总 序


　　科学，特别是自然科学，最重要的目标之一，就是追寻科学本身的原 动力，或曰追寻其第一推动。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最基本的推动。
　　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。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就 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， 其最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 最进步因素。
正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“第一推动”。 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，无数仁人智士意识到，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“第一推动”。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《第一推动》，当然并非说其中每一册都是第一推动， 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第一推动，或多或少地发现，自身如何成为自身的 主宰。
《第一推动》丛书编委会

前 言


　　《夸克与美洲豹》不是一本自传，但它包含了我童年的一些回忆和不 少关于我同事的轶事趣闻；这本书主要讨论的也不是我在夸克方面的工 作，但它有不少地方谈到了物理学的一些基本定律，包括夸克的行为。我 希望我真有那么一天写一本科学自传，但这本书的目的是向读者对正在边 缘科学中出现的一种综合趋势提出我个人的一些观点，这种综合趋势在我 们研究周围世界的简单性和复杂性时经常出现。研究已经表明，物理学、 生物学、行为科学，甚至艺术和人类学，都可以用一种新的途径将它们联 系到一起来。有些事实和想法初看起来彼此风马牛不相关，但新的方法却 很容易使它们发生关联。我们（无论是否在研究科学）常常问自己：简单 性和复杂性究竟意味什么？现在连这个恼人的问题也开始可以作出回答。 本书分成四篇。在第一篇的开始，我描述了导致我写这本书的一些个 人经历。有一次我在热带森林里作长途旅行，我想研究鸟，计划作些保护 大自然的活动，突然我意识到物理学的基本定律与我们周围的世界有着许 多关联，我为这种想法激动起来，并想让读者同我分享这些激动。我一生 都喜欢研究有生命的东西，但我的职业却使我专心致志地研究一些基本定 律。这些基本定律是所有科学的基础（本书将作某些讨论），但它们却似 乎经常远离大部分经验，包括许多其他学科的经验。反映在简单性和复杂 性方面，我们常常觉察到有些关联可以帮助我们把所有从简单到复杂的现
象连接到一起。
　　亚瑟·斯策（Arthur Sze）有一首诗提到夸克和美洲豹，当我妻子把 这首诗念给我听时，我立即意识到这两个意象正好适合我想说明的主题。 夸克是所有物质最基本的基石，所有物体都是由夸克和电子组成，只不过 数目有多有少。即使是美洲豹这种古已有之的力量和凶猛的象征，也还是 一大堆夸克和电子。不过这一堆夸克和电子真令人惊诧！由于几十亿年的 生物进化，美洲豹显示出惊人的复杂性。那么，在这儿复杂性到底精确地 意味着什么呢？它是如何产生的呢？类似这样的一些问题，正是本书试图 回答的。
第一篇的其余部分介绍简单性和复杂性里各种概念之间的关系，以及
复杂的适应系统（如有生命系统的学习和进化）。一个孩子学习语言，细 菌发展它对抗生素的抗药性以及人类科学事业等等，都是复杂适应系统讨 论的例子。我还讨论了科学中理论的作用、科学是否比其他事物更为基础， 以及还原论对相关问题的一些看法。
　　第二篇介绍了大至宇宙、小至组成宇宙中万事万物的基本粒子都要遵 循的一些基本定律。夸克在这儿露面了，接着介绍超弦理论。超弦理论在 科学史上首次为自然界所有的粒子和力提供了一个很有希望的统一理论。 基本粒子理论太抽象了，即使像本书那样作了解释和不用数学公式，很多 读者依然会感到很难懂。有些读者如果愿意的话，可以不看第二篇，特别 是第十一章（量子力学的现代诠释）和第十三章（基本粒子——包括夸克
——的标准模型）。避开这两章或整个这一篇，对后面其余部分不会造成 严重影响。我没有想到的是，这本书有一部分本来想试图解释物理学的基 本理论为什么简单，但对许多读者来说竟十分困难。这得怪我！本书第二 篇有一章介绍时间之箭，在这一章的结尾处，对无论是像生物进化这样的

复杂适应系统，或者像银河系这样的非适应系统，何以出现越来越复杂的 结构作了评论。
　　第三篇接着讨论在复杂适应系统，特别是在生物进化、人类创造性思 想、批判的和迷信的思想和人类社会行为的某些方面中出现的选择压力
（selection pressures），对适应性和适应性前景展望作了大致而适度的 介绍。在第二十章，我简要地描述了计算机作为复杂适应系统的用处，例 如发展游戏的策略或对自然的复杂适应系统提供简化的模拟。
　　最后一篇和其他几篇相比较有很大的不同，主要涉及的是政治内容， 而不是科学；还提到一些主张，当然这也可视为学术。第二十一章，我对 本书前面谈到的一个问题，即地球上生命的多样性代表了近 40 亿年生物进 化的信息精华，作了进一步讨论；我还指出人类文化的多样性同样说明文 化进化经历了几万年。在这一章，我坚持认为努力维护生物和文化的多样 性是十分必要的，为此我讨论了其中所涉及的一些问题、悖论和挑战。但 这些论述实际上不可能单独、孤立地考虑。今天，连接人类种族之间和人 类与生物圈之间的关系是如此之复杂，以至各个方面都会彼此紧密影响。 我们必须对整个系统进行研究，即使这种研究很粗糙也是必要的，因为对 复杂的非线性系统的各个部分不作紧密联系的研究，我们对整体行为就不 会有正确的思想。第二十二章我力图用这种不太严密的整体方法，研究了 当今世界上的一些问题，其中不仅包括环境、人口统计和经济学方面的问 题，还包括社会、政治、军事、外交和意识形态方面的问题。研究这些问 题不仅仅是对未来进行思考，而且想在人类和人类以外的生物圈的多种可 能的未来之路之中，寻求一条合理的可能道路，使我们的世界能更好地维 持下去。我这儿所说的“持续性”（Sus-tainability）具有较广泛的意义， 不仅指避免巨大的环境的灾难，也指避免灾难性的战争，广泛而持续的暴 行以及其他邪恶。
读者在这本书里将会发现，我常常提到圣菲研究所（Santa Fe
Institute，SFI）。我曾帮助建立这个研究所，如今退休之后，我还在这 个研究所工作。在此之前，我在加州理工学院工作了 30 多年，退休后我成 了该校荣誉教授。现在我所从事的简单性、复杂性和复杂适应系统的许多 研究，就是与这个研究所的成员一起完成的。
这个研究所是一个相当松散的组织，有点像一个家庭。所长是克奈普
（Edward Knapp），还有两个副所长协助他工作，再就是 12 位非常勤恳的 工作人员。只有 3 个任期为 5 年的教授，我是其中之一，其他的人都是访 问学者。访问学者来自世界各地，他们在研究所停留的时间有的只一天， 有的逗留一年，其中有些人经常来访。研究所经常举办各种专题学术讨论 会，会期有的只一天，有的则为一至二周。除此以外，一些研究组织还举 行各类两种以上学科专题研究。分布极广的组织成员们彼此用电话、电子 邮件、电传相互联络，偶而也用信联络，还不时在圣菲或其他什么地方相 会。他们分别是各个专业领域的专家，但他们都对跨专业边界的合作极感 兴趣。他们每一个人都各自属于一个专门研究机构，在那儿他们的研究都 得心应手，但他们又都十分珍视与圣菲的亲密关系，在圣菲允许他们作一 些跨学科连接的研究，但在他们的研究所里却不容易进行。这些研究所有 些还是很大的工业研究实验室、大学或国家实验室（特别是洛斯阿拉莫斯， 它为 SFI 提供了许许多多聪慧而又勤恳工作的成员）。

