構成夢的材料

在本章中，我會介紹怎么從更寬廣的角度看待物理學定律，其中包括反事實（關于什么轉變可能出現或不可能出現的命題）角度；另外，你還會在本章中熟悉知識這個概念——從反事實的角度客觀定義，知識就是能始終獨立存在的信息。

世間萬物，大多數都難以永存。磐石會被歲月無情地磨去棱角，書頁會磨損、泛黃，而活物——從細菌，到大象，再到人類——也會衰老、死亡。不過，倒是有值得注意的例外，比如構成物質的基本組件——電子、夸克，還有其他基本粒子。它們構成的系統會發生變化，但這些基本組件本身總是保持不變。

事物能否永恒不變完全取決于物理學定律。物理學定律給宇宙萬物都戴上了牢不可破的枷鎖：無論是迄今為止已經發生過的事件，還是未來將要發生的事件，統統都受到它們的嚴格約束。物理學定律決定了行星的軌道形態與運動方式，掌管了整個宇宙的膨脹過程，確定了我們大腦以及計算機中的電流流向。它們還掌控著細菌、病毒的內部工作機制，掌控著天空中的云朵、海洋中的浪濤、地球熾熱核心里流動著的熔巖。物理學定律統轄的疆域甚至超越了宇宙中真實發生的事，它們還決定了什么可能發生，什么不可能發生。只要是物理學定律禁止的事物，就一定不可能出現或發生，任何人再怎么努力想實現都是徒勞。舉例來說，我們永遠都造不出能讓粒子以超光速運動的機器。前面提過，我們也永遠造不出能憑空產生能量的永動機——因為物理學定律告訴我們，宇宙中的總能量守恒。

難以永存是事物的本質傾向，這背后的主要原因就是物理學定律：物理學定律尤其不擅長保存基本組件之外的事物。它們可以保存構成物質的原始組件，但保存原始組件的特定集合體并不是它們的目的。電子和質子互相吸引，這是一種基本相互作用——這個簡潔明了的事實構成了我們人體復雜化學系統的基礎，但物理學定律中根本找不到這種復雜性的蹤跡。物理學定律——就比如我們這個宇宙必須遵循的那些——并不是為了保存除基本組件之外的任何東西而特別設計、定制的。因此，我稱它們為“無設計定律”。在無設計定律約束的世界中，如巖石這樣的復雜原子集合體，通常都會因它們自身與周遭環境間的相互作用而改變。環境會持續不斷地讓這些復雜集合體的結構產生微小的變化。

從結構保持的角度上看，大部分這樣的相互作用都會以小故障的形式引入錯誤，于是，所有復雜結構都會在時間長河中被慢慢侵蝕。除非有什么因素干預、阻止并修正了那些錯誤，否則復雜結構最終都會消散或者崩潰。系統越是復雜，與基本組件之間的差異越大，糾錯的難度就越大，系統的“生命”周期就越短。想想古代用手抄方式保存文獻的做法吧：文獻越長、越復雜，手抄過程中犯錯的概率就越高，抄寫員糾錯的難度就越大——舉個例子，他們可能每寫下一個字，就要核對兩次。

既然物理學定律是“無設計”的，系統維持自身存在（從另一個角度上說就是改變環境）的能力就是宇宙中的一項值得大書特書的罕見品質。鑒于這種品質的重要意義，我給它起了個名字：恢復力（resilience）。

恢復力很難獲取，這是大自然的一大殘忍現實。古往今來，許多文人騷客都為之扼腕嘆息。莎翁作品《暴風雨》中普洛斯彼羅的獨白就是一個著名的例子：

我們的狂歡已經結束了。我們的這些演員們，

我曾經告訴過你，原是一群精靈，

都已化成淡煙而消散了。

如同這段幻景的虛妄的構成一樣，

入云的樓閣，瑰偉的宮殿，莊嚴的廳堂，

甚至地球自身，

以及地球上所有的一切，都將同樣消散，

就像這一場幻景，連一點煙云的影子都不曾留下。

我們都是夢中的人物，

我們的一生是在酣睡之中。

詩行的形式和韻律著實令人入迷，所以我們初讀之時往往會忽視其中的一些重要信息。詩中呈現的只是現實的一方面，它忽略了一些基本事實。如果把這些事實也考慮進來，我們就會發現普洛斯彼羅的悲觀情緒和結論實際上是錯位的。不過，這些被普洛斯彼羅忽略的事實并非顯而易見。為了找到它們，我們就不能只考慮宇宙中自發產生的現象（比如非永恒性、偶爾出現的恢復現象、行星以及城市里高聳入云的高塔）。我們還必須考慮哪些現象可能發生，哪些不可能發生，也即反事實屬性。如我之前所說，反事實屬性最終也還是由物理學法則決定的。

普洛斯彼羅這番話忽略的最重要元素是，即便是在無設計法則下，事物也可能獲得恢復力。當然，由于物理學法則并非為此“設計”的，沒有人可以保證一定能獲取恢復力，但這確實有可能做到，因為物理學法則并沒有禁止任何事物獲取恢復力。只消稍稍深入地思考莎士比亞時代可能出現的事物就能清楚地明白這一點。不可否認，確實有一些客觀實體擁有某種程度的恢復力。更為重要的是，有些實體的恢復力要更強一些，有些甚至是強很多。而且，同諺語和傳統觀點相左，這些具有恢復力的實體并非巖石之類的死物，而是擁有生命力的活物。

一般來說，活物的恢復力總是要比像巖石這樣的死物強得多。受傷了的動物常常能夠自我修復，而巖石顯然不行。另一方面，雖然動物個體的命運最終都是死亡，但物種的延續時間往往能超過巖石。

舉個細菌的例子：它們已經在地球上生活了30多億年了，而且幾乎沒什么變化（但仍在不斷進化！）。說得更準確些，在這30多億年中幾乎沒什么變化的，實際上是存在于所有細菌細胞中的某些特定指令序列，它們編碼了以一些基本成分為基礎生產細菌的全部過程，也就是說，這實際上是一張配方。這個配方藏在DNA（脫氧核糖核酸）分子中，而DNA是所有細胞的核心部分，由4種不同化學物質串在一起構成。這種化學物質串的工作原理和由4個字母排列組合而成的單詞構成的語句序列沒什么兩樣：每個單詞大致就對應了DNA配方中的一種指令。而這些基本指令的集合就是生物學家所說的“基因”。

