代序——聆听生命不朽的细语
　　　　　　　　　　　　　李国伟 我的脑海中有一幕景象总是那么的鲜明：
　　25 年前受军训，某次夜间教育的场所是附近的坟地，当教官滔滔不绝地 讲解时，席地而坐的我，却早已不自觉地将视线扫向了满天星光。在那片小 小的土岗上，四野没有房舍的阻拦，天际也没有光害的遮掩，大把大把的星 子就在苍穹中烂漫地蹦跃出来，呢哝着宇宙邃远的谜语，而我的心脉也在一 阵赞叹中悸动。
　　我感佩的不仅是宇宙的宏大古老，更心折于在广袤无垠中，居然有这么 渺小的一个地球，充满了千变万化的有生之物。再进一步想想，又不得不惊 异如此繁茂的生命里，怎么就会出现一种叫“人”的奇妙动物？在朽睡到坟 莹前的短暂岁月中，他可以运用心智的能力，去探索自己存身宇宙的奥秘。 我所赞叹的最底层是，人的脑除了用来解密外在天地，居然还能反转过来， 剖析自我心灵与认知的宇宙。那一晚的夜间教育使我如此贴切地感悟到，宇 宙——生命——心智是一圈外而内、大复小的神秘回环，真正是令人震铄的 全方位无限。最近我贪婪地咀嚼着弗里曼·戴森（FreemanJ.Dyson）所写的
《全方位的无限》（InfiniteinAllDirections），当思绪跟着他灵巧的笔锋
游走时，感觉在当年那种悟境里，再次勾勒出鲜明的图样，而有了更深一层 的认识。
戴森本人就是全方位发展的俊秀，他出生于英国，从 1953 年起便担任美
国普林斯顿高等研究院的物理学教授。他不仅在理论物理与数学上成就非 凡，更关心人类终极的命运，特别是战争与和平的问题。他广泛地发表言论， 检讨核子时代道德与伦理的困境。戴森拥有高超的智慧与勇气，能跨出学科 所设下的门槛，思索学究们不愿思索的问题，想象正统派不敢想象的前景。 在《全方位的无限》中，他更是扬弃一般科学家知性的怯懦，游刃于科学和 科幻之际，架构生命科学与宇宙论的桥梁，凸显人类无可旁贷护卫生命的天
责。

宇宙与生命的多样性


　　《全方位的无限》内容包括两大部分：第一部分讨论“生命为什么如此 复杂”，第二部分讨论“核子冬天到又见蝴蝶”。所谓“全方位的无限”， 在第一部分中主要是说，通过生命与心智的活动，宇宙有无穷尽的可能来知 觉自我，宇宙与生命的多样性，是一桩我们想用科学来了解的事实。在第二 部分中，多样性变成了一种标的，因为我们既然从宇宙传承了珍贵的生命， 通过科技与政治的功能，在满足人类社会各种需求和欲望的同时，更要维护 地球上所有的生命，并把生命拓展向无限的星空。
　　在“生命为什么如此复杂”这部分，戴森尝试想象一个生命起源的架构。 他逐步摊开的蓝图，涵蕴着精彩绝伦的构思。他所偏好的观点：重视生命的 生理平衡（homeosta-sis）胜于自我复制（replication），重视多样性胜于 均匀性，重视细胞的弹性胜于基因的宰制，重视整体对错误的容忍胜于零件
　　
对精准的苛求。在讨论过生命的起源后，戴森进而推想无穷扩张宇宙中生命 的终极未来。宇宙不断膨胀会使温度日益降低，但是生命可以调整适应存身 的环境，而心智更是永无休止地向物质宇宙中扩散。若要思索心智对宇宙的 影响，就不再是人类当下科学所能导航的了，这几乎已经要跨入宗教的境域 里。戴森虽然没有多表示意见，但是他说让我们的想象力在星际中漫步，我 们会听到生命不朽的细语。
　　在戴森书出版后的二三年间，世界局势丕变，《全方位的无限》后半部 讨论德国的奥地利化、核冬天、星球大战计划等话题，似乎损失不少紧迫性。 但今年 4 月 28 日美国升空的“发现号”航天飞机，正是从事有关星球大战计 划的试验。可见全球战略的基本构思，还没有过渡到一个崭新的局面。而且 戴森对军力平衡、核武器销毁的一些基本道理，有迥异于寻常的思考，仍然 值得学习运用在别的权力竞技场上。
　　在“从核冬天到又见蝴蝶”这部分最发人深省的是，戴森提醒我们从历 史上看来，对人类生活发生极深远影响的技术，经常是非常简单的技术。例 如囤积干草使得阿尔卑斯山以北的城市，能在冬日维持牲畜的动力，而让高 度的文明得以由地中海扩展到北欧、西欧。那些工程师梦寐以求的宏伟、精 致、复杂的机具，到后来反而愈来愈缺乏变异的弹性，终必在文明的演化中 遭到淘汰。

“小、巧、轻、快”的科技哲理


　　戴森说，让我们以生命演化的历史作借镜，多向大自然学习。譬如鸟与 恐龙是近亲，鸟小而敏捷，恐龙大而笨拙。当外在环境发生巨大变动时，虽 然恐龙的构造非常有利于它原来的生存，却无法快速适应新的生态环境。当 五光十色的鸟儿仍在大地欢唱繁衍时，巨无霸的恐龙于今安在哉？戴森以为 大电脑、核电厂、航天飞机都好比迟钝的恐龙，最终只能成为工程师的宠物， 却会在历史中三振出局。
在具体技术发展的建议上，我实在很佩服戴森的想象力所创造的“太空
鸡”（Astrochicken）。利用遗传工程和人工智慧的技术，一公斤重的“太 空鸡”将是植物、动物、电子元件整合的共生体，分别提供维生、知觉与地 球通讯的功能。廉价的“太空鸡”可以多量地制造，不断地放射出去游走在 太空中，为人类收集有用的知识，并且把生命与文明拓展向大宇宙。
戴森这本书充满了智慧的豁达与博爱的包容，精彩灵巧的语束遍地皆
是，而且不需要通晓专门知识，便可掌握他立论的思想。好久以来，未曾读 过这么让人精神上畅快的讨论科技与文明的书。戴森在事实的细节上容或有 不精准的地方，对未来的预言上也必然有难以实现的误差，但是他对生命毫 无保留的乐观与信心，会鼓舞起我们心灵上莫大的解放力量，朝全方位无限 迸发。

——1991 年 4 月


全方位的无限

上卷 生命为什么如此复杂

第一章 赞美造化无穷


科学与宗教拥有一些共同的特点， 其中最显著的是一致性与多样性。 如果少了一致性，字宙就毫无伟大之处 如果缺乏多样性，世界也就失去了自由。 这种相生共存的特质创造了科学与宗教的历史。


参与这项讲座的讲员无须通过任何检试；他们可以隶属于任何宗派或是毫无宗 派，可以奉行任何宗教或思想，也可以是没有宗教信仰的人、怀疑论者、不可知论者或 是自由的思想家。只要他们是虔敬的人，是真正的思想家，并挚切渴慕真理即可。
——吉弗德（Adam Gifford） 1887 年《遗嘱》


　　我的儿子三岁时，常喜欢一大清早爬到我的床上来，和我谈论生命的问 题。有天早晨，他忽然蹦出来一句话：“上帝有两位。”我吓了一跳，然后 问他：“它们叫什么名字呢？”他回答说：“一位是创造人的耶稣，而另一 位则是酿造酒的酒神（Bacchus）。”我猜想，他一定是从外界人与事的变化 中看出了多神教的倾向，才会说出这番话。任何人读过或观赏过欧里庇德斯
（Euripides）的宗教剧《酒神》（Bacchae），都知道酒神是位可怕的神祇，
对他的子民有无上的权威。在今天这种药物泛滥的时代里，我们仍可感觉到 酒神在支配许多人的生活。我怀疑三岁大的小孩对此懂得多少？可能和他所 了解的耶稣基督差不多。在我的想法里，他这样说是来自与生俱来的宗教感。 身为“物理学家之子”，自然会用相关的语言表达出来。