　　这些研究复杂适应系统的人开始想发现所有这些系统里存在的一些普 遍原理，为此就必须同许多领域的专家进行精深的讨论和合作。当然，认 真和不懈地研究各种专门学科仍然是必不可少的，但各种专门学科的综合 也是亟需的。一些学者和科学家从他们自己研究的专业领域转变为学习简 单性和复杂性（或者一般称之为复杂适应系统）的学生，并作出了许多重 要贡献。
　　这种转变的成功，常常和某种思维风格有关。尼采把思维风格分为两 类：一是“日神”（Apollonians），这种风格擅长逻辑、分析，考虑问题 比较冷静；另一是“酒神”（Dionysians），这种风格更习惯于直觉、综 合和情绪激动。有时很粗浅地用这两种特性区分左脑和右脑的用途。但我 们当中的某些人似乎属于另外一种，即“奥德赛”（Odysseans）型风格。 具有这种风格的人在需要将各种思想连接起来时，可以将日神和酒神风格 联合使用。这种人在传统的研究所里常常感到孤独，但在 SFI 却可以找到 如鱼得水的环境。
　　在 SFI 有各种各样的专业知识出现，如数学、计算机科学、物理学、 化学、群体生物学、生态学、进化生物学、发展生物学、免疫学、考古学、 语言学、政治科学、经济学和历史学。SFI 举办的学术讨论会和发表的研 究报告，内容广泛，包括爱滋病的流行和传播；美国西南部发现大规模史 前废弃村落；反对殖民地的掠夺政策；钞票的印制是否可以利用金融市场 价格涨落的非随意的一些方面；当一种重要的物种迁走后生态共同体会发 生什么情况；怎么为计算机编制模拟生物进化的程序以及量子力学如何引 向我们周围熟悉的世界，等等。
在第二十二章我还描述了 SFI 甚至试图与其他组织合作，对我们行星
的人类社会如何与自身和生物圈其他生物相互作用，以发展成更适合生存 的模式进行了设计。这儿我要特别指出的，我们必须克服在学术界和官方 中间非常流行的一种思想，即认为只有那些已详细研究了的专业学科才值 得人们去干。在那些我称之为“在整体上只作了粗疏一瞥”的领域里，有 些人敢于进入，并作出重大贡献，这非常值得我们庆贺。
虽然 SFI 是世界上几个极少数从事跨领域简单性和复杂性研究的研究
中心之一，但这绝不意味只有 SFI 对此作出了重要贡献，也不意味 SFI 是 这种研究的主要处所。SFI 里许多个人的研究计划与世界其他学者的相 似，而且在很多情形下，其他研究所的有关研究比 SFI 早，甚至有许多研 究计划在 SFI 于 1984 年建立以前就提出来了。在某些情形下，这些研究所
是 SFI 家庭关键成员的“本垒”。
　　我应该请求大家原谅，因为我好像在为 SFI 吹嘘，特别是近几年某些 出版物的误传，使 SFI 和其他研究和教学组织间的关系受到损害之时，更 容易引起这种误会。有许多对 SFI 的赞扬伤害了其他团体，这使得这些团 体的同事们，尤其是欧洲的同事们，十分恼怒。如果我的这本书也引起这 种误会，我感到很抱歉。我强调 SFI 的原因，仅仅是因为我熟悉 SFI 进行 的研究，而不大熟悉其他研究部门的研究，即使这些研究也许进行得更早。 我还应该指出，研究简单性、复杂性和复杂适应系统有关课题的少数 几个领头的研究所，他们卓有成效的研究还正在继续，而且大多持续了好 多年。我把这些研究机构列在下面，虽然我的排列是随意的，但我很可能 会激怒那些没有列入的研究机构的一些科学家和学者。这些研究机构是：
　　
巴黎高等师范学校；哥丁根普朗克生物物理化学研究所，所长是艾根
（Manfred Eigen）；维也纳理论化学研究所，所长是舒斯特（Peter Schuster，他现在正忙于在耶拿建立一个新的研究所）；密执安大学，伯 克（Arthur Burk）、艾克色诺德（Robert Axelrod）、科恩（Michael Cohen） 和霍兰德（John Holland），在这所大学里组成了一个“BACH 小组”，这 个小组长期以来就讨论有关复杂系统的问题，他们所有的人，特别是霍兰 德（他和我是科学委员会的主席），与 SFI 都有某种程度的联系；斯图加 特大学，哈肯（Hermann Haken）和他的助手们在这所大学里长期研究物理 学中的复杂系统，他们把他们研究的内容称为“协同学”（synergetics）； 布鲁塞尔的自由大学，这所大学里一些有趣的研究已经进行了好多年；荷 兰的乌特勒支大学；日本东京大学纯科学和应用科学系；日本京都附近的 ATR，这儿有从美国特拉华大学去的雷（Thomas Ray）；美国加利福尼亚大 学（包括圣克鲁斯、伯克利和戴维斯分校）几个校园里的非线性研究中心； 美国阿利桑那大学；美国厄巴拉的伊利诺斯大学贝克研究所（Beck Institute）；美国加州理工学院贝克研究所的计算和神经系统规划组；瑞 典查尔默斯大学；丹麦哥本哈根的 NORDITA；奥地利维也纳国际应用系统 分析研究所；意大利图林科学交换学院（Institute for Scientific Interchange）。
有几位我十分尊敬的朋友和同事，他们在我写作的不同阶段校阅了全
部手稿，这使我感到万分的荣幸。我非常感谢他们极有价值的帮助，但由 于时间的关系，他们精妙的建议我只采纳了其中的一部分。这些人包括贝 纳特（Charles Bennett）、凯斯蒂（John Casti）、约翰逊（George Johnson）、 李普金（Rick Lipkin）、罗伊德（Seth Lloyd）、麦克卡希（Cormac Mc Carthy）、莫洛惠兹（Harold Morowitz）和萨根（Carl Sagan）。另外， 有许多在不同领域里的著名专家，他们慷慨地花费时间与我就手稿中特定 的部分进行了商榷，这些专家是：亚瑟（Brian Arthur）、布朗（James Brown）、克鲁奇菲尔德（James Crutchfield）、费尔德曼（Marcus Feldman）、费兹帕特瑞克（John Fitzpatrick）、吉尔伯特（Walter Gilbert）、哈特尔（James Hartle）、克茨芬克（Joseph Kirschvink）、 兰顿（Christopher Langton）、曼德布罗（Benoit Mandel-brot）、芒恩 第三（C．A．MunnⅢ）、雷（Thomas Ray）、肖普夫（J．W．Schopf）、 施瓦兹（John Schwarz）和谢帕德（Roger Shepard）。当然，书中仍然会 出现一些错误，这些错误都由我个人负责，与上面提到的这些厚道而有学 识的人没有任何关系。
　　任何熟悉我的人都知道我对于错误不能容忍，一个明显的例子是我经 常订正饭店菜单上法文、意大利文或西班牙文的词汇。当我偶然发现某人 写的一本书上有不精确的地方，我就会十分沮丧，不知道能否从这位作者 那儿学习到什么东西，因为这位作者已被证明至少在某一点上出现了错 误；当错误涉及到我或我的著作，我会怒不可遏。因为这本书的读者马上 会想像得到我会多么痛苦，我会认为我的朋友和同事将指出成打的错误， 无论他们感到开心还是抱歉，作为至善主义的我，这种难堪是无法忍受的。 福克斯（Robert Fox，写过人类人口问题的书）曾向我描述一位传奇的人 物：一位挪威照管灯塔的人由于冬天的长夜无事可干，就专门在书中寻找 错误。我常常会想到这位传奇人物在读我的书。
　　
　　我应该特别感谢我的忠实能干的助手狄安娜·兰姆斯（Diane Lams）， 她把我的许多事务管理得有条不紊，使我能把全部时间和全副精力投身于 写作计划之中，没有她的帮助我完成写作任务是很困难的，特别是当时间 紧迫时我的坏脾气不时发作，但她都忍受下来了。
弗里曼出版公司非常明白我在编制目录时遇到的困难，他们让莱昂
（Jerry Lyons）这位了不起的编辑来帮助我（他现在在 Springer 出版社 工作），与他一起工作我就轻松愉快多了。我不仅感谢他的发奋工作，而 且欣赏他的幽默和和蔼可亲，并怀念我与玛希娅（Marcia）同他及他那位 贤淑的妻露西（Lucky）一起度过的美好时光。我还应该感谢莎娜（Sara Yoo），她不知劳累地处理那数不清的原稿、修订稿，还得对付世界各地的 编辑。吉普森（Liesl Gibson）也是我应该感谢的一位助手，她有效而卓 越的工作一直持续到交稿前最后一分钟。
　　在我写这本书的时候，加州理工学院、SFI、阿斯彭物理中心（Aspen Center of Physics）和洛斯阿拉莫斯国家实验室，给予我通力合作，我应 表示我的谢意。我还应该感谢 A．P．Sloan 基金和美国政府的一些机构如 能源部、空军科学研究处，在我最近几年的研究中，给予了许多支持（少 数读者或许会奇怪，这两个机构能给与武器研究没有关系的纯科学予以帮 助，实在是由于它们具有远见）。爱普斯坦（Jeffrey Epstein）通过给 SFI 赠款的形式给我以帮助，我也应表示感谢。
在洛斯阿拉莫斯，实验室主任赫克尔（SigHecker）、理论部主任斯兰
斯基和理论部秘书威尔兹（Stevie Wilds），给予了我特殊款待。在 SFI， 每一位部门和办公室的成员，都给予我很多帮助。在加州理工学院，校长、 教务长以及物理、数学、天文部历届主任都对我十分关心，例如施瓦兹和 海伦（Helen Tuck，这位非常能干的秘书在基本粒子理论组工作了 20 多 年）。在阿斯彭物理中心，因为它的基金已有 30 多年历史，所以几乎每一 件事都会麻烦萨莉（Sally Mencimer），我应该感谢她对我非凡的耐心。 我写作从来就感到不轻松，这也许是因为当我还是小孩时，我父亲总 是对我写的任何东西给予严厉的批评。我能最终完成这个写作计划，与我 亲爱的妻子玛希娅的鼓励有关，她经常设法激励我，使我不中断写作。她 给予的帮助有一些是不可或缺的。她是一位诗人和英语教授，她可以帮助 我去掉一个作家的一些很坏的习惯。尽管有许多坏习惯还不幸地没有改 掉，但那显然不能责备她。她劝我用计算机写作，现在我完全离不开计算 机了。我现在甚至有些奇怪，我以前怎么会认为没有计算机也可以写作。 另外，像一些喜欢科学或数学但只学了一点点这方面知识的人一样，她是
嘲笑我写的这本书最理想的人。 作为一名教师和讲演者，常有人劝告我应该在听众中找一个人与他个
别地直接交谈，甚至可以与他（或她）建立经常的联系，听取他（或她） 的意见。在某种意义上说，我在本书写作过程中就是这样干的。玛希娅成 了这个角色。她不断地指出有些地方解释得不充分，有些地方讲得太抽象。 我只好一次又一次地修改，直到她懂了和同意为止。如在许多情形下一样， 她的帮助大部分十分有益。但她认为还有许多地方应该写得更明白才好。 当我在限定时间内结束本书写作时，我明白我一生从没有像这样发奋 工作过。理论物理的研究与写书完全不同。当然，一个理论工作者偶而会 有意识或无意识地产生很多想法和焦虑，但他们只需要每天或少数几天的