在歷史長河中幾乎保持不變的正是細菌的DNA的這種結構，或者說模式。相較之下，同樣是在這30多億年中，地球巖石的分布和結構已經發生了深刻變化。地殼之下的板塊運動已經一次又一次地改變了各大陸的面貌。假如有些外星人在地球史前時代登陸，并且從某些生命體（比如藍藻）中提取了DNA，同時還在太空中拍攝了地球的照片。現在，如果他們再次造訪地球并且重復上述操作，結果會怎么樣呢？在現在拍攝的地球照片中，所有東西都發生了變化。海洋和大陸的分布已經和史前時代迥然不同。不過，從生命體中提取的DNA結構應該幾乎毫無變化。因此，這個宇宙中的某些事物——比如編碼在DNA中的這張“配方”——的確可能擁有相當高的恢復力。

普洛斯彼羅獨白中忽略的另一個因素是，擁有生命力的實體可以影響環境、改造環境，并且保有反復這么做的能力（這點尤為重要），因而它們留下的絕不會只是過眼“煙云”。如今，地球上仍舊存在10億年前細菌活動的痕跡（比如化石燃料中的碳）。植物通過光合作用將太陽光轉化為化學能，并且在這個過程中釋放出氧氣，從而極大程度地改變了地球大氣的組成。而我們人類當然也有能力在各種條件下改變環境。與普洛斯彼羅的觀點相反，宮殿、廟堂和入云的樓閣都能擁有恢復力——因為它們是文明的產物。如果它們出現了問題，我們完全可以按照最初建造它們時的圖紙（這其實又是一種“配方”）重建它們，從而保證這些建筑的存在時間能夠遠超構成它們的基本材料。從原理上說，只要有這樣的“配方”，再加上一臺功能足夠強大的3D打印機，就足以從頭開始重建任何已被完全毀壞的古代宮殿。

人類壽命或許還不夠長，但技術的發展已經大大延長了我們的壽命——比起我們的祖先來，我們真的已經很長壽了。人類文明正是通過改變自然環境一步步地發展并繁榮興旺的。我們現在已經掌握了讓房間變暖（或變冷）的技術，開發了療效強大的藥物，擁有了在地球上（乃至太空中）高效移動的交通方式以及節省體力、延長生命、豐富生活的各種工具。我們在藝術、文學、音樂、科學領域都取得了偉大成就。實際上，普洛斯彼羅的這番獨白就是人類的文學遺產，這些詞句從莎士比亞寫下開始就一直存活到現在——同樣存活下來的，還有人類智慧活動的其他無數奇妙成果。因此，我們舉辦的這場“狂歡”不僅沒有消散，而且還綿延了幾十個世紀，并且反過來支撐著我們繼續前進。更重要的是，不少其他地球生命的生存時間比我們人類還要長得多，達到了數十億年。

當然，在我們不斷前進的同時，也涌現出了很多嚴重的問題，始終威脅著人類文明的恢復力。其中有一部分，比如全球變暖和快速傳播的傳染病，實際上就是我剛才介紹的那個過程的副產品。這些問題向我們提出了諸多棘手的挑戰，應對稍有不當，就會輕而易舉地抹除我們業已取得的部分成果。不過，在這里，我想表達的重點是：無論這些問題有多嚴重，我們都有可能采取措施，逐步解決。物理學法則并沒有禁止我們沿著之前的發展道路獲取更豐厚的果實。它們雖然沒有保證我們一定會取得更大成就或是解決現在的這些問題，但也絕對沒有禁止我們達到這些目標。只要能解決氣候危機等問題，我們就完全可以獲得恢復力和更豐碩的成果。以反事實屬性為基礎描述的物理學法則為我們提供了取得進步的機會。通過仔細審視哪些事件是宇宙中可能發生的，而非僅僅把目光局限于已經出現的現象，我們就能更全面地認識這個物質世界。因此，普洛斯彼羅的悲觀結論無疑是片面的，具有嚴重的誤導性。他的觀點只是一場不真實的噩夢。

上述內容表明，特定DNA模式中蘊含的“配方”的恢復力要比巖石強得多。此外，構成人類文明的基本元素，比如醫藥、科學和文學，也同樣可以擁有很高的恢復力。因此，在無設計法則的約束下，強恢復力似乎與特定“配方”之間存在必然聯系。那么，到底是哪種“配方”？以及，這種“配方”到底由什么構成？

答案必須逐步構建，并且需要我們暫時把重點放到“配方”本身上來。首先，我們得探明在無設計物理學定律的框架下要如何構建“配方”。畢竟，我在前文中也已經提到，無設計物理學定律能夠“無償”保證不變的，只有某些基本粒子和化學物質。因此，我們必須從最基礎的角度出發，認清這些最基本的物質組件是怎么在對復雜性一無所知的情況下產生高度復雜的“配方”的。

就從生命細胞DNA中蘊含的“配方”開始吧，畢竟，我們現在已經相對明確地知曉了它們誕生的過程。達爾文的進化論就為我們解釋了，有生命的實體及其驚人的生態適應性特征（比如狗的鼻子、海豚的鰭、蜜蜂的翅膀）是怎么在無設計物理學定律的框架下誕生的——而且還沒有“造物主”的參與。現在，所有動物的生態適應能力都被編碼到了它們生命細胞DNA中蘊含的那張“配方”里。而達爾文理論告訴我們的，就是這張“配方”是怎么在沒有精巧設計的情況下編碼這種復雜生態適應能力的。這將是我們究明“配方”成分的關鍵。

在鉆研深刻理論時，我們常常需要深入挖掘這個理論的來龍去脈，要想精準掌握達爾文理論解決了何種問題也同樣如此。早在達爾文提出進化論之前數十年，就有一位名叫威廉·佩利（William Paley）的神學家清晰地闡述了問題的關鍵所在。生命如此完美地適應周遭環境，簡直就像是為了某個目的而特地被設計出來的一樣——就像工廠里生產的汽車。生命就同汽車、手機、手表一樣，外觀上具有“設計的特征”。你在沙灘上漫步時如果突然看到地上有一塊手表，那么你很可能會猜測，這塊手表一定是由鐘表匠這樣的“設計者”組裝起來的。然而，在地球誕生之初，根本沒有任何可能創造出生命的設計師、工廠，也沒有目的明確的設計流程，有的只是物質的基本組件，它們以沸騰冒泡的無定形化學物質濃湯的形式呈現。除此之外，別無其他。于是就有了前面提到的這個問題：生物，以及在生物DNA中編碼了生態適應能力的恢復力“配方”，是怎么在沒有設計者的情況下出現的？

