第2章
一支粉笔

傻子：……为什么那七星是七颗，不多也不少，那道理真奇妙。李尔：就因为它们不是八颗吗？

傻子：一点儿不错。你倒可以做一个很好的傻子。

莎士比亚，《李尔王》

科学家发现了很多奇特的东西，还有许多美妙的东西；而他们发现的最美妙也最奇特的东西也许是科学本身的模式。我们的科学发现不是独立分散的事实；一个科学事实可以在另一个那里找到解释，而那解释本身还需要别的解释。追溯这些解释的箭头，我们发现它们在源头惊人地会聚在一起了——这也许是我们迄今所知道的关于宇宙的最深刻的图景。

我们来考虑一支粉笔。粉笔这东西多数人都是熟悉的（喜欢通过黑板来交谈的物理学家当然更熟悉了），但我这里拿粉笔来做例子，是因为它曾是科学史上一次著名论战的主题。1868年，英国科学协会在以大教堂闻名的诺里奇举行年会。对聚集到诺里奇来的科学家和学者来说，那是令人兴奋的日子。公众关注科学，不仅因为他们看到了科学对技术的重要，还因为科学正在改变人们对世界和人类本身地位的认识。更重要的是，9年前出版的达尔文（Charles Robert Darwin）的《物种起源》直截了当地把科学摆在了当时普遍立场的对立面。在那次会上我们看到了赫胥黎（Thomas Henry Huxley），有名的解剖学家，犀利的辩论家，也是当时众所周知的“达尔文的角斗士”。像往常一样，他利用这个机会向城里的工人发表了讲话，讲话的题目是“谈一支粉笔”。

我们可以想象，赫胥黎站在讲台上拿着的一支粉笔，可能是从诺里奇地下的白垩层里挖出来的，也可能是从哪个友好的木匠或教授手里借来的。他一开始就讲，地下几百米深处的白垩层，不仅埋在英格兰的广大地区，还延伸到欧洲、地中海以东的利凡特地区，直到亚洲中部。白垩的化学物质很简单，用现在的话讲就是碳酸钙。不过，在显微镜下，我们可以看到它有数不清的小动物的化石壳，那些小动物在古代就生活在覆盖着整个欧洲的汪洋大海中。赫胥黎生动地讲述了那些小动物的尸体如何在几百万年前漂流到海底，然后被压入白垩土；他还讲到了像鳄鱼那样的大动物如何会在白垩层这里或那里出现。白垩层越深的地方，出现的动物同它们今天的伙伴差别越大。因此，在白垩沉积的几百万年里，动物一定在演化着。

赫胥黎想让诺里奇的工人们相信，世界比圣经学者们讲的6000年老得多，新生命的种类一开始就出现了，而且在不断演化。这些问题现在谁都明白——任何有点科学头脑的人都不会怀疑地球的年龄和演化的事实。在这里，我并不是想说哪样具体的科学知识，而是想说那些科学联系的方式。所以，我还是像赫胥黎那样，从一支粉笔说起。

粉笔是白的，为什么？有人马上会说，它白是因为它不是其他颜色。这个答案会让李尔王的那个弄臣高兴，实际上离真正的答案也不太远。在赫胥黎的时代，人们已经知道，彩虹的每种颜色与一定波长的光有关——较长的光波趋向光谱的红端，较短的光波趋向光谱的蓝端或紫端。白光是许多不同波长的光的混合体。光照在不透明物质（如粉笔）上时，只有部分被反射回来，其余的都被吸收了。具有确定颜色的物质，像许多青绿色的铜化合物（例如绿松石里的磷酸铝铜）或紫色的铬化合物，之所以显现那种颜色，是因为它们倾向于强烈吸收一定波长的光，我们通过从物质反射回来的光看到的颜色，是没有被强烈吸收的那些光的颜色。对组成粉笔的碳酸钙来说，强烈吸收正好只发生在不可见的红外和紫外波段，所以从粉笔反射回来的光简直就跟照射它的光在可见波段的分布一模一样。白色的感觉，不论来自云朵、雪花还是粉笔，都是这样产生的。

为什么？为什么有的物质在特殊波段强烈吸收可见光而另一些物质不会呢？答案与原子和光的能量有关。问题的认识是从爱因斯坦和玻尔在20世纪最初20年的研究开始的。1905年，爱因斯坦首先认识了光线是由无数粒子（后来叫光子）组成的粒子流。光子没有质量，也没有电荷，但每个光子都有一定的能量，与光的波长成反比。1913年，玻尔提出原子和分子只能存在于某些确定的状态，也就是那些具有确定能量的稳定的组成形式。虽然原子常常被比作小小太阳系，但还是存在关键的区别。在太阳系，如果一颗行星离太阳更远或更近一点，它的能量都会增加或减少一点。但是原子的状态却是离散的——原子的能量只能发生一定的有限的量的改变。原子或分子的正常状态是能量最低的状态。当原子或分子吸收了光，它将从一个能量较低的状态跳跃到一个能量更高的状态（如果是发射光子，则发生相反的过程）。总的说来，爱因斯坦和玻尔思想告诉我们，原子或分子只能吸收具有一定数值的波长的光。那些波长所对应的光子能量，正好等于原子或分子的正常状态与某个能量较高的状态之间的能量差。如果不是那样，那么当光子被原子或分子吸收时，能量就不守恒了。典型的铜化合物显现青绿色，是因为铜原子正好有一个比正常状态的能量高2伏特的状态，于是，铜原子很容易通过吸收1个能量为2伏特的光子发生跃迁。 那样的光子，波长为0.62微米，呈橘红色，它们被吸收以后，便留下青绿色的反射光。 [1] （这并不只是在笨拙地重复讲那些化合物是青绿色的；即使用电子束或其他方式来给铜原子增加能量，我们还是会看到相同的原子能量模式。）粉笔之所以是白的，因为组成它的分子碰巧没有一个状态能特别容易地通过吸收任何一种颜色的可见光来达到。

