某种程度上，量子对艺术家、作家和哲学家的影响是它帮助他们将自己从受牛顿学说启发的错误想法中解放了出来。在这个程度上，量子力学通过显示一些我们认为是哲学真理的东西显然就是经验上有误的，已经做了“否定的哲学发现”。如爱因斯坦说的，在量子世界里，实在也许闻起来会不一样，但它的气味最终会是更清新的。例如，量子力学已经帮助我们摆脱了拉普拉斯理想学识幽灵的哲学，这是一个“足够巨大的智力”，能像是超越特定时间和特定地点一样地观察和描述事物。它也帮助我们摆脱了一个有关统一的科学的展望，一个关于现象的过于狭隘的概念，以及一个不可能的客观性。但是，像牛顿力学一样，量子力学也帮助我们以一种崭新的方式关注这个世界和我们自己。如我们在这一整本书里已经展示的那样，它已经提供了新的概念来聚焦于古老的人类渴望和问题，并给了我们一种专业名词和语言来帮助指引我们去搜寻什么和正确地忽视什么。我们的世界和我们祖先的不一样，充满了厄普代克所说的“漏洞、矛盾、反常以及妄想”。和我们的先辈不一样，我们不得不去应对道金斯所说的“那些非常小的、非常大的和非常快的东西的奇异之处”，以一种我们无法用牛顿学说的感悟力来消化的方式。作为结果，我们的小说家和诗人不得不应对这样一个现实，它的外表不那么像牛顿世界里的平滑几何形状，而是更像一壶烧开了的水。这个世界以及我们自己都比我们以前认识到的要更奇怪，而我们得到这个认识的受助方式很奇怪，借助一系列来自于物理学一个世纪前的一个偏远角落里的意象和语言。我们已经追溯了这些概念中有多少走出了物理学进入了其他领域，甚至是进入了日常语言中。［1］在一些例子中，这种推移是由想使用比喻的冲动驱动的，它来自于一种不满。这种不满推动着我们把一些词汇和概念用到我们的生活体验中去。我们感觉现存的、传统的词汇和概念不太适用，还有更多的东西需要说出来，所以，我们搜寻其他可能更合适的词汇和概念。在另外一些例子中，这种推移是利用性的，充分利用科学具有的文化权威性，以及它的深奥和根本含义。没有什么替代物能具有正合适的形象，最佳地捕获我们直觉的形象。量子力学已经帮助重新点燃我们对宇宙的敬畏。如我们在第2章里引用的《纽约时报》论述所言，宇宙不是一个以一种可预言的方式运行的机器，它其中的现象可以比神话故事更稀奇古怪，比阿拉丁神灯更精彩，它的神秘和美妙等待着一个新的卢克莱修。他的灵感源泉来自于普朗克、爱因斯坦、薛定谔和海森堡这样的人培育的水井。在帮助我们认识这个世界的反常以及妄想的过程中，它帮助产生了厄普代克所说的“新人文主义”的前景。

在第9章中，我们引用了海森堡的评论：“科学中几乎每一个进步都是牺牲换来的，对于几乎每一样新的知识和智力成就，先前的立场和概念都不得不被放弃。因此，在某种程度上，知识和洞察力的增加一再地削弱了科学家们关于‘理解’大自然的宣言。”我们不同意。科学家、工程师以及其他每个人只放弃了很少的东西，而且每天都在成功地运用牛顿学说的直觉。量子力学的出现只是意味着我们必须为特殊的领域发展新的直觉；我们不得不牺牲的东西只是这样一个梦想，即一套单一的、无所不包的直觉在所有尺度上和所有领域里都能奏效。牛顿时刻和量子时刻属于彼此，相连在一起，没有对方就不能存在。它们的相互作用是富有成效的，而不是对抗性的和排他的。

确实，在很多方面，牛顿时刻和量子时刻比它们所显现的要更相似。牛顿学说的世界知道有不确定性和不可预知性，量子的世界受到一个高度精确的数学上的决定论的强烈影响，此决定论解释了世界的严格性。那就是为什么科学家一直到进入20世纪也可以不需要后者的原因。然而这两个世界的特点又是很不相同的。牛顿世界就像一个坚硬的建筑物没有根基地漂浮着；量子世界则像一座牢固建造的树屋，连在地面上，但能在微风中摇摆。更为重要的是，这两个世界向人类提供了针对3个关键哲学问题的不同回答：我们能知道什么，我们应该怎么做，我们可以希望什么？

理解和欣赏量子语言和意象——以及能从水果圈式用法中识别其滥用的能力——是今天一个受过教育的人所代表的含义的一部分。这样的一个教育涉及对科学和人文学科两者要素的学习。获得那种教育需要跨越很多传统学科的边界，但这是现代世界文化素养的纠缠态。面对量子时刻需要有一个21世纪人文学科的新框架。

在第1章里，我们引述了历史学家贝蒂·多布斯和玛格丽特·雅各布的话，牛顿时刻提供了“现在大多数西方人和部分非西方人生活的物质和精神世界（工业的和科学的），这被贴切地描述为现代。”2然而这个世界在缓慢地变化。什么是描述牛顿时刻之后的世界的正确方式？我们厌恶那个通常用到的字眼“后现代”，它被很多不同的人赋予了很多意思说来说去。我们也不喜欢这个词语被好些人接受的方式，如索卡在他众所周知的、我们在第8章里提到过的恶作剧中所揭示的那样。这些人是科学上的文盲甚或是反科学的，因为很清楚，科学与这个后牛顿学说文化世界的框架是紧密相连的，这是任何一个希望来理解它的人所必须面对的事实。我们问班上的学生，那个描写牛顿时刻之后所发生的事情的合适字眼是否可能是量子时刻？

注释

第1章 牛顿时刻

[1]革命性的科学理论经常具有这种影响；关于达尔文进化论对文化的影响的一个叙述，见Monte Reel所著的，Between Man and Beast: An Unlikely Explorer,the Evolution Debates,and the African Adventure That Took the Victorian World by Storm (New York:Doubleday,2013)。

[2]例如在The Machiavellian Moment: Florentine Political Thought and the Atlantic Republican Tradition (Princeton: Princeton University Press,1975)中，历史学家J.G.A.波科克详细论述了尼科洛·马基雅弗利的著作怎样对下面这个看起来似乎无解的事实做出回应：道德共和总是受到毁灭的威胁，其中很多毁灭看来是自己导致的。通过明确地面对和说明这个事实，马基雅弗利的著作为政治思想和行动开辟了一片新天地，远远长过马基雅弗利自己生命的天地。波科克演示了，为领会马基雅弗利时刻，我们不仅须理解马基雅弗利的著作，还必须理解他对之做出反应的历史形势，以及他怎样改变了它。

[3]牛顿的生平和工作已被科学史家们仔细和广泛地记录、归档和分析。我们发现对教学目的而言有用的资源是Dobbs 和Jacob所著的Newton以及I.Bernard Cohen所著的 The Birth of a New Physics (New York:Norton,1985)。

[4]经典的例子是英国随笔作家沃尔特·白芝浩的一本书《物理与政治》（1872）。这本书探索和扩展了牛顿学说的观点对政治理念的含义，包括那些后牛顿学说观念，如质量守恒、能量和原子行为。

[5]不会觉得有多奇怪，在学者和普通百姓中发展出了类似于世俗宗教的牛顿学说崇拜。一个例子是共济会会员，他们建立了一种对模仿牛顿学说世界里的秩序和合理性的生活的替代文化体验。在共济会的会所里，牛顿的体系受到“识字精英的崇拜，尽管他们实际上对科学所知甚少，只要有一个晚上，他们就把自己变成神职人员，主持发明出来向宇宙及其瑰丽产生之宏伟设计表示敬意的仪式”（Dobbs和Jacob所著Newton，第104页）。

第2章 一个像素化的世界

[1]参加第一次索尔维会议（如它所被称呼的）的是21位知名的欧洲物理学家：7位来自德国（包括能斯特、普朗克、维恩和鲁宾斯），2位来自英国（包括瑞利-琼斯定律中的琼斯），6位来自法国（包括亨利·庞加莱和唯一的女士居里夫人），2位来自奥地利（包括那时在布拉格的爱因斯坦，布拉格当时是奥匈帝国的一部分），1位来自比利时，2位来自荷兰，以及1位来自丹麦。

[2]在Jammers所著的Conceptual Development第54页中被引用。伽莫说，“即使不是最早”，这也很可能是“最早的放弃经典力学普适性的声明之一”。单单这就将使得这次会议成为科学史上的重要一笔。

[3]在Sopka所著的Quantum Physics in America第35页中被引用，显然它是在肯布尔的论文中找到的一个学生的报告的开头。

[4]例如1916年4月3日，哥伦比亚大学的乔治·皮格勒姆教授在纽约市的美国国家历史博物馆做了一个报告，题目是“光有原子吗？量子理论”。随着更多有关量子的新闻影响到公众，这样的报告的数量和听众越来越多。

[5]例如想想下面这段来自马克·莱纳1992年的小说《还有你，贝比》中的对话。在小说中，某个名叫洛佩兹的将军正在被身份不明的讯问者盘问。

——将军，最后一个问题。你有任何文身吗？

——有，长官。

——在你身上什么地方？纹的是什么？

——我把E=nhf（普朗克的能量辐射公式）纹在我的龟头上。

[6]那么量子是什么时候诞生的呢？有时候发现刚出现的时候其本身并没有被完全认识，量子就是这样的一个例子。有些人把它的诞生定为10月19日的那个公式。伽莫的日期是1898年5月普朗克第一次做他的计算的时候，如果仔细考虑的话，这次计算需要有量子。其他历史学家（包括克拉和库恩）则倾向于1900年12月甚至更晚些时候。最晚的是爱因斯坦1905年论文的发表日期，因为爱因斯坦认识到量子适用于整个领域——这就是它为什么能把电子从材料里面“撞”出来的原因。

[7]阿尔伯特·爱因斯坦，“On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”，Annalen der Physik 17 (1905),pp.132–48，复制在The Collected Papers of Albert Einstein,vol.2,tr.A.Beck (Princeton: Princeton University Press,1989),Document14,pp.86–103中。这篇论文的确是革命性的。但从另一方面来说它也是保守的，因为爱因斯坦和普朗克一样，尽可能多地保留旧的理论，尽可能少地吸收额外的东西来解释事物。普朗克保留经典力学和热力学原封不动，通过将量子这个想法加到他的谐振子上来和黑体实验一致；爱因斯坦保持经典粒子和经典的波原封不动，通过将量子这个想法往前扩展一点点，扩展到光子本身上来和光电效应的实验数据一致。一场革命正在酝酿中，但它的创造者们用他们所能采取的最小的行动把它一点一点往前推。

第3章 量子跃迁

[1]玻尔的博士论文是通过把可移动的电荷描绘成经典电子气体来试图理解物质的电学性质的。他确信在原子的尺度上必须有某种量子的描述。他开始去寻找那样的一个图像，并展示了对于最简单的原子——氢原子而言，当原子被激发后，发射的光谱能被下面这个假定解释：电子处在具有分立能量的轨道上，在这些分立能量之间不允许有任何东西。

第4章 随机性

[1]1873年麦克斯韦写道：“分子科学教导我们，我们的实验永远都不能给予我们任何超出统计学信息的东西，没有什么从这些实验中推断出来的定律能自称具有绝对的精度”（“Molecules”，Nature [September 1873],pp.437–41）。历史学家们确实已经将麦克斯韦对在自然科学中依赖统计学这个想法感到安心追溯到了社会科学越来越多地使用统计学。见Theodore M.Porter,“A Statistical Survey of Gases: Maxwell’s Social Physics”，Historical Studies in the Physical Sciences 12,no.1(1981),pp.77–116,at p.79。

[2]在19世纪晚期，麦克斯韦、玻尔兹曼以及其他科学家努力地去寻找原理来将小尺度上的、可逆的、牛顿学说的行为与大尺度上的不可逆行为（比如那些由热力学处理的行为）联系起来。例如玻尔兹曼引入了一个现在以他的名字命名的常数（由字母k代表）来将一种物质的温度T和在同样温度下那种物质的一个原子具有的平均能量联系起来。但这些科学家找到的东西只是对强调微观与宏观世界间的差别有用。在小尺度上，事物是可逆的和可预测的，但在大尺度上则是由统计学管辖的。牛顿定律+由无数多的部分组成的物体+概率定律=时间之箭和熵的增加（无序）。结果是在热力学家中产生了布拉什所称的“运动学的世界观”，它的精神和传统牛顿物理学的很不一样。热力学也产生了一个被称为“吉布斯佯谬”的问题，在下一章里有讨论。

[3]爱因斯坦的想法是光总是定域在一个一个的包（后来称之为光子）中，就像一连串的台球而不是水流。正是因为这些光子是定域的，当它们撞击原子时，它们能撞出电子（基于普朗克最初的想法，这本来是不容易理解的），你可以使用普朗克的公式来得到与一个原子碰撞的入射光子的能量，从而计算这些电子中的每一个所能具有的最大能量。电子在从材料中逃逸出来时损失了一些能量，因此计算公式中包含电子能有的最大能量（普朗克的hv）减去代表电子从材料里“攀爬”出来需花费的能量的“功函数”。但是爱因斯坦的公式里没有什么东西会告诉你一个光子将真的撞出一个电子的概率。

[4]海尔布伦写道：“它还展示了历史学家的强有力分析工具和著书目录的丰富资源以及他们的结果能被用于影响科学史……福曼向我揭示了科学史就是历史，历史写作和科学研究一样，是一门费力的、创造性的和有回报的学科。”

[5]然而，如伽莫在Conceptual Development第113页所指出的，爱因斯坦把这视为一个非常初步的结论。

第5章 全同性的问题：还没有掉的量子鞋

[1]在一个有关数学家和哲学家伯特兰·罗素的著名故事中，他正对着一群普通听众在讲解逻辑。他说，如果一个数学体系的基本假设在逻辑上是矛盾的，那么就有可能证明任何结论。听众中一个持怀疑态度的人大声喊道：“如果1等于2，证明一下你是教皇！”罗素不受打扰地回答说：“我和教皇是2个人，因此我和教皇是1个人。”罗素利用了同等与同一性之间的相当性：“我和教皇是1个人”代表的是同一性，而“我是教皇”则是更照字面意义代表同等的方式。

[2]泡利也假设了任何单粒子态（这里态的标签包括一个额外的、可取两个值的标签，现在被确认为是电子的自旋，和光子的极化很相似）最多能被一个电子占据。

[3]P.A.M.Dirac,The Principles of Quantum Mechanics，4th ed.(Oxford:Clarendon Press,1981)。事实上，从量子力学的基本原理以及三维空间的性质中推导出这个结果是可能的。要做到这一点，我们需要一点到下一章之前我们不会真正介绍的前传：在量子力学中，对一个粒子或粒子组成的系统的描述采用的形式是一个波函数——一个依赖于所有粒子位置坐标的函数。这个波函数不能被直接观测，这一点直接就来自于波函数是复的这么一个事实。也就是说，它既有一个实的部分，也有一个虚的部分。如“虚”这个字所表明的，这样的一个量不能用任何实在的测量仪器来观测。尽管如此，波函数绝对值的平方（等于它的实部和虚部的平方和）能被解释为在特定地点找到粒子的概率密度。

现在考虑两个不可分辨粒子的波函数ψ（x，y），这里x和y是三维空间中第一个和第二个粒子的坐标。如果我们交换x和y，ψ的绝对值的平方不会改变，因为这是同一个情形，因此必然具有同样的概率密度。这样，所有能发生的事情是这个复的波函数的实部与虚部被转动了一个角度α，因为这保持ψ的绝对值平方不变。这个作为实方向与虚方向之间的转动的角度称为相位角，或简称为相位。我们可以通过一个空间中的转动来完成x和y的交换，绕着一根垂直于且平分连接x与y的直线的轴旋转180°或π弧度。如果我们回过去转动同样的角度，那么我们应该回到我们开始的地方，因此那个转动必然是给波函数一个-a的相位。

到目前为止，我们对a没有做任何限制，但现在设想是你朝下看着一个包含这两个粒子的平面，你站在两个粒子的中间，将它们逆时针转动180°。另外某个人过来把你转动了一下，这样和你开始的方向相比，你颠倒了过来。在你的眼中两个粒子的位置和以往一样，这个行为也给了波函数一个相位转动，把它称为b。如果你现在又把这两个粒子相对于你自己的新视角沿逆时针方向转动一次，也就是相对于你原来的视角顺时针转动，这样得到一个相位-a。让你的朋友现在把你转回到朝上的位置。这给出一个相位-b。我们有两个相位转动，即+b和-b，它们相互抵消。当我们把这些都完成后，剩下来的东西就是你两次把两个粒子逆时针转动了180°，给出相位2a。然而如果我们还记得，第二次转动粒子的时候你是上下颠倒的，因此相对于你最初的方向，你是沿顺时针方向转动粒子，你发现净剩的相位是a-a=0（或等价为360°，因为一个360°的相位转动和完全不转动是等效的）。

把所有这些都放到一起，我们得出结论：绕中点处的轴朝同一方向旋转两次必然给出原来的ψ。这意味着交换x和y必然是将ψ乘上1的平方根，就是说+1或者-1。-1这个情形给出的结果是，对于x=y，ψ必然等于0，这就是泡利原理。而+1的情形给出的波函数在交换两个不可分辨粒子的坐标时是不变的，这就是玻色-爱因斯坦这种情形。所以，狄拉克的表述说这两种可能性是自然界里能找到的仅有的可能性，是三维空间中转动对称性的一个自然结果。

如果我们生活在一个只有两维空间的世界里，那么就不是这样了，角度α将可以是任何我们想要的值（J.M.Leinaas and J.Myrheim,“On the Theory of Identical Particles”,Nuovo Cimento B37 [1977],pp.1–23）。 可以拥有这些可能性的粒子已被称为“任意子”（Frank Wilczek,“Quantum Mechanics of Fractional-Spin Particles”,Physical Review Letters 49 [1982],pp.957–59）。在实验室制备的一些系统中，运动更容易只是在两维而不是三维中进行，已有报导说找到了遵循这种分数统计的粒子的迹象。

第6章 鲨鱼和老虎：矛盾体

[1]沃斯-安德里亚应该知道。他念大学时在柏林和爱丁堡学习物理，研究生时期是在维也纳跟随物理学家安东·蔡林格做关于碳-60富勒烯分子量子干涉的双缝实验。据沃斯-安德里亚说，虽然这个雕塑与互补性的数学没有直接联系，但它与量子物理的数学有联系。其联系程度是，如果你按照普朗克公式E=hv给予一团能量（例如一块物质甚至是一个人）一个频率，然后移动它或按照狭义相对论的规则将它变换到一个运动参照系里，你就会得到垂直于运动方向的平面波前。这就是给予沃斯-安德里亚使用平板这个想法的东西（个人通信）。

[2]康普顿效应涉及撞击原子中一个电子的X射线光子波长的改变与散射角度的关系。X射线的能量是如此之大，以至于电子也可以是一个自由电子。康普顿使用动量与波长之间的关系，再加上动量守恒和能量守恒，找到了一个有关波长变化的公式，这个公式让他获得了1927年的诺贝尔奖。但是康普顿不知道怎么去预言任何特定光子的角度，只知道角度与波长变化的关系（Physical Review 21 [1923],pp.483–502）。

[3]玻尔是另一个波的支持者，他实际上尝试了这个。1924年，他与亨德里克·克拉默斯以及约翰·斯莱特合作做了一个大胆的尝试，试图摧毁爱因斯坦的想法并发展出一个更传统的方法使用波动理论来解释光是怎样被发射和吸收的，以及解释光电效应和康普顿效应（N.Bohr,H.Kramers,and J.Slater,“The Quantum Theory of Radiation”,Philosophical Magazine 47 [1924],p.785）。与达尔文一样，他们发现，要打垮爱因斯坦的想法，他们必须放弃能量守恒，只在平均的意义上让它守恒。他们也必须放弃任何关于光是怎样被发射和吸收的机制的可视化图像的希望。玻尔–克拉默斯–斯莱特（BKS）理论付出的代价被认为是太极端了，不仅仅大多数物理学家这么想，甚至这个理论的作者之一斯莱特也这样认为。他后来声称是被迫在论文上签下了自己的名字。当玻尔–克拉默斯–斯莱特论文在发表后不到一年的时间里被实验证伪时，几乎没有人对此感到惊讶甚或可惜。

第7章 不确定性

[1]George Steiner,Real Presences (Chicago: University of Chicago Press,1989)。作为对比，Phillip Herring在Joyce’s Uncer tainty Principle中不是把这个原理的意思视为定义文学解读，而是视为限制它。

[2]人文学科领域的其他人同样发现不确定性原理是带来解脱感的，它意味着我们能研究和讨论像艺术、价值以及精神事物等这样的东西而没有羞愧感或防卫心理。“这是具有第一流重要性的东西。”《观察者》专栏作家A.沃尔夫1929年在一系列关于“物理科学中的新展望/普适机制被抛弃了/一个古老噩梦的终结”的专栏中写道，“当经济学家（包括学术的和现实的）看到他们的偶像破碎了，并理解了模仿一个受到质疑的力学让人文科学具有确定性这件事情中的不协调时，它应该对解放世界、追求理想大有帮助。”（The Observer,February 3,1929,p.17）

第9章 不行

[1]我们喜欢的、在班上分发的一个关于贝尔定理的简明扼要的解释见N.David Mermin,“Is the Moon There When Nobody Looks? Reality and the Quantum Theory”,in Physics Today 38(April 1985),pp.38–47。一个不同的版本是“Quantum Mysteries for Anyone”,in Philosophy of Science and the Occult,2nded.,ed.P.Grim (Albany: State University of New York Press,1990),pp.315–25。

我们不知道怎样以贝尔定理最初的形式给出一个关于它的简明的、易于理解的叙述，但我们能给出一个好的方法来构想纠缠是如何工作的。首先，让我们注意量子力学的所有奇特性质，如叠加、不确定性等，包括纠缠实际上是波的效应，对经典的波来说它们可以被视为是完全正常的，只有当我们使用量子力学把波应用于关于粒子的预言时它们才变得奇怪。

考虑一个实验，一束光被射过一个“参量下转换”装置，这个装置将每一个光子转换成两个光子，转换后的光子频率减半，因此能量也减半。这两个光子的动量自动就是相互关联的。因此不奇怪，如果一个光子被观测到具有某个向左的动量，那么另一个就具有向右的同样大小的动量。这看起来不那么令人惊讶，但现在让我们想象一个不同的实验。在这个实验里，第一个光子通过一个遮挡物，遮挡物的开口形成几个字母，例如U-M-B-C（T.B.Pittman,Y.H.Shih,D.V.Strekalov,and A.V.Sergienko,“Optical Imaging by Means of Two-Photon Quantum Entanglement”，Physical Review A 52[1995],p.R3429）。另一边的光子被收集起来，在它所允许的路径上没有设置任何形状。当足够多的光子到达了左边，在屏幕上形成一个可见的图案U-M-B-C时，我们可以看另一边，在它们的路径上没有任何限制的光子形成的图案。结果你瞧，这些光子（每一个在时间上和向左运动的光子中的某一个一致）产生了一个也是U-M-B-C的图案！这正是EPR论文反对的东西：这两个粒子在动量上是有关联的，而且在位置上也是关联的，因此它们显然是纠缠的，因为单独对于两者中的任何一个，我们不能同时测量其位置和动量。位置上的关联是一个微妙的关联。它不是那些时间上一致的光子最后处于正好对应的位置上，而是作用在向左运动的光子上的限制为向右运动的光子产生了一张“全息照片”，结果所有向右运动的光子的累积效果再现出那个强加在向左运动的光子上的图像。

这个纠缠是一个波动现象的证明来自于一个类似的实验，这个实验使用一束相当于一个经典波的强激光。这样的一个波能被分成两半，使用一块半镀银的镜子反射一半的强度并透射另一半。这一次平行于镜子表面的动量（对于经典波，类似的量被称为“波数”）必定是相等的，在动量上产生一种显然的关联，但相反，我们可以在其中一边观察一个形状，看它在另一边被复制出来。EPR论文应该对这个没有反对意见，因为对波来说这样的一个关系是一个“预期的”实在的形式（Ryan S.Bennink,Sean J.Bentley,and Robert W.Boyd,“‘Two-Photon’Coincidence Imaging with a Classical Source”，Physical Review Letters 89 [2002],p.113601）。

第10章 薛定谔猫

[1]作为通俗文化的一个话题，薛定谔猫在20世纪80年代达到成熟阶段。例如1984年，科学家和科普作家约翰·格里宾出版了In Search of Schrödinger’s Cat: Quantum Physics and Reality，它的流行引发了一个续篇：Schrödinger’s Kittens and the Search for Reality (1996)。其他讨论薛定谔这个图像的非小说类作品包括Who’s Afraid of Schrödinger’s Cat? An A-to-Z Guide to All the New Science Ideas You Need to Keep Up with the New Thinking(Ian Marshall and Danah Zohar,1997)，以及Schrödinger’s Machines:The Quantum Technology Reshaping Everyday Life (Gerald J.Milburn,1997)。过去几十年里包含这个主题的小说包括Schrödinger’s Cat Trilogy (Robert Anton Wilson,1979)；Schrödinger’s Baby: A Novel (H.R.Mc Gregor,1999)；Schrödinger’s Ball (Adam Felber,2006)；以及Blueprints of the Afterlife (Ryan Boudinot,2012)。短篇故事包括Ursula K.Le Guin的“Schrödinger’s Cat”(1974)和F.Gwynplaine Mac Intyre的“Schrödinger’s Cat-Sitter”(2001)。“薛定谔猫”是一个音乐团队的名字，“薛定谔的老鼠”是一本科幻小说杂志的名称。提到这只猫的电视节目包括“Stargate”“Futurama”“CSI”以及“Doctor Who”的一个音频集。约翰·列侬的儿子西恩以及一个乌克兰摇滚乐队发行过标题中含有“薛定谔猫”的歌曲。这只猫出现在You Tube上和数不清的电子游戏中。维基百科上甚至有网页专门讲“通俗文化中的薛定谔猫”。

[2]感谢（当时）来自布里斯托尔和牛津的博士后研究人员David Leigh、Gavin Morley、Denzil Rodrigues以及Jamie Walker发给我们这些材料。

第12章 拯救物理

[1]简明提到贝尔定理的教科书是Kurt Gottfried所著的Quantum Mechanics: Fundamentals (W.A.Benjamin,1966)。凯泽找到的第一本关注了贝尔定理的量子力学教材是1985年Sakurai的教科书Modern Quantum Mechanics，也就是说贝尔定理没有进入主流物理教材，一直到基础物理团体已经留下它的影响之后。

[2]想想下面这些来自Chimerical Cat（Brush,p.422）的评论。玻恩说：“我个人喜欢把一个概率波，即使是在3N维空间中，当作一个真实的东西，它肯定不只是一个数学计算的工具。”魏斯科普夫说：“原子现象很难理解和很难描述的这样一个事实并不让它们的真实性更少。”

结语 现在时刻

[1]为了我们的课程，我们经常把很多这些用语和概念放进一个表中。

续表

续表

参考文献

引言

1.David Javerbaum,“A Quantum Theory of Mitt Romney,”The New York Times,March 31,2012,p.SR4.

2.Alison Bechdel,Fun Home: A Family Tragicomic (New York: Houghton Mifflin,2006),p.104.

第1章 牛顿时刻

1.John Green and David Levithan,Will Grayson, Will Grayson (New York:Dutton,2010),pp.82–83.

2.Ryan Boudinot,Blueprints of the Afterlife (New York: Grove Press,2012).

3.Mordechai Feingold,The Newtonian Moment: Isaac Newton and the Making of Modern Culture（New York: Oxford University Press,2004),p.xi.

4.Feingold,The Newtonian Moment,p.xiii.

5.Pierre Laplace,A Philosophical Essay on Probabilities,tr.F.Truscott and F.Emory (New York: Dover,1951),p.4.

6.William Thomson (Lord Kelvin),Kelvin’s Baltimore Lectures and Modern Theoretical Physics: Historical and Philosophical Perspectives (Studiesfrom the Johns Hopkins Center for the History & Philosophy of Science),ed.R.H.Kargon and P.Achinstein (Cambridge: MIT Press,1987),p.206.

7.Betty Jo Teeter Dobbs and Margaret C.Jacob,Newton and the Culture of Newtonianism (Atlantic Highlands,NJ: Humanities Press,1985),p.123.

8.Richard Rorty,Objectivity,Relativism,and Truth (Cambridge: Cambridge University Press,1991),p.22.

9.See for instance A.S.Barnhart,“The Exploitation of Gestalt Principles by Magicians,”Perception 39 (2010),pp.1286–89.

10.Richard Dawkins,Why the Universe Seems So Strange,”http://www.ted.com/talks/richard_dawkins_on_our_queer_universe.html,accessed September 9,2013.

11.Rudolf Carnap,Hans Hahn,and Otto Neurath,“The Scientific Conceptionof the World: The Vienna Circle,”in Philosophy of Technology:The Technological Condition,ed.R.Scharff and V.Dusek (Oxford: Blackwell Publishing,2003),p.89.

12.See for instance Stephen Brush,“Irreversibility and Indeterminism:Fourier to Heisenberg”,Journal of the History of Ideas 37 (1976),pp.603–30.

13.Voltaire to Pierre-Louis Moreau de Maupertuis,October 1732,in Voltaire’s Correspondence,vol.2,ed.T.Besterman (Geneva: Voltaire Institute and Museum,1953),p.382.

14.As in Chapter 7 of Cohen,The Birth of a New Physics.

15.Brush,“Irreversibility.”

16.Quoted in Brush,“Irreversibility”,p.611.

第2章 一个像素化的世界

1.John Updike,“Notes and Comment,”The New Yorker,December 9,1967,p.51.

2.Planck’s struggles to protect science during the Nazi regime are outlined in Philip Ball,Serving the Reich: The Struggle for the Soul of Physicsunder Hitler (London: Random House,2013).

3.J.L.Heilbron,The Dilemmas of an Upright Man: Max Planck as Spokesman for German Science (Berkeley: University of California Press,1986),p.3.Other biographies of Planck and his work: H.Kragh,Quantum Generations:A History of Physics in the Twentieth Century (Princeton:Princeton University Press,1999); and T.S.Kuhn,Black-Body Theoryand the Quantum Discontinuity:1894–1912 (Oxford: Clarendon Press,1978).

4.Max Planck,Scientific Autobiography and Other Papers (London: Williams& Norgate,1950),pp.34–35.

5.Albert Einstein to C.Habicht,May 1905,in The Collected Papers of Albert Einstein,vol.5,tr.A.Beck (Princeton: Princeton University Press,1995),Document 28,p.21.

6.Quoted in Max Jammer,The Conceptual Development of Quantum Mechanics (New York: Mc Graw-Hill,1966),p.59.

7.Quoted in Guido Bacciagaluppi and Anthony Valentini,Quantum Theory at the Crossroads: Reconsidering the 1927 Solvay Conference (Cambridge:Cambridge University Press,2009,p.4).

8.Henri Poincaré,“The Quantum Theory,”in Mathematics and Science:Last Essays,tr.J.W.Bolduc (New York: Dover,1963),p.88.See also Russell Mc Cormmach,“Henri Poincare and the Quantum Theory”,ISIS 58 (1967),pp.37–55.

9.See for instance Maila L.Walter,Science and Cultural Crisis: An Intellectual Biography of Percy Williams Bridgman (1882–1961) (Redwood City,CA: Stanford University Press,1991),p.81.

10.Katherine Sopka,Quantum Physics in America: 1920–1935 (New York:American Institute of Physics and Tomash Publishers,1976),p.39.

11.Werner Heisenberg,Physics and Beyond: Encounters and Conversations (New York: Harper & Row,1971),p.26.

12.Robert Millikan,“Einstein’s Photoelectric Equation and Contact Electromotive Force”,Physical Review 7 (1916),p.18.See also G.Holton,“R.A.Millikan’s Struggle with the Meaning of Planck’s Constant”,Physics in Perspective 1,no.3 (1999),pp.231–37.

13.Paul Epstein,Physikalische Zeitschrift 17 (1916),p.148; Annalen der Physik 50 (1916),p.489.

14.Paul Heyl,New Frontiers of Physics (New York: D.Appleton,1930),p.67.

15.Jammer,Conceptual Development,pp.36–37.

16.Manchester Guardian,January 23,1929,p.9.

17.“Science Needs the Poet”,The New York Times,December 21,1930,p.47.

18.Paul Hartman,A Memoir on The Physical Review: A History of the First Hundred Years (Woodbury,NY: AIP Press,1994),pp.43–44.

19.Max Planck,“On an Improvement of Wien’s Equation for the Spectrum”,Annalen der Physik 1 (1900),p.730.

20.Max Planck,Scientific Autobiography and Other Papers (New York:Philosophical Library,1949),p.41.

21.Max Planck,“The Origin and Development of the Quantum Theory”,Nobel Prize Lecture,1922.

22.Max Planck to R.W.Wood,October 7,1931,reproduced in A.Hermann,The Genesis of Quantum Theory (1899–1913),tr.C.Nash (Cambridge: MIT Press,1971),p.23.

23.Jammer,Conceptual Development,p.18.

24.Max Planck,“On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum”,Verhalungen der Physikalischen Gesellschaft 2 (1900),p.202.

25.Jammer,Conceptual Development,p.22.

第3章 量子跃迁

1.George Gamow,Thirty Years That Shook Physics (New York: Doubleday,1966),p.56.

2.John L.Heilbron,“The Scattering of Alpha and Beta Particles and Rutherford’s Atom”,Archive for History of Exact Sciences 4 (1968),p.304.

3.See Heilbron,“The Scattering”.

4.Quoted in Abraham Pais,Niels Bohr’s Times,In Physics,Philosophy,and Polity (New York: Clarendon Press,1991),p.144.

5.James Jeans,Report on Radiation and the Quantum-Theory (London:The Electrician Publishing Company,1914),pp.79–80.

6.Cited in Jammer,Conceptual Development,p.77.

7.Niels Bohr,“On the Constitution of Atoms and Molecules,Part I”,Philosophical Magazine 26 (1913),pp.1–24;“On the Constitution of Atoms and Molecules,Part II: Systems Containing Only a Single Nucleus”,Philosophical Magazine 26 (1913),pp.476–502;“On the Constitution of Atoms and Molecules,Part III: Systems Containing Several Nuclei”,Philosophical Magazine 26 (1913),pp.857–75.

8.Pais,Niels Bohr’s Times,p.147.

9.Jeans,Report,p.1.

10.These include Bertrand Russell’s book,The ABC of Atoms,in 1923,and James Jeans’s Rouse Ball lecture of 1925.

11.Waldemar Kaempffert,The New York Times,January 11,1931.

12.“Down the Spillway,”n.a.,The Sun,July 4,1929,p.6.

13.“At Random”,The Observer,November 10,1929,p.15.

第4章 随机性

1.BBC News,December 4,2002,http://news.bbc.co.uk/2/hi/uk_news/2541761.stm,accessed September 19,2013.

2.David Lindley,Uncertainty: Einstein,Heisenberg,Bohr,and the Struggle for the Soulof Science(New York:Doubleday,2007),p.30.

3.A.Einstein to M.Besso,August 11,1916,in The Collected Papers of Albert Einstein,vol.8,tr.A.Hentschel (Princeton: Princeton University Press,1998),Document 250,p.243.

4.A.Einstein to M.Besso,September 6,1916,in Collected Papers,vol.8,Document 254,p.246.

5.“The‘Thirties’”,The New York Times,December 29,1929,p.E4.

6.Cathryn Carson,Alexei Kojevnikov,and Helmuth Trischler,“The Forman Thesis: 40 Years After”,in Weimar Culture and Quantum Mechanics: Selected Papers by Paul Forman and Contemporary Perspectives on the Forman Thesis,ed.C.Carson,A.Kojevnikov,and H.Trischler (London: Imperial College Press,2011),p.3.

7.Paul Forman,Ph D dissertation,University of California,Berkeley,1967.

8.Archive for History of Exact Sciences 6(1969),pp.38–71.

9.Historical Studies in the Physical Sciences 3(1971),pp.1–115,reproduced in Weimar Culture and Quantum Mechanics,pp.87–201,from which all quotes are taken.

10.Carson,Kojevnikov,and Trischler,eds.,Weimar Culture and Quantum Mechanics,p.2.

11.The most frequently cited of the three papers is “Quantentheorie des Strahlung”,Physikalische Zeitschrift 18(1917),pp.121–28,reprinted as“On the Quantum Theory of Radiation”,in Sources of Quantum Mechan- Notes to pages 84–100 289 ics,ed.B.L.van der Waerden(Amsterdam:North Holland Publishing Co.,1967),pp.63–78.This is a reprint of a paper in the Physik.Gesell.Zurich Mitt.16 (1916),pp.47–62; the third paper is “Strahlungsemission und Absorption nach der Quantentheorie”,in Verh.Deutsch.Phys.Ges.18(1916),pp.318–23.

12.Einstein,The Collected Papers of Albert Einstein,vol.6,tr.A.Engel (Princeton: Princeton University Press,1997),Document 34,p.216.

13.Albert Einstein to Michele Besso,March 9,1917,in Collected Papers,vol.8,Document 306,p.293.

14.Albert Einstein to Max Born,January 27,1920,in The Collected Papers of Albert Einstein,vol.9,tr.A.Hentschel(Princeton:Princeton University Press,2004),Document 284,p.237.

15.Albert Einstein,“Physics,Philosophy,and Scientific Progress”,Physics Today,Vol.58,June 2005,p.46.

第5章 全同性的问题：还没有掉的量子鞋

1.Peter Pesic,Seeing Double:Shared Identities in Physics,Philosophy,and Literature(Cambridge:MIT Press,2002),p.98.

2.Pesic,Seeing Double,p.14.

3.Robert P.Crease and Charles C.Mann,The Second Creation:Makers of the Revolution in 20th Century Physics(New York:Macmillan,1986),p.95.

4.Wolfgang Pauli,Zeitschrift fur Physik 31(1925),p.765.

5.See John L.Heilbron,“The Origins of the Exclusion Principle”,Historical Studies in the Physical Sciences 13(1983),p.261.

6.Abraham Pais,Inward Bound:Of Matter and Forces in the Physical World (New York: Oxford University Press,1986),p.272.

7.Wolfgang Pauli,Zeitschrift fur Physik 31(1925),pp.765–85.

8.Henry Margenau,“The Exclusion Principle and Its Philosophical Importance”,Philosophy of Science 11(1944),pp.187–208.

第6章 鲨鱼和老虎：矛盾体

1.Daniel Albright,Quantum Poetics:Yeats,Pound,Eliot,and the Science of Modernism(Cambridge University Press,1997),pp.24–25.

2.John Polkinghorne,Quantum Physics and Theology: An Unexpected Kinship(New Haven:Yale University Press,2007),p.91.

3.Arthur G.Webster,Weekly Review 4(1921),pp.537–38.

4.G.E.Sutcliffe,“The Eastern School”,letter to the editor,The Times of India,October 12,1921,p.11.

5.“The Quanta Theory”,n.a.,Los Angeles Times,October 20,1922,p.II4.

6.F.C.S.Schiller,“Psychology and Logic”,in Psychology and the Sciences,ed.William Brown (London: A & C Black,1924).

7.Myra Nye,“British Savant Club Speaker”,Los Angeles Times,October 19,1922,p.II8.

8.W.Kaempffert,“Details Concepts of Quantum Theory; Heisenberg of Germany Gives Exposition Before British Scientists”,The New York Times, September 2,1927,p.6.

9.Jammer,Conceptual Development,p.196.

10.Sir William Bragg,Electrons&Ether Waves:Being the 23rd Robert Boyle Lecture,on May,1921(New York:Oxford,1921).

11.Quoted in Jammer,Conceptual Development,p.171.

12.Cited in Roger Stuewer,The Compton Effect:Turning Point in Physics (New York: Science History Publications,1975),p.331.

13.J.J.Thomson,The Structure of Light:The Fison Memorial Lecture,1925 (Cambridge,England: Cambridge University Press,1925),p.15.

14.Stuewer,The Compton Effect,p.331.

15.Albert Einstein,Berliner Tageblatt,April 20,1924.

16.James Jeans,Atomicity and Quanta (Cambridge,England: Cambridge University Press,1926),p.62.

17.Robert P.Crease,The Great Equations: Breakthroughs in Science from Pythagoras to Heisenberg(New York:Norton,2011),p.236.

18.Werner Heisenberg,Physics and Beyond:Encounters and Conversations (New York: Harper and Row,1971),p.60.

19.Max Born,Physics in My Generation(New York:Pergamon Press,1969),p.100.

20.Pais,Inward Bound,p.255.

21.See for instance Stephen Brush,“Irreversibility and Indeterminism:Fourier to Heisenberg,”Journal of the History of Ideas 37(1976),pp.603–30.

22.Werner Heisenberg,Naturwissenschaften 14(1926),pp.899–904.

23.The complete correspondence,from which the following quotes are translated and drawn,is contained in A.Hermann,K.von Meyenn,and V.Weiskopf,Wissenschaftlicher Briefwechsel mit Bohr,Einstein,Heisenberg u.a.(New York: Springer,1979),vol.1.

24.See for instance Jammer,Conceptual Development,p.166.

25.Manchester Guardian,February 14,1935.

26.David Foster Wallace,Everything and More:A Compact History of Infinity (New York: Norton,2003),p.22.

27.John Updike,The New Yorker,December 30,1985.

28.John Polkinghorne,Quantum Physics and Theology: An Unexpected Kinship(New Haven:Yale University Press,2007),p.ix.

29.Teju Cole,Open City(New York:Random House,2011),p.155.

第7章 不确定性

1.Ray Monk,Robert Oppenheimer: A Life Inside the Center (New York:Doubleday,2012),p.142.

2.See for instance Dorothy Wrinch,“The Relations of Science and Philosophy,”Journal of Philosophical Studies 2(1927),pp.153–66.

3.Craig Callendar,The New York Times,July 21,2013,Online Opinion,http://opinionator.blogs.nytimes.com/2013/07/21/nothing -to -see -here - demoting-the-uncertainty-principle (last accessed July 24,2013).

4.John Updike,Roger’s Version(New York:Knopf,1986),p.168.

5.Arthur Eddington,The Nature of the Physical World(New York:Macmillan,1928),p.v.

6.Eddington,Physical World; this and the following quotes are from the sections on the “Principle of Indeterminacy” and “A New Epistemology”,pp.220–29.

7.Eddington,Physical World,p.350.

8.Eddington,Physical World,pp.309,339.

9.Gerald Holton,“Candor and Integrity in Science”,in Scientific Values and Civic Virtues,ed.Noretta Koertge (New York: Oxford University Press,2005),p.87.

10.Maila L.Walter,Science and Cultural Crisis:An Intellectual Biography of Percy Williams Bridgman(1882–1961)(Redwood City,CA:Stanford University Press,1991),p.4.

11.Bridgman to Korzybski,March 18,1928.In Percy Williams Bridgman Papers,Harvard University,Cambridge,Massachusetts.Bridgman’s article:“The New Vision of Science”,Harper’s 158,March 1929,pp.443–54.

12.Waldemar Kaempffert,The New York Times,January 11,1931.

13.“By-Products”,The New York Times,November3,1929,p.E4.

14.The New York Times,September 5,1936,p.9.

15.Review of A.Eddington,“The Nature of the Physical World”,Union Seminary Review 41 (1929),pp.77–78.

16.Christian Wiman,My Bright Abyss (New York: Farrar,Straus and Giroux,2013),p.17.

17.J.W.N.Sullivan,“Science and Philosophy: Sir Arthur Eddington’s New Book”,The Observer,March 3,1935,p.4.

18.Wolfgang Paalen,“Art and Science”,DYN 3 (Fall 1942),p.8.

19.Martin Heidegger,“What Are Poets For?”in Poetry,Language,Thought,tr.Albert Hofstadter (New York: Harper & Row,1971),p.112.

20.The New York Times,May 25,1930,p.25.

21.The New York Times,March 27,1931,p.27.

22.“Religion”,The Methodist Review 46,no.5 (September 1930),p.740.

23.The Christian Science Monitor,March 30,1931,p.5.

24.The Methodist Review 45,no.4 (July 1929),p.580; the Methodist Review is drawing much of its remarks from Eddington’s book.

25.Ernest Rice Mc Kinney,The Pittsburgh Courier,December 12,1931,p.12.

26.Quoted in Lindley,Uncertainty,p.185.

27.Paalen,“Art and Science”,p.8.

28.William Barrett,Irrational Man: A Study in Existential Philosophy (New York: Doubleday Anchor,1958),p.38.

29.Barrett,Irrational Man,p.40.

30.Slavoj Žižek,The Indivisible Remainder: An Essay on Schelling and Related Matters (New York:Verso,1996),p.226.

31.W.Heisenberg to W.Pauli,February 23,1927,in A.Hermann et al.,eds.,Wissenschaftlicher Briefwechsel, pp.377–78.

32.See Brush,“Irreversibility and Indeterminism”.

33.Quoted in Brush,“Irreversibility and Indeterminism”,p.626.

34.Pais,Inward Bound,p.262.

35.Interview,W.Heisenberg,February 25,1963,in Archives for the History of Quantum Physics,p.17,The American Institute of Physics,College Park,Maryland.

第8章 实在性破碎了：立体主义和互补性

1.Shirley Mac Laine,Dancing in the Light (New York: Bantam,1985),p.403.

2.James Jeans,The Mysterious Universe (New York: Cambridge University Press,1930),p.137.

3.Pais,Inward Bound,p.178.

4.Arthur I.Miller,Einstein,Picasso: Space,Time,and the Beauty that Causes Havoc (New York: Basic Books,2002).

5.Arthur I.Miller,“One Culture”,New Scientist,October 29,2005,p.44.For more on the background to the idea of complementarity,see Gerald Holton,“The Roots of Complementarity”,in Thematic Origins of Scientific Thought: Kepler to Einstein (Cambridge: Harvard University Press,1988),pp.99–145.

6.Niels Bohr,Collected Works,vol.6,ed.Jorgen Kalckar (New York: North-Holland,1985),p.26.

7.Ibid.,pp.113–36,with the revision on pp.580–90.This volume also has Bohr’s preparatory notes and accompanying documents.

8.Ibid.,p.52.

9.Ibid.

10.Jammer,Conceptual Development,p.354.

11.C.Moller,Fysisk Tidsskrift 60 (1962),p.54.

12.Karl Popper,The Logic of Scientific Discovery (London: Routledge,1959),p.456.

13.J.Robert Oppenheimer,Science and the Common Understanding (New York: Simon & Schuster,1954),p.9.

14.J.Robert Oppenheimer,“Electron Theory”,Physics Today 10 (1957),p.20.

15.Niels Bohr,Collected Works,vol.10,ed.David Favrholdt (New York:North-Holland,1999),Editor’s preface,p.v.

16.Pais,Niels Bohr’s Times,p.433.

17.See Bohr,Collected Works,vol.10,and Pais,Niels Bohr’s Times,pp.438–47.

18.M.Beller,Physics Today 5 (September 1998),pp.29–34.

19.Pais discusses this talk in Niels Bohr’s Times, p.415.

20.William L.Laurence,“Jekyll-Hyde Mind Attributed to Man”,The New York Times, June 23,1933,pp.1,13.

21.The New York Times,June 24,1933,p.12.

22.References are numerous; see for instance: J.Haas,“Complementarity and Christian Thought: An Assessment”,Journal of the American Scientific Affiliation (1983),pp.145–51,203–9; R.Nadeau,Readings from the New Book on Nature: Physics and Metaphysics in the Modern Novel (Amherst: University of Massachusetts Press,1981); S.Ryan,“Faulkner and Quantum Mechanics”,Western Humanities Review 33 (1979),pp.329–39; J.Honner,“Niels Bohr and the Mysticism of Nature”,Zygon 17 (1982),pp.243–53; J.Honner,“The Transcendental Philosophy of Niels Bohr,Studies in History and Philosophy of Science 13 (1982),pp.1–29; R.Schlegel,“Quantum Physics and the Divine Postulate”,Zygon 14 (1979),pp.163–65; A.Hye,“Bertolt Brecht and Atomic Phys ics”,Science/Technology and the Humanities 1 (1978),pp.157–70; F.Falk,“Physics and the Theatre: Richard Foreman’s Particle Theory”,Educational Theatre Journal 29 (1977),pp.395–404

23.Leonard Shlain,Art and Physics: Parallel Visions in Space,Time,and Light (New York: Morrow,2007),p.24.

24.See Jammer,Conceptual Development,section 7.2:“Complementarity”.

25.Example:“Art and physics,like wave and particle ...are simply two different but complementary facets of a single description of the world”(Shlain,Art and Physics,p.24).

26.Lawrence Le Shan,The Medium,the Mystic and the Physicist: Toward a General Theory of the Paranormal (London: Thorsons,1974).

27.Slavoj Žižek,Less Than Nothing: Hegel and the Shadow of Dialectical Materialism (New York: Verso,2012),p.931.

28.An excellent analysis of Bohr’s remark is found in Don Howard,“Who Invented the‘Copenhagen Interpretation’? A Study in Mythology”,Philosophy of Science 71 (2004),pp.669–82.

29.Niels Bohr,“Natural Philosophy and Human Cultures”,in Collected Works,vol.10,p.89.

30.R.Crease,“The Most Beautiful Experiment”,Physics World,May 2002,p.17;“The Most Beautiful Experiment”,Physics World,September 2002,pp.17–18;“The Only Mystery: The Quantum Interference of Single Electrons”,in R.Crease,The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science (New York: Random House,2003),pp.191–205 (the respondent’s quote is on p.191).“Dr.Quantum”has a superb You Tube video of the double-slit experiment.

第9章 不行

1.Edmund Taylor Whittaker,From Euclid to Eddington: A Study of Conceptions of the External World (Cambridge: Cambridge University Press,1949),pp.59–60.

2.See Don Howard,“‘Nicht Sein Kann Was Nicht Sein Darf,’or The Prehistory of EPR,1909–1935: Einstein’s Early Worries about the Quantum Mechanics of Composite Systems,”in Sixty-Two Years of Uncertainty: Historical,Philosophical,and Physical Inquiries into the Foundations of Quantum Mechanics,ed.Arthur Miller (New York: Springer,1990),pp.61–111.

3.Einstein to Hedwig Born,April 29,1924,in The Born-Einstein Letters,ed.Max Born (New York: Walker & Co.,1971),p.82.

4.Quoted in Lindley,Uncertainty,p.133.

5.Nature,March 26,1927,p.467.

6.Guido Bacciagaluppi and Antony Valentini,Quantum Theory at the Crossroads: Reconsidering the 1927 Solvay Conference (Cambridge: Cambridge University Press,2009),pp.234,237.

7.Ibid.,p.i.

8.Ibid.,Ch.2.

9.Ibid.,pp.440ff.

10.Ibid.,175–76.

11.Quoted in Bacciagaluppi and Valentini,Quantum Theory,p.442.

12.Bacciagaluppi and Valentini,Quantum Theory,pp.247–82.

13.Leon Rosenfeld,quoted in Pais,Niels Bohr’s Times,pp.446–47.

14.A.Einstein,R.Tolman,and Boris Podolsky,“Knowledge of the Past and Future in Quantum Mechanics”,Physical Review 37 (1931),pp.780–81.

15.“Einstein Affirms Belief in Causality”,The New York Times,March 17,1931,p.13.

16.“Conservative Einstein”,The New York Times,March 18,1931.

17.William L.Laurence,“Einstein Offers New View of Mass-Energy Theorem”,The New York Times,December 29,1934,pp.1,7.

18.A.Einstein,B.Podolsky,and N.Rosen,“Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”Physical Review 47 (1935),pp.777–80.

19.Paul Schilpp,ed.,Albert Einstein,Philosopher-Scientist: The Library of Living Philosophers,vol.VII (Chicago: Open Court,1949),p.666.

20.Russell Mc Cormmach,Night Thoughts of a Classical Physicist (New York:Avon,1982).

21.Robert P.Crease and Charles C.Mann“,Interview: John Bell,”Omni (May 1988),pp.85–92,121.

22.Jeffrey Bub,“Von Neumann’s‘No Hidden Variables’Proof: A Re-Appraisal”,ar Xiv:1006.0499.

23.David Bohm,Physical Review 85 (1952),pp.166,189.

24.John Bell,Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics (Cambridge:Cambridge University Press,1987),pp.1–13.

25.Ibid.,pp.14–21.

26.J.Clauser,M.Horne,A.Shimony,and R.Holt,“Proposed Experiment to Test Local Hidden-Variable Theories”,Physical Review Letters 23 (1969),pp.880–84.

第10章 薛定谔猫

1.See for instance Howard,“Who Invented the‘Copenhagen Interpretation’?”

2.E.Schrodinger to A.Einstein,June 7,1935.This letter is quoted in Walter Moore,Schrodinger: Life and Thought (New York: Cambridge University Press,1989),p.304.

3.Ibid.

4.Ibid.,p.305.

5.E.Schrodinger,“Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik”,Naturwissenschaften 23 (1935),pp.807–12; 823–32,844–49.For the English translation see John D.Trimmer,“The Present Situation in Quantum Mechanics”,Proceedings of the American Philosophical Society 124 (1980),pp.323–38,reprinted in J.A.Wheeler and W.H.Zurek,eds.,Quantum Theory and Measurement (Princeton: Princeton University Press,1983),p.152; also online:http://www.tu-harburg.de/rzt/rzt/it/QM/cat.html#sect5.

6.For a good discussion see Howard,“Nicht Sein Kann”.

7.Stephen Brush,“The Chimerical Cat: Philosophy of Quantum Mechanics in Historical Perspective”,Social Studies of Science 10 (1980),pp.393–447.

8.For Schrodinger’s references see Karl Meyenn,Eine Entdeckung von ganz auserordentlicher Tragweite: Schrodingers Briefwechsel zur Wellenmechanik und zum Katzenparadoxon (Berlin: Springer,2011).

9.As in Anthony J.Leggett,“Quantum Mechanics: Is It the Whole Truth?”in Visions of Discovery: New Light on Physics,Cosmology,and Consciousness,ed.Raymond Y.Chiao et al.(Cambridge: Cambridge University Press,2011),pp.171–183; see also A.J.Leggett,Journal of Physics A 40 (2007),p.3141.

10.Gary Zukav,The Dancing Wu Li Masters (New York: William Morrow,1979),p.86.

11.Lily Tuck,I Married You for Happiness (New York: Atlantic Monthly Press),pp.126–27.

12.http://www.youtube.com/watch?v=it QVDA6_TME.

13.Steve Field,“Quantum Socks,”New Scientist,June 23,2012,p.31.

14.J.R.Friedman,V.Patel,W.Chen,S.K.Tolpygo,and J.E.Lukens,“Quantum Superposition of Distinct Macroscopic States”,Nature 406 (2000),pp.43–46.

15.“How Fat is Schrodinger’s Cat,”Physics World,April 25,2013,http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/apr/25/how-fat-is -schrodingers- cat,accessed October 1,2013; also“Comments”,Physics World,June 2013,p.21.

第11章 兔子洞：对平行世界的渴望

1.Movies depicting alternate versions of reality in ways that serve yet other purposes include It’s a Wonderful Life (1946),Groundhog Day (1993),Sliding Doors (1998),and Back to the Future (1985).See also alternate histories,as in Steamboy (2004),a Japanese film about an alternate Europe,and Difference Engine,a novel by William Gibson and Bruce Sterling (1992).Books with alternate worlds include Ray Bradbury’s Martian Chronicles (1950,the third expedition) and Diana Jones’s The Lives of Christopher Chant (1988).Movies include The Girl Who Leapt Through Time,The Source Code,and Lake House.

2.For a biography of Everett,see Peter Byrne,The Many Worlds of Hugh Everett III: Multiple Universes,Mutual Assured Destruction,and the Meltdown of a Nuclear Family (New York: Oxford University Press,2010),and the review by R.Crease in Nature 465 (2010),pp.1010–11.For a collection of papers,see Bryce S.De Witt and Neill Graham,eds.,The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics (Kathmandu: Five Mile Mountain Press,1980).

3.Byrne,Many Worlds, p.11.

4.Hugh Everett,III,“‘Relative State’Formulation of Quantum Mechanics”,Reviews of Modern Physics 29 (1957),pp.141–49,reprinted in De Witt and Graham,Many-Worlds Interpretation.

5.De Witt and Graham,Many-Worlds Interpretation, p.v.

6.Ibid.,p.xii.

7.De Witt and Graham,Many-Worlds Interpretation,p.161.

8.Kurt Vonnegut,Slaughterhouse-Five (New York: Delacorte Press,1969).

9.Doctor Who,Episode 5,Series 2,10th Doctor.

10.“On View: It’s Fashionable to Take a Trip to Another Universe”,The New York Times,July 26,2011.

11.Michael Douglas,Journal of High Energy Physics 0305 (2003),p.46.

第12章 拯救物理

1.Howard,“Who Invented the‘Copenhagen Interpreta tion’?”

2.Quotedin Howard,“Who Inventedthe‘Copenhagen Interpretation’?”p.676.

3.Jack Sarfatti and Fred Alan Wolf,personal communication,March 17,2013.

4.David Kaiser,How the Hippies Saved Physics: Science,Counterculture,and the Quantum Revival (New York: Norton,2011),p.119.

5.Fritjof Capra,The Tao of Physics: An Exploration of the Parallels Between Modern Physics and Eastern Mysticism (Berkeley: Shambhala Publications,1976),p.298.

6.D.Harrison,“What You See Is What You Get!”American Journal of Physics 47 (1979),pp.576–82;“Teaching the Tao of Physics”,American Journal of Physics 47 (1979),pp.779–83.

7.Zukav,The Dancing Wu Li Masters.

8.Buffalo: State University of New York Press,1984.

9.See for instance Martin Gardner,“Quantum Theory and Quack Theory”,in the New York Review of Books 26 (May 17,1979);“Magic and Paraphysics”,Technology Review 78 (June 1976),pp.42–66.

10.Paulo Coehlo,Brida: A Novel (New York: Harper Collins 2008),pp.73–74.

11.Thanks to George Clinton for this remark.

12.Abraham Pais,Subtle Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein (New York: Oxford,2005),p.1.

13.Marshall Spector,“Mind,Matter,and Quantum Mechanics”,in Philosophy of Science and the Occult,2nd ed.,ed.P.Grim (Albany: State University of New York Press,1990),p.344.

结语 现在时刻

1.See for instance Lillian Hoddeson,“The Entry of the Quantum Theory of Solids into the Bell Telephone Laboratories,1925–40: A Case- Study of the Industrial Application of Fundamental Science”,Minerva,1980,pp.422–47.

2.Dobbs and Jacob,Newton, p.123.

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致谢

我们需要表达的感谢甚多。我俩大约于10年前首次相识，缘于我们分别递交了对同一笔拨款的申请，然后主任要求我们合作。同时，石溪的一个大一学生正在我俩各自所在系的大楼里到处寻找，希望能有一位哲学家和一位物理学家来教导一门关于量子力学的哲学课程。我俩是仅有的认真对待他的人，并开始思考什么样的内容能对学哲学和学物理的本科生都有意义，能被他们都理解。我们知道，关于量子力学的哲学、历史以及科学内容的材料有很多（这个领域几乎不再需要更多东西了），但是研究量子力学对大众文化的影响（反之亦然）这个想法引起了我们的兴趣。这门课不止实现了这些期望。我们把这门课叫作“量子时刻”，灵感来自于2004年纽约公共图书馆的一次展览。这次展览由科学史学家莫迪凯·法因戈尔德组织，名字叫作“牛顿时刻”。我们俩不仅要感谢石溪大学允许我们教这样一门新颖的课程，还要感谢学校的行政人员（哲学系的艾丽莎·贝茨以及物理系的帕姆·伯里斯和纳森·尼奥斯-夏品）年复一年费劲地把一门共同执教的课排进一个高要求的课程设置中。

在2006年春季这门课程的首轮讲授中，我们很幸运。不仅有聪慧和勤奋的学生，还有几位资深老师参与，包括物理学家哈罗德·梅特卡夫、哲学家帕特里克·格里姆和米勒·李以及生物化学家保罗·宾厄姆。每一年，全班同学去石溪物理系的激光教学中心实习一次，由梅特卡夫和激光教学中心的执行主任约翰·诺亚指导。我们也请了好些知名的客座演讲嘉宾，有些嘉宾亲自来到了教室里，另一些使用网络电话Skype，还有几位是两种方式都用了。这些人里包括保罗·福曼、戴维·凯泽、宫本信子和吉诺·塞格雷。这些演讲嘉宾为我们的学生增加了见解，也使我们自己对这个丰富多彩的主题增加了见解。

2012年夏天，我俩中的一个（克里斯）在石溪位于俄罗斯圣彼得堡的纽约-圣彼得堡语言、认知与文化学院（NYI）讲授了这门课的一个微缩版本。我们感谢学院的联席主任、石溪的教授约翰·弗雷德里克·贝林和很多热情的学生，这些学生选了这门课并给我们提供了俄罗斯人的思考角度。戈德哈伯在2012年7月25日至29日于马里兰州陶森大学举行的“艺术、音乐和科学中的数学联系”Bridges会议上做了一个与我们的课程相关的报告；克里斯于2012年3月在亚特兰大举行的第十届加德纳聚会（G4G10）上做了一个报告；2012年9月我们一起在石溪大学的人文学院做了一个关于这门课的联合报告。

克里斯为《物理世界》杂志撰写一个每月一次的专栏《临界点》，《物理世界》是由英国物理学会出版的一本非常有益和有启发性的杂志，编辑马丁·杜拉尼确保为这本杂志的写稿是高要求的以及阅读这本杂志是有趣的。我们不仅感谢他，也感谢许许多多对专栏做出回应的人。这本书中的有些材料首次出现于这些专栏文章中，包括第1章的部分（“量子时刻”， 2013年3月），第3章的部分（“水果圈式”，2012年2月），第5章的部分（“全同物理”，2013年1月），第9章的部分（“不可能物理”，2007年7月），第10章的部分（“永远不死的猫”，2013年4月），以及第11章的部分（“非现实世界的故事”，2011年12月）；其他材料取自2001年12月（“对不确定性太自信”）、2008年5月（“玻尔佯谬”）以及2008年9月（“文化的量子”）的专栏文章。我们非常感激能被允许修订和改编这些材料。

感谢诺顿出版公司的编辑玛丽亚·瓜尔纳斯凯利。她对我们书稿的早期版本做了富有见地的阅读。感谢她的耐心，等待我们重新调整书稿以使其更加连贯和有条理。我们也感谢米切尔·科霍斯对整理书稿的帮助；感谢主编南希·帕姆奎斯特和制作经理戴文·扎恩；感谢朱莉·薛瑞尔；感谢文字编辑卡罗尔·罗斯，她的很多建议极大地提高了我们的写作水平。

我们也感谢约翰·格林和戴维·利维坦，感谢他们允许我们转载《两个威尔》中威尔（两个中的一个）和简之间关于薛定谔猫的有趣长谈。我们谢谢哈佛大学图书馆，在这里我们使用了珀西·威廉姆斯·布里奇曼的作品集，也谢谢哥伦比亚图书馆和石溪大学图书馆，我们频繁地使用这两个图书馆的资料。我们还要感谢爱德华·凯西、帕特里克·格里姆、乔治·威廉·哈特、唐·伊德、已故的约翰·哈曼·马伯格、爱德华多·门迭塔、哈尔·梅特卡夫、米勒·李、罗伯特·沙夫以及马歇尔·斯佩克特，感谢他们的各种深刻见解。非常感谢罗伊·格劳伯允许我们复制他那张关于泡利的精彩照片和允许我们引用他对这张照片来由的描述。杨振宁理论物理研究所的系统管理员洪启明绘制了书中的一些图表。感谢总是出人意料的XKCD，感谢它富有想象力的漫画和它的慷慨大方，允许人们分享这些漫画。克里斯感谢他的妻子斯蒂芬妮，没有她的爱和支持，他不可能完成这本书。斯蒂芬妮阅读了书稿的很多版本，为它的清楚明晰和内容做了很多贡献，并帮助校订了本书稿之前的很多专栏文章。克里斯也感谢他的儿子亚历山大和女儿伊迪亚的爱和支持，亚历山大帮助制作了一些图表。戈德哈伯感谢妻子苏珊·戈德哈伯的爱、鼓励和建议，感谢他俩的孩子们戴维·戈德哈伯-戈登和莎拉·戈德哈伯-菲尔伯特以及他们各自的家庭，他们让写这本书之前和写这本书之中的生活如此特别和有意义。此外，戴维对我们的文字给了一些很有见地的意见。最后，我们感谢彼此，6年来一起克服我们之间很不一样的感觉、风格和日程安排，让每一节课都显得新奇和新鲜。

1. 封面

2. 扉页

3. 版权信息

4. 目录

5. 版权声明

6. 内容提要

7. 其它

8. 作者介绍

9. 译者序

10. 引言

11. 第1章 牛顿时刻

1. 插节 大设计

12. 第2章 一个像素化的世界

1. 插节 普朗克引入量子

13. 第3章 量子跃迁

1. 插节 玻尔用量子跃迁让原子运转起来

14. 第4章 随机性

1. 插节 爱因斯坦演示上帝怎样掷骰子

15. 第5章 全同性的问题：还没有掉的量子鞋

1. 插节 泡利与不相容原理，玻色与玻色子

16. 第6章 鲨鱼和老虎：矛盾体

1. 插节 薛定谔的地图与海森堡的地图

17. 第7章 不确定性

1. 插节 不确定性原理

18. 第8章 实在性破碎了：立体主义和互补性

1. 插节 互补性、客观性以及双缝实验

19. 第9章 不行

1. 插节 约翰·贝尔和他的定理

20. 第10章 薛定谔猫

1. 插节 边界战争

21. 第11章 兔子洞：对平行世界的渴望

1. 插节 多重宇宙

22. 第12章 拯救物理

23. 结语 现在时刻

24. 注释

25. 参考文献

26. 图片及引文出处

27. 致谢

1. 开始阅读

2. 封面

3. 书名页

4. 版权页

5. 正文

图书在版编目（CIP）数据

图解宇宙的尺寸 / （美）金伯莉·阿坎德（Kimberly Arcand），（美）梅甘·瓦茨克（Megan Watzke）著；（美）凯蒂·佩克（Katie Peek）绘；光耀，余博晗译. --北京：人民邮电出版社，2019.1

ISBN　978-7-115-49177-0

Ⅰ.①图…　Ⅱ.①金… ②梅… ③凯… ④光… ⑤余…　Ⅲ.①宇宙—普及读物 ②物理学—普及读物　Ⅳ.①P159-49②04-49

中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第192128号

版权声明

Copyright © 2017 Kimberly Arcand and Megan Watzke

Originally published in English by Black Dog & Leventhal Publishers, Inc.

Simplified Chinese edition copyright © 2019 Posts & Telecommunications Press

All rights reserved.

本书中文简体字版由Black Dog & Leventhal Publishers,Inc.授权人民邮电出版社独家出版。未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或抄袭本书内容。

版权所有，侵权必究。

◆ 著　[美]金伯莉·阿坎德（Kimberly Arcand）

[美]梅甘·瓦茨克（Megan Watzke）

绘　 [美]凯蒂·佩克（Katie Peek）

译 　光耀 余博晗

责任编辑　韦 毅

责任印制　陈 犇

◆ 人民邮电出版社出版发行　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编 100164　　电子邮件 315@ptpress.com.cn

网址 http://www.ptpress.com.cn

北京东方宝隆印刷有限公司印刷

◆ 开本：889×1194 1/20

印张：9.4　　　　2019年1月第1版

字数：269千字　　2019年1月北京第1次印刷

定价：69.00元

读者服务热线：(010)81055410 印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广登字 20170147 号

目录

致谢

引言

数量级

线性刻度和对数刻度

科学记数法

指数的乘法

单位概述

SI单位

导出单位

第一部分 大小和数量

距离

面积

体积

质量

时间

温度

第二部分 率和比率

速度

加速度

密度

转速

第三部分 现象和过程

能量

压强

声音

第四部分 计算

参考资料

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致谢

继上次《超越视觉：光的秘密语言》一书的美妙合作之后，我们很高兴能够再次和Black Dog＆Leventhal出版社的编辑贝姬·高（Becky Koh）以及其他成员在本书（指英文版）上进行合作。我们也非常感谢我们目前的经纪人、Jean V.Naggar文学社的劳拉·比亚吉（Laura Biagi），以及已经转行的伊丽莎白·伊万斯（Elizabeth Evans）。

确立这样一个图书项目，让更多知识渊博的人来审查书中的资料是非常有意义的。我们对艾德丽安·高蒂尔（Adrienne Gauthier）在其中所起的作用深表感激，感谢她对我们的工作进行反复检查，并确保本书陈述的事实和列举的数据尽可能准确。我们也感谢钱德拉X射线天文台的华莱士·塔克（Wallace Tucker）和彼得·埃德蒙兹（Peter Edmonds），他们是我们的老朋友，也是我们最好的同事，他们利用自己的科学知识和直觉来引导我们。

就个人而言，梅甘要再一次感谢克莉丝汀（Kristin）、安德斯（Anders）、乔尔雅（Jorja）、艾弗（Iver）和斯特拉（Stella），无论他们多少次听到同样的要求—“去完成这本书的工作”，他们都一如既往地保持耐心，给予这份工作支持和热爱。梅甘还想感谢两只大丹犬雷尼（Rainy）和乔迪（Jody），它们也是她在本书写作过程中的优秀“同事”。

金伯莉要再次感谢她的家人在本书的创作和出版发行过程中表现出的耐心。感谢丈夫约翰（John）和孩子们——杰克逊（Jackson）和克拉拉（Clara）。他们的爱和支持的力度超出了本书的数量级（双关语）。她也非常感谢她的妈妈、爸爸，还有她的其他家人和朋友。是的，甚至是她的狗，也是如此令人称奇的啦啦队队员。

最后，非常感谢亲爱的读者们。你们的支持和持续的兴趣是我们前进的动力，使我们勤于耕耘，努力进步，并且涉足新的领域。我们希望这本书对你们来说具有强大的吸引力。

引言

我们想带你踏上一段旅程，去探索宇宙中那些或轻如鸿毛、或重于泰山，或风驰电掣、或蜗行牛步，或折胶堕指、或铄石流金，或动如脱兔、或静如处子的事物与现象。

这些现象和事物的尺寸、速度、质量及数量的上、下限与我们的日常生活经验实在相距甚远，我们很难对它们的数量级有一个清晰的概念。无论是原子结构里微小的粒子，还是星系中心浩渺的黑洞，都太难以捉摸了。虽然理解宇宙的尺度是一项艰难的挑战，但也并非痴人说梦。我们只是需要合适的工具—不是锤子和螺丝刀，而是帮助我们清晰地理解那些抽象概念的思想工具，这时当然就轮到科学用语闪亮登场啦。

我们所在的世界实在太过广袤，本书不可能对每个层次、每个数量级都详细地举例说明。我们也没法囊括每种物理量单位的定义，但幸运的是，现在网络上的单位换算软件俯拾皆是。当然，我们还是希望各位读者能够接纳我们挑选的这些妙趣横生的物理量单位，随它们一起去描绘宇宙的尺度。

数量级

在我们的日常用语中，“数量级”在某种意义上就代表着规模的扩张，但它在科学领域有着更为精确的定义。一个数字的量级在科学领域通常是指它大约是10的多少次方，也就是说数量级是用来衡量有多少个1、多少个10或者多少个100的。

所以显而易见，10和20是同一个数量级，而100要比它们大一个数量级，而1 000和10比就大两个数量级了，以此类推。

我们换个角度来看吧，你还记得上学时讲过的数轴吗？像下图这种。

在这条数轴上的每一格都代表着数值为1的变化（向数轴右端移动一格数值加1，而向左移动一格则减1）。

引入数量级后，我们可以对数轴进行一些变化，在数轴上移动不再是简单地加减数值，而是乘以（或除以）一个确定的数值，就像下图这样。

这种数轴的功能十分强大。在第一种数轴中，向右移动5格对数值的改变显然只有5。但在第二种数轴中，同样5格的变化却使数值变成了100 000。这种涡轮增压般的数值变化常被我们用来描绘宇宙的尺度—从浩瀚的星辰到原子和夸克，这种数轴可以囊括宇宙已知的每一个角落。

线性刻度和对数刻度

由于科学家、工程师和其他技术人员们在工作中经常用到各种数量级的数字，所以他们发明了一种将这种数量级跨度图形化的方法，也就是对数刻度。

让我们回想一下小学时候用到的普通尺子吧，还记得吗？尺子上的每一条长刻度线，都代表着1厘米的长度变化，每多一条长刻度线就意味着长度多了1厘米，以此类推。这就是所谓的线性刻度，也就是指坐标轴上的一个刻度变化代表着一个单位数量的加减，对尺子而言，就是1厘米的变化。

在对数刻度中，刻度的变化不再是数值的增加或减少，而是乘以或除以一个特定数值（取决于向右还是向左移动），这个特定数值一般都选10，随着坐标的移动乘以10的一次方、二次方、三次方……

所以对数坐标轴上的第一个刻度一般代表着10×1，也就是10；第二个刻度是10×10，即100；第三个刻度是10×10×10，即1 000，意味着数量级增大到原来的3倍。换句话说，在对数坐标轴上的3次刻度变化，数值就达到了1 000。同样的数字在线性坐标轴里却需要多达1 000次的刻度变化。

这也就是为什么对数刻度在表征数量级变化很大的事物和特性时如此有用。在本书中，我们在描述不同现象时会标明用到的坐标轴是对数刻度还是线性刻度。

十的次方

你也许看过伊姆斯夫妇导演的《十的次方》。如果你没看过，让我们来告诉你，这是一部非常著名的短片，一群举世闻名的设计师在短片里向人们展示数量级的概念。

在这部短片和相关图书中，伊姆斯夫妇为我们展示了物理尺寸的数量级变化对物理现象的影响。短片从公园中野餐的情侣开始，镜头以指数增长的速度不断拉远，以展示宇宙的广阔。在景深增大至宇宙的理论边界后，镜头突然原路拉回，聚焦到人类身体内部最细微的结构。本书涉及了伊姆斯夫妇用过的一些资料，但也会把数量级（十的次方）的概念应用到其他更多的现象中。

科学记数法

我们可以看到，随着对数刻度的增加，那些庞大的数字后面冒出来一大串零。幸运的是，这些数字自有一套科学、简洁的表达方式。

假设你有一百万美元，你可以选择用$1 000 000来表示你这笔巨大的财富。相似地，十亿美元可以写成$1 000 000 000，一万亿美元可以写成$1 000 000 000 000，诸如此类。

假如你想把你那一万亿美元再翻个一百万倍呢？那这个数字就会变为$1 000 000 000 000 000 000。光是写下这个数字就让人头疼了，当然如果你真有那么多钱，大概也不会自己亲手去写了，那另当别论。

在我们的例子中，当用一万亿美元（1后接12个零）乘以一百万（1后接6个零）时，总量为1后接18个零，使用科学记数法，可写作：

10^18

本例中的18被称为指数，代表着一个数是1后边跟着18个零。如果指数是999，那它代表的数就是1后面跟着999个零。

所以一百万可以写为

1 000 000，也可以写为10^6；

十亿可以写成

1 000 000 000，或者10^9；

一万亿可以写成

1 000 000 000 000，或者10^12；

以此类推。

理解科学记数法的关键是要知道当某个数的指数增加1，就代表着这个数乘以10；相反地，如果某个数的指数减少1，意味着这个数除以10。

指数的乘法

你也许注意到了，当用一百万乘以一万亿会得到指数为18的数，你也可以将这个指数看作一百万与一万亿（106和1012）的指数和，这种方法能快速且准确地计算两个采用科学记数法表示的数的乘法——只要把两个指数相加即可得到新的数值。

在本书中，你将会多次看到采用科学记数法表示的数，在它们的指数前有负号，如

10-18

当负号出现时，它表示数字朝数量级减小的方向变化，也就是被10除。接着上面的例子，10-18有18个零，但是小数点在左边，数字1在右边，所以这个数可以表示为

0.000 000 000 000 000 001

本书的例子中有许多事物具有非常小的数值，也许会令你感到惊讶和有趣。注意：无论负的指数有多大也不会使该数字变成负数，而只是越来越接近零。

单位概述

另一个非常重要的理解和表达数量级的工具是单位。

在日常生活中，尽管我们没有完全意识到单位的存在，却无时无刻不在使用着它。你的车速多快（常用千米每小时描述）？某件事发生了多久（常用秒、分钟、小时等描述）？室外的温度是多少（常用摄氏度描述）？单位是一种以可靠、一致的方法度量事物的形式。换句话说，就是我们测量事物所采用的标准。

在很长的一段时间里，单位制有着学科和地理位置上的差异，从而导致每个实际物理量的测量结果可用多种单位表示。意识到这种混乱后，国际计量委员会中的一些专家们联合起来对单位制进行了统一。

当前采用的是国际单位制，更为人们所熟知的称呼叫SI（法语Le Systèm International d’Unités的简写形式）。SI的核心是米制，如距离或长度的基本单位是米，质量的基本单位是千克。一共有7个基本单位，每个基本单位代表一个单独的物理属性：长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度。

（编辑注：本书图中使用的是单位符号；正文中大部分使用的是单位名称，个别处为了阅读方便，使用的是单位符号。）

SI单位

本书采用的是SI单位，书中比较的是同单位同属性的量，而不是风马牛不相及的量，目的是让你在眨眼之间便认识到数量级的差异（编辑注：为了方便阅读，比较时采用的大部分都是约数）。

长度单位：米（m）

1米的官方定义是真空中光（一种电磁波）在1/299 792 458秒（指数形式表示为3.335 640 95×10-9秒）传播的距离。此外，1米还可以换算成100厘米、1 000毫米或者1/1 000千米。

我们也可以采用更小的长度单位，从微米（μm，10-6 m）到纳米（nm，10-9 m），再到埃（Å，10-10 m，即0.1 nm，一种在专门领域使用的计量微小长度的单位）。

长度单位在生活中的应用实例：

5 km赛程，

1 m长的球棍，

2 m高的门，

10.5 mm直径的3A电池，

1.35 mm厚的硬币。

质量单位：千克（kg）

千克是SI里的质量单位。起初，1千克代表1升纯水的质量；后来，官方定义为国际度量衡委员会存放在法国巴黎的铂铱合金原器的质量。

值得注意的是千克是用来表示质量的，而牛［顿］是用来表示重量的。测量某物质的质量是测量有多少物质，而重量的测量还需要考虑引力。例如，在火星表面上的引力只有地球上的37%，那么，在火星上1千克物体的重量就是3.626牛。如果你进入位于太空的国际空间站绕地球运动或者待在一艘加速驶向火星的飞船上，1千克物质的重量就会有所减少。所以，想减重量的人不妨去太空。但如果你想减少质量，那就必须得注意膳食均衡和加强锻炼了。

克（g）也是常用的质量单位，1克为1/1 000千克，适用于小物体；而对于较大的物体，可用吨（t）表示，1吨等于1 000千克。

质量单位在生活中的应用实例：小车的质量

1 000 kg或1t，

奶牛的质量

400 kg，

成年女性的平均质量

55 kg，

1升水或者脱脂奶的质量

1 kg，

一袋白面的质量

10 kg，

一枚回形针的质量

1 g。

时间单位：秒（s）

秒是常见的时间单位，1秒是1/60分钟、1/3 600小时，但它的官方定义是什么呢？最初，它被定义为1/86 400个“平均太阳日”，其中“平均太阳日”是指假定太阳以固定速度连续两次通过同一子午线的平均时间。

但这种时间的记录方式并不精确，所以人们开始使用“原子钟”，即利用原子属性来定义时间，因为激发态的原子可以产生确切频率的光波（本质上就是原子的振动频率具有准确、可测量和能计数的性质）。因此，对于原子级的时间，1秒可以定义为单个铯-133原子完成9 192 631 770次周期振动需要的时间。

对于更小的单位，毫秒（ms）是千分之一秒，微秒是百万分之一秒，纳秒是十亿分之一秒；对于较长的时间，通常用指数形式而不是千秒来表示。

时间单位在生活中的应用实例：眨眼一次

300～400 ms，

呼吸1次

3 s，

1分钟

60 s，

1小时

3 600 s，

平均每公历年

365.25 d=31 557 600 s。

电流单位：安[培]（A）

电流指的是电路中电荷的流量。安[培]（编辑注：安是安培的简称，后文采用的方括号注释的意义与此类同）是电流的官方法定国际单位，1安定义为1库[仑]电荷每1秒里流经一个面的量，1库表示1安电流在1秒内输送的电荷量。

库（电荷单位）在生活中应用的实例：气球与头发摩擦产生的静电荷大约为3微库，一次闪电产生的电荷为15～350库。

现在，我们来数一数1秒内通过一个点的电子数，则1安相当于每秒通过6.241 5×1018个电子。你可以通过类比以升每秒为单位测水管里水的流速的方法来理解电流，只不过把电流的流速单位换成了安。

1毫安（mA）等于千分之一安。千安（kA）、微安（μA）、纳安（nA）也是常用的电流单位。

电流单位在生活中的应用实例：

助听器

0.7 mA，

汽车前照灯

5 A，

22英寸或56厘米的移动电视

290 mA。

热力学温度单位：开[尔文]（K）

习惯上，我们都是通过摄氏度（℃）来衡量温度的高低。但在SI里，热力学温度的单位用的是开[尔文]，而将0开作为绝对零度（在绝对零度，所有的分子将停止运动）。1开的温差与1摄氏度的温差是相等的，在这种尺度下，热力学温度不像摄氏温度那样，它是没有零下的说法的。热力学温度是通过水的三相点（气态水、液态水与冰共存的点）确定的，这个三相点的温度为273.16开，也就是0.01摄氏度。

0开的温度等于零下273.15摄氏度，所以当你将开尔文转换成摄氏度时，需要减去273.15。

热力学温度单位在生活中的应用实例：26℃的热天

299.15 K，

-6℃的冷天

267.15 K。

（注：数码相机和计算机等的图片处理软件中，色温这一项通常以开为单位进行编辑。）

物质的量单位：摩[尔]（mol）

当考虑某东西含有多少物质时，发展一个同时适用于微观（原子尺度）和宏观（日常使用的尺度）的单位是非常有必要的。摩[尔]单位的引入是为了反映一个体系包含多少基本单元（可以是原子、分子或者电子等）的量，1摩等于12克碳-12原子所包含的原子数量。你可以把它理解成原子版的一打：一打可以代表一打油炸圈饼、一打汽水或者其他东西。

物质的量单位在生活中的应用实例：

1 mol沙粒

可以覆盖整个美国约1 cm厚，

1 mol人体细胞

约为整个地球上所有人的细胞之和。

发光强度单位：坎[德拉]（cd）

手电筒比蜡烛亮吗？比汽车前照灯呢？回答这些问题，不仅需要比较这3种物品的亮度，还需要比较它们所发的光的传播方式、传播方向以及是什么颜色的。所以当提及发光强度的定义时，必须非常准确：“一个光源在给定方向的发光强度是指发出5.4×1014赫[兹]频率的单色光并辐射1/683瓦[特]每球面度的强度时的光通量”（瓦是功率的单位，球面度是三维立体角的单位）。与前面提到的其他单位类似，发光强度也有毫坎（mcd）这一单位。

发光强度单位在生活中的应用实例：普通蜡烛的烛光

1 cd，

25瓦各方向均匀辐射的日光灯

135 cd，

LED指示灯

约50 mcd。

导出单位

除上述基本SI单位之外，SI单位还包括导出单位，它们都与两个或多个基本SI单位相关联。例如，速度表示的是物体在一段时间内运动的距离。在SI单位中，用米每秒（m/s）表示速度。

用数学语言可表示为

速度=米数/秒数

用文字语言可表示为速度等于米数除以秒数。

等式总是表达一种关系。在上面这种情况中，它表示速度体现的是距离与时间的关系。中间的等号表示左边完全等于右边。等式也可以是非常复杂的，但等式的前提条件一定是明确的。等式的一侧总是与另一侧平衡的，并且等号就是支点。

书中将会使用文字和符号两种语言来表示等式。如果你能愉快地与等式相处，那么你将会毫不犹豫地接受它，但如果它会吓到你，希望这两种呈现方式能让你平静下来。

其他SI导出单位也都包含在本书中，你也许已经对面积、体积、密度以及加速度这些物理量很熟悉了，它们的单位可以表示为

稍微增加一点复杂度，这些导出单位可以表示成下面这些我们更熟悉的样子。

牛[顿]（N）

力的单位，以艾萨克·牛顿的名字命名，以表彰其在提出牛顿第二运动定律过程中的突出工作。1牛[顿]代表1千克物体以1米每二次方秒的加速度运动所需要的力（在不考虑其他力学效应的情况下），以SI单位的符号表示则为m·kg·s-2。可能你早就通过下面这个著名的公式知道了它：

F=ma

或者力（F）=质量（m）×加速度（a）

焦[耳]（J）

热量单位，热量在本质上可认为是能量或者功，因为能量可以被看作人或事物做功的能力。与牛类似，焦[耳]也是以人名命名的，它的单位名称可以用“牛米”表示，用符号表示即N·m。1焦等于1牛的力沿着力的方向运动1米所做的功，以SI单位的符号表示则为m2·kg·s-2。

从一百万到十亿再到一万亿

也许你认为一百万、十亿和一万亿看上去是比较接近的大数，但是你思考过它们在加上具体的单位后会有什么不同吗？

先看数字本身，一百万=1 000 000=106，十亿=1 000 000 000=10^9，一万亿=1 000 000 000 000=10^12。

可是这么多零的数在生活中的表现是什么样的呢？我们可以把它们用在时间上来感受一下。

一百万秒=11.5天，十亿秒=11 574天（约32年），一万亿秒=11 574 000天（约32 000年）。

背景小知识：32 000年前，地球处在冰河时期，尼安德特人还没有灭绝，最古老的洞穴壁画正在创作中。

一百万秒

十亿秒

一万亿秒

第一部分　大小和数量

有多大？

有多远？

有多少？

距离

定义

间隔的长度

单位

英尺（ft）

米*（m）

海里（n mile）

光年（ly）

*法定计量单位。

在同一时间下，对于距离，最清晰的定义是“空间两点的最短间隔长度”。在日常生活中，我们用来表示这种间隔长度的单位有英寸、英尺、厘米、米、千米、码、英里等，使用的测距工具有直尺、卷尺、里程表或者GPS等，并通过计算进行这些单位之间的换算。

随着人类探索的目标变得越发庞大，如地球表面、深海和外太空，两点间长度和空间的测量变得越来越具有挑战性，因此更稳定可靠的测量工具也变得尤为重要。在记录测绘数据时，航海人员、飞行员和极地探险家往往更青睐使用海里（1海里=1 852米）而不是千米。1海里约为1千米的1.85倍，它是基于地球周长的一部分定义的，所以便于测量经纬度和绘制航线（因为地球不是一个完美的球体，整体有略微的变化。另外，与前述的其他单位一样，海里也有国际上通用的定义）。

当我们开始探索超过地球尺度的距离时，事情就会变得复杂。因为我们还没有可以从地球伸展到太空中的其他星体的尺子！想要测量地球与太空中和它相距最近的星体，也就是月球之间的距离，就必须有创造性和科学、合理的技术。古希腊人想出利用月食和几何关系来测量地月的距离。今天的科学家可以利用激光在月球表面上的反射光得到更高的测量精度。

如果要测量地球到更远的地方，比如银河系的中心或其他星系的距离，那么就需要更高级的测量工具。天文学家们使用“距离阶梯”来解决这一问题，它涉及基于几何学的计算、一些恒星亮度的变化等。多种数学方法相互补充，架构出了一张复杂但可靠的宇宙路线图。

光年：测量的是距离而不是时间

有时候科学术语会进入我们的日常白话中，“光年”就是其中之一。光年常令人困惑，因为它听起来像时间单位，但其实是距离单位。为了理解这个单位，我们需要知道光移动的速度约为2.99×108米每秒（见第97页）。光速确实飞快，就计算大尺度的距离而言，更重要的是宇宙中没有比光速更快的速度了，且光速在真空中不会改变。

这是两个非常重要的事实，因为根据它们，我们就可以用光速来表述距离，就好比你能依据步行速度约6.4千米（4英里）每小时计算出30分钟走了约3.2千米（2英里）。由于光也是以有限的速度传播的（尽管比步行速度快很多），所以经历一段时间它也能被转化成距离。那么，光传播一年的时间究竟是多远呢？它用于计量空间中的超大距离。1光年约等于6万亿英里，也就是9.6万亿千米或者9.6×10^15米。

1　引力波

1×10-17 m

2016年2月，科学家们宣布探测到了外太空里的引力波。当物质加速运动时，这些太空中极小的波纹会使空间弯曲。引力波是在1916年由阿尔伯特·爱因斯坦首次提出的，但人类真正探测到它却花了一个多世纪的时间—由位于美国两个不同地区的最先进的探测设备首次探测到引力波信号。相邻两个信号的波峰的间距只有不到质子直径的万分之一，而质子是在原子中心发现的微小粒子。

2　X射线

1.2×10-9 m

X射线是一种光，但比可见光的能量更高。光以波的形式传播，其中两相邻波峰之间的距离（即波长）决定了光的类型。X射线属于波长很短的那一类光之一。

比较！

X射线的波长约为引力波波长的一亿分之一。

3　1号赛道

400 m

无论你是喜欢看田径比赛，还是喜欢自己在椭圆赛道上散步，你都应该知道赛道的标准长度是400米。然而，这只适用于1号赛道。如果你是站在8号赛道，每圈的距离将会是453米，这也是为什么给参赛者设定的是错开的起跑线。

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标准田径场的最内侧赛道的长度约是X射线波长的3 000亿倍。

4　世界上最长的桥

1.65×10^5 m

作为北京—上海高速铁路的一部分，2011年启用的中国丹阳—昆山大桥是世界上最长的桥梁。它穿过了稻田、长江三角洲和苏州阳澄湖，全长超过160千米。

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世界上最长的桥是标准田径场1号赛道的400倍长。

5　穿越大西洋

2.6×10^6 m

粗看大西洋像一个大写字母S，它与四大洲交界。如果你可以直线穿越大西洋旅行，最短距离是从西非塞内加尔的西南部到南美洲巴西的东北部，共约2 600千米长。

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穿越大西洋的最短距离也要比世界上最长的桥长。

6　地日的距离

1.5×10^11 m

按离太阳由近及远的顺序，地球是太阳系的第三颗行星。天文学家们认为地球的轨道位于太阳系内的“居住区”，因为它有足够的热量来保持液态水的状态稳定（不像火星，太阳系由内往外数的第四颗行星），但又不会太热以致使水沸腾（这正是水星和金星上所发生的）。

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地球到太阳的平均距离是横渡大西洋最短距离的将近60 000倍。

7　太阳系到银河系中心的距离

2.5×10^20 m

如果把银河系看作一个大都市区，我们会发现自己生活在一个不起眼的郊区。地球和太阳系位于从“市中心”到银河系边缘2/3的地方，而“市中心”的“地标”是一个巨大的黑洞。

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太阳系到银河系中心的距离超过地日距离的16亿倍。

8　最近的星系

2.4×10^22 m

银河系的周围有些距它较近的、相对很小的星系，其中距离最近并与银河系差不多大的是仙女星系。尽管它们之间现在的距离为250万光年，可是科学家们经过计算得知，两个星系正在沿着会发生碰撞的轨道运动。不过不用担心，在未来的50亿年甚至更长的时间里，我们都不会撞上这位星际邻居。

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银河系与最近的邻近星系的距离约是太阳系到银河系中心距离的100倍。

9　最远的星系

1.25×10^26 m

天文学家经计算得出宇宙诞生于138亿年前，经过原初的宇宙大爆炸，花了近亿年的时间才冷却至足以形成恒星和星系的温度。在今天，科学家们仍矢志不渝地追寻着宇宙现象产生的根源，并且获知当前距离我们银河系最远的已知星系在130多亿光年之外。

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离我们最远的星系到银河系的距离是最近的星系的5 000多倍。

面积

表面积公式

正方形或长方形：面积=长×宽

圆：面积=π×半径2

球：面积=4×π×半径2

单位

平方米*（m2）

平方千米*（km2）

平方英里（mile2）

平方英尺（ft2）

*法定计量单位。

距离是一维的：表示我们常说的“A点”和“B点”之间的长度。面积让我们一窥另一维度，字面上的意思是表面的大小，无论表面是平面还是球面。对于面积，最重要的一点是，它测量的表面是二维的。

举个例子，矩形的面积等于两个维度的测量值（即长度与宽度）的乘积：一边的长度乘以另一边的宽度。

其他公式的应用取决于你想要计算的是什么图形的面积。例如，计算三角形的面积，即三角形的底边长乘以三角形的高除以2，但你计算的仍然是二维的平面。

无论你怎么计算面积，你最终都会得到一个单位的“平方”（在科学和数学里，“平方”是以指数2来表示的）。国际单位制（SI）中，面积的标准单位是平方米（m2）。

日常生活中，我们常进行的是建筑面积的计算，如你家房屋的面积。野火的大小、受洪灾的范围也可能表述成“面积”。对于圆来说，面积需要“π”这一特殊数来计算，它的值约为3.14。π表示圆的长度（即圆周长）与通过其中心（即圆心）的圆上两点之间的距离（即直径）的比值。

计算面积

对于圆柱、圆锥和球的面积，通常指表面积。这些形状的面积公式更复杂，但求解思路是相同的。它们的面积公式等价于求它们被拆分摊平后的形状的面积和。

1　成年人的平均血红细胞

1.35×10-10 m^2

健康成年人血红细胞的平均含量约占血液的44%（剩余的是白细胞、血小板和血浆）。这些血红细胞携带由肺部产生的氧气并将其输送到身体的各个部位，同时对二氧化碳进行回收。成年人的平均血红细胞的表面积约为1.35×10-10平方米。

2　网球

0.014 m^2

无论是在温布尔登的网球赛中使用，还是在自家院子里扔给你的狗，每个网球都有着相同的表面积，约为0.014平方米。（话说得有点太绝对了，它还取决于网球起毛的程度！）

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网球的表面积约是人类血红细胞表面积的1亿倍。

3　现代的麦克豪宅

249 m^2

我们需要多少空间？在今天，这个答案显然是要大大多于40年前的。以2013年为例，美国新建家庭住房的平均面积是249平方米。而1973年的家庭住房平均面积（第一次的官方统计数据）只有2013年的2/3。

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美国新建家庭住房的平均面积是单个网球表面积的17 000多倍。

4　美国国家广场

5.9×10^5 m^2

位于华盛顿特区的美国国家广场是世界上最知名的城市绿地之一。该广场占地约5.9×105平方米，由著名的建筑物和纪念物环绕，包括华盛顿和林肯纪念堂、史密森学会和美国国会大厦。它被用于庆祝节日等活动。

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位于华盛顿特区的美国国家广场的面积是典型的麦克豪宅的2 000多倍。

5　蜜环菌

9.65×10^6 m^2

地球上最大的陆地动物是大象，有史以来最大的动物是蓝鲸，但实际上，最大的生物体是一种真菌。它就是发现于美国俄勒冈州的一种蜜环菌生物体，覆盖面积约9.65平方千米。它主要存在于地下，科学家们经分析研究已经证明它从始至终具有相同的DNA。

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作为地球上最大的陆地生物体，蜜环菌的覆盖面积比位于华盛顿特区的美国国家广场的16倍还大。

6　小国家

总面积：1.49×10^9 m^2

地球上共有195个国家，其中最小的10个国家大部分位于加勒比海或欧洲地区，面积总计约1 490平方千米，比美国得克萨斯州的城市休斯敦还小（1 625平方千米）。

10　格林纳达：344 km^2

9　马耳他：316 km^2

8　马尔代夫：陆地面积约300 km^2

7　圣基茨和尼维斯：267 km^2

6　列支敦士登：160 km^2

5　圣马力诺：61 km^2

4　图瓦卢：陆地面积26 km^2

3　瑙鲁：陆地面积21 km^2

2　摩纳哥：2 km^2

1　梵蒂冈：0.44 km^2

*上图中的马尔代夫和图瓦卢不是按比例画的。

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世界上10个最小国家的总面积为蜜环菌覆盖面积的150多倍。

7　科罗拉多大峡谷

4.92×10^9 m^2

科罗拉多大峡谷是由红色岩石构成的，被认为是“自然界的七大奇观”之一。科学家们认为，科罗拉多河已经贯穿并冲刷了大峡谷近20亿年。

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位于美国亚利桑那州的科罗拉多大峡谷的面积约是10个最小国家面积总和的3倍。

8　耕地

5×10^13 m^2

地球的表面积约为5.1亿平方千米，其中陆地面积只有1.48亿平方千米。在过去的40年里，随着经济发展、污染加剧、农民减少、极端天气频出以及气候变化，耕地面积持续减少。截至2013年，耕地面积为0.5亿平方千米。

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地球上的耕地面积是科罗拉多大峡谷面积的10 000多倍。

9　太阳系

总面积：6.2×10^18 m^2

当你在思考宇宙中的其他恒星有多大（甚至是爆炸性）时，要知道我们的太阳差不多相当于宇宙中恒星尺度的平均水平。它为地球提供了一个“恰到好处”的环境条件，使得生物能够在地球上茁壮成长，当然也非常适合我们人类的生存。太阳系中的物体广泛分布在各自的表面，就如同灯光下的舞台。

太阳：6.09×10^18 m^2

木星：6.22×10^16 m^2

土星：4.27×10^16 m^2

天王星：8.12×10^15 m^2

海王星：7.64×10^15 m^2

地球：5.10×10^14 m^2

金星：4.60×10^14 m^2

火星：1.45×10^14 m^2

水星：7.48×10^13 m^2

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太阳系中太阳和行星的表面积之和是地球上耕地总面积的100 000多倍。

10　超新星冲击波

2.4×10^35 m^2

当一颗巨型星体的核燃料用完时，它会以超新星爆发的形式坍缩。星体爆炸时产生的碎片会向空间喷发出去。超新星爆发会产生冲击波，冲击波会沿着碎片场的外边缘传播，形成球形。较壮观的超新星（如仙后座A）爆发，距离地球约10 000光年。

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仙后座A爆发产生的碎片场面积约是太阳系总面积的4×1016倍。

体积

公式

长方体：体积=长度×宽度×高度

球体：体积=（4/3）×π×半径^3

另外，体积=质量/密度

体积单位

立方米*（m3）

容积单位

茶匙（tsp，1茶匙≈5毫升）升*（L）

*法定计量单位。

我们已经了解一维（线）和二维（面）的数量级，现在，是时候处理三维问题了。这个概念用体积表示。在科学领域，体积指的是由任何物质（气体、液体或固体）所占据的三维空间。计算液体和气体的体积时，常用容积单位。

［实际上，英文单词“Volume”是科学领域罕见的具有多个含义的术语之一（包括体积、响度、容量等）。在这里，我们并不会谈论声音的响度或强度，但它是可以表示的！］

今天你喝了多少水？当你去加油站，你会给车加多少汽油？这些问题的答案都是用体积或容积来表示的。

你应该记得，面积是空间的二维度量，所以用于表示面积的单位前加的是“平方”。以一个正方形为例：面积等于长度乘宽M度。由于体积代表了某物在三维CYM上占据的空间大小，因此单位必须体现出3个维度。要测量立方体占据的空间，必须将长度乘以宽度，然后再乘以高度。换句话说，无论物体的形状如何，计算体积时都要考虑到3个维度，因此单位前加的是“立方”，即指数为3。

回到前文提到的问题，你会给车加多少汽油？美国记录油耗时采用的单位是加仑，而世界上的其他国家一般都用升表示。加仑和升都是容积单位；然而，当我们谈论升或加仑时，并没有“立方”什么事，究竟发生了什么？事实上，这两个常用的容积单位只是立方表示法的简写而已。1升相当于一个长、宽、高均为10厘米的立方体的体积，而1加仑约为4.5升。类似的转换也适用于其他体积单位，如汤匙（1汤匙≈3茶匙≈15毫升）、品脱（1品脱≈568毫升）。

当你试图测量一个奇形怪状或者太大以至于无法放入量杯的物体的体积时，该怎么办？有多种方法可以选择，包括计算物体排出水的体积，或者先计算它的密度（见第109页），再用质量（见第57页）除以密度。当然，还有一些更复杂的数学公式用于计算不规则形状物体的体积，你可以在大多数几何教科书或网上找到。

脑

成年老鼠的脑容量：4.83×10-7 m^3

成年霸王龙的脑容量：2.5×10-4 m^3

成年抹香鲸的脑容量：8×10-3 m^3

更大的脑容量与更高的智力水平有关吗？对这一问题持不同观点的两派人引出了许多悬而未决的问题（例如，你如何定义智力），会让人们联想到尼安德特人的大脑比现代人大，或者著名的物理学家爱因斯坦只有一个“平均”大小的脑子。尽管我们很乐于将人类的大脑标榜为这个星球上最好的，但结果显示我们的大脑占身体质量的比重只比老鼠的大脑高一点，而鼩鼱则让我们感到惭愧，它的大脑质量约占其体重的10％。如今，神经科学家们正在研究脑内的细胞复杂性或神经联系是否可能对智力水平起作用，从而使我们获得了人类的认知能力更强的测量结果。由于个体的脑容量一般有很大的差异，所以上述数据都是粗略的平均值。

1　老鼠的肺活量

1.5×10-7 m^3

显然，老鼠的肺相当小。老鼠的肺与人类的肺不同，因为老鼠虽然有4个右肺叶，却只有1个左肺叶，而人有2个左肺叶，3个右肺叶。

2　成年人的大脑

1.3×10-3 m^3

出生时，婴儿的大脑容量约为一般成人大脑的1/3，并且包含了整个生命历程中大部分的脑细胞。大多数人脑约有1 000亿个神经细胞，它们之间有数以万亿计的突触连接，包含约16万千米（10万英里）长的血管。

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成年人的平均脑容量是老鼠肺活量的9 000多倍。

3　足球和保龄球

5.4×10-3 m^3

保龄球和足球的尺寸相近，并占据相近的空间大小，因此它们具有基本相同或类似大小的体积。但由于保龄球的质量和密度大，故其比足球重得多。

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足球（或保龄球）的体积是成年人脑容量的4倍左右。

4　航运集装箱

67.7 m^3

集装箱装载着世界上约90％的货物。航运集装箱通常有两种尺寸，较大的40尺高柜（40英尺×8英尺×9英尺，约合12米×2.4米×2.7米）装载着大部分的货物。最新的巨型船一次可以运载数千个这样的集装箱。

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一个标准的航运集装箱的体积是足球或保龄球的10 000倍。

5　奥运会游泳池

2 500 m^3

奥运会中使用的游泳池标准赛道共分为8条，每条赛道宽2.5米。游泳池的标准长度是50米。结合比赛时所需的最小深度（2米），就可以计算出奥运会游泳池的储水量。

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奥运会游泳池的储水量约是航运集装箱的40倍。

）的对数刻度坐标3体积（单位：m

6　最大的热气球

7.36×10^4 m^3

热气球是第一个成功地将人类送上天空的飞行器。1783年，第一个热气球在巴黎隆重登场，从此以后，人们经常通过这种色彩缤纷的产品飞上天空。1991年，由维珍集团创始人理查德·布兰森爵士（Sir Richard Branson）亲自乘坐的、有史以来体积最大的热气球—维珍太平洋福莱尔（Virgin Pacific Flyer），从日本飞至加拿大北部。

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最大的热气球的体积是奥运会游泳池储水量的将近30倍。

7　地球表面的总水量

1.4×10^18 m^3

地球上大约有97％的水在海洋中，另有2%被冻结在冰川和极地冰盖中，剩下的1%是淡水，主要分布在河流、溪流和湖泊里。

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地球表面的总水量约是热气球体积的20万亿倍。

8　地球

1.1×1021 m^3

在我们的太阳系里，地球的尺寸，特别是体积，相当于系内各行星的平均水平。水星、金星和火星的体积都比地球小，而木星、土星、海王星和天王星的体积都比地球大。而冥王星呢？它的体积最小，但现在它已经被重新划归为矮行星，而不是像地球一样的行星。

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整个地球的体积约是地球表面总水量的800倍。

9　太阳

1.4×10^27 m^3

从人的尺度来看，地球很大，但与其他太空物体相比，它并没有占据太多的空间。例如，大约130万个地球才可以与离我们最近的恒星——太阳的体积相比拟。

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太阳的体积约是地球的130万倍。

10　银河系

1.6×10^60 m^3

银河系包含数十亿颗恒星，我们的太阳就是其中之一。天文学家估计，银河系的直径约10万光年，平均厚度为1 000光年（1光年约6万亿英里，即9.6万亿千米）。基于这些数字，可以粗略计算出银河系的体积。

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银河系的体积是太阳的1033多倍。

质量

公式

质量=力/加速度

单位

千克*（kg）

克*（g）

磅（lb）

原子质量单位（化学）

太阳质量（天文学）

*法定计量单位。

质量是构成物体的物质总量。在日常用语中，“质量”和“重量”经常互换使用，但实际上，它们是两种完全不同的概念。重量由物体的质量与作用在它上面的力（重力）决定。例如，在地球上，重力使我们不会远离地球。

我们个人的重量是由重力拉动个体的质量而产生的结果。如果你突然发现自己在没有重力的外太空飘浮，就说明你失重了，但你仍然会有质量。因此，物体的重量会随着其受力环境的改变而变化，但它的质量不变。

质量可以看作由物体内的原子总数、原子的类型以及它们的密集度决定。（然而，这个说法并不适用于某些类型物体的质量，例如，弥漫在宇宙中的神秘物质——暗物质，请参阅侧边栏。）为了弄清楚这一点，你可以想象一个充满氢气的气球，再想象一个同样大小并由金填充的气球。每个金原子（带正电的粒子）在其中心有79个质子，而每个氢原子只有1个质子，这就意味着金原子有更大的质量。同理，相同大小的气球，用金填充的比用氢气填充的质量更大。

暗物质

在过去的半个世纪里，天文学家们意识到了一种叫作“暗物质”的神秘物质的存在。这是因为他们经分析得出，星系的质量远比把星系里所有的“正常”物质的质量加起来大，这些“正常”物质包括星星、尘埃、气体和其他所有望远镜能观察到的东西。今天，天文学家们认为宇宙中存在着5~6倍于“正常”物质质量的暗物质。事实上，尽管科学家们不能直接看到暗物质，但现代望远镜已经揭示了其所在位置的精确地图，并且科学家们还可以通过暗物质的引力作用来推断它的存在和质量。虽然天文学家们相信暗物质是真实存在的，但仍不知道它到底是什么，这个谜团从20世纪起一直到今天都未能解开。

如何计算一个物体的质量呢？一种方法是测量使物体加速所需的力。比较一下在地板上推一枚硬币与推一架小三角钢琴所用的力。钢琴由于质量更大而对你所施加的力的反抗会更强，因而与推硬币相比，你需要用更大的力去推一架钢琴。另一种计算质量的方法是确定被测物体对其他物体施加的引力是多少或者其他物体对它施加的引力。这种方法几乎总可以用来确定宇宙中天体的质量。例如，为了计算木星的质量，天文学家可以通过观测它的卫星的轨道速度得出结果。

1　电子

911.×10-31 kg

原子可以分解为3个基本组成部分：中子和质子（在原子的原子核中结合在一起），以及在原子核周围高速移动的电子。它们都很小，而质子和中子的质量是电子的10 000倍。

2　人体细胞中的DNA

6×10-15 kg

DNA是携带所有信息或遗传密码的分子，生物的外观和各身体组织的功能与其紧密相关。好比扭曲成螺旋形的梯子一样，DNA采用的是双螺旋结构。人体内含有数以万亿计的DNA链，它们储存在每个人体细胞的细胞核中（红细胞除外）。

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一个DNA分子的质量约是一个电子质量的7×1015倍。

3　睫毛

7×10-8 kg

睫毛是人类进化的表现之一，很少会有人想到它，除非有东西掉进眼睛里。这些从我们的眼皮中长出来的小毛发，作用是保护我们精致的眼球，使我们的视觉不会受到异物的影响。

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一根人类睫毛的质量约是DNA分子质量的1 000万倍。

4　成年金毛犬

36 kg

世界上有300多个品种的狗（分类方法各式各样，包括最突出的特征、原产地，等等）。不管你怎么分类，我们都会发现其中的大部分狗是相当可爱的。

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一只成年金毛犬的质量是一根人类睫毛质量的5亿倍。

5　哈勃空间望远镜

12 247 kg

1990年4月24日，发现者号航天飞机从位于美国佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射，携带着世界上最著名的望远镜—哈勃空间望远镜，它的长度约与一辆大型校车相当。由于宇航员在多次访问哈勃空间望远镜时为其安装了新的硬件，所以在今天它比发射时拥有更大的质量。

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哈勃空间望远镜的质量约是普通成年金毛犬的300多倍。

6　蓝鲸

1.8×10^5 kg

蓝鲸是地球上体形最大也是质量最大的动物，大到其舌头的质量和一头大象的质量一样，而心脏的质量相当于一辆汽车的质量。蓝鲸通过吃大量被称为磷虾的小型虾类来达到如此惊人的块头。

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一头成年蓝鲸的质量约是哈勃空间望远镜的15倍。

7　哈雷彗星

2×10^14 kg

彗星主要由大量的冰冻气体、冰和岩石构成，通常在太阳系的外围轨道上运行。它们偶尔也会偏移，开始漫长的朝向太阳的旅程。哈雷彗星就是其中最著名的一颗，这颗彗星已经被记录了两千多年。

比较！

哈雷彗星的质量约是成年蓝鲸的10亿倍。

8　地球

6×10^24 kg

你知道“肩负世界”是什么概念吗？你有没有想过这有多重？即便你知道它有多重，但你知道吗，太阳系质量最大的行星——木星——的质量是地球的300多倍，而水星是太阳系中质量最小的行星。

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地球的质量约是哈雷彗星质量的300亿倍。

9　人马座A*

8×10^36 kg

和大多数星系一样，银河系围绕着中心的一个巨大黑洞运动。黑洞有各种大小，最小的大约是太阳质量的10倍。那些属于超大质量级别的黑洞的质量是太阳质量的数百万倍。银河系中心的超大质量黑洞，由于其位置靠近射手座而得名人马座A*（Sgr A*），

比较！

银河系中心的黑洞质量是地球质量的近一万亿倍。

它的质量约为太阳质量的400万倍。

10　星系团的质量

1×10^45 kg

大多数星系不能自行穿越太空。相反，它们通常属于星系团集合。星系团可以包含数百甚至数千个星系，是宇宙中最大的结构之一。

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拥有数千个星系的星系团的质量是银河系黑洞人马座A*质量的大约1亿倍。

时间

公式

时间=距离/速度

单位

秒*（s）

分钟*（min）

小时*（h）

天*（d）

周月

年*

*法定计量单位。

时间的概念贯穿于我们的一生。我们有多种方法和设备来记录天、周、月和年；还有不计其数的讲述穿越时间的故事和歌曲，很富有想象力。最常见的与时间相关的问题可能是“现在几点了”，而更值得深思熟虑的问题是“什么是时间”。

时间可以被定义为对重复模式的度量。也许用来标记时间流逝的第一个重复模式是日出和日落。古人也记录过太阳和星座在天空中的运动轨迹，并根据这些记录的规律确定了我们现在所说的“一年”的时间长度。

随后，人类发明出新的方法来记录时间。数千年前，从印度、中国到巴比伦和古埃及，人们学会使用水钟、日晷和沙漏等装置来记录时间。第一台机械钟的出现可以在中世纪的欧洲找到证据。这些设备持续发展，变得相对可靠甚至便携，如16世纪出现的怀表。

记录时间

一分钟：60秒

一小时：3 600秒

一天：86 400秒

一周：604 800秒

一年：31 536 000秒

然而，如今的技术和工程作业需要比那些用弹簧和齿轮制造的钟表还要精确的设备。我们现在的技术和设备依赖于非常精确的时钟，如全球定位系统（GPS）、电子通信和确保航天器能安全到达行星的系统等。

原子钟是最精确的，并被应用于GPS卫星和许多其他现代技术中。它以原子中电子能级跃迁时的共振频率作为精确的时间标准。一种特定元素的原子数是相同的，所以当它们吸收或释放能量时，会产生频率完全相同的微波。虽然可以使用其他原子，但国际单位制中的世界标准时间是用铯-133原子确定的，并且可以根据该原子中的电子从一个轨道跃迁到另一轨道的特定次数来定义时间单位。这种计时方法非常精确，以至于预计铯原子钟在数百万年内都不会减慢或加快1秒。

爱因斯坦和时间

阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪初的开创性工作中有许多重要的成果，最重要的发现之一就是时间不是绝对的。一个正在移动的观察者所感受到的时间流逝要比在静止状态下所感受到的慢，这个效应被称为“时间膨胀”。爱因斯坦的这一发现表明，当物体快速移动时，它受到较强的引力作用，而较强的引力作用会使得时间变慢。

这种效应有许多潜在的影响。最著名的例子就是在把双胞胎中的一个送到一艘快速运行的虚拟飞船上，而另一个仍然留在地球上时，结果是太空中的这个比地球上的那个老得慢。再举一个离我们更近一点的例子，可以考虑地球上海拔的影响，因为海拔越高（尽管相对地球的大小来说是一个很小的数量级），引力越弱，所以当你生活在高海拔地区时衰老的速度就会越慢。例如，一架飞行高度为10 972.8米的飞机上的乘客，他穿越美国飞行的时间比在海平面上方飞行的时间要少几纳秒，这个额外的时间将会累积在寿命中。如果你选择在飞机或珠穆朗玛峰顶上度过大半生，那么你的寿命将会增加一点点。

1　普朗克时间

1×10-43 s

普朗克时间是人类创造出来的最小的科学度量时间。它被定义为量子以光速（299 792 458米每秒，或大约186 000英里每秒，参见第89页：速度）移动普朗克长度（大约1.6×10-35米）所需的时间（为1×10-43秒）。以人类来作参考的话，我们要花2.5×10^42倍的普朗克时间来快速眨眼一次。

2　血红细胞的产生时间

0.000 000 5 s

人体平均每秒会产生大约200万个新的血红细胞来将氧气输送至全身。在一个健康的成年人体内，血红细胞的寿命为100～120天，并且每时每刻我们体内的血红细胞数量一般都为20万亿～30万亿个。

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单个人体血红细胞的产生时间是普朗克时间的5×10^36倍。

3　蜂鸟振翅一次的时间

0.012 5 s

用相机捕捉到的紫辉林星蜂鸟的振翅频率为80次每秒。蜂鸟在振翅时，翅膀不仅上下摆动，还进行圆周运动。它们在很短的时间内就完成了一个动作循环。

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蜂鸟振翅一次的时间是一般人体产生血红细胞时间的25 000倍。

4　最快的百米短跑

9.58 s

很多田径项目的比赛，比的是谁能在最短的时间内完成赛程。2009年8月17日在德国柏林举办的世界田径锦标赛上，牙买加的尤塞恩·博尔特刷新了人类100米短跑的纪录，时间仅为9.58秒。

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截至2009年，100米短跑的最快纪录是蜂鸟振翅一次所用时间的大约800倍。

5　最长的屏息

1 443 s

西班牙自由潜水员阿莱克斯·斯古拉·本德雷尔（Aleix Segura Vendrell）可以在水下屏住呼吸超过24分钟。这一壮举被收录在2016年的《吉尼斯世界纪录大全》中。值得注意的是，这个时间是个人“自愿”屏住呼吸的最长时间。

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人类屏住呼吸的最长时间纪录是100米短跑最快时间纪录的100多倍。

6　蜉蝣的一生

86 400 s

蜉蝣也被称为“一日虫”，它可能是地球上已知寿命最短的生物。有超过2 500种不同种类的蜉蝣，它们在短暂的一生里——大约24小时——的唯一工作就是繁衍。

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一般蜉蝣的寿命大约是人的最长屏息时间的60倍。

7　太阳能飞机

424 800 s

为了彰显可再生能源的利用价值，飞行员伯特兰·皮卡德和安德烈·博施伯格推动了阳光动力号项目的实施。2015年7月，阳光动力号飞机从日本飞至夏威夷，完成了人类历史上时间最长的太阳能动力飞行，在空中停留了大约118小时。

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人类以太阳能为动力的飞机的最长飞行时间约是一般的蜉蝣寿命的5倍。

8　超级马拉松

3 448 781 s

最长的马拉松是在纽约皇后区进行的一项长4 989千米的比赛，也被称为自我超越比赛，需要长达52天才能完成。跑步者需绕扩展的城市街区5 649圈。2015年，芬兰的佩卡·阿尔托（Pekka Aalto）用时40天9小时6分21秒完成了超级马拉松。

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完成超级马拉松所用的最短时间大约是人类以太阳能为动力的飞机最长飞行时间的8倍。

闰秒

由于月球引力的作用，地球的自转速度实际上正在减缓，这意味着地球上一天的时间变得越来越长。国际地球自转服务（一个管理通用或天文时间的组织）不时地会为我们的时钟增加1秒，以保持标准的一致。这增加的1秒被称为闰秒。最近一次的闰秒是在2016年12月31日增加的。通常每1~3年需增加一次闰秒。

9　海王星年

5.2×10^9 s

对任何行星来说，一年都被定义为围绕其母星完成一次轨道运动所需海王星的一年是的时间。就海王星绕太超级马拉松比赛阳的运动来说，这是一最短用时的大约个相对较长的旅程。海王星绕太阳完成一次旅行需要约164.8个地球年（或地球上的60 182天）。

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海王星的一年是超级马拉松比赛最短用时的大约1 500倍。

10　球状星团中古老恒星的年龄

4×10^17 s

人类在银河系和其他星系的边缘发现的球状星团是古老的恒星的星团。天文学家认为，其中有些恒星是在130亿年前就存在的，即在宇宙大爆炸后不到10亿年的时间里形成。这使得这些恒星成为整个宇宙中最古老的物体。

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球状星团中古老的恒星的年龄是海王星年的大约8 000万倍。

温度

公式

华氏度换算为摄氏度：

华氏度=（摄氏度-32）×9/5

摄氏度换算为开尔文：

摄氏度=开尔文+273.15

单位

华氏度（°F）、摄氏度*（℃）、开尔文*（K）

*法定计量单位。

我们有太多的词来形容温度，从“寒冷”到“温和”再到“咝咝声”，等等。温度的科学定义是它是对粒子在物质或物体中的移动速度的度量。它的另一种说法是用于衡量一个物体或系统的内部能量。

例如，我们用于测量体温的温度计。用来判断你是否发烧的液体温度计是这样工作的：测体温时，随着组成液体的分子变热，它们的体积开始膨胀，温度计内的膨胀液体除了向上运动之外无处可去。当液面水平高于标示人体平均温度（参见第81页）的标记时，你就知道是否要在家里休息，而不去上学或工作了。

接近“绝对零度”

1858年，开尔文勋爵发表了一篇名为“关于一种热力学温度”的文章，探讨了对于气体体积与温度之间关系的新认识。文章认为原子和分子停止运动应该有一个点，并且这个点可以被定义，开尔文称之为“绝对零度”。

今天我们知道这个值是零下273.15摄氏度或者0开[尔文]。根据我们对热力学（研究热的学科）的了解，实际上绝对零度不可能达到。但是，科学家和工程师能做到非常接近它。事实上，已经有实验达到了比绝对零度高十亿分之一开的温度。

人类为什么要努力去达到这些不可能的低温呢？这不仅仅是想创造一个新的世界纪录。当材料接近绝对零度时，它们会呈现一些非常有趣的属性，如超导性（几乎没有电阻）、超流性（流体几乎没有摩擦产生或没有黏性），甚至形成新的物质状态，如玻色-爱因斯坦凝聚态（不同状态的原子聚集在一起后，表现出同一种状态）。所有这些性质对于今后的科学探索和未来的实际应用都具有难以想象的作用。

温度计上的数字代表什么呢？早在18世纪初，丹尼尔·华伦海特（Daniel Fahrenheit）就开发了一个水的冰点为32华氏度、沸点为212华氏度的温度计。在接下来的几年中，物理学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius）提出了一个新标准，把水的冰点和沸点分别设定为0摄氏度和100摄氏度。

尽管世界上的大部分地区（少数例外，包括美国）都采用摄氏温度作为测量标准，但科学家还使用另一个标准。如上所述，物体（或物质）的温度表示组成物体（或物质）的粒子移动的速度。在19世纪，科学家们计算出了原子停止移动时的温度。这个温度被称为绝对零度。它是终极冰点——没有比它更低的温度了，因为根据温度的定义，温度需要一些粒子的运动才能被测量。

开[尔文]这一温度单位是以威廉·汤姆森，也即开尔文勋爵的名字命名的，它于19世纪被提出。绝对零度为零下273.15摄氏度或零下459.67华氏度。由于开氏度在温度的度量中避免了负数的使用，所以它成为物理学家特别喜欢采用的温度单位，也被作为SI中热力学温度的法定计量单位。

恒温、冷血和其他

地球上的大多数动物分为两类：恒温动物和冷血动物。不管周围天气如何，恒温动物总试图保持其体内温度不变。人类以及大多数其他哺乳动物和鸟类是恒温的，或者说是温血的。恒温动物通过出汗、喘气，在太热的时候饮水，在太冷的时候长出厚的皮毛或战栗来调节温度。

动物界的许多其他成员是冷血的，或者说变温的。冷血动物的体温依赖周围环境的温度，这意味着它们血液温度的变化范围比恒温动物的要大得多。相比它们的恒温近亲来说，它们只需少量的能量（食物）就可以生存。

并不是所有的动物都属于这两个类别，有些动物，如鼹鼠、蝙蝠等，既不是恒温动物，也不是冷血动物。最近的研究表明，恐龙可能也要划归到这个“另类”阵营，其同时具有恒温和冷血动物的特征。

恒温动物举例

鸡：107.24℉/41.8℃/314.95 K。

牛：100.22℉/37.9℃/311.05 K。

帝企鹅：它们在南极洲的冬季繁殖时，空气温度可达到-40℉/-40℃/233.15 K，水温可达28.8℉/-1.8℃/271.35 K。幸运的是，它们的羽毛、脂肪和行为适应性意味着它们可以在这种极端的温度下生存，即使坐在冰上产卵也没问题！帝企鹅的平均体温是102℉/39℃/312 K。

冷血动物举例

狼蛛：不同品种的狼蛛体温变化可以从50℉/10℃/283 K到109℉/43℃/316 K。

木蛙：木蛙在低于0℃的温度下，即使体液的60％被冻结仍可以存活，其体温可低至21℉/-6℃/267 K。

温度（单位：K）的对数刻度坐标

1　最冷的地方（人造）

0000 000 5 K.