一窥世界之美的两扇窗


　　本书大部分是根据我在“吉弗德讲座”（Gifford Lec-tures）中的讲 稿写成的。吉弗德在遗嘱中设立了“吉弗德讲座”，其讲座内容则设定为“自 然神学”（NaturaI Theology）。自然神学这个名词有其技术上的意义。基 督教的教义告诉我们，上帝在两本书上记录了他的言行，一本是圣经，而另 一本则是被称为“自然”的这本大书。不论我们是否读圣经，只要好好阅读 自然这本书，就能了解上帝的工作。这也正是吉弗德写下这份遗嘱的真正心 意：“自然神学”就是经由对自然的研究，来了解上帝的旨意。
　　我对宗教的态度和我那三岁大的儿子比较接近，当我进行一项科学计划 时，我并不认为自己在解读自然这本书；而当我在谈论耶稣和吉弗德时，我 也不认为自己是追求真理的狂热分子。科学和宗教是两扇窗，我们可探头一 窥周遭世界之美，而每个人都可以自由选择一扇窗。
　　“吉弗德讲座”被认为是较年长的神学家或科学家表现一生智慧心血的 机会。像威廉·詹姆士（William James）、怀海德（Alfred North Whitehead）和许多其他著名的哲学家，都曾参加几次讲座。其中詹姆士的讲 稿以书名《宗教经验的差异》（The Varieties of Religious Experience） 发表，而怀海德的讲稿则以《程序和真理》（Process and Reality）为书
　　
名出版。在詹姆士的自传中曾写道，他为了准备吉弗德讲座的资料，曾离开 他在哈佛的工作两年，以搜集资料及集中精神思考。这项准备工作十分繁重， 以致他整个人都累倒了。后来他恢复健康，把他的杰作放进公事包，来到爱 丁堡（Edinburgh）。天啊！我可不是这样。我的公事包中没有杰作；我是个 科学家，无意成为哲学思想家；我也不会离开教职来准备讲稿；甚至于自己 偶而思考哲学方面的问题，也都是片段的，不值得记录的。综合以上的事实， 我知道我不是詹姆士，也不是怀海德，因此我只想谈谈自己感兴趣的事，不 想将这些事情套上什么冠冕堂皇的意义和价值。
我的讲稿是分两个系列准备的，因此本书也就随之分成上、下两部分—
—上卷是将生命当成一种科学现象来讨论，并论及我们为了解生命本质及生 命在宇宙中的地位所做的努力；下卷则是关于道德和政治，看看生活在这个 星球上的人类，到底带来些什么问题。这两部分并未依照逻辑顺序排列，我 也不必高言了解生命现象，会有助于解决政治问题。但无论如何，这两部分 彼此并非完全无关：我在看待科学及人类问题时，都是出于一份对丰富多样 性（diversity）的热爱。多样性是生命赠予这个星球的一份大礼物；在未来， 则会是给整个宇宙的礼物。而我希望在道德原则和政治活动中，看出多样性 的体现。

一致性与多样性


　　本章是讨论科学和宗教之间的关系，至于在本书的其他部分，只会偶尔 提及宗教。当我谈到宗教时，完全只是我个人的想法和作法。任何试图找出 科学家对宗教及哲学之共识的努力，都是没有意义的，在我们科学家之间根 本没有事情是一致的。科学的声音包含了语言及文化的丰富多样性，这也正 是科学迷人的地方。科学是一种人类意志的自由产物，它跨越了疆界及人种 的藩篱。许多最优秀的科学家是基督徒、伊斯兰教徒、佛教徒或犹太教徒， 许多人是马克思主义者，许多人是好战的无神论者，更有许多人和我一样， 因习惯或家庭背景，断断续续和基督教有接触，却算不上教徒。
科学和宗教是人类的两种活动，它们和其他艺术、文学和音乐等活动，
拥有一些共同的特点。其中最显著的特质是一致性（discipline）与多样性。 一致性使许多令人赞叹的事物合成大自然，而多样性则赋予人类各种各样的 想法和气质。如果少了一致性，那么这个字宙就毫无伟大之处可言；然而如 果缺了多样性，则这个世界也就失去了自由。这种一致性与多样性共存的特 质创造了科学与宗教的历史。
　　至于我所从事的物理研究领域，是经过相当自由的变革，才演变成今天 这种情形。有时我和普林斯顿年轻的同事谈话时，我觉得自己好像迷失在雨 林中似的，周围都是昆虫、花鸟，对我这个 60 岁的老头脑来说实在是吃不消！ 但是这些年轻的物理学家可没有迷失自己的方向，他们正循着对我来说已是 模糊不清的足迹，走自己的路。以所受的训练而言，现在和 40 年前当然是大 不相同，但其主要的精神仍然非常一致。这些年轻人并非漫无目的地游走， 他们是探险家、发现者，试图找出离开雨林的道路，而登上世界的颠峰。
　　在这里，物理发展史和地理大发现，有许多相似而平行的发展。当人类 的眼光看向世界的顶峰时，组织印度探险队的埃佛勒斯（George Everest） 就成为世界最高峰（即珠穆朗玛峰）的名字；而在物理上，马克斯韦尔
　　
（Maxwell）的电磁场方程式和爱因斯坦的广义相对论，也都代表着过去数百 年来人类科学的里程碑。但是上帝不仅创造高山，他也创造了丛林，而直到 最近我们才了解，丛林是上帝最丰富的杰作。探索南美和非洲的现代探险家 要寻找的不是高山，而是想了解丛林及生活其中的生物。我们自己在几百万 年前离开了丛林，而现在我们也了解到：如果想要继续健康地活在这个星球 上，我们就必须研究及保护丛林。

复杂多变的宇宙


　　而在物理上，上帝创造力之丰富，也远非马克斯韦尔和爱因斯坦所能想 象。在 20 到 30 年代，物理的领域似乎已经完全被探索殆尽。而物理世界似 乎很简单，其中有被马克斯韦尔、爱因斯坦、卢斯福（Rutherford）和波耳
（NeilsBohr）等人探索的高山峻岭，相对论和量子论则像是伟大的路标，清 楚而冷酷地矗立在阳光下。在它们之间，似乎只剩下几座小山谷还未经探测。 现在我们的了解就比较多了：当 50 年代人们开始探测那些未知的小山谷时， 发现其中存在着一大堆奇奇怪怪的生物。20 年代只知道 3 种基本粒子，而我 们现在总共已有 61 种基本粒子；以往认为物质有三态——固态、液态、气态， 现在则有六种状态或更多；当年用几个方程式就可以描述已知的宇宙，而现 在的数学结构愈趋复杂，其程度和所要描述的物理现象相仿。因此我们应该 回到雨林中，除了地理上的探测外，还有智慧上的探索。
近年来在物理上的发现，带给我们什么哲学上的课题呢？我们主要学到
的是“自然是复杂的”，根本没有“简单的物质宇宙”这回事。爱因斯坦终 其一生都相信，客观的宇宙包含时间、空间和物质，独立于人类的思想和观 察之外、但这已经不是我们今天的想法了。爱因斯坦希望能找到一个“客观 真实”的宇宙，而这个宇宙是由许多高山组成，他们可以登上峰顶，并以几 个简单的方程式加以描述。然而，自然不是生活在峰顶，而是在山谷里。

科学与宗教间的矛盾关系


　　我最近听了一位著名生物学家的演讲，在会中他讨论了两个分别称为“科 学的物质主义”（Scientific materialism）及“宗教的超越性”（religious transcendentalism）的哲学观点。他说：“基本上，这两个观点是互不相容 且互相排斥的。”这似乎是被生物学家和基督教基本教义派所广泛接受的论 点。我并不清楚所谓“物质主义”指的是什么。以物理学家的说法，所谓“物 质”，是当大量粒子聚集在一起时所表现的行为。当我们以粒子物理实验对 物质做最微细的检验时，它的行为是无法预测的。它似乎是在不同的可能性 中，随意挑选自己要走的路。它们像是活的东西，而不是死硬的石头。因此， 在实验室中所观察到的物质，和由人类知觉所观察出的心智表现之间，好像 只有程度上的差别，而非本质上的差别。如果上帝真的存在，并且我们感受 得到的话，那么他的心智和我们的心智，可能也只是程度上的差别，而非本 质上的差别。因此，我们人类正好位在物质的不确定性，和上帝的不确定性 之间，而我们的心智可以接受来自物质与上帝的讯息。这种看法可能是错的， 但它至少和在粒子物理中所观察到物质活动性的本质，是不谋而合的。所以， 我以物理学家的身份说：“科学的物质主义”和“宗教的超越性”，彼此之
　　
间既不矛盾也不排斥。我们已经知道物质本身是十分怪异的，而也就是这种 足够怪异的特性，给上帝足够的自由来做事。
　　基本教义派另一种常见的说法，是所谓“科学人本主义”（scientific humanism），而这种人本主义基本上是被认为和基督教信仰对立的。基本教 义派的人常假设我们只有两种选择，如果不是人本主义，就必须是他们眼中 的基督教，但是就和“科学的物质主义”一样，所谓“科学人本主义”也有 许多不同的意义。一般来说，一个科学人本主义者，就是一位相信科学、相 信人性，但却不相信上帝的人。如果这个定义是正确的，那么我并不是科学 人本主义者，我并没有将人性当成是上帝造物的终极目标。人性对我而言像 是一个伟大的开始，而不是一个结束。对这些问题，小孩子常比大人要容易 领悟。我太太在和我结婚时已有一个女儿，她五岁时才第一次见到我；在这 之前，她和母亲单独住在一起。在我搬去与她们同住没多久，有一天，她第 一次看到我的裸体，她有些惊讶地问道：“上帝真的把你造成这个样子啊？ 难道他不能把你弄得好看一点吗？”这个问题应该是每一位科学人本主义者 在这辈子，至少要面对一次的问题，而最诚实的答案是：“当然可以。”