佩利沒有想明白的一點是，其實根本不需要任何刻意的設計過程。構成物質的基本組件（比如簡單的化學物質）完全可以通過一種叫作“自然選擇”的無目的過程創造出動植物的生態適應能力。而這正是達爾文的偉大發現。自然選擇需要的只是時間和一些基本資源，比如簡單的化學物質等。這是一種不定向機制，卻可以在無設計的簡潔物理學法則框架下從無到有地創造出具有復雜的特定功能的生物體。

按照如今人們對達爾文理論的認識，進化論中有兩個關鍵概念。其一是復制因子，理查德·道金斯的著作《自私的基因》就非常清晰地闡明了復制因子在進化過程中扮演的關鍵角色。我們還是以細菌為例來闡釋這個問題。構造細菌的配方中的每一條指令都扎根在細菌DNA某部分的特定模式中，這個部分就叫作“基因”。而基因有一種特殊屬性：每當細菌細胞自我繁衍、創造出另一個個體時，基因的各種模式會先完成復制，接著，新細菌細胞的其余部分則在DNA配方的指揮下構建出來。既然這些基因擁有自我復制的能力，我們就稱它們為“復制因子”。順便一提，復制因子的復制過程是逐步完成的，是一個“逐字逐句”展開的過程，與古時候修道者手抄典籍的過程有點兒像。一旦復制過程開始，細菌內部還能以一套類似的工作流程來糾正錯誤。細菌DNA結構正是通過這整套流程在歷史長河中生存了下來：多虧了一代代的復制和細胞自帶的糾錯機制，細菌的DNA結構得以代代相傳，從而大大超越了細菌本身的生命周期。有意思的是，一代代細菌通過復制流傳下來的，是為基因編碼的特定模式，或者說基本指令：細菌每次復制時，物理形態都有可能發生改變，但它將自身的所有屬性以這種特定模式的形式保存了下來。這個過程可以類比抄寫員抄寫典籍時的情況：記錄文字的墨水和紙張可以不同，但只要沒有抄寫錯誤，文字本身應當與原來一模一樣。也就是說，這類模式具有一種特別的反事實屬性：從某個物理載體轉移到另一個物理載體時，它們可以保留自身的所有特性，從而形成一種特殊的“信息”——關于信息，我會在第3章中給出更準確的解釋（當然是以反事實屬性為基礎）。

因此，我們在周遭動物身上看到的那種擁有恢復力的配方一定是由某種信息構成的。要理解具體是何種信息，就必須考慮達爾文理論中的第二個關鍵概念了，即變異和選擇。

我們還是以細菌為例。既然物理學法則是無設計的，那么，細菌一代又一代的復制過程就完全可能因為與環境發生相互作用而出現錯誤，這就導致復制基因出現了無目的的變化（也即“變異”）。如果這種錯誤發生的頻率恰到好處——既不太頻繁，又不太稀少——就可能在新形成的細菌細胞中產生編碼某種不同特征的基因變體，也即產生了新配方。有的時候，這種改變讓擁有這種基因變體的細菌個體可以更好地適應環境、變得更加成功，從而保證了這種基因變體及其編碼的新配方可以延續下去，并擠占其他基因的生存空間。在這種環境下，不那么成功的基因變體會在與成功基因變體的競爭中敗下陣來，最終走向消亡。這個現象就是“自然選擇”。這種無目的過程的產物可以優雅如蝶翼，迅捷如黑豹。各種生物的出現并非由于什么設計者的存在，只是因為具有復制能力的分子在不斷復制而已。

自然選擇正是解釋“為何現存配方中的信息值得特別關注”的關鍵所在。由于自然選擇是無目的的，只有極少數變化有價值，能夠產生可以自我延續下去的復制基因，大多數變化都是無價值的，最終結局只能是消亡。舉個例子，對于在由深色樹木組成的森林中生活的飛蛾來說，它們體內編碼翅膀顏色的基因只有發生特定的某些變化才有積極意義，比如能讓它們的翅膀顏色更接近樹木顏色的變化，因為這樣就能給它們提供保護色，讓它們更容易逃脫捕食者的追捕。那么，區分有益變化和無益變化的又是什么呢？是一種特殊的信息。這種信息可以讓自身在物理系統中具象化，是一種具有恢復力的信息。

我把這種具有恢復力的信息稱為“知識”（我會在第5章中全面論述其含義）。對于適應環境的過程而言，這是一種關于周遭環境特征的知識，比如森林里的樹都是深色的。從這個意義上講，這種知識并不非得被某個人、某個動物知曉——飛蛾不需要知道自己的翅膀是深色的。這種知識僅代表了一種特定的信息，也就是我們前面說的可以讓自身在物理系統中具象化并存續下去的那種信息。就飛蛾的這個例子來說，這種信息實現具象化的手段就是在DNA中編碼環境的某些特征。而自然選擇就是一種通過對生態適應性特征的無目的選擇，在偶然間創造出知識的過程。這種過程沒有方向性、沒有目的性，但只要有足夠長的時間和足夠多的遺傳資源，就能讓事物變得看上去像是刻意設計出來的一樣，雖然實際上根本不需要設計師。

我在前文中還提到了另一種配方，就是延續人類文明的那種配方，它們編碼了如何構建宮殿、工廠、汽車、機器人等人類智慧的結晶。

這類配方中也含有信息。這些信息也同樣可以代代相傳、永生不滅，依托的物理介質包括人類大腦、紙張、書籍、文檔、歷史記錄、科學論文、會議紀要、網絡等。不過，這類知識的源頭并非自然選擇，而是人類的思考，并且其應用范圍超越了直接源于自然選擇的那類知識。

正是通過這類知識，人類才得以建設出不斷進步、成長的文明——哪怕這個文明也經常犯一些大錯。這類知識中包含了人類的思想果實，它們就是夢的料子。不過，這類知識并不像普洛斯彼羅認為的那樣會如淡煙一般逐漸消散，相反，它們才是獲取恢復力的關鍵。實際上，普洛斯彼羅的獨白中蘊含的知識就一直流傳到了今時今日。因此，知識才是這個宇宙中恢復力最強的事物。