麻省理工学院实验室的研究人员通过蒸发、激光和磁场相结合的多步技术，能够冷却钠原子。采用这种方式，他们能够将系统的温度降低到500纳开[尔文]，这个温度可能是仅次于绝对零度的最低温度，进行这个实验的场所也是地球上最冷的人造场所。

2　宇宙大爆炸后的背景温度

2.726 K

宇宙大爆炸之初宇宙是极其热的。在此后的138亿年内，宇宙大大冷却了。今天，天文学家可以检测到大爆炸的残余物，现在它们只比绝对零度高几开。

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宇宙微波背景（CMB）的温度是地球上最冷的人造场所（在实验室里）温度的大约500万倍。

3　南极洲的沃斯托克站

184 K

1983年7月21日，苏联位于东南极的沃斯托克站出现了地面上最低的自然气温，并被收录在《吉尼斯世界纪录大全》中。最近的一次，美国国家航空航天局（NASA）的卫星观测到了更低的南极气温，但由于没有通过陆地上的传感器进行验证，所

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地球上最冷的自然场所的温度是宇宙微波背景温度的60多倍！

以这个结果不符合吉尼斯世界纪录的评定标准。

4　人的体温

310 K

在18世纪中叶，德国医师卡尔·温德里希（Carl Wunderlich）博士采集了数千名患者的腋下体温。他发现人体的平均温度为98.6华氏度（37摄氏度/310.15开）。最近的研究发现，人体的平均温度比上述值略低，并且可以变化

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人体的平均温度是南极最冷地区的将近两倍。

约1华氏度（0.6摄氏度），这取决于患者的年龄和性别，以及不同位置的体温，甚至是采集的时间。

5　金的熔点

1 336 K

纯金有许多有趣和有用的特性，例如，它是一种非常好的导体，抗腐蚀性强。（黄金也是制作珠宝和货币的原材料。）纯金最重要的特征之一就是它有很高的熔化温度，这也是一些一级方程式赛车队在发动机中使用金箔的原

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金的熔点约是人体平均温度的4倍。

因—当然，这只是黄金在制造业和工程施工中使用的例子之一。

6　地心

6 000 K

尽管从来没有人去过地心，但科学家们可以通过间接手段获取那儿的温度。地球的核心——包括一个坚实的内核，然后是一个液态的外壳——相当热。目前的估计是，在内核和外壳相遇的最热点处，温度与太阳表面的温度大致相同。

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地心温度约是金的熔点的5倍。

7　日冕

1×106 K

虽然听起来像汽车或啤酒的名字，但实际上日冕是离我们最近的恒星—太阳的外部大气。太阳的表面十分炎热，而远离表面的日冕的温度要比表面高出数百倍。

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日冕的温度约是地心温度的200倍。

8　黑洞吸积盘

5×108 K

天鹅座X-1是一个黑洞，质量为太阳的15倍左右，离我们大约6 000光年，在轨道上有一颗巨大的伴星。黑洞周围是由黑洞的摩擦和引力作用产生的气体和尘埃盘。天文学家使用各种类型的望远镜（包括可以检测X射线的望远镜）测量到了该盘的温度。

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黑洞吸积盘的温度约是日冕温度的500倍。

9　超新星爆发

1×10^10 K

当数倍于太阳大小的恒星耗尽燃料时，它就会崩溃，然后爆发，成为一颗耀眼的超新星。有时，超新星的亮度可以超越其主星系中所有天体的亮度。有时，它会形成密集的恒星核——中子星。在这些物体的内部，温度可以达到天文学的极限。

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超新星爆发时的温度约是黑洞吸积盘的20倍。

10　普朗克温度

1×10^32 K

这是科学家们所提出的一个没有太多实际应用价值的温度。那是因为，如果达到这一温度，所有已知的物理学定律都将完全失效。这个危险点的计算值为1×1032开，增加或减少一些变化不大。

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物质的最高温度在理论上可能比超新星爆发时的温度还要高10^22倍。

第二部分　率和比率

在空间、时间和物质中的变化

速度

公式

速度=运动距离/时间

单位

千米每小时（km/h）

英里每小时（mile/h）

节［kn，1kn=1n mile/h（海里每小时）］

马赫数（声速的倍数，Ma）

米每秒（m/s）

在日常生活中，我们谈论速度往往是为了做比较：“谁是班里跑得最快的孩子？”“我的车速是多少，超速了吗？”速度的具体定义是某物在特定时间内移动的距离。

当我们眼睛往下一瞥时，发现车速表上的示数是97千米每小时，地球人都明白，这意味着保持这个速度和方向开下去，一小时后，我们就会远在97千米之外了。而如果你不巧正行驶在限速60千米每小时的地方，那你更应该明白自己得减速了！

地球上的居民移动速度千差万别，二趾树懒最快的移动速度也不过270米每小时，而非洲猎豹能以97千米每小时的速度驰骋，游隼在俯冲时，速度更是达到了322千米每小时！

乍看之下，猎豹和游隼的速度已经十分惊人了，但在声速面前，这二者的速度显得不值一提。海平面上的声速高达1 223千米每小时。当然，声音的传播速度受介质影响很大，这里默认为大气中的声速。

在我们的宇宙中，速度是不能无限飙升的，光速是物体运动速度的上限。这正是爱因斯坦狭义相对论的一条基本原理。

对这一原理的论证文献浩如烟海，但归根结底，让带有质量的物体以光速或超光速运动，所需要的能量不可估量。相对论目前仍未被证伪，在把它推翻之前，光速，大约30万千米每秒，就是宇宙中运动速度的上限。

标量与矢量

在日常生活中，“速率”这个词经常会与“速度”混用，而在科学领域，二者不尽相同：速率是一个标量，而速度是一个矢量。所谓标量，就是与方向无关的量。比方说，你每小时能跑16千米，那么无论你向南还是向北，向东还是向西跑，你的速率都是16千米每小时，但是向不同的方向跑，速度却并不相同。（编辑注：这一点请读者一定要区分清楚。但为了便于理解，本书中还是全部采用了“速度”这一日常生活中的用语，而忽略了其方向因素。）

1　草木生长的速度

2×10-8 m/s

俗话说“如观草长”，这句话多形容一些事情进展非常慢，一点变化都看不出来。那么草的生长速度有多慢呢？总体来说，大多数的草木生长速度是每个月5～15厘米。

2　人类步行的速度

1.3 m/s

人们徒步时的速度各不相同，平均大约是5千米每小时。

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人类步行的速度约是草木生长速度的70 000 000倍。

3　人类最快能跑多快

12.4 m/s

跑步最快的人能跑多快呢？2009年的世界田径锦标赛中，尤塞恩·博尔特在100米跑中的速度达到了44.7千米每小时。

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人类最快的奔跑速度约是平均步行速度的10倍。

4　地表最快生物

27 m/s

陆地上跑得最快的生物是非洲猎豹，在短距离冲刺时，猎豹的速度能达到97千米每小时。即使在平时，为了保持高机动性，猎豹巡视时的速度也有48千米每小时。

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猎豹奔跑的速度是跑步最快的人的两倍多。

5　声速

343 m/s

约1640年，法国数学家马林·梅森（Marin Mersenne）尝试以测定回声时间的方式推算声速。在非常有限的实验条件下，梅森的测量结果令人惊叹，误差不超过10%。数百年后，突破声速，也就是突破1马赫，成了许多航空先驱的夙愿。这个目标直到1947年才由查克·耶格尔上尉驾驶着XS-1（后来命名为X-1）试验机完成。

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猎豹奔跑的速度还得再快10倍才能赶上声速。

6　最快的商用飞机

597 m/s

纵览航空史上的高速商用飞行器，最快的是1976年至2003年间在航的协和式超声速客机。协和式客机的巡航速度达到了惊人的2 150千米每小时，这是如今的商用飞机的近两倍！

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协和式客机的航速是声速的约两倍。

7　国际空间站的轨道速度

7 600 m/s

国际空间站在距离地球表面400千米的轨道上运行。宇航员在国际空间站上的实验室里平静地工作着，但这总让人忘记一个事实：空间站是以高达27 360千米每小时的速度在轨道上飞驰的。以这种速度，国际空间站绕地球一圈只需要92分钟。

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国际空间站的轨道速度是协和式客机的近13倍。

8　地球的公转速度

30 000 m/s

众所周知，地球运转在一个环绕太阳的椭圆形轨道上，走完这个轨道的一圈需要365.25天的时间，也就是我们说的一年。在这段时间内，我们的星球掠过了9.66亿千米的沉寂太空。

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地球公转的速度是国际空间站的4倍。

9　最快脉冲星的速度

1 120 000～2 240 000 m/s

当一些恒星燃烧殆尽的时候，它们的外壳层会发生大爆发，而内壳层会坍缩为一个高速旋转的致密核——中子星，有些中子星会释放出规律的电磁脉冲，因而被天文学家称为“脉冲星”。在形成过程中，脉冲星有时会以极快的速度偏离初始位置，天文学家发现的最快的脉冲星能以数百万千米每小时的速度脱离初始位置。

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脉冲星的最快脱离速度是地球公转速度的近60倍。

10　光速

299 792 458 m/s

在目前的物理框架下，光速是实物粒子运动速度不可逾越之壁，也是任何跃迁和超驱动之类的科幻技术绕不过去的一道坎。

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光以脉冲星速度的200倍运动。

加速度

定义

单位时间内速度的变化程度，或速度的变化率。

单位

米每二次方秒（m/s^2）

绝大多数人认为“加速”是用来描述速度的增长的——从慢到快，但那只是加速度的冰山一角，事实上，加速度的定义包含了物体移动的速率和方向的改变。

速率和方向二者结合起来就是我们前文提到的“速度”了，如前所述，速度是一个矢量，物体的加速度可以表现为速率的增大或减小，也可以表现为运动方向的改变。

“加速”这个概念我们并不陌生，经常会有汽车厂商宣称自家产品的百公里加速能力有多强。当一辆老爷车在停车位上慢慢停下来时，也会有加速度的存在，当然，这里的加速度是一个负值，也就是所谓的减速。抛开这些称呼不谈，这些现象都是“加速度”的体现。

加速度由速率和方向二者共同定义，可以想见，转动行驶中车辆的方向盘也会产生加速度。方向变化的加速度的另一个例子是水平盘旋的过山车，这时车体的速率几乎保持不变，但乘客们可以感受到一股压迫力随着车体的转动不断改变方向，这正是加速度的体现。

加速度的单位

加速度计算公式中距离与时间的二次方的比是一个用数学方法速记公式的例子。

本书和许多其他地方，速率或速度是以米每秒（m/s）为单位来衡量的，而加速度是速度与时间的比。对于分数，我们可以将分子和分母中相似的单位组合在一起书写。就加速度而言，我们可以用以下几种方式来表示其单位：

（m/s）/s或

m/s×1/s或

m/s^2

最后一个是加速度单位的最简洁表示方式。

加速度最经典的例子莫过于自由落体了。自由落体是指初始速度为零的物体在重力的作用下坠落，且在下落期间不受其他力（如空气阻力）的影响和干扰。在此过程中，物体的速度会以恒定的变化率（即重力加速度）改变。

要想更好地理解地球的重力加速度，不妨看一些更具体的例子。假设你让一个球体从高空的平台坠下。在你松手之前，球完全不动，每秒运动的距离是零。但在你松手之后，该球体立即以9.8米每二次方秒的加速度开始加速，1秒之后，球体的运动速度达到了9.8米每秒。同理，在2秒后，这个速度增加到19.6米每秒，3秒后增加到29.4米每秒，4秒后变为39.2米每秒，以此类推。这也就是为何从高空坠落的物体会以极快的速度落到地面——它们在下落过程中一直受重力作用而加速。试想，从2楼坠落和从20楼坠落，后果能一样吗？

如果一辆自行车的加速度是2 m/s2，这就意味着自行车的速度每一秒都会比上一秒快2 m/s。假设初速度为零：

不走寻常路

1　旅行者1号探测器的引力加速度

0000 000 5 m/s^2

1977年9月5日，NASA的旅行者1号探测器开启了前往太阳系之外宇宙的旅程，直到现在仍未停歇。目前旅行者1号距离地球约200亿千米，由地球和太阳引力产生的引力加速度在它身上体现得微乎其微。旅行者1号的航程远超地球上其他任何航天器，现在已经抵达了“星际空间”。所谓星际空间就是恒星与恒星之间的空间，恒星的质量和磁场对星际空间的影响很小。

2 地球表面的重力加速度

9.8 m/s^2

苹果砸在牛顿头上这个传说让万有引力这个概念听起来似乎很简单，但数百年来，科学家们仍在探索其本质。从医学到航空动力学，从天文学到粒子物理领域，万有引力都扮演着非常重要的角色。在地球表面，重力（也即万有引力的一个分力）产生的加速度常被简写为“g”。

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地球表面的重力加速度约是旅行者1号加速度的2 000万倍。

3　保时捷918 Spyder超级跑车的加速度

12.3 m/s^2

在跑车评测中，我们经常看到人们对比车辆的0到百公里加速能力。在我们的印象里，超强的加速能力似乎是那些大功率“肌肉车型”的专利。但事实上，近几十年来，采用其他动力的车型加速能力突飞猛进，谁曾想过如今的加速王者属于918 Spyder这款环境友好型的混合动力跑车呢。

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918 Spyder的加速度约是地球表面重力加速度的1.3倍。

4　木星表面的重力加速度

23.1 m/s^2

太阳系的那些气态巨行星—木星、土星、天王星和海王星—个个体态庞硕，质量巨大。它们的主要成分是各种气体，星体的核心则是一些熔融重金属。木星是太阳系中质量最大的行星，它的质量足有地球质量的318倍。由于重力的大小和质量有关，木星的巨大质量使得其表面的重力加速度约是地球表面的2.4倍。

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物体在木星表面的重力加速度是保时捷918 Spyder的加速度的1.9倍。

5　人体能承受的加速度极限

453 m/s^2

人体能承受的加速度极限是多少？带着这个问题，美国空军上尉约翰·保罗·斯塔普（John Paul Stapp）对自己进行了一系列实验。医学专家们曾经认为，人体过载承受极限不会超过18倍的重力加速度。而在1954年，斯塔普乘坐着火箭滑橇在骤然减速后承受了46.2倍重力加速度的过载。这位“地球上最快的人”在89岁高龄安然离世。

比较！

木星表面的重力加速度只有人体承受极限的1/20。

6　能使红、白细胞分离的加速度

98 000～980 000 m/s^2

离心力是一种物体做圆周运动时产生的向外的虚拟力，离心力也会产生加速度，并且在医学、核物理、体育运动和游乐设施等诸多领域都有应用。离心机是一种能快速旋转的机器，数百年来人们一直使用离心机把密度有差异的物质分离开，比如从牛奶中分离出奶油。在医学领域，目前的技术甚至可以分离血液样品中的白细胞与红细胞。

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使血液中红细胞与白细胞分离的最大离心加速度是人体承受极限的2 000多倍。

）的对数刻度坐标2加速度（单位：m/s

7　大型强子对撞机中质子的加速度

1.9×109 m/s^2

瑞士的大型强子对撞机（LHC）是欧洲核子研究组织（CERN）加速器组合中的一员。LHC保持着多项纪录，比如人类创造的最高能量粒子碰撞等。如果我们使两个质子加速到极高的速度，它们的碰撞会释放出巨大的能量，从而产生一些稍纵即逝的新粒子，科学家认为在这些新粒子中会有一些宇宙大爆炸初期的蛛丝马迹。

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LHC中质子的加速度是医用离心机最大加速度的将近2 000倍。

8　加速中的脉冲星表面的重力加速度

1×10^12 m/s^2

在大名鼎鼎的“宇宙之手”的中心，有一颗疯狂旋转的新生中子星PSR B1509-58（也就是所谓的脉冲星）不停地向四周挥洒能量。我们之前提到过，中子星的产生源于超大质量天体燃烧殆尽后随之而来的坍缩，在像PSR B150958这样的中子星或者说脉冲星表面，其重力加速度是地球表面重力加速度的上千亿倍。

比较！

脉冲星表面的重力加速度是对撞机中质子加速度的几百倍。

密度

公式

密度=质量/体积

单位

克每立方厘米（g/cm^3）

千克每立方米（kg/m^3）

让我们想象一个空盒子，再用网球把它一点点填满，然后把网球换成铅球。

上述思想实验体现出了密度定义的两个最重要的因素：在给定空间里有多少粒子（原子或分子），以及这些粒子的单个质量是多少。我们可以把网球视为一个个原子，这个盒子的密度就和单个网球的质量息息相关。如果把盒子里的网球替换成铅球，由于单个原子质量的改变，盒子的密度也发生了变化。

元素周期表中的每一种元素都有相应的质量，也就是所谓的相对原子质量。相对原子质量是由原子核中质子和中子的数目决定的。氢原子核中只有一个质子和一个中子，氦原子核中则各有两个，其他元素的相对原子质量也各不相同。有些元素的原子核非常复杂，有成打甚至上百个中子及质子，正因为如此，它们的相对原子质量也非常大。

密度与粒度非常重要

墨尔本，澳大利亚

洛杉矶，美国

世界卫生组织建议的限值

莫斯科，俄罗斯

白沙瓦，巴基斯坦

德里，印度

空气的密度受很多因素影响，如海拔、温度、湿度等。人口对空气密度的影响其实也很大。世界卫生组织对世界各国空气中颗粒物（PM）的量进行了测量。颗粒物在我们日常呼吸的空气中十分常见，它是各种微小固体颗粒和液体分子的统称，扬尘、花粉、汽车尾气、木材燃烧和工业废气都是常见的颗粒物来源。

根据世界卫生组织的建议，直径小于2.5微米的小颗粒物（称为PM2.5）浓度应当低于2×10-8kg/m3。虽然这些是头发丝的1/200大的微小粉尘在地球大气中所占的比例微乎其微，但它们对人体健康却危害极大。

下面是世界各大城市的PM2.5的测量结果。

印度的德里：1.22×10-7 kg/m^3

巴基斯坦的白沙瓦：1.11×10-7 kg/m^3

俄罗斯的莫斯科：0.22×10-7 kg/m^3

美国加利福尼亚州的洛杉矶：0.11×10-7 kg/m^3

澳大利亚的墨尔本：0.08×10-7 kg/m^3

密度反映了物质的质量与体积的关系。在给定空间内的质量越大，密度也就越大，具体是多少取决于原子或分子的种类。

对于密度的理解在实际应用中用途很大，比如物体能否在液体上漂浮就取决于其密度的大小。木头和冰之所以能在水面上漂浮，就是因为它们的密度比水小。而岩石和铁块的密度比水大，只能默默地沉到水底。

那么问题来了，为什么用钢铁造出来的船舶就能浮在水面上呢？答案很简单，虽然船只的外壳是钢筋铁骨，但内部有很多部分是中空的，如货仓里和甲板上的空间在计算密度时就可以当作空气来计算。

因此，我们在计算船舶的密度时应该考虑到船只各部分的密度差异。当然，如果船只的整体密度大于水，那肯定是要沉没的。反之，只要船只的整体密度比水小，即使外壳的密度再大，这艘船还是能漂浮在水面上的。

这个道理对气体也适用，氦气的密度比空气小，后者是由氮气、氧气和其他各种更重的气体混合而成的，所以一个充满氦气的飞艇可以升到空中。除了成分，气体的温度也会影响密度，高温气体的密度比低温气体要小。这正是热气球能飞向高空的原因。

潜艇的工作原理

潜艇是人类智慧的结晶，它既能在水面航行，也可以去海底潜游。按理说，建造潜艇的材料和潜艇的体积应当是固定的，它应该有一个确定的密度才对，那它是如何自如地在水中沉浮的呢？这得归功于一个叫作压载舱的设计。

在把水泵进压载舱之后，舱室内的空气被水这种密度更大的物质所替换，导致潜艇的体积虽然没有改变，但总体质量却大大增加，潜艇的整体密度也就变大了。根据物理规律，密度更大的注水潜艇会沉入水下。

1　宇宙的总体密度

3×10-27 kg/m^3

计算整个宇宙的密度可不是个轻松的活儿，但科学家们还是办到了。如今，科学家们认为宇宙是由15%的常规物质（质子、电子和中子）和85%的神秘暗物质组成的。虽然常规物质和暗物质常常聚在一起形成原子、分子和庞大的天体，但宇宙中的绝大部分空间都空空如也，这是宇宙的整体密度这么小的原因。

2　火星的大气密度

0.015 5 kg/m^3

有科学家认为，在数十亿年前，火星可能也有过像地球上这样稠密的大气层。正是这稠密的大气使得我们的地球上存在热量和液态水。但如今，火星上的大气十分稀薄，这也给人类在未来对火星的勘探造成很大的困难。

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哪怕是稀薄的火星大气，也是宇宙的总体密度的5×10^24倍。

3　海平面的空气密度

1.2 kg/m^3

那我们日常呼吸的空气的密度是多少呢？事实上，空气本身也会受到更上方的空气质量的压迫，因此海平面的空气密度是最大的，海拔越高，空气也就越稀薄。上面的数字指的是海平面的空气密度。

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地球海平面的空气密度约是火星大气的80倍。

4　土星的密度

687 kg/m^3

作为太阳系中至太阳的距离（由近到远）排名第六的行星，土星十分巨大，但它的主要成分是液化后以液体形式存在的氢气、氦气等各种气体。正因为如此，土星的密度并没有水大，这也就意味着如果有一个太阳系那么大的澡盆，里面盛满水，土星会浮在水面上。

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液态气体形式的土星的密度是地球海平面空气密度的近600倍。

5　人体的密度

深呼吸之前：985 kg/m^3

深呼吸之后：945 kg/m^3

人体的平均密度比水要稍微小一点，这也是绝大多数人能浮在水面上的原因。道理其实很简单，因为水本身就是人体的重要组成部分。在深呼吸过后，肺里吸入大量空气，人体的密度会略小。

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人体的密度约是土星密度的1.4倍。

6　水的密度

（见下方具体数值）

鉴于某个物体的密度常被用于判断该物体能否漂浮在水面上，把水的密度作为标杆自然是非常重要的。水中如果含有其他物质，比如氯化钠，或者说盐，会对水的密度产生影响。由于世界上存在的绝大部分水都是盐水，因此盐水的密度数值也很重要。

纯水1 000 kg/m^3

盐水1 025 kg/m^3

死海海水1 240 kg/m^3

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水的密度只比人体的密度高了10%。

7　地球的密度

5 513 kg/m^3

当我们计算一个由多种物质构成的物体的密度时，其中的各种物质都要考虑到。地球表面的水和地球内核的铁心密度差异很大，在计算时要考虑到各自占的比例。因此，地球的密度是一个“加权平均密度”。

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地球的整体密度大概是水的密度的5倍。

8　奥运会“金”牌的密度

6 700 kg/m^3

奥运会金牌大概是全世界最大名鼎鼎的奖牌了，奥斯卡金像奖的“小金人”大概可以排在第二位，但事实上它们都不是由纯金打造而成的，因为成本实在太高了。当然奥运会金牌中镀金量至少为6克纯金，其余部分一般是银等材质。

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奥运会金牌的密度大约比地球的整体密度大20%。

9　重金属

（见下方具体数值）

原子的密度不仅取决于其原子核中质子和中子的数量，而且也取决于它们的排列方式。在地球上，锇是自然形成的元素中密度最大的元素。然而，它是如此脆弱，所以在纯净的状态下没有太多的应用。

铅：11 300 kg/m^3

固态金：19 320 kg/m^3

铂：21 460 kg/m^3

铱：22 560 kg/m^3

锇：22 590 kg/m^3

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元素周期表中最致密的那些元素的密度大约是奥运会金牌密度的3倍。

地球上的人口密度是多少？

我们通常把人口密度定义为单位面积的人口数量。这里“高度”这个维度可以不用考虑了，因为人们一般都生活在同一个地球表面上，换句话说，人口密度考虑的可不是单位体积内的原子、分子数，而是在某个区域居住了多少人。

要计算地球上的人口密度，那么只需要考虑陆地上的人口就行了，因为现在定居在海上的人可不多见。再把南极洲排除掉，那里的常驻人员只有50人左右。2016年，地球的总人口大约为73亿，这么算下来，地球上的人口密度大概是57个人每平方千米。了解了平均水平，我们再看看地球上人口密度最大的地方是什么水平吧。

美国纽约的曼哈顿：25 846人每平方千米；

摩纳哥：25 411人每平方千米；

新加坡：8 138人每平方千米。

10　原子核内部的密度

2.3×10^17 kg/m^3

位于原子中心的原子核是中子和质子所在的地方。这里的密度是原子的平均密度的至少10万亿倍。

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原子核的密度是最致密的原子的10万亿倍。

转速

公式

转速=转数/时间

单位

转每分钟（r/min）

转每秒（r/s）

旋转似乎总是令人愉悦的：骑旋转木马，花样滑冰运动员在冰面上的精彩表现，或者肆意地旋转你青春洋溢的身躯直到头晕目眩，然后满心欢喜地躺在地上。

旋转描述的是物体绕着某个轴转动的现象。物体的转动快慢可以用角速度或转速来描述：所谓转速，就是指在一定时间内物体完成绕轴转动一圈的次数。

对于听着黑胶唱片长大的老一代人来说（年轻人也应该去发掘一下黑胶唱片的魅力），转速想必不是一个陌生的概念。一百多年来，唱片都是以播放时的转速而非自身的尺寸来分类的。最早的唱片都是以78转每分钟的转速播放的，后来又改成33转每分钟和45转每分钟。

角速度

角速度可以用来判断物体绕轴旋转一圈所需要的时间，但是它却不能衡量物体边缘的运动速度。为了确定物体转动时的平动速度，还需要把角速度乘以物体的尺寸。

举例来说吧，我们可以比较地球的自转速度和吊扇的转速。地球绕轴自转一周需要24小时，它的转速是0.000 69转每分钟（0.000 011 5转每秒）。而一个大号的吊扇即使在低转速模式下也可能有30转每分钟的转速（0.5转每秒）。看起来似乎风扇转得比地球还快，但这种说法并不严谨，因为没有考虑吊扇扇叶尖端和地球表面平动速度的差异。

试想一下，吊扇外缘的一根棉线和海边的一个游客，怎么确定谁的运动速度更快呢？这时我们需要引入线速度的概念，线速度等于角速度乘以转动物体的半径，而角速度等于2π乘以转速。

我们把二者的角速度和各自的半径（取吊扇半径为0.5米，地球半径是6 370千米）相乘：

2π×0.5 r/s×50 cm×0.01=1.57 m/s

2π×0.000 011 5 r/s×6 370 km×1 000=460 m/s

结果显而易见，吊扇外缘的棉线的线速度只有1.57米每秒，而地球上的海边游客的线速度却有460米每秒。

所以要确定旋转物体的运动速度，只看转速是片面的，还需要考虑物体的半径。

黑胶唱片的话题就先告一段落。转每分钟这个单位与频率的单位存在关联，表示的数值是后者的60倍。因为频率的单位赫兹是单位时间内（通常为每秒）完成周期性变化次数（单位可表示为转每秒）的计量，而绕轴转动可看作具有周期性变化的运动。［这个单位是以海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）的名字命名的，赫兹在19世纪证明了电磁波的存在。］从洗碗机里面的滚筒，到地球一天24小时的自转，它们的转速都可以用转每秒来度量，而此时转速的数值与频率值相等。

1　地球的转速

0.000 011 5 r/s

地球绕自己的自转轴每24小时旋转一周，催生了地球表面的昼夜交替，这个循环几乎永不停歇。地球绕着倾斜的轴线逆时针旋转。换算下来，地球的转速大概是0.000 69转每分钟，是黑胶唱片播放速度的近千分之一。

2　吊扇的转速

0.5 r/s

早在19世纪80年代，电动吊扇就是闷热房间的解暑利器。现在的吊扇在融入空气动力学设计后，可以更有效地驱动气流。短扇叶的风扇一般会转得更快，但大型吊扇的转速一般都是30转每分钟。

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一般的吊扇转速是地球自转速度的近40 000倍。

3　花样滑冰运动员的旋转速度

5 r/s

奥运会级别的冰上舞者可以做很多令人瞠目结舌的动作，但对于门外汉而言，最唬人的动作莫过于那些令人目眩的旋转了。专业测试表明，花样滑冰运动员的转速可以达到300转每分钟。

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花样滑冰运动员的转速是吊扇的10倍。

4　F1方程式赛车的发动机

250 r/s

老司机应该都知道，在车速表旁边会有一个写着“RPM”的表盘，那是转速表。转速表显示的是发动机中曲轴的旋转速度。F1方程式赛车作为汽车工业的巅峰之作，其发动机的曲轴转速可以达到250转每秒，甚至可以更高。

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F1方程式赛车的曲轴转速是花样滑冰运动员的50倍。

5　分子马达

270 r/s

细菌作为一种简单的单细胞微生物，对人体健康有利也有弊。细菌用一种液态或者胶状的材料构建类似螺旋桨的结构，并依靠螺旋桨结构的旋转驱动自己的躯体。科学家对大肠杆菌的分子马达进行了转速测量，发现这些袖珍马达的转速达到了16 200转每分钟。

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大肠杆菌那些螺旋桨一样的微观马达比F1赛车曲轴的转速还要快10%。

6　毫秒脉冲星

717 r/s

毫秒脉冲星的名号源于它们超快的自转速度，完成一次旋转只需要1毫秒多的时间。脉冲星在惊天动地的爆炸过程中诞生，自诞生之时起，这惊人的转速就伴随着它们。只是转速快也就罢了，更让人惊讶的是这些死去星体的直径可能有美国的曼哈顿那么大。天文学家发现的自转速度最快的脉冲星的转速可以达到43 000转每分钟。

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毫秒脉冲星的自转速度是大肠杆菌的将近3倍。

7　牙医的钻头

6 600 r/s

哦，它到底是“必要之恶”还是纯粹的刑具啊！牙医用的电钻看起来只是治疗我们口腔疾病的重要工具，但它更是一颗机械工业的明珠。它的转速可以达到400 000转每分钟。

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牙医用的电钻的转速约是毫秒脉冲星的9倍。

8　微观球体

1×10^8 r/s

在真空环境下，研究者们能用激光把这些微观小陀螺抽打到60亿转每分钟。这是目前人造物体能达到的最高转速，这可能是你家洗碗机里滚筒转速的近50万倍。

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在实验室中，借助激光，科学家可以让微观球体以牙医用电钻15 000多倍的转速自转。

第三部分　现象和过程

一些力、功率和作用量

能量

单位

卡[路里]（cal）

英热单位（Btu）

千瓦时（kW·h）

焦[耳]*（J）

*法定计量单位。

我们似乎常把“能量”这一词汇用在运动场上挥汗如雨的青少年身上，比如“小伙子能量充沛啊”；或者在月底看到电费账单时感慨，“这个月用了这么多啊”。从我们在日常生活中的直观感受来讲，能量可以让我们在房间漫步、烧一壶开水、打开电视。事实上，能量存在的方式多种多样，在科学上有很多种分类。

下面举几个例子。

动能：与运动相关的能量；

势能：与空间位置相关的能量，最典型的势能就是重力势能；

热量：源于原子与分子的微观运动的能量（也被称为热能），本质上是微观层面的动能；

电能：源于带电粒子运动的能量；

磁能：由磁场产生的能量；

光：光是一类特殊的电磁波，和电能与磁能在本质上是相通的；

化学能：由化学键的形成及断裂产生的能量；

核能：与原子核变化相关的能量；

静能：物质的静止质量按质能关系对应的能量。

有了这些花样繁多的能量，我们才能做功。功的正式定义是作用在物体上的力与物体沿作用力方向运动的空间距离的乘积。

功=力×作用距离

虽然种类繁多，但各种能量有一些特性是共通的。比如说，能量可以被储存、运输和转化。能量的这些特性在我们的日常生活中随处都有体现，电池就是一个十分常见的例子。一个更直观的例子是台球，在台球碰撞的过程中，一个台球的动能传递到另一个台球上。

能量也可以从一种形式转化为另一种形式，这种转化无时无刻不在进行中，当我们吸动鼻子，嗅着苹果的芳香，咬下一口吞入腹中，苹果果肉里的糖分和碳水化合物蕴含的化学能会在我们腹中转化为热能，或者驱动肌肉收缩的机械能，如此种种。

所有这些转化过程都遵循一个牢不可破的法则：能量守恒定律。这一定律告诉我们，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只是从一种形式转变为另一种形式罢了。烟花爆竹中的化学能并不会随着那些噼里啪啦的火花倏然消逝，而是转化为光、热或者其他形式的能量而存在。

尽管能量的存在形式各不相同，但是在相同的单位下它们完全可以计量、对比。说到能量的单位，我们脑海中最先浮现出来的恐怕是卡[路里]（食物的热量单位）和千瓦时（用电量的单位）吧，但国际上最为广泛接受的能量单位其实是焦[耳]（J），在本书中，我们将以焦[耳]为基本单位，纵览各种奇妙现象的能量尺度和能量形式。

世界上最著名的公式

好吧，我们又一次搬出爱因斯坦的理论来讲解基本概念了，毕竟，爱因斯坦在狭义相对论中提出的质能方程大概是世界上最著名的方程了——E=mc^2。

从公式来看，方程等号左侧的能量E等于物质的质量m乘以真空中的光速c的二次方，它的物理意义是：质量，或者说物质和能量是成正比的。更直白地说，物质可以转化为能量，而能量也可以转化为物质。

质能转换最著名的例子莫过于核裂变了，这也正是核武器和核能的实现基础。核裂变过程中释放出的巨大能量来自于原子核内部无比强力的相互作用，破坏这种相互作用极其困难，而随之迸发出的能量也是无与伦比的。

1　X射线对应的光子能量

1×10-17～1×10-15 J

光是能量的一种形式，且同时具有波和粒子的性质。正如能量本身，光也可以分为很多种形式：无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线和伽马射线等。X射线对应的光子能量相当大，仅次于伽马射线，并且能量覆盖范围很广。

2　大型正负电子对撞机的初始能量

1.5×10-8 J

1985年的一天，伴随着挖掘机的轰鸣，瑞士与法国交界处的汝拉山下，一条周长27千米的隧道正式开工。这条隧道是用来放置加速器的，它能把粒子加速到非常高的速度并撞击到原子上。1989年，一台大型正负电子对撞机正式建成，第一束加速粒子的初始能量约为1.5×10-8焦耳。在11年后，这台对撞机停止运行，并于原址上建造了大型强子对撞机。

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大型正负电子对撞机产生的高能粒子能量是最大X射线光子能量的15 000 000倍。

3　速度为110千米每小时的棒球具有的能量

70 J

当棒球被以110千米每小时的速度扔出后，它就具有了数值可观的动能。所谓动能，就是物体运动的能量，它和物体的质量及速度有关。因此，物体的质量越大，或者速度越快，其具备的动能也就越大。换句话说，铅球运动员扔出速度相同的铅球，其动能会比棒球大出许多。

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速度为110千米每小时的棒球具有的动能约是大型正负电子对撞机初始能量的50亿倍。

4　5号电池所蕴含的能量

1×10^3 J

在19世纪初叶，意大利物理学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）开创性地用浸了盐水的布料把锌片和银裹在一起，也因此举被后世认为是“电池之父”。如今，电池在各类电子设备上司空见惯。我们就以最常见的5号电池为例吧。

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5号电池中蕴含的能量是速度为110千米每小时的棒球动能的14倍。

5　100瓦的白炽灯每小时照明所消耗的能量

3.6×10^5 J

其实，瓦[特]这个单位就是对每秒转换或者使用的能量（以焦为单位）的计量。借助这个单位，我们就可以衡量在一定时间内一个灯泡消耗的能量有多少了。一般而言，传统的白炽灯是一种较为低效的发光体，消耗的能量只有很少一部分转化为可见光，大部分能量都作为热能耗散了。一个100瓦的灯泡每小时要消耗大概3.6×105焦的能量。

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100瓦的白炽灯每小时消耗的能量抵得上400节5号电池储存的总能量了！

6　快餐食品所包含的热量

3.5×10^6 J

每份快餐食品含有的热量平均下来大概是836大卡。1大卡可以换算成1 000卡，也就是4 187焦，后两种单位在科学领域更为常见。快餐食品中蕴含着巨量的化学能，在大快朵颐后如果不及时消耗肯定会变成脂肪堆积起来。

比较！

一份快餐食品蕴含的能量足够白炽灯亮10小时。

7　一桶原油所能提供的能量

6.1×10^9 J

原油加工之后得到的汽油和其他燃油，长久以来一直是人们的重要能量来源。原油的来源是死去的有机生命体，这些有机生命体在地底经历长达数百万年的高温高压后，其化学能以化石燃料的形式储存了下来，并在燃烧过程中得以释放。

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一桶原油所蕴含的化学能是快餐食品的1 000多倍。

8　陨石撞击地球的能量

8×10^15 J

在大约5万年前，一块直径50米的大号陨石掉落在如今美国亚利桑那州的北部。这块大石头将巨量的动能倾泻在大地上，留下了一个深达168米、面积足有14个足球场那么大的陨石坑。

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陨石撞击所释放出的能量相当于上百万桶原油完全燃烧所产生的能量。

9　一场飓风消耗的能量

5×10^19 J

我们可以把飓风视为一种特殊的巨大热机，温暖的海水散发出潮湿的暖空气源源不断地为飓风提供能量，并把这些能量以水凝结成雨滴的方式释放出来。飓风在一天内释放的能量十分惊人。

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飓风中水凝结释放的能量是亚利桑那州陨石撞击产生能量的6 000多倍。

10　太阳每小时辐射出来的能量

1.4×10^30 J

太阳是离我们最近的恒星，即使隔着1.5亿千米的太空，太阳施与地球的能量也足以让这颗蓝色星球上的所有生灵生存繁衍。如果我们有朝一日学会了如何控制太阳，那在太阳的有生之年—长达50亿年的时间里，我们就掌握了近乎无尽的能源。

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太阳每小时辐射的能量相当于300亿场飓风的总能量。

暗能量

20世纪末，物理学大厦上空又出现了一朵“乌云”：暗能量，这一重大发现着实令人振奋。暗能量是一种假想的能量，它遍布于宇宙的每一个角落，并对宇宙施加负压力，使其以不断增长的速度膨胀。

暗能量的发现始于一次人类对超新星的亮度监测。众所周知，超新星爆发时会释放出巨量的光信号，在天文学研究中，天文学家常把它作为宇宙中的地标。1998年，两个天文学家团队宣布了他们对超新星的观测结果：宇宙的膨胀速度大大快于之前人们的预期，这就意味着宇宙中存在一种完全未知的能量在加速拉扯宇宙。天文学家把这种神秘的能量称作“暗能量”。即使在20年后的今天，暗能量仍然笼罩在神秘的面纱下。

11　伽马射线暴所释放出的能量

5×10^43 J

伽马射线暴也许是宇宙中最为炫目的爆炸了，它是光和能量在极短时间内喷薄而出的大爆发，这里的光绝大多数是以伽马射线的形式辐射出来的，伽马射线暴也正是因此得名。目前天文学家仍不确定伽马射线暴的起因究竟是什么，有一些实验证据表明，伽马射线暴可能是黑洞诞生之时所留下的痕迹。

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一次伽马射线暴释放的能量足够太阳辐射40多亿年。

压强

公式

压强=作用力/受力面积

单位

托（Torr，常用于血压检测）

标准大气压（atm，常用于大气检测）

帕[斯卡]（Pa；或牛顿每平方米，N/m^2）*

*法定计量单位。牛[顿]这一单位的定义参见本书引言部分。

我们经常形象地用“高压”来形容工作和生活中紧迫与急切的情境。在科学领域，压强则有着非常明确的定义：压强指的是在特定面积的区域上施加的力的大小（压力或拉力）。

我们可以对压强的定义做进一步的解读：同样的作用力，作用的区域大小不同，压强也就不同，作用区域面积越大，相应的压强就会越小。

我们可以设想一下，用手掌按在墙壁上的时候，无论我们多么用力，也很难在墙面上摁出点痕迹，但如果换成用手掌在墙壁上摁图钉呢？是不是就会轻而易举地将图钉嵌入墙壁？假设我们对二者（即墙壁和图钉）施加的是同样的压力，可以看到接触点的面积对其压强的影响十分显著。

压强绝非仅仅存在于固体中，气体同样也存在压强。大气压强就是一个我们耳熟能详的例子，顾名思义，物体表面所受的大气压强来源于上方的地球大气的重力压迫。这也是为什么当我们爬到很高的海拔时，受到的气压会大大降低。液体中当然也是存在压强的，这一点相信经历过深水潜水的人都深有体会。你潜得越深，压在你身上的水越多，你承受的压强也就越大。

当我们攀高时会发生什么？

压强对物质在不同物态之间的转变影响很大，比如气体和液体之间的转变。压强越大，将物质从一种物态转变成为另一种物态所需要的温度也就越高。最典型的例子莫过于烧开水了，把水加热到某个特定温度，液态水就会沸腾，最终转变为水蒸气。在海平面上，水沸腾的温度是100摄氏度，但在更高的地方，例如美国科罗拉多州的丹佛，在这座海拔1 500米的高原城市里，水的沸点降到了95摄氏度。而在海拔高达8 000多米的珠穆朗玛峰上，烧一杯开水只需把它加热到71.6摄氏度。

既然都谈到珠穆朗玛峰了，咱们不妨来聊聊当我们攀登高山时都会发生什么吧。前面提到过，随着海拔的增加，气压不断降低，而空气中的氧气所占的比例又是恒定的，这就导致了在高原地带，我们每次呼吸所摄入的氧分子大大减少。在像喜马拉雅山脉这种海拔极高的地区，登山客时刻都面临着缺氧的危险，而氧气的匮乏可能会造成非常严重的后果。

压强的数值范围也许是所有物理量中最大的——从真空空间到恒星遗迹，它们的压强值跨越了60个数量级。虽然诸多科研人员不断地尝试在实验室中制造出能媲美中子星核心的极端高压，但这项工作至今尚未完成。

1　星系团中的气压

7×10-13 Pa

星系是由恒星、行星、宇宙尘埃等物质构成的庞然巨物，它同时也是更大的天文结构—星系团的一部分。成百上千个星系在引力的拖曳下形成星系团，同时形成的还有巨量的高温气体，这些气体极其稀薄，弥散在浩渺的星系之间。

2　近地轨道上的气压

1×10-8 Pa

国际空间站的轨道距离地球表面大约400千米。这里空气非常稀薄，气压很小，宇航员在进行舱外活动时必须穿上增压宇航服，否则，人体内部的气压和外界气压的差异足以使宇航员的身体出现浮肿、灼痛及休克等危险状况，体内的器官也有受损的风险。

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即使在近地轨道上，这里的气压也是位于星系间隙的热气体的10 000多倍。

3　4级风的压强

20 Pa

地球大气在不同区域的气压会有差异，这种差异会使气体从高压区向低压区流动，进而产生风。当这些流动的空气吹拂到物体上，就会对其施加压力，一般而言，4级的和风就足以让落叶起舞、旗帜飘扬。

比较！

地球上徐徐和风的压强，对于近地轨道而言，却是强了20亿倍的狂风。

4　人体血压

1×10^4 Pa

正如其他液体一样，血液中也存在压强，血压是反映人体健康状况的一个重要指标。一般认为80～120托［1托为1毫米汞柱（mmHg）产生的压强］是成年人的正常血压范围。为了直观起见，我们把正常血压的上限称为收缩压，下限则称为舒张压。

比较！

人体的平均血压是4级风压强的500倍。

5　徒手劈砖时手承受的压强

9×10^7 Pa

借助适当的训练和技巧，人类可以做到很多令人难以置信的事情。一些武术家在击打砖块时手上承受的压强高得可怕。

比较！

“我打！”武术家徒手劈砖时手承受的压强是人体血压的9 000倍。

6　形成钻石需要的压强

6×10^9 Pa

形成钻石需要什么样的条件？非常苛刻。从碳转变成钻石，需要非常高的压强和温度，这种环境在自然界一般只存在于深度160千米的地下。这种极端的环境使碳原子结晶最终形成钻石。那钻石是怎么跑到地表上的？那就得感谢勤劳的搬运工—火山了，钻石在火山爆发过程中伴随着岩浆一起来到地表。

比较！

武术家们的手上功夫还得是现在的约70倍才能徒手造钻石。

7　金刚钻承受的压强

1×10^12 Pa

为了研究材料在高压下的特性，科研人员和工程师想方设法地把实验设施能提供的压强推向极限。最新型的特殊纳米结构钻头可以产生媲美土星中心的超高压强。

比较！

实验室能实现的超高压强是钻石的形成压强的160多倍。

8　中子星

1×10^34 Pa

即使在浩渺宇宙的万千星辰中，中子星也是极为特别的一类星体。正如我们之前提到过的，中子星就像是太阳燃烧殆尽后留下的余烬结成的一块致密的星际怪胎。这类星体有着比肩太阳的质量，而其半径可能只有一座城市那么大，超高的密度使得中子星内部的压强高得令人难以置信。

比较！

中子星内部的压强是如今人类能实现的最高压强的一百万亿亿倍，即在前者的数字后面加上22个0。

声音

音频单位

赫[兹]*（声波每秒的周期性变化次数）

*法定计量单位。

声音源于振动。我们之所以能说话，就是因为声带会按照大脑的指示颤动。同样，鼓发出的声音源于上面紧绷的蒙皮在敲击的作用下来回振荡。这种振荡波在空气中传播，被我们耳朵里的鼓膜捕捉到，并最终转变为电信号，而我们的大脑则把这种电信号识别为声音。

声音和光都是以波的形式传播的，但和光不同的是，声音的传播无法脱离各类介质。此外，声波是一种纵波，这就意味着它的振动方向和传播方向平行，而光则是一种横波，其振动方向垂直于传播方向。

这种区别乍一听有点玄乎，但至关重要。为了更好地理解声音的本质，我们可以借助物理学中的一大利器：软弹簧。设想有两个人分别拿着软弹簧的两端，当他们拿着软弹簧的手上下摆动时，软弹簧也会随之上下翻动，这时候软弹簧的运动就是一种横波。

现在假设他们把软弹簧放在桌上，每个人手执软弹簧的一端，其中一人慢慢地把软弹簧推向对面的同伴。这时软弹簧的一部分会缩紧，然后向较松垮的部分压缩，这时软弹簧所有的运动都和最初的推动力在同一条直线上。这就是所谓的纵波，声音正是以这种方式传播的。

既然我们知道了声音是如何传播的，那我们不妨想一想怎么描述声音的性质。声波的重复性应当是可以直接测量出来的，假如有人能直接观测到声波的振荡（当然这是不现实的），那他就可以通过记录经过他身边的波峰数来判断一定时间内声波的振荡重复了多少次（也即周期数）。特定时间内的声波振荡重复次数就是音频，其单位赫[兹]（Hz）以德国物理学家海因里希·赫兹的名字命名。音频的高低决定了音高，也就是决定了声音能否被人听见。在给定时间内经过特定点的波峰越多，音频越高，我们的耳朵和大脑感受到的音高也就越高。

一般来说，人耳能听到的音频范围为20～20 000赫，这个范围从直观上理解就是声波的振荡在给定点位置重复一次只需要0.05～0.000 05秒。乍一看这个范围已经很广了，但事实上，自然界已知的许多声音远在这个范围之外。就连动物的听觉范围都比这个要大得多。大象的耳朵能听到频率非常低的声音，它们跺一跺脚，就能和相隔很远的同伴交流。而犬类则能听到频率非常高的声音，譬如狗哨的响声。

而动物能感受到的声音对于自然界宽广的声音频谱而言，也只是冰山一角。许多自然现象，如天气变化、地震甚至黑洞，会产生极低频率的声音；高频声音在自然界也并不罕见，并且在医疗上应用广泛。对于这些特殊的声音，我们把频率高于人类听觉范围的声音称为超声，而低于这个范围的声音则叫作次声。

音量

声音的另一个重要参数是强度，在生活中，我们习惯称之为响度或者音量。

那么我们该如何界定声音是洪亮还是轻柔呢？还是得从声音的波动性质出发。音频和声波在单位时间内重复了多少次有关，而音量则和声波振动的振幅相关。

音量最常用的度量单位是分贝（dB）。分贝实际上是另一个声音单位贝（bel）的1/10，贝是为了纪念亚历山大·贝尔（Alexander Graham Bell）而采用的单位，不过贝在生活中并不常用。说回分贝，它是一个对数单位，这意味着1分贝的改变对应着音量以指数速度随之改变。关于对数刻度坐标的性质更具体的介绍，参见本书引言部分。我们之所以采用对数单位来表示音量，就是因为人耳能听到的音量范围实在太广了：从气若游丝的呢喃细语，到穿云裂石的震耳轰鸣，这些音量相差万亿倍的声音我们都能听到。

树叶簌簌摇摆的细微声响可能是人类听觉的最低极限了，对应的音量大概是0分贝。

我们日常生活中的窃窃私语一般是20分贝左右，当然这种窃窃私语可不是戏剧表演时那种全场都能听见的“私语”。

我们的日常对话的音量大概在60分贝。

假如你住在繁华地带，平日困扰你的交通噪声大概在70分贝。好在这个数值低于85分贝，因而不会对听力造成损伤。

我们日常生活中用到的耳塞和头戴式耳机的最大播放音量一般不会高于100分贝。任何人一旦每天待在100分贝以上的声音环境中的时间超过15分钟，那他距离永久性失聪也就不远了，人类听觉系统的神经无法承受这种伤害。

所以在摇滚音乐会上有人戴着耳罩或者耳塞其实并不奇怪，演出时的音量高达120分贝，这雷霆万钧般的巨响实在令人难以承受。

但这还不是最可怕的，飞机发动机的震耳轰鸣和枪械开火的近距离爆音能达到140分贝以上。

1　英仙座黑洞的细语

3.3×10-15 Hz

NASA的钱德拉X射线天文台的探测结果显示，在距离地球2.5亿光年的英仙座星系团中心的超大质量黑洞外存在声波。黑洞低吟的音高用音符来表示的话大概比降B调和中央C低了57个八度，它的频率是人类能听见的最低频声音的千万亿分之一，这也是目前宇宙中已知的最低沉的音符。

2　太阳表层的吟唱

0.003 Hz

太阳表面存在着一种压力波，它传播到最外层日冕根部后返回太阳表面，并就此循环往复，从而产生低频声波。遗憾的是，我们无缘欣赏太阳的歌声，因为太阳和地球之间没有传声介质，而即使有传声介质，如此低频率的声音人耳也感觉不到。

比较！

太阳歌声的频率是英仙座黑洞低语频率的9 000多亿倍。

3　大象能听到的最低频声音的频率

16 Hz

大象能听到16～12 000赫的声音，能听到16赫这么低频的声音归功于它们宽阔的耳朵以及硕大的脑袋。借助优秀的次声波听觉，大象们能在远距离保持联络。生物学家的调查资料显示，大象能在10千米外分辨出亲友的呼唤。

比较！

大象能听到的最低频声音的频率也是太阳表面声音的5 000倍。

4　人类听觉的极限

20～20 000 Hz

总体而言，人类的听觉范围为20～20 000赫，20赫也是管风琴最低的脚踏板对应的声音频率。但人类的听觉范围受年龄和一些物理因素的影响很大。随着年龄的增长，我们能听见的最高频率会下降到12 000～14 000赫；一些调皮的孩子会把手机铃声的频率设在20 000赫左右，这样他们的父母和师长就很难察觉到手机的声响了。

比较！

人类能听到的最低频声音的频率是大象的1.3倍。

歌剧演唱家和高脚杯

声音能震碎玻璃杯吗？怎么做到的？只要音频达到玻璃杯的共振频率。任何物体都有其固有频率（每秒振动的次数），在这个频率上，物体的振动幅度最大。用叉子轻轻敲打一下玻璃杯，发出的响声对应的频率就是杯子的共振频率。如果你给玻璃杯的振动足够强烈，杯子就会碎裂。我们经常能看到歌剧演唱家用歌喉震碎高脚杯的喜剧场景，这实际上完全有可能实现。弯曲中空的构造使得高脚杯比窗玻璃要易碎得多。如果歌唱家唱出的音调刚好在高脚杯的共振频率上，以他们的洪亮歌喉，质量不好的杯子还真可能当场碎裂。

5　钢琴的最高音符

4 186 Hz

学过钢琴的人都知道，标准的88键钢琴能弹出来的最高音符是C8—比女高音的高音C还要高上整整两个八度。也有人能唱出C8的音高，但非常罕见。精确控制声带每秒振动高达4 000次以上对歌唱家的肌肉控制要求极高。

比较！

钢琴的最高音符约是人类能听见的最低声音频率的200倍。

6　狗哨的频率

23 000～54 000 Hz

19世纪，弗朗西斯·高尔顿（Francis Galton）爵士进行了一些和超声波（高于人类听觉范围的声音）有关的实验，他对哨笛进行了改造，把音高提高到人类听不见的地步。有传言说，高尔顿爵士把他的哨笛带到动物园做测试，把狮群弄得坐立不安。体形越小的犬类和猫科动物对于狗哨的反应越大，猫对狗哨的反应最大。

比较！

狗哨的频率是钢琴最高音的大约10倍。

7　医用超声波

高达1.8×10^7 Hz

借助远高于人类听觉范围的超声波，专家们可以无损地重构出人体的内部构造。人体内不同的组织对超声波的反射效果不同，把这些反射的回声收集起来绘制成图像，就可以对病情进行诊断。

比较！

医用超声波的频率是狗哨最高频率的300多倍。

第四部分　计算

计算是指进行计数的过程，它有着一千多年的历史。从中国和古罗马的算盘，以及世界上第一个“程序媛”、19世纪的阿达·勒芙蕾斯（Ada Lovelace）和数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）的著作来看，人们一直在借用工具来解决某些（通常是数学的）问题。

现代计算对于许多人来说，开始于20世纪80年代初期个人计算机的普及，当时个人计算机的成本开始大幅下降，处于全球数百万家庭经济可承受的范围之内。

20世纪80年代和90年代的个人计算机比我们今天使用的计算机、平板电脑和智能手机要大得多，而且它们的功能也不那么强大。典型的20世纪90年代的台式计算机有一个硬盘，一次只能存储400兆字节（MB）的数据。当时的计算机用户将信息保存在软盘上，通过诸如Netscape 1.0或Mosaic（媒介采用电话线拨号）的原始浏览器访问初期的因特网，并且只有少数网页可以浏览。

20年后，第一代苹果手表拥有80亿字节或者说8吉字节（GB）的存储空间，并且拥有极速远程访问云盘中丰富数据的能力，这些都是手腕上的小机器所具有的。

英特尔公司的联合创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）可能不会对计算技术的发展速度感到惊讶。早在20世纪60年代中期，摩尔就注意到，技术的某些方面［特别是当今电子产品（从计算机到玩具，从冰箱再到闹钟）中普遍存在的集成电路或微芯片］自发明以来每18个月密度或容量会翻一番。他推测这一增长将不断持续下去。这即为现在人们所熟知的摩尔定律，它预测机器的处理速度每两年翻一番，而且没有减缓的迹象。

运算性能：速度

一种表征计算机运算性能的方法是计算它可以执行操作的速度。近几十年来，人们对计算机的容量和运算性能的需求都急剧增长。以下是我们通过对超级计算机市场、商业和个人计算机市场以及目前的运算性能的考察，预测不久将会出现飞跃的一些例子。在测量计算速度时，不同的操作或过程被差异化处理，这里我们用图示粗略地比较每秒指令的运算性能。

20世纪40年代：考虑基本的机电计算，例如加法、减法、乘法和除法，用IBM计算机（每分钟200个机器周期）达到百级（10^2），同一时间里，用一台超级计算机则可达到千级（10^3）。

20世纪70年代：采用英特尔微芯片的个人计算机可进行千级（10^3）计算和算术操作，兆级（10^6）用于商业计算，吉级（10^9）则用于超级计算。

20世纪90年代：太级（10^12）超级计算和吉级（10^9）商业计算。尤其特殊的是，我们迎来了个人计算机的吉计算时代。

21世纪10年代：拍级（10^15）计算。在这种水平上，可以实时模拟人类脑容量，达到36.8×1015水平的计算能力。

21世纪10年代末至20年代初：需要艾级（1018）计算。每秒一百亿亿次计算可以做什么？例如，研究人类大脑的科学家在构建模拟的人脑神经时或许会用到。

21世纪30年代：泽级（10^21）计算将会实现。在此水平上，研究人员相信有望实现精准地预测未来两周的天气。

日常计算机术语

我们每天都会接触到一些计算机术语，例如“兆字节”“云计算”，等等，但是它们究竟是什么意思呢？

bit（位）：“二进制数字”的英文简称，位是计算机中最小的数据单位，数据可以是0，也可以是1。

byte（字节）：一个8位（0和1）组，通常作为数据单元。

cloud storage（云存储）：数据和程序不存在于你的硬盘驱动器或本地网络，而是位于远程服务器上，可通过互联网存储和访问。

megabyte（兆字节）：前缀mega指的是“百万”，所以它通常指的是1 000 000字节数据，更准确地说，它指的是1 048 576字节，即2^20，这是二进制计算机体系结构中的对应数字。

RAM（随机存储器）：在停电或机械故障的情况下存储内容会丢失的临时存储器（换句话说，它的功能是“保存”）。

supercomputer（超级计算机）：任何可能以最高操作速度或接近最高操作速度执行工作的计算机，这可以包括多台机器同步的情况，以实现该能力。

计算能力：存储

计算机已经存储的和还能够存储的数据量是巨大的。数据存储的问题使我们接触到以前可能从未使用过的数量级。兆（百万，或者10^6）字节或者吉（十亿，或者10^9）字节的数据存储已成为过去时——我们现在处于太（万亿，或者10^12）字节的范畴内，并且很快就会超过拍（10^15）字节和艾（10^18）字节。我们用如此之多的信息能做些什么？一起来看看吧。

一旦我们移动了大约10吉字节的数据，我们就正在快速接近“大数据”的境界。大数据被定义为至少满足“3个V”的数据：数量（volume）、种类（variety）和速度（velocity），也即多少数据量，多少种类的数据，以及多快的处理速度。在今天大数据被用于许多领域，从医学到粒子物理学，从营销学到社会学。

遗传工程学

人类DNA测序领域的发展预计将在未来几年显著加快，甚至可能超过摩尔定律，每7个月翻一番，而不是每18个月翻一番，到2025年将朝10^18甚至10^21的数量级发展。然而，如果基因组医学治疗手段可以彻底改变医学，从而帮助治疗诸如癌症或糖尿病等疾病，那么地球上70多亿人中的大部分将需要自己的基因组图谱。这意味着数据规模会很快变得难以管理。

1　社交媒体

在今天，推特（Twitter）已被用作研究全球发展趋势—从社交媒体的使用时间到幸福/悲伤指数—的工具。当然，这些数据来自一个非常庞大的分布式网络，仅在2016年就有超过3亿活跃的月度用户。Twitter用户每天产生超过5亿篇推文，每篇大约3 000字节。到2025年，这个数字可能会增长到每天大约12亿篇，仅一个社交媒体服务每年就使用大约1.36拍字节。

2　在线视频

拥有大量视频文件（包括很多高清或超高清格式）的YouTube使用了100拍~1艾字节的存储空间。据预测，到2025年，YouTube的视频/数据存储每年将需要1艾~2艾字节的额外存储空间。

3　流行病

通过对手机使用情况和航空旅行人员的匿名汇总数据进行研究，传染病研究人员可以更好地追踪和了解由封锁地区迅速蔓延的流行病的爆发情况，如H1 N1、埃博拉病毒。大数据包括全球人口普查数据、人口统计和移民健康数据，还包括气候、天气、家畜和其他信息数据。仅美国疾病控制和预防中心（CDC）就存储了几艾字节的数据。

4　天气预报

目前，有数十个运行着的地球观测卫星和研究系统，为我们美丽的蔚蓝色星球记录气候和天气信息。仅韩国的气象管理部门就已经建立了大约10拍字节的信息系统。NASA的气候模拟中心（NCCS）存储了32拍字节以上的气候观测和模拟数据。跟踪和分析这些数据有助于我们增加对地球天气和气候变化体系的了解。

5　天文学

当伽利略第一次仰望天空时，他唯一的“存储”装置就是铅笔和纸（或者鹅毛笔和羊皮纸），用以描绘他所观察到的木星和其他天体的卫星。“快进”4个世纪，天文学家得到了来自空间望远镜和地面阵列观测台的准确数据。下面是有史以来一些最大型实验—研究宇宙本身—的大数据源。

当前的使命

GALEX

星系演化探测器（Galaxy Evolution Explorer），服役时间为2003年至2013年，在紫外线下研究整个天空：收集了数以亿计的星系数据，约30太字节。

WISE

广域红外巡天探测者（Wide-field I nfraredSurvey Explorer），服役时间为2009年至2011年，研究了小行星、冷星和发光星系等天体：共收集了428太字节或4 560万幅图像。

ALMA

阿塔卡马大型毫米波／亚毫米波阵列（Atacama Large Milimeter/Submilimeter Array），由66座天线组成，从2011年开始观测诸如第一批恒星和太阳风的起源：每秒可采集吉字节级的数据；两天内可产生20太字节的原始图像，相当于每天产生两个以上的美国国会图书馆的数据量。

即将到来的使命

JWST

哈勃空间望远镜的继任者詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）是一台红外望远镜，在其10年的任务期间将累计产生661.1太字节的数据量。

SKA

平方千米阵（the Square Kilometer Array）是一台通过国际合作建成的、最大的多射电望远镜，将包括数千座在地球上相距甚远的小型天线：可存储约4.6艾字节的数据量。SKA在短短一天内所收集的数据如果在iPod上播放将需要大约200万年的时间。

参考资料

图书

Powers of Ten-A Flipbook，Charles and Ray Eames，W.H.Freeman，1998.

The Feynman Lectures on Physics，Richard P.Feynman，Addision Wesley，1977.

以下机构或课程的网站

美国国家标准与技术研究院（NIST）

提供关于大小、尺度和标准的信息。

物理课程physicsclassroom

提供物理课程和互动。

可汗学院khanacademy

提供关于物理和模型的教育视频，以及各种尺度下物理概念（原子碰撞、电荷等）的介绍。

尼康小世界nikonsmallworld

展示了很棒的显微镜图像。

彩插

彩图1

彩图2

彩图3

彩图4

彩图5

彩图6

彩图7

科学新经典文丛

Mapping the Heavens:The Radical Scientific Ideas That Reveal the Cosmos

宇宙新图景　揭示宇宙奥秘的变革式理念

[印]普里亚姆瓦达·那塔拉印（Priyamvada Natarajan）/著

涂泓　冯承天/译

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

宇宙新图景：揭示宇宙奥秘的变革式理念/（印）普里亚姆瓦达·那塔拉印（Priyamvada Natarajan)著；涂泓，冯承天译.--北京：人民邮电出版社，2017.10

（科学新经典文从）

ISBN　978-7-115-46490-3

Ⅰ.①宇…　Ⅱ.①普…②涂…③冯…　Ⅲ.①宇宙学　Ⅳ.①P159

中国版本图书馆CIP数据核字（2017）第190761号

◆著　[印]普里亚姆瓦达·那塔拉印（Priyamvada Natarajan）

译　涂泓　冯承天

责任编辑　刘朋

责任印制　陈犇

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

大厂聚鑫印刷有限责任公司印刷

◆开本：880×1230　1/32　　彩插：2

印张：8.875　　2017年10月第1版

字数：190千字　　2017年10月河北第1次印刷

著作权合同登记号　图字：01-2016-5101号

定价：45.00元

读者服务热线：(010)81055410　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

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封面

彩插

扉页

版权信息

版权声明

内容提要

其他

译者序

前言

第1章 早期宇宙分布图

第2章 不断增大的疆界：宇宙在膨胀

第3章 黑暗的中心：黑洞成真

第4章 隐形的网格：对付暗物质

第5章 变化中的尺度：正在加速的宇宙

第6章 下一条皱纹：宇宙微波背景辐射的发现

第7章 新的现实以及对于其他世界的探索

尾声

延伸阅读建议

致谢

版权声明

Mapping the Heavens:The Radical Scientific Ideas That Reveal the Cosmos

© 2016 by Priyamvada Natarajan.

Originally published by Yale University Press.

内容提要

千百年来，人们一直试图破解宇宙的奥秘以及理解我们身在其中的位置，一代代科学家和哲学家为此付出了巨大的努力和代价。尤其是在过去的数百年间，我们对于宇宙的认识发生了极为显著的变化，人类的目光逐渐超越了太阳系、银河系，直至宇宙的边缘。

在这本书中，耶鲁大学的宇宙学和物理学教授普里亚姆瓦达·那塔拉印带领我们追溯了人类探索宇宙的历程，生动地展示了宇宙膨胀、黑洞、暗物质、暗能量、宇宙微波背景辐射等变革式理念的产生、碰撞以及最终确立，并介绍了人类在探索地外生命方面所做的探索和努力。这些科学进程从根本上扭转了我们对世界的看法，因而改写了我们是谁、我们来自哪里以及我们要去向哪里这些问题所特有的含义。我们从中不仅可以了解到人类关于宇宙的最新认识，而且能够体会到科学的曲折发展历程。

其他

献给妈妈和爸爸。

译者序

凡是与本书作者那塔拉印接触过的人都会被她对于天文学的兴趣和热情所感染，也会对她在天文学方面所展示出的天赋留下深刻印象。无论是在暗物质、暗能量、黑洞、引力透镜等多方面的科学研究中还是在天文学普及活动中，她都全身心地投入，并且做到了得心应手、游刃有余。听那塔拉印谈论天文学，就会深深地感受到她在做的事情是她最热爱也是最擅长的。正因为如此，她的天文学知识不仅深厚、广博，而且融合了她自己的独特见解。有这样坚实的知识背景和深入的思考作为基础，本书可谓是厚积薄发，从科学、历史、技术、人文等多个层面描绘了天文学中的各种变革性理念，这些层面彼此交织而又清晰有序，这正是本书的独到之处。

在科学层面上，本书在不借助于任何一个公式的情况下，深入浅出地介绍了黑洞、暗物质、宇宙加速膨胀、宇宙微波背景辐射等一般大众只知其名而不知其实的天文学知识。这并不意味着作者对这些概念只做了名词解释性的介绍，而是凭靠着她深厚的专业知识，并借助于丰富的资料及比喻、图像等手段，精准地为我们抽丝剥茧，帮助我们自己去理解和发现。无论读者原来对于千丝万缕的宇宙和天文学知识有多少了解，通过阅读本书都会有新的收获。

在历史层面上，本书将天文学中的变革性理念渗透在天文学发展的进程中。一方面，黑洞、大爆炸等名词的来源背后所隐藏的历史故事使我们更容易理解这些物理过程的原理，也大大增强了本书的可读性。另一方面，我们以前可能零星地听到过天文学新理念如何遭到抗拒、提出这些新理念的天文学家们又如何遭到迫害的故事，但将两者如此系统地联系起来看时，我们再次对这些理念的变革性之彻底、得到接受的历程之艰辛感到震惊。

技术层面上的观测手段的进步是本书在阐述天文学理念的过程中的一条重要的辅线。天文学从来就是一门以观测为基础的科学，现代天文学更是越来越依赖于高精度的观测，尤其是在我们进入精确宇宙学时代的今天，可以说任何一点科学上的进步都建立在大量数据的基础之上，而这些数据背后是大口径天文望远镜、大型巡天项目、高精度测光等技术手段的日新月异，有些大型观测项目需要集数国之力才能完成。由此作者让我们看到了天文学不那么浪漫的、更加实际的方面，但这正是以前被人们所忽视而现在亟须引起重视的。

人文层面则是贯穿本书的背景，天文学可以说是所有自然科学中最具有人文色彩的一门。观乎天文以察时变，观乎人文以化成天下。在人类文化的哲学、政治、宗教、艺术中都能看到天文学的存在。17世纪就出现了以多元宇宙为主题的雕刻作品；《神曲》中的恒星系统与托勒密的假定如出一辙；莎士比亚和雪莱的剧本、诗歌里也频频提到恒星；甚至最早提出运动宇宙理念的，竟然是短篇小说的先锋人物埃德加·爱伦·坡。作为一位女天文学家，作者还特别关注了女性对天文学所做的贡献。此外，本书也毫不避讳因科学家的个人原因而对天文学进展所起过的负面作用，作者对这一憾事发出了自己的感慨。

本书是一本优秀的天文学科普读物，但又不仅限于此，其中有天文学知识、历史背景、现象背后隐藏的原因，以及发人深省的领悟。不同层次的读者都能从中有所得益，这使本书产生了独特的魅力，值得一读再读。

前言

在过去的数百年中，我们对于宇宙所描绘的分布图发生了极为显著的改变。1914年，我们自己所在的星系——银河系就构成了整个宇宙，它孤单、停滞而渺小。当时的宇宙学研究仍然从根本上依赖于在17世纪建立起来的经典引力概念。现代物理学，加上广义相对论所获得的成功，改变了人类对于空间和时间的整个理解。如今，我们将宇宙视为一个正在以某一加速度发生膨胀的动态场所，而宇宙的主要神秘构成成分——暗物质和暗能量是看不见的。而余下的部分，包括元素周期表中的所有元素，即构成恒星和我们的物质，仅占宇宙这个大库的4%。我们证实了存在着绕其他恒星做轨道运动的行星。我们对于是否存在其他的宇宙提出了质疑。这是非凡的科学进展。

宇宙学不仅转变了我们对于宇宙的概念，还改变了我们在其中的地位，它所引起的这些变化可能比任何其他学科都更为本质。为我们自己定位，并对自然现象做出解释，这种需要看似从原始时代就有了。各种不同文化中的古老创世神话都有着一些惊人的相似之处，并帮助人们去应对那些暴烈自然现象的无常变化。这些超自然的解释唤起了人们对于难以觉察到然而更为强大的现实的一种信念，此外它们还深深地仰仗我们对于自然界所贯注的好奇心。复杂的人类想象力使古代文明能够想象那些并不直接呈现，但依然感觉真实的实体。以苏美尔人[1]的水神恩基为例，他的狂怒解开了洪水的缰绳；又如印度教的雨雷之神因陀罗，他的弓就是横跨在天空中的彩虹，而闪电就是他的箭。最有影响力的那些神话迫使我们发挥巨大的想象力，同时却又帮助我们保持着自己的根源。

作为一个在印度长大的孩子，我也感受到在这个世界中为自己定位的欲望。我的第一位向导是《大英百科全书》（Encyclopaedia Britannica）。静置在父母书架上的那第15版32卷本对我而言，就代表着当时已知的一切知识。我像着了魔一般埋首于那些古老的地图（这些地图引导过探险航程）和天空分布图。恒星使我惊呆了。我个人的制图经历也让我第一次尝到了科学研究的滋味。我在一台Commodore 64计算机上编程，为一家全国性报纸写代码，每月制成一幅德里上空的的天空分布图。我对发现和探索这一理念的挚爱由此开始。在麻省理工学院[2]就读本科的那几年中，我学习了物理学、数学和哲学。接下去，我的好奇心又导致我在麻省理工学院研读研究生课程“科学技术与社会”，随后漂洋过海去了剑桥大学[3]攻读天体物理学博士学位。现在，作为一名活跃的科学家，我不断利用自己在科学史和科学哲学方面接受过的智力训练，来更深刻地反映科学发现的进程以及它如何塑造我们所创造的知识。

我作为一名理论天体物理学家的研究，就其核心而言，是去描绘暗物质以及理解黑洞的形成，而其背后的驱动力是对宇宙的好奇心以及对其一探究竟的求索，古人们对于这些很可能也都同样感受过了。我现在仍然忙于探索地图的意义，以及它们是如何帮助我们像锚一般锁定我们的位置的。这些是当我还是德里的一个小女孩时最初激起我兴趣的事情。我的研究利用来自遥远星系的光线所发生的弯曲（即引力透镜）来描绘导致发生这些光线偏折的、看不见的暗物质分布。我还研究宇宙中最奇异、最神秘的天体黑洞的形成和演化。目前，我正在参与有史以来最大、最具创新性的分布图绘制行动之一：“哈勃前沿视场计划”。这个项目的目标是要更加深入地窥视遥远的宇宙，并以前所未有的精度描绘暗物质的分布。2014年至2017年间，哈勃空间望远镜上运载的几台望远镜为这项计划的开展投入了很大一部分观测时间。这些独一无二的数据会提供更宏大的宇宙分布图，而我当然也就是为此贡献力量的众多研究者之一。许多新的、激动人心的发现即将出现。如同先于我们的一代代科学家一样，我们也许会发现自己面对着完全重新思考现状的挑战。

尽管讲述宇宙学各种发现史的书籍很多，但是本书的目标是要说明各种科学理念是如何经过研发、检验、争论，并最终得到接受的。你肯定不需要是一位天体物理学家才能听懂这个故事，而我按照时间顺序记载的这些例子虽然是宇宙学方面的，但其用意是要阐明科学研究及发现中那些宽泛得多的趋势。特别地，我追溯了不断重塑着我们的宇宙分布图的那些根本的科学发展理念。我发现这些理念从默默无闻到被接纳的过程深深令人着迷。在宇宙学中，分布图的绘制和重新绘制常常就反映了这一过程，留下了制图学上的印迹。我们对于宇宙的看法所发生的那些翻天覆地的转变，要求对我们在过去一个世纪中形成的那些知识构成图进行彻底检修。不过，接受新概念的过程并不是一帆风顺或者一蹴而就的，而是总在受到质疑。由于科学家们向那些对宇宙的主流理解提出了种种异议，我们的世界观和隐喻中的地图都无休止地发生着改变，因而要求我们予以适应并乐于变化。

这是一个关于那些非凡的想象力飞跃的故事，关于那些受到发现和数据的助燃而产生的变革式新理念的故事。一种理念得到接受的历程揭示出科学的许多其他方面——情绪的、心理的、个人的和社会的，这些维度的延伸超越了对于知识的纯智力求索。这种观点与一般流行的看法相反，后者认为科学是致力于从自然界获取确定真理的、完全客观的研究者们所开展的不偏不倚的探究。事实是，科学终究是一种人类的活动力，因此其中掺和着主观成分。

科学界中的争议和分歧是研究工作的一个不可或缺的组成部分，并且这些论战具有启发性的原因正是它们向我们（以高浮雕般的鲜明形式）明示了新理念如何经过奋斗才最终获得认可。为了这一目的，我会细查宇宙学家群体中产生争论的原因是什么，以及这些争论是如何解决的。这样的争论从来没有休止过，并且这种不断持续的交战是科学的无常本性所固有的。科学思维在训练期间经受磨砺而变得敏捷，而科学实践则每天都在测试这种敏捷性。这就为科学家们打了预防针，以免在强势的新数据和新证据要改变当前最好的理解时受到令人顿失方寸的冲击。我会明示宇宙学家们是如何应对这些频繁发生的转变的，以及如何通过创造性地驾驭好奇心和惊异感的力量重新组装他们的知识构成图。

正是这些新理念和新仪器的强强联合才改变了我们对于宇宙的认知。以摄谱仪的发明为例，这种仪器将光按其组成频率进行分离，从而允许我们对那些遥远恒星的化学成分进行远距离研究；高倍望远镜和高灵敏度照相机提供了不可思议的高分辨率图像；计算机能够储存和处理海量数据。所有这些触发了这一代新理念，并使科学家们能够检验它们的正确性。

在过去的几十年中，研究者们利用复杂精巧的卫星和探测器探测到了更遥远的空间和更古老的过去。我们已经描述了以电磁辐射形式存在的遗迹，这带领我们可望而不可及地靠近创世的瞬间——大爆炸。而在我们自己的后院里，我们也观察到了围绕着我们太阳系以外的那些邻近恒星沿轨道运行的1000多颗行星。

在壮丽的夜空中，我们曾由那些固定不动的恒星获得安慰，这些光点自远古以来就被断定按时此升彼落。1718年，第二位英国皇家天文学家埃德蒙•哈雷[4]发现这些恒星事实上发生了移动，并且它们的位置随着时间而改变。例如，天狼星、大角星和毕宿五这几颗恒星都远远偏离了古希腊天文学家喜帕恰斯[5]在大约两千年前记录下的位置。这些固定不动的恒星似乎都在游离了。

这种令人迷惘的发现在宇宙学中是很常见的，而对于正在膨胀及加速的宇宙，我们目前的理解也同样颠覆了我们原来静态平衡的意识。这一切都开始于1543年，当时尼古拉•哥白尼[6]将轴心从地球转移到了太阳，从而永远地改变了我们在今日所谓的太阳系中的位置，但这个太阳系在当时构成了整个宇宙。不再固定不动的恒星导致了一些更大的改变。20世纪20年代，天文学家埃德温•哈勃[7]先是发现了其他遥远的星系，从而证明银河系只不过是许多星系中的一员，随后又发现了宇宙正在膨胀的证据。他的这些发现使整个宇宙从此漂泊无依。如今，我们拥有数百万星系的图像和数据，其中许多星系距离如此之远，以至于我们所看到的光线是它们在宇宙初期发出的，那时的宇宙年龄只有10亿年，仅仅是今日宇宙年龄138亿年的一个零头。此类故事构成了一个更宏大的故事的一个组成部分：在过去的100年中，我们是如何在宇宙学中得出一些最令人瞩目的理念的，以及这些理念是如何受到青睐的。科学的人性面充斥着个人竞争、欲望野心的冲突和追名逐利，结果对于许多发现既起了阻碍作用也有推进作用。当我们面临巨变时，人类对于安全的渴望以及对于现状的保护就开始运作起来。这种停滞不前的本能影响着我们对于那些变革式新理念的反应，并阻碍我们去接受那些对于根深蒂固的世界观的修正。科学家们也不例外，他们常常拒绝改变，直到令人信服的证据出现时才能被说服。

宇宙受到诸如艾萨克•牛顿的引力概念这样的普适规律支配，如钟表装置般有规律，这种见解很快得到接受是由于这一图像强化了一个稳固的、定态的宇宙。牛顿的那些发现虽然十分新颖，却使我们的根扎得更牢，并提供了一种被固定的感觉。哥白尼的宇宙以太阳为中心这一革命性发现尽管在某些地区曾相当强烈地遭到过对抗，但最终还是得到了广泛的接受，这是因为它保留着我们的宇宙固定不变的概念，而仅仅是将焦点从我们自己重新安置到中心处的太阳。

20世纪和21世纪的颠覆性宇宙学大发现包括：膨胀的宇宙、暗物质、黑洞、大爆炸模型、加速宇宙和围绕着其他恒星的许多行星及行星系统。这些发现开启了一扇大门，通往一个永恒变化不定的宇宙，我们在那里既独一无二，同时于这幅宏大蓝图之中却又在许多方面显得无足轻重。

我追溯这些令人深感迷惘的理念从构想到被接受的过程，其中着重强调它们的意外突破和峰回路转，并历数它们对我们不断演化的世界观所造成的不可磨灭的、变革性的影响。从一个固定的、静态的宇宙到一个完全不固定的宇宙，这些革命性的转变要求对我们的宇宙观进行持续不断的全面检修和重塑。就其本质而言，宇宙学中取得的这些进展使我们从此信马由缰。这类重构式的科学发现无论是经过深思熟虑得来的还是偶然为之，结果常常会引致不适感，甚至对于发现者本人也是如此。科学家们如何逐渐接受新理念并改写他们的知识构成图？这不仅揭示了科学是如何运作的，还为是什么催化了这些信仰转变提供了一些洞见。将科学解释为一种从自然界获得永恒真理的客观方法，这种经过净化的叙述排除了驱动我们科学家的那些情绪和热情。最能表明这份职业内在无常性的是这样一个事实：科学进展间歇性地发生，将我们引至那些预料之外的、起初高深莫测的地方。我借鉴科学不断变化的实践过程来解密这种复杂的、令人振奋的过程。我们现在正处在大科学时代，这代表着人类智力资本和其他资源的巨大投入，由大型团队和许多技术娴熟的研究者共同行使职责。研究活动规模的改变转换了所有科学家的工作方式，其中也包括宇宙学家。

以斯隆数字化巡天协作项目为例，其目标是为全天的三分之一提供详细的三维分布图，此项目依靠一个由来自全球各地40多个研究机构的数百位科学家组成的团队。虽然宇宙学方面的研究协作项目规模不及参与者动辄上千的实验粒子物理学，但是天文学也已见证了剧变：仅仅30年前由两三个人进行小组合作研究的情况还不常见。随着宇宙学的成熟，由于日益精密的仪器和技术的推动作用，科学家们和研究工作都需要更多资源。研究模式及所配置仪器复杂性的巨大变革也引发出各种新的跨学科领域，例如位于天体物理学和粒子物理学分界线上的天体粒子物理学。这种规模和文化上的转变的意义在于，顶着一头蓬乱头发的孤寂男性科学家披荆斩棘独自探求，这样的比喻与以往任何时候相比都不再显著。如今这个大科学造就的大数据时代有潜力加速发现过程，并更加快速地驱逐那些已经确立的解释，与此同时也改变着科学家们可以提出和研究的那些问题的本质。

我们生活在一个理解科学如何运作的关键时期。我相信，如果对于科学家们如何开展研究及处理不确定性有一种更加精确的看法，就会对科学本身的性质提供更强的理解。研究显示，大部分公众的知识储备不良，没有能力应对科学研究而给出明智的意见，因为科学家们已变得越来越可疑。复杂的身份政治无理性地弥漫在信仰之中。人类心理学在接受改变方面起着重要的作用。我们对于变化的态度在深层次上是与我们的自我意识相联系的。在一个由科学技术的加速进展触发疯狂步伐而迅速变化的世界中，我们有一种自然的倾向，要坚持某种稳定感，要相信这样的稳定性会为我们的生活赋予含义。近期在公共领域中发生的许多讨论都排斥科学发现，将它们定名为“只是一种理论而已”，仿佛这是一种缺陷。然而，科学之美就在于，尽管一种理论总是暂定的，但它代表的是我们在任何时候所具有的最佳证据和解释。科学虽然容易发生修正，却是基于可复制证据的，这就使科学的解释具有高于其他一切可能解释的特权。

理解科学思想的力量及其暂定性质是我们这个时代所面临的挑战之一，在接下去的篇幅中，我会为天文学复杂而无常的一面提供一种宇宙学家的看法。这些故事强调的是杰出的科学家们自己如何经历反复挣扎才接受了那些变革式的新理念，以及他们最终是如何对它们深信不疑的。我希望本书会帮助你理解（或者再次夯实你的理解）：尽管科学作为一种人类的努力并不是完全客观的，但它仍然为衡量证据及理解自然界提供了最佳处方。科学也许是变化不定的、不完备的，但也在进行自我校正。科学是我们在这个奇妙的宇宙中航行并理解它的最佳手段。几个世纪以来，科学帮助我们描绘出我们与自然之间的关系，并且如同任何一幅好的地图那样，也为我们指明了前进的方向。

[1].苏美尔人是历史上两河流域（幼发拉底河和底格里斯河中下游）早期的定居民族，苏美尔文明是美索不达米亚文明中最早的文明体系，也是全世界最早产生的文明。——译注

[2].麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology,MIT）是位于美国马萨诸塞州剑桥市的一所私立研究型大学，成立于1861年。——译注

[3].剑桥大学是位于英国剑桥的一所研究型联邦制大学，是英国历史上第二悠久的大学，其前身是1209年成立的一个学者协会。——译注

[4].埃德蒙·哈雷（1656—1742），英国天文学家、地理学家、数学家、气象学家和地质物理学家，曾计算出哈雷彗星的公转轨道。——译注

[5].喜帕恰斯（约公元前190—前125），或译作依巴谷，古希腊天文学家。他编制了有1025颗恒星的星图，创立了星等的概念，并发现了岁差现象。——译注

[6].尼古拉·哥白尼（1473—1543），波兰数学家、天文学家，提出日心说模型。1543年他临终前发表的《天体运行论》（De revolutionibus orbium coelestium）被认为是现代天文学的起点。——译注

[7].埃德温·哈勃（1889—1953），美国天文学家。他证实了银河系外其他星系的存在，并发现了大多数星系都存在红移现象，创立了哈勃定律，这是宇宙膨胀的有力证据。——译注

第1章 早期宇宙分布图

起初，人类用于观测宇宙的唯一工具只有他们的眼睛。控制着他们如何做出解释的是神话而不是科学，并且他们将制约着行星和恒星的那些看不见的、神秘的、超人类的力量都归因于上帝的行为。当这些古人仰望天空时，他们寻求的不仅是实用性，还有可预测性；而且与我们现今的做法十分相似，他们也记录下他们所创造出的那些宇宙学。他们绘制宇宙分布图。

记录天空的最早图像之一是一片锤制而成的铜金板，其制作时间大约在公元前2000年到公元前1600年之间，这是青铜时代优涅提斯文化[1]的一部分。这片金属板是在德国东部的萨克森-安哈尔特地区发现的，它上面雕刻的似乎是太阳（或满月），另外还有一个月牙和一些恒星。在我们现代人看来，它也具有昴宿星团的特征。这是很有可能的，因为裸眼可以在夜空中清晰地看到这个引人注目的星团。这个金属盘也许是某种观测笔记，随着时间推移不断记录新的信息。有这样的一条增补信息：沿着边缘分布的两条金色圆弧看起来似乎标记的是夏至和冬至这两天的日落位置，由此列出了显示一年中最长的一天和最短的一天之间的太阳位置。另一条信息是圆盘底部的一条圆弧，从弧上呈放射状发出多条直线段。对这条弧存在着各种各样的解释：银河、彩虹或者携带着许多桨的太阳驳船（这是神话中运载太阳的工具）。对于当时如何使用这一物件，我们几乎一无所知。不过我们可以推测，使用它的那些人会以某种方式将地球上发生的事情与天空中发生的事情联系起来。

内布拉星象盘（公元前2000—前1600）是青铜时代优涅提斯文化的一件人工制品，1999年在德国的萨克森-安哈尔特地区发掘出土。（图片由遗产管理和考古学州办公室的尤拉伊·利普达克提供。）

我们还知道，大约900年后仰望天空的巴比伦[2]人是富有经验的天文学信息记录者。19世纪的英国考古学家奥斯丁·亨利·莱亚德[3]和他的那支探险队的目的在于发掘《圣经》中记载的那些美索不达米亚[4]的伟大城市。他们挖掘和发现了大量精心绘制成表格的天文学数据。他们的发现包括美索不达米亚人编制和按年代顺序记录下的更加古老的观测复件。莱亚德和他的团队在现今的伊拉克地区发掘出了数千块楔形文字泥板，其中隐现着一份记录金星观测数据的文档[5]。

金星泥板（公元前7世纪），被认为是一段更长的巴比伦占星术文本《当天神安努与恩里勒》（Enuma Anu Enlil）的组成部分。这一文本将各种现象与预兆联系在一起。（版权所有者：大英博物馆理事会。）

考古学家们认为，金星泥板制作于阿米萨杜卡国王在位期间，有数百份文件揭示出巴比伦人记录天文学数据的广度，而它只是其中之一。金星泥板上的楔形文字说明如下：巴比伦人能够分辨出闪烁的恒星和呈现为一个稳定亮点的行星这两者之间的区别。他们知道存在着5个这样的游荡不定的亮点，它们的运行是与恒星分离的。“planet”（行星）这个英语单词反映出了这种最早的描述，它源自希腊语“planētai”，意为“漫游者”。相对于其他恒星，有一个天体每晚自西向东运行。最奇怪的事情是，它每两年左右会完全逆行大约9天时间，然后又切换回到它向东的旅程。巴比伦人记录下这个天体及其怪异的逆行行为。我们现在明白金星的这种表观上的运动是这颗行星与我们所在的行星联合运动的结果：当地球和金星在它们各自围绕太阳的路径上相互经过时，金星看起来像是在天空中后退。巴比伦人寻求有序性，因此对这颗微红行星进行了详细观测和记录，其中包括它不同寻常的回朔。可以出现在天空中任何地方且只在消失在黑暗中之前短暂可见的彗星被视为厄运的前兆，预示着地球上将发生灾难。从他们详细记录在案的关于夜空中天体运动的记载可以明显看出，许多古代文明都注意到了星空有规律性，并力图预测星体未来的位置。成功地做到这一点很可能有助于他们去接受自然界。古人的这些分布图建立了天地之间的联系[6]。

如今，我们用天文学数据来支持或推翻天体物理学中的一些概念和模型，但是在古代，人们对于天空的理解与各种日常事件之间具有一种更为紧密的联系。记录下当时正在发生的天体事件是为预测未来事件服务的，不过古人并不是要寻求解释其中的模式，也不是要找出它们的起因。他们的目标是要记录下这些运动，并构建出能够在未来实现精确预测的叙述。这是天文学之根——观测。看见和记录下天体如何在天空中运行，最终孕育出一门科学，尽管对于这些天体运行的最初解释绝非科学。这种以记录夜空数据为中心的早期传统至关重要，它使全社会产生了一种本能——将我们在自己行星上的位置与我们在宇宙中的所在联系起来。

虽然巴比伦人没有能力去科学地理解这些游荡天体的运动，但是他们的观测数据具有实践目的和宗教目的，例如天空中的模式对于地面上的农业周期具有十分重要的意义。请考虑金星泥板上的这条观测记录：在第11个月的第15天，金星从天空中消失，并有连续3天时间不可见。随后在该月的第18天，它重新出现在东边的天空中。新的泉水开始流动，阿达徳神送来了雨水，埃阿神[7]也送来了他的洪水[8]。金星的逆行意味着地球上会出现倾盆大雨。在印度教神话中，掌管暴风雨的至高神明因陀罗有着各种不同的称谓：闪电之神、暴风雨采集神和雨水恩赐者。他永不停歇地忙着与来自地下的恶魔们战斗，并代表着善的各种力量去与邪恶较量。他是创世神[9]——一位工匠式或劳动者式的神明，人们相信塑造和维护着这个实体宇宙、独自负责这个物质世界的就是他，而不是造物主——造物主将天空向上推，并释放出黎明，因此就需要平静缓和地维持夜晚与白天的规律性。

由于当时数据本身不是用来揭示物理原因的，因此缺乏先进技术和理论的古人们就发明了占星术。例如，古印度的占星术传统将夜空划分成黄道十二宫，充满了用于解释其形状的、精心编造的神话故事。每颗行星都有一个主宰神和一种相关的气质。例如，火星具有武士气质，因此使它的属民（出生日期在出生星位图上对应它的那部分人）好斗、好争辩、喜爱武器，并赋予他们技术和机械方面的能力。

要等到古希腊人才转向一种根植于逻辑、数据和证据的世界观。他们粉墨登场时大行其道的起源故事是：世界停靠在一只海龟的背上，在这只海龟下方支撑它的是另一只海龟……这些海龟一路层叠下去。一直到公元前6世纪，这种想象（有时有一些微小的变动）一直是普遍流行的信仰。不过，与耶路撒冷和巴比伦之类的老牌古城和古国相比，正在兴起的希腊世界还是存在着某些变革式的、新颖的和有活力的东西。与那些古王国不同，它由数个政治上独立的城邦构成，这些城邦享有自治权，各自为政。这一正在迅速成长的文化以对问题和争论的开放态度为标志，重建了统治天空的万神殿。众神被重新塑造，更多的权力和力量从神转移到人。事实上，神性中甚至反映出人类的各种缺陷，从而缩小了神的完美与人的瑕疵之间的分裂。

在这样的背景下，公元前610年，在爱奥尼亚海岸的米利都城（在今日的土耳其），阿那克西曼德[10]出生了。人们认为他将地球视为一个飘浮在空中的圆柱体，周围环绕着天空，并没有任何生物高高举着它。他是公认的推断出地球自由悬浮在空中的第一人。这是世界观的一次深刻变化，是一次不可思议的飞跃，标志着他对于宇宙的全部看法。

尽管这一想法极具变革性，但是对于地球和天空之间的联系，阿那克西曼德如此革新的想法并不仅此而已，他自己获得这些理念所经历的智力过程也是如此有变革作用的。虽然人们将摒弃神话式解释的功劳归于他的老师泰勒斯[11]，但据说是阿那克西曼德启动了对我们的世界的重新思考，通过对看似已确立的和确凿无疑的东西提出质疑和挑战，点燃了对有考古基础的知识的求索之火。这种探究方式是任何形式的批判性思维（但同时也尤其对于我们目前的科学方法）的前提和起决定性作用的因素。阿那克西曼德试图用一种包罗万象的描述去解释自然界，并阐明人类和世界的起源，这种试图即使不是首创的，也是最富想象力的，而且是最早的。假如在历史上有那么一个时刻，我们可以将它挑选出来作为一个转折点，那就是这个时候——当泰勒斯和阿那克西曼德（他们二人都是米利都的居民）在明确地表述一种变革式新世界观的时候。阿那克西曼德并没有被动地接受现状。他探索知识，并意识到知识是在不断进化的。他的理解既不是绝对的，也不是静态的。它要求提出质疑、仔细研究和不断地予以重新系统表述[12]。

作为一切宇宙学关键的批判性思维，其根源之一就是对于怀疑的渴望，而这种渴望是由好奇心所驱动的。另一个根源是人类持续渴望知道和想描绘现在所称的分布图。我们不能低估天地之间的这种更讲究实际与实用性的联系的重要性，它是随着测地学（关于全球定位的科学）而发展起来的。有一种工具最终证明对于测地学是至关重要的，那就是中国人在公元前200年前后发明的磁性指南针。这些指南针的制作材料是天然磁石，这是在磁铁矿中找到的一种天然磁性材料。这些指南针与地球磁场取向一致。不过在当时，天然磁石仅用于诸如风水之类的目的，以求人们自身与周遭环境取得和谐。直到公元1040年，中国人才将指南针用于地面导航和军事目的。还要再过100年，它们的用途才延伸到航海中去。磁力的知识是如何从中国传播到西方的，这仍然是历史学家们之间争论的问题，不过有足够的证据表明，确实是中国人发明了指南针。因此，世界的其余部分就不得不等待指南针出现，而古代描绘分布图取得进展的主要推动力是不仅需要对地面进行描绘，而且必须对天空进行描绘。夜晚的恒星帮助古人们在海上航行，而我们的太阳则使他们得以测量地球的大小[13]。

绘制分布图的早期划时代事件之一，是公元前240年希腊天文学家埃拉托斯特尼[14]估测了地球的周长，他注意到在塞尼城（即现在埃及的阿斯旺）每年白昼最长的那天（夏至）正午时分没有任何影子投下。他也知道，在他的家乡、埃及北部尼罗河沿岸的亚历山大城，同一天太阳并不在头顶正上方，因此他通过计算亚历山大城一座高塔投下的影子所产生的角度，估测了其位置的差异。他利用几何学以及有关两城之间距离的知识，得出了地球的周长，而这个数字与现代的测量值（约4万千米）只相差16%[15]。

数学允许我们用一种变革式的新方法去思考宇宙——从神话转移到理性，转移到关于运动的一种物理的和几何的概念，从而允许我们用这种概念来描述各种规律性的特征。尼西亚城的喜帕恰斯被认为是最伟大的古代天文学家之一。许多人认为他发明了三角学，并制作出最早的描述太阳和月亮运动的有效模型。他很可能获取了巴比伦人关于日食及行星位置的记录。喜帕恰斯以他们和美索不达米亚人所做的工作为基础，收集了一份当时最新的恒星目录，并建立起据信是对于天文学数据最早的几何和数学定量描述。公元2世纪，希腊-埃及天文学家、数学家、制图师和占星家克劳狄乌斯·托勒密向理解天体运动又迈出了重要的一步。他继承了喜帕恰斯的那些具有300年历史的数据，并对希腊人的所有天文学表格和几何模型都进行了校勘，编著了一部综合性论著，即《天文学大成》（Almagest）。不过，他所做的工作不仅仅是汇编资料，还构造出了一个天空的新模型，这个模型与当时可得到的所有数据都相符[16]。

托勒密的世界地图（1478）复本。托勒密知道地球是一个球体，而且他的投影方法是从赤道开始测量纬度的，这种做法一直沿用至今。（图片由美国国会图书馆提供。）

托勒密的物理模型由层层嵌套的球体构成，并且他的那些综合全面的表格可用于计算行星未来的位置。他对每颗行星使用4组时间分散开的观测数据，以获得估算它们周期的最大优势。他所使用的最古老的那组观测数据是公元前700年的，很有可能来自喜帕恰斯对巴比伦人那些记录的汇编。考虑到当时人们到对行星位置的主要兴趣仍然是预测地球上的事件，因此描绘地球分布图同样吸引着托勒密也就不足为奇了。他的《天文学大全》除了记录下月亮的周期以外，也记录下了天空中行星的位置，而与之对应的《地理学指南》（Geographica）则描绘出地球上各城市及地标的位置。托勒密把两件事情联系在一起：正如他把天国排列成一个个封闭的球体那样，他也给地球上所有已知的地点在一张网格上分配了位置。由于行星和太阳都沿着黄道运行，因此托勒密采用黄道坐标系——一张中心位于地球上的、从天球之外来看的网格——来描绘星表。从此以后，地球和天空就都投影到同一个球的表面上，从而给出它们的坐标。托勒密以黄道为稳定参照来描绘天空，以从赤道开始度量的纬度来描绘地球。《天文学大成》具有预测天体位置的能力，这就使它具有了盛行于整个中世纪的权威性。

希腊人也曾设计出一些数学，用于研究圆弧（即圆的一部分）和圆心角。不过，数学的发展无疑得益于古希腊疆界之外的那些数学知识。印度人拓展了希腊时期的数学，其中特别是公元5世纪的数学家阿里亚哈塔[17]，人们认为他通过无穷级数描述了三角函数，从而使他能够建立起包括各角度正弦值和余弦值的大量表格。为了在一个天球仪上描绘天空，以及在一个地球仪上描绘地球，二维的欧几里得几何就需要拓展到弯曲表面上去。阿拉伯人和印度人在7世纪到11世纪研究出球面三角学。将几何学拓展到去描述球面上的三角形的边和角之间的关系，这对于天文学和测地学都是至关重要的。前者要描绘恒星在一个球体上的位置，而后者则是要理解地球的曲率对于航行的影响，因为此时地球上那些遥远的地点可以航行到达。

蓬勃发展的海上贸易航线使波斯和阿拉伯数学家们不断接触到印度数学家们的各种原理，他们将这些原理翻译过来并广泛传播到整个中世纪的伊斯兰世界。安达卢斯的数学家阿尔-贾亚尼[18]撰写了据信是关于球面三角学的第一部综合性专著《球面上的未知弧之书》（Kitab majhulat qisiyy al-kura）。托勒密有这样一条定理：依据地球上两地之间的维度之差以及它们之间的大圆距离来得出两地之间的经度之差。数学家拉伊汗·阿尔-比鲁尼[19]利用这一定理以及11世纪的商队路线得出了巴格达与其他各城市之间的经度差[20]。

天文学要求用理论的和数学的框架以及因果推理分析进行综合观测。虽然托勒密的模型可以描绘行星的运行，并绘制出巴比伦人所记录下的那些最明亮的恒星，然而他并不是在寻求我们所感兴趣的主题，即对导致行星运行的原因给出一种解释。

技术再次成为关键，并且它一直在取得进展。公元前200年发明的指南针，大约在1400年后出现在西方世界。在《物性论》（De naturis rerum）一书中，亚历山大·尼卡姆[21]提到了磁性指南针及其在导航中的应用。波斯人在大约40年后才提到它，这出现在1232年贝拉克·阿尔-齐布贾吉在开罗写成的《商人的财富之书》（Kitab kanz al-tujjar fi ma'rifat al-ahjar）[22]这本波斯故事书中。

数学和制图仪器逐步完善的这些具体实现，最终产生了一种变革性的新地图——按比例绘制的地图。波特兰海图[23]把由指南针获得的方向和由出海的水手们估测的距离结合了起来。在这些海图的刺激下，开启了所谓“发现的时代”，而这又是“天文学精确年代”的开端，其结果在远航的欧洲人之中导致了对于强权和掠夺的追求，同时也促进了各种各样的科学和仪器革新。正如波特兰海图的名称（它最终源自拉丁语“port”，意思是“港口”）所暗示的，这些地图所关注的焦点是它们描绘出的海岸线及路线的细节，图上画出了连接各已知港口城市的线条，从而能够计算出航程所需的时间及距离。现存最古老的波特兰海图是比萨地图，其日期可追溯至1296年。

尽管波特兰海图体现了对于更高科学精度的渴望，而天空分布图则不仅在当时变得更为精确，而且开始更鲜明、更令人信服地传达出对于各种宇宙现象的、不断变化着的解释。这种解释手段和力量的改变（这种改变反映了那些重要的观念转变）在天空分布图中表现得最为明显不过，例如出现在《爱的摘要》（Le breviari d'amor）一书中的那幅天空分布图。这一彩色稿本的作者被认为是法国贝济耶的马特福瑞·厄尔蒙高，其书出版于1375年至1400年间[24]。

比萨地图（1296）是现存最古老的航海图，覆盖的区域从现在的荷兰到摩洛哥。这张波特兰海图提供了对它所展示的各海岸和港口城市的详细纵览，并且是按比例缩小的。（图片由法国国家图书馆提供。）

贝济耶的马特福瑞·厄尔蒙高的《爱的摘要》（1375—1400）中的彩色地图。这幅图描述了亚里士多德-托勒密式的宇宙，在其中包含在月亮所在的球体之中的万事万物都是易变的和易腐的，而位于月亮轨道之外的一切天体现象都是纯粹的、不变的和完美的。永恒的天使们在这里转动曲柄，永不停歇地转动着月亮之下的球体。

这一描画结合了亚里士多德和托勒密的宇宙观。固定的、不变的、完美的恒星所构成的王国被清晰地划分在外围的边框中。所有不完美都被限制在地球所在的球体之中，其中散落着那些易变的元素——火、水、土和气。其余一切都被假定为纯粹的和完美的。请注意这一图像如何采纳了一种将神圣的动因与机械式理解相结合的描述：太阳和月亮日常运行的起因被表示为那些为地球的转动添加燃料而操劳不休的天使们。因此，我们在这里有一个秩序井然的托勒密式宇宙，然而这个宇宙确实由天使们提供动力，他们被描画成在转动一根曲柄，显然这一装置起着一种隐喻性的作用。这幅分布图揭示出神话或神圣成分的残存，它们与一种数学表述共存。天使们在这里占据有待辨明的空白，后来这片空白由艾萨克·牛顿的引力定律填补了。牛顿当然不仅将引力看作物质的一种属性，还将其视为一种神圣的表现形式。他相信神圣的力量是行星运动的驱动力。

随着理解的提高，宇宙的这些表现也相应地得到了更为周密的阐述。同样，宇宙观的变化也在制图学中得到了描述。在1375年出版的《卡塔兰地图集》中，可以找到对中世纪宇宙的一些精妙绝伦的演绎。这是中世纪描述地球和天空概念的最重大的地图汇编文献之一。人们认为这部地图集出自犹太天文学家和制图师亚伯拉罕·克莱斯克之手。地球在这幅图中被一些环和7个球包围着，前者代表着4种基本元素，而后者则表示当时已知行星的轨道。在此之外的是月亮、太阳和那些固定不动的恒星。这幅分布图标志着从天使时代到仪器时代的转变。我们不再求助于天使来为宇宙提供动力，而是我们有了科学仪器不断增长的影响力，其中尤其是星盘。在图的中央那位醒目的圣贤般的人物手中所持的就是一件星盘。

星盘作为一种测量位置的装置，据说是由古希腊人发明的，并且经常被认为出自托勒密之手，不过中世纪的伊斯兰世界对它进行了改善。中世纪的伊斯兰学者们用他们的三角学知识在这种仪器上引入了角度标尺。星盘被用于确定太阳、月亮和恒星的位置，以及给定纬度处的当地时间，时间的测量要利用许多主要城市的纬度表格，它们作为独立可拆分表盘包含在该装置中。在伊斯兰世界中，球形星盘也用于确定指向麦加的方向，并为虔诚的教徒们指示每天祈祷的时间。第一个用金属制成的西方星盘是10世纪在西班牙制造的，因此这种仪器出现在《卡特兰地图集》中也就不足为奇了。在克莱斯克的地图中，时间已经变成一种可以度量至永恒的数学概念。数学计算的能力处于首要和中心地位。在以前对于宇宙的那些描述中，代表着众神的须髯智者总是出现在画面之中，控制着场面。文艺复兴前夕，守护神和小天使们缺失了，取而代之的是表示四季的比喻式人物形象。

亚伯拉罕·克莱斯克的《卡特兰地图集》（1375）中的彩色宇宙分布图。这幅中世纪的描画显示，我们的行星被象征着四大元素（土、气、水和火）的环包围着，在它们之外是7个球面，描述的是各行星的轨道，随后是月亮、太阳、固定恒星所在的球面，以及黄道十二宫。克莱斯克在此处用一位手持星盘的圣人取代了上帝，很可能是反映了他对于宇宙的个人看法。（图片由法国国家图书馆提供。）

文艺复兴时期的天文学家尼古拉·哥白尼在1514年跨出了变革性的下一步，他在这一年撰写了一份约20页长的手稿。从某种意义上来说，这份手稿是即将到来的那些扣人心弦的事件的一次预演。这本后来定题为《短论》（Commentariolus）且只在他的朋友们之间传阅的著作颠覆了当时盛行的、托勒密的宇宙观。哥白尼提出了天体的一种重新排序方式，创建了一个新的参考系：置于其中心的是太阳，而不再是地球。

毫无疑问，对于以前所有关于天空的概念而言，哥白尼的系统都是一种大破坏——它不仅暗示着地球在绕太阳旋转，而且由于无论地球在其提议的轨道上如何运行，恒星的排列方式都保持固定不变（不出现所谓的视差[25]），因此恒星就在非常非常遥远的地方。天空的边界已经向外推进了。由于害怕遭到抵制，因此哥白尼对于是否要发表关于这一主题的完整专著《天体运行论》（De revolutionibus orbium coelestium）一开始就犹豫不决，直至1543年才将其出版。最后，有一位主教鼓励他出版此书，因此哥白尼将其题献给罗马教皇。仅仅70多年后的1616年，这部著作被列为禁书，直到经天主教裁判所“修正”后才解禁。当时公布了一张“修正”清单，其中包括对于将地球的运动表述为一个事实而不是一个假设的那些删节。篡改的目的是将日心说仅仅表述为一种描述行星运动的简便方法（一种参考系）而不是一个。正如我们在接下去的许多章节中将会看到的那样，在使那些变革性的理念比较合意的过程中，常常需要与此类似的种种遁词。

尼古拉·哥白尼的日心模型，摘自《天体运行论》。哥白尼大胆地将地球移出了托勒密的宇宙中心，代之以“Sol”——这张简单图示中的太阳。以这张图为基础，哥白尼用他优雅的笔法解释了自己的模型。（图片由美国国会图书馆提供。）

杰出的天文学史学家欧文·金格里奇查阅了哥白尼这本书几乎所有的现存复本，他推断出第一版很可能印刷了400～500册,1566年发行的第2版又增印了500册左右。金格里奇在他那部标题具有讽刺意味的《无人阅读的书》中叙述了他寻找这些副本的过程，并特别指出在意大利的复本有半数都被篡改过，而在欧洲大陆的其他地方被篡改的复本则为数极少[26]。

尽管位高权重的红衣主教贝拉明[27]最终将矛头指向了日心学说，对于这种经过改造的宇宙感到不安的并不是只有天主教徒。事实上，马丁·路德[28]也反对日心学说。当然，当时教会的教义坚持认为，固定在宇宙中心的是地球而不是太阳。哥白尼的宇宙分布图虽然解释了其他漫游的天体的一般运动，但对于火星或金星的古怪运行方式，却无法比当时占主导地位的那种模型能做出更为精确的预言。而且对于持否定态度的那些人而言，不出现视差（由于地球位置变化而应该造成的透视位移）可能不仅意味着恒星距离遥远，而且可能更简单地意味着地球根本不在移动。哥白尼对于宇宙的重新排布是想象力的出色一击，这肯定不是由数据驱动的。部分差错是由技术造成的，当时的观测数据如此不精确，以致那些粗枝大叶的预测都可以为人接受，并且自托勒密以来测量结果就没有得到过任何实际的改善[29]。一种新的宇宙观要求有更为精确的数据来支持它。顺便提一下，哥白尼一会儿被称为占星家，一会儿被称为天文学家，这在当时是司空见惯的，尽管他从来没有占过星象。

经验数据居首的新地位，标志着科学史以及宇宙学理念发展过程中的一次重要转折，并且为认识论设定了一种新标准。它还标志着在知识获得方面从幻想转向物质。天文学处于这场经验主义革命的最前线。观测者们能够进行随时间推移的重复观测，确定潜在的那些模式，并且这也为形成一个知识分子科学团体创造了条件。印刷机的发明使信息的迅速传播成为可能，并提供了交流想法的一种新手段，从而在从业者之间开启了对话。天文学家们撰写的书出版了，随后在其他活跃的天文学家之间流传[30]。

16～17世纪印刷的各种各样的分布图以及其他对于宇宙的描述为接下来产生的在相互竞争的天体模型之间展开的概念上的角逐提供了证据。16世纪的丹麦天文学家第谷·布拉赫[31]革命性地改变了这一领域。他拥有充足的资源来不断建造和完善天文学仪器，痴迷于提高观测的精度。第谷做事非常有条理，并且对于他而言，观测是最重要的。当行星处于有趣的几何构型（例如对立位置）时，他会进行一些特别的观测并有效地收集数据。第谷不断积累观测数据，用以支持或反驳那些旧的模型。他是最后一位用裸眼进行观测的伟大天文学家。他对彗星进行了详细的观测，而这引导他摧毁了当时广为流行的亚里士多德式观点：除月球轨道之外的一个完美的、固定不变的宇宙。即使在对旧的范式提出挑战时，他还是对哥白尼所提出的那种地球和太阳的位置互换的模型感到不安。第谷精心构造了一个替代系统，其中所有的行星（地球除外）都绕着太阳沿轨道运行，而太阳又拖动着它的所有行星转而绕着地球沿轨道运行。安德烈亚斯·塞拉里乌斯的《和谐大宇宙》[32]描画了这种观点。这样一种中庸的模型，是在一种变革性的理念对一些主导思想提出挑战时典型的逃避问题的做法。在通常情况下，导致最后转变的并不是单一的一件可归因事件或可辨认出的临界点，而是确凿的支持证据缓慢而稳定的积累，从而最终改变了人们的思想。

第谷·布拉赫的分布图更改了地心模型，摘自安德烈亚斯·塞拉里乌斯的《和谐大宇宙》（1708）。在这个模型中，除了地球以外的所有行星都绕着太阳沿轨道运行，而太阳则绕着地球沿轨道运行。（图片由密西根大学图书馆斯蒂芬·S.克拉克藏书室提供。）

哥白尼和第谷的模型以及他们各自对于宇宙的看法，继而导致他们各自的支持者们之间所发生的辩论，是许多艺术表现的主题。宇宙分布图反映出这些概念之间的冲突，它们成为了传播各种具有知识性见解的新理念及新仪器的场所。

例如，意大利天文学家及耶稣会神父乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利，在其专著《新天文学大成》中对第谷的模型进行了改动，掌管天文学的女神乌拉尼亚出现在此书的一幅卷首插图之中。在这幅插图中，她确实在认真掂量哥白尼的系统和经里乔利修改过的第谷模型，前者位于左侧，而后者位于右侧。里乔利这本书中的天平（当然）倾向于他自己的理论，其中的水星、金星和火星绕着太阳沿轨道运行，而绕着地球沿轨道运行的太阳则与木星和土星一样仍然位于它们的托勒密式地心轨道上。图中左边是百眼巨人阿尔戈斯，他手持一架望远镜，并指向由它引入视野的大量新天体。我们还看到圣贤般的托勒密降位成一名旁观者，他那遭到废弃的地心模型掉落在地。

除了这张分布图以外，神学归属和政治忠贞也影响着乌拉尼亚的权衡。除了没有找到视差的证据这一智力上的反对理由外，第谷的反哥白尼观点也具有政治上的好处：它与规定地球固定不动的天主教教义是协调的。这是按字面解读《圣经》而得出的，这种字面研读是为了应对新教的宗教改革运动提出的挑战而形成的一种新做法。在17世纪中，大量对哥白尼的图像感到不安的天文学家接受第谷的观点，但是第谷很快就遭遇了短兵相接的竞争对手——他的同僚和科学合作者约翰尼斯·开普勒[33]。

那颗红色的行星再一次扮演了显著的角色，不过关键的问题是地球轨道的布局和形状。开普勒利用第谷关于火星的全面数据来解决这个更大的问题。由于它是最靠近地球的行星，因此地球轨道的不确定位置所导致的不精确性在火星位置的计算中似乎是最为突出的。开普勒在1595年的《宇宙的奥秘》（Mysterium cosmographicum）一书中捍卫了日心模型，其中假定围绕在位于中心的太阳周围的那些行星可以用正多面体组合内切而成。他所提出的这种模型是一个类似于俄罗斯套娃的系统。他还制定了下一个重大的、最具变革性的转变-搜寻定律，即可以导出描述和解释天体运动的那些永久真理。开普勒努力发展天体物理学，他试图导出一种能为行星运动的起因提供一种解释和描述的物理理论。虽然他所获得的那种几何的、复杂的世界观看来似乎与他对纯数学的强烈爱好并不一致，不过想象这一复杂方案同样需要演绎能力，而这引导他去假定行星运动的三条定律。开普勒没能得出惯性的概念，而是求助于太阳的旋转，以此作为将太阳系高举在空中的持续不断的、动力学上的能量来源。他的三条定律预言：（1）太阳系统内部的行星轨道都是椭圆；（2）在太阳位于其焦点之一处的一条椭圆形行星轨道上，连接行星和太阳的线段在相等的时间间隔内扫过相等的面积；（3）一颗行星的轨道周期与其椭圆形轨道的大小之间存在着直接联系（更确切地说，就是周期的平方与半长轴的立方成正比）。这样一来，对于行星运动就有了一种解释（仍然缺乏物理原因），因而神授的定则仍然是这一方案中不可分割的一个组成部分。

乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利的《新天文学大成》卷首插图。掌管天文学的女神乌拉尼亚正在认真掂量哥白尼和里乔利的模型。里乔利模型中的水星、金星和火星绕着太阳沿轨道运行，太阳又绕着地球沿轨道运行，而木星及土星则仍然位于它们的托勒密式地心轨道上。（图片由美国国会图书馆提供。）

到此刻为止，地球相对于太阳的位置——因此也就是地球的轨道——还是不正确的。即使对于哥白尼，其轨道的偏心率也还相差两倍。来自第谷的更精确的数据对地球轨道进行了调校，并且对于开普勒推断各椭圆运动也是至关重要的。

在地球轨道的正确布局和开普勒三大定律的公式化陈述后，火星之谜的解答出现了。地球和金星绕着太阳沿轨道运行，它们的轨道与正圆只有非常轻微的、几乎察觉不到的偏离，而正圆形轨道是与托勒密的图像相符的。另一方面，火星轨道的偏心率则要高得多，无法用一个圆形轨道来与之相适应。

第一定律：行星的轨道是一个椭圆，太阳位于其两个焦点之一处。

第二定律：连接一颗行星和太阳的线段在相等时间间隔内扫出相等的面积。

第三定律：行星轨道周期的平方与其轨道椭圆半长轴的立方成正比。

开普勒利用第谷的大量观测数据，并寻求一种行星运动的物理解释，从而系统地提出了支配行星运动的三条定律。

开普勒是哥白尼学说的一位支持者，从来不接受第谷提出的杂交模型。然而即使是他对于行星为什么会运动也没有给出过真正的解释，最多只有托勒密的理念：有一个“原动力”驱策了这些天球。不过，开普勒是最早寻找其中按照我们现在用科学的术语所理解的因果关系的人。他执意要获得一种物理理论，并试图建立起天体物理学原理。除了太阳的旋转以外，他还考虑将磁力作为行星运动的潜在构造力量。按照经典的看法，甚至直到哥白尼的时候，还从未有人试图寻找一种物理原因去解释行星为什么按照它们的方式运行。尽管付出了这样开拓性的努力，但开普勒还是有所欠缺的，这是因为他不理解惯性的作用。这种原因被视为是哲学上的而不是天文学上的问题。当然，天文学是自然哲学的组成部分。许多方面的事实证明，正是由于天文学这门知识学科的催化作用，自然哲学才分裂而形成我们如今所谓的现代科学。

从地球上的有利地点来看，火星在绕太阳沿轨道运行时，看上去是周期性地在天空中发生逆行，结果后来却又恢复其向前的运动。哥白尼对天空的日心排布与开普勒的椭圆轨道相结合，最终才使我们能够对这种古怪的运动做出解释。

探究一种新理念的起源是一项挑战。正如在上文所描述的这些模型的演变过程中我们所看到的，分布图向我们明示了知识在某个特定时间点的状况，有力地标志着引入、传播、争论和质疑新理念的原动力。它们与观测、技术和理解紧密联合在一起。

古人们只能依靠他们的双眼，而现代天文学家们却拥有地面和空间望远镜去延伸他们的视野，并观察近邻的和遥远的宇宙。天体分布图带有这种转化的印记，描绘出人们对于天空的看法如何从想象的和荒诞的转变成有理有据的。虽然开普勒提供了一种有说服力的模型，但还需要一种科学仪器和一种新的理念，才能一劳永逸地解决行星运动的问题。望远镜是作为一种窥视镜于1608年在阿姆斯特丹投放市场的，在被重新设定用途后，望远镜将夜空中的那些遥远天体收入了视野。人们认为是伽利略·伽利雷[34]发明了天文望远镜，即对这种简单的小型望远镜进行了改进。他用天文望远镜发现了木星的几颗卫星、太阳黑子和金星的盈亏，并绘制了月球表面的地形图。伽利略还帮助推进了天体物理学的概念。接下去的关键的一大步就得等到英国物理学家艾萨克·牛顿来完成了，他在1687年出版了《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica），这本通常被简称为《原理》的书概述了万有引力定律。假如没有开普勒发现的那三条定律，这本专著将是不可想象的。牛顿做出了到当时为止最大胆的跃进，用一条关于引力的普适定律将地下的和天上的联系在一起。他去除了天空与地球之间的区别，并明示了相同的规则在天上地下都适用。我们现在称之为科学的方法论程式在17世纪初的这个时候开始浮现出来了。

世界观的这种变革性转换（以哥白尼为先驱，并得到了开普勒、伽利略和其他许多人的望远镜观测数据的支持）复兴了另一种远古的思索，即探究更大的宇宙的结构。这种发展引导我们复苏了这样一种兴趣：在我们的太阳系之外是否存在着别的什么世界？17世纪后期法国大师级雕刻家伯纳尔·皮卡尔的一幅版画揭示出他对于在整个宇宙之中可能存在着的多元世界的见解——除了我们的太阳以外的其他大量恒星，类似于我们的太阳系，也可能拥有它们自己的行星系统。由于太阳系的问题得到了解决，于是天文学家们就跨越出去，重新审视和绘制在更远处可能存在的东西。

法国雕刻家伯纳尔·皮卡尔于1673年描绘的多元世界。（图片由阿姆斯特丹国家博物馆提供。）

与现今的其他天文学家们一样，我也继承了对于绘制分布图这种古老传统的贯注。虽然我们可以用计算机代替星盘来建立模型，但我们仍然是宇宙的探索者。前沿不再是乘坐轻快的帆船去探索的世界边缘，而是通过人类最强大的望远镜看到的宇宙边缘。我们在这些日益精密的仪器的帮助下，一再绘制我们的宇宙分布图。我们看到这些新的前沿远远延伸到我们的想象之外，延伸到空间中最遥远的范围，追溯到创世的大爆炸时刻后不久、婴儿期的宇宙发出的嘘声。我们延续着从我们来到这个由道法支配并最终由科学方法支配的世界时就开始的那种传统。在接下去的篇幅里，我们会看到这种进步——新的观测数据和新的理论彼此竞争，并完善着那些在宇宙学研究中锻造出来的变革式概念。

[1].优涅提斯文化是中欧青铜时代初期的一支考古文化，位于现捷克共和国中部。——译注

[2].古巴比伦位于今天的伊拉克一带，是两河流域文明的重要组成部分，与中国、古埃及、古印度一并称为四大文明古国。——译注

[3].奥斯丁·亨利·莱亚德（1817—1894），英国考古学家、楔形文字专家、艺术史学者、绘图家、收藏家、作家及外交官。——译注

[4].美索不达米亚是古希腊人对两河流域的称谓，这两条河指的是幼发拉底河和底格里斯河，在两河之间的美索不达米亚平原上产生和发展起来的古文明称为两河文明或美索不达米亚文明。它大体位于现今的伊拉克，其存在时间从公元前4000年到公元前2世纪，是人类最早的文明之一。——译注

[5].关于莱亚德的这些发现的详细描写，可参见他在《尼尼微发现通俗演义》（A Popular Account of Discoveries at Nineveh,New York:Derby,1854）一书中的自述。顺带提一下，纽约大学的巴比伦藏品集中保存着4万块这样的楔形文字泥板。这是世界上第四大古代美索不达米亚楔形文字泥板藏品集。——原注

[6].肯尼斯·R.朗著，《剑桥太阳系指南》（The Cambridge Guide to the Solar System,Cambridge:London,2011），第410～421页。关于巴比伦天文学、占星术和宇宙学思索的更详细记述，可参见米尔顿·K.穆尼茨主编的《宇宙的理论：从巴比伦神话到现代科学》（Theories of the Universe:From Babylonian Myth to Modern Science,New York:Free Press,1965）一书第8～21页，以及陶克尔德·雅克布森撰写的《天地洪荒——“巴比伦起源”》（Enuma Elish——‘The Babylonian Genesis'）一文。天文学的历史丰富地记载下天空与地球之间所建立的联系，这些联系被描绘在分布图中。一些阐述更为详细的例子，可参见我的评论短文《来自外太空的启示》（Revelations from Outer Space）,《纽约书评》,2015年5月21日。——原注

[7].阿达德神和埃阿神是古代亚述王国、巴比伦王国宗教所崇拜的雨神和水神。——译注

[8].金星泥板的译文出现在尼古拉斯·坎皮恩的《巴比伦占星术》（Astrology in Babylonia）一文中，《非西方文化中的科学、技术和医学历史百科全书》（Encyclopaedia of the History of Science,Technology,and Medicine in Non-Western Cultures,Berlin:Springer Verlag,2002），第2版，第251页，赫莱茵·塞林主编。——原注

[9].创世神是柏拉图学派认为制造并安排物质世界的次要神。——译注

[10].阿那克西曼德（约公元前610—前545），古希腊唯物主义哲学家，属于希腊最早的哲学学派—米利都学派（亦称爱奥尼亚学派）。——译注

[11].泰勒斯（约公元前624—前546），古希腊思想家、科学家、哲学家，米利都学派的创建者。——译注

[12].卡洛·罗维利，《第一位科学家：阿那克西曼德和他的遗产》（The First Scientist:Anaximander and His Legacy,Yardley,PA:Westholme,2011），第57～60及104页。关于米利都人的其他信息，可参见F.M.康福德的《爱奥尼亚宇宙演化论的模式》（Pattern of Ionian Cosmogony），穆尼茨主编的《宇宙的理论》第21～31页及G.S.柯克、J.E.雷文、M.斯科菲尔德主编的《前苏格拉底哲学家们：一段关键历史及选文集萃》（The Presocratic Philosophers:A Critical History with a Selection of Texts,Cambridge:Cambridge University Press,1983）第2版第76～142页。——原注

[13].约翰·瓦达拉斯，《磁性罗盘的历史》（A History of the Magnetic Compass），美国电气及电子工程师学会会员报刊《学会》（Institute）,2013年11月8日。约翰·胡斯最近的《找到我们的路的失落的艺术》（The Lost Art of Finding Our Way,Cambridge,MA:Harvard University Press,2013）是一部关于航行的历史，其中讨论了各古代文明所使用的那些原初技术，以及现代的入门知识。——原注

[14].埃拉托斯特尼（公元前276—前194），希腊数学家、地理学家、历史学家、天文学家、诗人，主要贡献是设计出经纬度系统，并计算出地球的直径。——译注

[15].具体计算可参阅《数学奇观》第145页“5.6 埃拉托色尼如何测量地球”，上海科技教育出版社。——译注

[16].R.C.塔里亚费罗在《西方世界的伟大书籍》（Great Books of the Western World,Chicago:Encyclopaedia Britannica,1952）第16卷中为《天文学大成》提供了一个英译本。对于托勒密之前的古希腊宇宙学的回顾，可参见F.M.康福德的评注版译本《柏拉图的宇宙学：柏拉图的〈蒂迈欧篇〉》（Plato's Cosmology:The Timaeus of Plato,New York:Humanities Press,1937），以及W.K.C.格思里的《亚里士多德：论天空》（Aristotle:On the Heavens,Loeb Classic Library,Cambridge,MA:Havard University Press,1939）。——原注

[17].阿里亚哈塔（或译作阿耶波多，476—550），印度数学家、天文学家。他的《阿里亚哈塔历书》（Aryabhatiya）中提供了精确度达5位有效数字的圆周率近似值。此外，他还根据天文观测提出日心说，并发现日食和月食的成因。印度在1975年发射的第一颗人造卫星以他的名字命名。——译注

[18].阿尔-贾亚尼（989—1079），古代数学家，对欧几里得的《几何原本》做了重要注释，并撰写了已知的第一部球面三角学专著。——译注

[19].拉伊汗·阿尔-比鲁尼（973—1048），波斯数学家、天文学家、物理学家、医学家、历史学家。——译注

[20].关于中世纪伊斯兰科学的更详细描述，并重点讨论数学及其在天文学中的应用，可参见阿里·阿卜杜拉-阿尔-达法的《穆斯林对数学的贡献》（The Muslim Contribution to Mathematics,London:Croom,1977）。——原注

[21].亚历山大·尼卡姆（1157—1217），英国神学家、哲学家、教师、地理学家。——译注

[22].佩特拉·G.施米德尔，《关于磁性指南针的两份早期阿拉伯资料来源》（Two Early Arabic Sources on the Magnetic Compass）,《阿拉伯及伊斯兰研究杂志》（Journal of Arabic and Islamic Studies）,（1997—1998）:85。——原注

[23].波特兰海图是写实性地描绘港口和海岸线的航海图。意大利、西班牙、葡萄牙自13世纪开始制作这种航海图。——译注

[24].在《爱的摘要》（Le breviari d'amor）中所描述的以及本章随后讨论的那些宇宙观——也就是说出自《卡塔兰地图集》（Catalan Atlas）的，以及来自安德烈亚斯·塞拉里乌斯、乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利和伯纳德·皮卡尔的那些宇宙观——都包括在迈克尔·本森的那部图像综合概要《宇宙图学：通过时间描画空间》（Cosmigraphics:Picturing Space Through Time,New York:Abrams,2014）中，我在《来自外太空的启示》中对此书进行了评论。——原注

[25].视差是指从不同的两点看一个物体时，物体的视位置会发生移动，因此地球的运行会引起恒星视位置的变化。——译注

[26].欧文·金格里奇，《无人阅读的书》（The Book Nobody Read,New York:Pengium,2005），第146页。——原注

[27].罗伯特·贝拉明（1542—1621），意大利耶稣会信徒、天主教会红衣主教，罗马天主教会反宗教改革的重要人物，在1600年乔尔丹诺·布鲁诺（1548—1600）遭受火刑的事件中也起了重要作用。——译注

[28].马丁·路德（1483—1546），德国基督教神学家，16世纪欧洲宗教改革运动的主要发起人，基督教新教路德宗创始人。——译注

[29].事实上，人们认为首先为太阳系提出日心模型的是萨摩斯岛的阿里斯塔克斯（公元前310—前230）。虽然他提出这一模型的文本并没有存留下来，但是后来阿基米德（公元前287—前212）的一本书参考了阿里斯塔克斯的数学计算。——原注

[30].金格里奇，《无人阅读的书》，第170～185页。——原注

[31].第谷·布拉赫（1546—1601），丹麦天文学家。第谷所做的天文观测精度之高在当时遥遥领先，他还曾提出一种介于地心说和日心说之间的宇宙结构体系。——译注

[32].安德烈亚斯·塞拉里乌斯（约1596—1665），出生于德国的荷兰地图学家，他的《和谐大宇宙》（Harmonia Macrocosmica）是1660年在阿姆斯特丹出版的星图。——译注

[33].约翰尼斯·开普勒（1571—1630），德国天文学家、物理学家、数学家，他的行星运动三大定律是牛顿万有引力定律的基础。关于第谷与开普勒之间富有成效的科学合作，可参见基蒂·弗格森所写的《第谷和开普勒：不可能的伙伴关系永远改变了我们对天空的理解》（Tycho and Kepler:The Unlikely Partnership That Forever Changed Our Understanding of the Heavens,New York:Walker,2002）。——原注

[34].伽利略·伽利雷（1564—1642），意大利物理学家、数学家、天文学家、哲学家。他改进了望远镜，并阐明了惯性原理。——译注

第2章 不断增大的疆界：宇宙在膨胀

1848年2月的一个寒冷的早晨，埃德加·爱伦·坡[1]进行了一次题为《宇宙志》（On the Cosmography of the Universe）的演讲，地点是在纽约庄严的社会图书馆。到场的只有60人，而且他们都是带着十足的失望和困惑离开的。不过，这次演讲以及此前的研究都会成为《我发现了》（Eureka）的基础，坡在这首散文诗中展示了他个人对于宇宙起源的概念。有些人将《我发现了》解读为预言式的——期待新的科学发现，而其他人则认为它是浪漫主义的、极端个人的，或者甚至是蓄意讽刺的。坡在开篇部分中宣称：“我的意图是要谈论物理的、形而上学的和数学的——物质的和精神的宇宙：关于它的本质、它的起源、它的创生、它目前的状态以及它的命运。”接下去，他将宇宙描述为躁动不安、演化不息的。这与当时存在于科学界的那种静止宇宙观形成了鲜明的对比。由于缺乏证据，因此坡的诗试图通过暗示来令人信服。不过到了1848年，如果不展示经验证据的话，已经不可能说服任何人去相信一种新科学理念的正确性了。坡当然并没有进行过任何科学研究，但他却是正确的。

天文学家们花费了80多年的时间才对坡的断言给予了支持。1929年，埃德温·哈勃[2]利用当时最先进的、加利福尼亚州南部威尔逊山天文台的2540毫米望远镜发现了一种令人难以置信的关联：离我们越遥远的星系飞离我们的速度似乎越快。只有在宇宙确实在膨胀的情况下，他的观测结果才能说得通。《我发现了》得到了证实！这项发现导致我们对宇宙的概念发生了根本性的转变，这与尼古拉·哥白尼1543年的日心模型所造成的变革同样扣人心弦。膨胀宇宙的理念获得了支持，并标志着一幅全新的宇宙图像由此浮现。我们的宇宙分布图在20世纪焕然一新。

如果说这个故事是从哈勃开始的，那么阿尔伯特·爱因斯坦[3]就为我们的主角做了重要的陪衬。在哈勃这位天文学家忙于用他的观测结果来推动宇宙的同时，爱因斯坦这位著名的理论学家却执着于宇宙固定不动的理念。这场争斗并不存在于爱因斯坦与哈勃个人之间，甚至也不在理论与观测之间，而是在信仰与证据之间。又是2月的一天，这次是1931年，在威尔逊山天文台举行的一次研讨会上（选址很恰当，因为这正是哈勃获取他的数据的地方），爱因斯坦最终承认他原先是错误的。这一断言震惊了聚集在那个房间里的所有参会者，其中也包括哈勃。一位来自美国联合通讯社[4]的记者写道：“一阵惊叹扫过图书馆。”[5]这阵惊叹是科学发现在人类层面的象征。

不过既然我已经泄露了最妙的部分，让我们再从头开始讲述哈勃的故事吧。1906年5月6日，这位来自芝加哥惠顿高中的、英俊的16岁高三学生打破了伊利诺伊州跳高纪录。《芝加哥论坛报》[6]报道说年轻的哈勃越过了1.85米高的竿，这可能给事实加上了传奇的成分。根据阿兰·莱特曼[7]的叙述，据称在那一年的晚些时候，哈勃赢得了从撑竿跳、推铅球、掷铁饼甚至到链球的所有奖牌。当他赢得进入芝加哥大学的奖学金时，看起来他似乎正在顺利地走向一名专业运动员的生活。哈勃体型匀称，身高达1.88米，并且有着令人难以置信的雄心壮志。他不仅拥有魅力十足的体型，而且头脑敏捷，具有学术天赋。而根据他的姐姐露西的描述，他从小时候起就傲慢自大。尽管哈勃的能力很可能被夸大了，但他求知好学、阅读广泛。他在8岁那年收到外祖父威廉·詹姆斯送给他的一架望远镜时，就建立起了早期对天文学的兴趣。他第一次窥视到的天空似乎留下了不可磨灭的印象。在芝加哥大学完成辉煌的本科学业后，他赢得了罗德奖学金[8]，前往牛津大学深造。赢得罗德奖学金原本就是他的一个重要目标，而在英格兰的生活经历使他成为了终生亲英派。为了取悦父亲，哈勃在王后学院学习法学，放弃了他在英国期间继续进修天文学或数学的梦想。与他同一年获得罗德奖学金的其他同时代学者还有后来在第二次世界大战期间成为美国战争情报局局长的埃尔默·戴维斯（1890－1958）和数学家、电子学先驱拉尔夫·哈特利（1888－1970）。哈勃在牛津求学期间打扮入时，学会了一口爽朗的、上流阶层的英国口音，还养成了与他交往的那群贵族协调一致的各种娇柔做作的行为。他余生都小心翼翼地保持着这些作风，包括抽烟斗，甚至晚年在威尔逊山进行天文观测时也是如此[9]。

他于1913年回到美国与家人团聚，本应在肯塔基州的路易斯维尔开一个法律事务所，但事实证明他先前只不过是暂缓了他对于天空的梦想。虽然哈勃回信给他在英格兰的朋友们说他正在处理一些法律案件，但实际上他当时是在新奥尔巴尼高中教物理、数学和西班牙语，那是在与路易斯维尔隔着俄亥俄河相对的另一边[10]。他的父亲在那一年的早些时候去世了，因此他不得不回去帮助寡居的母亲和兄弟姐妹们。哈勃对此悲痛欲绝。不过，对于严父的沉重期望，他也有种如释重负的感觉。他从英格兰回来不到一年就辞去了工作，回到芝加哥大学，他在那里作为一名天文学专业的研究生注册入学。

在哈勃的发现之前，全世界每一部分的文明和神话都毫无保留地相信宇宙保持着稳定——而且不变。在那些延续几千年的创世神话中，各种文化通过求助于一个固定的天堂、静态的宇宙来努力抗争千变万化的自然现象——下雨、打雷、闪电、洪水和干旱。我们能看见夜空中不变的恒星，这无疑就支持了这种信仰。

在《论天》（On the Heavens）中，亚里士多德写道：“亘古至今，根据世代流传下来的记录，无论是最外层的天空还是其本身的任何组成部分，我们都没有发现一丝一毫的变化。”早在古典时期，天文学家和哲学家们（这两者之间的区别直到现代才出现）就将天体分成两类：第一类是固定的恒星，它们看起来在升起和落下，但是随着时间推移，它们维持着相对排布；第二类是“游荡的恒星”，包括行星、太阳和月亮[11]。

固定的恒星也是古代希腊和印度占星传统中强大象征的组成部分。占星术是由对天体的观测紧密推动着的，它从许多方面为天文学这一现代科学学科的发展铺平了道路。论述恒星和星座的最早文献之一是在名为《赫尔墨斯之书》（Liber Hermetis）的拉丁占星概略中找到的一份星表。这份星表年代久远，可追溯到公元前130年。无论如何，这似乎在日期上早于托勒密（约公元130年），但其中提到了许多托勒密后来在他的《天文学大成》中列举出的同样的恒星。除了《赫尔墨斯之书》中出现的那些以外，托勒密还列出了1020颗固定的新恒星，并且它们对希腊文化传统产生了重要的影响[12]。

永恒不变的天堂这个概念激发了许多诗人的灵感，因为它隐喻着瞬息万变的世界中的永久与恒常。存在着一个固定不变的领域，而无论它多么遥远、多么不可企及。这种理念为人类的灵魂提供了一种稳定的感觉。无论别的什么来来去去，恒星总是持久而安静的证人，它们见证着人类寿命的短暂戏码。描绘秩序的永恒舞台背景反复重申着一种天命般的宇宙神圣起源。固定不变不仅作为一种事实支配着人类的想象力，而且提供了一种方法来锚定人类的经历。在文学作品中，我们看到一些特别令人产生共鸣的例子。在14世纪但丁·阿利吉耶里[13]的寓言诗《神曲》（The Divine Comedy）中，描绘天堂的第八个同心球是固定的恒星所在的地方，正如托勒密所假定的一样。

威廉·莎士比亚（1561－1616）的在世时间与布鲁诺（1548－1600）、伽利略·伽利雷（1564－1642）、第谷·布拉赫（1546－1601）、约翰尼斯·开普勒（1571－1630）相合，他们全都是自然哲学家，或者我会时代错位地称他们为早期科学家。他们的发现对莎士比亚造成了极大的影响。伽利略对望远镜的改进从根本上向外拓展了人类的视野，从而转变了我们对于天球的认识。不过从世界观方面来看，托勒密在他的《天文学大成》中提出的地心理论仍然占据着统治地位。这是天文学时代的黎明，而莎士比亚也在他的作品中频繁用到天文学，他常常在他的剧本和十四行诗中唤起这些固定不变的恒星。在《十四行诗第21首》中，固定不变的恒星意味着爱的矢志不渝：

哦，让我既真心爱，就真心歌唱，

而且，相信我，我的爱可以媲美

任何母亲的儿子，虽然论明亮

比不上挂在天空的金色烛台[14]。

固定不变的恒星的象征意义在英国浪漫主义诗人中保持着流行的风头。珀西·比希·雪莱在他于1813年写作的《麦布女王》[15]的第五诗篇中写道：

多少个牛顿，在他沉默寡言的智慧，

那些在无垠中闪耀的巨大的星球，

他只看作一些金箔银箔的玩意儿，

悬挂在天顶，为他故乡的午夜去照明！[16]

在这首诗中，麦布女王和艾安西精灵“乘坐一辆魔车从地球‘庄严地上升’”，从而揭示出“人类未来的天堂”。这首诗有一个非同寻常的特征，即雪莱所附加的注解的篇幅——在诗本身86页的基础上加上了洋洋洒洒的93页注解。这是雪莱致力于科学的一个例子，在其中他利用最近发现和导出的那些科学断言，来支持他所采用的诗歌和预言元素构成的愿景。相对于坡试图仅通过提议而使人信服的做法，这是一个显著的转变[17]。

爱因斯坦虽然不是一位诗人，并且是在20世纪进行写作，但他对固定不变的恒星的着迷程度毫不逊色。需要证据的话，我们只需要看看他1917年那篇关于宇宙学理论的论文《论广义相对论的宇宙学问题》[18]，他在其中概述了一种新的引力理论（即如今很著名的广义相对论）的含义。爱因斯坦的那组所谓的广义相对论场方程解释了物质和能量如何都是由重力产生的，以及重力又如何转而影响了空间和时间的形状。这组方程中还包括了一项宇宙常数项，用希腊字母Λ来表示。在爱因斯坦的表述方式中，Λ是一种对抗重力的吸引性质的反作用力，它确保了恒星和星云（即星系在当时的名称）在天空中的位置固定不变。爱因斯坦提出的理由是，可以通过选择Λ的值来维持这种微妙的平衡，而这又会确保一个具有固定大小的不变的宇宙。他十分聪明地设计了这一项，以保障其他所有认可其广义相对论的观测。Λ的排斥效应对于我们的太阳系尺度会产生的观测结果是可以忽略不计的，只有在最大的宇宙学距离上才会显示出来。这些距离远远超过了当时观测所能达到的范围。

在这篇论文的结论中，爱因斯坦承认：“[Λ]这一项仅仅在使物质有可能实现准静态分布时才是必需的，而物质的准静态分布则是恒星运行速度很小这一事实所要求的。”换言之，他对于这个Λ项为何以及如何产生并没有给出解释。他为证明这种修补的合理性而声称，需要与近邻恒星相对于更加遥远的参考系所显示的小本动速度或视运动取得一致。但是，增加这个额外的项并不仅仅是修正一个方程而更好地表示这种理论的一种方法。爱因斯坦做此修改的基本出发点显示出一种文化传统的延续，一种对于静态宇宙的根深蒂固的信仰[19]。

在这个静态的宇宙中，爱因斯坦相信自己找到了他的场方程组的唯一可能解。但是在1917年，荷兰物理学家威廉·德西特[20]证明了存在着另一个解。这个解描述的是一个空的宇宙，其中没有物质。德西特以爱因斯坦的宇宙学理论为基础，提出了一种新的宇宙模型，他谨慎而谦逊地称之为“解答B”，这是相对于爱因斯坦的“解答A”而言的。空间的几何结构是爱因斯坦的广义相对论中的一个关键特征，它在爱因斯坦的解答A或德西特的新解答B中都不随时间而变化。但是德西特大胆假设，相对于爱因斯坦的引力常数强度而言，宇宙的物质含量是微不足道的。在他的解答中，由于宇宙中没有物质，因此其命运就完全取决于爱因斯坦蒙混过关的花招——宇宙学常数。德西特的解答B具有两个惊人的含义：一是时间的量度取决于观测者在宇宙中所处的位置；二是星云在以奇异的方式移动——它们纯粹在占主导地位的宇宙常数项产生的强烈排斥力作用下快速彼此分开，从而压倒了引力的作用[21]。

德西特敏锐地密切注意着观测天文学的进展，因此知道天文学家维斯托·梅尔文·斯里弗[22]于1913年发表的关于向后退行的星云的那些观测结果。爱因斯坦并不了解天文学观测进展的最新情况。德西特在他1917年的论文中报告了以下观测结果：有几片星云正在以每秒钟好几百千米的速度急速离去。他提出，这些观测结果与他的预言相符，因此支持解答B。这并没有令爱因斯坦和其他人信服。他们认为德西特的宇宙模型是荒谬的，因为其中竟然不包含任何物质！尽管德西特的解答B遭到了否决，但他的工作是基础性的，这是由于他开启了一种全新的可能性——将爱因斯坦方程组里的时间作为变量来处理。德西特开创并推进了演化宇宙的概念，不过当时所需要的是更加符合真实宇宙的解答——这个宇宙中显然充满了星系，而不是空空如也。

德西特开启了一扇大门，由此开始考虑一个随时间变化的宇宙，而此门一开，没过多久这种理念就扩散开来，其他人也开始进一步探索这种可能性。其中一位这样的探索者是俄罗斯科学家亚历山大·弗里德曼[23]，他从1922年开始探究描述一个包含物质并随时间变化的宇宙的场方程组的解答情况。他将爱因斯坦和德西特的理念都抛弃了，并且用这些新的假设又求出其他的一些解答，即满足场方程组的随时间变化的解答。在他的模型中，宇宙最初是非常致密的，但它随着时间逐渐扩张和稀释。爱因斯坦阅读了弗里德曼的论文，但是立刻就摒弃了这一研究工作，因为他十分反对弗里德曼的计算。一定程度上是由于这一辩驳的结果，这篇论文从未受到广泛的阅读。此外，仅仅3年后，37岁的弗里德曼就英年早逝。由于没有强大的拥护者，因此他的理念一直被人忽视。

事实上，爱因斯坦对于德西特和弗里德曼提出的解答都感到不悦，但其中的原因稍有不同。德西特的解答在爱因斯坦看来是荒谬的，因为其中假定了一个空的宇宙，而弗里德曼的解答则与爱因斯坦直觉上对于静态宇宙的依恋相抵触。作为回应，爱因斯坦发表了好几篇匆忙写就的（并且是错误的）论文，声称在他们二人的计算中都发现了差错。不过当他自己的回应中的差错暴露出来时，他承认了这些也是可能的解答，虽然他仍然对此并不信服。因此，即使是这样一位被许多人视为偶像式科学家的人物，尽管依托着推理和逻辑，但他还是坚守着毫无合理基础的信仰。爱因斯坦认为宇宙必须静止的信念一直坚定不移，直到观测证据变得不可战胜才动摇了他的信念。

天文学中的理论和观测直至此时才偏离彼此平行的轨道，并且有一位令这两者发生交叉的欧洲牧师突然登场。这位谦逊的、年轻的比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特[24]在这些推测性的理论解答与经验数据之间建立起了至关重要的联系，而这最终激励大家接受了哈勃的那些发现。1924－1925年在哈佛大学天文台期间，勒梅特认识到将理论和数据结合在一起的深远意义。他于1925年参加了在华盛顿特区举行的美国天文学会年会，在那里听说了哈勃的第一项重大发现，即存在着与我们自己的银河系截然不同的其他星系。他还知道了那位由印第安纳州农场男孩成长起来的天文学家斯里弗及其关于退行星云的结论。勒梅特注意到，将这两项观测结合起来，就意味着宇宙正在膨胀。他立刻恍然大悟，一项观测试验—目的是要为认可给出膨胀宇宙的那种理论解答提供所需的确凿证据—正在缓慢地浮现出来。在回到比利时勒芬的家中以后，他研究出了一个运动宇宙的模型。这与弗里德曼早前的工作很相似，虽然他对于弗里德曼的那些理念一无所知。这位有先见之明的勒梅特比其他所有人都领先了两步，他立即开始思索哈勃的那些发现所隐含的意义，以及这些新发现的星系在检验宇宙的各项特性方面的潜在用途。他渴望测试我们所观测到的宇宙是否与广义相对论协调一致。他在1927年的一篇论文中预言，星云飞离我们而去的速率与它们到我们的距离称正比，并总结道：“这些银河系外星云的退行速度是宇宙膨胀导致的一种宇宙效应。”[25]声称这些退行星云的速率与它们到我们的距离成正比的这种线性关系是一个全新的结论，是弗里德曼先前没有注意到的。理论解答如今给出了一个清晰的预言，从而能够直接与天文学观测进行比较。勒梅特并不知道弗里德曼的纯理论计算，因为那篇论文早已石沉大海。不幸的是，勒梅特将自己的这种突破性理念用法语发表在了《布鲁塞尔科学学会年刊》上，而这是一份鲜为人知的杂志。因此，甚至1928年在剑桥期间与亚瑟·斯坦利·爱丁顿[26]（他是英国天体物理学界的知识巨人）这样一些大师相伴时，勒梅特也没能为他的工作获得关注。到1928年，运动宇宙的理论概念已经发表在科学文献中，然而没有人看到或为之动摇。

现在我们跳回到1912年和观测天文学的世界，即这些理论进展的背景。观测天文学家们在很久以前就已经发现了宇宙在运动的迹象。正如前文提到过的，第一批线索是斯里弗测量的星云速率，他是用美国亚利桑那州洛厄尔天文台的610毫米望远镜在1912年进行测量的。当时仪器方面的重大进展是在望远镜上采用照相底板来捕捉那些昏暗天体的影像。尽管在1840年就成功地拍摄到了一个天体的影像，但这些技术的成熟还要很长时间。还要再过50年，人眼无法看见的那些暗淡恒星和昏暗星云才得以成像。到20世纪初，观测者们经常将照相机和其他仪器设备（例如通过显示光的各成分频率来揭示其化学特征的摄谱仪）连接到望远镜上，从而能够详细研究夜空中的物体所发射出的光。研究者们将望远镜指向特定的目标，并经过长时间曝光来收集它们的光线。这些数据以暗斑（负像）的形式在照相底板上留下印记，同时记录下了它们的位置和亮度。

这项革新技术使天文学家们能够利用将遥远的暗淡天体带入视野的长时间曝光来做永久记录。底片上的影像意味着天文学家们拥有了他们所看到的事物的永久证据。照相底板允许研究者们去分析他们的观测数据，并在照相框架中测量这些天体的各种特性。如今有了这种物证在手，天文学家们就能在白天重访和研究他们的照相底板了。这些底片还使观测数据能够很容易地得到传输和分享。最重要的是，由于可以对天体的亮度进行测量和校准了，因此对统计样本的定量研究就变得可能。随时间变化的现象如今最终可以用重复观测来进行识别和研究了。定量的证据可以由客观的来源——照相底板来提取和存档，而不像天文学家们的眼睛那样虽然经过训练，但仍然有可能产生偏差。尽管这在今天的我们听起来也许并不像是一个重大的进展，但是在像天文学这样无法在实验室中展开受控实验的领域中，这就是一个突破性的时刻。降低对主观观测者的依赖性并自动记录下数据，这是宇宙学有史以来最接近实验数据的时刻。

照相底板无疑是催生膨胀宇宙这一发现的关键器材。它们捕获了夜空的第一批可以在研究和分析中使用、储存和重新使用的持久图像，它们详尽地表现了夜空，从而便于研究者对各个单独的天体进行更为透彻的研究。

照相底板是照相底片的前身，是一块表面涂有用含银化合物制成的感光乳剂的玻璃片，可以在上面记录下一幅图像。照相底板在天文学中一直用到20世纪90年代，这是因为它们比胶片更加稳定，而且不容易发生弯曲或卷翘。许多著名的天文巡天项目都将数据记录在照相底板上。在数码相机发明之前，天文学中的得力助手就是照相底板。

