迄今为止,科学家已经揭示了多少物质世界的奥秘?

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围绕“世界有什么”“世界是如何变成这样的”这两个问题,2004年诺贝尔物理学奖得主维尔切克在《万物原理》中,揭示了十项洞见,告诉人们可以从物理世界的研究中学到哪些最基本的原理——了解“发现它们”的思维方式,得到生活上的启示。

维尔切克鼓励人们以“重生婴儿”的姿态重新认识物质世界。他先从空间、时间、物质的构成、万物运动的规律、材料和能源、宇宙的演化、复杂性的出现、感知能力的扩展八个方面介绍了人类已经取得的科学成就,对人工智能、神经生物学等多个领域的发展给出了自己的预测。

与此同时,维尔切克结合自己多年的研究经验,建议人们以互补性的思维方式来看待身处的现实世界——我们从不同的角度思考同一个事物的时候,似乎会发现它同时具有不同的性质,甚至是相互矛盾的性质。维尔切克表示:“这种态度让我大开眼界、受益良多。它真的改变了我的思考方式,并且让我变得更加强大:想象力更加开放,也更加兼收并蓄。”

以下内容经出版方授权节选自《万物原理》一书,内容有删减,标题为摘编者所起。

原文作者丨[美]弗兰克·维尔切克

摘编丨何也

《万物原理》,[美]弗兰克·维尔切克 著,柏江竹、高苹 译,中信出版集团,2022年1月。

宇宙是一个奇怪的地方。

对新生婴儿来说,世界呈现出一堆杂乱而令人困惑的印象。在整理这些印象的过程中,一个婴儿很快学会了区分来自内部世界和外部世界的信息。内部世界既包括诸如饥饿、痛苦、幸福和困倦的感受,也包括梦中的阴曹地府。这其中也有来自内心的想法,这些想法引导着她凝视、抓取东西和随后学会说话。

外部世界是通过智力精心构造而成的。婴儿要花大量时间来完成这一建构。她学会通过自己的感知识别出稳定的模式,这些模式不像她自己的身体那样可以对自己的想法做出可靠的反应。她把这些模式整合到物体中,并了解到这些物体的行为有某种可预测性。

最终,婴儿长成小孩,开始意识到一些物体是和她自己相似的生物,而且她还可以与之交流。在和这些生物交换信息之后,她确信他们也体验到了内部和外部世界,而且重要的是她和其他生物认识到的许多物体都是相同的,这些物体都遵循相同的规律。

理解如何控制共同的外部世界,即物理世界,在许多方面当然是一个至关重要的实践问题。例如,为了在狩猎采集的社会里茁壮成长,小孩必须学会在何处找水,了解哪种植物和动物可以吃,以及如何寻找、养殖或捕猎它们,知道如何准备和烹饪食物,以及许多其他事实和技能。

在更复杂的社会里,还会出现别的挑战,例如如何制作专门的工具、如何修建耐用的结构,以及如何记录时间。对于物理世界提出的问题,一代又一代的人发现了成功的解决方案,这些知识被不断分享和积累,成为每个社会中的“技术”。

非科学的社会常常发展出丰富而复杂的技术。一些技术令人们得以在像北极或卡拉哈里沙漠那样的艰苦环境中繁衍发展,而且至今仍在发挥作用。还有一些技术帮助人们建造了巨大的城市和引人注目的纪念碑,例如埃及和中美洲的金字塔。

但是,在科学方法出现之前的绝大部分人类历史中,技术的发展是没有计划的。成功技术的出现,多多少少都是出于偶然。一旦被偶然发现,它们就以非常具体的程序、仪式和传统的形式被人们所传承。它们并没有形成逻辑体系,人们也没有通过系统的工作来改进它们。

基于经验法则的技术使得人们可以生存、繁衍并时常享受闲暇,过着令人满意的生活。在大多数文化和历史中,对大多数人来说,这就足够了。人们无法知道他们错过了什么,也不会知道他们错过的东西可能对他们很重要。

理解世界的现代方法出现在17世纪的欧洲

但是我们现在知道,他们错过了很多。

理解世界的现代方法出现在17世纪的欧洲。早前,在其他地方也出现过科学诞生的先兆,但直到17世纪的欧洲,被称作“科学革命”的一系列鼓舞人心的突破才真正说明了人类心灵创造性地参与到物理世界中能实现什么,而且产生这些突破的方法和态度也为人类未来的探索提供了清晰的模型。有了这种推动力,我们所知的科学才真正开始。它再也没有回头。

17世纪,人们在多个前沿学科的理论上和技术上取得了令人激动的进步,包括机械设备和轮船、光学仪器(包括意义重大的显微镜和望远镜)、钟表和历法等。一个直接的结果是,人们可以驾驭更大的力量,看见更多的东西,更可靠地规划事情。但造就了所谓“科学革命”的独特性,并使其名副其实的本质原因,却不那么直接可感。它是一种观念上的改变:一颗新的雄心和一种新的自信。