几个小时思考或计算，加上与同事们和学生们进行一些争论，一般就可以 解决问题，而且工作方式简单明快——在桌上或黑板上花点时间。写书则 是另外一回事，它几乎每天要把大量时间用在键盘上。对像我这样一个可 以算作懒散的人，简直可以说是一个冲击。
　　在写这本书时最让我激动的是，这个写作计划本身就使我一再认识 到，它是一个复杂适应系统。写作的每一阶段我都得有一个思想模型（或 图式），一个如何进行下去的简明提要。这个提要要从大量细节突出生动 的形象，这样才能写出一章或一篇。然后，经过我的编辑、朋友、同事、 玛希娅和我逐页审阅每一章，最终的评论和批评不仅会影响到那一章的内 容，而且会影响我的思想模型，经常有不同的模型代替了原来的模型。当 新的模型需要用细节充实、成型的时候，以上过程又得重复。在这种时候， 整个写作、研究工作都会受到牵动。
　　这种进化发展的结果，就是你正准备读的这本书。我们从事研究夸克 和美洲豹以及人类关系连接链的人，都经历过一种震撼人心的激动，我希 望这本书能将这种激动传递给读者。
　　
第一篇 简单与复杂

第一章 序言：丛林中的偶遇


　　我从未在荒郊野外真正地见过美洲豹。无论是穿越热带美洲的森林， 还是乘船在中、南美洲的河流上旅游，我都从来没有体验过面对凶悍的花 斑豹时那种心跳遽停的感觉。好几个朋友都曾告诉我，同美洲豹相遇会改 变一个人的世界观。
　　1985 年在亚马逊河的支流那坡河附近、厄瓜多尔东部的低地雨林，是 我离美洲豹最近的一次。那个地方定居着许多印第安人，他们在森林里开 垦出了一片片的土地，用来种植农作物。他们说库丘亚（Quechua）语，这 曾经是印加帝国的官方语言。他们还用自己的名字给亚马逊河边一些风景 地命名。
　　从飞机上俯瞰这块从北向南，从东向西均绵延数千英里的土地，你会 看到河流像一条条蜿蜒曲折的缎带镶嵌在森林之中。像密西西比河一样， 这些河流常常呈 U 形弯曲，这些 U 形弯曲所环绕的区域往往被河水浸没而 形成湖，每个湖通过一条闪闪发光的溪流与主河流相通。当地操西班牙语 的人们称这种湖为“科恰”（cocha），科恰是库丘亚语中的一个词，它既 可以指湖，又可以指海。空中观察者在河流的不同部分都可以看到这些科 恰，先是普通的河弯，然后是 U 形弯曲，接着是新形成的科恰，继之而来 的是“生态过程”（ecological succession）。这时湖水慢慢地干涸，通 过各种植物的作用而重新回复为森林。最终，从空中看来它就成了深绿色 的森林背景中的一个浅绿色点。一个世纪或更长的时间之后，那个点将与 雨林的其余部分融为一体而无法分辨。
一次，当我在潘那科恰（Pa na Cocha）附近的一条小道上散步时，我
终于得以有机会近观美洲豹。潘那科恰的意思是“锯齿鲑湖”。我和几个 伙伴在湖里抓到过三种不同的锯齿鲑，并将它们煮着吃了，味道非常好。 那些鱼并不像人们想像的那么凶险。的确，它们有时候会袭击人，在湖水 中洗澡的人一旦被咬，应立即离开水域上岸，否则伤口流出的血会引来更 多的锯齿鲑。然而，在人与锯齿鲑的斗争中，更多的是锯齿鲑被人吃掉而 非人被锯齿鲑吃掉。
在湖边步行一个小时左右，我们惊散了一群西貒（一种野猪，译注）。
之后不久，我们又感觉到前面不远处有一头大的哺乳动物。我们嗅到了一 股刺鼻的臭味，这气味与野猪气味明显不同。我们还听到大动物穿越矮树 丛时踩断灌木的噼啪声。我看见了美洲豹的尾巴尖，可倏忽之间它就消失 了。具有牧师和统治者权力之象征的动物之王，就这样与我们失之交臂了。 不过，使我的心灵产生震动的并非美洲豹，而是另外一种小一些的丛 林猫科动物。它使我意识到，我那众多的、表面看来毫不相干的兴趣其实 是统一的。在经历厄瓜多尔那次事件之后的 4 年里，我逐渐熟悉了远离过 去的印加族人统治区的另一个热带美洲森林地带的动植物。那里，另外一 种不同的前哥伦布时期的文化——玛雅文化——曾经繁荣过。我来到了离 危地马拉与墨西哥边界不远的伯利兹的西北部一个叫做恰契池（Chan
Chich）的地方。恰契池在当地的玛雅语中是“小鸟”的意思。 今天仍有许多操玛雅语的人住在这里，而且在中美洲的这一区域，古