为什么？为什么原子和分子以离散的具有一定能量的状态出现？为什么是那样一些数值的能量？为什么光子一个一个地来，每一个还具有与光的波长成反比的能量？为什么原子或分子的有些状态特别容易通过吸收光子而达到？光、原子和分子的这些性质，等到20世纪20年代中叶建立了一个新的物理学框架（即大家知道的量子力学）以后才可能为人们所认识。在量子力学里，原子或分子的粒子是用所谓的波函数来描述的。波函数的行为有点儿像光波或声波，但它的大小（准确说，是它的振幅的平方）给出的是在某个位置找到一个粒子的概率。原子或分子的波函数只能以一定的模式或量子态出现，每个态都有各自的能量；这就像风琴里的空气，只能以某些确定的模式振动，每种模式都有自己的波长。把量子力学方程用于铜原子，可以发现原子的高能外围轨道上电子束缚较松，容易吸收可见光而跳跃到下一个能量更高的轨道上去。量子力学计算表明，这两个状态的能量差是2伏特，等于一个橘红色光子的能量。 另一方面，粉笔里的碳酸钙分子正好没有类似的能吸收任何特殊波长光子的松散电子。至于光子，以同样的方式对它们应用量子力学原理，其性质也能得到解释。结果发现，光子跟原子一样，也只能存在于具有确定能量的某些量子态。例如，波长为0.62微米的橘红色光只能存在于能量为0，2，4或6伏特……的那些量子态，我们说那些态分别包含了0，1，2或3个光子……每个光子的能量为2伏特。

为什么？为什么主宰原子中粒子的量子力学方程是那样的？为什么物质由那些粒子（电子和原子核）组成？还有，为什么存在光那样的东西？在20世纪二三十年代，当量子力学初次用于原子和光时，那些事情还很神秘。近15年来，随着所谓基本粒子和力的标准模型的成功，它们才得到了很好的认识。这种新认识的一个重要前提，是量子力学与20世纪物理学的另一伟大革命——爱因斯坦相对论，在40年代的结合。量子力学的原理与相对论的原理几乎是互不相容的，只有在极有限的某些理论中才可能共存。在20世纪20年代的非相对论量子力学里，我们可以想象在电子和原子核中存在任何形式的力。但是，正如我们将看到的，在相对论的情形，就不是那么回事：粒子间的力只能来自其他粒子的交换。而且，所有那些粒子都是各种类型的场的能量束，或者叫量子。像电场或磁场那样的场，是空间的一种应力，跟固体中可能存在的各种应力差不多，不过场是空间本身的应力。每一类基本粒子只有一种场。在标准模型里，有电子场，它的量子是电子；有电磁场（由电场和磁场组成），它的量子是光子；原子核或者组成原子核的粒子（我们知道的质子和中子），没有相应的场；但被称作夸克的各种粒子（即组成质子和中子的粒子）却都有各自的场；另外还有些场，我在这里就不多讲了。在像标准模型那样的场理论中，方程不跟粒子打交道，而是跟场打交道；粒子是作为那些场的代表出现的。寻常物质由电子、质子和中子组成，只不过是因为所有其他有质量的粒子都是极不稳定的。我们说标准模型是一种解释，因为它不仅是计算机黑客所谓的杂牌电脑，把乱七八糟的零碎部件揉在一块儿胡乱地运行；实际上，只要确定了标准模型应该包括的场的类型和决定它们相互作用的一般原理（如相对论原理和量子力学原理），它的结构也就基本上固定下来了。

为什么？为什么世界只有那么一些场：夸克的场、电子的场、光子的场……为什么它们具有标准模型归纳的那些性质？还有，为什么大自然遵从相对论和量子力学的原理？很抱歉——这些问题还没有答案。在评论当今物理学现状时，普林斯顿的理论家格罗斯（David Gross）提出了以下几个尚未解决的问题：“现在我们知道了它是如何发生作用的，我们于是要问，为什么有夸克和轻子？为什么物质的模式重复表现着三代夸克和轻子？为什么所有的力都来自规范对称性？为什么？为什么？为什么？” （这些“为什么”里的术语在后面的章节有解释。）令基本粒子物理学家如此兴奋的，正是他们有希望回答这些问题。

大家都知道，“为什么”是意思最模糊的一个词。哲学家纳格尔（Ernest Nagel）曾列举10个问题， 每个问题里的“为什么”意思都不一样。例如，“为什么冰浮在水上？”“为什么卡西乌斯 谋害恺撒？”“为什么人类有肺？”随便还能想出些“为什么”的意思不同的问题，如“我为什么出生？”这里，我说“为什么”的意思跟它在“为什么冰浮在水上”里的意思差不多，而没有一点自我觉醒的意味。

即使如此，人们在回答那种问题时究竟在做什么，还难得说清楚。幸运的是，那没有必要。科学解释正如爱和艺术，是给我们带来愉悦的事情。理解科学解释的本质的最好办法，是切实去经历一番，当你自己成功解释了某件事情时，会感觉那是怎样特别的兴奋。我并不是说，追求科学解释可以像追求爱和艺术那样不顾任何约束。实际上，这3种情形都存在着我们需要尊重的真理标准，尽管真理在科学跟爱和艺术中当然有不同的意思。我也不是想说，一般地描绘科学如何作为没有一点儿意思，只是在科学中，跟爱和艺术的情形一样，那是不必要的。

我已经讲过，科学解释显然关联着从一个真理导出另一个真理，但解释比推导意味着更多，或者更少。仅从一个论断导出另一个论断，不一定能构成一个解释，正如我们看到的，有时两个论断的任何一个都可以从另一个导出来。1905年，爱因斯坦推测光子的存在，靠的是5年前普朗克提出的成功的热辐射理论；19年后，玻色（Satyendra Nath Bose）证明普朗克的理论可以从爱因斯坦的光子理论推导出来。解释跟推导不同，它带着独特的方向的感觉。我们强烈感到，光子理论比其他任何关于热辐射的论断都更基本，因而是热辐射的解释。同样，尽管牛顿导出他有名的引力定律部分是根据更早的描写太阳系行星运动的开普勒（Kepler）定律， [2] 我们还是说牛顿定律解释了开普勒定律，而不是相反。

