對一顆鹽粒的沉思
只有大自然才具有無窮盡的財富。她只向我們顯現表面，而她卻深藏於千百萬丈之下。
拉·瓦·愛默生（Ralph Waldo Emerson）
科學是一個知識體，但更是一種思維方式。它的目標，從可能是一切物質構成單元的亞核粒子到生命體，人類社會共同體乃至整個宇宙，去找出世界是怎樣工作的，尋求可能有的規律性，洞悉事物間的聯繫。我們的直覺決不是一個絕對可信的嚮導。我們的知覺可能由於訓練和偏見或純粹由於我們的感覺器官的局限而被扭曲，況且這些感覺器官也只能直接感知到世界的一小部分現象。甚至在沒有摩擦的情況下，一磅鉛是否比一克絨毛下落更快這樣直觀的問題，亞里士多德和在伽利略時代以前的任何人都不能作出正確回答。科學基於實驗，基於對舊教條挑戰的意向，基於瞭解宇宙真實面貌的開放性。與此相應，科學有時需要膽識——至少是一種懷疑因襲智慧的膽識。
此外，科學的主要訣竅是實際地思考：各種雲的形狀及其在各處可見天空的同一高度上輪廓分明的末端邊界；葉片上露珠的形成；名字或詞。比方說。莎士比亞或「慈善的」這些名字或詞的起源；人類社會習俗，例如禁忌亂倫的原因；透鏡怎麼能讓太陽光使紙燃燒；直翅目昆蟲怎麼會都去找一嫩枝條；月亮為什麼看上去總跟隨著我們走；在我們深挖洞時，是什麼原因使我們不掉到地球的中心；在球形的地球上，「向下」的含意是什麼；人體怎能把昨天的午餐變為今日的肌肉和腱；宇宙能走多遠——它能永遠這樣繼續下去嗎，或者說，如果它不能，那麼，它取決於別的方面這樣的問題是否有任何意義？其中的有些問題是相當容易的。其他問題，特別是最後那些神秘的問題，至今還沒有一個人能知道它的答案。它們是一些自然而然要問的問題。每種文化都以這樣那樣的方式提出這些問題。提出的答案差不多總是「不折不扣的故事」，是與實驗脫離的嘗試性解釋。或者甚至與細心的比較觀察相脫離的嘗試性解釋。
但是，科學的氣質則是批判地考察世界，彷彿可能存在著許多不同的世界，彷彿別的東西可能在這裡，而這裡又不是別的東西。於是，迫使我們問，為什麼我們看到的東西存在著，而又不是其他某種東西。為什麼太陽、月亮和行星是球形的呢？為什麼不是尖塔形，立方體形或十二面體形呢？為什麼不是不規則的，雜亂無章的形狀呢？為什麼諸世界是對稱的呢？若是你花費時間去編織種種假設，檢查一下看看它們是否有意義，它們是否與我們所知的其他東西相一致，思考一下你能夠為證明或放棄你的假設所提出的檢驗；那麼，你就會發現你自己正在從事科學了。隨著你越來越多地實踐這種思維習慣，你在科學工作中就會幹得越來越好。看透事物（那怕是一件小事，一根草）的底蘊，正如沃爾特·惠特曼（Walt Whitman）所說，就是感受到喜悅，這種喜悅或許只有這些行星上一切存在物中的人類才能感覺得到的。我們是具有智能的物種，而運用我們的智能則給了我們以十分正當的快慰。在這方面，腦就像是一片肌肉，當我們很好地思索時，我們就感到舒適。理解乃是一樁令人心醉神迷的事情。
那麼，我們在何種程度上能真正地知道我們周圍的宇宙呢？有時，這個問題是由希望答案是否定的人提出來的，他們擔憂宇宙中的每件事情可能一天就能弄清。有時，我們聽到這樣的聲明，即科學家們滿懷信心地說，值得知道的每件事情都會立即被認識——或者甚至已經認識——並且有人還畫出了一幅希臘酒神狄俄尼索斯時代或波利尼西亞時代的圖像，其中展示出在那些時代裡，智力發現的興趣已經衰退，而代之以色調柔和的消沉情緒，貪圖安逸的人正喝著發酵的椰子汁或別的味淡的幻覺劑。除了誹謗兩者無畏的探索者波利尼西亞人（他們在天國中的短暫生活，現在已可悲地結束了）和利用某些能使人產生幻覺之藥物而提供的智力發展的誘惑之外，這種觀點已經變得庸俗不堪了。
讓我們來討論一個更樸實的問題：我們是否不能認識宇宙或銀河系星群或一顆恆星或一個世界呢？我們能否最終詳盡地認識一顆鹽粒呢？試考慮一微克食鹽吧。取其量多到恰好用肉眼而不借助顯微鏡就能看清。在這粒鹽中，大約有1018個鈉和氯原子。如果我們希望認識一粒鹽，我們至少得知道這些原子的每一個的三維位置。（事實上，還有更多的東西需要知道，例如，原子間力的本質，但我們暫作一粗略的計算）。那麼，這個數目比腦所能知道的事件數目，是多了呢還是少了呢？
腦能知道多少事件呢？腦中有大約1011個神經原，它們是負責我們心理活動的電的和化學的傳導線路的元件和開關。一個典型的腦神經原也許有一千條細線路，這些細線路亦稱「樹突」。樹突把神經原和神經原連接起來。如果腦中的每個信息單位對應於其中的一個連接（似乎很有可能就是這樣），則腦所能認知的事件總數不超過1014個，即一百萬億個。但這個數只是我們所取的那顆小鹽粒原子數的百分之一。
所以在這個意義上說，宇宙如此之大，以致對於任何一位想要「全知天下事」的人來說，確是難以做到的。在這樣的水平上，我們簡直難以理解一顆鹽粒，更談不上要理解整個宇宙了。
