物理学家心目中的大自然

大自然具有一种质朴性，因而非常优美。

理查德·费恩曼

假如你得到的只是质朴的美，

你得到的就是近乎上帝发明的最美的东西。

伊丽莎白·勃朗宁

在前面的那些章节里，我们探讨了新近的科学进展，尤其是人们所说的新物理学的进展对宗教的影响。尽管现代科学获得了辉煌的成功，但认定科学的进展已经解答了有关上帝存在的基本问题，解答了宇宙的目的以及人类在自然的和超自然的计划中的作用问题，这种想法则是愚蠢的。实际上，科学家们自己也有着广泛的宗教信仰。

经常有人说，科学和宗教可以和平共处，因为二者解决的是不同的问题。宗教教义的问题所涉及的是道德或三位一体的概念，等等。科学的问题则涉及判定何为引力的最佳数学描述，等等。两种问题有着本质的不同。然而不容否认的是，科学的确在宗教事物上有发言权。在时间的性质、物质和生命的起源、因果关系、决定论等问题上，宗教的概念框架可能随着科学的进展而更改。前几个世纪的一些重大宗教问题（如天堂和地狱的方位）已经随着现代宇宙学的出现，随着我们对空间和时间的性质的进一步了解而变得没有意义了。

很多人总喜欢用“正确与错误”的观念来打发科学与宗教的冲突。人们很容易这样想：世上存在着终极的真理，这真理是一种客观的实在，科学和宗教都在探索它。按照这种显然合理的观念来看，“上帝存在吗？”“有超自然的奇迹吗？”“有天地创生这回事吗？”“生命起源于偶然吗？”“宇宙有目的吗？”这一些问题即使我们可能不明白，却都可以用“对”或“不对”来回答。

人们常常会碰上这样的观点：科学的理论都是近似真正的实在。随着我们的知识进步，理论与现实也会更加吻合。这种看法认为，大自然的“真正的”规律埋藏在观察和实验的数据之中，只有带着灵感进行坚持不懈的研究，才能把规律发掘出来；我们可以期望，到了将来的某一天，正确的规律将会被揭示出来，我们今日的教科书上的规律只是这些真正规律的可信然而却有缺陷的摹本。这在很多方面就是超引力理论所要达到的目标。超引力理论的支持者预期，他们将会发现一套方程式，将“真正的”规律完整地体现出来。

然而，并非所有的物理学家都认为谈论“真理”是有意义的。按照这样的观点来看，物理学所研究的根本不是什么真理，而是一些模型，即一些能帮助我们以一种系统的方式把一个观察与另一个观察联系起来的模型。尼耳斯·玻尔就表现出这种所谓的实证论的观点。他说，物理学家只是告诉人们我们能就宇宙了解些什么，而不是告诉我们宇宙如何存在。在第八章里我们说过，量子论已促使很多物理学家宣称，世上根本不存在“客观的”实在。那唯一的实在便是通过我们的观察而揭示出来的实在。假如承认这种观点是正确的，那就不可能说某个理论是“正确的”或“错误的”，而只能说某个理论是有用的或不大有用。某个理论有用，就是说它能高度精确地在一个单一的描述式中将范围广泛的多种现象联系起来。这样的观点是与宗教的观点截然相反的，因为宗教徒坚信有一个终极的真理。一般认为，一个宗教的命题不是对的就是错的，而不能像科学命题那样被看作是我们的经验的某种模式。

物理学家们总是乐于放弃某一个他们所喜爱的理论，以接受一个更好的理论。这显示出宗教与科学在基本思想方法上的差异，正如罗伯特·默顿曾经写道的：“人类的大多数制度都要求人们绝对的信仰，而科学的制度则使怀疑成为一种美德。”当爱因斯坦发现了相对论时，人们意识到，牛顿的有关时空和力学的理论在描述以接近光速运动的物体行为方面是不完备的，于是，牛顿的理论便被取代了。牛顿的理论并不是错的，它只是适用范围有限。狭义相对论是一个更有用的理论（它使牛顿的理论变得只适用于低速运动），它能对高速系统进行更精确的描述。狭义相对论后来又为所谓的广义相对论所取代；而且，没有几个物理学家怀疑，广义相对论将来会被改进。说到某个“最终的”完美无缺的理论不可能再被改进，一些物理学家认为这种理论是无意义的。我们不能想象世上会有一幅完美无缺的图画，或一曲完美无缺的交响乐，同样，也不会有什么完美无缺不可改进的理论。