摄影术有着悠久的、记录丰富的历史，不过我们的故事中所关注的是它对捕获夜空的影像所起的作用。天体摄影开始用于科学目的是在19世纪中期。拍摄暗淡的天体需要长时间曝光，因此望远镜不但需要结构稳定，还需要不断移动，以补偿地球转动的影响。要保持望远镜长时间聚焦于固定的一小片天空，这在当时是一项技术挑战。银版摄影术的发明者路易-雅克-曼德·达盖尔（1787——1851）于1839年拍摄下第一张月亮的照片。不过，由于长时间追踪目标曝光的难度，这张照片上的影像看起来像是一片绒毛。威廉·克兰奇·邦德[27]和约翰·亚当斯·惠普尔[28]在1850年7月16～17日首次拍摄下一颗恒星的照片，他们所使用的是哈佛大学天文台的381毫米望远镜，这架望远镜如今仍然安坐在剑桥镇花园街60号哈佛史密松天体物理中心内的塔架上。

随后，在1871年，理查德·马多克斯（1816－1902）发明了轻型的胶质底片。他用各种各样的材料进行反复试验，结果发现照相底板在涂上用明胶固定的溴化镉和硝酸银后，对光的敏感度达到了令人难以置信的程度。在玻璃底板上制作出第一张照片并杜撰出“正片”和“负片”这两个摄影术语的，是天文学家威廉·赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔[29]。约翰·赫歇尔自身也是一位卓越的科学家，他那篇很有影响力的论文《自然哲学研究的初步论述》（Preliminary Discourse on the Study of Natural Philosophy）于1931年发表在迪奥尼修斯·拉德纳[30]主编的《珍藏版百科全书》中。这篇文章清晰地表述了科学探究的方法，激发了许多科学家的灵感，其中包括博物学家查尔斯·达尔文[31]。赫歇尔开发出这样一种技术：在玻璃板的一面涂上含有感光化合物卤化银小晶体的明胶乳剂。这些晶体的大小决定了图像的敏感度、对比度和分辨率。乳剂曝光时缓慢变黑，于是捕捉到图像中的渐变层次而留下痕迹。

到20世纪初，照相底板已常规用于拍摄天文学图像，提取其中的信息需要紧锣密鼓的手工工作。当时哈佛大学天文台台长爱德华·皮克林[32]为此以25～30美分的时薪雇用了一批女性研究者，其中包括亨丽埃塔·斯旺·勒维特[33]——她的工作对于哈勃所完成的使命是至关重要的。皮克林招募了勒维特和其他一些具有大学学历的女性来为他的宏大巡天项目工作，对天空中每颗恒星的亮度和颜色进行分类和精确测量。20世纪50年代，哥伦比亚大学与美国国际商用机器公司（International Business Machine,IBM）合作建立的沃森科学计算实验室开发出一种新的自动化方法来测量天文照相底板，于是机器最终取代了这些“人类计算机”。照相底板测量过程的自动化帮助我们从此后的一代代大面积巡天项目中提取数据。

照相底板mf37250的一部分，这是蛇夫星座中的多恒星系统蛇夫ρ，拍摄于1948年5月30日。（图片由哈佛大学天文台提供。）

望远镜和照相底板的威力在于，它们把不可见顿变为可见，将瞬间顿时凝固，使过隙白驹顿成永恒。这些发展延伸了我们的感官，增强了客观性，并且完善了信息能够转变为证据的方式。天文学观测由此成为做出发现的手段，从而为各种宇宙现象提供证据。

利用这些新的观测工具从数据中识别出早期线索之一的，就是上文提到过的斯里弗。他在1912年发现仙女座星云似乎正在以300千米/秒（大约相当于100万千米/小时）这样一个相当触目惊心的速率向我们冲来。到1914年，通过测量另外数个星云的速度，他发现它们也在奇怪地快速飞行，只不过是在远离我们而去。这些速率都是不可想象的。在1912年举行的印第安纳波利斯800千米汽车拉力赛上，最快的汽车记录下的平均速率只有129千米/小时。这些测量的部分令人费解之处是，这些惊人的高速完全超出了人类的理解范围。

当时人们已经知道，河外星系（external galaxy，当时被称为“extragalactic nebulae”，即银河系外星云）是由过于昏暗或者彼此靠得太近以致肉眼无法单独区分的恒星所组成的集团。如今我们知道，在像我们的银河系这样的星系中包含着大约1000亿颗恒星以及气体、尘埃，并且宇宙中除了我们自己的银河系以外，还有好几十亿个其他星系。在斯里弗那个时代，到这些星云的精确距离都是未知的，天文学家们频繁争论的问题之一就是：这些遥远的星云是否在我们的星系内部，还是说它们是在我们的星系以外的一些岛宇宙？由此推断出的宇宙范围像现在一样是由可见的边界来界定的，即我们用可以得到的最好器材能够看到多远。作为一种概念，将星云设想为由太空中彼此孤立的恒星所构成的集团并不是什么新鲜事。英国天文学家托马斯·莱特（1711－1786）早在1750年就明确地表述了这种理念。莱特终其一生都沉浸在调和他自己的宗教和科学观点这样一种渴望之中，他在一种宇宙神学观点的框架内来构想这些天文实体。在距离得到测量之前，人们揣测宇宙的任何一部分样本都与任何其他部分十分相似，并由此假设如果所有恒星都与太阳的亮度大致相当，那么比较暗淡的那些看起来如此只是因为它们距离较远而已，因此就可以通过与太阳亮度作比较而估计出它们的距离。不过，富有创造力的莱特思考到了超越银河系的范围，他想象远在我们的栖息地之外可能也存在着星云。

与莱特同时代的一位哲学家伊曼努尔·康德[34]坚决支持这种断言，即在我们自己的信息之外存在着许多河外星云，他将这些星云称为岛宇宙。在康德于1755年出版的《自然通史和天体论》[35]一书中，他写道：“我们看到空间分散到无穷远处，那里存在着一些类似的恒星系统[云雾状的恒星，即星云]。在这整个无限壮阔的范围中，天地万物处处都有条理地构成系统，而其中的各个成员都是彼此联系着的……一片广阔的领域还有待于发现，而观测会独力给出其中的关键。”[36]

哈勃1935年在耶鲁大学发表的西里曼纪念讲座系列[37]以《星云之境》为标题出版，他在其中描述了莱特的推测：“单独一个恒星系统孤悬在宇宙中，这并不满足他的哲学思想。他想象有其他类似的系统，并将那些被称为星云的神秘云团作为这些系统存在的可见证据。”[38]

天文学家们早已开始研究星云，斯里弗到1914年已测量出其中13片星云的速率，他利用的是光源与我们的相对运动所导致的光波长变化。正如当一辆救护车正在驶近时其警报声变得更为尖锐（具有更高的音调）那样，一个正在靠近我们的物体所发出的光的频率和波长会向着光谱的蓝端移动，或者说发生了蓝移。反过来，当一个发光物体正在远离我们而去时，波长会向着光谱的红端移动，其衡量值为红移。这种现象称为多普勒效应。斯里弗利用这种效应，借助我们在地球上接收到的光的波长拉伸或压缩（反映出物体的运动），从而估算出典型的星云正在以大约600千米每秒的速率远离我们而去，明显高于当时任何已知天体的速率。在接下去的8年中，他的数据累积到大约40片这样的星云，并发现它们似乎都在一致地发生退行，只有仙女座星云除外。包括哈勃在内的天文学家们都对斯里弗的这些结果陷入了思考，甚至像爱丁顿这样显赫的理论学家也对这些巨大的速率感到困惑。这些测量值令人迷惑不解，但大家都公认其重要性，因而需要进一步研究和理解。当时，这些星云位于银河系以外这一事实尚未得到确认，这是因为其中的关键位置量是它们到我们的距离。

1912年，勒维特和哈佛大学天文台向前迈出了关键的一步。当时的天文台台长皮克林的兴趣是要涵盖大片夜空，并由此探究天体的统计资料，而斯里弗则是更长时间、更深入地观察单个星系。皮克林的那支全部由女性构成的团队用放大镜仔细检视不断积累起来的照相测量图像底板，一丝不苟地进行着测量。勒维特和其余队员负责计算恒星的位置和亮度，这些恒星在玻璃照相底板上呈现为非常小的暗斑（负像）。到这个时候，照相底板已经相当敏感了，因此每块底板上都包含着一千多颗呈现为暗斑的恒星。皮克林的娘子军（即他的“人类计算机”）执行了这些极端沉闷乏味的任务：测量和记录这些拥挤的照相底板上明亮恒星的各种性质[39]。

皮克林在哈佛大学天文台的“人类计算机”——受雇分析天文学数据的妇女，摄于1913年。[照片来源：哈佛大学档案UAV 630.271（E4116）。]

天文学家们意识到，如果一颗恒星的真实亮度是已知的，那么就可以利用其昏暗的表观亮度来直接测量它到我们的距离。例如，一旦我们知道一个正在发光的灯泡的亮度，假如它的观测亮度是这个亮度的1/4，那么我们就可以推断出它的距离是一个就在我们头顶上的灯泡的2倍。光源需要经过标准化才能进行比较。勒维特发现的正是这样一组已知亮度的恒星灯泡（即所谓的“标准烛光”）：造父变星。将变化的恒星当作标准烛光的候选者，虽然这看起来也许有悖直觉，但是它们的变化中却存在着一种惊人的规律性，从而可以将它们用作定标仪。这些恒星的亮度以一种规则的、可预测的方式循环变化，其周期范围从几天到几个月不等。勒维特发现，一颗造父变星的内禀亮度（真实亮度）与它的脉动之间存在着一种关联。她的工作是在天空中同一区域的多块照相底板中寻找细小的变化，煞费苦工。比较亮的那些恒星呈现为比较大的暗斑。她将这些暗斑的大小与一块经过校准的、标准的“苍蝇拍底板”[40]进行比较：测量每个框架中的数颗恒星的亮度，并逐个检查单颗恒星的亮度变化。检查了数百块底板以后，在估测印记在照相底板上的一颗恒星的亮度方面，勒维特已成为当之无愧的专家。她寻找亮度在固定时间间隔内以规则方式发生变化的那些恒星。为了比较不同时间拍摄同一天区而得到的底板，就必须将它们与另一日期拍摄的同一片天空的正片对齐。假如负像与正像中的黑斑和白斑没有恰当匹配，那么勒维特就将这颗恒星确认为一颗变星。她魔鬼式地执行这种搜索,1908年报告在南天的麦哲伦星云中发现了1777颗新的变星。在《哈佛大学天文台通告》（Harvard College Observatory Circular）上发表的一篇文章最后，她列出了16颗特殊的恒星（后来被证认为造父变星），其中“较亮的变星具有较长的周期”。由于所有这些恒星都位于同一片“云”或者说星云之中，它们到地球的距离很可能大致相同，因此她就能够断定它们的光变周期必定与它们的光而非它们的距离有关。较亮的造父变星具有较长的周期。勒维特意识到，将这种关系反过来，她就可以估算出造父变星的距离了。由于两颗具有相同光度的造父变星具有相同的周期，因此假如其中一颗比另一颗显得更亮，那么它就必定比较靠近我们。其中的原因是很直截了当的：视亮度随着距离的平方减弱。假如一颗恒星的距离是另一颗的2倍，但视亮度与之相同，那么它的光度就是后者的4倍。勒维特提出的这种测量距离的方法包括以下步骤：测量一颗造父变星的周期及其视亮度；利用周期和光度的关系来估测其内禀亮度；随后将内禀亮度与视亮度相比较，以导出它到地球的距离。勒维特是唯一可能发现造父变星的人，这是因为她作为一名“人类计算机”，比任何与她相当的人都看过更多的底板[41]。

当然，要使勒维特的方法奏效，校准是必不可少的，需要一个由能够用另一种独立技术（比如说视差）测得其距离的邻近造父变星所构成的样本。不幸的是，当时银河系中没有任何一颗已探测到的造父变星的距离近到足以利用恒星视差来测定。当时唯一的前进之道只能是用统计方法来处理这个问题，即利用所谓的统计视差，其中包括银河系中的一批造父变星，它们跨越天空的缓慢组合运动是已知的。搜寻造父变星的行动开始了。威尔逊山的“金童”、天文学家哈罗·沙普利[42]开始在我们银河系中的不同位置寻找造父变星，并且在找到它们后（不正确地）断言，所有星云都处于我们的银河系内。后来，他利用球状星团中的造父变星证明了银河系是一个由恒星构成的庞大系统，比任何人以前曾经设想过的都要大得多。这是造父变星测距法的第一次应用，沙普利还用它来估测了我们银河系的大小[43]。

为了拓展勒维特的这种技术，天文学家们需要进一步在河外星云中搜寻这类特殊的恒星，以获得对距离的估测。勒维特的造父变星法迅速成为标准的宇宙标尺。正是在这种背景下，雄心勃勃、精力充沛的年轻哈勃抵达加利福尼亚州去通过世界上最强大的望远镜进行观察。甚至在哈勃1917年以题为《暗弱星云的摄影法研究》（Photographic Investigations of Faint Nebulae）的论文完成芝加哥大学的博士学业之前，已经有人向他提供了一份工作——加利福尼亚州南部威尔逊山天文台的一个研究职位。他延期一年，去参加了第一次世界大战。虽然他最后延期数年才回来，但是当他带着少校军衔离开军队时，这份工作仍然在等待着他。那个时候，西海岸的各研究机构称霸观测天文学领域。由华盛顿卡内基研究所[44]运作的威尔逊山天文台和加利福尼亚大学安置于汉密尔顿山的利克天文台拥有最好的望远镜及设备，因此在那个时候处于最前沿。当时最强大的望远镜是利克天文台的914毫米克罗斯利反射式望远镜和威尔逊山天文台的1524毫米反射式望远镜。哈勃的时机好得不能再恰到好处了，因为当他回归天文界时，距离新的2540毫米胡克望远镜在威尔逊山完工只有几个星期的时间，而这架望远镜很快就成为世界上最大的望远镜[45]。时年30岁、满怀雄心壮志的哈勃有机会使用当时可能接触到的最好仪器。这可以说是行星连珠般罕见的机遇，因为他的两位潜在竞争者赫伯·柯蒂斯[46]和沙普利分别在他到达前后不久离开了加利福尼亚州，从而使这片前沿阵地对他完全敞开了。柯蒂斯与沙普利陷入了一场争论，内容是星云是像我们自己所在的银河系那样的岛宇宙，还仅仅是构成我们星系的重要部分的一簇簇恒星。他们对于银河系的大小以及星云的距离都各执一词。柯蒂斯不接受勒维特的周期-光度等式，而沙普利则成功地应用它来确定了银河系的大小。柯蒂斯想要以更小的时间间隔拍摄旋涡星系，以寻找新星和变星（哈勃最终就是这么做的），但他在1920年离开利克天文台，成为宾夕法尼亚州阿勒格尼天文台台长，他在那里无法继续这一研究项目，因此脱离了干系。不过，哈勃与沙普利同在威尔逊山的那两年中，他们之间长达一生的较劲开始了。后来沙普利迁居至马萨诸塞州剑桥市，并在经过一段试用期后成为哈佛大学天文台台长。他们虽然彼此嫌恶，却又保持着持续的通信，因为具有战略头脑且在政治上很精明的哈勃总是与有权有势的沙普利分享自己的想法和发现[47]。

哈勃决定去应对测量星云距离这一挑战。他利用勒维特的方法，开始寻找更多的造父变星。他花费了许多个漫长而寂寞的夜晚，安坐在那架2540毫米望远镜所装载仪器旁边的平台上，在一位助手的帮助下观测并追踪恒星的轨迹。哈勃穿着暖和的衣服，一旦望远镜嵌合到位并指向他意图观测的方向，他就会点着烟斗，缩身坐过去，注视着天空中缓慢移动的星辰。在这些守夜视天的夜晚之一，令他大为兴奋的事发生了。他发现了仙女座星云（最靠近我们的近邻星系）中的一颗造父变星，并成功测量出它到地球的距离是90万光年[48]，大约等于沙普利对邻近天体应用相同技术而估算出的银河系直径的3倍。

这明确证明了仙女座星云是远在我们自己的星系之外的一个河外星系。哈勃继续下去，又测量了数个其他星系的距离，结果证明它们全都远在银河系之外。由此，他确定了存在着真正位于银河系以外的星云，它们超越了我们的星系范围，远在天空的边缘。哈勃勤奋而耐心地继续从事他的旋涡星云成像工程。他的第一项重大发现是利用造父变星测定了星云NGC 6822（探测到11颗变星）和仙女座（如今已探测到另外11颗变星）的可靠距离，证明它们分别位于70万光年和100万光年之外。这些巨大的距离比我们星系的估测直径要大得多，因此就意味着它们在银河系之外。哈勃在1925年一劳永逸地解决了柯蒂斯和沙普利之间积怨已深的争辩，从而一举成名。

我们的银河系绝非独一无二，它只不过是点缀在宇宙中的许多星系之一。就这一点而言，不仅地球无非是太阳系中绕着太阳旋转的另一颗行星，我们的银河系也无非是许多星系中的一个。我们占据着宇宙中的一个特殊位置，这一根深蒂固的概念如今被消除了。然而，这只不过是另一段更强有力的化解过程的开端，而后者彻底重建了我们的宇宙知识地图。

哈勃的M31照相底板图像，其中标示出了第一颗造父变星的位置。哈勃在仙女座星系（M31）中找到了这类用来测距的恒星。他最初以为这是一颗新星，因此用一个“N”来标注。在意识到这是一颗变星后，他在图像上写下了“VAR! ”。（图片由华盛顿卡内基研究所天文台提供。）

做出这项发现后，哈勃在天文学界牢固地确立了他的名声。由于他所受的律师训练产生的影响，他是一位极其仔细和谨慎的观测者，对于如何呈现自己的结果总是讲究策略，很少匆忙行事。他采取一切预防措施，辛勤工作以争取潜在的敌人和对手的支持，并努力做到滴水不漏，以说服怀疑论者们相信其观测结果的准确性。此外，他从不试图通过任何特殊理论模型的视角来解释他的观测——他将这项任务留给了理论学家。哈勃继续确定了数个其他星系的距离后，最终领会到一种逐渐浮现出来的模式：星系的退行是如何取决于它们到我们的距离的。

假如造父变星位于大约500万光年之外的话，那么即使以那架2540毫米望远镜前所未有的观测距离，也无法轻易认出它们。哈勃利用最明亮的恒星中的几类（O型星和B型星）作为标准烛光继续向外推进。有了这种方法在手，再加上他能够使用可能得到的最好仪器，他最终将注意力转向斯里弗的由那些正在飞速远离我们而去的星云所构成的样本。虽然哈勃能够接触到斯里弗的数据，但是他并不知道弗里德曼和勒梅特的理论文章。哈勃不太可能产生过膨胀宇宙的想法，也不会以这样一种理论的观点来解释他的数据。理论召唤的方向是关于宇宙的一幅全新图景，将宇宙作为一个动态的实体。这是一个巨大的哲学和智力飞跃，因为它暗示着空间本身正在以某种方式向外伸展，这是一个非常难以理解的概念。

哈勃有当时能够获得的最敏锐的仪器相助，在当时世界上最好的天文台工作，因此他做到了任何其他人都无法做到的事。1929年，他展示了自己的数据和斯里弗的数据，并明示了星云的退行速度与它到我们的距离之间似乎存在着一种线性关系。因此，位于两倍距离处的星云飞离我们而去的速率也是两倍。这一关系现在称为哈勃定律。关联速率和距离的比例常数称为哈勃常数。虽然在哈勃的那个由24片星云构成的最初样本中就存在着微弱的趋势，但绝不具有说服性。早先取得的成功鼓舞了他，他也不再是那位谨小慎微的科学家了，因此他大胆宣称：他论文中的那幅图中的数据表明，这样的一种关联是存在的。他假设这种关系，确实实现了一次信仰的飞跃。尽管哈勃有着巨大的雄心和热情，但是得到这一非凡发现后，他和天文界都花费了数年的时间才意识到其意义和重要性。只有将这些测量值延伸到比第一篇论文中所报告的星系距离更远的那些星系，哈勃才能够令人信服地给出线性关系，而这是他在1931年与米尔顿·赫马森（1891－1972）合写的一篇论文中做到的。天文学家们需要勒梅特的理论模型，再加上哈勃和赫马森的观测，才认识到哈勃的这些发现具有多么根本的变革性。当然，在这整个过程中，尽管哈勃是膨胀宇宙确凿证据的发现者，他本人却对于这种解释一直保持着怀疑态度！

完全重塑我们世界观的开端，到1931年已开始顺利进行了。哈勃的这些发现预示着接下去将要发生的事情（越来越引人注目的发现），这些发现颠覆了我们认为宇宙稳定不变的概念。这是我们第一次窥视到我们这个不安宁的宇宙。

导出速度-距离关系时实际观测到的各量之间的关系。每个点都表示一团或一群星云的以下函数关系：纵轴为红移观测值的对数平均值（表示为速度标度），横轴为视照相星等的平均值或最频值。

银河系外星云的速度-距离关系。纵轴为经过太阳运动修正的径向速度，横轴为根据成团星云中包括的恒星和平均光度所估测的距离。实心黑点和实线表示用单个星云计算太阳运动所得的解，空心圆圈和虚线表示将星云组合成团时的解，十字表示距离不能单独估测的22片星云的平均速度，对应于其平均距离。

上图：哈勃和和赫马森在论文《河外星云的速度-距离关系》（The Velocity-Distance Relation among Extra-galactic Nebulae）中发表的数据，《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）,1931年，第74卷，第43页，图4。版权归美国科学院所有，经许可复制。

下图：哈勃证明线性关系这一假设的观点，选自《银河系外星云的距离与径向速度之间的关系》（A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra Galactic Nebulae）,《美国国家科学院论文集》（Proceeding of the National Academy of Sciences），第15卷第3期，1929年3月15日，第172页，图1。

为了理解理论与观测如何相互抵触与啮合，我们需要回到爱因斯坦方程组的勒梅特数学解。勒梅特的星云退行速度与其距离成正比的理论预言仅在质量均匀分布的宇宙中成立，因为这样的话就会存在同时面向所有方向的均匀膨胀。假如宇宙中有些区域的质量分布呈团块状，那么勒梅特的解就不成立——他的模型要求宇宙是毫无特征的、相当均匀的。哈勃和斯里弗所收集到的数据只延伸至600万光年远处，因此显示出空间中充满了星系，很难说是均匀的。根据我们目前所理解的物质在宇宙中的分布，均匀性假设仅在比哈勃最初所涉足的尺度要大得多的尺度上才成立。在我们现今已触及的巨大尺度上，单个星系所产生的颗粒性开始被抹平，正如我们皮肤中单个细胞凹凸不平的结构看起来却显得光滑那样。

根据勒梅特的解答，在较小的尺度（即哈勃和斯里弗进行测量的那些尺度）上，宇宙不应该是均匀的，也不应预期退行速度与距离之间存在着线性关系。哈勃在1929年撰写他那篇论文时，并不知道勒梅特的模型所给出的这些预言，因此他只是做出了一个大胆猜测，而结果却证明这是正确的。事实上，哈勃和赫马森在将他们的距离范围延展至100万光年后，才为线性关系找到了令人信服得多的证据。他们于1931年联合发表的那篇论文中的数据为这种关系的断言提供了理由，因为他们恰好触及了边缘，并在均匀性开始生效、勒梅特的解答也因此成立的范围内取样。哈勃并没有将这种线性关系理解为是均匀和膨胀宇宙所造成的鲜明特征和后果，他所知道的只是他的发现与宇宙学具有相关性。认识到他的这些结果的深远含义，是他留给理论学家们的一项任务，其中主要是获得爱丁顿支持的勒梅特。赫马森与哈勃1931年的论文提到了德西特的理论模型，尽管只是一笔带过，但对勒梅特的模型却只字不提。顺便提一下，斯里弗早先得出了哈勃1929年那篇论文中所报告的几乎所有红移，然而哈勃却没有对他表示致谢。竞争对抗关系就在应明确分配功劳时这些看起来细小的疏忽中反映出来。我们至今仍能悲哀地看到，这种由于竞争关系而驱使的不幸做法、在发表时的争先恐后，以及出于疏忽而遗漏或者偶尔为了满足个人野心而故意拒绝致谢其他人的工作依然盛行不绝。此类失检的行为是大家争着首先发表新发现、索求学术荣誉的后果。

哈勃是一位锲而不舍的实验科学家，他的想法都是完全由数据驱动的。不过，他敏锐地意识到了对理论框架的需求，并在《星云之境》中沉吟道：“观测和理论是交织在一起的，因此试图将它们完全分开是徒劳无功的做法。观测中总是包含着理论。”[49]

随着正在逃离的星云越来越多的消息传来，观测领域出现了热闹的景象，因此勒梅特决定再推销一次他的理论工作。在1929年哈勃发表数据后，他再次给爱丁顿寄去了他1927年那篇论文的复本。爱丁顿在仅仅将各点连接起来后，就大力鼓励勒梅特在有名望的、具有广泛阅读量的《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上用英文重新发表他的论文，并亲自提倡这一模型。他的倡导迫使爱因斯坦最终对此加以关注。在早先的1927年，爱因斯坦在他对勒梅特的论文提出批评时曾经不留情面。他说过：“你的计算都是正确的，但你的物理洞察力糟糕透顶。”[50]

在这个时候，爱因斯坦还回忆起了自己曾错误地批评过弗里德曼的那篇论文，于是掉转头去支持膨胀宇宙模型。事实上，在哈勃1931年组织威尔逊山天文台图书馆的那次研讨会之后，爱因斯坦就曾公开宣布自己关于静态宇宙的观点是错误的，而且他在方程组中添加的那个额外的项也毫无用处。新闻工作者乔治·格雷在这一事件后不久就在《大西洋月刊》（Atlantic Monthly）上撰文，将这项发现描述为“宇宙的一幅全新图景——一个正在膨胀的宇宙，一个巨大的气泡在鼓起、扩张、散开，逐渐稀疏成薄纱状，消失于自身之中。”[51]

一个新的宇宙揭开了面纱，它有着一个时间上的开端，并且自此以后一直在持续膨胀。1932年9月7日，《纽约时报》（New York Times）刊登了来自费城富兰克林学院博物馆副馆长詹姆斯·斯托克利的报道，开头引用了爱丁顿的话：“膨胀宇宙如今已成了科学中的一块确定无虞的地方。”[52]勒梅特早已提供了一个优雅的理论框架，在此框架中来解释哈勃从观测数据中发现的膨胀现象。哈勃自己艰难地接受了这种作为膨胀宇宙的证据来对他的线性关系所做的解释。他在1936年的论文《红移对星云分布的影响》的摘要中充分清晰地表明了这一点：“高密度意味着膨胀模型是对这些数据的一种牵强的解释。”[53]

然而，爱因斯坦与哈勃的故事并不仅仅止步于在解决宇宙命运的问题中给出证据和解释这一作用，它还明示了个人信念可能难以动摇，结果导致即使对于那些自己发现有证据支持的理念，也会顽固地加以抵抗。哈勃的不适感起因于对数据的解释。这些遥远的河外星云的红移测量值是否确实是速度漂移，他对此并不确定，因为正是这一认同导致了均匀膨胀宇宙的模型解释。对他而言，在他脑海中缺乏任何其他令人满意且不得不接受的解释的情况下，这些红移并非速度漂移的假设是一种更为简练的推断结果。他觉得在接受一个小尺度宇宙和接受一种可能的新物理原理之间，正在做出选择。他确实更偏爱这样一个结论：他从观测上测得的系统红移效应很可能不是由于真实的弗里德曼-勒梅特膨胀，而是由一种尚未发现的基本自然法则所驱动的。

另一方面，爱因斯坦的抗拒则具有深层次的根源。最近有新的证据浮出水面，证明了他放弃稳定的、不发生演变的宇宙的勉强程度。尽管他公开接受了膨胀宇宙的概念，但是2013年在位于耶路撒冷的希伯来大学的档案中发现，他的论文中夹杂着一份以前不为人所知的手稿。这份手稿表明，甚至在哈勃邀请他参加那场在威尔逊山举行的具有决定性意义的研讨会之后，他还曾私下奋力想复兴静态宇宙模型。在这份标注日期为1931年的手稿中，爱因斯坦探索了这样一个模型：由于存在某种不断从空的空间中产生出物质来的过程，因此宇宙的平均密度保持固定不变。在这种模型中，只不过一个静态宇宙看起好像显得动态而已[54]。

爱因斯坦探讨了一种权宜之计来补偿宇宙的膨胀。这份手写的4页草稿所阐述的这一模型与他以前曾探索过的许多其他模型都大相径庭。这篇新发现的论文揭示出他当时正在漫不经心地探讨稳态宇宙模型，而且这在时间上还早于20世纪50年代由弗雷德·霍伊尔（1915－2001）、赫尔曼·邦迪（1919－2005）和托马斯·戈尔德（1920－2004）建立起来的稳态宇宙模型。这份从未发表过的手稿的发现者科马克·奥莱费尔泰、布兰登·麦卡恩、维纳尔·那姆和西蒙·米顿认为爱因斯坦的计算中有一个致命的数学缺陷，这可能就是他舍弃这一模型的原因。他似乎早于研究这一问题的其他人很久，事实上他在数十年之前就已经在努力应付宇宙的稳态和演化模型问题。在一份题为《论宇宙学问题》（Zum Kosmologischen Problem）的署名手稿中，他概述了这一未经发表的模型，这份手稿早先被认为是另一篇论文的早期版本。爱因斯坦完全放弃了这种计算，而在随后关于宇宙学模型的任何一篇论文中也都没有再提到过它。在这份手稿中，他建立这种模型的起点是一些基本原理：宇宙常数得到保留，并且其中既没有提到弗里德曼的分析，也没有涉及爱因斯坦自己在1931年之前发表的任何演化模型。关于爱因斯坦的一个令人感兴趣的方面是，虽然他在1931年和1932年满腔热情地与德西特一起写了两篇关于膨胀宇宙模型的论文，但他却仍然在暗地里摆弄着这种稳态模型的理念。他拼命地试图恢复固定不变性。在这份手稿中也没有提及宇宙的起源问题，而这是爱因斯坦对于勒梅特的解答感到不快的主要原因之一。由此看来，激发他坚持寻找稳定宇宙的动机并不是他反感勒梅特理论的细节，而是不得不尴尬地面对宇宙的开端并做出解释。也许这是在静态宇宙即使看起来非常不可能的情况下，他还想恢复静态宇宙的最后努力。

20世纪30年代末，天文学界的大部分人以及公众都已信服了宇宙的膨胀，然而即使在举足轻重的爱因斯坦和爱丁顿都公开给予支持后，科学界中仍然有些人对这种宇宙学解释心存怀疑，其中就包括哈勃。事实上，哈勃直至他的最后一篇论文都还仍然保持着膨胀也许并不是真实的这样一种信念。这篇论文的内容是他在1953年5月所做的英国皇家天文学会乔治·达尔文演讲[55]，而这就在他去世前的4个月。将勒梅特的解答在时间上反向外推，就暗示着空间和时间都存在一个清晰的起点。需要一个起点，这令好几位宇宙学家感到不安。弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型意味着宇宙在早先不仅比较小，而且比较致密。这当然就不可避免地导致了宇宙起源这个深刻的问题。勒梅特假设宇宙可能起源于一次原初大爆炸，其后产生了膨胀。这就意味着宇宙具有一个起源，一个万物开始的瞬间。尽管这一大爆炸模型有着强有力的支持，但它仍然有一些涉及化学元素形成和宇宙年龄这些需要解决的问题。

尽管由哈勃的数据（以及他欠勒维特的人情）引起了一场革命，但他们两人都没有获得诺贝尔奖。哈勃受到了天文学界的称颂，并赢得了许多奖项和奖章，但他在晚年花费了许多时间倡导将天文学作为一个分支领域纳入物理学范围。他的本意是去游说将像他自己这样的天文学家也作为诺贝尔奖的考虑对象。不幸的是，这在哈勃的有生之年没有实现。不过，诺贝尔奖委员会最终决定扩展物理奖的授奖范围，将天文学纳入其中。1925年，瑞典科学院的格斯塔·米塔格-莱弗勒（1846——1927）写信给勒维特，说他想提名她作为诺贝尔奖候选者。他当时并不知道她已在3年前去世了。

虽然第二次世界大战的爆发使科学资源改道投向了战事，因而限制了20世纪40年代宇宙学的进展，但这也导致了一些基本的技术进步，而这些进步以不曾预料到的方式改造了这一领域。新工具的发展改变了能够提出的与回答的问题的种类。核物理领域中所取得的进展使科学家们能够进行一套新的计算，从而得到最初宇宙膨胀时会产生的那些化学元素的丰度。1946年，出生于现今乌克兰的美国物理学家乔治·伽莫夫[56]计算出原初粒子汤可能会如何创造出各种各样的元素。伽莫夫和他的同事们假设初始状态是由辐射和亚原子微粒（电子、质子和中子）构成的一锅无限炽热、无限致密的宇宙炖汤——这是勒梅特的预言，由此估算出早期宇宙会产生出的氢和氦的丰度。他们使用了为炸弹方面的计算而研发出来的电子数字计算机。当时对于这种初始宇宙膨胀假设的不满正在不断上升，并且从大西洋彼岸发起了一场新的挑战：宇宙可能处于一种稳定的状态且不发生变化，但却不是静态的。驱使反对者们贬损大爆炸模型的原因是伽莫夫没能预言除了氢和氦以外其他元素的形成。我们现在知道氢和氦占据了宇宙中99%的物质，不过更重的元素（如铍、硼和铁）确实也存在。那个时候，它们的起源还不清楚。早期宇宙和热宇宙膨胀似乎无法预言它们的存在。正是不能预言元素合成这一点才导致霍伊尔杜撰出“大爆炸”这个略带轻蔑的术语，他认为“大爆炸是一个无法用科学术语来描述……也不能诉诸观测来对其提出有关证据的不合理过程”。[57]

根据物理界的坊间传说，剑桥的3位朋友霍伊尔、邦迪和戈尔德是在1947年观看一部电影后想到永恒、稳态的宇宙这个概念的。这部电影讲述的是一个兜了一圈后恰好结束在其开始处的鬼故事。这几位科学家的友谊可追溯到他们在第二次世界大战期间共同研究雷达的工作经历。他们构成了一个强大的三人组合：霍伊尔是一位具有敏锐洞察力的通才式的思考者，邦迪是一位优秀的数学家，而戈尔德则是一位非常富于创造力和想象力的科学家。霍伊尔回忆道：“人们倾向于认为那些不变的情况就必定是静态的。这部讲述鬼故事的电影对我们3人都造成了强烈的影响，那就是使我们消除了这种错误概念。有一些不变的情况可能是动态的，例如一条平稳流动着的河。”这就启发他们去考虑：即使宇宙是在持续膨胀着的，它是否还有可能看起来是一样的？[58]

存在这种可能性的唯一条件是物质被连续不断地创造出来。这样，新的星系就能形成，并填充较老的那些星系相互漂离后留下的那片区域。这种新模型（即稳态宇宙）纳入了膨胀，但是摒弃了开始和终结的理念。根据这种稳态模型，宇宙是永恒的。对于许多具有哲学倾向的宇宙学家而言，霍伊尔、邦迪和戈尔德提出的稳态模型是有吸引力的。首先，由于物质持续不断地被创造出来，因此他们的宇宙即使在发生膨胀的情况下也不会被稀释。其次，这种模型规避了起源这个疑难问题。大爆炸模型不仅没能描述比氦更重的那些元素的来源，而且由它所预言的宇宙年龄比已知的太阳系年龄还要小得多。这些都是当时大爆炸理论中的明显漏洞。

表示膨胀宇宙模型和稳态宇宙模型的示意图。在稳态模型中，即使在宇宙发生膨胀时，点的数密度也保持不变。

因此，认为宇宙在空间和时间上都是均匀的这种提议推进了稳态模型。这场争辩也带上了宗教的色彩。1952年，教皇庇护十二世对大爆炸宇宙学提出支持，这是因为它与教会所假定的神圣造物主理念不谋而合。稳态理论中没有时间上的固定点，即没有宇宙的开始与终结，因此被视为代表了无神论观点。不过，并非稳态模型的所有支持者都是无神论者，其主要代表者之一威廉·H.麦克雷就是一位坚定的圣公会信徒。不过总的来说，摒弃了对于开端的需要，也就消除了对于一位宗旨明确的造物主的需要，而这与无神论者的宇宙概念是一致的。

美国的天文学家们也认为静态模型很有吸引力，不过他们并不就此认为尘埃落定。他们觉得这两种理论相互抵触的断言应该通过观测来解决，此外别无他法。最终摧毁稳态模型、支持大爆炸理论的那些关键发现主要来自对宇宙微波背景辐射及宇宙年龄的测量，测量结果所确定的宇宙年龄令人安心地比我们的太阳系要大。此外，那些关键发现还来自于对核合成（化学元素的形成）更深入的理解。人们搞清楚了比氦重的那些元素是如何在恒星中心处而不是在早期宇宙中合成的。当然，也有一些复兴稳态模型的尝试，做此努力的主要是霍伊尔，不过这种模型始终未能成功地解释日益丰富的观测数据。为稳态模型敲响丧钟的是1965年发现了微波辐射，这是大爆炸留下的遗迹，是来自炽热、致密的宇宙开端的原初杂音的回声。这两种模型之间的争论持续白热化了大约20年，不过稳态理论越来越无法解释源源不断的观测数据，进行这些观测的仪器运转在许多波段上——光学、射电及微波。历史学家赫尔奇·克劳在其所著的《宇宙学及论战：两种宇宙理论的历史发展》一书中，纪实性地描述了这两种模型之间的各种类同和相异之处，并为这场对抗最终是如何解决的提供了详细的描述[59]。

此外，第二次世界大战期间，在曼哈顿计划之下研发出来的更加精密、更加快速的计算机刺激了计算科学的发展，从而有可能展开一系列新的理论计算。为获得元素丰度所需的复杂化学网络和反应速率以及恒星演化此时都可以计算了。所有这些新开发的仪器设备提供了新的预测，从而使稳态模型销声匿迹了。不过，确认大爆炸模型的关键数据是无处不在的微波背景杂音的发现，我们将在第5章中展开讨论。

稳态理论的终结展示了以经验为依据的观测的威力，以及日益积累的证据是如何对一种理论提出挑战或提供支持的。显而易见，稳态理论是可以证伪的，因为它做出了一些认定与大爆炸模型相区别的具体预言。

膨胀宇宙的发现和大爆炸模型的建立表明了具有知识影响力的那些个人在接受或摒弃新理念的过程中所起的强大作用，不过它们也同样显示了实验证据和数据才是最终的仲裁者。20世纪20和30年代，理论和观测之间的强大交互映衬（解开宇宙奥秘的那种协作性的、富有成效的相互影响）也标志着一门新学科的诞生。这就是宇宙学，它研究的是宇宙及其中所包含的万事万物的属性。这项新的雄心勃勃的事业自此以后在影响力和冲击力方面都发生了引人注目的变化。此外，大爆炸宇宙学的基本假设之一自从哈勃最初的发现开始就得到了足够观测数据的支持。这一基本假设就是宇宙学原理，它断言宇宙是均匀的，即在各处都相同，并且是各向同性的（在各个方向上都相同）。随着将哈勃的数据扩展到宇宙中更远的范围，在最大尺度上，宇宙被认为是遵循宇宙学原理的。在对哈勃的数据做出解释时所隐含的另一个似乎也成立的关键假设是：我们已发现的那些物理定律在宇宙的每一小块中都是有效的，不仅是在我们的银河系中，而且在远远近近的所有其他星系中也是如此。对于大爆炸模型（具有致密的、炽热的开端并随后开始以恒定的速率快速膨胀的宇宙）的支持在持续地增长着。

[1].埃德加·爱伦·坡（1809—1849），美国诗人、小说家和文学评论家，美国浪漫主义思潮时期的重要成员、美国短篇小说的先锋之一。——译注

[2].埃德温·哈勃（1889—1953），美国天文学家。他证实了银河系外其他星系的存在，并发现了大多数星系都存在红移现象，由此建立的哈勃定律是宇宙膨胀的有力证据。——译注

[3].阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955），出生在德国的犹太裔理论物理学家，创立了现代物理学两大支柱之一的相对论，1921年获诺贝尔物理学奖。——译注

[4].美国联合通讯社，简称美联社，是美国最大的通讯社，总部设在纽约。——译注

[5].沃尔特·B.克劳森，美国联合通讯社新闻稿，1931年2月4日盖尔·E.克里斯蒂安森的《埃德温·哈勃：星云的水手》（Edwin Hubble:Mariner of the Nebulae,Chicago:University of Chicago Press,1995）一书第210页引用此话。——原注

[6].《芝加哥论坛报》（Chicago Tribune） 是美国中西部的主要日报，创刊于1847年，总部设在伊利诺伊州芝加哥市。——译注

[7].艾伦·莱特曼（1948—），美国物理学家、作家，他的多本小说及科学散文集均有中译本。——译注

[8].罗德奖学金是1902年设立的一项国际性奖学金，每年11月在18个国家和地区选取80名本科毕业生去英国牛津大学攻读硕士或博士学位，得奖者被称为“罗德学者”。——译注

[9].乔丹·霍利迪，《在变革天文学之前，哈勃曾帮我们改写纪录册》（Before Revolutionizing Astronomy,Hubble helped Rewrite Record Books）,《芝加哥栗色》（Chicago Maroon）,2009年4月10日；艾伦·莱特曼，《发现：20世纪科学中的重大突破及原始论文》（以下简称《发现》）（The Discoveries:Great Breakthroughs in 20th-Century Science,Including the Original Papers,New York:Pantheon,2005），第230页；玛西亚·巴图夏克，《我们发现宇宙的那一天》（The Day We Found the Universe,New York:Vintage,2009），第170页；“罗德学者：1903——2015年完整名单”。莱特曼和巴图夏克提供了经过精细研究的、深入的哈勃传记描述。除了以上给出的两个题目以外，另请参见巴图夏克所著的，《宇宙的档案：转变我们对宇宙的认识的100个发现》（Archives of the Universe:100 Discoveries That Transformed Our Understanding of the Cosmos,New York:Vintage,2004），第414～424页。——原注

[10].玛西亚·巴图夏克，《我们发现宇宙的那一天》，第174页；克里斯蒂安森，《埃德温·哈勃》，第86～87页。——原注

[11].亚里士多德，《论天》，第1卷第3章，英文版译者为W.K.C.格思里，《洛布古典文库》（Loeb Classical Library,Cambridge,MA:Harvard University Press,1971），第25页。固定的恒星确实具有视差，这是由于地球的轨道运动而引起的视位置变化。这种效应非常小，因此直到现代才被注意到，可以用它来求得邻近恒星的距离。——原注

[12].《赫尔墨斯之书》第一部分（Liber Hermetis,Part I,Berkeley Springs,WV:Golden Hind,1993），英文版译者为罗伯特·佐勒，主编为罗伯特·汉德。《天文学大成》是公元2世纪托勒密的天文学和数学专著，其中提出的地心观点占据统治地位达1200多年，直至哥白尼出现才改变这种状况，因而这本书成为有史以来最有影响力的著作之一。——原注

[13].但丁·阿利吉耶里（1265—1321），一般称为但丁，意大利中世纪诗人，现代意大利语的奠基者，欧洲文艺复兴时代的开拓人物。——译注

[14].威廉·莎士比亚，《十四行诗集》（Sonnets.ed.Thomas Tyler.London:D.Nutt.1890）中的《十四行诗第21首》，可在“莎士比亚在线”（Shakespeare Online）上找到。此处译文节选自梁宗岱译本。——译注

[15].珀西·比希·雪莱（1792—1822），英国浪漫主义诗人。《麦布女王》（Queen Mab）是他于1813年发表的叙事长诗。此处译文节选自上海译文出版社于1983年出版的邵洵美译本。——译注

[16].珀西·比希·雪莱，《麦布女王：一首哲理诗》（Queen Mab:A Philosophical Poem.New York:William Baldwin.1821），第46页。——原注

[17].罗伯特·米切尔，《“这是你适宜的神庙”：雪莱的〈麦布女王〉中的科学、技术和虚构》（‘Here is thy fitting Temple':Science,Technology and Fiction in Shelley's Queen Mab）,《网上的浪漫主义》（Romanticism on the Net）特刊，《浪漫主义与科幻小说》（Romanticism and Science Fictions）第21期（2001年2月）。——原注

[18].A.爱因斯坦，《论广义相对论的宇宙学问题》（Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitatstheorie）,《普鲁士皇家科学院院刊》（Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften 1,1917），第142～152页，由W.佩雷特和G.B.杰弗里翻译成英文“Cosmological Considerations of the General Theory of Relativity”（《广义相对论的宇宙学考量》）发表在H.A.洛伦兹、爱因斯坦、H.闵可夫斯基和H.外尔所著的《相对论原理》（The Principle of Relativity,New York:Dover,1952）第175～188页。——原注

[19].A.爱因斯坦，《宇宙学考量》，第188页。爱因斯坦后来显然宣称这个数学项（即宇宙学常数）是他“最大的错误”。此话的准确来源多少有些模糊不清。参见马里奥·利维奥所著的，《绝妙的失误：从达尔文到爱因斯坦——伟大科学家们所犯的重大错误，它们改变了我们对于生命和宇宙的理解》（Brilliant Blunders:From Darwin to Einstein——Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe,New York:Simon and Schuster,2013），第233页。——原注

[20].威廉·德西特（1872—1934），荷兰数学家、物理学家和天文学家，在宇宙学方面有重大贡献。——译注

[21].莱特曼，《发现》，第230～232页。——原注

[22].维斯托·梅尔文·斯里弗（1875—1969），美国天文学家，他首先利用恒星光谱测量邻近星系的速度，从而为宇宙膨胀提供了最早的观测证据。——译注

[23].亚历山大·弗里德曼（1888—1925），俄国数学家、气象学家、宇宙学家，他是用数学方式提出宇宙模型的第一人。——译注

[24].乔治·勒梅特（1894—1966），比利时天文学家，他首先提出了宇宙膨胀理论以及宇宙大爆炸理论，推导出哈勃定律，并估算出哈勃常数。——译注

[25].乔治·勒梅特，《用质量恒定、半径不断增大的均匀宇宙解释银河系外星云的径向速度》（Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques）,《布鲁塞尔科学学会年刊》（Annales de la Société Scientifique de Bruxelles,47A,1927,p.49-59），英文译文“A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing Radius Accounting for the Radial Velocity of Extra-galactic Nebulae”,《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Astronomical Society）1931年，第91卷，第483～490页，引言出自第489页。——原注

[26].亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士（1882—1944），英国天体物理学家、数学家，他最早用英语介绍爱因斯坦的广义相对论。——译注

[27].威廉·克兰奇·邦德（1789—1859），美国天文学家，哈佛大学天文台首任台长。——译注

[28].约翰·亚当斯·惠普尔（1822—1891），美国发明家、早期摄影家。——译注

[29].威廉·赫歇尔（1738—1822），英国天文学家、作曲家，天王星的发现者。约翰·赫歇尔1792—1871），英国数学家、天文学家、化学家、发明家，对摄影术的发展做出了许多贡献。——译注

[30].迪奥尼修斯·拉德纳（1793—1859），爱尔兰科普作家。他主编的《珍藏版百科全书》（Cabinet Cyclopaedia）共有133卷。——译注

[31].查尔斯·达尔文写给W.D.福克斯的信，1851年2月15日，可在《达尔文通信项目》（Darwin Correspondence Project）中找到。——原注

[32].爱德华·皮克林（1846—1919），美国天文学家，光谱双星的发现者，1876—1918年担任哈佛大学天文台台长。——译注

[33].亨丽埃塔·斯旺·勒维特（1868—1921），美国天文学家，她发现了造父变星光度与周期之间的关系，这一关系成为测量遥远天体距离的一种重要方法。——译注

[34].伊曼努尔·康德（1724—1804），德国作家、哲学家，德国古典哲学创始人。——译注

[35].此书有上海人民出版社、上海译文出版社和北京大学出版社等多个中译本，书名均译为《宇宙发展史概论》。——译注

[36].伊曼努尔·康德，《自然通史和天体论》（Allgemeine Naurgeschichte und Theorie des Himmels,Königsberg:Petersen,1755）第一部分。哈勃本人在他的《星云之境》（Realm of the Nebulae,New Haven:Yale University Press,1982）一书第23～25页将此段译为英文。——原注

[37].西里曼纪念讲座系列是耶鲁大学自1901年开始并集结出版的一些列讲座。——译注

[38].哈勃，《星云之境》，第23页。——原注

[39].芭芭拉·L.维尔特，《皮克林的闺房》（Pickering's Harem,Isis 73 （1982）:94）。——原注

[40].“苍蝇拍底板”是一块只包含一颗恒星的小底板，用于在天文照相底板上移动，与各恒星比较大小以估算其亮度。由于这块小底板装有一根长手柄，形似苍蝇拍，因而得名。——译注

[41].莱特曼，《发现》，第111～126页；亨丽埃塔·勒维特，《小麦哲伦星云中的25颗变星的周期》（Periods of 25 Variable Stars in the Small Magellanic Cloud），这篇文章的署名为爱德华·C.皮克林，《哈佛大学天文台通告》（Harvard College Observatory Circular），第173期，1912年3月3日。——原注

[42].哈罗·沙普利（1885——1972），美国天文学家，主要从事球状星团和造父变星的研究，他提出太阳系不在银河系中心，而是在银河系的边缘。——译注

[43].哈罗·沙普利，《球状星团与银河系结构》（Globular Clusters and the Structure of the Galactic System）,《太平洋天文学会会刊》（Publications of the Astronomical Society of the Pacific），第173期，1912年3月3日。——原注

[44].卡内基科学研究所是一个资助和支持科学研究的机构，由钢铁大王安德鲁·卡内基（1835—1919）于1902年建立，总部位于美国华盛顿特区。——译注

[45].天文学向西部的转移在罗伯特·W.史密斯的《埃德温·P.哈勃以及宇宙学的转变》（Edwin P.Hubble and the Transformation）中有更为详细的描述，《今日物理学》（Physics Today）,1990年4月，第52～58页。——原注

[46].赫伯·柯蒂斯（1872—1942），美国天文学家。他认为观测到的旋涡星云是在银河系外、与银河系相似的恒星系统，并就此问题在1920年与沙普利进行了一场著名的辩论，史称“沙普利-柯蒂斯之争”。——译注

[47].关于哈勃及其对科学同僚们的所作所为（兼具竞争性与合作性）的详细叙述，可参见巴图夏克的《我们发现宇宙的那一天》第169～250页以及莱特曼的《发现》第236～240页。哈勃在《星云之境》中描述了他自己的研究工作。——原注

[48].1光年是指光在一年中行进的距离。假定光速为30万千米/秒，1光年相当于大约9.7万亿千米。——原注

[49].哈勃，《星云之境》，第23页。——原注

[50].史密斯，《埃德温·P.哈勃》（Edwin P.Hubble），第57页。——原注

[51].乔治·W.格雷，《看不见的东西》（Invisible Stuff），刊于《大西洋月刊》,1931年7月，第47～56页。——原注

[52].詹姆斯·斯托克利，《爱丁顿描画膨胀宇宙》（Eddington Pictures Expanding Universe）,《纽约时报》,1932年9月7日。——原注

[53].埃德温·哈勃，《红移对星云分布的影响》（Effects of Redshift on the Distribution of Nebulae），刊于《天体物理学杂志》1936年第84卷第517～554页，该引文出现在第517页。——原注

[54].科马克·奥莱费尔泰、布兰登·麦卡恩、维纳尔·那姆和西蒙·米顿《爱因斯坦的稳态理论：一种被抛弃的宇宙模型》（Einstein's Steady State Theory:An Abandoned Model of the Cosmos）,《欧洲物理期刊H》（European Physical Journal H）,2014年第39卷，第353～367页。——原注

[55].英国皇家天文学会乔治·达尔文演讲以英国天文学家、数学家乔治·达尔文（1845—1912）的名字命名，每年举行一次，演讲者为英国国内或国外的著名天文学家。——译注

[56].乔治·伽莫夫（1904—1968），俄裔美国物理学家、宇宙学家，以倡导宇宙起源于“大爆炸”的理论闻名，对分子遗传学也做出过贡献。他还是一位杰出的科普作家，共出版过18部科普作品，其中许多风靡全球，并于1956年获得联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。他的《物理世界奇遇记》（The New World of Mr.Tompkins）、《从一到无穷大》（One Two Three ...Infinity）等均有中译本。——译注

[57].弗雷德·霍伊尔，英国广播公司无线电广播节目，1949年3月28日，重刊于《听者》（Listener）周刊，第41卷，1949年4月7日，第568页。——原注

[58].弗雷德·霍伊尔，《再论稳态宇宙学》（Steady State Cosmology Revisited），发表于《宇宙学与天体物理：托马斯·戈尔德纪念文集》（Cosmology and Astrophysics:Essays in Honor of Thomas Gold,ed.Yervant Terzian and Elizabeth M.Bilson,Ithaca:Cornell University Press,1982），第51页。——原注

[59].赫尔奇·克劳的《宇宙学及论战：两种宇宙理论的历史发展》（Cosmology and Controversy:The Historical Development of Two Theories of the Universe,Princeton:Princeton University Press,1996）。——原注

第3章 黑暗的中心：黑洞成真

黑洞是宇宙中质量最大、最致密的天体，为我们的想象提供了丰富的素材。比如日本高桥留美子的系列漫画《犬夜叉》，其中的人物弥勒手中带有一个黑洞之咒。他从一位祖先那里继承了这个诅咒，确保任何与他的手相接触的物质都会在瞬间被猛烈地吸进一个名为“风穴”的空洞。每过一年，他的黑洞都会增长，从而产生吸入并杀死弥勒自己的威胁[1]。一个神秘物体消灭沿途的一切，这一骇人景象是一种常见的比喻。在2008年的金融危机之后，大众传媒将华尔街描述为黑洞，而浏览《纽约时报》的一些文章时也可以看到，在描述恐怖主义监视名单和米特·罗姆尼[2]的财务状况时都用到了黑洞一词，暗指在这些主题上完全没有任何信息。

正如我们已经看到的，接受以太阳为中心的太阳系和膨胀宇宙这些概念的旅程并不是一帆风顺的。接受黑洞的路径也与此类同，从奇异的数学实体变成被人们接受的理论，变成出现在大众文化中的片断。

在天文学中，黑洞是一个有去无回的物理位置。不过，没有人能完全确定是谁率先使用这个术语来指代这些天体物理中的异类。科学作家玛西亚·巴图夏克在追踪其应用时注意到，虽然物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒[3]并没有声称过是他始创了这个术语，但相当确定的是他令这种用法得到普及并具备合法性[4]。1964年，他在美国科学促进会的一次会议上所做的报告中使用了这一术语。它就这样沿用下来了。

如今我们知道黑洞即使不是存在于所有星系的中央，也存在于大多数星系的中央。我们自己的银河系就怀抱着这样一个黑洞，其质量是我们太阳质量的400万倍。在更遥远的地方，那些活动的、不断增大的黑洞产生的深层引力吸入不断流入的发光气体，致使它们表现为可见的类星体，这是早期宇宙中一些最为明亮的灯塔。类星体从宇宙刚满目前年龄的1%时就已可见。通过对于邻近星系的一次几近完成的普查，我们发现这些常常沉默无声的怪物潜藏在星系中央，仅仅通过它们对灾星系最内部区域沿轨道运行的那些恒星的引力牵引才揭示出其存在。这些休眠的（不活动的）黑洞所产生的巨大引力甚至常常会将任何不由自主地移动到其影响范围内的恒星扯碎。所幸，我们的太阳系距离银河系中心太遥远，因此我们无法感知中心黑洞的存在，也不会受其影响。

天文学者们如今认为，黑洞尽管有着各种奇异的行为，但仍是由用于描述恒星演化的标准物理学所得出的一个必然结果。恒星演化理论预言，诞生时质量是太阳质量的15～20倍的那些恒星在耗尽它们的氢燃料供给后，就会结束它们的生命而成为黑洞。黑洞也许有着一些奇异的属性，但它们是宇宙的重要组成部分，在星系的集结和演化中起着重大作用。

黑洞这个术语曾经还只是用来比喻灭亡，它们的概念曾经更多地依赖于想象而不是探测，那么就让我们从此时来开始讲述黑洞的故事。我们先来到18世纪初的英格兰剑桥大学。当时剑桥大学和牛津大学都与英国圣公会紧密联系在一起，它们代表性的学生要么来自拥有地产的乡绅阶级，要么来自神职人员。这种关系可归因于所有毕业生都必须签署《三十九条信纲》（圣公会信仰的声明）这一要求。于是，大多数毕业生最终都加入教会也就不足为奇了[5]。有这样一位才华横溢的毕业生，他想象存在着一些恒星，光线可能无法从这些恒星逃逸，而我们的故事正是从他开始的。

1783年，当英国乡村牧师约翰·米契尔首度提出“暗星”的想法时，他绝不可能想象到我们有一天竟会探测到它们。出生于1724年的米契尔是一位博学广识的人，他曾在剑桥大学学习，后来又在那里教授希伯来语、希腊语、数学和地质学。尽管没有他的任何肖像存世，但是一位与他同时代的人是这样描述他的：“身材矮小，肤色黝黑，而且还很胖。”作为一名教士，他从剑桥移居到利兹市附近的桑希尔的一个教区。尽管他有着宗教信仰并负有宗教职责，但他实际上处于科学最前沿，并且因独创性而声名远播，以至于当时许多活跃的科学家（如本杰明·富兰克林[6]和亨利·卡文迪许[7]等人）都拜访过他，并与他保持着定期的通信。他们可讨论的事情很多。米契尔的科学贡献包括：描述磁场强度，并建立起一种理论来解释地震如何在地球表面通过断层传播。这项地震学研究导致他于1760年入选英国皇家学会。虽然他作为一位自然哲学家取得了这些成就，但他的名气仍然不如他同时代的人，这是因为他没有充分宣传自己的想法[8]。

正如牛顿曾假定过的那样，他也把光看成粒子或者“微粒”。米契尔提出，大质量恒星在引力作用下吸引光粒子并使其减速，这非常像它们吸引其他途径的天体，比如说彗星。由于恒星的质量越大，它的引力就越强，因此他提出，一些极端大质量恒星也许会使光完全停下来。在1783年11月27日写给亨利·卡文迪许的一封信中，米契尔预料这样的“暗星”只能通过它们对于围绕其转动的天体所造成的影响才能被观察到。他随后在《伦敦皇家学会哲学学报》（Philosophical Transactions of the Royal Society of London）的一篇论文中发表了自己的想法，这是黑洞研究方面的一个牛顿学派式先驱。米契尔并不是唯一持有这种观点的人。13年后，法国数学家皮埃尔西蒙·拉普拉斯[9]在《宇宙系统论》（Exposition du système du monde,1796）中提出了一种相似的概念，其结论是：“由于这个缘故，宇宙中最大的那些发光物体可能是不可见的。”然而当牛顿的光的微粒说不再受到青睐以后，暗星的理念也就遭遇了同样的命运。事实上，拉普拉斯那本书后来的几版中都完全删去了关于暗星的讨论[10]。

复兴这样一种天体的想法需要150年的时间，还需要爱因斯坦的广义相对论。广义相对论是从一个更简单的想法发展起来的。1905年，爱因斯坦提出和认定了狭义相对论。他的结论是：任何东西的速率都低于光速。这一普适的速度上限有着深刻的内涵。举例来说，它设定了任何物质或信息能够前进的最大速率。它还在物质和能量之间建立起等价性，总结成那个著名的公式就是E=mc2。不过，爱因斯坦于1915年提出的广义相对论（它深刻转变了我们对于质量、引力和空间的理解）才使黑洞重新得到接纳[11]。广义相对论的数学精确性使人们能够以一种全新的方式来把现实形象化地表示出来。正如我们在前一章中已经看到的，在它的引导下创造出了一种新的宇宙模型，这是自牛顿以来的第一次重大修正。不过令爱因斯坦大为沮丧的是，他的广义相对论也容许黑洞存在。

冒着将爱因斯坦描绘成一位不屈不挠的倔老头的危险，我们必须提一下，正如他抗拒膨胀宇宙的概念那样，他也痛恨黑洞的理念。物理学家们对于爱因斯坦百分之百的钦佩之情，部分出于他创造性地建立起了整个广义相对论，不是为任何观测现象提供一种解释，而是作为一种自给自足的、从根本上来说是全新的引力理论。这是物理学中理论能够达到的最纯粹的境界。广义相对论是对于思辨思维的力量以及深层次数学理解的可能性的致敬。这一理论提供了对引力（即保持太阳系和整个宇宙的神秘吸引力）本质的深刻洞见。在爱因斯坦的整个科学生涯中，有一种寻找自然界中的简单性和统一性的动力一直在激励着他。事实证明，正是这同一种哲学倾向偶尔也会成为一种障碍，当复杂性出现时会阻碍他去接受它们，甚至在他自己的理论和工作中也是如此。黑洞的情况就是这样。

爱因斯坦的理论在数学上是优美的，并且不依任何科学观测而定，不过它也确实做出了数个可测试的预言。由于广义相对论最初遥遥领先于任何观测事实或应用，因此在它的正确性得到验证之后，这种理论就变成了一个多少有点了无生机的课题，脱离了科学研究的主流。爱因斯坦的理论虽然对于天文学具有重大意义，但是在20世纪初，它与既有物质对象之间似乎最多也只能说是存在着微弱的联系。尽管广义相对论在其诞生后的10年内被成功地用于描述宇宙的各项整体性质，但是在相当长的一段时间里，用广义相对论来解释致密天体的需要并没有浮现出来。由于这种理论的各种观测效应都很小，除非是研究对象具有极大引力的情况。因此，直到天文学家们发现像中子星、脉冲星和类星体之类的奇异天体以后，它的全部解释力才被揭示出来。20世纪60年代，当天文学家们在宇宙中探测到这些重量级天体时，爱因斯坦的理论早已稳固就位，准备好去解释它们的各种性质了。

如今，黑洞存在的一些最令人信服的证据来自旋涡星系NGC 4258。在NGC 4258内部，有一个质量大约比太阳大4000万倍的黑洞。为了给出一个尺度的感觉，天文学家们利用无线电波去勘测这个星系的最内部区域时，揭示出一个盘，它似乎很可能是正在以涡旋形下落进入黑洞的气体的一个储气库。这个盘如此之宽，以至于光要花费一年时间才能横越过它（如果期间没有被俘获的话）。类似质量的黑洞暗藏在许多近邻星系的中心，它们在那里影响着其周围恒星的运动。在那些最为明亮的星系中心，据推断存在着质量大约为太阳10亿倍的超大质量黑洞[12]。

为了充分理解黑洞为什么以及怎么具有它们的这些性质，我们需要按照爱因斯坦的阐释去理解引力。引力是一种普遍存在的力，尽管就各种力而言它并不算很强，但是没有任何东西能够逃脱它的掌控，无论恒星、行星或星系都是如此。牛顿首先理解引力的吸引力本质，而且也知道了它不仅是将我们控制在地球上的原因，也是将行星维持在其轨道上的原因。一个物体质量越大、越致密，它的引力就越强。由于黑洞质量很大，并且极其致密，因此它们产生宇宙中最强的引力。正如你可能会记得在高中物理课中学到的知识，我们将脱离一个物体的引力所需要的速率称为它的逃逸速度。假如一枚火箭要逃离地球的引力，那么它的速度就需要达到令人印象极其深刻的4万千米/小时。这是从美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角、哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场和印度的斯里赫里戈达岛[13]航天发射基地发射人造卫星时，火箭助推器所提供的速度。相比之下，太阳的质量大约是地球质量的33万倍，其逃逸速度约大100倍，为400万千米/小时左右——约为光速的1/250。当一个物体的逃逸速率等于或超过光速时会发生什么呢？当米契尔试图理解光从恒星向外传播的过程时，这个问题令他迷惑不解。其答案是：黑洞。甚至反射光也不会泄露黑洞的存在。它们也不仅仅是由于极端光线弯曲而被隐匿的恒星，它们的强大引力改变了空间的形状，并奇异地中断了它们邻近区域的时间流动。这就是为什么要理解黑洞，我们就需要像爱因斯坦那样去思考。

爱因斯坦于1905年发表在《物理学年鉴》上的那篇论文产生了重大的影响，其中包含一条非凡的洞见[14]。在这里，爱因斯坦提供了一种深刻的新理论，从而完全重构了我们对于质量、引力和空间之间的联系的理解。牛顿将引力视为一种吸引力，它在任何有质量的物体之间瞬间传输，但狭义相对论的普适速率限制使瞬间传输不可能发生。与此相反，根据广义相对论，具有质量的物体会产生引力场，而这个引力场又转而与空间的形状相关。在这一图像中，最好不要将引力理解为一种拉力，而是空间本身的一种扭曲，由此改变其他物体在该质量周围产生响应而发生的约束运动的方式。这一理念的中心思想是有关时空的概念。整个宇宙及其中的所有内含物——星系、恒星和行星——都栖息于时空之中。我们可以将时空想象成一个薄层，质量在这个薄层上制造出凹坑，从而影响运动以及时间流动。另一种想象时空的方法是将它设想为一幅景观画，就像一幅地形图，质量所在的地方就形成了山谷。

从牛顿的引力到爱因斯坦的广义相对论，其中的飞跃是科学中罕见的归纳推理实例之一。尽管爱因斯坦并没有受到观测的启发，但是他的纯理论做出了一些具体的、可验证的预言，这些预言有助于对它做出评估，并确立其有效性。这一点也许看起来不熟悉，因为相比之下，通常观测与理论之间的联系是：将理论用公式表述出来，而通过演绎推理去解释观测事实。

按照爱因斯坦广义相对论的预言，质量和致密性越来越大的物体在时空中造成的扭曲越大。

广义相对论预言了引力透镜：由于质量造成空间扭曲，光线沿着这种扭曲传播，因此就发生了弯曲。当地球和太阳在日食期间排成一线时，由于它们的质量所导致的凹坑就会更深，从而使光线的弯曲变得可以观测到。天文学家埃尔文·芬利-弗伦德里希（1885－1964）提出了验证广义相对论的第一个实验，方法是观测星光在日全食期间的弯曲。在提出进行这项天文观测的建议时，他通知爱因斯坦说，下一次可观测日全食会发生在1914年夏，从克里米亚可以看到。爱因斯坦甚至还协助为这次远征筹措资金。探险队在那年初夏出发，但第一次世界大战的爆发终止了这次探索。令持有和平主义的爱因斯坦大为震惊的是，敖德萨市的俄国军队逮捕并监禁了随行人员。因此，验证一直被推迟到1919年。在那一年的一次日食期间，英国派出了两支远征队，亚瑟·爱丁顿带领了其中的一支，前去测量近距离经过太阳附近的那些光线路径的偏移量。爱丁顿拍摄并测量了日食期间太阳附近的数颗恒星的位置。来自这些遥远恒星的光线穿过被太阳的引力所扭曲的时空，这些恒星所显示的位置相对于日食前6个月测得的位置发生了偏移。太阳的存在确实使光线发生了偏折，而其偏折量恰好等于爱因斯坦理论的预言。1919年11月6日，爱丁顿向英国皇家学会和皇家天文学会宣布光线弯曲的发现，从而使爱因斯坦一举成名。然而，这一理论的确证不仅仅使爱因斯坦成为偶像，它还开启了对其潜在应用的进一步研究[15]。

用示意图表示引力能够如何弯曲光线，这就是爱丁顿在他1919年的远征期间要做的。结果观察到恒星的真实位置和视位置恰好与爱因斯坦的广义相对论的预言相符。

值得重申的是，广义相对论的提出远早于任何预期的应用，尽管如今它对于理论和应用都是必要的，而且事实上是必不可少的。这些应用包括手机上的全球定位系统（GPS）和帮助我们在火星表面降落一架探测车的计算。

虽然牛顿的引力定律为物体如何下落到地面提供了一种精确的描述，但是我们现在知道他的描述并不完全或全面。例如，牛顿的定律无法描述粒子在最小的原子尺度上或者在宇宙中最大的尺度上的运动。为了理解这些，我们需要遵从爱因斯坦对引力的阐述。他不可能预期到，我们如今要依赖他的广义相对论来找到自己的方位。GPS技术完全建立在爱因斯坦式引力的基础之上。现在在地球上确定精确位置及导航之所以成为可能，是由于24颗卫星构成的队列在围绕着我们这颗行星沿轨道运行，其中每颗卫星上都载有一个目前可达到的最高精度的时钟——原子钟。在地球上，你车里的导航仪中有一个GPS接收器，它从最靠近的那颗卫星接收无线电信号，并与来自另外4颗卫星的信号进行三边测量定位。用这种方法计算你当前位置的精度能达到1米或更小。这项任务绝非易事，因为它要求同时考虑到爱因斯坦的两种理论——狭义相对论和广义相对论所预言的修正。根据狭义相对论，运动的时钟比静止的时钟走得慢，因此，卫星上的时钟就比地面上的时钟走得慢。另一方面，爱因斯坦的广义相对论又预言，在地球上方深陷于其引力场中的时钟做圆周运动时应该会走得更快。这是由于这样一个事实：引力使空间弯曲，并且改变时间的流动。这两种相互抵触的效应结合起来，导致沿轨道运行的时钟会稍微走得快一点——大约每天40微秒。尽管这一修正看起来也许非常微小，但是它对于定位精度有着重大影响。如果没有进行这一修正，你也许想去曼哈顿，结果却到了新泽西[16]！爱因斯坦的这些理论并未使牛顿的引力概念失效，两者都有各自的有效域。每种理论都在特定的辖区中有自己的一席之地，并且对此提供充分而精确的描述。正如爱因斯坦曾经说过的：“一种物理理论最美好的命运就是为建立一种更加包容的理论指明道路，而前者在这种理论中只是以一种极限情况存在。”牛顿指明了引力的普适性，爱因斯坦的理论从时空弯曲的角度解释了为什么是这样[17]。例如，在太阳系内部，广义相对论所预言的和牛顿理论所预言的偏离量是很小的，大约为百万分之一。

正如在太阳系的分布图中所发现的，那些不规则的行星运动再次发挥了作用。爱因斯坦认为，他的理论所产生的另一种可测试、可观测的推断会是水星轨道的进动。太阳系中各行星的运动是沿着崎岖不平的时空结构颠簸前进的。由于水星最靠近太阳，因此由太阳引力产生的时空凹坑对它的影响要比那些距离较远的行星更为剧烈。这导致其轨道产生了微小但可以测量的反常现象，而结果发现这些现象与爱因斯坦的预言是一致的。最近，航天探测器所进行的精确实验以极高的精度证实了广义相对论的这一关键预言——水星轨道的微调。

然而，爱因斯坦并不相信描述引力的广义相对论场方程组会容许任何简单的解。但是在1915年，德国物理学家卡尔·史瓦西（1873－1916）为一种特例找到了一个精确解，这种特例是一个体积很小但质量很大的物体周围的时空。这个解描述了空间形状的扭曲或改变，即一个质点周围的凹坑，而这个质点就是黑洞。从此以后，物理学家们已为爱因斯坦的场方程组找到数个其他精确解。正如我们在前一章中看到的，亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特推导出了另一个解，这个解明示了时空（意即整个宇宙）在膨胀。一直到了1963年，相对论学者罗伊·克尔（1934－）找到了一个描述旋转黑洞的解[18]。史瓦西的黑洞解尽管从数学上是精确的（并不是一个近似解），但对于物理学家们而言却相当古怪且不直观。这个解的怪异之处在于，黑洞包裹着一个奇点，在这个奇点处，我们所知道的物理定律都失效了，不再成立。史瓦西解的另一个奇异特征是，在黑洞的可见与不可见之间存在着一条边界，即如今所谓的“事件视界”或“史瓦西半径 ”。这条边界标定了一个有去无回的点。任何穿过黑洞事件视界的物体或光信号都将永远消失，再也无法收回了。此外，这条边界精确地出现在正比于3倍黑洞质量的半径处。因此，黑洞越大，这个半径也就越大。物理学家们将史瓦西解（包括其一个事件视界和一个隐藏的奇点这些特征在内）看成一种数学上的奇特性——极其肯定它不会代表任何可能存在的真实物体。

黑洞令物理学家们感到难以接受的关键原因之一在于奇点的本质十分成问题。奇点具有挑战性是由于它们的存在对这些理论的极限给出了测试，并且它还指示出一个我们的直觉也不再有用的领域。物理学家们仍然不得不容忍奇点这个令人不安的概念，这是因为他们明白，考虑到黑洞周围时空凹坑的急剧变化度，这是不可避免的。这是一个无法规避的限制，但物理学家们也希望通过构想出一种统一理论，将最小尺度的物理学（即量子力学）与引力综合起来，从而来克服这一限制。数辈物理学家（包括爱因斯坦和爱丁顿在内）都曾梦想过这样一种终极理论，即所谓的万有理论 ，然而这种理论仍然还是难以捉摸的。不过，搞清楚奇点存在于内部而不在视界上这是一个重大突破，因为这为黑洞实际上是如何形成的（例如在恒星坍缩的最后阶段）提供了线索。

一个黑洞及其事件视界的示意图，其中明示了靠近的光线的命运。这些光线的弯曲和被俘获取决于它们的入侵处相对于事件视界的位置。

从一颗垂死的恒星通往黑洞的道路还需要进一步的解释。想象有一颗典型的所谓主序星，比如我们的太阳，其内部极端炽热，温度达1500万摄氏度，比它的发光表面要热得多。它是如此炽热，以至于比原子更小的那些粒子——电子和原子核——都在四处弹跳并不断彼此撞击，这些碰撞在恒星内部产生压强。来自恒星内部的压强与引力效应相互平衡，从而阻止了恒星的自然坍缩。

在恒星中，这样的平衡不可能无限期地延续下去。存在于太阳中心处的能量来源（即将氢转化为氦的核聚变反应堆）保持着开始时各力之间的平衡。不过，一旦核聚变消耗了核心处的所有氢，引力就会赢得这场比赛，从而将核进一步拉向内部。在这一刻，那些更重的化学元素也许会开始聚变，不过最终这颗恒星会耗尽它的所有核燃料并开始冷却。正如所预料的，约50亿年后将会发生的事情是：当引力赢得这场平衡较量时，我们的太阳就会冷却下来，然后变成一颗白矮星。不过，比太阳质量更大的那些恒星的命运会更加奇异，它们继续坍缩，并且收缩程度要大得多，从而要么变成一颗中子星，要么变成一个黑洞。

恒星演化各阶段示意图。根据恒星初始质量的不同，恒星演化理论预言其终点会是一颗白矮星、一颗中子星或一个黑洞。

重新引起人们对黑洞兴趣的推动力来自理论天体物理学家苏布拉马尼安·钱德拉塞卡[19]（也称为钱德拉）的研究工作。1930年，他在从印度马德拉斯去往英国剑桥大学三一学院学习的途中得出了他关于黑洞的那些想法。他计算出在某些特殊情况下，在恒星演化末期，当为核聚变提供能量的所有燃料都耗尽后，恒星的最终结局可能是形成一个极端致密的天体。钱德拉的计算明确显示了某些恒星会抵达这一令人不安的终点，变成一个无限小而又无限致密的实体——奇点，也就是我们现在所谓的黑洞。钱德拉将两种基本理论——广义相对论和量子力学——紧密结合在一起，从而推导出恒星会发生内爆并转化成黑洞的极限质量。不过，他的整个恒星死亡模型都存在过强烈的反对意见，而不仅仅是反对黑洞可能会形成这一结论。后来的工作扩展了钱德拉的模型，发现初始质量比太阳质量大1.4～3倍的那些恒星最终会成为中子星，而质量比太阳大10～25倍的那些恒星最终就会变成黑洞。

星系NGC 4258的多波段复合视图，这个星系中寄宿着一个质量为太阳40亿倍的黑洞。由钱德拉X射线望远镜（CXC）的X射线数据、哈勃空间望远镜的一幅光学图像、斯皮策空间望远镜的一幅红外图像和卡尔·G.詹斯基甚大天线阵的一幅射电图像综合而成。（见彩图1）

[图像由以下单位提供：NASA/CXC/Caltech/P.Ogle et al.（X射线）、NASA/STScI和R.Gendler（光学）、NASA/JPL-Caltech（红外）、NSF/NRAO/VLA（射电）。]

银河系中心的恒星轨道。由安德里亚·盖兹教授和她在加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究团队用K.M.凯克望远镜获得的数据集构作而成。

（见彩图2）

（图片由加州大学洛杉矶分校银河系中心研究小组、K.M.凯克天文台激光团队提供。）

蟹状星云：上图为哈勃空间望远镜拍摄的图像，下图为钱德拉望远镜拍摄的X射线图像。

（见彩图3）

[图像由以下单位提供：NASA、ESA以及亚利桑那州立大学的J.海斯特和 A.洛尔（哈勃图像）;NASA/CXC/SAO（钱德拉图像）。]

太阳光谱中的夫琅禾费谱线。这些吸收线表明太阳中存在着各种化学元素，也表示它们具有独一无二的光谱特征。

（见彩图4）

哈勃空间望远镜拍摄的两个引力透镜的图像。

哈勃空间望远镜拍摄的两个引力透镜的图像（续）。

由前至后：大质量透镜星系团Abell 2218，图中充满了大量由于引力透镜效应而产生的弧形图像；近期的哈勃前沿视场计划于2014年拍摄的透镜星系团MACS0416的深空图像；重现的MACS0416暗物质分布图，用叠加在哈勃图像上的蓝色部分表示。

（见彩图5）

（Abell 2218图像NASA、 ESA、加州理工学院的理查德·艾利斯以及法国马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯提供；MACS0416前沿视场图像由ESA/哈勃空间望远镜、NASA、 HST前沿视场计划、 J.洛茨 、M.芒廷、 A.库克穆尔、HFF团队等提供；MACS0416暗物质分布图由英国杜伦大学的马蒂尔德和瑞士洛桑联邦理工学院的珍-保罗·克内勃提供。）

COBE卫星探测到的宇宙微波背景辐射分布图——在微波波段测量到的天空温度起伏，图中布满了热斑（粉色像素）和冷斑（蓝色像素）。

（图片由NASA/GSFC提供。）

（见彩图6）

COBE、WMAP和普朗克卫星探测到的宇宙微波背景辐射起伏的分辨率比较。

（图片由NASA/GSFC提供。）

（见彩图7）

英国海岸线的直观表示，以此来演示COBE、WMAP和普朗克卫星所创建的微波背景起伏分布图的分辨率差异。

（图片由伦敦大学学院的奥雷利安·伯努瓦-莱维提供，其中采用的数据来自美国国家海洋和大气局以及国家地球物理数据中心。）

具有讽刺意味的是，在知识层面上对于钱德拉的这些想法最致命的反对意见来自他的同僚爱丁顿，而爱丁顿是爱因斯坦广义相对论的早期证实者和支持者。我们可以想象，如果某人对于接受广义相对论这种变革性理念具有如此开放的态度，并且在证明它的过程中发挥了这么大的作用，那么他本该对钱德拉的这些结论产生更大的热情。然而，钱德拉的计算对爱丁顿感兴趣的研究造成了巨大的抵触。爱丁顿当时已经建立起了他自己的理论，同样也是将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来，用以计算恒星在其自身引力作用下坍缩时会发生什么。他将这种大胆的新理论视为自己毕生工作的巅峰，他的这份遗产会将宇宙中的最大尺度和最小尺度（亚原子世界）结合在一起。他的概念中并没有包括黑洞。爱丁顿确实认为一颗小的、致密的恒星会对其周围的空间造成非常大的扭曲，以至于它会阻止光线逃逸出去，但他又猜测这个奇异的物体和深凹坑会简单地消失，而且用他的话来说是“无处存身”。奇点的概念如此令人生厌，甚至连爱因斯坦都错误地认为黑洞不会形成，他认为必定有某种机制会使一颗正在坍缩的恒星在到达没有回头路的那一点之前稳定下来。他和爱丁顿都坚信，自然界就是不会允许恒星遭遇这样一种有悖常理的命运[20]。他们将黑洞的概念视为一种瑕疵，需要将它从理论中切除，而不是作为一个无法避免的且可以测试的成果。

在一次著名的对决中，爱丁顿在英国皇家天文学会1935年的一次会议上出人意表地向钱德拉发起猛攻。他早已得知钱德拉的计算，因为他们俩都是剑桥大学三一学院的成员，并且时常讨论科学。不过，他在那些讨论中并没有发动过他的反对攻势。相反，爱丁顿作为剑桥大学天文台台长，在知识分子中是很有权势的，于是他选择在一次公开会议上表达他的反对意见，那是每月一次英国所有显赫的天文学家齐聚一堂的会议。在那决定性的一天，即1935年1月11日，钱德拉递交了他的论文，其中的一张图明示了超过某一质量的恒星的命运，它们会遗留下独特的、奇异的尸体——黑洞。在介绍完这种革命性的新理念后，他希望在他之后发言的爱丁顿会支持和赞同他的断言。毕竟，在这次会议之前他们讨论过钱德拉的理论。此外，爱丁顿还曾是他获取博士学位口试时的考官之一，而且以前也一直充满热情。令钱德拉震惊的是，爱丁顿以他惯常的雄辩和权威猛烈抨击这种理念，宣称它至多不过是油滑的数学而已，与现实毫无瓜葛。他的这些异议并没有根据，但是由于这次会议很正式，因此钱德拉没有机会对这种批评做出反应。尽管当时许多其他物理学家[包括钱德拉的论文导师拉尔夫·H.福勒（1889－1944）、莱昂·罗森菲尔德（1904－1974）、沃尔夫冈·泡利（1900－1958）、保罗·狄拉克（1902－1984）和比尔·麦克雷]都在听众之中，并在知识层面上支持钱德拉，但是他们却不敢在这样一个公共论坛上反对爱丁顿。对于钱德拉而言，这是他强烈地感觉遭到背叛的一刻。他感到羞辱，觉得他的论文导师福勒及更大面上的英国物理学界都不支持他。不过，当时最显赫的3位物理学家——狄拉克、鲁道夫·佩尔斯（1907－1995）和莫里斯·普莱斯（1913－2003）在1942年合写了一篇重要的论文支持他的观点[21]。

亚瑟·I.米勒在他的《恒星帝国》一书中，为这个戏剧性的故事提供了尖锐、深刻而详细的叙述。这段插曲、它的余波以及钱德拉与以爱丁顿为代表的当权派作斗争的故事被米勒描述为一个案例研究，展示了科学如何运作，以及各种想法之间的冲突如何落幕。卡迈什瓦尔·C.瓦利为钱德拉所撰写的详细传记时间跨度涵盖了他的童年及整个科学生涯，其中也讨论了这段插曲及其对钱德拉造成的持久影响。与此同时，这对于我们而言也是很重要的一个事例，说明有时会有复杂的个人利害关系介入科学，取代知识上的利害关系。爱丁顿的反对意见源自于他个人对于奇点的厌恶，源自于钱德拉的工作对他自己视为传世遗产的模型所造成的威胁，这两者在任何知识层面上都站不住脚。尽管这场论战对钱德拉造成了一些深远的影响，但他和爱丁顿仍然维持着友好的私交，纵使其中带着尴尬的气氛。米勒直言不讳地将爱丁顿的行为描述为纯粹是心胸狭窄而导致的表里不一。他还从钱德拉的信件中发现，钱德拉本人也曾诉诸于一些不光彩的手段来发表他那些反驳爱丁顿理论的论文。他试图安抚爱丁顿的主要竞争对手之一、物理学家詹姆士·金斯[22]，以获得支持并使他的论文在审稿时受到优待[23]。爱丁顿一直执着于他的理论，也从未交出过他的职位。这两个人都因他们对自己想法的情绪依恋而失去理智。

一如既往，科学中最终决定谁对谁错的总是数据和证据。物理学家马克斯·普朗克[24]在他自己的科学思想受到抗拒时哀叹道：“一种新的科学真理并不是通过说服它的反对者、使他们恍然大悟而取胜的，而是由于反对者们都终将死去，熟悉它的新一代成长起来。”这句话在此例中得到了印证[25]。

最后，命运发生了奇异的扭转，从而证明了钱德拉这些理念的重要性和正确性。在第二次世界大战的军备竞赛期间，计算机的计算结果显示，氢弹在核本质上很像一颗爆炸的恒星，此时物理学家们才认识到钱德拉那些计算的相关性。钱德拉大获全胜，在天文学家们发现中子星从而证实了他的理论后，他赢得了1983年的诺贝尔奖。科学家还在1967年发现了脉冲星，它们相当于恒星中的灯塔。这项发现后不到两年就有研究显示，脉冲星就是快速旋转的中子星，它们的质量等于太阳的质量，但是其致密程度之高相当于原子核的密度。研究发现这种密实程度接近临界密度，恰好处于引力会压垮恒星并导致它坍缩成一个黑洞的边缘状态。这一发现又使天文学界恢复了研究作为引力坍缩的结果而形成的那些致密天体的兴趣。中子星是一种天体物理中的现实存在，这一事实意味着它们的表兄弟黑洞也很可能存在。

由于黑洞不发射任何光线，因此我们无法直接观测到它。但是正如连米契尔都曾提出过的，黑洞可以通过它们对周围物质的作用而“揭示”其本身的存在。因此，当一个黑洞在绕着另一颗恒星沿轨道运行时，它的巨大引力就会从它的邻居那里撕扯气体。注入黑洞的气体迅速发热发光，并以X射线的形式放出辐射。我们已经观察到了这样一些由一颗恒星及其伴随黑洞构成的系统。这些观察到的X射线双星将黑洞推上了被认可的地位。

再延伸下去，当天文学家们发现类星体时，事实变得清晰起来，这些脉冲星的动力来自更加庞大的超大质量黑洞，它们也是在得到其邻近区域的气体供给时发光的。类星体是宇宙中最为明亮的天体。我们已探测到大量此类超大质量黑洞，而我们当前的理解是，每个星系都很可能在其历史上经历过一个这种明亮的类星体阶段：在这段时间内，黑洞在耗尽其能得到的补给之前依靠气体作为其能源。

研究者们在近邻星系和我们的银河系中心识别黑洞的另一种间接方法，是量化它们对于围绕着星系中心沿轨道运行的那些恒星所产生的影响，由此就能够计算出它们的质量。天文学家们如今已描绘出银河系中心黑洞周围的那些恒星轨道，而它们的路径明显揭示出在其中心潜伏着一头巨兽。我们只能获得银河系的这些细节层次，这是因为距离阻碍了我们对星系内部区域的研究，即使对那些邻近星系也是如此。

每一年都有新的迹象。2014年初，一片气体云近距离掠过位于银河系中心的黑洞。在这次邂逅期间，我们预料黑洞会瓦解并吞噬掉这片云。这样一个事件会制造出一次引人注目的、明显可见的闪耀，照亮正在疯狂进食的黑洞。但我们并没有见证到这样一出戏码上演，这片气体云就这样溜之大吉了。对于科学家们而言，这是一个独一无二的机会，可能目击一次对黑洞强大引力的直接检验。事实证明，黑洞的引力对这片气体云产生的影响小于理论推定。因此，这次邂逅的数据就是我们对这片气体云的性质产生了进一步的疑问。尽管这一直接接触的探究并未取得成功，但天文学家们正在寻求用另一种途径来间接获取关于黑洞的更多信息。这个新的、激动人心的项目当前正在进行中，其目标是要用一台新仪器——事件视界望远镜（Event Horizon Telescope,EHT）描绘出位于银河系中心处的那个黑洞。由于黑洞对时空造成的极度弯曲，因此它们不仅影响其邻近区域的光线传播，而且对时间也施加了一种独特的影响。黑洞周围的时空结构所发生的显著变形导致从其近旁掠过的光线发生奇异的反射，在事件视界的边缘制造出一种独一无二的阴影。EHT利用位于墨西哥、智利和德国的数架射电望远镜，在射电波段上描绘银河系中心黑洞周围的阴影。这些广泛散布在各处的望远镜构成网络，其作用相当于一个总集光面积几乎等于地球表面大小的望远镜。这个巧妙的招数会提供可能达到的最锐利的视野去观察黑洞的阴影。描绘这一阴影的形状，包括任何不对称性或伸长度，将会揭示出黑洞的各种特性，例如它是否在自旋。黑洞的自旋是其除了质量以外的关键决定性特征之一。EHT是最新颖、最近期的间接描绘黑洞的方法，不过我们在间接描绘方面的尝试有着悠久的历史。

到现在为止，我们得到最确凿的黑洞证据应归功于发现和认识了X射线。这一切都起始于1895年，备受尊重的实验物理学家、德意志帝国巴伐利亚州维尔茨堡大学物理系主任威廉·伦琴（1845－1923）发现了X射线辐射。他当时的兴趣是想弄清楚近期发现的带负电的阴极射线（即电子束）是粒子还是波。幸亏有了量子力学，我们现在知道它们具有波粒二象性，但伦琴生活在量子力学出现之前的时代。一个星期五的傍晚，他在实验室中工作到很晚，检查阴极射线射到一块荧光屏上的情况。虽然他已经将房间完全弄暗，并将射线管覆盖起来以阻挡所有光线，但他仍然注意到几英尺以外的屏幕上有一个闪烁的斑点。他检查了挂在窗上的遮光窗帘，但它们都严实地遮盖着，没有任何光线从外面闯进实验室。他将一块铅板置于光束经过的路径上，结果除了铅板的影子外，他还看到了自己手上骨头的清晰影像。当天傍晚，即1895年11月8日，伦琴经过进一步的实验后明白，这种被他称为X射线的辐射是阴极射线（即电子）撞击到它们所在的玻璃管壁上时放射出来的。他注意到这些射线极其强大，因为它们可以穿透人类的皮肤，直接对底下的骨头成像。他激动不已，为他妻子安娜·贝莎·伦琴的左手进行了第一次X射线记录，其中显示出了骨架结构和她的婚戒阴影。

安娜·贝莎·伦琴左手的X射线图像，这是最早制作的X射线图像之一。

（图片由德国雷姆沙伊德市伦琴博物馆提供。）

伦琴在继续深入研究后，最终在1896年初发表了他的这些发现，引发了全球性的轰动。当时的主要物理学家之一、第一代开尔文男爵威廉·汤姆森（1824－1907）最初认为伦琴的论文是一个骗局，直到全世界范围内都重复出了这个实验后他才改变想法。伦琴在1901年由于发现X射线而获得首届诺贝尔物理学奖。这项关键的发现最终导致揭开了黑洞在宇宙中的面纱。

X射线是一种极端高能的电磁辐射。电磁波谱由波长从小到非常大的辐射构成，X射线是波谱中最高能的部分，波长最短（其范围为0.1～1纳米）。相比之下，可见光的波长范围为390～700纳米。而作为对照，无线电波的波长最长（1毫米至100千米）。由于人类的视网膜对X射线不敏感，因此我们只能通过使用一些特殊的探测器才能看到它们。

中子星和脉冲星的发现说明恒星演化理论对恒星死亡的预言是正确的，并且黑洞是在某些情况下不可避免的结果。这就最终驱动了对黑洞的观测搜寻。结果证明，自然界早先就提供了一条至关重要的线索：公元1054年，中国人观察到并一丝不苟地记录下了一颗恒星发出的炽烈的临终喘息——一次超新星爆发。宫廷天文学家杨维德向皇帝报告，在金牛座中出现了这颗明亮的新客星。我们今天仍然能看到那次爆发留下的余晖，即蟹状星云。它的原始恒星最终变成了一颗脉冲星，被一个发光的、膨胀着的残骸外壳包围着。

质量小于太阳的那些恒星留下的尸体是一颗白矮星。比太阳更重的那些恒星质量太大，因此在烧尽它们的所有核燃料后无法成为白矮星。这样的恒星具有一个会发生内爆的核，其结果是它们的外层遭到驱逐而成为一颗超新星。这些恒星碎屑中包含着构成我们的所有化学元素。例如，我们骨头里所有的钙都曾经是在恒星的核区中合成的，然后在这些恒星死亡发生超新星爆发期间被吐出来。恒星诞生、演化和死亡的理论预言：一颗大质量恒星内爆后留下的要么是一颗中子星，要么是一个黑洞。当剑桥大学研究生乔丝琳·贝尔（1943－）和她的论文导师安东尼·休伊什（1924－）在1968年发现脉冲星时，这一结论就从理论一跃而成了观测结果。贝尔和休伊什使用剑桥市郊区穆拉德射电天文台的一架新的射电望远镜巡天，发现有一个源正在放射出每1.3秒一次的有规律脉冲。他们在搜寻中发现了更多此类精确的计时器——具有独特规律性周期的“滴答作响的时钟”。弗兰科·帕西尼（1939－2012）和托马斯·戈尔德（第2章中讨论过的稳态宇宙的支持者之一）提出，它们都是正在自旋的中子星。然而，要如此快速地旋转，这些天体就必须达到令人难以置信的致密程度。现在我们知道，脉冲星的旋转速度确实很快，而且它们的脉冲不仅在射电波段有，在X射线波段也有。在贝尔发现脉冲星后不久，天文学家们就注意到蟹状星云中心处的恒星也在发出脉冲，其频率大约是每秒30次。研究者们最终发现了另一种类型的恒星尸体。

发现最为奇异的恒星残迹花费了更长时间。直到20世纪60年代末，天文学家们和研究广义相对论的理论物理学家们最终联手，认真搜寻黑洞的进程才正式开始。又一次，理论和观测之间的合作催化并加强了对证据的追求。理论家雅可夫·泽尔多维奇（1914－1987）和埃德温·萨尔皮特（1924－2008）计算出，一个在太空中四处移动的黑洞会以星系中充满恒星之间区域的气体云和尘埃为其能量来源。他们从理论上推测，这可能会以光的形式提供一种标示，这种光的波长小于可见光，是受到加热的气体和尘埃被猛然吸入黑洞时放射出来的。当一个黑洞由于其强大的引力而从邻近区域吞噬气体时，我们就说它在吸积。天文学家们很快就意识到，要看到这样一个正在进行中的吸积事件，或者说正在摄取的情景，最佳构形会是一个双星系统，其中巨大的黑洞正在缓慢地撕扯开与它相伴的普通恒星。黑洞的拉力将下落气体加热到几千万摄氏度的极端高温，与太阳核区的温度相同。当时已经从理论上知道，处于这些温度下的气体会辐射出X射线。快速且随机的X射线闪烁被认为是存在一个活跃的、正在摄取物质的致密天体（中子星或黑洞）的明确证据。

由于黑洞的强大引力而被加速到接近光速的旋流气体所放射出的X射线揭示出黑洞的存在。我们需要安装在望远镜上的那些具有“X射线之眼”的探测器，才能揭开这些原本人类无法看见的极端高能现象的面纱。这是一项挑战，因为虽然X射线能轻易穿透人类的皮肤，但却不能在地球大气中穿透很远的距离。因此，在地面望远镜上装载对X射线敏感的探测器（类似于埃德温·哈勃用照相底板来捕捉可见光那样的方法）纯属徒然。要向宇宙打开X射线的窗户，探测器就必须以某种方式放置于大气层之上。这当然需要依靠火箭制造和发射技术的进步，而激发这些进步的是国际冲突和战争，尤其是第二次世界大战。

第二次世界大战期间缴获的德国V-2系列火箭对此目的正派得上用场。对X射线天空的第一瞥是通过装载在一个探空火箭头锥中的探测器实现的，这个探空火箭于1962年由美国科学与工程集团发射升空，领导者是里卡尔多·贾科尼（1931－）。由一颗中子星绕着一颗典型恒星沿轨道运行而构成的双恒星系统Sco X-1是第一个被认知的天体。Sco X-1发出的X射线强度比太阳大1亿倍。一个向着宇宙的全新窗口就这样打开了。1970年，美国国家航空航天局从肯尼亚的蒙巴萨发射了第一颗X射线人造卫星“Uhuru”（这个名字在斯瓦希里语中意为“自由”，选择此名是为了对肯尼亚支持其发射表示敬意）。“Uhuru”提供了高能宇宙方面的大量数据，找到了300多个单独的源，其中包括许多可能由黑洞及其中子星伴星构成的X射线双星。此外还找到了一些X射线脉冲星，它们有的近在咫尺，有的远在天边。

早期的X射线人造卫星审视了第一批可能存在的黑洞，这些探测还导致了X射线天文学这一新领域的蓬勃发展。自“Uhuru”以来已有许多X射线人造卫星取得了成功，并且我们不仅探测到处于宇宙距离上的那些星系中心超大质量黑洞周围的气体涡流，还探测到数百万光年以外的一些近邻黑洞周围的发光气体涡旋。

利用X射线来揭开黑洞的面具为证实恒星生命周期理论提供了最后一条证据。贾科尼由于率先的开拓性工作“导致宇宙X射线源的发现” 而获得2002年诺贝尔物理学奖[26]。自那时起，一大批装备有光学相机（如哈勃空间望远镜）、红外探测器（如红外天文卫星、斯皮策空间望远镜、威廉·赫歇尔望远镜）或X射线探测器（如伦琴卫星、爱因斯坦望远镜、宇宙学和天体物理学高新卫星、XMM-牛顿卫星）的空间任务极大地完善了我们对于黑洞如何生长及演化的理解，因为它们以更为灵敏的仪器设备进一步拓展了我们探索宇宙的范围。

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中子星、脉冲星和类星体的发现最终导致人们接受了真实黑洞的理念。如今，整个科学界都认可这种曾经被认为激进的黑洞概念，并且我们之中有许多人都在致力于研究它们及其在星系形成中表现出来的重大作用。我本人的一些研究专注于理解黑洞在宇宙中的形成和生长。我特别感兴趣的是第一代黑洞的起源，以及它们如何变成我们所看到的隐藏在近邻星系中心的庞然大物。钱德拉首先提出的理论现在已成为流行的看法和完全被接受的范式：第一代黑洞很可能就是宇宙中形成的第一代恒星的尸体。但是这些黑洞（即早期恒星死亡后留下的碎屑）的质量比太阳大10～50倍，因此预计它们并不是特别大。然而在大爆炸发生后的20亿年内，我们却探测到大量类星体——活跃的、正在摄取物质的超大质量黑洞，其估计质量为太阳的10亿倍。

如此快速的增长——从很小的婴儿黑洞或“种子”黑洞到超大质量的巨兽——有可能在如此短的时间内发生吗？计算机模型说明，考虑到早期宇宙中的情况，黑洞需要在其生命的前20亿年中持续地鲸吞气体，以获得它们的质量。

我们可能以某种方式构成非常大质量的初始“种子”黑洞吗？许多天体物理学家都曾探讨过这个问题，试图推导出在甚早期宇宙能做到这一点的一些可行方式。我和我的一位博士后合作者朱塞佩·罗达托也为这一探索贡献了力量。我们研究出一种不同的理论，从而能够证明更大质量的“种子”黑洞确实可以从一开始就形成。有一种急剧的过程（在早期星系中心的气体快速聚合）制造出的黑洞比常见恒星死亡时产生的黑洞具有更大的质量。天文学家们将此称为一个直接探索的黑洞。结果证明早期宇宙中的情况允许此类天体的形成。我们与巴黎天文所的玛尔塔·佛伦特里一直在继续追踪此类诞生时没有恒星的黑洞的含义。我们预言了这类早期黑洞形成时所具有的独特观测信号，这还有待于数据的检验，而这些数据则将来自地面望远镜和预定在2018年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜。我在耶鲁大学的研究小组也热心参与理解最近在附近宇宙空间中发现的那些最大质量黑洞的生长历史。这些黑洞被称为极大质量黑洞，其质量超过太阳的100亿倍。我们在考虑黑洞是否能够不受阻碍地、无限地增长下去这个问题。我们与埃兹奎尔·特雷斯特合作并在共同研究后预言：从理论上来说，存在着一个上限，超过这个最大限度的黑洞就会阻碍其自身的生长。我们在这些庞然大物被发现之前就指出了这一情况。我们的研究工作断言：与吸积相关的那些物理过程会削减黑洞的生长，因此宇宙中的黑洞质量存在着一个最大限度。

要理解黑洞在其寄主星系中生长和发光过程中所起的作用，确定它们的起源是关键。黑洞摄取的那些气体就是形成恒星的原材料。气体的冷却对于恒星的形成是至关重要的，而在黑洞摄取气体的过程中所产生的X射线很可能会中断气体流入黑洞本身的过程，从而阻碍其生长和加热气体，阻止恒星形成。有趣的是，观测结果表明星系中的恒星形成在近期受到了抑制。虽然黑洞对其环境产生影响的细节还有待于完全理解，不过它们似乎是能够通过截停新恒星形成而决定性地改变星系状态的能量供给站。在80年前关于黑洞存在的预言都还在受到激烈的挑战，而结果却证明它们可能在星系的形成中起着关键作用。确确实实位于星系中心处的黑洞，可能会给出我们理解星系如何聚合起来的新图像。星系通过彼此碰撞而增长，这就不可避免地意味着它们的中心黑洞也可能会发生碰撞并最终并合。天文学家们可以在黑洞相互并合时进一步觉察出它们的各种特征。正在发生并合的黑洞所发出的临终喘息制造出全新的、迄今尚未探测到的辐射，这种辐射被称为引力波。它们是爱因斯坦广义相对论的另一结果。引力波通常也被称为重力波，它们本质上是时空中的颤动，例如当两个黑洞发生并合时所产生的轻微抖动。它们的可探测性取决于黑洞并合需要多长时间，以及它们在并合过程中是否埋在气体中。

许多天体物理学家都在致力于计算伴随着黑洞并合而产生的那些额外的观测上的识别标志——任何X射线、射电或可见光波段的泄露其存在的信号。这在很大程度上取决于两个黑洞发生并合时所在区域周围的情况。无论是在理论计算方面还是在寻找任何旨在观测此类信号的行动方面，这都是一个非常活跃的研究领域。这也是一个我十分感兴趣的问题，因为它将理论与观测如此美妙地结合在了一起。2002年，我的合作者、科罗拉多大学博尔德分校的菲利普·阿米蒂奇和我本人在这一领域的早期计算之一中证明：埋在气体中的并合黑洞对会迅速结合在一起，从而不仅能通过其他波段的辐射被间接探测到，还能够通过它们产生出的引力波而被直接探测到。引力波的发现将会在黑洞物理学领域开启一片新天地。激光干涉仪引力 波 天 文 台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO）目前正在升级至“高级LIGO”（Advanced LIGO），这一尝试已开始收集数据，并做好了准备随时探测来自并合黑洞的引力波。预计很快就会打开的引力波窗口将与黑洞的光学信号、X射线和射电信号一起提供探测黑洞的另一种方法[27]。

黑洞如何从被摒弃于边缘的地位转移到我们地图中心的故事，正是仪器如何帮助理论成真的象征。但黑洞只是不可见领域中的一个微小部分，还有其他神秘莫测的、不可见的实体（暗物质和暗能量）在支配着宇宙及其命运，而这些实体至今仍然是难以捉摸的。

[1].高桥留美子的《犬夜叉》从1996年到2008年最初连载于《周刊少年·星期日》（Weekly Shōnen Sunday）。弥勒也出现在日本动漫《犬夜叉》第1季第16集中，这一集的首次播放时间是2001年2月19日。另请参见鲁珀特·W.安德森的《宇宙纲要：黑洞》（The Cosmic Compendium:Black Holes）第57页，该书通过Lulu.com在2015年自助出版。——原注

[2].米特·罗姆尼（1947－），美国商人、政治家，第70任马萨诸塞州州长，2012年美国总统选举时的共和党提名候选人，败于寻求连任的贝拉克·奥巴马。——译注

[3].约翰·阿奇博尔德·惠勒（1911—2008），美国理论物理学家，在核物理、量子理论、天体物理等方面均有重要贡献。——译注

[4].巴图夏克在《黑洞：一个被牛顿学派抛弃、爱因斯坦憎恨、霍金冒险一试的理念是如何为人们所爱的》（Blavk Hole:How an Idea Abandoned by Newtonians.Hated by Einstein.and Gambled On by Hawking Became Loved.New Haven:Yale University Press,2015）一书第7章中详细探究了这个问题。——原注

[5].迈克尔·桑德森所著的《英格兰1780—1870年的教育、经济变革和社会》（Education,Economic Change and Society in England 1780-1870,Cambridge:Cambridge University Press,1995），第40页。《三十九条信纲》于1571年最终确定，并纳入《公祷书》（Book of Common Prayer），并由此书得到了传播，它构成了宗教改革之后的英国圣公会教义。——原注

[6].本杰明·富兰克林（1706—1790），美国政治家、科学家、外交家、发明家、出版商、印刷商、作家，也是美国独立战争时期的重要领导人之一。——译注

[7].亨利·卡文迪许（1731—1810），英国物理学家、化学家。他的实验研究持续50年之久，在物理学和化学领域都有许多重大发现，但鲜少发表其研究结果。——译注

[8].《个案研究：约翰·米契尔和黑洞》（Case Study:John Michell and Black Holes），摘自《宇宙视野：前沿天文学》（Cosmic Horizons:Astronomy at the Cutting Edge,ed.Steven Soter and Neil deGrasse Tyson,New York:New Press,2000），在美国自然历史博物馆网站上可以阅读。——原注

[9].皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（1749—1827），法国天文学家、数学家，对天体力学和统计学有重要贡献。——译注

[10].约翰·米契尔，“论由于恒星发出的光的速度减小而发现其距离、光度等的手段，我们应该会发现这样的速度减小对任何一颗恒星都会发生，并且应该从观测中获得此类的其他数据，因为这对此目的而言会有进一步的需要。约翰·米契尔牧师写给亨利·卡文迪许先生的信”（On the Means of Discovering the Distance,Magnitude,andc.of the Fixed Stars,in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light,in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them,and Such Other Data Should be Procured from Observations,as Would be Farther Necessary for That Purpose.By the Rev.John Michell,B.D.F.R.S.In a Letter to Henry Cavendish,Esq.F.R.S.and A.S.），刊于《伦敦皇家学会哲学学报》,1784年第74卷，第35～57页。查尔斯·古尔斯顿·吉利斯皮与罗伯特·福克斯、艾弗·格拉顿-吉尼斯共同撰写的《皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（1749——1827）：精确科学中的一生》（Pierre-Simon Laplace,1749－1827:A Life in Exact Science,Princeton:Princeton University Press,2002），第175页。——原注

[11].A.爱因斯坦，《物体的惯性是否取决于它所含的能量？》（Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig），刊于《物理学年鉴》（Annalen der Physik），系列4，第18卷，第639～641页；爱因斯坦，《用广义相对论解释水星近日点运动》（Erklärung der Perihelbewegung des Merkur aus der allgemeinen Relativitätstheorie），刊于《普鲁士皇家科学院院刊》（Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften 2）,1915年11月18日，第831～839页。——原注

[12].米切尔·伯格尔曼和马丁·里斯所著的《引力的致命吸引：宇宙中的黑洞》（Gravity's Fatal Attraction:Black Holes in the Universe,2nd ed.,Cambridge:Cambridge University Press,2005）以丰富的插画和图示全面地介绍了黑洞，包括它们的起源、独特性质以及在宇宙中的角色。质量超过太阳100万倍的黑洞称为超大质量黑洞。——原注

[13].卡纳维拉尔角附近有肯尼迪航天中心和卡纳维拉尔角空军基地，美国的航天飞机都是从这两个地方发射的。拜科努尔航天发射场是苏联建造的航天器发射场和导弹试验基地，现由俄罗斯政府向哈萨克斯坦租借。斯里赫里戈达岛是印度航天发射基地所在处。——译注

[14].爱因斯坦，《物体的惯性是否取决于它所含的能量？》。——原注

[15].迈克尔·怀特和约翰·格里宾，《爱因斯坦：科学中的一生》（Einstein:A Life in Science,London:Simon and Schuster,1993），第115～116页；弗兰克·沃森·戴森、亚瑟·斯坦利·爱丁顿和查尔斯·戴维森，《由1919年5月29日的日食观测到的太阳引力场造成的光的偏折确定》（A Determination of the Deflection of Light by the Sun's Gravitational Field,from Observation Made at the Total Eclipse of 29 May 1919）,《皇家学会哲学学报》,220A （1920），第291～333页。——原注

[16].曼哈顿是美国纽约州纽约市的5个行政区之一，与新泽西州分别位于哈得逊河两岸，两地直线距离约为90千米。——译注

[17].A.爱因斯坦，《相对论：狭义和广义理论》（Relativity:The Special and General Theory,New York:Pi,2005），英文版译者为罗伯特·W.劳森，由罗杰·彭罗斯撰写引言；马里奥·利维奥，《绝妙的大错：从达尔文到爱因斯坦——伟大科学家所犯的大错改变了我们对生命和宇宙的理解》（Brilliant Blunders:From Darwin to Einstein—Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe,New York:Simon and Schuster,2013），第269页。在我的评论文章《科学家们究竟在做什么》（What Scientists Really Do）中，我更为一般地讨论了科学的暂时性本质，例如新的理论如何替代旧的理论，此文发表在《纽约书评》（New York Review of Books）,2014年10月23日。——原注

[18].卡尔·史瓦西，Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einstein's chen Theorie,《普鲁士皇家科学院院刊》（Sitzungsberichte der Königlich-Preussischen Akademie der Wissenschaften）,1916年，第7卷，第189～196页。由萨尔瓦多·安托奇和安吉洛·隆格英译为“On the Gravitational Field of a Mass Point According to Einstein's Theory”（《根据爱因斯坦理论论质点的引力场》）,1999年5月12日投递；罗伊·P.克尔，《旋转质量的引力场作为代数上特殊度规的一例》（Gravitational Field of a Spinning Mass as an Example of Algebraically Special Metrics），刊于《物理学评论快报》（Physical Review Letters）,1963年，第5期，第237页。——原注

[19].苏布拉马尼安·钱德拉塞卡（1910—1995），印裔美籍物理学家和天体物理学家，1983年诺贝尔物理奖得主。他计算出白矮星的质量上限是太阳质量的1.44倍，这一极限因而被称为钱德拉塞卡极限。——译注

[20].卡迈什瓦尔·C.瓦利所著的《钱德拉：钱德拉塞卡传》（Chandra:A Biography of S.Chandrasekhar,Chicago:University of Chicago Press,1992）第123～146页描述了钱德拉与爱丁顿之间的冲突。亚瑟·I.米勒所著的《恒星帝国：在探索黑洞过程中的痴迷、友谊和背叛》（Empire of the Stars:Obsession,Friendship,and Betrayal in the Quest for Black Holes,Boston:Houghton Mifflin,2005）则全部与围绕黑洞发生的争议有关。——原注

[21].亚瑟·I.米勒，《恒星帝国》（Empire of the Stars），第3～15、96～119及135页。——原注

[22].詹姆士·金斯（1877—1946），英国物理学家、天文学家、数学家。他提出的“金斯长度”是宇宙中星际云的临界半径，超过这个长度的星际云就会因“金斯不稳定性”而发生坍缩。此外，他还协助提出了描述辐射源温度和黑体辐射能量密度关系的瑞利-金斯定律。——译注

[23].亚瑟·I.米勒，《恒星帝国》，第125～150页。——原注

[24].马克斯·普朗克（1858—1947），德国物理学家，量子力学的创始人，1918年获得诺贝尔物理学奖。——译注

[25].马克斯·普朗克，《科学自传及其他论文》（Scientific Autobiography and Other Papers,New York:Philosophical Library,1949），第33～34页，英文版译者为F.盖纳。——原注

[26].“里卡尔多·贾科尼——资料项”（Riccardo Giacconi—Facts）,2002年诺贝尔物理学奖资料单。——原注

[27].科学家们已于2016年2月11日和6月15日两次发布声明表示直接探测到了引力波。——译注。

第4章 隐形的网格：对付暗物质

想象夏洛克·福尔摩斯或赫尔克里·波洛[1]应用他们令人仰止的归纳能力和推理能力来侦破一桩谋杀案。证据、动机和现场俱在，但受害者却消失了。企图找到暗物质（一种在宇宙中无处不在的、不可见的物质）的天文学家们也面临着类似的谜团。与我们搜寻黑洞时的经历非常相似，我们只能够寻找暗物质对其邻近区域所产生的影响。我们可以探测到它对其邻近物体产生的引力，以及在考虑到广义相对论的情况下这种不可见的物质使光线弯曲的方式。尽管如此，我们在天文学上仍然面临着与检察官要求检验被害人尸体相当的难题，而在没有尸体的情况下就更难证明谋杀案的发生。

不过，暗物质是比黑洞更为狡猾的猎物。与普通物质不同，它不发射、吸收或反射任何辐射。它是惰性的。我们唯一确切知道的事情是，很可能形成于宇宙甚早期的暗物质粒子尽管奇异，却具有质量，占据了宇宙中全部物质的几乎所有质量，并且它们由引力驱动而在太空中积聚成堆状。元素周期表中的所有已知元素，包括构成我们自身的那些元素，只占据了包括物质和能量在内的宇宙全部内容的不足4%，这相对于暗物质的量来说绝对是微不足道的。暗物质提供了恒星和星系形成、吸积和演化的支架，然而我们对它的了解却微乎其微[2]。

暗物质的背景故事起始于一个不太可能的场所——19世纪慕尼黑的一间昏暗的玻璃制造车间。那里的一群玻璃工正在将发光的、熔化的玻璃吹成玻璃泡，随后再用吹管和喷灯来使它们成型。1787年3月6日出生于巴伐利亚的约瑟夫·冯·夫琅禾费是玻璃吹制大师弗朗茨·克萨韦尔·夫琅禾费和玛利亚·安娜·弗洛里希的第十一个也即最小的孩子。他父母双方的家庭都有好几代制造玻璃的传统。夫琅禾费在11岁那年成为孤儿后，在慕尼黑跟着宫廷镜子和玻璃切割工当学徒。1801年一座厂房倒塌时，他正在里面，不过他得到了救援。后来成为巴伐利亚国王的选帝侯马克西米利安四世为此惨祸动容，他个人为这个小男孩的未来提供了一笔钱。夫琅禾费利用这些资金发明的工具彻底改变了天文学，并在132年后首次揭示出暗物质的存在[3]。1933年发现暗物质的弗里茨·兹威基应该感谢19世纪这家玻璃厂的倒塌。

夫琅禾费这项发明的关键在于，任何物体发射出的光都与指纹类似，它们留下以频率为关键信息的特殊证据，这些证据标识着该物体化学成分的独特性质。年轻而不安分的夫琅禾费对于为皇家制作装饰性玻璃制品感到厌倦了，因此在慕尼黑的约瑟夫·尤兹内德尔光学研究所谋得了一个职位。他在那里受得了物理学、数学和光学的正规教育。他学得很快，接下去就在1807年写出了一篇很有影响力的论文，其中展示了抛物面反射镜由于其成像质量而用在反射式望远镜中的优越性。在他被从瓦砾堆中救出来短短6年后，夫琅禾费在光学天文望远镜所用的透镜方面也取得了一项重大突破。

当光线射到一片透镜的玻璃表面上时，它们会发生弯曲或折射，其弯曲程度取决于波长以及该透镜的各项物质性质（在本例中是玻璃的成分）。例如，在可见光波段，红光几乎不改变其通过透镜的路径，但波长较短的紫光则会改变方向。正如配镜师相对于一个标准来具体指明我们的眼镜片的放大率，天文学家也需要校准望远镜的透镜，以确定我们通过这些透镜所观察到的天体的亮度。由于遥远昏暗的天体的放大效应是由望远镜透镜的集光面积决定的，因此校准过程就需要开发出能够将所有色光聚焦在一起的透镜。夫琅禾费了解光的波动本性，他开发出了用于分离不同光线频率的分光镜。这导致我们能够解读遥远天体的光谱中呈现出的化学元素所构成的独特指纹，从而识别出这个天体的成分。夫琅禾费同时代的人们很快就认识到他的才能，因此他后来当上了该光学研究所的所长。

尽管夫琅禾费的许多磨制和抛光镜面的技巧都随着他的去世而失传了，但在他的透镜校准方法和他发明的分光镜的催化作用下，我们对于远远近近的所有天体的成分及特征有了新的理解。他的发明改变了天文学，从而导致光谱学（即对宇宙光源的光谱进行分析）作为一种强大的、新的定量工具发展起来。1812年，利用实验室里的那些已知光源（例如钠灯），夫琅禾费确定了透镜的折射率，并用阳光来对它们进行校准。他在测量太阳光谱的过程中探测到了600条暗线，如今这些暗线被称为谱线。他意识到这些谱线是阳光的特征，于是测定了太阳光谱中每种色光的折射率，从而通过将这些暗线作为标尺来校准透镜。这些谱线揭示了太阳的原子构成。虽然夫琅禾费没有进一步研究这些暗线的起源，但他测量出了它们的波长，由此就组装出了第一台摄谱仪[4]。他还观察到那些最明亮的恒星的光谱与太阳的光谱是不同的。

夫琅禾费首先探测到的太阳光谱中的这些暗线为光谱学的种种天文学应用打开了大门。假如没有他的摄谱仪，我们就会只有静态图像——这是没有任何关于运动的信息的图像，而维斯托·斯里弗、亨丽埃塔·勒维特、埃德温·哈勃等人所做的那些不可思议的工作也不可能完成，天文学会仅仅停滞在美丽的图片之上。简单地说，夫琅禾费启动了完善摄谱仪（精确测量高速运动的星云的关键仪器）的技术和工艺，而这些测量导致了120年后推断出暗物质的存在。

暗物质的故事所勾画出的曲折情节相当不同于我到目前为止所描述过的那些故事。与黑洞的情况不同，提出暗物质的过程中没有任何数学理论，只是一组令人困惑的观测现象，它们似乎在一个牛顿的引力理论预期应该成立的领域中与之相悖。虽然天文学家们根据星系的运动来推断出它们的质量，但是在这样做的时候，他们发现有些事情出现了差错。在这种情况下是经验数据，即真实测量值完全不合情理。观测数据表明，存在的质量比可以看到的质量多10倍。尽管有确凿的观测证据，而且暗物质这种理念也是完全由数据驱动的，但科学界并没有立即或普遍接受这一概念。天文学家们抗拒存在着一种不可见的宇宙实体这样的理念，这倒并不奇怪。这是因为以前曾假定的那些不可见的力以及无所不在的流体（例如以太、瘴气和燃素）最终都被证明是错误的。借助于另一种不可见的动因去解释观测现象很难令人信服。

弗里茨·兹威基才华横溢、创意无限，而又脾气暴躁。他在1933年的一篇论文中首先引入了暗物质。他记录下邻近的后发星系团中星系的运动，以期能测定它们的质量。我们如今已经知道，星系团是宇宙中质量最大的体系，包括后发星系团在内的所有星系团都由大约1000个高速旋转、被引力结合在一起的星系构成。兹威基详细研究了后发星系团中最明亮的8个星系的运动，他所利用的就是哈勃发现膨胀宇宙的威尔逊山天文台2540毫米望远镜上的摄谱仪。兹威基发现，这些星系在星系团内部绕行的速度全都远远大于只考虑可见恒星的引力时所预言的速度。他的数据说明这些星系具有大约300万千米/小时的速率，这就意味着这个星系团的质量比预期的或者看见的要致密400倍。他在1933年的一篇论文中发表了这些研究成果，并宣称后发星系团乃至整个宇宙中必定存在着一种看不见的成分，即黑暗物质，或者称为暗物质，它们的引力很可能会对这些巨大的速率做出解释。

在这篇论文中，兹威基表达的看法是：“倘若这[异常高密度]得到确认，我们就会得出这样一个惊人的结论：暗物质存在[于后发星系团中]，其密度比发光物质要高得多。”他总结道：“后发星系团（以及其他星系团）中非常大的速度弥散度反映出一个未解决的问题。”[5]

兹威基的结论明确依赖于对一个关键量的估测，即质量-光度因子（简称为质光比），而这取决于哈勃常数。请记住，在哈勃定律中，哈勃常数将速率与距离联系在一起（正如我们在第2章中见到过的），并且能对宇宙目前的年龄给出一个估计值。质光比定义为一群恒星所产生的总光度相对于其质量而言的数值。1933年，兹威基还不敢考虑去挑战哈勃常数的值或降低质光比，以解决后发星系团中的运动所需要的质量与他看到的现象之间的矛盾。引入暗物质是唯一的解决之道。

1936年，即兹威基发表他的论文后3年，另一位天文学家辛克莱尔·史密斯提出了一个类似的实例：在另一个近邻星系团——室女座星系团中也存在着看不见的质量成分。史密斯提出，这些缺失的质量也许正潜伏在这个星系团的那些“星云际”空洞中，即星系之间的空间之中。然而，即使在这第二篇论文也为星系团中存在暗物质提供了实例之后，这个概念仍然几乎没有受到任何关注[6]。

考虑到兹威基的威望以及与他相关的其他各种影响深远的发现，我们很难理解这一最初发现为何没有受到天文学界的关注。这在一定程度上可能是由他的个性造成的，因此暗物质问题的进展就被拖延了数十年之久。这一理念直到20世纪70年代才得以重生，当时用它来帮助解释一个截然不同的尺度上的问题——星系内部的恒星速率[7]。在兹威基报告其发现的那篇论文发表了40年以后，天文学家维拉·鲁宾（1928－）和肯特·福特（1931－）在测定单个旋涡星系的时候，意外地再次发现了暗物质。他们的做法是利用一个像管摄谱仪来分离恒星发出的光，以测量它们的运动，并观测其运动的红移和蓝移。鲁宾和福特开始并不打算寻找暗物质，他们寻找的是旋涡星系中发生旋转的证据，但他们在数据中发现了一些完全不合情理的趋势。旋涡星系中那些恒星的运动表明，恒星受到的引力比仅从星系中可见的恒星和气体质量所推断出的引力更大，其结果是它们的移动速度也要快得多。对于鲁宾和福特而言，尸体从犯罪现场消失的情况再次发生了。不过，由于他们当时在研究星系，因此没有将他们在解释恒星速率时所需要的缺失质量与兹威基在星系团中引入的“黑暗物质”联系起来。正如我们已经看到的，新理念的接受过程并不是一蹴而就的。科学史学家德瑞克·J.德索拉·普莱斯（1922－1983）着重提到：“许多重要发现应该以独立的、略微不同的方式重来两三次，也许甚至可以说这是更加可取的做法。”这恰恰就是在暗物质这一情况中所发生的[8]。同一种难以捉摸的暗物质能够同时解决这两种物理尺度大相径庭的难题，对于这一点的认知（一种统一的观点）必定要来自于理论。

20世纪70年代，宇宙学中的理论理解还落后于观测发现，但事实证明鲁宾和福特的发现是暗物质的引爆点。为宇宙中一切结构的形成构建出目前得到接受的暗物质驱动的理论模型只花费了10年的时间。许多独立观测所得的证据已确立了关于这种星系形成的标准解释模型，这种模型被称为冷暗物质范式[9]。在这种模型中，暗物质是一切结构形成的主要驱动者。暗物质的存在及其在宇宙中所起的重大作用如今都已得到公认。不过，在理论预言和观测之间仍然存在着几个小缺口。考虑到这种模型的复杂性以及它已得到发展和打磨的程度，可知对它发起挑战或提供一个替代方案都极为困难。不过，还是有人勇于去尝试构建出一种与之竞争的理论——一种不需要暗物质的替代观点，我们很快就会与它邂逅了。

在暗物质的发现和重新发现过程中，有一个方面不同于黑洞或膨胀宇宙的故事，那就是我们鲜少遭遇可能妨碍这种概念得到接纳的有权势的科学家。科学及知识产生的过程在1933年到1978年之间发生了巨大的变革，此时这已成为一项更为集体化的事业，而科学讨论也更为宽泛了。科学和技术当时开始在日常生活中发挥更加重大的作用，包括第二次世界大战和苏联第一颗空间卫星“斯普特尼克号”发射在内的一些全球性事件推动了美国科学和工程学的发展。为战争效力而建立起来的军工复合体意味着政府对科学和技术的巨额投资，而这将尖端科学研究的主体最终转移到了美国。当然，对于这一切至关重要的是，20世纪前半叶，人才从欧洲迁徙到美国，即营救才智出众的大师们的行动，在某种程度上可以将其看成用知识分子来偿还战争赔款。这在当时开始得很早，并且一直在加快步伐。此行动也给科学研究传送了一股新的动力。对于这一切至关重要的是具有创业精神的天文学家乔治·埃勒里·黑尔（1868－1938）的学术领导。20世纪初，他开始从美国慈善家那里获得赞助，用以在美国西海岸置办档次最高的仪器设备、望远镜和研究设施[10]。天文学整装待发，随时准备利用这一大辐合。

暗物质的故事是20世纪最具创新精神的一些天文学智者的故事。爱因斯坦和哈勃也在这个故事中扮演了角色，而兹威基、鲁宾和福特则是其中的主要人物。同样是到20世纪70年代，宇宙学中对抗和竞争的风格发生了显著的变化。在此前的数十年中，绅士型的科学家们在皇家学会或剑桥大学三一学院的豪华房间里争论。相比之下，20世纪70年代科学的参与程度更为广泛，特别是随着新发现的重心慢慢地从欧洲大陆和英国转移到了美国，在那些特别召集的会议上出现了公开辩论，而且这一领域也变得更加兼收并蓄，更加全球化。这是天文学民主化的开端。在知识方面，我们可以说天文学正在作为一门科学而成熟起来，因为它从集中探测个别天体和现象演变到了逐渐专注于更为系统的、精确的测量。这个时候对于更高精度的仪器产生了日益增长的需求，用于以越来越高的精确性进行和重复观测。暗物质的案例表明了仪器和观测在建立一种理论来解释数据的过程中所发挥的新的、决定性的激励作用。接受暗物质概念时的勉为其难为我们科学实践中的许多其他新层面带来了光明。这些领域自20世纪初以来已有了长足的发展。

在儿童故事《小王子》[11]中，狐狸告诉王子说：“最实质性的东西，用眼睛是看不到的。”不过人类早在安托万·德·圣-埃克苏佩里于1942年出版的这本小说之前很久就已对看不见的东西出神入迷。早期的现代科学常常为一些无法解释的现象指定一些不可见的原因。自然哲学家们假定用不可见的动因来作为疾病的起因，用介质来解释光的传播，用燃素来解释物质的燃烧。在细菌的概念建立起来之前，许多人都相信是吸入瘴气（miasma，该词的原意就是一种不健康的气味），导致了疾病。17世纪的一种理论认为，当物质中包含一种类似火的元素——燃素时，它们就能够在空气中燃烧（人们相信能够在空气中燃烧的物体富有燃素），而当空气不能再吸收更多的这种物质时，燃烧就停止了。罗伯特·波义耳（1627——1691）被许多人认为是第一位现代化学家，他是首先怀疑空气不是一种物质而是由许多物质混合而成的人之一。他在1674年出版的《关于空气中的一些隐藏特性的怀疑》（Suspicions about Some Hidden Qualities in the Air）一书中这样谈论空气：“世界上罕有比空气更异质性的物体。”他对空气在燃烧和氧化过程中所起的作用进行了核查和研究，最终导致燃素概念被摒弃[12]。

甚至到了19世纪，看不见的以太这种概念还是诱惑了一些支持者。直至阿尔伯特·迈克耳孙（1852－1931）和爱德华·莫雷（1838－1923）1887年的实验证明以太不存在之前，许多人都相信这种无所不在的介质存在且能够传播光波和引力。在牛顿的光的微粒理论背景下，以太被认为是帮助光粒子从发射器中传输出来的介质。这种观念来源于与声音的类比：众所周知，声波是依靠挤压它们的介质——空气来传播的，通过压缩和松开空气粒子，最终传送到我们的耳鼓膜。因此，介质的存在就被视为对于光波的传播也是必不可少的，从而导致了以太的假设。假如以太确实充满了空间，那么地球在绕太阳沿轨道运行时，我们就应该可以探测到地球的运动，并且可以度量。迈克耳孙和莫雷设置了一个实验来测量这一运动。他们使用的是所谓的干涉仪，这种仪器在某种意义上来说是使两束光相互赛跑，其中一束光必须逆着假设的以太流方向前进，另一束光则与它垂直。假如这种以太流是真实存在的，那么光线沿这两条路径前进所花费的时间就应该明显不一致，但是迈克耳孙和莫雷却没有发现任何差别。以太不存在[13]。这是物理学中赢得诺贝尔奖的最著名的“零结果”实验之一。我们现在知道，光是作为电磁场前进的——它不需要任何介质来传播，而且事实上在完全真空中它的速度最快。这条干涉波原理正是LIGO实验（前一章中描述过该实验）所依赖的，不过他们所考虑的波是引力波，是当两个黑洞发生并合时在时空中制造出的颤动。在这种情况下，两条路径的长度会发生变化，这是因为引力波会改变实验中两条干涉臂的长度。

随着爱因斯坦构想出广义相对论，有一个事实变得清楚了：引力也不需要介质——它作为在四维时空构造中具有质量的物体周围形成的凹坑而局域性地表现出来。在20世纪20和30年代对于宇宙日渐增长的新理解之中，正如我们早前已经看到的，哈勃发现膨胀宇宙是重大突破。这一发现是利用造父变星（这类恒星的性质可用于推断精确距离）来测量河外星云的距离所得出的。当哈勃等人在测量银河系以外的那些星系的距离和速率时，仍有另一些人则希望能利用牛顿引力定律（他们认为这几条定律在整个宇宙中都是成立的）再进一步确定这些星系的质量。

知识分子在科学层面上的声誉通常是逐渐建立起来的，然而哈勃却迅速达到了巅峰。到20世纪40年代初，他已是观测天文学中的翘楚，他的工作也无可争辩。他和兹威基之间存在着一种并不张扬的对抗关系，这是因为他们当时都在加州理工学院工作，并且正在竞争同一批望远镜资源。哈勃总是得到资源和望远镜使用时间的最大份额，这令兹威基感到不快也是可以理解的。当然，能够实现更加精确的测量并对哈勃常数的值提出挑战的仪器和技术当时尚未出现。因此，兹威基提出的“黑暗物质”概念的革新性和推测性没有驱使人们去复核哈勃的工作。事实上，兹威基本人也认为自己所举出的暗物质实例并不足以令人信服，因此仍然保持着一点怀疑，正如哈勃对于膨胀宇宙的态度一样。甚至迟至1957年，兹威基还承认说：“这些[来自后发星系团的]惊人结果最终如何解释，目前尚不清楚。”对于还有另一种黑暗的、看不见的隐匿实体的想法，也很难当真，甚至对于最初提出它的人来说也是如此[14]。正如我们已经看到的，那些变革性科学理念的最初提出者们常常抗拒接受它们或它们的含义。这些理念产生的深远后果通常就是这种挣扎的起因。

尽管兹威基1933年的那篇论文没有引起天文界的注意，但他并没有放弃，而是进一步探索其中的理念。他意识到，假如星系团中包含着大量不可见的物质，那么这些物质就应该使时空发生弯曲。当光线穿过时空中由星系团的庞大引力所引起的凹坑时，它们就会偏离直线路径。换言之，一个星系团的作用就像一个光学透镜，能发散和会聚光线。兹威基将这些大质量星系团称为引力透镜。在1937年发表的一篇论文中，他再次论述了暗物质的理念：他估计了一个星系团所造成的光线弯曲，并提出这是星系团中存在大量暗物质的一个不可避免的后果，但这种效应对当时的仪器而言还太小，不足以被探测到[15]。

由于缺乏恰当的仪器，因此兹威基的提议直到20世纪60年代才开始备受关注。天文学家舒尔·雷夫斯达尔（1935－2009）、拉梅什·纳拉扬（1959－）和罗杰·布兰福德（1949－）对兹威基关于光弯曲预期量的工作重新产生了兴趣，并加以拓展。他们认识到，在某些特殊的环境下，引力效应可能会达到极端程度，从而比较容易被探测到。他们发现，当背景星系恰好在大质量星系团的正后方对齐时，它们所放射出的光线偶尔会被严重拉伸而形成长弧形，以致有时这些光线甚至会分裂成两条。光线的这种分裂所导致的结果是，同一个背景星系会产生两个放大的像。背景星系还可能出现更大数量的虚像，而具体情况视它们对齐的精度而定。例如，在非常大质量的星系团CL0024+16（它充当透镜的作用）的哈勃太空望远镜图像中，同一个背景星系重复出现了5次！我们知道这些都是同一个天体所成的像，而不只是面目极为相似的天体，这是因为我们能够测量它们的光谱，即它们独一无二的化学指纹。这5个像的光谱完全相同。

上图：由星系团引起的光线弯曲和时空中的凹陷。下图：由哈勃空间望远镜拍摄到的星系团Abell 370中的引力透镜图像，最初观测是从地面的加拿大-法国-夏威夷望远镜得到的。（图片由美国国家航空航天局、欧洲太空署、哈勃SM4 ERO小组以及空间望远镜欧洲协调机构提供。）

这些多重像的另一个值得注意的特征是，其中有一些可能会被高度拉伸，因此一个椭圆形规则背景星系也许会被撕裂成许多个像，其中有一些会畸变成相当细长的椭圆或弧形。理论上所预言的强透镜会产生的那些引人注目的弧形像，如今在星系团的高分辨率图像中已经司空见惯。在背景星系与星系团的对齐程度不那么完美的情况之下，来自星系的光线发生微小弯折，由此所导致的轻微拉伸被称为弱透镜现象。当天文学家吉纳维芙·苏凯尔和贝尔纳·福尔于1987年利用安置在夏威夷的加拿大-法国-夏威夷望远镜在星系团Abell 370中探测到被高度拉伸的弧时，他们知道除非测得这条弧的光谱与同一星系所产生的其他像的光谱一致，否则他们就不可能说服任何人相信这是引力透镜在起作用。他们测得了光谱，并发现它与该图像中扭曲程度较低的另一些像完全一致，从而得以证明他们探测到了引力透镜现象[16]。望远镜光学的进展最终证明兹威基是正确的。

自那时以来，哈勃太空望远镜细腻的分辨率令我们能够探测到更多受到引力透镜影响的星系。通过追踪光线的路径，我们现在已经能够重建出星系团中导致这种光线偏折的不可见物质的详细分布。不过，充当透镜的星系团是罕见的天体。夜空的大部分都没有发生扭曲，因此展示的是星系的真实形状。这些未经扭曲的形状为测定点缀着星系团的那些区域所产生的透镜强度提供了一种基准。我本人的专长在于描绘暗物质在产生这些透镜效应的星系团中的聚度。利用数个透镜星系团的哈勃空间望远镜数据，我和这一领域中其他许多人的研究工作已揭示出，暗物质在大尺度和小尺度上都在星系团中占据主导地位。事实上，正是聚合起来的暗物质导致了这些透镜效应，因为星系团成员星系中的可见恒星质量不足以产生观测到的偏折强度。通过描绘星系团内部的暗物质，我们发现其中包含着两个种类：一种平滑分布的和一种成块分布的，后者可以与星系团中由于引力作用而束缚在一起的星系联系在一起。

所有质量都会由于其对时空结构的压印而产生凹坑和山谷，结果导致光线路径的偏折。从这个意义上来说，透镜是一种普遍存在的现象。透镜的质量越大，它的透镜效应就越强烈，它也就越容易被观测到。引力透镜为测量我们宇宙的那些重要特征提供了一种独一无二的、独立的工具，并且正如我们在下一章中将会看到的，它甚至在探究我们宇宙中存在的另一种不可见的神秘成分——暗能量时也派得上用场。

在人们开始认真对待暗物质这一理念之前，它还有过另外几次受挫后的复兴。事实上，它再三被引入，然后又被忽略或抛弃，直到另一组观测需要它来做出有力的解释，它才得以复活重生。令人迷惑的是，这些尝试中的大部分都是独立的，并且是在完全不知道早先研究工作的情况下完成的。暗物质概念的这种持续不断地再现后又被摒弃和遗忘的遭遇，是具有极端变革性的科学理念的生命周期所特有的。

我们故事中的下一个里程碑来自于在较小尺度上的观测：单个星系尺度——与星系团相对而言。到20世纪30年代，这些单个星系还是我们更为熟悉的天体，在宇宙中观测到的数量也更多。20世纪40年代，备受尊重的荷兰天文学家扬·奥尔特（1900－1992）在对旋涡星系进行详细研究后声称：“这种系统中的物质分布似乎与其光的分布并无联系。”[17]这又是一个大胆的断言，因为当时还没有任何理由相信构成星系的成分除了可见的恒星之外还会有任何其他东西。