典玛雅文明的遗迹随处可寻，尤其是在一些古城的遗址上，无不反映出昔 日的文明。其中最伟大、最辉煌的古城之一便是迪卡城（Tikal），它位于 危地马拉的东北角，距恰契池不到 100 英里，曾经拥有巨大的金字塔和庙 宇。
　　关于一千多年前古典玛雅生活方式的崩溃，有过许多的推测，但真正 的原因至今仍是个谜。人们一直在围绕这个问题争论不休。是普通百姓对 在统治者和贵族的命令下劳作感到厌倦了吗？是他们对维护上流社会的权 力并将社会各阶层联合在一起的宗教制度失去信心了吗？是众多的城邦之 间的战争导致了衰亡吗？是因为那曾养活了雨林中如此庞大的人口的出色 的生产技术最终也黔驴技穷了吗？考古学家继续寻找着线索，以解开这些 及另外一些疑问。同时，他们还得考虑该雨林中古典文明的最终崩溃与尤 卡坦（Yucatán）这一更加贫瘠的地区的文化演变之间的联系。在托尔特克
（Toltec）族人的影响下，尤卡坦半岛一些地方的古典文化被后古典时期 文化继承了下来。
　　参观像迪卡城这样一个壮观的出土城市，当然令人难以忘怀，但对于 那些追求新奇而不愿只局限于重踏老路的人来说，他们也可以在丛林中找 到其他的乐趣，比如突然发现一处地图上没有标出的、未被发掘的废墟。 一座废墟，初看起来像是森林中的一个小丘，上面长着各种灌木丛和 树，跟一般的平地没什么两样。走近了，你会发现一些砖石结构，上面长 满青苔、羊齿植物和蔓草。透过茂密的枝叶往里看，特别是在爬到高处往 下看时，你便可以大致估计出该场地的大小和形状。看到这一切，你顿时 幻想着，周围的丛林没有了，一个小小的、古典的玛雅建筑被挖掘出来，
并被修复成昔日那显赫的模样。
　　与古城遗址一样，恰契池周围的森林中有颇多的野生动植物。在这里 你能看到成年的貘皱缩着长鼻子，保护它们幼小的毛色不尽相同的后代。 你也许会欣赏那些有着漂亮羽毛的火鸡，特别是那些公火鸡，它们浅蓝色 的头上长满了小小的红色凸斑。晚上，若用一只手电筒照向树顶，你可以 看到大眼睛的蜜熊，它们的尾巴紧紧地卷缠在树枝上。
作为一个毕生喜欢观察鸟类的人，我特别喜欢记录那些蛰居于森林之
中的各种鸟的声音。我常常通过摹仿它们的啼叫声来吸引它们，然后，等 它们飞近时作仔细的观察（并更好地录下它们的声音）。12 月末的一天， 当我在寻觅鸟类的时候，我发现自己不知不觉地走到了恰契池附近的一条 小径上。
　　前半段路上平静无事。我没能录下或看到我正在寻觅的鸟类。因此， 一个多小时以后，我已不再认真聆听鸟叫声，也不再密切地关注树叶中的 动静。我的心思已经转移到占据我大半辈子职业生涯的学科，量子力学上 了。
　　作为一个理论物理学家，我的研究对象主要是作为宇宙中所有物质的 基本构成单位的基本粒子。与实验粒子物理学家不同，我不必在工作时呆 在大型加速器旁或地下深处的实验室里。我不需要直接使用精密的探测 器，也用不着一个大的学术团体。我至多用得着一支铅笔、一些纸张和一 个废纸篓。而往往连这些东西我也不需要。让我好好地睡一晚，而没有什 么分心的事情，拥有时间，且没有忧虑和职责之类的问题来困扰，我就可 以工作。不管是站在雨中，或半睡半醒地坐在晚班飞机上，还是徜徉在荒
　　
野小道上，我都可以工作。 量子力学本身并不是一种理论，它只是一个框架，现代所有的物理理
论都必须与它相符。大家知道，在量子力学中，即便是理论上，也只允许 有几率的计算，因此它要求我们舍弃作为早期“经典”物理学特征的决定 论。物理学家们知道如何用它来预言一个实验的各种可能的结果。自 1924 年被发现以来，量子力学的预言一直都是行之有效的，即便是对于有关的 特殊实验、特殊理论也是精确有效的。但是，尽管量子力学一直都是成功 的，我们却并没有完全地、从最深层次上理解它的真正意义，特别是它对 于理解整体的宇宙的意义。30 多年以来，我们中的一些人一直在想方设法 建构一个我所称作的量子力学的“现代诠释”。我们希望这样一种诠释使 得量子力学既能适用于宇宙，也能用来处理一些特殊事件，这些特殊事件 包括单个物体，而不仅仅涉及那些容易复制信息物质的可重复性实验。漫 步于恰契池附近的森林中，我思考着。从理论上来说，量子力学如何才能 用来处理个性，如何才能用来描述鹦鹉会选吃哪些果实，或描述一棵生长 着的树用什么方法来冲破庙宇遗址上的一块砖石。
　　突然，我的思路被打断了，我看见小道上离我约 100 码远处出现了一 个黑影。我立即停下脚步，小心翼翼地举起双目望远镜，想要看个仔细。 这是只中等大小的野生猫科动物，一只细腰猫。它横站在小道上，头转向 我，使我能够看到它那特有的平顶头，长长的躯体和短短的前腿（有人根 据这些特征称之为獭猫）。根据眼前这一动物的长度——约三英尺——和 它那一身灰黑色的毛，可以看出这是只成年的猫，并且是暗色种类，而非 微红色种类。依我看来，这只细腰猫已经在那里站了一段时间了，它那浅 褐色的眼睛一直盯着正为量子力学的神秘所困惑、而不断向它走近的我。 尽管它显然保持着警觉，但它仍然是一付自由自在的神态。我们都站在原 地，彼此对看着，约有几分钟光景。甚至在我走到离它只有 30 码远的距离， 它仍然呆着不动。然后，在终于将我看清了以后，它掉转脸去，埋下头， 慢慢地消失在树林中。
这样的景观并不常见：细腰猫是一种胆小的动物。由于栖息地墨西哥
及中南美洲环境的破坏，细腰猫的数量近年来已经越来越少，现在已被收 进濒危动物的红色清单中。可雪上加霜的是，细腰猫在处于关押状态时难 以繁殖。与这一特殊的细腰猫相遇，使我又想起个体性的概念。我的记忆 被拉回到早些时候一次与大自然中的个体相遇的情形。
1956 年，我还是加州理工学院的一位极年轻的教授。一次，我在加利
福尼亚大学伯克利分校作了几堂理论物理方面的演讲之后，和我的第一个 妻子玛格丽特一起乘车赶回帕沙第纳（Pasadena）。我们驾驶着一辆希尔 曼闵克斯车，它的顶篷可以自由装卸。那时候，大学教师的着装要比我们 如今正式一些——我当时穿着一身灰色法兰绒西装，玛格丽特穿着毛衣、 裙子，长统袜和高跟鞋。我们行驶在贝克斯菲尔德（Bakersfield）和洛杉 矶之间，特姜隘口（TejonPass）附近的 99 路（当时尚未改建成高速公路）。 以往每次经过这个地区时，我总喜欢仰望天空，希望看到加利福尼亚兀鹰。 这次，我看到一只庞大的鸟在低空飞翔，然后很快就消失在路右边的小山 后。我拿不准这是什么，但我决定弄明白。我把车开到路边，拿上小型双 目望远镜，下了车，然后往山上跑去。路上大部分地段都有很深的红泥。 走了一段后，我回头一看，见玛格丽特也跟了上来，就在后面不远的地方。

她那漂亮的衣裙跟我的一样沾满了泥浆。我们一起来到了山脊，往下一看， 只见 11 只加利福尼亚兀鹰正在山下的田野里啄食着一头死了的小牛。那时 它们组成了加州兀鹰这一种族家庭中的一个大的团体。我们观察了很久， 看着它们吃食，然后飞开一会，着地，在四周来回地走动，又继续啄食死 牛。我早就听说过这种兀鹰有着巨大的身躯（它们的双翅展开时约有 10 英尺长），色彩鲜艳的光头，以及黑白两色的羽毛。现在一见，果然如此。 使我感到惊奇的是，我们可以通过它们各自掉落的羽毛，非常容易将它们 分辨开来。比如，一只鹰的左翅膀上失去了两根硬杆羽毛。另一只的尾巴 上有个楔形缺口。没有哪只兀鹰的羽毛是完完整整的。这就产生了戏剧性 的结果。每只鸟都是一个容易分辨出来的个体，这种显而易见的个性是一 些历史事件的直接结果。我不知道兀鹰羽毛的掉落是一年一度的换羽，还 是掉了以后就再也长不出来了（后来我得知兀鹰的羽毛每年都要全部更换 一次）。我们平时都习惯于将人（和宠物）看作个体，而那些可分辨的兀 鹰则大大地加强了我这样一个判断：即我们所观察到的世界，在很大程度 上是由有着各自特殊历史的个体（有生命的或无生命的）所组成。
　　30 多年以后，再次站在中美洲的森林里，瞧着细腰猫曾经消失的地 方，想着那些掉落了羽毛的兀鹰，并回忆起当时我一直在思考着量子力学 中关于历史和个体性的问题，蓦地，我觉得我的两个世界——一个是关于 基本粒子物理，一个是关于兀鹰、细腰猫和玛雅废墟的——最终统一到了 一起。
几十年以来，我一直保持着这样两种爱好：其一是，我喜欢我的科学
研究，试图找到所有物质的最基本的组成要素所服从的普遍规律；其二是， 我又喜欢在业余时间里探讨地球上生命与人类文化的演变。我总觉得两者 以某种方式密切地联系在一起，但在很长一段时间内我不清楚它们究竟是 如何联系起来的（除自然之美这一共同主题以外）。
表面上看来，基本物理与这些其他的业余爱好之间有着很大的差别。
在基本粒子理论中，我们研究的是电子和光子这样的物质，这些物质无论 在宇宙的何处都具有相同的行为方式。事实上，所有电子都是严格地可与 其他电子交换的，光子也一样。基本粒子没有个性。
基本粒子物理的规律被认为是严格的、普遍的和不变的（除了可能的
宇宙论之外），尽管如此，我们科学家还是可以通过一连串的近似而不断 接近这些规律。相反，像考古学、语言学和博物学这样一些学科研究的是 有个性的帝国、语言和物种，更详细地说是有个性的古代人工制品、单词 和包括我们人在内的生物。在这些学科中，规律是近似的；而且，它们研 究的是历史和生物种类或人类语言、文化所经历的演化类型。
　　但是，基本的量子力学物理规律确实可以引起个性。在这些规律支配 下的宇宙因自然进化，产生了散布于宇宙之中的特殊物体，比如地球。然 后通过地球上的一些过程，比如生物进化，同样的规律又导致了诸如细腰 猫和兀鹰之类的特定个体的产生，这些特定的个体具有适应环境和学习的 能力。最后，这些规律又导致了另一些有自己的语言和文化，并能够发现 那些基本物理规律的特殊个体，比如人的产生。
　　曾经有几年的时间，我不但在研究那些规律本身，也在考虑那些规律 之间的连锁关系。例如，我一直在想，经历了学习和生物进化过程的复杂 适应系统，与非适应性的进化系统（如类银河系和恒星系）不同的特征在
　　
哪里。复杂的适应系统包括正在学习母语的儿童；正形成对抗抗生素的耐 药性的一群细菌；检验新理论的科学团体；一个获得创造性思想的艺术家； 一个形成新习俗或接受新迷信活动的社团；被设计用于发展赢棋新策略的 计算机；发展各种方法来使本种族和谐地生活在一起，并和地球上其他生 物和平共存的人类。
　　与量子力学的现代诠释及复杂性与简单性的意义方面的研究一样，关 于复杂适应系统与它们的共同性质的研究也取得了稳定的进展。为了促进 关于这类问题的学科间研究，我曾经帮助在新墨西哥的圣菲建立了圣菲研 究所。
　　在伯利兹（Belize）与细腰猫的相遇，使我更强烈地认识到我和我的 同事在更好地理解简单与复杂，宇宙与个体，自然的基本规律与我一直所 喜爱的、关于地球方面的特殊学科等等之间的关系上所取得的进展。
　　对这种关系的性质了解得越多，我就越想把自己的想法与感受告之于 众，一吐为快。我平生第一次产生了想写一本书的强烈愿望。
　　
第二章 早期的思想


