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如果仔细研究一下人类历史，我们就能发现很多早期文明中人类对外界的影响和感知的差异。有种说法认为，人类是一种以自我为中心的、自私的、崇尚利己主义的生物，人类往往只考虑自己的利益和好处。这种说法一方面是对的，但另一方面，所有的人类文明都清楚自己有多依赖自然。过去，人类常常感受到来自自然的威胁和危险，于是尽一切努力来保护自己免受自然侵害，并使自己尽可能摆脱对自然的依赖。而在现代社会中，个人和个体性被强调，许多人因此忽略了自己与周围世界的联系。所以，我们现代人更应该抬头看看天空，更应该知悉，我们所了解的自然法则不仅适用于地球，而且适用于整个宇宙。反之亦然，在宇宙有效的自然法则，也一定适用于我们的地球。这些自然法则给我们划定了一个界限，也就是万事的可行性边界。
在当今这个时代，自然科学研究仍然以不断进步作为信仰，研究边界似乎不该是自然科学家该做的事。有趣的是，从某种意义上来讲，物理学就是一门关于边界的科学。正是由于物理学发现了始终有效的，即永恒的自然法则，物理学家才了解了可行性边界在哪里。因此，物理学家知道某些想法只可能存在于想象中，在现实中是不可能实现的。
物理学的发展始于人类最重要的发现之一：自然界中有些事物重复出现。某些东西不断出现，又不断消失。它们出现后，经历一个发展的过程，然后走向终点，这个终点显然只是暂时的。它们再次出现并一遍又一遍地重复上述过程。不只是太阳和月亮，天空中的某些星座也来了又去。天空中这些天体周而复始的运动是日历和时钟的起源，尽管它们的运动不算精确并且总是有些波动。这些天体周期性的重复运动对所有人类文明都非常重要，并且无疑有助于唤醒人类对大自然的信任——对这样一个早期人类和后来的古文明都无法影响的生存环境的信任。信任是万事的前提，对人类积极的活动以及有意义的、服务于子孙后代的行为来说，信任尤其重要。毕竟谁愿意在沙地上建房呢？人类只要知道世界虽然有波动但也有自己稳定的节奏，就能相信未来。所有已出土的几千年前宗教仪式的文物都说明了一件事，即人类感到自己承受着来自自然的非难，因此试图安抚神灵，向神灵献祭，并尊重一切代表自然力量的事物。出于毫无根据的恐惧，地上和天上周而复始的现象使人类尊重自然。人类从恐惧中生出谦卑，于是获得了与自然周旋的余地，渐渐拥有了一片片行动领域，并利用自己的知识为自己和同类谋求福祉。
今天，我们对周围的世界和我们自己有了更多的了解，我们的行动范围已大大扩大。我们不仅知道太阳东升西落是地球自转的缘故，而且也知道太阳照耀着地球上的每个人。这些都是古代文明所不知道的。所有的文明都声称自己是世界的中心，自己的圣地和神灵是最重要的，因为它们保证了世界的稳定。文明的相遇常常让当时的人们感到意外，因为这危及了他们世界观的稳定。危险使人感到恐惧，所以当时人们的反应很可能是惊恐和激进。对过去的文明而言，周而复始出现的事物及重复的稳定性至关重要，几乎能够决定人类的存亡。人们意识到，天象周而复始，与之相伴的是，地球上的某些事物也在周而复始出现。这种认知导致地球上出现了沿着大型河流而建的治水社会。这种社会的特点是水由堤坝和灌溉系统来控制和存储，因此人们可以一直享用水资源。当雨季来临时，洪水泛滥，而土地无法接纳如此大的水量；当洪水退去时，土地又会因为缺水而变得干旱。因此在古埃及，人们就想到可以在水资源丰沛时将其收集起来备用，比如在旱季时将储存的水用于农业灌溉。