电影《爱因斯坦与爱丁顿》(2008)剧照。

开普勒、伽利略和牛顿发展的科学方法既保有了尊重事实和向大自然学习的谦逊准则,但这种方法又提倡人们大胆地将所学的知识应用到任何地方,甚至超出了原始证据所在范围。如果它有效,你就发现了有用的东西;如果它无效,你也学到了重要的东西。我将这种态度称作“激进的保守主义”。对我来说,它是“科学革命”的本质创新。

激进的保守主义是保守的,因为它让我们向大自然学习并尊重事实,这是科学方法的关键特征。但它也是激进的,因为它让你拼命把所学到的一切知识外推到别的情况下。这正是科学实际运作的本质,它为科学提供了前沿。

这种新的观念的灵感主要来自一个学科,这个学科甚至在17 世纪就已经有了深厚的传统和良好的发展:天体力学,即描述天空中的物体如何运动的学科。

远在有历史记载之前,人们就已经意识到诸如日夜交替、四季循环、月相盈亏和星辰排列的规律。随着农业的兴起,为了在最恰当的时间种植和丰收,记录季节变得非常关键。精确观测天体位置的另一个强大(但误入歧途)的动机——占星学——来自人类生命与宇宙的节奏直接相连的信念。无论如何,出于各种原因(也包括单纯的好奇),人们仔细地研究了天空。

结果表明,绝大多数星星都以一种合理简单、可预测的方式运动。今天,我们将星星在我们眼中的运动解释为地球绕自己的轴旋转的结果。恒星距离我们太过遥远,所以它们在距离上相对微小的改变对裸眼都不可见,无论改变来自它们自身的运动还是地球围绕太阳的运动。然而一些例外的天体并不遵循这个模式,它们是太阳、月亮和一些“漫游者”,包括裸眼可见的水星、金星、火星、木星和土星。

怎样解决世界如何运行的宏大问题?

古代天文学家经过数代人的努力,记录了这些特殊天体的位置,最终学会了如何比较精确地预测它们的变化。这项任务需要进行几何学和三角学计算,遵循复杂但完全确定的方法。托勒密(约100—约170)把这些材料总结到一本叫作《至大论》(Almagest,又译《天文学大成》)的数学著作中——Magest在希腊语中是最高级,意思“最伟大的”。它和英语中的majestic(意为“宏伟的”)有相同的词根,Al只是阿拉伯语中的定冠词,类似于英语中的the。

托勒密的综合论述是一个杰出的成就,但它有两个缺点。一是它非常复杂,因而看上去十分丑陋。特别是,用来计算行星运动的方法引入了许多纯粹由拟合计算和观测得到的数字,却没有更深刻的指导性原则将它们联系起来。哥白尼(1473—1543)注意到其中某些数字的值可以通过惊人的简单方式相互联系在一起。这些神秘的“巧合的”关系可以用几何来解释,前提是我们假设地球、金星、火星、木星和土星都以太阳为中心旋转(月球进一步围绕地球旋转)。

托勒密的综合论述的第二个缺点更加直接:它就是不精确。第谷·布拉赫(1546—1601)做了类似于今天的“大科学”的工作,设计了精密的仪器,花大量的钱修建了一座天文台,大大提高了对行星位置的观测结果的精确度。新的观测结果与托勒密的预言存在无可置疑的偏差。

约翰内斯·开普勒(1571—1630)想创造一个既简单又精确的行星运动几何模型。他吸收了哥白尼的想法,并对托勒密的模型做出了其他重要技术变革。尤其是,他允许围绕太阳的行星轨道偏离简单的圆形,代之以椭圆形,以太阳为一个焦点。他也允许行星围绕太阳运转的速率随它们与太阳的距离而变化,变化规律是它们在相同时间内扫过相同的面积。经过这些改革之后,这个系统简单多了,也更准确了。

与此同时,把目光转回地球表面,伽利略·伽利雷(1564—1642)仔细研究了简单形式的运动,例如球如何滚下斜面和钟摆如何摆动。这些对位置和时间计数的平凡研究看起来似乎完全不足以解决世界如何运行的宏大问题。对于伽利略那些关注宏大哲学问题的大多数学术同僚而言,这些问题看起来当然微不足道。但是伽利略渴望建立一种理解世界的新方式。他想要精确地理解某件事,而不是模糊地理解所有事。他要寻找确切的数学公式,以完全描述他平凡的观察结果,而他最终也找到了。

解释所有的自然规律是一个过于艰难的任务

艾萨克·牛顿(1643—1727)将开普勒的行星运动几何学与伽利略对地球上运动的动力学描述结合在了一起。他证明开普勒的行星运动理论和伽利略的特殊运动理论都可以被理解为某种一般定律的特殊情况,这些一般定律适用于任何时间、任何地点的所有物体。这些一般定律现在被我们称为经典力学的牛顿理论,它不断取得成功,如解释了地球潮汐、预测了彗星轨迹,以及创造了新的工程奇迹。

牛顿的工作令人信服地表明,我们可以通过详细研究简单情形来解决宏大问题。牛顿将这个方法称为分析和综合。它是科学的激进的保守主义的原型。

这是牛顿自己对这个方法的看法:

