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标  题: 第二章 我们能认识宇宙吗？对一颗盐粒的沉思
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年07月16日20:44:34 星期二), 站内信件


　　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。

　　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①。
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。

________ ①氯在第一次世界大战中在欧洲战场上作为致命性毒气被使用。钠是
腐蚀性金属，与水接触就燃烧。二者在一起组成了一种温和而无毒性物质，即食
盐。这些物质中的每一个物质为什么具有它所具有的性质，这是化学研究的课题，
它需要超过10个信息单位才能理解。——作者注



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