威尔斯的“科学人本主义”


　　我个人对科学人本主义的看法主要是受到威尔斯（H.G.Wells）作品的影 响，特别是他的《历史略说》（Outline ofHistory），该书写于 1920 年， 是关于人类历史的生动描述。在书首的两句话，就点出了他对历史的看法：
由生命及人性观点来看，空间是空的，甚至时间本身也是空无所有的。生命在这 些广大无垠的时空中只是一点小人花，到现在还未熊熊燃烧。
　　对威尔斯和我都很重要的观点是：宇宙是广大的，而生命是渺小的。了 解自身的渺小，有助于我们摆脱傲慢，而傲慢则是物理学家最不可饶恕的罪 过。
在他这本书的中间部分，威尔斯谈到了有关基督的生涯和教诲。在此他
有一段文字清楚地讨论了科学与宗教之间的关系：
　　　虽然有许多文章愚蠢地讨论了科学与宗教的敌对关系，然而，这些敌意事实上并 不存在。在这个世界上，宗教的阐杨、历史的发展及科学的广泛证明，都指出一个合理 而单纯的事实，那就是：人类本是一家。他们来自一个根源；他们的个体、国家和种族， 最后终究会合并成这个星球上一个大的人类社区。而心理学家可以与传道者同心携手， 向我们保证：除非失丧生命的人们找回生命，并且依据各人的兴趣及意愿来教育和训练， 超越愤恨、害怕、偏见及歧视的捆绑，否则不可能有合理的想法，不可能有和平，也不 可能有安全。我们种族的历史和个人的宗教经验之间，关系非常密切，对一个现代的观 察者来说，几乎可以看成同一回事。这两者都告诉我们：人最初都是散乱、盲目，并且 心中充满困惑的，然后他慢慢摸索出自己的路来，而找到有秩序及一致的目标。以最简 单的方式说，这就是历史的梗概。不论一个人是否抱有宗教的目的，这整个过程基本上 是相同的。 也许由于威尔斯本身是位艺术家而非科学家，因此他更能与宗教和平相
处。他受的是生物学的训练，而其主要的生涯却是作家。他比较关心人类心 灵的混乱和辛酸，而较不在意物种的生物学。就一位科学家而言，他知道人 类的情感及对上帝的喜爱与敬畏，比科学更早深植于人类的意志里。
我引用威尔斯的话，是因为他是第一位同情基督教义的科学人本主义

者。所谓“同情”指的是他的科学留下空间给宗教的超越性。威尔斯本身算 得上是位传道者，他宣扬经由教育的方式来重建人类的道德；他是一位革命 家，认为地球上的国家都应该消失不见；他坚持着基督教的千禧年传统，向 世人宣称美丽的未来即将来临，就好像当初耶稣基督向世人宣扬天国一样。 威尔斯所表达出来的科学人本主义，让我有相见恨晚的感觉。这世上还 有许多其他的科学人本主义版本，有些对宗教很友善，有些是漠不关心，有 些则是充满敌意。科学并不是一言堂，科学是一种不断成长及改变的文化。 今天的科学已经脱离了 19 世纪传统科学的束缚，就像毕加索已经脱离了 19
世纪艺术的形式一般。科学和绘画、诗歌一样，百家争鸣，百花齐放。 多样性也可以在宗教中找到。当我还是个小孩的时候，有一次我和妈妈
走过一个属于英国国教的小镇。我问她：“为什么有那么多不同的教派？” 她很聪明地回答我：“因为上帝喜欢这样。如果他希望我们都去同一间教会 赞美他，那么他就不会造出那么多不同的人了。”这个回答可以满足一个 5 岁小孩的好奇心，但在 60 年后，这其中仍然回响着真理的声音。上帝和人类 的多样本质不是任何一个教派所能容纳的，就像宇宙的本质中这么复杂的结 构和行为，都不是任何一门科学所能全盘兼顾的。

道德基础在于开放的心灵


　　只要彼此互相尊重，宗教和科学可以和谐地共存在人类的心灵里。而当 有组织的科学或有组织的宗教垄断真理时，纠纷才会发生。科学的道德基础 就在于开放的心灵，是愿意将任何假设或理论来加以验证的精神。1660 年伦 敦皇家学会骄傲地将“Nullius in Verba”当做会词，意即“没有任何人 的话是最终的真理”（“No man’s word shall be fi-nal.”）。虽 然信仰和心灵上的问题和科学并无关系，然而当时天主教所主张的“教皇无 谬论”，对科学家而言，仍然十分刺耳。我们科学家基于训练及与生俱来的 本质，向来异常珍视所拥有的自由，任何叙述都必须容许我们怀疑！
另一方面，我也听到生物学家和创造论者争论有关美国高中的生物教学
问题，而一些科学家所说出的话，竟然和创造论者说的一样自大，这使我感 到震惊！在这些争论中，学生家长抱怨：公立学校使用纳税人的钱，来摧毁 他们小孩的宗教信仰。他们的抱怨非常合理，不幸的是，宗教信仰和近代生 物学中的进化论有所抵触，而这些科学家也完全不尊重、不了解这些家长的 感受。
　　对基督教基本教义和生物进化事实之间的争执，目前仍然没有简单的解 决方法。我并没有说能完全避免这种争执，我只是说，由于科学家自己认为 对的就是对的，会使情况变得更糟，到头来双方都痛苦。我们所需要的是一 点人类的关心，多一点倾听，多一点人性，而非设下法律限制。科学家同样 需要这些基督教的道德观的支持，这一点并不亚于传道者。这些心灵交战的 儿童需要了解，两边都有好处，对他们父母的信仰及对科学广博的视野，都 必须加以尊重。
　　幸运的是，这些争论只存在于少部分的教徒和科学家之间。而更重要的 是，政治及社会的广大领域中，宗教和政治发现彼此有共同的兴趣及合作的 机会。宗教和科学有一件事是互通的：它们都是国际性的事业，不仅在精神 上是如此，在日常工作及组织上也莫不是如此；它们都反对狭隘的国家主义；
　　
它们都把人类视为一体；它们都将凯撒的东西归给凯撤（编按：语出圣经福 音书，意指财物是属世的，与真理无关），但当它们传遍地球时，其人类成 就和人类尊严的核心，却和凯撤没什么关系。
近几年来，科学与宗教愈来愈能和平相处了。在本书的下卷第 11 章到第
15 章将讨论有关核武器和军事战略的道德问题。科学家曾写过许多有关核战 略方面的文章，但还没有一个人写出像美国天主教主教团所写的“对战争与 和平的公开信”（the PastoraI Letter on War and Peace）：“和 平的挑战：上帝的应许和我们的回应”（Th Challenge ofPeace：God’s Promise and Our Response）那么深入。这封信是在 1983 年发表，它真 的是个挑战，不仅是对我们科学家，对其他社会大众也是一样。它根本反对 核子武器可以保障地球安全的论调，它认为科学家应该把技术用在对人类有 益的方面，朝着和平的方向走，以了解来代替恐怖势力的均衡。
　　我将以本书上卷的简介做为本章的结束。第二章是个一小时的宇宙之 旅，主要是强调观察宇宙角度及其所包含物体的多样性。第三章则是讨论科 学的历史，其中描述了两种互相抵触的科学形式，其中一种欢迎多样性的存 在，另一种则是根本的排斥。我用两个城市的名字——“曼彻斯特”和“雅 典”，来表示这两种探索宇宙的方式。当第三章结束时，读者就会了解：为 什么“蝴蝶”属于曼彻斯特，而“超弦”则属于雅典。弟四章则是讨论生命 的起源，描述了六位试图用不同观点来看这个问题的科学家。第五章继续对 生命本质及演化过程的讨论；而生命为什么趋向复杂，仍然是生命在宇宙中 地位的核心问题。第六章则是尝试找出人类和宇宙的未来，看看从现在到恒 久会发生什么事。我会试着跨越科学和科幻小说间的藩篱。而在最后，为了 尊重吉弗德爵士的心愿，我加了一点个人神学上的浅见进去。
　　
第二章 蝴蝶与超弦


蝴蝶与超弦是人类探索之旅的极点， 蝴蝶是具体实物的极限， 超弦则是抽象概念的极限， 它们各代表着科学所能涵盖的两种领域， 同样神秘，也同样美丽。


　　我们将由“超弦”（superstrings）开始，进行一次快速的宇宙之旅。 这个旅程中有几个休息站，而以“蝴蝶”作为结束。这和但丁的地狱之旅一 样，我会在每站停靠时找些多彩多姿的事，来提高读者的兴趣，否则站旁的 “景色”看起来会有些吓人。
　　由于每个人都看过蝴蝶，因此不需要解释蝴蝶是什么； 也由于没有人见 过超弦，因此不可能解释超弦是什么。在此我不会解释蝴蝶与超弦，但请不 要以为我故作神秘。超弦与蝴蝶是以不同观点来看宇宙的两个例子，也是两 种不同概念的美。我选择超弦与蝴蝶做为旅程起点及终点的理由是：它们是 两种极端的典型——蝴蝶是具体实物的极限，而超弦则是抽象概念的极限， 它们代表着科学领域所能涵盖的两种范围。这两者以它们自己的方式表达了 美，而以科学的角度来说，我们目前对这两者的了解都十分贫乏；但是，至 少蝴蝶和超弦一样神秘。当一件事不再神秘时，科学家也就失去兴趣了。可 以说，所有科学家思索与梦想的事情都是神秘而未知的。