既然知識在復雜對象的存續中扮演了如此重要的角色，那么就很有必要深入了解新知識是怎么從我們的腦海中誕生的。好在，哲學家卡爾·波普爾早在20世紀中葉就闡明了這個過程。他提出，知識的誕生總是始于問題——我們可以把這里的“問題”看作關于現實的不同觀念之間的沖突。波普爾對知識的這種觀點對意見沖突給出了相當積極、正面的詮釋。矛盾就是問題，但幸運的是，問題可以帶來新發現。舉個例子，作家在寫作時，頭腦中會有這樣的觀點沖突：一方面，他非常想要運用一些優雅、華麗、抒情的辭藻（文學性）；另一方面，他又覺得有必要用扣人心弦的情節維持讀者的注意力（故事性）。他必須想辦法兩者兼得，但在某些情況下，這兩者就是無法共存。例如，一大段描述美景的華麗辭藻就完全滿足前一個標準，但也同樣可能導致讀者扔下書本、打開電視，因為這種寫景明顯拖慢了故事情節的推進。要解決這樣的問題，就必須開發一些新知識。

首先，這位作家得構思出幾個他認為可行的備選方案——大致就相當于自然選擇中復制因子的變異。他既可以把這些方案寫下來，也可以只是放在腦海里，抑或是兩者兼用。值得注意的是，這些備選方案或許到處都是錯漏，甚至造成比原來還糟糕的結果。于是，作家就得轉入第二階段：批判。批判就是一個尋找錯誤、糾正錯誤的過程，目的是為了改進方案——相當于自然選擇。有的時候，這個過程不自覺地就發生了，完全沒有引起我們的注意，因而讓我們覺得好想法都是憑空產生的一樣，但實際上，批判過程確實發生了。一般來說，作家總是會拋棄無數個版本的草稿，直到最終產品能夠兼具文學性和故事性。如果上述構想—批判的方案奏效，那么最后的作品就可能擁有杰作的標志性特征：已經很難在文學性和故事性兼備的硬性要求下，進一步修改它了，因為它就是在無數不那么符合標準的版本基礎上反復修改而成的。因此，文學杰作都含有新知識：它應當為人類銘記，應當被翻譯成各種語言，應當千秋萬代代代相傳，只要文明仍舊存在，它就能讓各個年齡段的人都從中獲益。正如莎士比亞在十四行詩第18首中所說：

只要人眼能看，人口能呼吸，

我詩必長存，使你萬世流芳。

這種嘗試修改的過程并不一定就能成功。由于物理學法則是無設計的，自然也沒有任何人可以保證，通過構思和批判就一定能取得進步，但這么做確實可以帶來進步。同樣的道理，一種看似不錯的針對某個問題的解決方案，可能會在后續階段慢慢變得不再那么合適。舉個物理學領域的例子：牛頓的引力理論在誕生之后的近三個世紀中大獲成功，它解釋了包括行星運動在內的諸多現象，但后來，物理學家就慢慢發現引力理論也存在缺陷，而愛因斯坦的廣義相對論是更好的理論。絕對的真理并不存在：再好的解決方案都可能包含某些差錯。這個原理的基礎其實是易謬主義，它是波普爾解釋理性思考的一大支柱。易謬主義告訴我們，即便我們目前對找到的某些問題的解決方案很是滿意，未來也仍舊有可能對其進行批判，從而使進步成為可能。這就給理論、故事、藝術和音樂的不斷進步留下了空間。此外，易謬主義還告訴我們，差錯才是最值得尋找的東西。我們只要還希望取得進步，就應該盡可能多、盡可能快地找到差錯。

到目前為止，我已經解釋了“配方”才是獲得恢復力的關鍵，且“配方”由特殊類型的信息——知識——構成，而知識擁有一種使自身不斷延續下去的能力。此外，我還解釋了兩種已知的知識生產過程：一是人類思想中的構思與批判，二是自然界中的變異和自然選擇。

有一點需要強調一下：物理學定律允許但不保證知識的創造。因此，知識的生產過程也可能會在某些時間段停滯。例如，自然選擇有時就會停滯不前——這會導致像生命大滅絕這樣的事件（地球在史前冰河時代就經歷過數次生命大滅絕）。這主要是因為自然選擇不像構思和批判那樣可以跳躍式發展。一個配方要想產生高恢復力配方，它本身也必須具有高恢復力。也就是說，它必須編碼某種成功的變異特征，因為只有這樣，才能讓攜帶這種配方的動物生存足夠長的時間，從而通過繁衍進一步創造出具有更高恢復力的配方。然而，有些編碼了成功變異特征的可靠高恢復力配方可能永遠無法通過這種方式產生，因為產生這類配方的前提是存在一系列低恢復力配方，而這個前提是不可能實現的，因為攜帶低恢復力配方的動物肯定比較短命，因而無法把這些配方傳給下一代。

另一方面，人類的思維過程卻可以跳躍式發展。我們都非常清楚，好想法的前提條件并不一定全部是同樣可靠的好想法。不過，饒是如此，人類思想中的知識創造過程也同樣可能陷入停滯。無論是個人，還是整個社會，都應該警惕，不要進入這樣的知識創造停滯階段。教條主義強加的各種不可改變的限制尤其不利于知識的創造，因為這大大限制了我們構思和批判的能力。

在過去幾個世紀里，知識創造的偉大事業一直在不斷蓬勃發展，產生了藝術、音樂、文學領域的諸多杰作，也產生了無數強大、有效的科學理論。回望過去，我們欣慰地看到，人類文明自誕生以來，始終在不斷進步。展望未來，至少有數個領域仍存在巨大的進步空間，尤其是在當前的背景下，人類正面對諸多緊急重大問題——比如與氣候變化相關的議題，以及醫學領域與宏觀經濟領域出現的諸多有待解決的難題。