谈论更基本的真理令哲学家感到不安。我们可以说，更基本的真理是那些在某种意义上更综合的真理，不过这一点也很难说得准确。但是，假如科学家不得不将自己限定在哲学家所满足的概念上，他们就太不幸了。没有哪个物理学家会怀疑牛顿定律比开普勒定律更基本，爱因斯坦的光子理论比普朗克的热辐射理论更基本。

科学解释也可能比理论的推导说得更少，因为即使不能从原理导出什么来，我们还是可以说某个事实能用那个原理来解释。根据量子力学的法则，我们能导出简单原子和分子的各种性质，甚至还能估计像粉笔里的碳酸钙那么复杂的分子的能级。伯克利的化学家沙弗尔（Henry Shaefer）报告说，“对于许多涉及像萘那样的大分子的问题，如果人工的理论方法运用得巧妙，那结果同样可以看作可靠实验的结果。” 但是，对于像蛋白质那样真正复杂的分子，实际上没人能解量子力学方程以得到具体的波函数或精确的能量。然而，我们一点儿也不怀疑量子力学的法则能够“解释”那些分子的性质。这部分是因为我们能用量子力学导出简单系统（如氢分子）的具体性质，另外还因为我们有现成的数学法则，它允许我们能以任何需要的精度去计算任何分子的一切性质，只要有足够强大的计算机和足够充分的计算时间。

甚至，即使有时候没有把握导出什么东西，我们还是可以说某个事实被解释了。眼下，我们不知道如何用我们的基本粒子标准模型去计算原子核的具体性质；即使有了任凭我们使用的具备无限计算能力的计算机，我们也说不准该如何进行计算。 [3] （这是因为核力太强，原子和分子的计算技术没用了。）不管怎么说，我们相信，原子核的性质是因为已知的标准模型的原理才成为那样的。这个“因为”与我们实际的推导能力无关，只不过反映了我们对自然秩序的信念。

维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）不相信一个事实能以任何其他事实为基础来解释，他警告说， “在整个现代世界观的基础存在着一种错觉，把所谓的自然定律作为自然现象的解释。” [4] 这话令我感到沮丧。对物理学家说自然定律不是自然现象的解释，就像告诉走近猎物的老虎，所有的肉都是草。我们的科学家不知道怎样才能以哲学家认同的方式来表达他们为寻找科学解释所做的事情，这是事实，但它并不意味着我们做的事情是毫无意义的。物理学家能在专业哲学家的帮助下明白自己在做什么，但不论有没有那种帮助，我们都要一直做下去。

粉笔的每一种性质——它的脆性、它的密度、它的电阻，都可以像上面那样一路“为什么”地问下去。不过，还是让我们从另一道门走进那解释的迷宫——考虑粉笔的化学。正如赫胥黎讲的，粉笔差不多就是苏打，照现在的话说，也就是碳酸钙。赫胥黎没那么说，不过他可能知道这种由钙、碳和氧依照固定（质量）比例所组成的东西——3种元素的比例分别为40%、12%和48%。

为什么？为什么我们看到的化合物正好是钙、碳、氧依照那种比例组成的，而没有其他更多的元素，依照不同的比例？化学家在19世纪就根据原子理论找到答案了，那时还没有任何关于原子存在的直接证据呢。钙、碳、氧原子的质量比是40:12:16，而1个碳酸钙分子包含了1个钙原子、1个碳原子和3个氧原子，所以3种元素在碳酸钙分子里的质量比是40:12:48。

为什么？为什么不同元素的原子具有我们观测到的那些质量？为什么分子只能由每种元素的一定数目的原子组成？在19世纪人们就已经知道，分子（如碳酸钙）中每种元素的原子数原来决定于分子中原子之间的电荷交换。1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现，这些电荷由名叫电子的带负电的粒子所携带。电子比整个原子轻得多，也是通常以电流形式流过导线的那种粒子。仅靠原子里的电子数就能将一种元素与另一种元素区别开来：氢是1个，碳是6个，氧是8个，钙是20个，等等。把量子力学法则用于粉笔的组成，可以看到，钙原子和碳原子很容易分别“拿出”2个电子和4个电子，而氧原子很乐意“捡起”2个电子。于是，在每个碳酸钙分子里，3个氧原子捡起钙原子和碳原子拿出的那6个电子，电子数正好不多也不少。 [5] 分子能约束在一起，靠的正是由这些电子转移所产生的电力。那么原子的质量呢？自卢瑟福1911年的实验以来，我们已经知道原子的几乎所有质量（或重量）都集中在一个很小的带正电的核心，核的周围环绕着电子。在经过了模糊混乱的认识过程以后，人们终于在20世纪30年代发现原子核由质量接近的两种粒子组成：质子和中子。质子带正电荷，数量与电子电荷相等；中子没有电荷。氢原子核就是一个质子。为了保证原子是电中性的，质子数必须等于电子数； [6] 另外还需要中子，因为质子与中子间的强大吸引力才能把原子核束缚起来。中子和质子几乎一样重，电子则轻得多，所以，在很好的近似下，原子的质量正比于核内中子和质子的总数：氢为1（1个质子），碳为12，氧为16，钙为40，这些量在赫胥黎时代就知道了，但那时不知道为什么。

为什么？为什么会有中子和质子，一个中性，一个带正电，质量相近却比电子重得多？为什么它们会那么强烈地吸引在一起，形成一个比原子本身小10万倍的原子核？我们还是到今天的基本粒子的标准模型里去寻找解释。最轻的夸克叫u和d（即上和下），电荷分别为+2/3和-1/3（以电子电荷为-1）；质子包含着2个u，1个d，从而电荷为2/3+2/3-1/3=+1；中子包含着1个u，2个d，从而电荷为2/3-1/3-1/3=0。质子与中子的质量几乎相等，是因为它们的质量大部分来自把夸克束缚在一起的强力，而那力对u夸克和d夸克来说是相同的。电子轻是因为它对强力没有感觉。所有这些夸克和电子都是不同场的能量束，它们的性质是由那些场的性质决定的。