　　这本书的题目来源于我的朋友亚瑟·斯策（Arthur Sze）所写的一首 诗中的一行。亚瑟·斯策是一位伟大的美籍华裔诗人，住在圣菲。我是通 过他的妻子，多才多艺的霍皮（Hopi）编织工拉玛娜·萨吉斯特娃（Ramona Sakiestewa）结识他的。那行诗是这样写的：“夜晚徘徊的美洲豹，与夸 克的世界息息相关。”
　　夸克是基本粒子，是原子核的组成单元。我和另外一位理论物理学家 分别预言了它们的存在，并由我给它们取名为夸克。在本书的书名中，夸 克象征着支配宇宙及其中的物质之发展变化的简单而基本的物理规律。可 能在许多人看来，“简单”一词并不适用于现代物理学。这是一种错误的 想法，事实上，本书的目的之一，就是要说明“简单”怎样适用于现代物 理学。
　　美洲豹代表我们周围世界的复杂性，尤其是复杂适应系统所显示出来 的那种复杂性。在我看来，亚瑟塑造的夸克和美洲豹的形象完全表达了我 所称之为简单与复杂的自然界的两个方面：一方面，是关于物质和宇宙的 基本物理规律；另一方面，是我们直接观察到的包括我们自身在内的世界 之纷繁的结构。而且，正如夸克象征着那些一经发现，即受到人们全面审 视的物理规律一样，美洲豹是那些难以捉摸的复杂适应系统的一个暗喻， 至少我觉得是这样。只是它始终拒绝让我们仔细观察，尽管它那刺鼻的气 味在灌木丛中远远地就能闻到。
那么，我小时候是怎样迷上博物学这样的科目呢？后来为何又成为了
一个物理学家呢？
一个好奇的孩子 我的启蒙教育得归功于我的哥哥本（Ben），他比我大 9 岁。我 3 岁的
时候，他就教我认阳光饼干盒上的字。他还引导我进行鸟类、哺乳动物的 观察和昆虫、植物的采集。我们住在纽约市，主要是在曼哈顿。但即便是 这样的地方，也还是有可能进行自然现象研究的。我觉得纽约是一片被严 重砍伐的铁杉森林。我们大部分时间都呆在布隆克斯（Bronx）动物园北边 一片未被破坏的小树林里。其他幸存的动植物栖息地分别在这样一些地 方：比如里面有淡水沼泽的范康特兰德公园；拥有沙滩和盐沼的斯塔顿岛 的新村地区；甚至包括我们附近的中央公园，那里有许多有趣的鸟类，特 别是在春秋两季的迁徙期间。
　　我开始意识到自然的多姿多彩，及这种多样的自然得以组织成一个整 体的惊人的方式。如果你沿着沼泽的四周散步，看见一只北黄喉莺或听到 它们啼叫“维契托，维契托，维契托”，你就知道，有可能还会发现另一 只。如果你挖出一块化石古物，你就可能在附近再碰到另一块同样的化石。 成为物理学家之后，曾经有一段时间我在思考，物理学的基本规律如何为 这些现象的解释奠定基础？结果表明，答案与量子力学中处理历史的方式 有关，而最后的解释依赖于宇宙的早期状态。但是，撇开这些深奥的物理 问题不说，不那么深奥的物种形成问题作为生物学现象，的确值得好好地 思考。
　　
　　物种的存在绝非一件平常的事情；而且它们并不像人们有时声称的那 样，只是生物学家头脑里的加工品。伟大的鸟类学家、生物地理学家恩斯 特·梅伊尔（Ernst Mayr），作为一位新几内亚的年轻研究人员，他喜欢 描述栖息在他工作的那个山谷中的 127 种鸟，但当地部落里的人们只能数
出 126 种。他和他们数目不同的唯一差别在于，他们将两种极相似的吵刺 莺混在了一起，而恩斯特接受过科学训练，能将两者分辨开来。比这种不 同人们之间的一致性更有趣的是，鸟类自己也能识辨出它们是否属于同一 种类。不同种类的动物通常不会进行交配，如果万一发生了交配，当然这 是极罕见的事，产生的杂种将可能没有繁殖能力。事实上，关于物种构成 的成功定义之一就是，不同物种的成员之间没有普通方法能使基因进行有 效交换。
　　早年在大自然中散步的经历给我留下深刻印象的是，我们看到的蝴 蝶、鸟和哺乳动物确实有着严格的分类。如果你出去散步，你会看到歌雀、 泽雀、田雀和白喉雀等各种各样的麻雀，但你不可能看到任何介于某两个 种类之间的麻雀。关于某两个群体是否属于同一种类的争执主要在如下的 情况下发生，即当它们在不同的地方被发现，或它们属于不同的时期，并 且至少其中一种是以化石的形式存在。本和我喜欢谈论物种如何通过进化 而全部联系在一起，如同进化“树”上的叶子，上面有东西可以表示树的 结构诸如属、科、目等分类。两个不同物种之间的关系到底有多近，取决 于它们须沿着进化树向下搜寻，看在什么地方才能找到一个共同的祖先。 我和本并不是只局限于户外的活动。我们还去参观艺术博物馆，包括 那些陈列着大量考古文物的博物馆（比如大都会艺术博物馆），和那些陈 列着中世纪时期欧洲一些物件的博物馆（如修道院）。我们也读历史书。 我们学会了认读用埃及象形文字写的碑文。我们出于好玩而学会了拉丁 语、法语和西班牙语的语法。我们注意到法语和西班牙语的词汇（及英语 中许多外来词）是如何由拉丁语演化而来。我们阅悉了印欧语系，并得知 拉丁语、希腊语和本土英语中的许多单词有着共同的词源，并具有相当规 则的变换规律。例如，英语中的“salt”对应于拉丁语中的“sal”和古希 腊语中的“hals”，而英语中的“six”对应于拉丁语中的“sex”和古希 腊语中的“hex”；英语和拉丁语中的起首字母 s 与我们用“h”表示的古
希腊语中的重鼻音相当。这是又一种进化树，语言进化树。
　　历史过程，进化树，有组织的多样性和个体变异共存于我们的四周。 在探讨多样性的过程中，我还得知，人类的活动在很多情况下正对这种多 样性构成威胁。本和我是早期的自然风景保护主义者。我们痛心地看到纽 约周围为数不多的、还算得上的自然区正变得越来越少，比如，一些沼泽 就被人们排干填平。
　　本世纪 30 年代的时候，我们就已经深刻地意识到地球的有限性，人类 活动对动植物群体的侵犯性，以及人口限制、水土保持和森林保护等等的 重要性。自然，当时无论从态度上还是实际应用中，我都还没有将所有这 些改革的必要性，同人类社会在全球范围内的进化联系在一起，尽管这正 是我当今看待这一问题的方式。但即便是那时，我也确实有过一些关于人 类将来的想法，尤其是在教科书与韦尔斯（H．G．Wells）的科学探险故事 的影响下，这种想法越来越引起我们的关注。
我喜欢读韦尔斯的小说，也常常贪看短篇小说集，而且我和本还经常

