推动丛书物理系列：不同的宇宙罗伯特|B.劳克林

前言

江河都往海里流，海却不满。

江河从何处流，仍归还何处。

——《圣经 ·传道书1：7》

人类心中存有两种相互冲突的原始冲动 ——一个是要将事物简化到其基本要素，另一个则要透过这些基本要素看出其更重要的意义。我们所有人都生活在这种矛盾中，一次又一次地沉思着这些问题。例如，在海边，我们大部分人都会陷入对世界竟如此壮观的联翩浮想之中，而实际上，大海不过就是一个充满水的深坑。关于这方面的大量的文学作品 ——有些已是相当古老 ——常常通过道德，或是通过宗教和世俗之间的张力来表现这种冲突。因此，像工程师那样将大海看得简单而有限，就显得愚昧和原始，而将它视为一种无尽的、存在各种可能性的源泉，就显得崇高和富于人性。

但这种冲突并不仅限于感知上的，它也表现在物理上。自然界既被认为是由要素组成的，又被看成是由出自这些要素的强有力的组织原理掌控的。这些原理是至高无上的，因为即使要素发生变化，这些原理也是始终不变的。我们关于自然的这种矛盾的认识反映了自然本身的矛盾性，这种矛盾性由基本要素和这些要素所构成的稳定而复杂的有序结构组成，不像大海本身那么简单。

海边自然也是休闲的好去处，当你沿着栈桥走向海滩时，你会感到心旷神怡。生活的真正本质其实就像上面这幅图：你溜达得离旋转木马太近，结果就会遭到溜溜球的重击。幸运的是，我们物理学家对自己的那种说教习惯保持着高度警觉，尽量不使其失去控制。我在加利福尼亚大学圣迭哥分校的同事丹·阿罗瓦在写给幽默专栏作家戴夫·巴利的一封信中就机智地表达了这种态度：

亲爱的戴夫：我是您的一名狂热仰慕者，每天都看您的专栏。如果

能像您那样写作，我愿不惜任何代价。我已经以您的名义建了一座树上小屋并住了进去。

您的丹

戴夫回信道：

亲爱的丹：谢谢你的来信。顺便问一声，他们能让你在核武器周围这么做吗？祝好！戴夫

好些年前，我有机会与我岳父 ——一位退休的院士 ——有过一次关于物理定律的集体性质的对话。那天下午，我们刚刚打完一圈桥牌，正品着兑了奎宁汁的杜松子酒来躲避夫人们关于情感影片的讨论。我的论点是，自然界里的可信赖的因果关系能够告诉我们关于我们自身的事情，而这些因果关系之所以可信赖就在于组织原理而不是微观法则。换句话说，我们关心的自然法则是通过集体自组织行为整体突现出来的，这里并不需要知道其组成单元的构造和运用等方面的知识。仔细听完我的观点，我岳父表示不理解。他过去总认为是法则导致了结构，而不是相反。他甚至怀疑反过来说是否有意义。于是我问他，到底是立法机构和公司董事会制定法则还是由法则来建立立法机构或公司董事会？他立刻看出了问题所在，沉思了一会儿，他承认他现在对事情的因果关系感到深深的迷惑，需要多加思考。的确是这样。

有一点很无奈，那就是科学已经发展到远离人类其他的心智生活，因为它不再以后者为出发点。例如，亚里士多德的作品尽管谈不上精确，却十分清晰，有针对性而且容易理解。达尔文的《物种起源》也是如此。现代科学之所以让人难以琢磨，正是专业化导致的附带结果，为此我们这些科学家也经常跟着挨批 ——也确实该批。每个人在下班回家路上打开收音机都会从《博士科学》节目中得到愉悦，这档节目对诸如为什么奶牛吃草时总面向同一个方向（它们总要一天几次地面向威斯康星州）的电话提问给出当不得真的答案，而且节目总以“记住，我知道的比你多，我可有科学硕士学位”来结束。

还有一次，我岳父说，经济学很糟糕，恐怕只有到成为科学后，这种状况才会改变。他说到点子上了。

这次关于物理学法则的谈话让我开始思考，对于像法则、法则的组成和源于组织的法则这些显然是先有鸡还是先有蛋的非科学问题，科学上过去究竟是如何对待的。我开始注意到，许多人对这个问题有着鲜明的观点，却说不清为什么要持这种观点。近来这个问题之所以不断出现在脑际，是因为我曾不止一次地与同事就格林的《宇宙的琴弦》（ The Elegant Universe）一书展开讨论。这是一本描述某些空间量子结构新奇概念的科普作品。讨论的焦点集中在物理学到底是大脑的逻辑产物还是基于观察的综合这种问题上。当然每次讨论的缘起都不是有关存在的问题，而是钱，缺钱是当前国际科学界普遍存在的 问题。但讨论的主题很快从钱的问题转向不相干的构建世界模型这种漂亮但无实验预见的问题上，或转向科学是什么的问题上。在西雅图、台北和赫尔辛基，我曾一再讨论过这事儿，结果让我认识到，格林此书引发的这一争论本质上与我那天打完桥牌后讨论的属同一个问题。不仅如此，它还是一种意识形态之争：看上去它好像与什么是真的没有关系，但实际上每件事情都涉及“真的”是指什么。