于是，我们又来到标准模型。实际上，不论关于碳酸钙的什么化学和物理学性质的问题，都会领着我们走过一条“为什么”串联的路，然后落脚到同一个源头：今天的基本粒子的量子力学理论，我们的标准模型。物理学和化学还好说，但是，如果像生物学那样“更强硬”的科学，情况会怎样呢？

我们那支粉笔不是理想的碳酸钙晶体，但也不是空气那样杂乱的一堆分子。实际上，正如赫胥黎在诺里奇讲话里解释的，粉笔（也就是白垩）里藏着小动物的骨架，那些小动物从古海洋里汲取钙盐和二氧化碳，拿这些化学物质做原料，在柔软的身体外塑起一个小小的碳酸钙的躯壳。用不着想我们就知道那对它们是有好处的——没有保护的蛋白质躯体在海洋里并不安全。不过，这事实本身还没有解释为什么动植物靠生长碳酸钙那样的硬壳来自我保护；它需要那样，但获取是另一回事。答案来自赫胥黎曾大力宣扬和捍卫的达尔文和华莱士（Wallace） 的研究。生命表现出遗传性的变化，有些有益，有些无益。不过，容易生存的却是那些偶然获得了好的变异的生命，它们又把那些特征传给下一代。但是，为什么会有那些变异，它们又为什么能遗传给后代呢？这个问题终于在20世纪50年代通过DNA的结构得到了解决。DNA是一种很大的分子，像一个模板，氨基酸靠它聚合成蛋白质。DNA分子是一个双螺旋，每根螺旋上的化学单元序列就是它包含的遗传信息的密码。双螺旋分裂时，每根螺旋都自我复制一回，遗传信息也就传递下去了；如果某个偶然事件破坏了构成螺旋的化学单元，遗传性的变异就可能发生。

只要落到化学的水平，其余的事情就相对更容易了。当然，DNA很复杂，不可能用量子力学的方程去解它的结构。不过，那个结构通过普通的化学法则就能很好地认识，而且，如果有足够强大的计算机，没人会怀疑我们原则上能解释DNA的一切性质——那不过就是求解几个普通元素的原子核和电子的量子力学方程，而它们的性质却是标准模型解释的。于是，我们又来到解释箭头会聚的同一点了。

我掩盖了生物学与物理学间的一个重要区别：历史因素。如果我们说的是“多佛尔（Dover）海滨那白色的悬崖” 或者“赫胥黎手上的那样东西”，那么，白垩或者粉笔的组成，40%的钙、12%的碳和48%的氧，就能在普遍性和历史性的事件的混合里找到解释，在我们的行星或赫胥黎的生命历史中发生的偶然事件里得到解释。我们说可以希望用自然的终极定律来解释，实际上说的是一些普遍性。其中一个普遍性说，（在足够低的温度和压力下）存在一种精确依照钙、碳、氧的那个比例结合的化合物。我们认为这个论断在宇宙的任何地方和一切时间里都是正确的。同样，我们也可以对DNA的性质提出某个普遍的论断，但是，在地球上之所以能存在那些靠DNA把随机变异一代代传下去的生命，却是因为历史上的某些偶然事件：存在一个地球那样的行星，生命和遗传不知怎么在那里开始出现，而且有足够漫长的时间演化下去。

涉及历史因素的不止生物学一家。其他好多学科也是那样的，如地质学和天文学。我们还是再把那支粉笔拿起来，现在我们要问，为什么地球上会有那么多的钙、碳和氧的原材料来满足形成粉笔的化石硬壳？那很容易——这些元素在整个宇宙的大多数地方都是很普通的。但那又是为什么呢？我们还得求助于演化历史和普遍原理。利用基本粒子的标准模型，我们很好地把握了“大爆炸”理论中的核反应过程，算出在宇宙的最初几分钟形成的物质大约3/4是氢，1/4是氦，其他元素也零星有一点儿，大概都是像锂那样很轻的元素。这些就是后来在恒星中形成重元素的原料。对恒星的后续核反应过程的计算表明，产生最多的是那些核束缚最紧的元素，那样的元素包括碳、氧和钙。恒星通过各种方式，如恒星风和超新星爆发，把这些原料撒向星际空间；正是从这样的星际介质（它在粉笔的组成里也是很多的）生成了第二代星体，如太阳和它的行星。不过这幅图景仍然依赖于一个假想的历史——曾经发生过大致均匀的大爆炸，每一个夸克伴随着100亿颗光子。各类假想的宇宙学理论正在努力解释这个假定，而那些理论也还在等着别的历史图景呢。

现在还不太清楚，我们科学中的这种普遍性和历史性的因素是不是一个永恒的特征。不论是在牛顿力学还是在现代量子力学，条件与定律都是明确分立的。条件告诉我们系统的初始状态（系统是整个宇宙呢抑或是它的一部分），而定律决定系统后来的演化。但是，初始条件最终也可能成为自然律的一部分。这怎么可能呢？一个简单例子是所谓稳恒态宇宙学，那是邦迪（Herman Bondi）和哥尔德（Thomas Gold）以及霍伊尔（Fred Hoyle）以不大相同的形式分别在20世纪40年代后期提出的。在这幅图景里，尽管星系相互在飞速离开（这一点常被人误会为宇宙在膨胀 ），但新物质却在不断地生成来填补膨胀星系间的空间，物质的生成速率刚好让宇宙显得没有一点儿变化。我们没有可信的理论能说明那连续的物质创生是如何发生的。不过，假如我们有了那样一个理论，我们也许可以用它来证明宇宙膨胀会趋向于某个平衡速率，那时创生正好抵消了膨胀，这有点儿像通过物价来协调供求关系。这样的稳恒态理论中，没有初始条件，因为没有开始；反过来，我们却可以通过宇宙不发生改变的条件来导出它应有的表现。