人类能取得如此根本性的进步，得益于人们对天空中反复出现的现象的精确观察。天上的事与我们地上的事是有关联的——在这一点上，我们与我们5 000年前的祖先达成了一致。我们如今能够向他们解释这样或者那样的现象周而复始出现的原因，比如我们可以告诉他们：我们生活在一个自转的行星——地球上，月亮绕着地球转，而地球和月亮一起绕着一个共同的中心——太阳转。但是，在他们那个时代，肯定没有人相信我们。只有在几千年后，我们才能遇到相信这些解释的人。我相信，如果我们有机会与我们的祖先对话，那么在大多数情况下，我们只会从我们的祖先那里收获嘲笑、不理解和拒绝，因为要理解我们所说的话，需要进行很多抽象能力和自然科学思维的训练。即使在今天，这样的事实仍然会受到一些质疑。实证研究对待和检验客观事实的方式对我们自身的要求很高，因为我们人类不是客体，而是文化背景、出身和生活经历彼此不同的主体。要想沉浸在抽象的客观事实的世界中，我们不仅需要想象力和反思能力，而且需要信任测量方法和计算方法。人们不太喜欢去了解描述自然的、清醒的、无视主体的内容，而是更喜欢追求描述生命意义的神秘图像与想象。这就是为什么我们必须小心对待纯自然科学的结论。
委内瑞拉的一位女天文学家在探访哥伦比亚雨林中的一个部落时，深刻体验到了科学世界观是如何对人产生深远影响的。这是一个令人印象深刻的例子。这个部落提前知晓了她的来访。她带来了地球、月亮和太阳的模型，并向孩子们解释了月亮如何绕地球转动以及地球如何绕太阳转动。她与孩子们的互动是在部落广场进行的。当时，不仅孩子们，他们的母亲、父亲以及邻近部落的一位来访者都听得很认真。这位来访者身份特殊，因为她是一位萨满。她在自己的部落中负责医治病人，还负责解释日食等自然现象。女天文学家对天体运动的讲解让这位萨满大吃一惊，尤其是当她听到有关日食的解释时。这位雨林中的医生听完女天文学家的话后，走近她，出于感激亲吻了她的脚。这位萨满返回部落后可以向所有人解释，日食没什么可怕的。对他们来说，科学带来了世界稳定的好消息……
我们又是如何想到宇宙中是存在自然法则的呢？它们是用什么语言写的？难道是大自然母亲用母语告诉我们的吗？自然法则又是如何让我们知道的呢？我们是如何得知，宇宙中的力在相似条件下作用相似，而如果作用不同，则一定是条件不同？要知道这些，可是不小的挑战。
在几千年前的治水社会，人们就知道水会反复地淹没田地，然后又再次退去。因此，对他们来说存在这样两种状态：水来了，水去了。这样的话，计数和度量就很重要。他们计算田间有水的日子和没水的日子，他们计算水会停留多长时间，他们还测量水位以计算水何时退去。人们开始用数字衡量整个世界。这就构成了我们世代相传的一个认知能够出现的前提：自然界中存在可以被计算的事物，以及可以用数字来表达的关系。
可被数学化是自然的一种非常特殊的性质。数学可以将具体的对象，比如动物、日子和水位等，转化为抽象的对象，即数字。在自然界中，只要是有形的、重复出现的东西，都可以以数字的形式被记录下来。数学是一门研究结构的科学，它研究各种逻辑结构，包括那些实际不一定存在的逻辑结构。而物理学是一门实用科学，更确切地说，是一门自然科学。在物理学中，数学被用作描述工具。也许我们发现的现象和规律本身就类似于一种语言。我们以实验和观测的形式提出数学问题，收到的也是货真价实的数学答案。伽利略曾说上帝是一位数学家，所以自然这部伟大的书是用数学语言写成的。至少对经验科学，或叫实证科学，也即自然科学来说，数学就是方法论。自然科学不以主观的个人经验为出发点，而是以每个人都可以理解的并可以用数字来表达的事实和客观经验为出发点。
治水社会出现了数学后，人类就掌握了一种有效且重要的描述世界的方法。当自然科学将数学作为语言并对其加以发展时，就是在进行信息压缩。也就是说，数学用自己的表达方式和公式将很多可能性压缩在了一起，比如基本的四则运算，只需几个字符，我们就可以进行加减乘除。而对不了解字符含义的人来说，它们看起来就像是埃及的象形文字。
如今，我们在数学上取得了很大的进步，所以可以用数学符号来表示更复杂的运算：积分在数学上表示求和，比如在计算体积时可以使用；对于一个非常小的点，则可以使用微分；曲面或超曲面可以用张量来描述。从过去六七千年文明的角度来看，这些都是非常遥远的未来才有的压缩方法。古代的人们关注的主要是几何问题，因为那时的人们常常要对土地面积进行测量。人们关心的是，被淹没的土地重新变干燥之后，要如何再次对其进行测量、划分。