神秘抽象的超弦理论


　　这个旅程中的每一站都是取材自我在普林斯顿的研究生涯。我由初次听 到“超弦”理论时出发吧。
1985 年春天，普林斯顿大学中最聪明的年轻物理学家维敦（Ed Witten）
宣称他将举办一场演讲。这时谣言四起，有些人说他们风闻维敦已建立了关 于宇宙的新理论；另一些人则对这个说法抱持怀疑的态度。但不论相信与否， 这次演讲显然极不寻常，说不定它会成为一场留名青史的演讲也未可知。当 演讲的时间一到，不论是年纪较长的知名科学家，或是年纪较轻的后生晚辈， 都满怀期望地挤在演讲厅中。
维敦滔滔不绝地谈了一个半小时。其中的数学技巧让人眼花缭乱，而正
如维敦在最后以平静的语气所下的注脚，这是一个新的宇宙理论。在他演讲 时，我回想起 35 年前施温格（Julian Schwinger）的一次演讲。施温格是 原子弹之父奥本海默（Robert Oppenheimer）最聪明的学生，也是 40 年代 物理界的奇葩。我记得奥本海默在那场演讲中曾说过的一段话：“一般人演 讲时，是告诉你如何做某件事；而当施温格演讲时，他是告诉你只有他能做 这件事。”当维敦结束演讲时，在场的听众没有人像当年奥本海默一样，做 出扼要的评论，所有人都静静坐着。一会儿之后，会场主持人请大家提出问 题，但大家仍然默默不语，提不出问题。我们之中没有人有勇气站起来发言， 以免泄露自己是多么无知。当人们快快地走出演讲厅时，才听到许多声音悄 悄地问着刚才不敢大声提出来的问题：“这只是另一个时髦的玩意儿，还是 事实真是如此？”“到底什么是超弦？”“超弦和现实世界中有任何关联吗？”

有许多问题被提出来，但没有任何答案。 为什么我要描述当时的情形呢？因为这正是以最抽象的概念来描述宇宙
时，所遭遇的情形。维敦冒的风险很大，他的概念已经太过于抽象，以致于 即使是他的知交，也只有极少数人能了解其内容。然而他并不孤独，在普林 斯顿有一群年轻人和其他地方的一些人一样，正探索着超弦的世界。超弦是 由加州和伦敦的两位年轻物理学家所发明的理论，并不是维敦的创见。维敦 的贡献是建立了超弦的数学架构，并深刻反映出有关宇宙问粒于与场
（field）的结构及内涵。在听完演讲后，许多听众回到书桌前做一些以前就 该做的作业，并且开始研读维敦的论文，及学习他所使用的语言。下一次维 敦演讲时，我们应该更能了解其内容，那时我们也应该敢于提出问题。我记 得在 1949 年薛文格当时的演讲内容似乎难以理解，然而事后证明他是对的。
维敦的理论比薛文格的企图心更大，但仍可能有机会证明其真确。 现在我可以试着解释何谓“超弦”了。在这里我碰到 2200 年前几何学家
欧几里德（Euclid）所遇到相同的问题——欧几里德试图将几何中“点”的 概念传达给他的读者，因此他做了以下著名的定义：“点不占空间，也没有 大小。”这项定义对那些不懂几何学，而想了解“点”到底是什么的人帮助 不大。欧几里德对点的定义，只有在人们超越这项定义，直接观察点与线、 平面、圆弧及球这些几何图形的关系时，才会变得更清楚。“点”本身不能 单独存在，它只能以欧氏几何结构中某一部分的形式存在，这正是我们所谓 “点是以数学形式成立的抽象概念”的意义。“什么是点？”这个问题没有 令人满意的答案。正确的问法应该是：“欧几里德的几何结构如何运用点的 概念？”这个问题可以经由了解欧氏几何的公理及定理后，才能获得圆满的 解答，而不能直接凭定义来解释。
如果我仿照欧几里德的方法，尝试对超弦下个定义，这个定义会是：“超
弦是一条在具有特殊对称性的十维（或译十度）空间—时间中移动的蠕动曲 线。”这和欧几里德对点的定义并无二致，对我们的了解并没有什么帮助。 这只会给我们一个错误的印象，认为超弦只是一条在黑房间中摇来晃去的蠕 动曲线罢了。实际上正如同点不能单独存在，超弦也不能单独存在。超弦理 论所描述的是个挤满了动来动去之超弦的十度空间—时间，其处理的对象并 不是单独的一条超弦，而是超弦所可能分布的对称状态（symmetry－groups
of states）。对称状态是可以观察的，因此若超弦理论成立的话，由其数学
所推导出的对称群，可以和实验室中所观测出关于粒子与场的对称群，互相 关联；不过其关系的详细架构，近期内尚无法得知。令人兴奋的是，维敦的 超弦理论已经通过了其他理论无法通过的几项严格考验。以目前的研究成果 而言，能找到一个在数学上不会自相矛盾的宇宙理论，就已经是一项了不起 的成就。
　　“超弦”这个名词是由一些物理史上的专有名词类比而得来的。1915 年 的重力理论，是爱因斯坦毕生最伟大的成就。60 年后，人们改进了爱因斯坦 的理论，而这个新的、修正过的重力理论就称为“超重力”（supergravity）。 大约在发明超重力理论的同时，另一个解释粒子间交互关系的理论也被提了 出来；由于这个新理论将粒子以称为“弦”（string）的一维空间曲线来表 示，因此被称为“弦理论”（String The-ory）。最后，以类似将“重力” 变成“超重力”的数学技巧将“弦”变成了“超弦”——这就是“超弦”这 个名称的由来。这和超弦本身一样，都是数学上的抽象概念。
　　

超弦的极微小特质


　　超弦有一项特质，用文字很容易就能表达出来：它很小，而且小得离谱。 这种特质使我们永远无法直接观察它们。为了要说明超弦有多小，让我们把 它和一些不是那么微小的东西比较看看。想象四个不同大小的东西：首先是 整个可观测的宇宙，其次是我们的地球，第三个是原子内部的原子核，第四 个则是超弦。这其中前后两个东西的相对大小都是差不
　　
多的；地球的大小约是整个可观测宇宙大小的

1
1012

；原子核的大约占

地球大小的

1
1012

：而超弦的大小也约为原子核的

1
1012

。这可给大

家一个概念：探索超弦时我们必须进入极微小的世界。 前述讨论的主要目的，是要说明超弦与我们所观察及接触的世界距离多
么遥远！即使对理论物理的专家而言，超弦也是极难掌握的概念。理论物理 学家习惯将实体进行两种不同层次的抽象化：第一，他们以看不到的场及粒 子这种抽象概念，来取代可观测的原子；而第二个层次的抽象化则是以场及 粒子间的对称群关系，来取代场及粒子本身。超弦理论则是将对称群的抽象 概念再提高两个层次：第三个层次的抽象化是以十维空间—时间来解释对称 群状态；第四个层次则是超弦的世界，经由超弦，我们可将这些对称群状态 的动态行为界定出来。也难怪我们这些尝试跟随维敦一起跳到第四层次的 人，会感到这么吃力了。
从超弦这么抽象的学说中，我们可以得到什么结论呢？我们的结论可能
和金斯爵士（Sir James Jeans）在多年前所获致的结论相同：创造宇宙万 有的造物者如今已愈来愈像个纯数学家了，如果我们对数学下的工夫够深的 话，我们应当可以了解他的心意。当然结论也可能是：这种太抽象的处理方 式，会将人们带离真实的世界。而以人类的观点来说，真实世界才是我们最 感兴趣的部分。目前要下结论还嫌太早，我们至少应该等到专家们决定超孩 理论到底和宇宙有无关联之后再说。如果这个理论是错的，那么在几年之内 我们就应该可以证明它是错的；如果它是对的，那么就需要多一点时间才能 证明它是对的。在等待的过程中，让我们先去下一站。下一站的站名是“黑 洞”。

