第二章 我们能认识宇宙吗？ 对一颗盐粒的沉思 只有大自然才具有无穷尽的财富。她只向我们显现表面，而她却深藏于千百万 丈之下。 拉・瓦・爱默生（Ralph Waldo Emerson） 科学是一个知识体，但更是一种思维方式。它的目标，从可能是一切物质构成 单元的亚核粒子到生命体，人类社会共同体乃至整个宇宙，去找出世界是怎样工作 的，寻求可能有的规律性，洞悉事物间的联系。我们的直觉决不是一个绝对可信的 向导。我们的知觉可能由于训练和偏见或纯粹由于我们的感觉器官的局限而被扭曲， 况且这些感觉器官也只能直接感知到世界的一小部分现象。甚至在没有摩擦的情况 下，一磅铅是否比一克绒毛下落更快这样直观的问题，亚里士多德和在伽利略时代 以前的任何人都不能作出正确回答。科学基于实验，基于对旧教条挑战的意向，基 于了解宇宙真实面貌的开放性。与此相应，科学有时需要胆识――至少是一种怀疑 因袭智慧的胆识。 此外，科学的主要诀窍是实际地思考：各种云的形状及其在各处可见天空的同 一高度上轮廓分明的末端边界；叶片上露珠的形成；名字或词。比方说。莎士比亚 或“慈善的”这些名字或词的起源；人类社会习俗，例如禁忌乱伦的原因；透镜怎 么能让太阳光使纸燃烧；直翅目昆虫怎么会都去找一嫩枝条；月亮为什么看上去总 跟随着我们走；在我们深挖洞时，是什么原因使我们不掉到地球的中心；在球形的 地球上，“向下”的含意是什么；人体怎能把昨天的午餐变为今日的肌肉和腱；宇 宙能走多远――它能永远这样继续下去吗，或者说，如果它不能，那么，它取决于 别的方面这样的问题是否有任何意义？其中的有些问题是相当容易的。其他问题， 特别是最后那些神秘的问题，至今还没有一个人能知道它的答案。它们是一些自然 而然要问的问题。每种文化都以这样那样的方式提出这些问题。提出的答案差不多 总是“不折不扣的故事”，是与实验脱离的尝试性解释。或者甚至与细心的比较观 察相脱离的尝试性解释。 但是，科学的气质则是批判地考察世界，仿佛可能存在着许多不同的世界，仿 佛别的东西可能在这里，而这里又不是别的东西。于是，迫使我们问，为什么我们 看到的东西存在着，而又不是其他某种东西。为什么太阳、月亮和行星是球形的呢？ 为什么不是尖塔形，立方体形或十二面体形呢？为什么不是不规则的，杂乱无章的 形状呢？为什么诸世界是对称的呢？若是你花费时间去编织种种假设，检查一下看 看它们是否有意义，它们是否与我们所知的其他东西相一致，思考一下你能够为证 明或放弃你的假设所提出的检验；那么，你就会发现你自己正在从事科学了。随着 你越来越多地实践这种思维习惯， 你在科学工作中就会干得越来越好。 看透事物 （那怕是一件小事，一根草）的底蕴，正如沃尔特・惠特曼（Walt Whitman）所说， 就是感受到喜悦，这种喜悦或许只有这些行星上一切存在物中的人类才能感觉得到 的。我们是具有智能的物种，而运用我们的智能则给了我们以十分正当的快慰。在 这方面，脑就象是一片肌肉，当我们很好地思索时，我们就感到舒适。理解乃是一 桩令人心醉神迷的事情。 那么，我们在何种程度上能真正地知道我们周围的宇宙呢？有时，这个问题是 由希望答案是否定的人提出来的，他们担忧宇宙中的每件事情可能一天就能弄清。 有时，我们听到这样的声明，即科学家们满怀信心地说，值得知道的每件事情都会 立即被认识――或者甚至已经认识――并且有人还画出了一幅希腊酒神狄俄尼索斯 时代或波利尼西亚时代的图像，其中展示出在那些时代里，智力发现的兴趣已经衰 退，而代之以色调柔和的消沉情绪，贪图安逸的人正喝着发酵的椰子汁或别的味淡 的幻觉剂。除了诽谤两者无畏的探索者波利尼西亚人（他们在天国中的短暂生活， 现在已可悲地结束了）和利用某些能使人产生幻觉之药物而提供的智力发展的诱惑 之外，这种观点已经变得庸俗不堪了。 mpanel(1); 让我们来讨论一个更朴实的问题：我们是否不能认识宇宙或银河系星群或一颗 恒星或一个世界呢？我们能否最终详尽地认识一颗盐粒呢？试考虑一微克食盐吧。 取其量多到恰好用肉眼而不借助显微镜就能看清。在这粒盐中，大约有1018个钠和 氯原子。如果我们希望认识一粒盐，我们至少得知道这些原子的每一个的三维位置。 （事实上，还有更多的东西需要知道，例如，原子间力的本质，但我们暂作一粗略 的计算）。那么，这个数目比脑所能知道的事件数目，是多了呢还是少了呢？ 脑能知道多少事件呢？脑中有大约1011个神经原，它们是负责我们心理活动的 电的和化学的传导线路的元件和开关。一个典型的脑神经原也许有一千条细线路， 这些细线路亦称“树突”。树突把神经原和神经原连接起来。如果脑中的每个信息 单位对应于其中的一个连接（似乎很有可能就是这样），则脑所能认知的事件总数 不超过1014个，即一百万亿个。但这个数只是我们所取的那颗小盐粒原子数的百分 之一。 所以在这个意义上说，宇宙如此之大，以致对于任何一位想要“全知天下事” 的人来说，确是难以做到的。