为还原论欢呼

亲爱的，

你我都知道为什么夏日的天空那么蓝，

也知道为什么林间的小鸟唱得欢。

M·威尔逊，你和我

也许你喜欢问为什么事情是那样的，根据某个科学原理你能得到一个解释，然而你还问，为什么那原理是对的？像个淘气的孩子，你总喜欢问为什么？为什么？为什么？那么迟早有人会说你是一个还原论者。对不同的人，这个词有不同的意思，不过我想每个人讲的还原论都有一点共同的东西，那就是层次的意义。一些真理不像能导出它们的真理那样基本，如化学可以从物理学导出来。在科学政治里，还原论成了标准的坏东西；最近，加拿大科学理事会批评加拿大农业事物协调委员会被还原论者垄断了。^[48]（大概科协认为协调委员会过分强调了植物的生物学和化学。）基本粒子物理学家特别容易被说成还原论者，他们跟其他科学家的关系常常因为人们对还原论的厌恶而恶化。

还原论的反对者们来自不同的意识形态领域。最合理的一端是那些反对还原论的原始形式的人。我同意他们的观点。我想自己是一个还原论者，但我不认为基本粒子物理学的问题就是科学甚至物理学中惟一有趣和重要的问题；我不认为化学家就该放下他们手中的事情而投入到解决不同分子的量子力学方程；我不认为生物学家该忘却整个植物和动物而只考虑细胞和DNA。对我来说，还原论不是研究纲领的指南，而是对自然本身的态度。它多少不过是一种感觉：科学原理之所以那样是因为更深层的原理（以及某种情形的历史事件），而所有那些原理都能追溯到一组简单连通的定律。^[1]在科学历史的今天，接近那些定律的最佳途径似乎就是通过基本粒子物理学，不过那只是历史的巧合，而且是可以改变的。

在意识形态的另一端，是那样一些还原论的反对者，他们为自己所感觉的现代科学的荒芜而感到沮丧。不论他们和他们的世界在多大程度上还原为物质粒子和场及其相互作用，他们都觉得被那知识糟蹋了。陀思妥耶夫斯基（Dostoevsky）的地下人想象一个科学家告诉他，“大自然不需要向你请教，它才不管你想什么，不管你是不是喜欢，事实上你都必须接受它的定律……”他回答说，“老天！如果我因为某种理由不喜欢它们……我还管它什么自然定律和算术？”^[49]最极端的是那些头脑里灌满整体论的人，他们对还原论的反应是相信灵魂的能量和生命的力量，那是不可能用寻常的非生命的自然定律来描写的。我不想拿现代科学激动人心的美妙来回答那些批评。还原论者的世界观的确是冷漠而没有人情味的，但事实上我们必须接受它，不是因为我们喜欢，而是因为世界本来就是那样的。

在反还原论者中间，还有一群虽不那么公正却重要得多的人物。他们是科学家，但很厌恶谁说他们的科学分支有赖于更深层的基本粒子物理学的定律。

我为还原论跟一个好朋友争论过多年，他是进化论生物学家迈耶（Ernst Mayr），曾为我们提出一个极好的生物物种的工作定义。争论始于1985年，他突然对我1974年为《科学美国人》写的一篇文章^[50]（关于别的事情）发难。我在那篇文章里提出，我们希望在物理学中发现几个简单的普遍定律，它们能解释为什么自然是那样的，而我们目前离那统一自然观最近的是基本粒子及其相互作用的物理学。迈耶在文章里说这是“一个可怕的物理学家思维方式的例子”，还说我是一个“极端的还原论者”。我在《自然》的一篇文章里回答了他，说自己不是极端的还原论者；我是一个中庸的还原论者。^[51]

接下来是一封令人沮丧的信，迈耶在来信中列举了不同类型的还原论，我的特殊还原论也被列为异端。^[52]我不懂分类；他那些类型在我听来都差不多，而且没有一个说明了我的观点。另外，（在我看来）他似乎不理解我做出的区别：一个是充当科学进步的普遍描述的还原论，那不是我的观点；一个是作为自然秩序的描述的还原论，我认为那当然是正确的。^[2]迈耶和我还是好朋友，但谁也不想试着改变对方了。

对国家研究计划来说，最严重的是来自物理学内部的反还原论。还原论者对基本粒子物理学的宣扬伤害了其他领域（如凝聚态物理学）的物理学家，他们觉得基本粒子物理学家在跟自己竞争国家基金。在粒子加速器上花几十亿美元造超级超导对撞机的提议，使这场争论更令人不快。1987年，美国物理学会公共事物办公室主任指出，超级对撞机“也许是物理学会遇到过的最能引发纠纷的问题。”^[53]那时，我在超级对撞机项目的监事会，我们一帮委员常常得做好多事情向公众解释项目的目的。一个委员告诉我们，不应该让人觉得我们在认为基本粒子物理学比其他学科更基本，那会激怒其他物理学领域的朋友。