“黑 洞”理论


　　我是几年前在伟大的英国物理学家霍金（StephanHawking）拜访普林斯 顿时，才接触黑洞这个概念的，霍金是极少数和维敦一样拥有许多深奥及原 创性想法的科学家，然而在其他方面，霍金和维敦有极大的不同。由于他得 了一种肌肉萎缩症，不良于行，平日必须以轮椅代步。而那时他说话已经相 当困难，只有他的朋友才能勉强了解他的意思；现在他更已经完全不能说话 了。当你初次与某人见面，却看到对方正处在这种情况中，想必会大吃一惊！ 然而只要和他谈几分钟，他那强盛的精神力量很快就会把你所有的怜悯一扫 而空，你会忘记他的病痛，而将霍金当成正常人看待。他不仅是一位科学家， 也是一位聪明而富幽默感的人类行为观察者。对他有了足够的了解之后，你
　　
会把他当成一位出类拔萃的科学家，而不是一个行动不便的人。由于霍金无 视自己的残疾，继续积极地从事科学研究，他已经成为许多残疾人士的精神 支柱。
　　霍金是 2 月来普林斯顿的，而普林斯顿的 2 月并非是宜人的时节。当时 我曾对此感到十分忧虑。2 月是我们这儿平均气温最低的月份，有时还会下 大雪：而在大雪过后，人行道不是结冰了，就是彼溶雪后的烂泥深深地盖住。 想到霍金坐着轮椅陷在积雪烂泥中动弹不得的情形，我就为之烦恼不已。我 当然是过虑了——霍金到达的当天是个阳光普照的好日子，和煦的南风吹干 了街道；而且之后他在这儿的每一天，都是这样的好天气。只见他轻松地坐 着电动轮椅在普林斯顿逛来逛去，同时还不忘嘲笑我们一下，说我们想得太
多。

爱因斯坦的古典理论


　　霍金告诉我们他刚完成的黑洞新理论。黑洞的概念，是依据爱因斯坦重 力理论所推论出的最神奇的结果之一。根据爱因斯坦的理论，当一个质量很 大的星球耗尽了核燃料而走到生命尽头时，它会因自身重力的影响而不断地 缩小，其密度也就不断地变大。此时这个星球处在重力坍缩（gravitational collapse）的状态下，该星球的每个部分都是以自由落体的方式向中心掉落 下去。一般人可能认为，向下掉落的物质在一段短时间后就会到达星球的中 心，因此这种自由落体的过程不可能持续太久。然而爱因斯坦的方程式有个 很特别的结果，那就是：这个星球可以一直保持自由落体的状态，而永远到 不了底部。我们称这种永远处在自由落体状态下的星球为“黑洞”。
星球怎么可能永远以自由落体的方式掉落，而不碰到底部呢？这是由于
黑洞所存在的空间被强大的力量扭曲，以至于该处的时间与空间开始互换。 当你掉进黑洞中的时候，你的时间就变成了空间，而空间也变成了时间。更 精确的说法是：如果你从外界观察一个坍缩中的星球，则由于黑洞内部的时 间流动方向与你的时间流动方向互相垂直，因此，许多人觉得，这个星球的 坍缩将会逐渐变慢，终至停止。当然我们很难观察到这种景象，但这似乎就 是自然界运作的方式。重力坍缩中的星球，由于其时间流动的方向与我们互 相垂直，因此爱因斯坦觉得，它可以永远自由地掉落下去。
以上就是所谓“古典理论”所描述的黑洞景象。古典理论是从爱因斯坦
方程式直接导出来的结果。在霍金完成进一步的理论之前，一般都认为古典 理论是对的；即使是在霍金的理论推出之后，于实际应用上，古典理论仍然 被认为是个很好的近似结果。古典理论认为，黑洞永远存在而不会消灭，同 时黑洞也永远是“黑的”。假想中的黑洞会吞噬任何掉进去的东西而不留下 一丝痕迹，其表面也不会发射出光或任何形式的辐射波（因此它永远是“黑 的”）。我们已握有相当的证据可以证明黑洞的确存在，而其实在可观测的 宇宙之中，黑洞的存在是十分平常的。而就目前来说，古典理论可以圆满地 解释所观测到有关于黑洞的所有事实。

霍金的新黑洞理论

然而霍金认为古典理论还是不够好。他在几个方向上超越了古典理论，

他成功地建立了同时包含重力与热力学定律的黑洞理论架构。在他的新构想 中，黑洞不仅是一个无底的深渊，也同时是一个实体；黑洞在某些温度下会 放射出辐射波，因此它并不全然是“黑”的；而黑洞最后终究会完全蒸发成 热辐射而消失，因此它不能永远地存在。因此，霍金把黑洞完全数学化的抽 象概念，带回到我们可测量、可认知的真实世界中来。
　　我不希望给大家一个印象，以为霍金的新理论已经完全揭开了黑洞的神 秘面纱。事实上这个新理论在数学上不够严谨，更别提以实验来验证它的真 伪了。它所留下的谜团比以往都深得多。而如今，霍金仍然在摸索着要如何 才能使他的理论更为合理。事情往往是这样的：当一个深奥的新理论诞生时， 都是先有方程式，然后大家才慢慢地对这些方程式的物理意义有所了解。让 我们看看过去的一个例子：1900 年普朗克写下了方程式 E=hv，E 是指光波的 能量，v 是光波频率，而 h 则是普朗克常数。普朗克方程式是量子理论的滥 觞，它说明能量与频率是以不同单位测量同一种光波的结果。如果我们以尔 格（erg）为单位来测量光波的能量，同时又以周（cycle）为单位来测量光 波的频率时，普朗克常数告诉我们将频率转换成能量的比例，是每周为 6×
l0-27 尔格。但是在 1900 年当时，这项转换并不具任何物理意义，即使是普 朗克本人，也只知道他的方程式可以正确地解决辐射理论中的一些问题而 已。但是“能量与频率是同一回事”这个说法到底有什么意义？一直到普朗 克方程式发表 25 年之后，建立了量子力学学说，其意义方明。
现在霍金写下与普朗克方程式极为相像的方程式：S=kA，其中 S 为黑洞
的熵（entropy），A 为黑洞的面积，而 K 为不变的常数，我称之为“霍金常 数”。熵的意义大致和物体的比热相同，其测量单位是以每度（degree）有 多少卡（calory）来计算；A 的测量单位则为平方米。就霍金的方程式，熵 即其面积，而其转换比例就是“霍金常数”。霍金常数大约是每度每平方米
为 1041 卡；从 1041 卡这个数字，就可以了解黑洞和我们习见的常用单位间距 离多么遥远。但是“熵即其面积”到底有什么意义？我们现在对这个问题无 知的程度，和当年普朗克对量子力学无知的程度相同。我们惟一能确定的是， 霍金的方程式提供了解决黑洞之谜的线索；同时基于一些理由，我们相信这 个方程式将是未来这类理论发展的中心思想，而这些即将出现的新理论，将 把重力、量子力学及热力学紧紧地结合在一起。
海森堡（Heisenberg）和普朗克方程式于同一年诞生，而他在 25 岁时就
发明了量子力学。霍金的方程式至今才 12 岁；我希望还有一些聪明而又热爱 科学的 12 岁少年，切勿让这些孩子浪费生命中最宝贵的时光去准备考试，而 失去对科学的热爱与兴趣。只要不扼杀他们的兴趣，说不定他们之中就会有 人像海森堡一样，为霍金方程式建立起完整的黑洞数学理论。这些 12 岁的小 孩子将在公元 2000 年满 25 岁，而那时也正是新宇宙理论诞生的最好时机。

奥尔特星云的奥秘


　　这个宇宙之旅的第三站比较接近我们的真实世界，叫做奥尔特星云（Oert Cloud）。奥尔特（Jan Oort）是一位著名的丹麦天文学家，目前已经 86 岁了，却仍然定期地访问普林斯顿。我们在普林斯顿的学校中常举行“散弹 枪讨论会”（shotgun Seminar）。“散弹枪讨论会”是由一名学院中的成 员向一群志愿的听众发表演讲，会议的主题在一周前公布，而演说者则随机
　　
选择。在演讲开始前，所有与会者都要将自己的名字写在纸片上，这些纸片 被放进一个箱子，然后行礼如仪地摇晃之后，随意从箱中取出一个名字，这 个人就是雀屏中选的演讲者。这个讨论会有个不可破坏的规定，那就是名字 不在箱中的人不能听这次演讲。这个规定是要确保每个人都做了必要的事前 准备。听众的准备至少会和演讲的人一样好，听众也随时准备好在演讲者犯 错时提出争议与反驳。未对会议主题深入思考的人，最好不要来参加这个讨 论会。
　　几年以前，那时奥尔特只有 82 岁，他出乎意料地在“散弹枪讨论会”开 始前几分钟出现在会场上。他为自己倒了杯咖啡，然后就和我们坐在一起， 热切地想要听到最新的、有关天文学的评论。这是一个很尴尬的场面。从一 方面来说，奥尔特是我们的贵宾，因此我们不能请他离开；另一方面，我们 不能打破规矩让他留下，而不将他的名字放进箱子中，所以我们非常抱歉地 解释整个情况给他听。他问当天会议的主题为何，我们告诉他是有关最近一 些星球环绕银河中心运行轨道的稳定性研究，他说：“没问题，我留下，把 我的名字放进去。”因此他留了下来。虽然他并未中选，但是他在讨论会中 十分积极，并且和其他听众一起诘问演讲者。在会议结束前，他站起来走到 黑板前，以十分钟的时间将讨论做了总结，其内容比我们在当天早上所听到 的任何高见都要清楚得多。
奥尔特在大约 40 年前开始研究“奥尔特星云”，这个星云是由一大群游
走于太阳系边缘的彗星所组成。他认为在太阳系外面一定有亿万个彗星正缓 慢而随意地运动着，这些彗星是一些大小如同内陆高山的石块和冰块。当有 一个冰块不小心太过接近太阳时，太阳的热能会使冰块表面沸腾，而沸腾出 来的气体和烟尘形成明亮的长尾巴，即成为空中可见的彗星。奥尔特的计算 结果显示，这群星云可以解答为什么平均每年会出现一个新彗星。这些彗星 可能是在约 40 亿年前，由一个瓦解的星际间尘云所形成，时间大约在地球和 太阳诞生的同时。由月球上一大堆古老的陨石坑洞来研判，在月球年轻的时 候，彗星撞击其表面的速率要比现在高得多，因此奥尔特星云在古代的陨石 密度一定大于现在的密度。即使在 40 亿年后，其密度仍然足以使得一些彗星 继续接近太阳，拖曳着明亮的尾巴，提供迷信的人们判断吉凶的天象。