暗物质理念的下一次复兴随着对近邻区域的观测出现在1959年。当时天文学家弗朗茨·丹尼尔·卡恩（1926－1998）和路德维克·沃尔彻（1930－）推算出了银河系及最邻近的仙女座星系的质量。他们发现仙女座星系与宇宙中所有其他的星系都不同，它是在向着银河系冲来，而不是远离银河系而去。他们对此的结论是，这意味着有一些不可见的质量所产生的引力在起作用。他们断言，既然所有可见恒星都可以完全考虑到，那么大部分质量就必定是以某种不可见的形式存在的。又一次，他们没有联系到兹威基先前的断言，即在后发星系团中存在着这样一种成分。事实上，卡恩和沃尔彻似乎对兹威基和史密斯早前对于近邻星系团中不可见质量的研究工作浑然不知，因为他们在自己的研究工作中并没有引用那些论文[18]。与此同时，兹威基正在迎难而上，慢慢地开展对更多近邻星系团的研究，目的是测试这些结构是否确实保持着平衡状态，这是由于对暗物质的需求依赖于这一假设。虽然他执拗地纠结于这种观点，但似乎还是舍弃了他对缺失质量的理念和对“黑暗物质”的搜寻。不过，天文学家们花了更长时间才理解正是这种黑暗的、不可见的成分才可以解释在不同物理尺度的天体（星系团和星系）中所测得的运动。在兹威基1933年提出最初推测的30多年后，他们开始发现种类繁多的黑暗致密天体，即中子星和黑洞。与恒星不同的是，它们不发射光线。星系和星系团中可能充满了大量这种本质黑暗的天体吗？这种可能就是其引力正在被探测到的暗物质吗？一段时间之后，研究者们经过考虑，终于还是摒弃了这些黑暗天体可能就是暗物质的可能性。

在卡恩和沃尔彻的短暂探究之后，关于暗物质的整个课题都在相当长的一段时间内遭到了忽视。为了检验为何这种理念会在如此漫长的时间里蛰伏和被弃置，我们值得更深入地去了解那位关键性的人物——兹威基。1922年他在苏黎世的瑞士联邦理工学院取得了博士学位，研究内容是离子晶体，而不是天文学。他在动身前往美国之前又在他的母校继续从事了3年研究工作。在那个历史关头，美国科学非常国际化，而且这个国家对于那些满怀雄心壮志的欧洲科学家来说也是一个具有吸引力的去往之地。当时有一些慈善项目能从国外招募有才华的年轻科学家。洛克菲勒基金会国际教育委员会的博士后资助项目是最早的那批之一，其运作时间是1924年到1930年，吸引了135位欧洲物理学家。紧随其后的是大约1800位科学家移民，其中大多数是犹太人。他们为了逃离纳粹寻求庇护所。兹威基是第一波移民潮中的一员，并且得到了洛克菲勒博士后资助。1925年，27岁的他前往加州理工学院，与实验物理学家罗伯特·密立根[19]共事。兹威基的到来恰逢其时。哈勃的开拓性观测工作正在进行之中，而在帕洛玛山建造下一代2540毫米望远镜的计划也已经开始。

很快，在独占式使用这台世界上最大望远镜（帕洛玛望远镜取代了威尔逊山望远镜的地位）这种权力的刺激下，兹威基和数位其他科学家都将他们的关注焦点转移到了天文学和天体物理学。事实证明，兹威基转换阵地是独具慧眼和卓有成效的决策。作为一名在国外接受过训练的局外人，他提供了一种新鲜视角，从而发起了许多具有创造性的项目。不过，他是一个脾气急躁、满口恶言且刚愎自用的人。他唐突无理和目空一切的作风引起了同事们的积怨。与他如今身处的环境相比，他接受训练的学术文化是迥然不同的，那时更加等级分明。虽然他也确实还有几个仰慕者，但许多人都很难忍受他的那种妄自尊大。不过，1974年有一位同事是这样赞颂他的：“兹威基拥有着那种必然与伟大相伴的特质，即对其他人产生一种强烈的正面的或负面的反应……那些看得更远或更深的人并不处处得到敬仰。”[20]

兹威基唐突无理的举止，再加上他的傲慢自大，很可能给别人对他的工作的关注度带来不利影响。他充溢着各种想法，其中有许多是错误的，不过也有不少后来发现是正确的，这里面就包括了被忽略的那些。在《宇宙的寂寞心灵》一书中，丹尼斯·奥弗比描述了科学界对兹威基缺乏信心的状况：“[他]有这么多想法，以至于其他天文学家几乎不可能从众多匪夷所思的念头中取其精华。”[21]

正如我们已经看到的，科学家们的个性常常强烈影响着科学界中的其他人是如何接受他们的研究工作的，而不管这项工作的重要性如何。英雄崇拜主义文化以及对于天才的集体认同常常导致同事们对那些才华横溢的科学家法外施恩，他们不必遵守社会所接受的行为准则。因此，一个人如果被视为天才，那么他常常就得到了一张丹书铁券，于是他强横霸道、肆无忌惮的行为就被忽略不计，但情况也并不总是这样。兹威基就是没有被授予这种豁免权的科学家之一。由于他的暴躁性情，他提出的暗物质理念遭受了异乎寻常的长时间的冷落。

然而，科学家们不可能永远置它于不顾。1970年，维拉·鲁宾和福特在华盛顿特区卡内基研究所的中型天文学项目中开始合作研究星系动力学。鲁宾是一位身材纤细、轻言细语而又意志坚决的女性，她是目前在世的最杰出的天文学家之一。她不是一个会挑起争端的人，因此虽然她和福特的结果说明在他们所研究的那些旋涡星系中需要有大量不可见的物质，但他们却拖延着与别人分享这些结果。他们小心谨慎地发表论文报告了他们的这些古怪数据，并提出了许多其他阐释，显然是在回避暗物质诠解。1973年，在他们与朱迪斯·鲁宾（维拉·鲁宾的女儿）合写的一篇论文中，结尾的一句话明显是要转移读者的注意力，避开他们研究中得失攸关的部分：“显然我们还没有完成这项工作。”[22]鲁宾和福特并没有将他们对于那些遥远旋涡星系的发现与卡恩和沃尔彻对于我们近邻的两个旋涡星系——银河系和仙女座星系的发现联系起来。事实上，他们似乎也对所有关于暗物质的早期工作一无所知，他们对兹威基从星系团得出的推论也毫不知情。

作为一名女性，鲁宾走上天文学研究的道路并不典型。她于1950年进入康奈尔大学攻读硕士学位，以求与当时在那里攻读博士学位的丈夫团聚。鲁宾的硕士论文项目中包括搜寻星系内部的任何系统运动，她特别关注的是转动。她的研究动机是纯粹的好奇心，因为当时没有任何理论基础用于推断星系是否在旋转。从某种程度上说，她处在专业边缘的这种状况给了她提出有独创性问题的自由，而这些问题在当时作为天文学传统大本营的普林斯顿大学、哈佛大学和加州理工学院也许并不会得到鼓励。1950年，她在宾夕法尼亚州哈弗福德举行的美国天文学会年会上报告了她的这些发现。在1996年接受美国物理学会的一次访谈时，鲁宾叙述道，她当时刚生完第一个孩子几个星期，她紧张不安地走进屋子，完全不认识聚集在现场的任何大人物。她的演讲有一个宏大的标题——“宇宙的旋转”，但这一选择是出于天真，而不是出于自大。演讲引发的反应充满了敌意。这些评论的大致意思是，她正在试图做的事情简直就做不到。不过她清晰地记得，在这一片怀疑声之中，有一位温文尔雅、带有浓重德国口音的男子温和地鼓励她说：“这件事做起来很有意思，数据很可能还不够好，但作为第一步来说，这是有意思的想法。”这温和的鼓励使她“多少不那么感觉一败涂地了”，而给她这句鼓励的不是别人，正是马丁·史瓦西（1912－1997）。他是一位星系动力学专家，也是计算天体物理学的先驱之一，曾参加过曼哈顿计划[23]。我们在第3章曾短暂邂逅过他的父亲卡尔·史瓦西，即爱因斯坦方程对应于黑洞的数学解答的发现者。

虽然鲁宾将她的论文标题更改为比较朴实的“全星系的旋转”，但《天体物理学杂志》和《天文学杂志》（Astronomical Journal）都拒绝了这篇稿件。她回忆道，她的研究工作所遭受的反对部分是由于天文学家们相信星系内部大尺度运动的概念是相当荒谬的。这样的内部运动很难与宇宙的整体膨胀取得一致。她并未因此气馁，而是来到乔治城大学，在大爆炸模型的创始人之一乔治·伽莫夫的指导下继续她的研究生学习。鲁宾放弃了对这些大尺度运动和旋转的研究，部分原因是这主要是观测工作。她当时已有两个年幼的孩子，而要承担这样一项强度很大的项目，需要频繁造访那些遍布各处的望远镜，她认为这是行不通的。此外，在她的硕士论文研究工作招致争议以后她知道自己并不喜欢处于风暴中心。因此，她决定转向一个完全不同的方向，尽力去理解天空中的星系分布是否存在着某些规则性。

当完成博士学业后进入卡内基研究所工作时，鲁宾再次着眼于星系中的恒星运动。她与同事肯特·福特合作。福特那时已建造出一台无可匹敌的仪器，即当时可使用的最灵敏的摄谱仪。他们利用这台仪器来研究源自旋涡星系的许多不同部分的星光。他们考察这些星系致密中心处和较稀疏外缘处的星光。构成旋涡星系盘的那些恒星绕着中心沿圆形轨道旋转。假如星系盘即使只是相对于我们稍稍倾斜，那么其中的恒星看起来就会像是沿着一侧靠近我们而沿着另一侧远离我们。正如前文描述过的，当一个光源向我们靠近时，我们会看到其波长减小，从而使其向可见光谱的蓝端移动。同样，看起来在远离我们而去的那些恒星发出的光的波长会向光谱的红端移动。

光波（或声波）波长的这种移动，即多普勒效应，是由于光源（或声源）相对于观测者发生相对运动而引起的。鲁宾和福特测量了数个旋涡星系从盘的一侧到另一侧的多普勒频移，并利用这些数据计算出这些星系内部不同位置处恒星的轨道速率。他们画出了恒星速率相对于它们到星系中心距离的图线。这令人想起哈勃的星系运动相对于它们到地球距离的图线，只不过鲁宾和福特主要关注的是由于引力支配而被限制在各个星系内部的那些恒星的运动。

他们看到的结果是最为奇异、最出乎意料的。为了理解是什么如此奇异，让我们首先来关注距离我们更近的行星绕太阳的运动。在由太阳引力主宰的太阳系中，内侧行星在其轨道上运行的速度比外侧的那些行星要快。一颗行星距离太阳（太阳系中最集中的质量）越远，它的运动就越慢，因而完整转动一周所花的时间明显更长。这是由于太阳施加的引力随着距离增大而减弱，因此外侧行星受到的向内的拉力就急剧减小。例如，到太阳两倍距离处的引力就减弱为1/4。完整转动一周所需时间增长，是由于运动速度较为缓慢，而不仅仅是由于轨道的长度。例如，水星绕太阳一周所需时间是88个地球日，土星完成一周完整转动要花22年时间，而冥王星则需要近250年时间。鲁宾和福特在查看旋涡星系中的类似关系时，发现了截然相反的情况：在越远离所在星系中心的地方，恒星的速率似乎要快得多。它们似乎还在达到一个峰值后就保持恒定不变了。这是一项极端奇怪的发现，与我们在假设引力只由所有可见恒星提供的情况下应用牛顿定律所预期的结果相悖。鲁宾和福特在他们观测的所有旋涡星系中都发现了这种趋势。只有一种似乎合理的解释：在星系的外缘存在着大量的不可见质量，这些质量不发光，因此它们不属于由观测到的星光推断出的总引力来源的组成部分。就本质而言，似乎有某种神秘的成分在维持着恒星在星系的外侧边缘仍然以相同的速率运动。对于这种解释，质光比的值又一次成为关键。正如我们先前曾提出的，这个数取决于哈勃常数的值，而凭借着越来越多的数据和越来越精确的测量，哈勃常数的值自从兹威基最初假定“黑暗物质”以来已经得到了修正。不过，这种更新仍然没有缓解对暗物质的需求。它最终看来是挥之不去了。

1975年，莫顿·罗伯茨和罗伯特·怀特赫斯特扩展了鲁宾和福特的工作，测量了星系外部（恒星在这些区域稀疏得多）的气体速率。他们探查了可见恒星所在区域以外的距离和速率之间的关系，发现速率仍然保持恒定不变，因而在星系外缘可能有不可见质量的效应仍然存在[24]。这些需要大量不可见质量才能说得通的发现，在大大小小的会议上受到质问和怀疑。

基于鲁宾、福特和索恩纳德的论文《高光度旋涡星系的延展旋转曲线IV:Sa→Sc型星系的系统动力学性质》（Extended Rotation Curves of High-Luminosity Spiral Galaxies.IV.Systematic Dynamical Properties Sa→Sc）所做的星系中的恒星旋转曲线。《致编辑的信》栏目，《天体物理学杂志》,1978年11月，第225卷，L109，图3。

本图及上图提供的证据说明，我们需要额外的引力物质（暗物质）来解释在星系中观测到的运动。

天文学家之间的激烈争论随之而来，其中许多讨论与不可见的暗物质在这些星系中如何分布有关。尽管鲁宾和福特与罗伯茨和怀特赫斯特之间就不可见物质的存在达成了共识，但他们仍然需要与兹威基和史密斯早先对星系团中暗物质的研究，或者卡恩和沃尔彻声称在银河系和仙女座星系中存在暗物质的研究挂上钩。最终将不同物理尺度上的观测联合起来的催化剂却不经意地从理论中出现了。

1973年，普林斯顿大学的两位年轻理论学家耶利米·欧斯垂克和詹姆斯·皮伯斯正在研究一个关于星系及其恒星盘稳定性的理论问题，他们提出暗物质可能有助于保持星系停泊在原位。有一件有趣的事情值得注意，就是这篇论文没有提及任何观测工作，确实来自独立理论计算的结果，其结论是“银河系和其他旋涡星系在已观测到的盘以外的质量有可能极为巨大”。[25]

翌年，欧斯垂克、皮伯斯和阿莫斯·亚希勒发表了一篇关于星系中从中心向外的物质分布的论文。这篇论文令天文学界的大多数人相信，这些缺失的质量是真实的，更重要的是它们还对于所有星系聚合在一起发挥了关键的作用。他们的研究显示，这种现在被称为球形晕的不可见物质的延展分布将恒星紧紧地控制在它们的星系之中。欧斯垂克、皮伯斯和亚希勒的结论是，在银河系和其他旋涡星系的外缘存在着相当大的质量。一开始几乎没有人接受这种无处不在的暗物质的概念，还有些诋毁者争辩说，星系也可能通过其他方式保持稳定，也许以“核球”的形式，即大量恒星集中在内部区域。他们主张，这个核球产生的引力足以使星系聚合在一起，而且事实上暗物质晕的存在会抑制星系中漩涡结构的形成[26]。如今，观测证据强有力地支持欧斯垂克、皮伯斯和阿莫斯·亚希勒的结论，即这些不可见的物质不仅延伸到星系的外部区域，而且在宇宙中的所有地方都不容小觑。

天文学家们花费了不少时间才理解，这些在解释星系中的运动时所需要的缺失质量正是在解释星系团中的星系运动和它们造成的光线偏折时所需要的缺失物质。1961年，亚美尼亚埃里温天文台的维克托·安巴楚勉首先提出，在这些物理尺度之间存在着一种联系，即兹威基从星系团中推断出的不可见物质和旋涡星系中的不可见物质很有可能是同一种。这种理念将两个尺度上的令人迷惑的观测结果结合在一起，但人们对此却迟迟不能接受。事实上，第一次完全致力于暗物质的会议直到1975年1月才在爱沙尼亚首都塔林召开。不过，在这次会议上展开了许多热烈的辩论，而论题不是讨论暗物质是否具有强有力的观测事实，更主要的是关于可能的暗物质候选者，包括好几种看似有理的可能性，比如电离的气体、昏暗的恒星，以及像中子星和黑洞那样的坍缩天体。最后讨论围绕的中心是可能既构成星系也构成星系团中的暗物质的候选者。除了这些明显的候选者（它们不产生光，像黑洞一样）之外，与会者们还探究了一种更为奇异的提议：也许这些不可见的物质是由一些从本质上不同于普通物质成分的粒子构成的。星系和星系团中的暗物质问题完全是同一回事，而且是真实的。这种概念到20世纪70年代末一经接受，人们就开始清晰地明白了暗物质可能在每种星系以及整个宇宙中都发挥着重大作用。质量在宇宙如何聚合和汇集起来，从而形成一些我们看得见的像星系这样的结构？对此过程的理论计算表明，暗物质粒子是冷的，也就是说它们的运动是缓慢的、相当不活跃的。于是我们开始将这种不可见的、迟缓的却又无处不在的成分确认为冷暗物质[27]。

乔治·布鲁门塔尔、桑德拉·法贝尔、乔尔·普里麦克和马丁·里斯1984年在《自然》（Nature）杂志上发表了一篇论文，其中为冷暗物质主导宇宙中的星系和星系团形成的过程制定了框架。大约与此同时，X射线研究的结果清晰地表明，椭圆星系也有缺失的质量。这些日益增长的经验证据与早期数值模拟很好地契合了。而在这些数值模拟中，暗物质似乎驱动着所有宇宙结构（旋涡星系、椭圆星系和星系团）的形成。不过，研究者们虽然知道暗物质能够做什么，但对于暗物质是什么却毫无头绪。他们考虑过多种多样的候选者，其范围从黑洞、褐矮星（没能点燃的恒星，因此它们有质量，但不产生光）和白矮星到致密天体直至气体，甚至连中微子这种几乎与大部分物质都不发生相互作用的幽灵般的粒子也加入了这一角色的海选。然而在1983年，设计用于测试中微子是否可能作为暗物质候选者的计算机模拟没能再现出宇宙中那些星系的观测性质。一个接一个，大多数暗物质候选者都接受了测试，并最终被抛弃。有几种可行的候选者得以幸存下来，保持了竞争者的地位，不过暗物质粒子曾经是而且现在仍然是不可捉摸的。鲁宾在1983年为《科学》（Science）杂志撰写的一篇综述文章中追忆了她研究旋涡星系旋转曲线的工作，她说道：“天文学家们认识到他们研究的是只占宇宙5%～10%的发光部分后，就可以饶有兴味地来执行他们的任务了。”[28]因此，暗物质确实是由不同于普通物质的奇异材料构成的，不然的话，天文学家们就必须去质疑牛顿的运动定律了。牛顿定律适用于单个星系的这一坚定信念，为暗物质假设，因而也为暗物质能够在宇宙中发挥一种更为全面的作用留下了余地。不过，假如天文学家们对牛顿提出了挑战，情况又会如何呢？假如他们对于暗物质的情况只是说经典引力定律不必在大的宇宙距离上也适用，情况又会如何？毕竟，有一个先例明摆着：在涉及引力的本质问题时，爱因斯坦就打倒了牛顿。

要抛弃整个理论，通常并非易事。不符合现存范式的新观测多半会导致对当前已被接受的世界观进行修改，而不会导致一种全新的世界观。正如科学史学家、科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中所指出的，这才是“常规科学”的进程[29]。

例如，我们来考虑威廉·赫歇尔爵士的例子。这位英国天文学家利用一架他自己制造的望远镜，在1781年3月13日发现了天王星。他以自己之所见将太阳系的已知边界外推至那些经典行星之外的范围。到1846年，天王星几乎完成了自从赫歇尔首次发现它以来的一次完整轨道运动。天文学家们通过追踪其轨道，发现了牛顿引力理论中无法解释的一些差异。这指向了一种可能性：要么牛顿是错误的，要么他的那些运动定律需要修正。法国天文学家奥本·勒维耶从这些观测到的异常现象入手，提出有一颗尚未探测到的行星潜伏在比天王星更远的地方，影响着天王星的运动，并且他由此计算出这样的一颗行星应该位于何方。1846年9月23日，当约翰·格弗里恩·伽勒和海因里希·德亚瑞司特探测到海王星时，他的预言得到了证实。英国天文学家约翰·库奇·亚当斯也紧跟其后，并做出了独立预言。不过，勒维耶在这场你追我赶的竞赛中胜出，他率先报告探测到了海王星。牛顿定律仍然毫发无损[30]。

然而，水星似乎也偏离了牛顿理论。基于勒维耶先前曾取得过成功，因此他提出也许还有另一颗隐藏的行星在导致这种奇异的轨道运动。长久而不成功的搜寻甚至导致有人虚报发现了这样一颗不可见的行星，并称之为祝融星[31]，但祝融星并不存在。最终，在这个案例中确实是牛顿定律需要彻底革新。在1916年的一篇题为《广义相对论的基础》的论文中，爱因斯坦用他的新理论正确预言了水星轨道中存在的进动[32]。正如我们在前两章中看到的，他发表于1915年和1916年的广义相对论取代了牛顿的引力理论。

正如牛顿与爱因斯坦的例子那样，有时观测与一种现存理论不符合时，这些观测就预兆了一种全新理论的出现，但更常见的是这些观测只是表明在已经建立的模型中存在着一个被忽略的或不完备的细节。如今绝大多数天文学家都相信暗物质的存在，这是因为尽管我们尚未探测到与之相关的粒子，但对于星系运动和星系团导致光线弯折的那些天文观测给出了势不可挡的证据。人们相信暗物质的理由是来自许多间接证据的独立渠道给出了确实的佐证。此外，对星系和星系团聚合过程的模拟结果表明，暗物质构成的网络遍布我们的宇宙，并且在这些网络细丝的交叉处形成了星系。

另一方面，对于暗物质理念的抗拒则导致了一小群物理学家去质疑那些基本的引力定律。阿里戈·芬奇在1963年发表在《皇家天文学会月刊》上的一篇论文中提出了这种可能性。他重新考虑了兹威基对星系团中星系运动的观测数据，并试图通过假设一种新的引力理论来解释它们。这种理论隐含着在距离越大处引力越强，而不是像牛顿定律中预言的距离越大处拉力越弱。他通过这种做法摒除了不可见物质：“假如有人接受这篇论文中提出的这些理念，那么他就没有任何特别强的理由去猜测很大量不可见物质的存在。”他的结论是，正在迅速积累起来的数据也许会在不久的将来解决这个问题[33]。

芬奇所建议的修改需要我们理解牛顿引力是如何起作用的。根据牛顿的理论，引力的强度随着距离而减小。物质彼此之间的距离越远，它们的相互吸引力就越弱。这一定律形式在我们地球上的日常体验中成立得很好，在用爱因斯坦的广义相对论稍加修正后，似乎在太阳系内部也成立。然而，如果我们去往更远的宇宙深处呢？

物理学家雅各布·贝肯斯坦和莫德采·米尔格若姆从芬奇的这篇论文中得到灵感。他们的疑惑是，在宇宙尺度上，即在由引力导致的加速度非常小的区域之中，引力是否可能有所不同？他们提出了一种在此类情况下修改引力定律的理论，称之为“修正的牛顿动力学”（Modification of Newtonian Dynamics,MOND）[34]。

尽管存在大量暗物质的证据确凿无疑，而且还在不断增加，但由于暗物质粒子仍然缺失，因此它完全依赖于我们对于数据的解释。根据MOND理论，当由于引力而产生的加速度减小到某一特定值以下时，引力强度的减小就不再那么快速了。与此相反，它开始增大。在恒星绕着星系沿轨道运行的例子中，加速度与到星系中心的距离是相关的，因此引力被修正，在远离星系中心处，它比牛顿理论值要更强。其净效应是处于星系外缘的恒星绕着中心沿轨道运行的速率与较近处的恒星相同，而这正是观测到的现象。从观测上来说,MOND成功地解释了恒星在星系中的运动（对于昏暗的星系这类天体的解释最为成功），不过它没能解释星系团，那是最早出现需要用暗物质来给出解释的地方。

MOND壮烈牺牲的唯一战场在于解释由星系团产生的已经得到观测和证实的光线偏折效应。即使修改了牛顿定律，爱因斯坦的广义相对论也仍然需要遵循，这是因为我们观测到了引力透镜现象。根据广义相对论，要使空间发生弯曲并影响光线的路径就需要质量。为了解释星系团中观测到的光线弯曲现象，我们需要大量不可见的物质，而这些物质是制造出深坑的原由。事实证明，MOND也需要引入一种不可见的额外质量成分来解释引力透镜现象，因此有些研究者再次提出合理的理由，将那些微小的粒子——中微子作为星系团中的暗物质。这种障碍（即在不添加中微子的情况下无法与观测到的透镜数据相一致）削弱了MOND的说服力和吸引力。通过修改引力，它就不再需要星系中的暗物质了，但却无法通过解释消除对星系团中的暗物质的需要。冷暗物质理论仍然占据上风。来自哈勃空间望远镜的数据表明，星系和星系团造成的引力透镜现象在宇宙中并不罕见，并且目前的所有观测都与暗物质如何在宇宙中成团及弥漫的理论预言完全一致[35]。

冷暗物质理论所取得的所有辉煌成功是MOND不可能轻易复制的。MOND的关键缺陷在于，它事实上并不是一种全面的理论，这是不同于诸如牛顿的或者爱因斯坦的理论的地方。它尚未为这种提议的引力修改提供任何基本的物理上的充分理由，其目标只是为了契合实验数据。是否存在着一种更深层次的、作为基础的理论，它可能为我们提供MOND所设想的那种引力修正？这一点仍然使人捉摸不透。假如确实存在着这样一种理论，那么就会需要它去解释当前的所有观测，充任暗物质的所有角色：构成宇宙的结构、使宇宙膨胀、使光线发生透镜效应，并且为了取代暗物质假设，它还需要做出一些可供检验的新预言。

任何新理论要取代一种旧理论，它就必须解释所有的现存数据，还必须做出额外的可供检验的预言，让我们可以从观测上验证它们。对于正面交锋的两种相互竞争的理论，它们都必须解释现存的数据并做出可供验证的预言。因此，尽管MOND还不是一种完全可行的替代理论，但它也许能为一种替代引力的理论提供一种初步认识。MOND提供了一个正在发展的、活跃的研究领域，虽然只有少数天文学家在检验它，而且也几乎没有几位理论学家在研究如何完善其公式表述。尽管如此，MOND与冷暗物质之间的争论仍然可能变得激烈。冷暗物质理论具有巨大的解释能力，不过也有一些缺口，即它没有与观测完美一致的实例。这一理论与观测之间绝无仅有的几种紧张局势出现在重子（即普通物质）与暗物质粒子近到挤在一起的时候，例如星系的最内部区域。在星系中心处，恒星紧凑在一起，重子的数量超过了暗物质粒子，此时冷暗物质模型就无法精确描述各种观测到的特征。在这些拥挤的宇宙角落里区分暗物质与普通原子的作用，对于观测和数值模拟一直都提出了挑战。

整个宇宙似乎都弥漫着暗物质，这是一个由独特的丝状结构所构成的宇宙网络。这些丝状结构甚至渗透到星系之间的空间。我们现在拥有了通过引力透镜观测得到的暗物质精确分布图，其中最近期的、具有最高翔实度的几幅是由我的研究团队制作的，采用的是哈勃前沿视场计划项目的星系团透镜数据。这些分布图揭示出，在距离我们50亿光年以外的星系团内部，那些很小的矮星系周围存在着看起来像是暗物质晕的东西。光线弯折还使我们能够量化与宇宙中最小的那些星系团成员星系相联系的暗物质的存在，而且在宇宙中的各种不同尺度上似乎都存在着暗物质。尽管如此，我们仍然值得提出这样一个问题：是否引力的性质在各种宇宙尺度上都保持不变？又为何是这样？最有帮助的当然是找到假定的暗物质粒子，这正是犯罪现场消失的尸体。就需要考虑的候选者而言，我们的探究囊括了全部范围，从普通物质（行星、昏暗的恒星和黑洞）到那些奇异的天体。宇宙学家们将普通物质候选者统称为晕族大质量致密天体（Massive Compact Halo Objects,MACHO）。如今理论已经告诉我们，假如暗物质与普通的原子和粒子没有任何区别的话，那么我们周围的物质是完全不能满足需要的。我们可以计算出大爆炸时创造出了多少普通原子，而对大爆炸遗留下的辐射进行观测的结果也证实了这种估计。考虑宇宙的质量预算值后明显可知，我们需要某种奇异的、在早期宇宙中创生的粒子，用这种与普通物质截然不同的粒子来解释所有根据推测得知的暗物质。当然，这样的粒子根据定义是很难探测到的——相当惰性，而且几乎不与正常/普通物质发生相互作用。这些大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles,WIMP）会轻易地径直穿过你。目前有许多正在进行的实验旨在直接探测暗物质粒子，即游荡在地球附近的那些WIMP。不过迄今为止，这种神秘的、无所不在的粒子还逍遥法外[36]。

揭示暗物质在宇宙中的作用标志着宇宙学新篇章的开始。科学实践在过去的60年中逐渐发生了演化——要求团队协作和大量新工具。如今，具有超级图形功能的强大计算机使我们能够追踪宇宙的演化并实现其可视化，从而能与天文学观测进行直接的比较。我们作为宇宙学家的关键局限性之一源自这样一个事实：与其他科学家不同，我们无法做受控实验。我们探测到的就是我们所能得到的一切！宇宙学最初是一门推测性的学科，如今因为数值模拟已成为实验的详尽替代品而成了一门受到尊重的学科。到20世纪80年代，宇宙学已有了3种探究模式，这3种相互独立的研究途径对于产生新知识和检验新理念都是至关重要的。它们是理论、观测和数值模拟。随着技术和计算能力的迅速发展，我们现在能够进行高分辨率的宇宙学模拟，这些模拟已经超越了它们最初用来证实观测的作用，并开始推动科学奔向确定其前沿的那些问题。这一地位转换发生在数值模拟变得具有衍生性的时候，它为创造新知识提供了一套强大的新方法，而不再仅仅是一种检验理念的有限工具。如今这些模拟提供了深刻理解天文学过程的机会，这些过程不仅极其复杂，而且联合在一起运转，其联动程度是用简单的纸笔计算所无法预测的。

“千禧模拟”中的一片宇宙。这里显示的是错综复杂的暗物质网络，宇宙中所有观测到的星系都是从这里形成的。（图片由沃尔克·斯普林吉和室女座联盟项目提供。）

接受暗物质理念，这段故事完全不同于我们在前几章中探究过的另外两种变革性理念膨胀宇宙和黑洞所经历的过程。首先，暗物质的最初提出完全是由经验驱动的，而用于解释它的理论框架则是事后才建立起来的。其次，仪器及计算机硬件和软件的开发，对于发现暗物质在宇宙中所起的关键作用无疑是至关重要的。再次，这一进程最显著的特点是，暗物质理念在最终被接受之前，曾多次被发现、摒弃、再发现。鲁宾和福特艰苦工作，一个星系接着一个星系地记录下这一大样本中的各恒星速率，再加上与此同时暗物质理论也得到了发展，人们这才开始严肃地对待暗物质理念。正是理论的这种汇合（宇宙结构形成的整个冷暗物质模型框架的发展）以及各种观测结构才导致人们最终接受了暗物质理念。暗物质问题不仅创造出一批新的专家骨干队伍——数值模拟专家，还加强和完善了模型在宇宙学中的作用。当暗物质在宇宙中的重大作用得到公认时，模型在观测与理论之间充当一种强有力的中介这一概念就上升到了突出地位。当然，暗物质粒子的发现仍然是一个悬而未决的大问题。要找到尸体才能破案。我们坚信这种可感受到但不可见的物质是切实存在着的，与此同时继续寻觅这种神秘的粒子。

[1].夏洛克·福尔摩斯和赫尔克里·波洛分别是英国侦探小说家阿瑟·柯南·道尔（1859—1930）和阿加莎·克里斯蒂（1890—1976）的小说中所塑造的著名侦探。——译注

[2].理查德·帕内克，《4%的宇宙：暗物质、暗能量，以及发现其余现实的竞速》（The 4% Universe:Dark Matter,Dark Energy,and the Race to Discover the Rest of Reality,New York:Mariner Books,2011），第1～6章。——原注

[3].夫琅禾费的传记可参见T.霍基主编的《天文学家传记百科全书》（The Biographical Encyclopedia of Astronomers, Heidelberg:Springer,2009）。第388页。——原注

[4].美国物理学会，《光谱学以及天体物理学的诞生》（Spectroscopy and the Birth of Astrophysics），物理学史中心。——原注

[5].F.兹威基，《河外星云的红移》（Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln），英文版译者为弗里德曼·布劳尔，刊于《瑞士物理学报》（Helvetica Physica Acta）,1933年第6期，第110～127页。对于这些翻译，我依赖的是西德尼·范登伯格所著的《暗物质的早期历史》（The Early History of Dark Matter），刊于《太平洋天文学会汇刊》（Publications of the Astronomical Society of Pacific 111,no.760）,1999年6月，第657页。——译注

[6].克莱尔·史密斯，《室女座星系团的质量》（The Mass of the Virgo Cluster）,《天体物理学杂志》,1936年，第83期，第23～31页。——原注

[7].特利西亚·克洛斯，《山上的疯子：弗里茨·兹威基和暗物质的早期历史》（Lunatic on a Mountain:Fritz Zwicky and the Early History of Dark Matter），硕士论文，加拿大新斯科舍省哈利法克斯市圣玛丽大学2001年。——译注

[8].“肯特·福特和维拉·鲁宾的像管摄谱仪名列史密森学会‘101件创造美国的物品’”（Kent Ford & Vera Rubin's Image Tube Spectrograph named in Smithsonian's “101 Objects that Made America”），卡内基科学研究所地磁学部；德瑞克·J.德索拉·普莱斯，《小科学，大科学》（Little Science,Big Science,New York:Columbia University Press,1963），第70页。——原注

[9].暗物质粒子——不管它们可能是什么——预期会以低速运动，因此被称为冷的。——原注

[10].乔恩·阿加尔，《20世纪的科学——不止于此》（Science in the Twentieth Century—and Beyond,Cambridge:Polity,2012），第164页。——原注

[11].《小王子》（The Little Prince）是法国作家、诗人、飞行员安托万·德·圣-埃克苏佩里（1900——1944）撰写的小说，是世界上最畅销的图书之一，已被翻译成250多种语言。此书有人民文学出版社、中国友谊出版社、上海译文出版社、华东师范大学出版社等多个中译本。——译注

[12].安托万·德·圣-埃克苏佩里，《小王子》英文版（New York:Harcourt Brace and World,1943），译者为凯瑟琳·伍兹，第48页；约翰·F·富尔顿，《罗伯特·波义耳及其对17世纪思想的影响》（Robert Boyle and His Influence on Thought in the Seventeenth Century,Isis 18,no.1）,1932年7月，第77～102页。——原注

[13].阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷，《论地球和光以太的相对运动》（On the Relative Motion of the Earth and of the Luminiferous Ether），刊于《星际使者》（Sidereal Messenger）,1887年第6期，第306～310页。迈克耳孙因开发出干涉仪这种精密光学仪器而被授予1907年的诺贝尔物理学奖。——原注

[14].F.兹威基，《形态天文学》（Morphological Astronomy,Berlin:Springer,1957），第132页。虽然我们可以将臆造出“暗物质”这个术语归功于兹威基，不过是J.R.邦德和A.S.绍洛伊在《膨胀宇宙中密度涨落的无碰撞阻尼》（The Collisionless Damping of Density Fluctuations in an Expanding Universe）一文中将其现代用法引入文献，指代冷的、无碰撞的粒子。此文刊登在《天体物理学杂志》,1983年，第274卷，第443～468页。——原注

[15].F.兹威基，《论星云和星云团的质量》（On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebular），刊于《天体物理学杂志》,1937年，第86卷，第237页。——原注

[16].G.苏凯尔，《星系团A370中心的明亮巨弧》（The Giant Luminous Arc in the Centre of the A 370 Cluster of Galaxies），刊于《欧洲南方天文台信使》（ESO Messenger 48）,1987年6月，第43～44页。——原注

[17].J.H.奥尔特，《关于银河系及椭圆星云NGC 3115和NGC 4494的结构和动力学的几个问题》（Some Problems Concerning the Structure and Dynamics of the Galactic System and the Elliptical Nebulae NGC 3115 and 4494），刊于《天体物理学杂志》,1940年，第91卷，第273页。——原注

[18].F.D.卡恩和L.沃尔彻，《星系际物质和银河系》（Intergalactic Matter and the Galaxy），刊于《天体物理学杂志》,1959年，第130卷，第705～717页。——原注

[19].罗伯特·密立根（1868—1953），美国物理学家，由于精确测量基本电荷量的油滴实验和光电效应方面的工作而获得1923年诺贝尔物理学奖。——译注

[20].A.威尔逊，《兹威基：人文主义者和哲学家》（Zwicky:Humanist and Philosopher），刊于《工程与科学》（Engineering and Science 37）,1974年3～4月，第18页。——原注

[21].丹尼斯·奥弗比，《宇宙的寂寞心灵》（Lonely Hearts of the Cosmos,New York:Harper Collins,1991），第18页。——原注

[22].V.鲁宾、K.福特和 J.鲁宾，《14.0≤M≤15.0的ScI型星系径向速度的奇异分布》（A Curious Distribution of Radial Velocities of ScI Galaxies with 14.0≤M≤15.0）,《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）,1973年，第183卷，L111）。——原注

[23].戴维·德沃金1996年5月9日对维拉·鲁宾博士的访谈，马里兰州州立大学学院公园校区，美国物理学会尼尔斯·玻尔图书馆及档案馆。理查德·帕内克在《4%的宇宙：暗物质、暗能量，以及发现其余现实的竞速》一书第25～53页详细描述了鲁宾的研究和贡献。另请参见艾伦·莱特曼和罗伯塔·鲍尔所著的《起源：现代宇宙学家们的生活和世界》（Origins:The Lives and Worlds of Modern Cosmologists,Cambridge,MA:Harvard University Press,1990）一书第291页。——原注

[24].M.S.罗伯茨和R.N.怀特赫斯特，《M31距星系中心较大距离处的旋转曲线及几何结构》（The Rotation Curve and Geometry of M31 at Large Galactocentric Distances），刊于《天体物理学杂志》,1975年，第201卷，第327～346页。——原注

[25].J.欧斯垂克和J.P.E.皮伯斯，《扁平星系稳定性的数值研究：或者说冷星系可能存在吗？》（A Numerical Study of the Stability of Flattened Galaxies:or,Can Cold Galaxies Survive?）,《天体物理学杂志》,1973年，第186卷，第467页。——原注

[26].J.欧斯垂克、J.P.E.皮伯斯和A.亚希勒，《星系的大小和质量以及宇宙的质量》（The Size and Mass of Galaxies,and the Mass of the Universe）,《天体物理杂志快报》,1974年，第193卷，L1；以及阿格里斯·J.卡尔纳斯,《晕和盘的稳定性》（Halos and Disk Stability），发表于J.科尔门迪和G.R.克纳普主编的 《宇宙中的暗物质：第117界国际天文联合会研讨会论文集》（Dark Matter in the Universe:Proceedings of 117th Symposium of the International Astronomical Union,Boston:Kluwer Academic,1987），第289～299页。——原注

[27].弗吉尼亚·特林布，《星系中的暗物质之史》（History of Dark Matter in Galaxies），刊于泰瑞·D.奥斯瓦尔德主编的《行星、恒星和恒星系统》（Planets,Stars and Stellar Systems）第5卷；以及盖瑞·吉尔莫主编的《星系结构与星族》（Galactic Structure and Stellar Populations,New York:Springer,2013）第1091～1118页。——原注

[28].乔治·R.布鲁门塔尔、S.M.法贝尔、乔尔·R.普里麦克和马丁·J.里斯，《冷暗物质形成的星系与大尺度结构》（Formation of Galaxies and LargeScale Structure with Cold Dark Matter），刊于《自然》杂志，1983年，第274卷，第517页；S.D.M.怀特、C.S.弗兰克和M.戴维斯，《中微子主导宇宙中的成团》（Clustering in a Neutrino-Dominated Universe），刊于《天体物理学杂志快报》,1983年，第274卷，L1；维拉·鲁宾，《旋涡星系的旋转》（The Rotation of Spiral Galaxies），刊于《科学》杂志，1983年6月24日，第220卷，第1344页。——原注

[29].托马斯·库恩，《科学革命的结构》（The Structure of Scientific Revolutions,Chicago:University of Chicago Press,1962）。——原注

[30].理查德·福尔摩斯，《奇迹的时代：浪漫的一代如何发现科学的美丽与恐怖》（The Age of Wonder:How the Romantic Generation Discovered the Beauty and Terror of Science,New York:Vintage,2010），第60～125页。——原注

[31].Vulcan，罗马神话中的火神，维纳斯的丈夫。——译注

[32].A.爱因斯坦，《广义相对论的基础》（The Foundation of the General Theory of Relativity），刊于《物理学年鉴》,1916年，第769～822页。——原注

[33].阿里戈·芬奇，《论长距离上牛顿定律的有效性》（On the Validity of Newton's Law at a Long Distance），在与F.A.E.皮拉尼交流的过程中获悉，刊于《皇家天文学会月刊》,1963年，第127卷，第21～30页。——原注

[34].雅各布·贝肯斯坦和莫德采·米尔格若姆，《缺失质量问题标志着牛顿引力的崩溃吗？》（Does the Missing Mass Problem Signal the Breakdown of Newtonian Gravity?），刊于《天体物理学杂志》,1984年，第286卷，第7～14页；米尔格若姆，《暗物质真的存在吗？》（Does Dark Matter Really Exist?），刊于《科学美国人》（Scientific American）,2002年8月，第42页。——原注

[35].让-保罗·克乃伯和普里亚姆瓦达·那塔拉印，《星系团透镜》（Cluster Lenses），刊于《天文学与天体物理学评论》（Astronomy and Astrophysics Review）,2011年，第19卷，第47篇。——原注

[36].“macho”和“wimp”这两个英文单词的意思分别是“男子汉”和“懦弱者”。——译注

第5章 变化中的尺度：正在加速的宇宙

在H.G.威尔斯[1]1911年的小说《最早登上月球的人》（The First Men in the Moon）中，一位苦恼的伦敦商人阿诺德·贝德福德退居到乡村去写一部剧本，他希望以此改善自己每况愈下的经济状况。正如你可能从书名中就已经猜到的，贝德福德结果却退而求其次，踏上了一段去往月球的旅程。他的物理学家朋友约瑟夫·卡弗尔发明了一种叫作“反重力物质”的新材料，任何东西涂抹上这种物质后就能“使引力转向”，从而成就了这趟旅程的可能性。贝德福德和卡弗尔乘坐一个球形的、涂有反重力物质涂层的太空飞船成功登陆月球。不过，只有贝德福德安全返回家园，留下卡弗尔在月球表面遭受折磨，因为他成了被称为“塞勒涅特”[2]的月球居民的俘虏。

威尔斯的故事突出了人类对于一条中心物理定律永恒的迷恋。不过，对抗引力的幻想在20世纪不再仅仅是科幻题材。罗杰·巴布森是一位曾就读于麻省理工学院的工程师兼企业家，他在1948年的短文《引力——我们的头号敌人》中透露了他希望克服引力的起因：他的妹妹在童年时溺水身亡的惨痛往事，以及他的孙子同样也因为溺水而离世的悲剧。他解释说：“渐渐地，我发现‘重力老人’不仅直接造成每年数百万人死亡，还有数百万意外事故……髋骨骨折和其他骨折，以及无数循环系统、肠道系统和其他内脏问题，都是由于人们在关键时刻没有能力抵抗重力的直接后果。”发明了一些新方法来对股市进行统计分析从而发家致富的巴布森在1948年建立了两个机构：一个是以他本人名字命名的商学院，如今被称为巴布森学院；另一个是重力研究基金会，旨在与他的“头号敌人”作斗争。当然，任何专注于对抗一种基本物理作用力的冒险都是注定要失败的。重力研究基金会在20世纪60年代随着巴布森的去世而关门停业，不过后来又重新改造为向真正的科学家提供年度奖金，奖励他们深入研究引力的前沿问题。这个基金会迄今已向许多杰出科学家授奖，其中包括史蒂芬·霍金[3]。

虽然巴布森的古怪想法即使对于科幻小说而言也过于异想天开了，然而却是一种对抗重力吸引的反作用力。与威尔斯的反重力物质最接近的东西事实上就是我们现在所谓的暗能量。这种于1998年发现的神秘作用力弥漫在整个宇宙之中，驱动着我们的宇宙加速膨胀。如同暗物质一样，我们已测量出了它的种种效应，却无法确定它的基本性质。更伤脑筋的是，暗能量似乎是我们今日宇宙中的主要成分。自从20世纪80年代以来，表明其存在的证据已缓慢累积起来。不过，只有直接探测到了宇宙的加速度，以及发现埃德温·哈勃的那条定律产生了偏差，才最终证实暗能量的存在。

哈勃在20世纪20年代发现的证据为宇宙拔去了锚，接受那条定律已经是一次足够痛苦的经历。而事实证明这条新增的困难（宇宙的膨胀并不是在稳步进行，而是在急速狂奔）甚至更加令人感到无所适从。与本书所探讨的其他理念不同，暗能量缺乏一种解释性理论，而且我们似乎距离这一目标还很遥远。正如科学作家理查德·帕内克指出的，在物质和能量前加上暗这一形容词的这种做法“可能会作为语义学上最终的退让而载入史册。这不是由于遥远或不可见而‘暗’，这也不是由于在黑洞中或外太空中而‘暗’。这是由于目前未知而‘暗’，而且可能会永远未知”。[4]我们目前对它的理解只不过是一个占位符，而且我们是否有朝一日能够揭示暗能量的本质还需要拭目以待。

这并不是由于缺乏尝试：暗能量之谜甚至早在威尔斯虚构的月球登陆之前就开始了。神学家理查德·本特利在1692年就关于宇宙中的引力与平衡的本质这一基本难题向艾萨克·牛顿提出质疑：假如宇宙中充满了物质，并且物质之间通过引力彼此吸引，那么宇宙为什么没有走向坍缩呢？这个问题是当本特利准备在伦敦做第一组罗伯特·波义耳演讲期间提出来的，这一邀请给他带来的荣誉很可能应归功于牛顿在政治上的周旋。如今以关于气体及其各项性质而出名的波义耳，当时是热情的信教者，并设立了一项捐赠用于宣扬宗教的演讲。本特利刻苦研究了牛顿的工作，并在忙于准备他的演讲期间向牛顿提出了这个问题。牛顿在回答这个问题时承认，他的这些论证要求“在一个无限大空间里的所有粒子都应该如此精确地平稳安置在彼此之间，以致能静止不动而构成完美的平衡状态。因为我估计实现这种状态的难度就好比不是将一根针立起来，而是将无限多根针（与无限空间中的粒子一样多）针尖朝下精确地立起来”。[5]

本特利在1700年成为剑桥大学三一学院的院长。他既傲慢自大又雄心勃勃，充满争议地占据了这一职位长达30年，学院的高级成员们奋起反抗他的专制独裁作风。不过，虽然经过数次尝试，但他们还是没能让他下台。牛顿得到了本特利的坚定支持。本特利当时还顺理成章地指导了《原理》第2版的出版，因为作为院长，当时剑桥大学出版社也在他的管辖范围之内。他们之间的友谊早在本特利领导三一学院之前就开始了。当时他为了利用引力理论来证明必定有一种神圣作用力设计了太阳系而向牛顿寻求指导。本特利正在寻找这只神圣的手存在的证据，以解释引力所必需的物体之间的物理相互作用。他对牛顿提出的问题也是一个深奥的物理问题。它直探问题的中心——牛顿1687年在《原理》第1版的一段简短陈述中支持的引力产生的超距作用原理。牛顿随后与本特利详细通信，这使得牛顿在1713年出版的第2版的正文中增加了一段新文字，即“总释”，用一种更加详细的处理方法来取代原来的那段陈述。牛顿在此处借助于神圣作用力，并解释道：“于是那些由恒星所构成的系统就不会由于其引力的结果而彼此碰撞，[上帝]将它们放置在彼此相隔十分遥远的距离上。”牛顿求助于一种能使行星在太阳系中保持稳定的神力，这是因为他相信单凭概率是不会形成它们目前的构形的，也不会使这种构形在较长时间内稳定不变。他在回答本特利时断言：“引力必定是由于一种根据某些定律而恒常发生作用的中介力量引起的：不过这种中介力量是物质性的还是非物质性的，我把这个问题留给我的读者们去思考。”这当然是很有说服力的材料，本特利能够出于他为波义耳演讲所肩负的责任心，以此来为一种神圣秩序的存在提出辩护。不过，尽管凭借着上帝作为解释力，本特利的问题仍然悬而未决，这是由于在对引力的这种理解之中仍存在种种局限性[6]。

于是，假如物质需要神力影响才能维持一个稳定的宇宙而不发生坍缩，那么再来想象一下解释哈勃时期所揭示的膨胀宇宙带来的困难吧。如果宇宙是以恒定的速率在发生膨胀，那么哈勃发现的距离与速度之间的线性关系就应该在我们能够看见的范围内都保持成立。然而，在一个完全由物质构成的宇宙中，膨胀是永远不可能恒定的，这是因为物质会在某些区域堆积起来，从而导致其他区域没有足够的物质。这又会转而在质量聚合的区域驱动坍缩，而在被稀释的区域导致膨胀。在距离我们最遥远的地方，星系必定会偏离哈勃图中的那根直线。要确定宇宙的膨胀是否恒定，就需要在最遥远的距离范围内测量哈勃关系。为了描绘和探索哈勃和赫马森的哈勃图速度轴之外的范围，天文学家们可以再次使用从遥远星系的谱线中推断出的红移。此时的问题在于，哈勃是采用造父变星测距的，在无法辨认和追踪单个造父变星的距离以外，如何再能精确地测量距离？遥远的星系需要一种比邻近的造父变星即使不是更好也至少要更加可靠的标准烛光。

哈勃的同侪及竞争对手（因暗物质而成名的）弗里茨·兹威基做出了关键的发现，从而能够将哈勃定律推广到宇宙中最遥远的范围。兹威基辨认出宇宙中的一类新的明亮灯塔，它们的可观测范围超过了哈勃和赫马森所探测到的范围。1943年，兹威基和沃尔特·巴德计算出，在某些特殊情况下，恒星的核会在经历一连串核反应后发生坍缩。詹姆斯·查德威克[7]在10年前发现了一种不带电的亚原子粒子——中子，这表明恒星内爆后会留下一个极端致密的、由中子构成的核。这会发生在恒星的所有外层都因内爆过程产生的激波而被猛烈地驱逐出去之后。这些留在核区的中子会被极端致密地压缩在一起。例如一汤匙中子星的质量就相当于10万亿千克！兹威基和巴德紧跟钱德拉的脚步，提出这些恒星的死亡喘息会极其明亮。他们为这些恒星臆造了“超新星”这个名字。兹威基在预言了大质量恒星的这种终极状态后，就开始从观测上搜寻这些极端明亮的超新星爆炸。他甚至还在帕洛玛山上定制设计了一架457毫米望远镜，用于搜寻这些宇宙灯塔。他最后确实发现了这些恒星死亡的终极产物，不过其进程艰难，计数增长缓慢。他对超新星的探索以及他的各项发现都登上了《纽约时报》，其中在1942年9月27日的《科学新闻评论》专栏中有这样一条：“又一颗正在爆发的恒星出现在天空中。”在这之前，有一位英国业余天文学家曾无意中发现了第一颗得到确认的超新星，它是1200年前在武仙座中爆发的。1934年12月29日，《科学新闻快报》（Science News Letter）报道，天文学家哈罗·沙普利说发现超新星也许是当代最重要的天文学事件。巴德注意到这些爆炸中产生的天体所具有的相似性，因此提出它们也许确实就是他在1938年发表的一篇论文中所指的标准烛光。他在那篇论文中还提出警告：也许要到很多年以后才会有更好的观察记录去真正确立它们[8]。

又一次，爱因斯坦在这场游戏中发挥了一定的作用。你也许已经注意到，过去100年中的几乎每一项宇宙学发展都有他出现在背景中——假如不是在舞台中心的话。于是，回忆一下他如何为了使宇宙保持稳定而对他的场方程组动手脚并将宇宙常数项Λ引入他的广义相对论，这个故事会对我们有所帮助。另外也请回忆一下，是哈勃发现的膨胀宇宙导致爱因斯坦的常数不正确，从而最终驱使他做出退让并接受了运动宇宙的概念。

事实证明，爱因斯坦用来修补方程组的那个宇宙常数项在当时是错误的，在现在看来却是惊人地正确——即使它所起的作用与爱因斯坦当初的意图大相径庭。在他的场方程组中，这一项代表的是一种与引力完美平衡的斥力，从而使宇宙保持稳态。然而爱因斯坦没能理解的是，以这种方式创造出来的宇宙学平衡是极其不稳定的。对于现状的任何微小偏离都会推动宇宙完全脱离这种完美平衡的状态。这很像我们踮起脚尖站着时的感觉。只要轻轻一推，就可能足以让我们摔倒。

不过对于宇宙而言，轻轻一推的结果就可能不仅仅意味着踉跄一下了。Λ的值朝一个方向略有变化，就会导致宇宙快速进入膨胀状态——事实上是加速膨胀。同样，轻轻挤压一下，就会导致存在的一切都在顷刻间完全坍缩（这正是本特利很久以前想象到的）。虽然爱因斯坦似乎并未对这种脆弱不堪的平衡感到困扰，但亚瑟·爱丁顿却明白它的后果。

爱丁顿注意到维斯托·斯里弗的速度测量，并且甚至早在1923年就开始思考Λ的更深层意义。当哈勃正在开始理解膨胀宇宙的种种暗示时，爱丁顿认为这可能指向爱因斯坦的宇宙常数的一种更加微妙的作用。1932年9月，在马萨诸塞州剑桥市举行的国际天文学联合会会议上所做的公众报告中，他不仅大力宣扬乔治·勒梅特关于宇宙从大爆炸开始膨胀的解答，还考虑了存在一个非零宇宙常数的可能性。爱丁顿将他在这一探索过程中的角色视为一位宇宙大侦探：“我是一名侦探，正在搜寻罪犯——宇宙常数。我知道他存在，但是不知道他的外貌如何。例如 ，我不知道他是个小个子还是个大高个……第一步是要在犯罪现场寻找脚印。搜寻过程已经揭示出几个脚印，或者看起来像脚印的东西——旋涡星云的退行。”[9]

与爱因斯坦不同，爱丁顿将Λ这一项视为解答而非问题，并且他预期这种力可能推动的加速度会超过哈勃测量到的膨胀。他设想假如哈勃图能够扩展到将距离大得多的星系数据也包括在内，那么这样一种效应很可能也会出现。请注意加速度是速度的变化率，因此为了辨识它，我们就需要在时间上回头看得更长，在宇宙中观察得更遥远。这在当时是很难从观测上做到的，因为当时唯一可用的宇宙标尺就是造父变星，而要测量宇宙中超越造父变星可见范围的距离非常具有挑战性。

正如我们在爱丁顿拒绝接受黑洞的过程中所看到的，他是一位易于对自己的理念注入感情投资的杰出科学家。即使当包括爱因斯坦在内的其余天文学界成员都最终完全相信了一个不需要Λ的膨胀宇宙理念时，他仍然不肯屈服。1932年爱因斯坦与威廉·德西特在共同署名的一篇论文中放弃了Λ项，但仍然将这一问题留待以后重新检验。该文中注明：“观测数据精确性的提高会使我们能够在未来判定它的符号并确定它的值。”[10]不过，即使面对这种一致同意没有Λ的新情况，问题仍然存在。哈勃的发现证明，膨胀宇宙的速度在当时超过了引力的效应。但情况始终如此吗？在遥远的未来仍会是这样的吗？而在遥远的过去是否也真是这样的？

为了理解这些问题的答案，我们需要更仔细地来看一下爱因斯坦的场方程组。广义相对论所依托的基础是他对宇宙的形状、成分和命运如何相互关联的深刻理解。因此，他的场方程组精确编码了这三者的相互依赖性。这三者还预言了许多其他性质，其中包括宇宙的年龄。到20世纪90年代，天文学家们已测量了宇宙的成分，但核算结果与它的形状及年龄并不一致——这把他们完全难住了。广义相对论已经稳固确立，它的预言都已得到了观测证实，因此这三者的值不匹配就必定标志着存在完全不同的东西，也许是一种新的缺失成分，宇宙的形状与演化与它的成分产生了令人迷惑的不协调。从维拉·鲁宾和肯特·福特的那些发现开始，观测结果就清晰地表明了宇宙中的大部分材料（物质）都是奇异的暗物质。然而暗物质的量却不足以解释推断出的空间整体形状，而这种缺失就意味着宇宙的年龄比以前所认为的要年轻得多。我们银河系中最年老的那些恒星的产生时间似乎要早于宇宙，这显然是一个问题。

当提到空间的形状时，我的意思并不是指原本绷紧的时空结构中出现的局域性坑洞，而是在最大尺度上的宇宙的整体形状，在这些尺度上宇宙看起来或多或少是均匀的。尽管数据量在日益增长，其中包括20世纪80年代“宇宙背景探测器”卫星对宇宙微波背景辐射的测量值，但是对于宇宙的形状、年龄、成分和演化所取得的测量值之间似乎存在着一条恼人的鸿沟。缺乏这种引人入胜的一致性驱使天文学家们去以更高的精度测量这些量。等待人们发现的还有很多，而更加精确的测量是当时的当务之急。

我们知道，Λ不能完全解决这种不一致，这是因为它不能以一种稳定的、可持续的方式来使宇宙保持稳态。（请记住，它使我们踮起脚尖站着——这是一个很容易踉跄跌倒的解答。）不过，假如我们免除宇宙常数，并坚守勒梅特的膨胀宇宙解，那么这种膨胀就可以完全描述为运动与引力之间争斗的结果，其中引力由宇宙平均密度确定。于是就可以将宇宙中所有成分的观测密度去与一个临界值进行比较，而这一临界值就是区分宇宙可能遭遇的几种命运的分界点。

宇宙中所有物质和能量的密度与临界密度之间的比值是一个纯数，用大写希腊字母Ω来表示。宇宙总的Ω是普通物质、暗物质、大爆炸遗留下的辐射能量以及宇宙常数项相比于临界密度的各比值之和。宇宙微波背景辐射现在对这笔预算的贡献可以忽略不计。因此,Ω事实上归结为物质的贡献和Λ这一项的贡献。爱因斯坦方程组建立了宇宙的形状、成分与命运之间的独特联系，而它的3种可能的解则分别对应于Ω的3个不同的值。

首先，让我们来考虑一个简单的例子，其中比起无物质来说刚刚足以说是有物质了，即Ω远远小于1。在这种情况下，宇宙会以一个恒定的速度一直急速膨胀下去，既不会减慢也不会加快，这是一个依靠惯性滑行的宇宙。在这一情景中，从大爆炸开始，哈勃定律对于宇宙中任何地方以及所有地方的每位观测者都成立。

假如与此相反，宇宙中有着相当可观的质量，比如说Ω的值基本上可以取小于临界点1但大于滑行宇宙时的任何值，那么它也会如前一种情况那样继续膨胀下去。这样的一个宇宙会逐渐被稀释，但是其膨胀过程会不断变慢。

这两种情景在理论上都是可能发生的。要确定哪种解最符合我们的宇宙，最明显的方法就是直接测量Ω。通过一点一点地观察宇宙，我们发现为了测量Ω而估测宇宙物质密度的一种方法是将一片天空中的所有星系质量相加，然后除以它们所占据的体积，再将所得结果写成与临界密度的一个比值的形式。在20世纪80和90年代，当天文学家们利用来自许多星系巡天的数据进行这一计算时，他们发现宇宙的物质密度Ω大约等于0.3。

不过，还有另一种途径来独立测量总Ω。由于宇宙微波背景辐射（大爆炸遗留下的辐射）在今天到达我们之前颠簸穿越了整个宇宙，因此它携带着宇宙中所有成分的印记，从而也使我们能够估测这个总和。1990年通过对COBE卫星探测到的宇宙微波背景辐射中的涨落进行测量给出了Ω等于1这一答案。难题就出现在这里：是什么占据了Ω中缺失的0.7?Ω中包括了所有物质（可见物质及暗物质）的贡献，而0.3这个测量值说明宇宙在持续不断地膨胀，其速度在略微减缓，即具有一个减速度[11]。天文学家们开始搜寻这种减速的迹象。

需要强调的重要一点是，Ω的这两个相互矛盾的值意味着这里当真出现了某种严重的差错。我们生活在一个临界点以下的宇宙中吗？还是一个恰好处于临界点的宇宙？回忆一下爱丁顿的解答：只有一种万全之策能检验哪个测量值是正确的，即确定哈勃图在距离远得多的地方是否还成立。由于根据爱因斯坦的广义相对论，膨胀速度与宇宙的成分联系在一起，因此只要观测到膨胀速度随时间发生的变化，就会指出Ω的正确值。为了扩展哈勃图，天文学家需要新的、极其明亮的灯塔，因为勒维特的造父变星（我们的第一根宇宙标尺）实在太昏暗了。是时候去搜寻一种新的宇宙标准烛光了，一种直到宇宙的边缘都能看到的标准烛光。恒星爆发产生的超新星比造父变星明亮数十万倍，它们就是问题的答案。这些内禀亮度高得多的天体可以在非常遥远的距离上被探测到，并且由于光是以有限的速率前进的，因此看得更远就相当于回看到更长的时间以前。假如我们居住在一个Ω值很低的宇宙中，那么用超新星来进行探测也许会表明过去曾经出现过膨胀的减缓——一个减速度。

倘若要解决的唯一问题就是Ω是等于0.3还是等于1，那么这就会是一个简单的核算问题——找到缺失的物质。然而，这里还存在着一点意想不到的转折。假如被爱因斯坦抛弃的宇宙学常数Λ不等于0，那么它也会对Ω的估算有贡献。正如你很可能猜测到的，只要将Λ纳入混合物，我们就能一下子解决这两个Ω测量值不一致的问题了。

因此，尽管宇宙学常数有点儿恼人，但它也提供了一种可能的便利方法，使利用COBE卫星估测的Ω值与通过星系密度测量推断出的Ω值取得一致。如果宇宙学常数的值为0.7，那么一切就都吻合了。然而，这又意味着宇宙会有一个稍微不同而更加奇异的命运。Ω等于1的临界宇宙实际上是一种非常特别的情况。它对应着最大尺度上的平坦几何，时空中的所有凹陷都被熨平。至此，我们一直专注于讨论测量宇宙的成分，但独立测量其形状的尝试早在详细清点其质量预算的努力之前就开始了。天文学家们也可以利用标准烛光来测量宇宙的形状，确定它是平坦的还是弯曲的。哈勃的门生艾伦·桑德奇在1961年发表了一篇论文，其中列出的正是这样一项观测计划，通过探测当前的膨胀和预期的减缓率来测量宇宙的形状。这项计划的背景完全是一个没有宇宙学常数且质量密度低于Ω等于1这一临界值的宇宙模型。为了面面俱到，桑德奇提出，假如宇宙学常数不等于0的话，就会意味着宇宙是在加速膨胀而不是减速膨胀[12]。桑德奇在1961年的论文中以补充想法的形式提出了现实的这种奇异选项——加速或减速，而这一想法在接下去的35年中都无人问津。他当时一无所知的是，事实证明这将成为数项诺贝尔奖的要素。

超新星被证明是找到答案的关键所在，它们这时候作为潜在的宇宙学探测器被纳入天文学工具包。不过研究者们还需要更好地理解它们的详细物理性质，才能评估它们作为标准烛光的可行性。所有这一切都在1985年最终变得明朗起来，当时加州理工学院的观测者华莱士·萨金特和他以前的研究生、当时在伯克利做博士后研究的亚历克斯·菲利潘科注意到，在许多超新星的光谱中都存在着一些相似之处，由此提出它们是一个具有某些相当独特属性的类别。紧跟在Ia型超新星爆发之后，它们的视星等变化——光变曲线具有非同寻常的一致性，并且当这些超新星发光的亮度最大时，它们的光谱特征揭示出爆炸过程中产生了化学元素硅这一与众不同的特性。这正是将超新星确立为标准烛光所需要的。Ia型超新星是极其明亮的天体，并且它们的光谱中具有一些“标准”相似点，因此可以用来窥视宇宙的更深处以及时间的更久远以前。

如同所有天体一样，超新星的表观亮度随着它们到我们的距离成平方反比关系下降。在邻近我们的宇宙中，由一颗超新星的光谱推断出其红移与其距离成正比（这是从哈勃定律得出的结论）。因此，假如我们用图线表示超新星亮度与红移的关系，并且假定超新星确实是标准烛光，那么这些数据就应该描绘出一条直线或落在一条直线周围。这个结论的前提假设当然是宇宙的膨胀速率不发生变化。不过正如我们早先看到的，在光线从超新星出发到达我们的传播时间里，膨胀速率有可能已经发生了变化。从本质上来说，假如宇宙的膨胀是在减速（正如对于没有宇宙学常数的、低Ω值宇宙所预期的那样），那么一颗遥远的超新星看起来就会比在匀速膨胀宇宙条件下更为明亮，这是因为距离估算会有所不同。同样，假如宇宙的膨胀是在加速（正如爱丁顿所提出的那样，由一个非零值的宇宙常数推动着），那么在同样红移处的超新星就会显得比在Λ等于零的宇宙中更为昏暗。所有这一切都取决于超新星是否真是标准烛光，也就是说它们是否全都具有相同的内禀光度。虽然天文学家们注意到了超新星爆发中的各种相似之处，但其中仍然存在着一点差异。为了用超新星来作为标尺或标准烛光，天文学家们就需要对它们的物理性质有更好的理解，并弄懂这些小差异会如何影响将它们用作标准光源。巧妙的解决之道是详细研究邻近超新星来校准这些差异，然后应用所得的任何修正去对那些遥远的同类超新星进行“标准化”，从而将哈勃图外推至可能的最远距离。

在各种不同宇宙学模型下的宇宙命运，其中明示了未来和过去的行为如何完全取决于宇宙学参数Ω。

这就是当时该领域中的先锋人物罗伯特·科什纳带领他在哈佛大学的一组学生和博士后研究人员在20世纪90年代开始探索的想法。他是1998年发现暗能量的几个研究小组之一的成员[13]。科什纳是一位经验丰富的观测者，以谨慎而周密的研究方式闻名。他尽心尽力地指导亚当·里斯和布莱恩·施密特，我们在后文中会听到更多关于他们俩的事情。到20世纪 80年代末90年代初，天文学家们已经清楚地知道，要解决宇宙逃离的问题，并调和宇宙的运动与其成分之间的关系，追踪超新星是最好的办法。不过，只有当它们能在很大的距离上被找到并经过仔细校准时，它们才是最适宜的测量标杆。来自美国东西海岸的两组独立的科学团队接受了这项挑战。

加州大学伯克利分校赢得了美国国家科学基金会的支持，得以建立起一些新的交叉学科研究中心，于是以该校为大本营的超新星宇宙学项目开始加入竞赛。伯克利的粒子天体物理中心提议，将物理学中思维方式具有天渊之别的两个学科——粒子物理学与天体物理学结合起来。这是真正的微观研究与真正的宏观研究的联盟。而对宇宙成分的研究则是该中心最主要的目标之一。另一个小组是高红移超新星搜寻团队。这个小组在哈佛-史密松天体物理中心拥有最多的人数，其成员主要由天文学家构成。他们都是有经验的观测者，从散布在全世界各处高海拔干燥地点的众多仪器和望远镜的使用经历中磨砺出了专业技能。随着大爆炸理论得到了宇宙微波背景辐射及其他数据的确证，20世纪80年代末期，宇宙学上的一些悬而未决的问题主要围绕着对宇宙及其成分进行更为仔细的清算，以判定其命运。亚历山大·弗里德曼对爱因斯坦场方程组的解答允许出现3类动态解（其中没有任何一类对应静态宇宙），因此挑战就是要去弄清楚其中哪一种最符合我们对于宇宙的观测结果。宇宙中是否存在着足够的物质能够减缓并最终截停其膨胀，从而导致其达到一个最大尺寸，随后再开始收缩？在这样一个宇宙中，空间就会是无限的，并且其形状会像一个球的外面。还是说物质成分是否可能非常稀疏，以至于宇宙会继续永远膨胀下去而永不回头？即使是在这样一个宇宙中，空间也会是无限的，而其形状会像一个马鞍面。又或者，宇宙中包含的物质刚好足以减缓并最终令它停止膨胀吗？在这种宇宙中，空间仍然会是无限的，但它是平坦的。这种假设恰好的宇宙必须是完美平衡的。这3种选项常常被称为“大挤压”（Big Crunch，即物质太多）、“大冻结”（Big Chill，即物质不够）和“中庸宇宙”（Goldilocks Universe，即刚刚好）。

天文学家们只要测量一次宇宙膨胀的变化率，就能够确定哪种解答最恰当地描述了我们的宇宙，也因此经由它确定了宇宙的物质成分和形状。暗物质存在于星系之中且很可能也弥漫在星系之间的空间中，这件事在20世纪80年代之前变得明朗起来。随后，正如前文所讨论过的，从清算结果来看，物质似乎贡献了一个等于0.3的Ω。那么，宇宙常数Λ有可能等于0.7吗？解决问题的方法只有一个：获取更多数据，扩展哈勃图，并查看宇宙膨胀速率在过去是否发生过任何变化。

伯克利粒子天体物理中心在1988年获得了美国国家科学基金会的资金后，寻找超新星成为其最主要的日常研究项目之一。尽管该中心的首要关注点是暗物质，但其研究工作也包括确定宇宙中的完整物质储量。研究者们利用超新星作为标准烛光，探究了爱因斯坦方程组的哪种解能最好地描述宇宙的命运，是“大挤压”、“大冻结”还是“中庸宇宙”？超新星搜寻并不是什么新鲜事，这是从兹威基的时代开始延续下来的，不过，如果一个团队想要发现散布在宇宙中的一大批超新星，并在它们爆发且最明亮的时候捕捉到它们，那就显然需要有一个巧妙的观测策略了。从理论上计算出的超新星爆发率说明，我们可以预期在一个星系中每100年左右会有一颗超新星爆发。于是，见证大量超新星的唯一方法就是观察尽可能多的星系。伯克利团队的成员索尔·珀尔马特和卡尔·彭尼帕克并不是训练有素的天文学家，他们想象这个问题也许花费不了几年时间就能得以解决。他们的计划是利用20世纪70年代斯特灵·高露洁（牙膏产业继承人，也是一位丰富多彩的人物）在洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的自动观测技术。高露洁是一位富有创造力的、卓越的核物理学家。20世纪70年代中期，他在新墨西哥州沙漠中建起了一架762毫米望远镜，并为它设定程序，每隔3～10秒观察一个不同的星系。用望远镜进行自动观测当时正在变成标准做法，但他首创了将自动重复观测与搜寻转瞬即逝的超新星相结合这种做法。天文学家在搜寻超新星时，需要将同一个星系相隔数个星期的图像作比较，看看是否有新的明亮闪光出现了。超新星的亮度惊人，以至于一颗超新星的亮度就可以远远超过整个星系。高露洁的策略很聪明，不过他的自动望远镜视场非常小，因此在追捕超新星的行动中没有取得引人注目的成功。

珀尔马特等人从高露洁的经历中提炼出的经验是，为了辨识超新星所需要搜索和扫描的天空面积必须得到极大扩展，以获得开展详细的后续工作所需要的足够的超新星数量。珀尔马特来到劳伦斯·伯克利国家实验室完成研究生学习后，又继续留下来做博士后研究。1986年5月17日，伯克利团队（此时珀尔马特已加入该团队）找到了他们的第一颗超新星。当时的团队成员包括他、彭尼帕克、理查德·穆勒和数位学生。他们有点儿过于乐观地预言每年可探测到100颗超新星。而他们最初发现的那些超新星全都属于我们的本地宇宙，因此距离太近，不足以在可能显示出偏离哈勃定律的那些宇宙学尺度上给出任何说法。不过，这些都是基准超新星，它们会有助于定义及磨砺它们作为标准烛光的级别。前进的步伐缓慢，事实证明超新星很难捉摸，只在1986年和1987年又出现过两次。这个团队申请资金在澳大利亚的一架望远镜上装载了照相机以覆盖南天，希望通过扩大搜寻面积提高探测率。他们的强烈动机是要找到超新星以描绘宇宙的命运。由于超新星的亮度非常高，因此即使在由于距离遥远而明显变暗的情况下也能从很远处被看到，而且出于一种惊人的天大好运气，那真的是除了纯粹好运气以外别无其他，它们变亮和变暗的过程所发生的时标是很合理的几个星期，这使人们能够极为方便地密切注意和追踪它们的动向。这一意外发现的时限在宇宙中极为罕见，因为宇宙中的大部分物理学过程通常都要花费100万年左右！不过，超新星确实也有其复杂性，它们确实是 “罕见”、“快速”和“随机”的[14]。

由于技术日益进步，望远镜的口径越来越大，探测器越来越大型、越来越灵敏，因此天文学家们不断在空间中向外推进，在时间上向后回溯。在搜寻超新星的过程中也是如此。当时的期望是要测量自大爆炸以来的宇宙膨胀并确定减速时期，人们相信宇宙的膨胀速率正在减缓，这是由于引力起到了一种宇宙学上的制动作用。因此，当1998年两个分析遥远超新星的独立研究小组分别发现下面的这个同一结果时，人们感到完全出乎意料并迷惑不解。他们发现宇宙的行为与预期的完全相悖：它不仅在膨胀，而且膨胀是在加速而不是减缓。

当大质量恒星爆发时，它们制造出一种不同类型的超新星——Ⅱ型，这类超新星不是标准烛光，因为正在爆发的恒星的各项特征完全决定了其亮度。制造出标准烛光（即Ⅰa型超新星）的恒星是很小的白矮星，它们被锁定在双星系统中，并从它们的伴星那里攫取气体。这类超新星的标准之处在于，它们具有相似的峰值亮度以及爆发后亮度升高到这一最大值再减弱的变化模式。需要周期性巡视同一片天空的原因是要在这些爆发最亮的时候捕捉到它们，随后还要追踪它们光线变暗的过程。要校准并利用这些超新星作为标准烛光，既需要光变曲线的形状，也需要峰值亮度。

令这项事业发生变革的技术是数字图像处理，这与兹威基在20世纪四五十年代以及高露洁在20世纪70年代所做的那些尝试截然不同。有了基于计算机的数字图像处理软件，就能够及时准备及快速比较那些一扫而过的大型夜空图像：筛选出那些正在闪光的超新星，储存数据，跟踪观测，并计算出光变曲线。这就使超新星宇宙学发生了彻底的变革。我们已经看到照相底片这种对夜空中发生的现象所做的永久记录如何影响了宇宙学，其中尤其是哈勃的工作。同样，正是这种新开发出来的精密工具——数字图像处理技术才最终帮助我们将前沿推进到超越哈勃所抵达的范围。随着计算机的计算速度越来越快，从而能够处理越来越复杂的算法指令，实时处理天文学图像的专用软件也在突飞猛进。

到20世纪90年代初，这两个团队之间的竞争不断升温。他们都具有使用计算机和望远镜设施的竞争力。在伯克利，超新星宇宙学项目正式成立，并由珀尔马特领导。该项目的成功要归功于这样一个软件：将以几星期为时间间隔拍摄同一片天空所获得的图像相减，从而使计算机能够自动寻找超新星。到20世纪90年代中期，珀尔马特及其来自欧洲、南美洲和澳大利亚的合作者们寻找到了大批的超新星。由于在过去的约10年中寻找过程进行得十分缓慢，因此这一成功的新发现致使世界上最大的几台望远镜也立刻跟进上去。最后，超新星终于实现了作为标准光源的希望，随时可以用来作为有效的示距天体。超新星宇宙学项目和高红移超新星搜寻团队都拥有散布在全球各地的成员，从而使他们能特许地使用众多望远镜而快速地进行后续观测。高红移超新星搜寻团队于1994年正式组建，由澳大利亚斯特朗洛山和赛丁泉天文台的施密特领导。施密特非常符合澳大利亚人的典型性形象，他说话温和，有着一双闪亮的大眼睛，秉性随和。而关键团队成员里斯则是十足的美国人，性格热情。他们俩一起构成了强大和谐的二人组合。到1993年，事实已经很明显，Ⅰa型超新星的亮度发生变化，因此并不是非常完美的标准烛光。由于包括科什纳和菲利潘科在内的好几位高红移超新星搜寻团队成员都是超新星研究方面世界公认的专家，因此该团队专注于理解这些爆发的详细物理过程。当时这些微小的变化已经有了比较好的理解：事实证明，较亮的Ⅰa型超新星爆发后变暗的速度要略慢于那些较暗的Ⅰa型超新星。主要在智利工作的天文学家马里奥·哈姆和当时还是哈佛大学研究生的里斯同为高红移超新星搜寻团队的成员，他们研究出如何利用通过测量Ⅰa型超新星爆发后的发光强度升高和降低而获得的光变曲线来校准它们以充当标准烛光。为此就需要估计超新星爆发的星系中由于尘埃而导致的任何光线变暗。哈姆和里斯设计出一种方法来校正此类遮光现象，从而精确测定超新星的最大亮度。考虑到并去校正这种光线变暗的效应对于将超新星用作宇宙标尺是至关重要的。

这两个团队都密切关注着几大片天空，每年观测数次：新月出现之后，天空漆黑一片，于是可以得到最佳对比度。这些是基准图像集。3个星期之后，他们再回来重新拍摄这几部分天空的图像，然后进行比较和对照，看看在此期间是否发生过任何超新星爆发。尽管Ⅰa型超新星并不是那么常见，但这两个团队都不屈不挠地致力于用统计方法来攻克这个问题。他们都提高了检验的星系数量，每幅图像中有数十万个星系。这一扫描率意味着典型的收获率是从每张图片中可选出大约10个星系进行详细的跟踪观测。当然，候选者一旦确定了，这两个团队就需要跟踪它们的亮度升高和降低过程，以获得它们的光变曲线。这种进一步追踪需要给出分配给地面望远镜的观测时间。此外还需要关键的光谱信息，目的是检查并确定这些确实是Ⅰa型超新星，确定它们的红移及以此确定它们的距离。求胜心切、热情高昂地埋头撰写观测申请书——申请望远镜观测时间以及安排观测者旅行、处理和分析他们的数据集，两个团队争斗得难解难分。这很像是一条流水作业线，需要协作和团队通力合作。在经过头一两年为追捕超新星所做的准备工作后，这两个团队的运转都相当顺畅。

到了1997年，两个团队都有了足够多的超新星来绘制哈勃图，并对哈勃在1929年最初的那幅图进行扩展。不过，在这样做的过程中，他们发现了一些极为奇异和令人困惑的结果。他们在宣布的声明中保持谨慎，仅仅宣称他们似乎都有越来越多的证据表明宇宙中的物质含量很低。在这个时候，真正对这场比赛推波助澜的是来自哈勃空间望远镜的超新星数据。这架在太空中沿轨道运行的望远镜有着细腻的分辨率，这就意味着它对光的测量要比任何从地面采集到的数据精确得多，这是因为地球大气会使光线变得模糊不清。虽然天文学家们能够描述和校正这种模糊效应，但此类校正会增加测量过程的总误差。这里是对准确度和精密度的竞争，而要达到这两点就需要一丝不苟地刻画出一切误差来源。两个团队分析了他们取自哈勃太空望远镜的第一批数据后，立即发现他们的两组最初超新星数据点与它们早先的趋势并不在一条直线上。因此，他们耐心等待取得更多数据。而超新星宇宙学项目在获得了不多的几颗（事实上是6颗）超新星后，立即向《自然》杂志投送了他们的论文，那是在1997年10月的第一个星期。

这篇论文接下来就可以讨论宇宙学常数Λ了，但却在此打住。论文摘要中总结道：“当这些新的测量值与以前对较邻近超新星的测量值结合在一起时，它们就表明我们可能生活在一个低物质密度的宇宙之中。”[15]高红移超新星搜寻团队在1997年10月13日公布了他们的独立研究结果，其中有他们的哈勃数据，并允许公开使用。超新星宇宙学项目将论文投递给《自然》杂志，就意味着要等到同行评审过程完成才能将他们的结果公开。高红移超新星搜寻团队勇敢地得出结论：单凭物质是不足以产生一个平坦宇宙的。最后，这两个团队对于他们的结论和关于宇宙命运的断言开始相互靠拢。看起来宇宙的膨胀很可能会永远持续下去。两个团队原本都急切地指望探测到宇宙的减速度，因此在发现实际上是加速度的时候，一开始都被难住了。在宣布他们各自的结论之前，两组人员各自都经过了大量内部讨论。美国天文学会邀请两队人马参加了同一次新闻发布会，他们可以在那里介绍和讨论他们的结果。在直至1997年底的几个月中，这两个合作组的成员都在全世界各地的学术座谈会和研讨会上作报告，暗示（有时直接提及）宇宙学常数Λ不为零的可能性。里斯和高红移超新星搜寻团队感觉到自己落后了，因为他们发现的超新星数量比较少，于是他们加大筹码，仔细地重新分析了他们的数据集。里斯在他的合作组中赢得了尘埃专家的名誉。他又添加了他在撰写学位论文的过程中为了开发他的光变曲线校准方法而找到的21颗邻近超新星，这些数据以前从未发表过。他利用这些超新星来锚定著名的哈勃图中的低红移部分，现在却发现该图趋向的解答不仅仅是一个没有物质的宇宙，而是一个负物质的宇宙！[16]假如要与宇宙成分和形状的其他天文学探测（比如说宇宙微波背景辐射）取得一致，就必须在Ω的混合物中加入别的什么东西，才能解释这种令人困惑的超新星结果。

上图显示了用这种方法（里斯等人1995、1996a，本文附录）测得其距离的低红移和高红移Ia型超新星哈勃图。叠画的曲线是3种宇宙学：ΩΛ=0的“低”ΩM、“高”ΩM以及平坦宇宙的最佳拟合ΩM=0.24,ΩΛ=0.76。下图显示了数据与ΩM=0.20,ΩΛ=0的模型之间的差异。空心符号是超新星SN 1997ck（红移z=0.97）的数据，这颗超新星缺乏光谱分类和颜色测量。数据与ΩM=0.20,ΩΛ=0的模型预言之间的平均差异是0.25个星等。

用多波段光变曲线形状方法来校准的超新星哈勃图，发表在亚当·G.里斯等的《加速宇宙和宇宙常数的超新星观测证据》（Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant）,《天文学杂志》，第116卷，1998年第3期，第1022页。美国科学院授权复制。

这个结果令人惊恐，于是里斯开始与他的队友施密特一起彻查他的每一点分析，当时施密特正在用自己的程序代码进行一项独立计算。他们建立起互发电子邮件并随后核查结果的常规做法。最后，在1998年1月8日，就在美国天文学会的新闻发布会之前，施密特给里斯发电子邮件说：“嗨，你好，Λ!”他们俩得到了同样的结果。他们正注视着爱因斯坦的那个声名狼藉的宇宙常数Λ的迹象，并且他们对这一结果所估计的置信度也相同，都是99.7%。他们向高红移超新星搜寻团队的其余成员报告了此事，因为他们必须就如何及何时公开分享这些结论做出决定。考虑到非零宇宙常数这一发现的重大意义，有好几位团队成员都力求谨慎，并告诫说：“新闻发布以及在《[天体物理]快报》或《自然》杂志上接二连三地发表论文，也许会给公众或对这一主题只有一时兴趣的科学家们留下印象，但宇宙学中坚团体是不会接受这些结论的，除非……我们能真正捍卫它们。”施密特曾与里斯一起不辞辛劳地进行彻底、独立的分析，因此他深信此结果，并在一封电子邮件中试图消除合作组成员们的疑虑：“虽然我对宇宙常数感到非常不舒服，但我也仍然不认为我们就应该压下这些结果，直到我们能找到一个理由来说明它们是错误的（这同样也不是做科学的正确方式）。”在此几年前还是超新星宇宙学项目成员的伯克利天文学家菲利潘科后来跳槽到了高红移超新星搜索团队。他补充道：“这也许就是正确的答案，而我绝不愿意看到有其他团队在我们之前发表这一结果。” [17]

珀尔马特和他的超新星宇宙学项目团队当时也正在卖力地为新闻发布会做准备。两个团队就宇宙的这种最为奇特的命运取得了一致的结果，而其驱动力显然来自一种极为神秘的动因——宇宙常数，媒体因此而沸腾了。由于超新星宇宙学项目的样本较大，因此一开始风头更甚。高红移超新星搜索团队只展示过3颗超新星。到1998年1月美国天文学会年会在华盛顿特区召开时，帕尔马特和他的团队试探性地说，他们也许正在看到非零宇宙常数存在的证据。这一常数源自被说成是爱因斯坦的大错以及他为了保持宇宙静态而做的修改。这个会与引力相互平衡的排斥项东山再起了。6个星期之后，在洛杉矶召开的一次会议上，高红移超新星搜索团队在修正了由尘埃引起的一项重要不确定性后，也报告说发现了Λ存在的证据；并且他们还报告说，这正在导致宇宙加速膨胀。他们提出，总密度处于一个Ω等于1的完美平衡状态。宇宙微波背景辐射和其他一些宇宙学观测早先曾暗示过Ω等于1。这一领悟最终使人们明白了，这个Ω包含普通物质、暗物质和宇宙常数。此后不久，在《科学》杂志上出现了一篇谈论“一种普遍存在的排斥力”的文章。该文的作者是科学作者詹姆斯·格兰兹，他一直在坚持不懈地密切关注这个寻找和追踪超新星的项目[18]。这个时候两个团队还都只是声称有了宇宙常数的迹象，谨慎地避免断言发现了宇宙常数。宣布一个发现需要在方法论、分析和误差估计方面都具有极高的置信度。

最终，在1998年2月22日，帕尔马特在玛丽安德尔湾的加州大学洛杉矶分校举行的第三届宇宙中暗物质的来源及其探测国际研讨会上介绍了超新星宇宙学项目的结果。高红移超新星搜索团队的菲利潘科紧跟在他之后讲话。他走上讲坛，暂停片刻，然后勇敢地宣称：“你要么有一个结论，要么没有结论。”他说高红移超新星搜索团队有了一个结论。现在是公开的时候了，高红移超新星搜索团队对于宇宙学常数有着高度的信心，乐意为它辩护，而且有确凿证据在手。距离我们10亿光年或更远的那些超新星看起来比预期的更为昏暗，这是因为宇宙比这些恒星爆发时膨胀得更快了，从而将它们推到离地球更远的地方。而驱动这种加速膨胀的是暗能量，它以宇宙学常数的形式表现出来。暗能量最终成为现实。可以预料，紧接下去分配功劳归属的纷争就轰轰烈烈地开始了，这种纷争既存在于团队内部，也存在于各团队之间[19]。

考虑到这是一项非凡的发现，因此还存在着许多关于其他可能解释的问题。是否有可能是大自然在耍一个乖戾的花招：比较年老的（即距离比较远的）那些超新星可能只不过是一些不同的难以对付的东西而已？是否最早形成的那些星系的金属丰度要低于后来聚合起来的那些，可能这就导致了早期星系中的超新星比较昏暗？不过，近处和远处的超新星都具有相似的光谱。如果其成分具有根本差异的话，就会在光谱中显示出来。因此，这两个团队得出了同样的结论：比较可能的解释是宇宙经过加速阶段，从而使超新星自从爆发以来就被遗留在比较远的距离上。因为两个独立团队为获取数据而选取的超新星在很大程度上是各不相同的，而且又采用了完全互不相关的分析技术，然后却得出了相同的结论，所以在他们仔细地使自己确认无疑以后，再由他们去说服宇宙学界的其他人就很容易了。与过去不同的是，这次没有出现拒不让步者或者有权势的个别人物对这些断言提出反驳。虽然宇宙常数的迹象是一项变革性的发现，但是因为早先来自其他宇宙学探测（宇宙微波背景辐射及其他天文学测量）的不断积累的迹象都指向一个Ω等于1的宇宙，而宇宙常数的迹象与这些迹象又对得上号，所以它就迅速地被接受了。还有一个原因也有助于使这种理念更容易为人们所接受：宇宙常数是一个熟悉的概念，因为它早在数十年前就已由爱因斯坦本人引入了。

宇宙常数吸引人的原因还在于，它解决了困扰着宇宙学的许多其他相持不下的争论。它明确解决的一个关键问题是关于宇宙年龄的争端——前文讨论过的一个矛盾，即通过确定岩石和恒星的形成年代发现它们比人们相信的宇宙年龄更老，这对于大爆炸和冷暗物质模型而言有点儿尴尬。随着暗能量的发现，宇宙的膨胀速率提高了，因此它的时间线就需要将这一因素考虑在内，而这样一来就突然使宇宙变老了。暗能量的存在也由此解决了以下问题：尽管有一大批其他天文学观测都发现Ω等于1，那么为什么物质对于Ω的贡献仍然很小？在对宇宙成分的清算过程中以前一直漏掉了一个关键成分。

虽然暗能量充当了一种方便的占位符，有助于使宇宙的好几种观测性质合拍，但也仅限于此，只不过是一个占位符而已。正如对于暗物质的情况那样，我们知道暗能量存在，但我们对于它的起源或演化却没有任何真正的线索。因此，我们现在有了一份依据充分的宇宙成分清单，但构成宇宙主体成分的本质仍然难以捉摸。我们似乎生活在这样的一个宇宙之中，其中普通原子（即周期表上我们所知道的所有原子）似乎仅占4%，还有25%的暗物质和70%的暗能量等。我们还得设法想出一个总的理论框架，用于描述暗能量是如何以及何时形成的。这是否就是如某些物理学家所提出的一种被称为“第五要素”的场——一种前所未知的基本力？它随着时间发生改变吗？它是固定不动的吗？这些疑问仍然没有答案。

左侧的饼图中显示了宇宙中的物质-能量总和，其中分别以暗物质和暗能量占其主要部分。右侧所示的局部放大图中明示了宇宙中普通原子的组分。

暗物质、暗能量与过去被认为存在的那些虚构流体以太和臭气有多大的不同？我们有经验证据——观测、测量和多种独立证据，它们都指向暗物质和暗能量的存在。我们现在拥有各种仪器和技术来探测它们的性质，并且正在致力于进一步探究它们的本质。有许多已列入计划的卫星任务及地面观测项目都旨在更好地理解暗能量。

相当不同寻常的是，取得这些发现暗能量的观测成就的团队领导者在2011年因1998年的一个发现而被授予诺贝尔奖，按照物理学奖的常规标准来说这一裁定过程是相当迅速的。根据阿尔弗雷德·诺贝尔[20]的遗愿，这项年度物理学奖在一年中只能授予不超过3个人。这条限制为物理学奖造成了新问题，而且其中尤其是宇宙学，在这一领域中由于知识的成熟，因此前沿研究正在日益走向相当大规模的合作组操作方式。对于任何一项本质上是由一个团体共同努力而做出的开创性发现，要从其中筛选出3个人来给予荣誉正在变得越来越困难。这就不可避免地导致每年10月的第二个星期都会出现一些愁眉苦脸的研究者。天文学曾是一个难以获得认可的领域，但2011年的诺贝尔物理学奖却归属高红移超新星搜索团队的里斯和施密特以及超新星宇宙学项目的帕尔马特，以表彰他们发现了暗能量。这就导致了关于发现暗能量的许多未被赞颂的杰出人物的大争辩。在宣布奖项后不久，诺贝尔奖委员会就收到了许多公众辩诉，要求考虑将研究团队作为物理学奖授予对象。规则没有发生任何改变，因此分配功劳和划分奖金的问题仍然充满了争议，特别是由于知识的积累引发了如今这些突破性进展，而这些知识都有着多位关键贡献者，是他们的共同工作才导致了进步。有一些近期设立的著名奖项已经意识到了科学研究文化中的这一转变，因此开始将奖项授予整个合作组。例如，格鲁伯基金会[21]就开创了这一做法的先河，在2006年将其宇宙学奖授予整个COBE团队，在2007年则同时授予发现暗能量的这两个团队。COBE团队首先倡导的做法是，暗能量的发现者们邀请他们的整个合作组于2009年12月10日参加并分享在斯德哥尔摩举行的诺贝尔颁奖庆典。俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳于2012年创立的“突破奖”设置为授奖给数位个人，在必要的情况下也授予团队。靠投资银行业发家致富的米尔纳以前曾是一位物理学家，他在其慈善事业中热情地支持各项科学事业。他建立了基础物理学、数学和生命科学的“突破奖”。2013年，“基础物理学突破奖”授予在欧洲核子研究中心参与发现希格斯玻色子的多个不同团队的领导者，2015年则同时授予超新星宇宙学项目和高红移超新星搜索团队。如何以一种公正的方式来分配功劳是对于如何在当前组织和实施科学研究工作提出的新挑战之一。

现今处于宇宙学最前沿的科学问题——阐明暗物质和暗能量的本质——要求大型国际合作组通力合作。正如科学史学家彼得·盖里森所写的：“大科学势必带来的正是科学生涯本质的变化。日常工作以团队合作和等级制为特征。”这种运作规模最初只是巨型加速器工程的特征，比如说粒子物理学领域中的欧洲核子研究中心，但宇宙学在过去的30年中已转变为一个同样不再是研究者单打独斗的领域。相反，各个有组织的团队彼此竞争资金，并开发出先进的方法和技术来处理和协调具有技术挑战性的任务，在我们的情况中是收集和标准化超新星数据。正如物理学家沃尔夫冈·K.H.帕诺夫斯基提出的，我们选择去探索的那些类型的问题使这种尺度增长成为必然。他说：“不经过巨大的努力和使用大型工具……我们就完全不会知道如何去获取关于物质最微小结构（高能物理学）、宇宙最大尺度（天文学和宇宙学）或那些统计上难以捉摸的结果的信息。”[22]有一点是一清二楚的：无论科学实践如何因为这种事业规模提升而发生改观，科学都不可能脱离社会的其他各层面而独立存活下来，而且其更大的背景已变得愈发重要。由于如今的科学研究需要配置巨大的人力、技术和经济资源，因此情况就愈发如此了。

科学界对于宇宙学中比较近期的那些变革性理念（暗物质、宇宙微波背景辐射和现在的暗能量）的接受过程与早先的模式有所不同。从观测上发现的令人惊奇而又引入入胜的暗物质尽管完全颠倒了我们的宇宙观，但在科学界内部取得一致意见的进程却迅速而平稳。这一过程的迅速、高效是由好几个原因引起的。尽管暗物质如此怪诞，但是它的发现却使许多完全不同的观测不同凡响地相互吻合起来了。这差不多就类似于一个拼图游戏中的最后一片。对于天文学家们而言，宇宙常数过去和现在都只是一个数字；对于理论物理学家而言，Λ过去和现在都是一种更深层的概念——宇宙的真空能量和空间的一种基本性质。测量数据都是无可置疑的，但其来源却仍然是悬而未决的问题。在这一领域内快速达到共识的另一个原因是宇宙学已达到知识上的成熟阶段，以及在这一科学领域中伴随出现了诸多转变。目前各种发现的步伐急促，其推动力是快速进展的各项革新技术。

在过去的30年中，科学的完成方式已发生了根本的改变。由于国际合作团队在实施研究工作，因此各种发现也随之产生了变化。如今再也没有迅速推翻（或者甚至缓慢加固和推敲）一种旧理论的情况了，取而代之的是洪水般涌来的数据，这些数据提出的新理论问题与它们解答的问题一样多。暗能量的发现挑战了我们对于物理学的深层理解，并突出显示了我们对于甚早期宇宙的知识中的各种缺口。宇宙学也在所有知识学科中正在进行的大数据革命中引路领航。有一个新疆界还有待于我们去进一步探索暗能量的真正本质，而这也揭示出一组史无前例的新奇问题，使我们的求索追溯到宇宙创生时的瞬间。

[1].赫伯特·乔治·威尔斯（1866—1946），英国小说家、记者、政治家，他创作的科幻小说中的时间旅行、外星人入侵等想法对该领域影响深远。——译注

[2].这是根据希腊神话中月亮女神塞勒涅（Selene）的名字而命名的，“selenite”这个单词本身是“亚硝酸盐”或“月光石”的意思。——译注

[3].罗杰·巴布森，《引力——我们的头号敌人》（Gravity—Our Enemy Number One），转载于H.柯林斯的《引力的阴影：寻找引力波》 （Gravity's Shadow:The Search for Gravitational Waves,Chicago:University of Chicago Press,2010），第828～829页。——原注

[4].理查德·帕内克，《4%的宇宙：暗物质、暗能量，以及发现其余现实的竞速》，第15章。此书对于超新星的搜寻和暗物质的发现给出了经过充分研究的叙述。——原注

[5].爱德华·N.扎尔塔主编，《斯坦福哲学百科全书》（The Stanford Encyclopedia of Philosophy）中的“牛顿哲学”，作者为安德鲁·简尼亚克，最后修订时间为2014年5月6日，帕内克，《4%的宇宙：暗物质、暗能量、以及发现其余现实的竞速》，第60页。——原注

[6].帕内克，《4%的宇宙：暗物质、暗能量、以及发现其余现实的竞速》，第60页；艾萨克·牛顿写给理查德·本特利的信，1692年1月25日，英国剑桥大学三一学院图书馆牛顿项目档案，编号为THEM00258,189.R.4.47,fols.7-8。出自 《原理》的各种不同版本的“总释”的拉丁文本和英语译本可以在作为加拿大牛顿项目组成部分的网站上找到，另请参见牛顿的《自然哲学的数学原理》（Philosophiae naturalis principia mathematica,Cambridge:Cambridge University Press,1687），以及《艾萨克·牛顿的自然哲学的数学原理第3版，1726年，包括异文读本》（Isaac Newton's Philosophiae naturalis principia mathematica:The Third Edition,1726,with Variant Readings,ed.A.Koyré and I.B.Cohen,with the assistance of A.Whitman,Cambridge,MA:Harvard University Press,1972）。——原注

[7].詹姆斯·查德威克（1891—1974），英国物理学家，因于1932年发现中子而获1935年诺贝尔物理学奖。——译注

[8].W.巴德，《超新星的绝对照相星等》（The Absolute Photographic Magnitude of Supernovae），刊于《天体物理学杂志》,1938年，第88卷，第285～304页。——原注

[9].A.S.爱丁顿，《相对论的数学理论》（The Mathematical Theory of Relativity,Cambridge:Cambridge University Press,1923），第119～146及152～161页；爱丁顿，《膨胀宇宙》（The Expanding Universe,Cambridge:Cambridge University Press,1933），第102页。——原注

[10].A.爱因斯坦与W.德西特，《论宇宙膨胀及宇宙平均密度之间的联系》（On the Relation Between the Expansion and the Mean Density of the Universe），刊于《美国国家科学院论文集》（Proceedings of the National Academy of Sciences）,1932年，第18卷，第213页。——原注

[11].关于所有可测量宇宙学参数的更全面论述，请参见马丁·里斯的《只需6个数：塑造宇宙的深层动力》（Just Six Numbers:The Deep Forces That Shape the Universe,New York:Basic Books,2000），第6～7章。——原注

[12].艾伦·桑德奇，《5080毫米望远镜对入选模型的区分能力》（The Ability of the 200-Inch Telescope to Discriminate Between Selected World Models），刊于《天体物理学杂志》,1961年，第133卷，第389页。——原注

[13].关于科什纳发现暗能量的叙述，请参见他的《挥霍的宇宙：爆发的恒星、暗能量和加速的宇宙》（The Extravagant Universe:Exploding Stars,Dark Energy and the Accelerating Cosmos,Princeton:Princeton University Press,2002），第158～262页。——原注

[14].帕内克，《4%的宇宙：暗物质、暗能量，以及发现其余现实的竞速》，第71页。——原注

[15].S.珀尔马特、G.奥尔德灵、M.德拉·瓦勒、S.德乌斯图亚、R.S.埃利斯等，《发现宇宙一半年龄处的一次超新星爆发》（Discovery of a Supernova Explosion at Half the Age of the Universe），刊于《自然》杂志，1998年第391卷，第51页。——原注

[16].A.G.里斯、A.V.菲利潘科、P.查理斯、A.克洛齐亚、A.德尔克斯、P.M.加纳维奇、R.L.吉利兰等，《加速宇宙和宇宙常数的超新星观测证据》（Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant），刊于《天文学杂志》，第116卷，1998年第3期，第1009～1038页。——原注

[17].帕内克，《4%的宇宙：暗物质、暗能量，以及发现其余现实的竞速》，第158～159页。——原注

[18].詹姆斯·格兰兹，《爆发的恒星指示有一种普遍存在的斥力》（Exploding Stars Point to a Universal Repulsive Force）,《科学》杂志，第279卷，第5351期（1998年1月30日），第651～652页。——原注

[19].帕内克，《4%的宇宙：暗物质、暗能量，以及发现其余现实的竞速》，第163页；玛西亚·巴图夏克，《宇宙档案：改变我们对宇宙理解的100个发现》（Archives of the Universe:100 Discoveries That Transformed Our Understanding of the Cosmos,New York:Vintage,2004），第608～611页。——原注

[20].阿尔弗雷德·诺贝尔（1833—1896），瑞典化学家、工程师、发明家、军工装备制造商和硝酸甘油炸药的发明者。诺贝尔一生拥有355项专利发明，并在20个国家开设了约100家公司和工厂，积累了巨额财富。1895年，诺贝尔立嘱将其遗产的大部分（约920万美元）作为基金，将每年所得利息分为5份，设立物理学、化学、生理学或医学、文学及和平5种奖金（即诺贝尔奖）。——译注

[21].格鲁伯基金会总部在耶鲁大学，奖项包括宇宙学、遗传学、神经科学、公正和女权。格鲁伯宇宙学奖于2000年设立，每年颁奖一次，从2001年开始由国际天文学联合会和格鲁伯基金会共同资助。——译注

[22].彼得·L.盖里森，《概述：大科学的许多面》（Introduction:The Many Faces of Big Science），刊于《大科学：大规模研究的发展》（Big Science:The Growth of Large-Scale Research,ed.Galison and Bruce Hevly,Standford:Stanford University Press,1992），第1页；W.K.H.帕诺夫斯基，《SLAC和大科学：斯坦福大学》（SLAC and Big Science:Stanford University），出处同上，第145页。——原注

第6章 下一条皱纹：宇宙微波背景辐射的发现

在经过一个周六的不眠之夜后，在1989年11月19日黎明前幽灵般的微光之中，约翰·马瑟与宇宙背景探测器（Cosmic Background Explorer,COBE）项目的其他成员开车驶入加利福尼亚州圣巴巴拉市附近的范登堡空军基地的空间与导弹测试设施。马瑟在巡游散布在发射坪周围的观景地时，强烈意识到他们自己的任务得失攸关。他知道成功的发射能够彻底改变我们对于宇宙的理解：COBE的设计初衷是为了测量大爆炸留下的残余杂音。由于年龄约为40万年时炽热、致密的宇宙留下的这种辐射一路向我们奔来，因此通过它就可以追溯宇宙的膨胀历史。在加利福尼亚的那个早晨，空气中充满了激动、紧张和期待。仅在几个小时之前，工程师们还不得不完全替换下三角洲火箭发射器上的机载计算机，而现在COBE团队已经在等待着观看这架“爱之卫星”升空并消失在黑暗的晨空之中。他们中的许多人都为此付出了数十载的研究工作[1]。

正当发射倒计时开始时，早已发送到高处的气象气球指示有强风。范登堡空军基地叫停了发射。许多人担心他们会错过短暂的30分钟发射窗口而不得不重新安排发射日程。当时集合在现场的观众们似乎经过了漫长而焦急的等待，令他们大感欣慰的是，倒计时又重新开始了。大伙儿看见强光一闪照亮了天空，然后注视着这场缓慢的、令人沉醉的离地升空过程。三角洲火箭的部署就像是一个钟表装置，在发射后的10分钟内第一级脱落，第二级点火。COBE卫星此时从它的运载工具上被弹射出来，巡游进入它远在太空中170千米高处的轨道。

不过，COBE团队的科学家们还要等待几个星期，只有在确定所有仪器都在太空中寒冷的真空条件下按照预期运转之后，他们才能真正庆祝。COBE成功试运行并采集第一组数据（即第一缕光），经仔细校准和检验后开始发送至地面。一旦数据流开始稳定，其结果简直令人震惊，它以极高的精度准确符合理论预期。COBE团队的科学家们经过几个月费尽心力的详细审查和分析后，才准备好将这些数据展示给其他科学家及公众。不过当他们这样做的时候，他们揭示了一幅全新的宇宙分布图。这幅分布图与冷暗物质理论预言的符合程度达到了令人惊叹的程度。这幅分布图捕获了宇宙最深的凹陷处发出的古老光芒。

COBE任务的准备工作需要付出无比艰辛的努力，与往昔绘制地图的变换过程非常相似。1519年，斐迪南·麦哲伦[2]向西班牙国王卡洛斯一世提出了一个大胆的建议，麦哲伦确信他能够发现一条通往亚洲的新商路。不过除了贸易利益以外，他还受到冒险精神的驱动，渴望去探索地球的那些偏远角落。麦哲伦避开了许多障碍，其中包括葡萄牙国王的蓄意破坏，终于获得了所需的所有资金，包括来自一位商人的捐赠。最后，他在1519年9月20日带领舰队扬帆起航。那天在西班牙塞维利亚下游桑卢卡尔·德瓦拉梅达的人们的心情就类似于470年后COBE团队在范登堡空军基地所体验到的那种激动兴奋。如今也需要同样的坚韧执着，才能集结起一支科学团队、汇集资金、设计和制造实验装置并成功将其发射进入太空,随后再对传回地球的数据流做出解释。驱策这两趟发现之旅的同样是人类渴望探索这种本质的、深层次的冲动和抱负，并且两者都有着很高的风险。麦哲伦成功地环绕地球航行一周，从而以那一趟旅程翻新了我们对于世界的理解。那预示着一个世界贸易和全球化的新时代，他对于我们重新绘制地图助了一臂之力。马瑟和COBE团队重塑了我们对于宇宙的理解。由于他们所付出的努力，团队成员马瑟和乔治·斯穆特被联合授予2007年诺贝尔物理学奖[3]。

我们对宇宙理解的真正转变来自COBE测量到的宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射的理念首先是在20世纪40年代提出的，不过几乎没有人立即认识到其重要性。确定其存在的那些实验工具只是为了完全不同的目的而设计的。在我们这个例子中，事实证明关键所在原来是第二次世界大战期间在麻省理工学院辐射实验室开发出来的军用雷达。为战争效力而建立起来的军事-工业综合体在基础科学中催化出许多出乎预料的进展。正如赫尔格·克拉夫曾指出的，宇宙学是一个特殊的受益者[4]。不过在对此进行深入探讨之前，让我们首先回到太初，确实地回到宇宙本身的开端。

在不大出名的杂志《科学问题回顾》（Revue des questions scientifiques）1931年11月的那一期上发表的《空间的膨胀》（L'expansion de l'espace）一文中，乔治·勒梅特写道：“原子世界被分裂成碎片，每个碎片又分裂成更小的片段……世界的演化可以与一场刚刚结束的烟火表演相比较……我们可以设想空间起始于一个原始原子，而空间的起点就以时间的起点为标志。”当然，他所提出的膨胀宇宙模型意味着一个暴烈的开端——大爆炸。勒梅特还于1931年在《自然》杂志上发表了一篇研究快报，其中详细阐述了他的宇宙起源理论，即宇宙在“没有昨天的一天”起源于一个“原始原子”——空间和时间中的一个非常致密的点[5]。他确信科学家们能够获得这种开端的物质证据，确信依靠观测手段去了解原初宇宙是必由之路。不过在这一关头，理论和观测之间的对话与合作才刚刚开始。这是在建立宇宙膨胀模型过程中由哈勃的观测与勒梅特的理论之间相辅相成所取得的成功而促成的。这是此类协作与团结的初期，而它们最终会使理论与观测步伐一致，正如它们今日那样。勒梅特的理论与哈勃的观测紧密配合，为宇宙学研究开启了具有光明前景的新通道。在此之前还没有任何人曾敢于如此去模拟整个宇宙并按时间顺序记载大爆炸以来的宇宙演化史。自那时起，对于大爆炸模型及其可能引起的观测后果进行深入探究成了许多物理学家的工作重心。不过，当时大爆炸模型还远未确立，它还面临着严峻的竞争。特别是从20世纪40年代后期以来，弗雷德·霍伊尔一派的稳态理论造成了越来越大的阻力。由于关于宇宙的起源有着各种理念之间的纷争，所以人们对于获得那些可能有助于区分它们的观测数据就有了极大的兴趣。

我们故事中的主角之一是物理学家乔治·伽莫夫，他于20世纪40年代后期在华盛顿特区的乔治·华盛顿大学任教。他与两位年轻的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼一起开始研究从大爆炸模型来看宇宙中的各种化学元素是如何诞生的。伽莫夫确信，只要能为周期表中的各种已知化学元素如何产生找到一种解释，就会使大爆炸模型的地位板上钉钉。人们认为他是一位富有创造力的天才，是产生新理念的源泉，而他也将这些新理念慷慨地与学生和同事们分享。不过，与弗里茨·兹威基一样，伽莫夫也有着复杂的个人名声。除了他巨大的科学贡献之外，他也以恶作剧及酗酒而出名，这些转移了人们对于他的许多成就的注意力。伽莫夫来自一个令人惊叹的知识分子家族，他曾在彼得堡/列宁格勒国立大学（即今天的圣彼得堡国立大学）师从给出爱因斯坦场方程组的演化宇宙解的著名物理学家亚历山大·弗里德曼学习。伽莫夫开创性的、广受赞誉的科学工作是研究放射现象和恒星演化。伽莫夫与他的妻子在1934年来到美国落脚。尽管伽莫夫在放射现象与核聚变方面做出了许多独创性的贡献，而且是这几方面的专家，但他还是被美国的曼哈顿计划排斥在外。他没有得到参与机密工作的许可，尽管后来他曾受邀在洛斯阿拉莫斯国家实验室短暂参与过氢弹项目的研究。人们如今推测此中原因可能是他无人不知的酗酒问题。虽然他在同事们之中的名声褒贬不一，但在公众层面上却有着大批仰慕者。到20世纪40年代，他已经是一位非常著名的科学普及者以及极具启发性的科学作者了。他写了许多畅销书，如《从一到无穷大》、《汤普金斯先生探索原子世界》和《物理世界奇遇记》等[6]。

大约在1944年前后，伽莫夫与阿尔菲及赫尔曼一起开始认真研究宇宙化学。赫尔曼当时刚从普林斯顿大学获得博士学位不久，他的研究工作包括两个方面：拓展勒梅特的原始原子理念以及宇宙的开端。伽莫夫想要探究的重大问题是所有已知的化学元素是怎样合成的。他特别想要探究的是，一切元素是否有可能都是在早期宇宙中制造出来的，这要远早于第一批恒星形成之前。他坚信热大爆炸模型，即宇宙有一个炽热的、致密的开端，因此投入了大量精力去为其寻找铁证，而这正是当时所缺失的。由于氢和氦可以在宇宙初期形成，而这是已知的，因此他推测，假如能为其余元素的早期来源找到一种可靠的解释，那就会有定论了。阿尔菲和赫尔曼采用了一种新颖的方法进行外推。他们的起点是目前的状态，此时的宇宙从本质上来说包含的主要是富氢和富氦的恒星，以此外推到初始状态，当时宇宙的密度非常高。他们所估算的早期宇宙会如此致密，乃至各种粒子和它们的物理上的仇敌——反粒子能够不断地形成并彼此湮灭，从而允许能量和物质发生快速的相互转换。在极高温条件下，爱因斯坦的质量-能量等价关系（用著名的公式E=mc2来表达）发挥了作用，因此充满了粒子和反粒子。阿尔菲和赫尔曼意识到，假如早期宇宙确实是一锅不守规矩的粒子汤，那么这种持续发生的质量-能量嬗变就很可能会带来某种平衡，于是我们现在所熟悉的那些亚原子粒子——质子、电子、中子、光子和中微子——就因之会随着宇宙的膨胀与凝结而形成。

这种平衡被称为热平衡，它具有某些不寻常的特征。想象有一个不透明的密闭盒子，其内部封闭着能量（包括光在内的所有形式的辐射）和质量。根据量子力学，这样的一个盒子会达到平衡，并且其表现会像一个理想的“黑体”，因此它所放射出的辐射强度会取决于盒壁的温度。正是伽莫夫首先认识到并讨论了热辐射与热平衡在化学元素合成过程中可能起到的重要作用。阿尔菲和赫尔曼在他的基于直觉的想法的指引下，得到了一个关键的洞见。他们猜测炽热、致密的早期宇宙在达到热平衡的过程中，其表现就会像一个黑体。由于黑体的识别特征就是温度，因此阿尔菲和赫尔曼估算出由此得到的宇宙温度——宇宙目前的温度。此外，他们还推测，尽管膨胀已使宇宙冷却下来，但早期高温宇宙必定仍然将其无法磨灭的鲜明特征以黑体辐射的形式存留下来。黑体辐射的特殊存在方式，会使得这种辐射呈现无处不在的现象。一个黑体会永远保持着黑体状态，即使在冷却过程中也是如此。因此，整个宇宙至今仍然是一个黑体，虽然其温度已低于其炽烈的开端。阿尔菲和赫尔曼估算出目前的黑体温度约为零下268摄氏度。宇宙是一个黑体，并且早期宇宙和目前的宇宙各自具有独特的温度，这都是非同寻常的断言。阿尔菲和赫尔曼当时预言的宇宙温度很低，这是有悖直觉的，但却与数十年后测量得到的值极为相近。我们在日常体验中总是更容易感知较高的温度，因为我们亲眼见到正在沸腾的水以及在烤架上咝咝作响的食物。不过零下268摄氏度的宇宙温度要远远低于我们熟悉的这些温度，远远低于我们的体温，甚至远远低于冰的温度。除了温度以外，阿尔菲和赫尔曼进行计算的首要目标是要解释原子如何从那个原始的火球中起源和形成。他们的这项任务只获得了部分成功——无论他们如何努力，研究结果显示比氦重的那些元素都只能产生极微的量。他们在1948年的《自然》杂志上发表了这些新的但并不令人满意的结果，而把他们估算出的宇宙当前极低温度作为一句题外话藏匿在其中[7]。这篇论文为早期宇宙的物理学提供了一些重大见解，并且修正了伽莫夫之前的一篇论文中存在的几个差错，但是没能解释自然界中为什么缺乏原子序数为5的稳定同位素。这是他们当初打算解决的问题的一个关键部分。尽管如此，阿尔菲和赫尔曼还是得到了许多有趣的结果，其中包括计算出了膨胀宇宙中的物质密度演化。然而，由于他们没能对原子序数为5的同位素的缺失做出解释，也就没能恰当地解释所有更重元素的来源，所以这篇论文被视为毫无作为。不幸的是，他们对宇宙温度的估算被埋没在这样一篇被认为不够格的、有缺陷的论文之中，因此也就被束之高阁了。

还有另一个令情况更加复杂的问题：他们所预言的宇宙温度值甚至都没能使伽莫夫信服，他可是他们的密切合作者！伽莫夫顽强地试图将他对于早期元素形成的研究工作与他以前对于恒星的研究联系起来。他在此尝试过程中曾对宇宙及星际物质的温度做过多种不同的预测，其范围从零下268摄氏度到零下223摄氏度不等。伽莫夫的这些不固定的、不稳定的预言造成了阿尔菲和赫尔曼的温度计算更加不为人们注意。伽莫夫、阿尔菲、赫尔曼及其合作者们完全沉浸于解释元素起源并确保其正确，因此在1948年仅这一主题就总共发表了11篇论文，其中却没有任何一篇解决了宇宙化学这个问题。尽管论文如此多产，然而科学界还是完全忽视了阿尔菲和赫尔曼的预言。不过 ，这一不幸的事实使我们可以将这个问题作为一个完美的案例，用以研究为何接受某些变革性理念的旅程会更为艰辛，以及那些非科学因素在此过程中是如何逐渐发挥出重要作用的。这是一个著名的例子，整个科学界都在远远超过20年的时间里忽略了一个重要贡献。因此，后来有了好几项仔细的学术调查，试图搞清楚这项开创性的工作为何没能造成任何影响。尽管阿尔菲和赫尔曼的个人动机和意图并非桩桩件件事后都能得到精确的追溯，不过宇宙学家詹姆斯·皮伯斯经过煞费心力的研究撰写了一篇文章，题为《热大爆炸的发现：在1948年发生了什么》（Discovery of the Hot Big Bang:What Happened in 1948），其中追踪了他们各篇科学论文的足迹。约翰·马瑟和约翰·博斯劳也在他们的《第一缕光》一书中深入钻研了这个问题[8]。对于这一计算的所有历史重塑都对一件事情看法一致：阿尔菲和赫尔曼在1948年发表在《自然》杂志上的那篇论文中，首先估算出宇宙微波背景辐射的温度，并将其确定为宇宙的温度。

一个热平衡辐射物体的黑体光谱形状示意图。由于早期宇宙的表现就像是一个黑体，因此测得的宇宙微波背景辐射谱与这条曲线完全吻合。

假如我们能够推测出造成这种忽视的合理智力原因可能是什么，那么很有可能是这样一个事实：这篇论文的主要议题和计算重点并不是宇宙温度，而是早期宇宙中化学元素的产生。对宇宙温度的估算是一句题外话，它如此无足轻重，以至于论文中并没有明确探讨对其进行可能的探测或核实的问题。即使这条预言引起了注意，考虑到这种预期温度值非常低，因此在1948年也很难去测量它。任何力图测量宇宙温度的审慎尝试都是在很久以后才出现的。在《第一缕光》中，马瑟和博斯劳暗示在1948年这种测量从技术上而言是可行的，但也仍然具有挑战性。奇怪的是，普林斯顿大学的物理学家罗伯特·迪克曾经在某种程度上尝试过，却没有意识到自己已经快测量到宇宙温度了。他的计划包括测量太阳和月亮的黑体温度。他注意到来自大气层的热辐射会作为一种污染影响他的测量，因此热辐射也需要测量。迪克和3位同事在1946年发表了一篇关于该主题的论文，就在伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼论文产量暴增的前两年。他们的结论是，辐射水平意味着大气温度低于零下253摄氏度。他们还估算出这一信号的强度太弱，因而无法用辐射计直接探测到[9]。迪克在佛罗里达州试图进行这一测量，但没有获得成功，因此他很快就对此失去了兴趣。由于宇宙温度这一理念的重要性从大局来看尚不明朗，因此它被忽略了很长一段时间。除此以外，关于大气和星际物质的温度是否与整个宇宙的温度完全是一回事，也存在着确确实实的困惑。概念上的混淆不清显然并不是一件好事。正如我们在后文中将会看到的，具有讽刺意义的是迪克当时采用由他自己发明的一个装置已经接近于做出这一测量！

此问题还有部分起因是天文学和物理学中各科学分支过度专门化和缺乏沟通。赫尔曼和阿尔菲是训练有素的恒星天体物理学家，恒星天体物理学是一个独特的学科分支，因此被视为与宇宙学多少有点儿脱节。赫尔格·克拉夫在他的《宇宙学及论战》一书中提出，伽莫夫、赫尔曼和阿尔菲发表的各种不同的、相互冲突的宇宙温度值也许造成了天文学家们的困惑。此外，这个温度是宇宙起源的温度还是将恒星辐射的效应也包括在内了，这一点在当时也不甚清楚。这种诠释上的混淆事实上是一个老问题了，而且很可能导致了人们对于也许是真正第一次公布的宇宙微波背景辐射探测不闻不问，而这次探测甚至比迪克的那次中途放弃的尝试更早。1941年，加拿大物理学家安德鲁·麦凯勒在没有意识到的情况下测量了宇宙的温度。他当时正在研究碳氮循环作为碳星能量来源的可能性，有毒的有机化合物氰（由碳原子和氮原子构成）触发了他的兴趣，这是由于1910年在哈雷彗星的彗尾中探测到了这种化合物。在研究星际空间中的分子光谱以理解它们的功能和来源的过程中，麦凯勒确定了这种有毒的氰分子温度极低——事实上大约为零下270摄氏度。没有人认识到这一低得异乎寻常的温度的重要性，也不知道它除了麦凯勒的那种显然只有内行人才懂的研究之外，是否还有任何意义。除了对于阿尔菲和赫尔曼究竟在测量什么的困惑以外，克拉夫认为他们还有另一个关键性的失误：他们没有讨论，甚至没有思索如何测量出他们所估算出的温度。例如，他们1948年发表在《自然》杂志上的那篇论文就没能计算和提供这种宇宙温度能够被探测到的精确波长。事实上，文中甚至都没有出现一幅黑体辐射曲线图。克拉夫认为（而且我也赞成），他们对于在微波波段中能观测到宇宙温度略而不谈，这就更加打消了人们从实验方面努力去探测它的念头。再者，由于这种没有引导人们去注意微波波段的情况，因此天文学家们就想不到要把这些点连起来。阿尔菲和赫尔曼的所有计算都出现在这样一个背景之中：在当时被视为一个完全独立的研究领域——核物理学。说白了，宇宙学家们对此简直没有加以关注[10]。

作为理论学家，阿尔菲和赫尔曼当时正在寻求理解各种化学元素是如何在早期宇宙中形成的，而这使他们处于不利地位。他们不是在寻找早期宇宙的温度，并且从某种程度上来说，他们也不相信任何人能够找到它。与此同时，他们对于自己所提出的探讨话题也没有取得成功。他们所发现的结果与伽莫夫最初的假设是矛盾的。阿尔菲和赫尔曼认识到，在早期宇宙只有大约最初几分钟的窗口中，氢和氦能够发生聚变而制造出更重的元素。一旦这个窗口由于膨胀驱动的快速冷却而关闭了，那就几乎不可能会再发生聚变（因此也就不会再创造出更重的元素）。阿尔菲和赫尔曼发表了这一结论，但我们可以想象，由于没能解决他们寻求答案的那个基本问题，他们一定感到相当颓丧。

关于阿尔菲和赫尔曼的那些重要见解当时为何没能造成影响，而是逐渐被湮没淡忘，还有另外好几个实际原因。由于学术职场变幻莫测，因此他们俩都退出了学术界，分别去往通用电气公司和通用汽车公司的研究实验室工作。他们离开了这一领域，只是等到他们有可能从日常工作中挤出时间来继续从事他们的研究时，才会间或发表一些论文。离开学术界意味着他们无法引导各研究团队去理解他们的那些发现中所隐藏的含义，只有在训练有素的博士后研究人员和博士生大军的帮助下，这种研究工作才有可能得以实现，也只有那些在大学里拥有稳固的、终身职位的科学家才有可能开展此类研究。阿尔菲和赫尔曼都离开了本可以有一些学生为他们工作并传播他们的研究工作的科研环境。科学理念从来都需要有其促进者去散播和推动，各种理念都需要招募研究生和博士后研究人员来详细阐述和验证它们，假如没有通过这种方式建立起来的知识帝国所提供的“回音室”，那么这些理念就会消亡。而且至关重要的一点是，20世纪四五十年代仍然有人怀疑热大爆炸理论。宇宙微波背景辐射与大爆炸模型有着千丝万缕的联系，因此事实上是这一模型的关键观测识别标志之一。由于阿尔菲、赫尔曼和伽莫夫没能在热大爆炸模型的背景下成功解释化学元素的来源，因此这对于说服那些贬损这种理论的人就毫无助益。

阻止人们完全接受热大爆炸模型的另一个障碍是关于宇宙年龄的估计。天文学家们通过研究宇宙膨胀速率以及估计宇宙的大小，就能够估算出它的年龄。根据哈勃膨胀测量，宇宙年龄只有20亿年。与此同时，地理学家们已经挖掘出了地球上好几十亿年前的岩石。这就引出了一个复杂的难题。看来对于宇宙的描述而言，热大爆炸模型即使不说是不足的，至少也是不完整的。关于宇宙的开端也存在着需要全力以赴去解决的麻烦问题：它的初始条件是为何以及如何产生的？

在这个节骨眼上，即20世纪40年代末和50年代初，剑桥三人组合邦迪、戈尔德和霍伊尔提出的稳态宇宙这一对抗理论也有着哲学上的吸引力。他们的概念是一个永恒的宇宙，这就使他们不需要去为一个开端做出解释，于是也就不必回答大爆炸之前发生了什么这个令人不安的问题。稳态模型吸引了大批追随者，并且有许多物理学家也深陷其中。阿尔菲和赫尔曼对于黑体宇宙背景辐射的预言与稳态宇宙学模型不相容，这很可能也是宇宙微波背景辐射直到1965年前后才重新被人们想起的另一个原因。

这一非常重要的理念之所以逐渐不为人们所知，一个关键因素是当时的学术气氛。原初爆炸导致一个膨胀宇宙的理念在当时还完全没有确立为严肃的科学。宇宙学作为一个领域遭受着怀疑的目光。与物理学的许多其他分支不同，在宇宙学中没有可能去进行可控的实验，而在宇宙尺度上所进行的测量看来好像也深受各种未知误差的困扰。它给人的感觉必定不像是一门传统科学。不过，宇宙学在知识层面上所占的地位应该很快就要发生变化了，而事实上是宇宙微波背景辐射的偶然发现催化了这一进程。当然，一种理念，尤其是一种变革性的理念常常需要时间去孕育，从而最终当天时地利条件具备时，假如它是正确的，那么它就能迅速得到评估和接受[11]。

因此，最终造成我们对早期宇宙的理解发生骤变的是纯粹机缘巧合下的意外发现，而且这一发现来自于一个完全出乎意料的角落。物理学中有这样一种说法：一个人的噪声会是另一个人的信号。意思就是说，在回答一个科学问题时，一个完全令人厌烦的解答对于另一个不同的问题来说却常常发现它极具价值，有着令人意外的启发性。这两位物理学家首次报告他们测量到了宇宙微波背景辐射的例子实属这种情况，当时他们在寻找的甚至并不是宇宙微波背景辐射。

1964年，贝尔实验室的两位天才物理学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在摆弄实验室安装在新泽西州霍姆代尔的克劳福德山上的一架喇叭形天线。从哥伦比亚大学获得实验物理学博士学位的彭齐亚斯此时已在贝尔实验室工作3年了。他雄心勃勃、思维敏捷，很擅长掌握他所研究的任何问题的大局。当时27岁的威尔逊是刚从加州理工学院毕业的博士，他接受的教育是稳态理论，此时他刚刚加入贝尔实验室。他属于思维周密的一类人，打骨子里就是一位喜欢捣鼓仪器的神手。他沉迷并拘泥于细节，而且他是带着具有让检测仪器运转起来的超凡技能的名声成为贝尔实验室的一员的。他在博士论文中描绘了长波和射电波段的银河系。对于自己将会无意中卷入对我们整个宇宙分布图的重制，而且还会在其中发挥作用，此时的他还几乎一无所知。

彭齐亚斯和威尔逊利用克劳福德山的天线作为望远镜来分析天空中那些射电波段而不是可见波段的源。射电频率是电磁波谱（其中也包括可见光）的一部分，其波长范围从几毫米到10米左右。它们能够穿透并通过地球大气而不会被反射回去或者发生畸变。尽管海因里希·赫兹在1887年就发现了无线电波，但是卡尔·央斯基在20世纪30年代才首次探测到银河系中心发出的射电辐射。他当时使用的是他建造在新泽西州霍姆代尔的一架长天线。当时专注于可见光、透镜和摄谱仪的天文学界没有立即重视将这一新设备应用于宇宙学研究的价值。但在第二次世界大战以后，由于雷达的卓越表现，出现了大量从事雷达研发和应用的物理学家和工程师，射电波段开始作为天文学上的一种新的探索工具而得到了广泛应用。这就激起了人们去寻找更多宇宙射电源的兴趣。

彭齐亚斯和威尔逊所使用的那架望远镜有着非常灵敏的射电接收器，它是 “回声”通信系统的一个转发和放大器件。这个系统是1960年由贝尔实验室制造的，由大气上层的两个巨大的金属气球反射无线电信号，从而能够实现远距离通信。不过，到彭齐亚斯和威尔逊使用这个接收器的时候，它对于通信而言已经过时了，由卫星取而代之。射电望远镜上的天线需要接收到通常噪声之外的信号，才能探测到可能的宇宙源。克劳福德望远镜被调谐到4 080兆赫的频率，这对探测微波波段信号来说是理想的频率。为了在这些波段上找到并分离出这些预期来自天体源的极其微弱的信号，彭齐亚斯和威尔逊就要去寻找到当时尚未发现的射电源发出的辐射。为此，他们不得不甄别出可能淹没他们的微弱信号的所有静态噪声源，从而量化并由此消除一切干扰源。

显示了全部范围的电磁波谱，从γ射线（最短波长）到无线电波（最长波长），并清晰表明了可见波段的范围之狭窄。

尽管他们尽了最大努力去甄别和校正所有这样的噪声源，但结果还是失败了。他们正在探测到的静态噪声似乎淹没了他们的信号，因此他们想将其去除。于是他们检查来自各方面的噪声，从地面到上层大气分子抖动以及装置本身的运行状态，甚至包括两只喜欢停在天线上的正在筑巢的鸽子身上。不过噪声一直没有消退，不管是哪个季节，也无论天线的朝向如何。他们被难住了。这种噪声无法识别，因此也就无法去除。这个噪声在空间和时间上都是均匀的，来自整个天空，没有任何方向选择性；并且这些微弱的无线电波的温度大体上相当于3开左右。

1964年12月，彭齐亚斯参加了一次天文学会议，回来后他与一位同事、射电天文学家伯纳德·伯克讨论这个挥之不去的噪声问题。伯克向他指出了最近发表的一篇论文，这是当时在普林斯顿大学罗伯特·迪克手下工作的一位名叫詹姆斯·皮伯斯的年轻理论学家撰写的[12]。迪克当时已成为一位有建树的、极其博学多才的物理学家，并被认为不仅仅是一位理论学家，还是世界一流的实验家。这是他在麻省理工学院辐射实验室进行战时工作时树立起来的名声。他出生于1916年，是一位说话温和、精力充沛的人。他对付机械装置和设计电子电路就如同他解答复杂数学方程一样手到擒来。他只差一点点就发明了激光。查尔斯·汤斯及其妹夫阿瑟·肖洛在1958年为微波激射器提交了专利申请。迪克比他们还早两年，在1956年申请过一项专利，以一种非常相似的方法来建造同一类型的仪器，但他那种仪器的运行波段不同，属于红外激光器。汤斯和肖洛的发明是一种更为复杂的装置，与迪克的那台仅限于红外波段的装置相比，它能够在更宽的电磁波谱频段上运行。虽然迪克在1958年获得了这项专利，但发明激光的大部分荣誉都与他擦肩而过。这还不是他唯一一次恰好跌出某项重大发现和发明的功劳簿之外。

他曾独立预言存在着无所不在的宇宙微波背景辐射，并鼓励他在普林斯顿大学的学生皮伯斯去进行更为详细的计算。皮伯斯在热大爆炸模型的背景下所做的计算预言，由宇宙的火球式开端制造出了残留至今的无线电波背景辐射。他声称，这种大爆炸留下的痕迹会均匀地填满整个空间，因此会有大约10K的稳定可探测温度，甚至可能“低至3.5K”[13]。他还进一步提出，从一架灵敏的射电望远镜中进行观测时，宇宙微波背景辐射就会像是持续不断的咝咝声。皮伯斯和迪克当时并不知道伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼在20世纪40年代发表的那些相关计算和预言。他们重新发现了宇宙微波背景辐射。

在彭齐亚斯和威尔逊在为他们的奇怪咝咝声大伤脑筋，而迪克和皮伯斯在思考宇宙微波背景辐射的同时，有两位苏联物理学家伊戈尔·诺维科夫和安德烈·多里希科维奇也加入了战局。他们阅读了伽莫夫团队的那些论文，并重新考虑了其计算。他们不仅是完善了这些计算，而且还为探测这种辐射（即大爆炸遗迹）做出了具体的观测预告。虽然诺维科夫和多里希科维奇都是理论学家，但他们估计了探测到这种预言的微弱信号的可行性。1964年，他们在《苏维埃物理学进展》上发表了一篇简短的论文，声称阿尔菲、赫尔曼和伽莫夫所预言的微波背景是可以探测到的，并且霍姆德尔的那架灵敏的克劳福德射电望远镜的规格、特性对于用来做出这一发现十分理想。唉，造化弄人，彭齐亚斯和威尔逊自然没有获悉诺维科夫和多里希科维奇的这篇论文。美国与苏联科学家之间的交流在当时并不特别活跃或有效。不仅如此，理论学家、观测者和实验家之间壁垒分明的情况也令人痛心。

在此期间，彭齐亚斯与迪克取得了联系，并请他来看一下霍姆德尔的设备，设法解释这种神秘而持久的咝咝声从何而来。迪克把他的整个团队都带来了。迪克在普林斯顿大学的另外两个学生彼得·罗尔和戴维·威尔金森都是实验物理学家，他们当时正在为自己的射电接收器做最后的收尾工作。这架接收器将用于搜寻皮伯斯预言的宇宙微波背景辐射。在皮伯斯给出理论计算和预言之后，迪克的团队就致力于寻找这种原初信号。宇宙微波背景辐射是宇宙中的罗塞塔石碑[14]，是对破译宇宙起源之谜至关重要的信号。不难想象，迪克在看着彭齐亚斯和威尔逊的数据时必定百感交集：为他们的重大发现而感到欢欣鼓舞，但同时又对于他和他的团队在仅一步之遥就快要亲自探测到的时候被抢占了先机而深感失望。他立即确信彭齐亚斯和威尔逊探测到的这种信号正是宇宙微波背景辐射，而这就是热大爆炸模型的确凿证据。然而，彭齐亚斯和威尔逊却由于这种模型与稳态模型之间的激烈争议而对这种模型以及宇宙学总体持怀疑态度。他们决定在一篇论文中给出他们的实验发现，而对于其理论含义不进行任何讨论。尽管他们对热大爆炸模型并不十分感兴趣，但是在不将自己与一种在他们头脑中尚属尝试性的模型明晰地联系在一起的情况下，他们还是很乐意报道他们的这些发现的。此外，对于为人谨慎的威尔逊而言，稳态模型仍然有其吸引力，因此他觉得既然他们只有一个数据点，那么除了发表观测结果外，最好不要就模型进行任何讨论。他们的探测为预言的宇宙微波背景辐射的平滑黑体辐射曲线提供了一个数据点，也就是第一个数据点。

因此根据约定，这两个团队背靠背地各自发表了两篇独立的论文：一篇是彭齐亚斯和威尔逊报告这项发现和数据，另一篇则是迪克及其合作者们解释宇宙微波背景辐射是大爆炸残留的辐射。具有讽刺意味的是，正是迪克获得专利的发明之一——辐射计才使得宇宙微波背景辐射的探测成为可能。他的这种安装在克劳福德射电望远镜上的装置利用精巧的电子电路来将极端微弱的射电信号从本底中分离出来，从而探测到它们。无论是从理论的观点来看还是从实验的观点来看，迪克都距离做出非凡的发现仅有咫尺之遥。1978年，彭齐亚斯和威尔森由于他们意外发现了来自宇宙创生时刻的残余辐射而获得了诺贝尔奖。无疑，假如迪克当时知道阿尔菲和赫尔曼以前的工作，那么他也许会更早开始搜寻宇宙微波背景辐射，也就有可能分享诺贝尔奖了。

在那个决定命运的星期五，即1965年3月26日，当这两个工作地点相距不到30千米的团队最终相遇时，所有团队成员都对麦凯勒或阿尔菲和赫尔曼早先发表过的关于宇宙微波背景辐射的计算一无所知。反事实的推测总会激发人们的兴趣，而探索这样的假定分析也令人激动。宇宙微波背景辐射的发现无疑是一个明确的例子，说明即使微小的差别也会使许多人的生活发生完全不同的转变。从知识方面来讲，假如发现得更早一点儿，热大爆炸模型就会更快得到确立，从而结束与稳态模型的反复争斗。从个人方面来见，获得终极荣誉——诺贝尔奖的也可能是完全不同的另一群精英。