在自然哲学里,和数学一样,用分析方法研究困难的事物,应当总是先于综合的方法。这种分析包括做实验和观察,并用归纳法从中引出普遍结论……用这样的分析方法,我们就可以将复合物拆解为各个成分,从运动追溯到产生运动的力;一般地说,从结果到原因,从特殊原因到普遍原因,一直到论证终结于最普遍的情况。这就是分析的方法。而综合的方法则假定原因已经找到,并且已被确立为原则,再用这些原则去解释此前出现的现象,并证明这些解释。

在我们介绍完牛顿之前,似乎适合再加上另一段引文,这段引文反映了牛顿与他的前辈伽利略和开普勒,以及与所有我们这些追随他们脚步的人之间的亲缘关系:

对任何一个人甚至任何一个时代,要解释所有的自然规律都是一个过于艰难的任务。所以最好做一点儿精确的工作,然后将剩下的留给后人。

电影《万物理论》(2014)剧照。

现代信息科学的先锋之一约翰·R.皮尔斯(John R. Pierce)有一段时间上更为新近的引文,漂亮地抓住了现代科学对世界的理解方式与所有其他方法之间的明显差异:

我们要求我们的理论能解释非常广泛的现象,且在细节上都和谐一致。我们还坚持让它们为我们提供有用的指引,而不仅仅是把观察到的现象合理化。

皮尔斯深刻地意识到,提高这方面的标准要付出痛苦的代价。它意味着我们丧失了天真。“我们永远无法像希腊哲学家那样理解自然了……我们知道得太多了。”我认为,这个代价也不算太高。无论如何,开弓没有回头箭。

科学所揭示的物理世界的范围,需要“重生”才能发现

不管是可见的宇宙还是人类的大脑,当我们说某种东西很大的时候,我们得问问:相较于何物?最自然的参照便是人类日常生活的范围,这是我们自孩提时便建立的第一个世界模型的背景。而由科学所揭示的物理世界的范围,则需要我们“重生”才能发现。

电影《爱因斯坦与爱丁顿》(2008)剧照。

按照日常生活的标准,外在的世界浩瀚无垠。如果我们在晴朗的晚上仰望繁星点点的夜空,便能直觉到这种外在的丰富。我们无须做任何细致的分析,便能感到宇宙之大远远超越了我们人类的身体以及可能旅行的距离。科学的理解不仅支持这种旷巨之感,而且进一步扩展了它。

世界的这个尺度会让人感到不知所措。法国数学家、物理学家和宗教哲学家布莱兹·帕斯卡(1623—1662)便心怀此念并深受折磨。他写道:“宇宙通过空间囊括了我,吞没了我,使我犹如一个原子。”

这种类似于“寄蜉蝣于天地,渺沧海之一粟”的哀思是文学、哲学和神学中普遍的主题,它们出现在许多祷词和圣歌中。当我们用尺寸来衡量的时候,这种哀思是人类对自身之于宇宙微不足道的自然反应。

然而尺寸并非全部。我们内在的丰富虽然不那么显而易见,但其深邃渊博较之于外在丝毫不逊。我们从另一个极端自下而上地思考事物,便会发现这一点。微观世界有无垠的空间。在所有事关紧要之处,我们非常之大。

我们小学就学过,物质的基本结构单元是原子和分子。从这些单元来看,一个人的身体是巨大的。一个人的身体里包含的原子数量大概是1028个——1后面跟了28 个0:10 000 000 000 000 000 000 000 000 000。

这个数字远远超过了我们可以设想的范围。我们可以将其命名为“穰”,然后经过一些教学和练习,我们可以学会用它来计算。不过,由于我们绝无可能数到这么大的数,它便压倒了我们基于日常经验的直觉。设想如此多个点远远超出了我们大脑的承载能力。

在明朗无月的夜晚,我们裸眼可见的恒星数量最多也就几千颗。而另一方面,我们体内的原子总数有“一穰”,大概是整个可见宇宙中恒星数量的一百万倍。在这个非常具体的意义上, 可以说有一个宇宙栖居于我们内部。

伟大的美国诗人沃尔特·惠特曼(1819—1892)本能地觉察到了我们内在之大。在他的《自我之歌》中,他写道:“我心胸宽广,包罗万象。”惠特曼对内在之丰富的欢乐赞颂与帕斯卡对宇宙的羡慕一样,都基于客观事实,但前者与我们的实际体验更息息相关。

世界很大,但我们并不小。更准确地说,无论尺度放大还是缩小,都存在丰富的空间。我们不应该仅仅因为宇宙之大就羡慕它。我们亦很大。确切来说,我们大到足以将整个外在宇宙置于思维之中。帕斯卡也从这种洞见中获得了宽慰。在他发出“宇宙通过空间囊括了我,吞没了我,使我犹如一个原子”的哀叹之后,他自我安慰地写道:“通过思想,我囊括了整个宇宙。”

原文作者丨[美]弗兰克·维尔切克

摘编丨何也

编辑丨刘亚光、罗东

导语部分校对丨赵琳