彗星阵雨周期造成坑洞群


　　每隔一段时间就有彗星击中地球。当巨大的物体撞击地球时，就会形成 类似我们在月球上所看见的坑洞。在月球上因撞击形成的坑洞，其时期可以 一直追溯到太阳系形成之初；而在地球上，这些较古老的坑洞已被侵蚀毁损 及被沉积物覆盖，但地质学家仍然可以由一些遗迹辨认出来。地球上已找到
约 50 个大的陨石坑洞，其年代可经由检验其下方的岩石及上方的沉积物而测 量出来。研究这些大坑洞的年代即可发现，这些坑洞有成群出现的趋势，其 年代并非随意分布。我们发现在数百万年之间有几个坑洞出现，接着很长的 一段时间内极少有坑洞，然后又是另一群坑洞出现，这个过程不断重复。
　　最接近阿伯丁（Aberdeen）的坑洞是在德国的莱斯卡索（Reiskessel）。 那是一处非常值得游览的地方。正好在它的中央是一个美丽而古老叫做诺灵 根（N?rdlingen）的德国小镇。诺灵根仍然保存着中世纪的城墙，如果你登 上城墙上的高塔，就可以看见小镇四周的景色。在周围的每个方向，都是平
　　
缓起伏的乡村景致，一直延伸到山丘为止。这些山丘以距离该镇水平距离约 五英里的半径，围成一个完整的圆。如果你站在塔上，假想这些花草树木、 房子及人群都不存在，这些地平线上的小丘看起来，就和你站在月球坑洞的 中央所看到的相同，只因为这些树木和房子的遮蔽，这个坑洞的边缘才不明 显。莱斯卡索的坑洞是 1500 万年前形成的，在坑洞中算是年纪最轻的一群。 以天文学的标准来说，莱斯卡索并不是一个大坑洞。有些在地球及月球 上的坑洞要比它大得多。粗略来说，替星撞击地球时，会形成比它自己大 10 倍左右的坑洞。莱斯卡索的直径约 10 英里，因此撞击的彗星直径约 1 英里； 如果大约直径 10 英里的哈雷彗星（Halley）撞击地球时，则会形成 100 英里
大小的坑洞。

巨大撞击造成集体灭绝


　　即使是像莱斯卡索这种普通大小的彗星撞击地球时，都对不幸生活在该 时期的生物造成极大的生态变化。大量的碎石和灰尘必定遮蔽了天空，这可 能造成整个地球天气形态的巨大变化，不难想见许多动植物因无法适应当时 的情形而灭绝。事实上在化石中有明确的证据显示，这种突然灭绝曾经发生 过。像这样许多种类生物同时由化石纪录中消失的情形，在古生物学家称之 为“集体灭绝”（massex-tinction）。最有名的一次集体灭绝发生在 6500 万年前，所有的恐龙完全绝种；而差不多同时，许多海洋中的微小动植物也 忽然死光了。至少在这个例子中有证据显示，在海中生物灭绝的同时，有来 自太空的物体撞击地球。我们发觉，在石灰石中的微生物化石被一层粘土隔 开，而这层粘土拥有在巨大撞击后沉降尘土的所有化学性质。该粘土层的位 置恰好符合大多数生物化石消失的时期，在该粘土层之上，新的生物化石取 代了旧有的生物化石。
我们并没有找到符合 6500 万年前集体灭绝的陨石坑洞。这种事在科学上
常常发生，那就是找不到所有证据中最重要的证据。也许导致恐龙灭绝的坑 洞正在海底的某处等着我们去发掘，也可能它已变成了某条海沟而消失无 踪。我们现在已经知道，从 6500 万年前发生集体灭绝以来，大约已有一半的 海底自中洋脊中新生出来，另有一半的海底在海沟中隐没。因此，没有发现
6500 万年前的坑洞，并不表示恐龙因撞击而灭绝的理论是错的。远古时期各
类特殊事件之间，永远无法找到显示其因果关系的确实证据。 当我们不看单独事件，而是纵观整个生物灭绝与地球上撞击坑洞的历史
时，可以窥见其梗概。这在化石纪录及因撞击而产生的灰砾层中，都可以看 到。在这两项纪录中，我们都看见成群的事件产生。集体灭绝并非瞬间发生， 而是分布在约一到两百万年之间；灰砾层是三或四层地成群集中在 100 万年 内；在群与群之间则是一段长时期，其间极少发生陨石坑洞及主要灭绝。而 灭绝与坑洞群发生的时期，在测量误差范围内是相互吻合的。由这些事件发 生的模式推断，地球曾被一阵一阵的“彗星阵雨”轰击，每阵彗星雨显然都 维持了 100 万年，并几次重重地撞击了地球表面。如果我们生存在发生彗星 雨的年代，我们将会看见，每年有 10 个到 100 个新彗星出现，而不是像现在 的每年一个；而我们被直接撞击的机会，也以相同的比例增加。

“无彗星圆锥区域”的庇护


要了解彗星阵雨的成因，让我们先回到奥尔特星云。目前在罗沙拉摩斯
（Los Alamos）的美国物理学家希尔斯（Jack Hills）曾对此星云进行研究。 他发现，这些在奥尔特星云中的彗星并非是完全随意移动的。星云中的彗星 一般而言，是以任意方向运动，但是如果有一个彗星恰好循着对准太阳的轨 道运动时，它的生命就不长了。一个轨道靠近太阳的彗星可能被太阳灼沸而 分解掉，或者它可能被某个行星吸引摆动，而获得足够的额外速度使它摆脱 太阳系。不论是上述中的哪种情形，奥尔特星云都会损失一些彗星，因此在 其中会有一个狭长而没有彗星的圆锥区域，称为“无彗星圆锥区域”（1oss cone）。除了那些速度在这个圆锥区域中的彗星之外，星云中彗星的速度是 随意不一的。这个空的圆锥区域正好含有那些运行速度几乎恰好指向太阳的 彗星，而由于地球很靠近太阳，任何可能靠得够近而撞击地球的彗星必须进 入这个圆锥区域中，这正是我们至今尚能幸存的原因。地球一直坐落在彗星 阵雨的中间，其之所以未被击中，是因为地球正好处于无彗星圆锥区域中。 这个圆锥区域像一把小雨伞在彗星雨中遮着我们，而根据希尔斯所计算此区 域的面积显示，其大小正足以遮蔽地球。
　　但是太阳和奥尔特星云并不是一直静止在宇宙间的。太阳与其他星体一 样，围绕银河系的中心运动，有时其他的星体会太靠近太阳，扰乱了星云中 的彗星轨道。而外来的星体不必靠得很近，也不必制造太多的骚动，只要让 这些彗星轨道的角度稍为偏一点，太阳和地球就会离开圆锥区域。那时，遮 蔽的伞消失了，地球将暴露在强烈的彗星雨中，直到外来星体离开，太阳热 能和行星互相作用，重新建立无彗星圆锥区域为止。在那 100 万年之间，地 球将会经历一场彗星雨，而当新的圆锥区域形成后，地球会受到保护直到下 一个星体靠近，然后整个程序不断地重复。

“彗星阵雨周期”理论仍未确立


　　有关奥尔特星云及彗星雨的理论，是建构在天文学的事实上。而彗星阵 雨造成的陨石坑洞群与生物灭绝之间的关系，则是稳固地建立在地质学与古 生物学上的。但是，彗星阵雨的理论中有一部分的基础不是那么稳固。有些 古生物学家宣称集体灭绝大约是每 2600 万年密集发生一次，他们发现大量的 物种约在 1300 万年、3900 万年、6500 万年，及 9100 万年时灭绝，其周期为 规则的 2600 万年；而其他的古生物学家在看到相同证据时，却认为这些灭绝 发生的时间非常不规则，没有明确的周期可言。一些地质学家发现令人信服 的证据，显示大坑洞以规则的周期形式发生；而其他的地质学家在面对相同 证据时，却不同意这种说法。总结他们之间长期而复杂的争论可知，彗星阵 雨的周期性是一个建议性而非结论性的说法。我们已知彗星阵雨曾经发生 过，但不确定他们是否以一定的周期出现。