彭齐亚斯和威尔逊发表在1965年7月1日的《天体物理学杂志》上的那篇仅一页篇幅的论文《在4080兆赫上测得的过余天线温度》（A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s）虽然标题平淡无奇，但其中报告的却是20世纪最重要的突破之一[15]。随着宣告发现了宇宙微波背景辐射，再加上迪克及其合作者们随之发表的解释论文，天文学家和天体物理学家们对于热大爆炸模型的看法几乎在一夜间逆转。虽然迪克将宇宙微波背景辐射解释为残余辐射，但他从感情上拥护的并非大爆炸模型。众人皆知，他偏爱的是一种振荡宇宙，即20世纪30年代由加州理工学院的宇宙学家理查德·托尔曼提出的热大爆炸模型的一种变形。因为他认为讨论一个假定是在某个瞬时无中生有的宇宙，这在哲学上很成问题。由于在振荡宇宙模型中加热和冷却是阵发性的，因此它就与从一个炽热、致密的状态开始发生膨胀的周期起点所产生的宇宙微波背景辐射情况相容。

围绕着这项非凡发现的激奋情绪显而易见，《天体物理学杂志》向新闻媒体透露了关于宇宙微波背景辐射探测的新闻。1965年5月21日，它出现在《纽约时报》头版头条：《暗示“大爆炸”宇宙的信号》（Signals Imply a ‘Big Bang' Universe）。尽管迪克对于宇宙膨胀、对于星系正在以哈勃曾观测到的方式彼此飞离都能泰然处之，但是他更愿意它们最终还是会再重新回到一起。科学作家沃尔特·苏利文报道：“迪克等人想要看到振荡宇宙大获全胜。”正如我们在前文中讨论过的，尤其是在爱因斯坦的例子中，有些人可能很难逃离某些科学理念的感情掌控。也许是迪克对于振荡宇宙的依恋令他敛足，没有能让他更早、更坚持不懈地去寻找我们现在理解为确证热大爆炸模型的关键证据。对于怀疑宇宙学的威尔逊而言，这个故事出现在《纽约时报》的头版就是一条明证，说明全世界确实是在严肃对待他和彭齐亚斯的宇宙微波背景辐射这一发现。他是正确的，宇宙学正在渐渐成熟起来，从一个推测性的、空泛的学科脱胎而出，成为一门其理论能够通过测量来获得证实和检验的学科。

宇宙微波背景辐射的发现，是天体物理学中对于如何分配功劳产生了大量遗憾不满和辛酸失望的例子之一。阿尔菲和赫尔曼做出了最初的预言（尽管稍有偏离），因此感觉他们确实被遗漏了。他们从未得到过任何认可。我还是要重申，这部分可归咎于他们选择了将论文发表在《美国国家科学院论文集》上，而这不是一份天文学家和物理学家们通常阅读或惯常投稿发表论文的杂志。正如我们在勒梅特的情况中看到的，他将一个关于宇宙膨胀的突破性结果发表在一份鲜为人知的杂志上，这大大阻碍了它得到散播和接受。论文发表在整个天文界认可和阅读的杂志上，这种做法当时对这种新研究得到更广泛的传播起到了至关重要的作用。虽然天文学已被专门化为各个分支领域，但这个天文学界还是尊重并阅读一批公认发表渠道的出版物。不管怎么说，阿尔菲和赫尔曼对于迪克的团队不知道他们早先的研究工作感到极为沮丧。特别是《物理学评论》杂志拒绝了皮伯斯关于新计算的论文，原因是学术成就浅薄，因为其中没有引用早前的工作。阿尔菲说道：“吉姆·皮伯斯知道我们的工作，除非他迟钝到了令人难以置信的程度。”他还进一步提出：“在迪克、皮伯斯、罗尔、威尔金斯1965年发表论文之前很久，皮伯斯就从我们这里得到过我们对他那篇关于宇宙微波背景辐射的论文所撰写的两篇评论文章。”而事实表明，原来阿尔菲和赫尔曼就是拒绝皮伯斯那篇论文的审稿人。至于迪克，显然他对阿尔菲的辩解是，他自己的研究工作也在其他一些情况下遭到了类似的忽视，因此这在业内是最寻常不过的事情。阿尔菲对于这种解释表示不满，他认为迪克的那种以普林斯顿为中心的态度的本质用意就是“假如它不是在这里发明的，那就发明不了”。意在补偿，皮伯斯和威尔金斯在《科学美国人》上发表了一篇文章，向伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼的早期理论工作正式致谢，不过在彭齐亚斯和威尔森的眼中，这篇论文对实验探测没有给予足够的功劳，而这令霍姆德尔的这两位忿忿不平[16]。发现宇宙微波背景辐射的功劳归属之争给3位关键的早期选手伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼留下了深深的创伤。数十年后出现了一些尝试对此做出补偿的努力。2005年，乔治·W.布什总统授予阿尔菲美国国家科学奖章，这是美国平民能够得到的最高荣誉之一，嘉奖“他在核合成领域中做出的前所未有的研究工作，预言了宇宙大爆炸后留下的背景辐射，并且为大爆炸理论提供了模型”。他终于获得了他应得的肯定。在2007年7月27日举行的颁奖典礼上，他的儿子维克托·S.阿尔菲博士代表他领奖[17]。阿尔菲在仅仅几个星期之后就去世了，享年86岁。另一方面，伽莫夫于1986年就已去世，他在生前因在早期宇宙方面的工作没有得到公认而牢骚满腹。他是宇宙微波背景辐射这个故事中的悲情英雄之一。

在宇宙微波背景辐射发现之前，物理学界既没有接受稳态理论，也不接受热大爆炸理论。稳态理论声称物质在连续不断地被创造出来，以此来抵偿宇宙膨胀，因此宇宙自始至终看起来都是一样的，既没有开端也没有终结。这两种理论都存在着各自的漏洞（还有一些大裂缝），但宇宙微波背景辐射的发现完全转变了对它们的评价。大爆炸理论预言了这种残余辐射，而稳态理论对此既没有做出预言，也无法在它一旦被发现后做出解释。在彭齐亚斯和威尔森的发现之后不出两年时间，稳态理论就已完全失宠了，虽然霍伊尔和其他一些忠实支持者还在继续试图将宇宙微波背景辐射纳入这一模型的几种改进版本。他们最终并没能成功，因此宇宙微波背景辐射就是导致稳态理论最后崩塌的关键经验证据。

在探测到宇宙微波背景辐射以后，下一步工作是要测量——更为详细的探究，并用数据来填充预言的黑体辐射曲线。由于这种宇宙残余辐射是一种黑体，因此它的波谱（即描述总能量在一段波长范围内如何分布的曲线的形状）在理论上是我们所熟知的。为了检验宇宙微波背景辐射是否确实符合黑体辐射曲线，这就需要对数个波段分别进行独立测量。超越单纯的探测和发现，超越第一个唯一数据点去做仔细测量的时候到了。对宇宙微波背景辐射进行明确的、精准的测量需要新的、更加精密的工具。一旦宇宙微波背景辐射是大爆炸残余的理念被完全接受，那么考虑到对它所预期的黑体辐射形式，就可以进行大量详细的、可检验的理论计算了。这些计算又转而大大强化了大爆炸这一事实，并对早期宇宙提供了更深层次的理解。宇宙微波背景辐射中的辐射能量超过了所有星系中全部星光的辐射总和，并占据了宇宙中全部辐射的99%。

尽管拥有这种成功的早期宇宙模型构造，但伽莫夫的终极问题——较重的那些化学元素是如何形成的——仍然没有得到解答。如今我们已经清楚了，随着膨胀开始，创世的那个致密火球——制造出物质和辐射汤的“爆炸”——也开始冷却。辐射在这一时期凌驾于物质之上而占主导地位，光子数量大大超过任何其他种类的粒子数量。夸克最先聚合起来构成质子和中子，然后在短短的前3分钟内，中子和质子开始通过核聚变形成氦、氘和锂。由于核聚变需要非常高的温度和密度（这是我们无法在实验室中重复出这种反应的限制因素之），因此一旦宇宙冷却到某一特定温度以下，这种过程就停止了，从而扼止了任何重元素的进一步形成。原初宇宙中不可能形成任何比锂（周期表中原子序数为3的元素）更重的元素。事实上，这正是伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼在他们的计算中遗漏的窍门：每种比锂重的自然产生的元素都是在自然界的聚变反应堆——恒星内部制造出来的，那是在宇宙年龄大得多的时候产生的，而不是在原初火球中产生的。

在大爆炸发生后的38万年左右，带正电的原子核开始与电子结合，形成电中性的原子。原子的产生使物质和辐射能够分开，并开始在宇宙中分别演化。我们将物质和辐射的这种分离称为“退耦”。没有了辐射所施加的压强，物质就开始由于引力而成团，从而形成我们今天看到的恒星和星系。辐射的第一次大逃逸就是我们在宇宙微波背景辐射中所看到的。因此，充斥着整个宇宙的微波背景辐射就是宇宙开端38万年后的状况的一张快照。来自COBE卫星的观测数据证实，宇宙在退耦时期是一个近乎完美的黑体。这颗卫星对宇宙微波背景辐射中的极小变化进行了仔细测量，为说明充满着暗物质的星系如何在我们的宇宙中形成和演化的那些理论提供了进一步的支持。宇宙微波背景辐射在到达我们之前的一路上渗透到了所有的星系及其他结构之中，而其温度（事实上是这种辐射的极微小变化，即在整个天空中存在着的百万分之一度的微小差异）中就封存着关于它们的信息。

彭齐亚斯和威尔森的发现一经发表，在其他波段上测量宇宙微波背景辐射、画出完整的黑体辐射曲线的竞赛就郑重其事地开始了。到20世纪70年代后期，这已是一个热门的研究课题，多家研究机构的实验家们都发射了气球，用以研究这种辐射，并力图避开地球大气的影响，因为地球大气从本质上遮挡了某些频率。例如，伯克利的一个团队致力于在2毫米或以下的短波段进行测量，从而能够有助于识别宇宙微波背景辐射的形状，并确定它是一个精确的黑体还是仅仅近似于黑体。探测这一频率范围所需的气球实验难以进行，实验装置极易损坏，每个气球都是用厚度不到1/40毫米的塑料制成，轻易就会被撕裂。这些气球必须充满氦气，在其底部附上测量所用的探测器，然后再放飞。当然，这还不是全部。一旦升空后，所有的中继电子装置都必须运转，测量数据则需要定向下传到地面以供分析。大西洋彼岸也有一些竞争对手，20世纪70年代还有一个大本营在玛丽王后学院的英国团队也在研究将辐射计附在气球上的类似测量。这在当时是一场激烈的追逐赛。

对宇宙微波背景辐射的发现起到催化作用的仪器是迪克的辐射计。他意识到在电路中，热量在电阻上产生的噪声是电阻温度的一种直接量度，从而研究出了辐射计的基本原理。因此，将这样一个仪器放置在一个密闭空腔内，而空腔带有一根用于捕获外来辐射的天线，研究者就得到了一个灵敏的温度计。只要简单地观察电阻的温度，就可以测量出与电阻连接并匹配的“天线温度”[18]。在第二次世界大战中，在对无线电装置所产生的兴趣的刺激下，制造出了1946年的那一型辐射计。20世纪六七十年代宇宙微波背景辐射气球实验中所装载的就是对此原型改进后的仪器。不过，人们渐渐开始清楚，探测整个黑体辐射谱是必要的，而且这项任务最好是从太空中来实现，即远离地球大气所导致的那些棘手的混淆因素。用一颗卫星来描绘宇宙微波背景辐射分布，其推动力是这样开始的：美国国家航空航天局宣布了一个意向，马瑟等人对此做出响应，于1974年提议建造COBE。“自由号”卫星从1970年12月至1973年3月持续执行任务。这颗卫星的成功发射、部署和数据收集为空间X射线观测积累了经验，在此鼓舞下，一些朝向太空的更新的窗口打开了——在本例中是微波窗口。

彭齐亚斯和威尔森探测到了宇宙微波背景辐射，随后许多其他团队用气球实验和别的地面探测器对此做出确证，这些都为大爆炸理论提供了有力的证明。在过去的26年间，自从COBE卫星使精确测量首次成为可能以来，威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，缩写为WMAP，以迪克的学生威尔金森的名字命名，他在2002年出人意料地去世了）和欧洲的普朗克卫星（Planck Satellite，为纪念德国物理学家马克斯·普朗克而命名，这项任务最近刚刚结束）通过测量宇宙在其微波背景辐射上留下的不可磨灭的印记，确定了宇宙的更大图景。

这些新的结果远远超越了证实热大爆炸模型，直至检验各种基本粒子模型和宇宙中的结构形成整体范式。关于宇宙中所有结构的形成，目前为人们所接受的理论依据的是甚早期宇宙物质分布中的微小起伏的增长。在我们这个由暗物质主导的宇宙中，引力放大了这些微小的初始起伏或扰动，从而产生了质量团块，而这些最终主导了第一批恒星和第一批信息的形成。物质成团，随后并合，构成星系，这个过程在宇宙微波背景辐射中留下了一种印记。与在百万分之一这样极其微小水平上的温度变化有关的是，宇宙微波背景辐射在今天到达我们之前的漫长旅程中所遇到的所有物质。紧跟在COBE之后的那些任务以很高的精度探测并测量了这些由热点和冷点构成的异常微小的分布模式。除了这种斑斑驳驳的分布模式之外，宇宙微波背景辐射还有好几种其他识别标志也证明了它的原初起源。我们现在谈论的是最小的那些变化。宇宙微波背景辐射极其均匀，因此天空中的任意两个对立点之间的温度差异都只会出现在小数点后第五位及更后面。物理学家丹尼斯·夏马预言，由于地球通过宇宙背景辐射的运动，多普勒频移（和我们在描述哈勃的研究工作中曾讨论过的声音和光的多普勒效应一样）的效果会使这种辐射的温度在朝着我们运动的方向上显得稍高一点儿——大约千分之一的数量级。反过来，温度在相反方向（即与我们的运动方向相反）上会稍低一点儿。因此，在温度分布中存在着可以预测的偏离均匀的情况。从某种程度上说，这使人隐隐觉得以太概念的存在，人们曾假设地球和太阳系都是穿过以太而运动的。宇宙微波背景辐射可以被认为是充满整个宇宙的以太。由于地球的运动而在整个天空中出现的特定温度变化被称为“偶极各向异性”。即使在20世纪70年代末，要探测这种偶极存在的证据也极具挑战性，因为当时最尖端的技术就是地面望远镜和气球。地球的运动需要进行可靠的测量，因为只有这样，导致非均匀性的其他来源（它们是整个宇宙学大厦进一步确立的关键）才能观察得到。

美国国家航空航天局号召科学家们提出空间实验的建议，且采纳了马瑟的提议，马瑟的COBE卫星登场了。开发和使用技术先进的仪器设备与需要去验证的理论的复杂性密切相关。我们现在在宇宙中看到的星系，最终导致关于其结构形成的各种详细理论都是在这个时期发展起来的。物理学家雅可夫·泽尔多维奇和罗伯特·哈里森分别独立做出预言：在冷暗物质主导的结构形成过程中产生了微小的物质起伏，而当宇宙微波背景辐射光子在穿越宇宙的旅程中遇到这些起伏时，就会给这些光子留下痕迹。当宇宙微波背景辐射潜行通过正在聚合形成的星系时，就会造成宇宙微波背景辐射温度的微小起伏。这些理论计算现在都可以在皮伯斯建立的框架内拓展到更高精度。因此，一旦这种冷暗物质范式得到夯实，就能够做出更加精密复杂和可以验证的预言。数值模拟可用于计算宇宙微波背景辐射温度的微小变化，于是利用这些数值模拟就有可能去描绘物质（既包括暗物质也包括普通物质）演化的全部复杂特征及其与穿越而过的光子之间的相互作用。在观察测量的协同作用下，模拟再次成为辨别和验证各种模型的一种不可或缺的、强大的工具。要从卫星数据给出解释，我们需要用到模型。而要从模型出发做出高精度的预言，事实证明，除了暗物质以外，计算机的计算能力也是至关重要的。

装载在COBE卫星上的那些灵敏仪器首次测得了宇宙微波背景辐射温度的这些微小变化，即它在穿越宇宙的旅程中与物质相遇而留下的痕迹。我还清晰地记得COBE上装载的差动微波辐射计的主要研究者乔治·斯穆特在1989年的一次研讨会上介绍他们的成果，当时我还是麻省理工学院的一名本科生，坐在狭小而又挤得水泄不通的阶梯教室里。这些结果令人肃然起敬。来自COBE的数据点如此完美地勾绘出黑体的光滑曲线，以至于曲线上的测量误差比打印机再现出的叠画在其形状之上的图线宽度更小。物理学家们喜出望外，而世界上的主要报刊也都以欢欣鼓舞的头版头条报道了这项发现。例如《纽约时报》上这条新闻的标题是《科学家们就时间如何开始给出深刻见解》，伦敦《独立报》（Independent）上刊登的标题是“宇宙是如何开始的”[19]。

宇宙学以前在确定宇宙的那些关键特征（例如宇宙的年龄和哈勃常数）时，一直被巨大的不确定性所困扰，而随着宇宙微波背景辐射的探测及其后续测量，宇宙学开始成为一门精确科学。在COBE任务及最近来自WMAP和普朗克卫星的后续测量出现之前，与物理学中其他在定量方面更为成熟的分支（例如粒子物理中直至小数点后第14位的高精度测量都司空见惯）相比，宇宙学一直有着推测性的名声。COBE标志着一个具有高精度测量的精确宇宙学新时代，而宇宙学也因此最终成为了一门受尊敬的科学。到这个时候，即20世纪八九十年代，理论和观测之间的协同配合也大大增加了。

当然，科学家们不可能把宇宙现象当作实验室样本那样去操作。尽管有着这种无法实施可控实验的基本局限性，但是依靠对宇宙微波背景辐射的测量，宇宙学还是赢得了作为一 门定量科学的合法地位。这些测量以史无前例的精度导致我们对早期宇宙的知识激增，并且其精度随着每一次后续空间计划而日益提高。2001年发射的WMAP的仪器分辨率比COBE提高了30倍，而普朗克卫星（2009年发射）的分辨率比WMAP又高了2.5倍，并且在许多频段都具有更高的灵敏度。随着普朗克卫星数据的到来，对于物质和辐射在宇宙历史进程中如何发生相互作用的微妙方式，我们的理解会继续显著加深。宇宙微波背景辐射探测领域当前的前沿是其偏振模式研究。偏振是可以在不止一个方向上振动的波的一种性质。光就是这样的一种波，因此具有偏振性。

你也许曾遇见过用偏振滤波片来使一个灯泡消失的戏法。将偏振片举起对着光，我们会清晰地看见一个明亮发光的灯泡，但是将偏振片转过90°，这些光就消失了，因此灯泡也就再也看不见了，沿一个方向偏振的那些光被完全阻挡了。即使在X射线和微波中也能看到偏振现象。不可思议的是，宇宙微波背景辐射的偏振模式是可以测量的，而这正是目前处于研究前沿的观测挑战。测量这种烙印下的模式就可以告诉我们更多关于早期宇宙的信息。

正如我们在前文中讨论过的，新的理念和问题需要新的工具和仪器，随后这些工具和仪器日益纯熟。对宇宙微波背景辐射执行这些越来越精密的测量需要特定的技巧和专门知识，这对宇宙学的专业结构和日常实践造成了影响。正如科学史学家彼得·盖里森指出的，粒子物理学中的劳动分工创造出一些新的、专业的“交易区”，而“交易区”又重新划定了专门知识。在宇宙学的例子中，宇宙微波背景辐射方面的研究在理论、仪器和实验之间创造出一个交易区。这些宇宙微波背景辐射研究任务要取得成果，需要3个截然不同的团体通力合作——建造仪器的工程师、收集测量数据的科学家和解释这些数据的理论学家。这一切都起始于在麻省理工学院辐射实验室工作的迪克等人。这个实验室本身就是一个非凡的交易区，无论是从知识创造方面来说还是从它作为一个物理空间的角度来说都是如此。在这一空间里以前彼此隔绝的各部分之间发生了交互沟通。正如我们在前文中提到过的，20世纪八九十年代对于宇宙学而言，标志着一个独特的知识阶段，其中各种仪器的出现推动了研究中的劳动分工。盖里森提出，交易区的存在不仅改变了科学实践，还改变了如何做出新的科学断言的方式，以及改变了由此出现的各种争议的本质[20]。

技术造就了精密程度，这就意味着提出论点和遭受阻力不能再简化为理念的冲突。宇宙学的情况也是如此，而这也解释了为什么我们在本章中遇到的这些来自科学界内部的阻力与黑洞或膨胀宇宙理念的情况具有如此根本的差异。在黑洞的例子中牵涉到钱德拉和爱丁顿之间的对峙，而在膨胀宇宙理念的例子中，我们看到的是爱因斯坦最终向哈勃的观测数据让步。

到了20世纪90年代，一个游离于学术研究领域之外的专利局职员被公认为科学奇才的情况就很难出现了。科学家们如今都是一支专业骨干队伍的组成部分，而且受训成为其中一员的必由之路在20世纪的进程中已经标准化了。惊讶和好奇的个人感觉如今已被大型团队成员间分配的零碎工作所驾驭。不过科学知识产生方式的这种结构变化决不是争议或分歧的终结，相反，只是它们的表述方式和解决方式与以往不同了。如今的斗争是围绕细节展开的：数据的处理、校准，还有研究者们是否恰当地考虑了所有可能影响测量数据的各种误差来源。由于所有这些工作都是在团队中执行的，因此各合作团队之间的冲突就呈现一种更为程式化的对抗形式，不过名声、功劳和荣誉仍然是利害攸关的东西。

例如，让我们来考虑最近在宇宙微波背景辐射偏振测量中出现的争论。WMAP观察到了偏振的第一批线索。于是我们就需要更加精确地确定这种信号的强度和含义，而这就要考虑到可能造成这一测定落空的所有误差来源。宇宙泛星系偏振背景成像 （Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization,BICEP）团队在南极用一架射电望远镜对宇宙微波背景辐射的偏振进行了精确测量。他们于2014年3月宣布了这项激动人心的发现。他们召开了一次新闻发布会，报告他们以极高的置信度测量到了这种信号。但是在宇宙微波背景辐射中看到的涡旋形偏振模式可能会轻易地受到它在银河系中遇到的尘埃的影响，宇宙微波背景辐射在被测量之前会穿过银河系中的尘埃这道最后的滤网。对于BICEP团队如何校正这种尘埃带来的混淆作用，科学界的其余人士提出了强烈的反对意见。大家对这个团队如何描述这种银河系尘埃的性质及其对测得的偏振的影响表示怀疑，其中尤其是来自普林斯顿的理论学家们的异议。普林斯顿有迪克的遗产作为基础，因此仍然是宇宙微波背景辐射科学的大本营。理解尘埃的效应对于确立偏振信号的起源（它是来源于原始宇宙还是仅仅是银河系尘埃留下的痕迹）是至关重要的。在如今这个全球各地都相互联系的世界里，这一争论和质疑完全暴露在公众视野之中。这是宇宙学接受审判的新场所。正如我们已经看到的，过去常常在专门召集起来的各种大大小小的会议上、在紧闭的大门之后这样的安全环境中发生的所有质疑，现在都在互联网和社交媒体上以一种未经管制的、无组织的形式搬上了舞台。从前的问题是在专家之中进行裁定的，他们经过深思熟虑后达到并提出一个共同观点，而我们在前几章中看到过的这种完整发展过程如今都好像发生在透明的鱼缸里，科学过程的凌乱状态会暴露无遗。这种新发展对于知识的严谨是有利还是有弊，宇宙学家团体内部出现了意见分歧。当然，在BICEP这个例子中，来自普朗克卫星的更多、更好的数据平息了争端。BICEP的实验也确实高估了他们对偏振测量可信度的计算。可以说魔鬼就躲在尘埃中，在这个例子中是躲在系统误差的细节之中，而这些系统误差是在估算导致虚假信号的尘埃作用时产生的[21]。

我相信这种开放式讨论和公开评论是一件好事，它为科学应如何运作开启了窗口，从而摧毁了科学研究是取得关于自然界的确定真理的一种纯正的、客观的方法这一不真实的形象。这明示了科学理论都是暂时性的，而科学家们作为一个团体去仔细检查任何新的断言及其可重复性。这还说明了评估和接受新的、变革性的科学理念的过程现今已发生了根本性的变化。

[1].约翰·马瑟本人对于COBE发射过程的叙述，请参见马瑟和约翰·博斯劳所著的《第一缕光：回溯到宇宙黎明这一旅程的真正内幕故事》（以下简称《第一缕光》）（The Very First Light:The True Inside Story of the Scientific Journey Back to the Dawn of the Universe,New York:Basic Books,2008），第3～9页。《爱之卫星》（satellite of love）指的是歌手卢·里德最著名的歌曲之一，出自他1972年的专辑《变压器》（Transformer）。——原注

[2].费迪南·麦哲伦（1480—1521），葡萄牙探险家，为西班牙政府效力探险。1519－1521年率领船队首次环航地球，死于与菲律宾当地部族的冲突中，他船上余下的水手在他死后继续向西航行，回到欧洲。——译注

[3].劳伦斯·贝尔格林，《越过世界的边缘：麦哲伦的惊人环球航行》（Over the Edge of the World:Magellan's Terrifying Circumnavigation of the Globe,New York:Harper Collins,2004）；马瑟和博斯劳，《第一缕光》，第255～263页。——原注

[4].德瑞克·J.德索拉·普莱斯，《小科学，大科学》，第239页；赫尔格·克拉夫，《宇宙学及争议：两种宇宙理论的历史发展》（以下简称《宇宙学及争议》）（Cosmology and Controversy:The Historical Development of Two Theories of the Universe,Princeton:Princeton University Press,1996），第123～134页。——原注

[5].G.勒梅特，《空间的膨胀》，刊于《科学问题回顾》（1931年11月），第391～410页；在《原始原子：宇宙进化论随笔》（The Primeval Atom:An Essay on Cosmogony,New York:Van Nostrand,1950）第78～79页引用了贝蒂·H.科尔夫和瑟奇·A.科尔夫翻译的该文英译版；勒梅特，《从量子理论观点论世界的开端》（The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory），刊于《自然》杂志，第127卷，1931年第3210期，第706页。另请参见克拉夫的《宇宙学及争议》，第22～60页。——原注

[6].克拉夫，《宇宙学及争议》，第81～101页；马瑟和博斯劳，《第一缕光》，第28页。——译注

[7].关于拉尔夫·A.阿尔菲和罗伯特·赫尔曼的第一批结果，可参见《宇宙的演化》（Evolution of the Universe），刊于《自然》杂志，第162卷，1948年，第4124期，第774～775页。另请参见马瑟和博斯劳的《第一缕光》，第42～43页。——原注

[8].P.J.E.皮伯斯，《热大爆炸的发现：在1948年发生了什么》，刊于《欧洲物理学杂志H》（European Physical Journal H），第39卷，2014年第2期，第205～223页；马瑟和博斯劳，《第一缕光》，第1～6章，其中生动地叙述了宇宙微波背景辐射发现历史中的细节，包括深度分析了阿尔菲、赫尔曼和伽莫夫的贡献如何及为何未被认可（我完全同意他们的观点）。——原注

[9].马瑟和博斯劳，《第一缕光》，第44页；R.H.迪克、R.贝林格、R.L.凯尔和A.B.维恩，《用微波辐射计测量大气吸收》（Atmospheric Absorption Measurements with a Microwave Radiometer），刊于《物理学评论》（Physical Review）第70卷，1946年，第340～348页。——原注

[10].克拉夫，《宇宙学及论战》，第133～134页。——原注

[11].乔治·伽莫夫，《宇宙的创生》（The Creation of the Universe,New York:Dover Science Books,1952;reissue 2004），第2～4章。——原注

[12].艾伦·莱特曼，《发现》，第411页。——原注

[13].R.H.迪克、P.J.E.皮伯斯、P.G.罗尔和D.T.威尔金森，《宇宙黑体辐射》（Cosmic Black-Body Radiation），刊于《天文学杂志》，第142期,1965年，第416页。——原注

[14].罗塞塔石碑是1799年在埃及港口城市罗塞塔发现的一块刻有古埃及国王托勒密五世登基诏书的石碑，制作于公元前196年。石碑上用3种文字刻下了同样的内容，因此考古学家对照各语言版本的内容后，解读出了已经失传千余年的埃及象形文字的意义与结构，成为研究古埃及历史的重要里程碑。——译注

[15].玛西亚·巴图夏克，《宇宙档案：改变我们对宇宙理解的100个发现》，第508页。——原注

[16].1983年8月12日马丁·哈维特对拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼的访谈，美国物理学会尼尔斯·玻尔图书馆及档案馆；马瑟和博斯劳，《第一缕光》，第39～49及61～62页。——原注

[17].总统授予拉尔夫·A.阿尔菲美国国家科学奖章的嘉奖令，美国国家科学基金会。——原注

[18].R.H.迪克的《微波频段的热辐射测量》（The Measurement of Thermal Radiation at Microwave Frequencies）提供了细节情况，刊于《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments），第17卷，1946年第7期，第268～275页。——原注

[19].约翰·诺布尔·维尔福德，《科学家们就时间如何开始给出深刻见解》（Scientists Report Profound Insight on How Time Began），刊于《纽约时报》,1992年4月24日；另请参见R.C.史密斯，《论文综述：COBE的意义》（Essay Review:The Significance of COBE），刊于《当代物理学》（Contemporary Physics），第35卷，1994年第3期，第213～215页。——原注

[20].彼得·盖里森，《图像与逻辑：微观物理学的物质文化》（Image and Logic:A Material Culture of Microphysics,Chicago:University of Chicago Press,1997），第46、830页。——原注

[21].关于BICEP的冒险故事，可以在普里亚姆瓦达·那塔拉印和拉维·赞克里特的《科学最前沿的内场位》（Ringside Seat at the Cutting Edge of Science）中找到更长的叙述，刊于《耶鲁全球在线》（Yale Global Online）,2014年6月12日。——原注

第7章 新的现实以及对于其他世界的探索

当埃德温·哈勃在那些寒冷无云的夜晚通过威尔逊山上的那架望远镜收集数据时，他对于自己的洞见会永远转变我们对于宇宙的认识还几乎一无所知。而当阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在设法去除他们的那架射电望远镜上挥之不去的咝咝声时，他们还完全不知道自己已探测到了从大爆炸传来的残余辐射。

我在本书中所考虑的这些发现彻底革新了我们对于宇宙以及我们自己在其中的位置的观念。在它们的催化下，科学实践作为人类的一种知识活动也发生了根本的转变。随着宇宙学中的那些变革性理念从诞生开始逐步发展到被接受，我们看到了关于发现的那些争论如何不再发生在个人之间。如今科学概念要突破重围而获得接受，沿途所遭遇的障碍与以往略有不同。现在的竞争在很大程度上是在探究前沿科学问题的大型团队之间展开的。尽管证据和数据推动着科学认知，但意外发现和具有学术影响力的个人还在继续发挥着作用。不过，单独的一个人再也不可能迫使一种新理念得到接受或抵制。个人也许会具有影响力，因为科学的组织形式仍然多少有几分论资排辈，但我的观点是，即使与20年前相比，如今知识力量和其支配作用的影响在全球各地的研究机构中有更为均匀的分布了。

无论是在科学家如何构思出有创造性的理念的过程中还是在其他人如何质疑或接受这些理念的过程中，主观性和感情投资仍然很重要。科学从来都是一种充满着个人激情和好奇的活动，而这一点并未发生变化。科学的形象是一种从自然界中萃取那些固定不变的真相的方法，而我想要展示的与此相反，它是动态的，只提供从现在往前的地图，而这幅地图本质上就是临时性的。没有它，我们就会失去方向，但由于它所指向的是未知领域，因此最多只告知了我们是从何处开始的，以及还有什么仍是我们所未知的以及尚未在地图上标明的。20世纪宇宙学中发生的那些纷争揭示了科学的深刻心理层面——探究自然界以及探究我们的思维不可避免地强加在我们的理解上的局限性的驱动力。

在宇宙学过去的百年间，科学家们处理的那些问题类型和知识探索的主旨都已经发生了根本性的转变。杰出的深刻见解所带来的个人成功让位于更加有组织的集体努力，而参与这些集体努力的是各种技术的、细分的专业知识领域。例如，1989年用于测量宇宙微波背景辐射的COBE卫星，其设计和发射所需要的技术和专门知识就与40年前理论学家们首次预言宇宙微波背景辐射存在时所需要的知识迥然不同。如今尚待解决的那些问题都复杂到令人难以置信的程度，而且我们被淹没在数据之中，因此需要各种不同团队的努力来破解它们。到20世纪90年代人们在开展大规模超新星自动搜索时，源源涌入的、需要分析的数据量已经呈指数式增长。当前的挑战不仅仅是数据的量，还有数据积累的速度。与此同时，幸亏有了硬件和软件方面的的进步，我们对这些数据洪流进行模拟和解释的计算能力也得到了极大的提升。其结果是，天文学一直处在掀起大数据革命的前沿。正如我们已经看到的，数值模拟这种新方法在理论研究和观测工作之间的清晰分水岭上架起了桥梁。如今各研究团队都是由理论学家、观测专家、数值模拟专家和工程师构成的，专业分科之间各自为政的状态在很大程度上已成为历史，各种理念与仪器的交合比以往更强劲。

不过与地图不同，人类的思维能力却不受任何限制。科学持续不断地强化着人类的好奇心，并且反过来也受到人类好奇心的驱动。研究工作作为一种求索，激励着人们不断对现状提出质疑。反叛者是会得到奖励的，这些持异议者发起挑战，并且能够为一种世界观的改变用支持这种转变的论据来给出一个具有说服力的实例。优秀的科学家们不会认为有什么是理所当然的。假如有一位科学家用当前所公认的某种理念、模型或概念发现了一个问题，而且他能表明有迹象支持一个新的断言，那么科学界的其余人就会最终予以关注，并重新斟酌他们的想法与立场，正如读者在本书中至此一直看到的。这是研究工作的标志之一——质疑和理解的不断拓展。由于好奇和怀疑为科学事业提供了动力，因此我们想理解自己在宇宙中的位置这一探索过程还远未终结，这就不足为奇了。如今天文学和宇宙学正在处理的有两个多少有点儿相互联系的、引人注目的问题。这两个问题都有着一种存在主义的意味，并且它们都涉及我们的独特性：作为一个物种，我们是否具有特殊性，以及我们的宇宙作为一个整体是否只不过是一个统计上的巧合？处于这两个问题中心的是我们的深切渴望：识别出我们在宇宙背景下的位置、我们在这幅浩瀚地图上的位置和印迹。

在理论和观测这两大领域中，宇宙学一直在处理并成功地解答了钱德拉、爱丁顿、爱因斯坦和哈勃在20世纪前半叶所面对的一些重大问题。现在我们对于宇宙的知识——它的成分及命运——比以往任何时候都更加推动着我们去检验人类是否存在着独一无二之处？在我们这颗浅蓝色的、岩石状的行星上，有情众生只不过是宇宙传奇故事中的异类吗？这是一个迅猛加速的、不固定的宇宙，其中的星系都在彼此漂离得越来越远。当我们接受这样的概念时，我们就敢于推测和思忖是否存在着其他适宜居住的世界，其中生活着其他的生物，更甚之是否还有其他的一些完整宇宙。无边无际的宇宙释放出一种新的胆魄。科幻小说就是不受约束的推测和幻想得以驰骋的典型领域，不过科幻小说的素材正在变得具体和真实。现在的前沿是搜寻其他世界——寻找附近的宜居系外行星，以及寻找非常非常遥远的其他可能宇宙。

我们所累积的关于宇宙的知识——对于我们今天在哪里的理解以及我们如何到达这里的理解——贯穿了当前的这些问题。它们反映出我们对于自己在宇宙中的位置，也标志着我们对于当前知识状况的不适感。迄今为止，这些宇宙发现为我们解开了锚，而科学变化令人眼花缭乱的步伐则使我们无所适从。我们发现自己的重要性在不断下跌，我们只是作为一个物种居中在一颗行星上，而这颗行星只是太阳系中的8颗（以前是9颗）行星之一，太阳系也只是一个星系中的好几千个恒星系统之一，还有数十亿个这样的星系在彼此越离越远。我们寻找自己的位置这种原初驱动力，是在我们邻近区域寻找宜居行星并推测是否存在其他宇宙的基础。尽管驱动这两个问题的更深层的推动力完全相同，但它们从科学上来说是大相径庭的，因此需要截然不同的方法和进攻路线。

在寻找附近的宜居行星时，虽然科学家们一直希望在我们最邻近的区域找到多种多样的系外行星，但我们特别搜索的还是与地球最为相似的那些。我们希望这些行星是最可能支持生命存在的地方，尤其是我们熟悉的智慧生命。搜寻此类宜居行星的探索正在进行中。美国国家航空航天局的开普勒卫星已出人意料地发回了一大批邻近恒星周围的候选者名单[1]。

我们如今在检验的另一个变革性理念存在于理论和数学领域：多重宇宙。这种观念认为我们的宇宙也许只是由许多宇宙构成的整体中的一个。我们在本书中已经看到，我们的这个宇宙有多么奇异和美妙，它的秘密在过去的几百年间被逐渐揭开。爱因斯坦的场方程组帮助我们阐明了宇宙的形状、成分和命运之间的联系，而过去百年间的天文学观测也已建立了其独特的发展轨迹。我们如今把注意力集中在最符合宇宙学数据的模型解答上，而这一模型有着无休止的加速膨胀。

根据杰出宇宙学家马丁·里斯的阐述，要完全指明宇宙的所有相关性质，我们所需要知道的只有6个数字！这是令人惊讶的。我们已经从观测上将它们全部确定下来了。这些被称为宇宙学参数的关键数字是：N，它的数值是1036，测量的是原子之间的电场力与引力的相对强度；ε，它的数值是0.007，它定义了原子核之间的结合强度；Ω（我们在第4和5章中遇到过），它的数值是1，测量的是宇宙的质量-能量成分；Λ（我们在第2和5章中遇到过）是宇宙常数，它的数值是0.7;Ω，它的数值是10－6，测量的是初始涨落的强度，宇宙中所有恒星和星系的形成都起源于这些涨落；最后还有一个D，即我们宇宙中的空间维数，它等于3[2]。

宇宙学参数

假如这些宇宙学参数的值与它们的测量值稍有偏差，哪怕只是相差千分之几，我们就不会存在！没有人类。没有地球。没有宇宙。地球上的生命不可能会出现，我们所知道的关于宇宙的一切都会是不可认知的。例如，只要N略小一点点，那么宇宙就会如此短命、如此微小，以至于没有足够的时间进化出地球上最初等生物以外的物种。假如ε减小0.001，那么恒星中就不可能合成出周期表中排在锂以后的元素。我们知道的所有有机生命都不会出现。我们早已看到了Ω和Λ的不同值分别意味着什么样的命运：宇宙发生挤压或膨胀，在我们的故事开始之前就将其终结。变量Q也是恰到好处：如果它再大一点点，那么宇宙就会太汹涌，从而使恒星无法在其中存在；而如果它再小一点点，那么我们看到的所有结构都不可能聚合形成。假如维度D是2或4的话，那么我们所知道的生命也就不会存在。

所有这一切当然都带着一种目的论的气息。这种论调甚至还有一个名字——人择原理,这种哲学主张认为物质宇宙的各项观测数据都应该与存在着有意识的生命这一事实合拍。这也就是说，归根结底就是宇宙学参数的这些精确值才允许我们存在并提出这个问题。很明显的一点是，宇宙没有挑选出以碳为基础的生命单独存在。事实上，有一种更加引人注目的论点说的是，我们这个看来似乎经过微调的宇宙很可能是一种选择性偏差的结果，因为只有一个能够支持生命的宇宙，才可能产生能思考并提出这一疑问的生物。我们能弄清楚为什么这些数字具有它们所具有的这些值吗？尽管你想方设法去更深刻地理解，比如说为什么Ω具有它对应我们这个宇宙的特殊值，虽然它实际上几乎可以取任何其他值（比如说0.001、0.1、10或者甚至42），但可想而知你最后得到的必然结论只能是：我们只不过就是恰好居住在一个如现在这样的宇宙之中[3]。

假如只是选择性偏差的话，那么我们就有一个可供我们进行测量的宇宙，因此根据定义，我们就不能坐在其中而总结出为何会这样。不过，让我们的思维再伸展出去，是否转而愿意去考虑这样一种可能性：也许存在着某些宇宙，它们的这6个关键参数都具有完全不同的值？在这种情况下，这些宇宙学参数就只会在我们的宇宙中才会具有它们现在的值，而我们的宇宙则会只是许多可能宇宙的一种实现方式，而这些可能的宇宙都具有它们各自宇宙学参数值的组合方式，它们被称为“气泡宇宙”。它们原则上都有可能存在，并共同构成所谓的多重宇宙。这就不可避免地意味着太空中可能存在无限多个气泡宇宙，其中每个都有着其自身的宇宙学参数的一组6个值。

倘若我们接受这样的概率论观点——其他具有相关貌似合理程度的可能性也会存在，那么由此直接得到的结论就是：我们所拥有的是这6个数的一种特别组合，有无穷多种其他组合也是很有可能实现的。当然这6个数的其他值会产生各种截然不同的宇宙，它们有着各种各样的几何结构、奇异的成分和互不相同的命运。这种概率论观点可以使我们在解释这6个数为什么要取这些特殊值以及为什么有我们存在的时候，不再需要求助于人择原理，也不必为微调问题提出理由。因此，只要利用我们的宇宙只是所有可能性中的许多实现形式之一——它事实上是无限多重宇宙的一个单一组分，就可以干净利落地规避掉为什么它具有宇宙学参数的这些特殊值的问题。这些可能性中的每一种都可以实现，因此就有可能有无限多个所谓的气泡宇宙在四处漂浮着，它们具有宇宙学参数的其他组合方式，每一个都起始于其自己的大爆炸。

我们如何来测试存在着气泡宇宙这个假设呢？好吧，由于光速有限，因此我们对于自己的宇宙也只能观察到其中的一部分，更不必说可能远在它的范围之外的那些其他宇宙了。距今10亿年后，我们的宇宙的可见范围会更大，宇宙的更大部分会进入视野，这是因为比今天的可见边界远10亿光年的天体发出的光线会到达地球。倘若即使在10亿年后光线都不能提供超过我们的宇宙范围的视野，那么我们怎么可能设想对其他宇宙进行观察和测量呢？

在这个我们能够想象到的最大尺度的假想领域中，诸如多重宇宙之类的概念使新的一类智力挑战凸显出来：我们必须接受一种新解释，但支持它的不是可以直接检验的理论，而是对我们目前公认的那些理论进行外推后得到的各种变体。我们似乎已经达到了科学解释当前的极限，而可以预见到的更加先进的仪器的发明看来也不会克服这一极限。也许我们所需要的是理论概念重建。

不过，这也许是一条根本性的极限。因为从一方面来讲，在它涉及的体制之中，理论的有效性也许完全不可能加以检验。另一方面，让我们从宇宙学的历史中反思一下，1543年当尼古拉·哥白尼在撰写《天体运行论》时，他可曾预见到我们在1969年有能力登上月球并将样本带回地球来研究吗？或者可曾想到2014年菲莱探测器会登陆67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星表面吗？很可能不会。他也不可能预见到摄谱仪和照相机的发明，它们为遥远的宇宙提供了细腻的图像，而这是他甚至不会想象到有可能存在的东西。因此，此刻我们或许还不知道多重宇宙概念是否可以检验，但我们也没有理由认为距今几百年后（如果不是更短时间的话）情况仍然如此。如果我们试图预言未来科学的进程，那就太自大了。相反，我们能够也应该做的是听任我们的想象力自由翱翔，看看可能会打开什么丰富的新窗口。

我们如何开始着手在我们已发展起来的物理学和数学框架内用熟悉的解释性术语来处理这个令人气馁的问题？挑战的一部分是要将对大爆炸前的宇宙的描述与我们能够看到和测量的宇宙联系起来。弦论正是努力要做到这一点的物理学分支，它将宇宙中的各种粒子想象成是在大爆炸之前由弦的振荡产生的，这些弦就好似乐器上的弦。设想有一根在张力作用下的小提琴弦，改变张力会产生不同的乐音，而这些乐音可以看作这根弦的激发模式。同样，在弦论中，我们现在探测到的、在宇宙中产生的所有基本粒子都可以概念化为音符，它们是由大爆炸之前就存在的那些基本弦制造出来的。而这些基本弦当然需要受到拨动才会被激发。不过，与小提琴弦的类比只能到此为止了，因为理论上的弦并不固定在任何乐器上！弦论提供了一种数学方法，它使大爆炸前期的计算变得易于处理。目前在宇宙学与弦论交叉领域研究粒子创生问题的科学家们正在热切寻找多重宇宙的可能观测上的识别标志，它们也许是宇宙微波背景辐射中的一些表现反常的涟漪，也许是我们的宇宙与另一个宇宙碰撞的结果。我们期待着在思维理解上发生一次革命性的转变，从而可能在我们的宇宙中揭示出一些可探测、可测量的多重宇宙证据。

回到那6个起决定作用的宇宙学参数上来，我们需要记住的是，尽管这些数字可以在多重宇宙的其他部分中具有不同的值，但推定的根据与可行的假设是我们所知道的那些物理定律在任何地方都是不变且站得住脚的，甚至在其他宇宙中也是如此。我们没有任何可信的理由去推测可能存在着这样一些宇宙：它们在完全不同的物理原理的曲调下起舞，并且在那里（比如说）我们所熟悉的那些力也都不复存在。

除了使我们不必求助于人择论点以外，最近对甚早期量子宇宙的理解所取得的进展说明，可能演化出我们这个宇宙的初始条件的过程相当一般，因此很容易就能酝酿出大量其他独立的气泡宇宙。在弦论的一种被称为景观理念的特殊形式中，可以自然地产生许多气泡宇宙。作为一种理论观念和推测，这种形式相当吸引人，不过它同样惹出了一些问题，例如多重宇宙是否是一种可以检验的科学理念。弦论也许会为理解其他气泡宇宙可以如何令人信服地产生提供最终的突破吗？我们只能拭目以待[4]。

回顾一下，短短百年间我们在宇宙学领域取得的进展就足以说明我们有充分理由保持乐观。目前的见解是，过去曾出现过许多大爆炸，因为每一个气泡宇宙都是从它自己的原初火球中出现并开始存在的。也就是说，导致我们的宇宙起源的过程可能以相同的运作方式构成了多重宇宙中的其余气泡宇宙，但对它们的形状、成分和命运却提供了不同的结果。关于这个过程中有什么经验证据可能是我们有能力去收集到的，目前还尚无定论，尽管宇宙学家们正在忙于设法弄明白两个气泡宇宙之间的相互作用和碰撞是否可能留下任何可以探测的信号。现在正在进行的尝试是模拟气泡宇宙的出现、演化和碰撞可能会产生什么后果。我们现在身处悬崖边缘，也许会出现一个概念上的突破，也许我们永远也不会真正知道多重宇宙的理念是否正确，或者我们可能会明白这是永远不可能知道的。

即使我们愿意接受这种概率论观点，从而接受许多其他宇宙的存在，我们对于那6个数各自的允许取值范围仍然一无所知，否则我们就能知道对可能性的整个限制情况了。不过在我看来最吸引人的观点是，除了我们熟悉的那些物理定律以外，其他宇宙可能会允许出现一些新的、不同的物理定律。多重宇宙的概念对认识论提供了一个前所未见的挑战：我们可能需要接受一种全新的解释和证明，但这种解释和证明也许永远不会涉及直接测量，而是可能要依靠对那些牢固确立的理论进行外推后的形式所进行的一致性检验。我们的宇宙可能会有多么独特，这也许并不是我们有可能很快解决的问题。

不过，要解决另一个自古争论至今的大问题，胜算就比较高了。我认为，我们很可能在相对较短的时间内就会知道我们是不是独自存在于这个宇宙中。让我们从长远观点来看，追溯一下历史：我们从何时以及如何开始接受在我们的宇宙中还存在着除了我们以外的其他世界？这种可能性与我们在本书中遇到过的许多其他情况一样，最初是在尚未成形为一个能够进行科学探究的问题之前，作为一种想象力的飞跃而出现的。想象力常常会为那些值得探究和值得为其寻找证据的理念提供推动力并带来成果。存在着与我们类似的多元世界，这种理念存在的时间至少可以回溯到古希腊人，他们锲而不舍地探索着自然界，在很大程度上为我们目前的知识地图奠定了基础。关于这种猜测现存最古老的一条证据可追溯至公元前4世纪，不过比这更早的讨论也存在着记录。被称为原子论者的伊壁鸠鲁[5]具有一种唯物主义者（原子论者）的世界观，并在一封给著名历史学家希罗多德[6]的信中胆识过人地写到了存在其他世界的可能性：“存在着无穷多个世界，有的与我们的世界相似，有的则不相似。因为正如早已证明的，数量为无限多的原子被带往遥远的太空。这些原子的本性决定了它们可以创造或构成一个世界，而一个世界或有限数量的世界都用不完这些原子……因此，关于无限个世界这一点就不存在任何障碍。”[7]

这一断言使人想及更加古老的思索，它源自原子论者之前的古希腊人。宇宙多元论是一种认为除了地球之外还存在着许多（有可能是无穷多个）可能孕育和存在生命的世界的哲学信念。公元前600年，围绕这个问题展开的讨论真正开始了，其中包括前苏格拉底学派的西方哲学之父、米利都的泰勒斯[8]的参与[9]。当时的整个理论辩论不是关于其他世界——我们现在认同为与太阳系相似的那种世界——是否存在，尤其是存在生命的行星是否存在，而是集中在应对宇宙的无限和宇宙的边缘这两个概念上。泰勒斯和他的学生阿那克西曼德（我们在第1章中曾遇到过他）作为早期的科学倡导者，事实上曾提出过一种无限宇宙。原子论者德谟克利特[10]和伊壁鸠鲁也信奉这种观点。在他们之后的柏拉图和亚里士多德[11]则强烈反对这种理念，他们断言地球是独一无二的。亚里士多德的描述与后来的基督教信仰吻合得相当好，因此这就导致了多元论理念被压制了几乎整整1000年。不过，以宇宙多元论为主题的传奇故事在中世纪俯拾皆是，并且这种叙述在这个时期的人文想象中也普遍可见。例如，在现今伊朗所在地的好几位伊斯兰学者都想象和推测过这些另类世界。

伊斯兰学者和知识分子法赫尔·阿尔丁·阿尔拉齐的生卒年份为1149年到1209年，他在《古兰经》的背景下写作了大量关于医药、天文学和物理学的著作。他在《崇高的要求》（Matalib al-aliya）一书中描述了他的物理世界模型。他在书中批评了地心说观点，并探索了除我们的世界之外还存在着许多截然不同的世界的观念。他对一篇《古兰经》诗篇中的 “世界”一词的解释提出了质疑，并推测它是指在宇宙内部存在着多重世界还是指宇宙以外的许多其他世界。亚里士多德认为只有单一宇宙和单一世界，万事万物都围绕着这个世界旋转，而阿尔拉齐对这种概念提出了挑战。他对地心说的排斥起源于他对原子论的信仰，根据这种理论，原子在空无一物的空间中持续不断地移动、结合和分离。当时希腊世界和伊斯兰世界之间正在发生知识交换和转移，因此阿尔拉齐知道原子论也不足为奇。他还讨论了空洞的概念——宇宙中恒星之间和星座之间空无一物的空间，这些空洞中包含着非常少的恒星或几乎没有恒星。他还提出在已知的世界之外还存在着无限的外部空间，上帝有能力在其中填满无限多个世界。我们目前用一种完全无拘无束的方式来推测整个宇宙的可能性，这种意愿在某种意义上来说很可能根源于阿尔拉齐。在中世纪时期，阿拉伯世界也在小说中描述宇宙多元论，其文体华丽。在《一千零一夜》中，布鲁奇亚历险记这个故事描述了许多奇幻的世界，而其中的每一个都有众多独特的生命形式组合。在这一背景下，无论何处的生命都是全能上帝的一种神迹。

虽然现在我们是在认真地检验这些关于其他地方的生命的思考，但在16世纪初的情况却并非如此。而且那些敢于沿这个思路想象和推测的人有时会被贴上异教徒的标签，甚至被处死。意大利神秘主义者和哲学家乔尔丹诺·布鲁诺就是这样的一个例子。他由于多次严重冒犯教会而付出了生命的代价，其中就包括关于存在着其他世界的所谓异想天开。1548年布鲁诺出生在那不勒斯的诺拉镇，他的父亲乔凡尼·布鲁诺是一名士兵。他的原名为菲利波，在加入多米尼克教派时改名为乔尔丹诺。年轻的布鲁诺被那些有影响力的新理念所吸引，对教派提出了挑战，因此不得不逃避他们的迫害。事实上，他终其一生都在不断地从一个地方逃亡到另一个地方，最后到了威尼斯。他持有许多被视为异端邪说的信仰，其中包括关于无限宇宙和多重世界的理论。他还否定地心说观点，甚至进一步跨越了它。驱使他这样做的动力并不是数学，而完全是直觉。他打消了在一个由固定的恒星构成的球内部包围着一个有限宇宙这种经典看法，从而对哥白尼观点的一些假设提出了挑战，而哥白尼的观点在当时尚属激进的新看法。对于哥白尼而言，尽管用日心说观点代替了地心说，但宇宙仍然仅由太阳系和固定的恒星构成——它是有边界的，而布鲁诺却不认为有任何这样的边界。当然，必须指出的是，即使布鲁诺没有采纳过无限宇宙或存在着许多其他世界的理念，他也会被烧死在火刑柱上。这是因为他之所以成为教会瞄准的靶子，原因是他否认基督的神圣和圣母的贞洁，再加上其他尖锐的异端邪说信仰。

布鲁诺的大胆想象和推测已以某些方式预见了现代科学。鲜花广场是罗马的著名广场之一，广场上那些抛磨精良的鹅卵石在400多年前都是无声的证人，见证了他由于提出与公认的宗教信仰相抵触的一些变革性理念而惨遭灭口。在1600年2月17日这个寒冷无情的日子里，布鲁诺在这里被烧死在火刑柱上，他的“舌头因他的邪恶言辞而遭禁锢”[12]。

天主教会审判了他并宣布他为异端分子，他被判处死刑。1584年布鲁诺在《论无限宇宙与诸世界》（De l'infinito universe et mondi）一书中发表了他的这些异端观点。教会于1603年将此书列入禁书清单之中。由于当时教会严格地监管着数量有限的几台印刷机，因此最终出现在这份清单上的书籍通常都没有公开流通，从而也就没有得到广泛阅读。

尽管有这样的背景，但戏剧性的转变很快就出现了，这些狂野的可能性卷土重来，并且导致了教会和新理念支持者之间的进一步冲突。引发这一切的是望远镜的发明，这是一种具有革新功能的仪器。伽利略·伽利雷赋予小型望远镜以新的用途。他在1609年将其指向了天空。他的望远镜突然将遥远的景色拉近而映入了人们的眼帘，从而引出了关于地球之外还存在着什么的许多新问题。这些新天体带来的启示使得考虑存在其他世界这一点顿时又变得可以接受了。这也标志着裸眼天文学的消亡过程开始了。不过，一直要等到启蒙运动晚期，欧洲的许多哲学家和作家们才将宇宙多元论作为主流议题。

1686年，法国哲学家伯纳德·勒·博弈尔·德·丰特奈尔出版了《关于世界多元性的对话》（Entretiens sur la pluralité des mondes）。这是法国启蒙运动早期最受喜爱的经典著作之一。此书的内容是一位哲学家和他的东道主、女侯爵走过月光照耀下的花园，他们在纵览星光点点的夜空时进行的一组想象的对话。丰特奈尔通过这些满载着他的丰富想象力的闲谈，清晰简洁地描述了宇宙的新秩序，即哥白尼的世界观。他将对话者之一设定为女性，而邀请女性参与到原本由男性独占的科学交谈中来，这在当时无疑是一个非凡的决定。第五天傍晚的教学概念作为这一章的副标题出现：“每颗恒星都是一个太阳，将其光芒散播到它周围的世界中去。”[13]在这一章中，哲学家详细解释了其他世界——围绕着其他恒星旋转的行星，甚至在这些行星上有生命形式的可能性。

坚信存在着其他世界的天文学家卡米伊·弗拉马利翁深受丰特奈尔的启发，在两个世纪之后继续这一法国传统，开始撰写这一理念。他创作出版了70多本书，是当时的一位伟大的科学普及者。他最初是巴黎天文台的一位天文学家，1883年最终在巴黎郊区建起了他自己的观测设施。他的研究工作包括用望远镜对月亮和火星的表面以及恒星的各种性质进行了仔细的观测。他的第一本书《适居世界的多元性》（La pluralité des mondes habités）出版于1862年，其中大胆地阐述了他关于其他地方也可能存在着生命的看法，从而在公众心目中建立起了他作为宇宙多元论主要倡导者的名声。他的这些理念产生了深远的影响，他的许多书到1882年已再版了多达三十几次，并被翻译成多种语言。弗拉马利翁与J.H.罗尼一起提出，存在着真正的外星生物，他们与人类明显不同，而不仅仅是略有形式上的变化。在《真实的和想象的世界》（Les mondes imaginaires et les mondes reels,1864）和《鲁门》（Lumen,1887）这两本书中，他的推测更进了一步：描述了一种想象的奇异植物种类，它们不仅有感知力，而且还能呼吸和消化。弗拉马利翁相信存在着地外生命形式是源于他的这样一种想法：既能栖息于植物群又能栖息于动物群的可转移（移居）的灵魂是普遍存在的。与布鲁诺一样，推动他这些想象力飞跃的同样也不是任何科学计算。他将人类视为“天空的公民”，而将其他世界视为“人类研究的工作室，即正在扩展的灵魂逐渐学习和成长的学校，从而逐步吸收它的渴望所倾向的知识，于是始终在向其命运终点靠近”。[14]

不过，弗拉马利翁最畅销的书是他那本被翻译成多种语言的《大众天文学》（Astronomie populaire,1880），他在其中热情地提出了在月球和火星上存在着生命的理由。受意大利天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利声称在火星表面上存在着运河这一论点的鼓励，他还为下列论点提出了充分的理由：那里不仅有生命，而且还是智慧生命，并且有先进的文明。他甚至还猜测火星人很可能是一个比我们本身更优越的种族。

关于火星上是否存在生命，包括其潜在的和可能的识别标志，这些激烈辩论直至今日还在言辞激烈地继续着。这一直是一种撩拨人心的问题，因为火星在很多方面都与地球非常相似，并且又是最靠近我们的行星。它的白昼长度与我们的相似，四季持续时间也相近。火星表面处于原始状态、未经改变，这是因为这颗行星上没有地质构造活动。在那里搜寻生命迹象的活动是从19世纪开始的。这些搜寻活动到现在还在继续，不仅是通过望远镜和探测器进行探测，现在还有登陆任务，其中包括美国国家航空航天局的“好奇号”探测车，它于2012年8月6日降落在这颗红色行星上。“好奇号”在火星上发现了古老的水的痕迹，这些水在很久以前就已经蒸发了。它钻透古老的火星岩石后，还发现了微量的有机分子甲烷，但是没有发现任何生命，当然也没有任何智慧生命。火星上目前是否存在着或者过去是否存在过任何生命形式，这仍然是一个悬而未决的问题。

那么对于这个问题，我们现在的立场如何呢？2013年《赫芬顿邮报》（Huffihgton Post）和一个网站发起了一次民意调查，结果发现有50%的美国人认为在其他行星上存在着某种形式的生命，大约17%认为不存在，还有余下的33%则不置可否。当问到是否认为智慧生命曾访问过我们的行星时，这些应答者的态度更倾向于怀疑。在表示相信有生命存在于其他行星上的那些人中，45%的人坚称外星人曾访问过地球[15]。

虽然公众意见变幻莫测，但科学研究目前正在寻找其他恒星周围的宜居行星——系外行星。搜寻已取得了非凡的成果，这一最近的成功部分来自于装载在开普勒空间望远镜上的那些仪器。

我们很幸运地生活在这样一个时代，关于我们是不是独自存在于宇宙中这个由来已久的问题，现在看来似乎触手可及。在过去的50年中，我们已登上了月球，在月球上留下了人类的足印，将数个探测器发送到太阳系中的其他几颗行星上，把“旅行者1号”宇宙飞船送离了太阳系，将“好奇号”探测车降落在火星上进行地质学探测，并观看到了由装载在“新视野号”宇宙飞船上的照相机拍摄的冥王星和冥卫一的一些图像。我们现在已拥有好几颗行星及矮行星的高质量图像，其中显示了诸如土星环、木星红斑、木卫一上的风暴和冥王星上的心形区域等特征，还有它们的卫星的清晰图样，这些天体显然是无生物居住地。而在附近的恒星周围搜寻系外行星和行星系统的探索活动也取得了超过预期的丰硕成果。在过去20年中发明和成熟起来的那些技术使我们能够去发现这些其他世界。与此同时，我们从20世纪70年代以来还以一种齐心协力的方式仔细地聆听可能来自智慧文明的无线电信号。

我们已经看到，我们也许并不是独自存在于宇宙中这个看起来令人吃惊的理念可追溯到20世纪之前，事实上可以追溯到古希腊时期。正如我叙述过的，其他世界这个概念和地外生命存在的可能性是在公元前5世纪和公元18世纪之间从异端邪说转化为正统观念的。“地外生命”这个术语是现代的，但祖先们也提到过完全一样的世界多元性概念。

哥白尼引发了世界观的剧变，使我们脱离了宇宙的中心——想象一下这一点！伽利略用望远镜对我们太阳系中的其他行星所做的观测帮助我们消除了这样一种亚里士多德式概念：与其他所有天体相比，地球是独一无二的。原子论者伊壁鸠鲁毕竟曾经走上过正轨，尽管他的声音被柏拉图和亚里士多德压制了近乎千年。

是什么激发我们去搜寻其他宜居行星以及在别处的智慧生命的迹象？这一探索过程正式开始于20世纪60年代的“搜寻地外文明”（Search for Extraterrestrial Intelligence,SETI）项目。在SETI协会工作的科学家们自那时起一直利用无线电波试图探测可能来自其他太阳系的信息传递。第一次定向搜索地外生命用的是安置在西弗吉尼亚州美国国家射电天文台内的绿岸望远镜。1960年，一位名叫弗兰克·德雷克的29岁博士后研究人员开始想到，怎样才能利用新建的26米直径射电碟形天线去捕捉来自一颗行星的天际对话，而这颗行星正在围绕着一颗距离大约为12光年的恒星沿轨道运行。当时还没有任何人曾探测过一颗单独的系外行星。没有任何迹象说明由此会富有成效。雄心勃勃的德雷克计算了这样一次探测的可行性后，成功劝服他的导师们，为了监听任何可能向地球上的我们发送无线电信号的外星文明，应该周期性地将这架望远镜指向两颗与太阳相似的恒星，即鲸鱼座天仓五和波江座天苑四。德雷克根据L.法兰克·鲍姆虚构的奥兹国统治者奥兹玛公主的名字来将这项活动命名为“奥兹玛计划”。虽然奥兹玛计划从未探测到除了星际静电噪声以外的任何信号，但它激发了一整代科学家和工程师去严肃对待与天外来客交流的可能性。1982年的好莱坞电影《外星人》（E.T. ）——20世纪80年代卖座大片和电影票房冠军——也在公众想象中激起并注入了这种可能性的想法。SETI项目一直受到美国联邦政府不同程度的资助，直至1993年停止。这笔经费被取消后，该项目协会注册为一家非营利机构，并开始仅仅依靠来自私人慈善事业的资金运作。微软公司的创始人之一保罗·艾伦资助了一个以他的名字命名的天线阵列。这个阵列现在位于加利福尼亚州山景城的SETI园区内。更近期的一次具体实践SETI@home获得了广泛的公众支持。这是一项科学实验，它利用了居民家中连接到互联网上的计算机的闲置计算能力。这是从个人计算机汇聚计算机资源的首批“全民科学”项目之一。你可以通过运行一个免费提供的程序来参与该项目，这个程序可以安装在你家里自己的个人计算机上，只要你的计算机处于空闲状态，它就会分析SETI项目获得的那些射电望远镜数据。

除了热忱地信奉这个寻找外星生命的项目以外，德雷克还对设法定量表述其他地方的生命来接触我们或者我们去接触他们的可能性做出了关键的贡献。他没有等待未来的开普勒卫星任务发现系外行星。这一名为德雷克方程的估算是在1961年他组织的一次会议上公布的，方程的唯一目的是对SETI是否具有任何合理的机遇探测到其他恒星周围的外星文明做出定量的表述。这次非正式会议是与美国国家科学院合作举办的，参加会议的有各交叉学科的杰出人物，其中包括好几位诺贝尔化学奖和医学奖获得者，以及物理学家菲利普·莫里森，还有一位也许是当时唯一不知名的人物——年轻的博士后研究人员卡尔·萨根[16]。

在这次会议召开前的几天，德雷克在忙于制定会议日程时思考了一些关键要素——估算目前可能存在于银河系中的可探测先进文明的数量时需要用到的几条决定性信息。他从收集各种因素的发生概率入手，其中第一个因素是宜居行星（其他文明的宇宙发源地）的产生率，这些行星中有一部分适宜生命存在并孕育有智慧、有感情的生物。随后他又加入了以下要素：这些文明中可能有些已开发出各种技术，并可以发送穿越浩瀚星际距离的信号，从而能够进行交流沟通的比率。还要把这种社会的平均寿命也作为要素考虑在内。所有这些要素（即许多嵌套条件）的乘积，就给出了对银河系中可探测先进文明数量的估计。将一系列错综复杂的论据与当时可用的关于恒星和行星形成效率的稀疏的相关数据结合在一起后，德雷克意识到这个估计数本质上只依赖于一个因素：拥有先进科技的文明的寿命。与天外来客们取得联系的可能性完全取决于时机——取决于他们是否与我们同时存活着并拥有先进科技。因此，我们能够发现的可能宜居地点越多，那么其中某个地点可能支持拥有先进技术的文明的机会就越大。我们需要开始做的事情是，快速发现尽可能多的地外行星，然后集中全力关注那些可能宜居的行星，再搜寻生命的信号。美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯空间望远镜（The James Webb Space Telescope,JWST）已设定将于2018年发射，除了许多其他科学目标以外，这项任务还将与开普勒卫星一脉相承，帮助我们识别宇宙中可能支持生命存在的那些行星和行星系统。

与此同时，究竟是什么构成了生命这个问题还需要予以处理和理解。争论正在激烈进行中，而且可以想象的是，即使在其他地方找到任何痕迹，这种争论还会继续下去。这是一个微妙的问题，其答案取决于回答者来自哪个学术阵营。天文学家和科学史学家史蒂文·J.迪克在他的《其他世界上的生命》（Life on Other Worlds）一书中，用编年史的形式写下了这场贯穿整个20世纪的关于生命定义的激烈争论。在他所讨论的文章中，有一篇是进化生物学家乔治·盖洛德·辛普森于1964年撰写的，当时美国正在准备全力搜寻火星上的生命。在这篇题为《类人形式并不普遍》（The Nonprevalence of Humanoids）的文章中，辛普森提出警告：其他地方的生命并不必与地球上的生命相似。生物学家哈罗德·布卢姆早前曾将这种观点标榜为“机会主义”，与“决定论”立场相对立。根据决定论观点，进化过程在宇宙中的所有地方都是以相同的顺序展开的，其复杂性随着时间而进化。机会主义观点则认为，生命有许多可能的进程。辛普森提出 ，大多数外层空间生物学者都持决定论观点，对此并没有任何经验证据，而进化生物学家则倾向于持机会主义观点，地球上的化石记录对此提供了充分的支持。化石提供的证据显示，大多数早期生命形式都灭绝了，并且各种进化过程中都有着一个相当随机的成分。辛普森提出，即使生命在宇宙中的其他地方出现，也不必遵循我们所熟悉的轨迹从原生动物进化到人[17]。

许多生物学家都认同的一种基本定义是，能够独立生长并复制的有机体都是生命形式。不过，即使这种定义也并不十分清晰，其中存在着一些灰色地带。比如病毒是否构成生命，因为它们具有自己的基因组，但又不能自我复制。这种定义似乎也排除了朊病毒，这是一种单独的、离群的蛋白质，能够复制，是造成包括疯牛病在内的许多疾病的原因。不过从本质上来说，细菌是最基本的生命形式，关于这一点存在着广泛的共识。

假如生命本身是争议的主题，那么有利于生命存在的标准也就要接受审查了。既然我们正在发现系外行星，于是就出现了一种新的当务之急，即理解宜居性的充分必要条件，以及如何探测到任何可能存在的栖居生物。起初人们相信只要有氧气就足够了，但现在我们已经清楚地知道，许多非生物过程也能制造出那些被认为是生命所必需的元素。而且对于生命在地球上演化的大部分时间而言，大气中几乎不存在这些气体。因此，已在行星大气中可靠探测到的氧气和臭氧也许并不是在其表面存在大量生命的必要标志特征。与此同时，还有许多争论是类似二氧化碳、甲烷和氨这些其他元素和化合物（它们被视为地球生命的基本构件）是否可能与其他地方的生命起源也有关联。在距离我们更近的地方，甚至连火星上的生命问题也尚未解决，我们对于火星不仅仅是从远处探察，而且在其表面已经有一辆携带质谱仪以分析土壤样本的探测车成功登陆了。

搜寻系外行星的探索活动还在全速继续。当前的记录令人瞩目地证明了几种成熟探测技术的功效。悬而未决的大问题是还有多少类地行星等着我们去发现。当然，随后就出现了宜居性的问题，以及在这些行星之中是否有任何一颗上存在着任何形式或状态的生命。利用来自美国国家航空航天局的开普勒卫星任务的数据，2013年的一项研究估算出有22%类似太阳的恒星周围可能存在着类地行星。当然，媒体上的有些消息对这些数字信口开河，甚至连持重的《纽约时报》也做了如下报道：“有什么东西——或什么人——居住在距离地球非常非常遥远的地方，对此现在我们已知的可能性在周一已提高到超越了天文学家们最富于想象力的梦想。”《今日美国》（USA Today）宣告：“我们并不孤独。”在此一年前，《卫报》（Guardian）还刊登了马丁·里斯的文章，题为《我们独自存在于宇宙中吗？答案即将揭晓》。[18]

我们距离这个问题的答案事实上有多近？这种媒体炒作深入到所谓“费米悖论”的中心概念。这一悖论得名于杰出的意大利流亡物理学家、受控核裂变之父恩里科·费米。受控核裂变是第二次世界大战期间美国能够制造原子弹的前提。假如我们承认作为地球上的一种生命形式，我们并无特殊之处，那么在银河系即宇宙中就应该有许多其他地方也存在着生命。如果是这样的话，我们到现在就应该已经遇到过一些天外来客了，然而这并未发生。这就是费米悖论。在1975年发表在《皇家天文学会季刊》（Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society）上的一篇论文中，迈克尔·哈特论述了目前地球上没有来自外太空的智慧生物这一问题。他从这个事实出发所得到的结论是：“有确凿的证据说明我们是银河系中最早出现的文明。”[19]他的论据依赖于时间标度：假如智慧生命存在的话，那么银河系中所有地方的智慧生命都应该花数百万年的时间繁殖起来，但是然后还要花数十亿年的时间发生进化。因此从逻辑上来讲，假如地外生命存在的话，那么我们的外星同胞们应该已经到这里了，而既然他们还不在这里，那么他们就不存在。正如与德雷克方程的估算一样，这确实全都归结于时机。

许多生物学家和天文学家之间在看法、世界观和期望方面都存在着尖锐分歧，这种分歧可以与他们各自对于地球是否独一无二这个问题的观点挂钩。天文学家们（最主要的是萨根和德雷克）普遍相信我们在任何方面都没有什么特别或与众不同之处。萨根认为地球独一无二这个假设是有缺陷的。他解除费米悖论的方法是做出如下推断：所有下定决心与外界联系的地外文明都正在十分缓慢地做这件事，因此至今尚未与我们取得联系。另一方面，生物学家们则普遍相信地球上的生命是独一无二的。他们不断遇到的生物的丰富性和复杂性使他们确信，我们的行星是非常特殊的，因为它是唯一存在智慧生命的行星，尽管在其发展过程中包含着随机性。众所周知，斯蒂芬·杰伊·古尔德曾说过，假如将生命和进化的磁带倒带重放，那么人类是否会是一种最终产物这一点是完全不清楚的。事实上进化生物学家特奥多修斯·多布然斯基指出，在将地球称为家园的两百多万个物种之中，只有一种进化出了语言，创造和传播了文明，并对自身、生命和死亡有意识。因此，他认为坚持以下观点是荒谬的：假如任何其他地方存在生命的话，最终也必定会出现有理性的生物[20]。

萨根对于地外智慧生命抱有极度乐观的态度，这源于他相信我们在时空中完全平庸无奇的地位使我们在宇宙中也不过是等闲之辈。此外，他还将这种讨论视为由来已久的人类中心世界观的一种反映。这种世界观至少可以追溯到克劳狄乌斯·托勒密。关于如何认识我们在这颗行星上作为一个物种和作为智慧生命的重要性，天文学家和生物学家之间存在着一个真实而重大的差异。这两种观点各自都渗透着特定职业的专业观点，并且他们以各自的方式辩护其正当性。

关于我们是否独一无二的辩论偶尔升温过几次，这迄今还不是起因于出现了任何挑战我们世界观的新发现，而是出于政治上的原因。这在一定程度上是围绕着这样一个问题的：从长远角度来看，来自美国政府的研究资金应该如何以及是否应该资助SETI事业？最终导致SETI失去政府资助的原因是对于探测到地外生命的或然性产生了意见分歧。

不过，SETI还远非第一次有组织的搜寻智慧生命的行动。就在哥白尼将地球从宇宙轴心地位上驱逐出去的仅仅100年后，勒内·笛卡儿就提出太阳也不是独一无二的。他在1644年的《哲学原理》（Principles of Philosophy）一书中写道，天空中的所有其他恒星都与我们的太阳相像。他假定其中每颗恒星都可能拥有它自己的一群行星，这些行星上甚至还可能存在着拥有心灵的栖居生物。他的这种其他恒星也可能拥有行星的推测要等到350多年后才得到证实。

1995年，两位瑞士天文学家米歇尔·麦耶和戴狄尔·魁若兹偶然发现了第一颗太阳系外行星，它环绕着距离我们仅51光年的恒星飞马座51运行。这颗行星大约每4天绕着它的恒星盘旋一周，与它围绕的恒星之间的距离是水星与太阳之间距离的1/6。而且它的质量非常大，可达木星的一半，而木星可算得上我们太阳系行星阵容中的巨兽了。事实证明，这颗围绕着飞马座51的行星是第一颗被称为“热木星”的一类地外行星。这类行星与它们的寄主恒星之间的距离近到岌岌可危。

任何一颗行星本身都不发光，因此与它所环绕的恒星比较起来，它是无法被探测到的。它只是反射从其寄主恒星发射出来的光。除了要探测到这样一个昏暗光源本身所带来的挑战以外，其寄主恒星发出的明亮光芒使其更加黯然失色，进一步削减了探测的可能性。出于这些原因，天文学家们直接观测到的此类行星寥寥无几，而且能将这种行星与其寄主恒星分辨开的情况也很罕见。

与此相反，天文学家通常借助于一些间接方法来探测系外行星，同样也是依赖于引力效应，而这也是探测暗物质和黑洞时所必需的。有好几种这样的方法已带来了成功。最普遍采用的搜寻策略已找到了一些热木星，其方法是测量径向速度——恒星由于受到它们的行星同伴的拉力而发生的摇摆。随后通过地面望远镜观测来证实这颗行星的存在。这种方法的原理如下：如果一颗恒星周围有一颗行星，那么它就会对这颗行星的引力产生反应而绕着一条微小的轨道运动。这就会导致这颗恒星的速度发生可探测的微小改变，而这是我们可以测量到的——它表现为其相对于地球的径向运动发生微小变化。这种径向速度的改变可以通过该恒星光谱中产生的多普勒频移来推断。这种方法不依赖于距离，但是要找到产生微小摇摆的低质量行星，就需要高保真度的数据，因此这种方法一般只用于邻近的恒星，这里邻近的意思大约是距离地球160光年或更近。仅用一架望远镜是不可能同时跟踪许多目标恒星的。不过，我们可以探测到远至几千光年以外的那些木星般大小的行星。这种方法优先探测到的是靠近其寄主恒星的那些大质量行星。探测小质量寄主恒星周围的行星要容易得多，这是由于小质量恒星周围的行星所产生的引力效应可以更容易地被辨别出来，而且小质量恒星一般来说旋转得比较缓慢。快速旋转会使谱线变模糊，从而令探测变得困难。行星的质量可以从这些径向速度测量中直接推断出来。热木星是最容易通过这种摇摆探测到的，因此所有早期利用径向速度测量获得的都是这一种类的行星也就不足为奇了，其中也包括麦耶和魁若兹发现的第一颗。热木星预计并不是在它们被看见的、与寄主恒星如此靠近的地方形成的，而是在比较远的距离上形成的，随后据信它们朝着恒星的方向向内迁移。这些炽热的、鼓胀的气体庞然大物通常比我们太阳系中的金星更为炽热，因此正如我们所知道的那样，也不适宜生命的出现。

随着仪器设备的改良，天文学家们记录下的摇摆越来越微小，因此逐渐发现了一些质量较小的行星。在地外行星搜寻任务方面，最初的两个主要竞争团队是瑞士的那两位天文学家和加州大学伯克利分校的以杰弗里·马西为首的一个团队。近20年来，这两个团队都一直在监视邻近的恒星并进行速度测量。伯克利团队最早因行星搜寻而获得的荣誉之一是发现了首个多行星系统，这个系统围绕在大约44光年以外的恒星天大将军六（也称为仙女座υ）周围。目前看来该系统中共有4颗行星，围绕着一个由两颗恒星构成的系统沿轨道运行。所有这些行星的大小似乎都与木星相当。

探测行星的第二种方法是凌星法，美国国家航空航天局的开普勒宇宙飞船正是利用这种方法找到了数千个候选者[21]。假如有一颗行星从它的寄主恒星表面经过，那么这颗恒星的亮度就会减小一个很小的量。我们最近在太阳系中看到的这种现象是金星在2012年经过太阳表面。这一亮度减小量是可以测量的，因此用于确定该行星的半径。

这种变暗的程度当然取决于这颗恒星与行星相比要大多少。对于HD209458这颗恒星而言，其凌星期间的变暗程度小于2%。这种方法有其弊端：只有当行星-恒星轨道相对于观测者构成某些特殊排列形式时，凌星现象才可见。不仅如此，由于地球大气的扭曲效应，因此只有从太空中才能看到它们。所幸，装载在开普勒望远镜上的成像照相机具有测量凌星期间光线变暗几个百分点水平所需的精度。

2012年金星凌日。由171幅图像编制而成的序列。（图片由美国国家航空航天局/戈达德太空飞行中心/太阳动力学天文台提供。）

直至2015年11月10日，已发现的地外行星在5 000颗以上，其中有一些处于已知的484个多行星系统中。除了我们的太阳系以外，具有最多已确认地外行星的恒星是Kepler-90和HD 10180，它们分别有7颗和9颗行星。拥有4颗已确认行星的恒星Gliese 876是距离我们最近的多行星系统，位于15光年处。包括这4个系统在内，在距离我们15光年以内共有12个多行星系统，不过大多数还是在远得多的地方。

如今行星搜寻已是一个名符其实的行业了。在15年的时间里，这项原先只有不多的几个观测者和仪器建造者参与的小团队活动，随着开普勒卫星的发射和远征而转变成了一门大科学，其科学团队由数百人组成。经验丰富的行星搜寻者们指出：由于基本上所有恒星都具有伴随的行星，有些还具有多行星系统，一个简单的估算就使人联想到，可见宇宙中的行星数量必定超过恒星的数量！这对于探测到生命的前景是极为令人鼓舞的，因为我们预计生命会出现在行星或它们的卫星上。对于以碳为基础的生命而言，一定的温度范围是必需的，否则的话有机分子就会瓦解。在外太空应有的极端寒冷的温度下，化学反应的速率就会慢得多，而这就使智慧生物存在所必需的快速代谢反应很难发生，或者甚至不可能发生。因此，以碳为基础的生命似乎存在着一个最理想的温度点，只有温度适中的行星和卫星才可能孕育我们所熟悉的并与我们相似的复杂高级生命形式。

说实话，正如前文所讨论的人择原理所表明的那样，我发现地球上的人类对于这个主题采取了一种相当自我的看法。我已讨论的这些论据和估算都取决于一种完全的人类中心生命观。是由于受到缺乏想象力的限制，从而使我们无法冲破我们所知道的生命形式或者我们所看到的它表现出来的智慧形式吗？智慧生命可能在一系列我们不那么熟悉的环境中通过我们未知的一些途径出现，这也是完全可能的。在地球上探测到的那些嗜极生物给我们提供了一点暗示：有些种类的生命形式可以在最严酷的条件下存活很长的时间跨度。这方面的例子包括：在极高温度下茁壮生长的细菌，例如水生栖热菌，它们在美国黄石国家公园的温泉中享受着71摄氏度的温暖生活；还有延胡索酸火叶菌，它们在大西洋中脊的热液喷口中活在113摄氏度的温度下；或者在极低温度下生活的嗜寒微生物，诸如嗜冷杆菌，它们在零下10摄氏度到零下42摄氏度之间生长。这些有机体揭示出，尽管地球上发生过种种剧变，例如5次已知的冰河时期以及11700多年前的磁场大逆转，但生命是具有适应性和耐久性的。因此，谁又知道哪些种类的生命形式能够在地外行星上繁荣兴旺呢？在这些地外行星中，有许多距离它们的寄主恒星足够远，因此如果有水存在的话，将会保持液态，因此其中有那么多事实上可能是超级地球世界（这些行星的质量比地球稍大些，但比天王星或海王星稍小些）。2015年7月有了一次激动人心的进展，斯蒂芬·霍金和俄罗斯亿万富文尤里·米尔纳在伦敦举行了一场新闻发布会，宣布他们的新联合项目“突破聆听”，这是迄今探索外星生命信号的最大型倡议。米尔纳慷慨的1000万美元慈善捐赠将部分用于购买两架现存的、相距遥远的射电望远镜的专用时间，一架是位于弗吉尼亚州的罗伯特·C.伯德绿岸望远镜，另一架是位于澳大利亚新南威尔士州的帕克斯射电望远镜，随后它们将协同搜寻地外生命信号。如同配置用于探测银河系中心黑洞的那架事件视界望远镜一样，这一设置再次将整个地球转化成了一个具有极长基线的大型射电望远镜。而在此例中基线长度相当于一个从美国伸展到澳大利亚的单碟天线，用于聆听其他地方的智慧生物发射的无线电信号。霍金在宣布这项合作计划时说道：“在一个无限的宇宙中，必定存在着其他生命……还是我们的灯光漫游在一个死气沉沉的宇宙中[?]……无论是哪种情况，都没有比这更大的问题了。”而米尔纳则透露说，他提出这项倡议的动机源自于他直觉上认为我们不是孤独的。他在新闻发布会上指出：“我认为这是一件低概率、高影响力的事件。不论答案是什么，都是一个强有力的答案。在任何时候，我们都应该利用可以获得的最好的技术和器械来寻求这个答案。”我们急切地等待着窃听到外星人的对话。

所有这些争论（关于如何定义生命和智慧生命，关于宇宙中其他地方的生命会不会看起来彼此相似，以及假如有其他有感情的生物存在的话，我们怎样才能最好地与他们取得联系）的中心是我们事实上有多独特。归根结底，最紧要的是要定义并找到我们自己的所在。迄今为止宇宙学中所取得的显著进展已揭示出我们并不特殊，我们的行星并不是宇宙的中心。我们的太阳系只不过是众多太阳系中的一个，有可能我们的宇宙也只是众多宇宙中的一个。而我们的宇宙又是相当特殊的，其中的主要成分暗物质和暗能量仍然不可捉摸。我们的眼睛生来就看不到大部分的现实。然而，尽管我们似乎无足轻重，但作为一个物种，我们仍然拥有一些重大的能力。我们着手解决并回答了关于宇宙的那些曾经看来不可能的、棘手的问题。对于我们所知道的，以及我们如何逐渐知道这些的，我们已取得了显著的进展。虽然我们甜瓜般大小的脑壳中所容纳的大脑造成了认知能力的限度，但我们通过探索活动解开了奇妙宇宙的许多秘密。不过，我们也正处于危险的边缘，正在摧毁我们所知道的现存的智慧生命和养育了我们的青翠植物。除了对宇宙的好奇之外，我们还肩负着紧迫的对地球的责任，这些责任是不容我们忽视的。

如今，我们带着期盼和激动等待着探测到有机分子的气息，这是生物特征的指纹，或者在最近发现的其他世界中探测到存在水的迹象。智慧生命看来还遥不可及，但我们已然走过漫漫长路：约翰·米契尔从未想象过我们能够追踪银河系中心黑洞周围的恒星轨道，而我们现在已开发出来的那些技术对于甚至短短50年前科学家们来说都是最漫无边际的想象了。

那么，还有什么需要是描绘和理解的？目前的前沿横跨了最大尺度和最小尺度。一个极端是我们的视线已超越了我们的宇宙，而另一个极端则是我们在仔细观察银河系内部并自我反省。在这两条追逐之路上，我们都在寻求同伴——各种宇宙群英荟萃，具有6个基本常数的所有表现形式，还有一群智慧生物。所有这些都迫使我们去质疑活着意味着什么。

[1].美国国家航空航天局的开普勒卫星于2009年3月6日发射，其主要任务是搜索行星。这是第一颗以此为目而设计和发射的卫星。迄今为止，开普勒卫星已发现了超过4000颗系外行星候选者。——原注

[2].马丁·里斯，《仅6个数：塑造宇宙的深层力量》（Just Six Numbers:The Deep Forces That Shape the Universe,New York:Basic Books,2002），第1～2章。——原注

[3].正如道格拉斯·亚当斯的那本备受推崇的经典作品《银河系漫游指南》（The Hitchhiker's Guide to the Galaxy）一书的所有书迷都知道的，42是“生命、宇宙及万事万物这一终极问题”的答案。——原注

[4].W.R.施特格尔、G.F.R.埃利斯和U.柯克纳，《多重宇宙与宇宙学：哲学问题》（Multiverses and Cosmology:Philosophical Issue），预印版，最后修改日期为2006年1月19日。——原注

[5].伊壁鸠鲁（公元前341─前270），古希腊哲学家、伊壁鸠鲁学派的创始人，被认为是西方第一个无神论哲学家。——译注

[6].希罗多德（约公元前480─前425），古希腊作家、历史学家，他把旅行中的所闻所见及第一波斯帝国的历史记录下来，著成《历史》（Тστορίαι）一书，成为西方文学史上第一部完整流传下来的散文作品。——译注

[7].伊壁鸠鲁，《写给希罗多德的信》（Letter to Herodotus），摘自西里尔·贝利的英译本《伊壁鸠鲁存世遗作》（Epicurus The Extant Remains,Oxford:Clarendon,1926），第45页。——原注

[8].泰勒斯（约公元前624—前546），古希腊哲学家和科学家，出生于古希腊港口城市米利都，创建了古希腊最早的哲学学派，是西方思想史上第一位有记载的思想家。——译注

[9].根据伯兰特·罗素的说法，西方哲学起始于泰勒斯。参见《西方哲学史》（The History of Western Philosophy,New York:Simon and Schuster,1945），第15页。——原注

[10].德谟克利特（公元前460—前370），古希腊唯物主义哲学家，“原子论”的创始者。——译注

[11].柏拉图（约公元前427—前347），古希腊哲学家，他是苏格拉底（公元前470－前399）的学生、亚里士多德（公元前384—前322）的老师，他们3人被广泛认为是西方哲学的奠基者。——译注

[12].J.T.弗雷泽，《论时间、热情和知识：对存在策略的反思》（Of Time,Passion,and Knowledge:Reflections on the Strategy of Existence,Princeton:Princeton University Press,1990），第32页。——原注

[13].伯纳德·勒·博弈尔·德·丰特奈尔，《关于世界多元性的对话》，英文版（London,1803）第110页，译者为伊丽莎白·冈宁。——原注

[14].弗拉马利翁，《鲁门》；马克·布雷德,《想象外星生命：天体生物学的科学与文化交流》（Alien Life Imagined:Communicating the Science and Culture of Astrobiology,Cambridge:Cambridge University Press,2012），第194～195页。——原注

[15].艾米丽·斯旺森，《有关外星人的民意调查结果显示：有半数美国人认为存在外星生命》（Alien Poll Finds Half of Americans Think Extraterrestrial Life Exists），刊于《赫芬顿邮报》。——原注

[16].卡尔·萨根（1934—1996），美国天文学家、天体物理学家、宇宙学家、科幻作家，行星学会的创立者，在天文学科普方面做出了杰出的贡献。——译注

[17].史蒂文·J.迪克，《其他世界上的生命：20世纪关于外星生命的争论》（Life on Other Worlds,Cambridge:Cambridge University Press,1998），第193～195页；乔治·盖洛德·辛普森，《类人形式并不普遍》，刊于《科学》杂志，第143卷，第3608期（1964年2月21日），第769～775页。——原注

[18].丹尼斯·奥弗比，《遥远的类地行星遍布于银河系》（Far-off Planets like the Earth Dot the Galaxy），刊于《纽约时报》,2013年11月5日；多伊尔·赖斯，《石破天惊的消息：也许存在着与地球相似的其他行星》（Earthshaking News:There May Be Other Planets like Ours），刊于《今日美国》,2013年11月4日；马丁·里斯，《我们是独自存在于宇宙中吗？答案即将揭晓》，刊于《卫报》,2012年9月16日。——原注

[19].“费米悖论”,SETI协会；迈克尔·哈特，《关于地球上没有天外来客的一种解释》（An Explanation for the Absence of Extraterrestrials on Earth），刊于《皇家天文学会季刊》，第16卷，1975年第2期，第135页。——原注

[20].斯蒂芬·杰伊·古尔德访谈，美国成就学院，1991年6月28日；特奥多修斯·多布然斯基，《生物学中的一切只有依据进化观点才言之成理》（Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution），刊于《美国生物学教师》（American Biology Teacher），第35卷，1973年，第3期，第125～129页。——原注

[21].最新记录可以在美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的开普勒网页上找到。——原注

尾声

大胆的理念、未经证明的预期以及推测性的想法是我们解释自然界的唯一手段……我们之中不愿意让他们的思想去遭受反驳风险的人，就没有参与到科学游戏中去。

—卡尔·波普尔，《科学发现的逻辑》（The Logic of Scientific Discovery）

我在本书中追溯了变革性科学理念从遭受反驳到获得接受的旅程。你已经看到，抵抗可能会很复杂，而且并不全然出于知识上的因素。个人之间的对立、名望和信条可能会阻止科学界达成共识。不过我们也看到，说服力最终取决于数据和证据，其中从许多独立探究途径收集而来的数据和证据则更胜一筹。

希望我还说明了大多数有趣的科学理念都是分布图类型的，有些就是确实的分布图。随着每一次修订，我们都更加清晰地看到自己周围世界的细节。我们丢弃了那些被证明为纯属想象的部分。在非常幸运的情况下，我们还会发现未知领域，等待我们去进一步探索的那些神秘领地。要向前推进，我们就需要人类的创造力，即科学思维，既灵活又乐于接受变化，但又苛求严格——只有在出现压倒性证据的时候才会信服。我们还需要技术，即使我们能够进行更加精确的测量的越来越精密复杂的仪器工程学。

技术和创造力紧密结合，为研究事业的规模和实践发生根本转变扫清了道路。过去的40年见证了向大科学（需要经济、人力、技术和知识资本巨额投入的大型项目）的过渡。宇宙学最前沿的许多问题，靠个别杰出人物单打独斗再也无法应对了。当前的挑战需要由数百位聪明的科学家组成的庞大团队为这些近乎全员行动的努力贡献出经过专门训练的技能。这种风格转变并不是流于表面的，它标志着文化和知识方法的重大变化。我们现在需要各种大型的、昂贵的仪器以及巨大的资源——大型地面望远镜、空间望远镜和强大的超级计算机。尽管科学界的大多数人都对这种大型项目的新浪潮感到欢欣鼓舞，但还是有人在争论这种转型对受到个人好奇心驱使的那些富有创造力的个别科学家的作用会造成怎样的影响。这个问题的中心在于知识上的风险。个人可以承担一定的风险，而团队则从一开始就需要达成一定程度的共识，才能获得资金并确定研究方向，因此不能冒险。我们必须小心，不要将自己禁锢于群体思维，这是因为探索者不能总是安全、谨慎和保守的。解决之道是要对两种研究风格都加以培育和发扬，既要使有预见的个人力量发挥很好的作用，又要利用合作团体所提供的高效快速步伐。

随同大科学一起出现的还有另一种重大的文化转变——开放获取，其催化剂是互联网提供的廉价快速散播信息的能力。这种新的文化和技术使我们能够创建像arXiv.org这样的场所，天文学家和天体物理学家们在那里公布他们的论文，常常是在他们将稿件投递给杂志进行同行评审后就立刻上网发布了。这种公开性极大地提高了信息获取量，并为科学家们提供了一种新方法，对他们打上时间标识的工作争取自己的归属权。物理学家们在分享他们的理念这种做法上是开拓者，但是随着社交媒体的引入及其对大众的吸引力的加剧，现在无疑所有人都加入了这场游戏。反过来，社交媒体又使科学家们能够直接赢得新闻工作者和公众的帮助，去与更广泛的读者分享他们的那些激动人心的新结果。

资助大科学所造成的压力有助于对其透明度的要求。如果大量公众纳税人的钱都用于支持数百万美元的最先进设备，那么科学家们就不仅必须对他们所做的事情提出正当理由，还必须尽可能广泛而快速地与旁人分享他们的成果。这种轻快的步伐为宇宙学的黄金年代做出了贡献，而我们也已看到了那些惊人的突破。

不过，互联网不仅仅开放了获取渠道，还开放了科学本身，从而使公众不仅能旁观，还能参与到辩论和探讨中来。在即时传播的全球媒体的帮助下，公众现在能够在研究者们解决问题时实时地观看到他们是如何达成科学共识的。以2014年有人声称探测到引力波这一事件为例。这是一条大幅标题新闻，而且也理当如此。引力波是由爱因斯坦的广义相对论得出的一个结论，而搜寻引力波的行动开始于1916年。来自BICEP2团队的物理学家们在南极运转着一架望远镜，他们声称发现了这些引力波的证据，从而也就发现了宇宙暴涨的证据。这会为宇宙起源的大爆炸模型提供不容置疑的证据。BICEP2团队在将其结果提交给同行评审之前就召开了一次新闻发布会。这条新闻在各科学博客上风传，犹如病毒一般扩散开去。而宇宙学团体中的其余人也立即跟进，设法理解和重复这些结果。专家们之间经过大量辩论后发现，这些可能的引力波似乎只是宇宙尘埃而已。

这是一个有趣的研究案例，一个具有高影响力的研究结果在全球互联的世界中瞬间散播开去，而最终却没有经受住精细的科学审查。这是一个警告：我们在分析和分享数据时应该非常小心谨慎，否则就有陷入尴尬境地的危险。许多科学家对事件进程的这一转变感到极为不悦。我本人并不在此列，但我也确实认为同行评审是专业科学的一个重要的、不可或缺的部分，不应规避这一环节。我相信公开的科学对于公众理解我们在做什么不仅有用，而且至关重要。事实上，现在科学家们除了与公众紧密结合之外并无其他选择，需要分享其数据和分析的对象，不仅是专业合作者们，还有全球各地的业余研究者。鉴于这一切，为什么我们仍然在见证着对科学最为激烈的否定？在我看来，为猖獗的否定主义助燃的不是缺乏科学事实方面的知识，而是对于科学和科学推理如何运作一无所知。拉开掩盖着科学过程的帷幕，让公众去观察和理解，就会消除不信任。我也愿意认为，目前的科学怀疑论在一定程度上是滞后的结果，这种滞后使人们很难去应付数字时代中科学发现及转变的快速及不可预知的特性。

如果说这是一本关于宇宙分布图的书，那么它同样也是一本关于时间和地点的书。我们生活在一个令人迷惘的宇宙中，它的膨胀正在加速，并且在人类历史上的任何其他时期，我们都不曾如此频繁地不得不去正面应对我们的理解的暂时性。我们有一幅宇宙的分布图，而它却在永恒的变动中。科学的真实性就其本质而言必须经受精炼和修正，这一事实如今已经是我们现实中不可避免的部分。我们对世界的看法在过去的100年间发生了急剧的转变，因而改写了我们是谁、我们来自哪里和我们要去向哪里这些问题所特有的意义。

现在我们知道，我们的观点在某种程度上是向外看的结果。不过，它也来自更为密切的另一个方面。同宇宙一样，我们的大脑和遗传因子曾一度被认为是固定不变的。现在我们理解了，它们是会变的。基因组分布图已经帮助我们揭示出如何绘制出我们的化学实质。在过去的数十年间，计算基因组学的发展帮助我们确定了非洲是所有人类的发源地，并追溯了我们随后的迁移路线。在神经系统科学方面所取得的长足进步使我们如今能够阐明人类的大脑是如何工作的。功能性核磁共振（磁共振成像）提供了一种前所未有的非侵入式观察方法。我们已发现了神经元之间的一些新的相互联系，以及它们如何协调一致地运作。即便如此，动态的、始终在重新配置的网络如何取得一致和同步，这些方面在很大程度上仍然是一个未知领域，有待于新的探索航程。人类的大脑和遗传因子都很复杂，但我们仍有希望，也许很快就能弄明白某个特定的神经元开关（或者一组开关）的转换能够如何启动我们的思维。得到的结果是一幅分布图，其中描绘的是一种情感、一种运动或者甚至是一种新理念。各种分布图在继续塑造着我们对于宇宙和对于我们自己的看法。

延伸阅读建议

关于这里讨论过的这些宇宙学理念，对于那些好求知的读者来说，如果想要继续深入并详细学习更多知识，那么还有许多其他书籍可供阅读。以下挑选的这些涵盖了宇宙学中各种理念的历史，并概括论述了目前的那些悬而未决的科学问题。

Ball,Philip.Curiosity:How Science Became Interested in Everything.Chicago:University of Chicago Press,2013.

Barrow,John D.The Book of Universes:Exploring the Limits of the Cosmos.New York:W.W.Norton,2012.

——.The Constants of Nature.London:Jonathon Cape,2002.

Bartusiak,Marcia.Archives of the Universe:A Treasury of Astronomy's Historic Works of Discovery.New York:Pantheon,2004.

——.Black Hole:How an Idea Abandoned by Newtonians,Hated by Einstein,and Gambled On by Hawking Became Loved.New Haven:Yale University Press,2015.

——.The Day We Found the Universe.New York:Vintage,2009.

Bernstein,Jeremy.Albert Einstein:And the Frontiers of Physics.Oxford:Oxford University Press,1996.

Bronowski,Jacob.The Common Sense of Science.Cambridge,Mass:Harvard University Press,1978.

——.The Origins of Knowledge and Imagination.New Haven:Yale University Press,1978.

Brotton,Jerry.A History of the World in Twelve Maps.New York:Viking,2012.

Carroll,Sean.The Particle at the End of the Universe:How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World.New York:Dutton,2012.

Corfield,Richard.Lives of the Planets:A Natural History of the Solar System.New York:Basic Books,2007.

Davies,Paul.The Goldilocks Enigma:Why Is the Universe Just Right for Life?New York:Allen Lane,2006.

Davies,Paul,and J.Gribbin.The Matter Myth:Dramatic Discoveries That Challenge Our Understanding of Physical Reality.New York:Simon and Schuster,2007 （reissue）.

Dyson,Freeman.The Scientist as Rebel.New York:New York Review of Books,2014.

Ferguson,Kitty.Measuring the Universe:Our Historic Quest to Chart the Horizons of Space and Time.New York:Walker Books,1999.

——.Tycho and Kepler.New York:Walker Books,2002.

Freese,Katherine.The Cosmic Cocktail:Three Parts Dark Matter.New York:W.W.Norton,2003.Reprint,Princeton:Princeton University Press,2014.

Galison,Peter L.Big Science:The Growth of Large-Scale Research.Stanford:Stanford University Press,1994.

——.Einstein's Clocks,Poincaré's Maps:Empires of Time.New York:W.W.Norton,2004.

——.How Experiments End.Chicago:University of Chicago Press,1997.

Gates,Evalyn.Einstein's Telescope:The Hunt for Dark Matter and Dark Energy in the Universe.New York:W.W.Norton,2009.

Gingerich,Owen.The Book Nobody Read.New York:Penguin,2005.

Gleiser,Marcelo.The Island of Knowledge:The Limits of Science and the Search for Meaning.New York:Basic Books,2014.

Goldberg,David.The Universe in the Rearview Mirror:How Hidden Symmetries Shape Reality.New York:Dutton:2013.

Greene,Brian.The Elegant Universe:Superstrings,Hidden Dimensions,and the Quest for the Ultimate Theory.New York:W.W.Norton,2003.

——.The Fabric of the Cosmos:Space,Time,and the Texture of Reality.New York:Knopf,2004.

Gribbin,John.Alone in the Universe:Why Our Planet Is Unique.London:Wiley,2011.

——.In Search of the Big Bang.London:Bantam,1986.

——.The Origins of the Future:Ten Questions for the Next Ten Years.New Haven:Yale University Press,2006.

Grinnell,Frederick.Everyday Practice of Science:Where Intuition and Passion Meet Objectivity and Logic.Oxford:Oxford University Press,2009.

Hawking,Stephen.A Brief History of Time:From the Big Bang to Black Holes.London:Bantam,1988.

Hawking,Stephen.The Universe in a Nutshell.London:Bantam,2001.

Hellman,Hal.Great Feuds in Science:Ten Disputes That Shaped the World.New York:Barnes and Noble,1998.

Holmes,Richard.The Age of Wonder:How the Romantic Generation Discovered the Beauty and Terror of Science.London:Pantheon,2009.

Huth,John Edward.The Lost Art of Finding Our Way.Cambridge,MA:Harvard University Press,2013.

Jaywardhana,Ray.Strange New Worlds:The Search for Alien Planets and Life Beyond Our Solar System.Princeton:Princeton University Press,2011.

Kanas,Nick.Star Maps:History,Artistry and Cartography.London:Praxis,2007.

Kirshner,Robert P.The Extravagant Universe:Exploding Stars,Dark Energy,and the Accelerating Cosmos.Princeton:Princeton University Press,2004.

Kragh,Helge.Conceptions of Cosmos:From Myths to the Accelerating Universe—A History of Cosmology.Oxford:Oxford University Press,2007.

——.Cosmology and Controversy:The Historical Development of Two Theories of the Universe.Princeton:Princeton University Press,1996.

Krauss,Lawrence.A Universe from Nothing:Why There Is Something Rather than Nothing.New York:Atria Books,2012.

Kuhn,Thomas S.Essential Tension:Selected Studies in Scientific Tradition and Change.Chicago:University of Chicago Press,1977.

——.The Structure of Scientific Revolutions.Chicago:University of Chicago Press,1962.

Levenson,Thomas.Einstein in Berlin.New York:Bantam,2003.

Levin,Janna.How the Universe Got Its Spots:Diary of a Finite Time in a Finite Space.Princeton:Princeton University Press,2002.

Liddle,Andrew,and Jon Loveday.The Oxford Companion to Cosmology.Oxford:Oxford University Press,2008.

Lightman,Alan.The Accidental Universe:The World You Thought You Knew.New York:Corsair,2013.

——.The Discoveries:Great Breakthroughs in 20th-Century Science,Including the Original Papers.New York:Pantheon,2005.

——.Einstein's Dreams.New York:Pantheon,1993.

Lightman,Alan,and Roberta Brawer.Origins:The Lives and Worlds of Modern Cosmologists.Cambridge,MA:Harvard University Press,1990.

Livio,Mario.The Accelerating Universe:Infinite Expansion,the Cosmological Constant,and the Beauty of the Cosmos.New York:Wiley,2000.

——.Brilliant Blunders:From Darwin to Einstein—Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe.New York:Simon and Schuster,2013.

Mather,John C.,and John Boslough.The Very First Light:The True Inside Story of the Scientific Journey Back to the Dawn of the Universe.New York:Basic Books,2008.

Mazlish,Bruce.The Uncertain Sciences.New Haven:Yale University Press,1998.

Miller,Arthur I.Empire of the Stars:Obsession,Friendship,and Betrayal in the Quest for Black Holes.Boston:Houghton Mifflin,2005.

Munitz,Milton K.,ed.Theories of the Universe:From Babylonian Myth to Modern Science.New York:Free Press,1957.

North,John.Cosmos:An Illustrated History of Astronomy and Cosmology.Chicago:University of Chicago Press,2008.

Ohanian,Hans C.Einstein's Mistakes:The Human Failings of Genius.New York:W.W.Norton,2008.

Ostriker,Jeremiah P.,and Simon Mitton.Heart of Darkness:Unraveling the Mysteries of the Invisible Universe.Princeton:Princeton University Press,2013.

Panek,Richard.The 4% Universe:Dark Matter,Dark Energy,and the Race to Discover the Rest of Reality.New York:Mariner Books,2011.

Popper,Karl.The Logic of Scientific Discovery.2nd ed.New York:Routledge,2002.

Price,Derek J.de Solla.Little Science,Big Science.New York:Columbia University Press,1963.

Primack,Joel R.,and Nancy Ellen Abrams.The View from the Center of the Universe:Discovering Our Extraordinary Place in the Cosmos.New York:Riverhead,2006.

Randall,Lisa.Knocking on Heaven's Door:How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World.New York:Ecco,2011.

Rees,Martin J.Before the Beginning:Our Universe and Others.New York:Perseus Books,1997.

——.Just Six Numbers:The Deep Forces That Shape the Universe.New York:Basic Books,2000.

——.Our Cosmic Habitat.London:Phoenix,2002.

Scharf,Caleb.The Copernicus Complex:Our Cosmic Significance in a Universe of Planets and Probabilities.New York:Farrar,Strauss and Giroux,2014.

——.Gravity's Engines:How Bubble-Blowing Black Holes Rule Galaxies,Stars,and Life in the Cosmos.New York:Farrar,Strauss and Giroux,2012.

Shapin,Steven.The Scientific Revolution.Chicago:University of Chicago Press,1996.

Shostak,Seth.Confessions of an Alien Hunter:A Scientist's Search for Extraterrestrial Intelligence.New York:National Geographic,2009.

Silk,Joseph.The Big Bang.New York:W.H.Freeman,2000.

——.The Infinite Cosmos:Questions from the Frontiers of Cosmology.Oxford:Oxford University Press,2006.

Silvers,Robert B.Hidden Histories of Science.London:Granta,1995.

Smolin,Lee.The Life of the Cosmos.Oxford:Oxford University Press,1997.

——.The Trouble with Physics:The Rise of String Theory,the Fall of a Science,and What Comes Next.Cambridge,MA:Houghton Mifflin,2006.

Sobel,Dava.Galileo's Daughter:A Historical Memoir of Science,Faith,and Love.New York:Walker Books,2000.

——.A More Perfect Heaven:How Copernicus Revolutionised the Cosmos.New York:Walker Books,2011.

Tegmark,Max.Our Mathematical Universe:My Quest for the Ultimate Nature of Reality.New York:Vintage,2015.

Thorne,Kip S.The Science of“Interstellar.”New York:W.W.Norton,2014.

Tyson,Neil deGrasse.Death by Black Hole:And Other Cosmic Quandries.New York:W.W.Norton,2007.

Tyson,Neil deGrasse,and Donald Goldsmith.Origins:Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution.New York:W.W.Norton,2004.

Wilford,John Noble.The Mapmakers.New York:Vintage,2000.

致谢

对于那些变革性的科学理念，以及它们在三大洲为各种人、各地方所接受的途径，我长期以来一直心存好奇，而此书的缘起即得益于这种好奇心。我很幸运地参与到许多独特的、振奋人心的学术环境中，从而塑造了我作为一名物理学家和作者的世界观。而我自己作为一名科学工作者的生活包括形成、面对和检验新理念，而这种生活对我提出了挑战，需要不断增强自己对于现代天文学中的那些变革性理念的进展的想法。

着手写这本书的动力起始于梅格·雅各布的热情鼓励。为耶鲁大学的专栏项目和《纽约书评》撰稿使我有了为更广泛的读者写作的机会。为此，我非常感激凯蒂·奥伦斯坦、马克·利拉和鲍勃·西尔弗斯。我深深感激来自我的社会交往中的许多朋友给予的鼓励，其中有耶鲁大学、拉德克利夫高级研究学院40 Concord工作室、位于意大利贝拉吉欧的洛克菲勒中心、剑桥大学、麻省理工学院和哈佛大学。多年以来，与马丁·里斯、伊芙琳·福克斯·凯勒、阿马尼亚·森、罗斯·莱默尔、理查德·福尔摩斯、格坦伽利·辛格·钱德、纳扬·钱德、乌尔米·柏米克、苏珊·法吕迪、布鲁斯·马兹利什、欧文·金格里奇、南希·考特、戴维·凯瑟、丽贝卡·戈德斯坦、苏普拉提克·博斯、约翰·胡斯、艾伦·莱特曼、布莱恩·格林、马里奥·利维奥、吉什·詹、盖尔·马祖尔、皮拉尔·帕拉西亚、朱迪思·维西尼亚克和彼得·特拉滕伯格的交谈都给我带来了灵感和影响。3位值得信赖的朋友艾米·巴杰、沃利·吉尔伯特和盖尔·贝尔施泰因在我撰写本书期间都愿意花时间来帮助我。他们一丝不苟地阅读每个单词，并提出了独到的建设性评论。我对他们致以最由衷的谢意。如果没有安德里亚·沃尔普的支持，本书是不可能最终成形的。我无法想象，假如没有她内行的指导和不断为我加油，我怎么可能应付得了。我在耶鲁大学出版社的编辑约瑟夫·克拉米亚和让·汤姆森·布莱克在我撰写过程中的每一步都给予了高明的建议。与耶鲁大学出版社团队合作是一件乐事，这个极为高效而热情的团队包括：山姆·奥斯特洛夫斯基、朱莉安娜·弗罗格特、玛格丽特·奥特泽尔、詹姆斯·约翰逊、詹妮弗·多尔和莫林·努南。凯西·里德精湛地制作了本书中的许多图表和插图，并设计了令人叹为观止的封面。耶鲁大学的斯特林地图室和拜内克古籍善本图书馆都是极为宝贵的资源，不仅为我撰写本书提供了大量的资料，也给予我构思和写作时沉思的场所。最后我还要感谢我的家人，他们一如既往的无条件的支持给了我信心和力量。

1. 封面

2. 目录

3. 彩插

4. 扉页

5. 版权信息

6. 版权声明

7. 内容提要

8. 其他

9. 译者序

10. 前言

11. 第1章 早期宇宙分布图

12. 第2章 不断增大的疆界：宇宙在膨胀

13. 第3章 黑暗的中心：黑洞成真

14. 第4章 隐形的网格：对付暗物质

15. 第5章 变化中的尺度：正在加速的宇宙

16. 第6章 下一条皱纹：宇宙微波背景辐射的发现

17. 第7章 新的现实以及对于其他世界的探索

18. 尾声

19. 延伸阅读建议

20. 致谢

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5. 正文

科学新悦读文丛

在悖论中前行：物理学史话

汪振东　著

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

在悖论中前行：物理学史话/汪振东著.--北京：人民邮电出版社，2018.6

（科学新悦读文丛）

ISBN　978-7-115-48076-7

Ⅰ.①在…　Ⅱ.①汪…　Ⅲ.①物理学史　Ⅳ.①04-19

中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第050396号

◆著　汪振东

责任编辑　刘朋

责任印制　陈犇

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

大厂聚鑫印刷有限责任公司印刷

◆开本：880×1230　1/32

印张：9.75　　2018年6月第1版

字数：208千字　　2018年6月河北第1次印刷

定价：49.00元

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广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

目录

封面

扉页

版权信息

内容提要

前言

第一部分 经典力学

第一回 从古希腊说起

第二回 完美地心说

第三回 不完美的日心说

第四回 伯乐与千里马

第五回 近代物理学的开端

第六回 宇宙的新发现

第七回 一个美丽的实验

第八回 一个凄美的故事

第九回 浅谈微积分

第十回 力学三大定律

第十一回 苹果的故事

第十二回 牛顿与上帝

第十三回 有趣的天文测量

第二部分 电磁学

第十四回 静电学简史

第十五回 从青蛙腿到持续电流

第十六回 寻找电与磁的联系

第十七回 电动力学

第十八回 电磁感应

第十九回 电磁学的大统一

第二十回 波

第二十一回 寻找电磁波

第三部分 热力学和统计力学

第二十二回 热力学简史

第二十三回 热的本质

第二十四回 热力学

第二十五回 统计力学

第四部分 光学

第二十六回 光，波或微粒？

第二十七回 光谱的故事

第二十八回 光速的测量

第五部分 相对论

第二十九回 第一朵乌云

第三十回 为以太辩护

第三十一回 爱因斯坦与狭义相对论

第三十二回 关于狭义相对论的一些浅见

第三十三回 爱因斯坦的困惑

第三十四回 广义相对论

第六部分 量子力学

第三十五回 微观世界

第三十六回 黑体辐射

第三十七回 光电效应

第三十八回 原子的核模型

第三十九回 量子轨道

第四十回 电子的故事

第四十一回 矩阵力学

附一回 爱因斯坦与诺贝尔奖

第四十二回 电子也可以是波

第四十三回 一个鬼魅般的实验

第四十四回 风流才子薛定谔

第四十五回 波动力学与矩阵力学

第四十六回 不确定原理和互补原理

第四十七回 爱因斯坦与玻尔的“战争”

第四十八回 EPR佯谬与薛定谔的猫

第四十九回 爱因斯坦的忧伤

第七部分 宇宙学

第五十回 宇宙在运动

第五十一回 探索宇宙起源

第五十二回 神奇的中子

第五十三回 恒星的命运

第五十四回 寻找大爆炸的证据

第五十五回 黑洞

第五十六回 奇点可以存在

第八部分 量子场论及弦理论概述

第五十七回 量子场论概述

第五十八回 最后的统一？

内容提要

从亚里士多德到牛顿再到爱因斯坦，从行星运动三大定律到经典力学再到相对论和量子力学……这些伟大的人物不断探索物质世界的规律，一次又一次革新人类对世界的认知，由此我们才得以不断接近事物的本质。然而，物理学的每一次进步都需要人类付出巨大的努力。本书以时间为主线，通过一段段生动的故事展现物理学的发展历程，以历史的眼光看待这些正确的理论以及已被抛弃的错误理论对物理学的发展所起的作用。同时，书中也介绍了一些物理学家之间的恩怨纠葛，力图还原历史人物的真实面貌。

本书可供对物理学感兴趣的读者阅读。

前言

这是一本简述物理学发展历史的故事书。

物理学知识浩瀚如海，倘若面面俱到地平铺直叙，则会导致有头没尾，所以本书避重就轻地介绍了物理学史上一些重要的理论及其诞生过程。要写过程，又必须以历史人物的视角去看待当时物理学中存在的问题，于是“问题”成为本书的主要线索。本书基本上是按照“分析问题——解决问题——带来新问题”这一循环性思路写作而成的。在这些问题中，有的被历史证明是错误的，如“地心说”“圆惯性”等。如何理解错误的理论，是我写作时遇到的最大困难，却是本书有趣的部分之一。

只写问题仿佛又太单调，所以在书中增加些历史人物的故事是在所难免的。每个历史人物都是传奇，每个传奇都是一部书，为避免将本书的头写得像颈、颈写得像肩、肩写得像腰、腰写得像水桶，本书剔除了和主旨无关的故事。不可否认，每个人都会从生活中汲取灵感，这些生活故事被保留了下来，如笛卡儿因观察蜘蛛结网而发明了坐标系。书中保留下来的这些故事也多见于野史传说，不作历史考究。

本书总共分为八大部分，以演义的方式叙述了物理学的发展过程。

第一部分介绍经典力学。从古希腊的地心说写起，首先介绍了地心说成型的原因以及后人的完善过程，再由地心说存在的问题引入哥白尼的日心说以及开普勒的行星三大运行定律。为了诠释日心说，伽利略提出“惯性”概念，惯性思想后由笛卡儿完善并最终被牛顿力学所统一。

第二部分介绍电磁学。首先从静电力学的发展历史写到“动物电流”假说，再由“动物电流”假说写到具有革命意义的发明——电堆。电堆的发明导致奥斯特发现电流磁效应，由此引出安培，再由安培引出法拉第。法拉第在实验中所总结的电磁效应最终被麦克斯韦方程组所统一。当时人们总想将电磁学纳入牛顿力学的范畴，导致牛顿的超距理论与场理论产生冲突。最终，赫兹的实验证明了场理论的正确性。

第三部分介绍热力学与统计力学。从人类对火与温度的认知谈起，介绍了“燃素”与“热质”被否定的过程，进而介绍了热力学的发展历史，以及在微观上解释热现象所导致的统计力学。

第四部分介绍光学。分析了波粒之争的成因、人们对光谱的认识和光速的测量，再由光与以太的关系引出第五部分相对论。

第五部分介绍相对论。首先介绍了寻找以太却没有找到的“零结果”实验，由该实验引出洛伦兹等人的贡献，再由此引出狭义相对论。狭义相对论的局限性让爱因斯坦感到不满意，从而导致广义相对论的诞生。

第六部分介绍量子力学。首先介绍人类对微观世界的认知以及原子论的诞生过程，再由电子的发现引出人们对原子模型的假设。为解释原子模型与经典电磁学之间的悖论，玻尔在普朗克与爱因斯坦的量子理论基础上提出了量子化模型，由量子化模型的种种局限与悖论引出了电子自旋、矩阵力学和波动力学。矩阵力学最终导致不确定原理的诞生，而对波动力学中ψ函数的解释导致量子力学与决定论产生冲突，从而导致物理学中一场经典的大辩论。

第七部分介绍宇宙学。从广义相对论之后人们对宇宙模型的思考写起，引出稳恒态宇宙与大爆炸理论。二者交织发展、相互辩证，最终以大爆炸理论暂时胜出而告终。最后介绍了宇宙大爆炸之逆过程——黑洞产生的条件以及广义相对论与量子力学的冲突。

第八部分概述性地介绍了量子场论以及弦理论。由经典理论与量子理论的冲突引出量子场论，进而介绍大统一理论目前所处的困境，简单介绍了弦理论的诞生背景与前景。

我本想写一本不带有任何数学公式的物理学科普书，但事与愿违，最终书中还是提到了几个重要的数学公式。有些问题若用公式表达会变得简洁明了，有些问题非公式不能表达，后者如热力学部分的卡诺热机效率公式。好在这些公式都不复杂，应该不会影响本书的流畅性。为了便于表述，本书中插入了不少图片。这些图片多为示意图，并非按比例绘制，只求扼要展示问题主旨。纵然如此，仍不能将很多问题表述清楚，故敬请读者朋友注意本书中的修饰性词语，如“也许”“几乎”“大约”等。

本书力求语言生动幽默，尽量贴近当下生活，如用象声词“Duang”表示“瞬间”。另外，本书采用了一些通俗流行语言来表述某一段历史和历史人物，只为增加可读性，并非对任何事、任何人不敬和亵渎。本书中有多处对白，这些对白非外文直译，只求意近。如有用词不当或者词不达意之处，敬请指正。

我原想写一本不含作者主观意识的科普书，但没能忍住，修改时虽做了不少删减，但到底还有部分被保留了下来，而保留下来的亦不知所云。不过管窥蠡测，只为抛砖引玉，倘有画蛇添足之处，请读者朋友跳过这些地方；倘有一两处对读者朋友有所裨益，则不枉往日的笔耕辛勤。

谨以此书献给“物理，我们曾经爱过”的人们。

第一部分 经典力学

第一回 从古希腊说起

很久很久以前，有一支游牧民族离开多瑙河畔迁徙到爱琴海旁边，并在那里定居。到了公元前800年左右（公元前779年周幽王烽火戏诸侯），他们占据整个今天的希腊半岛，并建立起大大小小的城邦。他们自称希腊人，史称古希腊人。

在吸取爱琴海文明之后，古希腊人褪去了游牧时的野蛮，变得聪明睿智。他们从不一味地追求穷奢极侈，以万物适度就好。假如一个外人站在古希腊人面前，宣称没有一位希腊人单腿站立的时间比他还久。古希腊人会对此不屑一顾：“别吹了，你又不是只鹅。”

相对于这些虚妄的、不切实际的东西，古希腊人更愿意花时间思考哲学、经济学和自然科学，看到什么就想什么，想到什么就说什么。比如瞭望苍穹，他们会把天形容成一个大锅盖，太阳、月亮和星星都在这个大锅盖上升起落下，周而复始；远眺一望无际的大地，他们会把它形容成一个板，板上还有很多柱子，支撑着大锅盖……类似这样的说法有很多，可以说都是人类早期的宇宙观。

那么问题来了，爱思考的小明（古希腊人的名字比较难记，这里姑且以小明代之）问：“板上的柱子支撑着大锅盖，板又由谁支撑呢？”

小红回答说：“板漂在大海上。”

小明问：“那它为什么没有沉下去呢？”

小红说：“板下面有很多只乌龟在驮着呢，乌龟在水里游来游去，要是哪只乌龟开了小差，那么它驮的那个地方就会动，就会发生地震。”

可是大海里的水又附着在哪儿呢？其实这种问题没有最终答案，一层层叠加，何时才是个头呢？

爱观察的小明提出了一个非常重要的问题，他问：“每当我站在海边眺望归来的海船时，总是先看见桅杆上的旗子，再渐渐地看到下面的人。如果大地是一块平板的话，应该看到整个轮廓渐渐靠近，而不是先看到局部后看到整体啊！所以，大地不是一块平板，而是一块弧形的板，或者干脆是一个球。天也是个球，把大地包起来。”（见图1-1。）

图1-1

小明真实的名字应该叫毕达哥拉斯（约公元前580—约前500，约比孔子大30岁），他可能是人类历史上第一个意识到脚底下的“板”是个“球”的人。为什么大地会是个球呢？因为毕达哥拉斯以及他的弟子皆认为球是最完美的——少一点不足，增一点多余，球面上的每个点也都是平等的。

然而日升月落、斗转星移是怎么回事呢？古希腊人欧多克斯（公元前408—前355）在总结前人认识的基础上正式提出了“地心说”，即地球是整个宇宙的中心，也是唯一静止的天体，其他的天体都绕着地球转动，不同的天体组成一个同心球。同心球的球面相当于我国道教神话中的“几重天”，不同的是古希腊的天上住着行星（古希腊人所说的“行星”与今天的行星不同，它的意思相当于会动的天体，地球不在其中），而在道教神话里天上住着神仙，《西游记》中便认为太上老君住在三十三层离恨天。

地心说能轻易地被人们接受，因为人眼看到的确实如此。那么太阳、月亮以及其他行星都是怎么绕地球转动的呢？欧多克斯问他的老师柏拉图（公元前427—前347，约比墨子小50岁），柏拉图肯定地回答：“圆！”因为没有比圆更完美的了——正如球的完美一样。

且不表宇宙，单表地球。话说古希腊城邦的北部兴起一个国家——马其顿王国。到了公元前359年（此年商鞅在秦国实行变法），马其顿国王腓力二世继承大统。他有个御用的医生，该医生有个儿子，名字叫亚里士多德（公元前384—前322，约比孟子大12岁）。亚里士多德对医学有一定的兴趣，但他更向往古希腊人建立的繁荣城邦雅典。18岁时，亚里士多德前往雅典，成为柏拉图的学生。

亚里士多德天赋异禀，很快得到柏拉图的赏识，在柏拉图学园一待就是20年，这20年对亚里士多德的思想产生了决定性的影响。20年后，柏拉图去世，亚里士多德受到排挤，离开了雅典，云游四海。两年后，他受国王腓力二世的邀请，给腓力二世的儿子当老师。

严格地说，古希腊人建立的城邦是有着独立政权的国家，和中国春秋战国时期的情况有些相似，只是他们没有一个合法的“周天子”。在古希腊的众多城邦中，数雅典和斯巴达最有实力，二者经常争夺老大的位置，能吵就吵，吵不赢就打，最终腓力二世出面替他们彻底解决了这个令人头疼的问题——占领他们，从此希腊半岛就成为了马其顿的殖民地。

腓力二世雄心勃勃，希腊半岛只是他计划的一部分，甚至是极小的一部分，他睥睨的可是亚洲大陆。正当他往亚洲大陆进发时，天不遂人愿，腓力二世遇刺身亡。他的儿子，也就是亚里士多德的学生继位，亚里士多德由“太子太傅”升职到了“帝师”。

新国王把亚里士多德带回雅典，这位“帝师”现在有了新的任务：劝说古希腊人服从马其顿新国王的统治。可能是由于政治上的回报，亚里士多德和柏拉图一样，在雅典建立了自己的学园——吕克昂学园，广收门徒，最终形成一个新学派。

作为新学派的领袖，亚里士多德讲课有以下两大特点。

一是亚里士多德处于奴隶主阶级，过惯了衣来伸手饭来张口的日子，对于下里巴人的活儿是不屑去做的。

二是亚里士多德喜欢在学园里边走边讲，走累了就歇歇腿，精神了再继续走。

史学界给这种“君子动口不动手”的学派取了个很好听的名字——逍遥学派，这可比中国武林的逍遥派早了1000多年。亚里士多德自然便是逍遥学派的“祖师爷”。

话说古希腊人还是那么爱思考，比如有个学生（姑且还叫小明吧）跑来问逍遥学派祖师爷几个问题。

第一天

小明问：“最近老听人说地心说，这是真的吗？”

祖师爷说：“是真的，宇宙是个球，球的中心便是地球，整个宇宙都绕着地球运动，所以每天都能看见日升日落、昼夜交替。”

小明问：“宇宙又是怎么绕地球运动的呢？”

祖师爷说：“宇宙中所有的行星都在做匀速圆周运动。天有九层，不如画个图（见图1-2）给你看看吧。”

图1-2

小明问：“天是球，地也是个球，当我们站在上面时，为什么球对面的东西不会掉下去呢？”

祖师爷说：“每个物体都有一种属性——重力，重力会使得物体最终下落，地球是物体运动的最终归宿。”

小明问：“所以抛向空中的石头会下落，对吧？”

祖师爷说：“孺子可教，是这个道理。”

小明问：“那为什么星星太阳都落不到地球上来呢？”

祖师爷回答：“因为它们都是天体，天体和物体是不一样的，所以天体能绕着地球转而不会掉下来。”

小明惊讶地说：“哇，原来地球这么厉害啊！”

祖师爷微微一笑，说道：“是的，地球是由一种特殊物质构成的，是天体的一部分。所有的天体都是由神创造出来的，它们的运动都是由神推动的，永远做着匀速圆周运动。”

小明问：“圆周我懂，但为什么速度还要均匀呢?”