朗诵诗集中的英语诗。我们有时去听音乐会，甚至到大都会歌剧院去看歌 剧。但我们很穷，大部分时间里我们只得满足于参加一些免费活动。我们 尝试着弹钢琴，哼唱吉尔伯特（Gilbert）和苏利文（Sullivan）所作的歌 曲及一些歌剧调子，但均是浅尝辄止。我们听收音机，试着收听很远处的 电台，包括长波的和短波的，当我们成功地收听到了以后，就写信给他们， 索要“证明卡”。我清楚地记得澳大利亚寄来的那些卡片，上面有笑鴗的 图。
　　本和我想要了解这个世界并欣赏它，而不随心所欲地将它分割成若干 部分。我们觉得自然科学、社会行为科学、古典语言与文学及艺术等领域 并无显著的差异。事实上，我从不相信这些区分有什么重要意义。人类文 化的统一性一直深深地打动着我。在这种人类文化中，科学担当着一个重 要的角色。即便是自然与人类文化之间的差别，也并不那么明显。我们人 类必须记住，我们是自然的一部分。
　　虽然专业化是我们的文化发展的一个必然的特征，但它仍需以各学科 思想之间的统合作为其补充。这种统合的一个突出的障碍是，横亘在那些 能自如地应用数学的人和那些不太懂数学的人之间的一条分界线。幸运的 是，我在很小的时候就受到了定量思考这样一种习惯的熏陶。
虽然本也对物理学和数学怀有兴趣，但鼓励我学习这些学科的主要还
是我父亲。我父亲是本世纪初期从奥匈帝国移民来美国的，他当时不得不 中断了在维也纳大学的学习。到美国后，他又得帮助他的父母养家。他们 比父亲早几年移民到美国，住在纽约，但他们入不敷出，难以维持生计。 我父亲的第一个工作是在费城的一个孤儿院里干活，他在那里跟孤儿们学 会了英语和棒球。虽然他开始学英语的时候已是一个年轻的小伙子了，但 他的语法和发音竟也逐渐地变得无可挑剔。自记事起我就发现，人们从他 发音从不出错就可以猜测他出生于国外。
在考察了若干种就业机会之后，他最后决定开办亚瑟·盖尔曼语言学
校，教其他移民说完美的英语。他也教德语，并且雇用了一些法语、西班 牙语、意大利语和葡萄牙语教师。学校取得了一定的成功，但 1929 年，也 就是我出生的那年，情况发生了变化。不仅股票市场跌入低谷，而且，美 国开始实行新的移民法，大大限制了往美国的移民。从那时候起，由于新 的移民限额制，父亲学校的学生来源减少了，再加上经济的萧条，学校就 更是濒临破产。到我 3 岁的时候，学校倒闭了。为了养活我们，父亲不得 不在银行里找了份低薪但很稳定的工作。我在长大以后逐渐得知，我出生 以前的那段时期作为昔日的好时光，时常为人们所怀念。
　　父亲对数学、物理和天文学很感兴趣，他每天总要花几个小时的时间 来学习，熟读狭义、广义相对论方面及膨胀宇宙方面的书籍。在父亲的鼓 励下，我对数学发生了兴趣。后来，通过自学，我逐渐地感觉到它的自洽 性和严密性，于是我开始喜欢上它了。
　　高中最后一年里，我要填写一份申请入耶鲁大学的表格，其中必须填 上我可能的主攻学科。当我和父亲讨论专业选择时，他对我学考古学或语 言学的计划不屑一顾，说我将会挨饿的。他建议我学工程。我回答说，我 宁愿挨饿也不愿学工程，而且我所设计的东西往往都会散架的。（后来， 在一次智能测验之后，我被告知，“除工程之外干什么都行！”）我父亲 继而又建议我采取折衷的方案，学物理。
　　
　　我向他解释说，我在高中学过物理，那是所有课程中最枯燥乏味的一 门，而且它是我唯一学得不好的一科。我们曾经不得不硬记诸如 7 种简单 机械：杠杆、螺杆、斜面等等之类的东西。并且，我们学了力学、热学、 声学、光学、电学和磁学，但看不出它们之间有什么联系。
　　这时，我父亲的劝说由原来经济的原因改为以智慧与美之吸引力为缘 由而劝导我学物理。他对我保证说，前沿物理学比高中课程所学的物理更 加激动人心与令人满意，而且，我肯定会喜欢上狭义与广义相对论及量子 力学的。我决定迁就老人。我想，到了纽海文之后，我总还可以有机会改 变所学的专业。然而当我到了那里后，我却由于懒惰而没有立即去办理更 改专业的事务。但是，不久之后我发现自己竟然对物理学着迷了。我开始 喜欢起理论物理来。关于相对论和量子力学，我父亲的观点是对的。在学 习这些科目时，我开始懂得，这些基本原理的优美深深地体现了自然界的 美，正如阿比鸟的啼叫或晚上海豚发出的亮光体现了自然之美一样。
　　　　　　　　　　　复杂适应系统 引力定律，尤其是爱因斯坦的广义相对论性引力理论，是简单的自然
界基本规律的一个极好的例子，尽管许多人都认为后者一点也不简单。在
宇宙的自然演化过程中，引力现象使物质形成类银河系，并进而演化形成 恒星和包括地球在内的行星。从形成的时候起，这些天体就显示出复杂性、 多样性和个性。但是随着复杂适应系统的出现，那些性质就有了新的意义。 地球上的这种发展与地球生命的起源以及与产生了如此丰富多样的物种的 生物进化过程结合在一起。至少从某些方面来说，人类是地球上迄今为止 进化出来的最为复杂的物种，他们已经成功地发现了包括引力理论在内的 大量基本的简单性。
如圣菲研究所所开展的那样，关于复杂性与简单性的科学研究自然而
然地包括探讨简单与复杂的意义；复杂适应系统之间的相似性和差异；这 种复杂适应系统在各种不同过程中所起的作用，比如地球生命的起源、生 物进化、生态系统中各种生物的行为，哺乳动物免疫系统的运作，动物（包 括人类）的学习与思考，人类社会的演变，金融市场投资者的行为，以及 为发展策略或在以往观察的基础上作出预言而设计的计算机软件及（或） 硬件的使用，等等。
所有这些过程的共同特征是，每个过程中都由一个复杂适应系统来获
取环境及其自身与环境之间相互作用的信息，总结出所获信息的规律性， 并把这些规律提炼成一种“图式”（schema）或模型，最后以图式为基础 在实际当中采取相应的行动。在每种情形中，都存在着各种不同的互相竞 争的图式，而系统在实际当中采取的行动所产生的结果反馈回来，将影响 那些图式之间的竞争。
　　我们人类中的每一个人都在以多种不同的方式发挥着复杂适应系统的 作用。（事实上，心理学界早就在使用“图式”一词，以它表示人类通常 用来理解资料，并赋予它们以意义的概念框架。）
　　假定你在一个陌生的城市。在晚上的交通高峰期，你想在一条由市中 心向外延伸的大道旁打手势让出租车停下。出租车从你身边驶过，但没有 一辆车停下来。因为这些车都已经载有乘客，而且你还注意到这些计程车
　　
司机关掉了车的顶灯。啊哈！你必定会找一辆顶灯亮着的出租车。然后你 看到一些这样的出租车，里面并没有乘客，但它们还是不停。这时，你需 要修改图式。不久之后，你发现，车顶灯有内顶灯和外顶灯两种，其中外 顶灯亮着表示“不载客”。你需要的是一辆只有内顶灯亮着的出租车。当 两辆出租车在前面一个街区停下，在乘客下车后，司机们拧亮了内顶灯， 这时你的新观点得到了证实。不幸的是，那些出租车很快就被别的步行者 抢占了。又有几辆计程车在你附近载客完毕，但它们也被别人抢先占上了。 为了找到成功的图式，你不得不将网撒得更大。最后，你看到，在街道的 另一侧，许多只有内顶灯亮着的出租车都在沿相反的方向徐徐行驶着。你 穿过街道，招呼了一辆，上了车。
　　作为更进一步的解释，假定你是一个心理学实验的实验对象。在实验 中，实验人员给你看长长的一组常见物体的图片。这些图片代表着各种不 同的东西，每个图片都会被展示多次。实验人员会不时地要求你预言下几 个图像是什么，你得不断地在心中为这一序列建构图式，在所示图片的基 础上建立一个关于该序列结构的理论。任何这种图式，以接下来出现的几 张图片的情况为补充，使你能够对下面将要出现的图片作出预言。通常， 最初的几次预言会出现错误，但如果该序列具有一个容易掌握的结构，预 言与观察结果之间的差异会促使你舍弃不成功的图式，而支持那些能作出 好预言的图式。很快，你就能够准确地预言下次将被展示的图片了。
下面再假定一个由一位虐待狂心理学家主持的类似的实验，实验中他
所展示的序列根本没有什么真正的结构。你可能不停地虚构图式，但这回 除了几次偶然的机会之外，它们总是不能使你作出正确的预言。这种情形 下，除了暗示“这个序列看来是杂乱无章的”之外，现实世界不能为你提 供任何有益于图式选择的指示。但是被实验的人觉得难以接受这样一种结 论。
不管是为新的冒险建立一个商业计划，或提出一个适用的食谱，还是
学习一门语言，你都是在起着一个复杂适应系统的作用。当你训练一只狗 时，你实际上正在面对一个运作中的复杂适应系统，而你自己也同样是在 充当着这样一个系统（如果主要是后者在运作，那么就成狗训练你了，这 也是通常发生的情形）。当你在金融市场投资的时候，你和所有其他的投 资者都是单个的复杂适应系统，大家又组成一个共同的实体，这一实体通 过所有这些组成部分为改善他们的地位，或至少谋求经济上的利益，所作 出的努力而不断地发生演化。这样一个共同体自身也能够成为一个复杂适 应系统。诸如公司或部落这样有组织的共同体，同样可以作为复杂适应系 统。从整体看来，人类还没有很好地组织在一起，但在很大程度上，它已 经起着复杂适应系统的作用。
　　并非只有通常意义上的学习才是复杂适应系统的运作。生物进化提供 了大量这方面的例子。人类主要靠个人或集体的智慧来获得知识，而其他 动物则通过直接的基因遗传来获得它们生存所必需的绝大部分信息。那些 经过数百万年进化的信息，是有时候被人们相当模糊地称之为“本能”
（instinct）的东西。出产于美国部分地区的王斑蝶，“知道”怎样大规 模地迁徙到墨西哥城附近长满松树的火山山坡上去过冬。科普和科幻小说 作家、生物化学家，已故的伊萨克·阿西莫夫（Issac Asimov）告诉我， 他曾经同一个理论物理学家发生过争吵，那位物理学家否认狗知道牛顿运