“复仇女神”的双星理论


　　荷特（Piet Hut）是一位比奥尔特年轻 50 岁的丹麦天文学家，他决定 认真探究“彗星阵雨周期”的真相。如果它们是周期性的，则“彗星雨是由 随机接近的外来星球所引起”的理论必定是错的。荷特和他的朋友穆勒（Rich
　　
Muller）找到了另一个理论以解释周期性的假定是对的。这个新理论称为“复 仇女神”（Nemesis）。复仇女神是一个想象中属于太阳系的一颗星球，她以 重力和太阳相系而形成双星。如果这个想象之星真的存在的话，我们可以确 知其距离有多远——约在 2.5 光年之外的地方。但我们对她的方向毫无所 知，也不知道她是否够亮，可否用望远镜观察。有几位天文学家曾试图找寻 她，但仍一无所获。也许她只是一个由梦想和旅人的传说中所创造出来的神 话怪物（chimera）罢了。
　　荷特的理论假设，“复仇女神”有一个延长的轨道；许多双星系统也都 是如此。在大部分的时间里，她和太阳的距离很遥远，而对奥尔特星云中的 彗星并不产生影响；但每隔 2600 万年，她会很快地到达距太阳很近的轨道 上。当她与太阳擦身而过时，会和外来星球一样扰动彗星的轨道，造成彗星 阵雨。由于“复仇女神”是以周期性的方式经过太阳附近，因此彗星阵雨也 就以周期性出现。
　　由于上一次的生物灭绝与陨石坑洞群发生在约 1300 万年前，我们现在正 好在这个周期的中间。这意味着“复仇女神”如果真的存在的话，现在正好 处于轨道上距离我们最远的地方。因为我们一旦知道她的轨道周期，就能找 出“复仇女神”与太阳间的最大距离，因此可以判断她目前正好距离我们 2.5 光年。另一件可知的事是：如果“复仇女神”真的存在，她相较于太阳的移 动速度一定很慢，她续行轨道的速度必定只有每秒数百米而已。和她邻近星 体的散乱运动比较起来，大约只有其速度大小的 1％。
以下是关于“复仇女神”理论中的种种矛盾之一。我们要求这个双星系
统结合不强又有很大的轨道，而差不多每 100 万年就有其他的星体会飕地一 声通过她的轨道，在“复仇女神”环绕太阳一圈之间，有 20 到 30 个外来星 体会通过她的轨道，而这些星球也许在 2600 万年之内，就会完全扰乱她的轨 道而使“复仇女神”和太阳脱离关系。许多人批评“复仇女神”理论，认为 我们的银河系不可能拥有这么大轨道的双星系统至上亿年之久。但是荷特明 确计算了这些星球通过轨道的效应，发觉这个双星系统可以生存得很好。由 于“复仇女神”和太阳移动得很慢，因此她们感受不到那些飞越星体所造成 的快速重力变化。当然，“复仇女神”不会永远和太阳系在一起，但是靠外 来星球瓦解这个系统所需要的时间，会远超过 2600 万年。

新行星理论命运未卜


　　在过去，理论派的天文学家曾经三次以非直接的环境证据，预测新行星 的存在。第一次是在 1845 年亚当斯（Adams）和赖弗瑞（Leverrier）分别由 天王星轨道所受的扰乱预测海王星的存在；一年后，海王星在预测的天空区 域中被发现。这次对不可见行星存在的预测，是 19 世纪科学的伟大成就之 一，它向当时的知识分子展示了人类智慧在探索未知的自然奥秘上的能力。 第二次对新行星的预测是在 1859 年，因预测海王星而成为世界名人的赖弗 瑞，将注意力转向水星。他注意到水星的运动及其理论上的轨道间，有无法 解释的偏差，于是他预测：在水星轨道的内侧，还存在一个或多个行星围绕 着太阳。这一次故事的结局并不圆满，这个未被发现的行星已被命名为“火 山之神”（Vulcan），许多人为了观测其存在，试图找寻日出或日落时接近 地平线的亮点，或找寻白天时太阳轮廓上的黑点。不幸的是，各种观测均无
　　
法建立符合牛顿定律的轨道。当观测技术逐渐改良之后，相信此行星存在的 说法也逐渐式微。最后，在 1915 年，爱因斯坦说明水星运动的偏差，只是广 义相对论的自然结果，而不需借助“火山之神”的存在来解释这种现象。第 三次对行星的预测也出现在 1915 年，劳渥（Lowe11）将天王星轨道偏差扣除 海王星的影响后仍有偏差，因而认为在海王星之外还有行星存在。这一次冥 王星在预测区域中被找到，但是接下来的观测结果显示：冥王星本身太小， 难以对天王星产生可测量的扰动。因此冥王星的发现变成意外惊喜，不像发 现天王星那样让人印象深刻，能够一展人类智慧的伟大。将这几项加加减减 之后，可以说：这三个新行星的理论预测一个是对的，一个是错的，而另一 个则完全是碰运气。
　　现在来看看关于“复仇女神”的预测。它是否能像预测海王星时一样地 正确？还是像预测“火山之神”一般地错误呢？亦或是像预测冥王星一样地 侥幸？只有时间及耐心的观察可以回答这个问题。如果碰巧这个预测是对 的，“复仇女神”真的存在，那么这会是比发现海王星更伟大的成就。海王 星只不过是在庞大的行星家庭中加入一个行星罢了；而“复仇女神”则更为 重要，她是独一无二的，太阳的姐妹星。她会大幅度扭转我们对太阳系历史 和结构的看法。荷特和穆勒建议以“复仇女神”来命名这颗伴星，是因为这 位女神是“残忍地迫害那些太富有、太骄傲或是太有权力者的希腊女神”。 和古希腊神话一样，“复仇女神”毁掉原有生物的统治权，而留下空间，重 新开始。这是一项美丽的理论，也可能是正确的。然而除非真能找到她，否 则我们永远无法确定这一点。

彗星阵雨与地球生命历史息息相关


　　如果仅就地球上的生命而言，“复仇女神”的存在与否并不重要，重要 的是彗星阵雨的存在。如果彗星阵雨有周期性，则或许可以由“复仇女神” 存在的角度来解释；如果彗星阵雨没有周期性，则它们也许可以由随机通过 太阳的其他星球的角度来解释。不论是哪种情形，这一亿年之间，差不多可 观测到有四次彗星阵雨会发生。最令我振奋的是，彗星阵雨学说不只是一个 理论天文学的习题，也不仅是一个关于太阳和星星的理论——它同时也是个 关于地球上生命历史的理论。如果这个理论是正确的，它会改变我们对生命 及其演化方式的观念。这个理论暗示，生命在规则或不规则的时间间隔里， 暴露在剧烈的删减力量下——大约每隔 2600 万年，环境就会发生一次巨大的 变化，其剧变的程度，足够把那些主宰世界的生物从宝座上赶下来，而让位 给那些温顺的生物。那些太适应当时稳定环境的生物，可能在环境突变时灭 绝；那些生活习惯不特殊而且懂得随机应变的生物，在世界末日来临时，较 有机会生存。在所有现存的生物中，我们人类大概是习惯最不特殊而且最会 随机应变的，能够在冰河时期及环境巨变中兴盛起来。因此，彗星阵雨想必 曾经是推动人类进化，及塑造今日人类的主要力量之一。

