第一章序幕 们，所有物质都由他们称做原子的永恒的小粒子组成（原子论的 根在印度的形而上学，比德漠克里特和留基波还早)。这些早期 原子论者的成熟令人惊奇，不过在我看来，不论米利都人“错 了”，还是原子论者在某种意义上“对了”，都无关紧要。这些 前苏格拉底哲学，不论米利都的还是阿布德拉的，没有一点东西 像我们今天对一个成功的科学解释的理解：对现象必须有定量的 认识。就算我们听从泰勒斯或德谟克里特讲的，石头由水或原子 组成，我们还是不知道如何计算它的密度、硬度和导电率，这对 我们认识自然来说，进步了多少呢？当然，如果没有定量预言的 能力，我们也不可能说泰勒斯和德谟克里特谁对谁错。 在德克萨斯和哈佛时，我曾给文科学生讲过物理，我觉得最 重要（当然也最困难）的是让学生们学会计算不同物理系统在不 同条件下发生的事情。我让他们计算阴极射线的偏转和油滴的下 落，不是说任何人都需要计算这类事情，而是因为他们能在计算 的过程中体会物理学原理的真实意义。我们关于那些决定事物运 动的原理的知识，是物理科学的核心，也是人类文明的珍宝。 从这点说，亚里士多德的“物理学”并不比更早也更质朴的 泰勒斯和德谟克里特的思想好多少。在《物理学》和《论天》 (On the Heavens)里，亚里士多德把拋物体的运动描述为部分 自然的和部分非自然的。川自然的运动，跟所有重物一样，是向 下的，趋向万物的中心；非自然的运动则是空气传递的，而空气 的运动可以追潮到使抛体运动的物体。然而，抛体在路径上运动 多快，在落地时运动了多远，亚里士多德一点儿也没说。他没说 计算或测量太难，也没说对运动定律的知识还不够多，不能得到 抛体运动的细节。实际上，他没有提出什么答案（对的或错 的)，因为他不知道那是该问的问题。 为什么该问些问题呢？读者也许跟亚里士多德一样，不太关 心物体下落多快一一我自己也不太关心，重要的是我们今天已经 5(
第一推动公华 终极理论之梦 知道了那原理一牛顿的运动和引力定律以及空气动力学的方 程，它们精确决定着物体任何时刻在飞行中的位置。这并不是说 ,我们确实能够精确计算抛体的运动。从不规则石头或箭矢羽毛绕 过的气流是很复杂的，我们的计算只能是近似的，特别当气流成 为湍流的时候。另外还有如何确定初始条件的问题。不管怎么 说，我们可以用已知的物理原理解决简单一些的问题，如行星在 没有空气的空间运动，稳恒的气流绕过球体或平板。这些问题的 解决使我们相信，我们确实把握了决定抛体运动的原理。同样， 我们不能计算生命演化的历程，但我们现在很清楚是什么原理在 发生作用。 这是很重要的一点，在关于自然终极理论的意义或终极理论 是否存在的争论中，它往往混乱不清。我们说一个真理解释另一 个，如决定电场中的电子的物理学原理（量子力学法则）解释化 学定律，并不是说我们一定能导出我们认为解释了的那些真理。 有时问题很简单，如氢分子的化学，我们确实能推导出来；但有 时问题对我们来说则是太复杂了。在这种意义上谈科学解释，我 们在思想上并没有科学家确实导出的东西，而是认为那是自然一 定存在的东西。例如在19世纪，即使物理学家和天文学家还不 知道如何在精确计算中考虑行星的相互吸引力，他们也理直气壮 地相信行星那样运动完全是因为牛顿运动和引力定律，或者别的 什么更精确的定律（牛顿定律不过是它的近似）在发生作用。今 天，尽管我们还不能预言化学家可能观测到的一切事情，但我们 相信，原子之所以在化学反应中表现出那样的行为，是因为决定 ▣原子内电子和电力的物理定律没有为原子的其他活动方式留下自 由的空间。 这一点很难说清楚。部分原因是，如果没人确实导出什么原 理， 我们凭什么说一个事实解释了另一个呢？这令人困惑。但是 我想我们不得不这样说，因为那正是我们科学所关心的：发现建 )6
一.一第一意序幕 立在自然的逻辑结构里的解释。当然，如果我们真能进行某些计 算，并能把结果与观测对比，那么我们会更加自信。至少，在氢 原子化学是这样的，虽然蛋白质的化学还做不到。 尽管希腊人不去追求对自然的综合定量的理解，但古代世界 当然也不会不知道精确的定量椎理。千百年来，人们懂得了算术 法则和平面几何，认识了日月星辰的周期性，还发现了岁差①。 除了这些，在亚里上多德以后的希腊化时代②，即从亚里士多德 的学生亚历山大(Alexander)的统治到希腊世界向罗马臣服的年 代，数学科学开花了。在大学念哲学时，听人们把泰勒斯和德谟 克里特等希腊哲学家称做物理学家，我总觉得有点儿痛苦；但当 我们走进伟大的希腊化时代，听到叙拉古(Syracuse)的阿基米 德(Archimedes)发现浮力定律，亚历山大里亚(Alexandria)的 埃拉托色尼(Eratosthenes)测量地球的周长，我才感觉回到了科 学家的家园。在【7世纪现代科学在欧洲兴起之前，世界上还没 有哪个地方出现过希腊化时代那样的科学。 然而，尽管希腊化时代的自然哲学家有过那样的辉煌，他们 却从来不曾想过一个能精确规范所有自然物的定律体系。