祖师爷说：“因为匀速和圆周一样都是最完美的，既然天体都是由神创造的，神创造的东西还能有瑕疵吗？”

第二天

小明问：“昨天您说的重力是物质的一种属性，既然物体都有同样的属性，为什么我这根鹅毛笔和手中的石头同时下落时，石头先着地？”

祖师爷说：“那是因为石头重，受到的重力就大，所以下落的速度快，就先着地了。”

小明问：“既然重力是物质的属性，为什么炊烟往天上飘？”

祖师爷说：“那是因为炊烟不仅仅有重力属性，还有一种属性叫‘浮力’，二者相权取其重。当浮力大于重力时，物质便会向上飘。”

第三天

小明问：“当我推一个桌子时，桌子才会动，这是为什么呢？”

祖师爷说：“因为你在推，也就是给了桌子力，力导致桌子运动。”

小明问：“力是什么？又和运动有什么必然联系呢？”

祖师爷说：“力不能独立于物体存在，也不能远离物体产生作用。力是维持物体运动的原因，比如一个物体静止不动，只有受到外力作用时它才会动起来”。

小明问：“当我松开手后，也就不再给桌子以力，但桌子还要往前运动一小会儿，这是怎么回事呢？”

祖师爷想了想说：“那可能是空气迂回导致的。”但是，他意识到似乎这样回答有点不妥，因为空气没有意识，它怎么知道什么时候该推什么时候不该推呢？所以，祖师爷喃喃地说：“或者……”

小明问：“或者什么？”

祖师爷说：“或者是精灵推动的。”

第四天

小明问：“昨天您说的是力，前天说的是重力，这二者都让物体的运动状态发生改变，它们之间有什么联系呢？”

祖师爷说：“虽然都改变了物体的运动状态，但是性质有明显的区别，不知道你注意了没有，重力是不需要接触的，因为那是物体固有的属性；而力必须接触才能产生作用，它并非物体的固有属性。虽然我暂时不能给力下一个精准的定义，但是你完全可以想象得出它是怎么作用的。”

看官，站在今天的知识角度，我们也许会觉得和亚里士多德聊天就像在玩“斗地主”：当你满心欢喜地用4个2把他的大王炸掉时，他却出其不意地用5个3将你的喜悦心情秒杀到谷底。但如果我们真的能够穿越到古希腊时代，你也不会感觉到一副牌里出现5个3有什么不妥。打牌作弊被逮到了叫“出老千”，逮不着的就只会让人赞叹：“你的牌打得也忒好了。”亚里士多德便是把一手牌打得最好的“赌神”之一。

赌神也好，出老千也罢，这丝毫都不影响亚里士多德在物理学界的地位。他的思想是人类智慧发展的一次重要结晶，以至于后文提到若干故事的起源时，都不得不回到亚里士多德及古希腊时代。

公元前322年，亚里士多德不幸去世。大部分人说他身染沉疴，病重而逝，也有人推测他是被毒死的，更有人传说他是因为无法解释潮汐现象而跳海自杀的。虽然传说无可稽考，但是我宁愿相信他是用最后一种方式结束自己生命的。智者在思考中死去，不是最美的吗？

第二回 完美地心说

亚里士多德凄凉的晚景和他的那位国王学生的暴毙不无关系，该生名字叫亚历山大（公元前356—前323）。历史给予他的最大的评价是：第一位建立横跨亚欧非帝国的国王。

公元前336年，腓力二世被刺杀，亚历山大继承王位，同时也继承了父亲的遗愿。公元前334年春，亚历山大挥师向东进，踏上了征服世界的旅程。在这漫长的岁月里，他征服了亚洲的波斯、非洲的埃及等诸多国家和部落，整个世界（除了东方、美洲等地）似乎都变成了马其顿的行省和属国。此后，他停下拓展版图的脚步，转而踏上了推行文化的新征途。

亚历山大虽然不是希腊人，但是他很仰慕希腊文化，所以新建的帝国必须置于希腊精神之下。正当他积极推行希腊文化的时候，天妒英才，公元前323年亚历山大死于热病，在巴比伦去世，年仅33岁。由于来得突然，亚历山大甚至连遗诏都没有留下，仅仅说了句“最强者为王位继承人”。这一含糊的话语最终没能让亚历山大生前的属下安分地把他的后人扶上王位，他们转而各自为政，从此马其顿帝国分裂。当亚历山大去世的消息传到雅典时，雅典人揭竿而起，纷纷反对马其顿人的统治，亚里士多德也在这场分裂中流离失所，最终仓皇逃出雅典，正如前文的末尾所说的。

亚历山大的部将们经过几十年的战争，建立了一系列希腊化国家，其中最大的当属马其顿、塞琉西和托勒密王国。

和古希腊几乎同时，亚平宁半岛上有个国家正在兴起，经过几百年的发展，它终于强大起来。公元前146年（司马迁出生），古罗马人开疆拓土，先后吞并了马其顿、希腊半岛、小亚细亚以及塞琉西王朝。此时希腊化的三个大国家中只剩下埃及的托勒密王国，它的首都亚历山大港也成为了希腊化世界重要的文明中心。公元前30年，古罗马将领渥大维没有像他的舅舅恺撒大帝那样拜倒在埃及艳后的石榴裙下，而是一举占领了埃及，托勒密王国灭亡，罗马帝国兴起。

在这百余年的社会动荡中，天文学取得了长足的进步。尽管地心说大行其道，但是在称之为公理之前，请允许还有些不同的声音。

古希腊人阿利斯塔克（公元前315—前230）是人类历史上第一位真正意义上的天文学家，他用观测代替猜测，独创性地提出了“日心说”。顾名思义，地球已不是宇宙的中心，而太阳似乎更适合。地球不仅绕太阳公转，还会自转，这样昼夜交替才说得通。

大地在动？拜托！像人类这么理智的生物怎么会对此毫无知觉呢？再者，向来只有牛耕地，人间哪闻狗拉犁？理智的人类又怎能相信偌大的地球竟然成为了小小太阳的跟班？阿利斯塔克为了消除人们的误会，采用几何三角关系对天体进行测量。他测出太阳其实比地球大，直径为地球的6~7倍。这是人类历史上第一个认为太阳比地球大的人，在当时也是唯一的一个。除了不符合人类的情感外，地动说与一些最基本的常识现象出现矛盾。比如，如果大地真的在动，我们向上抛起一块石头，石头应该落在西边，而不是垂直落下。

即便阿利斯塔克的学说为宗教和当时的人们所不容，但并非一无是处。又过了几十年，古希腊另外一位天文学家喜帕恰斯（约公元前190—前125，也被译为伊巴谷）巧妙地避开日心说，转而继承阿利斯塔克观测与计算的方法，后来成为了人类历史上最伟大的天文学家之一。

在阿利斯塔克的基础之上，喜帕恰斯创造了一系列令人眼花缭乱的成果，时至今日很多理论仍为地理与天文学所采用，比如岁差、视差等；而且他还是人类历史上第一位正确得出月地距离的人——地月距离是地球半径的60倍左右。

时光荏苒，过了两个多世纪，有个孩子出生在以前的埃及托勒密王国（显然当时是罗马帝国的一个行省了）。他的名字叫克罗狄斯·托勒密（约90—168）。对于托勒密的生平，史书中介绍得很少，只知道其父母都是希腊人。托勒密自幼聪慧，对自然知识有浓厚的兴趣，年少时就曾到托勒密王国的中心——亚历山大城学习。在亚历山大城，他深入学习了前人尤其是阿利斯塔克和喜帕恰斯的观测和几何计算方法。

虽说喜帕恰斯的理论继承于阿利斯塔克，但是前者并没有否定地心说。应该相信日心说还是地心说？这是一个根本性的问题，托勒密该如何抉择呢？其实他别无选择，在当时环境下就一个正常人而言，两种学说孰优孰劣早就高下立判了。

选择了地心说也有不同的苦恼。按照地心说，所有的天体绕着地球运动，这在最明亮的两个天体——太阳和月亮上得到了很好的验证：月亮确实在绕着地球转；而不管是太阳绕地球转还是地球绕太阳转，在地球上看来都是一样的（相对运动）。但是天空中繁星浩瀚，难免有几个淘气不听话的。比如火星，在地球上看来，它的运动比较杂乱无章，有的时候它顺着圆周往西走，有的时候又逆着圆周往东走，有的时候它还像图2-1中所示的这样走。

图2-1

在中国古代，这个现象叫“荧惑守心”。火星看上去荧荧似火，而其行踪诡异，故叫“荧惑”。心者，心宿也，传说中二十八星宿之一，由3个星星组成，代表至高无上的皇帝和皇家的一些人。当荧惑守心现象出现时，意味着王朝或者皇帝将要发生灾难。《史记·秦始皇本纪》记载，秦始皇死的头年就出现了荧惑守心现象，人们纷纷猜测秦始皇的死与上天安排不无关系，这也在后世皇帝的心中埋下了一颗地雷，一旦荧惑守心现象再次出现，这个地雷就要炸开了。

荧惑守心现象时有发生，可是皇帝不想死，于是遗祸给丞相，让丞相代他去死。可是丞相也不想死，于是有些皇帝就想法把他弄死。西汉绥和二年（公元前7年），汉成帝就是这样弄死了当时的丞相翟方进。丞相的死也分很多种，像文天祥那样的叫惊天地泣鬼神，而像翟方进这样的简直叫作憋屈。

然而，火星不过是众多捣蛋星体中的一个。喜帕恰斯早就认识到了这一点，他创造性地发明了“均轮”与“本轮”学说（由于书籍遗失的缘故，人们对于该学说的提出者尚有疑义）。托勒密将此学说发扬光大，他不仅坚持地心说，而且还坚持不放弃“匀速”这个完美的运动方式（见图2-2）。

图2-2

解释：

1.地球不在宇宙中心，而是偏离宇宙中心一段距离。与地球相对应的点叫“偏心圆点”，天体都绕着这个偏心圆点做圆周运动，但是线速度不是匀速的，而相对于地球的角速度才是匀速的，即匀角速度运行。

如此说来，地球也不是宇宙的正中心，不过这比地动说要好得多，起码当时的人们可以接受。在新的宇宙模型下，太阳与地球的距离会发生变化，托勒密之所以这样做是出于对其他星体的考虑，并非为了解释四季变换，实际上也解释不了，因为太阳不管怎样转，每天都会经过同样的位置，而四季变化并非纯粹由太阳与地球的距离决定。关于四季变换，古希腊人早已注意到这是由太阳直射角度的变化引起的，所以地心说的缔造者欧多克斯认为每层天的同心球有个自转轴，球会带着天体绕自转轴轻微地来回摆动，就像婴儿的摇篮一样。太阳摆动以年为周期，于是四季更迭。后来亚里士多德几乎完全继承了欧多克斯的学说，该学说同样也被托勒密继承了下来。

2.像火星这样的天体，除了大圈均轮外，还有小圈本轮。火星一直沿着小圈转动，而小圈的圆心又沿着大圈转动，二者的速度不一样。这样就可以解释为什么火星有时会向后运动了。

3.如果一个小圈不够用，那就增加更多的小圈，直到够用为止。

4.并非所有的天体都绕地球运动，比如水星、金星是绕太阳运动的。

这是一个两全其美的创造，既维护了地心说，又和观测结果几乎一致，因为当时人们关心的就那么几个星星（主要是太阳系中的几大行星和北极星等）。当时在航海中这几个星星已经差不多够用了，所以托勒密的理论有很大的实用价值，而下一个有实用价值的发明估计当属指南针了。

物以稀为贵。比如美玉，一个叫作举世无双，两个可叫作珠联璧合，多了则和石头没什么分别。为了和观测保持一致，增加了很多的本轮。首先这在美学上就很难说得过去，说不过去的话，那就肯定不是完美的事情了。这也正是该模型最大的缺点——烦琐。托勒密本人也意识到了，所以他特别强调该模型不是理论，而是观测手段，或者说是一种数学处理方法，如果有新的方法，那就最好不过了。然而人生不如意十之八九，活着的时候尚且不能自保，又何况死乎？托勒密将自己的天文学理论全部写到《天文学大成》一书中，这本书在后来的1300多年里成为西方天文学教科书，而其与亚里士多德一脉相承的地心说最终被嫁接成上帝创造万物的理论基础。

第三回 不完美的日心说

以神的名义，天主教会将与神学冲突的学说付之一炬，科学和哲学俨然成了神学的婢女。虽然文艺复兴伊始，很多思想先驱以各式各样的艺术形式抨击黑暗，但是直面神权的还数自然科学，因为自然科学相对于艺术最大的优势在于讲究证据，证据一旦被人们掌握，便会以星火燎原之势摧枯拉朽。高枕无忧的天主教会肯定不会想到吵醒他们的居然是一位虔诚的天主教徒，尽管这位教徒的初衷并非想冒犯上帝，他不过是为了寻找一个简单而又可行的真理。

这位教徒叫尼古拉·哥白尼（1473—1543），出生于波兰的一个富裕家庭，比唐伯虎大三岁。大约在唐伯虎三笑点秋香的年纪，哥白尼只身前往文艺复兴的发源地——意大利，在名校博洛尼亚大学和帕多瓦大学主修医学和神学。哥白尼是一名非常出色的医生，可以说搞天文只是他的业余爱好，但一不小心地在这条业余的道路上越走越远。

自从托勒密《天文学大成》中的观点成了人们的思维习惯之后，在1300多年里，人类在天文学方面没有任何突破性的进展，唯一能做的就是发现新天体，然后套用托勒密的地心说模型去解释。前文说过，对于一个复杂运动的天体而言，一个不够，那增加更多的均轮，于是“大圈套小圈”，最多套到了80多个，这显然不是普通人的大脑所能想象的。如果托勒密的理论是一套数学方法，我们是不是在用加法费心费力地计算乘法呢？

哥白尼不走寻常路，在他看来既然上帝创造了宇宙，就不会选择用这样冗繁的方式让它运行，所以他要寻找出一个更简洁的模型，借以消除人们对上帝的“误会”。不幸的是，在长达十几年的时间里，观测的数据越多，托勒密的方法就显得越正确。

但是哥白尼坚信上帝是一个简约而不简单的人或神，或许正是因为这份坚信，他能在一堆早就被人们遗忘的古籍中找到阿利斯塔克的日心说。可能此时上帝也给了他几个小小的灵感：如果我们能飞到地球以外的天体上观测别的星球，天体又将怎样运行呢？如果假设能够成真，那么地球势必也是运动的，而不是静止的。

基于这种假设，哥白尼发现地球和很多天体之间的距离在不断改变，唯独和太阳之间的距离没有变化。既然地球作为宇宙的中心会来带烦琐的计算，那么上帝会不会选择用太阳作为宇宙的中心并让它静止呢？哥白尼没有否定托勒密的计算方式，只是用太阳取代了地球，而从观测的数据来看，起码不需要使用那么多的“圈圈”了。

如此简单、如此粗暴却又如此奏效，于是新的宇宙模型（见图3-1）诞生了。

图3-1

“圈圈”是减少了，但很多现象需要重新解释。首先怎么才能让人们相信一个如地球般的庞然大物会绕着小小的太阳转动？哥白尼认为人类太高看自己了，太阳远比我们甚至阿利斯塔克想象的还要大得多。他还通过观测星座并用几何方法阐述了这一点。

好吧，即便人类曾如此地“自大”过，那么昼夜交替又怎么解释呢？也就是说，如果地球绕着太阳转，那么朝太阳的一面永远是白天，背着太阳的一面永远是黑夜。

实际上关于这个问题阿利斯塔克早已给出了答案——地球自转。哥白尼采用了这一套理论，并进一步提出地球的运动是三种运动形式的组合。

1.地球绕太阳做匀速圆周运动，每年转一圈。

2.地球在自转，每天转一圈，这样就能看到日升日落而不必担心永昼极夜了。

3.地球的自转轴也会倾斜，并不总是与太阳和地球的连线垂直，而是有个夹角，自转轴在这个夹角之间以年为周期来回摆动。在地球（北半球）上看，夏天太阳更靠北，冬天太阳更靠南一点，南半球正好相反。太阳在夏至日直射北回归线，在冬至日直射南回归线，春分和秋分时在赤道正上方，四季变换终于得到了完美的解答。

最后也是最重要的一个问题是：如果地球在自西向东运动，那么空气就会自东向西运动，这样就会形成一股强大而持久的东风，但是东、南、西、北风常刮常有。同样，向空中抛起一块小石头，它应该落到抛出点的西边，而不是垂直落下。

要想让日心说成立，哥白尼就无法回避以上问题，所以他在用毕生心血写就的《天体运行论》的最开始部分便苦心阐述了“土”与“水”的关系。他认为空气中含有“土”和“水”，既然地球上的土地和海洋都可以随着地球运动，那么没有理由不相信空气不随着地球一起运动，而空气运动形成的风正如海水运动形成的波涛一样，波涛看似杂乱无章，但总体上都在随地球一起运动。同样道理，抛起来的小石头也会受到空气中“土”和“水”的影响，最终会落到抛出点的正下方。不过，“土”和“水”伴随地球运动只在地球附近有效，而天空中突然出现的天体（指的是彗星，那时候人们对彗星认识不全）就另当别论了。

在最后一个问题上，哥白尼的解释很牵强。他本人似乎也意识到了这一点，所以他在书中多次用到“似乎”“可能”“也许”等字眼，但是对于宇宙、天体的形状以及天体的运动方式给出了斩钉截铁的回答：形状是球形，运动轨迹是圆，速度是匀速，因为没有什么能比球、圆和匀速更完美了。太阳在宇宙的正中心，所有的星体都绕着太阳以匀速圆周运动进行公转。他继承了古希腊人关于宇宙是个圆球、地球也是个圆球的观点，尽管地球上有高山海洋，但那不过是硕大脸庞上的一个个小小的青春痘罢了，地球整体上还是一个球。

站在今天的知识角度，我们知道太阳并非宇宙的中心，所以哥白尼的日心说也不完美。但这是历史的顺承，理论如同人的成长，不可能从牙牙学语“噌”地一下子就到了大学毕业，势必要经历一段漫长的成长过程，而哥白尼的日心说无疑是自然理论成长过程中的第一个“青春期”。

哥白尼的日心说模型虽基于一定的观测，总体上还是一套处理宇宙运动的数学方法，但这绝对不像用乘法取代加法那么简单，主要原因就是“地球可以动”，而我们就活在这个可以动的地球上。

小时候，当我第一次听说地球正在转来转去时立刻觉得头脑晕晕乎乎，连路都走不稳，根本无法去学校上课。这种病状持续了很多天，最终让家严在我的屁股上踹了两脚给治好了。

对于新的观点，哥白尼也不知道怎么处理为好。一方面，他担心如果发表的话，很快就会被审查；另一方面，他觉得效法古人（很多古希腊哲学家）也许更有意义——只将自己的观点告诉身边的朋友。洪洞县里真的就没有“好人”了？其实不然，他的一位红衣主教朋友得知消息后，对此书喜爱至极，强烈要求他将其发表。也正是在朋友的鼓励下，哥白尼拖了一个九年又一个九年，直到“第四个九年”他才委托这位红衣主教将写好的《天体运行论》带到德国公开发表。

1543年5月24日，哥白尼在病榻上收到了从德国纽伦堡寄来的《天体运行论》样书，他只摸了摸封皮便与世长辞了。在哥白尼的心中，天文学是神圣的，再也没有哪种理论能如此除残涤秽。

第四回 伯乐与千里马

当时人们对于哥白尼的日心说以及地球自转依然有很多的疑问，而且这些疑问正是反对地动学说者打压日心说的入手点，不过反对哥白尼的人不尽然都是神权维护者，比如丹麦的第谷·布拉赫（1546—1601）。

第谷·布拉赫出生于丹麦的一个贵族家庭，自幼便被过继给伯父抚养。他的伯父希望他学习法律、神学和修辞学，以便将来可以谋一份很有前途的职业，更可以光耀门楣。第谷从小性格犟、脾气大，虽然表面上顺从伯父的意愿，但内心一直都挡不住对天空的向往。上大学之后，第谷亲眼观测了一次日偏食，他对天文学家们的准确预报大为惊奇，内心的暗流涌动成了再也刹不住的洪水。于是，他白天佯装学习法律课程，晚上则常常在被窝里研究托勒密的《天文学大成》。过了几年，第谷的伯父去世，他继承了一大笔财产，金钱加上无拘无束让第谷开启了新的人生旅程。1572年，他观测到了一颗在白天也能看见的新星（后被称为第谷超新星），这让他的名声大震。丹麦国王请他回来做皇家天文学家，并花重金为他建立天文台，第谷也在此留下了很多宝贵的数据。

第谷是一个性情豪爽的人，就像武侠小说中的大侠一样。小说里的大侠总是会得罪一些人，生活中的第谷也是如此，不幸的是他得罪了当时的王子即后来的丹麦国王。新国王报复性地将第谷赶出了丹麦，也摧毁了他的天文台，据说那是花了一吨黄金才修建好的。后来神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世（1552—1612）邀第谷去德国，并在布拉格为他修建了一座新的天文台，可是设备和以前差远了。尽管如此，第谷依然通过观测做出了不可磨灭的贡献。那时候人类还没有发明望远镜，所以第谷被誉为“望远镜发明前最伟大的天文学家”，其成就和喜帕恰斯旗鼓相当。

略微令人遗憾的是，第谷对哥白尼的日心说不感兴趣，有人说他是为了维护神学，我觉得就其性格而言不大说得通，倒是如下两点似乎更合乎逻辑。

1.哥白尼的日心说并不是一种新学说，早在古希腊时期就有了这种观点，而且这是一条被打入冷宫上千年的学说。其实，哥白尼和阿利斯塔克一样，他的理论并非基于大量的观测事实，所以哥白尼的日心说仍没有完全脱离古希腊人天马行空般的想象。

2.和自己的观测不符，这点最为关键，因为第谷一直对自己的观测水平深信不疑。

但是第谷的观测数据和托勒密的地心说也有很大的差别，所以他认为谁都“不靠谱”，又谁都“不得罪”地建立了新的宇宙模型（见图4-1）。

图4-1

从根本上说，第谷的模型属于地心说范畴。他之所以没有抛弃地心说，主要是因为站在地球上看，地球确实不动；而如果说其他的星体绕太阳转方便，那就让它们方便去好了。这是典型的经验主义，基于不会说谎的数据，但是不说谎不代表不骗人，而第谷的“受骗”则是因为他的数学不过硬，好在一位年轻的天才弥补了他的缺憾。

1596年，住在德国的第谷收到一位年轻人送的一本书，书名叫《宇宙的神秘》，书的作者正是送书者本人。该书在完全肯定哥白尼的日心说的基础上，根据六大行星（当时人类在太阳系中只发现了6颗行星）运动为宇宙勾勒了一幅完美的蓝图。尽管第谷不认为日心说是正确的，但是被年轻人的数学处理方法深深折服，于是第谷便写信郑重邀请这位年轻人作为自己的助手，两位历史上伟大的天文学家终于在1600年会晤。

这位年轻人叫约翰尼斯·开普勒（1571—1630），出生于德国的一个非常贫困的家庭。他的父亲是一名雇佣兵，在一次战役中再也没有回来。开普勒由母亲独自抚养。3岁时，开普勒感染了天花，好在保住了性命，但是身体尤其眼睛严重受损。对于一名依靠眼睛观测的天文学爱好者来说，这绝不是好兆头。

开普勒从小聪明无比，获得奖学金之后进入大学学习。他本想成为一名牧师，可当他看到哥白尼的《天体运行论》后，命运发生了转折。开普勒从一开始就觉得日心说似乎比地心说更合乎逻辑，所以他很快相信这一学说，并写了《宇宙的神秘》一书。

在第谷的身边，开普勒掌握了从未见过的观测数据，两人还共同制定了《鲁道夫星表》，可谓是天作之合，只是在基本问题——日心说还是地心说上各执一词。第谷和开普勒二人经常展开激烈的争论，但是常常都以开普勒的忍让而暂停。这可能只是理念问题，然而在开普勒妻子的眼中，第谷是一位盗窃丈夫的研究成果的人。不断吹来的“枕边风”让开普勒和他的老师决裂，开普勒在多个场合下公开宣称第谷是伪君子，并写了侮辱性的长信给他的老师，然后不辞而别。

开普勒的离去让第谷痛心不已。看到信后，第谷才意识到他们之间存在诸多误会，于是也写了封长信，声情并茂地请开普勒回来，还给他邮寄了盘缠。开普勒惭愧得无地自容，热泪盈眶，提笔写了忏悔信，然后回到老师身边。

再次回来后，开普勒时常表达忏悔之意，而第谷付之一笑：“过去的事情，何必再提呢？”第谷还不计前嫌地把开普勒推荐给国王鲁道夫二世，而且把自己多年以来的观测数据和手稿全部交给开普勒使用。那时师徒二人正在研究火星，所以他对开普勒说：“除了火星所给予你的麻烦之外，其他一切麻烦都没有了。火星我也要交托于你，它是够一个人麻烦的。”

火星，又是火星！这个曾经让人掉过脑袋的行星现在又让人伤透了脑筋。即便承认火星绕太阳转动，第谷的观测数据仍然和开普勒的推算存在误差。这个误差很小，大约等于秒针走1/50秒的角度，然而当用秒针指向天体时，任何小角度都变成了大问题。正是这个不起眼的误差彻底改变了人类对整个宇宙的认识。

正当师徒二人为天文学开天辟地时，第谷撒手而去，只留下孤零零的开普勒和一堆堆精准的数据。1601年，第谷因为汞中毒去世，享年55岁。他临终前还不忘提醒自己的爱徒：一定要尊重事实。这句话也让开普勒在困难中坚持了下来，最终成为近代科学的先驱。

噫！韩退之曰：世有伯乐，然后有千里马，千里马常有，而伯乐不常有。然未知伯乐之思也，萧何月下追韩信，刘玄德三顾茅庐，皆非利而无往。第谷非失而自省，非错而先歉，非为利而谄媚，非图名而诓诱，此非浩浩然之君子乎？而又察贤才于前，释诽谤于后，躬身力行，举贤任能，此非伯乐之谓乎？良驹得识，焉能不奔腾千里乎？

毕竟不知良驹如何日行千里，请看下回分解！

第五回 近代物理学的开端

第谷是天才观测家，但数学是他的短板，这一堆堆的数据，算是逢其时而不得其主；开普勒的视力不是很好，却是一位数学高手，二人冥冥中注定的相逢势必要为天文学和物理学翻开新的篇章。

无论是哥白尼的学说还是第谷的天体模型都停留在假想阶段，或者说它们都只是一种数学方法，不能称为理论——理论必须建立在实际数据基础之上。就目前来说，它们都与观测有细微出入，上回提到的第谷模型中火星的观测误差便是一例。这说明要么第谷的观测数据错误，要么他假想中的圆形轨道出了问题。一个是个人肉眼观察的数据，一个是亘古未变的、未曾被任何人怀疑过的学说，但开普勒偏偏相信前者，因为他深信他的老师不会出现任何差池。

如果我们不打算将开普勒神化的话，那么有理由相信开普勒也曾经历一段迷茫无助的时期，就像船到江心没有桨一样。火星，火星，到底是怎么一回事呢？也许开普勒想飞到火星上一探究竟，可是身无飞翼，最好还是先从地球算起吧。可是我们又怎么站在地球上确定地球在宇宙中的相对位置呢？开普勒运用了简单的几何原理：在一个平面内有两个固定的点，如果要确定第三个点，只需计算第三个点与两个固定点的角度就可以了（见图5-1）。所以，开普勒需要两个固定的点。

图5-1

幸运的是我们有一个太阳，既然肯定日心说，那么可视太阳静止不动，所以第一个点很容易确定下来。不幸的是我们只有一个太阳，要知道当时人们的视界还没有超越太阳系，即便超越了太阳系，也无法确定系外星体与太阳的相对位置，所以观测不能好高骛远。开普勒是聪明绝顶的，他意外地选择了火星。

火星？又是火星，火星不是一个非常淘气的天体吗？淘气是相对于地球而言的，而相对于太阳，火星则要规矩得多——它用 687天（一个火星年）转个来回。其实，开普勒对此已经了如指掌了。在一个火星年内总有一天太阳、地球、火星在一条直线上，称为“火星冲日”。火星冲日可以简单理解为太阳、火星和地球三点在一条直线上，且太阳和火星位于地球的两侧。每当火星冲日现象出现时，太阳下山，火星升起；太阳升起，火星下山。所以，有整个晚上的时间来观测火星。

开普勒以某个火星冲日开始计算，等过一个火星年时，再计算地球的新位置，这样就可以计算地球的相对位置了。只是这样计算需要很多年的数据（平均1.8个地球年计算一次），好在第谷已经为开普勒扫清了障碍。

在图5-2中，计算出∠E1SM和∠SE1M的值，则可确定E1的相对位置。同理，也可以求出En的相对位置，如此便可得出地球的轨道。如法炮制，便可计算出火星的轨道。

图5-2

道理很简单，过程很复杂，结果让人意外。无论是火星绕日还是地球绕日，它们的轨道都是椭圆而非正圆。公元1609年，开普勒得出他的第一个结论：行星围绕太阳做椭圆形的圆周运动，太阳位于这个椭圆的两个焦点中的一个上。这就是开普勒第一定律，也叫椭圆定律。

这样看来，行星运动轨道不仅不是正圆形，速度也不是匀速的。继日心说之后，这再一次让人对上帝感到失望，因为从古希腊时代开始，圆作为一个完美形态已经深深地烙在人们心里了。

估计开普勒也颇为失望，他继续计算，试图进一步找出行星的运动规律，开始也可能是为了寻找匀角速度的证据。此后不久，开普勒通过计算得出第二条定律：在同样的时间里，行星和太阳的连线扫过的面积是相等的（见图5-3）。这就是开普勒第二定律，也叫面积定律。

图5-3

开普勒能轻松地用几何方法计算出图中两个阴影部分的面积，只是不知道他能否计算出笃信地心说的人们心里的阴影面积。不过开普勒对此十分开心，因为面积相等稍稍能够让人们对上帝的完美留一点信心。

理论是空前的，也足以让开普勒本人扬名立万，可惜学术上的成功并没解决开普勒生活上的困境。第谷死后，开普勒虽然被他在生前推荐为德国的皇家数学家，但是工资几乎只是第谷的一半，而且皇帝鲁道夫二世还是时不时地拖欠。尽管如此，开普勒从未终止过科学研究，同时他也写了很多占星术之类的书。这不是因为开普勒闲得无聊，而是因为科学家也要吃饭。开普勒本人也形容占星术“就像子女，如果不为天文学母亲挣一口面包，那母亲就要挨饿了”。只是这饱一餐饥一餐的日子就没好过。

两年后（1611年），开普勒的日子更加难熬。当时皇帝鲁道夫二世被其弟弟逼迫退位，开普勒结束了皇家数学家的生涯，前往奥地利的一所大学任教。开普勒的生活、地位都在不停地发生变化，唯一不变的就是那张空如白条的工资单。福不双至，祸不单行。第二年，开普勒的夫人去世了，他又娶了一位贫家女子。两任妻子共生了12个孩子，但很多都夭折了。1618年，欧洲“三十年战争”爆发，开普勒离开奥地利，辗转前往意大利的一所大学任教。战争总是让尊师重教成为一句空话。

在艰难世道中，开普勒依然伏案工作，研究不同行星与太阳之间的关系。当时欧洲人爱喝红酒，红酒生意非常好做，酒商们一直都为无法直接测量一个木桶装了多少红酒而苦恼。开普勒又一次发挥他的数学特长，巧妙地用一个带刻度的尺子从木桶中间的小孔插进去，轻松计算出木桶的容积。

木桶也是椭圆形（木桶两端是平的，中间是椭圆形），不知道这样的测量是否给了开普勒灵感和启发，他竟然在天文学上又有了突破性的进展，而且将其用公式表达出来。后人常把这个公式视为近代物理学的开端。所有行星绕太阳一周的时间（T）的平方与它们轨道长半轴R的立方成比例：

1619年出版的《宇宙谐和论》描述了开普勒第三定律，也称为谐和定律。谐和，和谐，是谁让宇宙这么和谐呢？此时开普勒正好看到英国的宫廷御医吉尔伯特写的《论磁》一书，他发现磁力与这种星体间的作用力有几分相似，都不需要接触就可以产生效果，所以他认为太阳发出的某种“磁力”驱使行星绕其转动，这是人类第一次从动力学上解释天体运动，也为后来人指明了一个方向：有问题好好思考，别动不动就把责任推到上帝头上。

开普勒如蝴蝶穿花般地解决了天体的问题，但对生活的问题依旧无能为力。由于为老师第谷申辩（当时有人称第谷学说为异端学说），开普勒得罪了教会。教会将他的书列为禁书，而且还有组织地对他本人和他的住所进行攻击，扬言要处决他。幸好，开普勒再次被任命为德国的皇家数学家，得以躲过此劫，然而他终究躲不过没有薪水的劫难。金钱就像是一位躲着他的老朋友。1630年11月初，在数月没有与“老朋友”碰面的情况下，开普勒打算亲自上门拜望。不幸的是，他还没有见到这位“老朋友”便抱病不起。11月15日，开普勒在一家客栈里去世，身上仅剩7分尼（德国货币，相当于现在的几块钱）。开普勒被葬在德国的一所教堂里，可惜在一场战争过后，他的墓碑都找不到了。

墓碑虽然找不到了，但开普勒依然是科学史上的一座丰碑！

开普勒的一生是坎坷不幸的，同时又是幸运的，因为他是骄傲的、光辉灿烂的。他说道：“我沉湎在神圣的狂喜之中。我的书已经完稿，它不被我的同时代人读到就会被我的子孙后代读到，然而这些都是无所谓的事。它也许需要足足等上一百年才会有一个读者，正如上帝等了6000年（据说是从诺亚方舟时期开始算起的）才有一个人理解他的作品。”

实际上，远不需要那么多年！

第六回 宇宙的新发现

与开普勒同时期，文艺复兴的发源地意大利也出现了一位天才天文学家和物理学家。

伽利略·伽利雷（1564—1642）比开普勒大7岁，出生于一个没落的贵族家庭。1581年，17岁的伽利略来到比萨大学主修医学。他可能会是一个不称职的医生，因为他对副业物理学和数学的兴趣远远超过了主业，而且他时常有些小发现和小发明，这些小发明和小发现往往在不经意间改变了历史进程。

1583年，伽利略在祈祷时看到吊灯在左右晃动。他掐了掐脉搏，发现了物体摆动的等时性原理。几十年后，英国人惠更斯（1629—1695）根据该原理发明了摆钟。人类从上古时代开始就一直为计时努力着，也发明了很多计时工具（如日晷等），但摆钟无疑是最有意义的计时工具之一。

1596年，为了测量病人的体温，作为医生的伽利略发明了人类历史上第一支温度计。从此人类对热和温度有了新的认识，开启了热力学的篇章，此是后话。

更让伽利略声名鹊起的是他根据古希腊阿基米德（公元前287—前212）的浮力原理发明了一种比重秤，从此被誉为“当代的阿基米德”。阿基米德是古希腊时期伟大的哲学家、百科式科学家，他在数学上的成就是最高的。曾有学者评价说：将人类有史以来最伟大的数学家排个座次，如果前三名中没有阿基米德，那一定是不科学的。我们了解阿基米德是因为中学课本中的浮力，据说当时制作皇冠的金匠经常偷工减料，皇帝为检测皇冠中的黄金比例伤透了脑筋，所以请阿基米德给出一个合适的方案。阿基米德苦思冥想，始终不得其法。有次洗澡时，他一屁股坐到水池里，水对身体的浮力给了他灵感。于是，他激动地穿过广场和人群，跑到宫殿里告诉皇帝他的新发现。皇帝也很激动，听完之后对仆从说：“给他一件袍子……”此时阿基米德才意识到原来自己还光着腚呢！此外，他有一句回响了几千年的名言：“给我一个支点，我就能撬起整个地球。”阿基米德的传奇本就是一部书。

言归正传。话说1585年伽利略的父亲去世，他的家庭收入捉襟见肘，伽利略辍学干起家教营生。好在他的学生是一位王子，所以他很快又进入上流社会并成了大学教授。在空闲时，他专心研究各方面的科学著作，其中少不了统治人类思想达1300年之久的亚里士多德的《物理学》和《天体》。伽利略对亚里士多德的理论进行了深刻的思考，也写了很多论文，最终推动了物理学的发展。

1587年，伽利略收到开普勒赠送的《宇宙的神秘》一书，他很快就被哥白尼的日心说所吸引，并认为在天文学上的成就才会让自己扬名立万，其他的科学都是小巫见大巫。他以无比的热诚投入到了天文学研究当中。

1609年，即开普勒发表椭圆定律一年后，在帕多瓦教书的伽利略在街上溜达，无意间看到了凹透镜。他觉得很好玩，便买了带回家。此时的凹透镜已经不仅仅是个在太阳底下能烧死蚂蚁的玩物了。早在一年前荷兰人就用凹透镜发明了望远镜，只是伽利略还不知道。有一次伽利略到威尼斯去拜望好友，得知威尼斯政府打算购买荷兰人的新发明以进行军备竞赛。伽利略通过好友告诉威尼斯政府不要着急。果不其然，在一个多月后，他将自己研制的新望远镜送给了威尼斯政府，为此他获得了一份终身教授的职位，薪水也翻了3倍。更为关键的是，伽利略发明的望远镜着实比荷兰人的清晰9倍，比肉眼清晰33倍，这足以让伽利略清楚地看到月球表面。于是他写信告诉好友开普勒这一好消息：“月球的表面并不是完美的，那些阴影就像地球上的大山河流一样，只是没有水而已，圆圆的是陨石坑；月亮不发光，只是反射太阳光，所以才能看到月亮的‘圆缺盈亏’。”

正当人们争相谈论伽利略的神奇工具时，他又发现了木星的4颗卫星，也发现发光的银河原来是由无数颗恒星组成的。他把这些新发现都写信告诉开普勒，并骄傲地说：“我想我已经观测到了土星运动的轨道。”当时正忙于研究土星的开普勒兴奋不已，他在回信中问能不能得到伽利略的望远镜。伽利略回答说，他的望远镜都已经送给了贵族们，并打算以后做一些清晰度更高的望远镜，再送给一些朋友。

现在我们已经无法肯定伽利略是否真的打算研制新的望远镜，就算他研制了，也无法肯定他说的“一些朋友”中包括开普勒，但是我们仿佛看到了一个噘着嘴卖萌的小女孩对别人说：“看，我有糖，就是不给你。”

事情总有好的一面，开普勒自然不会认为伽利略的托词是真的，所以他不会傻傻地一直等下去。于是，另外一种望远镜（见图6-1）诞生了。

图6-1

天文学因此进入了望远镜时代，也开启了新篇章。当时的人都称：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”

此后一到两年里，伽利略利用他的望远镜发现金星和月亮一样有盈亏。伽利略知道这是由金星、地球和太阳的位置关系引起的，他通过大量的观测数据推测金星、地球都是绕着太阳运动的，为哥白尼的日心说提供了坚实的观测基础。

此外，伽利略发现太阳上黑色的小点点不是别的行星的“影子”（即某行星的行星日食），原因很简单：如果是行星的影子，那么影子的速度会很快，而实际上黑点移动的速度慢得多，所以它们只能来自太阳自身的“缺陷”——后来它们被称为“太阳黑子”。这些“缺陷”让人们不禁觉得原来“上帝制造”也有“劣质”产品，而地球也不过是这些产品中的一个，显然这完全不符合亚里士多德的那套地球不动、上天完美的学说。再经过长期的观察，伽利略发现太阳黑子的转动也有周期性，于是他得出太阳也在自转的理论。假设哥白尼的日心说成立，地球则绕着太阳转，如果太阳都自转了，人类又有什么理由相信地球不能自转呢？

伽利略用几块玻璃片发现“天外有天”激发了当时人们对日心说更大的兴趣。当越来越多的人谈论哥白尼的日心说时，教会再一次出手了（1600年，教会曾烧死宣传日心说的布鲁诺），1616年他们禁止发行哥白尼的《天体运行论》，严禁任何人在公开场合大谈特谈日心说。这便是“1616禁令”。

相对于他人，伽利略的处境其实要好得多，尤其是在1623年他的一位好友从红衣主教的位置坐上了教皇的位置（乌尔班八世）之后，伽利略觉得机会来了，他跑到罗马为自己的新发现进行游说。教皇本人对伽利略以及他的新发现持欢迎态度，但是负责宣传教育的神父们不干了。但面对如此高深的理论和铁一般的事实，神父们也无可奈何，只好对伽利略的推测和结论下手。他们让伽利略放弃哥白尼的日心说，如果他做不到这一点，至少对地心说不要存在偏见；如果对于日心说非提不可，那么一定要有地心说，而且不能带有主观意见，只能当成历史去阐述。

伽利略与神父们的冲突在于，伽利略认为自然界中运行的天体与《圣经》里的天堂是两码事，而教会则认为是一码事。除了维护自己的地位，我想教会可能是怕信徒们在这样浩渺的宇宙中找不到天堂的位置吧。实际上随着科学的不断发展，教徒们一直都在忧心忡忡地想给上帝安排一个合适的住所。

伽利略是倔强的，也是聪明的。在被禁言的岁月中，他毕全生所学，于1630年完成了一本名叫《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（以下简称《对话》）的书。他在《对话》中将自己撇开，虚设三位人物，即沙格列陀、萨尔维阿蒂和辛普利邱。沙、萨二人皆是日心说的支持者，而辛却坚持凡是亚里士多德说的话都是正确的，凡是后人对亚里士多德理论的补充都是有意义的。

《对话》仿照古希腊的很多著作（比如《理想国》）以三人对话的形式展开，分为四天，每天一个主题，就像本书第一回中小明和祖师爷的对话一样。该书洋洋洒洒几百页表达了对亚里士多德体系的思考和批判以及对哥白尼体系的辩护。

要为哥白尼体系辩护，就绕不开一个话题：地球自转为什么没有产生东风或者向上抛起的物体为什么没有落在抛出点的西边？哥白尼含糊其辞的解释多少不能成为地球可以动的理由，但是伽利略用一个现实中常见的例子让人们心服口服。他说，在一艘正在匀速前行的船上，人们向上抛起一块小石头，小石头依然落在抛出点的下方，而不是落在抛出点的后面。为什么会这样呢？伽利略认为小石头和船在水平方向上是相对静止的。

比如一艘船（A）的速度是60米/分，对面划来另一艘船（B），速度是70米/分，那么对于A船上的人来说，A船的速度是0米/分，而B船的速度是130米/分；对于B船上的人而言，B船的速度是0米/分，而A船的速度也是130米/分，不过方向相反而已。

假设A船和B船向同一个方向前进，对于A船上的人来说B船以10米/分的速度前进，而对于B船上的人来说，A船以10米/分的速度倒退。这便是“伽利略速度变换原理”。从另一方面说，如果没有参照物，提起速度是没有意义的，因为速度是相对的，而不是绝对的。

伽利略聪明地将小石头的运动看成复合运动：一个是水平方向上的运动，另一个是垂直方向上的运动。在水平方向上，小石头离开船体后依然保持原有的速度；而在垂直方向上，小石头做自由落体运动（此处为了简化，只考虑小石头落下的过程，见图6-2）。既然是自由落体，小石头肯定会落在桅杆的正下方了。

图6-2

因为重力，垂直方向的自由落体运动很容易理解。但是在水平方向上，小石头的速度从何而来呢？难道正如亚里士多德所说的空气迂回或者精灵推动？伽利略自然不会让历史倒退，为此，他创造性地提出了“惯性”这个概念。惯者，一贯而之也，可以简单理解为：物体（无论运动还是静止）始终想要维持原来的样子，直到外力改变它。小石头在水平方向上本就具有初始速度，这个速度和船速一样。由于水平方向上没有外力（不考虑空气的摩擦力），故而小石头依旧以船速前进。

那么问题来了，运动到底是由惯性维持的还是由外力维持的呢？力和运动之间到底有什么关系？伽利略认为物体运动由惯性维持，外力只能改变运动状态。比如人推桌子动时，外力改变了桌子的运动状态，当人松开手后，桌子依照惯性继续前进，摩擦力会改变桌子的运动状态直至静止。同样，重力已不再是物体的固有属性，惯性才是。惯性是维持物体运动的原因，在没有外力作用（或者外力平衡）的情况下，一个运动的物体将以恒定的速度朝同一个方向运动下去。如果不出什么意外的话，它会永远持续运动到无限时间和无限距离。

1632年，在伽利略5次到罗马乞求后，《对话》终于获得教会的出版许可。由于此书以对话的形式书写，一改以往枯燥的科学讲解，普通人都可以愉快流畅地阅读，所以《对话》风靡一时。

那时欧洲“三十年战争”仍在继续，这是一场宗教战争，许多诸侯公国借着宗教分别站队，神圣罗马帝国日渐衰微。罗马教皇也渐渐感到自己的权威在很多国家丧失殆尽，可下面的人告诉他“即使在罗马，您老人家的余额也有待充值”。一句话惊醒了梦中人。

伽利略的处境可想而知，教会改口称伽利略违反了1616年的禁令，并对伽利略进行严厉的审判，最终以问题严重、亟待审查为由禁止了《对话》的再版再售，顺带一劳永逸地把伽利略给判了个终身监禁。颇为讽刺的是，当人们知道了审判结果后，《对话》早就被抢购一空。防民之口甚于防川，这个道理其实大家都懂，只是在既得利益面前，谁都显得那么脆弱。就像刚穿上新装的皇帝，他明知自己光着腚，也要杀掉敢说真话的小孩。

就这样，伽利略被软禁在家里。他的晚年非常凄苦，多病缠身的他脑海里依然做着完美的科学实验。由于年轻时观察太阳，强烈的阳光灼伤了他的双眼，最后导致失明。即便如此，他依然坚持完成了另外一本对话体著作《关于两门新科学的对话》。这部书稿在1636年就已完成，由于教会禁止出版他的任何著作，他只好托一位威尼斯的友人将其秘密带出境。这本书的出版彻底改变了物理学，也一举将伽利略推到了“近代物理学之父”的高度。

第七回 一个美丽的实验

在伽利略的第一部对话体著作中，他依然没有办法让辛普利邱先生从对亚里士多德的彻底崇拜中觉醒过来，所以在他的第二部对话体著作《关于两门新科学的对话》中，伽利略借沙、萨二人之口劈头盖脸地问了辛先生这样的问题：

亚里士多德认为自由下落的物体重则快，轻则慢。诚如所言，假设一个物体的下落速度是8，另一个物体的下落速度是4，将二者绑在一起会怎样呢？

1.一轻一重，轻重中和，所以速度要小于8，大于4。

2.一轻一重，轻重相加，所以速度要大于8。

这是人类历史上最有名的悖论之一。据说伽利略为了向人们展示他的理论，特意爬到比萨斜塔上，同时丢下两个不同重量的铁球，发现两个铁球同时着地。这便是历史上著名的比萨斜塔实验。历史上对比萨斜塔实验的真实性颇有争议，因为它只记载于伽利略的一位粉丝给他写的传记中，那时伽利略已是晚年，而且双面失明，只能口述往事，所以崇拜者为了增加书的可读性，添点油加点醋也未可知。如果故事是真实的，为什么其他书上鲜有记载？要知道当时伽利略已经是很有名气的人物了。

且不论比萨斜塔实验的真实性，看看另外一个实验（见图7-1）。虽然伽利略在出版的新书里没有明言，但是从两部《对话》以及早年间的书中，我们可以猜测他没少做过这样的实验：将一个6米多长、3米多宽的接近光滑（光滑意味着没有摩擦力）的直木槽倾斜固定住，让钢球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟或者脉搏测量钢球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。基本关系概括如下。

图7-1

1. h越大，小球最终在平面上运动的距离也越远，说明h越大，小球在斜槽底端的速度越大。

2.小球在平面上移动的距离几乎与时间成正比，即s=vt（s表示距离，v表示速度，t表示时间）。

3.小球在斜槽底端的速度与其重量无关。

4.用斜面代替水平面（图中虚线所示），无论两个斜面怎样倾斜，小球到达的高度与原始高度几乎一致。

第一个问题：实验中小球的速度从何而来呢？伽利略认为是重力，这和亚里士多德不谋而合。不过伽利略认为重力也只是一个表象，因为下落的速度一直在增大，所以根本就没有下落速度8可言，速度8只能在某个瞬间发生，那么速度又是怎么变化的呢？伽利略提出“加速度”的概念。当物体质量越大时，它受到的重力也越大，但是不同物体的重力加速度是相同的，因为在同等条件下，小球在斜槽底端的速度是一样的。唯有如此，小球的下滑速度与重力无关才能成立。

第二个问题：亚里士多德认为力是维持物体运动的原因，可是当小球到达水平面时，除了相互抵消的重力和水平支撑力，在水平方向上并没有力去维持小球的运动。伽利略提出一个假设：如果木板没有尽头，那么小球也会无止境地运动下去，因为实在没有任何理由让小球停下来。所以，他认为维持物体运动的是惯性而非力。

加速度让物体的速度发生变化，为了说明这种变化，伽利略提出了“匀加速”的概念，即加速度恒定不变。比如当实验中斜面的倾角是直角时，那么小球的运动也可以看成是自由落体运动，重力产生了加速度，小球的运动是均匀的（实际上近似均匀），并推导出了s=gt2/2（g表示重力加速度），让人们切身感受到重力加速度的存在。

现在可以简单比较亚里士多德与伽利略的运动学体系。

1. 亚里士多德认为力是维持物体运动的原因，伽利略认为力是改变物体运动的原因。

2. 亚里士多德认为重力越大，下落速度就越大；伽利略认为下落速度与重力的大小无关，因为重力加速度是一样的，加速度是改变物体速度的最终原因。

3. 当物体不再受力或外力平衡时，它仍然有可能往前运动（即维持运动状态）。亚里士多德将其归结为介质迂回推动或者精灵推动，伽利略则将其归结于物体的惯性。

在一点儿也不麻烦上帝的情况下，伽利略通过实验给出了一套比较完备的运动学体系。很多人将这个简单实验列入人类物理学史上十大最美实验之首（按时间算，它是第一个），原因如下。

1.小心说话。远离了古希腊人把搞不清的问题全部牵扯到上帝身上，转而以实验为基础，通过数学计算和推理，伽利略给出了一套完备的科学方法，并必须基于一个准则下——一切以事实说话。

2.大胆假设。伽利略突破真实的实验局限，大胆地提出理想化的实验模型，将经验与理性结合起来，开创了人类思维的新模式，为物理学乃至自然科学奠定了思想基础。

伽利略的丰功伟绩如同太阳一般光辉耀眼，但他这个太阳也有小小的黑子。在小球实验中，如果不出意外的话，小球将会永远地沿着直线匀速运动下去，可是意外无处不在，因为在伽利略心中，宇宙是有限的，而且是一个圆球，有限的宇宙怎么能容得下无限伸展的物体呢？所以，伽利略认为木板不会永远平直下去，比如实验中的木板慢慢延长，最后弯着弯着就绕地球走了一圈，那样的话，木板上的小球将会永远地做着圆周运动。即便人类有能力制造一个木板能冲出地球，冲出太阳系，冲到“天尽头”，可是最终冲不过圆圆的宇宙，所以小球最终逃不了圆周运动的命运，所以伽利略认为直线运动是圆周运动的前奏，物体最终都以“圆惯性”方式运动，而地球的自转、公转皆来自于“圆惯性”。

伽利略崇拜真理，尽管他成功地挑战了亚里士多德的理论，但是只对事不对人；而对于哲学家柏拉图，他既对事又对人地崇拜起来，所以“圆是最美的”让伽利略情有独钟，以至于伽利略会对他的同行、亦师亦友的开普勒的椭圆轨道理论视而不见。当然，在那个年代连哥白尼的日心说尚处在猜测阶段，更别说椭圆轨道理论了。

伽利略的“自误”不禁让后人感到画蛇添足般的遗憾，但是我想遗憾也是多余的。假设人类有能力在外太空放置一个小球（即不受外力作用），并让它自转起来，我们完全有理由相信它会一直转下去。对于这种“一日转、终生转”的运动方式，在发现万有引力之前，唯有“圆惯性”才是最完美的解释。

伽利略的成就是伟大的，性格也是高傲的。他曾意气风发，却又时运不济，最终只博了个身后之名。1642年1月8日，他与世长辞。据说在头天晚上，他走到阳台上摸着自己心爱的望远镜，就像疲于杀伐的将军抚摸着陪伴自己一生的战马一样，也许他会想如果有翅膀飞到他曾发现的木星上，该是多么美好啊！第二天，他的随从发现他倒在阳台上昏迷不醒。随从忙着找大夫，然而所有的大夫都因为伽利略是囚犯而拒绝给他医治。当天下午，伽利略逝世，享年78岁。

300多年后，人类替伽利略完成了他最后的梦想。1989年“伽利略号”木星探测器正式升空，并于1995年顺利抵达木星轨道。

1992年，梵蒂冈教廷终于为伽利略平反，并宣称300多年前对伽利略的审判是一个“善意的错误”。正义也许会迟到，但终究不会缺席。

再想起他的朋友开普勒，不禁让人潸然泪下。正是：同是天涯沦落人，相逢何必曾相识。

第八回 一个凄美的故事

有一个美丽的传说。

一位已逾知天命之年的老人在路边邂逅了一位18岁的公主，他因为才华横溢而被公主的父亲选中当公主的数学老师。日日耳鬓厮磨，公主和老人产生了不伦之恋。国王知道后，一气之下将老人放逐，并禁止他们之间的任何交流。流离失所的老人身染沉疴，寄去的十二封书信如石沉大海，杳无回音。当写第十三封信时，他气绝身亡了，信中只有一个简单的数学公式：r=a(1-sinθ)。国王看不懂，遂将全国的数学家请来，但无人能解开谜团，于是国王很放心，将这封信交给了闷闷不乐的公主。公主收到信后立刻明白了恋人的意思。她用老人教给她的“坐标系”将这个方程画了出来（见图8-1）。

图8-1

她知道恋人依旧爱着她，只是不知道他们已经阴阳相隔了。

这就是数学史上著名的“心形线”。故事中的公主叫克里斯汀，老人叫勒内 ·笛卡儿（1596—1650），这个坐标系叫“笛卡儿坐标系”。只是这个故事是后人编的，就像人们宁愿相信伽利略真的爬上了比萨斜塔一样，故事永远都比现实生动。

笛卡儿出生于法国，比伽利略小32岁。他是一位伟大的哲学家、数学家、物理学家，但是这人有一点不好——身体不好，这大概是从娘胎就带来的。在他一岁的时候，他的母亲因为肺结核散手人寰，他也差点在某次生病时夭折。好在有父亲的悉心照料，他才顽强地活了下来，随后取名勒内（意为“重生”）。他的父亲后来再婚，他便由外婆带大。笛卡儿的身体一向虚弱，所以上学后老师允许他在床上多躺一会儿，但他并没有真的休息，他的脑海里总是翻腾着奇思怪想。这些想法能把老师甚至父亲惹毛，可能他的父亲因此不怎么喜欢他。父子之间的隔阂让笛卡儿备感孤独，而孤独是独自旅行的最好理由，成年后的笛卡儿总喜欢周游各国。

1616年，20岁的笛卡儿带着仆人加入了荷兰军队当一名军官。说是军官，实际上就是雇佣兵。当时荷兰为独立和西班牙开战，但是笛卡儿到了前线后不久，两方签订了暂时的停战协定。闲来没事，他就开始研究数学。

从古埃及开始，东方智慧与西方智慧在战争后的一次次融合让人类在代数和几何上都取得了很大的成功，但在笛卡儿之前，它们仍是两门相对比较独立的学科。几何直观形象，代数精确抽象。笛卡儿反复思考着一个问题，能否把几何图形和代数结合起来，让代数中的每个数在几何上都有意义，同时也让几何中的形与代数中的数一一对应。为此，他废寝忘食，甚至生病时都不忘思考。

据说有天笛卡儿习惯性地躺在床上思考，突然看到角落里有只蜘蛛正在结网，他一下子醒悟过来。他想如果把蜘蛛看成一个点，而把墙角看成3个数轴，那么空间中蜘蛛的位置就可以用这3个数轴的坐标确定下来；反之，如果确定了一个坐标，那么就可以确定这个点的位置，如图8-2所示。这就是最初的笛卡儿坐标系。

图8-2

根据笛卡儿坐标系，我们很容易解释一些物理现象。比如蜘蛛是运动的，当蜘蛛网上落了一只苍蝇时，蜘蛛会从中心A点跑到苍蝇所在的B点，饕餮一餐后回到中心A点上。尽管都是在AB之间活动，但是意义不同，这该如何在坐标系上表达呢？很简单，画个带个箭头的线段就行了，线段的长度表示大小，箭头表示方向，所以称之为“向量”。箭者，矢也，故而又称之为“矢量”。根据伽利略的运动相对性原理，速度自然有大小有方向，故而速度也是矢量。物理学中的速度和日常生活中的速度不是一个概念，后者在物理学中通常称为“速率”。

从古希腊开始，人类就认为物体运动有两种最基本的方式，其中一种是直线运动，另外一种是完美的圆周运动。这两种方式都被伽利略很好地继承了下来。笛卡儿曾研究过物体的圆周运动，比如拿一根绳子拴住一个小球沿圆周甩动起来，小球就会绕圆心不停地做圆周运动，但在松开绳子的那一瞬间，小球就会沿着圆周的切线方向飞走，也就是说以即时速度做直线运动去了。

这种现象并不奇怪，小球做圆周运动是因为它受到了绳子的牵引，绳子提供了向心力；松手后，小球飞走是因为绳子无法提供向心力。按照伽利略的惯性理论，小球自然会做匀速直线运动。只是有一点很奇怪，既然圆周运动需要向心力，那就不存在所谓的圆惯性。所以笛卡儿认为，在物体不受力的情况下，只有静止或者匀速直线运动这一种运动方式，所以匀速圆周运动并非是完美的，更不是匀速直线运动的归宿。

实际上，对于上述现象，伽利略绝对不会选择性地视而不见，所以他认为圆惯性只存在于天体之间，而与地球上的物体没有关系。但是这明显犯了大忌：如果真是上帝创造了世界，那么他肯定不会厚此薄彼。伽利略失去了将一种理论推广到一切物体上的机会。

笛卡儿则抓住了这个机会，可是既然圆惯性不存在，又该怎么解释天体的运行呢？他认为是“引力”。比如地球绕着太阳运动，那是因为太阳给了地球引力，引力充当地球做圆周运动的向心力。可以说笛卡儿的引力和开普勒的磁力差不多，不过那个时候人们还不急于将引力推广到所有物体，而只认为引力存在于星体之间。天体间的距离如此之远，引力又该如何作用？

在此引入贯穿本书的两个词语：Duang和Sou~。这两个象声词的含义就是字面上的含义：Duang表示无时间性的瞬间，Sou~表示有时间性的慢动作。那么引力作用无非有以下两种看法。

1.接触作用：通过其他物质传递。既然是传递，其作用过程肯定是Sou~。

2.超距作用：无需其他媒介，力是被瞬间赋予其上的。既然是瞬间，其作用过程必须是Duang。

对于天体间引力的运行方式，笛卡儿选择了第一个，那就必须为引力寻找一个传递介质，笛卡儿想到了以太。

以太并不是一个新的概念，也并不是由笛卡儿凭空杜撰的，早在古希腊时代就有。以太在古希腊语中大意指的是青天或者上层的空气。亚里士多德认为构成物质的元素除了水、火、土、气之外，还有一种叫以太的元素。亚里士多德等古希腊的先哲们不仅认为神是存在的，而且认为神也会像人类一样需要呼吸，而神呼吸的“空气”就叫以太。以太弥漫在整个太空中，所以亚里士多德认为“自然厌恶真空”。因为与神相关，所以，以太从一开始就具有一层神秘的色彩；可能是神学界也无须向人们展示神仙的“真人秀”，所以，以太并没有太多研究的必要性和市场。以太一直被尘封在魔盒里，直到笛卡儿把它打开。

笛卡儿认为宇宙中弥漫着以太，太阳把以太扭曲得像个漩涡，地球就处在旋涡中的一个点上，就像搅动水桶里的水形成一个旋涡，而水上漂着的物体就会跟着旋涡转动起来。只是有个问题，如果笛卡儿的理论是正确的，那么天体的运行将不符合开普勒的第二定律和第三定律。不过在笛卡儿所处的时代，应该还没有人意识到这一点。

相对于数学和物理学，笛卡儿的哲学思想则更为重要，体现在他为人们提供了一种“授人以鱼不如授人以渔”的方法上。他在他的名著《谈谈方法》中建立了4条规则，我们以伽利略的小球实验试浅析之。

1.绝不接受我没有确定为真理的东西。大意是在一切没有尘埃落定之前，我拒绝接受任何所谓的真理，即便那些是从伟大的亚里士多德口中得出的。简单地说，要怀疑一切。

2.把每个研究的难题细分为若干小部分，直到可以圆满解决为止。比如每个物体的运动是如此复杂，但是可以将其细分为几种运动的组合。

3.按顺序，先易后难，一点点由简单的研究对象上升到复杂对象。比如先研究最简单的水平运动，再考虑复杂的运动，然后把实验中小球的运动形式推广到更复杂的宇宙万物中。

4.把一切情况完全列举出来。分析问题必须彻底、全面才能得出真理。尽管伽利略得出了惯性，但是也得出了圆惯性，显然这是不够全面的，不够全面就值得怀疑，于是一二三四，再来一次。

笛卡儿倡导理性，“怀疑一切”便建立理性的出发点上。他认为怀疑应具有普遍性，比如在课堂上我们可以怀疑老师所说的，读书时可以怀疑书本上所写的，我们甚至可以怀疑眼前正在发生的一切，因为那很可能是一场梦。什么东西不能怀疑呢？思考，唯有思考，因为怀疑本身就思维活动的一种，当怀疑“我在怀疑”时，就进入了严重的死循环之中。道理大约等同于：

“喂，你在吗？”

“对不起，我不在！”

“哦，那我也不在。”

……

所以，我思故我在。

这是笛卡儿一生中说过的最经典的话，也是他整个哲学体系的出发点。从字面上理解，我思考，所以我存在，但这种解释就像把“How old are you”翻译成“怎么老是你”一样望文生义。笛卡儿不否认每个物体都有其特定的客观本质，问题是该怎么认知到物体的本质呢？思考！思考的主体是什么？“我”！所以“我”必须存在。这话名言大致上是说主体与客体的认知关系，只是它有时被强行扣上了“二元论”“唯心主义”的大帽，于是笛卡儿成了我们第一印象中的“反面”，这或许是一些物理教科书里很少提到他的原因吧。

什么是哲学？可能至今也没人能下个精准的定义，但是谁都不会怀疑哲学是写给人看的，而不是给阿猫阿狗桌子板凳看的。站在这个角度，笛卡儿的思想就非常正确了，因为同一个事物在不同的人看来有不同的认知，就像西方谚语说的“一百个人眼中有一百个哈姆雷特”，那么哪个才是客观上的哈姆雷特呢？可能莎士比亚甚至哈姆雷特自己都糊涂了，所以认知一个事物时就必须把“人”的因素考虑进来，而不能脱离主体遑论客体是多么客观。

笛卡儿的哲学思想具有划时代的意义，一方面摆脱了经院哲学的盲目教条主义，转而推崇理性；另一方面开启了哲学的新思潮，为后来的哲学奠定了良好的基础，所以后人称他为“近代哲学之父”。

这位伟大的人物终于敌不过羸弱的身体，于54岁时去世。他暮年那段 “忘年恋”的真相是这样的：1649年冬天，笛卡儿旅游到北欧的瑞典，瑞典年轻的女王（不是公主）很喜欢他的课（哲学课，非数学课），而且上课时间必须是从早上5点就开始。在正常情况下，这个时间笛卡儿正躺在床上思考问题，为此笛卡儿不得不改变自己的生活习惯以迎合女王。第二年，他因严寒感染肺炎去世。

此时，我们仿佛听到一曲悲怆而又壮怀激烈的背景音乐，而在壮怀激烈中，我们又仿佛看到一艘满载星辉的大船正在扬帆远航！

第九回 浅谈微积分

伽利略和笛卡儿去世后，资本主义开始兴起。当人们的思想不断受到启蒙后，罗马教廷在内忧外患中成了重灾区，对自然科学的打压也算是强弩之末了，尤其是那些山高皇帝远的地方，比如远离欧洲大陆的英格兰。在伽利略去世的同一年的圣诞节，上帝又为人类送来了另一位天才科学家，并把他的出生地选择在英格兰。

艾萨克·牛顿出生于1642年的圣诞节（儒略历，加上10天等于格里历，所以也可以说牛顿是在1643年出生的。当时欧洲大陆采用格里历，但是英国仍然采用儒略历）。这位天才的出生并不是顺风顺水，他在娘胎里待到4个月左右时，他的父亲就去世了，到了7个月，他就出生了。如果说是为了赶上圣诞节，那绝对是一个玩笑，因为这冒着天大的危险，牛顿生下来大约才1.35千克，连正常婴儿体重的一半都不到。这个可以放到1夸脱（约1100毫升）杯中的孩子，在所有人看来夭折不过是早晚的事，然而牛顿顽强地活了下来，并且坚强地活到了84岁，在当时的物理学界算是高寿的了。

牛顿的母亲后来再婚，所以年幼的牛顿和他的外婆一起生活。即便到了少年时期，也看不出牛顿有什么特别之处。他的学习成绩平平，只是动手能力很强，时常做一些小物件，比如著名的“牛顿的风车”。牛顿长大后，他的母亲一直希望他安分地做个农民。在这一点上，牛顿肯定让她失望至极。12岁的牛顿选择上一所皇家中学，由于路途遥远，他借宿在一个老师家里。虽然当时哥白尼、开普勒、伽利略、笛卡儿等人的学说和书籍都已经开始流行，但教科书永远要晚于时代潮流，那时候的中学教的还是亚里士多德和托勒密的那套理论。牛顿借宿的老师家中有颇多藏书，正好弥补了这一缺憾，让牛顿产生了很多奇妙的想法。请原谅我的八卦，似乎我对此时牛顿的个人情感比对他的想法更感兴趣。他在老师家中邂逅了老师的一个女儿，并对她产生了爱慕。这个女孩可能是牛顿一生中唯一爱恋过的女人。

由于生活拮据，失望的母亲一直没有打消让牛顿务农的想法。她让牛顿回来照看农场，可是牛顿放牛牛跑，看猪猪丢，唯一不跑不丢的就是手里的书。牛顿的神父舅舅发现了这一点，他认为外甥是块璞玉，并决定送他去大学里雕琢一番，另一方面也是为了缓解牛顿与其母亲的关系。

19岁的牛顿告别家乡，前往剑桥大学深造。人生总得有个小目标，只是牛顿的小目标比挣1亿元人民币还要大。在大学的4年里，他把一生想要干的事情都列在纸上，每一个都是当时最复杂的难题。1664年牛顿毕业，正当他想大显一番身手时，欧洲爆发的黑死病把他打回了原籍。他待在乡下躲避瘟疫，成了无职待业的闲杂人等。赋闲在家的牛顿并没有闲着，实际上他也没有办法让自己闲下来，说得好听点叫职业精神，不好听的话，我想可能叫“强迫症”。

总之，他的大脑就像浩瀚的星空，灵感就像划过天际的流星，在转瞬即逝间便可将整个星空点燃。1665年5月划过他大脑的那颗流星可以称为“流数术”，即微积分。

微积分，高等数学入门必修科目。一听到这个名字，总是让人想假装四处看风景。实际上，佶屈聱牙并不是微积分的本意，在精神层面上它很平易近人。下面试推演一二。

先用微分求速度大小。什么是速度？顾名思义，速度是描述物体运动快慢的物理量。在测量上，可以先测物体在一段时间（t）内经过的距离（S），那么速度v=S/t。然而这只是物体在t时间内的平均速度，即时速度该如何表达呢？在微积分之前，没有答案，除非该速度是匀速的或者匀加速的。

假设有个小车在公路上行驶，根据路况，小车的速度不断发生变化。如图9-1所示，可以测量小车在一段时间内的平均速度：v=∆S/∆t。

图9-1

假设∆t逐渐减小，直到接近于零时，记∆t→0，同样∆S→0，那么∆S/∆t就是t1（或t2）点的即时速度，记为v=dS/dt。用现在的知识解释，该式表示曲线上某点的斜率，微分可以简单总结为用于描述变量的变化快慢。

反流数（积分）该怎么解释呢？试用积分规则求一个不规则形状的面积——笛卡儿的心理面积，看看传说中的笛卡儿对公主的爱有多深。

不规则图形的面积不能直接计算，但是可以用规则图形（长方形）去切割。如图9-2所示，当N=1时，误差很大；当N=6时，误差就小得多了；继续切割，N的数值也越大，到底有多大呢？无穷大，记为N→∞，此时就能没有误差地计算出不规则图形的面积了。只是有个问题，当N→∞时，每个长方形的宽度趋近于0，也就意味着每个长方形的面积趋近于0。在这个实例中，可以简单总结为：点没有长度，但是有长度的线可以看作是由点组成的；线没有面积，但是有面积的面可以看作是由线组成的；面没有体积，但是有体积的体可以看作是由面组成的。一个不多，十个就不少了。不过N不能以某个具体数字衡量，它会很大，到底有多大？只能说很大很大，就像没有人能说清爱到底有多深一样。

图9-2

看官，也许你会问：这合规矩吗？物理学又不是政治，即便他强如牛顿也不能说行就行，不行也行。比如咱们学习除法时，第一要义便是除数不能为0，然而在微分中∆t→0，∆S同样也会趋于0，难道0÷0还有意义吗？同样，在积分中无论怎么切割，永远都是一种近似。

对于一些基本的自然现象或者算术问题，如果我们对此产生怀疑，那么请相信古希腊人肯定也会有同样的疑问。实际上微积分的思想起源很早，比如在古印度、古代中国，它们大部分都来源于圆面积计算，即圆周率计算。中国古代数学家刘徽（约225—295）就采用了“割圆术”，伟大的祖冲之（429—500）更是将圆周率π精确到3.1415926和3.1415927之间。不过，似乎只有古希腊人对割圆术的严谨性产生过疑问。他们称上面的∆t为无穷小量，称N为无穷大量（1/N为无穷小量）。无穷小量的正确性引发了上千年的讨论，其中就包括古希腊的阿基米德以及后来的开普勒、伽利略和笛卡儿等。

再引入一个古希腊很有名也很有趣的悖论：阿喀琉斯追乌龟。

阿喀琉斯是古希腊神话中的人物，他以善跑著称。公元前5世纪，古希腊哲学家芝诺（公元前490—前425）提出了阿喀琉斯和乌龟赛跑的问题（见图9-3）。

图9-3

假设乌龟在前方1000米处，阿喀琉斯在后，他的速度是乌龟的10倍。显而易见，如果阿喀琉斯不在路旁睡觉的话，他将在1000/9这个时间点赶上乌龟。然而芝诺认为如果像下面这样计算，阿喀琉斯永远也赶不上乌龟。

第一次计算：当阿喀琉斯跑了1000米后，乌龟向前跑了100米，乌龟在前。

第二次计算：当阿喀琉斯跑了100米后，乌龟向前跑了10米，乌龟还在前。

第三次计算：当阿喀琉斯跑了10米后，乌龟向前跑了1米，乌龟还在前。

第四次计算：当阿喀琉斯跑了1米后，乌龟向前跑了1/10米，乌龟还在前。

……

第N次计算：当阿喀琉斯跑到上次（第N-1次）计算时乌龟所在的位置时，乌龟又向前跑了一点距离。由于N可以无限计算下去，所以阿喀琉斯永远也赶不上乌龟。

这个悖论的哲学意义远大于物理意义，演变到数学方法上，即连续的量可否用离散的切割方式进行计算？牛顿在总结前人经验的基础之上，认为可以并采取了这样的方案，从而发明了微积分（流数术），极限的概念也应运而生。比如无穷小量∆t，可以看出其极限是0，但是比0大，却永远小于任何给定的数值，也就不存在所谓的0÷0了。如果牛顿的命题成立，那么阿喀琉斯追乌龟的问题就迎刃而解了：芝诺给出的阿喀琉斯追乌龟的时间表面上看是“永远”，而实际上，这个“永远”根本就没多远，只是以1000/9这个时间点为极限的障眼法而已。

在牛顿成名之后，极限问题一直受到当时很有名望的人（比如英国的红衣大主教）的猜疑和指责。到了1851年左右，德国著名的数学家魏尔斯特拉斯（1815—1897）终于给出了极限的数学定义，微积分也从边应用边怀疑走向了可以严格表达的一门数学方法。

微积分在科学史上有着不可替代的作用，而牛顿在数学方面的成就远不止这些。他还发明了二项式定理、插值法、概率论等。如果将这些作为单选项，其中任何一项便足以让其名留青史。所以，有学者认为假设有人要为人类历史上的数学家排座次，如果前三名中没有牛顿，那也是不科学的。

大约在1665年之后的20年内，德国人莱布尼茨（1646—1716）也声称发明了微积分，他的出发点是对几何的计算，并使用现在通用的“dx”和“∫”符号。但是牛顿坚持认为自己是微积分的唯一发明者，并且宣称莱布尼茨剽窃了他的成果，只是换了副面孔而已。大家众说纷纭，莫衷一是，究其原因可能始于莱布尼茨在发明微积分之前曾经到英国访问过，并看到当时已经成名的牛顿的一些手稿，不过手稿中包含微积分与否现在也成了无头公案。即使他看到过，莱布尼茨的出发点是几何计算，而并非源自动力学。总之，牛顿发明微积分是无可争议的，而莱布尼茨是第一个发表微积分的人。按照现在的游戏规则，发明权当属莱布尼茨无疑。此外，就算莱布尼茨是“剽窃”，也不能忽略他对微积分的贡献。

在一场场争吵中，莱布尼茨受到了不少非议和指责。很多英国科学家介入了这场争论，他们本能地站在了牛顿这边，然而辩论不是靠人头取胜的，所以他们倒也没把莱布尼茨怎么样，反而排斥德国乃至欧洲大陆的科学发展……这些都是很多年后的事情，而此时——公元1665年，牛顿还是一个思想极其活跃、在乡下避乱的闲杂人等，还有很多故事要讲述。

第十回 力学三大定律

从1665年5月到1666年11月，掐指一算约为18个月。虽然在这一年半左右的时间里，牛顿没有公开发表任何理论，但是从他的回忆和日记来看，他无疑让人类的认知向前迈了一大步，所以后人把1666年称为“牛顿年”或者物理学的“奇迹年”（也有人认为是1665年）。在众多理论中，流数术不过是沧海一粟。

那时候，光透过三棱镜会形成彩虹般的颜色已是众人皆知，但是并没有什么实际用途。三棱镜一直都被用在魔术表演上，所以很多人都认为这只是魔术师的一个把戏而已。牛顿认为三棱镜不单是把戏那么简单，因为三棱镜呈现出的颜色和他的一个新思考如出一辙：他曾尝试用一个带小孔的物体挤压自己的眼球，眼前出现了彩虹般的颜色。这个实验差点让他失明，看来天才不仅靠勤奋，还得拼命。

1665年的夏天，牛顿经常把自己关在封闭的小屋子里，只留一个小孔，太阳光从小孔中直射进来。当阳光透过大的三棱镜时变得五颜六色，但是当其中一种颜色的光再通过另外一个小三棱镜时，没有出现更多的颜色。牛顿得出结论：白光是复合光，是由通过三棱镜的那些单色光组成的。

这个后来被称为“色散”的现象早已经写进了现在小学甚至幼儿园的教材里，然而在那个年代，单凭这个观点写一篇论文就足以获得博士学位了。牛顿实际上已经是当时世界上最前沿的数学家和物理学家了，只是还无人知道而已。

在把玩了三棱镜之后，牛顿又一次发挥了他强大的动手能力。经过反复的思考，牛顿发明了一种新的望远镜（见图10-1）。这种望远镜居然不需要很多凹面镜，也不需要很多变形的透镜，完全靠的是光的反射，所以称之为反射望远镜。

图10-1

前面说过，伽利略和开普勒都独立发明了望远镜，但是都遇到了同样的问题——体积庞大，所以一般高清望远镜都安置在阁楼上，用于航海的望远镜都要在清晰度和大小上取个折衷，更别说随身携带了。而牛顿恰恰改变了这一点，他的望远镜很小，但很清晰，在效果相同的情况下，体积缩小到原来的1/10，这成为了航海家们的不二之选。下一个更有用的航海仪器应该叫GPS吧。这就像计算机的发展史一样，当初“胖”得连几层楼都装不下，到后来可以抬到家里，如今只需要占据书桌的小小一角。即使这样，人们还嫌它太大了，于是把它设计成可以放在手掌上、装进口袋中了。正是：旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。

再回到力学上来，牛顿发明微积分的初衷是解决在动力学问题上遇到的数学障碍。对于动力学，伽利略和笛卡儿等人算是解决了一半以上的问题，但是只是定性分析，这些正是牛顿上大学时列在小纸条上的内容。在乡下避乱的日子里，牛顿每天都强迫自己思考这些问题，我想他肯定也没少重复伽利略的小球实验。1665年，牛顿得出了著名的力学三大定律。

力学第一运动定律：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动或静止状态。该定律也称为惯性定律。

且慢！这不是由伽利略提出来后笛卡儿完善的吗？他们二位尚未解决一个致命的问题：“外力”是什么？谁也没法说清，人们尚未给“力”下一个定义。

关于基本物理量的定义，自古以来一直很令人头疼，比如最基本的物理量质量，它就像生活中一个烂熟的字，提起笔时却忘记第一笔从哪儿下手。伽利略曾在质量定义上含糊不清，牛顿也曾尝试给出了定义：物质的数量（质量）是物质的度量，等于密度与体积的乘积。但是这样定义也有问题，我们是用质量来定义密度还是用密度定义质量呢？如果都可以，那就是个死循环——先有鸡还是先有蛋？实际上，牛顿口中的密度与如今物理学中的密度不是一回事，也就不存在用质量定义质量的问题。且不管是先有鸡还是先有蛋，牛顿最终还是一锤定音地给了质量计量化的方式：“质量按物体的重量来求得，因为它与重量成正比，我经过多次极准确的实验发现了这一点。”

好吧！如果我们不能用文学的语言精准定义，那么选择用物理学的公式来表达是一个很好的途径。笛卡儿曾经提出应该有个物理量，这个物理量是物体的质量与速率的乘积（mv）——现在物理学中“动量”的雏形。几十年后，惠更斯根据小球碰撞实验发现一个很重严重的问题：笛卡儿所提出的物理量会突然减小或者增大，甚至凭空消失，换成物理学语言叫“不守恒”。由于不守恒，动量后来受到了莱布尼茨的极力反对，他认为描述物体最好的量是质量乘以速率的平方（mv2，现在所说的“动能”为），并称动量为“死力”，而称他的物理量为“活力”。这场争论也持续了百年之久，此是后话。

且不管争论，牛顿发展了所谓的“死力”，把速率改成了速度。速度是矢量，那么动量也就成了矢量。根据平行四边形准则（伽利略分解速度时用过），动量也就守恒了。

根据惯性定律，既然维持物理运动的是惯性，而力是改变物体运动状态的原因，假设一个质量为m的物体以速度v运动，在外力F作用下，速度v发生改变，这种改变和时间t有关，所以即时的改变便可描述为dv/dt（即加速度a）。在同等条件下（a不变），力F的大小又与质量m成正比，故而F可描述为：F=m×dv/dt。

力学第二运动定律：在外力作用下，动量为p的质点的动量随时间的变化率与外力成正比，方向相同，即F= dp/dt，换成中学课本中的表示方式便是F=ma。

力学第三运动定律：作用力和反作用力分别作用在两个物体上，它们的大小相等，方向相反，作用在同一直线上，且同时消失，同时存在，性质相同。

第三定律属于唯象论，即不知道内在原因，但是与大量的实验相符合。用反证法倒是可以简单地证明它，试想作用力与反作用力的大小不一致，该谁大谁小呢？同样，如果方向不在一条直线上、作用时间不相等、性质不相同，又该怎么去差异化二者呢？所以，它们只能相同。第三定律看上去似乎是句“正确的废话”，但蕴含着巨大的哲理。从古希腊以来，人们就在思考力和力之间有什么不同，最终亚里士多德一锤定音地认为力不能孤立于物体而存在，而且只能彼此接触才能相互作用，从而他认为重力和平时的推力、拉力不是一种力，重力是物质的固有属性，不可与其他力同日而语。

但是，如果我们思考如下现象，便会发现亚里士多德的谬误。假设我们向上抛一个小球，它会因为重力做自由落体运动，等它落到地面上时，它受地面的支持力作用而静止。小球对地面的压力和地面对小球的支持力是一对作用力与反作用力，而小球的压力正是来自于小球的重力。所以，在新的力学体系中，重力也是力，它并不比其他的力高人一头，尽管重力可以远距离作用。

实际上，伽利略研究动力学的出发点正是自由落体，也就是重力。可以说，他几乎肯定了重力与其他力具有同样的属性，只是不知天体间的引力该如何决断呢？伽利略并未给出很好的答案。

可以肯定的是，当圆惯性被否定之后，引力似乎是宇宙运行的唯一选择。引力和重力又有很多相似之处，二者都可以远距离作用，那么是否意味着引力和重力一样呢？请看下回分解！

第十一回 苹果的故事

在人类的发展史上，苹果宛如一位天外来客，每当故事变得枯燥时，它就冷不丁光顾一次，让整个情节又生动有趣起来。在《圣经》里，它是亚当和夏娃偷吃的禁果（书中没有明言，多数人认为是苹果，也有人认为是葡萄等）；在童话里，它把白雪公主药得沉睡不醒；在现代，它又变身电子产品，成为家喻户晓的iPhone等。在物理学中，苹果不经意地光顾了牛顿的脑袋，从而发现了新的宇宙定律。

长久以来，人们都在思考一个问题：地球上的力和天上的力是否一样？牛顿发现了力学三定律之后，这个问题也被提上了思考的日程。话说有天他在苹果树下思考，突然间一个苹果掉了下来，不偏不倚地砸在牛顿的脑袋上。就是这个苹果引发了物理学史上最有名的故事，没有之一，但故事有很多版本。

版本一：这是我的启蒙老师讲述的。牛顿被苹果砸中了脑袋之后，知道这是重力之故，他就类推，假如苹果树长到了月球上，还会不会砸中自己的脑袋呢？显然只会落到月球上，于是，他发现了万有引力。小时候自然不会对故事的逻辑性产生怀疑，只是隐隐地担心，如果苹果树长到月球上，吴刚忍得住不砍吗？

版本二：牛顿确实在姐姐家的苹果树下思考，不过苹果并没有砸到他的脑袋上，而是落在地上。牛顿知道这是重力的缘故。他想，绕地球的运动会不会也是同样的力作用的结果？第二天早晨，他看到他的外甥女拿根绳子拴住小球，当绳子甩动时，小球开始绕着手做圆周运动，这和月亮绕地球极为相似。这样看来，地球对月亮的作用力和使苹果落下的力是一种力，所以当时他称引力为“重力”。

版本三：这也是故事最初的来源，出自牛顿的一位朋友之口，据说是牛顿的外甥女亲口告诉他的（或者牛顿亲自告诉他的）。苹果落地确实给了牛顿灵感，不过没有砸在他的头上，他也没有看到外甥女玩什么小球玩具。

其他版本：根本就没有什么苹果，也没有砸中牛顿的脑袋，这只不过是善意的人们想让万有引力的发现更生动，或者恶意的人们想把这个苹果安排成上帝的旨意，在人类将要解开谜团的时候，让上帝他老人家依然保持神秘。

人们都按照自己的目的编织精彩的故事。不管怎样，如果这个故事是真的，我宁愿相信第三个版本，因为在第一个版本里，把苹果树挪到月亮上没有意义，原本就要弄清天上的力与地上的力的区别，现在又把地上的力想象成天上的力，纯属折腾。第二个版本有个硬伤，牛顿怎么会不知道向心力呢？像开普勒、笛卡儿等人怎么会对向心力置若罔闻？况且牛顿利用他发明的微积分得出了向心力的表达式F=mv2/r（m为质量，v为线速度，r为圆周半径）。

假设第三个版本是真实的，那么让我们还原一下现场，看看牛顿是怎么想的。

1.苹果落地是因为地球对它的重力作用。此时人们早已经知道，离地球越近，重力越大，重力加速度也越大，这种说法在高山上得到了很好的验证。此外，1645 年法国天文学家布里阿德（1605—1694）提出一个著名的假说：太阳对某一物体的引力和它到太阳的距离的平方成反比（F∝1/r2，这里F为引力，r为距离），自此“平方反比”模型进入了物理学。无疑这种假说对牛顿产生了极大的影响。

2.早在古希腊时代，人们就已经测量过地球半径，也测量过月地距离。月地距离大约是地球半径的60倍。如果重力对月球也有效果的话，那么应该符合向心力公式。牛顿通过多次观测、计算后发现，果不其然，地球对月球的重力加速度是地面上的1/3600左右。

所以，有理由相信地球的重力对月亮都有效。同样的道理，太阳的“重力”对地球也有效。延续几千年的问题在这一刻有了答案，牛顿用他的大脑告诉人类：天上的力和地上的力在本质上没有区别。从此，牛顿统一了“天上人间”，再次证明了如果真是上帝创造万物，那么他肯定不会厚此薄彼。我觉得牛顿之所以被公认为史上最伟大的物理学家是因为他迈向了寻找“万有理论”的第一步。

然而牛顿还有很多步要走，他还没有弄清楚引力、质量和距离三者之间符合怎样的数学关系，只能大致得出引力与距离的平方成反比，而且这种比例关系只符合圆形轨道，要知道开普勒已经计算出地球绕太阳转动的轨道是椭圆。

终于，祸乱岁凶的日子结束了。1667年牛顿回到了母校，并在第二年获得了硕士学位。他的才华很快得到赏识，他的老师巴罗为了提携这位后生，决定提前辞去卢卡斯数学教授的职位，以便牛顿能尽快上岗。最终牛顿获得该荣誉职位，而后人都为获得此职位感到无比自豪，比如霍金。

1671年，牛顿因曾经发明的反射式望远镜引起了英国皇家学会的注意。牛顿也在此时趁热打铁向皇家学会递交了第一篇论文《光与颜色的新理论》，其内容是他在乡下避乱时考虑的关于光的色散问题。且不说他主张的什么“微粒论”（认为光具有微粒性质），单说白光由其他单色光组成就足以让世人受不了了，因为当时的人们单纯地认为白光才是最纯洁的。时任英国皇家学会会长的罗伯特·胡克（1635—1703）便是这一看法的拥护者。

胡克是英国的一位非常伟大的科学家，要不然他就当不了皇家学会的会长。我们了解胡克基本上都是因为弹簧的弹性定律（即胡克定律），实际上他也是一位发明家和理论家。他曾发明、改进显微镜，同时对光也有很深的研究，坚持光的“波动说”（认为光是一种波）。但是，据说胡克的心胸不是很大，为了某项发明权和惠更斯争论了很久。所以于公于私，胡克都不会赞成牛顿关于光的观点。当胡克接到牛顿的论文时，他是这样回答的：“牛顿先生有关折射与颜色的文章我已经读过了，他研究中的优点与体现出的好奇心深深地打动了我，但是从他处理颜色问题的假设看，我还没有看到任何一条不可推翻的论证能向我证明这个理论是牢不可破的！”胡克然后用“毫无意义”给这篇论文做出了评价。

面对胡克的批评，牛顿怒不可遏地回答道：“难道我生下来就是为了讨好你的吗？你认为我反对你还不够资格？那么等你能说出‘我的水平已经不能评价你的文章’的时候再说吧。”

一个初出茅庐的小子居然对大人物这样说话，在同时期的中国（康熙十年），问成十个大不敬之罪是绰绰有余的了。可骂完胡克的牛顿居然还生气了，他表示在一切尘埃落定前不会发表任何论文，也不想成为回答别人提问的机器。和避乱的时候一样，他把自己锁在剑桥大学的一间小屋子里，把灵魂留在自己的精神世界里，宛如一个隐士。后来哈雷（1656—1742）的拜访才打破了他平静的生活，这已经是12年后的事情了。

在这12年间，外面发生了很多事。1673年，惠更斯在研究他发明的摆钟时得出一个计算公式；不久以后，法国的一位学者拿着精准的时钟往返于巴黎和赤道时发现钟摆的周期不一样，从而论证了平方反比概念。此时，英国很多物理学家（比如胡克、哈雷等人）都隐隐约约地感到天体引力与距离的平方成反比的正确性，但是无法用数学方法将其应用到椭圆轨道上，为此胡克于1679年还写信给牛顿请求帮助。此时的牛顿早已把天体引力的问题放到了一边，胡克的几封信再次激发了他的兴趣。他通过计算得出引力、椭圆轨道和实际现象之间的协调性，并从基本的力学角度分析得出引力理论的正确性。

不过，此时高傲的牛顿并没有给胡克回信，否则就不会有1684年的故事了。

1684年，哈雷突然来访，问了牛顿一个问题。

他说：“要是引力和距离的平方成反比的话，那么行星的轨道是什么样子？”

“椭圆。”牛顿回答道。

哈雷大吃一惊，问：“你怎么知道的？”

“我算过啊。”

哈雷便向牛顿索要手稿。

牛顿说：“太乱，找不到了，我再算给你看看吧。”

于是牛顿重新计算了一遍给哈雷看。哈雷喜出望外，若干年后，他用这种方法精确预算了一颗彗星——哈雷彗星的回归时间。

在此后的两年里，牛顿用微积分计算出引力和物体的质量、距离之间的关系公式：

F=Gm1m2/r2

牛顿用它解释了很多复杂的问题，比如潮汐就是海水受到月球的引力导致的。从这个角度来看，该公式并不仅仅存在于天体之间，而是存在于万物之间，它应具有普适性，所以称为万有引力公式。

在哈雷的鼓励下，牛顿写了本改变人类历史进程的著作《自然哲学的数学原理》（以下简称《原理》），时间是1687年。写完后，英国皇家学会没经费将其出版，还是哈雷资助出版的。该书一经面世便引起了非常大的轰动，上流社会人物皆以结识牛顿为荣。应酬多了，这可能是牛顿后来在科学上没有太大进步的原因之一吧。

牛顿的数学是为哲学服务的，所以叫“自然哲学的数学原理”。谈到哲学就必须面对一个恒久的话题——时间和空间。牛顿认为时间就是时间，空间就是空间，不与任何事物产生关系。换言之，不管测量与否、有没有人类甚至有没有地球，时间、空间照样存在，而且一成不变地走下去。可是俗话说，当你有两块表时，你就不知道时间了。这又该怎么解释呢？牛顿认为那只能怪衡量时间的仪器（钟、表）不准确了。同样，空间也是如此。时间和空间之间也没有任何联系，它们都是绝对的，这称为“牛顿绝对时空观”。

牛顿的成功意味着亚里士多德体系最终被取代，但不代表上帝也被赶出了物理学。虽然牛顿将宇宙的第一动力归于万有引力，但是最终又回到上帝身上。有人说这是因为牛顿是一位虔诚的教徒，也有人说这是由牛顿的性格决定的。

第十二回 牛顿与上帝

对于宇宙的第一动力，亚里士多德认为是上帝，牛顿认为是万有引力，但是牛顿没有否定上帝。另外还有几个更主要的问题一直悬而未决，下面列举一二。

第一个问题：引力的作用距离。笛卡儿认为引力是接触性的并引入了以太，而牛顿虽然对以太不置可否（有时明确反对），但是他认为引力作用是超距的，所以引力和以太没有关系。究竟孰是孰非？根据笛卡儿的以太旋涡学说，地球长时间处于以太旋涡中会变成中间（赤道）瘦两头（南北极）尖，就像搓丸子一样；而根据牛顿的万有引力理论，地球中间部位所受的力要大，所以中间要肥，两头更圆，就像揉面团一样。

1735年，法国国王路易十五命令巴黎科学院测量地球的形状，证实了牛顿的预言，向来高傲的法国人终于向英国人低下了高贵的头颅，引力的超距作用也成为了主流，但是超距作用是怎么回事呢？引力又是如何产生的呢？两个物体又是怎么知道对方存在的呢？比如，太阳怎么知道地球的位置而去吸引它呢？牛顿没有答案，但也没有将此推给上帝，他申明要留给后人思考。现在我们知道对于该问题的成功诠释要归功于200年后的爱因斯坦（1879—1955），这也是爱因斯坦能与牛顿相提并论的原因之一。

第二个问题：宇宙坍缩。1692年，正当《原理》走红时，有位叫本特利的神父给牛顿写信道：当所有的星体相互吸引时，宇宙将会坍缩，最终会被吸到一起，但是宇宙却是平衡的（当时人们认为宇宙是永恒不变的）。这便是历史上著名的本特利悖论。本特利将这个问题延伸到上帝身上，他在信中询问牛顿这是否意味着上帝的存在？每当宇宙因为万有引力而收缩到不可逆时，上帝就轻轻地拨弄一下或者哈一口气，让宇宙恢复到原来的形状。这就像摆钟走慢了，要人为地转动一下法条才让它继续运转。

对上帝虔诚的牛顿回信道：首先他不否认上帝的存在，但是他认为上帝在创造完宇宙之后就不再参与宇宙的运作了，因为上帝已经制定好了规则，宇宙按照上帝的规则运行就可以了。以地球为例，虽然它受到太阳的引力作用，但是同时也受到其他星球的引力作用，从而导致受力平衡。只是这种平衡态非脆弱，稍微扰动一下，就会按几何指数坍缩下去，所以牛顿的平衡解释很牵强，也无法从根本上解释本特利悖论。

第三个问题：自转的初始化。这个曾困扰伽利略的问题在万有引力理论出现之后有了答案：假设地球上有个质点，当地球静止时，万有引力等于质点所受到的重力，当地球运动时，重力则不一定等于万有引力，因为万有引力还要分出一部分作为质点的向心力。只有当质点处于南北极点时，重力才会等于万有引力（见图12-1）。既然有向心力，为什么人们却感受不到呢？那是因为这个力非常微弱，以至于我们处理问题时都将地球的引力等同于重力。但当这个质点是一股洋流时，向心力就不能完全忽略了，那便是传说中的“洪荒之力”。

图12-1

所以，如果我们能在太空中放上一个小球，并给它一个转动的初速度，它就会一直转下去，这和圆惯性无关。问题是谁给了地球自转的初速度呢？牛顿曾将其解释为：“上帝踹了一脚。”这可能是他在百思不得其解后的戏谑之言。认真也好，戏谑也罢，在诸多问题没有水落石出之前，牛顿认为“上帝存在”并不是矫情，而是一种必然。

再说点关于牛顿的故事，牛顿本人的传奇似乎比他的学说还有吸引力。

在一个讲究道德高于能力的社会里，牛顿往往被渲染成“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的斗士，其终身未婚便是最好的明证。牛顿的心中是否有“天下为先”的思想，我们已经不得而知了。即便有，我想终身未婚也不能成为佐证，因为爱情婚姻不像学术——有能耐一个人就能搞定，结婚谈恋爱的最低配置是起码有个对象。当时，谁家姑娘敢嫁给一个一言不合就冷嘲热讽的自大偏执狂呢？对于牛顿的成就，也许瞬间可以想到100个褒义词来形容，对于他的古怪性格总能在瞬间想到101个贬义词。

当牛顿出版伟大的《原理》的时候，胡克就告诉他：“我才是万有引力的创始人。”（胡克应该在信中提到过引力适用于万物的观点）。牛顿却讽刺他是一个糟糕的数学家（估计胡克不会微积分吧，也不会计算出什么椭圆轨道）。此时哈雷也出来打圆场，让牛顿在《原理》一书的序言中顺带提一下胡克的名字即可。牛顿却把书中凡是和胡克及其理论有关联的地方全部删除了，并告诉胡克：“如果我看得远，那是因为我站在巨人肩膀上的缘故。”

这句看似自谦的话被无数次引用过，在中国也能很好地和传统文化中的温良恭俭让结合起来，但是明显背离了故事的逻辑。这里的巨人应该包括哥白尼、开普勒、伽利略和笛卡儿等，肯定是不包括胡克的。实际上，他是在嘲笑胡克的身材矮小（据说胡克身材十分矮小）。

在牛顿出生的时候，人们都以为他命不久矣，没想到他活到八十多岁。在这八十多年里，他干了很多科学之外的事情，下面列举一些。

1.他曾主持过货币重铸工作，提出“金本位”思想，为后世经济学做出了卓越的贡献。

2.晚年的牛顿一直致力于研究炼金术，可能因为他自己都不信，也可能因为他认为当时的人们还不足以理解他的预言，所以他把手稿藏到柜子里，两百年后才被发现，然而这些对于物理学的意义远远小于对历史传记的意义。

3. 1705年，牛顿被安妮女王册封为爵士（骑士爵位），虽然是最低等级且不可世袭的，但是他是历史上第一位因科学而受封的科学家。

4.就算牛顿的爵位能世袭，也无法传给下一代，因为他终身未婚。晚年的他被另外一种幻觉折磨着，他认为很多人都在嘲笑他是个处男，于是捕风捉影地攻击他人，莱布尼茨、胡克不过是其中之二，他以前的很多朋友纷纷因此和他绝交。在当上皇家学会的会长之后，牛顿首先对胡克开刀，将胡克所有的画像销毁殆尽，以至于现在都不知道胡克的相貌。对于莱布尼茨，他的一个助手写了有板有眼的檄文加以声讨，现在人们大多认为这篇文章是牛顿本人所写的，只不过请了个托儿发表而已。牛顿对于与他无冤无仇的晚辈的批评也不留余地，所以一位年轻的皇家学会会员哭丧着脸说，也只有哈雷才能和牛顿聊到一起（实际上，牛顿非常尊重哈雷）。

不过一切都已尘归尘、土归土，若干年后的今天，牛顿的坏脾气只是人们茶余饭后的谈资，而每个人都在享受着牛顿带来的实惠。1727年3月31日（格兰历），牛顿溘然长逝，他被埋葬在威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着“人们为此欣喜：人类历史上曾出现过如此辉煌的荣耀”。而他生前的另一句名言也值得回味：“我好像一个在海边玩耍的孩子，不时为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全未探明的真理之海。”

牛顿敬畏的只有未知的宇宙！

第十三回 有趣的天文测量

牛顿的成功让人们看到了宇宙新的运作方式，人们遇到新的问题尤其是在天体和力学方面时，都会首先在牛顿体系中找到答案，比如日食、月食等。当宇宙变得不再神秘时，科学家所做的工作似乎只是“补遗”，比如计算一下地球、太阳等星体的距离、大小和重量。

要想知道一个东西的重量，用秤称是首选。东西小用小秤称，小秤精确；东西大用大秤称，大秤量足。当物体大如一头大象时，砍一棵大树做秤杆肯定是不明智的，用“曹冲称象”法最好不过了。而当这个“东西”是地球时，怎么办呢？好吧，找牛顿，因为人类实在找不到一个和月亮一样大的秤砣了。

再次引入万有引力公式：F=Gm1m2/r2。

若已知地球上某个物体的质量，那么也能确定小球所受的地球引力，现在只需要知道地球的半径（因为小球的中心到地面的距离完全可以忽略不计）和万有引力公式前面的那个G，就可以计算出地球的质量了。

G不仅不大，而且简直小得可怜。所以，在地球上找不出一个物体因为万有引力而跟着另外一个物体运动的情况，否则宇宙早就不存在了。如此微小，稍有不慎，就会失之毫厘，谬以千里了。一晃牛顿都去世70多年了，人们还在为G值的测量而犯愁。

话说有个年逾六十的白发老人，他叫亨利·卡文迪许（1731—1810），出生于英国的一个贵族家庭。他生性内敛，有些木讷，不喜欢与人交流，一辈子没有结过婚。人们感觉他的嘴巴只有在吃饭、打哈欠等必要时才会张开。他的朋友曾评价说：“没有一个活到80岁的人一生讲的话像卡文迪许那样少了。”他和社会上的其他公子哥有些不合群，一心只喜欢看书，却不怎么喜欢收拾书房。

有一天，有位朋友给他介绍一个老人帮他打理书房，卡文迪许欣然接受。日子就这么平淡地过去了。半年后，他的朋友实在忍不住对他说：“那位收拾书房的老先生日子过得挺拮据的。”

卡文迪许茫然地看着他说：“那我能为他做点什么呢？”

他的朋友说：“如果能付点工资，那就最好了。”

卡文迪许恍然大悟，赶紧签了张支票递给他的朋友，说道：“多少？两万英镑够不够？”

他的朋友惊呆了。要知道几乎和他们同时代的《傲慢与偏见》的主人公达西一年的收入也不过5000英镑，那可是一位拥有庞大庄园的大富豪。纵然小说总有虚构成分，而现实中的《傲慢与偏见》的作者简·奥斯汀小姐的版权收入也只有100多英镑。有趣的是，正是这位连两万英镑都多少有点搞不清的老头居然搞清了一个大小只有几百亿分之一的数字，而且用的实验方法简直让人拍案叫绝，在整个科学实验史上都算得上头一份。

当时卡文迪许的教授朋友们也在研究这个问题，他们设计了扭秤，但一直没有得出结果，因为扭秤转动的角度实在小得无法测量。卡文迪许借鉴了扭秤实验，但是工作还是一筹莫展。有一天他在街上闲逛，看见几个小孩用镜子反射阳光做游戏。这个游戏连猫都知道，因为猫经常是游戏中的主角，孩子们手中的镜子轻轻一动，猫就跟着镜子反射的光跳跃。其原理也很简单：放大而已。他突然间想到一个绝妙的办法，这就是著名的扭秤实验（见图13-1）。

图13-1

为了完全摒弃外界的干扰，他把实验安排在一个密封的房子里进行，通过望远镜观测标尺的刻度，再通过一系列的角度计算得出：G=6.67×10-11。这个精确的数值在未来89年都没有被人超越，与目前的公认值只差百分之一。

要计算地球的质量，还差一个地球的半径，然而这个问题早就不是问题了，因为早在公元前200多年人们就已经知道这个数字了。

埃拉托色尼（公元前275—前193）出生于今天的利比亚（那个时候处于希腊文化统治之下）。他被称为“地理学之父”，主要是因为他对地理学和测地学做了很多贡献，而且测量出了地球的半径。这是人类第一次测量出地球半径的大小。

当时他住在埃及的亚历山大港，听人说一个叫赛伊尼的城市中有一口很深的井，每年夏至那天的正午，太阳能够一直照射到井底。也就是说，在这一天的正午，太阳位于这口井的正上方，过了这一天，太阳就照不到井底了。这说明夏至那天太阳光线与地面垂直，也就是说可以延伸到地心。而在这一天，亚历山大港正午的太阳并不是垂直照射的。他将一根长柱垂直立于地面，测得夏至那天正午亚历山大港太阳的入射角为7.2度（见图13-2）。于是他肯定：7.2度正是亚历山大港和赛伊尼两地与地心连线的夹角。根据这个数值和两地间距离的估值，他求得地球的周长为25万斯台地亚（相当于39816千米）。这个数值已经很精确了。

图13-2

到了近代，人们曾更精确地测量地球半径，卡文迪许利用现成的地球半径值，轻而易举地算出地球的质量为：M=5.9×1024千克。

有了地球的质量，再要计算月亮、太阳的质量，就得测算地月、日地的距离。地月距离相对于日地距离近得多，比较容易测量。古希腊的阿利斯塔克曾尝试通过月全食进行测量（见图13-3）。

图13-3

计算出月全食的时间和月亮进入影子的角度，便能测量地月距离，只是阿利斯塔克测量的数值误差很大。人类历史上第一个比较精确地测量地月距离的人是喜帕恰斯，他沿用了阿利斯塔克的方法，只是在两地同时观测，再通过一系列的角度计算得出地月距离是地球半径的60倍左右，这与现代测量的结果十分接近。

喜帕恰斯还尝试通过日全食测量日地距离，可惜他完全低估了二者之间的距离，最终只得出日地距离是地月距离的12倍（实际上约为390倍），与现代测量的结果相去甚远。

在利用电磁波之前，人们主要通过视差法测量天体距离（见图13-4）。视差法的应用在生活中十分常见，比如睁一只眼闭一只眼看同一个物体，此时会感觉物体在移动。如果能测算出两只眼睛分别看物体的角度，便能测出物体到鼻梁之间的距离了。

图13-4

同样，当我们仰望天空时，在地球上的不同地方观测也会有视差，只是当天体离地球太远时，视差会很小，那样直接测量就不准确了。这也是喜帕恰斯等人测量数据不精准的原因所在。

既然不能直接测量，那就间接测量。根据开普勒第三定律，如果测出了地球到某个行星的距离，就能得出日地距离了，如图13-5所示。

图13-5

第一个比较精准地测量日地距离的人是意大利天文学家卡西尼（1625—1712）。他利用1672年的火星冲（虽然和月食差不多，但是地球的影子完全照不到火星上，所以不存在“火食”一说）在巴黎和南美洲两地分别观测火星，经过一系列的三角计算，得出火星视差，进而求出日地距离约为1.39亿千米。卡西尼的成功告诉人类：太阳远比我们甚至哥白尼想象的都大得多。

几乎与此同时，哈雷提出了一个更好的测量日地距离的方案——金星凌日法（见图13-6）。金星凌日即金星带来的日食，只是金星离地球太远，它“吞”不下太阳，只能在太阳上留下一个小黑斑。但和伽利略发现的太阳黑子不一样，这个小斑点会较快地移动，而黑子只能随太阳自转移动。如果在两地观测小黑斑，会得出不同的运动路径，再计算两条路径的有关时间、角度等，就能计算出金地之间的距离，进而推算出日地距离。

图13-6

虽然该方法是由21岁的哈雷（1677年）提出的，但是他算了一下，发现下次金星凌日发生时他已经106岁了。他断言自己活不了那么久，很遗憾看不到人类这一壮举。果如哈雷所料，在他106岁时（1761年）发生了金星凌日，可是那年金星凌日时的两条黑线路径都接近太阳边缘，无法测量。直到8年后，人类终于再次成功地测得日地距离约为1.49亿千米，很接近现代的数值。

等等！不是说好了，地球等行星的轨道是椭圆吗？这些数值指的是什么呢？通常情况下说的日地距离、地月距离都是指平均值。天文学的数值动辄巨大，所以地球到太阳的距离差个千儿八百千米是没有任何影响的，反正也没人打算打车到太阳上去。

第二部分 电磁学

第十四回 静电学简史

牛顿之后，在人类已知的力中，磁力和静电力问题尚悬而未决。二者和万有引力倒还有几分相似——都可以远距离作用。那么是否意味着磁力、静电力和万有引力一样呢？静电力是否也具有如万有引力一般的计算公式呢？再往大处说，牛顿的力学体系能否继续支配整个宇宙呢？

故事还得从另外一个扭秤实验说起。

法国物理学家库仑（1736—1806）做过类似于卡文迪许扭秤实验的实验，虽然都是用扭秤来做实验，但是库仑的灵感来源于法国政府悬赏改良航海用的指南针。当时，指南针由于摩擦力的缘故会出现不准确的情况，库仑发现用头发丝把磁针悬挂起来会减小磁针与转盘的摩擦力，这样就会更加精确。他还算出转动角度和扭力成正比，确立了弹性扭转定律，再根据这些比例关系做了静电力的扭秤实验（见图14-1）。

图14-1

其结果是带电小球之间的吸引力可以用以下公式表示:

F=KQ1Q2/R2

这哪里是撞衫嘛，简直就是撞脸！因为和万有引力计算公式的形式一样，人们也就不会怀疑静电力的超距作用了，牛顿的力学体系在此仍然有效。

库仑的实验比卡文迪许的实验要轻松一点，毕竟电荷之间的吸引力比万有引力大多了，所以不需要细微的刻度，不过同样设置精巧，库仑需要将实验装置放入真空玻璃罩中。现在看来，在均匀的空气中也能得到同样的答案，但是库仑这样做是有道理的，因为要论证静电力的超距作用就必须排除介质的干扰，空气也在其列。

库仑再开心不过了，能和史上科学巨星牛顿相提并论是多么幸运的事，此时他对电和磁提出一些观点就显得举足轻重了。当他被问到静电和磁场之间有什么瓜葛时，他继承了先人的理论，十分坚定地认为没有瓜葛。这个草率的回答让后人伤透了脑筋。

1785年，库仑提出著名的库仑定律，静电学被划分成两个时代，即早期的定性时代以及库仑以后的定量时代。

早期有多早？我们还要回到那个什么都有思考源头的古希腊时代。

公元前600年左右，古希腊米利都学派的祖师爷泰勒斯（约公元前624—前547）曾研究过磁和静电现象。有一天他本打算继续研究磁，一不小心他的丝绸衣服碰到了琥珀，他发现摩擦过的丝绸衣服也能像磁铁一样吸引一些细小的颗粒状物体，于是把这个现象记录了下来。现在琥珀不常见，但是中学教科书中仍然坚持用“丝绸摩擦过的琥珀带负电”来举例是有历史原因的。

转眼已千年。公元1601年，英国女王伊丽莎白一世的老御医威廉·吉尔伯特（1544—1603）重复了泰勒斯的实验，他试图寻找还有哪些可以摩擦起电的物体，最终他将能带电的物体称为“摩擦起电物体”，把摩擦不起电的物体称为“非摩擦起电物体”。

吉尔伯特根据希腊文“ηλεκτορν”（琥珀）创造了英文中的“electric”（电）一词，从此“电”有了专属名词。汉字只能增加词汇，不能增加字，如果增加了，就叫错别字。我们的“電”来源于天上的风雨雷电。

后来，吉尔伯特将电与磁现象写到了《论磁》一书中，不久这本书被开普勒看到了……

过了几十年，大约是牛顿上中学的那几年，德国马德堡市市长冯·格里克（1602—1686）重复了泰勒斯和吉尔伯特的实验，试图发现更多的摩擦起电物体，却意外地发现了电的排斥现象：用带电物体接触金属，金属开始被吸引，过一会儿二者相互排斥。实际上，他已经发现了电传导现象（即电可以从一个物体传递到另一个物体上），只是当时无人注意到。

值得一提的是，该市长还做过一个著名的实验——马德堡半球实验（几匹马同时拉被抽成真空的两个半球），从而证明了大气压的存在。有人说该实验是为了驳斥亚里士多德所提出的“自然厌恶真空”的观点，我觉得未必如此，因为亚里士多德的“真空”是相对于以太而言的。

1720年，英国人斯蒂芬·格雷（1666—1736）正式提出了电传导概念。他将带电的玻璃瓶用木塞封好，没想到木塞也能吸引物体，由此他得出电可以传导的结论。这同时也带来一个新的问题：电能传多远呢？于是他做了好几年的实验，就导电能力来说，他将物体分为导体和绝缘体，其中金属的传导能力最强。既然电可以传导，那么电很可能是一种独立存在的、可以流动的物质，姑且称之为“电流体”或者“电素”，也就是后来人们常说的“电荷”。

1733年，查尔斯·琽费重复了格雷的实验。他把导体绝缘起来，发现导体也可以摩擦起电。他认为吉尔伯特把物体分为“摩擦起电物体”和“非摩擦起电物体”是不对的，并认为任何物质绝缘起来之后都可摩擦带电。

他在做实验时发现用丝绸摩擦的玻璃棒会和同样的玻璃棒排斥，而同时又和毛皮摩擦过的琥珀相吸引，而在接触时相互抵消（电传导）。他把电流体分为“玻璃电”和“琥珀电”，二者同性相斥，异性相吸。这是后来电荷正负性概念的雏形。

大约在1745年，荷兰莱顿大学物理系教授马森布罗克（1692—1761）在做实验的时候不小心把一个带电钉子掉落在玻璃瓶里，他以为钉子上的电很快就会跑光，所以徒手去拿，没想到手被电了一下。他重复这样的实验，发现把带电的物体放到玻璃瓶中就不会跑电了。他利用这个原理制成了人类历史上第一个电容器——莱顿瓶。这个在后来被称为“电容”的东西走进了实验室，从此实验中要用静电时，就不用像喝鲜豆浆一样现喝现磨了。

1746年左右，英国科学家柯林森把莱顿瓶邮寄给美国的朋友本杰明·富兰克林（1706—1790），后者便是那位曾领导美国独立运动并参与起草《独立宣言》和美国宪法的大人物。

在此之前，富兰克林做了很多实验，他很认同琽费关于“电流体分为两种”的说法，不过他用“正电”和“负电”取代了玻璃电和琥珀电。同时，富兰克林还解释了静电产生的原因：摩擦只是表面原因，其真正原因是电流体从一个物体“流”到另外一个物体上。他将电流体命名为电荷，怎么解释电荷？他用了一个很形象的比喻：电荷似水，水流动起来叫水流，电荷流动起来就叫电流了。

1752年，富兰克林做了一个著名的风筝实验，在雷雨天把风筝放上天，风筝上固定一根尖尖的金属线，然后电通过淋湿的风筝线导入莱顿瓶。当金属线被闪电击中时，莱顿瓶不断产生火花。当用莱顿瓶收集电荷之后，他对电荷进行了一番研究，确定电荷是被玻璃瓶储存起来的，也证明了天上的电和地上的电是一样的。这个实验很危险，当时德国的一位科学家在类似的实验中因电击身亡。

他在研究的时候还为后人留下了一把钥匙：1751年，他发现莱顿瓶会将钢针磁化（即电转化成磁）。正是这把小钥匙开启了电磁学的大门。

关于电流，还有个非常有趣的故事，发生在意大利动物学家兼医生伽伐尼（1737—1798）身上。因他的妻子抱恙在身，要吃青蛙调理，1780年的某一天，伽伐尼把已经杀死的青蛙放在台上，用刀叉碰到了蛙腿，蛙腿居然发生了抽搐和痉挛，就像诈尸一般，同时还有电火花出现。当时他的助手正在不远处的桌子上调试起电机，他想青蛙可能受到了起电机的干扰，可是当他关掉起电机后，再次实验时青蛙依旧如此。此时正是下雨天，他又想到是不是闪电通过空气放电？于是他用铜钩将青蛙挂到花园中的铁栅栏上，青蛙抽搐得更加剧烈，在晴朗的天气里青蛙偶尔也会“复活”。到底电是从哪儿来的呢？伽伐尼百思不得其解。

就这样过去了6年，有一天一艘英国轮船从南美洲带回来了欧洲人闻所未闻的电鳗。这种鱼会放电，电到人之后和莱顿瓶的效果差不多，后来有人用电鳗成功地给莱顿瓶充了电，所以人们更加相信电鳗会发生动物放电现象。消息传到了意大利，伽伐尼坐不住了，原来这世上还有一种电叫“动物电”，存储在动物体内，与生死无关。为了验证自己的想法，他用铜钩和铁钩钩住青蛙，青蛙则动；而把金属钩换成石头、树脂、玻璃时，青蛙都不能动。这很容易解释：金属具有传导能力，这似乎坐实了动物体就是个莱顿瓶、动物电被存储在动物体内的说法。

欲知动物电是何方神圣，请看下回分解！

第十五回 从青蛙腿到持续电流

在物理学中，当一个物理量由定性走向定量时，往往其单位就以给出定量规律或者为此做出巨大贡献的人的名字命名，比如力的单位是牛顿，电荷的单位是库仑。这些高中课本和考试中频繁出现的单位其实在生活中并不常见，但有些单位则有一种与生俱来的亲近感，比如伏特。

伏特简称伏，又叫伏打，是电压的单位，为了纪念改变电力学进程的物理学家亚历山德罗·伏特（1745—1827）而命名。

亚历山德罗·伏特出生于意大利。年少时的伏特简直拥有别人无可比拟的优势：出身高贵，一表人才，风流倜傥，和蔼可亲，学习上又是个中翘楚。若按现在的标准，他完全算得上是一个高富帅的学霸。

由于家庭地位的缘故，16岁的伏特就开始和当时国际知名的物理学家通信。当然打铁还得自身硬，当他迫切地告诉一些大师他的想法时，有一位启蒙思想家是这样告诉他的：多做实验，少提理论。这也印证了那个时代科学回到以实验为基础的轨道上，少了几分古希腊式的天马行空。实际上，伏特的发明对人类历史的发展起了很重要的作用，比如1775年伏特发明了起电盘（见图15-1）。

图15-1

起电盘的使用方法如下。

1.先摩擦绝缘板，使其带上电荷（正电、负电皆可）。

2.将导电盘轻轻放在绝缘板上，由于静电感应，导电盘上面带正电，下面带负电。

3.将导电盘的上面接地，导电盘上将只留下一种电荷。

4.将导电盘与绝缘板分开，便得到了带电荷的电容器。

由于起电盘的发明，伏特名扬四海，苏黎世物理学会选举他为会员。此后，伏特爱上了旅游，结交社会名仕，归来后一直担任帕维亚大学教授，此时法国人库仑正在忙于研究电荷引力定律。

1791年生日那天，伏特读到伽伐尼的文章，一开始他也相信伽伐尼关于动物电的论断，因为他做了一个简单的重复性实验：将两枚硬币（铜币和银币）放入舌头上下两侧，觉得有些麻麻涩涩的感觉，但当硬币是同一种金属时，奇怪的事情发生了，舌头的感觉比非同种金属要小得多。于是他也开始拿青蛙做实验，仍然得到了同样的结果：当手中的金属相同（如铜）时，蛙腿肌肉的抽搐不明显，如果换成不同的金属（如铜和铁），蛙腿抽搐得要厉害很多。如果青蛙只是一个莱顿瓶（电容）的话，怎么会有如此大的差别呢？

于是，伏特对动物电产生了怀疑。为了摒弃青蛙的干扰，他用蘸了盐水的湿布取而代之，也得到了同样的电流。于是他断言：电不是来源于动物体，而是来源于手中的金属；电流的本质是金属接触产生的，和动物没有任何关系。他强烈建议用“金属电”这个词语代替“动物电”，那时他还不知道金属电到底是怎么产生的。

伏特曾写信告诉伽伐尼自己的推断，可是伽伐尼则反驳说伏特的论断有些不靠谱，因为伏特无法解释同种金属也会让蛙腿肌肉抽搐这一现象。伏特将此初步解释为金属不纯所导致的，不过他本人也是将信将疑，于是他又回到实验当中。

此后的几年伏特做了无数次实验，得出一组后来称为伏特序列的列表：……铝、锌、锡……铁、铜、银、金……当前面的金属和后面的金属在一起时，就会产生电流；前面的金属与后面的金属相隔越远，电流就越大。于是他灵机一动：如果将这些金属首尾串联，就能使用上持续的电流了（见图15-2）。这些东西堆在一起时被称为“电堆”，是现在干电池最初的样子。

图15-2

金属之间为什么会有持续的电流产生呢？在电子被发现以前还没有答案，不过伏特认为：电流如水流，水流总往低处（地势）流，那么电流的流动也是因为某种“势”的存在，故而将其命名为电势，电势之间的差称为电势差，也就是我们常说的电压。伏特将结论写成论文发表出来，时间是公元1800年，此时法国人拿破仑正带着军队横扫整个欧洲。

在那个年代，对于静电学的研究一直被认为是“聋子的耳朵”——没多大用途，因为电流转瞬即逝，而磨了又蹭的发电过程又过于麻烦，人们对这种“现割麦子下面条”的方式总是感到急不可耐。伏特发明的电堆恰恰改变了这点，所以它无愧于“人类历史上最神奇的发明之一”的称号。

伏特把这个神奇的发明命名为“伽伐尼电堆”，再一次深藏功与名。这似乎和他的政治立场一样，那时候欧洲处在大动荡时期，几番势力轮流上台坐庄，但若问及伏特对当政者的态度，他总是用“伟大、光荣、正确”一带而过。可以说伏特从未想过出名，更没有想靠政治出名，所以晚年的他宁愿在乡间别墅中隐居而不愿出仕。1827年，伏特在别墅中逝世，享年82岁。

苏子曰：搔首赋归欤，自觉功名懒更疏。

第十六回 寻找电与磁的联系

人类发现并研究磁比研究电要早上1000多年，但是除了指南针等在航海方面的应用，人们对磁的研究在科学上并没有突破性的进展。库仑发现了库仑定律后，人们更加坚信电是电，磁是磁，它们之间没有任何关系。然而库仑的论断只是猜测而已，没有证据就很难让人信服，第一个不服的便是汉斯·奥斯特（1777—1851）。

奥斯特生于童话王国丹麦的一个药剂师家庭。17岁的奥斯特考入名校哥本哈根大学。哥本哈根大学人才辈出，在物理学史上也有浓墨重彩的一笔，此是后话。

在获得哥本哈根大学的博士学位后，奥斯特花了3年时间在法、德等国家访问，结识了很多科学家。他了解到当时很多物理学家都试图将电和磁联系起来，但是均以失败告终。当所有的实验结果都没有办法推翻库仑的论断时，奥斯特没有放弃。他并不是偏执狂，他这样想也有一定的实验根据。

1.电能发光，比如摩擦起电、闪电等，所以光和电能联系起来。

2.富兰克林已经证明静电可以磁化钢针，所以电也能和磁联系起来。

为此奥斯特做过无数次实验，但依旧毫无结果。1806年，奥斯特回到母校成了一名物理学教授，专门讲授电磁方面的知识。凡事都讲究个缘分，你若相信，千里也在咫尺，你若不信，纵使相逢不相识。1820年，奥斯特的缘分来了。4月的某一天，他如平常一样给学生们讲关于“电学、伽伐尼电流和磁学”的课程。当他把小磁针垂直靠近导线时，小磁针和往常一样没有偏转。他想了想说：“让我们把小磁针平行放置，看看有什么结果？”结果依然是没有偏转，可是在关掉电源的一瞬间，意外出现了：小磁针发生了轻微的摆动，但很快又恢复到原来的样子。奥斯特异常兴奋，他找到了电磁联系的直接证据。

由于事出偶然，后来这个故事被改编成奥斯特无意间发现了电流的磁效应，但实际上当场有很多人都看见了，只是从未有人如此地相信过所谓的缘分。

对于电与磁的联系，奥斯特并没有及时发表，在余下的3个月内，他做了很多实验，如图16-1所示。

图16-1

实验结果如下。

1.导线与磁针平行时，磁针发生偏转，见图16-1（a）。

2.导线与磁针垂直时，磁针不发生偏转，见图16-1（b）。

3.导线与磁针平行，电流相反（或者将磁针挪到导线上方）时，磁针偏转方向相反，见图16-1（c）。

奥斯特将这类现象解释为“电冲突”。他曾尝试用木板、玻璃等阻隔电冲突，发现此类介质不能完全阻止电冲突，只能改变电冲突的强弱；同时能改变电冲突强弱的还有磁针与导线的距离和电流的大小；当把磁针换成铜线等其他材料时，电冲突就没有了，也就是说电冲突只对磁针有效果。

磁铁仿佛有一种被冒犯的感觉，说来说去，实验中的导线就相当于一个磁铁，而所谓的电冲突也就相当于两个磁铁之间的相互作用。其实，奥斯特无意冒犯磁铁，他指出当电流通过环形导线或者螺旋线圈时，确实就是一个磁铁，而且他还指出了线圈的南北极，只是没有给出一定的规则。

对于电冲突，奥斯特提出了一个非常严重的问题：它的作用力不符合牛顿力学的基本原理。在牛顿力学里，无论是自然力还是万有引力都可以视为作用于物体重心的连线上，是一种“直线力”，而奥斯特发现的是一种“旋转力”（见图16-2）。旋转力和万有引力一样，都可以远距离作用，假设牛顿的超距理论是正确的，那么旋转力是否也“Duang”地作用其上呢？奥斯特没有给出答案，无疑统治宇宙的牛顿力学受到了小小的质疑。

图16-2

1820年7月，奥斯特将实验结论撰写成仅仅4页的论文《论磁针的电流撞击实验》，整个欧洲瞬间炸开了锅，人们纷纷讨论电与磁之间的联系，电磁学也从此起航。

奥斯特是一名富有激情的老师，他的课很受学生们欢迎。说起丹麦，我们首先想起的是童话作家安徒生。安徒生和奥斯特生活在同一个时代，而且两人关系相当好。奥斯特发现电流的磁效应之后，声名远播。1821年，16岁的安徒生慕名前来拜望这位热情洋溢的大师，那时奥斯特已经44岁了。安徒生经常是奥斯特家中的座上宾，几乎每周都去拜访。1829年，安徒生考上哥本哈根大学，恰巧奥斯特当时正是主考，奥斯特也很喜欢文学，对安徒生赏识不已，两人经常诗文唱和。安徒生的童话之所以伟大，是因为他不止于讲故事，更多的是一种对社会和人性的思考。他的作品中出现过好几个以奥斯特为原型的人物，其中的《两兄弟》就是为奥斯特兄弟俩量身打造的（小奥斯特是一位法学家）。奥斯特与安徒生的关系可见一斑，也足见奥斯特的人格魅力。

第十七回 电动力学

电流的磁效应被发现以后，引起了物理学界极大的反应，很多科学家都对电和磁产生了浓厚的兴趣，其中就有电流单位以其名字命名的安培（1775—1836）。值得一提的是，在奥斯特发现电流的磁效应以前，安培一直信奉库仑的结论，即电与磁之间没有任何联系。

玛丽·安培出生于法国里昂，从小才华出众，家庭很富有，受到过良好的教育，十几岁便对微积分有很深的理解。到了青年时期，法国正经历着一场大革命风暴，他敬爱的父亲也在这场风暴中由于政治原因被送上断头台，而且还被查抄了家产，从此家道中落。过了几年，安培和心爱的女人结婚，可惜婚姻没持续几年，安培夫人就撒手而去，安培为此伤心不已。

到了19世纪，安培的天赋受到拿破仑政府的赏识，1804年他被聘用到巴黎的某所高校教书并成为大学教授。也差不多在此时，安培认识了社交圈的一位交际花，他坠入情网并向她求婚。只是交际花小姐提出要7000法郎的彩礼和一场声势浩大的婚礼。即使不吃不喝，安培也需要五六年才能攒够这笔钱，然而这场婚姻仅仅持续到第二个年头。1806年，安培的第二任夫人执意恢复自由身，安培为此伤心不已。尽管不久后他被聘为法国帝国大学（相当于教育部）的官员，也曾在数学和化学上取得了惊人的成就，但是依然不能抚平内心的伤痛。面对人去楼空，安培常常饮酒放纵。白天他是衣着光鲜的教授，晚上则成了酒吧的常客。可惜借酒浇愁愁更愁，面对如此失败的人生，安培曾一度尝试自杀，结果还是失败了。不过，人们应该为这次“伟大的失败”感到大大的庆幸。

正所谓浪子回头金不换。1817年，还处在人生低潮期的安培在家中整理父亲的遗物，看到15世纪的一位修道士写的一本书《效法基督》，书中的金玉良言让安培如醍醐灌顶。此后安培如梦初醒，又重新振作起来了。

1820年，奥斯特的论文让安培受到了极大的震动，他敏锐地觉察到奥斯特的实验意犹未尽，而未知的旋转力正是解释磁现象的关键。为此他做了一个新的实验：将两条导线平行放置，其中一条固定，另外一条悬挂起来，可以自由旋转，通过改变电流的大小和方向、线段的长度，测量导线位置的变化，如图17-1所示。

图17-1

1. 导线1可以自由扭转摆动，摆动角度可以用上方的计量表计算。

2. 导线1和导线2平行。当两条导线都连接电源时，它们相互作用，导线1会摆动。

实验结果如下。

1.电流方向一致时，两条导线相互排斥；电流方向相反时，两条导线相互吸引。

2.单位长度的导线间的作用力与它们之间的距离的平方成反比，与电流大小的乘积成正比。

此定律称为安培定律。对于上述第二点又是那么似曾相识，牛顿的脸再一次被撞得不轻，如此人们对电磁力的超距作用方式也就无从怀疑了。

好啦，我们仍然活在牛顿力学所统治的宇宙里！

在此后的两年内，安培为电动力学做出了很多贡献，比如提出安培规则（右手螺旋定则），即电流方向与磁场的南北极符合一定的规则。这也是中学物理出题率最高的考点之一。为了简化，他提出用正负号来表示电流方向。此外，他还研究了线圈中的磁场，提出了安培加成定律等。这一系列令人眼花缭乱的成果将安培推到了“电力学之父”的宝座上，而麦克斯韦更是用“电力学中的牛顿”来赞美这位伟大的人物。

既然电产生的磁被证明与磁铁无异，那么电和磁的本质是什么呢？安培认为磁现象的本质是电流。那时人们对微观世界有一定的研究。1821年，安培就此提出著名的分子电流假说。他认为组成物体的分子都有一种环形的电流，称为元电流。元电流产生磁，一般物体的元电流杂乱无章，所以产生的磁场相互抵消，在宏观上不显示磁性。当外面有强磁作用时，物体的分子电流的方向一致，磁场的方向也一致，从宏观上看物体被磁化了，如图17-2所示。

图17-2

安培还尝试从万有引力和超距作用的角度解释元电流，但是无果而终，其原因我想是人们无法从实验中得到单独的“元电流分子”，再把它放在实验室中进行测试。从这个侧面可以看出分子电流假说并不具有很强的说服力，不死心的安培需要用实验来提供证据。1821年，安培设计了这样的一个实验（见图17-3）。

图17-3

将线圈固定，吊起一个轻质铜环，当线圈中有电流经过时，会产生强磁场。安培认为，如果强磁场能将铜环磁化（分子电流取同样方向），那么靠近一个小磁铁时，铜环会晃动。可是事与愿违，当安培将条形磁铁靠近时，铜环没有变化，所以他认为原因可能在于铜不像铁那么容易被磁化。

1822年，安培和他的助手重新做了这个实验，将小磁条换成磁性很强的马蹄形磁铁。他认为铜环应该和上次一样不会发生变化，然而他又猜错了，在线圈的电源接通、关闭的瞬间，铜环轻微扭动，很快又恢复原样。此时的安培对分子电流假说深信不疑，正是因为这种“自信”，他没有深刻考虑实验的细节。显然他的情绪影响了整个实验，所以他的助手得出结论：有些物质不能像铁那样容易被永久磁化，而只能短暂地被磁化。安培比他的助手要稍微靠前了一步：这个实验证明磁感应能产生电流，但是这与电动力学没有任何关系。毕竟他认为分子电流更符合动力学体系，于是这个实验也就这样轻描淡写地过去了。

感应电流，也就是磁生电，其实奥斯特在发现电转化成磁的时候动动大脚趾都能想到一个问题：磁能否产生电？当时也有很多人在寻找磁产生电的可能性，无心插柳的安培无疑是最接近答案的人之一，不过最终他们都将这份大礼拱手相让出去了。

1831年，英国人法拉第接受了这份大礼。当法拉第声称发现了感应电流时，安培才意识到以前的思考是错误的。5年后他与世长辞，可以说安培的一生充满了传奇，在事业上蒸蒸日上，感情上失魂落魄，一度沉沦，又一度自我觉醒，为电动力学的发展做出了巨大的贡献。在这传奇的背后，他都一直在做一件事——思考。关于安培思考有很多历史小段子，据说他有一天在思考微积分，需要计算，正好前面有个黑板。当他写到一半时，黑板却动了起来，他不自觉地追着黑板跑，一边跑还一边写，直到完全追不上……不明真相的群众早已笑得前仰后合了，原来那块黑板是马车的后车厢。

可惜他的思考方式带着几分固执与任性。1820年前的安培固执地认为库仑说的“电和磁没有关系”是对的，幸好奥斯特及时改变了他的想法，从而开创了电动力学的新篇章。1822年他又任性地寻找分子电流，正因为有这个先入为主的“偏见”，他的实验成了证明偏见的工具，从而对很多现象视而不见，或者无心相见。如果说安培是物理学殿堂里的一位舞蹈大师，那么这位大师却在做最后一个动作时闪了他那华丽丽的腰。

1836年，这位物理学的舞蹈大师正打算徒步去讲课，却倒在了路上，死时他手里仍然攥着《效法基督》。

第十八回 电磁感应

话说自从牛顿与莱布尼茨争微积分的发明权之后，在科学上，英国和欧洲大陆出现了很大的裂痕。英国人似乎有些闭门造车，从而导致在这100多年里英国人在科学上鲜有成就。迈克尔·法拉第（1791—1867）的出现改变了这种状况，荣誉的小红花又将插满日不落帝国的科学家们的光荣榜。

法拉第出生于英国的一个贫困家庭。严格来说，他只有小学二年级的学历。“自古将相出寒门”不过是当权者安慰读书人的一句话而已，自古出自寒门的将相实在是少之又少，中国古代可能也就宋朝多一些吧。幸好法拉第生长的环境是宽松的。

为了减轻家庭负担，年仅13岁的法拉第辍学当报童。1803年，法拉第找到了一份工作，到某书商家当学徒。这里的书籍堆积如山，法拉第就像一个小书虫，对于知识，他总有嚼不完的劲头。

20岁时，他去听当时赫赫有名的大化学家汉弗莱·戴维（1778—1829）的讲座，回来后给戴维写信说，想当他的助手。戴维慧眼识珠，从此法拉第踏上了科学研究的道路。尽管后来出于嫉妒，戴维一直打压着法拉第，但当记者问及弥留之际的戴维他一生中最满意的发现时，他不无骄傲地说：“法拉第。”究竟法拉第有怎样的惊人之举让爱之弥深、恨之弥切的戴维如此推崇呢？

在奥斯特发现的电流磁效应中，变化的电流产生磁场，会让小磁针旋转。反之，如果固定小磁针，导线也会旋转。法拉第根据这种“电磁旋转”效应，发明了世界上第一台直流电动机（见图18-1）。

图18-1

当电源接通后，电源与水银、导线形成回路，产生电流。由于电磁作用，左边的磁铁会转动，右边的导线也会转动。电池的电能转换成磁铁的动能，这便可视为电动机。现在的电动机依然采用电磁旋转原理，但是把磁铁换成电磁铁，简单的导线换成复杂的线圈，直流电也变成交流电。

当时很多科学家在寻找磁的电效应（磁生电）。实际上，这个现象在很多人的实验中都出现过，但是最终都擦肩而过，比如前文说的法国人安培。还有另外一位法国科学家阿拉果（1786—1853），他于1824年就曾做过一个铜盘实验（见图18-2）。

图18-2

铜盘不动，磁针不动；当铜盘转动时，小磁针也渐渐地跟着转动，但是略微有些滞后，就像拉弹簧一样。这个实验很简单，只是阿拉果无法解释这一现象。

1825年，当法拉第得知安培的实验后，他敏锐地意识到磁生电的答案就在这里面，不过他重复安培的实验后一无所获，甚至连安培的助手说的小小转动都没有。这又是为什么呢？原来安培的助手错将实验中的铜环写成了铜盘。可是为什么阿拉果的铜盘又能带动小磁针偏转呢？法拉第做了无数类似的实验，都失败了。

1831年8月，法拉第设计了一个新的实验（见图18-3），原理很简单，实际上也不复杂。在一个铁环两边分别绕上一个线圈，一边接电源，另外一边接一个检测电流的小磁针。当开关合上或者断开时，磁针发生偏转，振荡后又回到原来的位置。

图18-3

法拉第兴奋异常，他认为这必是人们苦苦寻找的感应电流。感应电流极其短暂，以至于很多人没有观测到。与发现电生磁不同，奥斯特是为数不多的坚持认为电与磁有关联的人，而奥斯特之后，很多科学家一拥而上寻找磁生电。实际上早在1825年瑞士科学家科拉顿就做过类似的实验，只是他为了完全摒弃电源那部分线圈对小磁针的影响，将小磁针和线圈放置到另外一间屋子里。当他从另外一间屋子跑过来时，小磁针早已恢复如初了。科拉顿遗憾地与物理学中的这一重大发现失之交臂。

可以说法拉第的发现带有一定的幸运成分，但是他后面的理论绝对是天才之作。首先他通过大量实验得出产生感应电流的情况可分成5类：变化的电流、变化的磁场、运动中的恒定电流、运动的磁和在磁场中运动的导体。他将这些电磁现象正式命名为“电磁感应”。那又该如何解释电磁感应呢？法拉第又提出了两个新概念“电紧张态”和“磁力线”。

电紧张态类似于惯性，我们以闭合回路线圈为例。正是因为线圈具有某种“惯性”，所以它总想保持原来的样子。当线圈中的磁变化时，线圈便会处于电紧张态，也就产生了感应电流。感应电流又会在线圈中产生磁场，新产生的磁场会阻碍外部磁场的变化，永远都想让线圈处于平衡状态。

磁力线这个概念是法拉第受日常生活中的一个小现象启发而给出的：将一些铁屑放到白纸板上，纸板下面放一块磁铁，于是铁屑规则地分布开来，如图18-4（a）所示，其等效磁力线如图18-4（b）所示。

图18-4

电紧张态概念似乎比较模糊，至少不如磁力线清晰，后来法拉第申明应该放弃电紧张态这一说法。

第二年，法拉第通过实验证实了感应电流和导体的导电能力成正比。如果我们把“导电能力”表述为“电阻”的话，上面那句话就是我们再熟悉不过的欧姆定律了，所以感应电流和伏特电堆里产生的电流具有同一种性质。既然电流相同，那么产生感应电流的电动势也是存在的，法拉第提出了“感应电动势”的概念，并得出重要结论：感应电流是由感应电动势产生的。二者的关系与电动势和电流的关系一样，感应电动势是因，感应电流是果。比如变化的磁场中不一定有感应电流（还需要闭合回路），但是感应电动势都会存在，这就像水从山上流下来，不管有水没水，山势依然存在。

在法拉第的大量实验和研究成果的基础之上，爱沙尼亚人楞次（1804—1865）总结出了楞次定律，该定律可以简单表述为“来拒去留”。比如在一个回路中磁场增强时，回路感应电流产生的感应磁场的方向和外部磁场的方向相反，就像拒绝外部磁场进入回路一样；当外部磁场减弱时，感应磁场的方向与外部磁场的方向相同，就像要把外部磁场留在那里一样，这种变化和惯性如出一辙。

为了量化，德国人威廉·韦伯（1804—1891）提出了“磁通量”的概念。磁通量可以简单理解为通过单位面积的磁力线的强度，这里的强度是指磁力线的条数和密度。

利用以上规律和概念，我们可以总结出感应电流产生的条件：穿过闭合回路的磁通量发生变化。如此便可解释安培的实验了：由于铜环中的磁通量发生了变化，所以会产生感应电流。当法拉第将其改为铜盘时，其实也有感应电流产生，只是铜盘的转动惯量（描述物体绕轴转动的惯性的量）太大，铜盘不容易转动。阿拉果实验中的铜盘在磁场中运动，铜盘切割磁力线，产生的感应电流又感应出磁场，磁与磁针相互作用，所以小磁针会滞后性地跟着扭动起来。

在百忙之余，法拉第又做了一个载入史册的发明，如图18-5所示。

图18-5

摇动手柄，铜盘转动，从铜盘边缘到圆心相当于一个导体，导体在磁场中运动便能产生感应电流，也就是说可以“发电”了，从此人类拥有了第一部发电机，时间是1831年。那一年的圣诞节，法拉第在朋友们面前演示新发明，有一位贵夫人讥笑道：“这玩意能有啥用？”“那么，夫人！”法拉第回答道，“新生的婴儿又有什么用呢？”新生儿，新生儿，新生的老虎不如猫。历史上很多发明在早期都曾饱受世人的冷嘲热讽，比如跑不过马车的火车。

在法拉第时代，物理和化学似乎还是两门不相干的学科，研究物理的人像工匠，而研究化学的人像医生。法拉第用实验让两个行业相通起来，建立连接的便是“电解”。从1831年到1834年，法拉第通过大量的实验总结出法拉第电解定律。当电流通过电解质时，电流两极产生化学反应的过程即为电解，比如直流电电解水，阳极产生氧，阴极产生氢。那时候，人们对微观粒子的认识尚处于猜测阶段，科学家们为原子是否存在纷纷站队，即便相信原子存在，也在原子能否进一步分割问题上产生分歧。法拉第对原子不可分的说法产生了质疑，其原因便是电解时产生带电的粒子，法拉第将其命名“离子”。离子到底是工匠的活还是医生的事呢？似乎都可以。1843年，法拉第做了著名的冰桶实验，从而证明了电荷守恒。

再回到物理问题上来。1845年，法拉第证明了磁光效应：光通过磁场后会发生偏转，如图18-6所示。那个年代光已经被认为是一种波，而且人们已经比较精准地测量出了光速。法拉第通过实验证明电、磁、光之间有着千丝万缕的联系。

图18-6

经过20年的推敲，磁力线理论终见成型。1852年，法拉第发表论文《关于磁力的物理线》，首先他就认为磁力线是一种物理性的存在，理由很简单，即光、电、磁三者之间有着说不清道不明的联系。既然有光线，那么磁力线为什么就不能存在呢？可是磁力线该如何存在？为此法拉第正式提出“场”的概念，磁周围有磁场，电周围有电场。他还将磁力线推广到物理“力线”上，他认为力线的概念适用于所有物理事物。只是有个问题，光有速度，那么磁力线或者力线的作用应该也是有时间性的，超距作用就不适用于电和磁，当年库仑和安培将宇宙继续拉入牛顿力学体系之下是有待商榷的。

场让牛顿力学的统治地位受了严峻的挑战！

法拉第的一生是光辉的，从少年失学到自学成才，再到站在科学的巅峰，一切都如奇迹一般。如果把法拉第的成就换算成金钱，有传记作者认为他当时的身价就达到了15万英镑，也有人曾说超过全球的股票价值。当然，不知道这句话的根据是什么。金钱最大的好处是能将一个人的成功量化给他人看，但成功不能和金钱画等号。法拉第一生从未为金钱折腰，他的日子过得很清苦。有一年新上任的首相大约觉得科学家们的工资低得实在不像话了，打算给科学家们发点“补贴”。钱发下之后，首相大人要召见科学家代表。德高望重的法拉第自然是不二人选，他再三推脱不过，只能应允。不料新首相言辞傲慢，导致法拉第把钱给送了回去。工作人员几次三番劝说法拉第，但他还是不肯收下，直到首相公开道歉，法拉第才肯罢休。首相大人可能明白了自己拗不过倔强的法拉第，不过估计首相大人永远都不会明白，政治家常有，而法拉第永远只有一个。

对于名誉，法拉第亦是如此。有一年，他从报纸上得知自己将被册封爵位，他付之一笑，说这是没有的事。等维多利亚女王真的打算给他册封时，他拒绝了：“我以生为平民为荣，并不想变成贵族。”后来，皇家学会请他当会长，他也拒绝了。

此后他接连受到了很多高官厚禄的封赏，但不干实事的名誉官爵都被他一一拒绝了。他对妻子这样说：“我父亲是个铁匠的助手，兄弟是个手艺人。曾几何时，为了读书，我当了书店的学徒。我的名字叫迈克尔·法拉第，将来刻在我的墓碑上的也唯有这一名字而已！”

不得不说，法拉第是科学界德才兼备的大人物，而这背后有他父亲的教诲。虽然家境贫寒，但是他的父亲一直教育他做一个正直的人。这里面也有他妻子的支持，法拉第曾在科学研究上遇到过挫折，这些挫折被别有用心的贵族们无情放大，他们嘲笑法拉第出身卑微（戴维没少干这事）。当法拉第意志消沉时，他的夫人坚定地告诉他：“我宁愿你像一个因单纯而受伤的孩子，也不要像一个因受伤而对别人处处设防的小人！”

孩子！孩子是天真的，孩子们的想法是烂漫的。法拉第始终不忘初心，或许这是他成为“电磁学之父”的原因吧！

第十九回 电磁学的大统一

牛顿曾说：“如果我看得远，是因为我站在巨人肩上的缘故。”如果牛顿站在巨人的左肩上，那么站在巨人右肩上的肯定是詹姆斯·麦克斯韦（1831—1879）了。

麦克斯韦生于苏格兰的爱丁堡，他出生那年正值法拉第发明发电机。他从小聪慧过人，16岁时考上爱丁堡大学，主修物理和数学， 19岁时进入了著名的剑桥大学。在大学期间，他曾阅读过法拉第的许多著作，深深地被他的物理学思想所折服，尤其是法拉第的力线概念，但是他也看出力线概念的不足——缺少精准的数学表述，所以麦克斯韦决心用数学方法将其准确地表达出来。

1856年，麦克斯韦发表题为《论法拉第力线》的论文。在论文的开头，他简单地回顾和分析了电磁学的发展历程与目前的现状，指出很多让人类困惑不清的地方，而解决困惑的办法就是物理类比。其实这种方法我们一直在用，比如将苍穹类比为锅盖，电流类比为水流。不过麦克斯韦的类比有更深一层的含义：两个类比的物理对象或者定律都有数学形式上的相似性。关于力线，麦克斯韦将其类比为流体中的流线。顾名思义，流体就是能流动的物体，如空气、水等。在麦克斯韦之前，力学的一个分支——流体力学已经完美地建立起来了。在现成的理论之上，麦克斯韦建立力线的几何模型。法拉第很欣赏麦克斯韦的论文，在写给他的信中不吝赞美之词，不过他二人尚未谋面。1860年，麦克斯韦拜访法拉第，不巧当时法拉第和夫人度假去了。等法拉第回来后，麦克斯韦再次去拜访。两人一见如故，惺惺相惜，这次会面堪称科学史上最伟大的会晤之一。