我们认为基本粒子物理学比其他物理学分支更基本，给人留下这样的印象，是因为它真是那样的。如果不坦率承认这一点，我不知道该如何为那么多的费用辩护。不过，我说基本粒子物理学更基本，并不意味着它在数学上更深刻，或其他科学领域的进步更离不开它，只不过说它离我们所有的解释箭头会聚的那一点更近些罢了。

有些物理学家对粒子物理学家的自负不以为然，贝尔实验室和普林斯顿的安德森是他们的一个代表。他是理论物理学家，提出过许多普遍深入的作为现代凝聚态物理学（关于半导体和超导体等物质的物理学）基础的思想。在1987年我参与的那个国会听证会上，他反对超导超级对撞机计划。他感到（我也有同感）国家科学基金会对凝聚态物理学的研究的资助太少了，他觉得（我也一样）许多研究生被粒子物理学的魔力迷惑了，他们本来可以在凝聚态和相关领域从事更有科学意义的职业。但他接着说，“……它们（粒子物理学的结果）一点儿也不比图灵（Alan Turing）在计算机科学的发现更基本，也不比克里克（Francis Crick）和沃森（James Watson）发现的生命奥秘更基本。”^[54]

一点儿也不更基本吗？这是安德森和我产生分歧的地方。我不想谈图灵的工作和计算机科学的开端，在我看来，那更多地属于数学和技术，而不属于通常的自然科学框架。数学本身永远也不可能是任何事物的解释——它只是我们用其中一组事实解释另一组事实的方法，是我们表达我们的解释的一种语言。不过，安德森说克里克和沃森发现的DNA分子（它提供了遗传信息保存和传递的机制）的双螺旋结构揭示了生命的奥秘，倒为我的反击提供了新的弹药。对DNA发现的那种评说，在某些生物学家看来，就像安德森眼里的粒子物理学家的主张一样，正是顽固的还原论。例如，哈里·鲁宾（Harry Rubin）在几年前写道，“DNA革命引导了一代生物学家去相信生命的全部奥秘都藏在DNA的结构和功能里。这个信念放错了地方，而这种还原论的纲领需要新的概念框架来补充。”^[55]我的朋友迈耶多年来一直在反击生物学中的还原论思潮，他怕那思潮会把我们所有关于生命的认识都归结到DNA的研究。他指出，“确实，经典遗传理论中的大量黑箱的化学本质由DNA、RNA和其他发现填补了，但这并不以任何方式影响传递的遗传学的本质。”^[56]

我不想走进生物学家的论战，更不想站在反还原论的一边。DNA无疑在生物学的许多领域都是极其重要的，但仍然有一些生物学家，他们的研究并不直接受分子生物学发现的影响。例如，种群生态学家要解释热带雨林的植物多样性，生物化学家要认识蝴蝶的飞翔，对他们来说，DNA结构的发现几乎没有任何帮助。我想说的是，即使生物学家在他们的工作中没有得到任何来自分子生物学发现的帮助，从某个很重要的意义上说，安德森仍然能够大谈生命的奥秘。问题不在于DNA的发现是一切生命科学的基础，而在于DNA本身是一切生命的基础。有生命的事物之所以那样，是因为经过自然选择以后它们演化成了那样，而演化之所以可能是因为DNA和相关分子的性质允许生物体把它们的遗传蓝图传递给后代。在完全相同的意义上，不论基本粒子物理学的发现是否对其他物理学家有用，基本粒子物理学的原理对整个自然来说都是基本的。

反还原论者常常依据这样一个论点：基本粒子物理学的发现对其他领域的科学家似乎没有多少作用。历史不是这样的。20世纪上半叶，基本粒子物理学在很大程度上就是电子和光子的物理学，它们对我们认识所有形态的物质有着巨大而确定无疑的影响。基本粒子物理学在今天的发现正对宇宙学和天文学发生着重大影响——例如，我们根据基本粒子的清单来计算化学元素在宇宙最初几分钟的产生。没人能说这些发现还有什么别的结果。