科学的方法能够随着新的科学发现而变更，这正代表了科学的伟大力量之一。通过使自己立足于实用而不是真理，科学便将自己与宗教显著区别开来。宗教是以教义和公认智慧为基础的，旨在代表不可变易的真理。尽管宗教教义的枝节问题可以随着时间改变，然而，要信教的人放弃宗教的基本教义去接受实在的一种更为“精确的”模型却是不可想象的。假如基督教会根据新的证据宣布，基督似乎并没有复活，那么，基督教就很难不变得面目全非。一些批评家说，教义僵硬意味着每一个新发现和每一个新观念都可能构成对宗教的威胁，而新的事实和新的观念则是科学的生命。因此，多少年来，科学的发现使得科学与宗教冲突不断。

尽管宗教是后顾天启真理，而科学则是前瞻新前景和新发现，但宗教和科学这两种人类活动都让参与活动的人感到敬畏，并在他们身上将谦卑和傲慢奇妙地混合起来。所有的伟大科学家都被他们要试图理解的自然界的精巧和优美所感动。每一个新的亚原子粒子，每一个未曾料到的天体都使他们感到惊喜。在构筑他们的理论的过程中，物理学家们频频遵从神秘的优美观念的引导，相信宇宙具有内在的美。这种艺术趣味一次又一次地被证明是富有成果的指导性原理，常常能直接导致新的发现，甚至在乍看之下与观察的事实相悖的情况下也是如此。

保罗·狄拉克曾写道：

让方程式优美比让方程式符合实验更重要……因为差异可能是由于未能适当地考虑一些小问题造成的，而这些小问题将会随着理论的发展得到澄清。在我看来，假如一个人在进行研究工作时着眼于让他的方程式优美，假如他真有正常的洞察力，那么他就肯定会获得进步。①

玻姆用简洁的语言表达了相同的思想：“物理学是洞察力的一种形式，因而也是艺术的一种形式。”②

爱因斯坦在论述他不相信有一个人格的上帝的同时，又表达了他的赞美之情：“世界富于秩序与和谐，我们只能以谦卑的方式不完全地把握其逻辑的质朴性的美。”

在物理学家看来，美这一概念的关键是和谐、质朴、对称。我们再来看一段爱因斯坦的话：

一切科学工作都基于这种信仰，即存在应该具有一个完全和谐的结构。今天，我们比以往任何时候都更没有理由让我们自己人云亦云地放弃这个美妙的信仰。像引力场方程式这样复杂的方程式，只有通过发现一个具有逻辑质朴性的数学条件才能找到。③

爱因斯坦的这种心情近来得到了惠勒的回应：

物理定律的美，就是它们所具有的那种难以置信的质朴性……这一切背后的最终数学机件是什么呢？它肯定是最美的。④

今天，这种与艺术趣味相通的指导性原理正激励着人们寻求超引力。最近，两位倡导超引力理论的头面人物在评论超引力数学的进展时指出：“所有的力都来自局部对称性的共同要求，从这里人们便能够瞥见一个能令人得到深刻满足的秩序。”⑤

当物理学家们谈论美和对称的时候，他们用以表达这些概念的语言是数学。数学对科学、尤其对物理学的重要性是怎样强调也不为过的。列奥纳多·达芬奇曾写道：“人类的任何研究活动，假如不能够用数学证明，便不能称之为真正的科学。”今天的情况比起15世纪来或许更是如此。

大多数普通的人对数学总感到神经性的恐惧。这主要是由他们与物理学的隔阂造成的。这种隔阂便是一堵屏障，使他们不能充分地欣赏科学发现，也使他们在面对经历千辛万苦的研究才揭示出来的众多自然奇观时感觉不到快乐。正如罗杰·培根所说的那样：“数学是进入各种科学的门户，是钥匙……没有数学知识，就不可能知晓这个世界中的一切。”⑥