不過，如果把鏡頭拉遠，從更廣闊的視角看待知識創造的世界，我們就會發現基礎科學領域（特別是物理學領域）的景色大為不同。物理學內部出現了一條邊界，這條邊界影響并限制了構思和批判的途徑，它從一開始就把特定類型的解釋排除在允許范疇之外，這類解釋便是涉及反事實屬性的解釋。這條邊界產生的原因在于一種已經悄無聲息地存在了一段時間卻幾乎沒人注意到的現象——就像是船只的吃水線以下有一個不起眼的小洞，導致不停地有水滲入船內。至于這個現象究竟是什么，我們必須從它的源頭說起，也就是從物理學的開端說起。

說起來也是有些諷刺，這種限制了物理學發展的現象竟然源自物理學本身。要知道，物理學就是“思考孕育知識，促進人類社會快速進步”的最好例子之一。基于中小學里教授的物理學課程，物理學乍看之下似乎只是一些解決各種不相關問題的工具。這些問題就是你在學校每周物理學測驗中經常遇到的那些：從特定高度的樹上落下的蘋果在空中的下落時間是多少，以特定流速流動的水注滿特定體積的浴缸需要多長時間，等等。相較于其他學科，比如文學和哲學，物理學似乎和深刻的事物毫無關系。畢竟，有誰會關心蘋果是怎么從樹上掉下來的？把目光集中在這樣的現象上，是不是太過狹隘了？

然而，這樣的第一印象與事實相差甚遠。物理學是一場令人眼花繚亂的煙火表演。它深刻、美麗、富有啟發性，也是無窮樂趣的源泉所在。我們在不斷填補過去認知空白的過程中認識現實，而物理學解決的正是我們在這個過程中遇到的各種問題。物理學的意義可不只是解決蘋果下落過程的具體計算問題。最重要的，是這個現象背后的詮釋，它主宰了一切運動——蘋果從樹上落下的運動，本質上和太陽系內的行星運動，以及宇宙中其他天體的運動，都是一樣的。物理學解決的問題看似令人眼花繚亂，背后卻包含著解釋。它向我們揭示了此前未知并且與直覺大相徑庭的原理，令我們大吃一驚。前文中也提到，問題總是與世界觀之間的矛盾或沖突相關。例如，過去，人們認為地球是宇宙的中心，但這個觀點與各類觀測事實（如恒星和行星、月亮的運動）產生了不可調和的矛盾。正是這種矛盾促使哥白尼和伽利略提出，太陽才是太陽系的中心，地球不是。哥白尼革命就是一場令人震驚的世界觀的改變。正是因為有了這場思想上的革命，我們才得以在天文學和天體力學領域取得巨大進步，并一步步地建立了如今的空間探索事業。

在解決這類問題的過程中，物理學家逐漸發現了一個令人完全意想不到的世界，并且從更深的層次向我們講述了有關事物本質的故事。這些層次是我們的感官無法直接觸及的，但我們的思維可以借助各種解釋將其具象化。

在如今的物理學中，所有解釋都包含一些基本元素，物理學對物理現實的解釋正是以這些元素為基礎。黑暗的夜空就是這方面的一個完美例子。夜空為什么是黑暗的？要想解釋這個客觀事實，就要涉及很多連提問者都未曾想到的內容，比如光子的性質、宇宙在膨脹的事實，等等。單純考慮夜空，實在是很難聯想到這些元素，但它們的確就是夜空呈現出我們看到的這種樣子的原因。從這個角度上說，物理學的解釋就是基于大部分看不見的元素來闡述我們看得到的現象。

從原理上說，我們完全可以一層又一層地深入挖掘越來越基本的元素，這方面沒有任何限制。畢竟，構成物理學解釋的基本元素也總是能用其他物理實在進一步解釋，因而可以不斷深入下去。不過，深層次的解釋有時候會與淺層次解釋大相徑庭。例如，有那么一段時間，物理學界認為粒子就是物理現實的終極元素——所謂粒子，就是一些能通過力隔空相互作用的微小離散物質團塊。然而，后來，這種粒子觀被場的概念推翻了。物理學中的場以一種連續（區別于離散）的方式滲透到萬事萬物中。如今，物理學家認為粒子是場的激發，或者說場的漣漪。然而，從原理上說，場也可以進一步分解成更深層面上的元素——這就會開辟一種更為基礎的全新物理現實詮釋。對我們來說，這似乎很難想象，但我們必須做好準備去想象比場更基礎的物理實在，因為物理學遲早會出現更為基礎、更為深入的解釋。因此，科學知識的結構其實就是對現實的不同層級的詮釋。其中的各個層級有時可以是獨立的，也即無須參考其他層級的詮釋，僅在本層級內部討論也仍舊成立。舉個例子，如果你現在想要描述某些簡單的力學相互作用，比如兩個剛性球體的碰撞，也仍舊可以從粒子的角度出發，無須考慮場那個層級的詮釋。另外，沒有哪個層級是詳盡無遺的，要想全面認識物理現實，它們都不可或缺。

在物理學中，知識創造過程最常產出的是能夠解決特定問題的知識，比如解釋天空在夜里為什么是黑暗的、為什么太陽每天都是東升西落，等等。這種解決問題的過程時不時地會催生出全新的物理學理論，比如牛頓力學、廣義相對論和量子理論。這些罕見的事件產生了重大影響，徹底改變了我們看待世界的方式，人們往往要花費數十年才能徹底吸收并消化這巨大的理論變化。此外，新物理理論的理論及實際內涵往往要在理論提出之后很長一段時間才能明確。舉個例子，GPS（全球定位系統）借助一個圍繞地球運動的衛星網絡，為我們的手機、汽車等設備提供了有關位置和時間的準確信息。乍一看，這和愛因斯坦的廣義相對論沒有任何聯系，然而，GPS實際上與廣義相對論描述的現象直接相關。因此，只有在建立廣義相對論之后，我們才能開發出GPS，“能開發出GPS”是廣義相對論帶來的一種反事實屬性。