原来形式的稳恒态宇宙学已经完全被各种天文学观测否决了，其中主要的是1964年微波背景辐射的发现，那些辐射似乎是过去更热更紧密的宇宙遗留下来的。也许在未来的某个宇宙学理论中，今天的宇宙膨胀不过是永久而持续波荡的宇宙的一个涨落，平均说来宇宙并没有改变。这样，在大尺度上，稳恒态的思想还可以保留下来。初始条件也许哪天还能通过某些更微妙的路线从终极定律推导出来。哈特尔（James Hartle）和霍金（Stephen Hawking）已经指出一个方向，如果把量子力学用于整个宇宙，就可能发现历史和物理会走到一起。量子宇宙学今天还是理论家们激烈争论的话题，不论概念的还是数学的问题都很困难，我们似乎还得不出什么确定的结果。

不论怎样，即使自然定律最终能包容或者导出宇宙的初始条件，我们还是永远不可能清除像生物学、天文学和地质学里的那种偶然和历史的因素。古尔德（Stephen Gould）曾用不列颠哥伦比亚的伯吉斯（Burgess）页岩里的古怪化石来说明地球上生命演化的模式几乎没有什么必然性。 哪怕一个很简单的系统，也能表现出所谓混沌的现象，使我们预言它未来的努力化作泡影。在混沌系统里，几乎相同的初始条件可以在片刻引出全然不同的结果。实际上，在20世纪初，人们就已经知道简单系统可能出现混沌；那时数学家和物理学家庞加莱（Henri Poincaré）证明，即使像两颗行星的太阳系那么简单的系统，也会生成混沌。我们很多年前就懂得了，土星环的黑暗缝隙正好出现在轨道粒子被环的混沌运动所排斥的地方。混沌研究的新奇和动人不在于发现混沌的存在，而在于发现一定类型的混沌运动表现出了某些可以用数学来分析的普遍性质。

混沌的存在，不是说土星环那样的系统行为就完全不能由运动定律、引力定律和初始条件来决定，而只是说明有些事情的演化（如环间空隙的粒子轨道）不是我们实际所能计算的。说得更准确一点，混沌的出现意味着，不论以多大的精度决定初始条件，我们最终还是会失去预言系统行为的能力；但是另一方面，对于一个牛顿定律统治的物理系统，不管我们想预言它在多远的未来的行为，总可以在某个初始条件允许的精度下实现那个预言。（打比方说，不论我们给汽车加了多少油，它总有耗尽的时候；但不论我们想走多远，总还会有达到那里所需要的油量。）换句话讲，混沌的发现并没有清除量子力学以前的物理学的决定论，但是，如果现在讲那种决定论的意义，混沌确实使我们不得不谨慎一些了。在同样的意义上，量子力学的决定论也不同于牛顿力学的；海森伯（Heisenberg）的不确定性原理警告说，我们不能同时精确测量粒子的位置和速度，而且，即使在某个时刻进行了所有可能的测量，我们所能预言的也只能是实验结果在后来任何时刻出现的概率。尽管如此，我们会看到，在量子力学里，仍然可以在某种意义上说任何物理系统的行为是由它的初始条件和自然律完全决定的。

当然，不管原则上存在什么样的决定论，在我们面对像股市或生命那样真正不那么简单的系统时，它帮不了我们多少。历史上偶然事件的发生，使我们总有永远也不可能解释的东西。关于现代地球生命形态的任何解释，都必须考虑6500万年前的恐龙灭绝，现在人们流行用彗星的撞击来解释那灭绝，但谁也解释不了为什么彗星正好在那个时候撞上地球。科学最大的愿望是能将所有自然现象的解释都溯源到终极定律和历史事件。

偶然的历史事件钻进科学，还意味着我们必须小心认识我们需要那些终极定律来做什么样的解释。例如，当牛顿第一次提出他的运动和引力定律时，反对者们说，这些定律并没有解释太阳系的那个显著的规律：所有行星在同一方向上绕着太阳旋转。今天我们知道，那是历史的问题。行星沿相同方向围绕太阳旋转，源于太阳系特殊的形成方式——太阳是从一个旋转的气体盘“浓缩”出来的。我们不能指望单从运动和引力定律导出这个结果。定律与历史的分离是很难捉摸的事情，我们在前进的过程中一直在学着怎么做。

当然，我们今天认为很任意的初始条件可能最终能从普遍原理推导出来；反过来看，我们今天所谓的那些普遍原理的定律到头来也可能不过是偶然历史事件的表现。最近，许多理论物理学家正在考虑，我们通常说的宇宙，那个朝各个方向扩张了至少100亿光年的星系云团，不过是一个大得多的巨宇宙的一小部分——那个巨大的宇宙由许多这样的部分组成，在每一个部分里，我们所谓的自然常数（如电子的电荷、基本粒子的质量比，等等）可能具有不同的数值。甚至我们现在讲的自然定律也要从一个小宇宙变到另一个小宇宙。那样一来，我们发现的关于定律和常数的解释，也可能包含着一个不可能还原的历史因素：我们偶然地生在这样一个特殊的小宇宙。但是，就算这种思想是有意义的，我还是认为我们不必放弃寻找大自然终极定律的梦想；那将是一个大定律，决定着不同类型的小宇宙出现的概率。科里曼（Sidney Coleman）等人把量子力学用到整个大宇宙来计算那个概率，已经向前迈出了勇敢的几步。应该说，这些都还是悬想，还没树立完整的数学形式，到今天也没有任何实验支持。

以上我坦白了把我们引向终极定律的解释链中存在的两个问题：一个是偶然的历史事件，一个是复杂性——因为复杂性，即使只考虑普遍原理，不管那些历史因素，我们实际上也不可能解释所有的事情。还会遇到的另外一个问题，与那个老掉牙了的词儿“突现”有关。从复杂性越来越高的水平看世界，会突然出现一些现象，在简单水平上（至少在基本粒子的水平上）找不到与它们对应的东西。例如，在单个的活细胞里，没有像智能的东西；在原子和分子水平也没有生命。物理学家安德森（Philip Anderson）在1972年的一篇题为《更多意味着不同》的文章里， 很好地把握了“突现”的精神。新现象在复杂性高的水平出现，最明显的表现在生物学和行为科学的领域，但应该认识到，这样的“突现”并不代表生命或人类行为有什么特殊的地方，它的发生还是物理学的。