许多物理学家深为大自然所具有的数学质朴性和大自然规律的优美所感动，以至他们认为，这种质朴性和优美所显示的正是存在的基本特点。詹姆斯·吉恩斯爵士曾经说，在他看来，“上帝是个数学家”。但是，为什么上帝会喜欢以数学形式将他的理念付诸实施呢？

数学是诗体的逻辑。若想表达某个规律，那么，以质朴的、不可摇撼的逻辑为基础的表达便是最足以服人、最令人满意的表达方式。用约翰·惠勒的话来说就是：

假如对大自然的描述最终把人们带到了逻辑那里，带到了数学中心处的梦幻般的城堡那里，这是没有什么好惊讶的。假如像人们所相信的那样，一切数学最终是逻辑的数学，一切物理学最终是数学，那么，一切物理学若最终不是逻辑的数学还会是什么呢？逻辑是数学的唯一能够“思想自身”的分支。⑦

用逻辑来表达大自然的吸引力之一是，大自然在很大程度上（假如不是全部的大自然的话）有可能从逻辑推论而不是从经验证据中演绎出来。在第二次世界大战之前，亚瑟·艾丁顿和E·A·米勒尼都曾尝试建构关于宇宙的演绎性理论（但没怎么成功）。但他们的尝试引起了一个有趣的问题。这就是，宇宙之所以是今天这个样子，难道是不可避免的逻辑的必然吗？伟大的法国科学家让·达兰贝尔写道：“对一个从统一的观点把握宇宙的人来说，宇宙的整个创生过程看上去像是一个唯一的真实必然。”这种观念使上帝全能的问题变得有趣起来。在第十章里，我们曾经指出，一个全能的造物主能够造出他想造的任何宇宙。基督徒声称，之所以会有如今这个特定的宇宙可以用上帝的选择来解释。上帝出于一些不为我们所知的理由，从无尽的可能里选择了这个宇宙。但是，上帝虽然全能，也不能打破逻辑的规则。上帝不能使2等于3，或使一个正方形等于一个圆。谁要是急匆匆地假定上帝可以创造任何宇宙，都必然得改口说，上帝所创造的宇宙得符合逻辑。现在，假如说只存在一个合逻辑的宇宙，那么，上帝就没有什么选择可言了。爱因斯坦特别指出：“我所真正感兴趣的是，上帝能否用另一种方式创造这个世界，即逻辑质朴性的必然是否留出了任何的自由。”⑧

假如宇宙实际上只有一种可能的创生方式，我们为什么还需要一个造物主？这造物主除了“按电钮”使创生的过程开始之外，还起了什么作用呢？但是，这种按电钮的作用并不需要一个精神。那只是一种启动机制，而且我们在前一章里看到，在一个量子物理的世界里，连启动机制也不需要。这是否是说，认为宇宙的基本逻辑数学方程只有一个物理解便是否定了上帝的存在？确实没有否定。这种观点只是使造物主上帝这一观念成为多余的东西，却没有排除可能有一个普遍的精神，这精神属于这唯一的宇宙，是自然的而不是超自然的上帝。当然，就像我们自己的精神不处于空间一样，这里所说的“属于”不是“处于空间某处”的意思。“属于”在这里的意思也不是说“是由原子构成的”，正如我们的精神（与大脑相对的）不是由原子构成的。大脑是人类精神的表达媒介。同样，整个的物质宇宙也是一个自然的上帝之精神的表达媒介。这样，上帝就是一个至高的整体概念，很可能要比人类精神高出很多描述层面。

假如承认这些观念，那么，了解物质宇宙的起源及命运就十分重要了。因为精神必须要有组织，所以，精神的存在就受到了热力学第二定律的威胁。随着宇宙慢慢地被它自己的熵闷死，上帝是不是也得死去？假如不是这样的话，那么就有另一种可能性，即宇宙发生引力崩溃，成为奇点，导致物质宇宙完全消失。这种可能性似乎更不美妙。只有宇宙是循环的或是稳态的，一个自然的上帝似乎才能有无限和永恒的机会。

到目前为止，我们所讨论的物理学家对自然的看法都是从还原论出发的。物理学家在寻找新的规律和模型的过程中深受大自然的美和质朴性的感动。这里所说的美和质朴性在很大程度上指的是那些构造了世界的基本结构：夸克和轻子之类的亚原子粒子，以及作用于这些粒子之间的各种基本力。但是，上帝的整体性再一次提醒我们，不管物理学家对世界的构造和质料了解得多么清楚，任何纯粹的还原论思路总是把握不了整体性特点的。