這就是為什么新的物理理論要比特定問題的解決方法更加重要。真實的物理學法則約束著宇宙中的萬事萬物，而物理理論就是一種試圖盡可能接近真實物理學法則的推測性解釋。如果你要求物理學家寫下我們目前了解的物理學法則，他們很可能會先寫下一大串方程，比如E=mc2。但接著，他們又會重新思考，會開始用語言解釋方程中出現的各種符號，比如E代表能量，m代表質量，c代表光速，等等。他們還會向你解釋能量、質量、速度、光到底是什么，這一切的一切就是那些方程表達的物理理論的核心內容。方程與解釋，這兩者有機結合，缺一不可：沒有對應的解釋，方程就變得空洞、無意義；沒有方程，解釋就變得太過模糊，無法應用。因此，物理理論不只是一個個像E=mc2這樣的方程，也不只是它提出的所有可檢驗預言。物理理論是一種推測性解釋，包含了對E、m、c這樣的符號以及它們之間聯系的詳細描述。這一點對無法直接測量的事物（比如“時空幾何”）也同樣適用，這類概念雖然不像光速那樣可以直接測量，但對解釋方程（方程也與理論預言直接相關）背后的含義也至關重要。

在實踐中，物理理論要想成為可靠的解釋，必須至少擁有某些能保證它們沒有基本缺陷的特質。首先，物理理論必須是精確的。這里所說的“精確”，并不是指用數學語言精準描述，或是類似的事情，而是指物理理論的表述準確性不應該受到任何限制。簡單來說就是，物理理論的表述不應該有任何含糊其詞之處。舉一個例子，假如有兩份制作蛋糕的配方，一份要求你往碗里放100克左右的糖，另一份要求你放100克糖。前者就是一種近似描述，100克左右意味著99克或者101克可能都沒問題；后者是精確描述，意味著多一克少一克都不行。近似描述會讓人產生疑惑。例如，有人看到放100克左右的糖這種說法，就會發問：為什么是100克左右，不能就是精確的99克？和這種模糊配方一樣，物理理論要是對物理現實解釋得含糊不清，也會帶來很多問題。牛頓力學就是一種精確描述的物理理論。借助這個理論，我們只要知道蘋果何時、何地、以何種初始速度從樹上掉下來，就能準確地預測它落到地上的位置和時間。此外，牛頓力學還是一種適用性最為廣泛的理論，也就是說它具有普適性。所謂“普適理論”，就是指這種理論的應用范圍沒有任何局限。牛頓理論不僅適用于地球上的蘋果，也同樣適用于火星上的蘋果，適用于宇宙其他任何地方的蘋果和任何事物。另一方面，那些不具普適性、只能應用于某些尺度或某些領域的物理理論本身就多少有些問題，因為這種理論還必須解決這樣一個問題：為什么它只能在這種尺度或這個領域內成立，對其他尺度或其他領域就不成立了？

因此，在我們認識物理現實的過程中，物理學正是通過解決一個又一個階段性的小問題，最終找到精確的普適理論的。正如我將在第2章和第7章中介紹的那樣，這類理論還必須是可檢驗的。只有這樣，我們才能將它們與現實情況做比較，從而發現潛在的錯誤。

按照易謬主義的觀點，必須指出，前面所說的“精確”完全不是“正確”的意思。人類構思的任何暫時似乎奏效的物理解釋，都有可能在未來的任意時刻被證偽。我前面提到，牛頓引力理論后來被量子理論和廣義相對論取代了，這就是絕好的例子。我們永遠都無法知曉自己構建的物理理論是否完全正確，我們只能說，到目前為止，沒有證據證明它錯誤。這聽上去確實會讓人有些不安，卻也是關于知識創造方式的一個極有意思的方面。另外，正如我之前所說，它也是通過批判可能取得進步的核心所在。

說到這里，我們已經往那條排斥反事實屬性的有害邊界的方向前進了一步。不難想象，構建物理學解釋有許多方法。但是，究竟有多少？不知道，可能有無限多。牛頓理論的解釋模式有一個鮮明的特點：它僅限于解釋宇宙中發生的現象，基礎則是兩個基本元素——其一就是物理學術語中的“運動定律”，即告訴我們系統如何在空間和時間中運動（物理學家稱其為“動力學”）的那些規則；另一個就是這類運動的初始條件。舉個例子，只要給定蘋果的初始條件（蘋果開始運動的特定位置以及初始速度），就能運用牛頓運動定律預測它之后發生的一切。系統在運動時經過的一個個點的集合就叫作“軌跡”。想象一下對墻打網球時的場景，在球離開球拍之后，我們可以畫出一條表示球后續運動位置的假想線，這就是球的運動軌跡。只要有了初始條件，再借助運動定律，我們就能預測這條軌跡，無須切實觀察擊打網球的全過程。只要知曉球的初始位置和初始速度，我們就能借助運動定律計算出它的運動軌跡，從而準確預測它在后續每個時間點上所處的位置。

事實證明，這種基于已發生現象的解釋模式非常成功且影響深遠。借助這種模式，我們可以提出強有力的預測，接著用實驗加以檢驗，從而為進一步的構思和批判打下堅實基礎。盡管后來牛頓理論被證明不夠完善——例如，它無法解釋水星的進動現象——這種解釋模式也依舊取得了巨大成功。牛頓理論孕育了量子理論和廣義相對論，而它們正是人類目前解釋物理現實的最佳理論。到目前為止，這兩大精妙理論仍舊是由運動定律表述的，也就是說，如今我們使用的解釋模式仍舊是牛頓當年構建牛頓定律時用的那一套。

雖然這種解釋模式取得了巨大成功，但它已然產生了一些可能阻礙物理學進步的壁壘。物理學界形成了一種心照不宣的約定，我稱其為基礎物理學的傳統構想。這種構想認為，所有基礎物理學理論都必須以與宇宙中發生的現象有關的預言為基礎，通過初始條件（或者更一般意義上的補充條件）和運動定律來構建。于是，物理學不再是一個完全開放的領域，它只能去尋找僅以宇宙中已發生現象為闡述基礎、通過運動定律以及初始條件來構建的物理理論。于是，我們得到的有關物理現實的終極理論就會包含宇宙中所有基本粒子運動軌跡的集合（前提是它們運動的初始位置和時間已知）。當然，我們目前還沒有發展出這樣一種理論，但按照基礎物理學的傳統構想，這種理論就是對宇宙中一切重要之物的終極解釋。