物理学里流传着这么一句话：好的符号体系推进科学，而坏的符号体系阻碍进步。事实确实如此。语音符号掌握起来就比图像符号来得快，因此也更易上手。十进制计数用起来也要比罗马数字方便些。意识形态领域同样如此。我们将自然理解为一种数学结构所得出的推论就完全不同于将它视为经验综合时的推论。一种观点将我们视同宇宙的主宰，而另一种观点则将宇宙视为我们的主宰。毫不奇怪，我的xiii 那些从事实验科学的同事谈到这个问题都会变得兴奋异常。这个问题的核心已不是科学所能回答的，而是关乎人们的自我意识以及对人在世界中的位置的认识。

这两种世界观的联系非常深入。当我还是孩子时，我曾随父母去约塞米蒂1见伯父和伯母，他们驾车从芝加哥来。我伯父曾是一位了不起的成功的专利律师，似乎这世界上没有他不知道的，而且还唯恐人不知这一点。例如，他曾在得知我刚听了激光发明人查尔斯·汤斯的一个主题讲座后立马又给我上了一堂长长的有关激光工作的课。显然，他对激光知道的比汤斯教授还多。这次他和伯母住进了当地最阔气的爱瓦尼（Ahwahnee）饭店，和我们一起聊趣闻轶事，一起享受丰盛的早餐，然后离开当地，驱车前往图奥勒米帕斯，穿越沙漠回家。我不认为他们这趟来看到过附近的瀑布。其实这无关紧要，因为他们以前早就看过瀑布，明白是怎么回事。他们走后，我们一家远足，去了莫塞德河，在河水激越的低吼声中来到了内华达瀑布，并在满是野花的草地附近的巨型花岗岩上进行了野餐。我们同样明白大自然是怎么回事，但并不把这种理解看得太重。

促使我伯父对待约塞米蒂之行的世界观和饱受争议的促使格林看待物理学的那种世界观，在约翰·霍根的《科学的终结》一书中有过十分清楚的表达。霍根认为，所有基本问题现在都已清楚，除了细节完善之外，科学上已无事可做。这使我的那些实验方面的同事大为不满，因为这种观点不仅极其错误，而且非常不公正。对新事物的研究永远都像在迷雾中摸索，直到有所发现为止。如果原因明显地摆在那儿，那还要研究干什么！

不幸的是，这种观点还很有市场。我曾与晚年的戴维·施拉姆 ——芝加哥大学的一位著名的宇宙学家 ——有过一次关于星系喷流的交谈。这些喷流是从星系核喷出的细铅笔状等离子体射流，其喷射距离可达星系半径的几倍，能量可能源自星系核的旋转能。在这么大的尺度上，它们为何能保持如此纤细至今仍是个谜，这些事我觉得特别有意思。但戴维却将整个效应斥之为“天气”的影响。他只对早期宇宙和能对早期宇宙演化解释有意义的天文观察结果感兴趣，哪怕这种观察是相当间接的。他把喷流看成是恼人的本底噪声，对他来说，

这种噪声除了分散注意力没有太大价值。而我则对这种“天气”非常着迷，而且我相信大多数人都会认为这不是大自然在玩弄骗术。

我认为，像天气这样的原初形态的组织现象具有深远的重要意义，它能告诉我们更复杂的事情：这种原初形态能够使我们确凿地说明它们是受微观法则支配的，而让人捉摸不透的是，它们的某些更复杂形态则对这些微观法则不敏感。换句话说，我们可以通过这些简单事例证明，组织能够获得意义和自身的生命，并开始超越其组成要素。而物理科学必须解释清楚的是，集体大于其组成要素之和不只是一个概念，而是一种物理现象。大自然不只受到微观法则的支配，而且也受到一般组织原则的强有力的支配。这些原则中有些我们已经了解，但更多的则是未知数。我们不时会发现一些新的组织原则。在复杂性更高的水平上，因果关系更难描述，但是没有证据表明，从原始世界观察到的法则等级序列可以被其他东西所取代。因此，如果说存在一种简单的、经由基本法则孕育产生之后就能够明显不再与这些法则相关的物理现象，那我们人便是如此。我们由碳元素组成，但我们不需要一直依靠这种碳摄取机制来存活。我们有超越自身元素组成的生命意义。