但是，我们设想一下（只是为了论证），不再有基本粒子物理学的发现来影响其他领域的科学家的工作。这时基本粒子物理学的研究仍然有着特别重要的意义。我们知道生物演化的实现是因为DNA和其他分子的性质，而任何分子的性质之所以那样是因为电子、原子核和电力的性质。那么微观事物为什么会那样呢？这可以部分用基本粒子的标准模型来解释。现在我们想走下一步，去解释标准模型、相对论原理和它依赖的其他对称性。我不明白，人们为什么对世界充满了那样的好奇，然而除了基本粒子物理学可能有的对其他科学家的作用而外，他们怎么没发觉那下一步是一个重要的使命呢？

实际上，基本粒子本身并不是很有趣的，至少不像人那样有趣。除了动量和自旋，宇宙的每个电子跟别的电子都是相似的——见过一个电子，也就见过了所有的电子。但这种简单性说明电子不像人那样由大量更基本的要素组成，它们本身就是某种近乎万物的基本组成的东西。正是因为基本粒子那么单调无聊，它们才有趣；它们那么简单，意味着它们的研究会把我们引向一个综合统一的自然。

在特殊和有限的意义上，基本粒子物理学比其他物理学分支更基本，这一点可以从高温超导的例子得到说明。现在，安德森等凝聚态物理学家正感到迷惑：某些铜、氧和其他奇异元素的化合物能在远高于我们想象的温度上持续地保持超导电性。同时，基本粒子物理学家也在努力认识夸克、电子和其他标准模型粒子的质量起源。（这两个问题碰巧在数学上有联系；我们将看到，它们都可以归结为这样一个问题：基本方程的某些对称性如何在方程的解中消失了。）当然，凝聚态物理学家不靠基本粒子物理学的任何直接帮助，最终也能解决高温超导问题；在基本粒子物理学家认识质量的起源时，似乎也不会从凝聚态物理学那儿得到什么直接的数据。两个问题的区别在于，当凝聚态物理学家最终解决高温超导问题时——不管出现什么辉煌的新思想，最后的解释一定是那样的数学形式：从已知的电子、光子和原子核的性质推出超导电性的存在；^[3]反过来，当粒子物理学家最终在标准模型中认识质量的起源时，那解释将依赖于标准模型里我们今天还没有把握的某些方面，如果没有超级对撞机那样的设备提供的数据，我们不可能理解那些方面（尽管可以猜想）。这样，基本粒子物理学代表了我们认识的前沿，而凝聚态物理学却不是这样的。

不过，这解决不了如何分配研究基金的问题。做科学研究有许多动机——如医药和技术的应用、国家的威望、数学的美妙、理解奇妙现象的快乐——这些动机不但处处体现在基本粒子物理学，也存在于其他科学（有时还更强烈）。粒子物理学家并不认为研究的独一无二的基本特征为他们从大众的钱袋里赢得了头筹，但他们相信那的确是决定科学研究资助的一个不可忽略的因素。

有人想为这类决策立一个标准，最有名的例子大概是阿尔文·温伯格（Alvin Weinberg）。^[57]在1964年的一篇文章里，他提出一个方针：“于是我要通过一个原则来明确科学价值的判别标准：在其他条件相同的情况下，具有最大价值的科学领域是那些为邻近学科带来最多贡献和最大光明的领域”（他自己强调的）。^[58]读过我关于这些问题的一篇文章后，^[59]他写信提醒我回想一下他的建议。我没忘，但我不同意他的说法。我在给阿尔文的回信里告诉他，这样的理由可以用来判断把几十亿美元的钱花在得克萨斯的蝴蝶分类上，因为它能为俄克拉荷马的蝴蝶分类、为全世界的蝴蝶分类带去光明。这个荒唐的例子只不过拿来说明，一个无聊的科学计划无论对其他无聊的科学计划有多重要，都不能为它自己增加任何重要性。（我现在大概还在鱗翅类昆虫学家的麻烦里，他们想用几十亿美元来进行得克萨斯的蝴蝶分类。）不过在阿尔文的科学选择标准中，我真正感到遗憾的是它缺乏还原论的眼光；某些科学研究之所以有意义，在于它能使我们接近所有解释交汇的那一点。

作家格莱克（James Gleick，混纯的物理学就是通过他走向广大读者的^[60]）有效地提出了物理学领域里还原论的争论中的一些冋题。在最近的一次谈话中，^[61]他指出：

混沌是反还原论的。这门新科学对世界有着强烈的要求：就是说，当它成为最有趣的问题时，如有序和无序问题，衰亡和创生问题，模式形成和生命本身问题，整体不能拿部分来解释。

存在关于复杂系统的基本定律，不过那是一些新类型的定律。它们是关于结构、组织和标度的定律，当你专注于复杂系统的各个局部时，它们会消失得无影无踪——就像当你走近集会的每一个人时，群体的意识将不复存在。