基礎物理學的傳統構想豎起了一道堅實的壁壘，將基于反事實屬性的解釋擋在了外面。然而，仔細研究這種構想就會發現，它存在嚴重缺陷。首先，依靠初始條件和運動定律不可能解釋一切。舉個例子，即便我們建立了一套描述宇宙初始條件的合理理論，它本身也無法從初始條件的角度加以解釋。至少，這個理論從一開始就應該考量如果選擇其他初始條件會出現何種情況——這樣一來，它就是一種反事實解釋了！實際上，如何解釋初始條件的選擇正是基礎物理學中一個懸而未決的重要問題。另外，還有其他未解決的問題也同樣涉及反事實屬性，比如關于“物理學定律精細調節”的問題——保羅·戴維斯的作品《金發女郎之謎》（The Goldilocks Enigma）詳盡地闡述了這個問題。如果僅從宇宙中已發生的現象出發，是無法解決精細調節問題的，必須同時考慮如果物理學定律發生了改變，宇宙會是什么樣子，而這就必然涉及反事實屬性。另外，根據一個僅以給定初始條件為基礎構建的理論去解釋我們如今在宇宙中看到的一切，這本身就非常武斷。實際上，按照這種邏輯，只要知曉宇宙的最終狀態，再反向運用運動定律，也即“倒推”，就能描述宇宙中已經發生的一切（自然也包括我們現在看到的一切），根本無須預言各種事件目前及后續的狀態。

基礎物理學的傳統構想還有一個重大缺陷：它與我之前提到的理性思考支柱相沖突。所謂“理性思考”，就是通過構思和批判讓物理理論擁有可以改變和可以提升的空間。物理學的根本目標是解決問題，因此，它追尋的是一切可以檢驗的精確的普適定律，至于構建這類定律的解釋模式，物理學不應當做任何要求，只要合適即可。然而，傳統構想卻大大限制了物理理論的構建方式，從而也大大約束了我們思考的空間。總而言之，基礎物理學的傳統構想在物理學領域豎起了一道壁壘，嚴重阻礙了物理學進一步發展。在這種范式下，物理學只能研究那些完美符合傳統構想基本條件（基于初始條件和運動定律就能描述）的事物，至于不滿足基本條件的其他現象，就解釋得不那么令人滿意了。

不僅如此，基礎物理學的傳統構想還催生出了一種如今已經擴散到其他科學領域的方法論，也即“還原論”。還原論認為，在所有合理的解釋模式層級中，只有一種是最基本的，其他一切都可以通過某種方式還原到這個最基本的層級上來。根據目前的情況，這種解釋層級大概就是基本粒子或場以及它們的軌跡——前提當然是初始條件已知。然而，這種看待物理現實的角度未免太過狹隘。有很多問題是這種方法無法解答的，而且這些問題往往對我們全面認識各種物理現象起到了深刻且重要的作用。舉個例子，“為什么（計算機內）某個晶體管在某次計算后處于‘開’的狀態？”，這個問題至少有兩種答案。其一，這可能是因為計算機設定的初始狀態讓電子處于讓晶體管“開”的狀態；其二，這可能是因為計算機執行了一次相關運算，比如找出15的因子，而這個晶體管處于“開”狀態就是計算結果（3和5）的一部分。按照還原論的觀點，后面那種解釋就“不那么基本”，畢竟，在計算機運算中，“找到某個數的因子，無非就是計算機中的電流活動而已”。歸根結底，還原論認為沒有必要描述計算過程，哪怕部分還原論的支持者認為這的確是一種頗有助益的認識方式。然而，這當然是說不通的。要想全面認識計算機的運算，這兩種解釋都確有必要。它們代表了兩種不同的自洽解釋層級，且彼此無涉。無論忽視其中哪一種，都會錯失有關物理現實的某些關鍵信息。還原論之所以會阻礙物理學及科學整體的進步，就是因為它要求所有解釋都必須遵照某種預設的武斷標準——例如，還原論要求所有解釋都要從微觀粒子及其運動軌跡的角度出發。然而，在我舉的這個關于計算機晶體管的例子中，僅僅基于微觀粒子及其初始狀態（在這個例子中是指計算機中的電流）的解釋完全不足以讓我們全面地認識整個計算過程（找出某個數字的因子）。但還原論的支持者固執地認為，所有不符合他們預設的標準的解釋模式都應該摒棄。無論這種解釋涉及的是信息學、熱力學，還是創造力、人類意識，乃至科學領域之外的事物，只要不符合他們的標準，還原論者就認為它們是“模糊不清”的。這就導致了大受限制的狹隘科學觀。

事實情況是，的確存在無法用傳統構想全面解釋的物理現象。具體說來，有關這些現象的物理理論和解釋在使用傳統方法表達時只能無奈采用含糊不清的不精準形式。因此，如果固守傳統構想，顯然無法在科學層面上恰當地解釋這些現象。

用傳統構想無法恰當解釋的一個重要例子就是某些熱力學對象，比如與特定類型的能量轉換相關的一些物理量——在物理學中，我們稱其為“功”和“熱”。描述功如何轉化成熱、熱如何轉化為功的物理學定律正是熱機這樣的機械的理論核心，而熱機正是工業革命的基礎。然而，物理學界常常只把熱力學看作一種有用的近似，而非基礎物理學理論。按照這個觀點，功和熱就沒有進一步解釋的價值了，因為根據這兩個概念構建的精確理論不符合傳統構想，即無法在給定初始條件和運動定律的前提下陳述相關現象。于是，傳統構想索性放棄了對功、熱以及相關對象的精確認識，轉而宣稱對目前這種仍有問題的近似理論表示滿意。就像我在后文中介紹的那樣，這類理論的確非常有效，但只在特定場景下如此，比如在設計汽車和火車頭使用的熱機時。然而，仔細審視這些理論依賴的近似條件就會發現，當我們以基礎理論的視角看待這些條件時，它們就顯得不那么準確了。我會在第6章中闡述這些問題，并且介紹如何用反事實屬性解決它們。

推而廣之，按照傳統構想的觀點，任何不符合表達范式（基于動力學定律和初始條件給出的精確物理學理論）的現象或對象都應該被視作附屬現象，而非基本現象。科學哲學家稱這類對象為“突現”（emergent）對象，因為它們只在特定解釋層級上才有意義，而傳統構想認為這些層級并不是基本的。即便我們目前對這類對象的認識并不精確、尚有問題，傳統構想也督促我們繼續沿用這套認識，同時宣稱這些對象并非基礎物理學真正關心的內容。這種觀點的問題在于，要想全面認識某種現象，需要所有層級的解釋（想想我之前提到的計算機和工廠生產汽車的例子）。各個解釋層級就像蛋糕的分層一樣，只有它們整合到一起，才會好吃。要是無視蛋糕頂部的奶油、水果，直接從最底層中挖出一塊來吃，肯定無法品嘗到這個蛋糕的全部風味。而本書會引入反事實屬性，從而讓你一品整個蛋糕的風味。