实际 上，“定律(1aw)”一词在古代用得很少（面亚里士多德从来 不用)，®我们只能看到它的原始意义：制约人类行为的人或神 11 的法律。（不错，“天文学(astronomy)”一词源自希猎词astron ①原文“precision of the equinoxes'”(存秋分点的精度】可能印错了，更合理的 似乎是“precession of the equinoxes”(岁差)。一译者 ②所谓“希腊化时代”(Hellenistic Era),是从公元前323年亚历山大大帝之 死到公元前31年奥古斯都建立罗马帝国那300年的文期被希腊化的历史。在这一时 期，过去的希腊文明结束了、兴起一种融合了希腊和东方因素的新文明。下面讲的 “希腊(Hellenic)”则指更早的历史时期(776B.C.~323B.C.)。词根Hellen是 传说的希腊始祖。“一一译者 3 E.Zilsel,The Genesis of the Concept of Physical Law,Philosophical Review 51 (1942):245. 7(
推动 ·终极理论之梦 (星)和noos(律)，但在古代它很少用来说关于天的科学， 用得更多的是“星占学(astrology)”。)到了17世纪的伽利咯 (Galileo)、开普勒(Kepler)和笛卡儿(Descartes),我们才有 了自然律的现代概念。 古典学者格林(Peter Green)将希腊科学的局恨性主要归因 于希腊人固执的理性偏见：他们喜欢静止的，不喜欢动态的；喜 欢思辨的，不喜欢技术的（军事技术除外）。①希腊化时代亚历 山大里亚的前3个国王都支持抛体的飞行研究，因为它能满足军 事的需要。但是，把精确椎理用于如球在斜面上滚动那样无聊的 过程一这是说明伽利略运动定律的例子一在希腊人看来似乎 是毫无意义的。现代科学也有自己的偏见一生物学更多地关注 基因，而不在乎脚趾头长出的肿瘤；物理学家更愿意研究20万 亿伏特能量下的质子-质子碰撞，而不把20伏特放在心里。不 过这都是战术的选择，基于一定的判断（正确或错误的）一如 某些现象比别的现象更容易产生结果；而不是说他们相信有些现 象比其他现象更重要。 现代终极理论的梦想是从牛顿开始的。定量的科学推理从来 不曾消失，到了牛顿时代，特别是经过伽利略以后，它又获得了 新生。不过，从行星和月球的轨道到潮汐的涨落和苹果的落地， 牛顿能用他的运动定律和引力定律解释那么多的事实，因此他应 该第一个感觉到可能存在一个真正综合的解释理论。牛顿的希望 ?写在他那本巨著《原理》的第一版的前言：“我愿我们能像对力 学原理那样，用同类的推理导出其余的自然现象（即《原理》没 考虑的那些现象)。许多原因促使我怀疑，它们可能都依赖于一 定的力。”20年后，牛顿在《光学》里写了他想如何实现他的 Peter S.Green,Alexander to Actium:The Historical Evoltuion of the Hellenistic Age Berkely and Los Angeles.University of California Press,1990),pp.456,475~478. )8
一一第一章序幕 计划： 现在，最小的物质粒子被最强的吸引力黏在-一起，组成效能 较弱的大粒子，其中的很多还可以黏聚形成效能更弱的更大的粒 子，如此多方地继续下去，最终形成化学作用和自然物体的颜色 所依赖的最大粒子，而这些大粒子则通过黏结形成可以感党的实 体。于是在自然中存在一些原因，能遥过强大的吸引力把物体的 粒子黏结起来。实验哲学的任务就是去发现它们。② 因为牛顿的伟大典范，特别在英国形成了·一种典型的科学解 释作风：物质被认为由水恒不变的微小粒子构成；粒子通过“一 定的力”（引力不过是其中的一种）相互作用；如果知道粒子在 某一时刻的位置和速度，知道如何计算其中的力，那么就可以用 运动定律来预言它们在下一个时刻会在什么地方。大学新生们现 在还常常听到以这种风格讲的物理学。遗憾的是，这样的牛顿风 格的物理学尽管还有更多的成功，却已经走到尽头了。 世界终归是复杂的。在18和19世纪，当种学家们对化 学、光、电和热有了更多认识以后，还走牛顿路线去解释，那 可能性就越来越茫了。特别是，在解释化学反应和亲和性 时，把原子当做在相互吸！和排斥的力的作用下运动的牛顿粒 子，物理学家不得不为原子和力做出许多任意的实际上不可能3 出现的假定。 不过，到了19世纪90年代，在许多科学家中间却流行着莫 ①感谢Bengl Nagel建议我引用这段话。 ②牛顿在《光学》的最后一卷提出了3引个著名的“疑问”，最后一个可以说 是关于物质和运动的一般规律的一这里引用的话就在那个疑问的论述中。据我们看 到的版本（伦敦第4版，Bell and Sons.Ld.,1931),“下是”以下两句是本段话前一 段的结束句。一译者 9(