在物理学历史上，最重要的“突现”例子是热力学，关于热的科学。卡诺（Carnot）、克劳修斯（Clausius）等人在19世纪建立热力学的时候，它还是一门“自治”的学科，不是从粒子和力的力学导出来的，而是在熵和温度等概念的基础上建立起来的，那些概念在力学里找不到相应的伙伴。只有热力学第一定律（能量守恒定律），在力学和热力学间搭起一座沟通的桥梁。热力学的核心原理是第二定律，依照这个定律（在某个形式下），物理系统不但有能量和温度，还有某个叫熵的量， [7] 在任何封闭系统内，熵总是增大的，当系统处于平衡时达到最大。 [8] 正因为这个定律，太平洋才不会自发地将能量传给大西洋，让自己结冰，而让大西洋沸腾。这个过程没有违背能量守恒，它被禁止是因为它会把熵减少。

19世纪的物理学家一般都把热力学第二定律当作公理，它来自经验，是其他任何自然定律的基础。在当时，这不是没有道理的。人们看到，热力学在迥然不同的领域发挥着作用，从蒸汽的行为（那也是热力学的起点）到凝固和沸腾，到化学反应。[今天，我们还可以举出一些更奇特的例子：天文学家发现，在银河系和其他星系里，球状星团的星云的行为就像一团有特定温度的气体；贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和霍金的研究在理论上证明，黑洞具有正比于其表面面积的熵。]假如热力学就是那个普遍原理，那么如何能够逻辑地把它跟具体类型的粒子和力的物理学联系起来呢？

到了19世纪的下半叶，新一代的理论物理学家[包括苏格兰的麦克斯韦、德国的玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）和美国的吉布斯（Josiah Willard Gibbs）]通过他们的工作证明了，热力学原理实际上可以从数学推导出来。推导的方法是分析某些系统的组成形式的概率，在那样的系统里，能量在大量的子系统之间分配——例如对气体来说，能量就在组成它的所有分子间分布。（纳格尔曾以此作为从一个理论导出另一个理论的典型例子。 ）在这样的统计力学中，气体的热能就是它的粒子的动能；熵是系统无序的度量；热力学第二定律表达了孤立系统走向更无序的演化趋势。假如所有海洋的热量都流向大西洋，那意味着有序的增加，所以是不可能发生的。

19世纪八九十年代间，发生了一场论战，一方是新统计力学的支持者，另一方则坚持热力学的逻辑独立性，如普朗克和化学家奥斯瓦尔德（Wilhelm Ostwald）。 策默罗（Ernst Zermelo）走得更远，他说，因为基于统计力学，熵不大可能但不是不能减小，所以统计力学赖以为基础的关于分子的假定一定是错的。20世纪初，原子和分子的实在性被普遍承认了，统计力学也赢得了论战的胜利。不过，尽管热力学已经通过粒子和力的思想得到了解释，它仍然在同温度和熵那样突兀的概念打交道，在单个粒子的水平上，这些概念将失去意义。

热力学更像一种推理模式，而不太像一个普遍的物理学定律体系；不论它用在哪里，我们看到的都是同样的原理；但是，热力学为什么能用于任何特殊系统，却要根据系统包含的内容细节，用统计力学的方法以“导出”的形式来解释，这必然会把我们引到基本粒子的水平上来。 [9] 以我前面用过的解释箭头的图景来说，我们可以把热力学看成一定的箭头组合，它们不断出现在不同的物理背景下，但是不论这种解释模式出现在哪里，箭头总能通过统计力学的方法追溯到更深的定律，最终到达基本粒子物理学的原理。这个例子说明，一个科学理论能解释众多不同的现象，并不意味着它有什么自治的能脱离更深的物理学定律的东西。

同样的道理也适用于其他物理学领域，如与混沌和湍流相关的题目。在这些领域工作的物理学家也发现了一些反复出现在迥然不同的背景下的行为模式，例如，对于各种类型的湍流——不论普季特湾（Puget Sound）的洋流，还是过路星体产生的星际气体流——不同尺度旋涡的能量分布似乎存在着某种普遍性特征。但是，并不是所有的流体运动都是湍流，而湍流发生时也不总是表现那些“普遍性”。不管解释湍流的普遍性的数学理由是什么，我们还得去解释为什么那些数学能用于任何特殊的湍流流体，这个问题不可避免地需要偶然因素和普遍规律来回答——偶然的是波浪的速度和水槽的形状；普遍的是流体的性质和运动的定律——而它们必须由更深层的定律来解释。

生物学也是一样的。在这里，我们所看到的大多数事情都依赖于历史的偶然事件，不过还存在某些粗略的普遍性模式。例如，种群生物学的一个法则表明，不同性别的出生数趋于相等。[1930年，遗传学家费歇尔（Ronald Fisher）曾经解释，假如某个物种出现了雄性多于雌性的出生趋势，那么任何使个体趋于产生更多雌性后代的基因就会在整个种群间扩散，因为携带这种基因的个体的雌性后代在寻求配偶时遭遇的竞争会少一些。]这样一个法则适用于大量的物种，也许还适用于其他行星的生命，假如它们的出生也分性别的话。引出这些法则的理由，不论对人还是鸟或者地球外面的什么，都是一样的，不过那理由总依赖于一定的关于有机体的假设。如果问为什么那些假设是对的，我们必须从历史事件和DNA那样的普遍性（在其他行星可能由别的什么来取代它）去寻找答案，那反过来必然需要物理和化学来解释。因而还是离不开基本粒子的标准模型。