动定律。伊萨克愤怒地问道：“如果见到狗用嘴捕接飞碟，你还会那么说 吗？”显然，那位物理学家和他所用的“知道（knowing）”一词各有不同 的意思：那位物理学家所使用的“知道”，主要是指在人类科学活动的文 化背景中学习的结果；而伊萨克所使用的“知道”是指贮存在基因中的信 息，外加个体经验所得的学识。
　　不管是草履虫、狗，还是人，他们从经验中学习的能力本身就是生物 进化的结果。而且，进化不仅产生了学习，而且还产生了其他的新型复杂 适应系统，比如哺乳动物的免疫系统。免疫系统经历了一个与生物进化自 身相类似的过程，但是它所需要的时间是以小时或天来度量的，这样使个 体能及时地判断出入侵的组织或外来的蛋白质并产生免疫反应，而进化则 是以百万年计的。
　　事实表明，复杂适应系统普遍都会产生出其他的复杂系统。例如，生 物进化会促使生物“本能”地解决所碰到的问题，而且它还会使生物体产 生足够的智慧，从而通过学习来解决类似的问题。下页的图显示了地球上 各种复杂适应系统之间的联系。约 40 亿年前，与繁殖及一些可遗传的变异 有关的化学反应，导致了首批生命形式的出现，并进而导致组成生态群体 中各种各样的生物的产生。然后，生命进一步导致了像免疫系统和学习过 程这样的复杂适应系统的产生。对人类来说，符号语言能力的发展使学习 扩展成复杂的文化活动，从而在人类文化中又产生了新的复杂适应系统： 社团，组织，经济和科学活动。这里列出的仅为其中的几种。既然人类文 化中出现了快速而又多功能的计算机，那么我们也可以使它们充当复杂适 应系统。
将来，人类可以创造出新型的复杂适应系统。比如有这样一个例子，
这一例子曾经在科幻小说中出现过，只是在 50 年代早期的一次谈话后，它 才引起我的注意。已故的伟大美籍匈裔物理学家列奥·西拉德（Leo Szilard）曾邀请我和我的一个同事去参加一个关于武器控制的国际会议。 我的同事“穆福”·戈德伯格（“Murph”Goldberger，后来他是普林斯顿 高级研究院的董事，再后又成为加州理工学院的校长）答复说，他只能参 加会议的后半部分。列奥转而问我，我说我只能参加前半部分。列奥想了 一下，然后对我们说，“不，那样不好；你们的神经元并不是互相联系的。” 将来某一天，不管是好事，还是坏事，这样的相互联系也许会成为可 能。可以用金属丝将人和一个先进的计算机连接起来（不通过口语或像控 制台那样的连系装置），通过计算机再进一步与另外一个或几个人相连系。 以这种方式连系起来的两个人享有共同的思想和情感，而不存在用语言交 流时所允许的那种选择性和欺骗性。（伏尔泰应该发表这样的评论：“人 们??使用语言仅仅是为了使他们自己的思想隐藏起来。”）我的朋友歇 尔莱·霍夫斯特德勒（Shirley Hufstedler）说，她不会向一对即将结婚 的男女推荐这样一种方式，即用金属丝将他们两人连在一起。我想我也不 一定会建议这样一种方式（尽管假定这一切都可能，而且会帮助我们解决 一些极难解决的人类问题）。但它肯定会导致一种新型的复杂适应系统，
一个由许多人组成的真正的混合体。 研究复杂适应系统的学者们不但逐渐地通晓了这些系统的差别，而且
还熟谙它们的普遍性质。虽然它们的物理属性有广泛的不同，但它们处理 信息的方式是相似的。这一共同的特征也许是研究它们如何运作的一个最

好的起点。

第三章 信息和原始复杂性


　　研究复杂适应系统时，我们通常关注系统对信息的处理。我们研究信 息怎样以数据流的形式到达系统。（例如，将一组图像展示给一个心理学 实验对象，那么这组图像就构成了数据流。）我们关注复杂适应系统怎样 寻找数据流中的规律性，如何从一些偶然的或者说随意的特征中把它们抽 取出来，并将其压缩成一个随时都可能发生变化的图式。（在上例中，被 实验者建构一个用来描述那组图像的推测性规律，并不断地对它进行修 改。）我们观察得出的每个图式接着又怎样与附加信息相结合，从而得出 一个适用于现实世界的结果：一个对被观察系统的描述，对待未发生事件 的预言，或对复杂适应系统自身行为的规定。这里所说的附加信息，与从 数据流中提炼规律性的同时被搁置到一边的偶然信息属于同种性质。（在 心理学实验中，实验对象可能将建立在过去出现的图像之基础上的试探性 图式，与接下来出现的图像所提供的信息联系起来，从而对下一步将要出 现的图像作出预言。在这种情况下，附加的特殊信息，往往来源于从其中 提炼出图式的同一个数据流的后续部分。）最后，我们看这些描述、预言 或行为怎样对现实世界产生影响，这些影响又怎样反馈回来，给各种不同 图式之间的竞争施加“选择压力”（selection pressure）；一些图式被 降级或淘汰，而其中的一个或更多的图式则得以被保留下来，并可能升级。
（在前面所举的例子中，如果一个图式所作出的预言与后续图像相抵触，
那么接受实验的人多半要抛弃它，而能作出正确预言的图式则被保留下 来，并被高度重视。这里，图式的检验是通过使用同一个数据流的后续部 分来进行的，这些信息流首先产生了图式，并进而为作出预言提供特殊的 附加信息。）复杂适应系统的操作可用图 3—1 来表示，该图强调了信息的 流动。
像所有其他事物一样，复杂适应系统服从以物质和宇宙的基本物理规
律为基础的自然定律。而且，在那些定律所允许的所有情形中，只有某些 特殊的情况才允许复杂适应系统存在。
研究宇宙及物质的结构时，我们可以采用研究复杂适应系统时所沿用
的方法：集中研究信息。那么，规律性的东西是什么呢？偶然事件与随意 性从哪里进入规律之中呢？
量子力学与混沌中的不确定性 根据一个世纪以前的经典物理学，由运动规律和宇宙在任意时刻的状
态，理论上就能预言宇宙的整个历史。现在我们知道，那是完全错误的。
宇宙具有量子力学性质，这就是说，即使知道初始状态和物质的基本规律， 我们也只能计算出一组宇宙各种可能历史存在的概率。而且，这种量子力 学“不确定性”（indeterminacy）的程度远远超出了我们通常所讨论的范 围。许多人熟知海森堡的不确定性原理，该原理否定了同时准确地测量粒 子的位置和动量的可能性。虽然几十年来这一原理引起了广泛的注意（有 时人们甚至用了一些易于引起误解的措辞），而量子力学所要求的附加不 确定性却很少被人们提起。我们将进一步详细地讨论它。即便经典近似被 证明是合理的，且量子力学不确定性被相应地忽略不计，也仍然存在普遍