在这样的水平上，我们简直难以理解一颗盐粒，更谈 不上要理解整个宇宙了。 但让我们稍稍更深入一点看看这颗盐粒吧。盐正好是一种结晶体，其中若无晶 体点阵结构缺陷，每个钠原子和氯原子的位置都能预先确定。倘若我们能够摇身一 变，钻进这个晶体世界中去，那么，我们就会看到一排挨一排的原子有序地排列着， 看到一种有规则的交错结构――钠，氯，钠，氯……，若能让我们站在一排原子上， 那么，在我们上面和下面的各排原子也都按上述规则排列着。一块绝纯的盐结晶体， 可能会有象10个信息单位那样的东西来规定每个原子的位置。这不至于会超过大脑 负载信息的容量。 如果宇宙具有自然规律，这些规律又象确定盐结晶体相同程度的规律性那样支 配其行为的话，那么，宇宙自然也是可知的。纵然存在许多这样的规律，每一规律 又十分复杂，人们还是有能力完全理解它们。即使这种知识超过了大脑负载信息的 容量，我们还可以在我们体外贮存附加信息，例如，在书中，在电子计算机的记忆 件内，因此，在某种意义上，我们还是能够认识宇宙的。 人类在可理解的程度上是有明确目的地去寻找自然规律的规律性的。寻求规律， 理解这巨大而复杂宇宙的唯一可能方法，那便是科学。宇宙迫使生活在其中的人们 去理解宇宙。发现日常经验是一堆不可预言的，无规律性的杂乱无章事件的人类， 正处在严重的危险之中。宇宙至少在某种程度上属于那些解决了这个问题的人们。 自然界存在规律、规则，适当地（不仅定性而且定量地）概括世界的行为，是 一件令人惊奇的事实。我们可以设想，若一个宇宙，其中没有规律，它由1080个基 本粒子组成，而这些基本粒子又象人的行为那样绝对自由，那么，为了理解这个宇 宙，我们至少益要有一个象这个宇宙一样大的大脑。这样一个宇宙似乎不可能有生 命和智能，因为生命和脑需要一定程度的稳定性和有序性。但即使在一个更加随意 得多的宇宙中，如有这样一些智能上比我们高得多的生命存在的话，那也不可能会 有很多的知识、热情和欢乐。 幸而我们还算运气，因为我们生活的宇宙至少有大部分是可知的。我们的常识 经验和进化史已为我们理解实际世界作好了某种准备。不过，当我们涉足其他领域 时，常识和普通直观也就成了很不可靠的向导了。当我们以接近光速运动时，我们 的身体质量会无限止地增加；我们身体的厚度在运动方向上会收缩而渐趋于零；而 时间对我们来说，正如我们所希望的那样将趋近于停止下来。这实在太令人吃惊了。 许多人以为这太可笑，而且每一两个星期，我就能收到就此一点而抱怨我的信。但 这不只是实验，而且是爱因斯坦的狭义相对论关于空间和时间的卓绝分析所得出的 结论。这些效应在我们看来似乎不合情理。不过，这也无关紧要，因为我们并没有 以接近光速去旅行。我们的常识证据在高速下显然是不适用的。 或者让我们来考虑由形状象哑铃似的，由两个原子所组成的一个单独分子吧。 比方说，它是一个盐分子。这个分子以连接两原子的连线为轴旋转。但在量子力学 世界，即在一个微小的天地里，我们那个哑铃似的分子是不能任意定向的。很可能 分子只能比方说在水平位置上定向，或在垂直位置定向，却不能在二者之间的许多 其他角度上定向。某些旋转位置是被禁戒的。被什么禁戒呢？被自然律所禁戒。宇 宙是以一种有限制的、量子化的、旋转的方式建造的。我们在日常生活中并没有直 接经验到这一点；但我们在做仰卧起坐的练习时就会惊讶而笨拙地发现，手臂向两 侧体开或伸向上方则是许可的，但伸向许多中间位置却受禁戒了。我们不是生活在 10[－18] 厘米尺度的小天地里，这个范围小到1与小数点后面间挂十二个零。我们 凭常识直观是无法算出这个数来的。计数的办法是实验――这种情况下是观察分子 的远红外谱线。这种远红外谱线显示出分子旋转是被量子化了。 世界对人类所能做的事情加上限制性的思想正在挫败中。我们为什么不应该能 够有中间旋转位置呢？为什么我们不能比光速跑得更快呢？但就我们所知，这是一 种构成宇宙的方式。这些禁戒不仅迫使我们变得稍许谦逊一点；他们也使得世界变 得更可认识。每一种限制对应于一条自然规律，即宇宙的规律化。对于物质和能量 所作的限制愈多，人类所能获致的知识也便愈多。在某种意义上，宇宙是否最终可 以认识，不仅取决于广泛地包括发散现象的自然规律有多少，而且还取决于我们在 理解这些规律时是否具有理智的能力。我们关于大自然规律性的表述确实取决于脑 的结构，而且在一种重要的程度上，还取决于宇宙的结构。 就我自己来说，我愿意宇宙包含许多未知的东西，同时也包含大量已知的东西。 假如宇宙万物都已被认识殆尽，那么生活将变得枯燥无味、平淡单调了。这就好象 某些低能的神学家的天堂那样令人生厌。一个不可知的宇宙对于一个思维着的生命 来说，显然不是一个合适的处所。我们所要的理想宇宙，正好是一个非常象我们所 居住着的宇宙。不过，我猜想这不是一种真正很好的巧合。 ----------------- 素心学苑 收集整理