见到麦克斯韦时，法拉第很惊讶，因为他完全没有想到论文的作者居然如此年轻。他笑着说：“我不认为我的学说一定是真理，但你是真正理解它的人。”

麦克斯韦恭谦地说：“还请先生斧正。”

法拉第沉吟数秒后说：“你不应只停留在数学解释上，而应该有进一步突破。”

是的，应该突破。

两年后（1862年），麦克斯韦发表论文《论物理的力线》，提出“分子涡旋”和“位移电流”两个非常重要的假说。当时有人为了解释法拉第的磁光效应提出了一种叫“以太涡旋”的假说，认为光在磁场中偏转是由于以太振动与磁分子（安培认为分子电流产生磁分子）振动所致。在光被认为是一种波之后，以太就成了光传播的介质。同理，磁之间的相互作用也是通过以太发生的。麦克斯韦借鉴了涡旋的想法，将磁之间的相互作用看成旋转性的，并把传递磁作用的磁以太想象成分子涡旋。那么，分子涡旋之间该怎样相互影响呢？麦克斯韦又将其类比为齿轮（见图19-1）。我们知道两个相邻的齿轮的转动方向是相反的，如果想让它们的转动方向相同，则必须加入一个叫惰轮的小齿轮。所以，相邻的分子涡旋之间也应该有一个小粒子让它们保持同样的旋转方向，这种粒子就是用于传递电的电以太。但是电与磁还有一点不同，变化的电流能产生磁场，但是变化的磁场未必能产生电流，因为产生电流的另一个条件是闭合回路。麦克斯韦认为即使没有电流也会有电场存在，他称之为感应电场。电磁感应被后人总结为：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。考虑一个电场正在变化的电容，它的内部是没有电流的，那么磁场从何而来呢？位移电流正是为此而设的，它存在于任何变化的电场之中。

图19-1

《论物理的力线》虽说可以解释很多电磁现象，但是它所基于的假说依然饱受质疑，麦克斯韦本人也意识到仅仅从力学角度去解释复杂的电磁现象是不可能的，而应从宏观的角度去分析问题，于是“电磁场”正式登上历史舞台。

在“场”以前，牛顿的超距理论稳如磐石，即便在电磁学里也不例外。前文说过，超距作用无视介质与时间，这显然与《论物理的力线》中的假设相违背，所以麦克斯韦认为电磁的相互作用是通过周围空间的介质发生的。1864年，麦克斯韦递交了论文《电磁场的动力学理论》，正式提出电磁场的概念。

磁生电，电又生磁，磁再生电，电复生磁……麦克斯韦提出，正是由于电场与磁场的不停转换，电磁场才得以形成。再用光和热的传递方式进行类比，麦克斯韦直接预言有一种叫电磁波的东西存在，电磁场的作用就是靠电磁波传递的。然后，他又发挥数学优势，最终确立了电磁场方程。最后，麦克斯韦通过数学推导出电磁波的速度公式：

在真空中，电容率和磁导率是两个常数。将这两个常数代入公式中，神奇的现象发生了：电磁波的速度约等于3×108米/秒，这和当时测得的光速非常接近。所以，麦克斯大胆预言光是电磁波，最终他将光、电、磁全部放到了统一的方程式之下。只是有个小问题，根据伽利略的速度相对性原理，提到速度就必须有参考系，而真空中的光速恒定不变，这又是相对于哪个参考系而言的呢？麦克斯韦想到了静止的以太，所以对以太的测量势在必行，此是后话。

至此，牛顿力学的统治地位开始动摇！

1865年，麦克斯韦急流勇退，辞职回到故乡，花了三四年的时间写了本名为《电磁学通论》的书。该书于1871年出版，此时麦克斯韦也再次出山去筹建卡文迪许实验室。后人评价该书完全可以与牛顿的《自然哲学的数学原理》媲美。可惜的是，在麦克斯韦生前，他的电磁理论并没有让人们感到鼓舞。究其原因可能是因为麦克斯韦的假说太多，从而导致他的理论不容易被世人理解，其中包括当时世界上一流的科学家，比如亥姆霍兹（1821—1894）。亥姆霍兹拒绝相信麦克斯韦的理论，并称此时的电磁学已经进入了“无路的荒漠”，他坚信的仍然是牛顿的超距理论。尽管后来他不愿意研究麦克斯韦的理论，但是他在柏林科学院设立了一个奖项，用于奖励那些用实验驳斥麦克斯韦理论的人。

和法拉第一样，麦克斯韦也有贤内助，不幸的是他的夫人中道而别。在照顾妻子的日子里，麦克斯韦几乎耗尽了自己的生命。1878年，麦克斯韦身患癌症，但是仍然坚持不懈地走上讲台宣讲电磁理论，尽管下面只坐着两个听众。当他孱弱的声音在空旷的教室中回荡时，是多么凄凉！这一如他生前的写照，虽然他的才华在生前得到了一定的认可，但并不算充分，起码在当时人们的心中，他和当时赫赫有名的法拉第还有好几条街的距离，也许当时的人们从未将他们两人相提并论过。1879年，麦克斯韦去世，享年49岁。那一年，一个叫阿尔伯特·爱因斯坦的小宝宝在德国出生。

后人曾评价说法拉第偏重实验，数学功底欠佳；而麦克斯韦的数学极好，正好弥补了法拉第的缺憾，两人如天作之合，尽管他们从未在一起做过实验和研究。实际上，麦克斯韦所处的年代正是数学人才辈出的年代，研究物理的数学家也不胜枚举，但是麦克斯韦是那个时代将数学和物理结合得最好的科学家。在综合安培、法拉第、楞次等物理学家的实验成果和高斯、拉普拉斯（数学家、哲学家， 1749—1827）等人的数学成果之后，麦克斯韦奇迹般地创造了上帝的“Home键”，以至于后来人纷纷以此为楷模，想要建立大一统的万有理论，比如爱因斯坦。

第二十回 波

什么是波？

明代的野史记载了一个很有趣的故事。话说王安石在编纂《字说》时说：“坡者，土之皮也。”苏东坡听到后立刻反唇相讥：“滑者，水之骨也。”我想这个故事肯定是后人杜撰的，因为王安石笔下的“坡”绝不会暗指苏东坡，而苏东坡口中的“滑”字也形容不了王安石的为人。在明清士人眼中，王安石是一个“与民争利”的小人，但是讽刺归讽刺，这两个字并没有任何关系，所以连基本的逻辑都说不通。

如果王苏二人真有这样的对话，我想故事情节应该是这样的。王安石称：“波者，水之皮也。”苏东坡对此解释不满意，反问道：“波是水之皮，难道滑是水之骨？”这不仅合乎逻辑，嬉笑怒骂也变成了学术探讨。

且不管“滑”字，单说“波”字的解法却是一语中的。“波”的基本字意本就是水面的起伏运动，如波涛、波浪，指的就是水之“皮”上的那点事儿。

除了水波还有哪些波呢？其实波的形式有很多种，假如我们手握住绳子的一端，不停地上下抖动，就形成了波，如图20-1所示。

图20-1

上图给人的感觉是绳子不停地向前方运动，但是实际上绳子上的每个质点（如A点）始终做上下运动。这种质点运动方向与波运动方向垂直的波称为横波。

和横波对应的是纵波，生活中最常见的纵波是拉伸或收缩的弹簧，如图20-2所示。

图20-2

图中弹簧上的每个质点都在向下运动，与波的传播方向一致。

说了这么多，我们只看到了水、绳子、弹簧，波在哪儿呢？其实，波不是实物，而是一种运动形式。物体运动就有能量，所以波是一种传输能量的方式。

波是怎样传递能量的呢？我们以声波为例，声波从声源发出后，通过空气传输到人的耳朵里，耳膜就会随着声波振动，再通过神经系统传送到大脑中，人们就能分辨出声音了。假设有人在说悄悄话，那么第三者是很难听到的，因为声音太小，也就是能量太小。然而即使能量足够大，人耳也未必能听得到，因为还有频率限制。频者，重复也；率者，次数也；频率者，重复之次数也。假设一人一天吃三顿饭，频率可以计算为3顿/天，再换算到秒为3/86400顿/秒，采用国际单位即为3/86400赫兹（赫兹是频率的单位，1秒1次即为1赫兹）。

假设有只可爱的猫，有时在一点声音也没有的情况下，它也会喵喵地叫个不停。实际上并不是没有声音，只是这个声波的频率超出人耳的接受范围，所以人耳听不到，但是在猫耳的接受范围内。那么问题来了，为什么猫能听到，人却听不到？这里面得要“共振”。

所谓共振，从字面上理解为：让一部分物体先振动起来，然后带动其他物体振动，进而达到共同振动的目的。但是，共振还需要其他的条件。比如荡秋千，秋千的摆动和推秋千的人施的力都具有周期性，只有当推动的频率和秋千摆动的频率成一定比例关系时，秋千才会越摆越高。也就是说推力要顺应秋千的摆动，否则秋千就会慢慢停止下来。

在声学中，共振又叫“共鸣”。当声音进入耳朵时，鼓膜随之振动（不一定是共振），然后鼓膜带着3块听小骨振动，听小骨又带着耳蜗振动。耳蜗就像一个蜗牛（要不然就不叫耳蜗了），它上面的每一小段都对应不同的共振频率，所以能感知某个频率范围内的声波。

除了共振，波还有哪些性质呢？

1.衍射。假设有人躲在一块大石头后面，但是他依然能听到石头前面传来的声音，这是因为声波能绕过障碍物继续传播。

2.干涉。当两列波相遇时，会发生你影响我、我也影响你的干涉现象。干涉的结果会随波的相遇点、振幅、频率、波速等因素的不同而变化。物理学中最常见的干涉实验是双缝干涉实验，同时这也是检验某个物体是否具有波动性的最好标准之一。

还有个有趣的干涉现象，当两列频率、振幅、波速一致但方向相反的波相遇时，可能会产生驻波。以横波为例，当驻波产生时，波只做上下运动，感觉它像驻足停留了一样，故而称之为驻波。理想化的驻波有个很大的特点——能量不损失，能量在波的内部以两种或两种以上的形式相互转化。如图20-3所示，能量在动能和势能之间相互转化。

图20-3

水波、绳波、弹簧波、声波都是由机械振动引起的，所以称之为机械波。麦克斯韦预言电磁波是存在的，电磁波又是什么样子呢？其实电磁波也是波，具有波的基本性质，也是能量的传递方式。是波就需要介质，那时物理学界一致认为波的传递介质是以太。可是从盘古开天辟地以来就没人见过以太，所以寻找电磁波是一件费心费力的事（姑且不论可见光）。不过麦克斯韦为后人提供了小小的线索，每当天空中电闪雷鸣时，地面上的小磁针会发生扰动，所以他认为电火花能激发电磁波。

如果电磁波真的存在，那么法拉第和麦克斯韦所谓的力线与场又是何物呢？

磁力线的概念是法拉第根据小铁屑在磁场中的分布抽象出来的，后来他又将磁力线类比为光线，进而发展成力线，但是现在的物理学认为力线并不是真实存在的某种物体或者能量，就像作业本上的一个大红叉，老师只是用这种方式告诉学生做错了，而对与错不是由大红叉决定的。尽管力线被认为是一种抽象虚拟的东西，但是用力线描述场有独到之处。试想一下，如果没有光线箭头，我们学习几何光学时该从何处入手呢？

场是真实存在的，可它是什么？也许只能意会不能言传，也许就是字面上的意思，就像我们日常生活中的菜市场一样。菜市场是一个空间区域，是买菜者和卖菜者的交易场所。同样，电磁场就是电与磁相互作用的场所。宇宙中的场无处不在，若问宇宙中电磁场最初是如何形成的，我想回答这个问题可能要追溯到宇宙初始那一刻（假设宇宙起源于大爆炸），因为唯有那一刻一切物质都会被格式化。至于后来怎样，我想这可能正如菜市场，其实世上本没有菜市场，买菜卖菜的人多了也就形成了菜市场！

第二十一回 寻找电磁波

麦克斯韦死后的第十一年，德国人海因里希·赫兹（1857—1894）找到了电磁波。赫兹出生于德国的一个犹太家庭，他从小就有很高的动手天赋。上大学后，他是物理学大师基尔霍夫（1822—1887）和亥姆霍兹的学生。1885年，赫兹到一个偏远地区担任某所大学的物理学教授。这是一个很小的学校，以致连政府给的教育经费都少得可怜。和法拉第一样，赫兹秉承着“没有枪、没有炮，我们自己造”的原则，一点一滴地造出精密的仪器。这让学校里的一位老教授看在眼里，喜在心间。他请赫兹到家里来，并把自己的女儿介绍给赫兹。赫兹经过3个月坚持不懈的努力，终于获得了伊丽莎白小姐的芳心，从此王子和公主过着幸福的生活。

那时依然是牛顿力学统治的天下，很多哲学思想都建立在此基础之上，超距理论自然不用说。所以，当麦克斯韦的电磁场理论出现后，很多有威望的哲学家认为一切不以牛顿理论为基础的科学都是对牛顿的亵渎——牛顿早已被神化了。亥姆霍兹是超距理论的坚定拥护者，在赫兹上大学期间，他就鼓励赫兹去研究麦克斯韦的新理论，不过出发点极有可能是想让赫兹证明麦克斯韦错了。显然亥姆霍兹的思想影响了赫兹，起先赫兹也在电磁场与超距理论之间徘徊，但是他相信证明二者的唯一办法便是找到电磁波，如果能找到，孰是孰非自会一目了然。

一晃多少年过去了，那个在实验室中形单影只的书生身边早有佳人相伴，但是寻找电磁波依然毫无结果。他的妻子对丈夫的事业给予无条件的支持，新婚刚过不久，赫兹在夫人的鼓励下又开始在实验室中流连忘返。

说来也巧，1885年的某天赫兹正在做实验。实验需要两个感应线圈，二者彼此绝缘。当他对其中的一个线圈输入电流时，另一个线圈产生了电火花。他想起麦克斯韦的话：电火花产生电磁波。

电火花怎么产生电磁波呢？电火花是高压击穿绝缘介质（如空气）的时候产生的一种现象。在实验中，用高压击穿电容就可以产生电火花，在电容被击穿的一瞬间，电荷会在电容的两个极板上以高频形式来回振荡，形成变化的电流，电场和磁场就产生了。如此，一个电磁波发生器就搞定了，赫兹将其命名为“振荡偶极子”。

现在赫兹需要一个电磁波检测器来验证电磁波的存在，又怎样验证呢？共振！必须是共振，只有共振（电磁共振叫谐振）才能搞明白到底是超距作用还是电磁波。

取一个断开的金属环，两端各连接一个小金属球，如果产生谐振，小球之间也会产生感应电压，进而产生电火花。这就是检波器，赫兹将其命名为“共振偶极子”，如图21-1所示。

图21-1

当发生器线圈的开关断开时，线圈对电容充电。当电容电压达到高压时，会击穿空气，产生电火花，然而在赫兹的实验中什么都没有发生。赫兹做了无数次实验，甚至到了走火入魔的地步。1887年的某一天，赫兹依然和平时一样做起实验。当他对振荡偶极子输入一个电压更高的电流时，暗室中的共振偶极子突然产生了微弱的火花。赫兹通过调节共振偶极子的位置，发现小金属球之间不停地闪烁着电火花。

完美！赫兹用这个简单的实验为人类第一次找到了电磁波。尽管和现在的手机一类的设备相比，赫兹的设备寒碜了点，但从此人类即将告别“通信基本靠吼”的年代，去迎接新的通信时代的到来。为了纪念这一伟大的壮举，人们将频率的单位命名为赫兹。

1887年，赫兹将实验结果写成论文寄给恩师亥姆霍兹。此后，他又马不停蹄地做实验，确认了电磁波的衍射、干涉等特性，而且证实电磁波也是横波。

还有个问题，光是不是电磁波呢？正如麦克斯韦预言的那样，如果实验中测得的电磁波的速度与光速差不多，那么预言就是正确的。可是该怎样测量电磁波的速度呢？用测量可见光的那套肯定不行，因为实验中的电磁波是眼睛看不见的。赫兹根据“波速=波长×频率”的关系得到了电磁波的速度。

1.根据电磁理论，计算出电磁波的频率。

2.根据驻波原理，赫兹在电磁波发生器正前方的墙面上覆盖了层锌板，电磁波到达锌板后会产生反射。将检波器放置在锌板与发生器之间，调节检波器与锌板，直至检波器产生电火花。

3.滑动检波器，它在有些地方不会产生电火花。而在有些地方电火花较为明亮。（波峰与波谷相遇时产生驻点，电势差为0；波峰与波峰相遇或者波谷与波谷相遇时，电势差最大，电火花最明亮。）测量相邻的同属性点之间的距离，便可推算出波长了。

用这个方法可以得出电磁波的波长，但是不能测光速，因为实验中高频电磁波的频率比可见光的频率小得多，检波器的移动距离可以“米”计算，如果测量可见光，检波器的移动距离为微米量级，显然无法测量。测量后发现，电磁波的速度和光速相同，麦克斯韦的预言再一次被证实。

1888年，赫兹将这些成果总结在《论电动效应的传播速度》一文中，成为物理学史上的一座里程碑。如果将电磁学比作一座大楼，库仑、奥斯特、安培等人构筑的是地基，法拉第建设的是支柱，麦克斯韦是封顶的人，而赫兹就是将这座大楼装修好免费送给千家万户的人。可惜，天不假年，1894年元旦，赫兹因为血中毒逝世，享年37岁。他死后的第三年，电磁波开始用于通信，传输距离为2千米。他死后的第七年，第一份无线电报穿越大西洋到达美国；他死后的第79年，第一部无线电话（手机）诞生；他死后的第102年，Wi-Fi技术开始申请专利。如今，我们走进了这座拎包即住的大楼里，就再也出不来了。

千呼万唤始出来的电磁波终于证明了麦克斯韦的伟大，当人们开始对此高山仰止之时，牛顿也悄悄地走下了神坛——牛顿也是人，尽管他曾如神一般地存在过。还有件事不得不提。1887年赫兹为了证明电磁波的波动理论，他发现用紫外线照射锌球时非常容易产生电火花。他只对原理进行了猜测并将其记录到论文里。有趣的是，这个现象将会说明麦克斯韦的预言也具有一定的局限性。

第三部分 热力学和统计力学

第二十二回 热力学简史

麦克斯韦在研究电磁现象的时候，用流体力学类比力线的概念，用热力学类比电磁的传递方式。“如果人们对某一个未知领域还含糊不清的话，将其类比为已有的定律是最好不过的了”，这便是麦克斯韦所说的物理类比法。那么，在麦克斯韦时代，人们对热和光的研究又是怎样的光景呢？

在所有的物理研究中，应该没有比研究热现象更早的了。人类研究热现象估计在4万年前，那时候人类还住在山洞里，所以称为穴居人。他们还不能说是真正意义上的人，因为他们的大脑还不够发达，只能使用简单的工具，但是热渐渐改变了一切。当时热主要来源于太阳，而阴天或者晚上则来源于火。穴居人发现把各种食物放在火上烤一下或者放在水里煮一下，味道会更好，同时肚子也好受一些。当然，他们还不知道煮熟的食物对大脑有多大的影响。在整个人类文明的进化史上，没有比对火的使用更具有意义的事情了。

研究得早不代表进展得快，要想让穴居人在研究热现象方面有什么进展，那是天方夜谭。甚至到古希腊时代，聪明的古希腊人对热现象的研究也鲜于记载。

转眼到了伽利略时代。伽利略在大学里本是学医的，医生会接触一些发烧的病人，伽利略发现这些病人的体温和正常人是有差别的，但是光靠手摸实在太敷衍了事了，应该有一个测量温度的仪器。为此，伽利略又陷入苦思冥想之中。

忽然某一天，他看到孩子们玩的一个玩具（如图22-1中左图所示）。这是一个中间有水的U形槽，一端密封，另一端用铅球密封，当给铅球加热时，另一端的水位升高。这是根据热胀冷缩原理制成的，据说最早发明者是古希腊人。伽利略灵感骤来，但是制成一个能使用的温度计还是花费了很长的时间。1593年，人类历史上第一个温度计诞生了（如图22-1中右图所示）。

图22-1

伽利略温度计是一根一端带玻璃球的玻璃管，上端含有空气，开口端插入器皿中，器皿中盛有带颜色的液体。当玻璃球的温度升高时，水柱会下降。在玻璃管上标上对应的刻度，便可测量温度了。伽利略的温度计有着划时代的意义，人类对温度的研究终于进入了定量分析时代。伽利略本人没有将他的温度计发扬光大，在以后的岁月中他忙着研究天体去了。

伽利略温度计的缺陷很多，比如病人总不能站起来把腋窝放到玻璃球上吧。于是1632年法国人简·雷设计了一种新的温度计，他将伽利略温度计倒置过来，但是依然没有办法解决温度计中液体的挥发、大气压的干扰和水容易结冰的问题。

到了1657年，伽利略的学生斐迪南制作了一支密封温度计，并用酒精代替空气。但是酒精的沸点比水还要低，所以根本无法测量开水的温度，后来法国人布里奥用水银代替酒精。

此时，温度计还存在着一个致命的问题。就像一把尺子，如果没有标准，谁也说不清一寸长还是一尺短，所以温度计也需要标准刻度，简称温标。当时有很多人制作新的温度计，每个温度计都有不同的标准，比如丹麦天文学家罗默（1644—1710）就以酒精的沸点表示60度。与罗默同时代的胡克和牛顿等人对热和温度也有一定的研究，他们都意识到该制定一个标准的温标了，但是都没有付诸于实际行动。

1714年，荷兰物理学家华伦海特（1686—1736）制作了很多同样刻度的温度计。他认为罗默等人的温标有个明显的缺陷，容易导致负数，即零下多少度。他把水银温度计放到冰雪和盐的混合物中，以此作为0度，然后又把温度计含到嘴巴里，画个刻度。他在两个刻度之间划了24个格子，每格表示1度。后来他又觉得格子之间的距离太大，不够精确，又将每个格子划分为4小格，也就是说人的体温是96度。这就是华氏温标的由来，和今天的华氏温标还是有些出入的。华氏温标记为℉。

对于数字，人们毕竟还是喜欢10、100这样的整数。1742年瑞典人摄尔修斯（1701—1744）引入了百分刻度法。他将一个大气压下水的冰点作为0度，将水的沸点作为100度。这是中国人日常使用的摄氏温标，记为℃。

温度计的发明让温度与热这两个容易混淆的概念区分开来，但热到底是什么呢？我们还得绕个弯子，从火说起。

火是什么？这是上古时代就有的讨论，结果古人一致将火作为一种构成万物的元素，比如中国的五行说。但是火元素与其他的元素不一样，火无法独立存在，只有在燃烧时才有，所以我们又要绕个弯子，从燃烧说起。

提到燃烧，就会让人想到化学。想到化学，就不得不提将化学确立为一门科学的化学家罗伯特·波义耳（1627—1691）。

波义耳出生于爱尔兰，比牛顿大十几岁。他出身于贵族家庭，家资颇丰。他是家里最小的“十四阿哥”。当父母之爱被14除一下后，所剩恐怕无几了。波义耳3岁时，有限的爱还打了个对折——波义耳的母亲去世了。也许是因为缺少照顾，波义耳小时候体弱多病，要经常吃药。有一次医生给他开错了药，差点导致他中毒死亡，幸好及时吐了出来。一朝被蛇咬，十年怕井绳。从此，波义耳不再相信医生，也不敢吃他们开的药。生病了以后，他就开始自学医学、找药方。长大后，他便开始学医配药，于是波义耳又迷上了化学实验。

在波义耳时代，物理学经历了几代人的发展，终渐成熟。而这一切都建立在实验基础之上，所以波义耳在他所著的《怀疑派化学家》中反复强调化学应该抛弃古代传统的思维方式，而立足于严密的实验基础之上。如果说伽利略的《关于两门新科学的对话》是近代物理学的开端，那么波义耳的《怀疑派化学家》便是近代化学的基石。

关于燃烧，波义耳和他的助手罗伯特·胡克曾经做过实验，最后得出结论：物体只能在空气中才可以燃烧。他认为火是由一种叫“火素”的微粒组成的。另外，波义耳还做过金属煅烧实验，实验中金属燃烧后质量增加，所以他认为有一种叫“燃素”的物质存在，这种物质在燃烧后进入了灰烬中，所以他得出公式：金属+燃素=灰烬。

到了1669年，德国化学家贝歇尔（1635—1682）类比火素，重新提出了“燃素说”的设想，将燃素和土、气等归为一类。他认为物体在燃烧时，燃素会逸出，留下灰烬。1703年，贝歇尔的学生施塔尔（1659—1734）直接将燃素赋予物质本身，他认为火是由无数微粒组成的，而构成这种微粒的便是燃素。燃素存在于物体内部，燃烧时便会以火焰的形式逸出，所以能产生光和热。新的燃素说取得了巨大的成功，因为它貌似能解释一切不能解释的现象，比如闪电的出现是因为空气中含有燃素，金属失去光泽是因为腐蚀剥夺了金属的燃素。但是金属燃烧，失去了燃素，质量反而增加是一个令人头疼的问题，施塔尔并没有给出合理解释。后来笃信燃素说的人认为燃素就像“灵魂”或者“灵气”一样，在金属中的质量为负数——燃素说开始玄幻起来。还有些学者搬出了火素，认为金属燃烧后，火素进入了灰烬中，所以质量增加。那么火到底是由火素还是由燃素构成的呢？一时之间仍处于混乱状态。

尽管如此，在此后的半个世纪里，人类一直虔诚地信奉着燃素说。那时人们尚未认清空气的属性，以为空气是由单一的元素组成的——和牛顿之前人们对白光的认识一样。

1755年英国化学家约瑟夫·布拉克（1728—1799）在煅烧石灰石时得到一种新空气（二氧化碳），但是这种新空气不助燃，所以他认为该空气不含燃素，而且新的空气很容易和碱性的物质结合起来，故而又称为“固定气体”。

布拉克是化学和物理两栖科学家。火能产生热，但是热未必都是从火中产生的，比如一杯水，有冷有热。他做了一个实验：有两杯等量的水，一杯40摄氏度，另外一杯60摄氏度，混合后水温正好是50摄氏度，于是他类比于燃素提出了新的概念“热素”。他认为热素是一种没有重量、可以流动的物体，存在于物体内部，看不见摸不着。与此同时，他将等量0摄氏度的冰与60摄氏度的水放在一起，最终温度远低于30摄氏度。他继续研究后发现0摄氏度的冰转化为0摄氏度的水也需要吸收热量，也就说热和温度不是一回事，因此，他提出了“潜热”的概念。

到了1774年，英国化学家普里斯特利（1733—1804）在实验中获得了另外一种“新空气”（氧气）。他发现蜡烛等物体可以在这种新空气中燃烧，而且比在空气中燃烧得更加剧烈。普里斯特利在一生中发现了很多种气体，被誉为“气体化学之父”。每种气体的助燃性不一样，有的强有的弱，有的不能助燃，而助燃性最强的当属刚才提到的“新空气”。于是普里斯特利认为燃素不仅存在于物体中，还存在气体中，燃烧是两种燃素的化合。当气体的燃素多于被燃烧的物体时，化合的气体就不需要那么多燃素，故而助燃性就弱，反之则强。而助燃性最强的气体则不含燃素，所以普里斯特利将他发现的新空气命名为“去燃素气体”。

1774年，被后世誉为“近代化学之父”的法国化学家拉瓦锡 （1743—1794）做了一个实验。他将铁放在一个封闭的容器中燃烧，容器内的总质量并未改变；而当容器打开时，能听到空气进入容器的声音——就像打开一瓶可乐一样。他断定金属的燃烧和燃素无关，但是对于具体原因也说不出一二三来。

此时正好气体化学之父到法国访问，化学界的两位大佬畅谈甚欢。拉瓦锡告诉普里斯特利自己的困惑，普里斯特利则告诉拉瓦锡自己的新发现。当拉瓦锡得知去燃素气体时，他敏锐地感觉到答案就在其中。为此他做了很多实验，最后得出结论——燃烧前后的质量不变。既然燃素说不能自圆其说，抛弃它也许会打开另一扇窗。他认为存在氧气（1778年正式提出），而燃烧不过是燃烧物中某些元素被氧化的过程，在整个过程中“物质是不生不灭的”，即质量守恒。

至此，统治物理化学界近百年的燃素说被一脚踢出了门外，但是热又是怎么回事呢？普里斯特利提出了“热质”的概念，这个概念和前面说的热素是一回事。反过来，对于燃烧放热现象迷惑不解的拉瓦锡又相信热素说，并强烈想把它加入到元素表中。

拉瓦锡出身于贵族家庭。在结婚之前，拉瓦锡除了皇家科学院的院士身份以外，还有一个头衔——税务官。若问他的院士身份是怎么来的，源于天才；若问他的官职是怎么来的，源于买卖。拉瓦锡花了50万法郎承包了法国的盐税和烟草税。不久之后，拉瓦锡娶了一位同事的年仅14岁的女儿为妻，婚后两人感情甚笃。拉瓦锡的小小新娘对丈夫的事业不遗余力地加以支持，经常将他国文字翻译成法语，还完全保留了拉瓦锡的实验手稿和记录，同时为其配上了精美的插图。在爱人的帮助下，拉瓦锡取得了巨大的成功，他在化学史上的地位堪比物理学中的牛顿。面对成功，拉瓦锡曾骄傲地说道：“我的理论已经像革命风暴，扫向世界的知识阶层。”

确实，拉瓦锡引领了化学领域的一场新的知识革命。那时法国也正经历着新的社会革命，几股势力你方唱罢我登场，拉瓦锡也在权力的更迭中被送上了断头台。人们如憎恨死神一般憎恨税务官，以至于当有人为这位天才求情时，法官大人说：“共和国不需要天才！”当时法国著名的数学家拉格朗日（ 1736—1813）对此痛心不已，他说：“他们可以一眨眼工夫把拉瓦锡的头砍下来，但他那样的头脑一百年也再长不出另一个来。”

第二十三回 热的本质

燃素唱罢了最后一曲，热质（热素）又登上了历史舞台，人们刚被燃素说误导了近一个世纪，热质说会不会也是一种误导呢？

第一个对热质说产生有理有据的质疑的人是科学家是本杰明·汤普森（1753—1814）。他是一名爱好科学的士兵，曾作为英国的间谍参加过美国的独立战争，后来成为德国的官员。某天他去视察兵工厂，发现打孔后，弹筒发热，钻头也发热。如果热素是一种存在的实体，怎么两者都平白无故地增加呢？就像打麻将，怎么会所有人都赢钱呢？于是他否认了热作为一种实体存在，转而认为热是一种运动。

与此同时，英国大化学家戴维也对热质说提出疑问，其根据也是实验中的摩擦起热。两块冰相互摩擦，最终都变成了水。他提出热不可能是一种实在的物体，而是物体内的一种微粒运动或者是由振动引起的。

对热进行另外一种阐述的是英国物理学家托马斯·杨（1773—1829）。他小时候是一位神童，据说两岁时便开始了阅读，一生涉猎非常广泛，力学、数学、天文学、动物学、考古学、音乐，甚至还会骑马、玩杂耍、走钢丝，可谓是上知天文、下知地理、中懂生活的奇才。

在众多的研究中，托马斯·杨留给人类最宝贵的财富当属对光的研究。在1800年之前，经过了一番激烈的争论后，光的本质已经被牛顿的微粒说统治，然而微粒说最后被他的双缝干涉实验打败，即光被认为是一种波。为了解释光，托马斯·杨提出了“能量”的概念，他认为光是一种能量。同样，晒太阳时身体会莫名发热，所以他用光进行类比，认为热也是一种能量。

在托马斯·杨之前，用于表述能量的名词是“活力”，这种说法源于莱布尼茨。托马斯·杨隐约感到这个活力就是一种能量。1743年，法国物理学家达朗贝尔（1717—1783）为活力与死力的争论画上了句号。他是一名出色的数学家，对牛顿力学给出了很多数学上的证明，比如力分解的平行四边形法则。在研究力时，他仔细比较了活力与死力的差别，认为死力考虑的是力作用的时间性，而活力考虑的则是力作用的距离性。时间与距离没有可比性，那么死力和活力也就没有比较的必要，这是两个不同的物理量。达朗贝尔给了活力一个名分，从此活力也堂而皇之地进入了物理学。

但是活力描述的是怎样的物理量呢？1831年，法国物理学家科里奥利（1792—1843）引入了一个新的量——功。他将功定义为F×S（F是作用力，S是距离），也就是说功表示的是力拉一个物体走了一段距离所消耗的能量（见图23-1）。在理想情况下，这部分能量转换为物体的动能。他通过微积分计算得出，功等于活力的一半，那么活力的1/2代表的就是物体的动能。

图23-1

能量的概念在当时没有被认可，所以在很长一段时间内，关于力的研究实际上指的就是能量。

从定量分析的角度来说，真正将热素说推翻的当属英国物理学家焦耳（1818—1889）。焦耳出生于一个富有的酿酒师家庭，自幼继承祖业，没有受到过良好的教育，直到后来他遇到了人生的伯乐道尔顿（1766—1844），于是对科学产生了浓厚的兴趣，开始在家里做实验，成了一名二手的科学家。

话说到了1840年左右，此时安培、法拉第、欧姆等人将电动力学推向了一个新的高度，焦耳开始研究电现象。他发现导线中有电流通过时会发热，这让他对热质说产生了怀疑，但是此时人们依然坚信热质说，就像100年前坚信燃素说一样。

1841年，焦耳做了一个更加直接的实验，如图23-2所示。

图23-2

重物下降，带动左边的搅拌器搅动水槽，摩擦生热后，水温上升。在整个实验系统中，没有任何热质的流动，由此焦耳相信热是一种能量存在的形式。他还通过多次实验证实了重物做的功与产生的热量成正比。为此，他提出“热功当量”的概念，即多少热相当于做了多少功。但热和功终究不是一码事，摩擦（机械做功）可以使得水温升高，燃烧也可以将水加热，这是两个过程，所以称为热功当量，而不是热功同量。热和做功的背后又隐藏着什么呢？他认为是时候探索能量守恒了。

能量守恒的概念起源比较早，可能源于人们对永动机的思考。据说永动机是由印度人发明的，后来传到欧洲，到了13世纪的某一年，一个叫亨利的人对其进行了改良（见图23-3）。

图23-3

一个圆盘上面挂着12个小球，转动圆盘（假设顺时针转动），左边小球的力矩要比右边的大，然后部分带动着整体继续转动。从表面上看，似乎圆盘会永久转动下去成为永动机，但是实际上过一会儿就停止了，因为它并没有考虑到动能与势能之间的转化。所以，永动机无法实现。

永动机让人们无限向往，一直以来都是热议的话题之一。画家达·芬奇也设计过很多永动机，结果都失败了，最终他下了个结论：永动机根本不存在。1775年，巴黎皇家科学院更是明文规定不再接受任何关于永动机的论文，因为当时此类论文堆积如山，但都经不住推敲。尽管如此，直到19世纪还有很多人尝试制作永动机。

对包含热量的能量守恒的探索还要追溯到对人体的研究。话说德国有一个名叫迈尔（1814—1878，不少书中翻译成梅耶）的赤脚医生，他喜欢独自给人看病。1840年的某一天，他随船队来到了印度尼西亚。那里是热带地区，欧洲人水土不服，很多水手都生病了。按照惯例，迈尔要对病人进行放血治疗。在西方，放血疗法大约起源于古罗马时代，当时人们认为血液过多和过少时都会生病，于是放掉一些以保持健康。放血多是放暗红色的静脉血，可是迈尔为水手们放血时吃了一惊。开始他还以为扎到了病人的动脉，要不然放出的血怎么如此鲜红？更让他吃惊的是他没扎错，那么鲜红的血从何而来呢？迈尔凡事都喜欢琢磨，他把这件事直接琢磨到太阳上了。

动脉血之所以比静脉血红是因为其中含有大量的氧，氧在人体内的化学作用是为人体提供热量与能量。印度尼西亚的天气比欧洲热，所以人不需要那么多氧来提供热量，多余的氧就进入到了静脉血中。于是，他又想人体的热量是怎么来的呢？无疑是通过心脏的搏动，可是小小的心脏做的机械功根本就是杯水车薪，那么人体的热量应该来自食物在体内的化学作用。食物无论荤素归根到底都来自植物，也就是光合作用，因此，人体最终的热量肯定来源于太阳。这是能量间的转化，在整个过程中，能量应该保持守恒。

1842年，回到德国的迈尔发表了题为《论无机界的力》的论文。此处的“力”指的是能量，显然这与当时的热质说格格不入。他的理论没有得到社会的认可，反而招来无端的指责，外界甚至迈尔的家人都怀疑迈尔是不是疯了。外加上幼子夭折，生活和事业的双重不幸终于击垮了迈尔，他尝试自杀，但只摔断了腿。于是他住进了精神病院，经受了8年非人般的折磨。好在苦尽甘来，他的理论终于被社会承认，也获得了一切早就该得到的东西。那时人们已经接受热的能量说了。

不得不说，焦耳的能量守恒理论也差一点夭折。在1845年的一次报告会上，焦耳提出热的能量说，下面的听众直摇头，其中就包括赫赫有名的法拉第。法拉第直接承认他对此很怀疑并表示被焦耳的理论震惊了，而威廉·汤姆逊（1824—1907）更是直接扬长而去。到了1847年，焦耳参加英国皇家学会的会议时，会议主席不打算让焦耳发言，最终在焦耳的恳求下，同意他说一点关于实验的事。焦耳小心翼翼，边做实验边解释热与能量的关系。这次坐在底下的汤姆逊终于忍不住了，他站起来叫道：“瞎说！热是一种物质，名字叫热质，与功毫无关系。”

焦耳冷冷地问：“如果热不能做功，蒸汽机是怎么工作的？能量要是不守恒，为什么到现在还造不出永动机？”

整个会场鸦雀无声，听众们终于开始意识到有必要审视以前那个荒诞不经的想法了。汤姆逊也放下成见，开始重新思考，重新做实验，重新找资料。当他读到迈尔的论文时，才觉得当时是多么草率和无礼，于是打算登门负荆请罪。他在酿酒厂找到了焦耳，在谈话中，汤姆逊提到了迈尔。焦耳遗憾地说：“你说的是那位自杀未遂的医生吧？他已经被关进了精神病院……”或许此时的焦耳后脊背还冒着冷汗……

至此，热是能量并保持能量守恒被广泛接受了。几乎与焦耳同时，德国物理学家亥姆霍兹总结了迈尔、焦耳的工作，严谨地论证了力学、热学、电学、声学等各种运动中的能量守恒。热力学第一定律（又称能量守恒与转换定律）建立了。能量守恒宣告了永动机是不可能实现的，因为人类建立不了一种“理想”的环境，让两种能量相互转换而不受影响。我们以水比喻能量，将A杯中的水倒入另外一个空杯子B中，再将B杯中的水倒回到A杯中（能量转换），即便一点没洒，A杯中的水也会比之前的要少，因为水过地皮湿，总有一点点沾到B杯上（能量消耗），再也回不来了。

第二十四回 热力学

热力学与其他学科不同的地方在于先有工程后有理论。尽管尚不清楚热到底为何方神圣，但是不妨碍人们利用热挣大钱。早在18世纪中叶，人们已经发明并开始使用蒸汽机（热机）——这正是第一次工业革命的基础。

蒸汽机源于牛顿时代活塞的发明，而用蒸汽作为一种动力可能要追溯到古希腊的亚历山大时代。后来人类使用蒸汽作为动力推动活塞来回运动，当A汽缸的温度高时，活塞向B汽缸运动；相反，B汽缸的温度高时，活塞向A汽缸运动（见图24-1）。

图24-1

最原始蒸汽机的滑动阀只能开和关，不能移动，当想要让活塞向A汽缸移动时，则必须使A汽缸中的气体迅速冷凝，于是人们开始直接浇水冷却。如此一来，刚烧好不久的蒸汽就浪费了。在这种情况下，詹姆斯·瓦特（1736—1819）出手了，他首先将冷凝装置与蒸汽分离，通过外部水循环重复利用。在另外一个汽缸旁增加加热装置。到了1782年，瓦特又改良了蒸汽机，将滑动阀设置为来回运动，使得A、B汽缸的温度交替变化。即便如此，蒸汽机的工作效率仍然很低下。当时人们对热机的物理原理还处于懵懂状态，所以很多人尝试用空气、二氧化碳甚至酒精来代替蒸汽，结果都因盲目无功而返。

恩格斯曾说，社会的需求比十所大学更能推动科学前进。工程师卡诺（1796—1832）便在这种社会需求下挺身而出。他不从机械运动的原理出发，转而研究热的本质。

卡诺出生于法国的一个科学世家，他的父亲既是拿破仑政府的一名要员，也是一名出色的科学家。在家庭环境的熏陶下，卡诺一路走来也算得上顺风顺水。1812年，卡诺考上大学，受到一批名师的指导，其中就有安培、阿拉果等。1824年，卡诺发表论文《关于火的动力》，提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念。

如果说活塞来回运动是一部电影，那么图24-2就是卡诺将电影暂停后的截屏。截屏后每个状态都是平衡的。为了表述简便，我们用三角重物表示汽缸的另外一部分，4个图中重物的总势能保持不变。

图24-2

假设一个理想状态：活塞与汽缸之间没有摩擦，需要时汽缸可以完全绝热，汽缸内的气体由独立的分子组成——不会随压强和温度的变化而变成固体或液体，也不会发生化学反应。

1.等温吸热过程（A→B）。活塞向上运动，汽缸体积增大，向外界吸热，借以保持温度（T1）不变。

2. 绝热过程（B→C）。在绝热状态下，虽然不加热，但是活塞由于惯性仍然要对外做功，汽缸内的温度降低。所以，活塞继续升高，汽缸体积增大，气温降低到T2。

3. 等温放热过程（C→D）。活塞反向下降，汽缸体积减小，向外界放热，借以保持温度不变。

4. 绝热过程（D→A）。活塞由于惯性继续下降，汽缸体积减小，气温升高到T1。

如果将重物换成汽缸的另外一部分，就是整个汽缸的工作原理了。这个循环过程称为卡诺循环。在一个卡诺循环里，系统对外做的功就等于吸收的热量减去放去的热量，通过计算可得出卡诺热机的工作效率为：ρ=1-T2/T1。

卡诺用数学公式告诉当时的工程师们，要提高效率，最好的办法是让两个过程中的温差增大，至于烧什么燃料，无所谓。

起先卡诺支持热质说，他把热质类比为水，认为热质总是从高处往低处流，在流动的过程中对外做功。同理，如果外界不对水做功的话，那么水也不会从低处主动流向高处。于是，他得出结论：高温物体会主动向低温物体传递热质，或者说热质会从高温物体主动流向低温物体，反过来则不行。但是在卡诺循环中，热机的效率不为100%，丢失的热质去哪儿了呢？卡诺开始认为是流向了冷凝器，但是冷凝器也是一个水循环。在整个系统中，卡诺感觉热质总是对不上数，所以后来他放弃了热质说，转而用“热量”代替热质。只可惜那已经是他在“晚年”的新认识了，尽管当时他才三十出头。

卡诺的一生十分不幸。1815年，他的父亲在滑铁卢战役之后被流放，几年后客死他乡。家庭的巨变对卡诺的影响很大，导致他性情孤僻，最终脱离了科研圈子，《关于火的动力》发表后，阅读量甚少。他的弟弟虽然也是一位工程师，不过对热机效应的领悟不够深，以至于他没有将卡诺修改后的《关于火的动力》及时发表。50多年后，这篇修改后的论文终于公布于世，但是在工业革命的滚滚浪潮中，一天一个新变化，更别说以年为单位了。此时人们早就弄清了热的本质。卡诺被人记住的只停留在1824年的论文中，尽管如此，他的论文依然引领着热力学的革命。

《关于火的动力》的第一位读者是法国物理学家克拉珀龙（1799—1864），他对卡诺循序有着深刻的理解，并建立了直观的几何坐标图。当时他还是一名比卡诺低两届的学生，人微言轻，他也没能将卡诺的理论推向世界。

若干年后，上文提到的和焦耳辩论的英国人威廉·汤姆逊到法国访问，意外间读到了克拉珀龙的文章，才知道世上还有叫卡诺热机的东西，只是他找遍了所有的书店，也没有找到卡诺的原著。无奈之下，他只得根据克拉珀龙的论文来猜测卡诺的思想。

威廉·汤姆逊的父亲是一位大学教授，他从小就受到了良好的教育，10岁便上大学预科班，14岁开始正式学习大学课程，15岁开始发表有真知灼见的论文……他在很多领域都有创造性的成果，包括在英吉利海峡铺设海底电缆。可以说他的成就是非常辉煌的，以至于后来维多利亚女王册封他为男爵（可以世袭，比牛顿的骑士爵位要高）。授爵后，威廉·汤姆逊改名为开尔文（据说是他家乡的一条河流的名字）。后人曾评价说：上帝要给人类科学，于是派来了牛顿；上帝要给人类工程，于是派来了开尔文。

当读到克拉珀龙的文章时，开尔文考虑了以下两个问题。

第一个问题：卡诺热机的效率能否等于1？在这种情况下，必须保证T1=∞或者T2=0。温度为无穷大是不可能的，同样温度等于0也无法实现。实际上，这里的温度既不是华氏温度也不是摄氏温度，而是绝对温度，是一种不依赖于任何物理特性的温标。这正是华氏温标和摄氏温标做不到的，比如摄氏温标依赖水的冰点和沸点，而在不同的大气压下，水的冰点和沸点是不同的。这就好比长度的度量单位米，它只能建立在某种约定俗成的、绝对的基础之上，而不能建立在某个皇帝的一个跨步上。

开尔文认为是时候建立一种新的温标了。实际上，绝对温标的建立并非他一人之功。故事得从波义耳说起，波义耳曾提出波义耳定律，大意是说：同温下，气体的体积与压强成反比关系。到了1802年，法国科学家盖-吕萨克（1778—1850）提出了一个定律：对于一定体积的任何气体，当温度升高或降低1摄氏度时，其压强增加或减小的值是恒定的，约等于1/273。因此，如果我们将一种0摄氏度的理想气体降温到零下273摄氏度，它的气压将会为零，体积也会为零。换句话说，温度不能再往下降了，再降体积就成负数了，显然这是不可能的。

盖-吕萨克的这一发现实际上在早些年就由法国物理学家查理（1746—1823）提出了，但是没有受到人们的注意，直到盖-吕萨克重新提出时，人们才注意到查理的贡献，故而这个定律叫查理定律。

开尔文在前人的基础之上，于1848年建立了绝对温标。它以零下273摄氏度（现在标准值为零下273.15摄氏度）为起点，单位记为K（简称开，为了纪念开尔文）。0开称为绝对零度（零下273摄氏度），绝对零度是不存在的，所以卡诺热机的效率永远小于100%。

第二个问题：卡诺热机的效率等于0会怎样？效率等于0肯定存在，只要T1=T2就可以轻松实现。可是二者相等意味着什么呢？意味着卡诺热机空转白忙活，也就是说在同一热源下，卡诺热机无法工作。于是开尔文得出新的论断（热力学第二定律）：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。简单点说，在单一热源下系统做不了有用功。

在热力学第一定律建立的时候，人们终于相信永动机是不可能实现的。于是有人开始构思第二类永动机，它从外界不断地吸热，进而循环做功。最为著名的是1881年一位美国人为美国海军设计了一种发动机，利用液态氨气从海水中吸取能量后汽化成氨气，从而放出能量对外做功。这种发动机最终没有成型，因为汽化后的氨必须冷凝成液体才能重复使用，如果不打算重复使用的话，那么就需要和海水等比例的液氨，显然这是不可能的。所以，另外一种低温热源是必要的，也就说必须要有两种或两种以上的热源。

另外一位从克拉珀龙那里得知卡诺热机且做出卓越贡献的科学家是德国的物理学家克劳修斯（1822—1888），他的出发点是卡诺提出的热质流向问题，但是1850年之后不能再提热质了，所以卡诺的意思可以理解为热量会从高温物体转到低温物体，如果没有外界做功的话，热量绝对不会从低温物体转到高温物体。比如将一个容器用隔板隔开，两边分别放入热水和冷水，再抽掉隔板，水温只会冷热均匀，而不会热的更热，冷的更冷。这是怎么回事呢？克劳修斯认为：物理上的各种变化有两个方向，一种是自然方向，另一种是非自然方向。自然方向是自发而独立进行的，非自然方向则必须受到外界影响才可以进行。克劳修斯将热力学第二定律表达为：热量无法从低温物体转向高温物体而不产生任何影响。

至此，热力学第二定律已经基本建立了。

第二十五回 统计力学

热的本质是能量，而能量从何而来呢？19世纪中叶，自从热质说被推翻以后，人们开始相信热是微粒运动的结果。这种微粒便是分子，物体由大量的运动着的分子组成。每个分子都具有一定的动能，对外表现便是热。两个物体摩擦时，它们表面的分子相互接触，在不断的摩擦中，分子间的碰撞更加剧烈，动能增加，物体表面温度升高，热能增加。

牛顿力学体系也可以完全解释热现象，但是绝不是最好的办法。单个分子行踪诡异、飘忽不定，而且分子数量庞大，人们不可能挨个去分析每个分子的运动。就像厨师炒一盘豆子，他不可能挨个去尝每粒豆子的咸淡，要是那样的话，菜没了，锅空了，厨师也饱了。好在每个豆子的味道都差不多，从宏观上衡量它们才是可行的办法。

在物体的固、液、气三态中，研究气体时似乎受到的束缚更少，也更为轻松。克劳修斯可以说为统计力学奠定了基础。1854年，他首先尝试用气体分子的撞击解释压强。他认为压强是分子撞击容器所致，虽然每个分子的撞击力微乎其微，数量较多时就不可忽略了，何况还有兆兆亿亿个分子呢！气温升高，分子运动加剧，单位时间内撞击单位面积的力会更大，宏观上表现为压强增大。他提出“统计平均值”的概念，就好比评委们给一位舞蹈选手打分，最后的计分方法最好是掐头去尾取平均值。克劳修斯从查理定律出发推算出常见气体分子的平均速度，比如氢气是1844米/秒，氧气是461米/秒……这些速度相当高，要知道音速也不过是340米/秒。

克劳修斯的理论存在很大的悖论。比如有个学生在教室里放了个响屁（假设屁由一种分子组成），即便屁分子的平均速度要比氧气慢，但也不会慢到哪儿去。为什么所有人都听见了声音，却过好久才闻到臭味呢？也就是说分子运动根本没有克劳修斯说的那么快。于是克劳修斯又提出了“平均自由程”的概念，借以束缚分子的运动。简单点说，自由程就是分子相互碰撞后能走多大的距离。怎样求得分子的自由程？在一个理想的平衡状态下，克劳修斯先假设只有一个分子运动（图25-1中深色球所示），其他的都静止（图25-1中浅色球所示）。但是深色球与浅色球的碰撞不是等权的，离深色球越近的浅色球越可能受到撞击。所以，克劳修斯需要求出撞击的概率，进而计算出所有分子的平均自由程。

图25-1

概率是研究随机性的数学方法，比如网购时有好评和差评，但是通常不会所有人都打好评，也不会所有人都打差评，于是好评率出现了。评价在顾客确认收货之后进行，那么在售出时怎么知道新客户将会给出什么评价呢？无从知道，只能从以往的历史经验入手，估计他大概会怎样评价。然而做学问可不是一次网购，这样做可以吗？答案是可以的，如果单个分子运动是一次网购，所有分子的运动就构成了庞大的“云数据”。

概率被带进了物理学！

其实早在1850年，麦克斯韦就认识到了这一点。他认为世界上真正的逻辑是对概率的计算，因为概率分布是客观存在的，物理学的任务便是要找到客观存在的规律性。

到了1859年，麦克斯韦将每个分子看作一个质点，那样就可以将每个点的运动划分成3个相互垂直的方向（x，y，z）上的运动，再讨论理想状态（即每个气体分子的碰撞均为弹性碰撞，碰撞后动能不损耗）下气体分子的运动速度，最后从分子的宏观性进行考虑，得出速率的分布曲线（见图25-2）。

图25-2

从图25-2可以看出，分子的速率有可能为零或无穷大，只是这两个极点的概率非常小。实际上分子速率为无穷大是不可能的，麦克斯韦提供的只是一种非常好的数学方法。在当时，将概率引入物理学饱受质疑，速率分布曲线自然不能幸免，直至1920年人们才为该曲线提供了强有力的实验证据。

好吧，如果麦克斯韦的概率论是正确的，会不会存在以下情况？比如分娩，生下男孩和女孩的概率都是1/2，那么会不会在某一年人类生下来的都是女孩或者都是男孩？这种说法看上去很荒谬，但这是不可否认的客观事实，尽管概率小得可怜。假设人类历史可以延续100亿年，这个小概率值乘以100亿后就会很大了。也许你会觉得100亿年内只有某一年全生男或全生女无所谓，但是放在物理学里，就会出现很多诡异的现象，比如装了气体的瓶子自己会走（分子运动取向一致），千万块石头自动变成了城堡，钢铁自动变成汽车，不小心撒到作业本上的墨汁会自动把作业写完，因为在物理学里，没有哪条定律认为这是不可能发生的。

但克劳修斯告诉人们这就是不可能的，因为在一个孤立的系统里（即不受外界影响），无法做到非自然方向的转化。1865年他提出了“熵”的概念，熵本来用于描述卡诺热机的状态，但他发现对于一个孤立的系统，熵只能增加或维持不变，绝对不会减少，减少了就表示非自然方向的转化出现了——在没有外界干扰的情况下这是不可能发生的。克劳修斯认为熵适合一切自然现象。

熵的应用非常广泛，简单解释就是顺自然方向者昌，逆自然方向者亡。从有序到无序便是一条基本的自然转化方向。虽然一座城堡由无数块石头有序地砌成，但是没有人为因素是做不到的，石头绝对不会逆着自然法则行事。

不久以后，熵用来解释宇宙热寂。热寂概念是由开尔文提出的，他把整个宇宙看成一个孤立的系统，宇宙内部能量的转化看成一个卡诺热机，不断地从系统中的高温物体吸取能量，向低温物体传递能量，总有一天高温物体和低温物体的温度相等，那样的话宇宙就无法运作了。利用熵来解释，宇宙的熵会逐渐增大，直到不再变化，此时宇宙处于热平衡状态。

热寂说太悲观，肯定使人这种高等动物惴惴不安，最先表达不满的是麦克斯韦。他提出一个假想的模型——麦克斯韦妖。

如图25-3所示，一个孤立的热平衡系统分为A和B两部分，中间有隔板，隔板上有个小窗口。妖就站在窗口边。起先，A、B两部分的温度一致。当一个分子经过小窗口时，妖以非常快的速度跑过去，判断分子速度的快慢，并选择开窗或关窗。最终快速率的分子被放置在A区，慢速率的分子被放置在B区。这样一来，A区的温度高，B区的温度低，温差出现了，整个系统的熵也减少了，也就不用担心热寂了，热力学第二定律也不复存在了。

图25-3

麦克斯韦妖也曾被人们激烈地讨论过，最终还是被踢出了物理学，这是20世纪中叶的事。在概率与统计的数学方法、熵等理论基础之上，人们发展出了一门新学科——信息论。信息论认为小妖没有对系统做功，它怎么知道分子的速度、方向、经过的时间呢？唯有测量，而测量则必须有外部做功。假如小妖的神经极其敏感，它不需要借助外界，只靠那一双迷人的眼睛就可以目测世界，可是没有光线，眼睛等于瞎子，而光线进入了系统，系统也就不孤立了。从根本上说，麦克斯韦妖没有存在的可能性。

热寂说基本上也被否定了，随着天体物理学的发展，人类认识到宇宙在不断膨胀，宇宙本身就趋向于不平衡状态，自然不用担心热寂了，所以热力学第二定律在宇宙系统上并不算完全成立，或许这也是目前很多科学家寻找第二类永动机的主要原因。退一万步说，即便宇宙不膨胀，我们也不用像听到“黑色星期五”那么悲观，就像史铁生说的“死是一个必然会降临的节日”，而我们不必坐等这个节日的到来。

第四部分 光学

第二十六回 光，波或微粒？

什么是光？这个问题要比热难多了，不过《圣经》中的解释却简单而任性：“上帝说要有光，于是就有了光。”如果光真是由上帝创造的，那么他老人家也给人们发现其中的奥秘留下了破绽——昼夜交替。虽然我不知道人类研究光从什么时候开始，但是我坚信人类肯定是从晚上看不见东西时就开始产生疑惑的。

话说阿七有个科学家朋友叫文西，他新研制出一个手电筒，当有光照到这个手电筒时，它就会亮。

“那么没有光照到它呢？”

“绝对不亮。”

“……”

故事中虽然出现了“多此一举”的逻辑问题，但是在古代不乏这样的思考。古人（未必只有古希腊人）认为人能看见东西是因为眼睛里发出的光照射到物体上。

“那么漆黑的夜里为什么看不见呢？”

“可能是因为没有光照到眼睛里吧？”

这个悖论存在了很多年，直到古罗马时期的卢克莱修（约公元前99—约前55）时代，他认为眼睛不发光，只是光的“搬运工”，光从光源出发到达眼睛，眼睛将光反射到物体上，所以眼睛才能看到物体。由于他的名气不大，所以其学说没有盛行。这种说法也存在问题，比如将光源放在脑袋后面，使得光源的光不能直接进入眼睛，但是眼睛依然可以看到脑袋前面的物体。

到了公元1000年左右，阿拉伯人海什木（965—1040）发展了光学理论，他认为眼睛看到物体是由于光源照射到物体上，然后由物体反射到眼睛里。但是光源的颜色是一种，而物体的颜色是五彩缤纷的，海什木对此没有给出解释。

他还专门做了一个实验：小孔成像。小孔成像实验在两千年前的《墨子·经下》中就曾提到过：“景到，在午有端，与景长，说在端。”大意是：影子（像）倒立，在光线交会处有一交会点（小孔），关于影子的大小，在于交会点的相对位置。通过小孔成像，墨子和海什木似乎都可以看到光的直线传播路径，不过海什木还做过很多关于物理的实验，为此伽利略称他为“人类第一个科学家”。

尽管没有搞清楚眼睛与光的问题，但不妨碍古希腊人研究光的两个普遍现象——折射与反射。

古希腊几何大师欧几里得（公元前330—前275）研究了平面镜反射成像原理，发现了反射角与入射角相等的规律；天文学家托勒密也研究过光的折射现象，他是第一个测量入射角和折射角的人。

转眼间就到了伽利略时代，那时候荷兰人已经用凹凸镜制成了望远镜，而且伽利略和开普勒都有一台自己的望远镜，其原理就是光通过透镜时发生折射。他们都对光的折射有一定的研究。开普勒提出了入射角和折射角的比例关系，虽然不是很精确。

此后，荷兰物理学家斯涅耳（1580—1626）在1621年得出最正确的入射角与折射角关系式，正确到后来出现在中学的教科书中。笛卡儿在此基础上引入正弦余弦表述式。斯涅耳还用光的折射解释了水中物体漂浮现象。斜眼看鱼，感觉鱼比实际的位置要高（见图26-1）。

图26-1

说了这么多，光的本质是什么？在古希腊哲学家德谟克里特看来，光是一个个小小的球状颗粒。这是最早的光微粒说。这种小球以极快的速度沿着直线传播，遇到物体会反射，遇到透明或者半透明物体会折射，然而有个问题——光的衍射无法解释。

意大利数学家格里马第（1618—1663）在生活中发现一个很诡异的现象：他家的房顶上有一扇百叶窗，当太阳光从百叶窗的缝隙中照到木杆上时，木杆的影子比预期的要宽，而且宽出的部分里出现了明暗条纹。他将此现象称为衍射。衍射现象非常常见，比如将眼睛眯成一条缝对着灯，就可以看到条纹般的光线。

光的衍射说明光在同一介质中并非按照直线传播，至少不总是直线传播。如果光在物体的边缘也会折射，那么明暗条纹就解释不通了，所以他将光和水波进行类比。水波可以绕开障碍物而发生衍射现象，所以他认为光也是一种波，这是人类历史上最早的光波动说。他预言物体的颜色不同是由物体反射光的频率引起的。

消息传到英国皇家学会会长胡克的耳朵里，他同意格里马第的看法，同时也开始研究肥皂泡的颜色。他判断光是一种速度很快的纵波，就像吹肥皂泡一样向外扩散，光的颜色由频率决定。是波就需要介质，胡克把这项工作交给了以太。伟大而小心眼的胡克很好地发展了光的波动说，只可惜和他结梁子的是更伟大、心眼更小的牛顿。

牛顿自始至终都是光的微粒说的代表。起先，他研究过光谱现象，提出新的微粒说。光如同小球，白光是由各种颜色的小球组成的，不同颜色的光在物体上有着不同的折射率与反射率，当白光照到物体上时，部分颜色的小球被反射，另外部分光被物体吸收了，所以世界是如此缤纷。牛顿的微粒说解释了颜色的千古之谜，然而他用一个实验亲自埋葬了曾经付出的所有努力。

如图26-2所示，点光源通过分光镜，再由凸透镜、平面镜折射和反射之后，会形成一个环状的光谱图，史称“牛顿环”。其实谁都知道，牛顿环的产生是由光程差异导致的，就像三棱镜上窄下宽一样，那么用波的干涉便能很好地做出解释，但是牛顿拒绝采用。他认为光微粒进入不同介质的时候会有些“迟疑”（某种短暂状态），迟疑之后又回过神来，在回神的那一刹那之前，光微粒更容易被下一个介质反射或者折射。由于光程不一样，所以光粒子花的时间不一样，这会导致“阵发性的间隔”。这样说来，难道光还有意识？因此，牛顿表示暂时还是不要讨论为好。

图26-2

寸有所长，尺有所短。微粒说解释不了光的衍射，同样光的波动说在解释折射方面也存在一定的困难。这个时候，荷兰科学家惠更斯站了出来。1678年，他明确反对牛顿的观点，同时又对胡克的波动说进行了改造。他改造了以太，我们知道声音传播是靠看不见摸不着的空气，而以太也和空气差不多。惠更斯认为每个光源把能量给了周边的以太，由于以太是由一个个刚性十足的小球组成的，所以这些小球接收光源能量后又会去撞击周边的小球，每个小球都以自我为中心向外扩散，为此他提出“光波面”的概念。惠更斯的观点在当时相当完美，起码能解释直射、折射和衍射了。从根本上说，他的观点也属于波动说，一场旷日持久的“波粒战争”正式打响了。

牛顿的微粒说与惠更斯的波动说本就势同水火，但那时谁也不能给出压倒性的证据，最终这场拉锯战以牛顿的微粒说胜利而告终，胜利的原因并不是实验证据，而是因为牛顿在学术界的权威，谁让他的名望太高，成就太大呢？但是，持波动学说者则表示这事不算完。

说话间，一个世纪又过去了，英国人托马斯·杨对牛顿的光学理论产生了怀疑。怀疑的起点是，他对光和声进行类比，因为声波在重叠后都有加强或减弱的现象。他想，如果光也能产生这样的现象，势必为波无疑了，但是这种现象人眼是不可能看到的。

到了1801年，托马斯·杨仿照水波的干涉现象，做了历史上著名的杨氏双缝干涉实验，如图26-3所示。

图26-3

屏幕上明暗相间的条纹已经说明了一切。后来杨做了很多干涉实验，总结出了干涉原理，还测了实验时光的波长。由于他的出发点就是将光和声进行类比，所以他认为光也是纵波。杨把自己的工作告诉了法国物理学家、牛顿的忠实粉丝阿拉果，阿拉果经过一番思想斗争后选择相信杨的实验。

对于光的微粒说，不满的人日益增多，法国物理学家菲涅尔（ 1788—1827）也在进行着对光的探索。此时他还不知道杨的双缝干涉实验，后来“叛变”过来的阿拉果及时地告诉了他杨的工作。菲涅尔在此基础上取得了很多成果。

波粒战争再次激烈起来。1818年，法国科学院提出组织一场竞赛，看谁能从实验中得出衍射现象，谁能用数学方法推导出光在物体附近是怎么运动的。

站在牛顿这边的法国数学家泊松（1781—1840）通过严格的数学推导出：如果光是一种波的话，那么光通过一个圆形的障碍物时，会在后面的观测屏上呈现一个亮点；或者光通过一个小孔时，会在观测屏上呈现一个黑斑点。

在日常生活和人们的脑海里，光通过障碍物时，留下的只有影子，眼看着微粒说将要胜利时，菲涅尔在阿拉果等人的协助下成功地满足了泊松的要求。而菲涅尔的障碍物之所以会出现亮斑，是因为障碍物必须足够小。后来菲涅尔将此亮斑命名为泊松光斑。

面对微粒说，波动说给了致命一击，此时“光是一种波”的论断已经是板上钉钉了。既然光是一种波，而波是能量的传输方式，那么承载波的载体又是什么呢？以太，必须是以太，因为放眼望去，再也没有比以太更适合的人选了。那个曾经被牛顿扣在五指山下的“恶魔”被一拨儿接一拨儿的取经人揭掉了封印，以太重现江湖。

第二十七回 光谱的故事

人类研究光谱应该是从彩虹开始的，尽管古人还未曾将彩虹与光联系起来。虹者，从虫从工；虫者，兽也，所以老虎又叫大虫，此处可解释为龙；工者，工整也，可解释为工整排列。大致上，古人（无论西方还是东方）都将彩虹解释为天上的某种神兽。

对光谱有实质性研究的人是牛顿，不管结果如何，他是第一个将白光看成复合光的人，而白光分散开来就是光谱。就像客人坐在饭店里，店小二拿来一本菜谱，饭店的菜名尽列其上。还有没有别的菜呢？客人似乎别无选择。

大约在托马斯·杨发现光干涉现象的头一年，英国天文学赫谢耳（1739—1822）告诉人们还有其他选择。赫谢耳出生于军队乐师家庭，从小爱好音乐，也想成为作曲家，但是这些爱好敌不过天文，他时常制作一些大型望远镜。1781年，他发现了太阳系第七大行星——天王星，从此轰动天下。

1800年的某一天，他依然和往常一样，用三棱镜观测恒星的光谱，然后用很灵敏的温度计测量每种颜色的光谱的温度。可能是他不小心将温度计放到了红色光谱之外，结果温度计的温度也升高了。赫谢耳感到很奇怪，他认为红色光谱外面还有人们看不见的光，所以称之为红外光。其后不久，光的波动学说成为主流，所以光谱中不同的颜色代表着光的不同频率，人眼能看见的只是光谱的一小部分，还有很多不可见的光。光谱远比牛顿时代的人们想象的更为广大（现在光谱简图如图27-1所示）。

图27-1

即便在可见光部分，光谱也很复杂。1802年，英国化学家沃拉斯顿（1766—1828）用一条很窄的细缝取代牛顿的小孔，再透过三棱镜时，发现可见光的光谱中夹杂着几条黑黑的细线。长久以来，我们对光谱的认识存在一个误区，认为光谱由七色光组成，实际上光谱是连续的，也就是说分不清有多少光，只是大致上将其分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫而已。沃拉斯顿将他看到的黑线解释为不同颜色光的分割线。

牛顿后第二位对光谱研究取得很大成果的是德国的一位玻璃工匠——夫琅和费（1787—1826）。夫琅和费出生于德国拜仁的一个玻璃制造工人家庭，他的祖父和父亲都是玻璃工匠，他母亲的娘家与玻璃的渊源甚至可以追溯到伽利略时代，他本人也很好地继承了父母双方家族的优良传统。只是可惜，他10岁时娘去世，11岁时爹又去世，从此住进了贫民窟，14岁时贫民窟还倒塌了。当他被人从瓦砾堆里救出来时，碰巧他的遭遇让当时路过此地、日后成为巴伐利亚国王的马克西米利安一世知道了，他资助夫琅和费进入学校学习。

1814年，在研究三棱镜时，夫琅和费把三棱镜对着太阳光透过小缝形成的线光源时，发现光谱中的暗线比沃拉斯顿看到的要多得多。如果三棱镜的镜面比较粗糙，这些暗线就会模糊不清，夫琅和费的手艺由此可见一斑。当他把三棱镜对着月光形成的线光源时，也得到了同样的光线谱。他把这些暗线在光谱图上标记出来，并且按字母编号，后来称之为夫琅和费谱线。

夫琅和费把三棱镜放到天文望远镜的一个焦点位置上，发现光谱中暗线的位置和数量都有很大的差别。这些发现无疑是很伟大的，只可惜人微言轻，科学界对他本人不够尊重，只将其看成一个“制造者”，说难听点就是一个干活的人，所以出席某些科学会议时，他连发言的资格都没有。然而正是这位干活的人一手将拜仁（巴伐利亚）带到了世界第一大光学仪器制作中心的位置上。1826年，夫琅和费在长期的玻璃制造工作中倒下了，年仅39岁，死于重金属中毒导致的肺结核。

30多年后，赫兹的老师基尔霍夫对光谱中的暗线做出了合理的解释。基尔霍夫出生于今天俄罗斯的加里宁格勒，在当时叫柯尼斯堡，属于普鲁士王国。基尔霍夫在柯尼斯堡上大学，主修物理。基尔霍夫是一位天才，年仅21岁的时候，他提出了基尔霍夫电流和电压定律，翻译成教科书语言便是并联电路总电流等于各分路电流之和，串联电路总电压等于各元件电压之和。基尔霍夫因此被誉为“电路求解大师”。也许有人会认为这条理论太简单了，然而当电路如图27-2所示时，我们就该向这位大师表示大大的感谢了。

图27-2

大学毕业之后，基尔霍夫便开始去柏林大学任教，与当时德国的一位化学家本生（1811—1899）相识，两人结下了深厚的友谊。本生出身于书香门第，也是将家族传统发扬光大的人。1852年，他担任德国海德堡大学教授。在本生的推荐下，两年后基尔霍夫也成为了海德堡大学的教授。他二人将人类对光谱的认识推向了新的高度。

故事还得从一盏灯说起。早在18世纪中叶，欧洲人开始利用气体燃烧照明，只是如果煤气燃烧不够充分，会导致火焰的温度不高，而且浓烟较多，污染大。到了拉瓦锡时代，人们清楚地认识到燃烧是燃料与空气中氧气的化合作用。于是本生改良了汽灯，他让煤气在燃烧之前就与空气按照一定的比例混合，燃烧后的温度大大提高，火焰也呈现出不同的颜色。

火焰的颜色代表什么？那时候人们早已知晓，燃烧时温度不同便会呈现不同的颜色。比如一堆篝火，木头燃烧后会产生二氧化碳、一氧化碳等，同时释放大量的热，这些热使气体和燃烧后的小颗粒的温度升高，于是呈现出火焰。所有的物体加热到一定程度都会成为发光体，比如通红的木炭、锅炉腔体中的锻铁、白炽灯的钨丝等。但不是所有的“火焰”都会被人眼看到，比如煤气的主要成分是一氧化碳，高纯度煤气火焰的颜色若蓝若无，因为它的光谱在可见光之外，但是如果在火焰上加点食盐（氯化钠），火焰便呈黄色。

某一天，本生和基尔霍夫二人和往常一样散步。本生告诉基尔霍夫燃烧食盐的实验，并告诉他用有色的玻璃镜片看黄光非常有趣。基尔霍夫笑着说：“如果我是你，我会选择用三棱镜。”果然第二天，基尔霍夫带着三棱镜走进了本生的实验室。

基尔霍夫发现，在光谱可见光部分的黄色位置上只有一条明显的暗线。如果用镁等金属取代钠，也会在不同位置上出现暗线，此光谱称为元素发射光谱。这些暗线与夫琅和费谱线有什么关联呢？基尔霍夫在本生灯的后面放置了一个白光源，燃烧钠时，会在同样的位置（即频率相同）产生暗线，此光谱称为元素吸收光谱，如图27-3所示。基尔霍夫由此于1859年得出一个新的结论：某一物体发射什么样的光，它就会吸收什么样的光。

图27-3

现在可以对夫琅和费谱线进行解释了。太阳光的谱线本是连续的，但是太阳中含有钠、镁等元素，它们吸收特定频率的光，所以光谱中出现较暗的条纹。月亮光谱和太阳光谱一样，因为月亮本身不发光，只是反射阳光。每个恒星中含有的元素不一样，所以光谱中暗线的位置不一样。反过来，以此方法可以得知恒星上存在哪些基本元素。此后人们利用光谱现象寻找自然存在的元素，新元素的发现进入第一个高峰期。

基尔霍夫发现了光谱中的暗线，这些暗线的位置只与元素有关，元素光谱的暗线比较复杂，通常人们研究最简单的元素——氢的光谱。瑞士数学家巴尔末（1825—1898）经过长期研究，得出氢原子谱线与波长的经验关系式，称为巴尔末公式。

这里，λ为波长，B为常数。

虽然搞清楚了暗线出现的位置，但是搞不清它们为什么会出现在那里。等人们差不多搞清楚这些问题后，势必又是一场物理学的大风暴。

可是光谱并不是一成不变的。当光源运动时，光谱会发生红移或者蓝移，这就是多普勒效应（以此纪念科学家多普勒）。多普勒（1803—1853）出生于奥地利的一个石匠家庭。多普勒的家族是从事石匠生意的，他的家乡建了很多房子。多普勒没有在石匠这行当里博得状元头彩，因为他的健康状况一般，最主要的原因是他的学习成绩太好了。

话说有一天多普勒带着孩子去散步，一列火车从远处隆隆开来。他注意到，火车越近时，隆隆声越刺耳，等到火车离去时，声调突然变低了。这个现象引起了他的注意，他潜心研究了很多年。他认为这个现象和声音的频率有关，最后多普勒自掏腰包请乐队在行驶的火车上演奏，请乐师辨别声音的频率，得出频率与运动速度之间的关系（见图27-4）。

图27-4

1842年，多普勒将此研究成果发表，此后他还将此应用到光上面，但是那个时候人们还不了解光是什么样的波。多普勒以为光和声波一样都是纵波。到了1848年，法国物理学家阿曼德·斐索（1819—1896）在丝毫不知道多普勒研究的情况下，得出了光的多普勒效应，所以光的多普勒效应又称多普勒-斐索效应。简单说，当光源远离观察者运动时，会看到光谱向着红色部分移动，简称红移；当光源靠近观察者时，光谱会向蓝色部分移动，又称蓝移。反过来，当光发生红移时，可以确定光源正在远离观察者，而发生蓝移时则说明光源正在靠近观察者。

另外，斐索是人类历史上第一个用实验精确测量出光速的人，请看下回《光速的测量》。

第二十八回 光速的测量

长久以来，人们一直在猜测光怎样从光源到达目的地。先哲们见仁见智，但谁也拿不出让别人信服的理由来，因为没有人对光速进行过有效的测量。

可以肯定声音是有速度的，比如在电闪雷鸣的夜晚，我们总是先看到闪电后听到雷声。如果把这个问题归结为耳朵长在眼睛后面，那只是个冷笑话。物理学是一门很严谨的学科，即便在简单的科普文章里，我们都不会开任何玩笑。

开创相对运动研究先河的伽利略可以说是速度的忠实粉丝，他不仅相信光有速度，而且还想用实验测算出光的速度，其方法就是测量声音速度的那一套。

虚拟一个实验来看看声速是怎么测量的（仅供参考）。

话说有小伽和小略两个人，他们分别站在两个高高的建筑（或者山）上，手里分别拿了一块表和一个喇叭。小伽先喊道：“喂，听见了吗？”然后，他开始掐表计时（T1）。

小略听到后喊道：“没有听见啊。”他也同时掐表计时（T2）。

小伽喊道：“没听到还喊？”然后他又计时（T3）。

……

如此反复，反复如此，就能测量出声速大约是340米/秒。

相对于光速，声速简直小到不知道怎么形容。伽利略已经估计到光速很快，所以他对测量声音的实验进行了改良，加大距离和测量更多次。下面再次演示。

小伽开灯，然后喊道：“喂，看到了吗？”然后，他开始计时。

小略自语道：“喊什么喊，在测光速哩！”其实他早就在计时了。

……

那时候人们还没有很精准的计时器，而第一个真正意义上的机械钟还是后人根据伽利略发现的钟摆原理制造的。不过，我们假设小伽和小略都带上了最精准的表，这个实验依然无法进行，原因是所记录的开灯时刻（T1）极有可能在看见灯光时刻（T2）之后，因为光速实在太快了。人眼看见灯光，反应到大脑，再从大脑发出掐表指令，这时光已经从北京到纽约跑个来回了。毫无疑问，伽利略的方法确实失败了，所以历史上也没留下他测的光速数据。

大约过了40年，丹麦皇家天文学家罗默通过观测木星和木卫一，第一个有理有据地证实光是有速度的。

话说木星有很多颗卫星，其中4个较亮的已经被伽利略看到了。当时人们已经基本掌握离木星最近的一颗卫星（木卫一）绕木星公转的周期大约为42小时，即每隔42小时左右就会发生一次木星食。假设两次木星食的间隔为T，当地球沿着公转轨道向木星运动时，T要小一些；而当地球背离木星运动时，T要大一些。这说明光是有速度的，否则T是一个不变的量。

如图28-1所示，地球由B向A运动，T不断减小，当地球处于A点时，T最小；地球由A向B运动，T不断增大，当地球处于B点时， T最大。所以，我们有理由相信A、B两点的T值之差就是光通过这两点所用的时间，记为∆T。而A、B的距离正好是地球公转轨道的直径，即日地距离的2倍。当时卡西尼已经基本完成了日地距离的测量，只是他并不相信罗默的工作，实际上卡西尼对哥白尼、开普勒、牛顿等人在天文上的理论都不认同，他坚信的是地心说。

图28-1

1676年，罗默通过周密的测量和计算（必须考虑木星的公转周期等其他因素，木星的公转周期约为11年，影响相对较小）得出∆T约为22分钟，光速约为21万千米/秒，是目前已知光速值的70%左右。由于当时对行星的椭圆轨道认识不足，得出的结果不精确是在情理之中的事，但罗默为人类对光的认识迈出了坚实的一步。

第一个比较精确测定光速的人是英国天文学家詹姆斯·布拉德雷（1693—1762）。他长期观察星体，发现了一个很有趣的现象。相对于整个宇宙中的大恒星体来说，地球渺小到都不好意思跟人打招呼的地步，所以我们也有理由相信，遥远大恒星的光是平行直射到地球上的。也就是说，无论地球在公转轨道的什么位置，只要架好了望远镜迎着平行光，就再也不用调试了。但是布拉德雷发现，当地球远离和靠近星体时，望远镜的角度会有差异，如图28-2所示。

图28-2

对于角度差异，布拉德雷感到十分费解。有一天他坐在船上，忽然发现船上的旗子并非沿着风的方向，而是与其有个小夹角，原来这是速度的合成导致的。好比无风的下雨天，雨水垂直落到地面，但是行人手中的雨伞要向前方倾斜。星光似雨，所以望远镜也要向着运动方向倾斜。

布拉德雷豁然开朗，于1728年提出了“光行差”的概念。后来布拉德雷观测了不同的恒星，发现光速对于恒星而言是相同的，并通过三角形角度计算得出光速为30.4万千米/秒，和目前公认的光速值很接近了。该怎么解释光行差呢？其实很好解释，因为那是一个牛顿刚刚去世的年代，光的微粒说十分盛行，用微粒说解释起来就不费吹灰之力。但是当微粒说被波动说打败时，又引起了一番争论，此是后话。

第一个从实验中得出光速的是前文说到的斐索，1849年他用一个很巧妙的办法在地球上测出光速。伽利略实验之所以失败是因为光来回的时间间隔太小，人类根本没办法把握，所以一定要抛弃人工掐表的方法，只能从宏观上感受。

图28-3中的旋转齿轮有720个齿，每个齿隙都像一个小孔一样，只容许部分光通过。当齿轮以不同的速度转动时，人眼接收到的光线会忽明忽暗，甚至看不到反射光回来——全被挡住了。不断提高齿轮的转速，当齿轮以每秒25圈的速度转动时，人眼感受到的光是最亮的，这就说明光跑一个来回的时间是1/（720×25）秒，再计算出光程为8.67千米，光速约为31万千米/秒。这是实验中第一次得到和现在较为接近的光速值，这种方法也称为齿轮法。

图28-3

齿轮法固然精妙绝伦，但是还存在误差，其原因是轮齿之间的间隙不够小，所以后人增加了齿数，测得的光速误差就小得多，所以斐索的测量方法是行得通的。

几年后，法国物理学家傅科（1819—1868）用旋转镜法测量了光速；1926年美国科学家迈克尔逊使用旋转棱镜法测量了光速，几乎将光速锁定在30万千米/秒左右（29.97万千米/秒）。

30万千米/秒是什么概念呢？光从月亮到地球也就1秒多，从太阳到地球约为8分钟，所以我们看到的月亮是1秒以前的月亮，看到的太阳是8分钟以前的太阳。假设太阳被人偷走了，地球上的人们得过8分钟才能知道，而当人们辛辛苦苦乘宇宙飞船赶到犯罪现场时，没了太阳引力的地球又不知道飞到哪儿了……

光速如此之快，负责光传输的以太又该是什么模样呢？请看下回分解。

第五部分 相对论

第二十九回 第一朵乌云

光阴似箭，日月如梭，转眼间就到了1900年。对于这一年，中国人不会感到陌生，因为“八国联军”在这一年洗劫了北京城，中华民族遭遇浩劫，史称“庚子国难”。

几家欢喜几家愁，对于列强来说则是个最美不过的时代，欧洲正在享受着电力革命带来的红利；美国也已从南北战争中解脱，进入高速发展的黄金时期。对于物理学来说，这也是一个理论臻于完美的年代，所以人类无需为它感到担忧，正如开尔文勋爵（威廉·汤姆逊）在新年致辞上说的：动力学理论认为热和光都是运动的方式，现在这一理论非常优美和明晰。

但是，它正被两乌云笼罩着。第一朵乌云指的是迈克尔逊-莫雷实验的零结果，第二朵乌云指的是黑体辐射实验。

但是，开尔文勋爵坚信，这两朵乌云很快就会烟消云散，聪明的人类很快就能解决这两个问题。

先来看看第一朵乌云。

前面说过，当光被验证是一种电磁波时，人们为光波和电磁波的传播媒介操碎了心，只有搬出以太才能平息争论，但是光速如此之快，以太究竟应该怎样呢？在新的挑战下，人们不仅要实事求是，还要解放思想，对以太提出了新的要求：密度极小，刚度极大。

密度小可想而知，要是密度太大，宇宙就像糨糊一般了；刚度也是可想而知的，比如水波，虽说波源只做上下运动（垂直于波传播方向），但是水面上的质点也会因波源的振动而往前移动。水是液体，刚度不足，所以水波是一种横波与纵波的复合运动。19世纪后半段是以太研究的高峰时期，甚至有人还计算出以太最起码的刚度值。

水已煮好，就等着把兔子逮着下锅了。

在对光行差现象的解释中，恒星的光微粒可以看成相对独立的运动，它们相对于太阳静止（从太阳上观测恒星光时无光行差），而相对于地球在运动。在光的微粒说的前提下，运用伽利略的速度变换方法便可以得到近乎完美的解释。但是当光被认为是一种波时，解释光行差就需要花费九牛二虎之力了，因为是波就必须牵扯到介质——以太。

以太何在？以太当弥漫于整个宇宙之中。那么，以太又是怎么运动的呢？如果以太相对于太阳静止，那么在太阳上观测恒星光时，不会产生光行差。这时，地球在以太中穿梭，根据光行差角度计算，地球相对于以太运动而对以太不产生任何影响。显然，这是不合适的，就像一个人在海里游泳，怎么会不对海水产生影响呢？但如果认为以太相对于地球静止（以太和地球一起运动），同样不会产生光行差。在光行差与以太问题上，托马斯·杨表示这实在太令人费解。

另外，光在透明介质中传播的速度不一样，也应该会产生不同的光行差角。为此，阿拉果做了个实验，他用棱镜遮住了望远镜的半边，实验结果和另一半的光行差角完全一样。对于阿拉果的实验，菲涅尔给了一个较为完美的假说。

1.真空中的以太是绝对静止的。

2.透明介质（玻璃、空气等）中的以太比真空中的要多，多出的部分设为∆e。

3.透明介质中以太的密度与折射率的平方成正比。

4. ∆e会随着介质一起运动，也就说物体运动产生了以太的“部分拖曳”。

在不同的透明介质中，拖曳的以太密度不一样，所以阿拉果的实验得到了很好的解释。起先，菲涅尔的假设没有引起人们的注意。1851年，斐索做了如下实验。

如图29-1所示，水流朝着U形槽的一个方向移动，一束光顺水流方向照射，另一束光逆着水流方向照射，它们产生干涉条纹。通过观测这些条纹，可以看出光受不受水流的拖曳？结果论证了菲涅尔的观点，菲涅尔的理论成为以太存在的支柱。

图29-1

既然菲涅尔说一部分以太被地球拖曳，另外的大部分以太则相对于地球运动，那么在地球上应该会有以太风，可是为什么人们感觉不到以太风的存在呢？那是因为地球运动的速度太小了，以太风只对光波这样的速度才有意义。那么就用光把以太风找出来吧。

1868年，霍克做了如下实验。

如图29-2所示，光通过半透镜后分为上下两部分，下面的光线进入水槽，通过3个反光镜后与上面的光线产生干涉条纹。把实验仪器的方向掉转180度，但是两次测量的干涉条纹一样，这说明地球的运动对以太不产生影响，既然没有影响，那就说明没有找到以太风，可是怎么会没有以太风呢？

图29-2

其实不用担心，这个实验本就找不到以太风。地球如此庞大，所以上述实验可以看成相对静止，以太做匀速直线运动。这就好比一个人坐在匀速直线运动的公交车里，当他闭上眼睛时，他是不可能感受得到运动的，更不可能知道车子往哪边开。只有当车子拐弯时，他才会有一种被往外甩的感觉。这种被往外甩的感觉放到以太上，叫作以太漂移。

麦克斯韦曾特别强调，要想找到以太风，这样直来直去是行不通的，以太风表现在地球运动的二次效应上。为此，麦克斯韦曾致电美国海军，希望能得到海军方面的帮助，但美国方面没有付诸行动，这件事后来让一位刚从美国海军学院毕业的学生知晓并揽了下来。

阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）出生于当时的普鲁士王国， 4岁时移居美国，1873年从美国海军学院毕业。他最擅长光学与光谱研究，毕生从事光速精密测量，曾是光速测定的头号人物。

爱德华·莫雷（1838—1923）出生于美国，擅长对化学中的最小单位——原子的测量。

起先，迈克尔逊单独做过通过二次效应寻找以太风的实验，似乎感觉没有以太风，当时他觉得应该是实验中什么地方出了问题。1887年，迈克尔逊和莫雷决定共同寻找以太风。他们做了物理学史上最著名的实验之一，即迈克尔逊-莫雷实验。

如图29-3所示，光源的一部分光被反射到反光镜1上，另一部分光透过半透镜到达反光镜2。这两束光被反射后又经过半透镜，发生干涉，在检测器上显示出一圈一圈的条纹。这个仪器十分精妙，迈克尔逊曾发明过类似的干涉仪——迈克尔逊干涉仪。凭借此仪器，迈克尔逊成为了美国第一位诺贝尔奖获得者（1908年）。

图29-3

实验中的干涉仪需要固定在一个石盘上，石盘不停地转动，他们原以为反光镜1与反光镜2反射的两束光线因以太被拖曳，光速不一样，所以检测器上的条纹也会不同。

当石盘开始转动时，或许他二人已经感受到了以太风带来的丝丝凉意，但人生往往事与愿违。迈克尔逊-莫雷实验也是如此，无论转盘的速度如何，干涉条纹和转盘静止时只有细微的差别，与实际计算相差甚远，也就是说不仅像麦克斯韦认为的那样，光在真空的以太中传播时速度是恒定的，而且实际上在非真空（同种均匀介质）的以太中光速也是恒定的。

寻找以太风，却没有以太风，笃信以太的迈克尔逊和莫雷拒绝相信眼前的事实，他们从拖曳角度分析，认为以太是绝对静止的，然而这又无法解释光行差了。不管怎样，迈克尔逊-莫雷实验没有找到他们想要找的东西，也就成了历史上著名的零结果实验。

以太这个宛如古希腊一样古老的名词，经历了浮浮沉沉后，已经成为光明使者的坐骑，成为电磁学大厦的基石，现在如果再把它抛弃，那么人们辛辛苦苦建立的宇宙理论大厦也许将会轰然倒塌。聪明的人类不允许这样的事情发生，有很多物理学家起来为以太“辩护”……

第三十回 为以太辩护

第一位为以太辩护的人是乔治·菲茨杰拉德（1851—1901）。1889年，他对零结果实验做了尝试性解答。

菲茨杰拉德认为所有的物质都由带电荷的粒子组成（大致相当于安培的分子电流假说），一个尺子相对于以太静止时的长度由粒子间的静电平衡决定，当它相对于以太运动时，它上面的电荷也发生运动，进而产生磁场，改变这些粒子之间的静电平衡，尺子的长度将缩短。所以，在零结果实验中测量光源、半透镜、反光镜和屏之间的距离后，测量仪器会发生“缩短现象”，测量仪器“缩短”与光速变化抵消掉了。也就是说，静止时测量的１米在运动后小于１米了。他还给出了尺子缩短值与速度和光速的比值的平方成正比。

菲茨杰拉德的学说发表在美国的某科学杂志上。由于他的身体不是很好，长期受到胃病的困扰，1901年他就逝世了。而那个杂志还先一步消失在人们的视野，所以菲茨杰拉德的假说并未被人们知晓，后来他的学生翻出了该论文，但那时又有了新的变化。

同样为零结果实验感到困惑的还有一位荷兰人。

亨德里克·洛伦兹（1853—1928）是一位伟大的荷兰科学家，据说他从小各方面的成绩都很优秀。夸张点说，如果他某次考试不及格，那么试卷满分很可能只有59。洛伦兹在少年时期就对物理学产生了浓厚的兴趣，但是这并不妨碍他在历史和小说中徜徉。他17岁上大学，23岁就获得了大学教授职位。他对理论物理学做出了杰出的贡献，我们知道导线在磁场中运动时产生的力叫安培力，而电荷在磁场中运动时受到的力就是以他的名字命名的，叫洛伦兹力。

1892年，洛伦兹独立提出一个新的收缩假说，他认为存在一种分子力，分子力也是通过以太传输的，和电磁力一样。当物体运动时，以太迫使分子力发生变化，那么物体的长度也会随之变化，这种变化正好与光速的变化相互抵消了。

“光速不变”是麦克斯韦从数学计算中得出的，他的数学公式明明写着真空中的光速是不变的。但是伽利略告诉我们速度是相对的，于是所有人都认为光速不变是相对于静止以太而言的，所以麦克斯韦方程的参考系是静止以太。当菲涅尔的拖曳理论被物理学界认可时，地球相对于以太并非静止不动。于是洛伦兹从伽利略变换角度出发，用数学方法得到麦克斯韦方程在运动参考系中的协变方程，推导出一个结论：物体的形状由分子力的平衡来决定，物体在运动时势必会缩短。这可以用以下公式表述。

这里，l为物体在运动时的长度，L为物体在静止时的长度，v为物体的速度，c为光速。

但是在计算过程中，不仅物体的形状发生了变化，时间也发生了变化：。

分子是存在的，时间却不是以分子形式存在的，那么时间变化该怎么解释呢？洛伦兹认为t表示的是当地时间，当地时间是相对于普遍时间T（即静止以太中的绝对时间）而言的。

这个变化能否测量呢？洛伦兹坚定地认为不能，因为测量者必先处在运动的参考系中，所以手中拿的尺子也会缩短（尺缩效应），时钟也会变慢（钟慢效应）。这就好比一个国家，为了让老百姓都富裕，疯狂地印钞票，可是当老百姓手中都有钱的时候，钱已经不值钱了。同样道理，人们也无法测量出绝对的时间与绝对的长度，因为观测者无法处在以静止以太作为参考的惯性系之中。既然无法测量，那么这些变化有什么意义呢？洛伦兹认为这些变化仅仅是一种纯粹的数学手段。

第三位对零结果实验感到困惑的是亨利·庞加莱（1854—1912），他出生于法国，著名的“庞加莱猜想”就是由他提出的。他继承了家族的优良基因，超常的智力使他成为了“早熟”儿童。他的知识全面，数学尤为突出，号称20世纪最后一位数学全才。

庞加莱可以说比较反对“假设”二字，因为某些假说永远无法从实验中得出来。1895年，他对绝对运动提出质疑，理由是没有办法测量。同样，以太也无法测量，所以他发问：以太真的存在吗？然而对于真空中光速恒定，庞加莱认为速度都逃不开相对运动，于是他又认为恒定的光速是相对于静止以太而言的，显然出现了矛盾。

1902年，他在题为《时间的测量》的讲座中对牛顿的绝对时空观提出质疑，而质疑点同样是无法观测，所以在不同运动下，讨论“同时性”没有意义。1904年，庞加莱将洛伦兹的变换公式推广到更具普适性的范围，并将其命名为洛伦兹变换。他还提出了相对性原理：物理规律对于静止的观测者和匀速运动的观察者而言是相同的，也就是说不存在真正意义上的尺子缩短和时钟变慢。尽管他无法说透彻，但是他敏锐地感觉到一门新的动力学即将到来，只可惜不是因为他。

不用剧透，这些都是相对论出现前的迹象。如果以踢足球为例，将以牛顿为代表的经典力学比作守门员，只有突破他的十指关才能进球的话，那么洛伦兹只把球带到了禁区，就被守门员没收了，而法国选手庞加莱则是一阵猛突，突破了守门员，但是运气不佳，一脚把球踢到了立柱上。

到底谁把这该死的球踢进了球门呢？

第三十一回 爱因斯坦与狭义相对论

不用猜，这位大人物就是历史上和牛顿比肩的爱因斯坦。我向来反对将科学家排名，因为这没有意义，此其一；其二，也无法排名，所谓“文无第一，武无第二”，更何况是关公战秦琼、郭靖对乔峰的把戏呢？站在巨人肩膀上难道就能忽略巨人的存在？哥白尼、开普勒、牛顿、伽利略、法拉第、麦克斯韦、赫兹等都有着无可替代的地位，他们的理论都是应运而生的历史产物，就好比吃了7个馒头才填饱肚子，不能说哪个馒头最重要，只能说第四个馒头的历史使命是在第三个之后、第五个之前。

然而，为什么我们常常独将爱因斯坦和牛顿相提并论而忽略他人？我想可能是因为比的是名气。名气当然是实力的体现，但是实力只占一部分，名气还需要宣传，这种宣传由老百姓茶余饭后的一个个小故事组成，比如牛顿的风车和苹果的故事。这些故事又都很贴近生活，让人们感觉伟人也是人，也会骑单车，也会冲着记者的镜头吐舌头。所以，我想如果有人在花前月下谈恋爱时大谈特谈麦克斯韦方程组，那么TA极有可能将处于并长期处于单身状态。

闲淡少扯！话说公元1879年，德国有对犹太夫妇生了一个男孩，他们给他取名为阿尔伯特·爱因斯坦。据说爱因斯坦从小就笨，3岁还不会说话，9岁时语言表达还成问题。在学校里，他的成绩差，行动迟缓，总受同学耻笑，连老师都看不惯。总之，一切都很惨。如果放在现在，感觉爱因斯坦不参加某些选秀节目都浪费了一身的好遭遇，然而这些大多是杜撰，至少添油加醋处理过。比起与生俱来的天分，逆袭似乎更有感染力。

年少的爱因斯坦虽然不笨，但也不比别人聪明多少。少年时，他们家的生意做得红火，举家迁往大都市慕尼黑。后来家族生意失败，濒临破产，于是举家又迁往意大利，却把把爱因斯坦单独留在了慕尼黑。那时候爱因斯坦正在读高中，留下他就是要他混个中学文凭，这样上大学就有指望了。德国的中学向来以军事化管理闻名，这点让爱因斯坦很难受，他曾把学校比作军队，把老师比作教官。若作此类比，那么他肯定是一个不合格的小兵，因为除了数学和物理比较好以外，他的其他成绩很一般。关键是“教官们”对他的评价也不好：孤僻、迟钝、不守纪律等。爱因斯坦的父亲为此很烦恼，担心他的儿子找不到出路，就算找到了出路也怕不成功。面对家长的忧虑，学校的教导主任是这样进行开导和安慰的：“别担心，您的儿子干什么都不会成功。”就这样，爱因斯坦成为了学校的反面教材，就好像我们现在有的老师批评别人时总是说：“难道你想和那谁一样？”

1895年，爱因斯坦16岁了。按照慕尼黑当地的法律，男子年满18岁必须服兵役，除非17岁前离开这个城市。热爱自由的爱因斯坦不愿意去当兵，所以他想到意大利寻亲，同时他也为中途退学拿不到毕业证而苦恼，于是他想找人开假的病假条。造假终究不是一件光荣的事，当他正在为是否造假踌躇时，学校的教导主任又替他解决了这个两难的问题——勒令退学，具体原因现在已不得而知。

等他到达意大利后，又面临着一个新问题。在意大利，没有中学文凭就无法上大学，他的父亲想让爱因斯坦转行干手工业，说白了就是做学徒，爱因斯坦肯定是不会答应的。好在天无绝人之路，瑞士的苏黎世联邦理工大学在招生时不要求提供中学文凭，但是年龄须在18岁以上，所以爱因斯坦又在瑞士上了两年的中学。

上大学后的爱因斯坦旧习难改，依然没有显现出天才的一面，倒是多了些精致的淘气，逃课更是家常便饭。如果普通人以此为逃课理由的话，那是很不合情理的，爱因斯坦逃课是因为课堂上讲授的物理知识他全会，而对于数学，他觉得学多了是浪费，其他的学不学无所谓。他的数学老师闵可夫斯基（1864—1909）就曾骂爱因斯坦是“懒狗”，因为他对数学一点都不上心。后来数学确实曾一度困扰过爱因斯坦。

在诸多劣迹下，毕业证上的评语自然也不好，这直接导致快毕业的爱因斯坦无法找到像样的工作，而此时他的女朋友还怀了孕。到了1898年，否极泰来，爱因斯坦在瑞士专利局找到了一份工作，虽然只是小小的角色，但好歹也算个公务员。

爱因斯坦在这里一干就是7年，日后成名的爱因斯坦曾戏称他在这里干了7年“补鞋匠”的工作。不过这份工作对于爱因斯坦是极其重要的，他能掌握当时最前沿的科学资讯，同时也有更多的时间去思考更多的问题，当然最关键的是能领薪水。此时的爱因斯坦很缺钱花，可能他在提出广义相对论之前都缺钱，而在领取诺贝尔奖金之前手头都不宽裕。

在读大学时期，爱因斯坦就曾考虑过发明一种仪器来测量以太风。当他把图纸拿给物理老师看的时候，物理老师对此不以为然，并劝爱因斯坦要听老师讲，这样考试才能拿高分。但是偏偏有那么一类人，考试改变不了他们，他们却改变了考试。

那时候的爱因斯坦还不了解迈克尔逊和莫雷的零结果实验，等到他逐渐了解该实验的时候，他认为如果实验的结果正确，那么以太就相对于地球静止，而静止的以太是无法测量的，好比没有风时人们几乎感觉不到空气存在一样。这个悖论其实迈克尔逊也想过，只是又该怎么解释光行差现象呢？爱因斯坦一时也没有答案。

过了几年，当他读到洛伦兹的理论时，他隐约地感觉到，洛伦兹的变换公式并非只是数学把戏。麦克斯韦方程是以静止以太为参考系的，而洛伦兹变换则将其推广到运动的参考系中。在伽利略相对原理中，静止和运动本无本质区别，但是现在凭什么静止的就高人一头？又凭什么运动的尺子就要缩短、时间就要膨胀呢？爱因斯坦对于绝对静止参考系的特殊地位感到不满，所以他认为，在新的动力学理论中，一切自然定律应该对所有的惯性参考系都有效，也就是说尺子缩短和时间膨胀也应该像伽利略相对原理一样是相对的。

那么问题来了。如果新的定律依然相对，那么光速度为什么不能相对，而是一个恒定值呢？这是由无可辩驳的实验（零结果实验）结果决定的啊！好吧，问题又重新回到了起点。此时爱因斯坦想到了一个关键点：赫兹曾经论证过光速与光源是否运动无关，我们是否有理由相信光速对于任何一个参考系都是相同的，即默认在任何惯性系下光速都是不变的呢？经过反复思考之后，爱因斯坦对光速不变深信不疑。至于他为何深信不疑，也许只能亲自去问他了。

既然测量速度不变，那么测量时间的钟、测量距离的尺子就会变化，这又回到钟慢效应和尺缩效应上来了。如果钟代表时间，尺子代表空间，那就意味着时空并非一成不变。

时空是什么？牛顿认为是冥冥中早就注定的物理量，是凌驾于任何物体之上的绝对物理量。爱因斯坦对此一直持批评的态度，他信仰的是马赫（1838—1916，声音的速度以马赫命名，1马赫就是音速的1倍）的哲学。马赫对于时空的态度和前面庞加莱说的差不多：如果找不到绝对的时空，怎么能假设时空就存在呢？上大学时，爱因斯坦曾想过要把绝对空间和绝对时间从先验论的神坛上拉下来。

为了解决此问题，爱因斯坦又花了一年多的时间，但仍然毫无结果。1905年4月，他本打算和朋友一起探讨光速不变的问题，但是还没有开始和朋友会面，突然间他想到时间是什么，时间又是怎么得到的呢？测量，唯有测量。既然需要测量，那就和信号速度密不可分，所以在不同的惯性参考系下测量的时间是不一样的，而牛顿的绝对时空随着对绝对静止的否定也不复存在了。

1905年6月，爱因斯坦发表了题目为《论运动物体的电动力学》的论文，也就是后来所说的狭义相对论。试看狭义相对论的以下两个基本假设。

1.相对性原理。一切物理定律在所有惯性系中均有效，而且符合洛伦兹变换。

2.光速不变原理。对于所有的惯性参考系，光速不变。

无疑洛伦兹的理论给予了爱因斯坦很大的帮助，不过相对论在提出之初遭到了洛伦兹的极力反对。洛伦兹认为尺缩效应、时间膨胀是绝对的，但不久以后他又成为相对论的支持者。洛伦兹也是一位德才兼备的导师，总让人想起几十年前的法拉第。1928年，洛伦兹去世的时候，爱因斯坦也在追悼会上称洛伦兹是对他影响最大的人。

在爱因斯坦的相对性原理之前，庞加莱就已经提出过相对性原理，不过爱因斯坦是在对此并不知情的情况下独立完成狭义相对论的，因此提出狭义相对论的荣誉完全归爱因斯坦，而庞加莱则比较遗憾地错过了。庞加莱虽然认为牛顿的绝对时空是不对的，但是并没有建立新的相对时空。一言以蔽之，庞加莱告诉人们不该那么做，而爱因斯坦告诉人们该怎么做。

在狭义相对论里，光速不变且不可超越。那么问题来了，根据牛顿的第二定律，假设太空中有艘飞船，有足够的燃料支持它不断地被推着走，它的速度将会越来越大，总有一天会达到光速，进而超越光速。爱因斯坦给出的解释是：不可能。因为当速度越来越大时，质量也会越来越大，质量的增加符合洛伦兹变换。如果维持同样的加速度，牵引力也会越来越大，当飞船接近光速时，所需要的能量就会无限大，显然这是做不到的。

这又带来了新的问题。在经典的物理体系中，质量和能量都是不生不灭的，虽有转化，但都守恒。能量和质量是物质的两种属性，它们之间没有关系，都在各自的领域里互不影响。

1905年9月，爱因斯坦发表题为《物体惯性是否与它所含的能量有关》的论文，提出新的观点：质量和能量都是相对的，都是物质的一种形式，二者可以发生转化。爱因斯坦给出了一个可作为物理学名片的公式：

E=mc2

这里，E为能量，m为质量，c为光速。

该公式的最初形式是∆E=∆mc2。

既然质量不守恒，那么在相对论中讨论质量就失去了意义，爱因斯坦也为在物理学中引入“质量”概念感到过淡淡的忧伤，所以这里的质量特指“静质量”，意味着静止时的质量（静止质量大约是指低速时物体的质量）。

根据狭义相对论，质能方程中1克物质的能量有多大呢？非常大，如果将它全部转化为能量的话，大致相当于美国当年在广岛投下的原子弹释放的能量的100倍。

庞加莱预言的新动力学已经成为现实，开尔文勋爵说的第一朵乌云没有烟消云散，而是下起了大雨。

说了这么多，人类花了整个世纪的时间寻找的以太呢？

狭义相对论的提出是因为光速不变，而光速不变又是从寻找以太的实验中得出的，可以说寻找以太就是狭义相对论的一个引子。然而当狭义相对论提出之后，当初被认为作为光波传输介质的以太到此时已经显得很蹩脚了。根据奥卡姆剃刀原理（主旨是：如无必要，勿增实体），以太也就没有存在的必要了。现在以太这个名词也仅仅出现在历史书或者“以太网”等名词中，尽管它曾经那么令人着迷。关于以太，我有以下两点浅见。

1.爱因斯坦并没有否认以太的存在，只是光波（电磁波）传输不需要介质，也就用不到以太了。实际上，当他提出广义相对论之后，他还曾提出过广义相对论以太说，不过很快被他自己否定。

2.有没有以太？我觉得这和有没有并无关系，只和需不需要有关。狭义相对论提出之后，以太只是进入了第三个休眠期也未可知，也许某天某人在无法解释的问题上又重新提出以太，只是这种以太的面貌发生了改变，或者名字也发生了变化，叫什么场以太、反物质以太、暗能量以太。

第三十二回 关于狭义相对论的一些浅见

每一个惊世骇俗的理论出来之后都会饱受非议，有多少人喜欢它就有多少人讨厌它。

1905年，爱因斯坦的两篇关于相对论的论文并没有引起轩然大波，不过还是有很多物理学家仔细阅读过，他们似乎都感受到了相对论的强大气场，但是具体也说不出所以然来，因为相对论的真正意义在于否定了牛顿的时空观。第一位意识到这一点的人恰恰是爱因斯坦曾经的数学老师闵可夫斯基。

闵可夫斯基出生于俄国的犹太商人家庭，从小天资聪颖，看书过目不忘。由于当时俄国迫害犹太人，他举家迁往德国。他在德国的新家与另外一位大数学家希尔伯特（1862—1943）的家只有一河之隔。1884年，闵可夫斯基成为大学老师，他的工作经常变更，在不同的大学任教。1896年，他转到苏黎世大学，第二年他正好遇到了他的倒霉学生爱因斯坦。说实话，要让老师对爱因斯坦产生好感那几乎是不可能的，所以当闵可夫斯基得知爱因斯坦提出相对论时，他感到很惊讶。当记者问及他对爱因斯坦的态度时，他喃喃地说：“爱因斯坦当年几乎不学数学。”说归说，闵可夫斯基也为爱因斯坦的成就感到高兴，并从数学几何上解释了狭义相对论的时空关系，后被称为闵氏空间。

我们知道三维空间可以用垂直（即正交）坐标系表示，时间作为第四维势必也要和其他的维度垂直，但是在现实生活中怎么找到一个与墙角的3个墙面都垂直的面呢？其实用数学几何表达空间未必一定需要3个维度。如果撑开的伞不能往墙上挂，可以考虑把它先收起来。

先画个苍蝇绕翔图，如图32-1所示。

图32-1

翔始终相对静止，苍蝇的圆周运动可以看成在一个平面上的运动，这样可以省下一个维度，从而得出时间轴vt（t表示时间，v表示苍蝇的运动速度）。随着时间的流逝，翔还是那个翔，所以它是一条圆柱体，称为世界面。但是苍蝇已经不是那个苍蝇了，它的世界线是一个正弦波函数。从这点可以看出，苍蝇的世界线不再是孤单的空间概念，而与时间有着密不可分的关系，线上的每个点也不仅仅代表位置坐标，还表示一个事件，所以当用文字描述一个事件时，一定要带上时间。

光的世界线又是怎样的呢？由于光速恒定，它在时空图上是一条直线，如果将纵轴用ct表示，那么它是一条斜角为45°（斜率为1）的直线，如图32-2所示。

图32-2

同样，一个匀速直线运动的物体（看成一个质点）的世界线也会是一条直线。根据相对论，任何速度都不能超过光速，所以任何线的斜率都要大于或等于1，小于1则没有任何意义。假如以某个时刻为起点，将时间分成过去、现在和将来，将其在图形上表示出来就是一个光锥，如图32-3所示。

图32-3

现假设有两个参考系，K系静止，K′系做匀速直线运动。根据洛伦兹变换，可以得出二者在同一个时空图上的坐标，如图32-4所示。

图32-4

以K系为基准，K′系的两个坐标轴居然可以不互相垂直［如图32-4（a）所示］。实际上，我们被时空图“欺骗”了，这种情况经常出现，只不过不符合人类的思维习惯而已。比如一个三维的笛卡儿坐标系，将其画在平面上时，其中一个坐标轴并非和另外两个垂直。同样，如果以K′系为基准，那么K系的坐标轴也不互相垂直［如图32-4（b）所示］，所以两个惯性坐标系是平等的。

假设K系中有把静止的尺子，在K′系看来尺子自然在运动。将尺子的世界线画在时空图中，如图32-5所示。

图32-5

在图32-5中，oa是K系下t=0时刻尺子的长度，ob是K′系下t=0时刻尺子的长度。按照相对论，运动的尺子会缩短，即ob<oa，可是很明显oa<ob，难道洛伦兹、爱因斯坦等人搞错了？实际上，我们又被时空图“骗”了一回。尺缩效应指的是在某一个惯性系中测量同一把尺子的长度，相对运动时的测量值比相对静止时要短。在图32-5中，ob为K′系下用于测量运动的尺子的长度，但是oa不代表在K′系下该尺子静止时的长度，所以比较oa和ob不符合相对论的要求。那么，在K′系下该尺子静止时的长度是多少呢？需要做一条校准曲线（可以从洛伦兹变换推导出校准曲线是双曲型的）与x′轴交于b′，ob′则是要测量的长度，显然ob<ob′。由于K系和K′系的地位是平等的，当这把尺子随着K′系运动时，在K系中的测量值也会比oa小。

再来看看钟慢效应。现在假设有两个分秒不差的时钟，在t=0时刻校准两个时钟，并将其中一个留在K系，另外一个随着K′系运动。二者的时空图如图32-6所示。

图32-6

这一次我们拒绝“上当受骗”，所以先将校准曲线做好。很明显，在K系看来，K′系的时钟变慢了。同样道理，在K′系看来，K系的时钟变慢了。到底是哪个钟慢了呢？实际上，两个时钟都没有变慢，变慢只是运动带来的“错觉”。两个相对运动的惯性系都会认为对方的时间在膨胀。这好比开车都是靠右行驶，但并不意味着车子都在马路的同一边。

既然两个参考系都觉得对方的尺子在缩短，都觉得对方的时间在膨胀，我们应该以什么为标准呢？无所谓，好比盲人摸象，你觉得大象是蒲扇还是管子与我无关，反正我认定了大象是根大柱子。至于大象的真正面目，它和牛顿的绝对时空观一样，对一个无法认清大象的人来说毫无意义。

这总能让人想起教科书中商品的价值与价格两个概念。价值是商品的一种属性，是人类社会抽象劳动的凝结，价值的大小由社会必要劳动时间决定，那么社会必要劳动时间又是多少呢？根本就没有办法衡量。所以，量化价值的是它的外在表现形式——价格，但是同样又遇到一个问题，当两个商品交换时，并不能达到某种意义上的等价交换，还要考虑市场、供求关系、买卖双方的议价能力等诸多因素。价格体现在量上是元、美元、英镑等。而元、美元、英镑就像不同参考系中的尺子或者时钟，如果不存在汇率（相当于洛伦兹变换），它们之间没有任何可比性，1元可以在美国买下白宫， 1美元则很有可能在中国只能买到一碗山西刀削面外加一个肉夹馍。再退一步，不考虑所谓的货币兑换（同一参考系下），但谁都知道一根绳子绑在大闸蟹身上和绑在大白菜身上体现出来的价格是不一样的，尽管绳子还是那根绳子，生产它所需要的社会必要劳动时间是一样的。如果诸多因素决定了价值永远无法体现出来（测量），那么它又何必存在呢？

价值与价格是经济学范畴的名词，放在物理学中似乎不太合适。狭义相对论虽然是物理命题，但是更多地像在谈论哲学。从一个侧面可以看出，科学与哲学之间并没有多么明确的界限，哲学在很多时候不在乎对与不对，而在乎怎么看。随着人类认识的进步，也许到目前为止还没有那门科学或者哲学是放之四海而皆准的。

是哲学就会有历史局限性，狭义相对论也是如此。以下两个问题让爱因斯坦困惑不已。

1.引力能否超越光速？

2.什么是惯性参考系？

第三十三回 爱因斯坦的困惑

先来看第一个问题：在狭义相对论中首先假设光速不变且不可超越，引力是否也有速度呢？如果引力正如牛顿所言是超距作用的，那么光速就是可以被超越的；如果不是超距作用，引力的速度又会是多少呢？难道和电磁场一样，有一个引力场存在？引力就像电磁力，引力波就像电磁波？爱因斯坦从容地选择了后者，认为引力场是存在的。

第二个问题：什么是惯性参考系？静止或者匀速运动的参考系即为惯性参考系，那么怎么判断静止或者匀速运动呢？很简单，没有加速度。那又怎么判断没有加速度呢？很简单，保持静止或者匀速运动即视为没有加速度。这就好像我们曾几何时开的一个玩笑：“因为你说的话是不道德的话，所以你是不道德的；因为你是不道德的，所以你说的话一定是不道德的话。总之你不道德！”这是个死循环，二者互为因果，结果导致不因不果。也就是说惯性系只是一种理想状态，现实生活中无法判断，那么狭义相对论的第一条原理就成了“正确的废话”了。所以，爱因斯坦认为应该有一个新的物理定律，它对所有的参考系（惯性的和非惯性的）都有效。

1905年是物理学的另一个奇迹年，不过爱因斯坦本人还没有立刻成为传奇，他还是专利局的职员，只是职位稍微升了几级。到了1907年，爱因斯坦受朋友之邀写一些关于狭义相对论方面的东西，他强烈地感觉到自己对此前的论文并不满意，大概意思基本可概括为上述两个问题。

话说某天，爱因斯坦坐在办公室里思考上述问题，依旧一筹莫展。突然他灵感一动，考虑一个理想的实验。假设一个人在封闭的电梯里，当电梯的缆绳突然全部断开时，电梯将做自由落体运动，电梯里的人感觉如何？

1.人因为失重会感觉不舒服，那是因为人习惯和适应了在地球重力下生活。这一点暂且不用考虑。

2.对于外面的世界，电梯里的人会一无所知，因为没有参考。也就是说，他不知道自己是处于自由落体状态还是飘浮状态——像在没有引力的外太空行走一样。

如果将这个电梯置于外太空，用某个力拉动电梯，电梯里的人只会感觉来自地板的推力，也就是说，他不知道外力是来自某个物体的推力还是来自星星的引力（见图33-1）。

图33-1

在爱因斯坦看来引力和加速度是一回事，一个做自由落体运动的人感受不到自身的重量，那是因为他的加速系中同时存在一个新的引力场，这个引力场与地球的引力场相互抵消。这就是等效原理。

豁然开朗的爱因斯坦后来将此称为：“我一生中最幸福的思想。”我们知道爱因斯坦身上的每个细胞都有一个故事，所以等效原理被改编成爱因斯坦看到一个油漆工从房顶上掉了下来而突发的灵感。如果真是如此，不知道爱因斯坦和这位油漆工有多大的仇恨。诚然，故事都是为了吸引眼球，只是改编得有些残忍。伽利略是从比萨斜塔上扔下两个球，牛顿被一个苹果砸在脑袋上，爱因斯坦却牺牲了一个大活人。如果将这些看成上帝的启示，那么这种启示越来越沉重了，下一个掉下来的也许是一块大陨石，就像6500万年前恐龙灭绝时一样。不管怎样，爱因斯坦已经初步解决了狭义相对论带来的烦恼。

1907年时，物理学的另外一个分支——量子力学已经悄然兴起，爱因斯坦也是量子力学的奠基人之一。在此后的4年内，爱因斯坦把大部分精力都放到了研究量子上了。1911年，爱因斯坦转行成为大学教授和普鲁士科学院院士，他将精力重新放到引力和引力场上来，此时联想到另外一个电梯实验。

想象一下，封闭的电梯正在加速向上运动，一束光从A面的小孔射入，到达B面时光线与地板之间的距离会略微小一点点，如图33-2所示。这是因为光线由于加速度弯曲了，根据等效原理，也可以认为某种引力场使得光线弯曲。换句话说，光线通过引力场时会发生弯曲。

图33-2

光为什么会弯曲呢？几何学告诉我们：两点之间直线最短，一个人想从甲地到达乙地，走直线最省事。但是有人从北京走到纽约（不考虑掉到海里），最短的路程却是绕地球表面形成的弧线而不是直线了，这条弧线称为测地线。测地线源于地球测量，表示两点之间最短的路径。那么，光线弯曲也是由引力场中的某种测地线决定的。换句话说，引力场改变了时空，使得平直时空变成弯曲的了。爱因斯坦其实就是要建立新的时空方程，找出时空弯曲的规律。

书到用时方恨少，曾经不爱学数学的爱因斯坦肯定在此时有了深切的体会，因为他对黎曼几何几乎一无所知，幸好他的好朋友格罗斯曼懂数学。朋友一般分为两种，一种是锦上添花，另一种是雪中送炭。格罗斯曼属于送了碳还要添上花的一类，他不仅把自己会的全盘告诉爱因斯坦，还亲自到图书馆找那些他不会的关于黎曼空间的理论。可以说正是格罗斯曼的神助攻，爱因斯坦才在相对论问题上梅开二度。

爱因斯坦正在一步一步地解决科学带来的烦恼，但是生活上的烦恼一直挥之不去。这主要缘于以下两点。

1.家庭及个人情感问题。他和妻子之间的矛盾已经到了中间人不能调解的地步，必须求助于法官大人。与此同时，他又和自己的表姐发展了一段至死不渝的婚外恋。生活的琐事把这位物理学大师弄得像解不出应用题的孩子。

2.版权归属问题。在提出狭义相对论时，很多科学家都已经接近答案了，但最终让爱因斯坦捷足先登，后人对此也颇有微词。当时将引力类比为电磁已经不是什么秘密，所以爱因斯坦必须赶在别人找到答案之前建立完美的方程，而且他隐约感觉到德国大数学家希尔伯特已经接近正确的方程了。

1914年，德国以高薪和不用讲课为诱饵将爱因斯坦挖到柏林，其后不久第一次世界大战爆发，欧洲反犹太人的思潮蔓延，这些烦恼让爱因斯坦的生活陷入了混乱之中。除了应付离婚还是结婚这个问题外，他的日子几乎就是在吃饭睡觉思考中度过的。自然爱因斯坦的“CPU”运算得比别人快，到了1915年，他几乎想清楚了关于引力的每一个细节。

当年6月，爱因斯坦在一次会议上见到希尔伯特。和希尔伯特讨论之后，爱因斯坦发现以前的担心是多余的，他必须费力且悉心地向希尔伯特解释新引力理论的很多细节。尽管如此，希尔伯特听起来还是感觉有些艰涩。到了11月底，爱因斯坦已经找到了完美的方程，更为难得的是，通过方程计算，从理论上解释了困扰人们上百年的水星近日点进动问题。

对于一个绕日公转的行星而言，它的公转轨道并非严格的椭圆，而是如图33-3所示。

图33-3

所以，行星的近日点相对于太阳的位置会发生变化，称之为近日点进动。地球、金星等都会如此，但都可以用牛顿的力学定律进行解释，即测量值与理论值相差无几。唯独在水星上出现了小小的问题：每100年测量值与理论值之间有40角秒左右的差异，这是完全不能被忽略的。于是很多天文学家尝试对此进行阐述，有人认为太阳系中还有人类未观测到的行星，只是如果该未知的行星影响了水星运动，那么它的引力同样也会影响地球，显然这是不成立的。1882年，著名天文学家纽康（1835—1909）通过观测，确定差值为每世纪43角秒。为了让进动对所有行星有效，他对平方反比律产生了质疑。

平方即2次方，2是一个数字，它来源于最初的数学。比如我们最常用的2（即十进制中的2）最初来源于用手指计算，也就说2是人为的。那么凭什么相信宇宙会按照一个人为拟定的数字运作呢？凭什么不能是2.000001或者1.999999呢？基于这种想法，纽康给了一个修正值。然而整数是完美的，纽康的修正多少不能让人接受，更何况这种修正只是为了符合实验值而打的一个补丁。

真正的革命则来源于爱因斯坦。1915年，爱因斯坦经过多次计算与修正，发表了题为《用广义相对论解释水星近日点运动》的论文，将一切讨论置于弯曲的时空之下。既然弯曲的时空会导致光的测地线发生变化，那么对于天体而言也是如此，所以水星的测地线并非严格的椭圆，其轴也会随着时间变化而缓慢进动。

与此同时，爱因斯坦收到希尔伯特的来信。希尔伯特告诉他，在几周之前他本人也计算过水星近日点的进动问题，而且已经提交到有关部门了。这说明或许希尔伯特也建立了新的方程。爱因斯坦的心弦又紧绷了一次，他委婉地告诉希尔伯特他拥有广义相对论的优先权。希尔伯特大度地回复表示，他的计算方法远不如爱因斯坦的迅速有效，并告诉人们提出广义相对论的荣誉不属于数学家。实际上确实如此，后来有人问爱因斯坦：即便没有他，也会有人很快发现狭义相对论吗？爱因斯坦回答说：是的，但是广义相对论的提出可能要延后三四十年。

第三十四回 广义相对论

试看广义相对论的两条基本原理。

1.等效原理。

2.物理定律对一切参考系都有效。

广义相对论将加速度等效为引力，又将引力场解释成时空弯曲，所以在广义相对论里，看不到加速度，也看不到引力，看到的只有弯曲的时空。那么时空该怎么弯曲呢？故事还得从古希腊伟大的数学家欧几里得说起。

欧几里得被后人称为“几何之父”，他最有名的著作《几何原本》是我们现在所学的几何的基础。在这本书里，一开始欧几里得就劈头盖脸地给出了23个定义、5条公设和5条公理。“公理”不言自明，即无需证明的道理，比如A=B，B=C，那么A=C。“公设”的意思也差不多，现在都成了教科书中的“公理”了。这5条公设如下。

公设1：从一点到另外任意一点可以画直线。

公设2：一条有限的线段可以继续延长。

公设3：以任意点为圆心，以任意距离为半径可以画圆。

公设4：凡直角都彼此相等。

公设5：同一平面内的一条直线和另外两条直线相交，若在某一侧的两个内角之和小于两个直角的和，则这两条直线经无限延长后在这一侧相交。

前4条都容易理解，只有第五条颇耐人寻味，这便是史上著名的第五公设。

如图34-1所示，当∠A+∠B越接近180°时，a线和b线的相交点就越远。根据极限理论，也可以认为a线和b线永不相交，那就是平行了。后人为证明第五公设伤透了脑筋，到了1815年，高斯（1777—1855）最终证明了第五公设无法证明。高斯是德国伟大的数学家，被誉为“数学王子”。曾有学者说：如果将历史上的数学家排个座次，前三名没有高斯一定是不合理的。

图34-1

不管第五公设是否成立，但从第五公设可以推导出一条公理：三角形内角和等于180°。该公理是我们学习平面几何的基础，而满足该公理的空间就叫作欧氏空间，也就是常说的平直空间，而不满足该公理的空间就称为非欧空间。非欧空间有两种，三角形内角和大于180°的称为黎曼空间，小于180°的称为罗氏空间（罗巴切夫斯基空间），如图34-2所示。

图34-2

由于广义相对论讲的是时空弯曲，平坦的几何空间显然不能满足，它采用的是黎曼时空。时空怎样弯曲呢？试用二维球面简单演示，假设把一个铅球放到蹦床上，那么蹦床会发生弯曲。同样，如果把太阳放到原本平直的时空中，太阳的大质量将使时空弯曲，而地球就处在这个被弯曲的时空中，并在自身初始速度下不断绕太阳运转，如图34-3所示。

图34-3

假如我们从水中拿起一个木球，势必会产生水波，过一会儿水面才能平静下来。同样，此时若有人将太阳拿掉，时空也会产生同样的“水波”，由此爱因斯坦预言了引力波的存在，其速度等于光速，所以太阳的引力波到达地球大约需要8分钟。

在弯曲的时空中，光线会弯曲，时间会膨胀，但这里的时间膨胀不再是相对的，而是绝对的。从爱因斯坦创立狭义相对论以来就有一个公案：“孪生佯缪”。孪生佯缪说的是一对孪生兄弟，哥哥乘宇宙飞船在外，弟弟在地球上，若干年之后，兄弟二人相见，谁的年纪大？由于在狭义相对论中时间膨胀是相对的，哥哥觉得弟弟年纪大，而弟弟觉得哥哥年纪大。到底谁的年纪大呢？关于对孪生佯缪的讨论持续了很多年，甚至延续到了爱因斯坦去世之后，其中参与者不乏一些知名的物理学家。实际上，在爱因斯坦创立广义相对论时，该佯缪就不存在了，因为乘坐宇宙飞船的哥哥需要经历加速、变相、减速的过程才能回到地球。哥哥经历了一段弯曲的时空，所以他的钟要比地球上弟弟的钟慢，等他们再见时，哥哥比弟弟“年轻”，这是绝对的。“我生君未生，君老我年轻”，这是科幻电影最钟爱的话题之一，而广义相对论为此提供了很好的理论基础。

此外，爱因斯坦预言光在引力场中传播会产生多普勒效应中的红移现象。

关于广义相对论的证实有很多有趣的故事，其过程也饱含争议。在诸多预言中，最容易被证实的当属光线弯曲，比如当某恒星的光经过太阳时，可以从地球上的好几个观测点同时进行观察，再经分析比对就能得出结论了。只是观测时间不好把握，地球上的人必须在白天才能看到太阳，而白天的太阳光芒万丈，人们又看不到恒星的光，所以只能等到日全食才能观测。

1914年7月第一次世界大战爆发，英国和德国分属不同的阵营，这让本来就有隔阂的两国学术界更加对立。但是英国天文学家亚瑟·爱丁顿（1882—1944）是一个例外，他热爱和平，而且从不从主观上排斥任何一个国家的学术。1918年，他得知广义相对论，深深地被这股魔力吸引，于是组织队伍准备在日全食时进行观测。英国本土已经有两百年没有出现日全食，下次日全食将会出现在9年后的1927年，但是爱丁顿已经等不及了，他需要一个借口好让自己不用服兵役，当然他沉迷于广义相对论也是一个主要原因。

如果想在近期测量，则必须远途跋涉去非洲和南美洲观察1919年的日全食，为此爱丁顿的队伍必须穿过大西洋，但战争让大西洋上充满了危险。好在1918年的光棍节那天，第一次世界大战结束了，爱丁顿终于如愿以偿，他的队伍分别在3个地方拍摄了好几组照片。

在对众多照片的分析中，有一些与相对论相符，有一些则比较靠近牛顿的万有引力推算的值，爱丁顿以仪器问题为由将靠近“牛顿值”的数据全部丢弃，只留下了与“爱因斯坦值”接近的数据，爱丁顿最终勉勉强强地验证了广义相对论的正确性。虽然后人对此诟病甚多，但当时的人们可不管那么多，他们已经等不及为这一刻欢呼了，所以爱因斯坦一跃成为物理学界最耀眼的明星。

尽管1919年的观察结果存在悬疑，但是在百年之间，广义相对论不断地被验证。1958年，红移现象在实验中得到证实；1962年，有人利用一对安装在水塔顶部和底部的非常准确的钟验证了时间膨胀效应；1971年，孪生效应被证实，不过参与实验的不是双胞胎，而是一对精准的铯原子钟；2015年9月，人类终于在浩渺的宇宙中找到了引力波（获得2017年诺贝尔物理学奖），爱因斯坦的预言再次被证实。引力波虽然可以类比为电磁波，但是引力波无视障碍物，不会像电磁波那样会被一堵墙或者一个大胖子阻隔得只剩下一格信号，不过引力波极其微弱，要不然整个宇宙都会粘在一起最终成为一个点，估计这也是人们花了整整100年时间才找到它的原因吧。

从诞生的那一刻起，广义相对论就让人爱之深、恨之切。1916年以后，爱因斯坦因广义相对论多次获得诺贝尔奖提名，但是浮浮沉沉之后，终究没有获奖（爱因斯坦获得唯一一次诺贝尔奖是因为光电效应）。这中间不乏政治因素，而爱因斯坦本人风趣地说：“如果我的相对论被证明是正确的，德国人就会说我是德国人，法国人会说我是同一个世界的公民；如果我的相对论被否定了，法国人则会骂我是德国鬼子，而德国人则会把我归为犹太人。”不管怎样，广义相对论已经成为宇宙物理学的基础，也为其他人获得更多诺贝尔奖提供了一个大的舞台，这个舞台上至今还在上演着精妙绝伦的故事。

从古希腊开始，人类就没有停止过对宇宙的思考。亚里士多德将宇宙的第一动力归为上帝，牛顿将其归为万有引力，而爱因斯坦则视之为时空弯曲。爱因斯坦的成功并不表示万有引力是错误的，它只不过不够精准罢了。举个不很恰当但很形象的比喻，一个抛物线自然需要一个二次方程来描述，可万有引力就像一次方程，只能描述一条直线，只能在某些地方取得近似，而在更多地方束手无策，所以说万有引力具有局限性。如果有一天人们发现了新的理论，也只能说爱因斯坦的广义相对论具有某种局限性，而非错误的。相对于平易近人的万有引力公式，广义相对论方程则要复杂得多。对方程求解也是一件很烧脑的事，不适合一般人去做，连爱因斯坦本人也没有花特别大的心思在解方程上，此是后话。

至此，人类已经发现了两种自然力——引力和电磁力，这两种力很好地被牛顿的万有引力公式（或者广义相对论）和麦克斯韦方程所描述，但这二者还没有被统一到一种理论之中。踌躇满志的爱因斯坦觉得是时候建立一种将大到恒星、小到原子的万事万物都涵盖其中的统一理论了，就像当年牛顿和麦克斯韦的工作一样。这是爱因斯坦的理想，也是整个人类的理想，不过阻止人类前行的未必都是高山，还有可能是鞋里的一粒沙子，爱因斯坦也因为“沙子”而与物理学的万有理论渐行渐远了。

第六部分 量子力学

第三十五回 微观世界

迄今为止，人类一直有两个问题尚未搞清楚：一是宏观宇宙有多大，二是微观世界有多小。

汉语中的“微”字有很多意思，作“小”用的情况最多，比如微小、细微等；也可以作“无”讲，比如《岳阳楼记》中的“微斯人，吾谁与归”。而微观宇宙中的“微”自然不能作“无”讲，否则还研究个什么劲呢？但是可以解释为“小到无”。如此便有以下两种说法。

1.作“小”讲，小到一定程度时就不能再小了。

2.作“小到无”讲，即没有最小，只有更小。

古希腊人对微观问题有过大胆猜测，哲学大师德谟克利特（约公元前460—前370）持第一种态度。他曾提出“原子”的概念，原子的本意是指“不可分割”。德谟克利特认为宇宙万物由最微小、最坚硬、最不能分割的原子构成，原子数目与排列上的不同造就了世界的多样化。他甚至认为人的灵魂都是由原子组成的。原子论的思想对后世的影响很大，但也一直饱受质疑甚至遭到反对，其中反对声音最大的当属柏拉图与亚里士多德，他们二人继承的是古希腊的元素说。

古希腊最初的元素说继承于古埃及人和古巴比伦人，元素说认为世界万物由水、土、气等元素组成。号称“哲学史第一人”、米利都学派祖师爷的泰勒斯抛弃了土和气，他认为世界的本质是水，水元素组成万物，土和气不过是水凝聚和稀释后的状态。泰勒斯的学生阿那克西曼德（约公元前610—前545）在水、土、气的基础上增加了第四种元素——火。

后来的古希腊人对元素说众说纷纭，莫衷一是。古希腊人恩培多克勒（约公元前495—约前435）发展了四种物质元素的说法，并且虚拟了两种抽象元素——爱与恨，正是这两种抽象元素使得基本元素结合与分离，从而构成了宇宙万物。天下高见，多有暗合，爱与恨很像中国道家哲学中的阴阳。恩培多克勒的观点最终被亚里士多德继承下来，不过他不认为存在爱与恨，而把相生相克直接赋予元素本身，成为元素的属性，借以构成宇宙万物。这大抵上和道家学说中的五行相生相克类似。

朴素的元素说和原子论都属于人类早期的宇宙观，二者最大的区别在于，前者认为宇宙万物归根结底“只能论斤称”（没有最小，只有更小），而后者认为还可以“论个卖”（小到最后不能再小）。由于亚里士多德等人对原子论的批判，在此后的两千多年里，元素说在生活中很盛行，不过在科学上也没有太大发展。原子论再次被提上日程是因为人们对于光本质的思考，也就是光的微粒说。转眼已经是笛卡儿时代了，但是笛卡儿等人的微粒说都是基于假设之上的，真正从实验角度出发的是英国化学家波义耳。

1661年，波义耳得出定律：在恒定的温度下，气体的体积与压强成反比。同时，波义耳提出物质是由不同的微粒自由组合而成的。这个定律后来被查理和盖-吕萨克进一步发展，称为查理定律。通过查理定律可以得出一个结论：同温同体积的气体所包含的微粒个数相等。

波义耳在化学方面做出了很多贡献，是第一个把化学确立为一门科学的人。而对化学科学性的确立正是源于波义耳对元素的思考，他提出只有不能用化学方法再分解的物质才是元素。在现在看来这个观点非常正确，比如水就不能称为元素，因为它可以被分解成氢和氧。由于对化学的贡献，波义耳被后人尊为“化学之父”。

拉瓦锡对化学的贡献不亚于波义耳，他研究燃烧现象（一种化学反应），确定了氧的存在，得出了质量守恒定律。他给元素下了非常精准的定义：用任何方法都不能分解的物质。另外，他重新使用了“原子”一词，并认为原子是化学反应中最小的单位。后人尊他为“近代化学之父”。

化学的两位“父亲”召唤出了“原子之父”约翰·道尔顿（1766—1844）。道尔顿出生于英国，从小家境贫寒，只好去贵格会的学校读书。他的启蒙老师很喜欢他，以至于退休的时候叫道尔顿来“顶职”，那时道尔顿才12岁。后来他到中学任教，在中学里研究过气象……一路走来，一路辛苦，于是他决定到大学去镀金，主修医学。后来为了改善生活，他时常公开授课，而在下面听课的便有酿酒师焦耳。

1803年，在总结前人尤其是化学家理论的基础上，道尔顿提出了新的原子论。

1.单一元素的最终微粒便是原子，原子不能自生自灭，也不能再分割。

2.同种元素的原子是一样的，不同元素原子的化学性质、大小和质量都不同。

3.不同元素化合时（比如氢气燃烧），原子以简单的整数比结合成一种更“复杂的原子”（比如水）。

此时的元素和原子都不可与古希腊时代的概念同日而语，它们之间的关系更像集合与对象，比如你可以说我是“一个风趣的人”，但是你绝不能说我是“一个风趣的人类”，所以我们常说一个原子，一种元素。

很快道尔顿的原子论得到了实验支持。1808年，盖-吕萨克得出盖-吕萨克气体反应定律：在同温同压的情况下，化学反应中的气体呈一定的比例。比如，氢气在氧气中燃烧，氢气的体积是氧气的2倍时才可以完全化合反应，否则要不氢气有剩余，要不氧气有剩余。这个现象很好地被原子论解释：2个氢原子+1个氧原子=1个水原子（或者称“水微粒”）。