理查德·费恩曼曾这样表达了相同的意思：

按各种等级或层面谈论世界便是对世界进行讨论的一种方式。现在，我不想很精确，不想把世界划分为明确的层面，但是，我想通过描述一系列观点来表明我所说的观点的层次是什么意思。

例如，在一方面，我们有基本的物理定律。然后，我们创造了一些其他的概念术语，这些术语是不那么基本的，而且我们相信它们最终都可以由基本定律给以解释。比如说，“热”。热被认为就是轻轻跳动。说一个东西热，就是说有一堆轻轻跳动的原子。但是，在一段时间里，当我们讨论热的时候，我们有时忘记了那些轻轻跳动的原子，正如我们谈论冰川的时候，我们并非总是想到冰川形成之前从天而降的六角形雪花和冰凌。另一个相同的例子是盐的晶体。从基本的角度来看，盐的晶体是许多质子、中子和电子。但是，我们却有“盐晶体”这个概念，这一概念携带了整个的基本相互作用的图式。压强的概念也是这样。

现在，假如我们往上去进入另一个层面，我们就有了物质的各种特性，如“折射率”，即光穿过某物时的弯曲程度；还有“表面张力”，即水将自己收缩起来的倾向。折射率和表面张力都是用数字描述的。我要提醒你们，我们得通过好几个定律的帮助才能发现张力就是原子的拉力，等等。但是，我们仍是漫不经心地说“表面张力”，在讨论表面张力时，并不总是把表面张力的内部作用挂在心上。

再往上的层次，我们就有了水的波浪，有了暴风雨这样的东西。“暴风雨”这个词代表的是一些现象。还有“太阳黑子”，“恒星”。恒星是由很多东西积累而成的。然而，总是要给这些东西追根溯源是不值得的。事实上我们也追溯不了，因为我们往上走的层次越多，我们和基本定律之间相隔的步骤也就越多，每一步骤都有点论据不足。我们还没把它们想通呢。

我们沿着这一复杂性的等级走上去，就碰上了肌肉痉挛或神经兴奋这一类的事物。这类事物是物质世界当中非常复杂的东西，因为涉及的是物质的非常复杂的组织。再往后，就有了“青蛙”这一类的东西。

我们再往上去，就碰上了“人”，“历史”或“政治权宜”之类的词语和概念。我们用这一系列的概念来理解处于较高层面的事物。

再继续往上走，我们就会碰上恶、美、希望……现在，我们一边有基本的定律，一边有美和希望。假如可以用一个宗教比喻的话，便可以问：哪边更接近上帝？我想，正确的回答当然是说我们必须看到事物的完整的结构联系；我们必须看到，一切学科，不仅是一切学科，而是一切知识活动，都是要找出各个层次间的联系，要把美与历史联系起来，把历史与人的心理联系起来，把人的心理与大脑的活动，大脑活动与神经兴奋，神经兴奋与化学等这一切上下双向联系起来。今天，我们不可能（而且也没法假装相信我们能）仔细地划出一条线，把事物的这一边同另一边联起来，因为我们才刚刚开始发现有这样的相对等级。

我认为，两边距上帝都是一样远。⑨

在前面的那些章里我强调指出，科学家们现在越来越注意大自然的结构等级的重要性。像生命、组织、精神之类的整体性概念确实是有意义的，是不能用“不过”是原子、夸克、统一力或其他什么东西之类解释过去的。了解在一切自然现象的核心里都有基本的质朴性，这当然很重要。然而，不管它有多么重要，也不可能就是一切。复杂性和质朴性是同样重要的。

现代物理学的一个悬而未决的问题是，一个物理系统的整体性特点是否需要有另外的整体性规律，而这些整体性的规律是不能还原为基本力或粒子的基本规律的。到目前为止，我们没有任何真正的物理整体性规律存在的证据。例如，热力学处理的是气体之类的整体性系统，这些系统中有很多集体活动的分子。温度和压强之类的概念在单个分子的层面上是没有意义的。然而，所有的有关气体的定律都能够从低层面的分子运动规律得出来，只是这些运动规律以一种统计学的方式被用于众多的分子。真正的整体性规律应当是，在整体层面上显现出来一种新的力或具有组织作用的影响，这种力或影响并不是起源于单个的组成部分。这就是活力论在解释生命时的假设。