当我们谈论自然法则时，我们并不是在谈论古代伟大文明的法典中的法规，比如美索不达米亚（位于今伊拉克）的《汉穆拉比法典》。这部法典中有一条野蛮的法规，即“以眼还眼，以牙还牙”。这是一条由人类制订的行为准则，因为它来自国王，所以就成了法规，而它并不是自然法则。实际上，它只能算一条规则，而且这条规则本身允许被打破。这条法规从根本上来说，就是一个包含“如果……那么……”的陈述句。这句话的意思就是：如果你被打了，那么你可以打回去。而之后有一个叫耶稣的人定下了另一条规则：有人打你的右脸，你连左脸也转过来由他打。
自然法则是在我们和我们的语言都还不存在时，就已经生效的法则。数学并不是自然法则存在的先决条件，只是我们必须得借助于数学才能找到这些自然法则。关于自然法则的争议其实一直都存在，这就是：自然法则是否确实存在，或者它们只是帮助我们与自然相处得更和谐的一种手段？我的立场非常——应该如何形容呢——朴实：自然法则确实存在，即使我自己和世界上其他所有人都不存在，自然法则也是存在的。即使到那时，物理学发现的法则，比如核聚变、太阳如何释放能量、放射性辐射如何摧毁物质、光与物质的相互作用等，也仍然有效。无论有人没人，万物的运行都不会停止。如果我能穿越回治水社会，并且有机会参与那些测量、计数、记录、制作图表的工作，那么同样的自然法则在当时就能够像今天一样被人们所了解。
自然法则不是为了人类而存在的，而是一直都存在。它们是稳定的，且适用于宇宙中的任何地方。也就是说，宇宙是一切存在的先决条件，它为行星上生命的诞生与演化提供了框架。如果宇宙的框架有所改变，地球上当然有可能演化出其他类型的生物。
在本章的最后，让我们一起来看一看我们的星球：这里都居住着什么样的生物呢？地球上的所有生物中，有些生物比我们人类要大得多，比如大象、长颈鹿、鲸鱼……更不用说曾经存在过的恐龙了；此外还有各种各样的植物，它们大多也比人类高大。一个有趣的事实是，陆地上的植物比水中的植物具有更高的多样性，这表明陆地上物种多样性的发展潜力更大。也许其中一个原因是，陆地上生物演化多样性的压力更大一些。这可能与陆地上有更多的能量有关，因为太阳在离我们约1.5亿千米的地方发生着核聚变，由此释放了很多能量，这些能量又能够被陆地上的植物和细菌通过光合作用而加以利用，从而维持生命。
陆地植物的演化乍一看像一个谜团。因为很长一段时间以来，植物只生活在水中，而水可以为植物提供天堂般的生活条件：水可以为植物提供保护和养分。这意味着，一方面，水中植物不必为了从土壤中吸收养分而演化出任何特殊的细胞；另一方面，植物在水中也不必担心自己会变干。而陆地上的植物必须学会保护自己免受阳光的伤害，也就必须为此而进行演化。植物为什么宁愿演化也要走上陆地呢？因为植物在陆地上的光能利用率大于在水中的，植物走上陆地完全是出自对能量的渴求。正是对新事物的渴求导致生命演化呈现不可估量的多样性。
动植物的演化始于数十亿年前。那时，世界上最早的生物，也就是古菌开始演化。古菌是嗜极生物，可能是地球上最原始的生物，因为它们能够在非常恶劣的环境中存活。我们今天认识的嗜极生物可以在120℃的硝酸中舒适地沐浴。在古菌之外，还出现了细菌，即没有细胞核的细胞，并且细菌与古菌融合产生了新的融合体，即真核生物。人类以及所有进一步演化出的生物都属于真核生物。在真核生物的世界中，出现了一种非常特殊的演化形式，即两种生物可以共同创造出一种新的生物。这样一来，物种多样性程度又随之提高了。因此，我们可以看到，宇宙以一种稳定的形式存在（这也是我们能够存在的先决条件），而且具有在已有事物的基础上持续创新的可能性。宇宙是一个自我稳定的自我组织过程，而我们人类就是其中的一部分。