的混沌现象，这里力学过程的结果受初始条件如此大的影响，以至于初始 状态的微小变化会导致最后结果显著的不同。
　　在下面摘自享利·彭加勒（Henri Poincaré）1903 年所著的《科学与 方法 （ScienceandMethod）中的一段话（艾华耳斯·彼德逊 （Ivars Peterson）在《牛顿的钟》（Newton’s Clock）一书中曾引用过）里，作 者预先考虑了一些关于经典决定论和经典混沌的现代评论：
　　如果我们准确地知道自然规律和宇宙在初始时刻的状态，我们就能精 确地预言该宇宙在下一时刻的状态。
　　然而，即使自然规律完全为我们所掌握，但无论如何我们却只能近似 地知道初始位置。如果我们能以同样的近似程度预言后续状态，这也正是 我们所要求的，那么，我们应该说现象被预言了，它受定律的支配。但事 实并不总是这样；初始条件中的细小差别可能会导致最终结果的极大差 别。前者微小的误差会酿成后者的巨大错误。准确地预言不再可能，所发 生的一切都成了偶然的事件。
　　在本世纪 60 年代曾引起人们对混沌产生关注的几篇文章中，有一篇是 气象学家爱德华· N．洛伦兹（Edward N ． Lorenz）所写的。事实上，气 象学经常提供极中肯的混沌例子。虽然卫星摄像术和使用强大的计算机进 行的计算，使得天气预报从多方面来说都是相当可靠的，但是，气象预报 依然不能总是准确无误地预言我们大多数人最想知道的情况——本地明天 是否有雨。同样，一个已知的风暴系统将要通过哪里，它何时引起降雨， 这和几天前，甚至几小时以前的风势与当地地理的详细情况，以及天空云 层的物理状态等有关。气象学家所掌握的这方面的数据，哪怕只有极微小 的误差，也会致使天气预报对计划集体野餐的人们来说毫无用处。
由于不能进行完全准确的测量，因而，混沌行为不但导致了量子力学
原理中的不确定性，而且引起了经典层次的明显的不确定性。这两种不可 预测性之间的相互作用，是现代物理中很有吸引力的一个方向，但目前很 少有人对它进行研究。探求量子不可预测性与经典混沌不可预测性之间关 系这一富有刺激性的工作，甚至如此深深地打动了《洛杉矶时报》（Los Angeles Time）的编辑与记者，以至于他们在 1987 年刊出了一篇关于这 一主题的社论！作者指出这样一个明显的佯谬，即一些理论家研究在经典 极限下显示出混沌状态的系统的量子力学性质，却不能发现叠于量子力学 不确定性之上的混沌不确定性。
幸运的是，通过许多理论物理学家的努力，这个问题正逐步得到澄清。
这些物理学家当中包括我的一个学生托德·布隆（Todd Brun）。他的研究 结果似乎证明，将混沌看成一种能将量子力学所固有的不确定性扩展到宏 观层次的机制，从多方面来说都是非常有用的。
　　近来，出现了许多关于混沌的错误说法。从非线性动力学中一种专门 名称来看，这一词已被借用来表示任何一种真正的或表面的复杂性或不确 定性。例如，如果我就复杂适应系统作一次演讲，但在演讲中可能仅提起 过一次与混沌有关的现象，或者也许一次也未提，那么讲完后，肯定会有 人恭贺我作了一次关于混沌的精彩演讲。
　　看来，科学发现对文学界和大众文化产生影响的特征就是，从出现在 专业刊物上到出现在通俗杂志或通俗读物里这一过程中，主要的幸存者是 某些特殊的词汇，但即使是那些词，也往往只是得到了模糊或不正确的解
　　
释。一些重要的限制和区别，有时甚至是实际的概念本身，在这一过程中 被丢掉了。看看“生态学”和“量子跃迁”的广泛使用，以至于新时代用 语“能量场”，就很能说明这一点了。当然，你可能会争辩说，像“混沌” 和“能量”这样的词最初并非是作为专门术语用的。但是，在通俗化的过 程中，被曲解的是它们的专业意义，失去了它们最初的语义。
　　面对着将具有特殊用法的概念，在有效的文学机制中转换成没有意义 的陈词滥调的越来越普遍，我们应当作出努力来阻止同样的命运降临到复 杂性的各种概念上。我们将不得不专门讨论一下其中的一些概念，来看看 每个概念适用于什么范围。
　　首先，这里所使用的“复杂适应系统”中的“复杂”是什么意思呢？ 实际上，这里的“复杂”一词不必有严格的意义，这是一种习惯用法。但 是，这一词的存在还是隐含这样的意思，即任何这样的系统都至少具有某 种最低程度的、并有适当定义的复杂性。
　　简单性是指缺少（或几乎缺少）复杂性，原意为“只包含了一层（once folded）”的意思；而“复杂性”一词则来源为“束在一起”的意思。（值 得提出的是，表示层的“plic”及表示束的“plex”均来自于相同的印- 欧语词根“plek”。）
　　　　　　　　　　各种不同的复杂性 简单性与复杂性这对反义词的真正含义究竟是什么呢？为什么说爱因
斯坦引力简单，而金鱼复杂呢？这些都不是容易回答的问题——给“简单”
下定义并不简单。恐怕一个概念不足以清楚地表达我们依直觉可得的复杂 的观念。我们必须定义多种不同的复杂性，而有些可能还没有被想到。
定义复杂性的问题是怎样提出来的呢？其中的一种情况，就是计算机
科学家对计算机解决某种特定问题需费多长时间的考虑。为了避免这种时 间依赖于程序员的聪明程度，科学家们主要只考虑可能的最短解决时间， 这就是常常称作的该问题的“计算复杂性”。
但是，即便是最少的时间也仍与计算机的选择有关。在定义各种不同
的复杂性时，不断地出现诸如此类的对 “背景的依赖性” （context dependence）。计算机科学家对于一组近似的问题特别感兴趣，但对长短 并不关心；此外，他或她主要关心的是，当问题不断变长而没有限制时， 计算的复杂性会发生什么变化。当问题趋于无限大时，解答所需最少时间 怎样随问题长短的变化而变化？这样一个问题的答案可以与计算机的细节 无关。
　　事实表明，计算复杂性是一个相当有用的概念，但是它与我们使用“复 杂”一词时通常所指的意思不同，比如，它与我们所说的高度复杂的小说 情节，或组织构造中的复杂就不一样。在这种情况下，我们更加关心的是， 描述所研究系统某些性质需要多长的信息，而不是在计算机上解决某个问 题需多长时间。
　　例如，几十年来，生态学界一直在争论，像热带森林这样“复杂”的 生态系统比相对“简单”的生态系统，如在帕沙第纳后边圣加布里尔山高 处所发现的橡树和针叶林，是否具有更大或更小的弹性（resilient）。这 里的弹性是指从气候变化、火或一些其他的环境变更中幸存下来（或甚至
　　
从中受益）的可能性，它与人类的诞生与否无关。现在看来，那些认为简 单一点的生态系统更有弹性的科学家们，似乎正成为这场争论的赢家。但 他们所说的简单与复杂是什么意思呢？答案当然与对每个森林所给予的描 述之长度有一定的关系。
　　为了得出有关森林复杂性的很基本的观念，生态学家们可能会数每个 森林中树的种数（典型温带高山上森林中树的种类不到一打，而一个低地 热带森林中却有数百种）。他们也可能数鸟类或哺乳动物的种类；同样， 结果也是热带低地的种类多一些。如果考虑昆虫，那差别就更加显著了—
—试想一下一个赤道雨林中会有多少种昆虫。（这个数目一直被认为很大， 而最近的估计又大大地增加了。从史密斯尼安研究所 （Smithsonian Institution）的特里·爱尔温（Terry Erwin）的研究开始，科学家们作 了这样一些实验，也就是将雨林中一棵树上的昆虫全部杀死，并收集起来。 结果发现，昆虫的种类比以往所估计的数目要多 10 倍，而且其中许多种类 是第一次被发现。）
　　除物种之外，你还可考虑其他因素。生态学家们常常还要考虑森林中 各种生物之间的相互作用，比如食肉动物与被捕食动物之间，寄生物与寄 主以及授花粉者与被授者等等之间的关系。
粗粒化 那么，他们会考虑到什么层次的细节问题呢？他们会去注意微生物、
甚至病毒吗？除了考察明显的相互作用，他们还要考虑极微弱的相互作用
吗？显然，他们会在某个地方打住，而不可能无穷尽地追究下去。 因此，定义复杂性时，有必要指出对系统的描述要达到什么样的精细
度，而更小的细节可以被忽略。物理学家称这为“粗粒化”（coarse
graining）。这样一个名词可能源于呈颗粒状的照片。当一个照片中的细 节太小，看不清楚，而需要放大许多倍时，放大的照片上会显示出一些单 个的颗粒。这时照片上只有若干个点来表示一个很粗糙的像，而不再有清 晰的细节。安东尼奥（M.Antonioni）的电影（放大》（Blow－Up）指的就 是这样一种扩放。一个照片的颗粒状态显示出它所能提供的信息数量。如 果胶片呈明显的颗粒状，那么整个照片就只能粗略地反映出所拍摄的物 体，显示出非常粗糙的颗粒化。如果一个侦察卫星拍下了一件以前所不知 道的“复杂”武器的照片，那么它的复杂性的程度将与照片的颗粒状有关。 确立了粗粒化的重要性之后，我们还面临着怎样定义所研究系统的复 杂性的问题。例如，一定数量的人（姑且说 N 个人）之间的简单或复杂的 通信方式的特点是什么呢？当一个心理学家或研究组织的学者想要比较 N 个人在各种不同通信条件下解决问题的好坏或快慢时，就存在着这样的问 题。一个极端情形（我们不妨称之为 A 情形）为，每个人独立工作，彼此 之间没有任何通信。另一个极端情形（称为 F 情形）是，每个人都可以随 便与任何其他人通信。A 情形显然很简单。那么 F 情形是比它复杂得多，
还是几乎与它一样简单呢？ 至于细节的层次（粗粒化的程度），我们假定所有的人都被认为是相
同的，没有任何个性。我们在图中用点来简单地表示他们，而且点的位置 也不重要，所有的点都是可以互相交换的。任何两个人之间的通信要么是