整体性物理定律的一个更为引人注目的例子是意念致动或心灵感应。对所谓的特异现象持肯定态度的人声称，人的精神实际上能够对遥远的物质施加力。据认为，这样的力在还原性层面上是不为人们所知的。这些力不是核力，不是引力，也不是电磁力。这些意念力的最直接的表现是令人惊奇的远距离意念弯物，即被试者似乎在没有身体接触的情况下，全凭精神力量使金属物体变了形。笔者为了验证这一现象，设计了一个非常严格的试验，就是把金属棒封在玻璃器皿里，器皿中的空气被抽出，换上比例不为他人所知的多种稀有气体，以防止被试者搞鬼。最近，一些意念弯物的大师接受了测试，结果没有一个能使金属棒发生任何测得出来的变形。

前面曾经说过，物质世界的结构很可能部分地或全部是非常质朴的逻辑原理的作用结果，这些逻辑原理是以基本的数学形式表现出来的。然而，复杂性的问题为人们接受这一观点造成了困难。难道我们真能相信，比如说，生命和精神完全起源于逻辑规则，而不是起源于整体性的力？

最简单的逻辑规则的作用能产生出有趣而复杂的活动。这一点可以得到很漂亮的验证。剑桥的数学家约翰·康威发明了一个叫作“生命”的游戏。这游戏很简单，由一个人在一块被隔成很多小格（间隔）的板上玩。在一些小格里放上黑色的棋子，由这些棋子组成的图形按下面这套规则改变形状：

1.有2个或3个邻子的棋子在下一代（即下一步）仍然存活。

2.没有或只有1个邻近的棋子要“死”（于孤单），有4个或4个以上的邻子的棋子要死（于拥挤）。

3.若1个空格正好与3个不空的格为邻，那么，这个空格就要生出1个棋子来。

这些出生、存活、死亡的规则很简单。康威和他的同事发现，某些图形根据这些规则能演变出各种各样最令人惊讶的美丽图案。其中，有两个图形系列最引人注目。第一个图形系列使人们看到，简单的形状可以演变为复杂的结构。我们可以看图25。图中的“种子”长成一朵花，花凋谢了，死了，留下了4个小“种子”。

更不同寻常的是，他们发现有些图形在演变过程中保留了某种连贯性，显示出一种很像是行为的活动。最简单的例子是“滑翔机”图形。这个图形连为一体在板上移动（见图26）。一些大的被称作“太空船”的图形在运动过程中会留下一串“火花”。然而，更大的“太空船”则需要一些较小的“护航船”来吃掉大船向前喷射的碎片，为大船开辟通道，否则碎片会把大船撞碎。

借助于计算机，就可以用康威的游戏，来检验关于自复制的机器以及其他抽象的逻辑-数学难题的猜想。在检验中，先构造出一些图形，这些图形可以像生产线一样生出其他的图形。有一个图形叫“滑翔机炮”，这种图形每30步就能产生出一个新的“滑翔机”。13个“滑翔机”碰撞之后产生的碎片就能够构成一个这样的“滑翔机炮”！仔细摆放“滑翔机炮”的位置，就能使相交的“滑翔机”的主干构成一个工厂，这工厂每300步就造出一个“太空船”。这一切“行为”都是“自动的”。只要有了选定的初始图形，这游戏自己就能产生出结构和行动，根本就不需要有人插手。而这一切结构和活动全来自几条简单的逻辑规则。

在我看来，物理学的重大贡献是通过还原论做出的。整体性的问题更适合于认知学科和科目，如系统论，形势运筹学，社会学，政治学。当然，这并不是说物理学跟整体论没有什么关系。物理学显然跟整体论有关系。热力学、量子论、自组织系统物理学都涉及整体概念。然而，我不认为物理学能处理目的或道德之类的问题。