伊利亚·普利高津的文章曾详述过这一看法的要点，更早的论述可以追溯到30年前P. W.安德森的著名论文《多则不同》（More is Different）。这篇文章今天读起来依然清新而富于启发性，我要求跟我工作的学生都得通读。

但我的观点要比这两位前辈更为激进，因为它们已经经受了最近事实的磨砺。我越来越认为，我们所有已知的物理法则，而不是个别法则，都有着集体性起源。换句话说，基本法则和派生性规律之间的区别是个谜，正如宇宙是不是一种仅由数学支配的概念一样，还说不清楚。物理法则一般不可能是纯粹思辨的产物，而必须通过实验才能发现，因为对自然的控制只有当这种控制措施符合自然所容许的组织原则时方能奏效。我们也许可以为这种理论配个副标题 ——“还原论的终结”（所谓还原论是指相信凡事总可以在还原到其组成要素的基础上搞清楚），但这么做似乎不太准确。所有物理学家本质上都是还原论者，我也不例外。我无意通过质疑还原论来建立某种普遍理论体系。

为了维护我的观点，我必须公开讨论某些惊人的思想，诸如将时空的虚空视为“物质”，相对论是否有可能并非基本理论，可计算性的集体性质，理论知识的认识论障碍，实验上可证伪性方面的类似障碍，当代理论物理中某些重要部分的神话性质，等等。当然，观点的激进只是某种舞台道具，随着实验的深入，科学发展既不可能冒进，也不会停滞不前，而只会越来越贴近事实。而这些更广泛的、已属于哲学而根本不属于科学的观念性问题之所以常常使我们大感兴趣，则是因为它们常被用来衡量得失、编写法则，我们在生活中也据此做出选择。因此，这类讨论本身并无所谓矛盾，它只会使我们更清楚地看出科学将发生怎样的变化。为此我们有必要将科学的技术实用功能与其认识事物（包括我们人本身）的功能分离开来。与现代科学神话塑造的乐观理想化模型不同，我们实际居住的世界充满了未知的神奇而重要的事情，其原因既可能是我们尚未观察到，也可能是我们现有的技 术水平还无法观察到。科学的强大力量正在于它具有透过对象坚硬的外壳揭示出超出预料的真理的能力。从这一点来说，它是无价的，并且是人类创造力最伟大的动力之一。 

《不同的宇宙》是一本真正具有启智意义的书，它向我们证明，为什么我们对基础物理学的一切认识都有待改变。

在这个超弦理论和大爆炸宇宙学时代，我们习惯于认为未知世界离我们日常生活极其遥远。但在《不同的宇宙》一书中，诺贝尔奖获得者罗伯特·劳克林却认为科学前沿就在我们脚下。他没去寻找终极理论。而是在思考世界的突现性质——就是晶体保持其形状和硬度的那种性质，它起源于大量原子的自组织——并且向我们展示了为什么说物理学的基本规律事实上也是突现性的。

 罗伯特·劳克林是斯坦福大学Robert M.and Anne Bass物理学讲席教授。1998年，他因在分数量子霍尔效应方面的工作而分获诺贝尔物理学奖。

第1章 前沿定律

第2章 与不确定性相伴

第3章 登上牛顿马车

第4章 水、冰和汽

第5章 薛定谔的猫

第6章 量子计算机

第7章 冯·克利青

第8章 我在晚宴上解决了它

第9章 核家族

第 10章 时空结构

第 11章 小饰件的嘉年华会

第 12章 保护的暗边

第 13章 生命原理

第 14章 星球武士

第 15章 阳光下的野餐桌

第 16章突现论时代

注释/索引/译后记

 《不同的宇宙》的作者是1998年诺贝尔物理学奖获得者罗伯特·劳克林。劳克林以理论物理学家特有的敏锐，从当代物理学前沿的各个方面（其中大多数为作者亲历的第一手资料）为突现论的正当性和普适性提供了全新的例证。《不同的宇宙》是物理系列其中之一，这是一本面向大众的科学随想录，充满哲思，对于有一定物理学基础的读者，会在其中找到很多共鸣。如果你是物理专业、哲学专业学生，这是不容错过的大师级作品。2018年新版的全新设计了版式、封面，提升了阅读体验，让读科普不再艰难。随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。