我的第一反应是，不同问题有不同的趣味。创生与生命的问题当然有趣，那是因为我们在生活着，而且愿意拥有创造性。不过，还有些问题之所以有趣是因为它们将把我们带到我们的解释会聚的地方。尼罗河源头的发现不能说明埃及农业的问题，但谁能说它没有意思呢？

另外，说起那些“拿部分”来解释整体的问题，它也不得要领。夸克和电子之所以基本不是因为寻常一切物质由它们构成，而是因为我们认为通过对它们的研究能弄懂一些关于统领万物的原理的事情。（关于四种基本自然力中的弱力和电磁力的现代统一场论，就是通过拿电子轰击原子核里的夸克的实验确立起来的。）其实，基本粒子物理学家今天把更多的注意力都放在不见于寻常事物的奇异粒子上，而不在常见的夸克和电子上，因为我们认为当前需要回答的问题可以更好地通过那些奇异粒子的研究来说明。当爱因斯坦在他的广义相对论里解释引力的本性时，不是在“拿部分”来解释，而是拿空间和时间的几何来解释。也许，21世纪的物理学家会发现黑洞和引力辐射的研究将比基本粒子物理学揭示更多的关于自然律的东西。我们现在关注基本粒子基于一个战术性的判断——在物理学历史的这个时候，它是一条走向终极理论之路。

最后，还有一个关于“突现”的问题：真的有什么统治复杂系统的新定律吗？当然，在不同经验水平上需要用不同的方法来描述和分析，从这个意义说，是有新的定律。不论在混沌还是化学，这都是正确的。但是，那些新定律基本吗？格莱克的群体心理提供了相应的例子。我们可以把知道的群体行为以定律的形式建立起来（例如，老人看到革命总是吞噬下一代）。但是，如果要问这些定律为什么成立，我们大概不会满足于说那些定律是基本的，不需要拿别的东西来解释。实际上，我们还要寻求完全以个体的心理学来做还原论的解释。对于混沌的出现，也是这样的。近些年在混沌领域的激动人心的进步，并不完全是观测到的混沌系统的现象，也不都是描写这些现象的经验定律；更重要的是，混沌的定律可以从产生混沌的系统的微观物理学定律数学地推导出来。

我怀疑，所有工作中的科学家（也许还有大多数的群众）在实践中都跟我一样是还原论者，尽管有些人也像迈耶和安德森那样，不喜欢这样说自己。例如，医学研究面对的是一些急迫而艰难的问题，因此一个新的疗法通常不得不依赖大量的医学统计，而管不了它是怎么成功的；但是，即使新疗法已经通过许多患者的经历证实了，如果不知道如何根据诸如生物化学和细胞生物学的理论去解释，它可能仍然会遭到怀疑。设想一下，如果一个医学杂志同时发表两篇报告淋巴结核新疗法的文章：一个是通过注射营养汤，另一个是让国王抚摩。即使两个疗法的统计结果相同，我想医学界（包括每个人）对两篇文章也会有迥然不同的反应。对于营养汤，我想多数人会有一个开放的心理，他们会等着它经过独立实验的证明。营养汤混合了许多好东西，谁知道哪种成分能影响诱发淋巴结核的分枝杆菌呢？另一方面，不论统计证据如何证明国王的抚摩对治疗淋巴结核有什么好处，读者都会怀疑受到了愚弄，或者认为那不过是毫无意义的巧合，因为他们看不出有什么原理能解释这种疗法。抚摩患者的人，不管是加了冕的、涂了油的还是前国王的大儿子，与分枝杆菌有什么关系呢？（即使在中世纪人们普遍相信国王的抚摩能治愈淋巴结核时，国王们自己似乎都很怀疑。就我所知，在中世纪的王朝更替的斗争中，如金雀花（Plantagenet）与瓦罗亚（Valo is），约克（York）与兰开斯特（Lancaster），还没有谁通过他的抚摩的疗效来证明自己的王位。^[62]）如果今天哪位生物学家坚持认为国王的抚摩不需要什么解释，说那疗效是跟其他定律一样基本的独立自主的自然律，可能不会得到他的同行的鼓励，因为他们也抱着还原论的自然观，不相信有那样的自主的定律。

所有的科学都是这样的。我们不会太关心一个不能用个体行为来解释的假想的自治的宏观经济学定律，也不会关心某个不能用电子、光子和原子核的性质来解释的关于超导电性的假说。还原论的态度仿佛一个有用的过滤器，使所有领域的科学家不会浪费时间去追寻一些毫无价值的思想。从这个意义说，我们现在都是还原论者了。