不同的宇宙

nbsp; 序
    科学，特别是自然科学，*重要的目标之一，就是追寻科
学本身的原动力，或日追寻其**推动。同时，科学的这种追
求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种*基本
的推动。
    科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握
新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实
事求是的，同时，科学又是创造的。科学的*基本态度之一就
是疑问，科学的*基本精神之一就是批判。
    的确，科学活动，特别是自然科学活动，比较起其他的人
类活动来，其*基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退
的时候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难地进步，这表
明，自然科学活动中包含着人类的*进步因素。
    正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“**推动”。
    科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重
要因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活
 和工作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科
学精神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生
物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科
学的“教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教
育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。
    正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“第
一推动”。
    近百年来，无数仁人志士意识到，强国富民再造中国离不
开科学技术，他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的奋斗。中
国的科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科
学启蒙运动，以图完成国人的强国梦。然而应该说，这个目标
远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教
育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思
想、科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和
出发点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步
离不开科学，是毋庸置疑的。
    正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进
步所必不可少的推动。
    然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接
受。虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值
和地位也更高了，但是毋庸讳言，在一定的范围内，或某些特
定时候，人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所
带来的后果的接受和承认，而不是对科学的原动力、科学的精
神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。
    科学的精神之一，是它自身就是自身的“**推动”。也
 就是说，科学活动在原则上是不隶属于服务于神学的，不隶属
于服务于儒学的，科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲
学。科学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别
的，超越文化的地域的差别的，科学是普适的、独立的，它自
身就是自身的主宰。
    湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神
的世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播
科学的精神，科学的思想，特别是自然科学的精神和思想，从
而起到倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启
蒙和科学教育的作用，为中国的进步作一点推动。丛书定名为
《**推动》，当然并非说其中每一册都是**推动，但是可以
肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都
会使你或多或少地更接近**推动，或多或少地发现，自身如
何成为自身的主宰。
    《**推动丛书》编委会
 
    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
界竟如此壮观的浮想联翩之中，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，而这些原理则是始终不变的。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
    您的名义建了一所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，而这些因果性之所以可
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(emerge。)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
则来建立立法院或公司董事会?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，但却十分清晰，有针对性而且容易理
解。达尔文的《物种起源》也是如此。0现代科学之所以让入
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，但却说不清为什么要持这
种观点。近来这个问题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 Uniuerse)
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。
但讨论的主题则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
一种数学结构就完全不同于将它视为经验综合所得出的推论。
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，我的那些从事实验科学的同事谈到这
<节选内容>=第1 0章l时空结构
    在我们将它带到世上之前数学原本并不存在。
    阿瑟·爱丁顿爵士
m    爱因斯坦的相对论，我们这个时代*深刻的文化烙印之
  一，是几乎每个人都听说过但很少有人理解的一种理论。这
  一理论发明者的肖像已成为世界上公认的宇宙问卓绝智慧的象
  征。在大众的想象中，相对论是一种只有那些具有超常禀赋的
  头脑才能理解的更深刻的实在。
    这些另类的声音既够夸张也不准确。相对论的原型，即狭
    义相对论，实际上是一条法则，而且还是相当简单的法则，它
    根本就不是运动方程，只是一种方程性质，一种对称性。相对
    论*自然的形式是由这一法则促成的推测性的后牛顿引力理
    论。爱因斯坦在其学术生涯的早年即发现，公众对相对论神
    秘性质的兴趣要比对其物理意义大得多，人们把他奉为先知，
    尽管他并不是，而只是一个具有锐利思想的职业科学家。爱因
斯坦的文章以逻辑性强、直接和坦率而著称。他和我们一样会
 犯错误，但他很少用晦涩的数学来掩盖其缺点。大多数科学家
都热望像他那样条理清楚，但很少有人能做得到。
    应当说，对称性在物理学里是一个很重要的概念。。我们
不妨以圆为例。台球是圆的，我们不用知道它是用什么材料制
作的就可以预言，如果用球杆给它一击，它便会在桌上沿直线
滚动。但并不是圆引起它滚动，而是运动定律使然。圆只不过
是一种使台球区别于其他任意刚体的特定性质，它反映为这种
物体运动时少有的简单性和规则性。在我们不知道物体运动的
基本方程但又需要将其运动规律从不完备的实验事实中总结出
来的情形下，对称性就显得特别有用。例如，你知道所有的台
球都是圆的并试图猜测它们的运动方程，你恐怕得彻底打消这
个念头，因为对圆物体你不可能做到这一点。这种情形在亚原
子物理领域非常常见而非特例。正因此，物理学里有一个传
统，就是把对称性看成是*基本的重要性，尽管它们实际上只
是运动方程的一个结论或一种性质。
    相对论里的对称性包括运动。爱因斯坦和20世纪早期物
理学界的其他领袖人物是通过思索电和磁的运动规律来得到这
种对称性的，电磁运动方程由詹姆士·麦克斯韦总结出来并迅
速导致了无线电的发明。旋转对称性要求圆桌上台球的行为定
性上彼此相同，不论这些球是处于圆周的什么地方。相对论对
称性则要求，不论它们如何运动，它们的行为均看上去彼此相
同。这一概念是由爱因斯坦通过著名的思想实验(相向而行的¨
两列列车上的观察者观察对方)*先天才地捕捉到的。爱因斯
坦认为，在极限情形下——两列列车在真空中交错——我们不
可能通过测量来确定哪一列火车是静止的哪一列火车在运动。
 在此情形下，电磁运动方程在两列火车上必定是相同的，因此
光速也必定是相同的。于是人们在此遇到了一个逻辑悖论，除
非我们承认我们关于同时性和在两列火车上的测量等的传统观
念是不正确的。这些思考及其逻辑结论，包括高速运动物体的
增重和质能等效性等，现在已在全世界各个实验室得到确证，
并已作为一种自明的真理载入史册。
    爱因斯坦奋斗的故事是如此浪漫，以至于人们很容易忘却
相对论是一种发现而非发明。在某些关于电的早期实验观察
上，这一认识是非常模糊的，人们大胆地将这些观察结果综合
成一个协调的整体。但在今天这种大胆已无必要。由现代加速
器武装起来的实验科学家如果在**天遇上某种相对论效应，
那么在随后的一个月里凭经验就能搞清楚这是怎么回事。相对
论其实并不那么吓人。它所取代的那种表观上自明的世界观是
一种基于既不完备也不精确的观察之上的世界观。如果所有事
实都已知，也就不存在争论，爱因斯坦也就不必证明什么了。
流行的观点认为相对论是人类智慧的创造，因此显得非常崇
高，但说到底这种认识是不正确的。相对论是被发现的。尽管
爱因斯坦的论证很漂亮，但我们今天相信相对论不是因为它应
当是对的，而是因为测量证明它是对的。
    相比之下，爱因斯坦的引力理论则是一种发明，而不是在
实验室里偶然被发现的。它的正确性至今仍莫衷一是，更谈不
上实验检验。它的*重要的预言是认为空间本身就是动力学
的。爱因斯坦给出的描述引力的方程类似于描述橡皮膜那样的
弹性介质方程。当大质量如恒星这样的介质发生形变时，传统
意义上的引力效应就会表现出来。然而，如果源处于高速振荡