这一点可能有些模糊，因为，在热力学、流体力学或者种群生物学里，科学家在各自领域使用特殊的语言，他们说熵、旋涡或者生殖的适应性，而不说基本粒子的语言。这不仅是因为我们不能用第一原理去实际计算复杂的行为，也反映了我们关于这些现象有不同的问题类型。即使我们拥有一台巨型计算机，能跟踪潮汐或果蝇的每个基本粒子的历史，那堆积如山的计算结果也没多大用处，我们仍然不知道那水是不是湍流，那果蝇是否还活着。

没有理由认为科学解释的会聚必然导致科学方法的合流。不论我们从基本粒子那儿学会什么，热力学、混沌和群落生物学还将继续说自己的语言，遵从各自的法则。正如化学家霍夫曼（Roald Hoffman）说的，“大多数有用的化学概念……是不精确的。当归结到物理学时，它们都将趋于消失。” 普里玛斯（Hans Primas）在批评那些想把化学还原为物理学的人时，曾列举了一些可能在那种还原中失去的有用的化学概念：化合价、键结构、定域轨道、芳香性、酸性、色、味和防水性。 如果化学家们认为这些东西有用或者有趣，我不知道有什么理由不让他们继续那样说下去。但是，他们能继续那么做，也不能怀疑这样的事实：一切化学概念之所以那样，原因在于背后的关于电子、质子和中子的量子力学。像泡林（Linus Pauling）讲的，“从基本理论说，化学没有哪个部分不依赖于量子理论。”

我们想用解释的箭头把所有经验领域与物理学原理联系起来，但是在人类的意识问题上，我们遭遇了最大的困难。我们能直接知道自己的意识活动，不需要凭借任何感觉的中介，那如何能够把它带进物理学和化学的领地呢？在剑桥大学做过卡文迪什（Cavendish）讲座教授（那曾是麦克斯韦的讲席）的物理学家皮帕尔德（Brian Pippard）这样说过：“要理论物理学家从物理学原理导出某个复杂结构知道其自身的存在，即使有了无限能力的计算机，也肯定是不可能的。”

我得承认，这个问题在我看来是很可怕的，我对这种事情没有一点儿专门的经验。不过，我想我不同意皮帕尔德和其他同样立场者们的观点。显然存在着某种与意识相关的东西，文艺批评家可能称之为客观；当我的意识思想发生改变时，我发觉头脑和身体里会有相关的物理学和化学的变化（可能是原因，也可能是结果）。高兴的时候我想笑；激动的时候我热血沸腾；一觉醒来，我的大脑会出现跟睡时不同的电波；有时候我还讲自己的思想。这些本身都不是意识，我不可能用微笑或脑电波或荷尔蒙或语言来表达什么东西感觉起来像幸福或悲伤。不过，暂时把意识放到一边，我们有理由假定这些与意识相关的客体可以用科学的方法来研究，最终也能用大脑和身体的物理学和化学来解释。（我说“解释”，不一定意味着我们能预言每一件事情，但我们能明白为什么微笑，为什么脑电波和荷尔蒙是那样活动的——这就像我们尽管不能预言下个月的天气，但还是知道天气为什么是那样的。）

在皮帕尔德自己的剑桥，有一个以生物学家布雷纳（Sydney Brenner）为首的生物学家小组，他们已经完成了一种小线虫（C.Elegans）的神经系统网络图，因此，在一定意义上他们也有了理解那种小虫的一切行为的基础。（到现在我们还缺少一样东西，就是以这个网络图为基础的能产生我们观察到的线虫行为的模型。）当然，虫不是人。但在虫与人之间，包括昆虫、鱼、老鼠和猿，动物的神经系统是连续地从简单趋向复杂的。哪里是它们的界线呢？ [10]

假如我们要从物理学（包括化学）认识与意识相关的客体，而且还会懂得它们如何演化成现在的样子，那么，我们有理由希望，在这些与意识相关的客体得到解释以后，我们会在解释的某个地方发现某个生成信息的物理系统，那信息正好相应于我们对意识的感觉，也就是赖尔（Gilbert Ryle）所谓的“机器里的魔鬼”。 那可能不是意识的解释，但离解释也很近了。

关于基本粒子的任何新发现未必能够促进其他科学领域的进步。但是，我在这里并不太关心科学家做了什么，因为那不可避免地反映了人类的极限和人们兴趣的局限；我更多关心的是建立在自然本身的逻辑秩序（这一点我已经说过了，现在重复一遍；以后还要说）。正是在这个意义上，我们才能说物理学的分支（如热力学）跟其他科学（如化学和生物学）都建立在更深层的定律之上，特别是在基本粒子物理学的定律上面。

我这里说自然的逻辑秩序，是站在哲学史家所谓的“实在论者”的立场——那当然不是现代意义的现实主义者，只讲现实，没有幻想；而是一个古老的信念，相信抽象概念的实在性。 中世纪的实在论者相信柏拉图形式的共相实在性， 而反对像奥卡姆的威廉（William of Ockham） 那样的唯名论者；唯名论者认为概念不过只是名字而已。（我的“实在论者”的用法，也许会令我喜欢的一个作者高兴——维多利亚时代的吉辛，他曾希望“除了经院哲学的作家们所赋予的恰当意义而外， realism 和 realist 大概不会再被人使用了。” ）我当然不想站到柏拉图一边去争论。我这里讲的是为了自然定律的实在性——与现代实证论者相反，他们认为只有直接观察到的东西才是实在的。

当我们说一样东西是实在的，那只不过表达了某种尊重。我们的意思是，那样的东西必须认真看待，因为它可能以我们不能完全控制的方式影响我们；而且，如果不付出超乎想象的努力，我们不可能认识它。举一个哲学家们喜欢的例子，如我坐着的椅子，对它来说正是那样的；当我们说“椅子是真实的”时，只不过表达了我们的某个意思，并不构成椅子是实在的证据。作为物理学家，我认为科学解释和科学定律本来就是那样，并不能随我的脚步构造出来。所以，我与这些定律的关系跟我与椅子的关系没有多少不同，于是我说自然定律（我们现在的定律只是它的近似）也是实在的。当某个自然定律不是我们想的那样时，这种说法会更有力量，就像我们发现那椅子不在原来的地方。不过我承认，我对“实在”的情愿，有点儿像劳埃德·乔治（Lloyd George）喜欢高贵的头衔； 从这里可以看出，在我看来一个名称不会产生多少差别。