笑到最后才算灿烂，很快该定律和原子论发生了冲突。当盖吕萨克将化合后的水汽化后，得出水的体积和化合前氢气的体积相等。也就是说，2体积的氢+1体积的氧=2体积的水蒸气（同温同压情况下）。根据查理的理论，化合后的水微粒和化合前的氢微粒的数量相等。如果微粒是原子的话，也就意味着2个氢原子+1个氧原子=2个水微粒。那么1个水微粒中势必只含有半个氧原子，但是原子又不可再分，道尔顿的原子理论出现了严重的悖论。于是笃信原子论的人开始怀疑查理理论的正确性，即同温同体积情况下，不同气体的微粒数可能会不相同。反正都是看不见摸不着的猜测，许你州官放火，就得许我百姓点灯嘛。

盖-吕萨克和道尔顿之间发生了激烈的争论。在这种情况下，意大利物理学阿佛加德罗（1776—1856）出来打“圆场”。他认为参与一次化合的必须是2个氧原子，而这2个氧原子组成了一个新的微粒，叫“分子”。同样根据查理定律，氢分子也由2个原子组成，而每个水微粒则包含1个氧原子和2个氢原子。

分子说为原子论一路斩荆披棘，但是道尔顿不领情——他是如此笃信原子论。由于阿佛加德罗也拿不出有效的证据，分子说只能是一种假说，就像当时安培的分子电流假说一样。

19世纪中叶，在热质被赶出了物理学的大门之后，人们就得重新探索热的微观本质。热是微粒的运动不用再提，但是微粒究竟是分子、原子还是其他的未知粒子呢？在1860的一次国际大会上，科学家们还在讨论不休。直到会议临近结束，阿佛加德罗的学生康尼查罗（1826—1910）向每位与会人员发了本自己印的小册子，写的正是50年前老师阿佛加德罗的分子假说，只是这次康尼查罗给出了有条有理的、严谨的陈述。经历了半个世纪的沉沦，分子假说终于在阿佛加德罗死后成为新理论。至此，大多数人开始相信物质由分子或者原子组成，分子由原子组成。

原子内部是什么样的呢？是漆黑一团还是锦绣一片，没人知道。它就像一个坚硬无比的核桃，用核桃夹子别指望打开，甚至连屠龙刀、倚天剑等都要望洋兴叹，总之是再也不能打开了，因为按照道尔顿的假设，原子是不可分割的。

其实在道尔顿活着的时候，这种不可分割的思想就已出现悖论，悖论起源于人们对离子（带电粒子）的认识。1833年，法拉第在大量实验的基础之上得出了两大电解定律，并提出了“离子”的新概念。如果说原子不可再分，那么单元素的离子（比如氢离子）又是什么呢？也就是说离子是否具有原子性？如果具有，那么原子损失电荷才能成为离子，原子不可分不成立；如果离子不具有原子性，那么离子又是什么样的微粒呢？法拉第没有给出答案，他只是强调未必一定要往一个更小的粒子方面去思考，因为那些都是人类大脑想象出来的，并没有人在实验中亲眼见到。对于一个完美的实验家来说，只有完美的实验结果才能让他心服口服。麦克斯韦反对科学家们在原子问题上分成两个对立的阵营——原子论和非原子论，但他稳稳地站在了原子论一边。同时他也支持原子不可分割思想，只是在解释电解现象时陷入被动，所以他认为离子应该是分子性质的，不过仍然不能解释像氢离子这样的单元素离子。

原子最终的命运不是一句“不可分割”就能打发的。几十年后，来自英国的科学家就神奇地把原子打开了。时间是1897年，这位科学家叫约瑟夫·约翰·汤姆逊（1856—1940）。在他2岁的时候，世界上多了个叫阴极射线的东西。

1858年，德国科学家普吕克（1801—1868）将一个玻璃试管中的空气抽得非常稀薄，然后在试管两头装上电极板，在电极板上加上几千伏的电压，他发现阴极对面的试管壁上闪烁着绿色的辉光，奇怪的是没有任何东西从阴极射线管上发射出来。那么绿色辉光到底是什么呢？在赫兹找到电磁波之后，关于绿色辉光，人们有两种普遍的看法：某种粒子或者电磁波。英国科学家普遍认为是某种粒子，而德国科学家则多认为是电磁波，其中包括赫兹。两国科学家似乎本能地选择对立，也许英国和德国在科学上的裂痕比我们想象的要深，这都是牛顿与莱布尼茨当年落下的病根。

赫兹对此做过实验，他把阴极射线管置于磁场中后发现绿色辉光会偏转，但是他没有对此下一个定论。汤姆逊巧妙地修改了这个实验，在阴极射线管前加了个振荡磁场，并在磁场前面加了个荧光屏，如图35-1所示。

图35-1

改变磁场的强度，测量荧光屏上粒子的位置，就可以算出这个粒子的荷质比（带电量与质量的比例）。他通过计算得出这种粒子带负电，其质量也远小于原子，所以它是一种新粒子。1897年4月，汤姆逊以《阴极射线》为题做了研究报告，申明发现了比原子更小的粒子——电子。实际上，几乎与此同时，德国物理学家沃尔特·考夫曼（1871—1947）也得到了荷质比，但是他并没有往新粒子方面思考，这份荣耀只能让汤姆逊独享了。

就这样原子核桃被汤姆逊先生生动地打开了，那么请问先生：“切开的原子核桃里面是什么？是生的还是熟的？是红的还是白的？是液体还是固体？”

汤姆逊先生看了看，冷静地回答说：“对不起，我打开的可能是个蛋糕，一个奶油布丁加葡萄干蛋糕。”（对话为杜撰，只求旨意，核桃和蛋糕的区别在于前者还有一层厚厚的壳。）

这就是汤姆逊的原子蛋糕模型（见图35-2），该模型只是一种猜测，而且有很多问题，最终被汤姆生的学生的新原子模型取代，此是后话。此时，科学家们将主要精力放在对两年前伦琴（1845—1923）所发现的X光的研究上，而我们的故事也将原子模型暂时放一放，去讲述物理学上空的另外一朵乌云。看官，你一定还记得20世纪初的两朵乌云，第一朵乌云最终稀拉哗啦地下起了相对论的雨，那么第二朵乌云是否会烟消云散呢？

图35-2

第三十六回 黑体辐射

1900年的物理学总是让人们沾沾自喜，力学、电磁学、热力学和统计力学都有了长足的发展。那是一个最美好的时代，因为人们不会因“不知道自己不知道”而感到烦恼，几乎所有人都认为物理学是一座差不多竣工的大厦，只是大厦上还飘着两朵小小的云彩而已。

第二朵乌云说的是热辐射。热能传递有3种方式：热传导、热对流和热辐射。比如刚泡的咖啡烫嘴，这是热传导；往咖啡里面兑点儿冷水，就是热对流。现在可以一边享受阳光一边喝咖啡了，晒太阳便是热辐射的一种。

实际上，凡是温度高于0开的物体都会产生热辐射，所以甭管乐不乐意，每个物体时刻都在辐射电磁波，也在吸收电磁波。

1862年，基尔霍夫反其道而行之，提出一个理想化的“绝对黑体”：只吸收电磁波，不辐射电磁波（见图36-1）。绝对黑体是不存在的，只有近似黑体，这就是历史上著名的黑体辐射。

图36-1

1896年，德国物理学家威廉·维恩（1864—1928）从热力学理论出发，结合实验数据，给出了一个经验上的黑体辐射公式，后来称之为维恩公式。

1900年，英国物理学家瑞利（1842—1919）从统计力学出发，从数学上推导出瑞利公式。该公式后来由英国物理学家金斯（1877—1946）进行修正，所以后来称之为瑞利-金斯公式。图36-2是这两个公式的曲线图。

图36-2

维恩曲线的威力还则罢了，瑞利-金斯曲线却十分了得。物体的波长越小，它发出的能量越大，如果这个曲线适用于整个波段，那么可以瞬间秒杀任何能量源带来的能量，原子弹氢弹都不值得一提，所以称为紫外灾难。而维恩曲线在长波内又与实验不符。须知道，这两个公式都依据现成的物理学理论，可能会牵一发而动全身。这便是第二朵乌云。

第一位成功地对第二朵乌云进行阐述的是德国物理学家马克思·普朗克（1858—1947）。他生于德国的一个书香门第。他的曾祖父是神学教授，他的祖父也是神学教授，他的父亲是一位法学教授，他的叔父是一位法学家。在家庭环境的熏陶下，除非自甘堕落，普朗克似乎没有不成才的理由，然而他在科学的道路上并非一帆风顺。

16岁时，普朗克对物理学产生了浓厚的兴趣，并决定投身物理学。他的物理老师却毫不留情地给他浇了盆冷水：“这门科学中的一切都已经被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补。”这是当时物理学界普遍的观点，开尔文就曾形容过“未来物理学要在小数点后六位上研究”。那时正值第二次工业革命，很多有才华的人转向了工程研究，或者发明某个实用性的东西，然后申请专利、开公司、拉风投、赚大钱，比如美国的爱迪生、瑞典的诺贝尔等。不过普朗克倒看得挺淡：“我并不期望发现新大陆，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”

1877年，普朗克转学到了柏林，在那里他遇到了著名的物理学家亥姆霍兹和基尔霍夫。这两位物理学大师曾经在热力学方面做出杰出的贡献，热力学也成为了普朗克主攻的方向。

普朗克不幸被泼冷水的老师言中，虽然才华横溢的普朗克贵为教授，但基本上都是在“没有很大建树”中从青年熬到了大龄青年，又从大龄青年一路熬到了大龄中年。此时，大龄中年普朗克开始研究黑体辐射，机遇来了。谁让他的数学功底是“难自弃”级别的呢！

1900年10月，普朗克把两个黑体辐射公式揉在一起，揉着揉着，最终成了一个公式。令人惊奇的是：居然曲线完全和实验结果一致。只是有个常量看似并不完美，这个常量如果和电磁波的频率相乘就是能量：E=hf，（E表示能量，h表示后来被称为普朗克常数，f表示频率）。

能解决这样的难题，本是件幸福的事，而现在的普朗克却幸福地烦恼着，他的烦恼来源于常数h。这个h表示什么意思呢？他在1900年12月的年终例会上发表演说，激动地向人们阐述：要从理论上得出正确的辐射公式，就必须假定物体辐射（吸收）的能量不是连续的，而是一份一份的，且只能是hf的整数倍。他把E称为“能量子”，量子物理由此开端。

所有人都惊呆了，打我们被称为人类的那天起，我们就深信能量是连续的，不会是离散式一份一份的，更不会出现“要么不吃，要吃就吃一碗”的荒唐逻辑。对于这样惊世骇俗的理论，普朗克自己也很犹豫。能量子就像是普拉克的“孩子”，只是这个“孩子”有点怪异，所以普拉克很不喜欢它，甚至有些讨厌它。在余下的很多年里，他都在想方设法把它改造过来，可惜事与愿违，这个“孩子”终究要将物理学闹得天翻地覆。似乎是一种弥补或是一种安慰，普朗克依然把他的理论向麦克斯韦靠拢：在宏观条件下，可以把h看作0（因为h值很小），那么麦克斯韦方程组依旧成立，然而终究h≠0，好奇的人们又怎会对此置若罔闻呢？

有心栽花花不开，无心插柳柳成荫。原本只想在物理学后6位琢磨的普朗克一不小心把物理学推向了2.0版本。看来风没有轻轻地带走开尔文勋爵的两朵乌云，雨倒是又滴滴答答地下起来了……

第三十七回 光电效应

伟大的赫兹让人们知道了电磁波的存在，他是一位和法拉第一样的天才，可惜不能像法拉第一样活到76岁，他的寿命连法拉第的一半都不到。赫兹去世后留下了一个谜题，几年前他用紫外线照射谐振的锌球时，发现产生的火花比没有紫外线照射时强得多，奇怪的是红外线和可见光都达不到这样的效果。他只把这个现象写进了论文，并没有给出合理的解释。

这个后来被称为光电效应的现象（见图37-1）立刻引起了物理学家们的注意，很多人把这个实验单独做了出来并证实了一些特性。

图37-1

1.光的频率小于临界值时，不会产生光电效应，只有频率大到一定程度才可以。

2.光电效应和光的强度无关，即便很弱的紫外线也可以产生光电效应。

1899年，也就是人类发现电子后的两年，汤姆逊也做了类似的实验，他在产生的火花上加了个磁场，在磁场后面加了个荧光屏……山不在高，有仙则灵；招不在多，管用就行。汤姆逊证实了光电效应逸出来的正是他两年前发现的电子。

此后很多科学家尝试进行解释。那是麦克斯韦的时代，是电磁波的时代，也是光的微粒学说被赶出物理学的时代，从电磁波入手自然是再合适不过的了。电磁波的能量会慢慢聚集，就像晒太阳一样，越晒越暖和。等到能量大到一定程度时，电子就会逸出，但是在临界频率以下光照射一天（能量很大）也没见一个电子逸出，而临界频率及以上的光即便微弱也能轻松将电子释放出来。

1903年，赫兹的一位学生提出电子逸出是共振的结果，即紫外线的频率和极板上的电子发生共振，导致电子逸出。那么问题来了，电子的共振频率不可能那么多。若用比临界频率更大的光照射，随便什么光都能逸出电子，这个理论被他自己的实验否定了。

1905年注定是不平凡的一年，注定是要载入史册的一年。在前面已经讲过，爱因斯坦就在1905年发表了狭义相对论和质能方程。而在这些理论之前，爱因斯坦还发表了另外一篇文章《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，这是他在1905年发表的第二篇论文，也是他一生中发表的第四篇论文，前两篇均是在他自称为“修皮鞋”的日子里完成的，他自嘲它们毫无意义，但是这篇论文相当有意义。

1900年，普朗克提出能量子的概念时爱因斯坦才21岁，正值书生意气、挥斥方遒之时。普朗克不喜欢能量子，但是爱因斯坦没有那么多顾虑，他把普朗克的能量子放到光电效应中，也得到了完美的解释。

1.光束是一群离散的量子，而不是连续性波动。

2.每个光量子的能量就是能量子，可用E=hf表示。

3.电子逸出需要给它一个能量，当能量子的能量大于或等于临界能量A时，光子就可以逸出，逸出的光子有动能。

4.当能量子小于A时，则电子不会逸出。

再回顾一下人类研究光的历史，惠更斯的波动说被牛顿的微粒说一直打压，100多年后微粒说又被波动说彻底打败，直到没有人再相信光是微粒时，爱因斯坦又把微粒说给请回来了。这才过了多少年啊！折腾来折腾去，也不管光受得了受不了。

受不了也得受，虽然爱因斯坦只是向前一小步，但是文明前进了一大步。而迈出这一小步也需要很大的勇气，因为“光是电磁波”在赫兹之后就已经盖棺定论了，光作为微粒实际上已经在人们心中“死去”。或许正因为如此，从1899年到1905年这6年时间里没有人试图用微粒说去解释光电效应。初生牛犊不怕虎，敢于挑战原有理论正是年轻人的特点，而综观物理学史，大有见解的理论或者假说大部分出自年轻人之手，这个圈子可能注定容不下太多大器晚成的人。

第三十八回 原子的核模型

可能是汤姆逊比较爱吃葡萄干蛋糕，所以他把原子模型作比蛋糕。但是肯定有这样的吃货，他们只吃蛋糕里的葡萄干，那么当原子里的最后一粒葡萄干被吃完时，剩下的是什么呢？实际上，在汤姆逊发现电子之后就有很多不同的原子模型，而汤姆逊的一个外国学生的答案最为精彩。

欧内斯特·卢瑟福（1871—1937）出生于离欧洲遥远的新西兰，他的父亲是一名工人，家庭条件一般，但是不妨碍他在学习上出类拔萃，于是他顺利地度过了小学、中学、大学时期，又顺利地获得了剑桥大学的奖学金。据说，当卢瑟福收到剑桥大学的录取通知书时，他还在挖土豆，于是激动地说：“这是我挖的最后一个土豆。”到了剑桥大学后，24岁的卢瑟福成为汤姆逊的学生。毕业后，他在汤姆逊的推荐下去加拿大任教。9年后，重新返回英国到曼彻斯特任教，此后一直在英国工作到病逝。

自本生和基尔霍夫的元素光谱理论之后，人类进入了发现新元素的爆发期。1868年，法国和英国的天文学家在观测太阳的光谱时，先后发现了一种新元素的暗线，这个新元素不属于任何当时已知的元素，只知道来源于太阳，所以就以希腊神话中的太阳神（Helios）命名，化学符号为He。

在今天的元素周期表中，用红色表示放射性元素。放射性元素都具有一种性质——衰变。衰变可以简单理解为：元素会渐渐地变化成其他多种元素，同时质量减小，能级降低。在X光被发现之后，人类进入了研究粒子散射的高峰期，卢瑟福在该领域也取得了巨大的成功，他第一次提出“半衰期”的概念。在不同元素衰变产生的新粒子中，有些是同种元素，他将其分为两种：带正电的叫α粒子，带负电的叫β粒子（即高速电子）。这两种粒子都有很强的穿透性。他还证明α粒子就是He离子（没有电子的原子）。1908年，卢瑟福因对半衰期的研究获得诺贝尔化学奖。当获奖通知下达的时候，卢瑟福有些懵，他一直以为他在研究物理学，没想到一不小心就成了化学家，他笑称“这是我一生中绝妙的一次玩笑”。1908年的诺贝尔物理学奖颁给了发明彩色照相技术的利普曼（1845—1921），似乎他的工作和物理学更相关。不过卢瑟福还是为获得诺贝尔奖高兴了很久，毕竟这是世界上最高的科学奖项。获奖后的卢瑟福依然兢兢业业，曾有人评价他是唯一一位获得诺贝尔奖之后依然能取得更大成就的科学家，比如3年后他提出了一个新的原子模型。

1911年，卢瑟福带领学生们做了个实验，这个实验被称为“物理学上最美实验之一”。他用穿透力极强的α粒子轰击金箔片，同时在圆盘上放置一个可以绕轨道自由转动的望远镜，借以观察轰击后的α粒子，如图38-1所示。

图38-1

如图38-2所示，实验现象及推论如下。

1.大部分粒子能通过金箔，只有极少的粒子会在原子的正中间发生散射，这说明原子内部很空，而正中间有一个原子核。

2.部分粒子改变方向，这是由于α粒子带正电，原子中间的原子核也带正电，二者同性相斥。

3.极少数粒子撞到了原子核被弹了回来。

图38-2

所以，卢瑟福有理由相信，原子是由一个原子核和核外电子组成的，原子核带正电荷，其电荷量正好等于所有核外电子的电荷总量，那么原子核和核外电子怎么共存呢？卢瑟福提出一个新的原子模型，如图38-3所示。

图38-3

原子的内部应该像我们的太阳系一样，由原子核（太阳）和一群绕着原子核转动的电子（行星）组成。这种模型被称为行星模型。除了实验中一系列令人眼花缭乱的操作外，得出的结论也是非常完美的。如果上帝创造了宇宙，那么肯定不会厚此薄彼，即便宏大如星系，微小若原子。

这个模型几乎成为了近代科学的符号，经常出现在书籍封面上，甚至20世纪90年某电视台的标志就是以此为蓝本绘制的。就图形来说确实好看，但是很不中用，因为不管在什么时候，哪怕是在吹牛皮也必须坚信基本原子是稳定的。

与太阳系模型相比，二者有本质上的区别：恒星和行星都不带电。在星系中，太阳对行星的引力可以充当行星圆周运动的向心力，虽然原子核对电子的库仑力也可以充当电子圆周运动的向心力，但是根据麦克斯韦的电磁理论，变速的电子会产生电磁波，要向外辐射能量。电子内部的能量会越来越小，电子会越来越靠近原子核，最终会坍缩到原子核上。实际上，如果电子真的要坍缩的话，在读完上述文字的时候，宇宙就已经不存在了，或者说宇宙根本就没存在过，显然这个模型也不是成功的。但这个模型在物理学中非常重要，因为第一次有了原子核的概念。

卢瑟福推翻了老师汤姆逊的模型，但很快卢瑟福的模型又被他的学生加以改进。桃李不言，下自成蹊。连同自己带上学生，他们一共获得了一打（12个）诺贝尔奖，其中就包括对卢瑟福模型改进的尼尔斯·玻尔（1885—1862），而玻尔多次在公开场合声称卢瑟福是他生命中的第二父亲。

第三十九回 量子轨道

尼尔斯·玻尔生于丹麦的一个富裕的犹太家庭，父亲是大学教授，他从小受到良好的教育。说起玻尔，他倒和中国颇有渊源，因为他和他的弟弟都喜欢一项中国的古老运动。这个古老的运动在欧洲叫Football，再翻译过来叫足球。他们甚至都已经加入了职业比赛。我们知道足球比赛无非是两点——进攻和防守，但玻尔基本上只负责防守，因为他是名门将，而且大部分时间都是看着别人防守，因为他是名替补门将。

对于一般人来讲，人生最大的不幸莫过于不能以爱好作为出路。玻尔绝对是“二般人”，即使在足球上没有取得很大成功，但是他的另一个爱好——物理学依然让他在神圣的科学殿堂里功成名就。

1903年，18岁的玻尔进入哥本哈根大学主修物理学。1911年夏天，玻尔大学毕业，怀揣着远大的理想到剑桥拜访久负盛名的汤姆逊。据说当时二人相谈甚欢，玻尔还给汤姆逊递了一份关于金属中电子运动方面的论文，但是汤姆逊已经对此类课题失去了兴趣。他把玻尔的论文留下来，但是根本没有阅读，可玻尔并不知情，所以他等啊等、等啊等。等玻尔再去拜访时，汤姆逊明确表态不愿意在此类问题上花费心思。据说黯然神伤的玻尔在当地的足球队里大秀了一番球技，可足球不是他远渡重洋的目的，他彷徨了。直到11月，从曼彻斯特来的卢瑟福到剑桥大学参加聚会，在会上卢瑟福发表演讲，这次演讲让玻尔决定追随卢瑟福到曼彻斯特。

为了和卢瑟福会见，玻尔准备得相当充分，甚至请了卢瑟福的同事、玻尔父亲生前的好友作为引荐人。见面后玻尔才知道自己多虑了，卢瑟福丝毫没有架子，他和蔼可亲地告诉玻尔刚刚参加的第一届索尔维会议的一些情况，后来着重提到了普朗克和爱因斯坦等人关于量子理论发展以及前景的看法，这些理论无疑影响了玻尔一生。卢瑟福对玻尔也很赏识，这位丹麦的年轻人顺利进入了卢瑟福的科研小组，并留下来任教。

玻尔对卢瑟福的原子模型很上心，提出很多独到的见解，比如元素的化学性质取决于核外电子等。核模型在解释化学反应问题上取得了巨大的成功，但在物理上人们绝不会对其与经典电磁理论的矛盾视而不见。当玻尔深入了解普朗克和爱因斯坦的量子学说时，他隐隐地感觉到把量子理论带入原子模型也许会有新答案，但是量子不是你想带就能带的，就像老虎吃刺猬——无处下口。玻尔常常苦思冥思。1913年2月的某一天，玻尔的一个同事来拜访他，在谈话中提到了1885年瑞士数学教师巴耳末的工作。玻尔顿时受到启发，他说：“就在我看到巴耳末公式的那一瞬间，突然一切都清楚了，它就像是七巧板游戏中的最后一块。”七巧板游戏真的是从古老的中国流传到西方的。错不了！玻尔和中国就是很有渊源。

从夫琅和费算起，人类研究光谱线差不多快一个世纪了，但是始终知其然不知其所以然。瑞士人巴耳末也在不知其所以然中给出了氢原子光谱的巴耳末公式，该公式表示的是氢原子的谱线会出现的位置（即谱线频率）和强度。玻尔经过大胆的假设和悉心的数学推导，改进了卢瑟福的原子模型。

如图39-1所示，假设电子绕原子核运动，每个电子都处在某个定态轨道上，其动能也如普朗克的能量子一样是量子化的，也就说电子运动轨道不是随意为之的，它必须符合一定的条件。如果说卢瑟福的电子像汽车，那么玻尔的电子就是火车——有特定的轨道。但是玻尔的电子不完全是火车，它们还可以相互“串门”。玻尔吸收了爱因斯坦光电效应理论的精华，认为电子在不同轨道之间“跃迁”和它们吸收或者辐射的能量有关。当一次吸收的能量达到某个临界值时，它就开始跃迁，就会由基态（最里面的一层）跳到其他的层级（激发态）上。同样，电子由高层级跃迁到低层级上时会释放出光量子，也正好与光谱中的暗线吻合。如果电子不打算“串门”，也就不会释放能量，能量不释放，电子自然也就不会坍缩到原子核中了。

图39-1

1913年，玻尔完成论文，这篇论文洋洋洒洒200多页。他的老师卢瑟福将其推荐给某杂志，如果一次发表完，估计一期的篇幅都不够用，所以分成3次，在同年7月、 9月、11月的杂志上发表，史称“玻尔三部曲”。

玻尔的量子论模型在很大程度上解释了30多年都没有办法解释的谱线问题，但依然有很多问题没有解决。

1.玻尔的出发点是氢的谱线，通常氢核外只有1个电子。对于超过1个电子的元素，玻尔模型就显得乏力。此外，即便是氢原子，玻尔模型只能解释谱线存在的位置，不能解释谱线的强度。

2.虽然解决了卢瑟福原子模型的电子不坍缩问题，但只要电子绕核做圆周运动，就会辐射能量，就会和经典电磁学产生矛盾，这是不可回避的现实。玻尔自然也意识到了这一点，他认为讨论量子时就应该先把经典理论放一放，不要因此错过了后面的美好。好吧，放是放了，美没了，当时有些迷恋麦克斯韦方程的物理学者认为一切不符合麦克斯韦方程的电磁理论都是“耍流氓”。

3.玻尔的假设得到了老师卢瑟福的高度赞赏，但是卢瑟福也提出了一个致命的问题：一个电子从某个定态跃迁到另一个定态上，电子又如何知道下一步将以什么频率绕原子核运动？换句话说，当火车从一条铁轨窜到另外一条铁轨上时，火车怎么知道在新的铁轨上将要以什么速度运动呢？难道事先和铁道部打了招呼？如果是，就更可怕了，这就意味着电子是有意识的。

玻尔提出量子轨道模型已逾百年，站在今天的角度，它确实有很多值得批判的地方，但站在玻尔以及量子发展历史的角度，它无疑是非常成功的。这个模型构建了经典力学到量子力学的桥梁，可以说是半量子化的——用经典力学解释量子化轨道，用量子理论解释跃迁。半量子化招致了不少非议，有人认为物理学理论发展到此时需要一场暴风骤雨般的革命，而不是一场场、一次次的“润物细无声”。

不管怎样，人类正是在对玻尔模型的深入研究中才发现了自己的无知，从而引领着一场新的物理学革命。那是一个风云际会的年代，一个任何量子理论或者假说都会被狂风吹起的年代，而处在风口浪尖上的玻尔无疑将成为这个年代的风向标。

第四十回 电子的故事

如果说玻尔的量子化轨道模型像一只美丽的彩蝶，那么这只彩蝶面前就是一片花海——原子谱线远比人们想象的复杂。比如，当在钠原子光谱上外加一个磁场时，谱线就会分裂成3条差不多的谱线。这个现象是由洛伦兹的学生彼得·塞曼（1865—1943）于1896年在燃烧钠元素时发现的，所以称为塞曼效应。但当外磁场减弱到一定程度时，谱线的分裂不尽然全是3条，而是更多条，间隔也不等，这个现象称为反常塞曼效应。可以说玻尔假设的局限性太强了。

阿诺德·索末菲（1868—1951）是德国著名的数学家，同时也是一名优秀的教育家，他的学生获得诺贝尔奖的数量连卢瑟福也难以望其项背，只是可惜他本人没有获得过一次诺贝尔奖。

当得知玻尔的模型时，索末菲喜爱至极并认为玻尔的模型大有可为，应该稍微修正一下便可以解释塞曼效应。

1.将电子的圆轨道修正为椭圆轨道，原子核处于椭圆的一个焦点上。（可以将圆看成椭圆的一种，两个焦点合并成了圆心。）

2.将爱因斯坦的相对论——质能关系引入到高速运动的电子中。

如图40-1所示，对于电子的第n轨道（正圆）而言，还有n-1个亚层轨道，这些亚层轨道是椭圆轨道。这些椭圆轨道也是量子化的。为了解释塞曼效应，索末菲引入了角量子（角动量量子化）；电子有可能顺时针运动，也有可能逆时针运动，产生的磁场方向（相当于环形电流产生的磁场）也相反，所以电子的磁矩也是量子化的。自此有了3个量子化的概念：主量子n、角量子l、磁量子m。当在原子外围加上磁场时，电子的运动就会在空间上量子化，谱线也就分裂了。

图40-1

这个模型称为玻尔-索末菲模型，它确实可以从理论上解释很多原子光谱的塞曼效应，但它和前面的原子模型一样都是假说，假说走向真理的唯一途径就是实验验证，它们都欠缺实验支持。

奥托·施特恩（1888—1969）是一位犹太人，1912年结识了爱因斯坦，很幸运地成为了爱因斯坦的第一个学生。爱因斯坦的实验大多都是在脑袋里完成的，他却是动手实干型的实验学家。第一次世界大战时，他在法兰克福大学任讲师。战争结束后，该大学迎来了一位新实验室主任马克斯·玻恩（1882—1970），施特恩又很有幸地成为了玻恩的助手。

马克斯·玻恩出生于德国的一个犹太家庭，父亲是大学教授，他受此影响走上了科学道路。1914年玻恩去柏林大学任理论物理学教授，那时爱因斯坦正在柏林大学，他和爱因斯坦结下了深厚的友谊。

起先，施特恩并非对量子理论深信不疑，他只想通过实验来对量子理论与经典理论进行取舍。为此他设计了一个实验方案：使原子束通过不均匀的磁场后看最终的结果，如果经典理论正确，那么原子束将会均匀分布，而如果量子理论正确，那么原子束最终将会在空间上呈条状分布，即空间量子化。

当他兴致勃勃地把这个想法告诉玻恩时，玻恩不认为这种实验有价值，因为原子取向量子化只是猜测，这意味着什么，人们暂时还无从知道，或许只是一种计算电子的数学方法。尽管如此，玻恩依然为他的实验筹备经费。要知道德国在第一次世界大战中作为战败国，整个国家经济陷入了窘境，拿钱出来对于德国政府也是很困难的，于是玻恩用讲座、稿费、找商人出资等一些手段来资助施特恩的实验。

1922年，施特恩与同事盖拉赫一起做了银原子束通过磁场的实验。

如图40-2所示，高温使银原子蒸发射出，通过两个细缝形成原子束，再经过一个高真空度的、不均匀的磁场，最后到达照相底片上，结果在底片上出现了两个黑斑。这就是历史上著名的斯特恩-盖拉赫实验，该实验十分难做，温度不能太低，否则银原子不能蒸发；温度也不能太高，否则会使玻璃熔化，不均匀磁场也得放置在一个高真空度的试管里。斯特恩为了实验几乎直接住到了实验室中。1943年，施特恩因此获得诺贝尔物理学奖。

图40-2

对于实验结果，施特恩感到非常满意，他写信告诉玻尔说他们很荣幸地验证了玻尔-索末菲的模型。然而对于反常塞曼效应，玻尔-索末菲假说依然乏力，不过该模型为后人研究反常塞曼效应指明了方向。在众多物理学家当中，取得重大成果的当属索末菲的学生沃尔夫冈·泡利（1900—1958）。

泡利出生于一个医学家庭，从小对物理学有浓厚的兴趣。18岁时，他强烈要求不上大学直接做索末菲的学生。和蔼的索末菲没有拒绝，不过也难免有些担心，但是没多久索末菲发现自己的担心纯属多余，泡利是一位有着天才想法的人。

同时泡利也是一个可爱的人，他的心中仿佛有一座天平，当别人的假说让天平失衡时，他会进行攻击不计其余，但当他发现必须把别人的假说加在天平的左边时，他会毫无顾忌地在右边增加新的砝码。比如他的同学海森堡曾为研究反常塞曼效应引入半量子化（1/2整数），他认为这是一个能把自己大牙笑掉的笑话，可是当他发现半量子化的优势时，他绝对不会计较曾经说过什么话。

同时，他也是一个头脑灵活但是手脚笨拙的人，后者体现在做实验中，不仅是完成不了那么简单，而是经常给实验室带来灾难性的后果。他的老师和同学都戏称这为“泡利效应”。为了阻止这种效应，在做一些重大的实验时，他们会禁止泡利进入实验室。有一次实验考试，他的老师索末菲为了让泡利不影响实验室，干脆让泡利的实验考试直接通过。还有一次，德国哥廷根大学实验室发生了事故，不明真相的民众第一时间联想到泡利，然而泡利有十足的不在场证据，后来实验室负责人写信给泡利，说他总算无辜了一回。而泡利算了算日子，笑着说：“那天好像我乘火车从苏黎世到哥本哈根去，可能与我在哥廷根火车站的月台上逗留了一会儿有关。”

闲言少叙。玻尔的原子模型大大推动了化学的发展，元素的化学性质体现在其核外电子上。1925年，泡利在多年研究的基础上提出著名的泡利不相容原理，该原理后来成为量子理论的基石。不相容原理可以简单理解为：任何一个原子中不存在两个或者两个以上的电子处于完全相同的状态。同时他也指出，对于给定的n、l、m，只能容纳两个电子。

泡利不相容原理引起了物理学界的很大兴趣，来自美国的物理学家克罗尼格认为泡利不相容原理意味着还有一个量子化的东西（第四自由度），让每个电子所处的状态都独一无二。不过他实在找不出原子中还有哪些维度，所以他将这个维度归结于电子本身的角动量。当他急于和泡利讨论时，泡利犀利地回答他：“你的想法不错，但是大自然不喜欢它。”实际上，这个问题泡利早就想过，但是最终还是放弃了，因为他觉得量子理论应该从思想上放弃经典理论。

不久之后，两个初出茅庐的荷兰物理学家告诉泡利，不是大自然不喜欢，只是你泡利不喜欢它而已。乌伦贝克（1900—1988）和高斯密特（1902—1978）在对克罗尼格的假说毫不知情的情况下提出了同样的看法。他们的导师不置可否，只觉得这个想法很重要，并要求他们写成论文。但是他二人对此理论信心不足，只简单地写一遍请老师代发给杂志社。接着他们又去拜访德高望重的洛伦兹，和蔼的洛伦兹答应想一想再回答，后来洛伦兹通过计算告诉他们如果电子也自转，那么电子表面的速度将10倍于光速——这与相对论极其不符。乌伦贝克和高斯密特惊讶地承认了错误，并要求老师拿回他们的论文，可是论文早就寄出去了，也许都已经发表了。

等论文发表后，意想不到的是得到了很多人的支持，其中就有玻尔，他认为困扰物理学多年的光谱结构问题竟然用“自旋”这一简单的力学概念解决了。泡利还是一如既往地犀利，他称“一种新的邪说被引进了物理学”，两年后泡利最终还是接受了电子自旋说，并把它纳入自己的不相容原理之中。

再来回看一下斯特恩-盖拉赫实验。泡利在研究元素化学性质时得出反常塞曼效应只与原子的价电子（能参与化学反应、形成化学键的核外电子，很多原子的最外层电子即为价电子）有关，而与其他电子无关。银原子总共有47个电子，最外层只有1个，泡利认为反常塞曼效应只与这一个电子有关。那么剩下的46个电子的角动量总和为0，磁矩自然也为0，外部磁场对它们不起作用，所以银原子在磁场中偏转只取决于最外层的电子，可问题是单个银原子是稳定的，所以最外层电子的角动量和磁力矩也为0，那么银原子又怎么会偏转呢？所以，我们不能再认为银原子在磁场中偏转的角动量是由电子运动产生的，而是由电子本身的自旋——具有1/2量子化的自旋产出的。如此说来，斯特恩-盖拉赫实验笑到了最后却丢了灿烂，它本论证了索末菲的假说，然而再由假说出发得出的新理论时推翻了实验……这是上帝的安排还是人类的歪打正着？

电子自旋。怎样的旋转？和星体一样？人类在认识宇宙的道路上举步维艰，往往是因为总想把新事物纳入旧有的体系中。自旋绝非如行星般的绕轴自转。

关于自旋，形象点可以参考霍金所写的《时间简史》。

1.自旋为0，旋与不旋都一样。

2.自旋为1，旋转1圈，回到原来的位置。

3.自旋为2，旋转半圈，和原来一样。

4.自旋为N，最常见的就是等边N边形（见图40-3）。

图40-3

自旋1/2又该怎么解答呢？物理学家费曼曾有个比喻：伸出左手，旋转360°，手确实和刚开始一样，但是很不舒服，那就再反转360°吧，这就是1/2自旋了。

自旋在解释许多实验现象时取得了很大的成功，但是此时任何量子理论都很脆弱，一碰就会碎。

第四十一回 矩阵力学

玻尔的假设带着衍生品在原子研究方面大行其道，第一个给予它沉重打击的是他的学生海森堡。

沃纳·海森堡（1901—1976）出生于德国，他的父亲是一位大学教授，所以他从小就受到了良好的教育。当刚入中学的学生还在为正负得负、负负得正掐指计算的时候，他已经掌握了微积分。发现自己的特长后，海森堡一心想做一名数学家，后来他在上大学时却选择了物理学，成为名师索末菲的学生。此后他受玻尔邀请去了哥本哈根，成了玻尔的学生。玻尔是一位民族感极强的物理学家， 1918年他谢绝了恩师卢瑟福的高薪（年薪200英镑）邀请，毅然决然地回到了故乡，一心要为故乡的科学发展做出贡献。

海森堡是一位经验主义者，在他看来没有什么比实验数据更为重要了，因为数据不会说谎，而物理学也应该从直接的、可被测量的数据和观察到的现象入手，而不应该先假设一个模型，然后把对于数据的解释往假说的模型上套。这是很危险的，好比我们为了解释某种现象而假设一口井的模型，但它的本来面目可能是一个烟囱。

玻尔的模型也是如此，人们研究光谱十几年，电子轨道到底在哪儿呢？没有人看到过，这只不过是基于经典力学所做的一种类比、一种想象罢了。海森堡从一开始就给轨道模型号准了脉。怎么彻底改变呢？他认为轨道不曾看见，但是原子光谱中的强度、暗线的频率是一目了然的，所以他要从这两个方面入手。这些离散的数值该怎么处理呢？海森堡将它们画到表格中，但是表格的运算法则不像方程那么成熟，海森堡根据物理意义进一步发展表格运算。

1925年，海森堡把研究的草稿整理好交给老师玻恩，希望老师能指点指点，然后到英国剑桥讲课去了。玻恩没看懂，但是他被海森堡的表格深深折服，称它是一次伟大的突破，并写成论文寄给了杂志社发表。

实际上，这种表格有个很好听的名字叫矩阵。提到“阵”，我们不禁会想到小说中的排兵布阵，比如士兵排成一排叫“一字长蛇阵”，排成弯弯的两排叫作“二龙出水阵”。矩阵也是阵，因为是矩形的，所以叫作矩阵。虽然海森堡无意间发明了矩阵，不过他并不拥有发明权，早在1858年英国就有数学家发明了矩阵，当时叫作行列式（行列式可以看成矩阵的某一行或者一列）。如果连海森堡这样的人物都不知道矩阵的话，可想而知当时人们对矩阵运算还处于瞎蒙状态。

玻恩在矩阵运算上也有些吃力，所以他找到数学很好的泡利一起研究，泡利还是一如既往地对新观点加以排斥，称它为“冗长和复杂的形式主义”。玻恩碰了一鼻子灰，只好找他的助手约尔当（1902—1980）帮忙，两人合作写了题为《论量子力学》的论文，其中用了很大的篇幅介绍矩阵运算，并且计算了乘法交换后两个乘积的差值范围。等到海森堡从剑桥讲学归来，他们三人对原来的讨论范围进行扩展，共同发表了《论量子力学Ⅱ》，自此彻底建立了新的量子力学体系——矩阵力学。

除了极个别人反对外，矩阵力学赢得了一片赞许之声，因为它能恰如其分地表达量子的离散特征。当矩阵力学在计算上取得了巨大的成功之后，泡利又一如既往地改变自己的看法，他说：“海森堡的力学让我有了新的热情和希望。”爱因斯坦则更为直接地称“海森堡下了一个巨大的量子蛋”。

可是矩阵力学有一个小小的问题——不符合乘法交换律。也就是说A×B≠B×A，可以说这是由矩阵的运算法则决定的，也是对矩阵的运算法则定义后导致的必然结果，但是放到物理学之中就会出现很大的问题。比如先测定物体的速度再测定时间，便可得到物体的位移，但是它与先测定时间再测定速度而得到的位移不一样，算来算去乘法交换后的结果总是有差值，更为奇怪的是这个差值还大于某个特定的值。

这是怎么回事呢？

附一回 爱因斯坦与诺贝尔奖

在物理学理论与实验之外，发生了一件不大不小的事。爱因斯坦在多年的陪跑之后终于在1922年获得了诺贝尔物理学奖，而且是补发1921年的。准确地说，爱因斯坦是于1922年获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

阿尔弗雷德·诺贝尔（1833—1896）是瑞士著名的化学家和发明家，他的得意之作非炸药莫属。他的父亲也是一位发明家，诺贝尔继承了发明家应有的执着和几家毫无生气的工厂。1859年，诺贝尔开始研究炸药，他的父母为此很担心，因为这是一项很危险的工作。诺贝尔的回答是：“炸药的利润是非常丰厚的，所以冒险是值得的。”诺贝尔说得没错，当时正处在第二次工业革命前期，许多国家迫切要求发展采矿业，炸药成为了当即之需。

但是诺贝尔猜到了结局，却没有猜到过程。在一次炸药实验中，诺贝尔失去了4名助手和自己的亲弟弟。正所谓屋漏偏逢连阴雨，船迟又遇打头风。这次爆炸也惊动了当地政府，他被从市区赶了出去。诺贝尔只好把实验室搬到了船上。天道酬勤，1863年诺贝尔获得了硝化甘油引爆物的专利，先后成立了4家工厂进行生产。到了19世纪70年代，诺贝尔已经腰缠万贯，他开始投资石油行业——后来财富的重要来源之一。

诺贝尔一生坐拥的财富约折合920万美元，今天的920万美元不可与此同日而语，要知道当时世界首富、石油大亨洛克菲勒的总资产也不过几亿美元，而玻尔的年薪折算成美元的话也不过区区的3位数而已。

在生命的最后几年，诺尔贝不得不面对一个现实：人之将死，钱没花完。所以，他在临终前的一年就立下遗嘱：将存在瑞士银行的钱每年的利息拿出来，奖励头年为世界做出杰出贡献的人。于是世界上最负盛名的奖项诞生了，因为盛名，所以谨慎，因为谨慎，所以不乏保守。基本上，诺贝尔奖有以下两条不成文的规定。

1.活着（受奖人必须在世，也有几例特殊情况）。

2.正确。

关于正确性非常好理解，作为最具权威的奖项，草率只能留下笑柄。

因为发表广义相对论而红透了大西洋两岸的爱因斯坦符合以上两点，尤其当1919年爱丁顿等人观测到光线弯曲的结果出来之后，整个物理学界有头有脸的人都纷纷出来为爱因斯坦喊话。

电子的发现者汤姆逊郑重宣称：“爱因斯坦的引力理论是继牛顿之后人类思想上最高的成就之一。”

当时德高望重的洛伦兹也写信称：“日食的观测结果无疑为他铺设了通往诺贝尔奖的道路。”

思想上比较保守甚至劝过爱因斯坦“不要搞什么广义相对论，搞出来也没有人信”的普朗克也提名爱因斯坦为候选人，理由是迈出了超越牛顿的第一步。

其他推荐人不胜枚举，比如作为量子力学先驱者之一的玻尔等。

但是诺贝尔奖委员会一直在踌躇观望，因为每年都会冒出一些反对的声音或者证明广义相对论不成立的实验，这其中包括一些哲学家。

1921年，普朗克坚持以广义相对论提名爱因斯坦，也有人以光电效应提名爱因斯坦，因为爱因斯坦的光电效应方程已经在实验中得到证明。1916年，美国实验物理学家罗伯特·密立根（1868—1953）通过多年的实验，验证了爱因斯坦的光电效应方程。值得一提的是， 1910年密立根还通过历史上著名的滴油实验论证了普朗克理论，并求出了普朗克常数h的数值，普朗克因此获得了1918年的诺贝尔奖。但有科学家反对爱因斯坦以光电效应获奖，理由是3年前才把奖颁给了量子理论工作者，现在又因量子理论而颁奖，似乎不妥，如果真要以光电效应颁奖，也应该先颁给实验物理学家密立根。在一次次犹豫之后，诺贝尔奖委员会决定干脆不颁发1921年的诺贝尔物理学奖。

1922年，法国物理学家布里渊（1854—1948）的一句话惊醒了诺贝尔奖委员会，他说：“试想如果诺贝尔奖获奖者的名单上没有爱因斯坦的名字，那么50年后人们的想法会是怎样的呢？”这确实是一个让人头疼的问题，因为爱因斯坦的名气已经如日中天，如果他没有获得过诺贝尔奖，人们也许不会觉得遗憾，而只会觉得爱因斯坦的威望已经超过了诺尔贝奖。在这样的形势下，诺贝尔奖委员会就必须以某种原因把诺贝尔物理学奖“强塞”给爱因斯坦，哪怕一次也行，最终他们选择光电效应。

1922年，爱因斯坦和玻尔同时获得诺贝尔物理学奖。1923年，密立根获得诺贝尔物理学奖，密立根在领奖的时候毫不讳言他长期对爱因斯坦的光电效应理论持怀疑态度，做这些实验无非是想证明爱因斯坦是错误的，而经典电磁理论是正确的，但是在事实面前他服从了真理。1925年，美国著名物理学家康普顿（1892—1962）提出康普顿效应，再一次证实了爱因斯坦的光量子理论，并为光量子取了个很好听的名字——光子。

叨扰了这么多茶余饭后的话无非是想做一个引子：光首先被认为以微粒的形式存在，后来又被波动说打败，而爱因斯坦的光量子再一次证明将光看成微粒也无不可。光波可以是微粒，那么作为微粒的电子是否可以是波呢？

第四十二回 电子也可以是波

对于玻尔量子化轨道的理论，布里渊在1922年提出了一个新观点：原子核周围的以太会因电子的震动产生一种波，所产生的波互相干涉，只有在电子轨道半径适当时才能形成环绕原子核的驻波，因而轨道半径是量子化的。如果真是这样，电子跃迁后，就不用别人告诉它该待在哪儿、该以什么速度运动了，更为关键的是不必担心电子因运动而辐射能量了（驻波没有能量损失）。

新理论总是令人耳目一新，只是以太的观点过于陈腐。1905年，爱因斯坦用相对论解决了光速不变的问题，以太这尊大神已经被无情地请出了物理学界。请神容易送神难，送走了以后想再请回来难上加难，所以布里渊的理论并没有火起来。然而年轻的法国人德布罗意（1892—1987）在机缘巧合下看了一眼，改变了电子的命运……

德布罗意出生于一个老牌的贵族家庭，他的先祖曾被法国国王路易十四封为公爵，由长子世袭罔替，大约和中国清朝的铁帽子王差不多。第一代公爵又因赫赫战功而被神圣罗马帝国册封为亲王，而且家里每个人都有份，传到德布罗意的兄长时已是第六代。1960年兄长逝世后，爵位传给了他，所以后人常称他为“王子德布罗意”。虽说家世显赫，但是他没有一点傲气，很平易近人，据说一生从未与人红过脸。

德布罗意似乎这辈子注定要和“波”结缘，从第一次世界大战开始，他在无线电部门服役了6年，对电磁波的研究颇深。他的哥哥是一位实验物理学家，拥有私人实验室，该实验室装备精良。德布罗意有事没事就在此做实验，研究一下偶像爱因斯坦的学说。当他发现自己爱上了物理学时，毅然决然地放弃了他心爱的历史学。

大约从1922年起，德布罗意就萌生了新的想法：既然光具有波粒二象性，为什么不能将电子也看成波呢？起先他将电子类比为X光，但没有什么突破性进展。1923年，在为博士学位准备论文期间，德布罗意曾和布里渊探讨过，布里渊告诉他曾经的想法。他觉得也许布里渊说得对，只是再也不能提到以太，否则就太“OUT”了。既然没有了以太，那么驻波从哪儿来呢？德布罗意认为只能将波动性赋予运动的电子本身，但是电子怎样才能看成波呢？

根据狭义相对论，一个质量为m的静止电子应具有静能（E=mc2）。能量和质量只不过是物质的两种形式，如果将电子的质量看成能量的话，就可以将能量视为频率为f的内在周期性现象，即E=hf，所以E=mc2=hf。

假设该电子以速度v运动，根据相对论，电子的质量增加，那么电子的内在频率f也增大到f1。可相对论又告诉我们，对于静止状态下的观察者而言，运动参考系的时间在膨胀，周期变长，内在频率减小到f2。不同的频率代表不同的波，这是怎样的两个波呢？如果其中一个代表着电子内在的频率，那么另外一个代表什么呢？德布罗意经过深入思考之后提出一个惊人的假设：一个质点在运动时会伴随着与质点相结合的波，波的频率正是f1。另外，他通过计算得出波速为c2/v。显然这超过了光速，不过不用担心，这个波不携带能量，并不违背狭义相对论。其实频率为f和f2的波也不具有能量，因为此时的电子依然以质量的形式存在。

1926年9月，德布罗意发表论文，提出了“物质波”的概念，后人称为德布罗意波。在其后的两个月里，德布罗意相继发表了两篇论文。第二篇论文论证了物质波与粒子的内在波具有相同的相位，故而又称为相波；第三篇论文从数学上证明了相波的相速度正是c2/v，而相波的群速度正好等于粒子的运动速度v。这3篇论文加起来总共才10页。

关于相波的解释，举一个并非很恰当的例子。比如拿钻头在墙上钻孔，表面上看钻头不断地进入墙体内，但是实际上并没有那么快。钻头的转动就像一个波，看上去不停往前走的就是波的相速度，而钻头上实际前进的速度便是波的群速度。群速度不可能超过光速，但是相速度可以，因为相速度不代表物体实际运动的速度，自然不含有任何信息量。我们经常听说人类已经找到超越光速的波，实际上大多是指相速度。

德布罗意提出相波概念的初衷是为了解释电子轨道上的问题，简单点说就是电子在某一个轨道上运行，伴随的物质波必须具有特定的相位才能产生驻波。好比我们绕操场跑步，每一步的长度相等，一圈的长度正好是步幅的整数倍。量子理论总是让思维处在经典理论之下的我们觉得不可思议。

从1922年的萌芽到1923年的孵化，1924年德布罗意终于将相波理论写进了博士论文里，一举奠定了量子波动力学的基础。

还在为改造量子理论而奋斗的普朗克看到德布罗意的论文后，表示对这位“90后”（1890后）失望至极：现在的年轻人一言不合就上天，要和太阳肩并肩，想当初老一辈是多么谨小慎微啊……而德布罗意的老师郎之万（1872—1946）对此不置可否，他把论文寄给爱因斯坦看，让爱因斯坦点评点评。爱因斯坦向来对物理学的对称性满怀信心，光可以是粒子，那么粒子也就可以是波，所以爱因斯坦对德布罗意的想法赞不绝口，并称德布罗意“揭开了大幕的一角”。正所谓人微则言轻，人重则吐沫也能砸个坑，爱因斯坦的赞许让人们纷纷抛开偏见去看待德布罗意的论文，发现别有洞天。

1929年，德布罗意凭借博士毕业论文获得诺贝尔物理学奖，这在诺贝尔奖历史上十分罕见。坊间一直有很多传闻，说他的论文东拼西凑，整篇论文才写了一页纸，而相波的概念也不过是瞎猫碰到了死耗子。很多人认为他获得诺贝尔奖水分太多。究其原因，我想可能与1922年德布罗意为物质波写的3篇论文加起来才10页有关吧。实际上，德布罗意为阐述物质波的概念写了不少论文，其中毕业论文就长达100多页。

当时认为物质波概念是哗众取宠的人极有可能出于羡慕嫉妒恨，就像哥伦布歪打正着地发现了新大陆时也有很多人不以为意。在一次晚宴上，哥伦布清了清嗓门问道：“谁能把我手里的鸡蛋立起来？”众人哑口无言，只见哥伦布把蛋的一头敲碎立在桌子上，然后说：“我知道现在谁都会了，但我是第一个。”是的，第一很重要。

第四十三回 一个鬼魅般的实验

一直以来，干涉与衍射现象是波的专属特性，这个从牛顿时代就定下来的基调在德布罗意时代发生了转折。德布罗意预言干涉与衍射也适合微粒，假如小孔的大小和微粒的物质波的波长一样，那么微粒通过时也可以发生干涉与衍射现象。

1921年，美国物理学家戴维逊和孔斯曼用电子轰击金属镍，发现电子从镍片返回后呈两个角度分布。那时还没有物质波的概念，所以他们认为原子中可能有电子壳存在，从而导致了返回电子的角度分布。后来他们从玻恩的口中知道了德布罗意的物质波。1925年戴维逊和革末重新做了实验，在观测屏上看到了像牛顿环一样的图案，这说明电子也具有波动性，从而论证了德布罗意的观点。

两年后，著名物理学家老汤姆逊（电子的发现者）的儿子小汤姆逊（1892—1975）在剑桥也做了同样的实验，并记录和计算电子的行为，成功地证明了德布罗意波的存在，更成功地证实了德布罗意波的波长，从此电子的波粒二象性便不再被怀疑。

回顾光的波粒之争，起先光被认为是微粒，其后被认为是波，后来又被认为是微粒。到了19世纪初期，托马斯·杨和菲涅尔等人的努力再一次改变了人们的“偏见”，最后爱因斯坦等人证实光具有波粒二象性。但是电子与光不一样，人类认识光从一开始就具有猜测的成分，而电子从进入人类视野的那一刻起就是一个活生生的粒子，理由很简单，当人们发现它时，它就躺在老汤姆逊的显示屏上（如图43-1所示）。

图43-1

电子束打到屏幕上呈随机分布状态，没有任何理由让人们不相信它是粒子。但如果在屏幕前面加入一个光栅的话，很明显发生了双缝干涉现象（如图43-2所示），所以没有任何理由让人们不相信它是一种波，然而更为蹊跷的事情还在后面。

图43-2

改变电子发生装置，等前一个电子已经打到屏幕后再释放下一个电子。如果没有光栅的话，单个电子在屏幕上呈随机分布。当加入光栅后，单个电子也应该随机地出现在屏幕上的某个位置，只是落在光栅后面的概率大一些，所以会出现两条条纹。可是意外发生了，当很多这样的单电子通过双缝时，最终的结果是也发生干涉（如图43-3所示）。

图43-3

干涉从何而来呢？难道是前后电子？这是不可能的，因为它们不是同时通过双缝的。难道单个电子发生了自我干涉？如果单个电子发生了自我干涉，也就意味着单个电子同时通过了双缝，如果电子是波，干涉则不难理解。可又怎么去理解电子到达屏幕时突然坍缩成一个点呢？这显然是粒子性质的。

电子如幽灵般诡异！

第四十四回 风流才子薛定谔

丝毫没有任何亵渎与不敬，似乎每个爱好物理的人都对薛定谔的情史比对他的成就更感兴趣。如果以10个手指计算薛定谔的女朋友的数量，那显然高估了手指的计算能力。结婚前，与之交往甚深的女性中有名有姓的就有很多，然而婚姻并不是他风流生活的终结，恰恰只是个开始，他的兴趣范围扩大为女学生、演员、艺术家、公务员等，也留下诸多私生子。他的妻子甚至还抚养了他的一个私生子，而薛定谔本人却和他私生子的母亲在阿尔卑斯山度假。后人曾调侃波粒二象性，说薛定谔分不清情人与妻子的区别。

言归正传！翻开量子力学发展史，多少英雄出少年！爱因斯坦26岁提出光量子的概念，玻尔28岁提出量子轨道模型，泡利25岁提出不相容原理，海森堡24岁发明矩阵力学……在这点上薛定谔似乎算是大器晚成了，直到39岁才提出薛定谔方程，而他建立方程的过程也具有风流色彩，据说他当时正和他的情人在阿尔卑斯山上度1925年的圣诞假。

薛定谔对玻尔以及后来的索末菲的量子模型很感兴趣，只是他觉得用量子化轨道去解释量化的光谱不能令人满意，光谱应该由某个特征值决定，所以他认为应该从特征函数角度去解释，一时没有什么进展。1925年10月，薛定谔读到爱因斯坦的论文，在论文里他了解到德布罗意的物质波，于是怀着极大的热情拜读了后者的论文。12月中旬，薛定谔在发表的论文中说：“如果不从德布罗意的物质波去解释运动的粒子，是没有其他任何途径的。”此后他受好友德拜（1884—1966）的邀请到苏黎世理工大学演讲，其主要内容正是德布罗意的物质波。当薛定谔把物质波讲得无比清晰透彻时，德拜问他：“如果讨论一个波，却没有描述它的波函数，是否太幼稚了？”于是一周之后，薛定谔建立了波动方程。

从1926年1月开始，在5个月内，薛定谔陆续发表4篇论文，着重阐述了波动方程的物理意义。他认为粒子运动的物质波形成一个“波包”，波包的群速度与粒子运动一致，在波动方程里有一个函数ψ，用于描述波包，所以叫波函数。这就像划过天际的流星，电子宛如陨石，波包宛如团团火球，波函数用于描述火球的特性。

为了论证波动方程的正确性，薛定谔还将其与经典力学进行类比，最后得出它们之间具有统一性，也就是说一切经典力学都可以用波动学说来解释，但经典力学的很多公式都是非波动性的，他认为那是因为经典力学在处理一些细微问题上具有局限性。举个例子，经典力学也可以研究机械波，但是如果给定的位移远小于机械波的波长，经典力学无法从宏观上得出波的运行方式。同样，薛定谔还拿几何光学进行类比，尽管光沿直线传播，但当光通过一个比波长还小的孔或者障碍物时，光的传播并非呈现出简单的几何性，托马斯·杨的实验和泊松光斑就是典型例子，此时再讨论光的几何性质就失去意义了。所以，我们有理由相信当电子运动的轨道和电子的物质波的波长差不多时，讨论电子的路径也会失去意义。在这种情况下，薛定谔认为电子绝对不是一个传统意义上的粒子，而是像云彩一样在四周扩展开来的一团波，电子没有具体的位置，也没有具体的轨道路径可言。

“如此说来，电子，原来你是个波啊！”

电子说：“你才是个波，你们全家都是波！”

其实电子说得没错，按照德布罗意和薛定谔的理论，我们都可以是波，只是和我们运动相结合的物质波的波长很短，波动性是显示不出来的。假设人类已经发展到随意克隆的地步，把无数个已经克隆的我同时扔到两个并排的门里，后方的墙上是否出现干涉图样？答案是否定的，因为人的物质波的波长很短，只有当这个门和波长差不多时才能显示波动性，那样的话我就通不过该门，所以讨论宏观物体的物质波没有意义。

但是研究微观粒子时就不能不考虑其波动性了。电子、光子都是微观粒子，它们都是一团一团的波，就像开水锅里的水蒸气，掀开锅盖后落在锅盖上才成了水珠，这些水珠就是人们长期以来误以为的粒子，所以薛定谔认为是时候建立波动力学了。只是没有掀开盖的锅里是什么呢？薛定谔茫然了，因为他也不能在锅盖打开之前钻到锅里考察情况。

对于一个新的理论，有多少人喜欢就有多少人反对。普朗克和爱因斯坦对此欣喜若狂，普朗克称看薛定谔的论文就像一个好奇的孩子在听大人讲解一直苦思冥想的谜语一样；爱因斯坦认为薛定谔是天才人物，其论文富有构思精妙的独创性。独创？薛定谔笑着说：“要不是你爱因斯坦当初硬把德布罗意想法的重要性凑到我的鼻子下，单凭我一个人，整个波动力学根本就建立不起来，恐怕永远也搞不出来。”

研究量子论的科学家们绝对不会对薛定谔方程置若罔闻，这其中自然有量子论的先驱玻尔和矩阵力学的发明者海森堡。

第四十五回 波动力学与矩阵力学

尽管波动力学和量子论有着根本性的冲突，但是在量子阵营里不乏阵阵掌声。这个掌声绝不会来自海森堡，毕竟薛定谔抢了自己的“饭碗”，薛定谔方程的风头盖过了矩阵力学。

当波动方程的地位如众星拱月时，海森堡却认为该方程不能作为物理学方程中的VIP。薛定谔的回答也不遑多让：“对于那些没有艺术层次的理论（矩阵力学），我感到沮丧。”

双方你一言我一语，各不相让。不过很快海森堡的老师索末菲等人从数学上推导出这两种方法在处理问题时是等价的，最终被“量子力学”所统一。但这种说法就像是在和稀泥，只能是治标不治本，因为两种理论的立足点不同，矩阵力学是“微粒”，薛定谔方程是“波动”，这才是波粒之争的根本所在。这已经不是两种方法上的问题了，而是两个派别之间的问题，他们都针锋相对、相互质疑，尽管他们有些人私下里关系很好，因为这些争论纯粹是学术上的。1926年9月，薛定谔受邀来哥本哈根。作为哥本哈根学派的头号人物，玻尔对他盛情款待。薛定谔在讲学报告中说应该放弃量子跃迁的概念，微观世界也是连续的。玻尔自然不会放过任何一个可以辩论的机会，终于薛定谔的身体招架不住了，住进了医院。玻尔等人去探望，可探望很快转变成一场争论。

尽管争论异常激烈，波动方程还是很受欢迎，即便是在微粒说的派别里。既然已经论证波动方程与矩阵力学等价，那么用波动方程处理问题也无不可。一直以来，人们对理论学家都有很深的误解，以为他们都头发蓬松、不修边幅，一味地搞一些别人看不懂的公式，殊不知他们也和普通人一样“有小鱼就不吃蒸蛋”。比如，若有两种方法，他们肯定会选择容易的，这也是他们喜欢薛定谔方程的最大原因——因为他们个个都是微积分高手。至于形象问题，我想爱因斯坦那犀利的发型、俏皮的大烟斗要负99%以及余下1%的责任。

言归正传。在微粒派中，越来越多的人都对薛定谔方程示好，其中就包括海森堡的恩师玻恩。玻恩是这样评价薛定谔方程的：“在理论物理方面，还有什么能比他的波动力学最初的几篇论文出色呢？”海森堡对老师不坚定的立场感到十分伤心，然而玻恩笑而不语。年轻人到底还是沉不住气，玻恩只是称赞方程，而并没有忘记自己的立场——微粒论。在物理学中任何一个符号都是有其物理意义的，用于描述物质波的波函数ψ有什么意义呢？这正是玻恩的出发点。

关于薛定谔本人对ψ函数的解释，玻恩肯定不同意，他不能否认自普朗克以来人们对量子论的贡献，所以他认为应该从波粒二象性上去寻找统一的新途径，去解释新的奥秘。玻恩为这个新途径指明了一个方向——概率，因为ψ函数的平方就是一个概率分布，类似于麦克斯韦的分子速度分布。

在研究分子运动的时候，麦克斯韦等人引入概率并发展出一个物理学分支——统计物理学。玻恩口中的概率与以往的分子速度概率却有明显的区别：假设两个分子处在同样的环境下，它们最终的归宿将会一样；而电子则不同，即便人们有办法为两个电子创造同样的环境，也没有办法决定它们有相同的归宿。换句话说：以往的统计学是“假如你做得全对，那么我就给你一百分”，这是一个因果关系；而玻恩的概率是指“假如你全都做对，我会根据心情给你打分”，考试与得分的因果律已经不复存在了。如果连因果律都不存在了，还谈什么决定论呢？决定论至此受到了严重的质疑。

爱因斯坦对此深表不满，要知道无论是亚里士多德还是牛顿，无论是电磁学方程还是相对论，一切都建立在牢固的决定论基础之上。尽管他本人提出过光量子的假设，也在量子论发展过程中起到了奠基性的作用，但是爱因斯坦始终坚信量子论只是权宜之计，它在根上还是有毛病的、不够完善的，人们更应该回到严格的符合因果性的决定论上来。最后，他抛出物理学史上最著名的话之一：上帝不掷骰子。

在这么大的哲学命题之前，难道玻恩就不犯嘀咕吗？不可能，但是当断不断反受其乱，怎么办？玻恩说他本人倾向于在研究微观世界时放弃决定论，但这是一个哲学问题，也不是仅凭物理学就能决定的。

抛开哲学，物理学中的波函数被玻恩成功地“嫁接”了，而人们对玻恩的嫁接感到非常满意，毕竟ψ函数的平方看上去确实就是概率分布。但薛定谔对此始终持反对态度，最终不免落个“薛定谔不懂薛定谔方程”这样的历史考语。薛定谔的波函数无法解释电子双缝干涉实验中的粒子瞬间坍缩问题，而玻恩的概率论也没有办法解释粒子同时经过两条缝时发生自我干涉的问题，所以争论依旧在持续。

此时，作为哥本哈根学派的领军人物，玻尔也开始有点动摇：“难道电子真的是波？”不过海森堡还是一如既往地坚持微粒说，谁要和他提电子波，他就跟谁急，即便是玻尔也不行。1926年物理学界似乎只有一个主题——争吵。玻尔也深陷其中，他和薛定谔争完，又和海森堡吵。他身心俱疲，决定外出度个假，消消乏。

而海森堡还在研究他的矩阵运算中遗留的问题，即A×B≠B×A。

第四十六回 不确定原理和互补原理

一次次争吵之后，海森堡伤心至极，才发表一年不到，矩阵力学几乎就到了无人问津的地步，能想起矩阵的人也是把矩阵改成了波动方程的另类形式。更令他伤心的是，他的同学泡利、他的导师玻尔等人都开始研究起波动方程了，他俨然成了一个光杆司令，而对于这个司令来说，最大的困难不是来自波动方程，而是他内心一直无法挥去的阴影。

前面说过，玻恩等人发现矩阵有个严重的问题，即A×B≠B×A，乘法交换律到此不再适用了。也就是说先测量电子的速度后测量电子的位置，与先测量电子的位置再测量电子的速度会得到不一样的结果。对越简单的理论产生怀疑就越让人感到害怕，弄不好会把物理学的天空捅个大窟窿。

可是该捅还是要捅的，物理学家对未知的好奇绝不亚于任何一个吃货对美食的向往。真要捅破了再来补嘛，补得起来就自己补，补不起来就请个裁缝师傅补，请不到裁缝师傅就请个“补鞋匠”来嘛！此时海森堡想起当年和“补鞋匠”的一段对话。

矩阵力学在创立之初就秉承着“先测量后建理论”的理念，把那些只存在于猜测之中的物理量（如电子轨道）统统踢出了计算范畴。爱因斯坦是这样问海森堡的：“你不会真的相信只有可观察的量才有资格进入物理学吧？”

“为什么不呢？你创立相对论的时候不就是因为‘绝对时间’不可观察而放弃它的吗？”海森堡回答。

爱因斯坦笑道：“好把戏不能玩两次啊！要知道理论决定了我们能够观察的东西。”

这个命题也相当大，到底是理论决定了观测，还是观测决定了理论，这比先有鸡还是先有蛋复杂多了。海森堡对此提出了一个新的构想：如果同时测量电子的位置和速度会如何呢？但是他又意识到这是个伪命题，无法成立。比如拿一个温度计测量一杯水的温度，必定要将温度计放入水中一段时间才能保证测量结果准确，但是温度计又改变了水原本的温度；如果温度计放入水中的时间很短，虽然水温因温度计的变化可以忽略不计，但是温度计测量的结果肯定又不准确。也就是说，要么不测量，要么测量了也不知道水的真实温度，所以我们永远都不知道水的真实温度，这和绝对时间一样。

电子也是如此，要知道电子的具体位置必须用仪器测量。假设人们已经先进到能制作出一台无比厉害的显微镜，能够让肉眼通过显微镜观察到电子。而问题是肉眼必须通过光线才能看到物体，当光线照到电子时，电子的运动特征已经被光子改变了。换句话说，我们无法同时得知电子的位置和速度，先测量速度，位置就有误差，而先测量位置，速度就有误差，也就是测不准。海森堡还通过矩阵测算出这两个误差的乘积不小于某个常数：∆x×∆p≥h/（4π）。这个公式是经过严格推导得出的，换成经验公式是∆E×∆t≥h/（4π）（E是能量，t是时间，h是普朗克常数）。

1927年3月海森堡发表论文，阐述了该原理——测不准原理，现在翻译成具有普适性的名字就是“不确定原理”。

当时还在度假的玻尔接到了海森堡的来信，匆匆忙忙就赶回了哥本哈根，他意识到问题远比海森堡想的要严重得多。在这么长时间的度假中，玻尔也重新审视了波动方程。当他见到海森堡的时候，海森堡还是坚持认为测不准完全是由电子的微粒性导致的，而且完全否定了电子的波动性。这正是玻尔所要批评海森堡的地方，因为玻尔觉得不确定原理应该建立在波动性与微粒性基础之上，比海森堡想象的更具有广泛性。

顽固的海森堡和玻尔大吵了一架，吵着吵着，海森堡哭了。不怕对手千军万马，只怕队友突然变卦，更何况“变卦”的还是自己的导师玻尔。玻尔再次身心俱疲，1926年是在争吵中度过的，1927年也好不到哪儿去。不同的是，以前的争吵纯属学术探讨，如今已经涉及私人关系了。为此泡利不得不到哥本哈根从中调停，两人关系才恢复如初。

那么电子到底是个什么东西？是波还是粒子呢？很可惜，电子怎么看怎么不像波，但是怎么看也怎么不像粒子。难道它和光一样既是波又是粒子？难道和光一样，用一句波粒二象性就概括了？二象性是个很好的字眼，打不赢、输不了时取中庸之道，谁也不得罪，但是得罪不得罪不是玻尔要考虑的，他给出了新的答案：电子也好，光子也罢，在某个观测的时候，它不会拥有两种性质，电子打在屏幕上时呈现的是粒子性，因为屏幕也是个观测仪器；当电子通过双缝时，它会呈现出波动性，在空间上严格按照薛定谔的波动方程往前走。如果我们强行在两个缝上装个“超级探头”，看看到底电子是从哪个缝中经过的，对不起，这种观测从开始就默认电子是粒子，所以会如愿观测到电子通过了其中一个隙缝。

至于电子到底是什么，无关紧要，那是一种不可观测的状态，既然无法观测，那么就没有意义。只有在观测之后，我们才能知道电子到底是何方神圣。

试想一下，当我们闭上双眼，感觉电子就像雨雾一样遵照ψ函数在房间里舒展开来，等我们一睁眼，它又“Duang”地坍缩成一个粒子。难道是人为的观测决定了电子的性质？玻尔认为是的，其实不光是电子，整个世界都是如此，如果某个事物不能给定一种观测手段，那么这个事物就没有任何意义。决定论不是受到了质疑，而是已经不复存在了。

1927年，玻尔提出互补原理。它和概率波函数ψ、不确定原理组成了量子力学的三大支柱。还是那句话，有多少人支持就有多少人反对，既然有这么大的分歧，那就开个会讨论讨论吧。

第四十七回 爱因斯坦与玻尔的“战争”

正好热心的比利时实业家索尔维出资办了个会议，会议以他的名字命名，故而叫索尔维会议。索尔维和诺贝尔差不多，都是有钱的实业家，而且把大部分钱都捐给了科学事业。索尔维会议每3年一次，第一届是在1911年召开的，参会者有洛伦兹、卢瑟福、普朗克、爱因斯坦、居里夫人等众多物理学界知名人物。后来会议因第一次世界大战被迫中断，1921年重新召开，到了1927年已经是第五届了。

第五届索尔维会议的参会人员可谓是科学史上的梦之队，云集了洛伦兹、普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、泡利等一批知名科学家，其中还有美丽的居里夫人。论资历洛伦兹算是最老的了，他曾参加过第一届索尔维会议，那时他还在兴致勃勃地与别人讨论电子与原子，而如今年高德劭的洛伦兹心情截然不同。

由于有两位重要人物没有到场，大会耽误了几许。海森堡和泡利因为在旅馆里辩论到忘形的地步，两人的车票连同行李全部被贼偷走了。两人久未出现让哥本哈根的领军人物玻尔着急在心，更让他提心在弦的还有洛伦兹在大会前的一番话语：“在我看来，电子就是个粒子，在确定的时间一定会处在一个确定的位置，那些尝试用概率观点来解释的人绝对是错误的……”对于如今的量子力学，老人激动地说：“我只遗憾我没在5年前死去，让我在有生之年看到这些讨厌的东西。”翌年，老人去世，物理学界悲恸良久。

好在海森堡和泡利没有缺席，他们衣冠不整地赶来，让玻尔稍微放松了几许，但是玻尔知道坐在左边小旮旯里一直玩着烟斗的那位绝对是“来者不善”。

会场总算恢复了平静，大会也在短暂的祥和气氛中召开，首先实验物理学家劳伦斯·布拉格（1890—1971）做了关于X光方面的实验报告，其后康布顿就实验与经典电磁理论不一致做了报告，大家都做了些探讨。探讨还没有结束，哥本哈根学派与反哥本哈根学派的人绷不住了。

波动力学派的德布罗意首先发言，他提出一个叫“引导波”的新概念，认为粒子是波包中的一个奇异点，是由引导波引导运动的。他的发言刚结束，泡利就开炮了，他狠狠地批评德布罗意的工作是历史的倒退……泡利还是那么犀利，德布罗意还是那么绅士，他这一生几乎都没有和别人红过脸，而泡利又如同两年前扼杀克罗尼格的自旋一样扼杀了德布罗意的引导波。

其后玻恩和海森堡二人共同介绍了量子力学的新进展；薛定谔紧随其后介绍了波动力学，他仍然没有放弃他的观点。海森堡赶紧对波动力学提出批评，他坚持认为薛定谔的方程是荒谬的，因为不能直接观测到，而波动方程甚至都没有考虑到电子的自旋和相对论——薛定谔本就是从经典力学与几何光学类比入手的，在建立方程之前薛定谔还不知道电子自旋。薛定谔尽管承认波动力学不是完美的，但是哥本哈根学派的量子理论也是不完备的，而且也无法证明那一套一套的量子轨道存在。玻恩听到后回敬薛定谔：量子轨道是不能忽视的……

偌大的会场变成了菜市场，洛伦兹拍着桌子也没有让会场平静下来，最后荷兰物理学家埃伦费斯特（1880—1933）在黑板上写了句话：“上帝使人们的语言变乱了。”这句话出自《圣经》，说犹太人逃离埃及越过红海抵达亚洲时，打算建立通天塔祭奠上天，但是上帝对此感到忧心忡忡，他认为团结起来的人类早晚会通向天庭，于是将人类分派到世界各地，并使用不同的语言。众人都笑了，大会恢复平静，玻尔也发了言。爱因斯坦开始对玻尔的发言点头赞许，但是到了概率论和不确定原理时，他保持着死一般的沉默。

在随后的会议上，爱因斯坦终于开腔，他走上讲台在黑板上画了一条细缝，表示如果电子通过细缝后会随机落在一个位置上——这点他是承认的，但是既然落在了A处，就不会落在B处，如果能精确控制电子的速度与能量，当速度与位置都确定后，不确定原理就不存在了。玻尔想了想，也走上讲台，在电子旁画了两个光子：电子的速度与能量怎么测量呢？用光子依然会对电子的能量产生影响啊！爱因斯坦闭目若思，在黑板上画了另外一条小细缝，问玻尔该不会一个粒子同时经过两条细缝吧？如果测量出粒子最初的动能，那就完全可以确定它的位置与能量。玻尔回答说：“爱因斯坦先生，我想我应该提醒您，它已经发生干涉了。”

据海森堡后来的回忆，这届会议很快就沦为了玻尔与爱因斯坦的论战。玻尔甚至为此晚上睡不着觉，而住在玻尔楼上的爱因斯坦也没有睡好，听皮鞋蹭蹬底板就可以猜出来。住在爱因斯坦楼下的玻尔一直都在提心吊胆地听着爱因斯坦的脚步声，每一声都让自己的心弦紧绷。

这次会议开了很多天，爱因斯坦招招紧逼，玻尔步步化险为夷。爱因斯坦就像打地鼠游戏中的地鼠一般，出来一次被打一次，但爱因斯坦并没有屈服，他们的论战还将持续。如果将二人的论战比作游戏，每人分别有3条命，无疑第一局以玻尔胜出而告终。

最后，略显尴尬的爱因斯坦又说了那句名言：“上帝不掷骰子！”玻恩听到后则哀叹道：“我们失去了我们的领袖。”

时光荏苒，岁月如梭，转眼就到了1930年，第六届索尔维会议也如期召开。三年了，什么事情都会发生，量子力学正在蒸蒸日上，玻尔更加老练，海森堡、泡利等人也成为了一代宗师，而爱因斯坦也练就了一身本领，想要一决高下。

爱因斯坦仿佛已经感受到了对方强大的气场，要打败他，除非集中力量一击制胜。而他现在攻击的目标还是不确定原理。爱因斯坦一上来就准备好自己的思维实验——光子箱实验。

如图47-1（a）所示，一个箱子里面有若干个光子，上面有个开关，它打开的时间可以足够短暂，以致每次只有一个光子逃逸到箱子外。先确定好时间∆t，再用一个理想的秤测量箱子的质量，前后相差∆m，根据质能方程，可以计算箱子损失的能量∆E。这样说来，∆E与∆t无关，既然无关，总可以使得∆E×∆t<h/（4π），所以不确定性荡然无存。

图47-1

对于突如其来的攻击，哥本哈根学派的领袖玻尔有点不知所措，他支吾其词，不知所云。眼瞅爱因斯坦能够扳回一局，孰料第二天早晨玻尔就反应过来，开始接招了。

首先，怎么测量箱子的质量损失呢？将箱子放在引力场中，然后用秤测量才可以，如图47-1（b）所示。当箱子里的一个光子逃逸时，箱子也要向上运动一段距离。根据广义相对论，逃逸的光子的频率也会发生红移，能量（E=h×f）也不能完全确定。此外，由于箱子在引力场中移动了，在根据广义相对论，箱子里的时钟也会发生变化，所以说∆E与∆t是相互关联的，而且计算得出∆E×∆t≥h/（4π）。不确定原理依然成立。

玻尔的精彩辩论让所有人惊呆了，包括爱因斯坦本人。曾几何时，意气风发的他几乎凭一己之力创立了广义相对论，可谓独步天下，如今广义相对论却成为他人之利器，而自己倒在了自己铸造的剑下。

遗憾、伤心？总之，玻尔再次胜出。游戏中的爱因斯坦只剩最后一条命，如果不能绝地反击，那么这个游戏将以爱因斯坦“死亡”告终。让我们期待着1933年的第七次索尔维会议吧。

可惜1932年欧洲乃至世界上发生了一件大事——德国纳粹分子上台，整个欧洲局势陷入紧张状态。12月，爱因斯坦与妻子打算到美国访问，没想到疯狂的纳粹分子抄了他们的家，爱因斯坦的这次访问也成了永久居住。伤心的爱因斯坦随后加入了美国国籍，再也没有回到德国。

1933年第七届索尔维会议如期召开，薛定谔和德布罗意出席了会议，但是没有爱因斯坦这个主心骨，他们甚至都没有发言，而远在大西洋彼岸的爱因斯坦正在蓄积力量，准备最后一击。

第四十八回 EPR佯谬与薛定谔的猫

爱因斯坦一生都没有放弃与哥本哈根学派的“斗争”。如今身在美国，隔了个大西洋，面对面争论是不能了，那就隔空喊话吧，必要时还得组团喊话。

1935年，爱因斯坦（E）“纠集”波多尔斯基（P）和罗森（R）发表题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗》的论文。这次攻击的出发点是粒子的自旋。

前面说过，所有的理论都必须基于一点：原子是稳定的！如果一部分要“这样转”，那么另外一部分就必须“那样转”。假如有个大粒子，它的状态很不稳定，很快衰变成两个小粒子A和B，A和B向两个相反的方向飞去。这两个小粒子都有可能自旋，假设有两种自旋状态可选——向上或向下。先把A和B称作纠缠粒子。但是根据互补原理，在观测前，A和B均处于“云雾状态”（即不可测），现在我们对A粒子进行观测，A的波函数瞬间坍缩成一个粒子，它随机地选择一种自旋状态，假设为向上。为了保持守恒，B会别无选择地“Duang”地一下子向下自旋了。然而，我们并没有对B粒子进行观测啊！如果对A进行观测就能影响到B的状态，B何以知道A被观测的时间呢？就算有什么心灵感应，以某种原因观测了A， B就能感应到，假设A与B的距离达到10万光年，二者之间怎么做到瞬间通信？就算这种通信存在，显然也超过了光速（包含信息量时不能超过光速），这又和相对论严重不符。这就是史上著名的“EPR佯缪”。

此时，物理学界都在观望，有人等着看玻尔的精彩辩论，当然肯定有人等着量子力学出丑，比如薛定谔，他看到EPR佯缪后称爱因斯坦抓到了量子力学的“小辫子”。玻尔听到爱因斯坦的隔空喊话时，先是大吃一惊，不过很快就冷静下来，他有充分的理由来证明爱因斯坦揪住的不是小辫子而是大腿，而胳膊是拧不过大腿的。

第二天，玻尔指出爱因斯坦的破绽所在：A粒子在哪儿，B粒子又在哪儿呢？不是说好了吗？在观测前它们都不存在，它们都只能用波函数描述，也就是说这个问题根本就是错误的。这就好比我为了发家致富，决定和银行的工作人员沟通一下，在沟通之前我得先备一份小礼物——枪，但我到枪店时傻了眼，因为我没钱，所以说发家致富这一命题对我来说从一开始就不成立。

看官，也许你已经笑了，但是如果把故事中的“我”换成“路人甲”“过客乙”“酱油男C”，我想故事的可笑度要大大打个折扣。同样，也许你也和我一样毫不关心粒子的状态，除非它能和一只猫的命运挂钩，于是史上最可怜的猫诞生了。

玻尔的解释能让人心服口服吗？不管别人信不信，反正爱因斯坦肯定不信，所以这局还不算完。很快，薛定谔又抓住了玻尔解释中的小辫子，提出了一个惨绝人寰的思维实验——薛定谔的猫（见图48-1）。

一只可怜的猫被孤单单地关在盒子里，它的旁边有一瓶剧毒无比的毒气，毒气的阀门上连着一个开关，开关由上面的放射性原子控制。当原子发生衰变时，开关打开，锤子落下打碎毒气瓶，猫必死无疑；当原子不发生衰变时，开关不会打开，猫依旧活蹦乱跳。现在的问题是，我们不知道原子是否会衰变，也不知道原子何时会衰变，只知道原子有一半的概率会衰变，猫有一半的概率会存活。

图48-1

猫到底是死还是活呢？打开看看啰！当薛定谔打开盒子时，猫非死即活。假设猫已经死了，薛定谔可以通过猫尸体的温度，甚至请个法医来确定死亡的时间。也就是说，猫是死是活都与薛定谔没有关系。

但是玻尔就没有那么幸运了。根据哥本哈根学派的理论，在观测之前，原子是一团“云雾”，处于衰变/不衰变的状态，那么猫也就处于死/不死的状态。当玻尔打开盒子的时候，意味着对原子进行观测，那么原子瞬间坍缩，取衰变和不衰变其中一个状态。换言之，在打开盒子的瞬间（被观测），猫的状态也坍缩了，取死和不死其中一个状态。从根本上说，玻尔的观测决定了猫最终的状态——死或不死。如果玻尔不观测，那么猫将永远处于死/不死的状态。

何必这么麻烦，如果法律允许，放个人进去不就行了？实际上，里面的人与外面的世界无法通信，所以外面的人也不知道里面到底是什么情况。如果里面的人喊了一句“啊，我死了”，这又违背了实验的初衷，因为这样等同于观测了，而薛定谔的猫论证的是观测者与未观测世界的关系，说到底就是意识与客观世界的辩证关系。

长久以来，人们在潜意识里拟定了一个客观存在的世界，人作为客观世界的一部分，只能有限度地改造世界，不能决定客观世界。比如烛火在风中摇曳，可以说是风动，也可以说烛火在动，和人看不看没有关系，它们不以人的意志为转移，而是被自然规律决定好的。承认世界客观存在且符合因果规律便是决定论，又称拉普拉斯信条。决定论起源于法国数学家拉普拉斯，他曾骄傲地对拿破仑说：如果给定了宇宙的初始和边界条件，他就能计算出宇宙中任何一点在任何时刻将要发生的事。他们都如此幸运，没有活到量子时代，毕竟没有人在临死的时候才发现被世界欺骗了一辈子。

然而佛家说：风没动、烛火也没动，而是心在动。心者，意识也，当我们心如冥茫时，风动烛火动，对于我们没有任何意义，这可能是王阳明“心外无物”的缩影，但是它最终没解释，当我们心如明镜时，风、烛光“Duang”地一下子又跑到了眼前。玻尔的本意应该是无法观测的世界的状态对于人而言没有意义，可是薛定谔巧妙地借助了他的猫将玻尔等人推向了风口浪尖——意识决定客观世界的存无？

如果玻尔等人回答“是”，那么又是谁的意识呢？上帝的意识？在无神论者眼中，上帝不过是一个拟人化的宗教形象，而在信徒的眼中，或许上帝就等同于客观世界了，所以归为上帝太牵强。是人类的意识？那么人类以前的世界呢？要知道从进化角度，“人”不过才存在了几百万年，相对于宇宙，那不过是短暂的一瞬。是玻尔的意识？那么玻尔出生以前和去世以后，宇宙该如何自处呢？

不管怎样，决定论出现了危机！也许这个时候拉普拉斯很想让人扶他起来与玻尔辩论，或者修改自己的哲学。在量子力学面前， 1+1=2都显得那么费力。

第四十九回 爱因斯坦的忧伤

在一系列辩论之后，爱因斯坦也不完全否认哥本哈根学派的量子力学，只是他认为这种对自然的解释不够完备，那怎样才算完备呢？爱因斯坦和他的追随者提出了“隐变量”的概念。

早在1927年的第五届索尔维会议上，德布罗意就认为人们对于诡异的电子行为认识不清，主要是没有把一个“未知因素”加进去，一旦加进去，问题就迎刃而解了。就像现在很多对不确定原理产生怀疑的人认为的一样，不确定是因为人类的测量还没有达到某种水平，一旦人类达到了这种水平，不确定因素也就确定了，然而是什么水平呢？目前未知。

可是未知因素是什么？不知道，故而称为“隐变量”（1952年，隐变量理论由戴维·玻姆正式提出）。怎么解释隐变量？有一个不很成熟但很形象的比喻，比如一桌麻将，虽然充满着随机性，但毫无疑问，每家的牌和其他三家都有说不清道不明的关系。比如其中坐在东边的爱因斯坦已经听牌并且押三条，而三条已经被别人暗杠了，那么这局他就别想和了。

如果将一桌麻将看成一个系统，那么它必须满足下面三点。

1.决定论。当别人打出了三条之后，爱因斯坦才能和。

2.局域性。简单点说，信息不能超过光速，更别说“Duang”了，也就是说和牌不能和出牌同时瞬间发生。

3.实在性。大意是指可以将某个物理系统孤立起来。也就是说这一桌麻将和别的桌没关系，当爱因斯坦听到有人喊三条时，千万别急着和牌，有可能是邻桌的玻尔出的。

这是爱因斯坦向往中的物理理论，三者缺一不可。对于EPR佯谬中的A粒子和B粒子，如果真能瞬间同时坍缩的话，爱因斯坦认为也是隐变量导致的，就像一副分开的手套，无论在哪儿看见左手的，就知道另外一只是右手的，决定论依然有效。而玻尔认为它们之间的关系就像两枚在不同地方旋转的硬币，当其中一个倒下正面朝上时，另外一个则必然瞬间倒下反面朝上，决定论荡然无存。

到底谁对谁错？爱因斯坦的粉丝贝尔（1928—1990）在得知玻姆的隐变量理论之后，认为隐变量正是爱因斯坦所需要的，如果能找到它，也就找到了量子力学完备性的最后一块拼图。

1964年，他从数学方法上推导出一个不等式——贝尔不等式。假设粒子自旋的方向定义为“前后、左右、上下”，放在坐标系中即∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy（Pxz表示的是向x方向转和向z方向转的相关性）。贝尔认为：如果不等式成立，则预示着宇宙还是像爱因斯坦的手套。可惜让贝尔失望的是越来越多的实验证明宇宙更像玻尔的硬币。

从1972年起，人们就不断通过实验证明贝尔不等式在多个场合下不成立。1998年，人们甚至让一对纠缠的光子分离400米远，验证了贝尔不等式不成立。尽管很多人对实验的准确度产生怀疑，但是越来越的证据显示爱因斯坦当年真的错了。不管未来如何，玻尔和爱因斯坦的游戏应该收场了。

1955年4月18日，爱因斯坦蒙上帝的召唤回到了上帝的身边，也许此时的爱因斯坦早已经搞清了宇宙的真相，也许爱因斯坦看见了上帝的抽屉里摆满了骰子……

1961年1月4日，薛定谔躺在奥地利最美的小山村阿尔卑巴赫，也许他并没有死，只是处在“薛定谔状态”中。

玻尔也没有活到证明贝尔不等式不成立的那一刻。1962年11月18日，玻尔在丹麦去世，据说他逝世当天还在黑板上画着当年与爱因斯坦辩论时所画的光子逃逸图……

1970年1月5日，玻恩离开了人世，或许他在天堂碰见了爱因斯坦，寒暄拥抱后，从口袋中掏出一款玩具对爱因斯坦说：“来，我们玩一局大富翁……”

1976年2月1日，海森堡与世长辞，这位伟大的量子力学缔造者的生涯中有个污点——曾为纳粹研制过原子弹，但后人认为他只是出工不出力，从而导致纳粹在灭亡之前都没有研制出原子弹。

95岁高龄的德布罗意王子于1987年3月19日去世，他总是那么彬彬有礼，而他的引导波理论正在被人们尝试接受。

相对于德布罗意，泡利的寿命实在太短暂。1958年12月15日泡利带着他的狙击枪离开了人们，以至于后人还时常感慨：若泡利还在，不知道他有什么高见。

一场伟大的辩论就此画上句号，他们共同缔造了一段物理学的黄金时代，以至于后人在谈论这些名字的时候依旧热泪盈眶。如果将这段峥嵘岁月拍成一部电影，那么绝对值得我们按上循环键反复播映。我知道，我只是一个写故事的人，也不知道有没有把量子力学的故事写清楚。看官，不知道你是否看得明白，如果你看明白了，那一定是我写得不好，因为玻尔曾说过：“谁不对量子力学感到困惑，那么他肯定不懂它。”

爱因斯坦终其一生都没能将物理学统一到万有理论之下，而且在量子力学的道路上越走越远，晚年的他几乎不看物理学的新发现。有人曾开玩笑说1925年后的爱因斯坦选择做渔夫也不会影响物理学的进程，但是一个人的成功需要朋友，一个人要获得巨大的成功需要的是对手，只是不幸让这位物理学的大明星客串了“反派角色”，至少目前看来是这样。

量子力学与相对论是20世纪最伟大的两套理论，尽管二者之间有着不可调和的矛盾，但是在大统一理论到来之前，似乎人们可以巧妙地避开这些矛盾：研究宏观宇宙时用广义相对论，而研究微观世界时则用量子理论。然而在处理黑洞问题时，这个小小的愿景又化为了泡影。

第七部分 宇宙学

第五十回 宇宙在运动

再回到爱因斯坦创立广义相对论之初。

尽管爱因斯坦提出引力的本质是时空弯曲，但依然没有办法解决坍缩的问题。危言耸听一点，如果不考虑地球与太阳的生命，长此以往，地球总有一天会转到太阳上，其实这也是从万有引力被提出来第一天起就有的问题。爱因斯坦常为此担忧，于是他提出与引力相对的物理概念——“斥力”。与引力与物质相关不同，斥力贯穿于整个宇宙空间，与物质无关，为此他在广义相对论方程中增加了一项宇宙常数（Λ）。有了这个宇宙常数，爱因斯坦认为宇宙应该是静止的、永恒不变的，所以1917年他提出了一个没有边际的有限宇宙模型，就像我们的地球一样，如果一个人始终沿着一个方向走，只要不掉进海里，他总能回到出发点。在一次讲座中，爱因斯坦阐述了自己的理论，底下坐着一位主教，他用颤颤巍巍的声音问爱因斯坦：如果宇宙恒定且有限，那么宇宙之外是不是就意味着上帝的存在？几百年过去了，仍有人在为替上帝安排一个合适的住所而操心。

广义相对论方程是相当复杂的，复杂到爱因斯坦本人都有可能会解错，要知道爱因斯坦的数学并非登峰造极。1922年，数学家弗里德曼（1888—1925）在没有增加宇宙常数的情况下解广义相对论方程，解后发现宇宙空间存在多种可能性，有可能是爱因斯坦提出的封闭的球状结构，还有可能是平直结构或者双曲马鞍面结构（见图50-1），关键是不管哪种宇宙空间模型，宇宙都在动，更为奇怪的是动态的宇宙不仅仅会收缩，也有可能会膨胀。

图50-1

对此，爱因斯坦表示，如果有人和他本人的解不一样，那么别人肯定是错误的。弗里德曼算了几遍，实在找不出什么地方出了错，于是连同计算稿纸全部寄给了爱因斯坦。爱因斯坦通过计算，才知道原来自己算错了。他立刻给杂志社写信澄清自己算错的问题，但是他依然坚持宇宙是静止的，而弗里德曼的解是没有任何物理意义的，只是数学上的手法而已。看来薛定谔不懂薛定谔方程，爱因斯坦也解不好爱因斯坦方程。

差不多也在此时，比利时的一位牧师勒梅特（1894—1966）在完全不知道弗里德曼工作的情况下独自解广义相对论方程，不同的是他考虑了宇宙常数。最后他算出虽然爱因斯坦增加了宇宙常数，但是只要稍微扰动一下，宇宙就不平静了——不是收缩就是膨胀。只是爱因斯坦暂时还不需要为此感到担心，因为勒梅特的方程解发表在一些小杂志上，爱因斯坦根本就不知道。此后勒梅特到美国求学去了。

话说美国在南北战争之后进入了飞速发展的黄金时期，虽然在自然科学研究上还不是世界的中心，但是他们正在为天文研究建立很好的实验环境。当时欧洲顶尖的科学家都在研究量子力学，比如泡利、海森堡在权衡二者之后都选择了量子学作为主攻方向，不知道他二人若从事天文研究，能否加快天文物理学的进程，但是可以肯定量子力学没有今天的成就。

在天文方面有个人是不得不提的。爱德温·哈勃（1889—1953）生于美国长于美国，大学毕业后前往牛津大学攻读学位，后来又成为了律师，不过最终他选择研究天文学。哈勃获得博士学位之后当了几年兵，退伍后就一心在威尔逊天文台做研究。哈勃有个很大的优点，善于捕捉一些细节，这可能是出于律师的操守，所以如果他一直干律师这行的话，估计也同样出色。只是他并不善于动手，幸运的是他的助手恰巧弥补了这一点。

当时人们对宇宙的理解仅限于银河系，也就是说银河系即宇宙。哈勃注意到，在所有的星云中，有些星云是固定不动的。为什么有些动而有些不动呢？因为这些星云距离地球太远，人感觉不到它们在动。那时候人们早已经观测到河外星系，但是只当它是一团星云。哈勃意识到银河系不等于宇宙，宇宙应该有更多的星系，星系之间非常遥远。为了证明自己的结论，他必须找到一种办法测量那些“不动的星云”到地球的距离。

1924年，哈勃利用造父变星成功测量了仙女星系到地球的距离，此后哈勃用同样的方法一口气找到了9个星系。哈勃对这些星系的光谱进行研究，结果让他大吃一惊，这些星系的光谱大部分都发生了红移。根据多普勒效应，这意味着这些星系都在离我们而去。哈勃还发现离我们越远的星系红移越厉害，也就是离开我们的速度更快。这足以说明宇宙是运动的，而且不是在收缩而是在膨胀。1929年，哈勃将宇宙膨胀的依据发表，并算出了星系远离的速度和距离成正比关系。消息传到欧洲，爱因斯坦还特意到美国跑了一趟，在事实面前，他也只好承认宇宙不是静态的，并称宇宙常数是他一生中最大的错误。然而在暗能量被提出以后，否定宇宙常数又成了爱因斯坦的错误。

那么问题来了，所有的星系都远离我们，是不是意味着地球、太阳系或者银河系是整个宇宙的中心呢？宇宙就像一个炸弹一样，从中间炸开呢？结果是否定的，因为所有星系之间都在相互远离，宇宙更像一个膨胀的气球，每个质点都在相互远离开来。

第五十一回 探索宇宙起源

哈勃用事实告诉人们一个真理：这个世界唯一不变的就是在不断变化。既然变化，那么就存在哲学问题：生从何来，死往何处？

假设有人将宇宙的膨胀拍成电影，再把电影倒序播放，那么宇宙就像放气的气球一样慢慢收缩、收缩……最终收缩成一个点。这样，宇宙中所有的物质也会慢慢靠近、靠近……最终也聚在这个点上。

所以，我们有理由相信，如果沿着时间往上追溯，总会发现在足够早的某个时刻宇宙处于很密集的状态，这就是宇宙的起点。这个点有多小呢？1927年，勒梅特在得知宇宙膨胀的情况下提出了一个假说：宇宙起源于一个“原始原子”。他还初步计算了原始原子的大小——不大，但是密度大得吓人。试想如果把地球缩小到弹珠大小，密度自然大得不得了，而这仅仅是地球成为黑洞的基本条件而已，和原始原子比起来简直让我找不到任何形容词。

但是问题来了，现在的宇宙又是怎么由原始原子演变过来的呢？按照正常的逻辑思维无非有以下两点。

1.如细胞般自我复制，这显然是不可能的。

2.一次痛痛快快的“大爆炸”。

大爆炸！这种假说无疑是“丑陋”的，人们无法想象世界万物的起跑线都是同一个点。除此之外还有个哲学命题，在大爆炸前那谁——不能直接称为宇宙——在干啥呢？换句话说宇宙诞生于一个没有昨天的某天，实在让人匪夷所思。

有多少人喜欢就有多少人反对，霍伊尔（1915—2001）就是大爆炸假说最忠实的反对者。弗里德·霍伊尔出生于英国，逝于英国，在漫长的人生岁月里，他始终都在反对大爆炸理论。霍伊尔的性格有以下两个特点。

1.坚持自己的想法，所以从不人云亦云。

2.坚持自己的想法，所以显得有些固执。

但霍伊尔不能因为太丑陋就排斥大爆炸假说，做人是要讲道理的。他反对是因为大爆炸理论本身存在很多悖论，他抓住了这些悖论，将大爆炸理论往死揍。

大爆炸理论的第一个悖论是年龄问题。根据哈勃的估算，宇宙年龄大约为20亿年，而当时地质学家通过对地球上最古老岩石的测算，得出地球的年龄是40亿年以上。如果说儿子比爹的年龄还大，那么爹肯定是不会答应的。

年龄的悖论一度让人们对大爆炸假说失去信心，而霍伊尔始终坚持的稳恒态宇宙理论却顺风顺水。稳恒态宇宙理论认为，宇宙是永恒的。既然永恒，就不存在年龄问题，但是稳恒态宇宙理论又怎么解释宇宙中星系正在远离的问题呢？霍伊尔认为星系间是交错的，不会撞到一起，只会擦肩而过，就像空间中的两条线，它们不平行，却也没有交点，星系间的距离来回振荡，此时处在相互远离的状态上。

年龄的悖论很快就烟消云散了。20世纪30年代天文学家重新对造父变星的亮度进行测量，发现原来哈勃估算亮度时出了问题，明明是200瓦灯泡，哈勃却把它当成了100瓦，宇宙的年龄大约是70亿年（现在比较公认的说法是140亿年左右），那么大爆炸假说中的年龄悖论就不存在了。尽管如此，霍伊尔还在任性地反对它，并在努力寻找反对的理由。

同样，有多少人讨厌就有多少人喜欢。乔治·伽莫夫（ 1904—1968）生于俄国的世代军官家庭，受过良好的教育，其中包括读小说，这为他以后写作打下了很好的基础。他曾写过很多物理学科普读物，比如《物理学发展史》《物理世界奇遇记》等，语言诙谐幽默，举例形象生动，都是不可多得的佳作。1928年，从列宁格勒大学获得博士学位后，他先后去过哥本哈根大学和英国剑桥大学从事物理研究。这两个地方是玻尔和卢瑟福（他在1919年接替了汤姆逊的工作留在了剑桥）的大本营。我们知道战斗民族皆好饮，所以伽莫夫是这样形容量子力学的：“要么不喝，要喝就喝一瓶。”不过，他没有参与量子力学后来的大辩论，而是把核物理学带入恒星研究中，用于研究恒星的生老病死。正好人们发现了原子核中的一种新粒子，为推演恒星的过去未来提供了理论基础。

第五十二回 神奇的中子

在量子物理中，人们一直都以光子、电子和原子核（其中的质子）作为研究对象，因为在1932年以前，人们确实只知道这些粒子的存在。

1911年，卢瑟福用α粒子轰击金箔原子，得出了“原子=原子核+电子”的结论。3年后，他又如法炮制，用阴极射线（高速电子）轰击氢原子，得到带正电的阳离子，这就是氢原子的原子核，带电量为1个单位，质量也是1个单位。他认为这就是与阴极射线对应的阳极射线，并将其命名为“质子”。质子出自希腊语，意为“第一”。1924年，他用实验证明了质子的存在。

那么，一个最基本的问题来了：电子的质量只有质子的千分之一，所以在计算原子质量时，电子的质量可以忽略不计，那么原子质量应为质子质量的总和。比如氮原子的质量是14个单位，也就意味着它应由14个质子组成，每个质子的带电量为1个单位，所以氮核带14个单位的正电荷，但是在稳定状态下，氮原子的电子数仅为7。这样的话，原子就不能呈电中性了，显然认为氮核由14个质子组成是错误的。但是，如果氮核由7个质子组成，那么剩下的质量该算到谁的头上呢？

那时候正值量子理论发展的高峰时期，那些反对量子力学的物理学家以此为突破口攻击量子理论，但是没有人对原子核的构造进行更多的探索，再次探索的人正是卢瑟福。卢瑟福假设一个质子和一个电子可以组合在一起构成新粒子，新粒子的质量和质子差不多，但不带电。因为不带电，所以无法将它密封在磁场中。既然不能密封，那么新粒子就会有很强的穿透力。1920年，卢瑟福在美国贝克利的演讲中提到了这个假说。

1930年，德国物理学家博特和贝克用α粒子轰击较轻的原子时，得到一种能量很强的粒子。这种粒子在磁场中不偏转，并且在通过很厚的铅板时，数量并未减少，说明其有很强的穿透力，而这种强穿透力是α和β射线都做不到的。这和卢瑟福的预言十分相似，但是他们不知道，仅仅猜测它是一种类似于γ射线的粒子。1932年，居里夫人的女儿和女婿约里奥·居里夫妇重复了博特和贝克的实验，不同的是他们使产生的粒子通过石蜡，测算出的速度比博特和贝克估计的速度还要大很多，但是他们同样延续了博特和贝克的思考方式，认为产生的粒子是质子的某种效应。

卢瑟福的学生查德威克（1891—1974）在看到小居里夫妇的论文后咨询卢瑟福，卢瑟福对小居里夫妇的论断表示怀疑，他认为这极有可能就是当年在贝克利演讲中提到的粒子。由于这种粒子不带电，所以很难在磁场中测量其速度。查德威克用这种粒子撞击原子核，测量被撞击后原子核的速度，从而确定了该粒子的质量和质子相当。结合1920年卢瑟福的预言，他认为这是就卢瑟福当年所提到的粒子。由于不带电，他将其命名为“中子”。1935年，查德威克获得诺贝尔奖，而小居里夫妇得知消息后则遗憾地感慨道：“要是我们夫妻俩听过卢瑟福在贝克利的演讲的话，就不会让查德威克捷足先登了。”人生往往如此，遗憾并不源于我输了，而是我差一点赢了。

至此，原子核的内部可以描述为：由质子和中子组成，质子带一个单位的正电荷，中子不带电，质子与中子的质量差不多（不是相等）。中子不带电，库仑力就完全失效，那么质子和中子又怎么在原子核里和平相处呢？在中子之前，人们已经认识了引力和电磁力这两种力，而且它们都有很好的理论基础，但这两种力似乎都不适合原子核，应该有一种新的自然力支配着原子核，人们将其命名为“强作用力”。与之对应的还有“弱作用力”，比如常说的电子与原子核之间的作用力。

强作用力的作用范围很小，大约只有一个核子的直径那么大。事实上，把核子聚集在一起的强作用力只在相邻核子（质子与中子）间起作用。中子有核吸引力，没有电排斥力，从而缓和了质子之间排斥力的影响。质子越多，就需要有更多的中子来保持原子核的稳定，因此在大而稳定的原子核中，中子的数量多于质子。在已知的118种化学元素中，83号以后元素的原子就开始不稳定，它们会自动衰减成更小的原子；92号铀元素以后的原子十分不稳定，有些甚至无法在自然状态下存在，需要人工合成。铀有3种同位素，其中中子数较少的铀235是制造核武器的主要原料之一。关于核反应，下面简单演示一二。

如图52-1所示，一个中子点火，重元素原子核发生裂变，变成小而稳定的原子核和多个中子，裂变后的中子又激发其他的原子核，从而产生链式反应。在反应的同时，原子核产生质量亏损，释放出巨大的能量。

图52-1

核反应除了核裂变之外还有核聚变。如图52-2所示，氢的两个同位素（与氢的质子数相等，中子数不等）氘、氚在高温情况下发生聚变，聚变成氦原子和一个中子，同样产生质量亏损，释放出比裂变更大的能量。氢弹基本上就是依据上述核聚变原理制成的。

图52-2

核反应释放能量的原理源于爱因斯坦的质能方程，人们往往将爱因斯坦和核武器挂钩，实际上爱因斯坦写信给罗斯福总统提到过研究核武器的必要性，因为纳粹那边已经着手计划了，但他本人并没有参加“曼哈顿计划”。

第五十三回 恒星的命运

1934年，中子的发现让核研究进入高峰期，核反应也在理论上成为可能。与此同时，伽莫夫移居美国。1938年，他在美国的一次学术研讨会上探讨核物理学与天体物理学的联系，当时底下坐着一位叫汉斯·贝特（1906—2005）的年轻人。这个年轻人很激动，他想原来大师们也在研究这个问题。

长久以来，人们就在思考几个问题：太阳就像大火炉一样给地球提供能量，但是这个大火炉是谁点的？它的燃料是什么？什么时候会熄灭？我们要不要在它熄灭前找一个新的居住地，那里椰林婆娑、鸟语花香，当然还有个新的大火炉……

经过6周的思考，贝特针对太阳以及恒星的燃料提出假说。贝特认为恒星的能量来源于星体核心部分的核反应，由于星体中心的温度极高，原子核也拥有无比巨大的速度，这些速度完全高于库仑斥力的极限，所以原子核之间会发生碰撞。当两个较轻的原子核碰到一起时就会发生核聚变，同时释放巨大的能量。那时，人们早已通过光谱得知太阳中含有大量氢。1939年贝特通过估算太阳核心温度，给出了太阳上核聚变的3个步骤，如图53-1所示。

两个氢核发生碰撞，组成一个氘核并释放正电子和中微子。一个氘核与氢核发生碰撞，组成一个氦的同位素核并释放γ射线，两个氦同位素核继续组合成氦核并释放两个氢核。在整个过程中，核聚变会释放出巨大的能量来维持恒星的运转。

图53-1

早在1919年，爱丁顿提出恒星的能量来源于核聚变，但是没有实际根据，为此他和当时的另外一位天文学家金斯展开了一场旷日持久的争论，这场争论因贝特的理论而结束。尽管后来人们知道了贝特对太阳温度的估算过高，但是他的方法依然有很大的意义，并且开创了物理学的新分支——核天体物理学。

那么恒星是怎么点燃的呢？这就是恒星诞生的问题，宇宙中星云的大部分都是由最简单的、只有一个质子的原子（即氢原子）组成的。这些氢原子相互结合形成一个球体，球体不断滚动，像滚雪球似的越滚越大。同时在引力的作用下，球体逐渐变小，温度升高。等温度高到一定程度时，氢原子核之间的聚变发生了，同时聚变又产生巨大的能量，于是恒星被点燃了。

那么恒星的归宿呢？恒星内部的氢原子核先于表面的氢原子消耗殆尽，这预示着恒星光辉灿烂的一生走向了终点，进入了一个大动荡的时期，但是恒星的命运不尽相同。我们以太阳为例，50亿年后，太阳内部的氢原子将处于缺失状态，由于没有核反应，太阳中心的温度降低，从而导致引力占据上风，太阳内部开始收缩，同时产生高温，高温又使得太阳外部那些未发生核反应的氢原子继续燃烧，其结果是里面在收缩，外壳在膨胀。太阳的直径变成现在的200倍，同时壳的温度也将下降，变成通红通红的红巨星。到那时，地球将成为太阳的一部分，不过人类犯不着为那一刻感到担心，因为人类或许早就在自戕自伐中灭亡了，亦或许早已逃到别的星球上建立了新的居住地。

太阳的命运远没有结束，红巨星内核不足以吸引外面的壳，导致壳会在一次大震荡后化为灰烬，最终消失在茫茫宇宙中，只剩下一个和地球差不多大小的白色天体。这个白色天体逐渐变暗，太阳最终在忙碌而劳累的一生之后变得安静。而此时，太阳系中的行星要么被吞噬，要么已经远离太阳飞走了，只留下一个火星孤独地绕着它运转。如果人类技术真的能够发达到移民到其他行星上，那么肯定会有技术观测到太阳的死亡。

还有一些比太阳大的恒星，它们不会变成红巨星。由于引力非常大，恒星的体积一直在收缩，同时温度不断升高，氢核聚变产生的氦元素也会继续发生核变，进而产生碳、氧等元素。这些元素还会继续发生核变，直至铁元素诞生。此时的恒星称为超新星。这也是宇宙中铁以下元素含量丰富而铁以上元素含量较少的原因。古人对超新星的观测记录不少，比如1572年第谷发现的那颗。

那么比铁更重的元素又是怎么产生的呢？超新星的引力不足以维持内部核反应产生的高温，它将会用一次爆炸来结束自己的生命。超新星在爆炸的同时产生极高的温度，是太阳核心温度的千亿倍，同时产生金、银等其他人类已经找到的元素。爆炸后，产生的固体又与星云中的氢元素以极大的速度碰撞。当这些物质结合时，又会像滚雪球一样越滚越大，逐渐形成行星。行星本就是由运动的石头相互撞击形成的，自然有了自转的初速度——地球自转的初速度也缘于此。行星在宇宙中自由驰骋，当行星被宇宙中大质量的星体（未必只有恒星）俘获时，会进入一个绕其运转的轨道。由于行星具有初速度，所以行星轨道是椭圆形而非正圆。

霍伊尔在研究宇宙演化的过程中做出了杰出的贡献。据他的推算，太阳系中原有两个恒星，消亡的那个正是超新星，它爆炸后形成了太阳系中的行星，地球上组成生命的元素都来自于这个恒星的爆炸，而太阳在这次爆炸之后正式形成。太阳在点燃的瞬间产生强大的冲击力，把超新星爆炸的残留全都冲到了小行星带，为地球的演变铺平了道路。如果真是这样的话，我们不仅仅要感谢正照耀着我们的母亲，还要感谢曾经为我们献出宝贵生命的父亲。

第五十四回 寻找大爆炸的证据

恒星演化的过程实际上也是宇宙元素演化的过程，这个过程由霍伊尔和他的合作者进行了详细的阐述。他们的计算过程也给大爆炸理论带来了致命一击。

宇宙中含量最多的元素是氢，其次是氦，氦元素大约占整个宇宙的1/4。如果这些氦原子都是在恒星中燃烧得到的，那么夜晚就会比我们现在看到的白天还要亮。这是大爆炸理论的一大不足之处。

1946年，对于霍伊尔提出的新悖论，大爆炸理论的拥护者伽莫夫另辟蹊径提出了氦元素的一个新来源：宇宙依旧起源于一次大爆炸，不过在大爆炸后的万分之一秒，宇宙的温度超过1万亿摄氏度，在这样的高温条件下，物质能以光子、中子、质子等基本粒子的形式存在。随后温度下降，大约在大爆炸后的100秒时，极不稳定的中子的大部分都找到了伴侣——质子，形成氦原子核。当自由中子全部被结合后，剩下的就是氢核，所以氢原子与氦原子是在这次大爆炸中产生的，而其他的原子是在恒星内部产生的。如此，霍伊尔提出的悖论再一次被化解。

经过两年的研究，伽莫夫和他的助手拉尔夫·阿尔菲（1921—2007）得出以上结论。此外，伽莫夫凭借优秀的口才成功说服了贝特在题为《化学元素起源》的论文中署名，不为别的，只为他们姓氏的首字母正好是希腊语中的α、β、γ——发音也很相似，所以这个假说也叫αβγ假说，宇宙大爆炸作为理论正式被提出。

此时，人们对宇宙起源已经有两种态度：大爆炸说和稳恒态说。这两种学说相互对立，争论自然不可避免，而围观者也莫衷一是。为了让人们更深入地了解大爆炸说的荒谬，霍伊尔走进了广播电台的采访室。由于这期节目事先预告过，所以听众甚多。1949年，霍伊尔在这次广播采访中直言不讳，他亲口告诉收音机前的听众：“The Big Bang”的想法是多么荒谬。他本想用“The Big Bang”来嘲笑大爆炸理论，没想到一谑成真，“The Big Bang”就成了“大爆炸”的专属词汇。笑归笑，霍伊尔仍旧无法用事实推翻αβγ假说，于是他又逆向提出了新的悖论：如果宇宙真的是大爆炸的产物，那么肯定还有爆炸的残留物——宇宙微波背景辐射。也就说在大爆炸之后，宇宙会向外辐射电磁波，在经历了十几亿年之后，热辐射的温度约为3开（约为零下270摄氏度），但不会消失。其实，伽莫夫和他的伙计们也预言宇宙微波背景辐射存在，如果能把宇宙微波背景辐射找到，相信霍伊尔该不会再固执下去了吧？

第二次世界大战后，世界在重建，物理学也是如此。虽然爱因斯坦和玻尔还在为量子力学的完备性争论不休，但是量子力学带来的社会发展是不容置疑的。当很多精密仪器投入实验的时候，大部分物理学家认为：少提理论，多计算。这也导致很多科学家不太关注最前沿的理论，毕竟不是每个人都喜欢看那种烧脑大碟，更何况还要在里面当编剧。

时光荏苒，说话间就到了20世纪60年代，美国科学家彭齐亚斯（1933—）和威尔逊（1937—）为改进卫星通信建立了高灵敏度的天线。他们在使用中发现有一些噪声始终存在，并根据噪声的频率计算出其温度大约是3开。噪声让他们感到很焦躁，于是他们将仪器拆了又装，装了又拆，甚至把天线锅上的鸟粪都清扫得干干净净，然而噪声依然存在。在一次吃饭的时候，彭齐亚斯告诉他的朋友这件诡异的事。他的朋友告诉他，这可能就是普林斯顿大学一个小组正在苦苦寻找的宇宙微波背景辐射。众人寻他千百度，我却得来全不费工夫，彭齐亚斯和威尔逊如释重负。

当普林斯顿大学的电话铃响起时，负责寻找微波背景辐射的小组的组长兴奋地听完了彭齐亚斯的研究结果。当电话挂上时，这位组长显得很落寞，他告诉小组成员：“我们被人抢先了一步。”尔后两支队伍很快会晤，并确定了这个噪声就是宇宙微波背景辐射。时间是1965年，这一年也是宇宙学历史上最重要的年份之一。

后来，他们把这个好消息告诉了勒梅特。勒梅特欣慰地笑了，看来当年他提出的宇宙起源于“没有昨天的那天”是正确的，不过不幸的是，他即将到达生命中“没有明天的那天”。1966年6月20日，勒梅特与世长辞。

此时，霍伊尔或许有些哑然。不过上帝已经原谅了他的任性，并允许他继续任性下去。全世界的人们都支持大爆炸理论又能怎样？许你一匡天下，就许我四海为家，这正是物理学的魅力所在——在辩证中求生存。后来很多支持大爆炸、研究大爆炸而取得成功的学者都认为是霍伊尔给了他们最初的灵感。依旧反对大爆炸学说的霍伊尔又提出一个致命的问题：怎么才能让人相信如此之大的宇宙会集中在一个点上呢？除非有人能证明这个点可以存在。

广义相对论最大的好处是，当我们讨论新宇宙时不必再回到亚里士多德时代或者牛顿时代，而直接回到广义相对论即可。

第五十五回 黑洞

广义相对论的发表正值第一次世界大战期间，当时有人在战场上拼命，有人在解广义相对论方程，还有人在战场上拼命解广义相对论方程。

卡尔·史瓦西（1873—1916）是德国的一位物理学家，第一次世界大战爆发后，他在德国军队中服役。1916年，他正在前线计算炮弹的轨道曲线（不只是抛物线，还要考虑地球自转所带来的惯性力）。可能是因为简单到不过瘾的地步，他开始研究起广义相对论。广义相对论的方程十分复杂，在当时能解出来很不容易，但是仅仅在广义相对论发表3个月后，史瓦西做到了。这个解也被称为史瓦西解，可能是广义相对论中最重要的一个解。

根据这个解得到了一个“黑洞洞”：假如星体的质量聚集在一个很小的空间里，那么时空将会发生严重的弯曲，任何靠近的物体都不能逃脱它的引力，光也不例外。既然没有光，那对于外面的观测者来说就什么也看不见，既然看不见，它就像黑洞洞一般，这也就是我们日常说的黑洞。不过“黑洞”一词是1967年才正式使用的， 1916年的史瓦西称它为“黑星”或者“冰星”。

其实，在很早以前就有人猜测黑洞的存在。1783年，英国天文学家米歇尔提出过这样的猜测：假设恒星质量很大，大到光都跑不掉（那时盛行光的微粒说），就形成了一片什么也看不见的区域。法国数学家拉普拉斯也曾提到过这样的观点，不过后来他又将假说从著作中删除，可能他觉得太荒谬了，宇宙根本就不允许这样的星体存在。当光的波动说第一次打败微粒说后，关于这个空洞洞的东西也就付之于落满尘埃的书籍中了。

那么怎样的星体才能成为黑洞呢？史瓦西认为星体质量除以星体半径必须超过某个临界值才能产生黑洞。这个半径称为史瓦西半径。若照此计算，太阳成为黑洞的史瓦西半径为3千米，地球为9毫米，与弹珠的大小差不多。

史瓦西将论文邮寄给爱因斯坦，爱因斯坦很高兴，也将其成功发表，只可惜史瓦西没有成功地度过1916年。正是：出师未捷身先死，长使英雄泪满襟。

实际上，宇宙中大部分恒星的半径都比史瓦西半径大得多，所以黑洞只是在理论上成为可能。前面说过，太阳最终的命运就不是黑洞，自身的引力不足以让它一直收缩下去，所以先成为红巨星。由于体积、质量等因素不同，恒星的命运也不一样，一位来自印度的研究生钱德拉塞卡（1910—1995）给出了恒星命运的另外一种模型。

1928年，钱德拉塞卡打算远渡重洋到剑桥大学跟爱丁顿学习广义相对论。在旅途中，他开始计算熄灭的恒星（冷恒星）需要什么样的条件才能对抗自身的引力而继续维持下去。他从泡利不相容原理出发计算原子靠近时的斥力，当斥力与冷恒星的引力平衡时，这颗冷恒星就能维持下去。钱德拉塞卡也给出了一个极限，后来称之为钱德拉塞卡极限。钱德拉塞卡极限约为太阳质量的1.5倍（现在认为是1.44倍），若某恒星的质量低于此极限，恒星的引力将会拉着它继续坍缩，最终成为一颗白矮星。白矮星的半径大约为1万千米，密度大约相当于一咖啡杯子几万吨，太阳最终也会变成白矮星。

高于该极限的冷恒星的命运将会如何呢？钱德拉塞卡认为在某种情形下，它们会先自我瘦瘦身，发生一次爆炸或者以其他方式甩掉多余物质，让自己保持在极限之内。那么问题来了，恒星怎么知道减掉多少“赘肉”呢？另外，就算恒星有这样的意识，假设一颗流星不小心撞到了正处于临界点的白矮星上，难道白矮星会继续坍缩成一个点？钱德拉塞卡的老师爱丁顿拒绝相信所谓的极限，这也代表了大部分人的观点。虽然钱德拉塞卡得到了泡利等研究量子力学的科学家的支持，但是迫于爱丁顿的名望，他们大多缄默不言。更为关键的是爱因斯坦也发表文章声称恒星不会坍缩到一个点上。后来，当人们在银河系中找到了很多的白矮星时，才想起当年这位印度大师的观点是值得去研究的，不过这是30年后的事情了。真理有时掌握在少数人手里，但是命运则往往相反，得不到众人支持的钱德拉塞卡转而研究星体运行，直到1983年，钱德拉塞卡才因此获得诺贝尔奖。

也就是在那几年，来自苏联的物理学家朗道（1908—1968）提出了新的冷恒星归宿模型。从出生年份上一看就知道朗道没能赶上量子力学发展的黄金时期（1926年他才18岁），所以才华横溢的他不无羡慕地感慨道：“漂亮姑娘都和别人结婚了，现在只能追求一些不太漂亮的姑娘了。”到了20世纪30年代，中子已然进入了科学范畴，泡利不相容原理也不只为电子而设，后被证实对质子、中子同样有效，所以朗道从质子、中子的不相容原理出发计算出，当一个恒星的质量约为太阳的两倍时，它可能还有别的归宿——中子星。中子星的最终体积会更小，半径为10~20千米，密度为白矮星的100万倍。

体积如此之小，质量却又如此之大，根据广义相对论，它们势必会造成空间扭曲，强引力场改变了光的传播路径，光线变得更红更黯淡。1939年，美国科学家奥本海默（1904—1967）和他的助手沃尔科夫通过观测研究得出：当冷恒星继续收缩到某一临界值时，光线则完全逃逸不了——这就是传说中的黑洞。奥本海默给出了光线不能逃逸的临界值，称之为奥本海默-沃尔科夫极限。1942年，美国开启“曼哈顿计划”研制原子弹，奥本海默也成为该计划的领军人物。1945年，两颗原子弹在日本升起了蘑菇云，正式宣告第二次世界大战结束。

那么，黑洞是否真的存在呢？如果黑洞真的存在，能把它找出来么？它可不像白矮星或者中子星那样，我们只要有耐心，方法正确，架个望远镜就能找到。黑洞是看不见的，要在深邃浩瀚的宇宙中寻找黑洞就像在煤堆里找乌鸦一般，看来得想点法子才行。

第五十六回 奇点可以存在

有一点是肯定的，人类到目前为止还无法确定黑洞的存在，不过很多天体现象用黑洞解释则要痛快得多。20世纪60年代，关于黑洞人们一直在思考一个问题：黑洞那么“黑”，当它把更多的物质吞没下去以后，它的命运将会如何呢？毋庸置疑，质量越大将会导致黑洞引力越大，引力越大，黑洞将会继续收缩，在收缩的同时引力越来越大，最终它只能坍缩到一个点上。那么这个点会存在吗？

1965年，宇宙微波背景辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了有力的支持。就在那一年，有一位英国天才正在剑桥大学攻读他的博士学位，而他的博士论文也与宇宙和爱因斯坦的广义相对论有关。

这位天才叫斯蒂芬·霍金（1942—），生于英国牛津，有趣的是他的生日正好是伽利略逝世300年的纪念日，不过这只是传奇的小小开始。霍金17岁上大学，获得学位后转入剑桥大学研究宇宙学， 21岁时他被确诊患有一种怪病。这种病的名字很长，简单点说就是肌肉萎缩导致行动不自如。当时医生十分肯定他只能再活两年，不过幸亏医生错了，要不然就看不到如此励志的人生了。

攻读博士学位的时候，他本想拜霍伊尔为师，但是霍伊尔已经不再招收学生了。于是他开始拜希尔玛为师，希尔玛原本是霍伊尔稳恒态宇宙理论的支持者，但是他不像霍伊尔那么“犟”，他的立场被大爆炸理论渐渐动摇。希尔玛很赏识霍金的才华，并把霍金推荐给自己的好朋友罗杰·彭罗斯（1931—），当时彭罗斯正在研究爱因斯坦的广义相对论方程，他从方程中推导出黑洞中必然存在一个密度无限大、时空无限弯曲的点，这个点被称为“奇点”。在奇点上，时间空间变得无效，一切物理定律都会失去意义。用一个简单数学例子类比，y=1/x，x=0可以看作方程的奇点，因为在正常情况下， x=0使得方程在算术上失去意义。

霍金从彭罗斯的理论中受到了很大的启发，他把黑洞演化看成宇宙大爆炸的逆过程。如果在黑洞中奇点可以存在，那么宇宙在大爆炸的前一刻也就可以存在。1970年，霍金与他的老师彭罗斯在论文中证明：如果广义相对论正确，那么宇宙中存在时空的奇点，所以黑洞与大爆炸都不是天方夜谭，而是不可避免的。如果这一切都是正确的话，我们可以初步下个结论：时空起源于大爆炸，而终结于黑洞。

长久以来，人们都在用广义相对论思考或者计算天文学尺度的问题，但是在黑洞问题上，根据广义相对论得到的结果又不能忽视量子方面的特性，这是两个从根本上存在矛盾的理论。且不说什么决定论、因果律这些哲学范畴的矛盾，单说广义相对论与不确定原理之间的冲突。根据广义相对论，时间是平滑的，也就是说可以找到某个时间差∆t，让∆t→0；而根据不确定原理：∆E×∆t≥h/（4π）。如果∆t→0，那么∆E→∞，显然这是不成立的。现在认为∆t不能小于10-43秒（称为普朗克时间），也就是说广义相对论必须在∆t≥10-43秒上才有意义，而不能像牛顿当年处理数学问题那样——小于任何一个给定的值。

广义相对论认为物质产生的引力场改变了时空，没有物质意味着时空是平直的，有物质时时空也是一种平滑的弯曲，但是不确定原理又适用于万物，引力场也不能例外，虽然在宏观尺度上是平滑的，而到微观尺度上就毫无平滑可言了。比如一个玻璃球，肉眼看过去觉得它平滑无比，怎么摸都不伤手，但是假设人能变化成一个小爬虫，玻璃球上的坑坑洼洼就呈现在眼前了。如果人继续变化下去，变成和分子一样大小，那么肉眼就会看到由一个个圆咕隆咚的球挤在一起组成的世界。如果我们还能继续变成电子的亿分之一，那么我们将会看到一个喧闹如广场舞的世界，在这里毫无规律可言。

大尺度的天体符合着广义相对论一路走来，到最后却需要用量子理论解释。经典理论与量子力学的矛盾不可调和，归根到底还是基本思想上的不统一。如果真的有一种统一的理论，那么它势必会将已知的4种自然力（引力、电磁力、强作用力和弱作用力）囊括其中。

第八部分 量子场论及弦理论概述

第五十七回 量子场论概述

如果仔细比较经典理论和量子理论，就会发现它们的研究对象并不相同：经典理论一直以场（电磁场、引力场）为研究对象，而量子理论研究的是单个粒子（电子等）。物理学家们为了化解“分歧”，尝试将场量子化，比如量化电磁场。英国科学家保罗·狄拉克在场量子化方面做出了杰出的贡献。

保罗·狄拉克（1902—1984）出生于瑞士的一个讲法语的家庭，他的父亲非常严厉，严厉到孩子们只准讲法语，除非不说话。于是固执的狄拉克经常选择沉默，可能是因为童年环境的缘故，长大后的狄拉克时常被形容为“害羞得像一只羚羊”。他讨厌名声，以至于在得知获得诺贝尔奖时，他对好友卢瑟福说他不想去领奖，因为他不想出名。卢瑟福则笑着告诉他：“那样的话，你会更出名……”于是狄拉克害羞地上了领奖台。狄拉克的沉默是出了名的，如果能用一个字回答问题，他绝对不会用两个字，如果能用两个字，他绝对不会浪费一句话，所以他写的《量子力学原理》言简意赅。杨振宁先生曾评价说：“秋水文章不染尘。”

言归正传。1927年，狄拉克率先将电磁场量子化。在新理论中，电磁场不再是经典理论意义上的场了，而是被看成某种谐振子的谐振动，这种谐振动便产生了电磁波。谐振子的运动如电子运动一般，也符合薛定谔方程。同理，在处理电子问题上，人们仿照狄拉克处理电磁场的方法，引入了“电子场”的概念，并将其量子化。

关于电子场的表述，还得从薛定谔方程中的波函数ψ说起。ψ函数到底是什么？是波还是概率？抛开哲学问题，也许它是什么并不重要，重要的是怎么看待它。比如在约尔当等人的眼中，ψ函数表述的是一种经典理论里的场量，场有不同的状态，有高有低，当场由低态转向高态时，电子就被激发了，反之则电子湮灭。

在量子化的场理论中，每个微观粒子都有一个与之对应的量子化场，反过来，每一份量子化的场就代表一个粒子。比如量子化的电磁场是一份一份被激发的，每一份代表一个光子。此时的粒子已经不再是传统意义上的粒子了。不同粒子之间的相互作用也就被看成了场与场之间的相互作用，比如一个正电子邂逅一个电子后，它们会一起消失并释放出光子。反过来说，场与场之间的相互作用也是通过粒子传递的。

中子进入物理学之后，人们开始认为质子、中子和电子是构成物质的基本粒子，然而随着高能实验的开展，人们又发现对基本粒子的结论下得太早，因为自然界中的粒子实在太多了。20世纪中叶，新粒子一个一个地呈现在人们眼前，粒子物理学也被催生。在这些粒子当中，夸克是值得一提的。1964年，美国科学家默里·盖尔曼（1929—）和乔治·茨威格（1937—）分别提出了夸克模型，该模型于1968年在实验中得到证实。夸克是一种基本粒子，通过不同的组合就会构成不同的粒子，这种复合粒子叫强子，我们所熟知的强子莫过于质子和中子，如图57-1所示。

图57-1

在量子场论中，基本自然力的相互作用也是通过粒子传递的。

1.光子：电磁力的媒介。

2. W及Z玻色子：弱作用力的媒介。

3.胶子：强作用力的媒介。

4.引力子：引力的媒介。

在这些粒子中，前3种都已经找到并从实验中得到验证，而且电磁力和弱作用力已经被统一，称为电弱作用力。目前为止，引力子还处于预言阶段，尚未在实验中找到，即便传说中的引力子已经找到，还需要建立新的理论让4种粒子都统一起来。粒子物理学任重而道远。

第五十八回 最后的统一？

再仔细比较4种自然力，就会发现它们的强度有很大的差别，如果说电磁力是猫，那么强作用力就是老鼠，弱作用力便是老鼠身上的跳蚤，而引力可能就是跳蚤身上的细菌，这可能是目前还没有找出引力子的主要原因。理论物理学家们早已料到这一点，所以如果想要将4种粒子统一，我们观察物体的尺度还要继续缩小，是目前粒子尺度的百万分之一甚至亿分之一。在那种尺度下，粒子也就不存在了，看到的是一个一个“弦”。这便是弦理论。

话说1967年有一位意大利的学生为了博士论文煞费苦心，他的论文的研究方向是强作用力，因此他需要找一个能够描述强作用力的方程。有一天，他在一本两百多年前的古书上找到了数学家欧拉（1707—1783）的一个公式，他认为这个方程恰如其分地描述了强作用力，这个方程描述的图像像一根开口的橡皮筋（弦）。不久之后，该“橡皮筋方程”被美国物理学家苏士侃（1940—）发现并带入了物理学。然而在发展之初，弦理论并没有引起人们的注意，当人们又煞费苦心寻找引力子时，弦理论被从废弃的垃圾桶里捡了回来，正式上了物理学的台面，那已经是20世纪80年代的事了。

在弦理论看来，自然界的基本单元不是电子、光子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的弦，弦的尺度是原子的亿分之一，但它是组成宇宙的根本。所有宇宙现象都可以通过弦的振动来解释，就像拨动一根琴弦会发出不同的音律一样。弦的不同振动方式会造就不同的粒子。同样，弦的振动越剧烈，能量就越大，反之则越小。弦有闭弦和开弦之分，弦可以分裂，还可以相互碰撞成为更长的弦，物质与能量的交换都可以通过弦的分裂和碰撞进行解释。既然弦如此灵活，解释4种自然力也就不在话下了。

在短短的30年里，弦理论经历了两场革命，如今诞生了“M理论”和“膜理论”。但是，这些理论依然摆脱不了无法用实验验证的弊端，可以说就目前而言，弦理论只是一种数学处理方法，而这门学科会让人头疼不已，甚至连高深的弦理论学家也不例外。总之，现在的物理学已经进入了“肉食者谋之”的时代。弦理论有怎样的前景呢？笃信者认为它将是明天物理学的太阳，但也有一些人害怕漫长的黑夜让意外先降临。

因为弦理论无法证实，很多学者将其归为哲学，还有人认为是伪科学。至于是什么不重要，怎么看才最重要。还是那句话，有多少人反对就有多少人喜欢。路漫漫其修远兮，人们追求大统一的万有理论的过程也许会举步维艰，但梦想总是要有的，万一实现了呢？

鉴于作者水平有限，不再多述。

至此终，谢谢阅读！

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目录

内容提要

前言

第一部分 经典力学

1. 第一回 从古希腊说起

2. 第二回 完美地心说

3. 第三回 不完美的日心说

4. 第四回 伯乐与千里马

5. 第五回 近代物理学的开端

6. 第六回 宇宙的新发现

7. 第七回 一个美丽的实验

8. 第八回 一个凄美的故事

9. 第九回 浅谈微积分

10. 第十回 力学三大定律

11. 第十一回 苹果的故事

12. 第十二回 牛顿与上帝

13. 第十三回 有趣的天文测量

第二部分 电磁学

1. 第十四回 静电学简史

2. 第十五回 从青蛙腿到持续电流

3. 第十六回 寻找电与磁的联系

4. 第十七回 电动力学

5. 第十八回 电磁感应

6. 第十九回 电磁学的大统一

7. 第二十回 波

8. 第二十一回 寻找电磁波

第三部分 热力学和统计力学

1. 第二十二回 热力学简史

2. 第二十三回 热的本质

3. 第二十四回 热力学

4. 第二十五回 统计力学

第四部分 光学

1. 第二十六回 光，波或微粒？

2. 第二十七回 光谱的故事

3. 第二十八回 光速的测量

第五部分 相对论

1. 第二十九回 第一朵乌云

2. 第三十回 为以太辩护

3. 第三十一回 爱因斯坦与狭义相对论

4. 第三十二回 关于狭义相对论的一些浅见

5. 第三十三回 爱因斯坦的困惑

6. 第三十四回 广义相对论

第六部分 量子力学

1. 第三十五回 微观世界

2. 第三十六回 黑体辐射

3. 第三十七回 光电效应

4. 第三十八回 原子的核模型

5. 第三十九回 量子轨道

6. 第四十回 电子的故事

7. 第四十一回 矩阵力学

8. 附一回 爱因斯坦与诺贝尔奖

9. 第四十二回 电子也可以是波

10. 第四十三回 一个鬼魅般的实验

11. 第四十四回 风流才子薛定谔

12. 第四十五回 波动力学与矩阵力学

13. 第四十六回 不确定原理和互补原理

14. 第四十七回 爱因斯坦与玻尔的“战争”

15. 第四十八回 EPR佯谬与薛定谔的猫

16. 第四十九回 爱因斯坦的忧伤

第七部分 宇宙学

1. 第五十回 宇宙在运动

2. 第五十一回 探索宇宙起源

3. 第五十二回 神奇的中子

4. 第五十三回 恒星的命运

5. 第五十四回 寻找大爆炸的证据

6. 第五十五回 黑洞

7. 第五十六回 奇点可以存在

第八部分 量子场论及弦理论概述

1. 第五十七回 量子场论概述

2. 第五十八回 最后的统一？

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