那么，僅以傳統構想為基礎構建的物理學以及科學究竟損失了哪些內容？我來舉一個簡單的例子，你可以在這個例子里看到，傳統構想無法充分掌握某些屬性的本質。為了更好地說明問題，我得虛構一位技藝非凡的小說家。這位作家不僅對自己的作品十分上心，而且為人慷慨大方，非常樂意在其他作家的作品中擔任主角。為了方便討論，我們還得假設他是有史以來最好的小說家，并且喜歡手寫作品——用他那支綠色的圓珠筆。作為一名高產作家，他總是會在身邊帶些白紙，以便靈光乍現時能及時記錄下來。此外，他書桌里還有一個專用的秘密抽屜，儲存了一大摞白紙，以備不時之需。也就是說，這位作家或許一輩子都不會用到這摞白紙，這些紙永遠都是空白。從原理上說，基礎物理學的傳統構想可以根據宇宙的初始條件和運動定律預測到這個結果。然而，這些紙的最重要屬性并非它們是不是空白的，而是它們上面可以寫字。這才是最重要的屬性，因為這解釋了為什么作家要如此精心地將其保存在專用抽屜里，以及為什么它們會處于空白狀態。可是，傳統構想根本無法凸顯這種關于白紙上可能發生什么的屬性。這就是一種反事實屬性：正如我之前介紹的，它關乎的是可能發生什么，而非現狀是什么。基礎物理學的基本構想根本不可能體現反事實屬性，因為它堅持要求僅基于初始條件和運動定律來解釋宇宙中已發生的事，并預測將要出現的情況——也就是只關心蘋果或電子的運動軌跡，同時忽略其他層面上的解釋。然而，要想全面認識物理現實，所有層面上的解釋都是必要的。忽略其中任意一部分都會導致某些重要信息的缺失。

再來舉一個簡單的例子：一個通過口口相傳就能在一代代人中流傳下去、不需要文字記錄的小故事，就假設是一個古希臘神話故事吧。故事的內容是這樣的：雅典國王埃勾斯之子忒修斯準備去克里特島擒殺牛首人身怪彌諾陶洛斯。臨行前，忒修斯和年邁的父親約定：如果他打敗了彌諾陶洛斯，那么船隊返航時就升起船上的白帆；如果他不幸戰敗身死，就升起黑帆。接著，忒修斯就出發了，并且最終打敗了彌諾陶洛斯。可是，返航途中，各種各樣的事讓忒修斯分了心（尤其是因為他的未婚妻阿里阿德涅可能也在船上！），導致他忘了讓船員們升起白帆。結果，站在雅典最高塔樓上的老國王埃勾斯看著不斷駛近的船只上掛著黑帆，很自然地認為兒子戰敗身死了。傷心欲絕的他投海溺死，因為這個悲劇，這片海域也由埃勾斯的名字（Aegeus）得名為“愛琴海”（Aegean）。

現在，再假設由我們的那位大作家來講述這個小故事，但有個限制：他只能以確實發生的情況來描述這個故事，也即完全不能涉及反事實屬性。具體而言，他不能提及與物理系統可能或不可能出現的變化有關的屬性。

事實證明，這個任務不可能完成。忒修斯的這個故事要講得通，要傳遞出本身蘊含的所有含義，船的兩大屬性就不得不提。其一，船可以發送某種信號，在這個故事中是兩種狀態之一——升白帆或升黑帆。其二，升白帆或升黑帆的這個信息可以通過某種方式復制到某些物理系統中，比如埃勾斯的眼睛和大腦。這種可復制屬性告訴我們，船上的帆含有信息（就像前面提到的生物的復制因子一樣）。

這兩個屬性，就像白紙的屬性一樣，都是反事實屬性。因此，在傳統構想的限制下，根本無法體現這個古希臘神話的全部含義，即便是有史以來最好的作家也不行！

同樣，局限于傳統構想限制條件之下的物理學也缺失了與物理現實相關的一些必要內容。要知道，反事實屬性絕不是物理屬性中的奇珍異寶，它們非常常見，更是認識許多物理現象（這些現象目前為止被學界主流觀點貼上了“突現”“非基本”等標簽）背后重要原理的關鍵所在。秉持傳統構想的物理學界已經放棄了通過精確的普適定律準確認識這些現象的希望。但我在前文中已經介紹的多個例子表明，那些對我們認識現代生活中的現象至關重要的屬性都是反事實屬性：復制因子可以讓自己被復制；看似精心設計的結果其實與特定原子集合在得到恰當輸入時可以做什么有關；而恢復力代表的則是系統保存自身的能力。信息則是另一種在人類現代技術中扮演重要角色的反事實屬性，它與復制特定模式的可能性有關。知識對認識人工智能這樣的現象至關重要，它也由一種反事實屬性定義：知識就是能始終維持自身存在的信息。另外，我隨后會在第6章中解釋，功和熱這兩個熱力學概念——這兩個概念是我們認識宇宙不可逆性和能量轉換現象的關鍵——也與反事實屬性相關。即便是像量子計算這樣奇異的過程（我會在第4章中介紹這個問題），其本質也與物理系統的許多精確反事實屬性相關。我們現在一提到量子現象，往往會覺得它們很神秘，甚至有點兒驚悚，但事實遠非如此，與量子現象緊密關聯的反事實屬性其實完全可以被精確表達并理解。

讀完本書，你就會知道，以反事實屬性為基礎構建精確的普適定律完全是可行的。這是一種與傳統構想完全不同的解釋模式，關注重點在于何種現象可能發生、何種現象不可能發生。在后續章節中，我們將一起探索這種關于可能與不可能的科學，看看它究竟是怎么運作的，是怎么用精確的定律解釋那些傳統構想壓根兒無法解釋的存在的。至于如何建立這種關于可能與不可能的科學，那是另一個故事了。未來我們是否有機會講述這個故事，以及這個故事會有多精彩、有多強的恢復力，則取決于我們未來能開發出何種“夢的材料”，也就是取決于我們自己。