如果我们跟遥远行星的其他智慧生命联络——他们也发现了自然现象的解释——那么关于自然定律的实在性的讨论也许会变得不那么有学术味儿。地外生命会发现跟我们一样的自然律吗？不论他们发现什么样的定律，当然都以不同的语言和概念来表达，但我们还是要看他们的定律与我们的定律是否存在某种对应。如果有，那就很难否定这些定律的客观实在性了。

当然我们不知道会是什么答案，不过我们已经看到了类似的问题在地球上有了小尺度的证明。我们所说的现代物理科学恰好是16世纪末在欧洲兴起的，怀疑自然律的实在性的人可能以为，既然世界不同地域的人有各自的语言和宗教，那么他们也应有自己的科学传统，从而最终产生完全不同于欧洲的物理学。当然不是那么回事：现代日本和印度的物理学同欧洲、美洲的物理学是一样的。我承认，这点论证不能完全令人满意，因为不论是军队组织还是牛仔裤，整个世界在其他方面都受过西方文明的重大影响。然而，我在筑波和孟买的研讨班听过量子场论和弱相互作用的讨论，那经历使我深深地感到，物理学定律有其自身的存在形式。

科学解释最终要会聚到一起，这个发现对科学家以外的人也有着深远的意义。在科学主流的两岸，孤零零地散布着一些小池塘，中庸一点，我大概可以说它们是“潜科学”，如看星相的、算命的、隔墙取东西的、心灵感应的以及特创宇宙之类的东西。如果其中哪样东西得到了证实，那将是世纪大发现，比如今进行的任何一样普通的物理学工作都更重要，也更激动人心。那么，假如有什么教授、电影明星或者时尚图书宣布某个“潜科学”找到证据了，思想健全的公民该得出什么结论呢？

现在，一般的答案是，那些证据必须以开放的思维来检验，而不能拿预先的理论概念来评判。我认为这个答案没什么作用，不过这种观点似乎很普遍。我在一次电视访谈中说过，相信占星术就背离了一切现代科学。 后来，我收到一封礼貌的来信，写信的曾是新泽西的化学家和冶金学家，他来信批评我，说我没有研究占星术的证据。安德森最近也有同样的遭遇。 他不相信什么“千里眼”和心灵感应，结果受到普林斯顿的同事贾汉（Robert Jahn）的反驳——那时正在做他所谓的“与意识有关的反常现象”的实验。 [11] 贾汉抱怨说，“尽管他（安德森）的办公室离我只有几百米，他却没来过我们的实验室，没跟我直接讨论过他的想法，甚至显然没有用心读过一篇我们的专业论文。”

贾汉和新泽西的那位化学家以及他们的同路人忽略了一样东西，那就是科学知识的关联。我们并不是什么都懂了，但我们懂的东西足以使我们相信在我们的世界里没有心灵感应或占星术的落脚点。什么样的从头脑发出的信号能移动遥远的物体却不能影响附近的科学仪器？占星术的捍卫者们有时提出不容置疑的产生潮汐的日月效应，但其他行星的引力场效应却太小了，不可能在地球海洋产生可观测的效应，更不可能影响像人那样的小东西（我不想对此多说什么，不过同样的话也适用其他用标准科学去解释那些“潜科学”的尝试）。 [12] 不论什么情形，占星家们所预言的不是那种来自某些微妙的引力效应的关系；占星家们不但宣扬行星的一定排列形式影响地球生命，而且宣扬它们对不同出生年月和时刻的人有着不同的影响！实际上，我想大多数相信占星术的人也不会认为它那样活动是因为引力或者其他物理的原因；我想，他们相信占星术是一门独立自主的科学，有自己的基本定律，不需要物理学或别的东西来解释。我们发现的科学解释图景的一大功绩就在于它向我们证明了，没有那样的自主的科学。

不过，我们难道不应该检验占星术、心灵感应或其他诸如此类的东西吗？——那样我们才能确信真没有与它们相关的东西。我一点儿也不反对别人去检验任何他喜欢的东西，但我不想解释为什么自己不做，也不向别人推荐那些事情。我们时刻会遇到许多新奇的可以追求下去的思想：不单是占星术之类的东西，还有许多离科学主流更近的思想以及其他堂堂正正在现代科学研究领域内的东西。说所有这些思想都必须彻底检验是没有意义的；没那么多时间。我每个星期会收到大约50篇粒子物理和天体物理的文稿，还有些文章和信件是关于各种“潜科学”的。即使我什么事情也不做，也不可能公正地评判这些思想。那我该怎么做呢？不光科学家，其实每个人都会遇到类似的问题。对所有的人来说，最好的判断只能是有些（也许是大多数）思想是不值得探究的。我们这样判断的最大帮助还是来自我们发现的科学解释的模式。

16世纪，在墨西哥的西班牙殖民者开始向北进入得克萨斯，他们听说那里有几个满地黄金的城市——Cibola七城。那时这话并不是没有道理。很少有人去过得克萨斯，每个人都可能以为那里有数不清的奇遇。但是，如果今天谁报告说在现代的得克萨斯的某个地方有7座黄金城，你会当真去探险，寻遍红河和里奥格兰德之间的每个角落，去找那些城市吗？我想，你会做出决断的：我们对得克萨斯已经了解得够多了，许多事情都探寻过、明白了，根本不值得去找那些神秘的黄金城。同样，我们发现的那幅连通和会聚的科学解释图景告诉我们，在大自然没有占星术，没有心灵感应，也没有特创的宇宙或其他任何迷信的东西。 Ji/UJ/HX4fhlmkrJy9JT9wauZJjXB5DRKjpwosDnDcWZZvv5nx435e1xZDIE2BJx