有时候有人问我，物理学家通过研究大自然的基本过程得来的有关大自然的知识能否有助于理解上帝的宇宙计划的性质，或能否揭示出善与恶的斗争真相。我的回答是不能。夸克结合成为质子和中子，量子的被吸收或量子的放射，时空因物质产生的弯曲，将所有的基本粒子统一起来的抽象的对称，这一切的一切都谈不上什么善与恶。不错，在大自然里能发现很多竞争，例如，不同的力的平衡和相互作用之间就有竞争。一个恒星就是相互争斗的力的战场。引力要压垮恒星，因而就与要使恒星炸开的热压力和电磁辐射力发生争斗，而热压力和电磁辐射力又是核相互作用的能量释放产生的。宇宙中到处都在进行着这样的斗争。然而，假如对立的各种力不是大致旗鼓相当，所有的物理系统就会为这一种或那一种力所统治，宇宙的活动就会很快地停下来。宇宙中的这些斗争已持续进行了多少亿年，可见，宇宙是复杂的，有趣的。

这种斗争的僵局提供了极大的时间，使伟大的宇宙戏剧得以展开。对于那些看上去纯属偶然的“僵持”，弗里曼·戴森的话表达了人们的迷惑不解：

既然宇宙在一路滑向最后的死亡状态，在这死亡状态之中，能量的无序程度将会变为极大，然而，为什么宇宙竟能像查尔斯王一样死得这么费时？⑩

宇宙幸运地处于这种稳定状态，得以在很长的天文时间里不跌进完全的混沌之中。这种幸运的稳定是第十三章里讨论的各种“偶然”的一个方面。

有一种体积僵持，使宇宙得以避免在它自己的引力下突然崩塌。由于宇宙物质在空间中分布得极广，所以，宇宙发生爆聚时，宇宙间的物质由自由降落到形成大崩塌（假如大崩塌发生的话）所需的时间是上百亿年。还有一种旋转僵持，使星系和行星系稳定下来，不会收缩到它们自己的中心。离心力会来对抗引力向里的拉力。最后，还有核力的僵持，保持了恒星内部的核燃料消耗的速度非常缓慢。

这些僵持并不能世世代代永远持续不已。当僵持的局面维持不下去的时候，便经常爆发激烈的活动。宇宙充满了激烈的活动：恒星发生爆炸，躁动的星系和类星体喷射出巨大的能量，巨大的天体发生可怕的碰撞，天体被引力撕裂，物质在黑洞中被压缩得无影无踪。这一切，都是可怖的激烈活动。然而，物理学家在这些激烈的活动里却看不出有什么恶。在这里能量的肆行无忌造成的宇宙大乱中，大自然可能播下来安宁的种子。构成我们这颗恬静的星系的重元素，就是很久以前在超新星爆炸的大火中创生的。在物理学家看来，激烈活动的现象只是大自然规律的一种特殊的表达方式而已，从道德上讲是没有什么善恶可言的。善恶只能适用于精神，不能适用于物质。

在前面的那些章里，我们涉猎了整个现代物理学。我们为了寻找上帝，探讨了关于空间与时间的新观念，探讨了人们如何重新认识有序和无序，精神与物质。我们所说过的很多东西，无疑会证实某些人的想法，使他们更加坚信科学与宗教是死对头，科学会继续危及大部分宗教教义的基础。很多关于上帝、人以及宇宙本质的宗教观念已被新物理学所破除，否认这个事实是愚蠢的。但是，我们在寻找上帝的过程中，也发现了很多确实的东西。例如，我们知道了宇宙中存在着精神，精神是一种抽象的、整体的组织模式，甚至可以离体存在。于是，还原论者认为我们不过是一堆堆活动的原子的看法就受到了反驳。

然而，我写这本书的意图并不是要为长期悬而未决的宗教问题提供简易的答案。我的目的是扩展对传统的宗教问题的讨论框架。新物理学已经推翻了很多关于空间、时间和物质的常识性概念，因而严肃的宗教思想者不能忽视新物理学。

在本书的开头，我曾声言，与宗教相比，科学能为寻找上帝提供一条更为切实的途径。我深信，只有从各个方面全方位地了解世界，从还原论和整体论的角度，从数学和诗的角度，通过各种力、场、粒子，通过善与恶，全方位地了解世界，我们才能最终了解我们自己，了解我们的家——宇宙背后的意义。