“神奇”的大红斑蝶幼虫


　　这个宇宙之旅的最后一站，则回到我在普林斯顿的家。我们已经由空中 降回地球，由抽象及推测的理论回到真实的世界里来。我最小的女儿刚从麻
　　
省的一个音乐营回来，并且带回来一个装着一些大红斑蝶幼虫的广口瓶。她 在音乐营附近的乳草（milkweed）上发现它们在吃东西，由于在普林斯顿也 有这种乳草生长，因此她可以养活它们。几天之后，它们停止进食并且蜷曲 起来，渐渐变成蛹。形成蛹的过程非常好看，它们挤压进一个丝做的茧当中， 就像一个胖小子想把自己挤进尺寸小三号的睡袋一样。刚开始的时候，简直 无法相信这些毛虫可以进得去，但到最后，睡袋的大小恰好合适。
　　两三个星期后，这些蝴蝶开始破茧而出。破茧而出的过程要比形成蛹的 过程更为奇妙。爬出睡袋后的小虫像是堆被污泥弄湿的破布，尺寸缩小了许 多，而且有着黑黑湿湿的像是残枝败叶的翅膀，然后在几分钟之内，身体干 了，脚和触须硬挺了起来，翅膀也张开了，这个脏兮兮的小东西，忽然变成 了闪亮着橙、黑及白色的美丽生命。我们在附近的草地上放它自由，它高高 地飞过树梢，消失在天际。我们希望，把它由麻省移到普林斯顿并不会扰乱 它秋天的迁徒形式。如果够幸运的话，它可以找到同伴，一起分享这段到西 南部的长途旅程——它有很长的一段路要走，而大部分的旅程必须顶着季风 飞行呢。
　　生物的世界充满了奇迹，但我从未见过如大红斑蝶幼虫蜕变这么神奇的 事。它的脑子只是几毫米长的神经元所组成的一个小点，其大小只有人类头 脑的百万分之一。然而仅靠着这一点神经细胞，它就知道如何掌握新的腿和 翅膀，如何走路及飞翔，如何以我们不明白的导航方式由马萨诸塞州飞越数 千英里到达墨西哥。它是怎么办到的？它的行为模式起初是如何设定在幼虫 的基因中，然后传译进入蝴蝶的神经网络中的？这些都是我们的生物界同仁 仍无法了解的谜。
然而，科学家有信心，我们正在朝解惑之路而行。像生物化学、基因学、
胚胎学、细胞学及神经生理学等，这些必要的学科进步都非常迅速，在 20
或 50 年内，也许我们可以解读幼虫身上的 DNA 所携带的信息，然后我们就可 以详析，这个信息如何指挥蛹的形成，如何指挥腿和翅膀的形成，及如何指 挥能够进行长程导航的大脑之形成。这些生物化学的神奇技术终究会在我们 的掌握中，只要我们愿意，应该可以应用这些技术，依着我们的目的及要求 随心所欲。
这就是本旅程的终点站。你已经快速浏览了一下我以科学家身分探索过
的宇宙之四个小部分。首先是超弦，那是我们以统一的数学方式加诸物理定 律上，是一个极为深刻的最新尝试；第二站是黑洞，是我们把玩空间与时间 观念的实验室；第三站是奥尔特星云，由我们想像中的彗星阵雨引导，探索 地球上生命的演化；第四站是大红斑蝶，飞入夏季的天空里，飞过树梢，渐 行渐远，是一种昙花一现的美丽符号——这说明了大自然所拥有的想像力比 我们丰富得多。

　　　　　　　　　　　　第三章 曼彻斯特与雅典


曼彻斯特这种反学术、反制度的趋势， 形成了科学发展的温床。 其发展形态与雅典的科学南辕北辙，
就好像两百年后利物浦附近兴起的披头音乐与莫扎特大不相同一样。


　　在第二章中，我以印象派的手法介绍了现今科学上几个活跃的领域；而 于本章中我将采取较深入的作法，以讨论科学历史来拉长我们看科学的景 深。自由研究科学的过往，也许能使我们更清楚地看出科学发展的方向。我 并不是一个专业的历史学家。我也不敢说我对历史的看法是完全的或是独创 的。我所感兴趣的是历史上一些特殊的人物，而非社会或经济上的统计数字。 在选择本章的出场角色时，我丝毫不想保持超然中立，而是怀着极深的偏见： 我将偏向于选择那些不墨守成规而且思想清晰的人。
　　头两位上场的角色是德国物理学家魏彻特（EmilWiechert）和英国政治 家迪斯瑞立（Benjamin Disraeli）。他们都曾针对科学发表过重要的谈话； 他们都是对抗所谓“正统”说法的青年才俊；他们也都花了很长的时间才功 成名就。我将由魏彻特的一篇演说谈起。

魏彻特的无限宇宙观


　　这篇演说是 1896 年在东普鲁士古尼斯堡（K?nigsberg）的物理与经济 学会中发表的，时间正是伦琴发现 X 射线的第二年。当时是 19 世纪，和魏彻 特同时代的人还无法想象 20 世纪中许多革命性的发现。他说：
我们认为宇宙是由一些称为“原子”的小单元所构成的。然而应该强调的是，“原 子”这个词的现代意义已经远远偏离了古时候的哲学推想。我们非常确定，原子绝不是 宇宙中最简单的成分；相反地，由光谱的研究及一些其他的现象可以发现，原子具有非 常复杂的结构。就目前科学的进展看来，我们可能必须放弃一些想法，不要认为往更微 小的世界进展就能获得宇宙最基本的真理。我相信我们可以毫不后悔地放弃这种想法。 不论在比我们大或是比我们小的世界里，宇宙都是“全方位的无限”。如果仅凭人类经 验与认知的范畴，开始不断地探索宇宙，那么，不论是往更巨大或更微小的方向，都会 到达一个我们的认知和观念都不再适用的模糊世界中。
　　这是魏彻特在 1896 年说的话，但他的观点从未被物理学家所普遍接受。 他那种无边无际且无限延伸的宇宙观，与后来主宰物理学界近 50 年的爱因斯 坦的宇宙观，大相径庭。直到今天，科学家中仍然有两派意见：一类是像爱 因斯坦的统合论者，认为自然的现象活动能被简化成一组方程式；另一类则 是如魏彻特的多样论者，认为宇宙是无穷尽的。由于魏彻特是少数派的代表， 我就借用他的话作为本书的书名。
　　另一种观察科学史上统合论与多样论差异的方法，是以社会的角度来 看。长久以来，学术与工业是壁垒分明的；科学同时属于这两个世界，但学 术形式的科学和工业形式的科学则大不相同。学术世界的科学倾向于统合 论，而工业世界的科学则为多样论的天下。世界上第一个学术城市是雅典； 而世界上第一个工业城市则为曼彻斯特，所以我用“雅典”与“曼彻斯特” 作为两类科学观点的代表记号。
　　

迪斯瑞立对曼彻斯特的推崇


　　就我所知，迪斯瑞立是第一位胆敢将曼彻斯特比成雅典在人类文化史上 强劲竞争对手的人。他是大英帝国的首相，也是维多利亚女皇后期帝国之梦 的主要建构者。他不仅是一个犹太人，也同时是一个好炫耀、骄傲而夸张的 犹太人。他将维多利亚女皇玩弄于股掌之上，并使她成为那个时代的象征。 在当上首相的 30 年前，迪斯瑞立写了一部名为《康宁丝比》（Coningsby） 的小说。它使选民有机会了解迪斯瑞立到底是什么样的人。对他们而言，迪 斯瑞立能很自然地将政治信仰写进浪漫小说中。在小说的中间部分，有一段 提到故事中的英雄在曼彻斯特待了几天，而以下就是 1844 年的曼彻斯特在他
心中的地位：
一个能长久存在于人们记忆中的伟大城市，必须代表某种伟大的思想。罗马代表 着征服；耶路撒冷代表着信仰；而雅典则代表了古代艺术世界的卓越特质。??艺术对 古代世界的意义，就如同科学对现代世界的意义。在人们的想法中，事物“有用”已经 继承了“美丽”的地位。风景优美的紫罗兰花冠市（Violet Crown）并未兴盛，反倒是 曼彻斯特——这个兰开夏（Lan-cashire）郡的小村庄——已经扩张成充斥工厂和房舍的 重镇了。然而，正确的看法应该是：以人类的成就而言，曼彻斯特和雅典一样伟大。
　　　事实上，曼彻斯特的居民并不像雅典政治家培里克利斯（Pericles）和雕刻家费 迪雅斯（Phidias）及当时的雅典居民那样了解本城的独特，他们也并不理解自己的地位。 只有哲学家能意会曼彻斯特的伟大，与它未来无可限量的发展潜力。如果我们有足够的 勇气大声宣告，或是有足够的雅量可以接受，曼彻斯特还有很多伟大的真理可以歌颂。 曼彻斯特有些什么地方令人那么兴奋呢？迪斯瑞立以他正确的政治与历
史直觉判断，曼彻斯特完成了一些独特与革命性的事情，只是他将其错误地
称呼为“科学”。曼彻斯特所完成的是工业革命，这是一种新的生活与工作 形式，在 200 年前由这个乡下小镇发轫之后，就以惊人的速度席卷全世界， 甚至彻底改变了全世界。迪斯瑞立是第一位重视工业革命的政治家，他认为 以历史的角度来说，工业革命对社会觉醒的重要性，正如同 2300 年前雅典对 知识觉醒的重要性。他觉得将这两个世界在英国结合起来是他的职责——其 中包括在女皇身边位于伦敦的封建旧世界，及由曼彻斯特发展出来满布着工 厂的新世界。他成功地建立了维多利亚时代，而这个时代也成为迪斯瑞立成 就的代名词。
工业革命刚开始的时候，曼彻斯特的科学发展的确十分兴盛，但是科学
与工业之间的关系并不像迪斯瑞立的看法，也不是后来马克思的想法。科学 的发展并不是应工业发展的要求而产生的，在曼彻斯特，科学进步的动力来 源并不是技术或应用的需求，而是文化与审美观。