但讓我們稍稍更深入一點看看這顆鹽粒吧。鹽正好是一種結晶體，其中若無晶體點陣結構缺陷，每個鈉原子和氯原子的位置都能預先確定。倘若我們能夠搖身一變，鑽進這個晶體世界中去，那麼，我們就會看到一排挨一排的原子有序地排列著，看到一種有規則的交錯結構——鈉，氯，鈉，氯……，若能讓我們站在一排原子上，那麼，在我們上面和下面的各排原子也都按上述規則排列著。一塊絕純的鹽結晶體，可能會有象10個信息單位那樣的東西來規定每個原子的位置。這不至於會超過大腦負載信息的容量。
如果宇宙具有自然規律，這些規律又像確定鹽結晶體相同程度的規律性那樣支配其行為的話，那麼，宇宙自然也是可知的。縱然存在許多這樣的規律，每一規律又十分複雜，人們還是有能力完全理解它們。即使這種知識超過了大腦負載信息的容量，我們還可以在我們體外貯存附加信息，例如，在書中，在電子計算機的記憶件內，因此，在某種意義上，我們還是能夠認識宇宙的。
人類在可理解的程度上是有明確目的地去尋找自然規律的規律性的。尋求規律，理解這巨大而複雜宇宙的唯一可能方法，那便是科學。宇宙迫使生活在其中的人們去理解宇宙。發現日常經驗是一堆不可預言的，無規律性的雜亂無章事件的人類，正處在嚴重的危險之中。宇宙至少在某種程度上屬於那些解決了這個問題的人們。
自然界存在規律、規則，適當地（不僅定性而且定量地）概括世界的行為，是一件令人驚奇的事實。我們可以設想，若一個宇宙，其中沒有規律，它由1080個基本粒子組成，而這些基本粒子又像人的行為那樣絕對自由，那麼，為了理解這個宇宙，我們至少益要有一個像這個宇宙一樣大的大腦。這樣一個宇宙似乎不可能有生命和智能，因為生命和腦需要一定程度的穩定性和有序性。但即使在一個更加隨意得多的宇宙中，如有這樣一些智能上比我們高得多的生命存在的話，那也不可能會有很多的知識、熱情和歡樂。
幸而我們還算運氣，因為我們生活的宇宙至少有大部分是可知的。我們的常識經驗和進化史已為我們理解實際世界作好了某種準備。不過，當我們涉足其他領域時，常識和普通直觀也就成了很不可靠的嚮導了。當我們以接近光速運動時，我們的身體質量會無限止地增加；我們身體的厚度在運動方向上會收縮而漸趨於零；而時間對我們來說，正如我們所希望的那樣將趨近於停止下來。這實在太令人吃驚了。許多人以為這太可笑，而且每一兩個星期，我就能收到就此一點而抱怨我的信。但這不只是實驗，而且是愛因斯坦的狹義相對論關於空間和時間的卓絕分析所得出的結論。這些效應在我們看來似乎不合情理。不過，這也無關緊要，因為我們並沒有以接近光速去旅行。我們的常識證據在高速下顯然是不適用的。
或者讓我們來考慮由形狀象啞鈴似的，由兩個原子所組成的一個單獨分子吧。比方說，它是一個鹽分子。這個分子以連接兩原子的連線為軸旋轉。但在量子力學世界，即在一個微小的天地裡，我們那個啞鈴似的分子是不能任意定向的。很可能分子只能比方說在水平位置上定向，或在垂直位置定向，卻不能在二者之間的許多其他角度上定向。某些旋轉位置是被禁戒的。被什麼禁戒呢？被自然律所禁戒。宇宙是以一種有限制的、量子化的、旋轉的方式建造的。我們在日常生活中並沒有直接經驗到這一點；但我們在做仰臥起坐的練習時就會驚訝而笨拙地發現，手臂向兩側體開或伸向上方則是許可的，但伸向許多中間位置卻受禁戒了。我們不是生活在10[－18]厘米尺度的小天地裡，這個範圍小到1與小數點後面間掛十二個零。我們憑常識直觀是無法算出這個數來的。計數的辦法是實驗——這種情況下是觀察分子的遠紅外譜線。這種遠紅外譜線顯示出分子旋轉是被量子化了。
世界對人類所能做的事情加上限制性的思想正在挫敗中。我們為什麼不應該能夠有中間旋轉位置呢？為什麼我們不能比光速跑得更快呢？但就我們所知，這是一種構成宇宙的方式。這些禁戒不僅迫使我們變得稍許謙遜一點；他們也使得世界變得更可認識。每一種限制對應於一條自然規律，即宇宙的規律化。對於物質和能量所作的限制愈多，人類所能獲致的知識也便愈多。在某種意義上，宇宙是否最終可以認識，不僅取決於廣泛地包括發散現象的自然規律有多少，而且還取決於我們在理解這些規律時是否具有理智的能力。我們關於大自然規律性的表述確實取決於腦的結構，而且在一種重要的程度上，還取決於宇宙的結構。
就我自己來說，我願意宇宙包含許多未知的東西，同時也包含大量已知的東西。假如宇宙萬物都已被認識殆盡，那麼生活將變得枯燥無味、平淡單調了。這就好像某些低能的神學家的天堂那樣令人生厭。一個不可知的宇宙對於一個思維著的生命來說，顯然不是一個合適的處所。我們所要的理想宇宙，正好是一個非常像我們所居住著的宇宙。不過，我猜想這不是一種真正很好的巧合。
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